Riassunto Psicobiologia L. 4

Capitolo 2 – Neuroni e cellule gliali

L’istologia riuscì ad osservare i tessuti cerebrali solamente dopo la scoperta del "colorante di Nissl", ovvero dopo la dimostrazione che, con una classe di tinte di base, si potevano colorare i nuclei di tutte le cellule e dei gruppi di materiale che gli circondavano (questi si chiamano "corpi di Nissl"). L’utilizzo del colorante è utile sia per distinguere i neuroni dalle cellule gliali, sia per lo studio della cito-architettura dei neuroni delle diverse parti del cervello.

Camillo Golgi, però, scoprì che il neurone era composto da più parti rispetto a quelle evidenziate da Nissl: infatti la regione rigonfia contenente il nucleo, il soma (o corpo cellulare, o pericario) era quello che Franz Nissl riteneva il neurone, al quale vanno aggiunti i neuriti, tubicini che si irradiano dal soma e che si dividono in assoni (lunghi e che trasmettono i messaggi di output del neurone) e dendriti (corti e riceventi il messaggio di output dei neuroni vicini).

Santiago Ramon y Cajal dimostrò che, al contrario di quanto sosteneva Golgi, i neuroni dovessero comunicare per contatto e non per continuità, dando vita alla teoria del neurone (valida ancora oggi).

Il soma

È la parte centrale del neurone, ha una forma approssimativamente sferica, con un diametro di circa 20 µm. Il fluido acquoso interno (soluzione salina ricca di potassio) viene detto citosol, separata dall’esterno dalla membrana neuronale. Inoltre, sono presenti, all’interno della membrana, tutti gli organuli delle cellule animali.

Il nucleo

È sferico, misura circa 5-10 µm ed è posizionato centralmente nel soma. È ricoperto dalla membrana nucleare, la quale a sua volta è ricoperta di pori di circa 0,1 µm di larghezza. Al suo interno si trovano i cromosomi, i quali contengono l’acido desossiribonucleico (DNA). Il DNA presente nei neuroni è lo stesso che ritroviamo all’interno dei reni e del fegato, tranne che per la presenza dei geni.

La lettura del DNA è detta espressione genetica e si conclude con la sintesi proteica, all’interno del citoplasma. Dato che il DNA non lascia mai il nucleo, il suo messaggio è trasportato dall’acido ribonucleico messaggero (mRNA), costituito da quattro differenti acidi nucleici. Questo viene costruito attraverso la trascrizione dell’informazione dei geni e l’mRNA viene detto trascritto.

Ogni gene è costituito da una regione specializzata (situata ad una delle due estremità), detta promotore, dove l’enzima che sintetizza l’RNA (RNA polimerasi) si lega per avviare la trascrizione; il processo di trascrizione è regolato da delle proteine dette fattori di trascrizione.

Il DNA viene diviso in esoni (regioni codificanti) e introni (regioni non-codificanti). Se i primi trascritti contengono sia esoni che introni, nei successivi viene applicato il processo di splicing, ovvero la rimozione degli introni e la “ricucitura” degli esoni.

Infine, dopo lo splicing, le copie di mRNA escono dal nucleo, attraverso i pori della membrana, per andare a completare la sintesi proteica. Le proteine vengono costruite con l’assemblaggio degli amminoacidi, attraverso un processo di traduzione.

Il reticolo endoplasmatico (RE)

RE rugoso: gruppi racchiusi di membrane ricoperti dai ribosomi, ovvero delle strutture globulari di circa 25 nm di diametro. Il RE rugoso è anche detto corpo di Nissl, in quanto era la struttura che si riusciva ad osservare con il colorante. Questo organulo è il sito della maggior parte della sintesi proteica neuronale, infatti gli mRNA si legano ai ribosomi, effettuano il processo di traduzione e assemblano la nuova molecola. La traduzione può anche essere effettuata nei poliribosomi, ovvero dei ribosomi che non sono attaccati all’RE ma sono collegati ad esso a un frammento di mRNA, da cui effettuano la traduzione.

La differenza fondamentale è che il processo di traduzione che avviene nei poliribosomi avrà come destinatario il citosol del neurone mentre se avviene sull’RE avrà come destinatario gli altri organuli.

