Trasmissione sinaptica e neurotrasmettitori

Trasmissione sinaptica

Le cellule eccitabili hanno la possibilità di dare origine a quel fenomeno di membrana che è il potenziale d’azione. Il potenziale d’azione insorge se è presente uno stimolo che deve essere soglia. Nell’ambito del neurone, i potenziali d’azione insorgono a livello del monticolo assonico e si conducono per tutto l’assone fino alla fine dell’assone. Il potenziale d’azione o la scarica dei potenziali d’azione rappresenta un modo per condurre le informazioni inerenti all’intensità di uno stimolo. Questo avviene nell’ambito di un solo neurone.

Trasferimento delle informazioni tra neuroni

Queste informazioni circa lo stimolo possono essere condotte da un neurone ad un altro oppure rimanere confinate all’interno di un neurone? I neuroni, ma non solo i neuroni, hanno la possibilità di trasferirsi le informazioni circa l’intensità dello stimolo sotto forma di potenziali d’azione. Soltanto i potenziali d’azione possono essere trasferiti da un neurone ad un altro in quanto soltanto il potenziale d’azione è un “fenomeno tutto o nulla” che si conduce senza decremento ma che porta in sé l’informazione dell’intensità dello stimolo. L’informazione viene trasferita da un neurone ad un altro tramite le sinapsi.

Funzione e classificazione delle sinapsi

Le sinapsi sono quelle strutture che consentono la comunicazione fra due cellule. Le cellule coinvolte in questa comunicazione possono essere uguali (due neuroni) oppure possono essere diverse (un neurone e una cellula non nervosa). Le sinapsi che coinvolgono cellule di natura diversa sono dette citoneurali (cito significa cellula, neurali in riferimento al neurone). Un esempio di sinapsi citoneurale è quella che si instaura fra un neurone, che prende il nome di motoneurone alfa, e le cellule della muscolatura scheletrica. Ovviamente le cellule della muscolatura scheletrica non sono cellule nervose.

Nelle sinapsi almeno una delle due cellule che sta comunicando deve essere nervosa. Non parleremo mai di sinapsi fra due cellule che non sono nervose perché le due cellule di natura non nervosa certamente comunicano ma non attraverso potenziali d’azione. Questo perché il potenziale d’azione è quell’evento di membrana che è tipico delle cellule eccitabili e le cellule eccitabili per eccellenza sono i neuroni, ma non solo.

Tipologie di sinapsi neuronali

Le sinapsi che coinvolgono due neuroni, quindi le sinapsi neuronali, a loro volta possono essere distinte in tre categorie. La denominazione di queste tre classi prende origine dalle porzioni del neurone coinvolte nella sinapsi:

• Asso-dendritiche → Gli elementi delle due cellule neuronali coinvolte sono l’assone di una cellula nervosa e il dendrite dell’altra cellula nervosa coinvolta.
• Asso-somatiche → Gli elementi delle due cellule nervose sono l’assone di una cellula nervosa e il soma o perinoforo o il corpo cellulare dell’altra cellula nervosa coinvolta.
• Asso-assoniche → Gli elementi delle due cellule nervose coinvolte in questa sinapsi sono l’assone di un neurone e l’assone del secondo neurone coinvolto.

Elementi delle sinapsi

In una sinapsi che sia neuronale o citoneurale si distinguono tre elementi anatomici e funzionali: l’elemento presinaptico, lo spazio intersinaptico o vallo sinaptico, e l’elemento postsinaptico.

Sinapsi elettriche e chimiche

In A è rappresentata una situazione in cui non c’è una sinapsi. Infatti, in precedenza abbiamo detto che le sinapsi sono quelle strutture che consentono la comunicazione fra due cellule neuronali. In A abbiamo due cellule, ovvero la terminazione assonica di una cellula e l’elemento membrana postsinaptico, porzione di membrana dell’altra cellula. Ma tra le due cellule non c’è comunicazione perché non ci sono quegli elementi che consentono la comunicazione sinaptica. Il potenziale d’azione che sta viaggiando a livello dell’assone e che giunge al terminale assonico si disperde perché non si realizza la sinapsi. Ciò che possiamo osservare sono due parti di due cellule diverse, l’assone e la membrana somatica di un altro neurone che però non comunicano.

In B e in C sono invece riportate due sinapsi. In particolare, in B è riportata una sinapsi elettrica mentre in C una sinapsi chimica.

