СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ Цикл лекций Лекция 4 Постсинаптические механизмы

СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ Цикл лекций Лекция 4 Постсинаптические механизмы кратковременной синаптической пластичности Кафедра нейродинамики и нейробиологии ННГУ Мухина И. В. Нижний Новгород, 2008

Постсинаптические механизмы кратковременной синаптической пластичности Различают два класса постсинаптических рецепторов: Ионотропные Метаботропные Быстрые, коэффициент усиления низкий Медленные, коэффициент усиления высокий

Возбуждающий постсинаптический ток = ВПСТ Na+/K+ , Ca 2+каналы Cl- каналы Тормозный постсинаптический ток = ТПСТ K+ каналы Cl- каналы

Никотиновый ионотропный рецептор • Через открытые ионные каналы могут проходить ионы калия и натрия в соотношении 1: 1. • Натриевые и калиевые токи направлены противоположно. • Соотношение зависит от уровня мембранного потенциала. При Еm=0 токи оказываются равными 0. Это значение называют потенциалом равновесия или реверсии синаптического тока (Еr).

Схема холинергической синаптической передачи

Измерение потенциала реверсии токов концевой пластинки в нервно-мышечном синапсе методом фиксации напряжения Еr Амплитуда постсинаптического ответа зависит от уровня потенциала клетки в данный момент. Постсинаптические токи по амплитуде увеличиваются при гиперполяризации мембраны и уменьшаются при деполяризации.

ГАМК-рецепторы

Метаботропные ГАМК-рецпторы

Ионотропные ГАМК-рецепторы GABAa

Градиенты для хлора в процессе развития организма

Схема ГАМКергической синаптической передачи

. Глутаматные рецепторы (N-метил-D-аспартат); AMPA (2 -альфа-амино-3 гидрокси-5 -метил-4 изоксазольпропионовая кислота) ; KA (каиновая кислота). Подтипы рецепторов глутамата Функциональные классы гены Ионотропные NMDA Метаботропные AMPA KA Class III Glu. R 1 Glu. R 5 m. Glu. R 1 m. Glu. R 2 m. Glu. R 4 NR 2 A Glu. R 2 Glu. R 6 m. Glu. R 5 m. Glu. R 3 m. Glu. R 6 NR 2 B Glu. R 3 Glu. R 7 m. Glu. R 7 NR 2 C Glu. R 4 m. Glu. R 8 NR 2 D KA 1 NR 3 NR 1 KA 2 И 3 Ф, кальцийц. АМФ лиганд-зависимые ионые каналы Система вторичных посредников

1. Ионотпропные АМРА рецепторы • • AMPA-рецепторы обладают меньшим сродством к глутамату, чем NMDA-рецепторы, но они обладают быстрой кинетикой и формируют быстрый компонент возбуждающего постсинаптического потенциала. присутствие в AMPA-рецепторе субъединицы Glu. R 2 (Glu. RB) меняет его свойства: в открытом состоянии он становится непроницаем для ионов кальция. Вольтамперная характеристика Функции ионотропных рецепторов не ограничиваются только открытием канала. Эти функции связаны со способностью внутриклеточной карбоксильной терминали взаимодействовать с широким кругом внутриклеточных белков, которые волечены в структурно-функциональную организацию постсинаптического аппарата и внутриклеточную передачу сигналов. Например, AMPA-рецепторы активируют тирозин-киназу, которая запускает каскад митоген-активированной протеинкиназы.

