PRZEGLĄD MECHANIZMÓW SYNAPTYCZNYCHNEUROFIZJOLOGIA – SEMINARIUM 1, 5/11/2014

Patrycja Góralczyk, Artur Nowakowski – Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

PLAN PREZENTACJI

2

PLAN PREZENTACJI

3

Przekaźnictwo synaptyczne

Przekaźnictwo chemiczne

Uwolnienie neuroprzekaźnika z pęcherzyka synaptycznego pod

wpływem potencjału czynnościowego

Potencjały rozprzestrzeniają się z dużą szybkością i bez zaburzeń,

dwukierunkowo

Przekaźnictwo elektryczne

Działa za pośrednictwem połączeń szczelinowych (parzyste

heksametryczne kanały jonowe zwane koneksonami)

PRZEKAŹNICTWO SYNAPTYCZNE

4

Receptory neuroprzekaźników

Jonotropowe (klasyczne) – ich integralną częścią są jonoselektywne kanały jonowe bramkowane ligandem

Szybkie przekaźnictwo = pobudzenie receptorów jonotropowych

Metabotropowe (neuromodulacja) –związane z białkiem G. Białko G wpływa

w sposób pośredni/ bezpośredni na przepuszczalność jonową błony.

Wolne przekaźnictwo synaptyczne = pobudzenie receptorów

metabotropowych

• Zjawisko kotransmisji• Usuwanie neuroprzekaźników synaptycznych

RECEPTORY NEUROPRZEKAŹNIKÓW

5

PLAN PREZENTACJI

6

Szybkie przekaźnictwo glutaminianergiczne:• Kwas glutaminowy jest podstawowym neuroprzekaźnikiem pobudzającym w układzie nerwowym

ssaków• Większość szlaków tworzących długie projekcje w OUN ma charakter glutaminianergiczny

Receptory AMPA/kainowe:• Odpowiadają za większość przekaźnictwa glutaminianergicznego• Kanały jonowe bramkowane ligandem

Postsynaptyczne potencjały pobudzające (EPSP):Cechy EPSP:• Wywołane pobudzeniem kilku synaps, rejestrowane z perykarionu• Występuje opóźnienie synaptyczne• Niewielka amplituda (od dziesiątych części mV do 8 mV)• W szybkim przekaźnictwie trwają od 10 do 20 ms, w wolnym przekaźnictwie mogą trwać kilka minut

SZYBKIE PRZEKAŹNICTWO SYNAPTYCZNE

7

Rejestracja prądów synaptycznych będących podstawą EPSP:• Polega na stymulacji synaps potencjałem zadanym o różnej wartości• Potencjał przy którym nie obserwuje się przepływu prądu nosi nazwę potencjału odwrócenia

+60 mV

+20 mV

0 mv

-20 mV

-60 mV

Potencjał zadany

8

Szybkie przekaźnictwo GABAergiczne:• GABA jest najważniejszym neuroprzekaźnikiem hamującym OUN• Większość interneuronów hamujących uwalnia GABA

Receptory GABAA:• Bramkowane ligandem• Ich aktywacja prowadzi do otwarcia kanału wybiórczego wobec jonów Cl-

Postsynaptyczne potencjały hamujące (IPSP):• Efekt pobudzenia który polega na niewielkiej hiperpolaryzacji oddala potencjał błony od progu

generacji potencjałów czynnościowych

SZYBKIE PRZEKAŹNICTWO SYNAPTYCZNE

9

Rejestracja prądów synaptycznych będących podstawą IPSP:• Potencjał odwrócenia dla prądu odpowiedzialnego za szybkie GABAergiczne IPSP wynosi ok. -70 mV.

