connessioni neuroni

INTRODUZIONE
NEURONI
La maggior parte dei neuroni ha un solo assone (o
cilindrasse).
Presentano brevi prolungamenti detti dendriti.
Nella parte terminale dell’assone c’è una densa
localizzazione
di
vescicole
sinaptiche
contenenti
neurotramettitori.
I neuroni possono stabilire relazioni
diverse possibili disposizioni spaziali:
sinapsi
dendro-dendritiche
assodendritiche
assosomatiche
sinaptiche
con
INTERCONNESIONI NEURONALI
1) Organizzazioni
neuronali
gerarchiche
lunghe.
Trasmissione delle informazioni di tipo sequenziale.
2) Connessioni solo nelle immediate vicinanze del neurone.
3) Connessioni pluriramificate e divergenti verso diverse
regioni dell’ encefalo diverse da quella in cui si trova
il neurone. (ad esempio dall’ipotalamo o dal
mesencefalo verso corteccia, bulbo etc.).
CELLULE NEUROGLIALI
Sono cellule di origine non nervosa
• ASTROCITI: sono cellule con molti prolungamenti.
Rivestono le pareti dei capillari del SNC. Si crede
che siano coinvolte nel trasporto di sostanze
nutritive dal sangue ai neuroni.
• OLIGODENDROCITI: stanno a file tra le fibre e
sono importanti per la formazione della mielina.
• MICROGLIA: magrofagi vaganti.
• CELLULE EPENDIMALI: formano uno strato continuo
simile all’epitelio.
NEUROTRASMETTITORI
Sostanze contenute nel neurone presinaptico e da esso
liberate per trasmettere una informazione al suo
bersaglio postsinaptico.
Su tale bersaglio può evocare eccitazione o inibizione
Criteri per identificare un neurotrasmettitore:
1) deve esser presente nel neurone e nelle terminazioni
presinaptiche.
2) deve essere liberato dal neurone presinaptico
contemporaneamente alla sua attivazione.
3) Gli effetti del neurotrasmettitore esogeno devono
essere uguali a quelli della stimolazione del neurone
presinaptico.
4) Ambedue le risposte possono essere bloccate da uno
stesso antagonista.
NEUROMODULATORI
Influenzano l’attività neuronale in modo diverso rispetto
ai neurotrasmettitori.
• Da soli provocano solo modesta o nulla variazione del
potenziale di membrana o della conduttanza ionica.
Però possono potenziare o inibire la risposta a
neurotrasmettitori classici.
• Le loro azioni sono piuttosto lente.
• Possono esser liberati da siti non sinaptici, pur
influenzando l’attività sinaptica.
• Possono anche avere azioni non sinaptiche.
Sono considerati neuromodulatori vari peptidi, ormoni
steroidei, le prostaglandine, l’adenosina.
NEUROORMONI
In questo caso il trasmettitore elaborato da cellule
nervose è riversato nel torrente circolatorio.
Però un neuroormone in certi siti di liberazione può
funzionare da neurotrasmettitore classico.
NEUROMEDIATORI
Sostanze che contribuiscono ad evocare una risposta
postsinaptica: cAMP, cGMP, IP3
BARRIERA EMATO-ENCEFALICA
Anatomicamente la barriera emato-encefalica può essere
identificata principalmente nell’endotelio vasale priva di
spazi intercellulari e nella neuroglia che li circonda.
Il superamento della barriera avviene per:
1) Diffusione passiva per molecole altamente liposolubili
2) Trasporto attivo per alcune molecole cariche quali
neurotrasmettitori.
Varie aree cerebrali mancano di barriera ematoencefalica. In esse l’endotelio vasale presenta ampie
fenestrature:
1) Organo sottofornicale
2) Area postrema
3) Eminenza mediana
4) Epifisi
L’eliminazione di farmaci e metaboliti dal SNC avviene
per lo più attraverso il liquor, piuttosto che riversandoli
nel sangue.
