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“Esperto in processi innovativi di sintesi biomolecolare applicata a tecniche di epigenetica” Materiale Didattico Neurofisiopatologia Prof. Marina Melone immagine 1 Progetto di formazione BIAM EPI FORM Parleremo di… Sinapsi e funzionamento del SN Membrane ed attività elettrica Giunzione neuro-muscolare Biochimica del SNC e del muscolo Modulo MA-11 Neurofisiopatologia prof. Marina Melone [email protected] 2 Facts About the Brain ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ The average adult brain weight of a human is 1300 to 1400 g; an adult gorilla's weighs only 500 g. The human CNS contains more than 100 billion neurons.. neurons Each neuron forms an average of 1000 synaptic connections (some up to 105), resulting in 1014 neuronal connections per brain (one (one hundred trillion trillion!). !). Each synaptic vessel at the nerve terminal contains around 5000 neurotransmitter molecules molecules.. Over 50 distinct types of neurons are present in the human brain; inhibitory neurons (most using GABA as a transmitter) transmitter) account for 25%. The length of myelinated tracts in the brain is 150,000 to 180,000 km— km—4× the earth's circumference circumference.. 85,000 neurons are lost from the brain per day (~1/sec). Glial cells are 10 to 50 times more numerous than neurons.. neurons 3 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ The brain expresses more genes than any other organ: >200,000 mRNA sequences. Nerve impulses travel between 1 to 100 m/sec: an i impulse l starting t ti in i an anterior t i horn h cell ll off the th spinal i l cord travels to the big toe in 0.01 second. Proteins and organelles are shuttled down nerve processes by p y axonal transport p at a maximal rate of 400 mm/day: a protein produced in the anterior horn cell of the spinal cord reaches the big toe in 2 days. Based on distinct layering patterns of the cerebral cortex Korbian Brodmann subdivided 47 cortex, cytoarchitectonic regions (these are now thought to be overly simplified). Cortical representation of sensory, motor, and higher cognitive function follows a general pattern in the human brain; however, cortical maps vary from person to person and can change in size and location with use or disuse. Ti Time to t unconsciousness i following f ll i complete l t cessation ti of blood flow to the brain: 8 to 10 seconds. 4 La trasmissione sinaptica 5 6 pre-- e post pre post--sinaptico la sinapsi chimica è la principale struttura di connessione funzionale f neuronii fra 7 Le sinapsi La sinapsi è il punto in cui un neurone incontra la sua cellula bersaglio, che puo’ essere: 1 - un altro neurone 2 - una cellula non neuronale Ogni sinapsi è composta da tre parti principali: a - terminazione assonale b - vallo sinaptico c - la membrana postsinaptica (che e’ parte della cellula postsinaptica) Le sinapsi possono essere: 1 – s. elettriche che operano attraverso giunzioni comunicanti 2 – s. chimiche che utilizzano neurotrasmettitori i i (la (l maggioranza nel SN) 8 la sinapsi terminale i l presinaptico vescicole ssinaptiche apt c e terminale postsinaptico 9 In relazione al punto di contatto • • • • Sinapsi Sinapsi Sinapsi Sinapsi assoasso-somatica assoasso-dendritica assoasso-assonica dendro dendro--dendritica (pi (più ù rara) 10 Caratteristiche funzionali della p elettriche sinapsi • Velocità di trasmissione • Direzione del segnale e rettificazione • Sincronizzazione del segnale g pp • Embriogenesi e sviluppo 11 La sinapsi chimica 12 Le sinapsi chimiche: le fasi della trasmissione Figura 7 cap 10 •Integrazione •Avvio del PdA •Conduzione dell’impulso •Rilascio del trasmettitore •Interazione trasmettitoretrasmettitore recettori •Genesi di un PSP 13 Ciò che distingue la sinapsi chimica da quella elettrica è, oltre alla morfologia ed alla presenza di un mediatore chimico chimico, la capacità di modulazione (sia negativa che positiva) cioè la presenza di meccanismi