Jest to wartość potencjału równowagi dla jonów Cl-

0 mV

-30 mV

-70 mV

-100 mV

-130 mV

Potencjał zadany

10

PLAN PREZENTACJI

11

Białko G:• Trimer składający się z podjednostek α, β, γ• Podjednostka α

• Zdolność wiązania nukleotydów guaninowych• Sprzęga receptory metabotropowe z kanałami jonowymi

lub enzymami wtórnych przekaźników• Po związaniu neuroprzekaźnika z receptorem

metabotropowym białko G:• Otwiera/ zamyka sprzężone kanały jonowe• Oddziałuje z enzymami włączającymi/ wyłączającymi

wtórne przekaźniki, które regulują kanały jonowe

Rodzaje białek G:• Różnią się z reguły podjednostką α:

• GS, Gi oddziałują z cyklazą adenylanową• GQ oddziałują z fosfolipazą C

12

Aktywacja cyklazy adenylanowej• Katalizuje reakcję przekształcenia ATP w cykliczny 3’,5’-adenozynomonofosforan (cAMP)

cAMP kinaza białkowa A fosforylacja białek kanałów z odpowiednią sekwencją aminokwasową otwarcie/ zamknięcie kanału

Mechanizmy znoszące działanie cAMP:• Hydroliza cAMP do AMP przez fosfodiestrazę• Defosforylacja białek przez fosfatazy• Odwrażliwienie receptora, który długotrwale

połączony jest z neuroprzekaźnikiem

Hamowanie cyklazy adenylanowej:• Niektóre receptory są ujemnie sprzężone z cyklazą

adenylanową• Wiążą białka GI hamujące aktywność enyzmu

13

Kaskada fosfoinozytolowa• Odpowiadają za nią receptory sprzężone z białkami GQ (aktywuje fosfolipazę C)

14

PLAN PREZENTACJI

15

UWALNIANIE PĘCHERZYKOWE

Sprzężenie pobudzeniowo – wydzielnicze:1. Potencjał czynnościowy dociera do zakończenia nerwowego2. Napływ jonów Ca2+ (krótkotrwały, lokalny)3. Egzocytoza pęcherzyków wydzielniczych4. Uwolnienie neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej5. Endocytoza błony pęcherzykowej6. Powstanie nowych pęcherzyków i napełnienie ich neuroprzekaźnikami

Pozapęcherzykowe uwalnianie neuroprzekaźnika:• Niezależne od Ca2+

• Np. GABA & kwas glutaminowy

16

KWANTOWY CHARAKTER UWALNIANIA NEUROPRZEKAŹNIKA

Kwant neuroprzekaźnika:• Zawartość pojedynczego pęcherzyka synaptycznego uwalniana do szczeliny synaptycznej• Ok. 4000 cząsteczek neuroprzekaźnika• Uwalnianie neuroprzekaźnika jest procesem przypadkowym

Miniaturowy potencjał postsynaptyczny/ płytki końcowej (MPSP/ MEPP):• W synapsach OUN/ płytki końcowej• W wyniku spontanicznego, przypadkowego uwolnienia pojedynczego kwantum neuroprzekaźnika• MPSP pobudzające/ hamujące

• W zależności od rodzaju neuroprzekaźnika• W wyniku ich sumowania powstaje potencjał postsynaptyczny

17

EGZOCYTOZA

Egzocytoza pęcherzyka synaptycznego:• Wymaga obecności Ca2+

1. Rekrutacja:1. Pęcherzyki związane z białkami cytoszkieletu znajdują się w puli rezerwowej pęcherzyków synaptycznych2. Zależna od Ca2+ fosforylacja synapsyny I 3. Odłączenie pęcherzyków synaptycznych4. Pula pęcherzyków, z której może zostać uwolniony neuroprzekaźnik

• Znajduje się w pobliżu strefy aktywnej• Uczestniczy w powtarzalnych cyklach egzocytozy i endocytozy przy niskiej częstotliwości aktywności

neuronu2. Dokowanie:

1. Związanie synaptobrewiny (v-SNARE) z syntaksyną (t-SNARE)• Syntaksyna jest związana z napięciowozależnym kanałem dla Ca2+ – optymalne umiejscowienie

pęcherzyka w stosunku do miejsca wystąpienia sygnału wapniowego18

19

EGZOCYTOZA

3. Aktywacja:• Dochodzi do częściowej fuzji błony pęcherzyka z błoną presynaptyczną• Z udziałem hydrolizy ATP

4. Gotowość pęcherzyków do uwolnienia zawartości:• Egzocytoza zachodzi pod wpływem silnego impulsu wapniowego, niezbędnego do zakończenia fuzji błon1. Utworzenie poru fuzyjnego2. Związanie synaptotagminy (v-SNARE) z Ca2+