In B possiamo notare come l’elemento presinaptico, cioè l’assone, comunica con l’elemento postsinaptico. Nella sinapsi elettrica, questa comunicazione tra i due elementi avviene tramite delle strutture dette connessoni. Per cui, il potenziale d’azione (correnti ioniche) passa dall’elemento presinaptico attraverso i connessoni (rappresentati in verde) nell’elemento postsinaptico. Quindi il potenziale d’azione ha davvero la possibilità di passare come forma di comunicazione, di linguaggio, da una cellula presinaptica alla cellula postsinaptica.

In C è rappresentata una sinapsi di tipo chimico. Ciò significa che la comunicazione tra l’elemento presinaptico e postsinaptico non avviene tramite i connessoni ma tramite delle molecole chimiche che sono i neurotrasmettitori, delle sostanze che sono presenti a livello dell’elemento presinaptico chiuso in delle vescicole e questi neurotrasmettitori si comportano da ligandi nei confronti di recettori di membrana che si trovano nella membrana dell’elemento postsinaptico.

Dettagli delle sinapsi chimiche ed elettriche

La sinapsi sia elettrica sia chimica è costituita da tre elementi: elemento presinaptico che in genere è un assone, vallo sinaptico o spazio intersinaptico (spazio fisico di pochi micrometri tra l’elemento pre e postsinaptico) e dall’elemento postsinaptico che può essere una cellula non nervosa, il dendrite di un neurone, il soma di un neurone o l’assone di un altro neurone. Nell’organismo dell’uomo, le sinapsi chimiche sono più numerose rispetto a quelle elettriche.

Vediamo nello specifico come è costituita una sinapsi di tipo elettrico. La sinapsi elettrica è una gap junction, cioè una porzione dell’elemento presinaptico e dell’elemento postsinaptico in cui sono presenti le giunzioni comunicanti. Quando abbiamo parlato degli epiteli, abbiamo detto che le due cellule epiteliali possono essere connesse dalle giunzioni comunicanti. Le giunzioni comunicanti sono delle zone in cui le membrane di cellule vicine si avvicinano senza fondersi e nei punti in cui si avvicinano (la distanza passa da 200 micrometri a 35 micrometri) sono presenti i connessoni. I connessoni sono grandi canali ionici costituiti da sei subunità proteiche che trapassano la membrana di un elemento, si congiungono con il connessone della membrana della cellula vicina.

Nella figura, in verde scuro sono rappresentati due connessoni. Ciascun connessone è un canale che si trova nella membrana delle due cellule e questi connessoni non sono dei canali sempre aperti ma conoscono due situazioni conformazionali. Quando sono aperti, gli ioni fluiscono attraverso mentre quando sono chiusi gli ioni non fluiscono. Nella sinapsi di tipo elettrico le due cellule che partecipano alla sinapsi sono vicine tra di loro tramite alle gap junction. Quindi, in certo punti che sono la terminazione assonica di una cellula e la membrana di della cellula vicina, le due membrane si avvicinano e a livello di queste zone in cui le membrane si avvicinano sono presenti i connessoni.

Funzionamento dei connessoni

Qual è l’elemento che permette l’apertura e la chiusura dei connessoni? Il connessone passa dallo stato chiuso allo stato aperto per una variazione del potenziale di membrana. Quando il potenziale d’azione sta investendo la membrana dell’elemento presinaptico, questa depolarizzazione va ad investire anche la porzione dell’elemento presinaptico coinvolto nella gap junction e quindi la variazione del potenziale di membrana induce inizialmente l’apertura del connessone infilato nella membrana presinaptica da uno stato chiuso ad uno stato aperto e di conseguenza la variazione conformazionale di questo connessone induce la variazione conformazionale dallo stato chiuso allo stato aperto del connessone che si trova nella membrana dell’elemento postsinaptico, per cui alla fine il connessone è aperto e il potenziale d’azione o meglio, le cariche ioniche che stanno fluendo possono così passare dall’elemento presinaptico all’elemento postsinaptico.

