Sistema nervoso ed endocrino: neuroni, sinapsi e ormoni

In quarta, al liceo classico come in altri licei, scienze arriva ad apparati e fisiologia fra novembre e dicembre: dopo cellula e tessuti, il corpo umano visto “in funzione”. Il sistema nervoso e quello endocrino sono quasi sempre insieme, e il compito cade di solito fra sei e otto settimane da ora. Se in classe state ancora sulla cellula, è il momento giusto per prepararsi: questo capitolo è fatto di meccanismi in sequenza, e le sequenze si imparano meglio con calma che a ridosso della verifica.

Il post segue l’ordine con cui il professore lo spiega: il neurone, l’impulso, la sinapsi, l’organizzazione del sistema nervoso, poi le ghiandole e gli ormoni, e infine il confronto fra i due sistemi, che è la domanda più frequente. Per il resto dell’anno, circolatorio e respiratorio e membrana e trasporti sono i collegamenti più utili: i potenziali elettrici nascono proprio dal passaggio di ioni attraverso la membrana.

Il neurone: la cellula che trasmette

Un neurone ha tre parti da saper indicare:

• corpo cellulare (soma): contiene il nucleo e gli organuli;
• dendriti: ramificazioni corte che ricevono i segnali;
• assone: prolungamento lungo che porta l’impulso lontano dal corpo cellulare, ai terminali.

Molti assoni sono avvolti dalla guaina mielinica, prodotta da cellule gliali (oligodendrociti nel sistema nervoso centrale, cellule di Schwann in quello periferico). La mielina è isolante e non è continua: fra un tratto e l’altro restano i nodi di Ranvier, dove l’impulso “salta”. La conduzione saltatoria è più veloce di quella lungo un assone nudo.

Per tipo funzionale i neuroni sono sensitivi (portano le informazioni dagli organi di senso al centro), motori (dal centro ai muscoli e alle ghiandole) e interneuroni (collegano gli altri all’interno del sistema nervoso centrale).

Il potenziale di riposo

Un neurone a riposo non è “spento”: fra interno ed esterno della membrana c’è una differenza di potenziale di circa $-70$ mV (l’interno è negativo). Dipende da tre fatti:

1. la pompa sodio-potassio porta fuori 3 ioni $N{a}^{+}$ e dentro 2 ioni $K^{+}$ per ogni molecola di ATP, mantenendo $N{a}^{+}$ più concentrato fuori e $K^{+}$ più concentrato dentro;
2. a riposo la membrana è molto più permeabile al $K^{+}$ che al $N{a}^{+}$: il $K^{+}$ esce a favore di gradiente e lascia l’interno più negativo;
3. dentro la cellula ci sono grandi anioni (proteine) che non escono.

Chi domanda “perché la pompa non basta a spiegare tutto” sta cercando il punto 2. La pompa costruisce i gradienti, il potenziale di riposo dipende soprattutto dalla permeabilità della membrana al potassio.

Il potenziale d’azione, fase per fase

Quando uno stimolo porta il potenziale oltre la soglia (circa $-55$ mV), si apre una catena di eventi in sequenza che non puoi saltare:

1. Depolarizzazione: si aprono i canali del $N{a}^{+}$ voltaggio-dipendenti, il $N{a}^{+}$ entra e l’interno diventa positivo (fino a circa $+30$ mV);
2. Ripolarizzazione: i canali del $N{a}^{+}$ si chiudono e si aprono quelli del $K^{+}$: il $K^{+}$ esce e il potenziale torna verso valori negativi;
3. Iperpolarizzazione: per un breve tratto il potenziale scende sotto il valore di riposo, perché i canali del $K^{+}$ sono ancora aperti;
4. Ritorno al riposo: grazie ai canali di perdita e alla pompa.

Due proprietà vanno scritte nelle risposte aperte. Il potenziale d’azione è tutto o niente: sotto soglia non parte, sopra soglia ha sempre la stessa ampiezza, e uno stimolo più forte produce più impulsi, non impulsi più grandi. E c’è un periodo refrattario, in cui i canali del $N{a}^{+}$ non possono riaprirsi: per questo l’impulso viaggia in una sola direzione, dal corpo cellulare ai terminali.

Errore tipico. Dire che la depolarizzazione è “l’uscita di potassio”. È l’entrata di sodio. Il potassio esce nella fase successiva.

