Fondamenti anatomo fisiologici dell'attività psichica (6/18): I neurotrasmettitori

Una molecola è considerata un neurotrasmettitore se:

viene sintetizzata ed immagazzinata nel neurone presinaptico
viene rilasciata dal terminale assonico presinaptico dopo la stimolazione
produce una risposta nel neurone postsinaptico che mima la risposta prodotta dal rilascio del neurotrasmettitore dal neurone presinaptico

Per dimostrare che la molecola neurotrasmettitore viene sintetizzata in particolari neuroni i ricercatori usano 2 tecniche:

Immunocitochimica: consente di localizzare anatomicamente alcune particolari molecole in determinate cellule.
Si tratta di iniettare un neurotrasmettitore purificato chimicamente dentro il corpo di un animale, in modo che gli anticorpi lo attacchino, e poi di prelevare un campione del sangue contenente questi anticorpi, che poi vengono marcati con un colorante.
Quando questi anticorpi marcati vengono applicati su una sezione di tessuto nervoso, questi colorano solamente i neuroni che contengono il neurotrasmettitorem e ciò dimostra che il neurotrasmettitore e il suo enzima sintetizzato sono contenuti nello stesso neurone, nello stesso terminale assonico.
Ibridazione in situ: consente di confermare l'ipotesi che una cellula è in grado di sintetizzare una particolare proteina o peptide.
Esiste un'unica molecola di mRNA per ciascun polipeptide sintetizzato da un neurone, quindi, conoscendo la sequenza degli acidi nucleici del filamento del mRNA, sarà possibile costruire un filamento complementare che si unirà all'mRNA come una sonda in un processo detto ibridazione.
L'ibridazione consente di etichettare tramite radiottività la sonda, che applicata nel tessuto cerebrale si legherà ai filamenti di mRNA, in modo da poi poter ricercare i neuroni che si sono legati alla sonda etichettata tramite l'autoradiografia, un processo in cui si dispone un sottile strato di di tessuto nervoso su una speciale pellicola sensibile alle emissioni radioattive.
Quindi con questo metodo è possibile localizzare gli specifici mRNA trascritti per le proteine.

Lo studio del rilascio del neurotrasmettitore
Si vuole dimostrare che il neurotrasmettitore viene rilasciato nel momento in cui il neurone è stimolato, e per far ciò si prelevano dei campioni fluidi che bagnano i bersagli sinaptici durante la stimolazione.
Lo studio di questi campioni vuole verificare se essi imitino l'effetto dell'intera sinapsi, e successivamente vengono analizzati chimicamente per capire la struttura delle molecole che li attivano.

Lo studio della simulazione sinaptica
Perchè sia un neurotrasmettitore, la molecola deve cuasare la stessa risposta prodotta dal rilascio naturale del neurotrasmettitore dal neurone presinaptico, e per verificare ciò si usa la microionoforesi, dove una pipetta di vetro viene riempita con una soluzione ionizzata e la sua punta viene posizionata vicino alla membrana postsinaptica e il trasmettitore viene espulso in minima quantità, mentre la pipetta è attraversata da elettricità.
Inserendo un microelettrodo nel neurone postsinaptico per misurare gli effetti del trasmettitore sul potenziale della membrana, e se ciò causa delle modifiche che simulano gli effetti del rilascio del trasmettitore verso la sinpasi, allora la molecola e il trasmettitore vengono considerati come medesimo composto chimico.

Lo studio dei recettori
Due neurotrasmettitori non legano allo stesso recettore, ma lo stesso neurotrasmettitore può legarsi a diversi recettori, ciascuno di questi viene chiamato sottotipo del recettore.
I recettori sono stati studiati sotto 3 diversi aspetti:

Analisi neurofarmacologica: con la quale si è potuto capire ad esempio, che il muscolo scheletrico e quello cardiaco rispondono in maniera differente a diversi farmaci colinergici, e che la nicotina non ha alcun effetto sul muscolo cardiaco.
Inoltre, ai recettori sono stati dati i nomi dei loro agonisti: recettore nicotinico nei muscoli scheletrici, recettore muscarinico nel muscolo cardiaco, ed essi si trovano anche nel cervello.
Un'altra scoperta è rappresenta dagli antagonisti selettivi come il veleno curaro che inibisce l'azione dell'ACh presso i recettori nicotinici provocando la paralisi muscolare e l'atropina.
Ci sono poi i vari sottotipi di recettori per il glutammato, recettori AMPA, NMDA, kainati, dal nome dei loro agonisti chimici.
L'analisi farmacologica si usa anche per suddividere i recettori NA in 2 sottotipi (alpha e beta) e lo stesso per i GABA (A e B).
Metodi per legare le ligandi: Ogni composto chimico che si lega ad un sito specifico viene chiamato ligando per quel recettore, e la tecnica per studiare i recettori usando ligandi marcati radioattivamente è detta metodo per legare i ligandi.
Un ligando può essere per un recettore sia agonista, sia antagonista del trasmettitore, sia il neurotrasmettitore stesso.
Agiscono da ligando gli oppoidi, una vasta gamma di sostanze tra cui anche droghe che modificano gli stati d'animo.
Analisi molecolare: ha permesso di dividere le proteine dei recettori in 2 gruppi principali: i canali ionici selettivo-dipendenti per i trasmettitori e i recettori associati alla proteina G.

La chimica dei neurotrasmettitori

I principali neurotrasmettitori sono o aminoacidi o amine o peptidi.
Gli aminoacidi cmq sono i più importanti, perchè sono presenti negli altri 2 gruppi.
L'ipotesi che un neurone abbia un solo trasmettitore viene chiamata principio di Dale.
I neuroni sono classificati in base ai neurotrasmettitori:

Neuroni colinergici
L'acetilcolina ACh è il neurotrasmettitore presente nella giunzione muscolare e viene sintetizzato da tutti i motoneuroni del midollo spinale e del tronco dell'encefalo.
La sintesi dell'ACh richiede un enzima specifico chiamato colin-acetil-transferasi (ChAT) che viene prodotta nel soma e trasportata verso il terminale assonico, dove sintetizza l'ACh (la sintesi inizia nel citosol), che rimane concentrato nelle vescicole sinaptiche grazie all'attività dell'ACh trasportatore.
Il ChAT trasferisce un gruppo acetile nell'acetil CoA alla colina e questa viene trasportata da specifici trasportatori nel terminale assonico, dove è responsabile della fase limitante della sintesi dell'ACh.
I neuroni colinergici producono anche l'enzima che degrada l'ACh, l'acetilcolinesterasi (AChE), che viene secreto nello spazio intersinapstico e si unisce alle membrane dei terminali assonici e degrada l'ACh in colina e acido acetico.
L'inibizione di AChE ostacola il decremento di ACh modificando la trasmissione nervosa, e ciò può comportare il decremento del battito cardiaco e della pressione arteriosa, e la morte deriva dalla paralisi respiratoria.

Neuroni catecolaminergici
Sono un gruppo di 3 diversi neurotrasmettitori aminici derivanti dall'aminiacido tirosina, caratterizzati da una struttura chimica chiamata catecol.
Sono: la dopamina (DA), noradrenalina (NA), adrenalina, che sono coinvolte nella regolazione del movimento, dell'umore e dell'attezione.
Tutti questi neuroni contengono l'enzima tirosin-idrossilasi (TH), che converte la tirosina in dopa.
Nei Da l'enzima dopa-decarbossilasi trasforma il dopa in dopamina.
Nella malattia di Parkinson i neuroni dopaminergici degenerano lentamente fino a morire, e come cura si può somministrare il dopa.
Nei NA c'è anche l'enzima dopamina beta-idrossilasi (DBH), che trasforma la dopamina in noradrenalina, il DA va dal citosol alle vescicole sinaptiche, ed è qui che divena NA.
Negli adrenalinici, c'è l'enzima fentolamina N-metiltransferasi (PNMT), che trasforma il NA in adrenalina, il NA deve essere sintetizzato nelle vescicole, rilasciato nel citosol dove forma l'adrenalina ed infine questa deve tornare nelle vescicole per essere rilasciata.
La cocaina e l'amfetamina prolungano l'azione di questi neurotrasmettitori.

Neuroni serotoninergici
Il neurotrasmettitore aminico serotina 5-HT deriva dall'aminoacido triptofano.
Questi neuroni non sono molto numerosi ma sono importanti perchè regolano l'umore, il comportamento emozionale e il sonno.
Il triptofano viene convertito in 5-HTP tramite l'enzima triptofano idrossilasi, e il 5-HTP diventa 5-HT grazie all'enzima 5-HTP decarbossilasi.
La fonte del triptofano cerebrale è il sangue, quindi la mancanza di questo aminoacido nella dieta può portare alla caduta della quantità di serotonina nel cervello.
Anche in questocaso la ricaptazione (rimozione dopo l'uso) del serotonina è sensibile alle droghe, e ad esempio la fluoxetina (prozac), è un inibitore selettivo della ricaptazione.
Questo trasmettitore viene degradato dall'enzima MAO.

Neuroni aminoacidi
Gli aminoacidi glutammato Glu, glicina Gly e acido gamma-aminobutirrico GABA, fanno da trasmettitori in gran parte delle sinapsi del SNC, e di questi solo il GABA è unico per i neuroni che lo usano come trasmettitore, mentre il glu e la gly vengono sintetizzati dal glucosio.
Il precursore del GABA è il glu e l'enzima che lo sintetizza è la decarbossilasi dell'acido glutamminico GAD.
L'attività sinaptica si conclude con la ricaptazione selettiva nei terminali presinaptici e nelle glia, dove il GABA viene metabolizzato dall'enzima GABA-transaminasi.

Altri neurotrasmettitori e messageri
L'ATP è un altro possibile neurotrasmettitore, che risulta concentrata nelle vescicole di molte sinapsi del SNC e del SNP, e viene rilasciata nell'interspazio in modo CA²⁺ dipendente, ed essa eccita dirrettamente alcuni neuroni aprendo un canale a cationi.
E i recettori dei nucleoatidi come l'ATP appartengono al tipo dei canali ionici-dipendenti.
Il più instabile messaggero chimico è il monossido di azoto NO, che è sintetizzato dall'aminoacido arginina, e pare agisca senza l'intervento delle vescicole, e viene rilasciato dai neuroni postsinaptici sui presinaptici, venendo definito messaggero retrogrado.
Il NO è di piccole dimensioni ed è in grado di diffondersi più facilmente rispetto ad altri trasmettitori, può penetrare facilmente nella cellula e influenzare anche le cellule vicine.
Molti trasmettitori sono presenti anche in altre parti del corpo ma non funzionano come trasmettitori.

I canali trasmettitori-dipendenti

L'ACh e i neurotrasmettitori aminoacidi mediano la trasmissione sinaptica veloce agendo su canali ionici dipendenti dal trasmettitore.
Questi canali possono essere sensibili ad alcune sostanze chimiche e al voltaggio, sono in grado di regolare il flusso di correnti molto ampie in maniera precisa, e possono inoltre scegliere gli ioni da far entrare e quali no, e possono essere regolati da altri sistemi recettoriali.

La struttura di base dei canali trasmettitore-dipendenti
Il canale ionico trasmettitore-dipendente più studiato è quello dell'ACh dei muscoli scheletrici.
Si tratta di un pentamero, composto da 5 subunità proteiche che formano un singolo poro.
Il canale completo è formato da 4 diversi polipeptidi (α, β, γ, δ), di cui 2 sono di tipo alpha, che contengono il sito per il legame per l'ACh, che legandosi simultaneamente su entrambi i siti, causa l'apertura del canale.
Ciascuna unità polipeptica è caratterizzata da 4 segmenti che formano delle eliche alfa idrofobiche.
I recettori del glutammato sono tetrameri, sono formati da 4 subunità.

Canali dipendenti per gli aminoacidi
I canali sono fondamentali anche per i sistemi sensoriali, la memoria e la malattia, e sono descritti sotto diversi aspetti:

Farmacologia: descrive quali trasmettitori influenzano i canali e quali droghe interagiscono con essi
Cinetica: l'apertura dei canali determina la durata dei loro effetti
Selettività: determina se essi producono eccitazione o inibizione e se il Ca²⁺ penetra nella cellula
Coduttanza: permette di determinare la grandezza dei loro effetti.

Canali dipendenti per il glutammato
Sono di 3 tipi: AMPA, NMDA e kainato.
I canali AMPA e NMDA del glutammato mediano la maggior parte della trasmissione sinaptica veloce nel sistema nervoso, mentre i kainati esistono in tutto il cervello.
I canali AMPA sono permeabili al NA⁺ e al K⁺ e di solito non son permeabili al Ca²⁺, e l'effetto della loro attivazione è quello di fare entrare ioni Na⁺ nella cellula, causando un'ampia e rapida depolarizzazione, quindi i recettori AMPA mediano la trasmissione eccitatoria.
I canali NMDA sono causa di eccitazione della cellula perchè fanno entrare Na⁺, e differiscono dagli AMPA perchè sono permeabili agli ioni Ca²⁺ e l'influsso di corrente ionica attraverso questi canali è voltaggio-dipendente.
Pare che l'entrata di Ca²⁺ nei canali NMDA sia capace di causare cambiamenti che sono la base biologica della memoria a lungo termine.
L'influsso di corrente ionica attraverso il canale NMDA è voltaggio dipendente.
Il Ca²⁺può fare diverse cosa: stimolare il rilascio del neurotrasmettitore, attivare enzimi, regolare l'apertura di molti canali diversi, influenzare l'espessione genetica e se la sua quantità è troppo alta, può anche uccidere la cellula.