In altre parole, il connessone è una struttura che conosce due stadi: lo stadio aperto e lo stadio chiuso. Il connessone è chiuso quando la porzione di membrana dell’elemento presinaptico non è interessata da un potenziale d’azione. Quando nell’elemento presinaptico arriva un potenziale d’azione, il potenziale di membrana è in una fase depolarizzata (positivo all’interno e negativo all’esterno). Questa variazione del potenziale di membrana indotta dal potenziale d’azione viene percepita dal connessone che si trova nella membrana dell’elemento presinaptico a livello della gap junction. Il connessone passa dallo stato chiuso allo stato aperto. Questa variazione conformazionale del connessone infilato nella membrana presinaptica a sua volta permette la variazione conformazionale della porzione di connessone che si trova nella membrana postsinaptica. Questo perché abbiamo detto che i due connessi in qualche modo entrano fisicamente in contatto. Quindi, il risultato è che il potenziale d’azione della membrana presinaptica ha indotto l’apertura dei connessoni e l’apertura dei connessoni che non sono altro che dei grandi canali permettono il flusso delle correnti ioniche del sodio e del potassio dall’elemento presinaptico all’elemento postsinaptico. In questo modo è possibile la conduzione del potenziale d’azione dall’elemento presinaptico all’elemento postsinaptico.

Ma il risultato funzionale qual è? È che l’informazione portata dai potenziali d’azione come frequenza che è correlata all’intensità dello stimolo viene comunicata da una cellula ad un’altra. Quindi, ho raggiunto il mio scopo, ovvero quello di condurre l’informazione da una cellula ad un’altra. Nelle sinapsi elettriche avviene con il meccanismo appena descritto.

Nelle sinapsi chimiche la membrana dell’elemento presinaptico e la membrana dell’elemento postsinaptico non si avvicinano, restano ad una distanza di 200 micrometri. Quindi, il vallo sinaptico, che in questo caso è descritto anche come fessura sinaptica, è quello spazio fisico tra l’assone dell’elemento presinaptico e la membrana dell’elemento postsinaptico. In questo caso la comunicazione è assicurata dai neurotrasmettitori.

Dinamica delle sinapsi chimiche

A livello del terminale assonico dell’elemento presinaptico, nella parte terminale, l’assone si slarga e può essere paragonato ad una struttura cilindrica piuttosto lunga. Ma della sua parte terminale, l’assone si sfiocca, si dirama ed è proprio nella parte terminale di queste diramazioni che subisce questo slargamento detto bottone sinaptico. A livello della membrana dell’assone, in particolare dei bottoni sinaptici, sono presenti dei canali al calcio voltaggio dipendenti. Lungo l’assone si sta conducendo il potenziale d’azione che arriva al terminale. La conduzione è elettrotonica; se l’assone è mielinizzato la conduzione avviene dal nodo di Ranvier al nodo di Ranvier.

La depolarizzazione provocata dal potenziale d’azione determina l’apertura dei canali al calcio voltaggio dipendenti che si trovano a livello della membrana plasmatica del bottone assonico. Il calcio entra in quanto noi sappiamo che questo ione è più concentrato all’esterno della cellula, nel liquido extracellulare, e meno all’interno. L’aumento della concentrazione citoplasmatica del calcio induce l’esocitosi del neurotrasmettitore che si trova chiuso in vescicole. Le vescicole si trovano nel citoplasma dell’elemento presinaptico, in particolare dell’assone a livello del bottone sinaptico. Quindi, l’ingresso di calcio promuove l’esocitosi del neurotrasmettitore. Dove? Nello spazio sinaptico. L’esocitosi non avviene se il calcio non entra nel citoplasma dell’elemento presinaptico ma il calcio entra se si aprono i canali voltaggio dipendenti per il calcio, ma i canali voltaggio dipendenti per il calcio si aprono solo se si sta arrivando il potenziale d’azione che provoca una depolarizzazione con overshift.

Le molecole di neurotrasmettitore sono delle molecole chimiche (acetilcolina, noradrenalina, acido glutammico ecc.). Queste molecole vengono esocitate nella fessura o spazio sinaptico e per semplice diffusione, diffondono in questo spazio fino a raggiungere la membrana postsinaptica dove si trovano dei recettori di membrana. Nella figura in B sono rappresentati dei recettori di membrana ionotropici. Il neurotrasmettitore si lega a dei siti specifici di recettori di membrana ionotropici, il legame determina l’apertura di questi recettori canali, per cui avviene l’ingresso di ioni dal liquido extracellulare che si trova nella fessura sinaptica nel citoplasma della cellula postsinaptica.