• mRNA → Traduzione sull’RE rugoso → Proteina destinata a Membrana Cellulare o ad altro organulo
• mRNA → Traduzione nei Poliribosomi → Proteina destinata a Citosol nucleare

RE liscio: all’interno del citosol rimanente troviamo gruppi di organuli membranosi, molto simili al RE rugoso ma sul quale non ci sono ribosomi. Il compito di questi gruppi è piuttosto eterogeneo ma sembra che i due compiti principali siano il dare tridimensionalità alle proteine che sporgono dalla membrana e la regolamentazione delle concentrazioni interne di sostanze come il calcio.

Nel soma l’insieme delle membrane più lontane dal nucleo è detto apparato del Golgi, al quale sembra affidata la selezione delle proteine destinate a dendriti e assone.

Il mitocondrio

È un organulo presente in grandissima quantità nel soma, misura circa 1 µm di lunghezza. All’interno di esso troviamo delle ripiegature membranose dette creste, all’interno delle quali si trova uno spazio detto matrice. I mitocondri sono la sede della respirazione cellulare, dove vengono inspirati acido piruvico e ossigeno. L’acido entra all’interno di una complessa serie di reazioni biochimiche detta ciclo di Krebs, dal quale viene aggiunto fosfato all’adenosindifosfato (ADP), creando in questo modo l’adenosintrifosfato (ATP), ovvero la moneta di energia cellulare, utilizzata per il funzionamento della maggior parte delle reazioni neuronali. Con l’espirazione vengono liberate 17 molecole di ATP per ogni molecola di acido piruvico inspirata.

• Inspirazione: Acido Piruvico + Ossigeno
• Ciclo di Krebs: 17 molecole di ATP*ogni molecola di Acido Piruvico
• Espirazione

La membrana neuronale

È la barriera che contiene il citoplasma all’interno del neurone, è spessa circa 5 nm ed è costellata di proteine. La sua funzione è quella di trasferire i segnali elettrici attraverso cervello e corpo.

Il citoscheletro

Il citoscheletro dà al neurone la forma caratteristica ed è considerabile come l’impalcatura del neurone. Non è però una struttura statica ma dinamica, in continuo movimento. Le “ossa” sono:

• Microtubuli: 20 nm di diametro, composto attraverso distribuzione longitudinale, verso neuriti; costituiti da parete, costituita a sua volta da “cavi” più piccoli, composti da tubulina (proteine). MAP (proteine associate a microtubuli), fondamentali per unione tra microtubulo e altre parti del neurone. [Modificazioni MAP assonale (tau) possono portare a demenza]
• Microfilamenti: 5 nm di diametro (stesso della membrana), presenti quasi ovunque, composti da “trecce” di polimeri di actina, costantemente sottoposti ad assemblaggio e smontaggio da parte del neurone
• Neurofilamenti: 10 nm di diametro, esistono in tutto il corpo (ma solo in neurone sono detti neurofilamenti), costituiti da molteplici subunità, subunità è composta da tre cavi proteici tessuti insieme. Cavi sono composti da lunghe molecole proteiche, molto solidi dal punto di vista meccanico

L'assone

L’assone è una struttura che si può ritrovare unicamente nei neuroni ed è specializzata nel trasporto delle informazioni all’interno del sistema nervoso. Le differenze principali dal soma sono la composizione della membrana e la totale assenza di RE rugoso, che causa la mancanza di sintesi proteica e la dipendenza dalla parte centrale del neurone.

L’assone è collegato al neurone attraverso il cono di integrazione e si estende per una distanza che può variare da 1 mm a 1 m, con un diametro che va da meno di 1 µm a 25 µm (maggior diametro=maggior velocità di trasmissione info). Gli assoni collaterali sono una ramificazione del corpo centrale. Nel caso in cui un assone efferente (che si allontana) si ramifichi, il collaterale “tornerà indietro”, diventando un afferente (che conduce) della cellula o dei dentridi delle cellule vicine, diventando un assone collaterale ricorrente.

La conclusione dell’assone è detta bottone terminale. È un disco rigonfio ed è il luogo nel quale entra in contatto con le altre cellule. Il punto di contatto vero e proprio è detto sinapsi, questo fenomeno avviene in due casi:

• Per arborizzazione dendritica: è il termine utilizzato per indicare le numerose ramificazioni presenti nelle parti finali di un assone.
• Per bottone sinaptico.

In entrambe le possibilità quando avviene la sinapsi, il neurone dà l’innervazione.

