Meccanismo d'azione dei NT nelle sinapsi dirette - CPRG

Meccanismo d’azione dei NT nelle
sinapsi dirette
1.La giunzione neuromuscolare
2.Sinapsi eccitatorie
3.Sinapsi inibitorie

1) La giunzione neuromuscolare
La prima sinapsi ad essere studiata nel dettaglio è stata la giunzione
neuro-muscolare, sia perché si trova nel SNP ed è quindi facilmente
raggiungibile sia per altre sua caratteristiche come la dimensione.
Di conseguenza il meccanismo d’azione dell’Acetilcolina (Ach), il NT
della giunzione neuro-muscolare, è stato il primo ad essere compreso

L’ Ach viene liberata dalla cellula pre-sinaptica in prossimità delle zone
attive in corrispondenza delle quali si trovano nella cellula post-sinaptica
delle pieghe giunzionali tapezzate dai recettori per l’acetilcolina

Le molecole di Ach dopo aver attraversato la fessura
sinaptica vanno ad agire su un canale ionico
Il canale per l’ Ach è composto
di 5 sub-unità (2 sub-unità, le α
sono tra loro uguali)
Ciascuna sub-unità composta da
quattro tratti di α-elica paralleli
che attraversano la membrana
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Due molecole di Ach si
legano alle sub-unità α
di ciascun canale e lo
fanno aprire.
Si tratta di un canale cationico
(cioè permeabile ai cationi, gli ioni con
carica positiva)
È in realtà una
eccezione in quanto
nella stragrande
maggioranza dei
canali ionici c’è un
solo sito per il NT
Benchè il canale sia permeabile sia al K + che al
Na + , è soprattutto il Na + a passare, entrando
nella cellula

La giunzione neuro-muscolare è atipica anche per un altro aspetto. Ad ogni
potenziale d’azione del motoneurone, la quantità di vescicole sinaptiche
che si fondono con la membrana e la quantità di NT (acetilcolina) liberata
è molto maggiore che nelle altre sinapsi e ad un potenziale d’azione
segue invariabilmente una contrazione della fibra muscolare

Perché, benchè il canale ACh sia permeabile sia al K +
che al Na + , è soprattutto il Na + a passare
La differenza di concentrazione tra interno ed esterno tenderebbe a
sospingere il Na + dentro la cellula e il K + fuori.
Tuttavia mentre Na + con la sua carica positiva si muove dalla parte positiva
(esterno) verso la parte negativa (interno) e quindi lungo il gradiente elettrico (NB: le
cariche opposte si attraggono), K + si muoverebbe dalla parte negativa verso la parte
positiva ovvero in senso contrario al gradiente elettrico (le cariche identiche si respingono)
-
-
-
-
K + K
Diffusione
+
-
-
-
Na +
Gradiente elettrico
+
Gradiente elettrico
Diffusione
- +
+
+
+
+ -
+
+
Na +
+

Per la maggior parte dei canali ionici esistono varianti che differiscono
tra loro solamente per uno o per pochi amminoacidi.
A seconda di dove sono localizzate queste variazioni, le diverse proprietà
del canale (permeabilità, durata del tempo di apertura ecc) possono
variare.
Diverse parti del SN possono essere caratterizzate da sottotipi diversi di
un canale

Ad esempio nel feto, il canale per l’Ach della
giunzione neuromuscolare, differisce da
quello dell’adulto per una sola delle 5 subunità
e in particolare per alcuni amminoacidi
posti nel segmento M2, quello che si affaccia
sul canale e che quindi influisce sulla
permeabilità
A causa di questa differenza la permeabilità dei canali nel feto è molto minore e di
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conseguenza la contrazione muscolare meno intensa

Recettori nicotinici e muscarinici
Il canale ionico per l’acetilcolina che si trova nella giunzione neuro-muscolare
prende il nome di recettore nicotinico dal nome della sostanza (la nicotina)
che ne aumenta l’efficacia
I recettori nicotinici si possono trovare anche nelle sinapsi del
SNC
Nel SNC e nel SNP si trova anche un altro tipo di recettore il recettore
muscarinico dal nome della sostanza (la muscarina) che ne aumenta l’efficacia.
In questo caso non si tratta di un canale trasmettitore dipendente ma di un
recettore accoppiato a proteina G e le sinapsi sono pertanto sinapsi
indirette
Tutte le sinapsi che funzionano tramite acetilcolina vengono chiamate
sinapsi colinergiche

Molti veleni prodotti dalle piante o dagli animali agiscono a livello delle sinapsi
colinergiche sia nicotiniche che muscariniche in quanto in questo modo è
possibile ottenere effetti immediati sulla vittima (paralisi, arresto cardiaco, blocco
respiratorio ecc)
Nicotiniche
Curaro - si lega al recettore impedendo all’ACh di attaccarsi
Botulino - inibisce il rilascio dell’ACh
Tossina del cobra - si lega al recettore impedendo all’ACh di attaccarsi
Tossina della vedova nera -fa liberare tutto l’Ach provocando tetania
(spasmi muscolari)
Muscariniche
Muscarina - rallenta il cuore (agonista dell’Ach)
(fungo)
Atropina - dilata le pupille, sostiene il battito cardiaco (antagonista Ach)
(fiore della Belladonna)

