Диффузная передача сигнала
DESCRIPTION
Диффузная передача сигнала. Лекция 4. Диффузная передача сигнала. Локальная диффузная передача. Определения Агнати и Фуксе объемная передача - тип передачи не основанный на специализированной структурной организации - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/1.jpg)
Диффузная передача сигналаДиффузная передача сигнала
Лекция 4
![Page 2: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Диффузная передача сигнала Диффузная передача сигнала
1986 год Луиджи Агнати и Кжел Фуксе дают определение объемной передачи (диффузия нейропередатчиков через объем нервной ткани)
1994 год Дмитрий Кульман описывает «спиловер» глутамата. Часть нейропередатчика, не смотря на обратный захват, покидает синаптическую щель и может активировать рецепторы на соседних синапсах
1994 год Владимир Парпура с соавторами экспериментально продемонстрировали, что глутамат высвобождаемый астроцитами активирует нейроны
1996 год Мария Усович, Стивен Брикли, Марк Фаррант, демонстрируют тоническую (постоянную) активацию внесинаптических ГАМКА рецепторов за счет внеклеточной ГАМК
![Page 3: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Локальная диффузная передачаЛокальная диффузная передача
Определения Агнати и Фуксе
объемная передача - тип передачи не основанный на специализированной структурной организации
передача от «точки-к-точке» - тип передачи сигнала основанный на специализированной структурной организации (синапс, плотный контакт)
• Агнати и Фуксе не учли локальных диффузных взаимодействий между клетками мозга, анизотропию диффузии и захвата нейропередатчика
локальная диффузная передача – тип передачи сигнала вне синаптических контактов, но ограниченный и регулируемый локальной внесинаптической организацией
![Page 4: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/4.jpg)
Модуляция синаптической передачиМодуляция синаптической передачи
Лекция 4.1
![Page 5: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/5.jpg)
5
Типы модуляцииТипы модуляции
• Пресинаптическая модуляция– Снижение вероятности высвобождения нейропередатчика
(пресинаптические mGluR, ГАМКБ ГАМКА рецепторы)
– Повышение вероятности высвобождения нейропередатчика (пресинаптические каинатные, NMDA, никотиновые рецепторы)
• Постсинаптическая модуляция– Активация модуляторных сайтов на постсинаптических рецепторах
эндогенными модуляторами (Эндозипины – усиливают функцию ГАМКА, глицин – функцию NMDA рецепторов)
– Активация рецепторов на постсинаптическом нейроне за пределами данного синапса
![Page 6: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Рецепторы глутаматаРецепторы глутамата
Схема распределения рецепторов глутамата (может отличаться в зависимости от типа синапса)
NMDA и AMPA рецепторы сконцентрированы постсинаптически в активной зоне, а метаботропные рецепторы пресинаптически или экстрасинаптически
Каинатные и ионотропные экстрасинаптические рецепторы не показаны
![Page 7: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Пути активации модулирующих рецепторовПути активации модулирующих рецепторов
![Page 8: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/8.jpg)
8
СпиловерСпиловер
Спиловер (spill – разливаться, over – через: перелив) – нейропередатчик покидает синаптическую щель и растекается во внеклеточном пространстве на некоторое расстояние
![Page 9: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Спиловер активирует высокоаффинные рецепторы Спиловер активирует высокоаффинные рецепторы
Зависимость максимальной вероятности открытия канала от расстояния до места высвобождения синаптического нейропередатчика
Данные нормированы к Po,max cleft - вероятности высвобождения нейропередатчика в синаптической щели
D – коэффициент диффузии
NMDA рецепторы обладают более высокой аффинностью и активируются спиловером на большем расстоянии от синапса, чем AMPA рецепторы
![Page 10: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Различные модели спиловераРазличные модели спиловера
(а) возможна активация высокоаффинных рецепторов на соседнем синапсе
(b) рецепторы на далеких синапсах не активируются
(с) свойство кооперативности
![Page 11: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Спиловер и внесинаптические Спиловер и внесинаптические NMDA NMDA рецепторырецепторы
• Спонтанное (несинхронизированное) высвобождение глутамата: транспортеры быстро захватывают нейропередатчик
• Если высвобождение происходит синхронизовано в соседних синапсах, то достигается достаточная концентрация глутамата для активации внесинаптических NMDA рецепторов
![Page 12: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Направленность спиловера на пресинапсНаправленность спиловера на пресинапс
Ножки астроцитов преимущественно находятся на стороне постсинапса. Они обладают высокой плотностью транспортеров глутамата, что ведет к низкой концентрации глутамата со стороны постсинапса.
