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Dispense Biologia Applicata p.te 2, Dispense di Biologia Applicata

BIOLOGIA APPLICATA: dispense riassunte in un file unico SCIENZE E TECNICHE PSICOLOGICHE (D.M. 270/04) Docente: Bocchio Chiavetto Luisella

Tipologia: Dispense

2019/2020

In vendita dal 17/10/2020

l.orsolini
l.orsolini 🇮🇹

4.2

(58)

21 documenti

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Scarica Dispense Biologia Applicata p.te 2 e più Dispense in PDF di Biologia Applicata solo su Docsity! MEMBRANE BIOLOGICHE: - Membrana cellulare, plasmatica o plasmalemmae, membrana nucleare, membrana mitocondriale. - Formano inoltre strutture cellulari interne quali il reticolo endoplasmatico, l’apparato del Golgi, i vacuoli, i lisosomi e i tilacoidi. La membrana plasmatica riveste tutte le cellule, ne definisce l’entità ed è responsabile del mantenimento delle differenze essenziali fra il suo contenuto e quello dell’ambiente esterno. Non si tratta di un rivestimento passivo, ma di un filtro altamente selettivo che: • regola il flusso delle molecole tra l’interno e l’esterno della cellula e viceversa; • mantiene le concentrazioni ioniche necessarie per lo svolgimento di molte funzioni cellulari; • provvede al riconoscimento e alla comunicazione fra le cellule tramite molecole localizzate sulla sua superficie esterna. Struttura delle membrane biologiche: è formata da un doppio strato di lipidi e da proteine ad esso associate. I lipidi che concorrono alla formazione del doppio strato lipidico sono: • fosfolipidi; • steroli; • glicerofosfolipidi; • sfingolipidi. Le proteine possono essere: • proteine integrali: sono immerse nella struttura lipidica e la attraversano da parte a parte; • proteine periferiche: sono legate alla superficie, interna o esterna, della membrana associate ai lipidi o ad altre proteine. I FOSFOLIPIDI: I componenti più abbondanti delle membrane biologiche sono i fosfolipidi delle molecole anfipatiche, costituite da: una coda carboniosa (apolare o idrofobica): rappresentata dai due residui di acidi grassi legati al glicerolo; una testa polare (idrofila): è rappresentata dal residuo di acido fosforico esterificato al gruppo alcolico primario del glicerolo e legato a sostanze idrofile come l’etanolammina, la colina o l’inositolo. I fosfolipidi, che contengono al posto della glicerina la sfingosina, sono classificati come sfingolipidi. Data la loro particolare struttura, quando dispersi in acqua, si aggregano spontaneamente in modo da costituire membrane formate da un doppio strato fosfolipidico, secondo uno schema coda-coda, minimizzando il contatto con le molecole polari. Le teste polari (che possono formare un legame idrogeno) sono rivolte verso l’ambiente acquoso extracellulare ed intracellulare MODELLO DEL BILAYER: I lipidi sono organizzati secondo una configurazione detta a mosaico fluido, proposto da S.J. Singer e G.L. Nicolson nel 1972 che permette il movimento delle molecole proteiche. Molecole di colesterolo, intercalate tra quelle dei fosfolipidi, concorrono a stabilizzare la membrana. I due strati della membrana sono asimmetrici, presentano cioè differenze nella composizione in relazione alle diverse funzioni svolte dai due lati, extra e intracellulare. Secondo tale modello, le membrane biologiche sono definite come soluzioni bidimensionali di lipidi, che formano un doppio strato lipidico al quale sono associate numerose molecole proteiche. Alcune di queste molecole, completamente incluse nel doppio strato lipidico, stabiliscono interazioni con la porzione idrofobica della membrana, altre sono associate alla superficie interna o esterna del doppio strato lipidico, per mezzo di interazioni ioniche o legami idrogeno tra le teste polari dei lipidi e le proteine stesse. LA MEMBRANA CELLULARE La membrana cellulare è una struttura molto sottile ed elastica. È costituita per lo più da proteine (circa il 55%), da lipidi (fosfolipidi e colesterolo) e da glucidi (glicolipidi e glicoprotidi). Funzioni delle proteine: ✓ proteine che costituiscono pompe ioniche ✓ proteine che circoscrivono pori o canali posti a cavallo della membrana cellulare, la cui apertura e chiusura conferisce alla membrana un criterio di selettività, queste strutture sono dotate di carica elettrica, permettono una facile diffusione di ioni da una parte all’altra della membrana, questa diffusione viene soprattutto garantita dalla differenza di potenziale che esiste tra una faccia e l’altra della membrana ✓ strutture recettoriali specifiche per ormoni, neurotrasmettitori, farmaci, etc. ✓ strutture enzimatiche, come ATP, essenziale fonte energetica ✓ proteine strutturali, con funzione di stabilizzazione della membrana cellulare OMEOSTASI “L’omeostasi è la capacità di mantenere l’equilibrio e la stabilità delle funzioni dell’organismo; affinchè questo avvenga è necessario che la composizione intracellulare rimanga il più possibile costante. Ogni cellula deve essere perciò capace di assumere sostanze nutritive che le servono per svolgere le sue funzioni ed eliminare le sostanze cataboliche che si formano. I meccanismi di controllo omeostatico agiscono quasi tutti attraverso un meccanismo a feedback negativo, cioè devono avere la capacità di indurre una variazione opposta alla variazione iniziale. Se a livello intra o extracellulare si verifica una variazione dell’omeostasi, i sensori periferici come pressocettori, meccanocettori, etc, registrano ed inviano informazioni ai centri nervosi posti a livello della corteccia cerebrale, dell’ipotalamo e del midollo allungato; a questo livello avviene l’analisi delle informazioni in entrata e la loro integrazione con altri input. Se questa variazione è particolarmente significativa, dalla corteccia viene inviata un’informazione a un effettore periferico, come per esempio le cellule muscolari, che è in grado di attuare cambiamenti che portano alla ristabilizzazione dell’omeostasi. In alcuni casi possono esserci esempi, anche se rari, di feedback positivo, meccanismo che porta ad un’amplificazione della modificazione verificata fino all’interruzione