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Le interazioni tra i neuroni e la biochimica del cervello
Vittorio Erspamer: dall’enteramina alla serotonina, ai neuropeptidi

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Neurotrasmettitori e recettori sinaptici pagine dell'Università di Trieste

Scheda didattica
 
Formazione e conduzione dell'impulso nervoso
Il potenziale a riposo
Tutti i neuroni possiedono una carica elettrica di membrana, che è determinata dalla differenza di potenziale tra gli ioni positivi e quelli negativi concentrati in modo ineguale nello spazio extracellulare ed intracellulare e che è responsabile del potenziale a riposo. Gli ioni che portano la maggioranza delle cariche elettriche sono il sodio (Na+ ) il potassio (K+), il cloro (Cl-) e il Calcio (Ca++). La diversa concentrazione degli ioni negativi e positivi all'interno e all'ester­no della membrana è il risultato della permeabilità selettiva per alcuni ioni, della differente distribuzione di proteine e aminoacidi carichi negativamente, e dell’azione dello “scambiatore” Na+ / K+. Dato che le membrane cellulari sono in gran parte costituite da lipidi (elementi resistivi, in termini elettrici) gli ioni non possono diffondere liberamente attraverso di esse, ma solo attraverso dei complessi sopramolecolari di proteine passanti che costituiscono dei canali specifici (pori) per ciascuno ione. La differente permeabilità del neurone per i diversi ioni è quindi determinata dal numero di canali per ogni singolo ione presenti sulla superficie delle sua membrana.La membrana neuronale possiede un gran numero di canali al K+ e pochi canali al Na+; essa è quindi altamente permeabile al K+, quasi impermeabile al Na+ e totalmente impermeabile per gli anioni organici (aminoacidi). Il K+ e gli anioni organici sono presenti in alte concentrazioni all'interno del neurone, mentre le concentrazioni maggiori di Na+ si trovano nello spa­zio extracellulare. Nella tabella 1 sono rappresentate le concentrazioni di questi ioni nel citoplasma e nello spazio extracellulare del neurone gigante del calamaro, che determinano il potenziale di riposo del neurone. Si tratta, in realtà, di una “differenza di po­tenziale” compresa, per la maggior parte dei neuroni, tra i -40 e i -75 mV. Anche nel suo stato di quiete il neurone è quindi polarizzato elettricamente. Quando esso viene stimolato si genera un potenziale d'azione, si produce cioè una depolarizzazione che corrisponde ad una riduzione della carica negativa all'interno della cellula nervosa. Viceversa l’iperpolarizzazione corrisponde ad un aumento della carica negativa all'interno del neu­rone e si traduce in una inibizione della sua attività.

