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Come agisce il neurotrasmettitore a livello della membrana

postsinaptica?

2

Recettore chiuso

AChaperto

Attivazione diretta di un canale da parte di un neurotrasmettitore

3

Recettori-canale

(recettori ionotropici)

• Nicotinici (acetilcolina)

• GABAergici di tipo A (GABA)

• Glutamatergici (glutammato)

• Glicinergici (glicina)

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Recettore

Trasmettitore chiuso

G-proteina

A

aperto

B

Apertura di un canale per azione di un neurotrasmettitoremediante meccanismo indiretto

(recettori metabotropici)

È coinvolta una proteina G eterotrimerica

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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

6

Registrazioni del PPS in punti del dendrite a distanze crescenti dal punto in cui la sinapsi è stata attivata

Il potenziale postsinaptico è locale

sinapsi

tratto di dendrite

V

x

7

Il potenziale postsinaptico è graduale

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Sommazione temporale

È il caso di un unico terminale presinaptico che libera neurotrasmettitore ad ondate successive

PPS troppo distanziati temporalmente: Indipendenti, non c’è sommazione

PPS ravvicinati temporalmente: c’è sommazione

V

V

9

Sommazione spaziale e inibizione

È il caso di più terminali presinaptici che liberano neurotrasmettitore contemporaneamente

NB: si può avere sommazione tra PPS perché i canali ionicichemio-dipendenti non hanno refrattarietà.

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Integrazione sinaptica

Il neurone, “bombardato” da input eccitatori ed inibitori, ne calcola la media istante per istante → integrazione sinaptica.

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Recettori per l’Acetilcolina : sottotipo nicotinico

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Agonista: Nicotina

Antagonista: d-tubocurarina

Recettori Nicotinici

Modificazione conformazionale del poro

del recettore nicotinico

La loro apertura determina un flusso netto entrante di cariche +

PPS eccitatorio

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L’nAchR è una grossa molecola transmembranaria (p.m. ca. 300.000).

•5 subunità transmembrana denominate e•Ciascuna con 4 STM •Le subunità sono disposte ai vertici di un pentagono, in cui tra due subunità- è interposta una subunità-.

I domini extracellulari sporgono di circa 100 Å dalla superficie esterna della membrana

Le subunità formano al loro interno un "imbuto" che inizia con un diametro di 20-25 Å e poi si restringe progressivamente fino ad un diametro critico di 9-10 Å.

I domini affacciati delle 5 subunità (segmenti S2) costituiscono la "gate" del canale.

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Filtro di selettivitàIl canale è strettamente cationico (in quanto non ammette il transito degli anioni), ma non discrimina in modo significativo tra i diversi tipi di cationi

Le 5 subunità sono orientate in modo da rivolgere verso l'interno del canale il proprio segmento S2, ricco di residui aminoacidici portatori di carica parziale negativa (Ser o Treo), ordinati in tre anelli successivi. La repulsione elettrostatica esercitata da questo triplice "filtro di selettività" sbarra il transito a tutti gli anioni.

Raggio anidro e idrato e spessore dell’alone idrico di solvatazione (idratazione) di alcuni ioni di interesse

fisiologico

Il transito pressoché indiscriminato dei cationi suggerisce che questi possano percorrere il canale senza essere spogliati del proprio alone idrico di solvatazione.

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Siti di legame per l'Ach

Ogni recettore nicotinico possiede due siti di legame per una molecola di Ach, disposti nelle subunità-e, in parte, e .Questi devono essere occupati contemporaneamente perchè il recettore sia attivato.Tra di essi sussiste cooperatività (il legame di una prima molecola di Ach aumenta la probabilità di legame della seconda).

Alla formazione delle pareti interne delle due "tasche" partecipano 4 residui aminoacidici con carica parziale positiva (Tyr e Trp) forniti dalle due subunità-, più 2 residui aminoacidici con carica netta negativa (Glu e Asp) forniti dalle subunità- o -.Le cariche dei due gruppi di aa hanno una disposizione spaziale che le affronta alle cariche parziali opposte localizzate ai due estremi della molecola dell'Ach

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Il "gating"

Quando 2 molecole di Ach si legano ai rispettivi siti, gli S2 verrebbero fatti ruotare di 90° sul proprio asse, passando dalla posizione di "gate chiusa” alla posizione di "gate aperta", in cui i "gomiti" si allontanano dall'asse del poro

S2 presenterebbe un "gomito" in corrispondenza di un residuo di leucina, che partecipa (assieme ad altri 4 residui di leucina) alla formazione della "gate“.

