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 Вход кальция и Открытие лиганд-зависимых потенциала действия высвобождение ионных каналов (рецепторов) в аксональную терминаль химического передатчика 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 Наполнению Высвобождению Месту Различному везикул? передатчика? 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 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 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 Ca 2+ 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 приходе ПД в пресинаптическую терминаль. 15

Устройство синаптической везикулы Первые открытые белки синаптической везикулы: Синапсин связывает синапсин I, синаптофизин и синаптобревин (VAMP 1) 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 SV 2 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 Ca 2+ • 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 Ca 2+ запускают экзоцитоз Микродомены с высокой концентрацией Ca 2+ (свыше 100 m. М) формируются рядом к Ca 2+ каналами • (А) Модель кальциевой динамики в терминали (разрез). Концентрация Ca 2+ повышается до 800 m. М рядом с каналом, но уже в 50 нм опускается ниже 100 m. М • (B) В активной зоне потенциал действия открывает лишь часть каналов, вокруг которых возникают микродомены высокого Ca 2+. 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 Ca 2+ 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 Ca 2+ – Форболовый эфир • Время открытия поры слияния регулируется – Синаптотагмином I/IV – Динамином • Сдвиг режимов полный экзоцитоз в“kiss-and-run” – Высокий внутриклеточный Ca 2+ – Стауроспорин (ингибитор протеинкиназ) – Форболовый эфир – Munc-13 21

Чем заполнены везикулы Нейропередатчики (нейротрансмиттеры) Принцип Дейла • Ацетилхолин Один нейрон • Норадреналин высвобождает • Серотонин только один • Дофамин нейропередатчик • Глицин • g-аминомасляная Показаны отступления кислота (ГАМК) от этого принципа • Глутамат (высвобождение • Пептиды глицина и ГАМК, • Оксид азота ГАМК и глутамата и т. д. ) Названия синапсов ГАМКергический, глутаматергический, глицинергический и т. д. (но холинергический) 22

Схема ГАМКергической передачи 23 Обратный захват и инактивация ГАМК в глии

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 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 m. Glu. R рецепторы • Показано субсинаптическое группирование рецепторов глутамата (NMDA и AMPA рецепторы в постсинаптическом уплотнении, m. Glu. Rs в перисинаптической зоне) 35

Организация глутаматергического постсинапса Различные белки связанные с постсинаптическими рецепторами 36 образуют постсинаптическое уплотнение

Постсинаптическое уплотнение Фотография полученная с помощью электронного микроскопа 37

Микрофотографии симметричного и ассиметричного синапсов ГАМКергический симметричный сидячий синапс Глутаматергический асимметричный (отсутствует постсинаптическое шипиковый синапс 38 уплотнение)

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