Conduzione dei potenziali; sinapsi chimiche

CORRENTI ELETTROTONICHE CONDUZIONE DEL POTENZIALE D'AZIONE Il P.d'A. può insorgere in un punto qualunque di una cellula o fibra nervosa All'esterno della membrana, quel punto diventa elettronegativo rispetto ai punti contigui; all'interno diventa positivo Poiché la resistenza elettrica lungo la membrana non è infinita, si instaurano correnti elettriche dallo stesso lato della membrana: le CORRENTI ELETTROTONICHE

Correnti elettrotoniche B A B - - - + + + - - - + + + + + + - - - -90 mv -90 mv - - - - - - + + + - - - + + + + + + - - - + + - - + + + + + + - - -60 mv -60 mv - - + - - - + + + - - + + + + B A B

Le CORRENTI ELETTROTONICHE all'esterno spostano cariche positive verso il punto eccitato, e all'interno verso i punti contigui (essendo un ambiente ionico in cui sono in gioco cationi, sono questi, che hanno carica positiva, che si spostano).

Le correnti elettrotoniche non attraversano la membrana e non richiedono variazioni di permeabilità, ma le provocano nei punti contigui, propagando lo stato di eccitamento, cioè lo spostamento del potenziale verso il valore soglia.

Le correnti elettrotoniche sono graduate (non tutto-o-nulla), si propagano con decremento, ed hanno costante di tempo e di spazio. Il potenziale d'azione viene generato nei punti contigui quando viene superato il valore soglia.

VELOCITA' DI PROPAGAZIONE Le correnti elettrotoniche si propagano con la velocità della corrente elettrica (300.000 m/s), che è virtualmente infinita per le distanze da percorrere il P. d'A. si propaga con velocità finita, perché è una risposta biologica ad un fenomeno fisico. La velocità di propagazione dipende dalla resistenza longitudinale ed è tanto più elevata quanto più grande è la cellula o più grossa la fibra.

VELOCITA' DI PROPAGAZIONE NELLE FIBRE MIELINICHE la presenza della guaina mielinica in molte fibre nervose aumenta molto la velocità di conduzione, perchè questa avviene a salti (conduzione saltatoria), fra le interruzioni della guaina (nodi di Ranvier). La PROPAGAZIONE FRA CELLULE CONTIGUE è possibile solo quando esistono punti a bassa resistenza (giunzioni strette) fra le cellule (sinapsi elettriche).

Conduzione saltatoria

PRINCIPALI CELLULE ECCITABILI: le caratteristiche del P. d'A PRINCIPALI CELLULE ECCITABILI: le caratteristiche del P. d'A. sono parzialmente diverse per ogni tipo di cellula e verranno indicate di volta in volta. NEURONI (centrali e periferici) MUSCOLO STRIATO (scheletrico) MUSCOLO CARDIACO MUSCOLO LISCIO (visceri e vasi)

Trasmissione sinaptica Premessa Il potenziale d’azione si propaga per tutta la lunghezza dell’assone di qualunque neurone (nel caso del sistema nervoso periferico, questo può essere anche assai lungo) Il potenziale d’azione non si propaga fra assoni contigui o fra diverse cellule se non in corrispondenza di strutture specializzate, genericamente chiamate sinapsi

Trasmissione sinaptica Si chiamano SINAPSI i punti di contatto fra cellule, in particolare fra le terminazioni assoniche e le cellule che le ricevono Esistono sinapsi elettriche, prevalentemente nel SNC e nel muscolo liscio e cardiaco, ma quelle con particolare struttura e funzione sono le SINAPSI CHIMICHE.

