Синаптическая передача

Синаптическая передача Лекция 2

Потенциалы и токи Потенциал действия состоит из 2 фаз • Фаза подъема потенциала • открытие потенциал-зависимых Na+ каналов • входящий Na+ ток • Фаза падения потенциала • открытие потенциал-зависимых К+ каналов • выходящий К+ ток Суммарный ток – ток действия Ионные токи можно сопоставить любым изменениям потенциала мембраны: Постсинаптический потенциал – постсинаптический ток

Основной принцип синаптической передачи Приход потенциала действия в аксональную терминаль Вход кальция и высвобождение химического передатчика Открытие лиганд-зависимых ионных каналов (рецепторов) Везикулярное высвобождение нейропередатчика в ответ на пресинаптический ПД. Конвертация химического сигнала в электрический в постсинапсе.

Морфология: Четырехчастный синапс

Пресинаптические механизмы Лекция 2.1

Вариабельность синаптической квантовой амплитуды Синаптическая квантовая теория – нейропередатчик высвобождается дискретно, в виде квантов (порций) Неодинаковая величина кванта благодаря неоднородному: Различному числу везикул? Объему везикул? Наполнению везикул? Высвобождениюпередатчика? Месту высвобождения?

Два типа высвобождения нейропередатчика • “Kiss-and-run” (“поцеловал-и-убежал”) – частичное высвобождение нейропередатчика при каждом потенциале действия • Полное слияние – полное высвобождение нейропередатчика Предполагается что один тип высвобождения может переходить в другой при различных условиях концентрационные профили нейропередатчика в везикуле

Методы измерения везикулярного высвобождения нейропередатчика • Емкостной метод Электрическая емкость мембраны определяется ее поверхностью, которая увеличивается при слиянии везикулы • Амперометрия Окисление высвободившегося нейропередатчика на угольном электроде приводит к генерации электрического тока • FM флуоресцентные индикаторыОптический метод, когда везикулы заполняются флуоресцентным индикатором и наблюдается снижение их флуоресценции при высвобождении нейропередатчика

Емкостной метод измерения высвобождения нейропередатчика Электрическая емкость мембраны определяется при измерении константы затухания тока при сдвиге потенциала мембраны

Различные типы высвобождения нейропередатчика – различная динамика изменения ёмкости 2 s • Когда нейропередатчик высвобождается повышается емкость мембраны, затем везикула снова возвращается с цикл, а емкость возвращается к исходному уровню • Если высвобождение идет по принципу kiss-and-run то наблюдаются кратковременные повышения емкости

Цикл синаптических везикул: кластеризация и докинг Везикулы наполненные нейропередатчиком образуют кластер в районе активной зоны Докинг – расположение везикул непосредственно в активной зоне

Цикл синаптических везикул: прайминг и пора слияния Прайминг – подготовка везикул к высвобождению. Повышение Ca2+ в результате прихода потенциала действия приводит к открытию поры слияния (fusion pore)между такими везикулами и плазматической мембраной. Нейропередатчик покидает везикулу через эту пору.

Цикл синаптических везикул: возвращение в высвобождаемый пул • Простое закрытие поры слияния и возвращение везикулы (kiss-and-run) • Полное слияние (распрямление везикулы в плазматической мембране) с последующим клатрин-опосредованным эндоцитозом, удалением клатриновой оболочки и возвращением везикулы в высвобождаемый пул • Полное слияние и рециркуляция так же как и во втором пути, только после эндоцитоза везикула сливается с эндосомой и зрелые везикулы формируются отпочковываясь от эндосомы

Этапы цикла синаптических везикул После или во время рециркуляции везикула заполняется нейропередатчиком Одиночная синаптическая везикула содержит ~5000 молекул нейропередатчика. Движущей силой служит градиент водорода

Синаптическая везикула • Синаптические везикулы имеют одинаковые размеры (40-50 нм) • Квантовая синаптическая передача соответствует высвобождению одной везикулы • Квантовое высвобождение приводит к небольшому постсинаптическому сигналу (миниатюрному ВПСП/Т или ТПСП/Т) • Спонтанное квантовое высвобождение происходит не часто, но синхронизуется и ускоряется при приходе ПД в пресинаптическую терминаль.

