Лекция 5 Синаптическая передача Проведение возбуждения в нервной

Лекция 5. Синаптическая передача. ·Проведение возбуждения в нервной системе осуществляется через контакты между клетками синапсы. ·Существует два основных вида контактов электрические и химические ·Изучение механизмов синаптической передачи необходимо для понимания того, как нервная система осуществляет свои основные функции, а также для исследования механизмов действия лекарств и причин неврологических и психических нарушений

Синаптическая передача с помощью химических агентов (нейропередатчиков) - химические синапсы. Особенности химической передачи: ·широкая синаптическая щель ·специализация пре- и постсинаптических структур ·в постсинаптической клетке происходит преобразование межклеточного химического сигнала во внутриклеточный электрический и возникает постсинаптический потенциал ·химическая передача осуществляется в одну сторону ·она более медленная, чем в электрическая ·подвержена долговременным изменениям, модуляции и адаптации ·основной тип синаптической передачи в нервной системе позвоночных и человека

История развития представлений о химической синаптической передаче. J. Langley (1900). Электрическая стимуляция вегетативных нервов вызывает изменения в деятельности сердца повышение частоты пульса и артериального давления. Такие же изменения вызывает инъекция экстрактов надпочечников T. Elliot (1905). Объяснил сходство этих процессов тем, что при электрической стимуляции вегетативного нерва выделяется химической вещество, которое в свою очередь действует на эффекторы. Реакция клетки-эффектора на действие вещества может быть различной - она может усиливать свою активность (возбуждаться), а может - снижать (тормозиться), т. е. в клетке - мишени должны существовать рецепторы - воспринимающие структуры, которые могут по разному реагировать на действие химического вещества O. Loewi (1921). Выделил химическое вещество, с помощью которого блуждающий нерв тормозит деятельность сердца ацетилхолин. H. Dale и сотр. (1930) доказали, что это вещество является нейропередатчиком в вегетативной нервной системе и нервно-мышечном соединении.

Нервно-мышечный синапс - концевая пластинка Одна из основных экспериментальных моделей для изучения химической синаптической передачи.

Нервно-мышечное соединение

Потенциал концевой пластинки (ПКП) Раздражение двигательного аксона вызывает в мышце потенциал действия (ПД) введение в раствор яда, блокирующего ПД показало, что ему предшествует медленный градуальный потенциал (ПКП) Регистрация потенциала концевой пластинки Когда ПКП достигает порога, развивается ПД

Природа потенциала концевой пластинки. B. Katz. 1950 -e Амплитуда ПКП уменьшается при увеличении расстояния от концевой пластинки Амплитуда ПКП и его продолжительность зависят от времени действия медиатора, температуры и сопротивления мембраны мышечного волокна электротоническое распространение ПКП Изменения концентрации ионов в растворе показали, что ПКП определяется увеличением проницаемости постсинаптической мембраны для Na+ и K+, что вызывает входящий ток Na+ и деполяризацию мембраны

Минитатюрные потенциалы концевой пластинки. «Квантовая» гипотеза МПКП (микропотенциалы концевой пластинки) регистрируются в области концевой пластинки в состоянии покоя (А) и не регистрируется на расстоянии 2 мм от нее (В). Их появление случайно, а амплитуда постоянна Амплитуда ПКП (Б) при стимуляции двигательного аксона пропорциональна амплитуде МПКП Возникновение МПКП связано с действием на постсинаптическую мембрану одинаковых порций (квантов) медиатора, которые в состоянии покоя выделяются в синаптическую щель случайным образом. Квант медиатора - это порция вещества, содержащегося в одном пузырьке-везикуле При возникновении пресинаптического ПД вероятность выделения медиатора из везикул резко возрастает и возникает ПКП градуальный потенциал, амплитуда которого зависит от числа выделенных квантов медиатора.

