1 trasmissione sinaptica. 2 corteccia visiva umana schema di un circuito elettrico
TRANSCRIPT
1
Trasmissione Sinaptica
2
Corteccia visiva umana Schema di un circuito elettrico
3
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
4
Bastoncello
Cono
Sinapsi cito-neurali
Cellula orizzontale
Cellula bipolare
Sinapsi interneuroniche
Cellula gangliare nervo ottico
Neuroni della retina
5
Assone
Placca motrice
Fibra muscolare
Sinapsi neuro-muscolare
6
Parti di due neuroni
direzione del flusso di informazione
dendriti
Terminaleeccitatorio
corpocellulare
nucleo
assone
Terminalepresinaptico dendrite
postsinaptico
Terminaleinibitorio
Terminalepresinaptico
Neuronepostsinaptico
Neuronepresinaptico
7
8
Trasmissione sinaptica in azioneTrasmissione sinaptica in azione
9
La sinapsi è un punto di elaborazione dell’informazione
Un cervello umano adulto contiene ~1011 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 !!!
-
neurone presinaptico Neurone postsinaptico
10
citosol
recettore
citosol Fessura sinaptica
recettore
recettore
La chimica è uno dei linguaggi del sistema nervoso, p.es. a livello delle sinapsi
Terminalepresinaptico
Dendritepostsinaptico
direzione del flusso d’informazione
Molecole di trasmettitorein vescicole sinaptiche
11
Immagine al microscopio elettronico di una porzione di sinapsi
vescicole sinaptiche
terminale presinaptico
dendrite postsinaptico
12
citosol
recettore
citosol
recettore
recettore
La diffusione attraverso lo spazio sinaptico è rapidissima
50 nm
= 500 Å= 0.05 m
Tempo di diffusione: pochi s
Terminalepresinaptico
Molecole di trasmettitore
Fessura sinaptica
dendritepostsinaptico
direzione del flusso d’informazione
13
Neurotransmettitoree
ATP
(da 1,000 a 10,000 molecole di ciascuno)
Pompa H+-dipendentedel neurotransmettitore
citosol
Pompa protonica ATP-dipendente
~ isotonico!
Come si riempiono le vescicole sinaptiche
H+
H+
N
H+
citosol
Interno della vescicola
N
14
vescicola di serotonina
trasportatore vescicolare di serotonina proton-accoppiato
citosol
pompa protonica ATP-dipendente
spazio sinapticoTrasportatore della serotoninaattraverso la membrane cellulare Na+-accoppiato
MDMA
MDMA MDMA-H+
H+
MDMA (“ecstasy”) dissipa le riserve di H+ nelle vescicole, prevenendo il pompaggio di serotonina nelle vescicole
MDMA-H+
Gli acidi e le basi debolicorto-circuitano molte vescicole!
“falso substrato”per due
trasportatoriserotonina
vescicola depletata di serotonina
vescicola di serotonina
15
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
Come fa il neurotrasmettitore contenuto nelle vescicole a riversarsi nello spazio sinaptico?
16
vescicola ancorata
Impulso nerv.
canale per il Ca2+
voltaggio-dipendente
neurotrasmettitore
La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico
terminale presinaptico
spazio sinaptico
17
Ca2+
vescicola ancorata
neurotrasmettitoreImpulso nerv.
La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico
canale per il Ca2+
voltaggio-dipendente
terminale presinaptico
spazio sinaptico
18
vescicola fusa
Ca2+
neurotrasmettitore
La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico
terminale presinaptico
spazio sinaptico
19
zzz…
Terminale sinaptico a riposo
Vescicola sinaptica
Proteina di fusione
Proteina di legame dell’actinaActinaTrasmettitore
Proteina di fusione
Corpi densi
Canali del calcio
Proteina di allineamento
Recettori
Terminale presinaptico
Membrana postsinaptica
20
Terminale sinaptico durante l’eccitamento
Recettori
Trasmettitore
21
Sindrome di Lambert-Eaton
• Debolezza generalizzata
• Causata da anticorpi contro canali del Ca2+ pre-sinaptici
22
Modalità di estinzione del neurotrasmettitore:
• diffusione al di fuori della fessura sinaptica• scissione enzimatica• riassorbimento nella terminazione pre-
sinaptica
Il neurotrasmettitore agisce attivando il recettore postsinaptico per un tempo molto breve, dopo di che la
sua azione si estingue
23
Come agisce il neurotrasmettitore a livello della membrana
postsinaptica?
