Come il Calcio Induce il Rilascio di Neurotrasmettitore

Il calcio, uno ione al centro della vita cellulare

Il calcio svolge una funzione fondamentale in tutte le cellule. Modula la contrazione delle cellule muscolari e regola la trasmissione dello stimolo chimico a livello sinaptico nei neuroni. La sua particolarita’ sta nel fatto che, in condizioni di riposo, la concentrazione di calcio libero all’interno della cellula e’ mantenuta estremamente bassa, molto piu’ bassa che all’esterno.

Questa enorme differenza di concentrazione tra interno ed esterno della cellula trasforma il calcio in un segnale ideale. Basta aprire per un istante un varco nella membrana perche’ lo ione si precipiti all’interno, generando un’onda rapida e ben localizzata. E’ proprio questa rapidita’ a permettere al sistema nervoso di operare sulla scala dei millisecondi.

Dal potenziale d’azione all’ingresso del calcio

Quando i potenziali di azione raggiungono la terminazione dell’assone, mettono in moto una sequenza di eventi precisissima. La depolarizzazione della membrana provoca l’apertura dei canali del calcio voltaggio-dipendenti, proteine che fungono da porte selettive per questo ione. Attraverso questi canali il calcio entra nella terminazione sinaptica.

Il profilo spazio-temporale del calcio interno viene determinato dalla cinetica e dalla distribuzione dei canali calcio, che interagiscono con il calcio endogeno gia’ presente e con i sistemi di pompe distribuiti all’interno della terminazione. In altre parole, la forma e la durata dell’onda di calcio non sono casuali: dipendono da quanti canali si aprono, da dove sono collocati e da quanto rapidamente la cellula riesce poi a rimuovere lo ione.

Perche’ conta la posizione dei canali

La distanza tra i canali del calcio e il sito in cui avviene il rilascio e’ un dettaglio tutt’altro che secondario. Il calcio che entra forma microdomini di alta concentrazione che si esauriscono rapidamente nello spazio. Se i sensori del rilascio si trovano molto vicini ai canali, percepiscono un segnale intenso e rapido; se sono piu’ lontani, il segnale arriva attenuato e ritardato. Questa geometria contribuisce a regolare con precisione la tempistica della trasmissione.

Vescicole, esocitosi e liberazione del neurotrasmettitore

All’interno della terminazione sinaptica il neurotrasmettitore non e’ disciolto liberamente: e’ racchiuso in piccole sfere delimitate da membrana, le vescicole sinaptiche. Una parte di queste vescicole e’ gia’ ancorata alla membrana presinaptica, pronta a fondersi con essa al momento giusto.

L’onda di calcio libero risultante dall’ingresso dello ione agisce sugli attivatori del rilascio sinaptico, collocati strategicamente nelle vicinanze del sito di rilascio. Queste proteine sensibili al calcio fanno da innesco: quando legano lo ione cambiano forma e promuovono la fusione della vescicola con la membrana. La vescicola si apre verso l’esterno e riversa il neurotrasmettitore nello spazio sinaptico, in un processo chiamato esocitosi.

Una sequenza temporale governata dal calcio

Questa azione del calcio determina la sequenza temporale e la probabilita’ del rilascio del neurotrasmettitore. Non si tratta di un meccanismo tutto-o-nulla rigido: la quantita’ di calcio che entra influenza quante vescicole si fondono e con quale prontezza. Una maggiore concentrazione di calcio aumenta la probabilita’ di rilascio, mentre la sua rapida rimozione spegne il segnale e prepara la terminazione all’impulso successivo.

Una volta liberato, il neurotrasmettitore attraversa lo spazio sinaptico e si lega ai recettori della cellula bersaglio, trasmettendo cosi’ il messaggio. Intanto il calcio entrato viene pompato fuori o sequestrato in depositi interni, riportando la concentrazione ai livelli di riposo e chiudendo il ciclo.