Схема экспериментального исследования постсинаптических потенциалов в нейронах Electrical Stimulator A Measure membrane voltage changes in B as we stimulate A. -70 m. V B

Градуальные потенциалы в нейронных синапсах. Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП)

Ионные механизмы ВПСП Transmitter Na+ Chemically-gated Channel K+ Возникает деполяризация постсинаптического нейрона

Временные и амплитудные характеристики ВПСП Membrane Potential in Post Synaptic Neuron Na+ K+ 10 20 EPSP 30 40 50 60

Определение ВПСП Локальная деполяризация мембраны постсинаптического нейрона, связанная с выделением медиатора из окончания пресинаптического нейрона. Возникает в результате связывания медиатора с рецепторами в постсинаптической мембране, которое приводит к открытию ионных каналов для Na+ и K+ Градуальный потенциал, который распространяется в постсинаптическом нейроне электротонически и не имеет рефрактерного периода Несколько локальных могут суммироваться ВПСП

Временная суммация ВПСП

Membrane Potential in Post Synaptic Neuron Стимуляция пресинаптического нейрона каждые 20 мс 10 20 30 40 50 60

Membrane Potential in Post Synaptic Neuron Стимуляция пресинаптического нейрона каждые 5 мс Temporal Summation 10 20 30 40 50 60

Пространственная суммация ВПСП

Membrane Potential in Post Synaptic Neuron Стимуляция только пресинаптического нейрона «А» 10 20 30 40 50 60

Membrane Potential in Post Synaptic Neuron Стимуляция только пресинаптического нейрона «Б» 10 20 30 40 50 60

Membrane Potential in Post Synaptic Neuron Одновременная стимуляция пресинаптических нейронов «А» и «Б» Spatial Summation 10 20 30 40 50 60

Градуальные потенциалы в нейронных синапсах. Тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП)

Ионные механизмы ТПСП Transmitter Cl. Chemically-gated Channel K+ Возникает гиперполяризация постсинаптического нейрона

Временные и амплитудные характеристики ТПСП Membrane Potential in Post Synaptic Neuron Cl- K+ 10 20 IPSP 30 40 50 60

Membrane Potential in Post Synaptic Neuron Суммация ТПСП препятствует развитию ПД и возбуждения постсинаптического нейрона не возникает 10 20 30 40 50 60

Роль торможения в координации двигательных актов ТПСП ВПСП От мотонейрона к мышце-разгибателю (трицепс) ВПСП От мотонейрона к мышце-сгибателю (бицепс)

Интеграция синаптических влияний. Стимуляция возбуждающего входа вызывает деполяризацию мембраны дендрита, которая электротонически распространяется к соме и аксонному холмику, где при достижении порога генерируется ПД При одновременной активации тормозного синапса развивается гиперполяризация, препятствующая электротоническому распространениюположительного тока и блокирующая ВПСП, ПД не возникает

Интеграция синаптических влияний на уровне тела клетки «Идеальный» нейрон. Наиболее распространенный тип интеграции у позвоночных Функциональный смысл: «передавать или нет сигнал возбуждения дальше? » - вот в чем вопрос, который «решает» нейрон как функциональная единица НС.

Интергация синаптических влияний на уровне аксонных окончаний. Пресинаптическое торможение. Обеспечивает избирательное управление нейроном со стороны других нейронов. Активация тормозного синапса препятствует выделению медиатора в возбуждающем синапсе, уменьшая или блокируя деполяризацию пресинаптического окончания.

Интергация синаптических влияний на уровне дендритных окончаний. Дендро-дендритные синапсы. У позвоночных животных этот тип синапсов встречается в обонятельной луковице, в сетчатке (амакриновые клетки), в глубинных структурах мозга - таламусе, черной субстанции. В большинстве этих структур регистрируются синхронные изменения электрических потенциалов большого количества клеток. Дендро-дендритные реципрокные синапсы в таламусе кошки

Интергация синаптических влияний на уровне дендритных окончаний В основе локальной интеграции синаптических влияний в обонятельной луковице лежит существование реципрокных синапсов между митральными нейронами (релейными) и клетками - зернами (вставочными): ПД в митральной клетке (М 1) вызывает возникновение ВПСП в дендрите клетки-зерна (КЗ), что приводит к обратному тормозному влиянию через реципрокный синапс на митральную клетку и «параллельную» ей другую митральную клетку (М 2) Функциональный смысл такого взаимодействия состоит в синхронизации во времени работы «параллельных» каналов обработки информации в НС

