Trasmissione Sinaptica
1
Corteccia visiva umana
Schema di un circuito
elettrico
2
Una sinapsi è la giunzione tra due elementi cellulari
eccitabili che consente il passaggio di informazione
sottoforma di segnali elettrici
Tipi di connessioni sinaptiche:
• cito-neurale
• interneuronica
• neuro-muscolare
3
Neuroni della retina
Bastoncello
Cono
Sinapsi cito-neurali
Cellula orizzontale
Cellula bipolare
Sinapsi interneuroniche
Cellula gangliare
nervo ottico
4
Sinapsi neuro-muscolare
Assone
Placca motrice
Fibra muscolare
5
Parti di due neuroni
Neurone
presinaptico
Terminale
eccitatorio Terminale
inibitorio
Neurone
postsinaptico
Terminale
presinaptico
assone
dendriti
corpo
cellulare
nucleo
Terminale
presinaptico
dendrite
postsinaptico
direzione del flusso di informazione
6
7
Trasmissione sinaptica in azione
8
La sinapsi è un punto di elaborazione dell’informazione
neurone presinaptico
Neurone postsinaptico
-
~1011
Un cervello umano adulto contiene
neuroni,
ciascuno di questi potrebbe ricevere 103 sinapsi, per un totale di 1014 sinapsi.
La maggior parte di queste sinapsi si formano nei primi 2 anni di vita.
Quindi, in un feto e in un neonato si formano 1014 sinapsi/108 s = 106 sinapsi/s !!!
9
La chimica è uno dei linguaggi del sistema nervoso,
p.es. a livello delle sinapsi
citosol
Fessura
sinaptica
citosol
recettore
Terminale
presinaptico
Dendrite
postsinaptico
recettore
Molecole di trasmettitore
in vescicole sinaptiche
recettore
direzione del flusso d’informazione
10
Immagine al microscopio elettronico di una porzione di sinapsi
vescicole sinaptiche
terminale presinaptico
dendrite postsinaptico
11
La diffusione attraverso lo spazio sinaptico è rapidissima
citosol
Fessura
sinaptica
citosol
recettore
Terminale
presinaptico
dendrite
postsinaptico
50 nm
Molecole di trasmettitore
= 500 Å
= 0.05 mm
recettore
recettore
Tempo di diffusione: pochi ms
direzione del flusso d’informazione
12
citosol
N
Come si riempiono le vescicole sinaptiche
H+
Interno della
vescicola
citosol
Pompa protonica ATP-dipendente
H+
Neurotransmettitore
e
ATP
N
H+
Pompa H+-dipendente
del neurotransmettitore
(da 1,000 a 10,000 molecole
di ciascuno)
~ isotonico!
13
MDMA (“ecstasy”) dissipa le riserve di H+ nelle vescicole,
prevenendo il pompaggio di serotonina nelle vescicole
Gli acidi e le basi deboli
corto-circuitano molte
vescicole!
pompa protonica ATP-dipendente
citosol
trasportatore vescicolare
di serotonina proton-accoppiato
vescicola
vescicola
di
vescicola
depletata
di di
serotonina
serotonina
serotonina
H+
“falso substrato”
per due
trasportatori
MDMA
MDMA-H+
serotonina
MDMA-H+
Trasportatore della serotonina
attraverso la membrane cellulare
Na+-accoppiato
MDMA
spazio sinaptico
14
Come fa il neurotrasmettitore contenuto nelle
vescicole a riversarsi nello spazio sinaptico?
Le cellule hanno sviluppato sistemi elaborati per pompare il Ca2+ fuori
dalla cellula mantenendone bassa la concentrazione nel citosol
Un aumento transitorio e locale del Ca2+
intracellulare può essere usato per promuovere la
comunicazione cellulare
15
La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa
prima da un evento elettrico e poi da uno chimico
terminale presinaptico
vescicola ancorata
neurotrasmettitore
Impulso nerv.
canale per il Ca2+
voltaggio-dipendente
spazio sinaptico
16
La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa
prima da un evento elettrico e poi da uno chimico
terminale presinaptico
Ca2+
Impulso nerv.
vescicola ancorata
neurotrasmettitore
canale per il Ca2+
voltaggio-dipendente
spazio sinaptico
17
La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa
prima da un evento elettrico e poi da uno chimico
terminale presinaptico
vescicola fusa
Ca2+
neurotrasmettitore
spazio sinaptico
18
Terminale sinaptico a riposo
zzz…
Vescicola sinaptica
Proteina di fusione
Proteina di legame
dell’actina
Actina
Trasmettitore
Proteina di fusione
Corpi densi
Canali del calcio
Terminale presinaptico
Proteina di allineamento
Membrana postsinaptica
Recettori
19
Terminale sinaptico durante l’eccitamento
Trasmettitore
Recettori
20
Sindrome di Lambert-Eaton
• Debolezza generalizzata
• Causata da anticorpi contro canali
del Ca2+ pre-sinaptici
21
Il neurotrasmettitore agisce attivando il recettore
postsinaptico per un tempo molto breve, dopo di che la
sua azione si estingue
Modalità di estinzione del neurotrasmettitore:
•
•
•
diffusione al di fuori della fessura sinaptica
scissione enzimatica
riassorbimento nella terminazione presinaptica
22
Come agisce il neurotrasmettitore
a livello della membrana
postsinaptica?