2) Le sinapsi eccitatorie
Il glutammato (Glu) è il principale NT delle sinapsi dirette eccitatorie del
SNC
Vi sono molti tipi diversi di canali per il glutammato
Alcuni sono molto simili al recettore nicotinico per l’ACh (eccetto che
legano una sola molecola di NT). A questa categoria appartengono i canali
AMPA e i canali Kainato
questi canali si differenziano tra loro in base all’agonista che li attiva

AGONISTA
una sostanza che, dopo aver legato su di uno specifico recettore, provoca
una risposta simile a quella del NT del recettore stesso
ANTAGONISTA molecola che si lega selettivamente ad un recettore ma
non lo attiva e ne blocca la trasduzione del segnale

Il meccanismo d’azione di questi canali è simile a quello gia visto per l’Ach. La
liberazione di Glu fa aprire dei canali cationici presenti nella membrana
post-sinaptica
A differenza di quanto succede nella giunzione neuromuscolare, ciascuna
sinapsi del SNC contribuisce con un piccolissimo PPSE (molto
meno di 1 mV se misurato al cono d’integrazione).
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Tuttavia la somma di molte sinapsi eccitatorie che scaricano può far
variare il potenziale di membrana della cellula post-sinaptica fino a
causare dei potenziali d’azione
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Esiste poi un tipo molto particolare di canale ionico
Il recettore NMDA (N-metil-D-aspartato):
- oltre che al K + e al Na + esso, quando si apre, è permeabile al Ca +
(il calcio entra anche più prontamente del sodio ed inoltre può influire sul
metabolismo cellulare)

Esiste poi un tipo molto particolare di canale ionico
Il recettore NMDA:
- il canale è normalmente ostruito
da Mg ++ (ione magnesio) e anche
dopo che il glutammato si è legato
e il canale si è aperto, non può
essere attraversato dagli ioni.
Il canale diventa permeabile solo
quando si superano i –35 mV e il
Mg ++ si stacca.
Questa dipendenza dal
voltaggio ne causa
l’apertura tardiva

Esiste poi un tipo molto particolare di canale ionico
Il recettore NMDA:
- lo “sblocco” del canale
dall’ostruzione del magnesio
avviene per repulsione
elettrostatica
tendenza a respingersi fra due o
più corpi, o la forza che provoca
tale tendenza. In questo caso si
riferisce alla repulsione data
dall'energia elettrica.

In una sinapsi recettori NMDA si trovano sempre accoppiati agli altri tipi più
tradizionali di recettori per il glutammato (AMPA o Kainato)
I recettori NMDA non
contribuiscono direttamente alla
genesi del PPSE, ma forniscono
una componente tardiva che
aumenta l’effetto dovuto ai
canali tradizionali e ne prolunga
la durata.
AMPA
PPS
AMPA + NMDA

L’entrata del calcio attraverso i canali NMDA può produrre dei cambiamenti a
lungo termine nella cellula post-sinaptica.
Il calcio infatti nella cellula post sinaptica funge come una sorta di secondo
messaggero chimico. Esso può attivare enzimi specifici, modificando il
metabolismo cellulare e in qualche caso agendo direttamente sulla sintesi delle
proteine e sull’espressione dei geni.
I recettori NMDA svolgono importanti funzioni, tra le quali il consolidamento
della traccia mnestica nei neuroni dei circuiti che presiedono alla formazione
delle memorie.
le modificazioni sottese al funzionamento dei recettori NMDA richiedono
un’ampia attività presinaptica e vengono dette modificazioni sinaptiche attivitàdipendenti

alterazioni nell’equilibrio metabolico di NT eccitatori come il Glu
possono favorire alcune forme morbose in quanto alte
concentrazioni di Glu sono tossiche (eccitotossicità da Glutammato)
alte concentrazioni di Calcio favoriscono la formazione di radicali
liberi
la tossicità da Glu è implicata nel danno cellulare conseguente ad
ictus cerebrale

2) Le sinapsi inibitorie
Il GABA è il principale NT delle sinapsi dirette inibitorie del SNC
(nelle rimanenti viene liberato il NT glicina)
La liberazione di GABA fa apire dei canali anionici i quali sono quindi
permeabili al cloro (Cl - )

Il canale per il GABA è canale molto complesso che oltre al
sito per il NT possiede altri siti cui si legano selettivamente
sostanze come i barbiturici, l’acool etilico o le
benzodiazepine (ansiolitici).
In condizioni naturali questi siti sono occupati da mediatori
chimici endogeni che hanno scopo di modulare il
funzionamento del canale