Этапы синаптической передачи. Молекулярные механизмы. Сложные биохимические процессы, предшествующие открытию ионных каналов на постсинаптической мембране и возникновению градуальных постсинаптических потенциалов: ·Деполяризация пресинаптической мембраны (1) ·Открытие ионных каналов для пресинаптическое окончание (2, 3, 4) Са+ и его вход в ·Высвобождение медиатора в синаптическую щель (5, 6) ·Соединение медиатора с молекулярными рецепторами на постсинаптической мембране (7) ·Открытие ионных каналов на постсинаптической мембране (8, 9) ·Прекращение действия медиатора

Ca 2+

Ионотропные эффекты ВПСП - Na+ + + - - + ++ + Ca++ +30 0 m. V -30 Na+ Пороговы й потенциал -70 Мембранный Na+ потенциал Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП)

Ионотропные эффекты ТПСП: - Na+ + + - - + ++ + Ca++ +30 0 m. V -30 Cl- Порог -70 Cl. Тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) ПП

Ионотропные эффекты Временная суммация ВПСП Na+ + + + - - ++ Ca++ + + Ca++ Na+ +30 0 m. V -30 -70 Na+ Порог Na+ ПП Суммация ПСП

Ионотропные эффекты 3 Na+ Пространственная суммация ВПСП и ТПСП Na+ Na+ Ca++ K+ K+ 1 +20 0 m. V -30 Na+ -70 +20 0 m. V -30 ТПСП -70 Ca++ Na+ 2 + + + ВПСП Cl- +20 0 m. V -30 -70 ТПСП

Na+ Ca++ 1 Одновременная активация возбуждающего и тормозного синапса +20 0 m. V Na+ +20 -30 0 m. V - 30 -70 -30 - 70 +20 0 m. V +20 -70 0 m. V +20 Na+ 2 Ca++ + Cl- - 60 0 m. V -70 -30 -70 ВПСП ТПСП Результат суммации ПД

Медиаторы и модуляторы химической синаптической передачи Направление действия нейропередатчика на постсинаптическую клетку (возбуждение или торможение) определяется преимущественно не им самим, а молекулярными рецепторами на постсинаптической мембране Нейропередатчики Маломолекулярные: амины: - ацетилхолин; - катехоламины (адренергические): дофамин, норэпифедрин (норадреналин), эпифедрин(адреналин) - индолаимины - серотонин, гистаминокислоты - гаммааминомаслянная кислота (ГАМК, GABA), глицин, аспартат, глютамат Нейропептиды: вещество Р (медиатор боли), эндорфины и энкефалины (природные обезболивающие и регуляторы «хорошего настроения) - вещества, играющие важнейшую роль в физиологических механизмах стресса и эмоциональных состояний.

открытие ионных каналов Закрытие ионных каналов Отсутствие медиаторной специфичности в нейронах беспозвоночного: стимуляция одного нейрона, выделяющего гистамин, вызывает в разных нейронах различные реакции, в зависимости от того, как молекулярные рецепторы изменяют ионную проницаемость мембраны

Синтез нейропередатчиков Синтез нейропептидов Синтез аминов

Синтез медиаторов Холин Ионы Кровоток Глюкоза Гематоэнцефалический барьер Триптофан Тирозин Мембрана нервной клетки 5 -гидрокситриптофан Ацетилхолин Глицин Глютамат ГАМК Дофамин Норадреналин 5 -гидрокситриптамин (серотонин) Адреналин

Этапы синаптической передачи. Выделение медиатора (экзоцитоз) Под влиянием ионов Са+ происходит перемещение пузырьков с медиатором к пресинаптической мембране, слияние с ней и выделение медиатора в синаптическую щель

Этапы синаптической передачи. Экзоцитоз v-SNAREs Белки ловушки t-SNAREs v-SNAREs соединяется с t-SNAREs, способствуя слиянию пресинаптической мембраны с мембраной пузырька, после чего происходит высвобождение нейромедиатора в синаптическую щель

