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Calamaro

Photography by Elaine L. Bearer and Russell E. Jacobs at Marine Biological Laboratory, Woods HoleI calamari vengono impiegati dagli anni '30 per studiare le proprietà delle cellule nervose e hanno dato un grande contributo alla comprensione del sistema nervoso. L'assone gigante del calamaro rappresenta la cellula nervosa più grande che si conosca del regno animale. Può raggiungere fino a 1mm di diametro e quasi un metro di lunghezza. L'assone fa parte del sistema di propulsione del calamaro e si estende dal ganglio ai muscoli trasmettendo dei segnali che controllano e coordinano il movimento. La cavità del mantello del calamaro in generale è piena d'acqua di mare, ma la contrazione coordinata dei muscoli agendo da sistema di propulsione, fa sì che l'acqua venga espulsa mentre il calamaro riceve una spinta propulsiva che gli fa percorrere in acqua 10 m/s.

I calamari sono molluschi con sistema sensoriale e sistema nervoso altamente sviluppati, anche gli occhi e il cervello sono molto complessi. Nonostante esistano ovvie differenze fra i calamari e l'uomo, l'ipotesi che il sitema nervoso umano funzioni nello stesso modo in cui funziona nei calamari, ha favorito dei grandi passi avanti nella comprensione della neurofisiologia.

Il sistema nervoso del calamaro è stato studiato per la prima dallo zoologo John Zachary Young e dal fisiologo Kenneth Cole durante gli anni '30. All'epoca i segnali elettrici del sistema nervoso venivano studiati mediante l'impiego di rane o granchi, ma gli assioni giganti del calamaro del Nord Atlantico Loligo pealeii, hanno un diametro 50 volte maggiore di quello dei granchi comuni e 1.000 volte maggiore di quello degli assoni umani. Queste dimensioni permettono di posizionare all'interno dell'assone degli elettrodi ed effettuare delle registrazioni all'interno e all'esterno della cellula contemporaneamente, misurando i cambiamenti a livello di flusso in tutta la membrana della cellula quando il nervo viene stimolato.

Questo lavoro ha ispirato i famosi esperimenti di Hodgkin e Huxley sugli assoni giganti del Loligo pealeii presso il Laboratorio marino di Plymouth nel Regno Unito. I due scienziati hanno dimostrato che il movimento delle cariche ioniche nella membrana di una cellula, produce un segnale elettrico che viaggia attraverso le fibre nervose. I due scienziati sono stati vincitori del Premio Nobel per questo lavoro che nel 1963 gettò le basi della neurofisiologia moderna.

Possono passare degli anni prima di riuscire a pescare questo calamaro che non può essere tenuto o allevato in cattività e raramente si avvicina alla riva. Dal 1962, anno dell'apertura del Laboratorio di fisiologia cellulare a Montemar in Cile, gli elettrofisiologi hanno studiato anche il calamaro Humboldt, ovvero il Dosidicus gigas, una delle specie più grandi al mondo e il doppio del calamaro del Nord Atlantico. Benchè l'invenzione della tecnica 'patch clamp' abbia permesso agli elettrofisiologi di lavorare sui mammiferi, il calamaro rimane il miglior modello per molti studi del sistema nervoso.

Meccanismi di trasporto dei neuroni

Il trasporto delle molecole dal corpo cellulare di un neurone all'assone è di cruciale importanza per la funzione e la sopravvivenza della cellula. La ricerca su come avviene il trasporto negli assoni del Loligo pealeii ha dimostrato che il materiale biologico viene caricato e spedito nella regione bersaglio da un unico peptide. Questo peptide fa parte della proteina precursore dell'amiloide, che si ritiene giochi un ruolo nel morbo di Alzheimer.

La proteina precursore dell'amiloide (amyloid precursor protein, APP) è una componente delle placche che si formano nel cervello in presenza del morbo di Alzheimer. Le mutazioni che avvengono a livello di questa proteina, è risaputo, causano il morbo di Alzheimer ad esordio precoce, ma del suo ruolo nelle cellule sane si sapeva relativamente poco. Per testare il ruolo dell'APP nel trasporto negli assoni, Elaine Bearer alla Brown University ha rivestito alcuni microgranuli fluorescenti di peptidi diversi che formano APP e li ha iniettati nell'assone gigante di un calamaro.

Il grande assone del calamaro consente ai ricercatori di vedere i componenti cellulari in movimento, il materiale all'interno dell'assone può essere manipolato, mentre restano intatti ed operativi i processi coinvolti nel trasporto. Dopo aver sperimentato sette peptidi differenti, uno: L'APP-C, ha mandato nella parte inferiore dell'assone i granuli verso la sinapsi. L'APP-C nel calamaro è quasi identica al peptide equivalente nei vermi, nei moscerini della frutta e nell'uomo, perciò è probabile che giochi un ruolo simile nel trasporto dei neuroni negli animali.

L'APP-C potrebbe essere usata come estremità per trasportare i farmaci nelle sinapsi, oppure negli studi diagnostici per valutare quanto trasporto è stato interrotto nella demenza, e ancora può essere un farmaco a bersaglio nel morbo di Alzheimer, in quello di Huntingdon e altri morbi dove risulta compromessa la trasmissione dei segnali elettrochimici dei nervi.

Struttura della rodopsina del calamaro

I calamari hanno una vista eccellente che sfruttano per catturare la preda. La rodopsina è una proteina presente  nella membrana delle cellule dei fotorecettori che si trovano sulla retina e cha hanno la funzione di rispondere alla luce . La retina del calamaro ha molte caratteristiche in comune con l'occhio dell'uomo e altri mammiferi. Quando la luce colpisce le cellule dei fotorecettori, la rodopsina cambia forma diventando capace di attivare una proteina G, innescando cambiamenti biochimici all'interno della cellula.

La struttura di questa proteina messaggero e i cambiamenti biochimici che essa innesca nel calamaro, sono diversi da quelli osservati nei vertebrati. La proteina che viene attivata è simile alle proteine impiegate come messaggeri biochimici da molti ormoni e neurotrasmettitori nell'uomo. Questo tipo di proteina è bersaglio di molti farmaci, come gli antistaminici, ma la loro struttura precisa non è mai stata chiara prima d'ora.

La struttura cristallina della rodopsina del calamaro mostra nel dettaglio come la proteina sia in grado di cambiare forma, le sue similarità e differenze dalla rodopsina dei vertebrati che sono stati studiati. La struttura mostra come la rodopsina assorbe la luce e la quantità massima che può assorbire. La struttura potrà essere altresì utile per disegnare quei farmaci che colpiscono questo tipo di recettore.

Questa ricerca risulterà particolarmente utile ai ricercatori che studiano la malanopsina umana, un'altro fotorecettore che regola l'orologio biologico nell'uomo e il riflesso nelle pupille umane. La melanopsina è più strettamente correlata alla rodopsina del calamaro che alla rodopsina dei vertebrati presente nell'uomo.


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