del processo. Quando le molecole diffusibili sono dotate di carica elettrica, come i piccoli ioni inorganici, il loro passaggio dipende dal gradiente di concentrazione, ma anche dal gradiente di potenziale elettrico totale. Il gradiente elettrochimico è necessario per il funzionamento e la vita stessa delle cellule; il potenziale di membrana, che consiste in una differenza di potenziale elettrico esistente tra i due lati della membrana (−70 mV negli organismi eucariotici), è mantenuto dall’equilibrio di Gibbs-Donnan da cui dipende la diversa distribuzione degli ioni Na+, Cl- e K+ tra i compartimenti extra e intracellulare. Al mantenimento di questo equilibrio concorrono: - le caratteristiche di permeabilità selettiva della membrana plasmatica; - gli anioni proteici presenti all’interno della cellula, appartenenti alle proteine che non sono in grado di permeare verso il liquido extracellulare; - i processi di trasporto attivo di ioni. OSMOSI: Ci sono delle condizioni per cui si viene a creare, a cavallo della membrana, una differenza di concentrazione che causa il passaggio dell’acqua da una soluzione più diluita ad una più concentrata. il passaggio delle molecole di solvente dall’area a minor concentrazione di soluto a quella a maggior concentrazione, processo che consente di diluire la soluzione più concentrata e annullare il gradiente di concentrazione. Comporta il movimento netto di molecole di acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile. Nel caso in cui una membrana non è permeabile alle molecole di soluto ma solo a quelle di solvente (generalmente acqua) si dice semipermeabile per quel soluto specifico. La pressione osmotica è la pressione esercitata dalle particelle in soluzione, ed è il principale elemento che determina il passaggio di un soluto da una parte all’altra della membrana. Una soluzione può essere definita: ✓ isotonica, quando la quantità di solvente e di soluto sono uguali e quindi la pressione osmotica è uguale alla pressione intracellulare ✓ ipotonica, quando contiene più solvente che soluto e la pressione osmotica è inferiore a quella intracellulare ✓ ipertonica, quando contiene più soluto che solvente e la pressione osmotica è superiore a quella intracellulare DIFFUSIONE FACILITATA: Una specifica proteina di trasporto rende la membrana permeabile ad un soluto come uno ione o una molecola polare. • È un trasporto che si svolge secondo il gradiente di concentrazione della molecola da trasportare, che però data la sua struttura chimica non può diffondere attraverso il bilayer, ma necessita della presenza, nella struttura della membrana, di una proteina carrier, deputata al trasporto di sostanze attraverso il doppio strato lipidico. Ogni carrier è specifico per una particolare molecola o gruppo di molecole con struttura chimica simile. • Esempi di proteine di trasporto che funzionano con il meccanismo di diffusione facilitata: porine o proteine canale (più strette delle porine), dette anche canali ionici controllati, chiamati così perché possono essere aperti o chiusi. Queste proteine possono solo facilitare un processo che avviene per la presenza di un gradiente di concentrazione. Il trasporto dei soluti attraverso le proteine di trasporto è più lento che attraverso i canali perché la proteina deve subire una modificazione conformazionale: una o più molecole di soluto si devono legare per esempio sul lato esterno della proteina, questa poi modifica la sua forma e rilascia le molecole all’interno della cellula (o viceversa). • proteina di trasporto è il trasportatore del glucosio 1 (GLUT1) sui globuli rossi. La concentrazione di glucosio è più elevata nel plasma (parte liquida del sangue) rispetto a quella interna ai globuli rossi, così entra nei globuli rossi passando per il GLUT1 (50.000 volte più velocemente che per diffusione semplice). I globuli rossi, per tenere bassa la concentrazione di glucosio ed impedirne la fuoriuscita lo fosforilano, lo trasformano in glucosio 6 fosfato. Si possono differenziare diversi tipi di trasporto mediato da carrier: • Uniporto: trasferimento di un solo composto da un lato all’altro della membrana; • Cotrasporto (simporto o antiporto): il trasferimento simultaneo di due molecole che può essere nella stessa direzione (simporto o cotrasporto) o nella direzione opposta (antiporto o controtrasporto). La direzione del flusso dipende solo dalla concentrazione relativa della sostanza sui due lati della membrana. I trasportatori possono arrivare a saturazione (la velocità di trasporto non può più aumentare) se le concentrazioni di soluti da trasportare sono molto elevate. Ciò avviene perché il numero di trasportatori sulle membrane è finito. Il processo è reversibile e la direzione del trasporto dipende solo dalla differenza tra le concentrazioni della molecola da trasportare ai due lati della membrana. Dispendio di energia: è necessario mantenere e stabilizzare il gradiente perché tutto funzioni: • Nell’esempio del GLUT1, i globuli rossi devono mantenere la concentrazione di glucosi bassa all’interno della cellula e quindi devono fosforilare il glucosio con dispendio di energia dall’ATP. • In più costi aggiuntivi saranno necessari per la sintesi degli enzimi di fosforilazione. FILTRAZIONE Passaggio di acqua e soluti attraverso una membrana semipermeabile, in base a una differenza di pressione idrostatica che è la forza esercitata da un liquido su una superficie. TRASPORTO ATTIVO: È un trasporto che avviene contro gradiente di concentrazione e richiede quindi, oltre a proteine vettrici specifiche, un dispendio di energia e i carrier: • Mobili: questi ultimi si spostano attraverso la membrana • Fissi: sono inseriti tra la membrana ed hanno un sito attivo prima da una parte e poi dall’altra parte della stessa membrana. Le proteine che svolgono un trasporto attivo pompano materiali da una zona a bassa concentrazione ad una ad alta concentrazione • Trasporto attivo primario: l’idrolisi dell’ATP, il trasporto di elettroni e la luce. Uno degli esempi più importanti di questo tipo di trasporto nelle cellule animali è il passaggio (un antiporto) degli ioni sodio (Na+) e potassio (K+) a opera dell’enzima Na+-K+- ATPasi; (Pompa sodio-potassio) • Trasporto attivo secondario dove l’energia è fornita da gradienti ionici e da differenze di potenziale, che si stabiliscono tra le opposte facce delle membrane. Le molecole da trasportare vengono trascinate all’interno della cellula, contro il proprio gradiente di concentrazione, da ioni che invece passano nel compartimento intracellulare secondo il loro gradiente di concentrazione. (Cotrasporto) Sistema di Cotrasporto: sposta i soluti attraverso la membrana con un trasporto attivo indiretto: due soluti sono trasportati contemporaneamente Il movimento del soluto 1 secondo il suo gradiente di concentrazione favorisce il movimento del soluto 2(Comunque è necessaria dell’ATP per generare il gradiente di concentrazione del soluto 1) - Ad esempio la pompa sodio-potassio butta fuori dalla cellula il sodio, aumenta la sua concentrazione extracellulare e quindi genera un gradiente di concentrazione favorevole al rientro del sodio. - Anche se il glucosio può entrare nella cellula per diffusione facilitata c’è anche un sistema per il cotrasporto di sodio e glucosio. Grazie al sodio che entra nella cellula secondo il suo gradiente di concentrazione, il trasportatore cattura l’energia rilasciata da questo processo e la utilizza per trasportare il glucosio. 1. fagocitosi: Nella fagocitosi la cellula può ingerire anche materiali grandi come batteri o cibo (es: i globuli bianchi del sangue umano ingeriscono batteri). Con questo meccanismo si forma un ripiegamento sulla membrana plasmatica attorno alla particella che deve essere ingerita, questo ripiegamento si fonde a formare un vacuolo (una piccola sacca/vescicola). Si forma una strozzatura ed il vacuolo si stacca ed entra nella cellula, lì si fonde con i lisosomi che digeriscono i materiali ingeriti. scopo nutritivo dai protisti o a scopo difensivo dai granulociti (macrofagi e neurofili) e consiste nell’estensione di dilatazioni di membrana che inglobano sostanze esterne che passano nel citoplasma; 2. pinocitosi: consiste nell’assunzione non specifica di piccoli quantitativi di liquidi extracellulari contenenti macromolecole di interesse metabolico; Queste gocce vengono prima intrappolate e poi circondate dalla membrana plasmatica. A questo punto diventano vescicole, si staccano ed entrano nel citoplasma dove vengono svuotale. 3. endocitosi mediata da recettori: è un processo altamente specifico in quanto, recettori disposti sulla membrana selezionano le macromolecole del fluido extracellulare e facilitano il loro ingresso nella cellula. Ricopre importanza notevole il meccanismo d’ invaginazione nella endocitosi del colesterolo e della transferrina (proteina che trasporta il ferro). Il colesterolo è assorbito dalle cellule in questa maniera, grazie al fatto che è trasportato nel sangue come componente di particelle chiamate LDL (low density lipoproteins, lipoproteine a bassa densità). Le LDL sono considerate il colesterolo «cattivo» perché il loro livello nel sangue è associato ad un aumento di malattie cardio/cerebrovascolari. Le HDL (high density lipoproteins, lipoproteine ad alta densità) sono invece considerate il colesterolo «buono», perché queste particelle sono in grado di ripulire vene e arterie dai depositi di colesterolo. CONNESSIONI TRA CELLULE: Le proteine di membrana posso essere utili anche per creare delle connessioni tra le cellule, 1. Giunzioni Ancoranti: legare tra loro molto fortemente strati di cellule in modo che diventino molto resistenti (esempio cellule della pelle) e possono essere: - I desmosomi: punti di attacco tra le cellule (come dei morsetti) in modo che queste possano formare uno strato resistente, restano però degli spazi tra le membrane dove possono passare delle sostanze - le giunzioni aderenti: cementano proprio le cellule tra loro. - Le caderine sono le proteine che formano una cintura di adesione continua tra le cellule. 2. Serrate (sigillanti): formano connessioni molto strette tra le cellule per cui in quelle zone spariscono gli spazi intercellulari. Servono per sigillare ed evitare il passaggio di sostanze tra le cellule (es epiteli interni, intestino). Non sono però presenti lungo tutto la cellula, si limitano ad alcuni tratti, le cellule non sono fuse insieme. 3. Comunicanti: assomigliano ai desmosomi perché non sono continue, ma sono diverse perché non solo legano le cellule, ma anche mettono in comunicazione i citoplasmi attraverso dei canali. - La connessina è la proteina che genera i canali, si formano dei tubi fatti da 6 cilindretti di connessina che possono far passare ioni e piccole molecole, aprendosi e chiudendosi. Questo tipo di giunzioni è presente quando le cellule devono comunicare molto efficacemente tra loro. Esempio cellule muscolari del cuore che si devono contrarre in maniera sincronizzata POTENZIALE DI MEMBRANA Il potenziale di membrana è la differenza di energia potenziale elettrica tra l’interno e l’esterno della membrana cellulare, ed è misurato in millivolt (mV); è generato dalla distribuzione asimmetrica di cationi (cariche positive) e anioni, (cariche negative) ai due lati della membrana. Questa distribuzione è dovuta alla diversa diffusibilità dei diversi ioni e all'intervento di pompe ioniche, collocate nella membrana cellulare, che contribuiscono a mantenere separate le cariche. In tutte le cellule dell'organismo l'interno della membrana cellulare è in condizioni di riposo, con valori più elettronegativi rispetto al suo esterno. Ciò significa che la membrana risulta polarizzata, con un eccesso di cariche negative all'interno e un eccesso di cariche positive all'esterno, che si comporta come una barriera con permeabilità selettiva. Tale polarizzazione assume particolare interesse nelle cellule eccitabili come neuroni e cellule muscolari, capaci di generare in risposta a stimoli specifici segnali elettrici. Le specie ioniche danno una composizione molto diversa ai due compartimenti idrici e precisamente: - Compartimento extracellulare: alte concentrazioni di Na+, Ca2+ e