Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia. Biofisica e Fisiologia. Sinapsi

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1 Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia Sinapsi

2 Il neurone Caratteristica peculiare delle cellule nervose è quella di condurre e comunicare informazioni. Le zone specializzate a livello delle quali le cellule entrano in comunicazione sono definite sinapsi

3 Una sinapsi rappresenta sempre un punto di discontinuità strutturale di una via di comunicazione intercellulare. Le membrane dei due elementi che prendono contatto sinaptico restano sempre distinte e separate da uno spazio, la fessura sinaptica.

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5 Tipi di sinapsi

6 La trasmissione sinaptica può essere di due tipi: Elettrica Chimica

7 La variazione del potenziale di membrana di una cellula viene trasmesso ad un altra adiacente per flusso diretto di corrente. Si trovano nel SNC e periferico dove si rende necessaria un alta velocità di connessione e sincronizzazione nell attività dei neuroni vicini.

8 Le sinapsi elettriche permettono una rapida comunicazione tra neuroni adiacenti sincronizzandone l attività elettrica. Quando una delle due cellule connesse da gap junctions viene eccitata, si crea un gradiente di potenziale tra l elemento presinaptico depolarizzato e quello postsinaptico non depolarizzato. Attraverso i connessoni fluiscono nella cellula postsinaptica ioni lungo il gradiente di potenziale. Raggiunto il valore soglia nella cellula postsinaptica, la depolarizzazione instaurerà il potenziale d azione. La comunicazione è bidirezionale, i connessoni trasmettono elettricamente nei due sensi e può essere eccitatoria o inibitoria a livello della stessa sinapsi Le cellule pre e postsinaptiche si trovano sempre nello stesso stato di polarizzazione, cioè non è possibile l instaurarsi di un inibizione a partire da un eccitazione Contatti con cellule vicine, la trasmissione dell eccitazione non è possibile nei confronti di cellule distanti

9 Sinapsi chimiche -sito di contatto tra due cellule nervose -ruolo nella trasmissione delle informazioni -il contatto neurone-fibra muscolare prende il nome di placca motrice o giunzione neuromuscolare

10 Sinapsi chimiche -l arrivo del potenziale d azione nella terminazione presinaptica depolarizza la membrana; -si aprono i canali per gli ioni Ca 2+ voltaggio-dipendenti; -le vescicole sinaptiche contenenti il neurotrasmettitore sono fissate ai filamenti di actina del citoscheletro mediante la sinapsina o sono ancorate direttamente alla membrana presinaptica mediante la sinaptotagmina; -l entrata del Ca 2+ determina l attivazione della sinaptotagmina con conseguente disancoraggio delle vescicole alla membrana presinaptica ed esocitosi del contenuto vescicolare all interno della fessura sinaptica; inoltre, il Ca 2+ attiva la proteinchinasi calcio-calmodulina dipendente che va a fosforilare la sinapsina, ciò determina il rilascio delle vescicole dai filamenti del citoscheletro le quali possono ancorarsi alla membrana presinaptica per essere utilizzate in un secondo processo di trasmissione sinaptica; - Il neurotrasmettitore viene rilasciato nella fessura sinaptica caratterizzata da un ampiezza di nm. In 0,1 ms il neurotrasmettitore diffonde verso la membrana postsinaptica dove si lega ai recettori specifici.

11 In caso di un attività ad alta frequenza si può determinare un affaticamento sinaptico (deplezione delle vescicole disponibili per essere subito rilasciate)

12 La liberazione del neurotrasmettitore implica il passaggio delle vescicole sinaptiche attraverso una serie di stadi preparatori: 1. Liberazione dall interazione con il citoscheletro 2. Direzionamento ed ancoraggio alle zone attive 3. Predisposizione alla fusione (priming) 4. Fusione con la membrana presinaptica 5. Recupero della membrana delle vescicole 6. Riformazione vescicole

13 Ogni processo coinvolge proteine diverse: 1. Sinapsine: famiglia di 4 proteine deputate all ancoraggio delle vescicole di secrezione al citoscheletro. Quando la sinapsina I è fosforilata da una chinasi calcio-calmodulina-dipendente, si ha il distacco della vescicola dal citoscheletro. 2. Rab3, proteina G vescicolare specifica, e Rim indirizzano le vescicole libere verso le zone attive 3. SNARE (sintaxina, sinaptobrevina, Snap-25), ancorano le vescicole alle zone attive e facilitano la fusione 4. Sinaptotagmina legata al Ca 2+, promuove i processi di fusione ed esocitosi

14 Liberazione dal citoscheletro Le vescicole al di fuori delle zone attive (riserva di neurotrasmettitore) sono ancorate ad una rete di filamenti di actina del citoscheletro, dalla sinapsina in forma non fosforilata. La fosforilazione da parte della PK-Ca 2+ /Calmodulina dipendente, in seguito a depolarizzazione del terminale assonico ed ingresso di Ca 2+ libera le vescicole che si muovono verso le zone attive.