positiva), regolatori che rendono la sinapsi chimica estremamente plastica. plastica 14 Pompa di scambio sodio-sodio potassio 15 Potenziale transmembrana + ++ + + ++ + + + - - + + - - - + + asimmetria nella - -70 mV Ladistribuzione di ioni carichi elettricamente è all’origine all origine di una differenza di potenziale fra i due lati della membrana che h sii trova normalmente l in i tutte le cellule 16 Sinapsi eccitatorie ed inibitorie • La sinapsi eccitatoria determina un EPSP (excitatory postsynaptic potential) dovuto ad ingresso di Na+: - Depolarizzazione. • La sinapsi p inibitoria determina un IPSP (inhibitory postsynaptic potential) dovuto ad aumento della gK e/o gCl: - Iperpolarizzazione. 17 Il neurone e la trasmissione di informazioni 18 Il flusso di informazioni 2. rilascio di neurotrasmettitore alla sinapsi 1. conduzione dell’impulso lungo l’assone e i suoi terminali 3. eccitazione o inibizione del neurone postsinaptico 4. ppotenziale d’azione 19 Schema dell’ultradell’ultrastruttura della sinapsi mitocondrio vescicola di neurotrasmettitore i terminale presinaptico p p recettore terminale postsinaptico neurotrasmettitore rilasciato nella fessura sinaptica 20 Sinapsi p • Sinapsi interneuronica (eccitatoria e inibitoria) • Morfologia g caratteristica correlata con la funzione di trasmissione dell’impulso ((non tutti i p punti di contatto si comportano come sinapsi) • Conferma della “dottrina del neurone” 21 Numerosissimi contatti sinaptici per neurone 22 Placca neuromuscolare 23 Il flusso di informazioni lungo il neurone Dendrite o soma •p potenziali p postsinaptici p eccitatori e inibitori Cono di emergenza dell’assone • Genesi del potenziale d’azione Assone • Conduzione del potenziale d’azione Terminale p presinaptico p • Rilascio di neurotrasmettitore Terminale p postsinaptico p • Legame fra neurotrasmettitore e recettore 24 Polarizzazione funzionale del neurone • Dendriti: – Conduzione p cellulipeta • Assone: – Conduzione cellulifuga 25 Polarizzazione: eccezioni • Neuroni unipolari – Il soma è l’unica l unica parte recettiva della cellula • Neuroni pseudounipolari (cellule sensitive dei gangli p ) cerebro--spinali) cerebro – Il prolungamento periferico è morfologicamente indistinguibile dall’assone ma si comporta come un dendrite 26 trasporto assoplasmatico 27 Flusso o trasporto assoplasmatico o assonico • Veloce – bidirezionale, 400 mm al giorno – vescicole derivate dal Golgi o dal reticolo endoplasmico – glicoproteine e fosfolipidi di membrana – enzimi • Lento – So Solo o anterogrado, a te og ado, 11-6 mm al a giorno go o – Componenti solubili – Costituenti monomerici del citoscheletro – mitocondri 28 Trasporto veloce • Microtubuli, neurofilamenti e microfilamenti sono indispensabili • Microtubuli e neurofilamenti: “binari” • Microfilamenti: Mi fil ti “t “trazione” i ” T Trasporto t llento t • Indipendente dai microtubuli • Forse onde di contrazione dell’assolemma? d ll’ l ? 29 Sommario sull’ultrastruttura della sinapsi • Membrana pre pre-- e postsinaptica • Spazio S i intersinaptico i i i (20 (20--30 nm)) occupato da una specie di glicocalice • Ispessimenti pre pre-- e postsinaptici (ricordano i desmosomi) • Notevoli differenze nell’ultrastruttura dei due versanti… 30 Bulbo presinaptico • Assenza di neurotubuli • Numerosissimi mitocondri • Numerosissime vescicole sinaptiche, sinaptiche, (20--65 nm) rivestite di membrana unitaria (20 Lato postsinaptico • Completamente assenti le vescicole • Molti neurotubuli 31 Correlati funzionali dell’ispessimento delle membrane sinaptiche secondo Gray (1969): • Sinapsi di tipo I – Ispessimento postsinaptico più pi ù pronunciato di quello presinaptico p p – Fessura sinaptica relativamente ampia Dendritiche, eccitatorie • Sinapsi di tipo II – Ispessimento postsinaptico più pi ù sottile – Fessura sinaptica meno ampia Somatiche, S i h inibitorie regola non assoluta… 32 “IT” Effettori SN somatico SNC Muscolo scheletrico Efferenze SN autonomo Muscolo