2. Ионотпропные каинатные рецепторы Имеются данные о нейротоксических свойствах глутамата , связанных с активацией каинатных рецепторов, приводящей к изменению проницаемости постсинаптической мембраны для одновалентных ионов К+ и Na+, усилению входящего тока ионов Na+ и кратковременной деполяризации постсинаптической мембраны , что в свою очередь вызывает усиление притока ионов Са 2+ в клетку через агонист-зависимые (NMDA-рецепторов) и потенциал-зависимые каналы ( Buchan A M. , Li H. 1991 , Buchan A. M. , Xue D. 1991 , Diemer N. H. , Jorgensen M. B. 1992 , Li H. , Buchan A. M. 1993 , Schousboe A. , Frandsen A. 1994 , Sheardown M. J. , Suzdak P. D. 1993 ). Поток ионов Na+ сопровождается входом в клетки воды и ионов Сl-, что приводит к набуханию апикальных дендритов и лизису нейронов ( теория "осмолитического повреждения нейронов" ). Вольтамперная характеристика

3. Ионотропные потенциалзависимые NMDA рецепторы • • • NMDA-рецепторы состоят из четырех субъединиц, по 40 -92 к. Д каждая, (двух NR 1 и двух из четырех NR 2 A, NR 2 В, NR 2 С, N 2 D). Эти субъединицы являются гликопротеидлипидными комплексами. NMDA-рецептор представляет из себя целый рецепторно-ионофорный комплекс, включающий в себя: 1) сайт специфического связывания медиатора (L-глутаминовой кислоты); 2) регуляторный, или коактивирующий сайт специфического связывания глицина; 3) аллостерические модуляторные сайты, расположенные на мембране (полиаминовый) и в ионном канале (сайты связывания фенциклидина, двухвалентных катионов и потенциалзависимый Mg 2+связывающий участок).

Ионотропные потенциалзависимые NMDA рецепторы (продолжение) NMDA-рецепторы обладают рядом особенностей: • одновременно хемо- и потенциал-чувствительностью, • медленной динамикой запуска и длительностью эффекта, • способностью к временной суммации и усилению вызванного потенциала. • Наибольшие ионные токи при активации агонистами возникают при деполяризации мембраны в узком диапазоне -30 - -20 м. В (в этом проявляется потенциалзависимость NMDA-рецепторов). Ионы Mg 2+ селективно блокируют активность рецепторов при высокой гиперполяризации или деполяризации. • Глицин в концентрации 0, 1 мк. М усиливает ответы NMDAрецептора, увеличивая частоту открывания канала. При полном отсутствии глицина рецептор не активируется L-глутаматом. В некоторых областях мозга для работы NMDA-рецептора требуется присутствие D-серина в качестве коагониста (например, в переднем мозге). Вольтамперная характеристика

Метаботропные рецепторы (m. Glu. R) • • • m. Glu. R рецепторы обладают молекулярной морфологией, сходной с другими метаботропными G-протеин связанными рецепторами. То есть они содержат 7 транс-мембранных доменов, внеклеточную N-терминаль и внутриклеточную COOH-терминаль. По своему аминокислотному составу они значительно отличаются от других метаботропных рецепторов, за исключением ГАМКбрецептора: здесь имеется некоторая гомологичность. Рецепторы группы I активируют фосфолипазу С, продуцирующую вторичные посредники диацилглицерол и инозитол трифосфат. Рецепторы группы II и III угнетают активность аденилатциклазы. Различные m. Glu. R обладают существнено различающейся чувствительностью к глутамату, причем m. Glu. R 7 нечувствительна к глутамату. Считается, что чувствительность к глутамату зависит от расположения рецепторов по отношению к синаптической щели. Методами иммуноцитохимии и электронной микроскопии была выявлена селективная экспрессия m. Glu. R, причем m. Glu. R 7, m. Glu. R 8 были связаны с пресинаптической ммбраной, а m. Glu. R 2, m. Glu. R 3 располагались на пресинаптическом аксоне, на удалении от синаптической щели. NAAG является селективным агонистом для m. Glu. R 3, L-серин-O-фосфат селективный агононист группы III метаботропных рецепторов (m. Glu. R 4, m. Glu. R 6, m. Glu. R 7, m. Glu. R 8), L-цистеин сульфиновая к-та (L-cysteine sulfinic acid) является агонистом для метаботропных рецепторов глутамата, связанных с фосфолипазой D.