Gli scambi con il liquor sono molto intensi nei plessi
corioidei.
PRINCIPALI NEUROTRASMETTITORI CENTRALI
GABA
E’ stato identificato nel SNC nel 1950, ma solo negli
anni ’60 è stato proposto come neurotrasmettitore.
Per metabolismo del glucosio si forma α-chetoglutarato,
che viene convertito in acido glutammico dall’enzima
GABA-αchetoglutariltransaminasi delle cellule gliali.
Il GABA si forma in neuroni specifici a partire dall’acido
glutammico
per
azione
della
GAD
(glutammicodecarbossilasi)
Interneuroni GABAergici sono presenti soprattutto nel
cervelletto, ippocampo, bulbo olfattorio, setto laterale,
corteccia cerebrale, gangli della base, midollo spinale.
Sono noti 2 sottotipi di recettori per il GABA:
GABA A:
• Media le risposte inibitorie veloci.
• E’ canale ionico per il Cl• Il recettore è costituito da 5 subunità, ciascuna con
4 domini transmembrana. Sono state descritte:
-6 tipi di subunità α
-4 tipi di β
-4 tipi di γ
-1 di δ
-1 di ε
-3 di ρ
-1 di θ
• Quindi esistono molti possibili sottotipi di recettori
GABA-A con ruoli funzionali potenzialmente diversi.
Nei mammiferi predominano subunità α e β
• Il legame del GABA a questo recettore ha luogo
sulle subunità β
• Il GABA aumenta la conduttanza per il Cl-.
• Il muscimolo è un potente agonista, mentre la
bicucullina è un antagonista.
• Il recettore è in genere un recettore postsinaptico,
ma a livello del midollo spinale è presinaptico
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.31. – Struttura molecolare del complesso glicoproteico del recettore GABAA che si assembla
a formare un canale permeabile allo ione cloro.
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
EDIZIONI MINERVA MEDICA
Il recettore ha anche sito per
• Benzodiazepine che aumenta la frequenza di
apertura del canale al cloro. Il sito lega anche
composti non benzodiapinici.
• Barbiturici all’interno del canale aumenta il flusso
di Cl• Pentilentetrazolo, Picrotossina e TBPS. Riducono
apertura del canale e sono quindi convulsivanti
• Anestetici
generali
ed
etanolo
modulano
positivamente la funzione del recettore GABA-A
• Steroidi neuroattivi di origine periferica (derivati
allopregnanolone e tetraidrodeossicorticosterone,
derivati da progesterone) e neurosteroidi di
origine centrale modulano il canale
GABA B:
• Media le risposte inibitorie lente.
• La forma strutturale pienamente funzionale del
recettore è un eterodimero costituito da 1 unità
di GABA-BR1 e 1 unità di GABA-BR2.
• E’ un recettore associato a proteine G. In
particolare si tratta di proteina Gi e Go che
agiscono sulla adenilatociclasi (inibendola), sui
canali del K+ (attivandoli) o del Ca++ (inibendoli).
• Il GABA ha una bassa affinità per questo
recettore.
• Il recettore è sia presinaptico (auto- ed eterorecettore) sia postsinaptico
• Il baclofen è un agonista. Per il baclofen sono
stati riportati effetto antispastico, analgesico,
anticraving, antineurodegenerativi (aumento NGF
e BDNF).
• Le benzodiazepine non influenzano il recettore
GABA-B.
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.32. – Rappresentazione schematica del recettore GABA B.
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
EDIZIONI MINERVA MEDICA
L’azione
del
GABA
termina
principalmente
per
ricaptazione neuronale e da parte di cellule gliali,
attraverso carriers specifici.
GLICINA
• La glicina viene sintetizzata ad opera della serina
idrossimetiltransferasi (SHMT) ed immagazzinata in
vescicole sinaptiche
• Dopo la sua liberazione, il reuptake neuronale e
gliale ne termina l’azione.