600 nm
![Page 13: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Модель Модель LTP LTP в в ““молчащихмолчащих”” синапсах синапсах
(A) “Молчащие” синапсы – экспрессируют только NMDA, но не AMPA рецепторы. После LTP происходит экспрессия AMPA рецепторов.
(B) Глутамат может растекаться (спиловер) от одного синапса к другому, приводя к активации NMDA (но не низкоаффинных AMPA) рецепторов. Если такой синапс был “молчащим” из-за невозможности пресинаптического высвобождения, LTP приводит к высвобождению вторичных посредников на пресинаптическую терминаль и позволяет нейропередатчику высвобождаться.
![Page 14: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/14.jpg)
14
Гетеро- и гоморецепторная модуляцияГетеро- и гоморецепторная модуляция
• Гоморецепторы – модулирующие рецепторы к тому же типу нейропередатчика, который высвобождается в этом синапсе
• Ауторецепторы – гоморецепторы, которые активируются нейропередатчиком высвобождающимся данным синапсом
• Гетерорецепторы - модулирующие рецепторы к другому типу нейропередатчика, чем тот что высвобождается в этом синапсе
![Page 15: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Пример гетерорецепторной модуляцииПример гетерорецепторной модуляции
““ПереговорыПереговоры”” между между ГАМКергическим и ГАМКергическим и глутаматергическим глутаматергическим синапсамисинапсами
![Page 16: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/16.jpg)
Локальная диффузная Локальная диффузная нейропередачанейропередача
Лекция 4.2
![Page 17: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Внесинаптическая передача сигналов в мозгеВнесинаптическая передача сигналов в мозге
Внесинаптическая диффузная передача
1. Связь синаптически несвязанных сетей(в том числе нейрональной сети с глиальной)
2. Пластичность(адаптация и хранение информации)
![Page 18: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Механизмы локальной диффузной передачиМеханизмы локальной диффузной передачи
Различные источники
1. Синаптический спиловер и невезикулярное высвобождение
2. Высвобождение передатчика нейронами и глией
Высоко-аффинные рецепторы
1. Клеточная специфичность
2. Субклеточное распределение
3. Биофизические свойства (медленная кинетика десенситизации)
Диффузия и захват
1. Расстояние
2. Анизотропия диффузии
3. Плотность транспортеров
Аксоная терминаль
(расширение)
Синаптическаящель
Постсинаптическиерецепторы
астроцит
![Page 19: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/19.jpg)
19
Источники внеклеточного передатчикаИсточники внеклеточного передатчика
![Page 20: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Ширина синаптической щели и внесинаптического Ширина синаптической щели и внесинаптического пространствапространства
Щель и пространство – маленькое и большое?Внесинаптическая щель!
300 нм
![Page 21: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/21.jpg)
21
ДиффузияДиффузия
• Геометрия, извилистость• Поправка коэффициента диффузии на наличие крупных белковых
молекул• Электродиффузия заряженных нейропередатчиков
![Page 22: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Анизотропия диффузииАнизотропия диффузии
Параметры определяющие диффузию:• Фракция объема = внеклеточное пространство / общий объем• ИзвилистостьПоскольку они различаются в разных направлениях нервной ткани –
диффузия анизотропна
Анизотропия – неравномерность в различных направлениях
![Page 23: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/23.jpg)
23
Обратный захватОбратный захват
Функции• Прекращение синаптической передачи
(дискретизация событий)• Сбор нейропередатчика для
последующего высвобождения
Типы• Захват нейропередатчика связанный со
входом Na+ и выходом K+ (глутамат)• Захват нейропередатчика связанный со
входом Na+ и Cl- (ГАМК, глицин, адреналин, серотонин, дофамин)
Захват нейропередатчиков как правило электрогенный
• Может быть перенаправлен при деполяризации
• Может быть механизмом высвобождения нейропередатчика
• Может вовлекаться в цитотоксические (нейродегенеративные) эффекты высвобождения нейропередатчика (глутамат)
• Транспортеры являются мишенью для лекарственных препаратов и наркотиков
![Page 24: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Синаптические и внесинаптические рецепторыСинаптические и внесинаптические рецепторы
Синаптические рецепторы
Внесинаптические рецепторы
Плотность Высокая Низкая
Афинность Низкая Высокая
Кинетика десенситизации
Быстрая Медленная
Взаимодействие с внутриклеточными белками
Связаны с внутриклеточными
белками удерживающими
рецептор в синапсе (скафолд белками)
Взаимодействия не известны
Фармакологические свойства
Как правило состоят из различных субъединиц
![Page 25: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Гипотеза латеральной диффузии рецепторовГипотеза латеральной диффузии рецепторов
Происходит обмен рецепторов между синаптическим, внесинаптическим и внутриклеточным компартментами.