liscio M Muscolo l cardiaco di Ghiandole integrazione Recettori altri organi Afferenze ambiente esterno 33 Biochimica del sistema nervoso 34 Alam Khooh (4850 m) - Iran settentrionale 35 • 2.4% in peso dell’organismo – 83% nel cervello o SNC – 17% nel SNP Tessuto nervoso • “Sempre” funzionante • Metabolismo energetico limitato ai substrati che attraversano la barriera ematoemato-cerebrale: – Glucosio: 103 g/giorno o 0.3 moli/g/min • Glicolisi anaerobica ~20% • 80% O2-dipendente – Corpi chetonici (durante il digiuno, digiuno ma non possono rimpiazzare in pieno il glucosio) • ATP: Produzione 6.8 micromoli/min/g tessuto – Maggior utilizzo: Na+,K+ ATPasi • Caratteristiche: – Presenza di lipidi complessi per funzioni strutturali (non metaboliche) – Turnover delle proteine molto alto 36 Componenti del tessuto nervoso • Neuroni - Unità funzionale del tessuto nervoso – Corpo del neurone – Dendriti - ricevono segnali elettrici e chimici da altri neuroni – Assoni - trasmettono segnali elettrici e chimici ad altri neuroni • Cellule gliali – Più abbondanti dei neuroni Schwann oligodendrociti microglia cellule ependimali • Schwann, oligodendrociti, microglia, ependimali, astrociti – Astrociti • Materia grigia: filtro di materiale (barriera ematoencefalica) • Materia bianca: sostegno (eccessivi in sclerosi multipla) 37 Caratteristiche principali dei neuroni • Lunghezza fino 1 m – Trasporti veloci nucleonucleo-terminali: motori molecolari • Trasporto p anterogrado: g kinesina • Trasporto retrogrado: dineina • Gran numero di interconnessioni (plasticità) – Sinapsi elettriche - più veloci • Apertura dei canali voltaggio dipendenti da assoni a neuroni – Sinapsi Si i chimiche hi i h - più iù versatili tili ((esistenza i t postulata t l t nell 1904): • Sostanze che aprono/chiudono p un canale ionico • Sostanze che si legano a un recettore che rilascia un 2° 2° messaggero che causa l’apertura/chiusura del canale ionico • Perdita P dit d della ll capacità ità riproduttiva i d tti – Apoptosi = morte neuronale 38 Neuroni 39 Passiamo ora a vedere il potenziale d’azione 40 Cenni storici del potenziale d’azione • 1902 Overton scopre che Na+ è importante per la genesi di AP • 1939 Cole e Curtis e Hodgkin e Huxley scoprono che AP si manifesta con un’inversione ’i i d ll della polarità l ità d ll della membrana e non si porta semplicemente a 0mV • 1949 Hodgkin e Huxley scoprono che alterazioni di [Na+]extracellll influenzano l’ampiezza dello spike • 1952 Hodgkin e Huxley propongono l’ipotesi del sodio sodio.. 41 Abbiamo detto che il potenziale d’azione è un tipo di risposta elettrica che si manifesta solo nelle cellule cosiddette eccitabili: neuroni, fibrocellule e cellule secretorie. Tradizionalmente la trattazione del potenziale d d’azione azione è fatta su potenziali neuronali, anche se concettualmente l i meccanismi i i sono simili i ili se non identici anche negli altri tipi cellulari. 42 Condizione necessaria e sufficiente affinché un potenziale d’azione possa innescarsi è che la depolarizzazione della membrana cellulare, opportunamente stimolata, raggiunga un livello di potenziale i l soglia li (threshold) ( h h ld) 43 Le caratteristiche più salienti del potenziale d’azione sono: Una forma particolare (spike) che presenta un’inversione transitoria della polarità della membrana (OVERSHOOT) Propagazione senza decremento per l’intera lunghezza della fibra Ruolo attivo dei canali di membrana del Na+ e del K+ dipendenti p dal p potenziale Segnale modulato in frequenza: l’intensità dello stimolo è codificata in base al numero di spikes per unità di tempo 44 Che cosa si intende per canali dipendenti dal potenziale? I canali ionici non sono altro che proteine trans trans-membrana membrana aventi la funzione di veicolare attraverso la membrana cellulare ioni carichi. Questi canali possono essere grossolanamente suddivisi in: Canali dipendenti p dal p potenziale ((come q quelli implicati p nel potenziale d’azione e molti canali Ca2+) Canali ligando-dipendenti g p : canali che sono attivati dal legame di una molecola ad un recettore (ad esempio il recettore-canale di tipo p nicotinico, recettore GABAA) Canali attivati meccanicamente: sono canali attivati da stimoli meccanici di distensione o stiramento (ad esempio il canale del Na+ del corpuscolo del Pacini o i canali del K+ delle cellule cigliate). 