• E’ localizzata soprattutto nel midollo spinale e nel
tronco encefalico
• Il recettore per la glicina è un pentamero formato
da subunità α (se ne conoscono 4 tipi) e subunità
β. La proteina gefirina vincola il recettore al
citoscheletro
• Il recettore è associato ad un canale ionico per il
Cl• La glicina evoca iperpolarizzazione di neuroni
postsinaptici per aumentata conduttanza al Cl-.
• Funge anche da co-trasmettitore insieme al
glutammato sul recettore NMDA.
• L’attività dei recettori per la glicina è modulata
positivamente da anestetici ed alcoli, mentre è
antagonizzata dalla stricnina.
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.33. – Rappresentazione schematica del recettore per la glicina.
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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GLUTAMMATO
• Il glutammato è il principale neurotrasmettitore
eccitatorio
• Si origina nei neuroni dalla glutammina (formata
nelle cellule gliali) ad opera della glutamminasi. Può
essere
formato
anche
a
partire
dall’αchetoglutarato o dalla ornitina.
• Il glutammato viene immagazzinato in vescicole
sinaptiche da cui viene rilasciato
• La attività del glutammato termina principalmente
per reuptake neuronale e gliale (sono note 5 diverse
proteine trasportatrici EAAT1-EAAT5).
• I recettori per il glutammato si dividono in ionotropi
e metabotropici.
Recettori ionotropi
Sono noti 3 recettori ionotropi, che mediano eccitazione
rapida.
1. Recettore AMPA
E’ formato da 4 diverse subunità.
Il canale è permeabile a Na+ e K+, ma pochissimo al
Ca++
Agonista
selettivo
è
l’α-amino-3-idrossi-5-metilisossazol-propionico (AMPA)
E’ ampiamente localizzato a livello dell’ippocampo, del
cervelletto e della glia.
E’ coinvolto nella trasmissione sinaptica rapida e in
fenomeni di plasticità neuronale (long-term potentiation,
cioè
potenziamento
a
lungo
termine
neurotrasmissione di durata particolarmente lunga)
della
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.36. – Proprietà farmacologiche dei recettori AMPA (A), kainato (B), NMDA (C).
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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2. Recettore per il kainato
Sono note 5 subunità che formano il recettore. Questo è
presente a livello presinaptico (dove inibisce il rilascio di
glutammato), ma anche a livello postsinaptico.
Il kainato è l’agonista selettivo
E’ coinvolto nella long-term potentiation e nei processi
neurodegenerativi
3. Recettore NMDA
L’agonista selettivo è l’NMDA (N-metil D-aspartato)
E’ composto di due subunità, ognuna delle quali può
esistere in varie isoforme dovute a splicing alternativo
Il canale è permeabile a Na+ e Ca++
Il recettore NMDA presenta vari siti di legame per
1. Aminoacidi eccitatori
2. Glicina
3. Mg++ (blocco voltaggio-dipendente del canale)
4. Fenciclidina (PCP) a cui si legano anche antagonisti
non competitivi ed anestetici dissociativi (ketamina)
5. Zn++ (blocco voltaggio-dipendente del canale)
6. Spermina, spermidina, putrescina
7. Sito per H+
Il recettore NMDA controlla:
• trasmissione sinaptica (attivazione NO-sintasi,
attivazione fosfolipasi C, sintesi di poliammine
che determinano influsso di Ca++)
• processi di long-term potentiation
• processi di degenerazione e necrosi neuronale
Recettori metabotropici
• Sono stati identificati 8 recettori metabotropici
• Sono recettori di membrana caratterizzati da una
porzione N-terminale bilobata, a cui si legano
agonisti (che determinano avvicinamento e chiusura
dei lobi) ed antagonisti (che tengono lontani i lobi)
Tutti i sottotipi recettoriali formano un dimero al
momento della attivazione recettoriale.
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.37.A – Rappresentazione schematica della struttura dei recettori mGlu. I due lobi globulari
extracellulari (regione N-terminale) sono connessi da una regione ristretta, sito di legame del
glutammato che ne stabilizza la conformazione chiusa.