Come il calcio viene rimosso e riportato a riposo

Tanto e’ importante far entrare il calcio al momento giusto, quanto lo e’ rimuoverlo subito dopo. Se la concentrazione interna restasse elevata a lungo, la terminazione continuerebbe a liberare neurotrasmettitore in modo incontrollato e non sarebbe pronta per l’impulso successivo. La cellula dispone quindi di sistemi efficienti per riportare lo ione ai livelli di riposo.

Alcune pompe espellono attivamente il calcio fuori dalla cellula, consumando energia; altri sistemi lo sequestrano in depositi interni, come il reticolo endoplasmatico, da cui potra’ essere rilasciato di nuovo in seguito. Esistono inoltre proteine che legano temporaneamente il calcio, tamponandone le variazioni. L’insieme di questi meccanismi scolpisce la forma dell’onda di calcio nel tempo, e con essa la precisione della trasmissione.

Plasticita’: quando la storia recente conta

Il calcio non controlla soltanto il singolo evento di rilascio, ma anche il modo in cui la sinapsi risponde a stimoli ripetuti. Se due impulsi arrivano molto ravvicinati, una parte del calcio del primo puo’ non essere ancora stata rimossa quando arriva il secondo: il calcio residuo si somma a quello nuovo e aumenta la probabilita’ di rilascio. Questo fenomeno, noto come facilitazione, e’ un esempio di come la sinapsi conservi una breve memoria della propria attivita’ recente.

Variazioni di questo tipo nella quantita’ e nella tempistica del calcio sono alla base di molte forme di plasticita’ a breve termine, attraverso le quali la forza della comunicazione tra neuroni cambia da un istante all’altro a seconda di come la sinapsi e’ stata sollecitata.

Perche’ tutto questo conta

Comprendere il ruolo del calcio nel rilascio del neurotrasmettitore non e’ un esercizio puramente teorico. Questo meccanismo e’ il punto in cui il segnale elettrico che percorre il neurone si trasforma in un messaggio chimico capace di raggiungere la cellula successiva. E’ qui che, di fatto, si realizza la comunicazione tra neuroni che sta alla base di ogni funzione del sistema nervoso, dalla percezione al movimento, dalla memoria al pensiero.

Proprio perche’ si tratta di uno snodo cosi’ delicato, e’ anche un punto in cui molte cose possono andare storte. Alterazioni dei canali del calcio o dei sensori che ne traducono il segnale sono studiate in relazione a diversi disturbi neurologici, e numerose sostanze, naturali o farmacologiche, agiscono proprio modulando questi passaggi. Conoscere in dettaglio come il calcio governa l’esocitosi delle vescicole significa quindi disporre di una chiave per capire sia il funzionamento normale del cervello sia cio’ che accade quando questo equilibrio si rompe.

Domande frequenti

Perche’ proprio il calcio e non un altro ione?

Il calcio e’ mantenuto a concentrazioni interne bassissime rispetto all’esterno, il che lo rende un segnale rapido e ben controllabile: basta una piccola apertura perche’ la concentrazione interna salga molto e in fretta. Inoltre esistono numerose proteine in grado di legarlo in modo specifico, il che permette di tradurre il suo ingresso in azioni precise come la fusione delle vescicole.

Che cosa sono le vescicole sinaptiche?

Sono piccole strutture delimitate da membrana che contengono il neurotrasmettitore all’interno della terminazione nervosa. Tenendo il neurotrasmettitore confezionato in pacchetti pronti all’uso, la cellula puo’ liberarlo in modo rapido e quantizzato quando arriva il segnale di calcio.

Che cos’e’ l’esocitosi?

E’ il processo con cui una vescicola si fonde con la membrana della cellula e riversa il proprio contenuto all’esterno. Nella sinapsi, l’esocitosi delle vescicole e’ il passaggio che libera il neurotrasmettitore nello spazio tra i due neuroni.

Cosa succede se la regolazione del calcio non funziona?

Un’alterazione dei canali del calcio o dei sensori che ne traducono il segnale puo’ modificare la quantita’ e la tempistica del rilascio di neurotrasmettitore, con ricadute sulla comunicazione tra neuroni. Per questo il controllo fine del calcio e’ considerato un punto cruciale nella fisiologia della sinapsi.