Медицинский факультет СПб ГУ Цикл лекций по физиологии

Медицинский факультет СПб. ГУ Цикл лекций по физиологии нервной системы 2011 -2012 Лекция 2 Синаптическая передача Лев Гиршевич Магазаник

Разнообразие морфологии нейронов

Мозг человека содержит » 100 миллиардов нейронов. Каждый нейрон образует контакты в среднем с 1000 других нейронов. Существуют контакты нейронов с мышечными, секреторными и др. клетками. Межклеточные контакты, специализированные для передачи сигналов - Синапсы Два основных типа синаптической передачи Электрический синапс » 1% Пресинаптический ток из нервной терминали распространяется на постсинаптичекую клетку Химический синапс » 99% Пресинаптический ток в нервной терминали вызывает освобождение химического посредника (медиатора). Его молекулы взаимодействуют с рецепторами постсинаптического нейрона

Структурные требования к электрическому механизму синаптической передачи 1. Тесное прилегание пре- и постсинаптических мембран 2. Наличие системы каналов щелевого контакта, обеспечивающей быстрый пассивный перенос ионов между клетками (как правило) двухсторонний. В электрическом синапсе сигнал ослабляется ! Главное преимущество – высокая скорость передачи Физиологическое значение – синхронность ответа множества клеток на приходящий сигнал.

Структурные требования к химическому механизму синаптической передачи Взаимодействие трех структур: (а) пресинаптической –электрически управляемая секреция медиатора; (б) синаптической щели – пространство шириной 40 -50 нм, где происходит свободная диффузия медиатора; (в) постсинаптической мембраны, обладающей лиганд-активируемыми каналами. В химическом синпсе происходит двукратная трансформация сигнала: из электро в хемо и снова в электро. Сигнал усиливается, но возникает синаптическая задержка

Основные свойства химических синапсов • • • Большинство синаптических контактов являются химическими синапсами Нервное окончание и постсинаптический нейрон разделены синаптической щелью. Нервное окончание содержит синаптические везикулы, заполненные медиатором. На постсинаптической мембране расположены рецепторы, способные взаимодействовать с молекулами медиатора. Секреция медиатора контролируется электрическим потенциалом пресинаптической мембраны Постсинаптический сигнал – результат взаимодействия молекул медиатора с рецепторами (в простейшем и распространенном случае) с лиганд-управляемыми ионными каналами Таким образом происходит трансформация сигнала из электрической формы в химическую, а затем из химической снова в электрическую. Передача сигнала односторонняя Происходит усиление сигнала, но имеет место синаптическая задержка 0. 3 -0. 5 мс Обширные возможности модуляции синаптической передачи

Молекулярная природа медиаторов

Опыт О. Лёви Два изолированных сердца лягушки А и В Перенос перфузата от сердца А к сердцу В воспроизвел этот эффект Электрическая стимуляция блуждающего нерва сердца А замедляла ритм сокращений A B Выяснилось, что перфузат содержит ацетилхолин, «Vagusstoff”

Chemical Electrical

Возбуждающие и тормозные медиаторы • Возбуждающий медиатор деполяризует постсинаптический нейрон • Тормозной медиатор • гиперполяризует постсинаптический нейрон Знак действия медиатора(возбуждающий или тормозный) определяется исключительно типом постсинаптического рецептора

Требования к молекулярным свойствам медиаторов • Высокая скорость диффузии, а значит низкий молекулярный вес • Относительная простота и скорость синтеза (небольшое число стадий) • Доступность исходных продуктов и наличие систем поступления их в нервную клетку • Невысокие энергетические затраты на синтез или обратный захват нейроном ( «дешевизна» ) • Возможность повторного использования самого медиатора или непосредственных продуктов его метаболизма • Часть медиаторов способна как возбуждать, так и тормозить • Часть медиаторов может участвовать как в быстрых, так и медленных процессах Основные медиаторы Ацетилхолин Норадреналин Серотонин (5 HT) Гистамин Допамин Глутамат ГАМК Глицин АТФ Аденозин NO (окись азота) Нейропептиды энкефалин вещество Р соматостатин нейротензин

Представительство в мозгу Acetylcholine 5% Norepinephrine 2 -3% Dopamine 5% Serotonin 2 -3% Amino Acids 60% Peptides 15%

Низкомолекулярные медиаторы синтезируются в нервных окончаниях. Необходимые для синтеза ферменты экспрессируются в теле клетки и транспортируются тубулярной системой в окончания.