Внесинаптические рецепторы могут закрепляться в синапсах за счет скафолд белков
Внесинаптические рецепторы могут обмениваться с внутриклеточным пулом путем встраивания в мембрану и интернализации.
Внутриклеточный пул вовлекается в синтез рецепторов, транспорт, рециркуляцию и деградацию
Даниел Шоке, 2005
Пулы рецепторов• Синаптический• Внесинаптический• Внутриклеточный
![Page 26: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Модель диффузии рецепторов в мембранеМодель диффузии рецепторов в мембране
• Модель обмена рецепторов между дисперсным (свободная диффузия) и кластеризованным (ограниченное движение) состояниями.
• Коэффициенты входа и выхода из кластеров kon и koff: рецепторы ходят в кластер, притягиваются скафолд белками и отталкиваются от цитоскелетных и трансмембранных белков.
Даниел Шоке, 2005
![Page 27: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Латеральные перемещения рецепторовЛатеральные перемещения рецепторов
• Изменение синаптической силы
• Изменение внесинаптического рецепторного пула
• Субклеточное перераспределение внесинаптических рецепторов (передислокация)
![Page 28: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/28.jpg)
Высвобождение глутамата Высвобождение глутамата астроцитамиастроцитами
Лекция 4.3
![Page 29: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Фотоактивация молекулФотоактивация молекул
Фотоактивация молекул – перевод молекулы из неактивного состояния в активное с помощью энергии света
Связанный Ca2+ Свободный Ca2+
УФ лазер
Связанныйглутамат
Свободныйглутамат
УФ лазер
Преимущества метода – локализованный в пространстве и времени химический сигнал для клетокОсобенно полезен для работы с глиальными клетками, которые не являются электровозбудимыми
![Page 30: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Фотоактивация кальция в глиальных клеткахФотоактивация кальция в глиальных клетках
• Астроциты заполнялись связанным Ca2+, который потом активировался с помощью УФ лазера
• Повышение кальция детектировалось с помощью флуоресцентного Ca2+ чувствительного индикатора
Ряд последовательных вспышек УФ лазера – комулятивное увеличение Са2+
![Page 31: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/31.jpg)
31
Увеличиение кальция в астроците приводит к увеличению Увеличиение кальция в астроците приводит к увеличению синаптическогов высвобождения ГАМКсинаптическогов высвобождения ГАМК
• Наложенные записи кальциевого сигнала в астроците и запись спонтанных синаптических ответов в расположенном рядом нейроне
• Частота синаптических ответов в нейроне значительно повышается
![Page 32: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Астроцит высвобождает глутамат который действует на Астроцит высвобождает глутамат который действует на аксональные каинатные рецепторыаксональные каинатные рецепторы
В астроците поднимается концентрация кальция
Астроцит высвобождает глутамат
Глутамат диффундирует и активирует каинатные рецепторы на аксоне ГАМКергического нейрона
Увеличивается частота потенциалов действия в аксоне и синаптическое торможение возбуждающего нейрона
УФ лазер
Запись электрической активности
![Page 33: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/33.jpg)
Тонический ГАМКергический Тонический ГАМКергический токток
Лекция 4.4
![Page 34: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Режимы активации ГАМКРежимы активации ГАМКАА рецепторов рецепторов
(a) Высвобождение одиночной везикулы в пресинаптической терминали активирует только рецепторы кластеризованные непосредственно напротив. Форма тока соответствует миниатюрному ТПСТ
(b) Потенциал действия приводит к высвобождению множества везикул из соседних терминалей, усиливая спиловер ГАМК и активацию перисинаптических и экстрасинаптических рецепторов. Форма тока соответствует вызванному ТПСТ.
(c) Небольшая концентрация ГАМК находится во внеклеточном пространстве. Она ведет к тонической активации высокоаффинных внесинаптических рецепторов.