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16 Indirizzamento vescicole alle zone attive: Rab3-GTP si lega alla membrana delle vescicole ed interagisce con Rim (zone attive di membrana). Ancoraggio ai siti attivi: per interazione proteine vescicole-proteine membrana (SNARE) Emifusione: SNARE vescicola-membrana creano stretto contatto tra membrana vescicolare e presinaptica. Fusione: La sinaptotagmina legandosi al Ca 2+ cambia la sua conformazione e si lega ai fosfolipidi di membrana determinando l apertura di un poro di fusione.

17 Le proteine SNARE vescicolari e presinaptiche (sinaptobrevina, sintaxina, snap-25) interagiscono secondo un modello a chiusura lampo (zippering) che consente la fusione delle due membrane. La fusione completa è frenata dalla proteina vescicolare sinaptotagmina. Il legame sinaptotagmina-ca 2+ determina un cambiamento di conformazione della proteina favorendo il processo di completa fusione.

18 Il legame Ca2+-sinaptotagmina favorisce il processo di completa fusione e la formazione del poro di fusione

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21 Action potential 1 An action potential depolarizes the axon terminal. Axon terminal Synaptic vesicle 1 Postsynaptic cell

22 Action potential 1 An action potential depolarizes the axon terminal. Axon terminal Synaptic vesicle 2 The depolarization opens voltagegated Ca 2+ channels and Ca 2+ enters the cell. 1 Ca 2+ Voltage-gated Ca 2+ channel 2 Ca 2+ Postsynaptic cell

23 Action potential 1 An action potential depolarizes the axon terminal. Axon terminal Synaptic vesicle 2 3 The depolarization opens voltagegated Ca 2+ channels and Ca 2+ enters the cell. Calcium entry triggers exocytosis of synaptic vesicle contents. 1 Ca 2+ 3 Voltage-gated Ca 2+ channel 2 Ca 2+ Docking protein Postsynaptic cell

24 Action potential 1 An action potential depolarizes the axon terminal. Axon terminal Synaptic vesicle 2 3 The depolarization opens voltagegated Ca 2+ channels and Ca 2+ enters the cell. Calcium entry triggers exocytosis of synaptic vesicle contents. 1 Ca Neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds with receptors on the postsynaptic cell. Voltage-gated Ca 2+ channel 2 Ca 2+ Docking protein 4 Receptor Postsynaptic cell

25 Action potential 1 An action potential depolarizes the axon terminal. Axon terminal Synaptic vesicle 2 3 The depolarization opens voltagegated Ca 2+ channels and Ca 2+ enters the cell. Calcium entry triggers exocytosis of synaptic vesicle contents. 1 Voltage-gated Ca 2+ channel 2 Ca 2+ Ca 2+ Docking protein Receptor Neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds with receptors on the postsynaptic cell. Neurotransmitter binding initiates a response in the postsynaptic cell. Postsynaptic cell 5 Cell response

26 Inactivation of Neurotransmitters

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32 La quantità di neurotrasmettitore rilasciato dipende dalla frequenza dei potenziali d azione nel neurone presinaptico. Se non arriva un ulteriore potenziale d azione, il rilascio di neurotrasmettitore si arresta in pochi millisecondi perché i canali voltaggio-dipendenti per il calcio si chiudono immediatamente dopo l apertura ed il calcio citoplasmatico viene attivamente pompato all esterno del bottone sinaptico per riportare le concentrazioni di tale ione ai valori base.

33 Presynaptic modulation of transmission Axo-axonal communication (here, between A & B) can modify classical synaptic communication (here, between B & C); this can result in presynaptic inhibition or presynaptic facilitation. Note: the Terminal B must have receptors for the signal released from A.