45 46 47 Il potenziale d’azione +60 +60 48 11. Depolarizzazione D p l izz zi n elettrotonica l tt t ni 2. Raggiungimento della soglia e avvio del ciclo di H d ki *** Hodgkin*** 3. Fase depolarizzante rapida ascendente e overshoot 4. Picco 5. Ripolarizzzione *** 6. Iperpolarizzazione 7. Resting potential Il ciclo di Hodgkin è un esempio di feedback positivo nella fase ascendente dello spike: l’aumento l aumento della conduttanza al sodio determina un’ulteriore depolarizzazione che aumenta maggiormente la conduttanza. 49 Caratteristiche generali degli equilibri ionici 50 Na+ Na+ out in Na+ Na+ - + out i in Solo gradiente chimico Gradiente chimico e gradiente elettrico La grandezza che tiene conto di entrambi i gradienti è il potenziale di equilibrio elettrochimico definito come: 51 μ = μ0 + RTlnC + zFE Dove: μ0= potenziale elettrochimico standard C= concentrazione dello ione z= valenza lenz dello ione F= costante di Faraday XA E= potenziale elettrico E XB Il flusso netto dello ione è diretto dalla zona a potenziale p chimico maggiore alla zona a potenziale chimico minore. Quindi vale: Δμx = μA (x) – μB (x) 52 Quindi se: Δμ μ > 0 lo ione X si muove dal compartimento p Aaq quello B Δμ < 0 lo ione X si muove dal compartimento B a quello A Δμ = 0 non c’è flusso netto dello ione X. Da questo assunto si ricava la legge di Nernst valida per una qualunque specie ionica in equilibrio fra ambiente extra- ed ambiente intra-cellulare. In equilibrio vale Δμ = 0 e quindi se μA = μB si ha: RT ln XA / XB + zF (EA – EB) = 0 ΔE = RT / ZF Log (XB / XA) 53 Alla fine del 19esimo secolo si sapeva che il citoplasma cellulare è ricco di ioni K+ e che il Na+ è poco concentrato e che questa situazione è opposta nell’ambiente extracellulare. La prima quella di considerare la membrana assunzione fatta è stata q permeabile al potassio, ma non al sodio e calcolare quindi il potenziale di riposo trans-membrana come un potenziale di Nernst per il potassio. In realtà la membrana è permeabile al Cl- tanto quanto al potassio e questi due ioni sono fra loro in equilibrio secondo un equilibrio di Donnan che afferma: [K+]out · [Cl-]out = [K+]in· [Cl-]in Ogni volta che due ioni possono attraversare la membrana cellulare, il prodotto delle loro concentrazioni extracellulari è uguale al prodotto delle concentrazioni intracellulari 54 Na+/K+ ATPasi: Responsabile ubiquitario del potenziale transmembrana 3 Na+in + 2 K+out + ATP 3 Na+out + 2 K+in + ADP + Pi • Pompa elettrogenica – Controlla il contenuto di acqua, potenziale osmotico ti e volume l d della ll cellula ll l – Genera un gradiente elettrico con interno più negativo dell dell’esterno esterno ((--70 mV) 3 Na+ 2 K+ - + 55 Canali ionici “gated” per il passaggio di ioni secondo gradiente, specifici dei tessuti eccitabili 56 • Membrana polarizzata: – Canali chiusi • Na+ e K+ non passano Canali ionici voltaggio--dipendenti voltaggio • Membrana depolarizzata: – Canali aperti • Na+ e K+ passano seguendo il gradiente di concentrazione • t <1 msec • Inattivazione del canale con membrana depolarizzata – Canali inattivi • Na+ e K+ non passano – Quando inattivi, inattivi non possono riaprirsi (periodo refrattario) 57 Canali per Na+ voltage voltage--gated (voltaggio dipendenti) • I canali si aprono per <1 msec in modo geograficamente sequenziale • Generano depolarizzazione e un potenziale di azione • Il processo continua lungo l’assone • Dopo l’apertura, il canale rimane per un breve periodo nella fase inattiva (periodo refrattario) 58 Canali per K+ voltage voltage--gated ((voltaggio o tagg o d dipendenti) pe de t ) • Chiusura