Квантово-везикулярная природа освобождения медиатора

Электронная микроскопия химических синапсов Видны: Пре- • пресинаптическая нервная терминаль, содержащая синаптические пузырьки, заполненные медиатором; • синаптическая щель шириной 30 – 50 нм Пост- • постсинаптическое уплотнение – участок клеточной мембраны, содержащий рецепторы и взаимодействующие с ними внутриклеточные белки

Квантовое освобождение медиатора Медиаторы секретируются мультимолекулярными (» 7 -10 тыс. молекул) пакетами – квантами Квант соответствует содержимому 1 синаптического пузырька МПКП есть результат постсинаптического действия 1 кванта медиатора Миниатюрные потенциалы концевой пластинки (МПКП) • Возникают спонтанно, вне зависимости от стимуляции нерва • Имеют тот же временной ход, что и вызванные ответы • Амплитуда МПКП зависит от состояния Ах-рецепторов и конц. Ах в везикуле • Частота МПКП зависит от состояния терминали Вызванные стимуляцией двигательного нерва потенциалы концевой ответы (ПКП) – суммарный ответ на синхронное освобождение целого числа квантов: 1, 2, 3…n (>100 ) Воздействия на нервную терминаль влияют на число этих квантов, но не на амплитуду ответа на один квант

Потенциалы концевой пластинки (ПКП), регистрируемые внутриклеточно в нервно-мышечном синапсе Если амплитуда ПКП превышает порог, то возникает ПД ПКП ПД Амплитуда ПКП определяется, в основном, числом освобождающихся одновременно квантов. В н. -м. синапсе освобождается 100 -300 квантов, поэтому ПКП намного превышает уровень порога ПД – высокий фактор надежности н. -м. передачи.

Гормональная передача Синаптическая передача

Почему медиаторы хранятся в везикулах? • Защита от разрушения эстеразами или протеазами. • Эффективное регулирование количества освобождаемого медиатора. • Существуют механизмы активного транспорта медиатора в везикулы (протонная помпа, везикулярные транспортеры). • Удобная система для транспорта медиатора к местам его освобождения.

Роль ионов кальция в механизме освобождения медиатора

Квантовая секреция медиатора – Са 2+ зависимый процесс Повышение уровня Са 2+ в аксоплазме от 10 -8 (покой) до 10 -4 (активация) вызывает массивное освобождение квантов медиатора (экзоцитоз) Основной путь входа Са 2+ в терминаль – потенциал зависимые Са 2+ каналы в пресинаптической мембране, открываемые при деполяризациии. Блокада этих каналов (напр. кадмием) устраняет эффект стимуляции Основная последовательность явлений: • Приход потенциала действия (ПД) в терминаль • Активация (открытие) Са 2+ каналов • Быстрый локальный рост уровня внутриклеточного свободного Са 2+ • Вызванное Са 2+ повышение вероятности экзоцитоза медиатора • Этот процесс занимает 0. 2 - 0. 5 мс, что и соответствует синаптической задержке между стимулом и постсинаптическим ответом

Изменения концентрации Са 2+ в аксоплазме терминали Домены Са 2+ вблизи внутренней поверхности пресинаптической мембраны <0. 1 m. M Ca 2+ 2 m. M Ca 2+ Значение взаимного расположения Са 2+ каналов и участков экзоцитоза Са 2+ входит в аксоплазму: локальный подъем концентрации от 0. 1 m. M до 600800 m. M Через 1 -1. 5 мс после закрытия Са 2+ каналов: остается < 10% вошедшего Са 2+, затем конц-я быстро снижается внутриклеточными буферными системами до уровня покоя