3. Fuzja pęcherzyka z błoną presynaptyczną

20

ENDOCYTOZA

Endocytoza pęcherzyków synaptycznych:• Wymaga Ca2+

• Wzrost stężenia Ca2+ powoduje jednocześnie egzocytozę i endocytozę1. Okrycie fragmentu błony klatryną2. Odkształcenie i wpuklenie błony do wnętrza zakończenia nerwowego3. Dynamina wytwarza ’kołnierz’ wokół wpuklenia4. Rozkład związanego z dynaminą GTP5. Odszczepienie pęcherzyka

21

NAPEŁNIANIE

Napełnianie pęcherzyków synaptycznych:• Małe pęcherzyki są napełniane neuroprzekaźnikami w zakończeniach nerwowych

• Transport wtórny – energia powstaje z wypompowywania H+ na zewnątrz• Cząsteczki neuroprzekaźników peptydowych

1. Synteza na rybosomach w obrębie perykarionu2. RER3. AG4. Szybki transport aksonalny

22

PLAN PREZENTACJI

23

Kanały wapniowe są odpowiedzialne za:• Sprzężenie pobudzeniowo – wydzielnicze w neuronach• Potencjały czynnościowe w dendrytach• Sprzężenie elektromechaniczne w mięśniach

Typy kanałów wapniowych:• Typu L (HVA)

• Aktywacja przy silnej depolaryzacji błony (-20 mV)• Używa się wobec nich terapeutycznych środków farmakologicznych

– w chorobach sercowo – naczyniowych, udarze mózgu• ↓ pobudliwość neuronów

• Typu T (LVA)• Aktywacja przy niewielkiej depolaryzacji (-65 mV)• Dość szybka inaktywacja• Pozwalają na wytwarzanie serii potencjałów czynnościowych

NAPIĘCIOWOZALEŻNE KANAŁY WAPNIOWE

24

PLAN PREZENTACJI

25

INAKTYWACJA NEUROPRZEKAŹNIKA

Konieczność występowania inaktywacji:• Modulacja sygnałów przekazywanych przez synapsy zachodzi bardzo szybko• Umożliwia reakcję połączenia synaptycznego na gwałtowne zmiany częstotliwości generowania potencjałów

czynnościowych przez neuron presynaptyczny• Pozwala na szybką zmianę odpowiedzi komórki postsynaptycznej w odpowiedzi na zmieniający się sygnał

Sposoby inaktywacji neuroprzekaźnika:• Rozkład enzymatyczny

• Hydroliza acetylocholiny (Ach) przez acetylocholinesterazę (AChE)• Transport poza szczelinę synaptyczną do komórek nerwowych/ glejowych

• Dotyczy neuroprzekaźników klasycznych• Grupa kotransporterów Na+ /K+

• Grupa kotransporterów Na+ /Cl-

• Dyfuzja bierna poza synapsę• Dotyczy GABA, glutaminianu, neuroprzekaźników peptydowych 26

PLAN PREZENTACJI

27

AUTORECEPTORY

28

Funkcje autoreceptorów:• Reagują na neuroprzekaźnik uwalniany przez neuron, na którym się znajdują• Występują w obrębie zakończeń presynaptycznych, perykarionu, dendrytów• Regulują uwalnianie, syntezę neuroprzekaźnika oraz modulację częstotliwości generowania potencjałów

czynnościowych

Regulacja uwalniania neuroprzekaźnika:• Większość ↓ napływ jonów Ca2+ do wnętrza zakończenia nerwowego

• ↓ uwalnianie neuroprzekaźnika

Heteroreceptory:• Receptory presynaptyczne• Nie reagują na neuroprzekaźnik uwalniany przez neuron, na którym się znajdują• Regulują uwalnianie neuroprzekaźnika

BIBLIOGRAFIA

Konturek Fizjologia Człowieka, podręcznik dla studentów medycyny. Stanisław Konturek. Wydawnictwo Elsevier.Fizjologia człowieka, t. IV. Stanisław Konturek. Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego.Neurobiologia. Krótkie wykłady. A. Longstafff

29