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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Al I gruppo appartengono il recettori mGlu1/5.
• Sono localizzati postsinapticamente
• Sono accoppiati a proteine Gq che attivano la
fosfolipasi C, a proteine Gs che stimolano la
adenilatociclasi o proteine G che stimolano canali per
il Ca++
Al II gruppo appartengono i mGlu2/3
• L’mGlu2 ha localizzazione presinaptica su neuroni
GABAergici
• L’mGlu3 è localizzato su astrociti
• Sono accoppiati a proteine Gi o Go che inibiscono
l’adenilatociclasi, inibiscono i canali per il Ca++ e
stimolano i canali per il K+
Al III gruppo appartengono i mGlu4/6/7/8
• Sono localizzati a livello presinaptico ed operano un
feed-back negativo sulla liberazione di glutammato.
• Sono accoppiati a proteine Gi o Go
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.38. – Localizzazione sinaptica dei recettori mGlu.
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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SEROTONINA
• La sintesi della serotonina nei neuroni parte
dall’aminoacido L-triptofano, che viene idrossilato a
5-idrossitriptofano
• Quest’ultimo
viene
decarbossilato
a
5idrossitriptamina (alias serotonina)
• La serotonina viene accumulata in vescicole
sinaptiche da cui viene rilasciata per esocitosi
• La metabolizzazione della serotonina è operata
soprattutto dalla monoaminoossidasi (MAO) di tipo A
dei mitocondri, fino a formazione di acido 5idrossiindolacetico (5HIAA)
• Dopo il rilascio nello spazio sinaptico, il principale
meccanismo di interruzione del segnale è il reuptake
da parte del trasportatore specifico (SERT)
• Il
SERT
è
una
proteina
con
12
domini
transmembrana
(5
anse
intracellulari
e
6
extracellulari). La seconda ansa extracellulare è la
più grande e riveste un ruolo importante ai fini
dell’affinità per il substrato.
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.27. – Schematizzazione di un terminale serotoninergico.
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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Recettori serotonergici
I recettori per la serotonina sono classificati in 7
famiglie (da 5-HT1 a 5-HT7) in cui si distinguono vari
sottotipi.
Si tratta di recettori metabotropici.
Solo i recettori 5-HT3 sono associati a canale ionico
Recettori 5-HT1A
Si tratta di recettori sia presinaptici, sia postsinaptici,
accoppiati a proteine Gi/o, che esercitano i loro effetti
inibendo la adenilatociclasi o influenzando canali al K+.
Nei nuclei del rafe rappresentano autorecettori
presinaptici localizzati su soma e dendriti.
Hanno localizzazione postsinaptica in aree limbiche
(ippocampo, setto, amigdala)
Rivestono un ruolo importante nel controllo dell’ansia.
Recettori 5-HT1B
Sono recettori presinaptici con forte localizzazione nella
corteccia e nei gangli della base.
Il sumatriptan, agonista per i recettori 5HT1D/1B è un
farmaco per l’emicrania.
Recettori 5-HT2
Se ne distinguono 3 sottotipi (A, B e C)
Sono accoppiati a proteina Gq/11 che influenzano il
metabolismo dei fosfoinositidi di membrana.
I recettori 5-HT2A e 5-HT2C sono ritenuti avere un
ruolo importante nelle psicosi (farmaci antipsicotici sono
antagonisti dei recettori 5-HT2).
Recettori 5HT3
Sono associati a canale ionico che controlla il flusso di
Na+, Ca++ e K+.
Sono localizzati soprattutto nel midollo allungato, dove
esercitano un ruolo importante nel controllo del vomito.
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.29. – Filogenesi dei recettori della serotonina.
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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Ruolo della serotonina nel SNC
• I neuroni serotonergici hanno i loro somata nei nuclei
del rafe del midollo allungato.
