Часть №2

2. Синаптическая передача
Алексей Семьянов
Морфология: Четырехчастный синапс
1. Пресинаптическая
терминаль аксона –
специализированное
аксональное
расширение
2. Синаптическая щель
4. Астроцит
3. Постсинаптический
аппарат
постсинаптическое
уплотнение, шипик и т.д.
2
2.1 Пресинаптические механизмы
Вариабельность синаптической квантовой амплитуды
Синаптическая квантовая теория – нейропередатчик
высвобождается дискретно, в виде квантов (порций)
Неодинаковая величина концентрации нейропередатчика благодаря неоднородному:
Объему
везикул?
Наполнению
везикул?
Высвобождению
передатчика?
Различному
Месту
высвобождения? числу везикул?
4
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
5
Методы измерения везикулярного высвобождения
нейропередатчика
•
Емкостной метод
•
Амперометрия
•
FM флуоресцентные индикаторы
Электрическая емкость мембраны определяется ее поверхностью,
которая увеличивается при слиянии везикулы
Окисление высвободившегося нейропередатчика на угольном
электроде приводит к генерации электрического тока
Оптический метод, когда везикулы заполняются флуоресцентным
индикатором и наблюдается снижение их флуоресценции при
высвобождении нейропередатчика
6
Емкостной метод измерения высвобождения
нейропередатчика
Электрическая емкость мембраны определяется при измерении
константы затухания тока при сдвиге потенциала мембраны
7
Различные типы высвобождения нейропередатчика –
различная динамика изменения ёмкости
2s
•
•
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
8
Цикл синаптических везикул: кластеризация и докинг
Везикулы наполненные нейропередатчиком образуют кластер в
районе активной зоны
Докинг – расположение везикул непосредственно в активной зоне
9
Цикл синаптических везикул: прайминг и пора слияния
Прайминг – подготовка везикул к высвобождению. Повышение Ca2+ в
результате прихода потенциала действия приводит к открытию поры
слияния (fusion pore) между такими везикулами и плазматической
мембраной. Нейропередатчик покидает везикулу через эту пору.
10
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
11
Этапы цикла синаптических везикул
После или во время рециркуляции везикула заполняется нейропередатчиком
Одиночная синаптическая везикула содержит ~5000 молекул
нейропередатчика.
Движущей силой служит градиент протонов
12
Синаптическая везикула
• Синаптические везикулы имеют одинаковые размеры (40-50 нм)
• Квантовое высвобождение приводит к небольшому
постсинаптическому сигналу (миниатюрному ВПСП/Т или
ТПСП/Т)
• Спонтанное квантовое высвобождение происходит не часто, но
синхронизуется и ускоряется при приходе ПД в пресинаптическую
терминаль.
13
Устройство синаптической везикулы
Первые открытые белки синаптической везикулы:
синапсин I, синаптофизин и синаптобревин (VAMP1)
Синапсин связывает
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 SV2 и
синаптофизина не
известны
14
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
15
SNARE и действие токсинов
Бутулотоксин и столбнячный токсин (тетеноспазмин) – протеазы
“разрезающие” белки SNARE комплекса
16
Высвобождение везикул: кальциевая гипотеза
•
Высвобождение нейропередатчика зависит от Ca2+
•
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 входа 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.
17
Микродомены повышения Ca2+ запускают экзоцитоз
Микродомены с высокой концентрацией
Ca2+ (свыше 100 µМ) формируются рядом к
Ca2+ каналами
•
(А) Модель кальциевой динамики в
терминали (разрез). Концентрация Ca2+
повышается до 800 µМ рядом с каналом,
но уже в 50 нм опускается ниже 100 µМ
•
(B) В активной зоне потенциал действия
открывает лишь часть каналов, вокруг
которых возникают микродомены
высокого Ca2+ . 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 Ca2+ немного выше
чем до ПД. Она нормализуется через
несколько сотен миллисекунд если не
придет новый потенциал действия.