Белковая « машина» секреции медиатора

Экзоцитоз содержимого синаптических пузырьков Непременными условиями экзоцитоза являются: (i) контакт синаптического пузырька с определенным участком пресинаптической мембраны; (ii) достаточно высокая (>> 10 -6 M) пиковая концентрация Са 2+ Варианты механизма экзоцитоза определяются участвующими в этом процессе белками

Белки пресинаптической терминали, принимающие участие в процессе квантовой секреции медиатора Процесс управляемой потенциалом вызванной секреции медиатора состоит из ряда последовательных этапов, которые обеспечиваются специализированными белками: • формирование везикулы • синтез медиатора и заполнение везикулы • транспорт везикулы к местам предстоящего экзоцитоза и ее прикрепление • комплекс белков, обеспечивающих работу «машины экзоцитоза» • белки, вовлеченные в эндоцитоз

«Жизненный цикл» синаптических пузырьков и вовлеченные в этот процесс белки Отпочковывание пузырьков от эндосомы Транспорт пузырьков к местам освобождения Образование новых пузырьков и их заполнение медиатором Прикрепление к мембране Подготовка к слиянию Слияние и опорожнение пузырька (экзоцитоз) Именно этот этап контролируется Са 2+ !

Этапы работы белковой машины, обеспечивающей экзоцитоз медиатора – этап 1. Основные белки синаптических пузырьков: Synaptobrevin Synaptotagmin (интегр. белок) Состояние покоя: пузырьки доставляются к местам освобождения, но взаимодействие между белками синаптических пузырьков и пресинаптической мембраны еще не началось. Основные белки пресинаптической мембраны: Syntaxin (интегр. белок) SNAP-25.

Этапы работы белковой машины, обеспечивающей экзоцитоз медиатора – этап 2. Химический сигнал формируется такими пузырьками, готовыми к немедленному использованию. Этого пула хватает (в зависимости от синапса) на некоторое число последовательных сигналов. Такое состояние является результатом взаимодействия Пузырек прикреплен к мембране (docking) и подготовлен к слиянию с ней (priming), для чего необходим Са 2+ синаптобревина с синтаксином и SNAP-25.

Этапы работы белковой машины, обеспечивающей экзоцитоз медиатора – этап 3 Это состояние непосредственно предшествует последнему этапу - освобождению медиатора в синаптическую щель Са 2+ зависимый этап. Деполяризация открывает кальциевые каналы в пресинаптической мембране. Концентрация Са 2+ повышается вблизи пузырька. Са 2+ связывается с синаптотагмином

Этапы работы белковой машины, обеспечивающей экзоцитоз медиатора – этап 4 Синаптотагмин, взаимодействуя с Са 2+, катализирует слияние мембраны пузырька с пресинаптической мембраной, что открывает дорогу свободной диффузии медиатора в объем синаптической щели Финал. Произошло слияние (fusion) пузырька с мембраной и опорожнение его содержимого

Белки «машины секреции медиатора» являются мишенями ряда токсинов • Микробные токсины, вызывающие ботулизм, и столбнячный токсин – специфические протеазы. • Латротоксин, продуцируемой пауком «черная вдова» нарушает функцию синаптотагмина. • Фосфолипазы как пресинаптические токсины

Облегчение Зависит от частоты стимуляции Механизм облегчения обусловлен увеличением числа квантов медиатора по мере частотной стимуляции. В основе этого феномена лежит увеличение остаточного кальция, который не успевает быть удален из аксоплазмы за короткий временной интервал между стимулами.

Облегчение, сменяющееся депрессией Двигательный нерв лягушки стимулируется с частотой 100 имп/сек. На протяжении первых 810 ответов амплитуда постсинаптического тока увеличивается (облегчение освобождения медиатора), а затем падает ниже исходного уровня (депрессия).

