Vai alla Home Page About me Courseware Federica Living Library Federica Federica Podstudio Virtual Campus 3D Le Miniguide all'orientamento Gli eBook di Federica La Corte in Rete
 
I corsi di Medicina e Chirurgia
 
Il Corso Le lezioni del Corso La Cattedra
 
Materiali di approfondimento Risorse Web Il Podcast di questa lezione

Franca Esposito » 34.Metabolismo del cervello


Cervello

Il cervello umano consuma circa 103 g di glucosio al giorno (0.3 mol/min.gr).

Produce ATP attraverso:

  • glicolisi (opera al 20% circa)
  • ciclo di Krebs

ATP necessario per:

  • mantenere i gradienti ionici attraverso la membrana plasmatica
  • sintetizzare i neurotrasmettitori

 

La lezione è della Prof. Franca Esposito

Canali e pompe ioniche

La concentrazione citosolica degli ioni ed il potenziale di membrana nelle cellule sensoriali (neuroni e miociti) è sotto il controllo di canali ionici e pompe ioniche.

Differenze tra le due classi

Canali ionici:

  • secondo gradiente
  • veloci (vicini alla diffusione libera di un soluto in sol. acquosa)
  • non saturabili
  • controllati (aperti e chiusi in risposta a stimolo)
  • ATP-indipendenti (in genere)

Pompe (ATPasi di tipo P):

  • contro gradiente
  • trasportatori attivi di cationi
  • reversibilmente fosforilate da ATP

Pompa Na+K+ ATPasi

Trasportatore attivo responsabile del mantenimento delle concentrazioni dei 2 ioni e della generazione del potenziale elettrico transmembrana, essenziale per la conduzione di segnali nei neuroni.

3 ioni Na+ sono pompati fuori
2 ioni K+ all’interno

Proteina integrale – 2 subunità transmembrana
Esiste in 2 conformazioni:

  1. EnzI= defosforilato, alta affinità per il Na+ e bassa per il K+
  2. Pi-EnzII= fosforilato, alta affinità per il K+ e bassa per il Na+
Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Potenziale transmembrana (Vm)

L’azione della pompa Na+K+ ATPasi crea una separazione di cariche ai due lati della membrana rendendo l’interno della cellula più negativo rispetto all’esterno —> membrana polarizzata.

Per convenzione Vm è negativo quando l’interno della cellula è negativo rispetto all’esterno (-60-70mV).

Importanza della Na+-K+ATPasi: 25% del consumo totale di energia viene utilizzato da questa pompa ionica.

Ouabaina e suo derivato steroideo digitossigenina: inibitori della pompa, il sodio non può uscire, si attiva un antiporto Na+-Ca2+
l’ingresso del Ca2+ stimola le contrazioni cardiache.

Canali  ionici

I canali ionici sono proteine a struttura molto complessa suddivisibili in:

Canali controllati da ligandi

Proteine oligomeriche che in seguito al legame di piccole molecole intra-extracellulari subiscono una transizione molecolare allosterica
che causa l’apertura o la chiusura del canale.

Canali controllati dal voltaggio
Contengono un dominio proteico carico che si sposta in risposta ad una variazione del potenziale transmembrana, causando l’apertura o la chiusura del canale.

Rapidità (frazioni di millisecondi)

Canali  ionici (segue)

Poiché i canali ionici permettono il passaggio di anioni o cationi, ma mai di entrambi, il flusso ionico modificherà sempre Vm poiché creerà una ridistribuzione di cariche ai lati della membrana.

Influsso di ioni + (Na) e/o l’efflusso di ioni – (Cl-) avvicina Vm allo 0 (depolarizzazione).

Iperpolarizzazione è il processo inverso.

Canale per il potassio

La struttura del canale per il potassio del batterio Streptomyces lividans si può considerare un prototipo per spiegare il meccanismo d’azione dei canali ionici, incluso il canale per il potassio controllato da voltaggio dei neuroni.

Tra i vari membri c’è omologia di sequenza.