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Il recettore nicotinico "muscolare" (nAchR)M - Il recettore nicotinico della giunzione neuromuscolare dei Mammiferi, almeno nella sua forma embrionale, ha una struttura molecolare molto simile a quella dell'(nAchR)T della torpedine.

NB nelle sinapsi nicotiniche è anche presente l’AchE …

Oltre che dall’-bungarotossina, l’(nAchR)M èbloccato selettivamente dalla d-Tubocurarina, ilnoto principio attivo del Curaro

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Nella forma adulta, la subunità- (presente nella forma embrionale) viene sostituita da una subunità-, col risultato che la struttura pentamerica dell'intera molecola diviene 2.Nelle diverse specie animali, le 5 subunità possono presentare lievi varianti, che però si riflettono in differenze non trascurabili (affinità per l'Ach e per i farmaci mimetici o bloccanti, cinetica di attivazione e conduttanza ionica.

Nonostante questa variabilità, l'assemblaggio dell'(nAchR)M è un processo altamente regolato, visto che in ogni specie il recettore si presenta invariabilmente in una sola delle 208 diverse possibilità che potrebbero venire da una combinazione casuale delle sue 5 subunità.

L’assemblaggio avviene nel reticolo endoplasmatico, con l'iniziale formazione di eterodimeri ( nel muscolo embrionale) ed . Dopo che uno di essi sia passato nella forma trimerica legandosi ad una subunità b, avviene la sintesi finale per legame di un eterotrimero con un eterodimero.

La rifinitura della molecola avviene poi nell'apparato del Golgi, per abbondante glicosilazione delle catene destinate a sporgere dal lato extracellulare della membrana postsinaptica.Al polo della molecola destinato a sporgere dal lato intracellulare, anche l'(nAchR)M presenta, come molti altri recettori ionotropici, catene polipeptidiche disponibili alla fosforilazione. Questa interessa soprattutto aa localizzati nell’ansa di collegamento tra S3 e S4 ed è promossa da varie protein-chinasi, specifiche per le diverse subunità.NB la fosforilazione accelera la desensitizzazione dell'(nAchR)M.

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Il recettore nicotinico "nervoso" (nAchR)N - Gli (nAchR)N costituiscono, sia strutturalmente che funzionalmente, un gruppo di nAchR distinto sia dagli (nAchR)T che dagli (nAchR)M.Infatti, pur conservandone la tìpica struttura pentamerica:a) sono costituiti da due soli tipi di subunità ( e ); b) non presentano (o presentano poca) affinità per l'-bungarotossina.

L'analisi strutturale delle subunità degli (nAchR)N ha rivelato che ne esistono numerose varianti: 9 per la (!!) e 4 per la . Questa molteplicità delle subunità-a e -b degli (nAchR)N ha fatto denominare "1" e "1" quelle degli (nAchR) muscolari.

In diverse parti del SN, le subunità e si possono presentare combinate tra loro in modo estremamente vario: una stessa subunità- si può unire a subunità-uguali (esempio 1) o diverse, ed esistono perfino (nAchR)N omopentamerici, costituiti dall'assemblaggio di una stessa subunità- (esempio 2). La diversità strutturale si riflette in un'enorme variabilità delle proprietà funzionali degli nAchR "nervosi" (conduttanza di singolo canale, sensibilità ai farmaci o velocità di desensitizzazione), tanto da renderne praticamente impossibile una classificazione sistematica su base funzionale.

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Recettori-canale -10

Una tale variabilità può essere forse correlata con le funzioni molto diversificate che i recettori nicotinici sono chiamati a svolgere nel sistema nervoso: oltre al classico ruolo di recettori postsinaptici (che si ritrova tipicamente nelle sinapsi gangliari del sistema nervoso vegetativo), molti svolgono il ruolo di autorecettori o eterorecettori nelle membrane presinaptiche (pag. 71). Altri appaiono implicati in funzioni neuroniche di ordine psicofisico, ad esempio quelle da cui viene la ben nota dipendenza dal fumo del tabacco.