• Dal nucleo rostrale partono neuroni diretti alla
corteccia, all’amigdala, all’ippocampo, ai gangli della
base. Questi neuroni hanno un ruolo importante nel
controllo della sfera emotiva (ansia e depressione) e
motivazionale, della memoria, del senso di fame.
• Nell’ipotalamo i neuroni serotonergici interagiscono
con neuroni CRF-positivi e tramite questi influenzano
l’asse ipotalamo-ipofisi-surrene.
• Dal nucleo rostrale partono neuroni diretti al midollo
spinale, coinvolti nel controllo del dolore.
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.30. – Rappresentazione delle principali vie serotoninergiche nel sistema nervoso centrale
umano.
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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MONOSSIDO DI AZOTO
Il monossido di azoto (NO) è prodotto da enzimi
denominati NO sintasi (NOS), che formano NO e
citrullina a partire da L-arginina e NADPH
Si distinguono tre tipi di NOS:
• nNOS (NOS neuronale)
E’ espressa costitutivamente nel SNC e muscoli
scheletrici
E’ Ca++ dipendente, in quanto lega la calmodulina solo
dopo aumento del calcio intracellulare (ad esempio per
stimolazione di recettori NMDA)
Legata
a
Ca-calmodulina
e
in
presenza
di
tetraidrobiopterina trasloca nel citoplasma dove viene
defosforilata dalla calcineurina e perciò attivata.
Nel SNC ha funzione di neuromodulatore.
Eccessiva produzione di NO causa neurotossicità, per
formazione di superossido e perossinitrito
• iNOS (NOS inducibile)
Interferone gamma ed altre citochine, mediante
proteine trasduttrici del segnale, ne inducono
l’espressione genica.
E’ Ca++ indipendente, in quanto lega la
calmodulina a normali concentazioni di Ca++,
perciò la sua attivazione può durare a lungo.
Esercita azione antimicrobica ed antitumorale con
meccanismi radicalici.
Però è anche coinvolta in processi infiammatori
(artrite reumatoide, shock settico, etc)
• eNOS (NOS endoteliale)
E’ espressa costitutivamente
E’ Ca++ dipendente
In condizioni a riposo è legata alla caveolina;
l’interazione con la Ca-calmodulina la separa dalla
caveolina, attivandola.
Evoca vasodilatazione, soprattutto attivando la
guanilatociclasi. Media l’effetto vasodilatatore della
acetilcolina e della sostanza P.
Sono in studio NO-FANS per ridurne la tossicità
gastrica, sfruttando la proprietà dell’NO di
aumentare il flusso ematico sulla mucosa gastrica
2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.47.A – Meccanismi di attivazione delle tre isoforme di NO-sintasi: nNOS (a).
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.47.B – Meccanismi di attivazione delle tre isoforme di NO-sintasi: iNOS (b).
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
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2 FARMACOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE
Fig. 2.47.C – Meccanismi di attivazione delle tre isoforme di NO-sintasi: eNOS (c).
© F. ROSSI – V. CUOMO – C. RICCARDI
FARMACOLOGIA
EDIZIONI MINERVA MEDICA
Diversi farmaci (nitrati organici) si comportano come
donatori di gruppi NO, in seguito a processi
metabolici.
Altri composti (nitroprussiato, triossidinitrato e
composti in studio derivati dell’ossatriazolio e del
furossano) rilasciano spontaneamente NO senza
metabolizzazione.
Sono stati sviluppati inibitori competitivi della NO
sintasi (ad es. la L-NAME).
PEPTIDI
Esistono varie famiglie di peptidi nel SNC, che svolgono
funzioni di neurotrasmissione o di neuromodulazione:
1) Oppioidi
2) Tachikinine
3) Angiotensina
4) Vasopressina
5) Colecistochinina etc
Numerosi peptidi sono sintetizzati sotto forma di
propeptidi nel reticolo endoplasmatico ruvido.
Il propeptide è successivamente scisso e trasportato in
vescicole ai terminali nervosi.
Non e’ stato documentato per i peptidi un meccanismo di
reuptake.