Cl-; - Compartimento intracellulare: alte concentrazioni di K+ e anioni proteici (A-). La struttura della membrana è il bilayer fosfolipidico che risulta impermeabile alle molecole cariche elettricamente, rivestite da uno strato di molecole d’acqua (strato di solvatazione). Le specie ioniche attraversano il doppio strato fosfolipidico della membrana attraverso i canali ionici DIFFERENZA DI POTENZIALE: Differenza di potenziale: si crea quando due soluzioni elettrolitiche, a contatto, sono separate da una membrana semipermeabile, ovvero permeabile a una sola specie ionica. In queste condizioni tra le due facce della membrana si instaura una differenza di potenziale Em, che può dare luogo a un lavoro elettrico compiuto dagli ioni che attraversano la membrana in grado di compensare il lavoro osmotico dovuto alla differenza di concentrazione. La differenza di concentrazione degli ioni ai due lati della membrana definisce un gradiente di concentrazione (gradiente chimico) per ogni ione, che consente la diffusione dello ione attraverso la membrana e ne determina il verso. In condizioni di riposo il versante interno della cellula risulta carico negativamente rispetto all’esterno che risulta carico positivamente. In una cellula nervosa è circa -60,-70 mV, valore che si mantiene costante in assenza di stimolazione. A tali valori i canali ionici voltaggio-dipendenti di sodio e potassio sono chiusi. ➔ concentrazione degli ioni K+ e più alta all’interno della cellula e quella degli ioni Na+ all’esterno. L’applicazione di uno stimolo su una fibra nervosa modifica la permeabilità della membrana agli ioni Na+ con conseguente flusso di cariche positive costituite di ioni Na+ verso l’interno della cellula (➔ pompa ionica), e successiva modifica locale del potenziale di membrana (depolarizzazione). Le vie di conduzione possono essere descritte mediante due parametri inversamente proporzionali tra di loro: • Conduttanza. • Resistenza. Quando si applica artificialmente un impulso di corrente nella cellula si osserva che la variazione del voltaggio interviene con ritardo rispetto alla corrente: ✓ capacità di membrana: che è funzione della struttura fisica della stessa (lipidi che isolano due soluzioni conduttrici). L’entità della capacità di membrana è legata alla possibilità di accumulare una carica ai due lati: tale accumulo coincide quindi con l’accumulo o deplezione di ioni a cavallo della membrana. Riassumendo: • In una cellula la risposta artificiale a piccole correnti sotto soglia dipende dalla resistenza di ingresso della cellula. • Questa determina il valore di potenziale stazionario il valore di potenziale che si raggiunge quando lo stimolo viene applicato per tempi lunghi • La presenza di una capacità di membrana rallenta Il ritorno a valori di riposo. • Il raggiungimento di questo livello di potenziale PROPAGAZIONE NEI CAVI NEURITICI Una cellula sferica non rappresenta fedelmente le proprietà elettriche di una cellula neuronale, attraverso cui le correnti e i potenziali si propagano a distanze anche molto elevate. L’ampiezza di un potenziale elettrico decresce progressivamente con la distanza. I problemi che riguardano la trasmissione di un potenziale elettrico sono due: 1. Quanto lontano può arrivare il segnale. 2. Quali sono le cause del decremento progressivo del potenziale. ✓ In un dendrite: il citoplasma presenta una spiccata resistenza al flusso ionico: tanto più lungo è il dendrite, maggiore sarà la resistenza del volume citoplasmatico → numero maggiore di collisioni. Affinché la corrente elettrica possa raggiungere distanze elevate è necessario scegliere: • Le caratteristiche del cavo di trasmissione, ovvero sia la resistenza assiale al flusso di corrente, sia la resistenza del materiale isolante che circonda il cavo devono essere ottimali per favorire l’ingresso di cariche al proprio interno. Diametro dell’assone: Gli assoni di maggior diametro hanno una corrente soglia minore; infatti tanto maggiore è il diametro di un assone, tanto minore sarà la resistenza opposta dall’ assoplasma al flusso di ioni, con diminuzione della resistenza assiale. Negli assoni con diametro elevato entra una corrente maggiore che facilita la depolarizzazione rapida. MISURAZIONE DEL POTENZIALE DI MEMBRANA Utilizzando dei microelettrodi, dei sottili tubicini di dimensioni inferiori ad 1 micron capaci di penetrare dentro la cellula senza danneggiarla e di misurare la differenza di potenziale (ΔV) che vige a cavallo della membrana. - Posizionando i due elettrodi nella soluzione extracellulare non si rileva alcuna differenza (ΔV = 0). - Quando uno dei due elettrodi passa all’interno della cellula si registra una differenza di potenziale, con una carica negativa all’interno della cellula. IONI: sono atomi o molecole carichi elettricamente Le membrane biologiche dividono tra loro due ambienti acquosi (quello citoplasmatico da quello extracellulare. Negli ambienti acquosi del nostro organismo sono presenti gli ioni. - cationi: perdano un elettrone (in questo caso sono carichi positivamente) - anioni: acquisiscano un elettrone (in questo caso sono carichi negativamente) CANALI IONICI: In teoria nessuno ione può attraversare il doppio strato fosfolipidico della membrana plasmatica (diciamo che le membrane sono impermeabili agli ioni). Nella realtà le membrane non sono formate solo da fosfolipidi, ma anche da proteine che attraversano la membrana. CANALI IONICI: sono delle vere e proprie porte di proteine che possono essere aperte (poro), oppure chiuse, attraversano la membrana cellulare e che, congiuntamente con le pompe ioniche, modulano il potenziale di membrana. Sono glicoproteine integrali di grandi dimensioni; diverse subunità si assemblano e contribuiscono a delimitare un poro idrofilico attraverso cui passano gli ioni: flusso elevato, senza alcuna spesa di energia, in virtù della presenza di forze elettrostatiche e dei gradienti di concentrazione presenti ai due lati della membrana. Domini transmembrana: proteina con domini che attraversano la membrana di ogni subunità. Subunità che costituiscono un canale: • omodimeri: identiche • eterodimeri: diverse ✓ controllano in modo generalmente selettivo, il flusso di ioni che entra ed esce dalla cellula secondo il gradiente di concentrazione. ✓ l’entrata di questi ioni, in particolare gli ioni Ca2+, modula funzioni cellulari importanti come la contrazione muscolare e la trasmissione nervosa. Apertura Diretta: effetti rapidi, dell’ordine dei millisecondi Apertura Indiretta: più lenta, centinaia di millisecondi, ma più duratura. L’apertura del canale è in entrambi i casi dovuta a un riarrangiamento conformazionale della molecola proteica che costituisce il poro. SELETTIVITA’ DEI CANALI: Ci sono canali ionici che si lasciano attraversare da diverse specie di ioni (ma sempre con la stessa carica) come Na+, Ca2+ e K+, oppure canali selettivi per una sola specie ionica. Filtro molecolare, costituito da una successione di aminoacidi polari capaci di stabilire interazioni labili con lo ione. CANALI PASSIVI: ✓ Per una specie ionica e sempre aperti. ✓ Si realizza senza alcuna limitazione e viene determinato dalla forza elettrochimica che si stabilisce tra i due versanti della membrana. ✓ responsabili della genesi del potenziale di membrana a riposo. CANALI AD ACCESSO VARIABILE: ✓ apertura a seguito di stimoli specifici di varia natura (chimica, elettrica, meccanica). ✓ responsabili dell’insorgenza di segnali elettrici nelle cellule eccitabili. •Canali voltaggio-dipendenti: sono canali ionici che presentano un sensore del voltaggio e la cui apertura è dovuta ad una variazione del potenziale di membrana; •Recettori-canale: sono canali ionici attivati dal legame con un opportuno ligando; sono quindi recettori per neurotrasmettitori (come l’acetilcolina che attiva i recettori nicotinici della placca neuromuscolare); - può legarsi direttamente al complesso proteico che costituisce il canale (come accade per i recettori-canale nicotinico e GABAergico, attivati rispettivamente da acetilcolina e acido γ- ammino butirrico), - può attivare un recettore che, a sua volta, attivando una proteina G fa aprire il canale (come il canale del potassio attivato dal recettore muscarinico M2 tramite le subunità Gβγ). •Canali regolati da stimoli meccanici: sono canali la cui apertura dipende dall’energia meccanica dello stimolo. 1. STATO APERTO E CHIUSO: - L’ attivazione del canale non determina un flusso continuo di corrente, quanto l’insorgenza di una ripetizione di stimoli di ampiezza determinata e durata variabile. - La rimozione dello stimolo che ha indotto l’apertura del canale, ne determina il passaggio allo stato chiuso e quindi il blocco del flusso ionico per chiusura del poro. • Apertura e chiusura si realizzano mediante un meccanismo di rotazione delle subunità • La funzionalità può essere regolata per fosforilazione di particolari regioni del canale. 2. STATO INATTIVO: - L’ inattivazione del canale: il transito degli ioni è impedito, nonostante il perdurare dello stimolo che ne ha determinato l’apertura. - l’inattivazione può essere infatti dovuta ad una modificazione conformazionale di una regione distinta rispetto al cancello di attivazione. - Fenomeno della refrattarietà: l’incapacità delle cellule eccitabili di rispondere ad un secondo stimolo troppo ravvicinato al precedente. - Nuova apertura: quando il canale si trova nello stato inattivo, è necessario che, passi dallo stato inattivo (ineccitabile) allo stato chiuso (eccitabile). CANALI DEL CLORO: Sono canali anionici che determinano l’ingresso di cariche negative nel citosol e sono importanti nei processi di regolazione dell’eccitabilità di cellule muscolari scheletriche, cellule epiteliali renali. IONE SODIO: Na+ Molti ioni sono distribuiti in modo disomogeneo nell’ambiente intra ed extracellulare. ione sodio (Na+), è più concentrato nell’ambiente extracellulare rispetto a quello intracellulare (10 volte superiore); (si dice che ha un gradiente di concentrazione). Se lo ione sodio potesse attraversare la membrana plasmatica, passerebbe dall’esterno, dove è più concentrato, all’interno, ristabilendo in tal modo l’equilibrio (si dice che lo ione sodio segue un gradiente di concentrazione). (il citosol è carico negativamente e quindi richiama cariche positiva). Il valore del potenziale di membrana si discosta dal valore del potenziale di equilibrio per lo ione K+ (-60 e -70 mV). Questo significa che sono coinvolte altre specie ioniche, che concorrono a definire il potenziale di membrana. Potenziale di membrana: risultato del contributo di più specie ioniche ed è rappresentata dall’equazione di Goldman, che tiene conto della permeabilità di membrana per K+, Na+ e Cl-. Genesi del potenziale di membrana: flusso di ioni potassio e sodio. Flusso di Na+ a riposo risulta però scarso: il numero di canali passivi è basso rispetto a quelli per il potassio. Il potenziale di equilibrio per lo ione Na+ secondo l’equazione di Nerst è pari a +55 mV, valore che si discosta dal potenziale di riposo. Quindi… in condizioni di riposo il flusso ionico osservabile riguarda lo ione K+, mentre il flusso Na+, non si osserva per una scarsa permeabilità della membrana. Il flusso netto di Na+ si verifica in presenza di un potenziale di azione che porta all’apertura dei canali ad accesso controllato. SINTESI: I fattori che determinano il potenziale di riposo sono: 1. Elevata permeabilità di membrana allo ione K+, per la presenza di canali passivi; 2. Impermeabilità della membrana agli anioni proteici che rimangono intrappolanti all’interno della cellula, determinando la polarizzazione negativa; 3. Scarsa permeabilità di membrana allo ione Na+, per bassa espressione sulla membrana di canali passivi; 4. Azione della pompa Na+/ K+ che mantiene inalterati i rapporti di concentrazione tra le due specie ioniche. IONE POTASSIO: K+ La concentrazione intracellulare di K+ è maggiore di quella presente nel versante esterno, per cui in virtù del suo gradiente lo ione tende ad uscire dalla cellula. Nel compartimento intracellulare vi è però un’elevata concentrazione di anioni inorganici come proteine e aminoacidi, che non fuoriescono dalla cellula e che tendono