del canale per il riposizionamento di un dominio di 20 aminoacidi (ball (ball)) su NN-terminale 59 Propagazione del potenziale di azione 60 • Formata da cellule gliali (Schwann nel SNP e g nel SNC)) oligodendrociti – Isolamento elettrico – Aumenta la velocità di propagazione • Sclerosi multipla=demielinizzazione Mi li Mielina 61 62 63 Time 1: Potenziale d’azione nella cellula presinaptica Il potenziale d’azione arriva all’assone terminale. Ciò causa l’apertura dei canali del p Na+; il Na+ entra e depolarizza la membrana dell’assone terminale Time 2: Ca2+ entra nella cellula La depolarizzazione della membrana terminale causa l’apertura dei canali del Ca2+. Il Ca2+ entra nella cellula presinaptica. 64 Time 3: Fusione delle vescicole del transmettitore L’influsso di Ca2+ risulta in una fusione delle vescicole del transmettitore alla membrana presinaptica. Time 4: Release del neurotransmettitore Una volta fuse, le vescicole rilasciano il neurotransmettitore- ACh, nella fessura sinaptica. ACh si lega ai recettori sulla cellula p postsinaptica. p 65 Time 5: Potenziale d’azione nella cellula post sinaptica Una volta legata l’ACh, l’AChR si apre e consente al Na+ di raggiungere la cellula postsinaptica. La depolarizzazione della cellula postsinaptica risulta in un potenziale d’azione. d azione. Time 6: Riciclo del neurotransmettitore Per prevenire l’apertura permanente degli AChRs, l’ACh è ”frammentata” dall’AChE. I canali recettore-mediati si chiudono e ciò impedisce ulteriori ingressi del Na+ nella cellula. I prodotti di breakdown sono risintetizzati per fare ancora ACh. 66 Sinapsi chimica e neurotrasmettitori • Sintetizzati nel neurone presinaptico utilizzando enzimi specifici • Accumulati in vescicole rilasciate in seguito a stimolazione • Migrano sulla superficie del neurone postsinaptico dove svolgono una data attività o direttamente o tramite secondi messaggeri specifici del neurone postsinaptico • Esistono meccanismi specifici del neurone presinaptico i ti d deputati t ti alla ll rapida terminazione di questa azione 67 Neurotrasmettitori 68 Castello degli Assassini, Iran settentrionale 69 Le molecole di neurotrasmettitore stimolano per brevissimo tempo i recettori tt i d dell neurone postsinaptico, t i ti vengono infatti rapidamente degradate Lo stimolo nervoso è quindi elettrochimico. Di natura elettrica lungo g la membrana dell’assone, di natura chimica nel passaggio dal neurone presinaptico al postsinaptico Bisogna iinoltre Bi lt ttenere presente t che h ogni neurone riceve ed invia contemporaneamente segnali da e a numerosi altri neuroni in un “dialogo” estremamente complesso 70 La sinapsi “Synapses are protoplasmic kisses……..the final ecstasy of an epic love story.” Santiago Ramon y Cajal (1852--1934) (1852 71 Neurotrasmettitori • Eccitatori (causano depolarizzazione del neurone postsinaptico, favoriscono la genesi del potenziale di azione): – Acetilcolina A il li (i (inibito ibi d da nicotina), i i ) aspartato, d dopamina, i istamina, norepinefrina, epinefrina, ATP, glutamato, 55idrossitriptamina p ((serotonina)) • Inibitori (causano iperpolarizzazione del neurone postsinaptico, inibiscono il potenziale di azione): – 4--aminobutirrato (GABA, inibito da barbiturici barbiturici), ), taurina, glicina (inibito da stricnina stricnina)) 72 Vescicole Rilascio Formazione nel trans-Golgi 73 74 Vescicole sinaptiche • Rilasciate Ril i t per esocitosi it i – Piccole: contengono solo il neurotrasmettitore – Grandi: contengono anche gli enzimi per la sintesi del trasmettitore – Sinapsina: esecutore di esocitosi – Sinaptofisina: Si t fi i forma f il canale l di fuoriuscita della vescicola – Sinaptotagmina: “docking” sulla membrana postpost-sinaptica – Sintaxina: con C Ca++ Si t i iinterazione t i – Sinaptobrevina: trasporto della vescicola attraverso lo spazio sinaptico, inibita dalle tossine del tetano e della pertosse – Rab3: docking e fusione f • Il rilascio di neurotrasmettitori è un evento “quantico”: ogni impulso nervoso rilascia un numero fisso di vescicole 75 Trasmissione neuronale • Colinergica (acetilcolina) – Nicotinica • Agonista: nicotina • Antagonista: tubocurarina – Muscarinica • Agonista: muscarina, pilocarpina • Antagonista: atropina • Adrenergica (adrenalina e noradrenalina) – adrenergica, bloccata da fentolamina – adrenergica, adrenergica bloccata da propranololo 76 Glutammato (Glu) Principale neurotrasmettitore eccitatorio nel SNC • Ippocampo e sistema limbico (emozioni e memoria) • Recettore: NMDANMDA-Glu (N(N-metil metil--D-Aspartato) • Aumento anormale in seguito a traumi, ictus, Corea Huntington Parkinson etc di Huntington, – Tossicità per eccessivo ingresso di Ca++, apoptosi, edema, morte 77 4-aminobutirrato ( (-aminobutirrato o GABA) Neurotrasmettitore inibitorio, inibitorio compete con Glu Glu Gln negli astrociti Gln Glu GABA nei neuroni inibitori Gl Glu Gln Gl neii neuronii eccitatori it t i GABA basso nei soggetti epilettici (terapia con ac. valproico che aumenta GABA) • Agonisti: g • • • • – Benzodiazepine (riduce ansia e rilascia muscoli)) – Barbiturici 78 Catecolamine o amine biogene Dopamina, adrenalina e noradrenalina: sistema simpatico 79 Adrenalina e noradrenalina • Recettori adrenergici – Adrenalina e , noradrenalina – Antagonisti g di : betabloccanti ((atenololo, p per ipertensione p e angina) – Antagonisti di : poco usati e aspecifici – Agonisti: A i ti cocaina i e anfetamine f t i ((causano stimolazione ti l i sostenuta) • Azione terminata da – Captazione nel neurone presinaptico da un trasportatore specifico – Catabolizzazione da Monoamina Ossidasi (MAO) e catecolamine--O-metil transferasi (COMT) catecolamine • Uno dei prodotti (ac. Vanilil mandelico) dosabile nelle urine come indice della funzionalità delle surrenali) 80 Dopamina Maggior neurotrasmettitore dei gangli basali e movimento volontario • 5 recettori diversi per dopamina (D1 D5) – Ciascuno con secondi messaggeri, agonisti e antagonisti diversi – Parkinson (difetto in D4) – Schizofrenia S hi f i (dif (difetto tt iin D2) • Metabolita terminale della degradazione di dopamina: ac. Vanillilico, dosabile nelle urine 81 Serotonina o idrossitriptamina • Deriva da Trp Trp, cofattore TH4 • Controllo della responsività del sistema motorio, del sistema vegetativo e del comportamento – Eccesso di serotonina: attacchi di panico • Azione terminata da captazione nel neurone presinaptico da un trasportatore specifico – Antidepressivi (Paxil, (Paxil Prozac, Zoloft): antagonisti del trasportatore – Prodotto misurabile: ac idrossi indolacetico 82 Altri neurotrasmettitori • Neuropeptidi proteici o oppiodi – Endorfine, encefaline, somatostatine, LH*, angiotensine etc – Sintetizzate come propro-peptidi e idrolizzati – Mediatori di risposte sensoriali e emotive (fame, sete, piacere dolore, etc) • Ossido nitrico (NO) – Memoria – Controllo delicato (tossico sia se presente a livelli bassi sia alti) – Non si accumula acc m la in vescicole escicole ma viene iene rilasciato continuamente • ATP – Recettori R tt i dell’adenosina d ll’ d i (i (inibitori) ibit i) • Istamina – Nell Nell’ipotalamo ipotalamo – Media stimolazione gastrica *Luteinizing Hormone 83 Acetilcolina Parasimpatico autonomo, gangli del simpatico e giunzioni neuromuscolari 84 Acetilcolina Parasimpatico autonomo, gangli del simpatico e giunzioni neuromuscolari • Colina + AcCoA Acetilcolina + CoASH* (colina acetil transferasi) • Recettori – Nicotinico (g (gangli g eg giunzioni neuromuscolari,, canale ionico per Na e K, veloce) – Muscarinico (diffuso nel SNC, muscolatura liscia e ghiandole sotto tt controllo t ll del d l sistema i t parasimpatico, i ti inibito i ibit d da atropina) t i ) • Degradata da acetilcolinesterasi (AChE) • Miastenia Mi t i gravis: i – Malattia autoimmune – Ab anti Recettore nicotinanicotina-acetilcolina – Terapia: piridostigmina (inibitore di AChE) coenzimaA *il gruppo -SH è libero sulla molecola 85 Myogenesis: Early development of skeletal muscle from mesenchymal cells to striated myofiber. 