Синаптическая передача Лекция 2

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
2
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
3
ПД. Конвертация химического сигнала в электрический в постсинапсе.
Морфология: Четырехчастный синапс
1. Пресинаптическая
терминаль аксона –
специализированное
аксональное
расширение
2. Синаптическая щель
4. Астроцит
3. Постсинаптический
аппарат
постсинаптическое
уплотнение, шипик и т.д.
4
Пресинаптические механизмы
Лекция 2.1
Вариабельность синаптической квантовой амплитуды
Синаптическая квантовая теория – нейропередатчик
высвобождается дискретно, в виде квантов (порций)
Неодинаковая величина кванта благодаря неоднородному:
Объему
везикул?
Наполнению
везикул?
Высвобождению
передатчика?
Различному
Месту
высвобождения? числу везикул?
6
Два типа высвобождения нейропередатчика
1. “Kiss-and-run” (“поцеловал-и-убежал”) – частичное высвобождение
нейропередатчика при каждом потенциале действия
2. Полное слияние – полное высвобождение нейропередатчика
Предполагается что один тип высвобождения может переходить в другой при
различных условиях
концентрационные профили нейропередатчика в везикуле
7
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 индикаторы
Оптический метод, когда везикулы заполняются флуоресцентным
индикатором и наблюдается снижение их флуоресценции при
высвобождении нейропередатчика
8
Емкостной метод измерения высвобождения
нейропередатчика
Электрическая емкость мембраны определяется при измерении
константы затухания тока при сдвиге потенциала мембраны
9
Различные типы высвобождения нейропередатчика –
различная динамика изменения ёмкости
2s
•
•
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
10
Цикл синаптических везикул: кластеризация и докинг
Везикулы наполненные нейропередатчиком образуют кластер в
районе активной зоны
Докинг – расположение везикул непосредственно в активной зоне
11
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.
12
Цикл синаптических везикул: возвращение в
высвобождаемый пул
1.
Простое закрытие поры слияния и возвращение везикулы (kiss-and-run)
2.
Полное слияние (распрямление везикулы в плазматической мембране) с последующим
клатрин-опосредованным эндоцитозом, удалением клатриновой оболочки и возвращением
везикулы в высвобождаемый пул
3.
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
13
Этапы цикла синаптических везикул
После или во время рециркуляции везикула заполняется нейропередатчиком
Одиночная синаптическая везикула содержит ~5000 молекул
нейропередатчика.
Движущей силой служит градиент водорода
14
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.
15
Устройство синаптической везикулы
Первые открытые белки синаптической везикулы:
синапсин I, синаптофизин и синаптобревин (VAMP1)
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
16
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
17
SNARE и действие токсинов
Бутулотоксин и столбнячный токсин (тетеноспазмин) – протеазы
“разрезающие” белки SNARE комплекса
18
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.
19
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.
20
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
21
Чем заполнены везикулы
Нейропередатчики
(нейротрансмиттеры)
•
•
•
•
•
•
Ацетилхолин
Норадреналин
Серотонин
Дофамин
Глицин
g-аминомасляная
кислота (ГАМК)
• Глутамат
• Пептиды
• Оксид азота
Принцип Дейла
Один нейрон
высвобождает
только один
нейропередатчик
Показаны отступления
от этого принципа
(высвобождение
глицина и ГАМК,
ГАМК и глутамата и
т.д.)
Названия синапсов ГАМКергический, глутаматергический, глицинергический
и т.д. (но холинергический)
22
Схема ГАМКергической передачи
Обратный захват и инактивация ГАМК в глии
23
Схема гутаматергической передачи
24
Холинергическая передача
Инактивация ацетилхолина во внеклеточном пространстве
25
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
26
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
27
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
28
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
30
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
31
Постсинаптические механизмы
Лекция 2.3
Постсинаптическая часть
Шипик – постсинаптическая часть
глутаматного синапса
Постсинаптическая часть
различается в
зависимости от:
1. Типа пресинаптического
нейрона
(высвобождаемого
нейропередатчика)
2. Типа постсинаптического
нейрона (возбуждающий
или тормозный)
33
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
34
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)
35
Организация глутаматергического постсинапса
Различные белки связанные с постсинаптическими рецепторами
образуют постсинаптическое уплотнение
36
Постсинаптическое уплотнение
Фотография полученная с помощью электронного микроскопа
37
Микрофотографии симметричного и ассиметричного
синапсов
ГАМКергический симметричный
сидячий синапс
(отсутствует постсинаптическое
уплотнение)
Глутаматергический асимметричный
шипиковый синапс
38
Трехмерная реконструкция дендритных шипиков
39
Типы дендритных шипиков
Шипик имеет шейку и головку
На головке шипика расположена активная зона (место контакта с
пресинаптической терминалью)
40
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
41
Дендритная компартментализация нейрона
Компартмент – участок нейрона относительно изолированный
от других участков (химически, электрически)
•
•
•
•
Шипик
Кластер шипиков
Дендритная ветка
Дендритный регион
42
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)
44
Метаболическая функция астроцитов
•
•
•
•
Синтез глютамина
Поглощение аммония
Разложение гликогена до лактата
Поглощение свободных радикалов
45
Сигнальная функция астроцитов
•
•
•
кальциевые волны
контроль кровотока
высвобождение глиопередатчиков
46
Трофическая функция астроцитов
•
•
Высвобождение трофических факторов влияющих на рост нейронов,
формирование новых синапсов
Экспрессия притягивающих или отталкивающих молекул
направляющих аксон
47