La sinapsi: da un neurone al successivo

Il potenziale d’azione arriva al terminale dell’assone, ma non passa direttamente al neurone successivo: nella sinapsi chimica c’è un piccolo spazio, la fessura sinaptica. La sequenza:

1. il potenziale d’azione apre canali del $C{a}^{2+}$ nel terminale; il calcio entra;
2. le vescicole con il neurotrasmettitore si fondono con la membrana ed espellono il contenuto per esocitosi;
3. il neurotrasmettitore diffonde nella fessura e si lega a recettori sulla membrana del neurone seguente (postsinaptico);
4. si aprono canali ionici e il neurone seguente si depolarizza (sinapsi eccitatoria) o si iperpolarizza (inibitoria);
5. il neurotrasmettitore viene rimosso, degradato da un enzima o ricaptato, e il segnale si interrompe.

Esempi di neurotrasmettitori da conoscere: acetilcolina (tra neurone motore e muscolo e in molte vie del sistema nervoso autonomo), dopamina, serotonina, GABA. Il punto concettuale è che la trasmissione è elettrica lungo il neurone e chimica fra due neuroni, ed è unidirezionale perché solo il terminale presinaptico ha le vescicole e solo la membrana postsinaptica ha i recettori. Molti farmaci e molte sostanze agiscono proprio sulla sinapsi.

Come è organizzato il sistema nervoso

• Sistema nervoso centrale (SNC): encefalo e midollo spinale.
• Sistema nervoso periferico (SNP): nervi e gangli fuori dal SNC. Si divide in somatico (controlla i muscoli scheletrici, in gran parte volontario) e autonomo (controlla muscolatura liscia, cuore, ghiandole, in gran parte involontario).
• Il sistema autonomo ha due branche che agiscono in genere in modo opposto sugli stessi organi: il simpatico prepara a reagire (“combatti o fuggi”: accelera il battito, dilata le pupille), il parasimpatico favorisce riposo e digestione (rallenta il battito, stimola la digestione).

L’arco riflesso è lo schema da avere pronto: recettore, neurone sensitivo, centro nervoso (spesso il midollo), neurone motore, effettore (muscolo o ghiandola). Nei riflessi spinali semplici l’informazione non passa dal cervello prima di far reagire.

Il sistema endocrino: messaggeri nel sangue

Il sistema endocrino è fatto di ghiandole endocrine che riversano i loro prodotti, gli ormoni, direttamente nel sangue (diverse dalle esocrine, che usano dotti: sudore, saliva). Un ormone viaggia ovunque ma agisce solo sulle cellule bersaglio, cioè quelle che hanno il suo recettore specifico.

Due famiglie, per il loro modo di agire:

• ormoni peptidici e amminici (insulina, adrenalina): solubili in acqua, non attraversano la membrana, si legano a recettori sulla superficie della cellula e innescano una cascata di segnali interni;
• ormoni steroidei e tiroidei (cortisolo, estrogeni, testosterone, ormoni tiroidei): liposolubili o capaci di attraversare la membrana, si legano a recettori dentro la cellula e modificano l’espressione dei geni.

Le ghiandole principali: ipotalamo e ipofisi (centro di controllo), tiroide, paratiroidi, pancreas endocrino, surreni, gonadi. L’ipotalamo, parte del sistema nervoso, comanda l’ipofisi: il punto in cui i due sistemi si incontrano.

Il feedback negativo: l’idea che regge il capitolo

La maggior parte degli ormoni è regolata da retroazione negativa: l’effetto dell’ormone riduce lo stimolo che lo ha prodotto, e il sistema ritorna intorno a un valore di equilibrio.

Glicemia. Dopo un pasto la glicemia sale: le cellule beta del pancreas rilasciano insulina, che fa entrare il glucosio nelle cellule e lo fa immagazzinare come glicogeno; la glicemia scende. Se la glicemia scende troppo, le cellule alfa rilasciano glucagone, che stimola il fegato a rilasciare glucosio; la glicemia risale. Insulina e glucagone sono antagonisti.

Tiroide. L’ipotalamo produce TRH, che stimola l’ipofisi a rilasciare TSH, che stimola la tiroide a produrre ormoni tiroidei ($T_3$ e $T_4$). Quando questi aumentano, frenano ipotalamo e ipofisi e la produzione cala.