La Sinapsi
Il termine sinapsi fu introdotto nel 1879 dal fisiologo inglese Charles Scott Sherrington e deriva dal greco synapsis, che significa unione. La sinapsi è il sito di giunzione tra due elementi nervosi o tra un elemento nervoso ed il suo effettore (contrattile o secretorio). Le sinapsi del SNC dei mammiferi presentano una notevole diversità morfologica (forme e/o dimensioni). La classificazione morfologica delle sinapsi le divide in: asso­somatiche, asso-dendritiche e sinapsi asso-assoniche. Come è chiaro dalla loro definizione le sinapsi asso-somatiche sono quelle in cui la terminazione assonica entra in contatto con il corpo (soma) cellulare, mentre in quelle asso-dendritiche o asso-assoniche il contatto avviene tra l'assone e un dendrite o un altro assone rispettivamente. Fra le due cellule contigue non esiste contatto e le membrane contrapposte restano separate da uno spazio di circa 200 Å definito spazio sinaptico.
La sinapsi è il sito dove l'impulso elettrico, originato nel corpo cellulare o nei dendriti e diffusosi lungo l'assone, produce l’esocitosi, cioè il rilascio, di una sostanza chimica che svolge il ruolo di neurotrasmettitore o neuromodulatore. A questo proposito, la terminazione nervosa appare rigonfia (bottone sinaptico) e ricca di ve­scicole che contengono il neurotrasmettitore che deve essere liberato nello spazio sinaptico. Il bottone sinaptico è costituito da una fitta trama di microtubuli che giungono sino alla parete interna della membrana presinaptica, da questi filamenti si dipartono dei tubuli di proteine speciali, tra cui la sinapsina I, all'estremità dei quali sono ancorate le vescicole. Alcune vescicole sono libere e adiacenti alla parete presinaptica, quindi più rapide nella loro capacità di liberare il contenuto nello spazio sinaptico.Una delle più importanti distinzioni tra la neurotrasmissione mediata da piccole molecole e quella mediata da neuropeptidi è al livello delle vescicole in cui vengono conservate queste due classi di neurotrasmettitori. Due tipi di vescicole sono presenti nelle terminazioni nervose: quelle piccole di circa 50 nM di diametro che appaiono chiare o trans-lucenti in microscopia elettronica e quelle di grande diametro (60-160 nM) che sono elettron-dense. Le vescicole trans-lucenti contengono piccoli neurotrasmettitori e ATP, non possiedono né proteine libere al loro interno né neuropeptidi. Le membrane di queste vescicole sono costituite da proteine speciali (sinaptotagmine, sinaptofisine e synaptobrevine) che consentono di fondersi rapidamente con dei siti specializzati nella membrana presinaptica tutte le volte che le concentrazioni locali di Ca++ salgono. I livelli di Ca++ aumentano rapidamente grazie alla presenza di canali al Ca++ che si aprono in seguito alla depolarizzazione della membrana presinaptica. In seguito alla fusione tra la membrana vescicolare e quella della terminazione nervosa, il contenuto delle vescicole si svuota nello spazio sinaptico. 
Le vescicole elettrondense contengono peptidi ed ATP. Esse possono contenere anche piccoli neurotrasmettitori, come le monoammine. La membrana di questo tipo di vescicole non contiene alcuna delle proteine specializzate nel facilitare la fusione vescicolare. Il rilascio del contenuto di questo tipo di membrane avviene ad una certa distanza dai canali al Ca++. Anche in questo caso è comunque necessario che i livelli di Ca++ intracellulare aumentino in modo significativo. A differenza di quanto avviene per le vescicole piccole, la cui fusione con la membrana avviene in seguito ad un improvviso e spesso transitorio aumento del Ca++ locale, nel caso delle vescicole di grandi dimensioni, i livelli di Ca++ devono essere aumentati nella totalità del terminale sinaptico, in seguito ad impulsi nervosi ripetuti. Il rilascio dei neuropeptidi dalle vescicole di grandi dimensioni tende perciò ad essere più lento di quello dalle vescicole trans-lucenti di piccolo diametro.
Sebbene entrambi derivati dal sistema endoplasmatico di Golgi, i due tipi di vescicole sono profondamente diversi. Le vescicole di grande diametro, che assumono la loro forma matura nel momento in cui abbandonano il complesso di Golgi per iniziare il viaggio verso la terminazione assonica, sono da considerarsi omologhe alle vescicole secretorie. Al contrario le piccole vescicole, lasciano il sistema di Golgi in modo immaturo, sotto forma di organelli più grandi (endosomi) che raggiungono il bottone sinaptico grazie al trasporto assonale rapido. Una volta terminato il ciclo di rilascio del neurotrasmettitore solo la piccola vescicola viene ripresa dal terminale attraverso un processo di endocitosi. La vecchia membrana si fonde con quella del nuovo endosoma per contribuire a formare nuove vescicole trans-lucenti. Ciò significa che le piccole vescicole non portano alcun carico ma lo trovano nella terminazione, mentre le vescicole grandi elettron-dense che arrivano cariche dal corpo cellulare sono l’unica sorgente di neuropeptidi.A livello della sinapsi si verificano i primi eventi molecolari legati all'apprendimento e alla memoria. I processi svolti in queste microstrutture sono così la base funzionale di tutte le funzioni svolte dal nostro sistema nervoso e dal nostro cervello, comprese quelle che regolano e controllano la nostra vita emotiva e i nostri pensieri. In questo senso i neuroni, tradizionalmente considerati cellule perenni, sono invece modificabili e adattabili. Tale processo inizia nel periodo prenatale durante la gravidanza e continua durante tutta la vita neuronale. Anche se i neuroni, in generale, non si dividono dopo la nascita e nuovi neuroni non rimpiazzano quelli vecchi alla loro morte, tuttavia gli assoni e i dendriti di ciascun neurone possono modificarsi costantemente, stabilire nuovi collegamenti e perdere quelli precedenti, in un lavoro continuo di ramificazione e potatura durante tutta la vita del neurone. Si suppone che i neuroni producano numerosi fattori di crescita che favoriscono le loro connessioni sinaptiche o che le riducono, consentendo una revisione costante del loro patrimonio di collegamenti.