86 Muscle Physiology Muscle Motor Neuron Motor Unit Muscle Fibres 87 Review of Anatomy • Skeletal Muscle – 600 Skeletal Muscles – Voluntary M Movement t – Origin / Insertion – 75% H2O, 20% Prot. 88 Types of Vertebrate Muscle Tissue 89 Normal muscle histology (a) Low-power H&E-stained cross section of normal skeletal muscle showing the organization of myofibers into fascicles separated by epimysial connective tissue. Overall, there is y size. (b) A little variation in myofiber high-power H&E-stained cross section of normal skeletal muscle. The myofiber nuclei are located peripherally, just below the sarcolemmal membrane. Only thin strands of f connective ti ti tissue separate t iindividual di id l myofibers within each of the three depicted fascicles. (c) A high-power H&E-stained longitudinal section of normal muscle shows cross striation which is evidence striation, of the highly organized cytoskeletal architecture of the myofiber. (d ) The ATPase reaction can distinguish fiber types. At the pH (pH 9.4), ) type yp I fibers are shown here (p light and type II fibers are dark. The checkerboard pattern reflects the normal fiber-type distribution. 90 Il muscolo e la sua contrazione 91 Transmission electron micrograph g p and schematic representation of a sarcomere the basic sarcomere, functional contraction unit in skeletal k l t l and d cardiac di muscle. 92 IL RECETTORE NICOTINICO (COLINERGICO) DELL’ACETILCOLINA 93 Y. Matsuda et al., 1988 94 René Couteaux and Monique Pécot-Dechavassine 95 Recettore nicotinico dell’ACh (nAChR): struttura singola subunità del canale-recettore per l’ACh disposizione delle subunità del canale • costituito da 5 subunità (2a, b, g, d) (P.M. 250 kD) • forma un poro acquoso • attivato da 2 molecole di ACh • permeabile a Na+, K+, Ca2+ • bloccato da: d-tubocurarina (alcaloide) a-bungarotossina (proteina) a-conotossina (proteina) 96 Un’altra immagine dell’nAChR del muscolo scheletrico • Gli nAChR del muscolo scheletrico sono formati da 4 subunità (a, b, g, d) secondo un rapporto t 2a:b:g:d. 2 b d Sono coinvolti in molte forme di miastenia muscolare. • Gli nAChR AChR dei d i neuronii sono fformatiti d da d due subunità (a, b) secondo un rapporto 3a:2b. Sono coinvolti nella malattia di Alzheimer (agonisti dell’nAChR ritardano l’insorgenza della patologia). t l i ) fotografia al microscopio elettronico dell’nAChR 97 Le neurotossine antagoniste dell’nAChR Sono peptidi prodotti come arma di attacco da alcuni animali esotici Il bungaro a strisce (Bungarus multicintus) Il suo veleno contiene la abungarotossina che blocca l’nAChR La conchiglia conica (Conus geographus) • Il veleno contiene la a-conotossina che blocca l’nAChR • Contiene anche altre neurotossine che bloccano i canali del Ca2+ (w-conotossina), del Na+ (m-conotossina) e del K+ (k-conotossina) 98 Recettore nicotinico dell’ACh (nAChR): funzione • legame dell’ACh dell ACh con il recettore a livello della placca motrice apertura del canale: entrata di Na+ e Ca2+, uscita di K+ • potenziale di placca • depolarizzazione postsinaptica • successiva apertura dei canali del Na+ e K+ V V-dipendenti dipendenti • ingresso di Na+ e ulteriore depolarizzazione • genesi e propagazione del p.a. • • • • l’ACh-esterasi è presente sulla membrana post-sinaptica idrolizza l’ACh in acetato + colina è responsabile della fase decrescente del p. di placca inibitori dell’ACh-esterasi dell ACh esterasi potenziano l’attività l attività della sinapsi attivazione del nAChR L’enzima ACh-esterasi azione della ACh-esterasi t (ms) Stimolo presinaptico 99 Nerve terminal G1, G 2 a G 4 (PRiMA) A 12 (ColQ) GAG (perlecan, ...) Basal lamina Active zone Receptor-rich R t i h membrane Post-Golgi compartment ER Junctional fold 100 AChE inhibitor treatment reduces neurite outgrowth Control Dupree and Bigbee (1994) J. Neurosci. Res., 39:567-575 101 Fast muscle Soleus mRNA A AChE ColQ A 8 A4 A12 A 8 A4 A12 