Синаптическая передачаСинаптическая передача

Лекция 2

2

Потенциалы и токиПотенциалы и токи

Потенциал действия состоит из 2 фаз

• Фаза подъема потенциала – открытие потенциал-зависимых Na+

каналов– входящий Na+ ток

• Фаза падения потенциала– открытие потенциал-зависимых К+

каналов– выходящий К+ ток

Суммарный ток – ток действия

Ионные токи можно сопоставить любым изменениям потенциала мембраны:

Постсинаптический потенциал – постсинаптический ток

3

Основной принцип синаптической передачиОсновной принцип синаптической передачи

Приход потенциала действия в аксональную терминаль

Вход кальция и высвобождение химического передатчика

Открытие лиганд-зависимых ионных каналов (рецепторов)

Везикулярное высвобождение нейропередатчика в ответ на пресинаптическийПД. Конвертация химического сигнала в электрический в постсинапсе.

4

Морфология: Четырехчастный синапсМорфология: Четырехчастный синапс

1. Пресинаптическая терминаль аксона – специализированное аксональное расширение

2. Синаптическая щель 4. Астроцит

3. Постсинаптический аппарат постсинаптическое уплотнение, шипик и т.д.

Пресинаптические механизмыПресинаптические механизмы

Лекция 2.1

6

Вариабельность синаптической квантовой амплитудыВариабельность синаптической квантовой амплитуды

Синаптическая квантовая теория – нейропередатчик высвобождается дискретно, в виде квантов (порций)

Неодинаковая величина кванта благодаря неоднородному:

Объему везикул?

Наполнению везикул?

Высвобождениюпередатчика?

Месту высвобождения?

Различному числу везикул?

7

Два типа высвобождения нейропередатчикаДва 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

8

Методы измерения везикулярного высвобождения Методы измерения везикулярного высвобождения нейропередатчиканейропередатчика

• Емкостной метод Электрическая емкость мембраны определяется ее поверхностью, которая увеличивается при слиянии везикулы

• Амперометрия Окисление высвободившегося нейропередатчика на угольном электроде приводит к генерации электрического тока

• FM флуоресцентные индикаторы

Оптический метод, когда везикулы заполняются флуоресцентным индикатором и наблюдается снижение их флуоресценции при высвобождении нейропередатчика

9

Емкостной метод измерения высвобождения Емкостной метод измерения высвобождения нейропередатчиканейропередатчика

Электрическая емкость мембраны определяется при измерении константы затухания тока при сдвиге потенциала мембраны

10

Различные типы высвобождения нейропередатчика – Различные типы высвобождения нейропередатчика – различная динамика изменения ёмкостиразличная динамика изменения ёмкости

• 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

2 s

11

Цикл синаптических везикул: кластеризация и докингЦикл синаптических везикул: кластеризация и докинг

Везикулы наполненные нейропередатчиком образуют кластер в районе активной зоны

Докинг – расположение везикул непосредственно в активной зоне

12

Цикл синаптических везикул: прайминг и пора слиянияЦикл 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.

13

Цикл синаптических везикул: возвращение в Цикл синаптических везикул: возвращение в высвобождаемый пулвысвобождаемый 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

14

Этапы цикла синаптических везикулЭтапы цикла синаптических везикул

После или во время рециркуляции везикула заполняется нейропередатчиком

Одиночная синаптическая везикула содержит ~5000 молекул нейропередатчика.

Движущей силой служит градиент водорода

15

Синаптическая везикулаСинаптическая везикула

• Синаптические везикулы имеют одинаковые размеры (40-50 нм)

• Квантовая синаптическая передача соответствует высвобождению одной везикулы

• 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.

16

Устройство синаптической везикулыУстройство 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

17

SNARESNARE

• 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

18

SNARESNARE и действие токсинов и действие токсинов

Бутулотоксин и столбнячный токсин (тетеноспазмин) – протеазы “разрезающие” белки SNARE комплекса

19

Высвобождение везикул: кальциевая гипотезаВысвобождение 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 вход 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.

20

Микродомены повышения Микродомены повышения CaCa2+2+ запускают запускают экзоцитозэкзоцитоз

Микродомены с высокой концентрацией Ca2+ (свыше 100 М) формируются рядом к Ca2+ каналами

• (А) Модель кальциевой динамики в терминали (разрез). Концентрация Ca2+ повышается до 800 М рядом с каналом, но уже в 50 нм опускается ниже 100 М

• (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.

