Медицинский факультет СПб ГУ Цикл лекций по нейрофизиологии

Медицинский факультет СПб. ГУ Цикл лекций по нейрофизиологии 2009 -2010 профессор Лев Гиршевич Магазаник Лекция 4 Синаптическая передача (2) Постсинаптические рецепторы Холинорецепторы в нервно-мышечных синапсах позвоночных Глутамат – основной возбуждающий медиатор ЦНС позвоночных Основные тормозные медиаторы нервной системы – гамма- аминомаслянная кислота (ГАМК) и глицин Механизмы функционирования метаботропных постсинаптических рецепторов Взаимодействие возбуждающих и тормозных сигналов

1. 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).

Свойства постсинаптических потенциалов • Генерируются ионотропными (лиганд-управляемыми 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

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

2. Холинорецепторы в нервно-мышечных синапсах позвоночных

Центральные межнейронные синапсы • Небольшие синапсы, -2 синаптические зоны 1 • 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

Сканированные электронные фотографии нервномышечных синапсов мыши (до и после удаления нервной терминали)

Постсинаптическая мембрана в н. -м. синапсе имеет складчатое строение, что увеличивает число размещенных холинорецепторов

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

Квантовое освобождение медиатора Медиаторы секретируются мультимолекулярными (» 7 -10 тыс. ) пакетами – квантами Квант соответствует содержимому 1 синаптического пузырька МПКП есть результат постсинаптического действия 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 пластинки (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 1

Измерение потенциала реверсии (Еr) ТКП в нервно-мышечном синапсе методом фиксации напряжения Ионы Na+ входят в клетку, а ионы К+ выходят из клетки Еr @ 0 м. В , т. к. ЕNa = +50 м. В, ЕК = -100 м. В, При том, что Na+/ K+ = 1. 29 Еr При Еr натриевая компонента постсинаптического тока равна калиевой компоненте, т. е переносимый ток равен нулю

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 потнециала падает, что делает невозможным генерцию ПД

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

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.

3. 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

NMDA рецептор может быть блокирован/модулирован разными агентами

Примембранные белки, ассоциированные с NMDA и АМPА рецепторами NMDA рецептор АМPА рецептор

Перерыв

4. Основные тормозные медиаторы нервной системы: гамма-аминомасляная 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 м. В. ТПСТ вызван действием глицина или ГАМК. Ер будет -75 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

Структура рецепторов гамма-аминомасляной кислоты (GABA) и глицина (Gly) (лиганд-управляемые хлорные каналы) Glycine receptor

Модуляция ГАМКА рецепторов Увеличивает частоту открытий Увеличивает длительность открытий

5. 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

Норадреналин модулирует потенциал-зависимые кальциевые каналы НА + -адренорецептор→Г-белок→ субъединица→ аденилатциклаза →образование с. АМР→активация протеинкиназы А → фосфорилирование Са -канала→ снижается порог активации Са-каналов миокард

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

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

Пространственная суммация постсинаптических сигналов

Временная суммация Синхронная активация близко расположенных синапсов Асинхронная активация синапсов

Гиппокамп Долговременная потенциация (LTP)

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

Вопросы ? ? ?