Anche il canale GABA è formato da 5
diverse sub-unità.
Sono state descritte diverse varianti per
ciascuna unità (circa una decina per la
sola sub-unità α).
Combinando in modo diverso queste
sub-unità è possibile ottenere migliaia
di diverse combinazioni (anche se
solo talune di queste esistono realmente
nel SN) ognuna con piccole differenze
nel funzionamento.
Il fatto che in parti diverse del cervello ci siano canali leggermente diversi è la
base per costruire farmaci che agiscono selettivamente su certe funzioni
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ma non su altri circuiti che utilizzano lo stesso neurotrasmettitore

Nella maggior parte dei casi
l’apertura dei canali GABA
dipendenti causa l’entrata
di Cl - nella cellula
Poiche Cl - porta una carica negativa, la sua
entrata tenderà a iperpolarizzare la cellula
(a renderla cioè più negativa) allontanandola
dal valore di soglia per il PdA
Cl -
- 55 mV - 57 mV

Glutammato
L’influenza sulla cellula
dell’entrata del Cl - non è
tuttavia così marcato come nelle
sinapsi eccitatorie, quando entra
il Na +
GABA
-65 mV
PPSE
PPSI
Infatti mentre il Na + è sospinto dentro la cellula sia dal gradiente di
concentrazione che dal gradiente elettrico, Cl - segue il suo gradiente
di concentrazione ma è rallentato dal fatto (gli uguali si respingono) che passa
dall’esterno carico positivamente all’interno negativo
[In termini tecnici si dice che è vicino al suo potenziale di equilibrio]
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Poiché le sinapsi inibitorie sono molto meno efficaci delle sinapsi
eccitatorie, le prime sono generalmente poste molto più vicine alla zona
d’integrazione (nel monticolo assonico)
Le sinapsi eccitatorie sono tipicamente Asso-dendritiche
Le sinapsi inibitorie sono tipicamente Asso-somatiche
Asso-dendritica
Eccitatoria
Asso-somatica
inibitoria
Asso-assonica
Inibitoria o modulatoria

Modulazione in una sinapsi asso-assonica
B
A
L’attività del neurone
pre-sinaptico A può
aumentare o diminuire la
quantità di NT rilasciato
dal neurone presinaptico
B
C

Asso-assonica

Inibizione per derivazione
Esiste un secondo meccanismo attraverso cui si attua l’inibizione, la cosiddetta
Inibizione per derivazione
In alcuni casi quando si aprono i canali Cl - non si ha alcun afflusso netto
di cloro. Questo avviene se il potenziale di membrana coincide con il potenziale
di equilibrio per il cloro (che di solito sta attorno ai – 60, – 70 mV a seconda della
cellula)
In questo caso si può avere lo stesso inibizione (anche se non c’è alcuna
iperpolarizzazione visibile della celula): Inibizione per derivazione
Questo fenomeno è dovuto al fatto che nel caso vi fosse un PPSE mentre la
cellula è inibita (per derivazione), i canali aperti per il cloro tenderebbero ad
impedire che la cellula diventi meno negativa facilitando un afflusso
compensativo di Cl -
L’ inibizione per derivazione funziona solo se la sinapsi inibitoria è posta tra la
sinapsi eccitatoria e il cono d‘integrazione
Questo è un altro motivo per cui le sinapsi inibitorie sono poste sul soma, vicino al
monticolo assonico

Situazione riassuntiva delle sinapsi dirette del SN
Giunzione neuro-muscolare
• La liberazione di acetilcolina determina l’apertura di un canale
cationico
• Benchè permeabile sia al potassio che al sodio è soprattutto
quest’ultimo ad entrare sospinto sia dal gradiente di
concentrazione che da quello elettrico: Depolarizzazione
• La quantità di NT liberato è molto maggiore che nelle altre
sinapsi e si produce sempre un potenziale d’azione postsinaptico
che determina la contrazione della fibra muscolare

Situazione riassuntiva delle sinapsi dirette del SN
Sinapsi eccitatorie (tipo I di Gray)
• La liberazione di glutammato determina l’apertura di un
canale cationico e (come nel caso precedente) l’afflusso di
sodio dentro la cellula: Depolarizzazione
• Ogni singola sinapsi dà un contributo minimo al potenziale di
membrana ma l’effetto combinato di molte sinapsi può scatenare
un potenziale d’azione

Situazione riassuntiva delle sinapsi dirette del SN
Sinapsi inibitorie (tipo II di Gray)
• La liberazione di GABA determina l’apertura di un canale
anionico e l’afflusso di cloro dentro la cellula:
Iperpolarizzazione
• L’influenza del cloro nel modificare il potenziale di membrana è
molto minore di quella dovuta all’entrata di sodio
• Per poter avere un effetto apprezzabile le sinapsi inibitorie sono
solitamente poste vicino alla zona d’innesco (asso-somatiche)