21

Регуляция поры слиянияРегуляция поры слияния

• Вероятность формирования поры слияния регулируется– Внутриклеточным Ca2+

– Форболовый эфир

• Время открытия поры слияния регулируется– Синаптотагмином I/IV– Динамином

• Сдвиг режимов полный экзоцитоз в“kiss-and-run” – Высокий внутриклеточный Ca2+

– Стауроспорин (ингибитор протеинкиназ)– Форболовый эфир– Munc-13

22

Чем заполнены везикулыЧем заполнены везикулы

Нейропередатчики(нейротрансмиттеры)

• Ацетилхолин• Норадреналин• Серотонин• Дофамин• Глицин• 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, глицинергическийи т.д. (но холинергический)

23

Схема ГАМКергической передачиСхема ГАМКергической передачи

Обратный захват и инактивация ГАМК в глии

24

Схема гутаматергической передачиСхема гутаматергической передачи

25

Холинергическая передачаХолинергическая передача

Инактивация ацетилхолина во внеклеточном пространстве

26

Кратковременная пресинаптическая пластичностьКратковременная 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

27

Постсинаптические потенциалыПостсинаптические потенциалы

Постсинаптические потенциалы

Возникают в ответ на синаптическое высвобождение нейропередатчика.

Их амплитуда определяется набором факторов, в том числе колличеством высвободившегося нейропередатчика.

Следствие: изменение вероятности высвобождения нейропередатчика можно определить по изменению амплитуды постсинаптического потенциала

28

Парная фассилитация и депрессияПарная 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

Синаптическая щельСинаптическая щель

Лекция 2.2

30

Синаптическая щельСинаптическая 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

31

Электродиффузия в синаптической щелиЭлектродиффузия 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

Постсинаптические Постсинаптические механизмымеханизмы

Лекция 2.3

33

Постсинаптическая частьПостсинаптическая часть

Шипик – постсинаптическая частьглутаматного синапса

Постсинаптическая часть различается в зависимости от:

1. Типа пресинаптического нейрона (высвобождаемого нейропередатчика)

2. Типа постсинаптического нейрона (возбуждающий или тормозный)

34

Классификация постсинапсаКлассификация 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

35

Глутаматергический синапсГлутаматергический 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 AMPA рецепторы в постсинаптическом уплотнении, mGluRs в перисинаптической зоне)

36

Организация глутаматергического постсинапсаОрганизация глутаматергического постсинапса

Различные белки связанные с постсинаптическими рецепторами образуют постсинаптическое уплотнение

37

Постсинаптическое уплотнениеПостсинаптическое уплотнение

Фотография полученная с помощью электронного микроскопа

38

Микрофотографии симметричного и ассиметричного Микрофотографии симметричного и ассиметричного синапсовсинапсов

ГАМКергический симметричныйсидячий синапс(отсутствует постсинаптическоеуплотнение)

Глутаматергический асимметричныйшипиковый синапс

39

Трехмерная реконструкция дендритных шипиковТрехмерная реконструкция дендритных шипиков

40

Типы дендритных шипиковТипы дендритных шипиков

Шипик имеет шейку и головку

На головке шипика расположена активная зона (место контакта спресинаптической терминалью)

41

Свойства дендритных шипиковСвойства 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

42

Дендритная компартментализация нейронаДендритная компартментализация нейрона

• Шипик• Кластер шипиков• Дендритная ветка• Дендритный регион

Компартмент – участок нейрона относительно изолированный от других участков (химически, электрически)

АстроцитАстроцит

Лекция 2.4

44

Гомеостатическая функция астроцитовГомеостатическая функция астроцитов

• Захват К+ и его перераспределение (пространственная буферизация К+)• Захват нейропередатчиков (транспортеры)• Удаление воды возникающей при окислении глюкозы

(аквапорины – водоселективные ионные каналы)

45

Метаболическая функция астроцитовМетаболическая функция астроцитов

• Синтез глютамина• Поглощение аммония• Разложение гликогена до лактата• Поглощение свободных радикалов

46

Сигнальная функция астроцитовСигнальная функция астроцитов

• кальциевые волны• контроль кровотока• высвобождение глиопередатчиков

47

Трофическая функция астроцитовТрофическая функция астроцитов

• Высвобождение трофических факторов влияющих на рост нейронов, формирование новых синапсов

• Экспрессия притягивающих или отталкивающих молекул направляющих аксон