a trattenere le cariche positive. - Il disaccoppiamento tra flusso cationico e anionico determina la polarizzazione della membrana, con il versante interno negativo. - Quando si blocca il flusso dello ione K+ verso l’esterno? Per rispondere bisogna considerare l’equilibrio elettrochimico. EQUILIBRIO ELETTROCHIMICO: In condizioni di riposo le membrane cellulari hanno un’elevata permeabilità per il K+, grazie alla presenza di numerosi canali passivi selettivamente permeabile a questo. ione, e una scarsa, o assente, permeabilità per il Na+ e gli altri ioni. In particolare, gli anioni proteici, date le loro grandi dimensioni, non sono assolutamente in grado di attraversare la membrana cellulare. Gli ioni K+, che sono gli ioni più diffusi in condizioni di riposo, tendono a fuoriuscire dalla cellula seguendo il loro gradiente di concentrazione. Il flusso degli ioni tra i due lati della membrana risulta regolato, oltre che dal gradiente chimico, anche da quello che viene definito gradiente elettrico, e il flusso degli ioni attraverso la membrana è il risultato della combinazione delle due forze → gradiente elettrochimico Se il potassio non presentasse una carica positiva, uscirebbe dalla cellula seguendo il proprio gradiente chimico fino al raggiungimento di un equilibrio tra la concentrazione interna è quella esterna. Viceversa, poiché man a mano che il potassio esce dalla cellula si accumulano sul versante interno della membrana cellulare un elevato numero di cariche negative dovute agli ioni proteici indiffusibili, queste cariche negative tendono a richiamare potassio all'interno della cellula, limitandone di fatto il flusso in uscita. La presenza di cariche negative sul versante interno della membrana cellulare costituisce un forte attrattivo per il sodio, che tende quindi ad entrare nella cellula grazie alla presenza di un gradiente chimico e di un gradiente elettrico molto favorevoli. Il flusso di Na+ è però limitato dalla scarsa presenza di canali passivi per questo ione. Conseguentemente, le concentrazioni di Na+ e K+, tenderebbero ad equilibrarsi all'interno all'esterno della cellula, ciò non avviene grazie alla presenza della pompa Na+/K+ ATPasi collocata nella membrana cellulare. Tale pompa scambia tre ioni sodio intracellulare con due ioni potassio extracellulare per ogni molecola di ATP consumata, mantenendo la difformità delle concentrazioni degli ioni ai due lati della membrana e contribuendo, data l’asimmetria dello scambio, a mantenere la negatività del versante interno della membrana. Durante un potenziale d'azione, l'apertura dei canali voltaggio dipendenti per il sodio determina un rapido ingresso nelle zone di grosse quantità di questo ione che porta il potenziale di membrana a valori di +30mV. Quando il potenziale di membrana raggiunge i +30 mV, i canali voltaggio dipendenti per il sodio si chiudono ma contemporaneamente si aprono i canali voltaggio dipendenti per il potassio. L'apertura di tali canali determina una massiccia fuoriuscita di potassio dalla cellula; La fuoriuscita delle cariche positive legate al potassio porta ad una rapida ripolarizzazione della membrana, che raggiunge transitoriamente valori leggermente più negativi di quelli a riposo, per poi tornare rapidamente ai valori iniziali di riposo (-70mV). EQUAZIONE DI NERST: Permette di calcolare il valore di potenziale elettrico a cui si stabilisce l’equilibrio elettro-chimico per la specie di interesse. EK= potenziale di equilibrio per il potassio R= costante dei gas perfetti T= temperatura assoluta z= valenza dello ione F= costante di Faraday [K+] = concentrazioni esterna ed interna dello ione Il potenziale di equilibrio dello ione K+ è pari a -75mV che corrisponde ad un valore prossimo al potenziale di membrana in condizioni di riposo. SISTEMA DOPAMINERGICO: 1. La Via Mesolimbica collega l'area tegmentale ventrale al nucleus accumbens attraverso l'amigdala e l'ippocampo (entrambi al centro del sistema della ricompensa nel cervello). - controllo del comportamento - produce delirio ed allucinazioni quando iperattiva - regola il senso di gratificazione →fenomeni di dipendenza. Gli antagonisti dopaminergici sono farmaci che trovano ampio utilizzo come neurolettico in ambito psichiatrico: - malattia di Parkinson - antidepressivi - contro la dipendenza. Effetti Collaterali: bulimia, ipersessualità, gioco compulsivo (gioco d'azzardo), acquisti compulsivi in circa l'8% di coloro che sono affetti dalla malattia di Parkinson. 2. Via Mesocorticale collega l'area tegmentale ventrale del mesencefalo alla corteccia pre-frontale - controllo di emozioni e sentimenti. 3. Via Tubero-infundibolare collega l'ipotalamo alla ghiandola pituitaria. - Controlla il rilascio di ormoni come la somatotropina (ormone della crescita) e il PIF (Prolactin Inhibiting Factor ovvero fattore inibente la prolattina). 4. Via Nigrostriatale: va dalla substantia nigra allo striato. - controlla i movimenti - Il percorso è coinvolto nei gangli della base. NORADRENALINA: NE (norepinefrina) - locus coeruleus che proietta a corteccia, ippocampo, cervelletto; - sistema nervoso autonomo (ortosimpatico): rilasciato dai neuroni noradrenergici durante la trasmissione sinaptica. - L’effetto nelle cellule bersaglio dipende dal tipo di recettore espresso. - Rispetto all’adrenalina, manca di un metile legato al gruppo aminico. - Rilasciata dalle cellule cromaffini come ormone nel sangue - ormone dello stress, coinvolge parti del cervello dove risiedono i controlli dell'attenzione e delle reazioni. - Insieme all'epinefrina, provoca la risposta di “attacco o fuga” attivando il sistema nervoso simpatico per aumentare il battito cardiaco, rilasciare energia sotto forma di glucosio dal glicogeno e aumentare il tono muscolare. ADRENALINA (epinefrina) - Ormone e neurotrasmettitore - un mediatore chimico tipico della classe dei vertebrati - La noradrenalina è convertita in adrenalina nella midollare del surrene - entrambe agiscono sugli stessi recettori e hanno effetti sovrapponibili a livello periferico. - I suoi effetti comprendono: o rilassamento gastrointestinale