Anche gli (nAchR)N sono generalmente canali cationici; è interessante però ricordare che alcuni sottotipi presentano una permeabilità preferenziale al Ca2+, tanto che la loro attivazione può determinare un aumento del livello citosolico di questo catione pari a quello che si avrebbe in seguito all'apertura di canali al Ca2+ voltaggio-dipendenti.

La velocità di desensitizzazione degli nAchR "nervosi" è generalmente più rapida di quella dei "muscolari", ma anche in questo caso è impossibile stabilire una regola: alcuni sottotipi hanno una desensitizzazione talmente lenta da essere trascurabile, in altri la desensitizzazione è talmente rapida da abbreviare la durata del potenziale postsinaptico.

La grande variabilità delle proprietà funzionali degli (nAchR)N non rappresenta un'eccezione, ma è piuttosto la regola per gli altri recettori ionotropici.

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La tecnica del voltage clamp consente di ottenere indicazioni sulla natura delle specie ioniche che portano la corrente attraverso l’nAchR. A questo scopo, occorre determinare il potenziale d’inversione della corrente (Einv):

I = g (Vm-Einv)

cioè quel valore di Vm al quale la corrente s’annulla ed oltre al quale s’inverte di segno.

Corrente postsinaptica nella giunzione neuromuscolare nella Rana (“corrente di placca”), ottenuta stimolando una fibra nervosa motrice mentre il potenziale della membrana postsi-naptica viene “bloccato” a diversi valori.

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Quando le cose non funzionano:Myasthenia Gravis

• Caratteristica: debolezza e affaticabilità ereditaria della muscolatura scheletrica volontaria• Causata da un attacco autoimmune mediato da anticorpi ai recettori nicotinici per l’Ach nel muscolo.

Normale Myasthenia gravis

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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

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Recettori per l’Acetilcolina : sottotipo muscarinico

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Agonista: Muscarina

Antagonista: Atropina

Recettori Muscarinici per l’Ach

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Agonista: Acido -amino butirrico

Antagonisti: Recettore GABAA bicucullina

Il GABA è un importante neurotrasmettitore inibitorio

27Agonista: acido glutamico

Il glutammato è il principale trasmettitore eccitatorio nel cervello

Recettori: AMPA e NMDA

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Sottotipi principali di recettori glutamatergici

AMPA: Agonista: acido aminoidrossi-metilisossazol-propionico Ioni permeanti: Na, CaNMDA: Agonista: acido N-metil d-aspartico Ioni permeanti: Ca

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Il recettore NMDA conduce solo quando 1. Il potenziale di membrana è più positivo di -30 mV2. È presente il glutammato

esterno

interno

Forte depolarizzazionedel terminale postsinapt.(ad es. potenziale d’azione) + glutammato canale funzionanteCa2+

-30 mV

Il recettore NMDA è coinvolto nella plasticità sinaptica

30

Il Potenziamento dell’attività sinaptica come modalità di memorizzazione (?)

Consiste in una facilitazione della trasmissione dell’eccitamento nelle giunzioni sinaptiche.

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Trasmissione Sinaptica

AM

PA

R

AM

PA

R

Po

ten

zial

e d

’azi

on

e

Po

ten

zial

e d

’azi

on

e

Glutamato

Potenziamento

Glutamato

AM

PA

R

AM

PA

R

NM

DA

R

NM

DA

R

Na+ Na+ Ca++

Mg++

NM

DA

R

NM

DA

R

Mg++

CREB

Espress. Genica

PKACaMKII

PKA

MAPK

CREB = Cyclic AMP-Response Element Binding ProteinMAPK = mitogen-activated protein kinase

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AMPAR

fosforilazione

Processi di rilascio

*CaMK

*PKC

Potenziamento precoce (memoria a breve termine?)

Le protein-chinasi 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

Cambiamenti nel citoscheletro

Messaggeroretrogrado

*PKC NMDAR Ca++

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Potenziamento 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

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FINE