La differenza citoplasmatica tra assone e terminale assonico:

• Il terminale non possiede microtubuli
• Il terminale contiene le “vescicole sinaptiche” (piccole cavità membranose)
• Il terminale possiede molti mitocondri, richiede molta energia
• La superficie interna della membrana che è posta davanti alla sinapsi è densa di proteine

La sinapsi è divisa così:

• Parte pre-sinaptica: il terminale assonico
• Spazio intersinaptico: lo spazio tra le membrane
• Parte post-sinaptica: il dendrite o il soma di un altro neurone

Percorso dell’informazione: sotto forma di impulsi elettrici viaggia per l’assone, fino all’arrivo nella parte terminale elettrica (membrana pre-sinaptica).

• Viene convertita in un segnale chimico che attraversa lo spazio intersinaptico. Il segnale è detto chimica e viene utilizzato dalle vescicole sinaptiche. Neurotrasmettitore
• In membrana post-sinaptica il segnale ritorna ad essere elettrico. Elettrica

Trasporto assoplasmatico: Dato che l’assone è caratterizzato dall’assenza di ribosomi, questi non possono sopravvivere senza il corpo cellulare dal quale si originano (il fenomeno di degenerazione è detto degenerazione walleriana).

Il verificarsi della degenerazione è imputabile al fatto che viene interrotto il normale flusso di materiali (detto trasporto assoplasmatico). Il materiale viene incapsulato all’interno delle vescicole e si muove attraverso i microtubuli dell’assone, grazie all’ATP. Il movimento può essere anterogrado, quando viene portato avanti dalla chinesina e si muove dal soma al terminale; oppure può essere retrogrado, quando viene portato avanti dalla dineina e si muove dal terminale al soma.

I dendriti

L’insieme di tutti i dendriti presenti viene detto albero dendritico e ciascun ramo è detto ramo dendritico. Siccome i dendriti ricoprono la funzione di “antenne” del neurone, sono ricoperti dalle sinapsi e la membrana post-sinaptica che li ricopre possiede parecchie molecole di proteine specializzate dette recettori, che percepiscono il neurotrasmettitore nello spazio intersinaptico. Inoltre, sono presenti le spine dendritiche, le quali percepiscono alcune tipologie di input sinaptico.

Tipologie di neuroni

Tipologia di classificazione

• Sul numero di neuriti (assoni+dendriti) che si estendono dal soma
  • 1 neurita = unipolare
  • 2 neuriti = bipolare
  • 3+ neuriti = multipolare
• Sui dendriti: distinti grazie alla diversa struttura dell’albero dendritico
  • Cellule piramidali (struttura a piramide)
  • Cellule stellate (struttura a stella)
  • Spinosi (se possiedono spine)
  • Non-spinosi (se non le possiedono)
• Sulle connessioni: attraverso la tipologia di connessione
  • Connessione con sistemi sensoriali (pelle, occhio, ecc.) = neuroni sensitivi primari
  • Connessione con muscoli e movimento = motoneuroni
  • Connessione con altri neuroni = interneuroni
• Sulla lunghezza dell’assone: attraverso la lunghezza dell’assone (che può variare)
  • Neuroni di I tipo del Golgi (lunghezza massima)
  • Neuroni del II tipo del Golgi (lunghezza minima)
• Sul neurotrasmettitore: attraverso la tipologia di neurotrasmettitore presente

Gli astrociti

Sono le cellule gliali maggiormente presenti nel nostro cervello e occupano lo spazio presente tra i neuroni. Queste cellule sono in grado di influenzare la crescita o la degenerazione del neurite, proprio perché il loro compito principale è quello di regolare il contenuto chimico dello spazio extracellulare. Per compiere le loro mansioni sono necessarie delle speciali proteine che rimuovono i neurotrasmettitori dallo spazio intersinaptico. È di recente scoperta la presenza di recettori di neurotrasmettitori, i quali possono provocare eventi di sinapsi anche all’interno della cellula gliale.

Glia produttrice di mielina

Altre due tipologie di cellule gliali sono la oligodendroglia e la cellula di Schwann. Il loro compito è uguale ed è quello di fornire strati di membrana mielinica agli assoni. Questa membrana è chiamata guaina mielinica, in quanto ricopre l’assole a spirale. Una caratteristica di questa membrana è che si interrompe periodicamente, lasciando uno spazio, detto Nodo di Ranvier, dove l’assone rimane scoperto. Le due cellule vengono differenziate:

• Oligodendroglia: è presente solamente all’interno del sistema nervoso centrale e ogni cellula di questa contribuisce a mielinizzare diversi assoni.
• Cellula di Schwann: è presente solamente all’interno del sistema nervoso periferico e ogni cellula contribuisce a mielinizzare un singolo assone.