Una mnemonica onesta: la retroazione negativa è il termostato di casa. Se la temperatura sale oltre il valore impostato, il riscaldamento si ferma; non c’entra “negativo” nel senso di male.

Nervoso ed endocrino: la tabella del confronto

Le due cose si intrecciano: l’adrenalina è un ormone prodotto dal surrene, ma il surrene viene attivato dal sistema nervoso simpatico.

Tre esercizi svolti

Esercizio 1: nervoso o endocrino?

Per ciascuna situazione indica quale sistema agisce in prima battuta e perché: (a) ritrai la mano da una pentola bollente; (b) dopo un pasto la glicemia torna normale in un paio d’ore; (c) in un esame di fronte a una domanda il cuore accelera in pochi secondi.

(a) Nervoso, con un arco riflesso: la risposta in frazioni di secondo richiede la trasmissione elettrica e chimica lungo neuroni. (b) Endocrino: insulina nel sangue, effetto che dura ore, su molte cellule. (c) Nervoso (simpatico) in prima battuta; l’adrenalina del surrene, rilasciata dopo, rinforza e prolunga l’effetto. Se il professore chiede una sola risposta, quella giusta è il sistema nervoso autonomo.

Se vuoi provare a ragionare su altri casi di questo tipo, nelle simulazioni di verifica per il liceo c’è un banco di domande a risposta chiusa: la risposta corretta è gratis, la soluzione guidata si sblocca con la prima lezione.

Esercizio 2: il potenziale d’azione

Un neurone ha potenziale di riposo $-70$ mV e soglia $-55$ mV. Uno stimolo lo porta a $-62$ mV; un secondo stimolo lo porta a $-50$ mV. Che cosa succede nei due casi? Quale ione determina la salita del potenziale nel secondo caso?

Nel primo caso il potenziale non raggiunge la soglia: i canali del $N{a}^{+}$ voltaggio-dipendenti non si aprono in modo esteso, quindi non parte un potenziale d’azione; il neurone torna al riposo. Nel secondo caso la soglia è superata: si innesca il potenziale d’azione, con la stessa ampiezza che avrebbe con uno stimolo ancora più forte (tutto o niente). La salita del potenziale è dovuta all’entrata di $N{a}^{+}$; la discesa successiva all’uscita di $K^{+}$.

Esercizio 3: un feedback che si inceppa

In un paziente la tiroide produce troppo poco ormone tiroideo. Che cosa ti aspetti per i livelli di TSH, se l’asse ipotalamo-ipofisi funziona normalmente? Perché?

Con pochi ormoni tiroidei in circolo manca l’effetto frenante della retroazione negativa su ipotalamo e ipofisi. L’ipofisi continua quindi a produrre TSH, e il suo livello nel sangue sale. È il modo in cui un esame del sangue distingue un problema della tiroide da uno dell’ipofisi: se la tiroide non risponde, il TSH è alto; se è l’ipofisi a non produrlo, sarebbe basso. Occhio alla formulazione dell’esercizio: la risposta cambia se dici “tiroide che non funziona” oppure “ipofisi che non funziona”.

Gli errori che ricorrono

• Confondere pompa e canali. La pompa sodio-potassio usa ATP e crea i gradienti, i canali permettono il passaggio a favore di gradiente.
• Scrivere che un neurone “si carica” di più con uno stimolo più forte. L’ampiezza è fissa; cambia la frequenza.
• Dire che l’impulso “salta” la sinapsi. Si trasforma in segnale chimico e poi di nuovo elettrico.
• Presentare il sistema endocrino come “lento e quindi meno importante”. La differenza è di durata e di raggio d’azione, non di importanza.
• Confondere insulina e glucagone.

Come arrivarci preparato

Disegna a mano, una volta, il grafico del potenziale d’azione con le quattro fasi e gli ioni accanto a ciascuna: è la cosa che il professore chiede più spesso e che a memoria si sbaglia. Poi ricostruisci i due feedback (glicemia, tiroide) a cerchio, senza guardare. Il quadro dell’anno è in scienze. Se il programma vi porta verso medicina e hai in mente di prepararla, vedi anche come studiare biologia per il semestre filtro.

Se vuoi una mano a organizzarti, dalla pagina dei contatti puoi chiedere la diagnosi gratuita: capisco da dove partire e come distribuire le settimane che hai.