GIUNZIONE NEUROMUSCOLARE (PLACCA MOTRICE) E' l'esempio più tipico e più facile da studiare di trasmissione sinaptica Si tratta del punto di congiunzione fra il terminale assonico di un neurone motore e la corrispondente fibra muscolare Il neurone motore è una fibra mielinica che si divide, in prossimità del muscolo, in numerose diramazioni, ciascuna delle quali forma una sinapsi con una sola fibra muscolare

L'insieme di un neurone motore e di tutte le fibre muscolari da esso innervate costituisce l'unità motoria, che è l'elemento unitario per la regolazione della contrazione muscolare

STRUTTURA (elementi essenziali): terminazione nervosa, contenente vescicole sinaptiche spazio sinaptico Dalla parte del muscolo: pliche giunzionali contenenti i recettori specifici

FUNZIONE il P. d'A. aumenta la permeabilità al Ca++ della terminazione, permettendone l'ingresso il Ca++ provoca la fusione della membrana delle vescicole con quella della cellula e la liberazione sincronizzata del mediatore chimico: l’ACETILCOLINA (ACh).

L'ACETILCOLINA (ACh) È prodotta dal neurone e portata alla terminazione con un processo di trasporto assonico; è sintetizzata anche a livello del terminale Si lega ai recettori provocando un aumento della permeabilità del sodio e del potassio Ne deriva una depolarizzazione localizzata, chiamata potenziale di placca (end plate potential=EPP)

DIFFERENZE FRA P. d'A. E EPP L'EPP è un fenomeno graduabile: anche in assenza di P.d'A. presinaptico avviene una continua liberazione di ACh in piccoli pacchetti di vescicole, ciascuna delle quali rappresenta un quanto (si parla perciò di liberazione quantica) di ACh, che provoca un piccolo EPP (potenziale in miniatura), non sufficiente ad eccitare la fibra muscolare La placca motrice non contiene canali per il sodio voltaggio-dipendenti e perciò non può produrre P. d'A., mentre l'EPP tende ad un valore intermedio fra ENa ed Ek (vicino a 0 mV).

Destino dell’acetilcolina I recettori per l’ACh rispondono nel momento in cui si accoppiano al mediatore L’ACh deve essere rimossa per permettere une nuova trasmissione sinaptica (per aprire una porta bisogna prima chiuderla) Lo spazio sinaptico è ricco dell’enzima acetilcolinesterasi, che idrolizza la molecola di ACh, separandola in colina ed acetato

Destino dell’acetilcolina L’ACh liberata dalla terminazione nervosa diffonde nello spazio sinaptico, dove è attratta dai recettori L’ACh diffonde anche nel liquido interstiziale; è attaccata dall’ACh-esterasi; la sua concentrazione nello spazio sinaptico diminuisce e la molecola si stacca dai recettori La colina è in parte ricuperata dal terminale assonico dove è utilizzata direttamente per la costruzione di nuove molecole di ACh

Le SINAPSI CHIMICHE sono costituite da uno spazio sinaptico, che, all'arrivo dell'impulso (P.d'A.) viene invaso dalle molecole di un mediatore chimico (neurotrasmettitore), liberate dalla terminazione presinaptica l'altra parte dello spazio sinaptico (membrana postsinaptica) contiene dei recettori specifici per il mediatore chimico il legame del mediatore con il recettore permette la trasmissione del segnale dalla cellula pre- a quella post- sinaptica.

Le sinapsi chimiche possono essere eccitatorie o inibitorie. Proprietà comuni sono: il ritardo sinaptico, che rallenta la conduzione; la monodirezionalità della trasmissione (soltanto dall'elemento pre- a quello post- sinaptico) Le correnti elettrotoniche, e quindi il P. d'A., si propagano in tutte le direzioni (per es. lungo una fibra nervosa), ma la propagazione si arresta a livello della membrana presinaptica.

Proprietà comuni delle sinapsi sono: la presenza, nel terminale, di vescicole che contengono il mediatore chimico (sempre uguale per lo stesso neurone): questo viene liberato all’arrivo del potenziale d’azione la presenza di sistemi (enzimatici) per la rimozione del mediatore chimico a livello delle sinapsi non c'è continuità anatomica fra le due cellule.