La trasmissione sinaptica
Il numero dei neurotrasmettitori / neuromodulatori conosciuti o sospetti tali è superiore ad alcune dozzine. Basandosi su considerazioni teoriche sulle capacità codificanti del materiale genetico neuronale non sarebbe sorprendente scoprire che il cervello possiede diverse decine se non centinaia di potenziali neurotrasmettitori.
Ciò significa che esistono milioni di neuroni che usano lo stesso mediatore chimico per scambiarsi informazioni e, allo stesso tempo, che intere popolazioni di neuroni parlano con linguaggi diversi. I neurotrasmettitori che sono stati sintetizzati nel corpo cellulare del neurone, vengono trasportati, all'interno di vescicole, sino al bottone sinaptico dove si accumulano. L'impulso nervoso produce la fusione tra la membrana delle vescicole e quella della terminazione nervosa, in modo che il contenuto delle vescicole sinaptiche si riversi nello spazio sinaptico. Il rilascio del neurotrasmettitore viene "innescato" dall'ingresso di ioni Ca++, attraverso dei canali che sono concentrati a livello della regione presinaptica. Il neurotrasmettitore viene rilasciato nella giunzione sinaptica dalla terminazione assonica di un neurone in risposta alla stimolazione elettrica. Esso si lega quindi a dei siti presenti sui recettori dando così origine ad una serie di modificazioni chimiche sulla membrana postsinaptica che propagano l'impulso bioelettrico lungo le fibre nervose, verso altri neuroni.
Nel 1935, Henry Dale postulò che la biochimica del corpo cellulare e del terminale sinaptico di un neurone fossero sempre identiche. Successive elaborazioni di questa assunzione condussero a supporre che tutte le terminazioni di un determinato neurone rilasciassero uno stesso ed unico neurotrasmettitore (il cosiddetto dogma di Dale). In linea di massima questo principio è ancora valido, ma non in modo assoluto. Se un neurone contiene più di un neurotrasmettitore ciò avviene nelle vescicole elettron-dense di grande diametro, si tratta di solito di una piccola molecola come una ammina (che può essere contenuta anche da sola nelle piccole vescicole trans-lucenti) e di un peptide. Questi due neurotrasmettitori possono essere rilasciati in modo “differenziale” in relazione alla modalità ed all’intensità dello stimolo neuronale. Una piccola ammina (dopamina, serotonina etc) può essere quindi rilasciata da sola in seguito ad una breve stimolazione ed insieme ad un neuropeptide dalle vescicole più grandi e dalla stessa terminazione, se la stimolazione nervosa è più sostenuta.La liberazione di due o più neurotrasmettitori / neuromodulatori da uno stesso neurone viene definita cotrasmissione. Il significato funzionale della cotrasmissione inizia ad essere definito solo in alcuni sistemi semplici ed è di difficile interpretazione nella sua complessità anche per quanto riguarda i neuroni dopaminergici che sono quelli maggiormente studiati a tale proposito. I neuroni motori, ad esempio, rilasciano acetilcolina e calcitonin gene-related peptide (CGRP). L’acetilcolina produce una contrazione delle fibre muscolari ed il CGRP stimola la produzione di AMP ciclico che, attraverso una serie di fosforilazioni a catena, rinforza il tono della contrazione e attiva la produzione di energia nella cellula muscolare.Alcuni segnali di neurotrasmissione sono molto brevi e durano solo pochi millisecondi. Due dei migliori esempi a tale proposito sono quelli dei neurotrasmettitori acido glutamico e acido gamma-ammino-butirrico (GABA). Il glutammato é un neurotrasmettitore che stimola pressoché qualunque neurone conosciuto, mentre il GABA possiede una azione opposta, di tipo totalmente inibitrice. Entrambi i neurotrasmettitori agiscono tramite segnali rapidi.
Segnali di altri neurotrasmettitori possono essere più lunghi, della durata di numerosi millisecondi o, persino, di diversi secondi. Talvolta questo tipo di neurotrasmettitori vengono definiti neuromodulatori, dato che i segnali di più lunga durata possono permanere nel tempo e così facendo modulare l’azione di un neurotrasmettitore successivo. Così un segnale di neuromodulazione a lunga-durata può modificare il «tono» di un neurone e può alterare la sua risposta non solo per una azione primaria ma anche come influenza sull’azione di un altro neurotrasmettitore. 
 