Il potenziale d’azione

Proprietà del potenziale d’azione

Dato che il potenziale di membrana (V_m) può essere determinato con l’inserimento di un microelettrodo, per misurare la differenza di potenziale elettrico tra la punta ed un altro elettrodo (esterno alla cellula) si usa il voltmetro. Nel momento in cui la cellula è a riposo la differenza rimane fissa sui –65 mV ma, durante il potenziale d’azione, questo diventa positivo per pochissimo tempo (viene studiato con l’oscilloscopio, in quanto la velocità è pari 2 msec).

Il grande gradiente di concentrazione e la carica negativa del citosol aprono la via agli ioni Na⁺, che depolarizzano la membrana. Questo processo, detto potenziale generatore, raggiunge il livello soglia, la membrana genererà il potenziale d’azione.

I potenziali d’azione sono generati dalla depolarizzazione della membrana al di là del livello di soglia.

Il potenziale d’azione è quindi diviso in fasi:

• Potenziale di riposo (-65 mV)
• Depolarizzazione
• Raggiungimento livello di soglia
• Fase crescente (-65 mV/40 mV) = rapida depolarizzazione membrana
• Potenziale a punta (tutta la fase in cui mV ≥ 0)
• Fase decrescente (40 mV/< -65 mV) = rapida ri-polarizzazione membrana
• Iperpolarizzazione (tutti valori < -65 mV)
• Potenziale di riposo

Oltre alle vie naturali, i neuroni possono subire una depolarizzazione con l’inserimento di corrente elettrica attraverso un microelettrodo. Se all’interno di un neurone viene fatta passare della corrente depolarizzante, verranno generati più potenziali in successione. La frequenza di scarica riflette l’intensità della corrente depolarizzante ed è il metodo utilizzato nel sistema nervoso per codificare l’intensità di stimolazione. Esiste un limite alla frequenza di scarica, ovvero 1000 Hz (1000 al secondo) e una volta che è stato generato un potenziale prima di 1 msec è impossibile che ne inizi un altro (periodo refrattario assoluto) e nei msec successivi rimane comunque un’impresa piuttosto ardua (periodo refrattario relativo). Durante questo secondo periodo la richiesta di corrente per la depolarizzazione oltre soglia si eleva oltre il normale.

Potenziale d’azione (su neurone ideale)

Il potenziale d’azione è una redistribuzione della carica elettrica da un capo all’altro della membrana.

• Entrata ioni sodio (Na⁺) → Depolarizzazione
• Uscita ioni potassio (K⁺) → Ri-polarizzazione

La membrana del neurone ha tre tipologie di molecole proteiche:

• POMPE SODIO-POTASSIO (Na-K)
• CANALI PER SODIO (Na)
• CANALI PER POTASSIO (K)

Le pompe lavorano in continuazione per mantenere i gradienti di concentrazione. V_m Inizialmente i canali selettivi sono chiusi e il potenziale di membrana (V_m) è uguale a 0 mV; aprendo i canali per il potassio (K⁺), gli ioni seguiranno il loro gradiente di concentrazione, l’interno della cellula si caricherà negativamente e V_m = E_K.

Il movimento di K⁺:

• Il movimento attraverso la membrana è corrente elettrica
• Il numero di canali per K⁺ è proporzionale ad una conduttanza elettrica K
• I_K continuerà il suo flusso finché V_m = E_K (reale potenziale di membrana – potenziale d’equilibrio)
• Forza di uscita del K: I_K = g_ion(V_m - E_ion)

Nel momento in cui la permeabilità della membrana verso gli ioni si modifica, g_Na è molto alto e c’è una notevole forza che spinge gli ioni sodio. Viene quindi generata una corrente Na, che procede muovendo gli ioni verso l’interno e continua, depolarizzando la membrana, fino al momento in cui V_m si avvicina a E_Na. Con questo processo si è riusciti a invertire rapidamente il potenziale di membrana.

Fase crescente: i canali selettivi del sodio si aprono in risposta alla depolarizzazione, oltre la soglia, della membrana, attraverso un aumento di g_Na. Viene quindi permesso a Na⁺ di entrare.