23
Attivazione diretta di un canale
da parte di un neurotrasmettitore
Recettore
chiuso
ACh
aperto
24
Recettori-canale
•
Nicotinici (acetilcolina)
•
GABAergici di tipo A (GABA)
•
Glutamatergici (glutammato)
•
Glicinergici (glicina)
25
Alcune membrane postsinaptiche contangono recettori accoppiati a
G proteine invece di canali chemio-dipendenti
vescicole contenenti
serotonina
vescicole contenenti
dopamina
citosol
HO
NH
+
3
N
H
fessura
sinaptica
HO
H2
C
C
H2
NH
+
3
HO
recettore
postsinaptico
serotoninergico
accoppiato a proteine G
citosol
recettore
postsinaptico
dopaminergico
accoppiato a proteine G
citosol
26
Chiusura di un canale per azione di un neurotrasmettitore
mediante meccanismo indiretto
A
Trasmettiotore
B
aperto
Recettore
chiuso
Lato extracellulare
Lato citoplasmatico
Adenilato ciclasi
2 subunità
catalitiche
2 subunità
regolatrici
27
Apertura di un canale per azione di un neurotrasmettitore
mediante meccanismo indiretto
A
Trasmettitore
Recettore
B
chiuso
aperto
G-proteina
28
Struttura di una
sinapsi elettrica
Gap junction
connessioni
29
Studi elettrofisiologici delle sinapsi
Neurone presinaptico
Neurone postsinaptico
30
Stimolazione di un
neurone
presinaptico che
produce un
potenziale d’azione
Misura della risposta
postsinaptica
V
+60
Un “potenziale
sinaptico”
sufficientemente
intenso porta ad un
potenziale d’azione
postsinaptico
mV
-60
1
ms
5
depolarizzazione del
potenziale postsinaptico
(eccitatorio)
31
Stimolazione di un
neurone
presinaptico che
produce un
potenziale d’azione
Misura delle risposte postsinaptiche
“potenziali postsinaptici”
V
5 mV
Come è possibile studiare il potenziale postsinaptico senza l’eventuale contaminazione
del potenziale d’azione?
32
Bottoni sinaptici a livello dei dendriti di un neurone
33
Stimoli
ripetuti ad
un neurone
presinaptico
5 mV
Frazione delle Osservazioni
Analisi della Trasmissione Sinaptica Quantale
1.0
0.4
0.3
Stimolati
0.2
Spontanei
0.1
0
01
12
23
34
45
56
Ampiezza delle Risposte Post-sinaptiche (mV)
Nessun
stimolo; eventi
spontanei
50 - 1000 canali (differiscono in sinapsi diverse).
Contenuto di una singola vescicola.
34
Statistica binomiale del rilascio delle vescicole
N vescicole per terminale (3 in questo esempio)
p probabilità di rilascio per vescicola
Qual’è la probabilità P di rilasciare n vescicole?
(n = 2 per questo potenziale d’azione)
N
P ( n )  
n
 n
 p 1  p  N  n

N e p a volte cambiano durante la
memorizzazione, l’apprendimento, e
l’assunzione di droghe
35
Caratteristiche del potenziale post-sinaptico
1)
Ampiezza << del potenziale d’azione (< 10 mV)*
2)
Durata > del potenziale d’azione (>10 ms)*
3)
Può essere depolarizzante o iperpolarizzante (PPSE o PPSI)**
4)
E’ locale (non propagabile)
5)
E’ graduale
6)
E’ sommabile
*Ampiezza e Durata dipendono da:
a)
Quantità di neurotrasmettitore liberato
b)
Estensione della membrana su cui agisce il NT
**Il fatto che si tratti di un PPSE o di un PPSI dipende dal tipo di
recettore attivato
36
Il potenziale postsinaptico è locale
sinapsi
tratto di dendrite
V
x
Registrazioni del PPS in punti del dendrite a distanze crescenti dal
punto in cui la sinapsi è stata attivata
37
Il potenziale postsinaptico è graduale
38
Sommazione temporale
È il caso di un unico terminale
presinaptico che libera
neurotrasmettitore ad ondate
successive
39
Sommazione spaziale e inibizione
È il caso di più terminali
presinaptici che liberano
neurotrasmettitore
contemporaneamente
40
Quesito del giorno
Il neurone al centro riceve cinque terminali sinaptici da altrettanti neuroni ciascuno dei
quali forma più contatti sinaptici (il terminale f1 forma tre contatti, cinque f2, ecc.). Il
terminale f4 libera un neurotrasmettitore che genera potenziali postsinaptici inibitori,
mentre i potenziali postsinaptici generati dagli altri terminali sono eccitatori. Se il
potenziale di riposo del neurone bersaglio è –70 mV e la soglia di eccitamento è posta a –
55 mV, generando ciascuna sinapsi un potenziale postsinaptico di 1 mV in valore
assoluto, stabilire se quel neurone può generare un potenziale d’azione quando tutte le
sinapsi sono attivate contemporaneamente.