![Page 35: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/35.jpg)
35
Срезы гиппокампаСрезы гиппокампа
CA 1
CA 3
DG
+ Отсутствуют артефакты связанные с дыханием и сердцебиением как in vivo
+ контролируемые условия (температура, фармакология, ионный состав)
+ возможность записи с множественными электродами
+ сохраняется геометрия внеклеточного пространства (в отличие от культур клеток)
![Page 36: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Записи с целой клетки с режиме фиксации Записи с целой клетки с режиме фиксации потенциалапотенциала
-60 mV
GABAAreceptors
EGABA ECl 15 mM [Cl-]
Cl-
-80 mV
-60 mV
150 mM [Cl-]
GABAA
receptors
EGABA ECl 0 mV
Cl-
Amplifier
CA1
CA3
DG
1. Идентификация клетки 2. Фиксация потенциала и ионов
150 mM [Cl-]o
IR-DIC image
![Page 37: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Регистрация спонтанных ТПСТРегистрация спонтанных ТПСТ
0.5 с
100 пA
Фармакологическая изоляция ГАМКергических ТПСТ
Антагонисты
D-APV (50 μM) – NMDA рецепторы
NBQX (25 μM) –AMPA/каинатные рецепторы
CGP52432 (5 μM) – ГАМКB рецепторы+ пикротоксин (PTX, 100 M)
![Page 38: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Измерение ГАМКергического тонического токаИзмерение ГАМКергического тонического тока
100 M PTXконтроль
0.5 s
100 pA
Тонический ток
Semyanov et al. Nature Neurosci. 2003
Тонический ток регистрируется как изменение тока фиксации нейронов при добавлении антагонистов ГАМКА рецепторов
![Page 39: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Тонический ток изменяет передаточную Тонический ток изменяет передаточную характеристику нейроновхарактеристику нейронов
Semyanov et al. Nature Neurosci. 2003
control, I inject = 15 pA
picrotoxin, 100 M
0.5 s50 mV 0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Ihold, pA
AP
fre
q, n
orm
![Page 40: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/40.jpg)
40
Как регулируется тонический токКак регулируется тонический ток
Все нейроны мозга имеют разную величину тонического тока,которая регулируется:
• Высвобождением ГАМК • Обратным захватом ГАМК• Наличием или отсутствием внесинаптических ГАМК
рецепторов• Плотностью рецепторов и их биофизическими свойствами
![Page 41: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Тонический ток влияет на прохождение сигнала в Тонический ток влияет на прохождение сигнала в нейрональной сетинейрональной сети
Semyanov et al. Nature Neurosci. 2003
Снижение во внеклеточной концентрации ГАМК
Снижение тонического торможения интернейронов
Увеличение синаптического торможения принципиальных нейронов
++
В гиппокампе тонический ток отсутствует в принципиальных нейронах,но есть в тормозных интернейронах
![Page 42: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/42.jpg)
42
Модуляция экстрасинаптических ГАМКА рецепторов Модуляция экстрасинаптических ГАМКА рецепторов нейроактивными стероидаминейроактивными стероидами
Нейроактивные стероиды синтезируются нейронами и глией или генерируются в результате метаболизма прекурсоров на переферии.
![Page 43: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/43.jpg)
43
НейростероидогенезНейростероидогенез
Глиальный нейростероидогенез:
Холестерол захватывается митохондриями
Прегненолон
Прогестерон
5α-дигидропрогестерон (5α-DHP)
3α,5α- тертагидропрогестерон (3α,5α-THP; аллопрегнанолон)
3α,5α-THP высвобождается глиальными клетками и модулирует внесинаптические ГАМКА рецепторы.
Другой стероид аллотетрагидродеоксикортикостерон (THDOC) синтезируется как переферически, так же и в мозге из предшественников.
![Page 44: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/44.jpg)
44
Модуляция экстрасинаптических ГАМКА рецепторов Модуляция экстрасинаптических ГАМКА рецепторов нейроактивными стероидаминейроактивными стероидами
Низкие концентрации THDOC увеличивают величину тонического тока в гранулярных нейронах мозжечка, но оказывают небольшой эффект на ТПСТ
![Page 45: Диффузная передача сигнала](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/568145ea550346895db2ebf3/html5/thumbnails/45.jpg)
45
Свойства ГАМКергического тонического токаСвойства ГАМКергического тонического тока
• Суммарный заряд переносимый тоническим током может значительно превышать суммарный заряд переносимый ТПСТ
• Тонический ток обеспечивает шунтирующее торможение
• Обладает клеточной специфичностью, что играет важную роль в регуляции прохождения сигналов в нейронной сети
• Эндогенные модуляторы могут изменять величину тонического тока