o dilatazione dei bronchi o aumento della frequenza cardiaca e della gittata cardiaca o deviazione del flusso sanguigno verso i muscoli, il fegato, il miocardio e il cervello o aumento della glicemia. DERIVATE DAL TRIPTOFANO ed è contenuta nei corpi cellulari dei neuroni del rafe magno, responsabile del controllo del ritmo sonno-veglia: coinvolta nelle sindromi maniaco-depressive. • Serotonina • Melatonina • Istamina • Istidina SEROTONINA: (5-HT) • sintetizzato nei neuroni serotoninergici nel SNC, nelle cellule enterocromaffini nell'apparato gastrointestinale • regolazione del tono dell'umore, del sonno, della temperatura corporea, della sessualità e dell'appetito. • coinvolta in numerosi disturbi neuropsichiatrici: o l'emicrania o il disturbo bipolare • Il deficit causa: o disturbo ossessivo-compulsivo o manie, ansia o fame nervosa e bulimia o depressione Sistema serotoninergico Nel sistema nervoso centrale, i neuroni serotoninergici sono presenti in molte aree della corteccia, nelle aree limbiche in ippocampo e nel cervelletto. Il sistema serotoninergico svolge un ruolo importante nella regolazione dell'umore, dei ritmi sonno veglia, della sensibilità al dolore, della temperatura corporea, della sessualità e dell'appetito. La serotonina esercita anche funzioni a livello periferico, ad esempio sulle piastrine, nel processo di coagulazione del sangue e nella peristalsi gastrointestinale. Deficits nel sistema serotoninergico sono state consistentemente associati allo sviluppo di depressione e di ansia e ai disturbi del comportamento alimentare come anoressia e bulimia. Il sistema serotoninergico ed in particolare il meccanismo di re-uptake della serotonina dagli spazi sinaptici da parte dei neuroni presinaptici è il target principale dei moderni farmaci antidepressivi (SSRI). AMINOACIDI ACIDO-γ-AMINOBUTIRRICO (GABA) - Responsabile nella regolazione dell'eccitabilità neuronale in tutto il sistema nervoso: neurotrasmettitore inibitorio per eccellenza del SNC dei mammiferi - Negli esseri umani responsabile per la regolazione del tono muscolare. - molecola endogena ottenuta a partire dall'acido glutammico che viene decarbossilato ad opera dell'acido glutammico decarbossilasi (GAD). - rilasciato da neuroni dei circuiti locali presenti nel cervello (neuroni gabaergici), i quali presentano un piccolo corpo neuronale e arborizzano a breve distanza formando principalmente sinapsi asso- assoniche con i neuroni di proiezione (eccitatori). - liberato nella fessura sinaptica dove viene rapidamente ricaptato da trasportatori presenti sulla membrana presinaptica. - inibizione esercitata dal GABA sul terminale presinaptico dove impedisce il rilascio del neurotrasmettitore dai terminali eccitatori: il GABA liberato dalla fibra inibitoria produce un’iperpolarizzazione della membrana (associata ad un aumento della conduttanza per il Cl-). - Esistono 3 tipi di recettore, tutti con effetti inibitori. - degradato ad opera dell'enzima gaba-transaminasi (GABA-T) che catalizzando sulla molecola una reazione di deaminazione ossidativa dà come prodotto la semialdeide succinica che verrà successivamente ossidata ad acido succinico, intermedio del ciclo di Krebs. GLICINA - principale neurotrasmettitore inibitorio del midollo allungato del midollo spinale. Come il GABA attiva recettori canale anionici (permeabili al Cl-). ACIDO GLUTAMMICO - principale neurotrasmettitore eccitatorio del SNC - sintetizzato a partire dall’ α-chetoglutarato, un prodotto del ciclo di Krebs. - ricaptato mediante un trasporto favorito dal gradiente per lo ione sodio. - Agisce su tre tipi di recettori (AMPA, KAINATO, NMDA). implicato nei processi si plasticità sinaptica e quindi di apprendimento e memoria: in quantità eccessive possa causare danni neuronali da eccitotossicità. - Negli esseri umani non è un amminoacido essenziale: l'organismo umano è in grado di sintetizzarlo, in quanto il suo fabbisogno aumenta in caso di stress psicofisico e malattie (essenziale) costituente delle proteine: per giungere al cervello, viene convertito in glutammina. - un precursore del GABA Ogni neurone riceve continui input provenienti da altri neuroni. I diversi input vengono integrati dal neurone bersaglio e le informazioni così ricevute vengono codificate sotto forma di potenziali d’azione; • FUNZIONE INTEGRATIVA: consiste nel controllare il potenziale di membrana, che dipende da due proprietà passive della membrana: - Costante di tempo: influenza il decorso temporale delle risposte sinaptiche. - Costante di spazio: influenza il decorso spaziale delle risposte sinaptiche. • SOMMAZIONE TEMPORALE: processo che permette la sommazione di impulsi sinaptici consecutivi. • SOMMAZIONE SPAZIALE: processo che permette la sommazione di impulsi sinaptici localizzati in zone neuronali diverse. RECETTORI IONOTROPICI: RECETTORI IONOTROPICI DELL’ACETILCOLINA ▪ Appartengono ai canali attivati da ligandi; ▪ sono chiamati recettori nicotinici oltre che acetilcolina sono attivati da un alcaloide di origine naturale estratto dalla pianta di tabacco, la nicotina. 1. Periferici: sulla membrana postsinaptica delle fibre muscolari scheletriche 2. Centrali: localizzati sulle terminazioni nervose e il soma dei neuroni del SNC. Entrambi sono canali cationici permeabili allo ione sodio, per cui l’apertura indotta dal neurotrasmettitore determina l’insorgenza di un potenziale d’azione RECETTORI PERIFERICI • Sono pentameri che circoscrivono un poro centrale; • ogni subunità è costituita da una sequenza di aminoacidi che presenta quattro domini α-elica che attraversano la membrana (M1-M4). • Il segmento M2 costituisce la parete del poro ed è costituita da una sequenza di aminoacidi che determinano la selettività ionica e quindi la conduttanza del canale. La conduttanza dipende inoltre dal diametro del poro che essendo molto ristretto, costituisce una barriera al passaggio. • Le due subunità α presentano il sito di legame per l’Ach; per l’apertura del canale sono necessarie due molecole di neurotrasmettitore. RECETTORI CENTRALI • si presentano per assemblaggio delle varie subunità in