SINAPSI INTERNEURONICHE In generale i neuroni emettono una singola fibra efferente, detta assone, ma hanno numerose propaggini, dette dendriti, sulle quali si trovano le sinapsi afferenti (quelle che il neurone riceve) I dendriti contraggono sinapsi con un numero anche molto elevato di terminazioni di altri neuroni (bottoni sinaptici) Le sinapsi interneuroniche possono essere eccitatorie, ma anche inibitorie L'attivazione di una singola sinapsi non è normalmete in grado di eccitare il neurone, ma è necessaria la sincronizzazione di molti elementi presinaptici.

Le sinapsi eccitatorie provocano sulla membrana postsinaptica una piccola depolarizzazione (EPSP) meccanismo generale: il legame mediatore-recettore apre canali ionici indifferenti, che provocano una corrente K+ verso l’esterno e una Na+ verso l’interno. La membrana si depolarizza fino ad un valore ≈ (ENa+EK)/2 ≈ 0 mV Le sinapsi inibitorie provocano sulla membrana postsinaptica una piccola iperpolarizzazione (IPSP). Meccanismo generale: il legame mediatore-recettore apre canali ionici per K+ e Cl-; l’uscita di K+ e l’ingresso di Cl- iperpolarizzano la mambrana

A livello delle sinapsi non si generano potenziali d’azione (ma solo EPSP o IPSP) perché non sono presenti canali Na+ voltaggio-dipendenti Le attività sinaptiche danno luogo a correnti elettrotoniche, che convergono verso un punto preciso del neurone, il monticolo assonico, dal quale origina l'assone. Sul monticolo assonico sono presenti canali Na+ voltaggio-dipendenti, che danno origine a potenziali d’azione ogni volta che viene superata la soglia. In questo punto la soglia è più bassa che nel resto del corpo cellulare

Avviene continuamente una sommazione (spaziale e/o temporale) fra le diverse attività eccitatorie ed inibitorie, che fa fluttuare il potenziale a livello del monticolo assonico: qui si originerà un potenziale d'azione, che percorrerà tutto l'assone fino alle sue terminazioni, ogni volta che viene superato il livello soglia.

Soglia Potenziale di riposo Sommazione temporale + = EPSP IPSP Potenziale di riposo Sommazione temporale + = Sommazione spaziale

I I E E

E E I Sommazione spaziale

E E I Sommazione temporale

PROPRIETA' INTEGRATIVE DELLE SINAPSI CENTRALI l'attività di ogni neurone è “modulata in frequenza", mentre il potenziale del corpo cellulare (in particolare del monticolo assonico) fluttua in continuazione ed è pertanto "modulato in ampiezza" . Modulato = codificato Se prevalgono gli IPSP, la probabilità di scarica si riduce, fino ad annullarsi; se prevalgono gli EPSP la cellula scaricherà con una frequenza tanto più grande quanto maggiore è la corrente depolarizzante che investe il monticolo assonico.

Corrente depolarizzante piccola: bassa frequenza di scarica

Corrente depolarizzante intensa: alta frequenza di scarica

INIBIZIONE PRESINAPTICA: sinapsi inibitorie si possono trovare anche in prossimità delle terminazioni assonali: quando sono attivate bloccano la trasmissione del P. d'A. e impediscono la liberazione del mediatore. MEDIATORI CHIMICI CENTRALI: sono numerosi e non tutti identificati; la loro azione non è costante, ma dipende dal particolare tipo di relazione mediatore-recettore. Tuttavia, per lo stesso neurone, l’azione è sempre uguale

MEDIATORI CENTRALI: Ach, noradrenalina, adrenalina, dopamina (catecolamine), serotonina INIBITORE: ac. Gamma-aminobutirrico (GABA) ECCITATORE: glutammato NEUROMODULATORI