La massima conservazione si trova nella regione del poro e filtro di selettività ionica. CANALE per il POTASSIO

(K+ con raggio di 1,33 A° può entrare)
(Na+ raggio 0,95A°—> no)

Canale per il potassio (segue)

Il canale è formato da 8 eliche transmembrana (2 per ciascuna subunità identica) che formano il cono (estremità + grande sulla faccia esterna della membrana) e segmenti + corti di ciascuna subunità che formano il Filtro di selettività.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Canale per il potassio (segue)

Gli atomi di ossigeno carbonilico dello scheletro covalente delle catene polipeptidiche sporgono all’interno del canale ed interagiscono e stabilizzano il K + durante il suo passaggio nel canale.

Na+ che è più piccolo non può interagire.

Ciò determina la selettività.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Canale per il potassio (segue)

I legami tra H2O di idratazione, ione K+ e cariche negative dei gruppi carbossi-terminali delle proteine elicoidali stabilizzano lo ione.

Nel filtro di selettività il canale si restringe , H2O di idratazione viene esclusa e il K+ viene ad interagire con le cariche negative (O2 carbonilici) del filtro di selettività.

Tutte queste interazioni tra cariche ostacolano le possibili repulsioni tra i vari ioni K + che entrano velocemente in fila indiana (1 per volta).

Canali ionici controllati dal voltaggio

Sono selettivi per il Na+ (100 volte).

Sono chiusi o aperti da una riduzione del potenziale di membrana.

Velocissimi (107 ioni al sec).

Singola catena polipeptidica (1840 aa).

4 domini ognuno con 6 eliche transmembrana.

Canali del Na+ sensibili al voltaggio

Subunità α:
6 α-eliche per ogni dominio elica 4, sensore del voltaggio.

L’elica 4 è ricca di cariche+ e sporge verso l’interno della membrana polarizzata, ricco di cariche - .
Quando la membrana si depolarizza l’attrazione diminuisce, l’elica 4 si sposta, il cancello di attivazione va incontro a un cambiamento di conformazione e il canale si apre e Na+ entra nella cellula ® ulteriore depolarizzazione.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Recettore nicotinico dell’acetilcolina (AchR)

Pentamero: α2βγδ

Eliche M1, M3 e M4 idrofobiche.

Eliche M2 sono anfipatiche: residui idrofobici verso il doppio strato lipidico e idrofilici verso l’interno.

Le 5 subunità formano un poro (~ 2 nm) rivestito dai residui idrofilici delle eliche M2.

2 molecole di acetilcolina per AchR
1 molecola di acetilcolina per ciascuna subunità α.

Atraverso il canale fluiscono ioni Na+, K+, Ca2+.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Recettore nicotinico dell’acetilcolina (AchR)

La miastenia gravis è una patologia autoimmune acquisita e caratterizzata da debolezza muscolare.

Nel siero di circa il 90% dei pazienti sono presenti anticorpi contro il recettore nicotinico dell’acetilcolina (AchR).

Gli anticorpi si legano a AchR e ne inibiscono la normale funzione.

Canali ionici controllati dal voltaggio e trasmissione neuronale

  1. Uno stimolo genera un potenziale di azione che si propaga lungo l’assone; apertura dei canali Na+, depolarizzazione di membrana
  2. Quando l’onda di depolarizzazione raggiunge l’estremità dell’assone si aprono i canali del calcio voltaggio-dipendenti
  3. L’aumento della [Ca2+] determina il rilascio dell’Ach
  4. L’Ach si lega al suo recettore nicotinico causando l’apertura del canale ionico
  5. Gli ioni Na+ e Ca2+ entrano nella cellula depolarizzando localmente la membrana
  6. etc…
Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Neurotrasmettitori

Immagine autoprodotta.

Immagine autoprodotta.


Neurotrasmettitori (segue)

Piccole molecole segnale.

Conservati in vescicole sinaptiche e rilasciati per esocitosi.

Sintetizzati completamente o in parte nel reticolo endoplasmatico del soma.

Trasferiti lungo i microtubuli assonali nelle presinapsi.

Assunti dalle vescicole presinaptiche dove, in alcuni casi, avviene il completamento della sintesi.