Этапы синаптической передачи. Экзоцитоз. Neurotransmission Machinery. Brunger et al. 1998 Synaptobrevin (VAMP) SNAP-25 Syntaxin ·Два белка - ловушки (SNARE) - SNAP-25 и Syntaxin соединяются вместе ·Этот комплекс затем соединяется с третьим белком, находящимся в пузырьке synaptobrevin’ ом ·Везикула с нейротрансмитером «подтягивается» к преминаптической мембране и вещество выходит в синаптическую щель

Этапы синаптической передачи. Соединение медиатора с молекулярными рецепторами на постсинаптической мембране • Нейротрансмитер (медиатор) должен соединится со специфическим белком – рецептором на постсинаптической мембране • Такое соединение приводит к изменению конфигурации белка-рецептора, в зависимости от изменения конфигурации белка будут происходить различные электрохимические процессы на постсинаптической мембране. Изменение структуры белкарецептора приводит к изменению функционирования постсинаптического нейрона • Существуют сотни различных типов белковрецепторов • Два основных типа белковых рецепторов: – Ионные каналы, которые изменяют свою конфигурацию сразу при соединение с медиатором – лиганд-тропные, ионотропные – Ионные каналы, которые изменяют свою конфигурацию при соединении с внутриклеточным дополнительным белком (Gprotein) - метаботропные

Молекулярные рецепторы 1 типа, на которые непосредственно действует медиатор-лиганд ионотропные Структура: Белковые каналы со специальным участком для присоединения медиатора. Присоединение медиатора приводит к открытию канала Последствия зависят от специфических ионов, которые проходят через канал: Активация Na+ каналов приводит к деполяризации и возбуждению постсинаптического нейрона Активация Cl- и K+ каналов вызывает гиперполяризацию и торможение постсинаптического нейрона Ионотропные рецепторы обычно активируются под влиянием маломолекулярных медиаторов (аминов и аминокислот)

Механизм изменения ионной проницаемости мембраны при участии рецепторов 2 типа (метаботропных) Активация: 1) Медиатор соединяется с рецептором; 2) Изменение молекулы –рецептора приводит к активации Gбелка; 3) G-белок распадается; Далее возможны два варианта: alpha субъединица этого белка активирует ионные каналы или еще один внутриклеточный белок, который влияет на ионные каналы. Такие изменения на постсинаптической мембране более медленные, сохраняются более длительное время и более разнообразны, чем ионотропные

Этапы синаптической передачи. Прекращение действия медиатора • Синаптическая щель должна быть освобождена от медиатора для того, чтобы произошел следующий цикл синаптической передачи • Процесс “очищения” синаптической щели может происходить разными путями: – диффузия медиатора в межклеточное пространство – разрушение медиатора с помощью специальных белков – обратный “захват” в пресинаптическую мембрану с помощью специальных веществ транспортеров – “захват” глией – “захват” постсинаптическим нейроном и десенсетизация.

Некоторые механизмы действия химических веществ (лекарств, ядов, наркотиков) на синаптическую передачу Усиление синтеза медиатора за счет увеличения концентрации предшественников медиатора Усиление синтеза медиатора за счет инактивации разрушающих медиатор энзимов Усиление выделения медиатора через синаптическую щель Блокировка авторецепторов тормозящих выделение медиатора Активация постсинаптических рецепторов Блокировка обратного захвата медиатора Подавление синтеза медиатора за счет разрушения специфических энзимов Активация специфических энзимов, разрушающих медиатор Блокада выделения медиатора в синапстическую щель Активаия авторецепторов тормозящих выделение медиатора Блокировка постсинаптических рецепторов

Действие ядов на процесс синаптической передачи Токсины, выделяемые пауками могут блокировать кальциевые каналы, нарушая вход кальция в пресинаптическую мембрану и все процессы выделения медиатора Яды змей блокируют калиевые каналы и препятствуют распространению пресинаптического ПД Многие токсины действуют на белки, подтягивающие визикулы с медиатором к пресинаптичекой щели и это может вызывать как перевозбуждение, так и нераспространение сигнала в зависимости от природы медиатора (возбуждающий или тормозный)