Funzionalità dei recettori canali

Qual è la caratteristica dei recettori canali? Tutti i recettori canali ionotropici operati dal ligando sono selettivi ad una categoria di ioni, non ad un solo ione. Attraverso i canali ionotropici, una volta che sono stati operati cioè aperti dal legame del ligando al sito recettoriale, i canali si aprono e lasciano passare secondo i propri gradienti elettrochimici gli ioni come ad esempio i cationi (sodio entra, il potassio esce e se entra anche un po’ di calcio le cariche positive entrano ma dallo stesso canale esce anche potassio).

Il fatto che ci sia il flusso ionico attraverso i canali ionotropici ma che il flusso non sia assolutamente selettivo fa sì che a livello della membrana postsinaptica si generi certamente una variazione del potenziale di membrana ma questa variazione del potenziale di membrana non è un potenziale d’azione. Questo perché i potenziali d’azione sono generati solo da canali voltaggio-dipendenti assolutamente selettivi al sodio e al potassio.

A livello della membrana dell’elemento postsinaptico dove si trovano i recettori canale ionotropici, troviamo dei canali che sono selettivi ai cationi, ma non ad un solo catione e il fatto che i cationi si muovano secondo gradiente attraverso un unico canale che è appunto il recettore canale, fa sì che si realizzano delle variazioni del potenziale di membrana che mai e poi possono essere potenziali d’azione ma sono dei potenziali graduati. In C è proprio rappresentato questo e cioè che l’apertura dei recettori canali nella membrana dell’elemento postsinaptico genera delle correnti (rappresentati in rosso), ma queste correnti sono correnti graduate e non potenziali d’azione come quelli presenti nell’elemento postsinaptico perché nell’elemento postsinaptico sono presenti i canali voltaggio dipendenti del sodio e del potassio invece in questo caso sono presenti dei canali ligando dipendenti selettivi ai cationi e non ad un solo catione.

Queste variazioni del potenziale di membrana che si generano a livello dell’elemento postsinaptico possono essere graduati depolarizzanti o iperpolarizzanti. Questo perché il recettore canale può essere selettivo ai cationi e quindi lascerà entrare sodio ed uscire potassio ma in questo caso, ovvero nel caso dei cationi, le correnti tendono ad essere depolarizzanti in quanto l’ingresso di sodio è sempre più alto rispetto a quello del potassio. Se invece il recettore canale dovesse essere un recettore selettivo agli ioni, la situazione è diversa perché avremmo l’ingresso di cariche negative portate dal cloruro all’interno, quindi nel citoplasma, che determinano non una depolarizzazione ma una iperpolarizzazione, cioè spostano il potenziale di membrana dell’elemento postsinaptico dal suo valore di riposo a valori negativi iperpolarizzanti.

Potenziali postsinaptici

Queste variazioni del potenziale postsinaptico in seguito all’apertura dei canali recettori prendono il nome di potenziali postsinaptici. Questi potenziali postsinaptici sono graduati e possono essere eccitatori se i recettori canali sono selettivi ai cationi e inibitori se i recettori canali sono selettivi agli anioni. In B c’è scritto EPSP acronimo di potenziale postsinaptico eccitatorio. Quindi, in questo caso il potenziale che si è generato a livello della membrana postsinaptica è di tipo eccitatorio, quindi depolarizzante perché i canali recettori sono selettivi ai cationi e quindi l’apertura ha indotto un potenziale graduato di tipo eccitatorio.

L’esocitosi del neurotrasmettitore provoca l’insorgenza a livello della membrana postsinaptica di una corrente in quanto il neurotrasmettitore si va a legare al recettore che in questo caso è un recettore di membrana ionotropico e quindi l’apertura del canale associato al recettore ionotropico fa variare il potenziale di membrana perché permette il flusso di ioni attraverso questi canali.

L’apertura dei canali voltaggio dipendenti per il calcio, localizzati a livello del bottone sinaptico, fanno entrare il calcio nel citoplasma del terminale assonico. Il calcio promuove la migrazione delle vescicole che contengono il neurotrasmettitore dal citoplasma del terminale assonico verso la membrana plasmatica dell’elemento presinaptico.

Quindi, nella prima fase, le vescicole disperse nel citoplasma migrano verso la membrana plasmatica dell’elemento presinaptico. Alla migrazione favorita dall’aumento degli ioni calcio nel citoplasma segue la seconda tappa...