collagen-tailed ll t il d AChE forms 102 Inibitori dell’ACh-esterasi Sono molecole che bloccano l’enzima l enzima che degrada l’ACh l ACh in colina + acetato. acetato Aumentano i livelli di ACh a livello postsinaptico Il potenziale di placca decade meno velocemente ed aumenta di ampiezza, Si generano più facilmente p. d’azione che inducono maggior forza di contrazione muscolare • I gas nervini e gli insetticidi sono inibitori covalenti dell’ACh-esterasi (composti organofosfati) • Gli inibitori reversibili dell’AChesterasi (piridostigmina, neostigmina galantamina) sono neostigmina, utilizzati per la cura della miastenia gravis e la malattia di Alzheimer dopo trattamento con un inibitore dell’AChesterasi si genera un p. d’azione risposta di un muscolo affetto da miastenia gravis (insufficiente per generare un p.d’a.) d’ ) 103 Miastenia gravis patologia associata ad una ridotta densità di nAChR causata da una reazione autoimmune (anticorpi) contro il recettore nicotinico. trasmissione sinaptica gravemente compromessa. compromessa inibitori della ACh-esterasi come agenti terapeutici. Potenziano la risposta sinaptica prima paziente miastenico trattato con un inibitore della ACh-esterasi topo miastenico prima e dopo trattamento con neostigmina: un inibitore reversibile dell’AChesterasi dopo la sindrome è stata indotta iniettando una dose di nAChR di Torpedo californica, ripetuta dopo 45 giorni 104 La trasmissione neuromuscolare implica l’attivazione sequenziale di 5 canali ionici • • • • • Apertura dei canali del Ca++ voltaggio voltaggio--dipendenti (neurone presinaptico) e aumento del rilascio di Ach Apertura dei canali del Na+ Ach Ach--dipendenti (muscolo) con depolarizzazione locale Apertura dei canali del Na+ voltaggio voltaggio--dipendenti con propagazione della depolarizzazione Apertura dei canali del Ca++ voltaggio voltaggio--dipendenti nei tubuli T ++ Rilascio del Ca dal reticolo sarcoplasmico 105 Il muscolo i differenti tipi di muscolo Come si possono classificare i differenti tipi di muscolo? controllo dell’attività muscolare da parte del SN muscoli « volontari » = sotto controllo del SN motorio Muscoli scheletrici muscoli « involontari » = sotto controllo del SN autonomo muscoli lisci e cardici 106 Il muscolo i differenti tipi di muscolo Come si possono classificare i differenti tipi di muscolo? classificazione anatomo-istologica muscoli scheletrici Muscoli striati muscolo cardiaco Muscoli lisci 107 Il muscolo i differenti tipi di muscolo Come si possono classificare i differenti tipi di muscolo? classificazione funzionale Muscoli scheletrici SN motore t muscolo cardiaco Muscoli negli organi cavi SN autonomo muscoli lisci 108 la cellula muscolare l’apparato contrattile : il muscolo striato fibra muscolare scheletrica fibre muscolari striate scheletriche : grandi cellule plurinucleate Ø 0,01 0 01 a 0,1 0 1 mm L : molto variabile 109 la cellula muscolare l’apparato contrattile : il muscolo striato fibra musculare scheletrica l’organizzazione in sarcomeri 110 la cellula muscolare l’apparato contrattile : il muscolo striato l’organizzazione del sarcomero 111 la cellula muscolare l’apparato contrattile : il muscolo striato l’organizzazione del sarcomero sarcomero filamento spesso I filamento fine H A disco Z 112 la cellula muscolare l’apparato contrattile : il muscolo striato l’organizzazione del sarcomero taglio longitudinale taglio trasversale 113 la cellula muscolare l’apparato contrattile : il muscolo striato l’organizzazione del sarcomero : la contrazione accorciamento del sarcomero senza accorciamento dei filamenti muscolo rilassato muscolo contratto contrazione : scivolamento dei filamenti fini e spessi gli uni sugli altri 114 la cellula muscolare l’apparato contrattile : il muscolo striato l’organizzazione del sarcomero : la contrazione accorciamento del sarcomero senza accorciamento dei filamenti muscolo rilassato muscolo contratto 115 Eventi della trasmissione sinaptica (riepilogo) 116