molteplici forme con funzionalità diversa. • permeabilità maggiore allo ione calcio. RECETTORI IONOTROPICI DEL GABA • attiva recettori permeabili al cloro, la cui apertura determina quindi una iperpolarizzazione di membrana. • La conseguenza è una inibizione nelle cellule neuronali dell’insorgenza di un potenziale d’azione. GABA A: • un recettore canale ionotropo • attivo a livello post-sinaptico, • struttura eteropentamerica – 5 subunità: due alfa, due beta, una gamma (facilmente esistono mutanti, per cui possono essere differenti le reattività ai singoli farmaci GABA C: • recettore canale ionotropo • attivo a livello post-sinaptico • formato da subunità omooligomeriche di tipo ρ; RECETTORI IONOTROPICI DEL GLUTAMMATO • mediano una trasmissione di tipo eccitatorio e partecipano alle modificazioni plastiche dei circuiti neuronali, che sono alla base di memoria e apprendimento. • L’attivazione spropositata di tali recettori, come in caso di ischemia, stress o crisi epilettiche, porta a morte cellulare. I recettori vengono classificati in funzione dell’affinità: o Recettori ad alta affinità: recettori NMDA (attivati dall’analogo al glutammato N-metil-D- aspartato); o Recettori a bassa affinità o non-NMDA: sono due tipi di recettori, AMPA e Kainato (così chiamati in quanto attivati rispettivamente dai composti AMPA e kainato). RECETTORI AMPA: • cinetica di attivazione e inattivazione rapida (mediano la trasmissione eccitatoria rapida); • tetrameri • permeabili ai cationi. • recettore post-sinaptico • localizzato al centro della membrana post-sinaptica • genera un PPSE, (Potenziale Post Sinaptico Eccitatorio) che è molto rapido ma debole. • Per informazioni “memorizzate” (non a lungo) RECETTORI KAINATO: • sostanza neurotossica capace di uccidere i neuroni. • Tetrameri • cinetica di attivazione lenta. RECETTORI NMDA: • legano il glutammato ad alta affinità e a concentrazioni minori rispetto a quello necessario per l’attivazione dei canali a bassa affinità. • Canali ionici a cinetica lenta, attivati dal legame con il neurotrasmettitore ma anche dal voltaggio. • Recettore post-sinaptico che lascia fluire ioni Na+ e Ca2+ all'interno del neurone e ioni K+ al suo esterno. • riposo il canale, permeabile allo ione calcio, è bloccato dalla presenza di ioni magnesio; • depolarizzazione, il blocco viene rimosso, e il poro diventa permeabile al calcio. • importanti nei processi di plasticità e di potenziamento o depressione a lungo termine. RECETTORI METABOTROPICI: • costituiti strutturalmente da un’unica catena polipeptidica, che dà origine a sette domini transmembrana. • I loop intracitoplasmatici danno origine al sito di legame per le proteine G, coinvolte nel controllo indiretto (mediante secondi messaggeri) di canali ionici che vengono attivati o inattivati per fosforilazione/defosforilazione. • Infatti i secondi messaggeri attivano delle specifiche chinasi, enzimi capaci di trasferire gruppi fosfato ad aminoacidi come serina e treonina. • L’effetto osservato dipende dal tipo di recettore attivato e dal canale ionico controllato. RECETTORI METABOTROPICI DELL’ACETILCOLINA: classificati in base alla loro differente affinità con ligandi non biologici. • NICOTONICO: è un recettore ionotropico che, legando l'acetilcolina, permette il flusso di cationi. o Lega particolarmente la nicotina ed in misura minore la muscarina. • MUSCARINICO: è un recettore metabotropico che a seguito del legame con l'acetilcolina, attiva una cascata di reazioni intracellulari mediate da un secondo messaggero (proteine G). o Il recettore muscarinico è selettivo per la muscarina e non lega la nicotina. o attivato dalla muscarina, un alcaloide estratto dall’ Amanita Muscaria. Recettori Nicotinici: 1. Muscolari: giunzione neuromuscolare del muscolo scheletrico 2. Gangliari: trasmissione a livello dei gangli simpatici e parasimpatici 3. Del SNC: ampiamente diffusi a livello cerebrale Recettori Muscarinici: ✓ M1: neuronali o SNC, nei neuroni periferici e nelle cellule parietali dello stomaco. o effetti eccitatori, ad esempio della lenta eccitazione muscarinica mediata dall'ACh nei gangli simpatici e nei neuroni centrali. Questa eccitazione è conseguente a una riduzione della conduttanza del K+, che risulta nella depolarizzazione di membrana o aumento della secrezione gastrica conseguente a stimolazione vagale. ✓ M2: cardiaci o cuore e anche sulle terminazioni presinaptiche di neuroni periferici e centrali. o Effettto inibitorio, ed è causato principalmente da un aumento della conduttanza del K+ e dall'inibizione dei canali del calcio. o inibizione vagale del cuore, e dell'inibizione presinaptica che si verifica nel SNC e in quello periferico. ✓ M3: ghiandolari, muscolatura liscia o Effetti eccitatori: stimolazione della secrezione ghiandolare o la contrazione della muscolatura liscia dei visceri o stimolazione del vomito. ✓ M4 ed M5: o SNC o il loro ruolo funzionale non è stato ancora chiarito completamente. RECETTORI METABOTROPICI DEL GABA • SNC, spesso localizzati in prossimità dei recettori GABA A. Possono essere: - Presinaptici (autorecettori): inibiscono il rilascio di GABA attivando una conduttanza per il potassio o inibendo la conduttanza per il calcio. - Postsinaptici: determinano un’iperpolarizzazione di membrana mediante una proteina G che inibisce l’adenilatociclasi e l’apertura di canali per il potassio. GABA B • 7 domini transmembrana • attivo pre- e post-sinapticamente tramite chiusura dei canali del calcio nella terminazione pre- sinaptica (diminuzione della liberazione del neurotrasmettitore a livello pre-sinaptico) • tramite apertura del canale del cloro annesso al recettore (come il GABA A). RECETTORI METABOTROPICI DEL GLUTAMMATO • possono eccitare direttamente i recettori postsinaptici o inibire a livello presinaptico il rilascio del neurotrasmettitore. • In funzione delle vie di trasduzione che attivano: - Gruppo I: attivano la fosfolipasi C: stimolazione abnorme determina neurotossicità e crisi convulsive. - Gruppo II e III: inibiscono entrambi l’adenilatociclasi: La stimolazione eccessiva ha effetto protettivo.