24
Recettore chiuso
AChaperto
Attivazione diretta di un canale da parte di un neurotrasmettitore
25
Recettori-canale
• Nicotinici (acetilcolina)
• GABAergici di tipo A (GABA)
• Glutamatergici (glutammato)
• Glicinergici (glicina)
26
citosol
recettorepostsinaptico
serotoninergicoaccoppiato a proteine G
recettorepostsinaptico
dopaminergicoaccoppiato a proteine G
vescicole contenentiserotonina
vescicole contenentidopamina
NH
HO NH3+
HO
HO
H2C
CH2
NH3+
citosol
fessurasinaptica
Alcune membrane postsinaptiche contangono recettori accoppiati a
G proteine invece di canali chemio-dipendenti
citosol
27
Chiusura di un canale per azione di un neurotrasmettitoremediante meccanismo indiretto
2 subunitàcatalitiche
2 subunitàregolatrici
chiuso
B
Recettore
Trasmettiotore
Lato extracellulare
Lato citoplasmatico
Adenilato ciclasi
aperto
A
28
Recettore
Trasmettitore chiuso
G-proteina
A
aperto
B
Apertura di un canale per azione di un neurotrasmettitoremediante meccanismo indiretto
29
Struttura di una sinapsi elettrica
Gap junction
connessioni
30
Studi elettrofisiologici delle sinapsi
Neurone presinaptico Neurone postsinaptico
31
V
Stimolazione di un neurone presinaptico che produce un potenziale d’azione
Misura della risposta postsinaptica
1 ms 5
mV
-60
+60
Un “potenziale sinaptico” sufficientemente intenso porta ad un potenziale d’azione postsinaptico
depolarizzazione del potenziale postsinaptico
(eccitatorio)
32
V
5 mV
Stimolazione di un neurone presinaptico che produce un potenziale d’azione
Misura delle risposte postsinaptiche “potenziali postsinaptici”
Come è possibile studiare il potenziale post-sinaptico senza l’eventuale contaminazione del potenziale d’azione?
33
Bottoni sinaptici a livello dei dendriti di un neurone
34
Nessun stimolo; eventi spontanei
Stimoli ripetuti ad un neurone presinaptico
5 mV
50 - 1000 canali (differiscono in sinapsi diverse).Contenuto di una singola vescicola.
Analisi della Trasmissione Sinaptica Quantale
0
0.1
0.2
0.3
0.4
1 2 3 4 5 6
Ampiezza delle Risposte Post-sinaptiche (mV)
Fra
zio
ne
del
le O
sser
vazi
on
i
Stimolati
Spontanei
1.0
0 1 2 3 4 5
35
Statistica binomiale del rilascio delle vescicole
nNpnpn
NnP
1)(
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 e p a volte cambiano durante la memorizzazione, l’apprendimento, e l’assunzione di droghe
36
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
37
sinapsi
Registrazioni del PPS in punti del dendrite a distanze crescenti dal punto in cui la sinapsi è stata attivata
V
x
Il potenziale postsinaptico è locale
tratto di dendrite
38
Il potenziale postsinaptico è graduale
39
Sommazione temporale
È il caso di un unico terminale presinaptico che libera neurotrasmettitore ad ondate successive
40
Sommazione spaziale e inibizione
È il caso di più terminali presinaptici che liberano neurotrasmettitore contemporaneamente
41
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.
42
Agonista: Nicotina
Antagonista: d-tubocurarina
L’acetilcolina
43
Myasthenia Gravis• Caratteristica: debolezza e affaticabilità
• Causata da un attacco autoimmune mediato da anticorpi ai recettori Ach nel muscolo.
Normale Myasthenia gravis
44
Due-terzi dei recettori a livello della giunzione neuro-
muscolare non sono disponibiliNormale Myasthenia gravis
assone
sito di rilascio
vescicole
terminale nervoso
recettori per l’Ach
acetilcolinesterasimuscolo
45
Agonista: Muscarina
Antagonista: Atropina
L’acetilcolina
46
Agonista: Acido -amino butirrico
Antagonisti: Recettore GABAA bicucullina
Il GABA è un importante neurotrasmettitore inibitorio
47Agonista: acido glutamico
Il glutammato è il principale trasmettitore eccitatorio nel cervello
Recettori: AMPA e NMDA
48
Il recettore NMDA conduce solo quando 1. Il potenziale di membrana è più positivo di -30 mV2. È presente il glutammato
esterno
interno
Potenziale d’azione più glutammato canale funzionante
Ca2+
-30 mV
(le concentrazioni intracell. di glutammato e Mg2+ sono trascurabili)
Il recettore NMDA è coinvolto nella plasticità sinaptica
49
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
50
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.
Induzione del PLT
51
Solo quando il blocco da Mg sui recettori NMDA viene rimosso e il Ca2+ può entrare attraverso il canale NMDA è possibile il PLT
Induzione del PLT
52
Stabilizzazione del PLT
a livello presinaptico
53
Stabilizzazione del PLT
a livello postsinaptico
54
Processi di rilascio
*PKC
AMPAR
NMDAR
fosforilazione
Ca++
Messaggeroretrogrado
*CaMK
*PKC
* = attivazione persistente
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
55
PLT tardivo (memoria a lungo termine)
Implica la sintesi di nuove proteine
cAMP
nucleoespressione
genica
CREB
MAPK
CaMK
spina dendrite
PKA
sintesi proteica
corpo cellulare
CREB = Cyclic AMP-Response Element Binding ProteinMAPK = mitogen-activated protein kinase
56
Una forte stimolazione ad alta frequenza genera un PLT di lunga durata
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)
1
PLT tardivo (a lunga durata)
57
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.
PLT precoce (a breve durata)
58
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
59
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
Due esempi di neuromodulatori