L’assunzione nelle vescicole è un processo attivo mediato da un trasportatore che internalizza il neurotrasmettitore ed espelle protoni.

Il rilascio dei neurotrasmettitori nella fessura postsinaptica avviene per esocitosi in un processo complesso indotto dall’aumento della [Ca2+]; la [Ca2+] aumenta per attivazione dei canali del Ca2+-dipendenti dal voltaggio a loro volta attivati da depolarizzazione di membrana → accoppiamento eccitazione – secrezione.


Alcuni neurotrasmettitori presenti nel cervello


Classificazione recettori dei neurotrasmettitori

Classificazione dei recettori per i neurotrasmettitori.

Classificazione dei recettori per i neurotrasmettitori.


Acetilcolina

300 vescicole vescicole sinaptiche contengono circa 104 molecole di acetilcolina.

Il legame dell’acetilcolina al suo recettore sulla membrana postsinaptica determina una variazione della permeabilità della membrana e provoca l’apertura transitoria del canale intrinseco al recettore stesso (recettore canale).

La conduttanza per il Na+ e per il K+ aumenta notevolmente in circa 0.1 msec → corrente di Na+ verso l’interno e di K+ verso l’esterno.


Sintesi dell’acetilcolina


Degradazione dell’acetilcolina

Esterasi con meccanismo di azione idrolitico simile a quello della chimotripsina e di altre proteasi a Ser.

L’acetilcolinesterasi è inibita da agenti che legano la Ser.

Degradazione dell’acetilcolina (segue)

Naurotossine batteriche

(α-bungarotossina e cobratossina) sono proteine basiche che legano tenacemente il recettore dell’acetilcolina bloccando
la trasmissione dell’impulso.

Marcatori.

GABA (acido γ-amminobutirrico)


Il recettore GABAA è un canale del Cl-

Tetramero:subunità α2 β2.
4 α-eliche transmembana/subunità.

Le α-eliche 2 di ogni subunità sono ricche di cariche + e formano il canale.

Il GABA si lega alle subunità β.

La concentrazione del Cl- è molto più alta all’esterno della cellula rispetto all’interno ma il suo ingresso è bloccato dal potenziale di membrana.

Quando la membrana si depolarizza gli ioni Cl- controbilanciano l’effetto entrando nella cellula.

Ingresso di Cl- → polarizzazione della membrana
effetto inibitorio sull’eccitazione della cellula


Il recettore GABAA è un canale del Cl- (segue)

Barbiturici come il fenobarbital e benzodiazepine come il diazepam si legano al recettore GABAA in siti differenti.

L’azione anticonvulsiva di barbiturici come il fenobarbital o di benzodiazepine come il diazepam è mediata in parte dal loro legame al recettore GABAA .

E’ stato dimostrato che in conseguenza del legame di queste molecole al recettore GABAA il tempo medio di apertura del canale aumenta con aumento delle correnti ioniche.

Il fenobarbital e il diazepam aumentano quindi l’effetto inibitorio del GABA sulla neurotrasmissione.


Fonti energetiche del cervello

Il cervello è praticamente privo di riserve energetiche.

In condizioni normali i neuroni utilizzano solo glucosio (~120 g/giorno, ~ 60% del glucosio totale consumato dall’organismo in condizioni di riposo).

Il glucosio dal sangue ([~ 4.7 mM] a digiuno) entra nei neuroni attraverso il trasportatore GLUT3 (KM = 1.6 mM), quasi sempre completamente saturato. Concentrazione interna di glucosio ~ 1 mM

Il glucosio è ossidato attraverso la glicolisi e il ciclo di Krebs; il cervello utilizza circa il 20% dell’O2 totale utilizzato da un uomo a riposo
solo gli astrociti utilizzano anche acidi grassi.

In condizioni di digiuno possono utilizzare corpi chetonici (β-idrossibutirrato).

~ 60%-70% dell’energia del cervello è utilizzata per mantenere il potenziale di membrana.


  • Contenuti protetti da Creative Commons
  • Feed RSS
  • Condividi su FriendFeed
  • Condividi su Facebook
  • Segnala su Twitter
  • Condividi su LinkedIn
Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion