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Arti fantasma e numeri colorati

15 settembre 2011 in dendrite by Manuel | 2 comments

Ho notato che in quasi sessanta articoli non ho mai parlato (con un’eccezione) di neuroscienze; devo questa mancanza ad una mia parziale ignoranza in merito, ignoranza alla quale, con molta fatica, ho posto qualche riparo, per cui eccomi qui. Voglio parlarvi di due fenomeni estremamente interessanti e discuterne le cause. Capita molto spesso che a persone a cui venga amputato un arto, o parte di esso, capiti ancora di sentire l’arto mancante. Questo fenomeno abbastanza conosciuto è noto come arto fantasma, ed a prima vista è assolutamente bizzarro (e spesso doloroso). Come è possibile che una parte del corpo mancante mandi ancora segnali nervosi al sistema nervoso centrale? Sembra una contraddizione! In realtà la risposta risiede nell’anatomia del sistema nervoso centrale, nella quale ci addentreremo pian piano.
Il Sistema Nervoso Centrale è costituito da encefalo e midollo spinale, che sono parte della stessa struttura che durante lo sviluppo embrionale si chiama tubo neurale (essendo un tubo, è cavo al suo interno, e questa cavità persiste anche nel SNC dell’adulto, con i quattro ventricoli encefalici e il canale centrale del midollo spinale). Mentre però il midollo spinale mantiene grossomodo una struttura tubulare, l’encefalo è enormemente sviluppato e rigonfiato. Il Midollo spinale è contenuto all’interno del canale vertebrale, costituito come potrete facilmente dedurre dalle vertebre. Il Midollo spinale ha quindi una posizione mediana tra metà destra e sinistra del corpo, ed ha una posizione dorsale. Dal midollo spinale si dipartono numerose paia di nervi spinali (un nervo per la metà sinistra e uno per la metà destra). I nervi spinali sono delle strutture rivestite, e sono costituite da veri e propri fasci di assoni il cui corpo cellulare è situato nel midollo. Ciascun nervo spinale è un nervo misto, cioè ha sia assoni motori, che vanno ad eccitare i muscoli per farli contrarre, sia assoni sensitivi, che innervano il nostro organismo (muscoli, cute, visceri) e ci danno la sensibilità (quella che chiamiamo sensibilità somatica, del nostro corpo, e sensibilità propriocettiva che è una sensibilità non cosciente sullo stato dei nostri muscoli e tendini). Gli assoni sensitivi partono da neuroni il cui corpo cellulare (o soma) risiede in appositi gangli molto vicini al midollo spinale, tra una vertebra e l’altra. Questi neuroni, che vengono chiamati sensitivi primari, sono particolari perchè hanno un corpo cellulare localizzato in questo ganglio, e invece di avere dei normali dendriti e un normale assone, presentano un unico processo a T (vengono chiamati neuroni pseudounipolari):

Come vedete questo processo a T è funzionale al loro ruolo di “percepire” stimoli (tattili, dolorosi, termici) in periferia con un’estremità del processo, attivare un potenziale di azione (o impulso elettrico) che viaggia a ritroso (rispetto alla direzione dell’impulso di un neurone motore, che dal centro va in periferia) fino all’estremità opposta. L’estremità opposta è “inserita” nel midollo spinale” dove ci sono neuroni sensitivi di secondo ordine che vengono attivati da questo potenziale d’azione. I neuroni sensitivi spinali attivati sono dei neuroni come normalmente li immaginiamo, ovvero hanno un corpo cellulare, un albero dendritico, e un assone diametralmente opposto. Ricevono l’impulso sui loro dendriti e attivano un potenziale d’azione che corre lungo l’assone in direzione ascendente, ovvero dal midollo spinale verso l’encefalo. Questa via spinale termina nell’encefalo, dove attraverso altri neuroni cambia metà (oltrepassa la lina mediana che divide in due metà speculari il nostro SNC), contatta il Talamo, e dal Talamo arriva alla corteccia (dell’emisfero della metà opposta del corpo dove lo stimolo si è originato). La corteccia è una struttura straordinaria. Rappresenta lo strato più esterno e più sviluppato dei due emisferi cerebrali, quello che viene volgarmente detto “materia grigia” ed è costituita da miliardi (si stima sui 50) di neuroni.  La corteccia ha subito nei mammiferi e nei primati uno sviluppo enorme dell’estensione, ed è tanto estesa che è ripiegata su se stessa ed è per questo che ha assunto quell’aspetto tipico con solchi e circonvolluzioni (questo ha permesso un’aumento della superficie senza un corrispettivo aumento del volume; ricordo che in biologia il rapporto volume/superficie di solito non deve mai essere troppo elevato).

Vedete ora un encefalo dall’alto, come se apriste la calotta cranica di una persona (ma vi invito a non farlo, potreste ucciderla), e osservaste il cervello dall’alto, intero (in anatomia spessissimo si fanno delle sezioni di organo per osservarne l’interno). Vedete benissimo come sia diviso in due emisferi da una scissura che corre longitudinalmente (scissura longitudinale), e che questi emisferi hanno dei solchi e delle altre scissure. Quella che vedete è quindi la corteccia cerebrale, la nostra parte del cervello più sviluppata. La corteccia è divisibile in lobi, che anche se si tratta di strutture dai confini arbitrari, rispondono abbastanza bene alle esigenze anatomiche:

Se operiamo una sezione coronale (perpendicolare alla scissura longitudinale) otteniamo questo:

I due emisferi sono ancora distinguibili. Notiamo inoltre come la corteccia, sia solo lo strato più esterno (grigio) degli emisferi, ma come sia comunque sviluppata ed estesa. Sotto la corteccia (la parte in giallo) c’è la mteria bianca, ovvero fasci di assoni che mettono in comunicazione varie parti del SNC tra loro (particolarmente degni di nota sono le fibre commessurali, ovvero quelle fibre che passano da un emisfero all’altro formando il corpo calloso). Notate in oltre come i due emisferi presentino due cavità, i ventricoli laterali (lateral ventricle),al di sopra dei quali si trova il corpo calloso che mette in comunicazione i due emisferi. I due ventrucoli laterali confluiscono, attraverso i fori interventricolari del Monro nel terzo ventricolo ai fianchi del quale si sviluppa il talamo (il talamo è un nucleo pari, ovvero uno per ogni emisfero) che è la stazione dove tutte le percezioni (tattili, dolorifiche, visive, uditive e olfattive) “sostano” prima di venire mandate alla corteccia dove verranno elaborate. Tutte quelle senzazioni che non percepiamo (come ad esempio i vestiti che abbiamo addosso) è perchè sono filtrate dal talamo e non sono inviate alla corteccia (poi c’è anche un discorso di adattamento dei recettori cutanei, ma non aggiungiamo altra carne al fuoco). Il talamo, con altri nuclei (come il caudato, e il lentiforme) costituisce il Diencefalo, la parte del cervello che è la base dei due emisferi e dai queli è completamente ricoperto (i due emisferi formano il telencefalo). Il Diencefalo poggia infine sul tronco cerebrale, costituito da diversi nuclei importantissimi per le funzioni vitali come la respirazione, battito cardiaco, sonno/veglia, è la parte più fondamentale e arcaica del cervello, e restringendosi sempre di più esce dal cranio e diventa midollo spinale. Ma torniamo alla corteccia. I neuroni che formano la corteccia sono stratificati (da tre a sei strati), ma le unità operative non sono a strati, ma a colonne che attraversono gli strati. Questi moduli sono attivati da segnali specifici (provenienti dal “basso”, da aree dello stesso emisfero, o dall’emisfero opposto). La corteccia è responsabile dell’elaborazione delle informazioni, e in genere delle funzioni superiori (linguaggio, riconoscimento ecc..). La corteccia ha aree specializzate per questo tipo di funzioni. Ha un’area deputata all’elaborazione delle immagini visive, una per le informazioni uditive, e così via. Sono state individuate 47 aree corticali. Tra queste c’è anche l’area somatosensitiva o somestetica indicata in viola:

La corteccia somestetica (lobo parietale) viene raggiunta da tutte le informazioni sensitive coscienti che arrivano dai nervi periferici (seguendo quel percorso che ho illustrato prima). Bisogna anche sottolineare come in molti casi, e questo è uno di quelli, l’area somatosensitiva dell’emisfero sinistro riceve informazioni dalla parte destra del corpo e viceversa, questo perchè come ho detto prima, gli assoni che dal midollo spinale portano gli impulsi verso l’encefalo terminano all’inizio del cervello, e passano il testimone ad un altro gruppo di neuroni (che formano due nuclei, il gracile e il cuneato), i quali come si dice in gergo decussano, e vanno a finire nel talamo dell’emisfero opposto, dal talamo quindi passano alla corteccia dove queste informazioni vengono elaborate, e noi effettivamente sentiamo, ad esempio, una mano che ci sfiora, e le mie dita sentono i tasti mentre sto scrivendo questo post. Una cosa molto interessante, è che questa corteccia sensitiva ha un’organizzazione che rispecchia le varie parti del corpo, c’è quindi una zona, in quest’area, che è deputata alle senzazioni arrivanti dalla mano, un’altra da quelle della lingua, del torso e così via. Ha un’organizzazione somato-topica. Ma, ad esempio, la zona corrispondente alla mano è molto più sviluppata rispetto a quella del piede, o del busto, questo determina una sensibilità maggiore alle mani rispetto ai piedi (con le mani scriviamo, cuciamo, suoniamo strumenti, riconosciamo). E’ stato così costruito un homunculus, che ha le zone del corpo di dimensioni proporzionali all’area dedicata nella corteccia. Ora finalmente, vi accorgerete che questa digressione serviva a portarci all’argomento principale: l’arto fantasma. Come è possibile che venga sentito un pezzo di corpo che non c’è più? Se non c’è più, le terminazioni nervose non ci sono più, questo impedisce alla corteccia somatosensitiva di elaborare alcuno stimolo, e noi non dovremmo sentire più nulla. Invece non è così. Infatti, una delle principali caratteristiche della nostra corteccia è che è plastica, capita a volte che funzioni di aree danneggiate (ad esempio da ictus) vengano assunte col tempo da altre aree circostanti, recuperando le funzioni perdute. In questo caso è stato dimostrato che le aree corticali corrispondenti all’arto tagliato, non ricevendo più stimoli propri, vengono spesso accese da altri stimoli, che non c’entrano nulla con la parte del corpo in questione, è come se diventassero più ricettive. Questo determina la sensazione (spesso dolorosa) proveniente dall’arto sparito, in realtà è la nostra corteccia che sente senza essere debitamente stimolata. A volte accade che se a queste persone viene sfiorata un’altra parte del corpo, essi sentano come se si stesse toccando la parte mancante. Questo può accadere quando aree della corteccia somatosensitiva  vicine a quella dell’arto mancante le mandino delle informazioni collaterali, per cui può capitare che una persona a cui è stata amputata la mano sinistra, senta sensazioni alla mano fantasma quando le viene sfiorata la guancia sinistra (nella corteccia l’area del viso è confinante con quella della mano), in questo caso c’è stata una sovrapposizione di aree, quella della guancia è andata a sovrapporsi a quella della mano.
Una sovrapposizione simile è evidente anche in un’altra sindrome molto curiosa, la sinestesia. La sinestesia è meglio nota come figura retorica, che come sindrome, ed è quel modo di dire tipico delle poesie in cui si associano due concetti appartenenti a due sfere sensoriali diverse, così secondo Quasimodo l’urlo delle madri che vedono i propri figli uccisi è nero: una sensazione uditiva viene descritta con un attributo visivo, il nero (cfr alle fronde dei salici). La sinestesia neurologica si fonda sullo stesso concetto, sono sinestetiche quelle persone che associano sensazioni differenti. Il caso più semplice è quello delle persone che vedono i numeri colorati.. nel senso associano un colore a ciascun numero. Io quando penso al quattro penso al quattro, non al verde. Nonostante questo se vedo un quattro verde  sono in grado di dividere queste due cose quattro (numero) e verde (colore). Alcuni sinestetici invece associano il colore ai numeri sempre, per cui se in un insieme di numeri neri, c’è un numero (sempre nero) che ripetuto forma ua figura particolare, un sinestetico la individuerà subito, perchè assocerà ai numeri colori diversi, mentre noi ci mettiamo sicuramente di più. In questo caso la risposta è da cercare nell’area visiva dove il modulo del riconoscimento del simbolo dei numeri è estremamente vicino a quello dei colori e talvolta (geneticamente) è possibile una sovrapposizione delle parti. Ma ci sono casi più complessi, come quelli che ad esempio sentono le note colorate, o associano gusti alle parole. Molto spesso il fenomeno avviene in un solo senso, per cui uno sento un do giallo, ma non è detto che se vedo il giallo sento un do. Questo è dovuto ad un maggior numero di collegamenti che da un’area specifica (mettiamo quella del suono) va a quella della visione o viceversa (da questo si può capire il motivo dell’unidirezionalità). Altri non reputano che sia dovuto ad un maggior numero di connessioni, ma al fatto che queste connessioni siano attive nei sinestetici e inattive negli altri. Il fenomeno è ovviamente complesso e in molti versi ancora incompreso.

Spero di non avervi annoiato, e che la digressione dell’anatomia del nostro cervello, seppur parziale e con molte lacune, sia stato di vostro interesse, perchè mai come in questo caso la struttura si correla strettamente con la funzione, e in questo caso anche la posizione. Se volete leggere qualcosa a proposito consiglio due libri divulgativi del neuroscienziato indiano Ramachandran, “Cosa sappiamo della mente” Mondadori, 2004 e “La donna che morì dal ridere” Mondadori, 1998. Ovviamente potete sempre consultare un testo di neuroanatomia, come ho fatto io per i dettagli, ma se non siete obbligati vi consiglio di evitare (esperienza personale). Se avete dubbi, notate errori, o avete domande usate i commenti! Alla prossima!

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I geni Homeobox: perchè parlarne?

29 agosto 2011 in dendrite by Manuel | 2 comments

Ci sono domande che accompagnano l’uomo dall’inizio della sua storia, domande come: perchè il cielo è azzurro? perchè la terra è rotonda? l’universo è davvero infinito? e perchè abbiamo una testa, un torace, due braccia, due gambe, due mani e due piedi? Chiunque abbia un numero diverso di elementi rispetto a quelli scritti non si preoccupi, avrà una risposta!
Avrete notato senz’altro notato che ci potremmo virtualmente tagliare in due metà pressochè speculari tra loro, semplicemente seguendo un asse anteroposteriore: scopriremo che la maggiorparte del nostro organismo esterno e interno è simmetrico rispetto a questo asse (il fegato, ad esempio, sembra fare eccezione).
Come immagino sappiate, ciascuno di noi si è formato fisicamente con lo sviluppo embrionale, durante il quale, da una singola cellula chiamata zigote, si forma un organismo pluricellulare, dotato di organi e tessuti ben differenziati (morfogenesi e organogenesi).
Durante lo sviluppo embrionale non ci sono solo processi di crescita e proliferazione cellulare, ma processi di differenziamento istologico, morfogenesi e trasformazioni spaziali che portano appunto all’organogesi e alla determinazione dell’assetto del corpo lungo un asse antero-posteriore. la questione è complessa: ad esempio, tra un rene e l’altro, non ci sono differenze, sono pressochè identici. Questo significa che le cellule che hanno dato origine ai reni erano cellule identiche e che si sono disposte e strutturate in egual modo per dare origine all’organo; ma prendiamo ad esempio un braccio e una gamba, non ci sono differenze istologiche tra i due arti, ma ciò che cambia è la disposizione delle cellule. Ci deve essere qualcosa, oltre al processo di differenziamento, che determina l’assetto e la disposizione delle cellule e dei tessuti in un organo, in un arto, nell’organismo in generale.
Esise una famiglia di geni che è responsabile della determinazione spaziale del nostro corpo, e di quello degli altri organismi e della loro specificazione (ovvero formazione di due braccia, due cambe, una testa ecc..). Lo studio di questi geni è iniziato in un modello biologico molto famoso, ovvero il moscerino della frutta. Diverse mutazioni che non interrompevano lo sviluppo embrionale, avevano effetti sulla disposizione delle diverse componenti dell’insetto, ad esempio in una mutazione chiamata Antennapaedia, il povero moscerino si ritrovava due arti al posto delle antenne. Questo dimostrava come dei geni in particolare potessero avere un ruolo organizzativo durante lo sviluppo embrionale. Questi geni sono stati chiamati geni Omeotici o Homeobox in inglese, e sono accumunati dall’avere un dominio proteico di 60 amminoacidi molto conservato nell’evoluzione, l’Homeobox domain o l’omeodominio. Questo domnio è in grado di legare une specifica sequenza di DNA e di funzionare come fattore di trascrizione (Fattori di trascrizione e Promotori, un sistema chiave/serratura), attivando o reprimendo numerosi altri geni. Sono stati scoperti 8 geni Homeobox (Hox per gli amici) nel moscerino della frutta e 39 nei mammiferi. Questi geni non sono sparsi casualmente per il genoma, ma sono anzi raggruppati in Clusters (ovvero gruppi di geni ravvicinati) da A a D. Con la loro funzione i geni Hox controllano l’identità cellulare e la sua posizione lungo l’asse anteroposteriore dell’organismo. Il funzionamento di questi geni è strettamente regolato e questa regolazione è sia temporalmente che spazialmente determinata. Ad esempio i geni Hox collocati al 3′ di ciascun cluster (quindi quelli al fondo del cluster stesso) sono attivati sempre prima di quelli al 5′ (quindi quelli iniziali); oltre a questa distinzione temporale, c’è anche una distinzione spaziale: i geni collocati al 3′ sono attivati prima e in zone anteriori dell’embrione, mentre i geni collocati al 5′ sono attivati dopo e in zone posteriori. La distinzione spazio-temporale dell’attivazione è fondamentale per un corretto sviluppo dell’embrione.  Questa caratteristica viene chiamata Collinearità ed è essenzialmente dovuta a fattori epigenetici. L’epigenetica come ho già discusso, è quella serie di informazioni che provengono dalla modificazione covalente di DNA e Istoni. Gli istoni sono delle proteine essenzialmente basiche, che formano dei complessi chiamati nucleosomi attorno ai quali si avvolge la doppia elica. Il modo con cui il DNA si avvolge attorno ai nucleosomi dipende da numerosi fattori, quelli che ne aumentano l’adesione (e quindi provocano la cosiddetta condensazione della cromatina) fanno in modo di inibire l’espressione dei geni contenuti nella sequenza di DNA condensata, perchè più il DNA è condensato minore è la probabilità che  il complesso di trascrizione si leghi ai promotori dei geni e che questi vengano espressi. I fattori che invece diminuiscono lo stato di condensazione sono fattori che aumentano il livello di trascrizione per il motivo opposto. La capacità dei geni di essere espressi dipende dall’equilibrio tra fattori pro-condensazione (che silenziano)  e fattori anti-condensazione (che attivano), e il linguaggio che ha come alfabeto questi fattori prende il nome di epigenetica. La capacità dei geni Hox di essere espressi in maniera così finemente regolata è dovuta ad un attento switch epigenetico che vede decondensati prima i geni Hox al 3′ del cluster di appartenenza nelle zone anteriori dell’embrione, e successivamente i geni Hox al 5′ nelle zone posteriori. Il pattern di attivazione di questi geni Hox determina l’identità e la posizione delle cellule durante lo sviluppo embrionale.  Molto importante ad esempio è il pattern di espressione durante lo sviluppo dell’encefalo che porta alla formazione di un prosencefalo, di un mesencefalo e di un romboencefalo, tutte e tre le parti si dispongono lungo un asse longitudinale e durante questo sviluppo si verificano numerosi cambiamenti epigenetici a livello dei loci Hox nelle cellule staminali progenitirici fino ad arrivare alle cellule completamente differenziate. Questi marcatori epigenetici hanno anche un ruolo fondamentale nella memoria cellulare che fa sì che una cellula, quando si divide, trasmette alle cellule figlie lo stato della cromatina che possedeva precedentemente alla divisione, in modo che la cellula figlia assuma le stesse caratteristiche della cellula madre.
Possiamo infine immaginare cosa potrebbe succedere in caso di un’alterata espressione dei geni Hox durante l’embriogenesi. Le malformazioni degli arti inferiori e superiori, delle mani e dei piedi e delle rispettive dita sono spesso riconducibili ad alterazioni nel pattern di espressione dei geni Hox (ad esempio una mutazione nei geni appartenendti al Cluster HoxD sembrano essere correlate con malformazioni degli arti e nel tratto uro-genitale). Spesso l’esposizione del feto in via di sviluppo ad alcune sostenze (dette teratogene) porta alla comparsa di malformazioni, sembra che queste sostanze interferiscano non il funziamento dei geni Hox o delle relative proteine. Diversi tumori (soprattutto infantili), inoltre, sono stati associati ai geni Hox.
Una ultima considerazione. Come ho detto, i primi studi sulla capacità di organizzare la simmetria corporea sono stati fatti su un insetto, quindi un invertebrato. Da questo modello poi si è iniziato a studiare una serie di altri organismi, uomo compreso, dimostrando che questi geni omeotici sono presenti particamente in tutti gli animali e non solo (anche nelle piante ad esempio).  Questo significa che poichè in natura esistono forme di vita con piani di simmetria molto diversi: pensiamo ad un riccio di mare od a una stella marina e pensiamo a un topo, i primi due hanno una simmetria raggiata, un topo ha una simmetria bilaterale (come noi), ma non è solo questione di simmetrie, prendiamo ad esempio gli arti negli invertebrati passiamo da sei arti per gli insetti, a otto per gli aracnidi, mentre per i vertebrati abbiamo una minore variabilità (in genere quattro arti che possono essere successivamente modificati o perduti). E’ chiaro che per avere questa variabilità di simmetria e strutture corporee è stato necessario modificare l’attivazione dei geni Hox. Poichè esistono delle mutazioni inattivanti a livello di questi geni che rendono la struttura dell”organismo colpito più semplice rispetto all’originale, e qualche volta simile a eventuali antenati ancestrali, si potrebbe inferire che le acquisizioni corporee siano state ottenute aumentando di complessità il pool dei geni Hox (e questo potrebbe essere convalidato dall’evidenza che il numero dei cluster nei vertebrati segue quasi esattamente il numero di duplicazioni genomiche), ma questo pone un problema, se immaginiamo un modello di evoluzione a piccoli step andiamo incontro alla formazioni di veri e propri mostri che non saranno tollerati dalla selezione naturale. Io non sono un biologo evoluzionista, e non ho idea di cosa gli esperti pensino al riguardo. Spero di aver stimolato la vostra curiosità ed il vostro interesse per un argomento che è estremamente complicato e affascinante. Se avete domande siete invitati a farle, anche se non vi assicuro che sappia la risposta! Alla prossima.

Bibliografia:
“Embriologia” di Barbieri M e Carinci P.
Benjamin A. Barber, Mojgan Rastegar, “Epigenetic control of Hox genes during neurogenesis, development, and disease“;  Annals of Anatomy 192 (2010).
Micheal Akam, “Hox genes, homeosis and the evolution of segment identity: no need for hopeless monsters“; Int. J. Dev. Biol. 42 (1998)
Shigehiro Kuraku, “Hox Gene Clusters of Early Vertebrates: Do They Serve as Reliable Markers for Genome Evolution?” Genomics Proteomics Bioinformatics (2011)

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L’altra faccia della medaglia

11 agosto 2011 in lente di barlow by Manuel | No comments

Questo articolo deve essere letto dopo il precedente “Ci ossidiamo?”. Immagino sappiate tutti che all’inizio, agli albori della vita su questo pianeta l’ossigeno era assente o quasi, e l’atmosfera era composta da anidride carbonica, metano, ammoniaca, ecc… I primi organismi (batteri) erano quindi tutti esclusivamente anaerobi. Con l’avvento dei cianobatteri, i primi batteri fotosintetici, la vita cambiò radicalmente (ovviamente al passare di centinaia di milioni di anni). La fotosintesi vista dal punto di vista di un’equazione chimica è l’esatto contrario della demolizione degli zuccheri (ad es glucosio) ad anidride carbonica più acqua (cosa di cui ho parlato nell’articolo precedente), per cui avremo:

6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2

Utilizzando come materia prima dell’anidride carbonica e dell’acqua, molecole estremamente semplici, gli organismi fotosintetici sono in grado di sintetizzare zucchero, una molecola ben più complessa, il tutto sfruttando l’energia luminosa. Oltre allo zucchero viene immessa nell’ambiente una molecola di ossigeno, come fosse uno scarto (e in effetti da quest’ottica lo è). In questo modo iniziarono a svilupparsi organismi in grado di utilizzare l’ossigeno, che ora era abbondante nell’atmosfera, come accettore degli elettroni prelevati alle molecole ossidate. Questo permise di migliorare il rendimento energetico del metabolismo e diede senz’altro una spinta evolutiva. Ma l’ossigeno è una molecola che può diventare estremamente reattiva in grado di danneggiare le componenti della cellula e provocarne in certi casi la morte.
Parliamo dei radicali liberi e, nel caso dell’ossigeno, dei ROS (Reactive Oxygen Species). Per radicale intendiamo una specie chimica che presenta un elettrone spaiato nell’orbitale più esterno (Quindi presenta un numero dispari di elettroni). Questo rende la molecola o atomo estremamente instabile e del tutto propensa a reagire con altre molecole o con altri radicali. Esistono specie radicaliche con cariche elettriche mentre altre sono neutre e mentre le cariche elettriche vengono indicate con i segni + e -, la radicalità viene indicata con un pallino (•) per indicare l’elettrone spaiato. I radicali possono derivare da qualsiasi atomo o molecola, non solo dall’ossigeno. Uno degli eventi che portano alla formazione dei radicali è la Scissione Omolitica del legame: quando un legame chimico viene rotto e gli elettroni che formavano quel legame si dividono equamente tra un atomo e l’altro, abbiamo lo spaiamento degli elettroni e la formazione del radicale. Per fare un esempio, prendiamo una molecola di cloro che come l’ossigeno è biatomica; in seguito ad una scissione omolitica del legame tra i due atomi di cloro si formano due radicali, in quanto ciascun atomo di cloro ha un elettrone spaiato nel suo orbitale esterno:

Cl2 -> 2Cl•

Questi due atomi ormai radicalizzati hanno una forte instabilità, e tendono a reagire con qualsiasi molecola proprio perchè questo elettrone spaiato tende o a sottrarne ad altre molecole o ad aggiungersi ad esse (reazioni di ossidoriduzione). Ad esempio se incontrano una molecola di metano, tendono ad ossidarlo:

CH4 + Cl• -> CH3• + HCl

Il radicale Cloro ha ossidato una molecola di metano sottraendogli un atomo di idrogeno (1 protone + 1 elettrone), in questo modo il radicale cloro si è stabilizzato ad acido cloridrico (HCl), ma come conseguenza si è radicalizzato il metano stesso, a cui è stato sottratto un atomo di idrogeno e il Carbonio si è quindi trovato con un elettron spaiato (prima coinvolto nel legame con H); la reazione continua con:

CH3• + Cl2 -> CH3Cl + Cl•

Il radicale metilico ha successivamente reagito con una molecola di Cl biatomica, creando cloruro di metano e un nuovo radicale cloro. In questo modo abbiamo visto un’altra importante proprietà dei radicali, oltre quella di reagire con qualsiasi cosa passi per il convento, quella di autopropagarsi!
Che cosa può portare alla scissione omolitica? Ad esempio le Radiazioni Ionizzanti (ad esempio, nella prima reazione di radicalizzazione del cloro possono intervenire le RI), oppure energia termica oppure una reazione chimica di ossido-riduzione (come nell’ultima reazione tra il radicale metilico e il cloro).
Ma veniamo all’ossigeno. L’ossigeno essendo molto utilizzato dal nostro organismo è quello che più probabilmente darà origine a specie radicaliche ed è per questo che è molto pericoloso. Ha otto elettroni, e questa configurazione elettronica: 1s2 2s2 2p4, ma la particolarità è che ha ben due elettroni spaiati: un orbitale 2p ne alloca due, gli altri due uno ciascuno. I due elettroni spaiati rendono l’ossigeno particolarmente reattivo di suo e questo lo rende adatto come accettore finale degli elettroni (e anche, tra parentesi, alla formazione della molecola d’acqua):

O2 + 4e- + 4H+ -> 2H2O

Gli elettroni, come ho detto nell’articolo precedente, provengono dalle molecole che venono ossidate durante il metabolismo. La riduzione dell’ossigeno ad acqua avviene nei mitocondri con l’acquisto di un elettrone alla volta. Può capitare che non avvenga la riduzione completa e che specie semi-ridotte fuggano nell’ambiente circostante sottoforma di radicali, questa è nè più nè meno che una normale conseguenza del nostro metabolismo ossidativo. Vediamo cosa accade, quindi:

O2 + 1e- + 1H+ -> HO2•

Se l’ossigeno riceve solo un elettrone si riduce parzialmente e diventa un radicale, perchè possiede un elettrone spaiato. Questo radicale (HO2•) viene detto radicale Idroperossile, ed è estremamente reattivo; normalmente questo radicale ha un’emivita molto breve e dissocia velocemente, formando un altro radicale, l’anione superossido: O2-•. Tutti questi radicali si diffondono molto velocemente nella cellula, reagendo con tutto quello che incontrano e propagandosi. Se contemporaneamente all’anione superossido, si viene a formare Perossido di Idrogeno a partire dal radicale idroperossile (HO2• + 1e- + 1H+ -> H2O2), si ha la cosiddetta reazione di Haber-Weiss e la formazione di un altro dannoso radicale dell’ossigeno, il radicale Idrossile:

H2O2 + O2-• -> OH- + OH• + O2

Abbiamo visto quindi che a causa di reazioni di ossido-riduzione si possono ottenere diverse specie reattive dell’ossigeno, alcune con carica altre neutre, tutte estremamente instabili e reattive. Quelle più pericolose sono quelle senza carica perchè essendo apolari possono attraversare le membrane fosfolipidiche e diffondersi. Ma quali sono i danni che possono arrecare ad una cellula? I più comuni problemi sono dati dall’attacco del DNA. Questi radicali dell’ossigeno sono in grado di reagire con le basi azotate e ossidarle, inducendo mutazioni. Possono anche indurre la rottura dei filamenti del DNA causando danni maggiori. I radicali liberi possono anche attaccare le proteine e alterarne la struttura, ad esempio tutte le proteine che hanno dei residui di cisteina (che hanno quindi dei gruppi sulfidrilici -SH) possono subire l’ossidazione e formare un legame tra due gruppi SH (S-S) e viceversa. Ma forse il danno più grave è quello alle membrane. Le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato fosfolipidico; Un fosfolipide è una molecola costituita da una parte polare (carica elettricamente, di solito un gruppo fosfato più un fruppo funzionale come la colina, l’etanolammina ecc..) e da due lunghe catene di acidi grassi; Un acido grasso è una catena idrocarburiche totalmente apolari (tranne che per il carbonio 1 che, portando il gruppo chimico acido, COOH, è polare). Una catena idrocarburica è costituita dalla ripetizione N volte del gruppo -CH2-. In una membrana i due strati fosfolipidici sono giustapposti proiettando verso l’interno le catene apolari e verso l’esterno le teste polari (fosfato & Co.), solo in questo modo le membrane possono interagire con un ambiente in prevalenza acquoso (ricordo che una molecola apolare non si scioglie in acqua, come ad esempio l’olio nel brodo che forma delle chiazze galleggianti). Le nostre membrane cellulari sono fondamentali perchè conferiscono integrità alle cellule e le mantengono separate. Inoltre sono responsabili degli scambi di molecole con l’ambiente esterno. Molte catene degli acidi grassi possiedono delle insaturazioni, ovvero dei doppi legami; un doppio legame si forma in seguito ad una ossidazione della catena:

-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2- -> -CH=CH-CH2-CH=CH-

Questa catena idrocarburica ha subito due insaturazioni: al C1 e al C4, diventando così poli-insatura. Molte catene idrocarburiche nelle nostre membrane sono poli-insature (gli acidi grassi poli-insaturi che i nutrizionisti chiamano omega-3, omega-6 e omega-9). Se le nostre membrane vengono attaccate da specie radicaliche come il radicale idrossile (OH•), questi radicali vengono “spenti” proprio dai nostri acidi grassi poli-insaturi che subiscono però delle perossidazioni (Aggiunta di OOH ad un carbonio).

LH + OH• + O2 -> LOO• + H2O

Dove L è un lipide generico che viene radicalizzato da un OH•, che si riduce ad acqua, in LOO•; Questa forma è instabile perchè è essa stessa un radicale per cui è in grado di attaccare altri lipidi di membrana e di propagarsi allo stesso modo, ma è anche in grado di spegnersi (LOO• + LOO• -> LOO-OOL). Quindi le membrane possono tamponare uno stress ossidativo, e per questo sono utili, ma se quest’ultimo dovesse essere troppo grande gli acidi grassi perossidati LOOH diventerebbero molti; una molecola che si lega all’ossigeno diventa polare, la polarizzazione degli acidi grassi delle membrane (che dovrebbero essere apolari) attira molecole di acqua (polare anch’essa), e l’entrata dell’acqua all’interno del doppio strato fosfolipidico porta al suo scompaginamento, la membrana si dissolve (si solubilizza) e questo porta alla perdita dell’integrità cellulare, quindi alla morte della stessa (fenomeno noto come perossidazione lipidica e solvatazione delle membrane).
In condizioni normali, la generazione di radicali è perfettamente contenuta, ma in particolari situazioni patologiche o ambientali (esposizione a agenti tossici come il tetracloruro di carbonio, fumo di sigaretta e farmaci come il paracetamolo, o radiazioni ionizzanti) si può generare uno stress ossidativo molto forte che può causare la morte di molte cellule (necrosi tissutale).
Il nostro organismo ha svliuppato molte difese nei confronti dei radicali, quindi normalmente li teniamo sotto controllo e non permettiamo che causino danni. Esistono difese enzimatiche (enzimi in grado di spegnere la propagazione dei radicali) e difese non enzimatiche, molecole che vengono ossidate/ridotte dai radicali che in questo modo si spengono, prima fra tutte la vitamina C. Spero di non essere stato troppo prolisso e spero vi abbia interessato. Ho voluto sottolineare come la formazione di ROS sia quasi “fisiologica” in un metabolismo ossidativo come il nostro e che normalmente riusciamo ad annullarne gli effetti tossici, ma ho sottolineato che come a volte capiti che le nostre difese non bastino e in questo caso i danni possono essere gravi. Alla prossima

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Ci ossidiamo?

1 agosto 2011 in lente di barlow by Manuel | 3 comments

Se non l’avessi ripetuto praticamente in ogni articolo che ho scritto, magari vi farebbe più effetto, ma non sto esagerando quando vi dico che ciò di cui voglio parlarvi è della massima importanza. Tutti i sistemi viventi hanno bisogno di energia. Questa energia è necessaria per mantenere il sistema vivente lontano dall’equilibrio con l’ambiente circostante. Quando un organismo muore, smette di ricavare (non dal nulla ma per conversione) energia utile, e questo col tempo lo porta a “disorganizzarsi” e a tornare in equilibrio con l’ambiente circostante, in un certo senso torna alla natura. Dove è possibile individuare questa organizzazione superiore negli organismi viventi? Ma ovunque! La più piccola e semplice cellula del più antico batterio ha un livello di organizzazione straordinario! innanzitutto è separato dall’ambiente esterno da una membrana fosfolipidica a sua volta ricoperta da una parete cellulare rigida, questa parete serve a proteggerlo, a mantenere insieme tutte le componenti interne (DNA, RNA, proteine ecc..) e a mediare gli scambi con l’esterno! Mantenersi “divisi” dall’ambiente esterno è fondamentale. Poi prendiamo le proteine. Le proteine sono costituite dall’unione di amminoacidi, che ne sono venti in tutto. Per sintetizzare una proteina innanzitutto è necessario avere l’informazione per farlo (proveniente dal DNA), quindi è necessario avere l’occorrente: amminoacidi, energia, e un sistema di sintesi. da un insieme disordinato di amminoacidi singoli, otteniamo un prodotto finale estremamente più complesso, e questa sua complessità va molto al di là della semplice somma della funzione dei singoli amminoacidi, e dipende soprattutto dalla struttura e dalla conformazione della proteina: interferire con la struttura significa annullare la funzione della proteina e ridurla ad una semplice successione di amminoacidi.
Come ottenere l’energia adatta? Innanzitutto, come dice la prima legge della termodinamica, l’energia non può essere creata nè distrutta ma soltanto convertita. Ed è proprio quello che fanno i sistemi viventi. Per ottenere l’energia i sistemi viventi necessitano di molecole di cui possono “utilizzare” i legami chimici.
Il modo più comune per ricavare energia da una molecola è ossidarla. Cosa significa ossidare lo vedremo subito.
Dal punto di vista biologico (e non solo) molto importanti sono le reazioni di ossido-riduzione. Una specie chimica che si ossida è una specie chimica che “perde” elettroni mentre quella che li riceve si riduce. Ovviamente se una specie si ossida ce ne deve essere un’altra che alla fine si riduce, in questo modo il numero di elettroni (o equivalenti riducenti) rimane invariato nella reazione. Ma facciamo alcuni esempi di come le specie chimiche possono ossidarsi e ridursi:
la formazione della ruggine è il più classico esempio di reazione di ossido-riduzione, la cui reazione è la seguente:

3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2

Il ferro, il cui numero di ossidazione a sinsitra della reazione è 0 (essendo sottoforma di ferro elementare privo di carica non ha elettroni nè in eccesso nè in difetto) a destra della reazione è +4 (sono stati persi quattro elettroni) mentre l’ossigeno li ha acquistati, ma visto che l’ossido di ferro (III) è una specie chimica nuova, l’ossigeno non ha propriamente sottratto gli elettroni al ferro, perchè comunque contribuiscono a formare il legame. Abbiamo quindi visto quindi che per ossidarsi una specie chimica può legarsi all’ossigeno (d’altronde ossidare deriva da ossigeno).
Una specie chimica però può perdere definitivamente gli elettroni a favore di un’altra:

Fe2+ + Cu2+ -> Fe3+ + Cu+

Infine, possiamo ossidare una specie chimica sottraendo atomi di idrogeno. Gli atomi di idrogeno sono costituiti da un protone ed un elettrone. Sottraendo entrambi, non si determina la formazione di una carica netta (specie ionica), ma la specie chimica ha perso a tutti gli effetti un elettrone. Solitamente gli atomi di idrogeno vengono tolti sempre in coppia, come nell’esempio:

CH3-CH2-CH2-CH3 -> CH3-CH=CH-CH3

Il butano ha quindi dubito una deidrogenazione del carbonio 2 e del carbonio 3 che trobandosi ciascuno un elettrone libero l’hanno successivamente impegnato in un doppio legame (formando così il 2-butene). E’ stata introdotta un’insaturazione.
Come dicevo nei sistemi biologici le reazioni di ossidoriduzione sono centrali nel metabolismo. Per ottenere energia vengono ossidate le molecole (come zuccheri, acidi grassi), ad esempio una molecola di glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio estremamente importante perchè è una delle poche fonti di energia di molti tessuti come il cervello (che non è in grado di metabolizzare grassi), viene incanalato in una via metabolica chiamata glicolisi. La glicolisi (la via centrale del metabolismo degli zuccheri) prende una molecola di glucosio e ne ottiene due di acido piruvico (piruvato) secondo la seguente reazione:

C6H12O6 -> 2X C3H4O3

Noterete subito che l’unica cosa ad essere cambiata è il numero degli idrogeni che passano da 12 a 8. Ben quattro atomi di idrogeno sono stati prelevati dal glucosio (che si è ossidato a piruvato) e sono stati trasferiti. L’accettore di questi atomi di idrogeno (quindi 4 elettroni) è una molecola organica estremamente importante, il NAD (Nicotinammide-Adenin-Dinucleotide). Il NAD è una molecola non proteica che si associa transientemente agli enzimi che operano le reazioni di ossidoriduzione (si dice che è un cofattore) che si chiamano ossidoreduttasi o più comunemente deidrogenasi. Le deidrogenasi sono in grado di sottrarre elettroni ad una specie chimica trasferendoli su questa molecola che da ossidata (NAD+) si riduce (NADH), ma sono anche in grado di ridurre con il procedimento opposto. Quindi è il NAD a ridursi, a prendere gli elettroni sottratti al glucosio. Una molecola di NAD è in grado di ridursi a NADH accettando su di sè 2 elettroni ed un protone (ione idruro) liberando nell’ambiente circostante il protone rimanente. Per cui la reazione prima scritta diventa:

C6H12O6 + 2NAD+ -> 2X C3H4O3 + 2NADH + 2H+

L’enzima della glicolisi responsabile dell’ossidazione del glucosio è la Gliceraldeide-3fosfato Deidrogenasi , per gli amici GAPDH. Le deidrogenasi che funzionano con il NAD+/NADH sono dette deidrogenasi piridiniche, ma il NAD non è l’unico cofattore a potersi ridurre/ossidare, esistono anche cofattori cosiddetti flavinici (con le conseguenti deidrogenasi flaviniche) che sono FMN e FAD . Due considerazioni. La prima: la glicolisi è una via che da sola è in grado di produrre energia, sottoforma di ATP (le cellule immagazinano l’energia in legami chimici ad alta energia, come il legame tra i gruppi fosfato dell’ATP). Da una singola molecola di glucosio la glicolisi ricava 2 molecole di ATP (in realtà 4, ma se ne spendono due all’inizio pertanto il bilancio è 2). Questo ATP, questa energia ottenuta dal glucosio, non è però ottenuta grazie agli elettroni sottratti, ma attraverso un processo nominato “fosforilazione dell’ADP ad ATP a livello del substrato”, che in parole povere significa che il legame altamente energetico dell’ATP (ADP + P -> ATP) viene sintetizzato rompendone un altro a maggior contenuto energetico. Questi legami a maggior contenuto energetico di quello dell’ATP sono rispettivamente quello dell’acido 1-3 bifosfoglicerico e dell’acido fosfoenolpiruvico, entrambi intermedi della glicolisi e dai quali, appunto viene sintetizzato ATP (l’ATP non è quindi la molecola a più alto contenuto energetico, ma si trova esattamente a metà). La seconda considerazione è che se i NADH ottenuti non si riossidassero alla fine della glicolisi, si arriverebbe ad un punto che non si avrebbe nessun NAD ossidato, e questo come potete capire interromperebbe la glicolisi stessa. Per cui il NADH deve essere periodicamente riossidato per potere tornare utile alla glicolisi. Come si riossida? Se non è presente ossigeno, e siamo quindi in condizioni di anareobiosi, come ad esempio nel muscolo sottosforzo (ad esempio in un atleta durante una maratona), il NADH viene riossidato sul piruvato stesso, che viene ridotto ad acido lattico dall’enzima lattico deidrogenasi. L’acido lattico è un componente tossico perchè abbassa il pH per cui il muscolo non può lavorare a lungo senza ossigeno:

2X C3H4O3 + 2NADH + 2H+ -> 2X C3H6O3 + 2NAD+

In virtù del fatto che non si spreca mai niente, dopo lo sforzo eseguito, l’acido lattico viene portato al fegato dove viene trasformato in glucosio attraverso un processo di gluconeogenesi, e come potrete capire in questo caso serviranno equivalenti riducenti!
Se invece è presente ossigeno, come nella maggioranza dei tessuti in condizioni normali, allora il discorso si complica, perchè a questo punto non ci si ferma più solo alla glicolisi, ma si entra in un famoso processo chiamato “Respirazione Cellulare”. Nella respirazione cellulare ci sono tre fasi. La prima fase, indipendentemente da che molecola si parte (zuccheri, grassi, proteine) porta alla formazione di una molecola molto importante: l’acetil coenzima A: una molecola a due atomi di carbonio (acetile) coniugata ad un cofattore molto importante il coenzima A, Il coenzima A come potete vedere ha un gruppo SH (zolfo-idrogeno, chiamato gruppo tiolico), ed è proprio a questo gruppo SH che si coniuga l’acetile. Ora, noi nella glicolisi siamo arrivati al piruvato. Il piruvato rappresenta un bivio, se non c’è ossigeno viene ridotto ad acido lattico, se c’è ossigeno allora entra nel mitocondrio e viene ossidato ad acetile (perde quindi un atomo di carbonio sottoforma di CO2) e viene coniugato al coenzima A (Il tutto grazie ad un complesso multienzimatico chiamato Piruvato Deidrogenasi). L’acetil Coenzima A a questo punto entra nella seconda fase, sempre nel mitocondrio, il cosiddetto ciclo di Krebs, noto come Ciclo dell’Acido citrico o Ciclo degli acidi tricarbossilici. In questa via metabolica ossidativa, l’acetile viene ulteriormente ossidato a 2 molecole di CO2, con la produzione di 3NADH e 1 FADH2.
Partendo quindi da una molecola di glucosio (C6H12O6) otteniamo 2 molecole di piruvato (C3H4O3).Dal piruvato otteniamo 2 molecole di Acetil Coenzima A (un acetile è C2H4O2) perdendo in questo passaggio 2 molecole di C02. I due acetil Coenzima A vengono ulteriormente ossidati a 4CO2. Vengono ridotti 8NADH (2 nella glicolisi e 3 per ciascuno dei due acetil coenzima A) e 2FADH2.

La grande resa energetica di queste vie metaboliche è ottenuta proprio grazie agli elettroni sottratti al glucosio (in questo caso) e conservati nei cofattori ridotti NADH e FADH2. Questi elettroni sono i responsabili della sintesi di grandi quantità di ATP. Il problema è dove metterli? Che cosa si può ridurre con questi elettroni? Ma l’ossigeno naturalmente. L’ossigeno è l’accettore finale di tutti gli elettroni sottratti alle molecole ossidate per produrre energia. L’ossigeno si trova sottoforma di molecola biatomica O2. I cofattori ridotti vengono a loro volta ossidati da delle proteine presenti nei mitocondri (dove avviene sia il ciclo di Krebs che la riduzione dell’ossigeno, che la sintesi di ATP). Queste proteine formano una specie di catena, attraverso cui gli elettroni passano ordinatamente, per arrivare all’ossigeno. Durante il passaggio degli elettroni da una proteina all’altra, viene liberata dell’energia (eV) che viene utilizzata per creare un gradiente chimico di protoni (H+) tra un lato e l’altro della membrana mitocondriale (le proteine attraverso cui passano gli elettroni dei cofattori, sono inserite nella membrana interna del mitocondrio, e quando passano gli elettroni usano l’energia liberata da loro per creare una differenza di potenziale tra un capo e l’altro della membrana). Gli elettroni arrivano all’ossigeno riducendolo ad Acqua, e la differenza di potenziale a livello della membrana mitocondriale viene utilizzata per sintetizzare ATP a partire da ADP + P, grazie ad un enzima chiamato ATP sintasi.

O2 + 4e- + 4H+ -> 2H2O.

Vengono sintetizzati 3ATP per ogni NADH che si riossida, e 2 ATP per ogni FADH2 che si riossida. L’efficienza è del 42% circa.
L’equazione finale diventa quindi:

C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O

Abbiamo quindi visto come il flusso degli elettroni dal glucosio (o qualsiasi molecola) all’ossigeno è importantissima per produrre energia! Abbiamo anche capito perchè il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni si chiama respirazione cellulare, perchè consuma ossigeno e produce anidride carbonica, come durante la respirazione polmonare!
Alla prossima e mi raccomando usate i commenti! Spero vi sia piaciuto questo articolo!

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