Основные пути удаления медиатора из зоны синапса: Разрушение молекулы. Главный пример – гидролиз ацетилхолина ферментом холинэстераза. Обратный захват. Активный транспорт молекулы медиатора в терминаль и глиальную клетку.

Перерыв

Постсинаптические рецепторы

В синапсе взаимодействуют три структуры: (а) пресинаптическая, осуществляющая электрически управляемую секрецию медиатора; (б) синаптическая щель – пространство шириной 40 -50 нм, где происходит свободная диффузия медиатора; (в) постсинаптическая мембрана, обладающая синаптическими рецепторами (лиганд-активируемыми каналами или метаботропными рецепторами).

Два основных типа посинаптических рецепторов Ионотропный рецептор Содержит (i) домен, узнающий медиатор и (ii) ионный канал Метаботропный рецептор Мультимолекулярная система: рецептор – G-белок - фермент - вторичный посредник - … - эффектор

Ионная природа постсинаптических токов Na+/K+ Ca 2+ каналы Cl – каналы Возбуждающий постсинаптический ток = ВПСТ K+ каналы Сl – каналы Тормозный постсинаптический ток = ТПСТ

Свойства постсинаптических потенциалов • Генерируются ионотропными (лигандуправляемыми каналами) или метаботропными рецепторами • Градуальны • Распространяются с декрементом (т. е. локальные, в отличие от ПД) • Могут быть возбуждающими (деполяризующими) или тормозными (гиперполяризующими) • Способны суммироваться • Реализуют синаптическую интеграцию

Центральные межнейронные синапсы • Небольшие синапсы, 1 -2 синаптические зоны • Распределены на поверхности сомы и дендритного дерева постсинаптичеких нейронов • Разнообразие медиаторов Нервно-мышечный синапс • Синаптические зоны расположенны линейно вдоль двигательной терминали – концевая пластинка • Места освобождения медиатора и локализации постсинаптических рецепторов противостоят другу • Единственный медиатор ацетилхолин

Электронные фотографии сканированных нервномышечных синапсов мыши (до и после удаления нервной терминали)

Число постсинаптических рецепторов, активируемых медиатором, определяется морфологией синапса Постсинаптическая складка в н. -м. синапсе Точечный центральный синапс

Ацетилхолиновый рецептор в липидном бислое мембраны Снаружи Место связывания АХ Бислой мембраны Внутри Ионный фильтр канала

Плотное размещение АХР на вершинах складок и натриевых каналов в их глубине ACh. R – 10 nm ACh. Rs 1000 nm Na+ channels Значит должен существовать специальный механизм образования рецепторных кластеров

Молекулярные специализации в н. -м. синапсе Вершина постсинаптической складки Примембранные белки – рапсин и утрофин служат якорями для холинорецепторов Дно постсинаптической складки Белки – синтрофин и дистрофин служат якорями для потенциалзависимых натриевых каналов

Постсинаптический потенциал, достигнув порога, возбуждает потенциал действия

Кратковременные (мс) переходы рецепторного канала из закрытого состояния в открытое вызывают одиночные ионные токи через этот канал patch-clamp, cell-attached recording Холинорецептор

. Тубокурарин Действующее начало кураре, использовавшегося как стрельный яд

Блокада передачи через н. -м. синапс, вызванная тубокурарином Tubocurarine По мере развития эффекта тубокурарина амплитуда постсинаптического потенциала падает, что делает невозможной генерацию ПД

Концентрация никотина в крови во время и после курения одной сигареты smoking

Глутамат – основной возбуждающий медиатор в ЦНС позвоночных

Пресинаптический нейрон Глутаматный синапс в ЦНС Глутамат AMPA-R NMDA-R Na+/K+/Ca 2+ Na+/K+ (Ca 2+) http: //synapses. bu. edu/atlas/index. htm NMDA и АМРА рецепторы колокализованы на постсинаптической мембране

Субъединичный состав глутаматных рецепторов и его функцинальное значение NMDA глицин глутамат AMPA Са 2+

Основные домены ионотропного глутаматного рецептора Узнающий участок Ионный канал С - конец D. R. Madden, 2002