41
L’acetilcolina
Agonista: Nicotina
Antagonista: d-tubocurarina
42
Myasthenia Gravis
• Caratteristica: debolezza e affaticabilità
• Causata da un attacco autoimmune
mediato da anticorpi ai recettori Ach nel
muscolo.
Normale
Myasthenia gravis
43
Due-terzi dei recettori a livello
della giunzione neuromuscolare non sono disponibili
Myasthenia gravis
Normale
assone
vescicole
terminale
nervoso
sito di
rilascio
recettori
per l’Ach
muscolo
acetilcolinesterasi
44
L’acetilcolina
Agonista: Muscarina
Antagonista: Atropina
45
Il GABA è un importante neurotrasmettitore inibitorio
Agonista: Acido g-amino butirrico
Antagonisti: Recettore GABAA bicucullina
46
Il glutammato è il principale trasmettitore
eccitatorio nel cervello
Recettori: AMPA e NMDA
Agonista: acido glutamico
47
Il recettore NMDA conduce solo quando
1. Il potenziale di membrana è più positivo di -30 mV
2. È presente il glutammato
(le concentrazioni intracell. di glutammato e Mg2+ sono trascurabili)
Potenziale d’azione
più
glutammato
canale funzionante
Ca2+
-30 mV
esterno
interno
Il recettore NMDA è coinvolto nella plasticità sinaptica
48
Il Potenziamento a Lungo Termine (PLT)
come modalità di memorizzazione
Consiste in una facilitazione della trasmissione dell’eccitamento
nelle giunzioni sinaptiche.
Si realizza in due fasi:
 Induzione del PLT
 Stabilizzazione del PLT
49
Induzione del PLT
Quando il recettore AMPA è attivato ma il recettore NMDA bloccato, la
sinapsi funziona perfettamente, viene prodotta una normale risposta
postsinaptica, ma non può essere potenziata.
50
Induzione del PLT
Solo quando il blocco da Mg sui recettori NMDA viene rimosso e il
Ca2+ può entrare attraverso il canale NMDA è possibile il PLT
51
Stabilizzazione del PLT
a livello presinaptico
52
Stabilizzazione del PLT
a livello postsinaptico
53
PLT precoce (memoria a breve termine)
Le proteinchinasi attivate agiscono su proteine preesistenti in attesa di
essere attivate. Ad es., fosforilazione di recettori AMPA  risposta
postsinaptica più intensa a parità di glutammato liberato
fosforilazione
AMPAR
*CaMK
Processi
di rilascio
*PKC
*PKC
NMDAR
Ca++
Messaggero
retrogrado
*
= attivazione persistente
54
PLT tardivo (memoria a lungo termine)
Implica la sintesi di nuove proteine
spina
dendrite
cAMP
CaMK
MAPK
PKA
sintesi
proteica
CREB
corpo
cellulare
nucleo
espressione
genica
CREB = Cyclic AMP-Response Element Binding Protein
MAPK = mitogen-activated protein kinase
55
PLT tardivo (a lunga durata)
Una forte stimolazione ad alta frequenza genera un PLT di lunga durata
1
 La forte stimolazione porta alla creazione di un’etichetta molecolare
sulla sinapsi (1)
 Inoltre innesca processi molecolari (2)
 che attivano geni all’interno del nucleo (3)
 Le proteine sintetizzate (4) si rivelano efficienti solo presso quei siti dove
si era prodotta l’etichetta (5)
56
PLT precoce (a breve durata)
Una SAF debole induce una forma di PLT di breve durata (PLT
precoce) che non sollecita l’espressione genica né la sintesi proteica.
Induce tuttavia la creazione dell’etichetta.
57
Il PLT precoce può
trasformarsi in un
PLT tardivo
attraverso la
coincidenza della
SAF debole
applicata a una via
nervosa con la SAF
forte collegata ad
un’altra.
Ciò è possibile
perché la SAF
debole crea
comunque
un’etichetta
riconosciuta dalle
proteine prodotte
dalla SAF forte
dall’altra via
nervosa.
Ciò può portare a:
 Consolidamento della connessione col terminale presinaptico:
• a livello postsinaptico rendendo disponibili più recettori AMPA
• a livello presinaptico rendendo più efficiente il rilascio di neurotrasmettitore
 Sviluppo contingente di nuove sinapsi mediante liberazione di neurotrofine dalla
cellula postsinaptica
58
Due esempi di neuromodulatori
Dopamina: interviene a livello del SNC nella regolazione
dei fenomeni comportamentali e dell’umore
Inibizione: cura di depressione e schizofrenia
Facilitazione eccessiva (anfetamine): sintomatologie di tipo
schizofrenico
Scarsa produzione: morbo di Parkinson
Serotonina: interviene a livello del SNC abbassando il
livello di attività dei centri encefalici e regolando i fenomeni
percettivi
Inibizione: cura della depressione
Attivazione eccessiva (LSD): allucinazioni
59
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Sinapsi