Canali dipendenti per il GABA e per la glicina
Il GABA media gran parte dell'inibizione sinaptica nel SNC, mentre il resto dell'inibizione è mediata dalla glicina, troppa inibizione porta alla perdita di coscienza e al coma.
Il recettore GABA_A e il recettore della glicina controllano un canale selettivo al Cl^-.
I due farmaci benzodiazepipne (tipo il valium) e i barbiturici, si uniscono ai siti specifici sul canale GABA_A, e il primo aumenta la frequenza di apertura, mentre il secondo la durata, aumentando l'inibizione e i PPSI più forti.
L'etanolo aumenta l'inibizione in alcune aree cerebrali ma non in altre, aumenta la funzione del GABA_A, e ha effetti sui recettori NMDA, su quelli della glicina, su quello dell'ACh e della serotonina.
Altri modulatori del GABA_A sono i neurosteroidi, alcuni inibiscono altri no.

Recettori e effettori associati alla proteina G

Molti recettori associati alla proteina G hanno una struttura con un singolo polipeptide contenente 7 alfa eliche che attraversano la membrana, con 2 cappi esterni extracellulari che costituiscono i siti dove il trasmettitore si lega e 2 cappi interni che legano e attivano la proteina G.
Il termine proteina G deriva da proteina guanosintrifosfato (GTP), e alcuni tipi di proteine G vengono attivate da molteplici recettori.
Funzionamento della proteina G:
Possiede 3 subunità (α, β, γ), e durante lo stato di riposo la GDP si lega a una subunità G_α e tutto galleggia intorno alla superficie della membrana.
Se la molecola GDP legata alla G passa vicino ad un recettore adatto e questo possiede una molecola di trasmettitore legata ad esso, la proteina G rilascia la molecola di GTP e la scambia con una di GTP presa dal citosol.
La molecola attivata GTP attaccata alla G si divide in 2 parti la subunità G_α più GTP e G_βγ, entrambi liberi di spostarsi.
G_α è un enzima che spezza la molecola di GTP in GDP, e torna indietro assieme alla G_βγ, permettendo al ciclo di ricominciare.

I sistemi effettori associati alla proteina G
Le proteine G attivate esercitano la loro influenza legandosi ai canali ionici dipendenti e agli enzimi attivati.
La via più breve va dal recettore alla proteina G e dalla proteina G al canale ionico, e si chiama così perchè gli effetti non coinvolgono altri intermediari chimici e sono quindi più rapide (es ACh,GABA_B).
La cascata del secondo messaggero si ha quando tra il primo enzima attivato e l'ultimo ci sono numerosi secondi messaggeri (es AMPc., PLC, DAG, IP₃, PKA, PKC, CaMK).

Fosforilazione e defosforilazione
La fosforilazione si ha quando le protein-chinasi trasferiscono il fosfato dall'ATP alle proteine, modificando la loro conformazione, e questo può far aumentare la probabilità che i canali si aprano o si chiudano.
Gli enzimi delle protein-fosfatasi agiscono per rimuovere i gruppi di fosfato, defosforizzando.
Il grado di fosforilazione del canale in ogni istante, dipende quindi dall'equilibrio della fosforilazione della chinasi e della defosforilazione della fosfatasi.

Le trasmissioni che usano canali trasmettitore-dipendenti sono veloci e semplici, mentre quelle con i recettori associati alla proteina G sono lente e complesse.
Ci sono 3 vantaggi nell'usare la trasmissione con la proteina G:

L'amplificazione del segnale, grazie all'attività di molti canali ionici
L'uso di piccoli messaggeri permette al segnale di diffondersi a distanza attraversando molte membrane cellulari e c'è la possibilità di avere numerosi siti per una ulteriore regolazione, avendo integrazione tra cascate.
Possono generare nella cellula dei cambiamenti chimici di lunga durata, che sebrano costituire la base della memoria.

Divergenza e convergenza nei sistemi neurotrasmettitori

Il glutammato è il più comune neurotrasmettitore eccitatorio del cervello, mentre il GABA è il è il più comune inibitorio, tuttavia ogni singolo neurotrasmettitori può avere molteplici effetti.
Il glutammato è in grado di legarsi a numerosi recettori e ciascun recettore può dare un effetto diverso.
L'abilità di un trasmettitore di attivare più di un sottotipo di recettore, o di provocare più di una risposta, è detta divergenza.
La convergenza si ha invece quando i trasmettitori attivano il loro peculiare tipo di recettore e poi convergono per influenzare gli stessi sistemi effettori.
I neuroni integrano sistemi di segnali convergenti e divergenti producendo una complessa mappa di effetti chimici.

Alla fine di tutti questi processi, l'informazione viene ricombinata per dare origine a un particolare output, che è cmq diverso dalla somma dei singoli input.
Visti questi meccanismi, si può concludere che, il cervello e la sua chimica sono una cosa sola.