Переносчики глутамата • • В ЦНС млекопитающих обнаружено 5 переносчиков глутамата. Два из них экспрессируются преимущественно глиальными клетками (глиальный переносчик глутаматат и аспартата - GLAST и глиальный переносчик глутамата - GLT), а три других - в нейронах (переносчики возбуждающих аминокислот - EAAС 1, EAAT 4, EAAT 5). Применительно к ЦНС человека их называют EAAT 1 -5, соответственно. Э • • Переносчики - натрий-зависимы, градиент концентраций натрия и калия является движущей силой этого транспотра. Предполагается, что одна молекула переностичика (GLT, например) перемещается совместно с тремя молекулами натрия и одним протоном, в противоположном направлении перемещается одна молекула калия. Интересен тот факт, что нейрональные переносчики, по-видимому, связаны с хлор-ионными каналами, которые открываются присоединении глутамата и создают тенденцию к гиперполяризации постсинаптической мембраны и угнететнию синаптической активности. Этот феномен имеет функциональное значение в клетках Пуркинье, которые экспрессируют EAAT 4 на своей поверхности. Глиальные транспортеры имеют неодинаковое региональное распределение в ЦНС. GLT обнаруживается , в основном, в гиппокампе, а GLAST в мозжечке крыс. Также существуют различия в степени приближенность астроцитарных процессов к глутаматергическому синапсу, этим объясняется возможность перекрестного взаимодействия синапсов в определенных областях гиппокампа. Крысиный нейрональный транспортер EAAC ( аналог EAAT 3 у человека) в больших количествах экспрессируется на постсинаптической мембране (с плотностью в 15 раз большей, чем AMPA-рецепторы). Связывание глутамата с этим переносчиком приводит к затуханию возбуждающего постсинаптического потенциала. Переносчики глутамата на плазматической мембране связывают также и D-аспартат L-аспартат. Пузырьковый переносчик глутамата обладает другими свойствами: источником энергии для его работы является протонный градиент; он селективен к L-глутамату.

Схема глутаматергической передачи

Схема взаимодействия ионотропных и метаботропных рецепторов в функции нейрона Глутамат высвобождается из пресинаптического окончания и взаимодействует с ионотропными (и. Глу. Р) и метаботропными (м. Глу. Р) рецепторами (I, II и III) в зависимости от того, с какими вторичными мессенджерами они связаны инозитолтрифосфатом, (IP 3), циклическим АМФ, (с. АМР), ионами кальция и ферментом аденилатциклазой (АС). Эти мессенджеры активируют различные внутриклеточные киназы (в том числе протеинкиназу С, РKС), регулирующие проницаемость ионных каналов постсинаптической мембраны. Избыточная продукция вторичных мессенджеров приводит к нейротоксичности. Метаботропные рецепторы группы I увеличивают высвобождение глутамата, а групп II и III - уменьшают его.

Постсинаптические механизмы кратковременной синаптической пластичности 1. Повышение (потенциация) чувствительности постсинаптических рецепторов к медиатору

Постсинаптические механизмы кратковременной синаптической пластичности 2. Снижение (десенситизация) чувствительности постсинаптических рецепторов к медиатору Во время непрерывного длительного воздействия высоких концентраций медиатора чувствительность постсинаптических рецепторов снижается; Десенситизация соответствует инактивации Na-каналов; Для описания десенситизации в уравнение, описывающее изменение проводимости при взаимодействии медиатора с рецептором: R + n. A ↔ RAn ↔ *( RAn), где n – число молекул медиатора, связывающихся с одним рецептором, при n >1, связывание медиатора с рецептором происходит кооперативно, т. е. кривая синаптического тока идет круто вверх (предупреждает возможность взаимодействия низких концентраций в отсутствии квантового выброса); RAn ↔ *( RAn) – отражает сдвиг проводимости , т. е. открывание постсинаптического ионного канала. следует включить неактивное состояние рецептора, аналогичное инактивационному состоянию потенциалзависимого канала: R + n. A ↔ RAn ↔ *( RAn)1 ↔ *( Rаn)2 Открытое состояние Инактивированное состояние Закрытое состояние