Модель канала глутаматного рецептора АМРА типа (Tikhonov et al. , 2002 Biophys. J)

Блокада открытого канала NMDA рецептора ионами магния зависит от мембранного потенциала нейрона: при МП покоя канал заблокирован. Деполяризация вызывает деблокирование (ион магния покидает канал NMDA рецептора), который становится доступен для ионов натрия и кальция

Участие АМПА и НМДА рецепторов в генерации комплексного постсинаптического ответа Схема комплексного ВПСТ NMDA ответ, в отличие от АМРА ответа, медленно нарастает и медленно спадает Синаптические токи

Основные тормозные медиаторы нервной системы: гаммааминомасляная кислота (ГАМК) и глицин

Измерение потенциала (Er) ТПСТ в тормозном синапсе мотонейрона (прямое торможение). Если внутри нейрона [Cl]i = 7 m. M [Cl-]o = 130 m. M, то согласно уравнения Нернста Ер будет -75 м. В. ТПСТ вызван действием глицина или ГАМК. IPSP

Схема тормозного ГАМК-ергического синапса Глиальная клетка Инактивация ГАМК путем превращения в глутамин Постсинаптический нейрон Синтез ГАМК из глутамата в пресинаптической терминали Обратный захват ГАМК терминалью

Модуляция ГАМКА рецепторов Увеличивает частоту открытий Увеличивает длительность открытий

Механизмы функционирования метаботропных постсинаптических рецепторов

Структура рецептора, реализующего действие медиатора (гормона), посредством активации ГТФ-связывающего белка

Короткий путь между мускариновым холинорецептором и К+ каналом Образование комплекса агониста с метаботропным рецептором приводит к диссоциации тримера Г -белка. Затем его субъединицы , и взаимодействуют с белками-мишенями Гиперполяризация – тормозный эффект Ацетилхолин взаимодействует с мускариновым холинорецептором, что приводит к диссоциации Гбелка. В данном примере его + субъединицы напрямую активируют калиевый канал, переводя его в открытое состояние

Каскад промежуточных реакций, следующий за активацией метаботропного рецептора

Пути трансдукции сигналов метаботропными рецепторами норадреналина и ацетилхолина

Два типа адренорецепторов – β возбуждающий и α 2 тормозный

Схема регуляции экспрессии белков путем активации метаботропных рецепторов

Многократное усиление сигнала метаботропными рецепторами

Действие медиаторов, опосредованное активацией Г-белков и последующих внутриклеточных этапов трансдукции сигнала: • может длиться от десятков миллисекунд до дней и месяцев • многократно усиливается на каждом из этапов трансдукции, поэтому усиление зависит от числа этих этапов • механизмы реализации сигналов часто включают фосфорилирование белков и изменение концентрации внутриклеточного Са и кальций кальмодулина Покоящиеся (закрытые) каналы Комплекс медиатора с метаботропным рецептором Активированные (открытые) каналы

Ионы Са 2+ - самый распространенный вторичный посредник

Взаимодействие возбуждающих и тормозных сигналов

Суммация возбуждающих постсинаптических потенциалов

Постсинаптическое торможение Тормозный синапс + Возбуждающий синапс

Пресинаптическое торможение Тормозный синапс (ГАМК) - Возбуждающий синапс (Глутамат) + Тормозной синапс локализован на терминали возбуждающего синапса. Освобождение глутамата из терминали возбуждающего синапса может быть ослаблено действием на эту терминаль ГАМК, освобождаемого в тормозном синапсе.

Glutamate GABA Battle of the Neurotransmitter Giants

Пространственная суммация Временная суммация В синапсах, локализованных на Суммация возбуждающих (е) и дендритах, происходит алгебраическая тормозных (i) сигналов определяется суммация сигналов, при этом вклад последовательностью их генерации каждого из них зависит от расстояния между синапсом и аксонным холмиком

S. Ramon y Cajal (1852 -1934) Bernard Katz (1911 -2002)

Вопросы ? ? ?