18
Регуляция поры слияния
•
Вероятность формирования поры слияния регулируется
•
Время открытия поры слияния регулируется
•
Сдвиг режимов полный экзоцитоз в“kiss-and-run”
– Внутриклеточным Ca2+
– Форболовый эфир
– Синаптотагмином I/IV
– Динамином
–
–
–
–
Высокий внутриклеточный Ca2+
Стауроспорин (ингибитор протеинкиназ)
Форболовый эфир
Munc-13
19
Чем заполнены везикулы
Нейропередатчики
(нейротрансмиттеры)
Ацетилхолин
Норадреналин
Серотонин
Дофамин
Глицин
γ−аминомасляная
кислота (ГАМК)
• Глутамат
• Пептиды
• Оксид азота
•
•
•
•
•
•
Принцип Дейла
Один нейрон
высвобождает
только один
нейропередатчик
Показаны отступления
от этого принципа
(высвобождение
глицина и ГАМК,
ГАМК и глутамата и
т.д.)
Названия синапсов ГАМКергический, глутаматергический, глицинергический
и т.д. (но холинергический)
20
Схема ГАМКергической передачи
Обратный захват и инактивация ГАМК в глии
21
Схема гутаматергической передачи
22
Холинергическая передача
Инактивация ацетилхолина во внеклеточном пространстве
23
Постсинаптические потенциалы
Вызванные постсинаптические
потенциалы
Возникают в ответ на синаптическое
высвобождение нейропередатчика
синхронно активированными
синапсами
Их амплитуда определяется набором
факторов, в частности числом
активированных синапсов (есть
вероятность высвобождения
нейропередачтичка в синапсе 0-1).
Следствие: изменение вероятности
высвобождения нейропередатчика
можно определить по изменению
амплитуды постсинаптического
потенциала
24
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
25
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
26
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
Буферирование нейропередатчика транспортерами
28
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
29
Буферирование нейропередатчика транспортерами
That is, glutamate binds to glutamate
transporters with 'on' rates in the range
106–107 M-1 s-1, thereby ensuring fast
glutamate sequestration.
Once bound, glutamate is either
transported or released back into the
extracellular space.
The likelihood of unbinding versus
transport is known as the 'capture
efficiency', and has been determined by
kinetic modelling to be approximately
0.5 for EAAT1–3
Anastassios V. Tzingounis & Jacques I. Wadiche
Nature Reviews Neuroscience 8, 935-947 (December 2007)
30
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)
32
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
33
Глутаматергический синапс
• Самый распространенный и гетерогенный синапс (разные типы
шипиков) в ЦНС
• Содержит в различной пропорции NMDA, AMPA, каинатные и
mGluR рецепторы
• Показано субсинаптическое группирование рецепторов
глутамата (NMDA и АМПА рецепторы в постсинаптическом
уплотнении, mGluRs в перисинаптической зоне)
34
Организация глутаматергического постсинапса
Различные белки связанные с постсинаптическими рецепторами
образуют постсинаптическое уплотнение
35
Постсинаптическое уплотнение
Фотография полученная с помощью электронного микроскопа
36
Микрофотографии симметричного и ассиметричного
синапсов
ГАМКергический симметричный
сидячий синапс
(отсутствует постсинаптическое
уплотнение)
Глутаматергический асимметричный
шипиковый синапс
37
Трехмерная реконструкция дендритных шипиков
38
Типы дендритных шипиков
Шипик имеет шейку и головку
На головке шипика расположена активная зона (место контакта с
пресинаптической терминалью)
39
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
40
Дендритная компартментализация нейрона
Компартмент – участок нейрона относительно изолированный
от других участков (химически, электрически)
•
•
•
•
Шипик
Кластер шипиков
Дендритная ветка
Дендритный регион
41
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)
43
Метаболическая функция астроцитов
•
•
•
•
Синтез глутамина
Поглощение аммония
Разложение гликогена до лактата
Поглощение свободных радикалов
44
Сигнальная функция астроцитов
•
•
•
кальциевые сигналы
контроль кровотока
высвобождение глиопередатчиков
45
Кальциевые сигналы в нейронах и астроцитах in vivo
46
Астроцитарные ножки «оборачивают сосуд»
47
Трофическая функция астроцитов
•
•
Высвобождение трофических факторов влияющих на рост нейронов,
формирование новых синапсов
Экспрессия притягивающих или отталкивающих молекул
направляющих аксон
48