I neurotrasmettitori
Esperimenti dell’inizio del ‘900 consentirono di identificare, tra le sostanze contenute nei neuroni, dei possibili neurotrasmettitori (tra i primi l’adrenalina e l’acetilcolina) e condussero alla definizione dei criteri da soddisfare per poter classificare una molecola un neurotrasmettitore:a) La sostanza deve essere sintetizzata nel neurone e deve essere distribuita in modo disomogeneo (Criterio Anatomico).
b) La sostanza deve essere presente nella terminazione presinaptica e deve essere rilasciata in risposta ad una stimolazione dipendente da Ca++ and K+ in quantità tali da poter produrre una risposta sinaptica (Criterio Chimico).
c) La stimolazione nervosa o la microiniezione della sostanza in aree contenenti dei siti di legame per la stessa sostanza, deve produrre effetti sovrapponibili a quelli fisiologici. (Criterio Fisiologico).
d) Gli effetti della sostanza devono essere imitati o bloccati da farmaci che abbiano una azione selettiva sui recettori o su siti di modulazione dei recettori per la stessa sostanza (Criterio Farmacologico).
I mediatori della neurotrasmissione appartengono a tre distinte famiglie: (1) le ammine, (2) le purine ed (3) i peptidi (Tabelle 3 e 4). Tra le ammine, anche definite come neurotrasmettitori classici o neutrasmettitori a basso peso molecolare, comprendiamo l’acetilcolina, gli aminoacidi ed altre molecole derivate dagli amminoacidi attraverso una serie di semplici passaggi enzimatici. Tutti questi neurotrasmettitori vengono sintetizzati nel citoplasma della terminazione nervosa e quindi trasportate all’interno di vescicole dove vengono conservate sino all’arrivo della stimolazione nervosa che le libererà.Tutte le vescicole contenute nella terminazione nervosa contengono anche adenosina trifosfato (ATP). Quando le vescicole rilasciano il neurotrasmettitore corilasciano anche ATP. In alcune sinapsi sono presenti dei recettori purinergici che vengono selettivamente attivati dall’ATP o dai suoi cataboliti: l’adenosina monofosfato (AMP) e l’adenosina.I peptidi possono funzionare come neurotrasmettitori. Sebbene il numero dei neuropeptidi attivi in tal senso è sconosciuto, si suppone che essi siano almeno un centinaio e, probabilmente, meno di cinquecento. La maggior parte di questi peptidi possono essere raggruppati sotto un paio di famiglie, in base alla similitudine delle loro sequenze aminoacidiche. I geni che li codificano appartengono anch’essi a famiglie correlate tra loro, che si sono conservate durante l’evoluzione. I neuropeptidi vengono sintetizzati sotto forma di precursori che vengono quindi sottoposti ad un processo di proteolisi all’interno delle vescicole. Dato che, al livello di terminazione nervosa, la sintesi proteica è minima, i neuropeptidi devono essere trasportati lungo tutto l’assone prima di giungere alla membrana presinaptica. 

neuroni

neurone su transistor

neurone e registrazione segnale emesso

sinapsi

sinapsi glutammergiche

neurone con assone e dendriti

esocitosi

GABA il neurotrasmettitore inibitorio