Устройство синаптической везикулы Синапсин связывает везикулу с актиновым цитоскелетом Протонный насос окисляет просвет везикулы и создает градиент для загрузки нейропередатчика Синаптотагмин связывается с кальцием и фосфолипидами Синаптобревин связывает синтаксин Функции SV2 и синаптофизина не известны Первые открытые белки синаптической везикулы: синапсин I, синаптофизин и синаптобревин (VAMP1)

SNARE • SNARE – главный компонент механизма слияния синаптической везикулы с мембраной. • Состоит из 3 синаптических белков: • Синаптобревина • Синтаксина • SNAP-25 (белок пресинаптической плазматической мембраны) • Белки формируют крайне стабильный комплекс (выделяется из мозга при высокоденатурирующих условиях) • SNARE связывает синаптическую везикулу с пресинаптической мембраной

SNARE и действие токсинов Бутулотоксин и столбнячный токсин (тетеноспазмин) – протеазы “разрезающие” белки SNARE комплекса

Высвобождение везикул: кальциевая гипотеза • Высвобождение нейропередатчика зависит от Ca2+ • Происходит очень быстро: 100 – 200 микросекунд между потенциалом действия и высвобождением нейропередатчика указывает на то, что везикулы уже готовы к высвобождению • Считается, что существует 2-20 синаптических везикул в каждом синапсе, которые готовы к высвобождению (после докинга и прайминга) • Каждая готовая к высвобождению везикула располагаются рядом с местом вход кальция (потенциал-управляемым кальциевым каналом, обычно N типа или P/Q типа) • Энергия АТФ не расходуется для высвобождения везикул, а запасается в конформации “белкового комплекса слияния”, который ожидает кальциевого сигнала для формирования поры слияния.

Микродомены повышения Ca2+запускают экзоцитоз Микродомены с высокой концентрацией Ca2+(свыше 100 mМ) формируются рядом к Ca2+каналами • (А) Модель кальциевой динамики в терминали (разрез). Концентрация Ca2+повышается до 800 mМ рядом с каналом, но уже в 50 нм опускается ниже 100 mМ • (B) В активной зоне потенциал действия открывает лишь часть каналов, вокруг которых возникают микродомены высокого Ca2+. Синаптические везикулы после докинга и прайминга сливаются с мембраной, если находятся рядом с таким доменом. • (C) Через несколько миллисекунд после потенциала действия: каналы закрываются, микродомены исчезают. Средняя концентрация Ca2+немного выше чем до ПД. Она нормализуется через несколько сотен миллисекунд если не придет новый потенциал действия.

Регуляция поры слияния • Вероятность формирования поры слияния регулируется • Внутриклеточным Ca2+ • Форболовый эфир • Время открытия поры слияния регулируется • Синаптотагмином I/IV • Динамином • Сдвиг режимов полный экзоцитоз в“kiss-and-run” • Высокий внутриклеточный Ca2+ • Стауроспорин (ингибитор протеинкиназ) • Форболовый эфир • Munc-13

Чем заполнены везикулы Принцип Дейла Один нейрон высвобождает только один нейропередатчик Показаны отступления от этого принципа(высвобождение глицина и ГАМК, ГАМК и глутамата и т.д.) Нейропередатчики(нейротрансмиттеры) • Ацетилхолин • Норадреналин • Серотонин • Дофамин • Глицин • g-аминомасляная кислота (ГАМК) • Глутамат • Пептиды • Оксид азота Названия синапсов ГАМКергический, глутаматергический, глицинергическийи т.д. (но холинергический)

Схема ГАМКергической передачи Обратный захват и инактивация ГАМК в глии

Схема гутаматергической передачи

Холинергическая передача Инактивация ацетилхолина во внеклеточном пространстве

Кратковременная пресинаптическая пластичность • Изменение пресинаптической концентрации кальция (например, накопление пресинаптического кальция при повторной активации терминали) • Изменение числа готовых к высвобождению везикул (например, в результате высокочастотной активации синапса – расходуется пул везикул готовых к высвобождению) Ведет к изменению амплитуды постсинаптических ответов

Постсинаптические потенциалы Постсинаптические потенциалы Возникают в ответ на синаптическое высвобождение нейропередатчика. Их амплитуда определяется набором факторов, в том числе колличеством высвободившегося нейропередатчика. Следствие: изменение вероятности высвобождения нейропередатчика можно определить по изменению амплитуды постсинаптического потенциала

Парная фассилитация и депрессия • Фасилитация если при парной стимуляции нерва: увеличение ответа на последующий стимул • Депрессия если при парной стимуляции нерва ответ на последующий стимул становится меньше • Являются характеристикой синапса • Обладают свойством аккумуляции • Синапс может обладать либо фасилитацией, либо депрессией на текущий момент времени

Синаптическая щель Лекция 2.2

Синаптическая щель Начальная концентрация нейропередатчика • Объем высвобожденного нейропередатчика • Величина синаптической щели Динамика нейропередатчика в синаптической щели • Простая диффузия незаряженных нейропередатчиков • Электродиффузия заряженных нейропередатчиков • Обратный захват нейропередатчиков

Электродиффузия в синаптической щели Упрощенная электрическая модель синапса: Тонкие стрелки показывают течение постсинаптического тока Isyn Толстые стрелки показывают направление соответствующего электрического поля E Леонид Савченко с соавторами, 2004 Заряженные нейропередатчики будут либо затягиваться, либо выталкиваться из синаптической щели

Постсинаптические механизмы Лекция 2.3

Постсинаптическая часть Шипик – постсинаптическая частьглутаматного синапса • Постсинаптическая часть различается в зависимости от: • Типа пресинаптического нейрона (высвобождаемого нейропередатчика) • Типа постсинаптического нейрона (возбуждающий или тормозный)

Классификация постсинапса • По наличию или отсутствию шипика – синапсы шипиковые и сидячие • По наличию или отсутствию постсинаптического уплотнения – симметричные и асимметричные синапсы Глутаматергические синапсы всегда асимметричные, но могут быть шипиковыми и сидячими ГАМКергические синапсы симметричные и всегда сидячие

Глутаматергический синапс • Самый распространенный и гетерогенный синапс (разные типы шипиков) в ЦНС • Содержит в различной пропорции NMDA, AMPA, каинатные и mGluR рецепторы • Показано субсинаптическое группирование рецепторов глутамата (NMDA и AMPA рецепторы в постсинаптическом уплотнении, mGluRs в перисинаптической зоне)

Организация глутаматергического постсинапса Различные белки связанные с постсинаптическими рецепторами образуют постсинаптическое уплотнение

Постсинаптическое уплотнение Фотография полученная с помощью электронного микроскопа

Микрофотографии симметричного и ассиметричного синапсов ГАМКергический симметричныйсидячий синапс(отсутствует постсинаптическоеуплотнение) Глутаматергический асимметричныйшипиковый синапс

Трехмерная реконструкция дендритных шипиков

Типы дендритных шипиков Шипик имеет шейку и головку На головке шипика расположена активная зона (место контакта спресинаптической терминалью)

Свойства дендритных шипиков • Могут изменять свою геометрию (ширину, длину шейки, диаметр головки)это приводит к изменению электрических свойств и диффузии между головкой шипика и дендритом • Могут исчезать и делиться. Процесс связывают с синаптогенезом, который ярко выражен на ранних стадиях развития • Могут поворачиваться в пространстве.Это ведет к изменению синаптической щели и ориентации активной зоны в пространстве

Дендритная компартментализация нейрона Компартмент – участок нейрона относительно изолированный от других участков (химически, электрически) • Шипик • Кластер шипиков • Дендритная ветка • Дендритный регион

Астроцит Лекция 2.4

Гомеостатическая функция астроцитов • Захват К+ и его перераспределение (пространственная буферизация К+) • Захват нейропередатчиков (транспортеры) • Удаление воды возникающей при окислении глюкозы (аквапорины – водоселективные ионные каналы)

Метаболическая функция астроцитов • Синтез глютамина • Поглощение аммония • Разложение гликогена до лактата • Поглощение свободных радикалов

Сигнальная функция астроцитов • кальциевые волны • контроль кровотока • высвобождение глиопередатчиков

Трофическая функция астроцитов • Высвобождение трофических факторов влияющих на рост нейронов, формирование новых синапсов • Экспрессия притягивающих или отталкивающих молекул направляющих аксон

Синаптическая передача

Синаптическая передача

Presentation Transcript