34 Membrana presinaptica Membrana postsinaptica Il tempo intercorrente tra l arrivo del potenziale d azione a livello del bottone presinaptico e la risposta a livello postsinaptico è di 0,5-5 millisecondi. Tale intervallo di tempo è definito ritardo sinaptico.

35 L unione del neurotrasmettitore al recettore innesca una serie di risposte nella cellula postsinaptica: -molti neurotrasmettitori generano risposte rapide e di breve durata aprendo un canale ionico chimicamente regolato, il che porta al passaggio di ioni tra la cellula e il LEC e si determina una variazione del potenziale di membrana (potenziale sinaptico veloce, EPSP e IPSP); -alcuni neurotrasmettitori innescano risposte lente e durature attivando sistemi di secondi messaggeri. Queste risposte comprendono sia l apertura che la chiusura di canali ionici, sia la modificazione di proteine cellulari esistenti e la regolazione della sintesi di nuove proteine.

36 I recettori postsinaptici hanno il ruolo di: - riconoscere il neurotrasmettitore - attivare i rispettivi effettori Si dividono in due classi principali: ionotropi e metabotropi Recettori ionotropi il recettore è un canale ionico sono recettori ionotropi: nachr, GABA A, glicina, NMDA, AMPA, kainato, P2X azione rapida (ms)

37 Recettori metabotropi Il recettore metabotropo non è un canale. E una proteina con 7 α-eliche transmembranali, attiva una proteina G che a sua volta attiva altri effettori (canali e/o secondi messaggeri) Sono recettori metabotropi: muscarinici (machr), GABAergici (GABA B ), adrenergici (α-ar, β-ar), glutamatergici (mglur), dopaminergici (D 1 -D 5 ), purinergici (P2Y), serotoninergici (5-HT), neuropeptidergici (µ, δ, κ oppioidi, ) Azione lenta (100 ms-100 s La proteina G attivata dal recettore, attiva (o chiude) direttamente i canali ionici. La proteina G, attivata dal recettore, attiva (o inibisce) enzimi che producono secondi messaggeri che, a loro volta attivano o chiudono canali ionici.

38 Tutti i recettori adrenergici sono collegati a proteine G. α 1

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41 Si avrà un aumento della velocità della depolarizzazione spontanea ed una diminuzione del livello di ripolarizzazione per cui la soglia per l insorgenza del potenziale d azione viene raggiunta più rapidamente.

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43 La velocità della depolarizzazione spontanea diminuisce e si avrà una iperpolarizzazione della membrana, con conseguente allontanamento del potenziale di membrana dal livello di soglia per l insorgenza del potenziale d azione.

44 SINAPSI ECCITATORIE Funzionano in modo tale da portare il potenziale della membrana postsinaptica al valore più vicini al valore soglia in modo tale da generare un potenziale d azione

45 SINAPSI INIBITORIA Funziona in modo tale da iperpolarizzare la membrana del neurone postsinaptico o da stabilizzarla al valore di riposo

46 Un neurone riceve comunicazioni da centinaia o migliaia di neuroni; su di esso si genera pertanto una convergenza di imput L integrazione sinaptica operata dal neurone fa sì che quando la sommazione dei potenziali postsinaptici eccitatori prevale su quelli inibitori ed è in grado di portare il potenziale di membrana del monticolo assonale al valore soglia, nasce un potenziale d azione.

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51 Acetilcolina Aminoacidi: glicina acido γ-aminobutirrico (GABA) glutamato - aspartato Amine biogene: noradrenalina adrenalina dopamina serotonina - istamina Peptidi neuroattivi

52 Neurotrasmettitori peptidici (più di 100 peptidi, composti da 3 a 30 amminoacidi) molecole costituite da un numero variabile di aminoacidi (3-36) contenuti in vescicole di dimensioni maggiori sintetizzati come pre-proteine del reticolo endoplasmatico rugoso dove viene rimossa la sequenza segnale. La pre-proteina risultante attraversa l apparato di Golgi e viene immagazzinata in vescicole. All interno delle vescicole si completa la formazione del peptide: scissione proteolitica, modificazione delle estremità del peptide, glicosilazione, fosforilazione, formazione dei ponti disolfuro.

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54 NO è un trasmettitore non convenzionale che viene sintetizzato dalla ossido nitrico sintasi (NOS) in seguito all aumento di calcio nella cellula postsinaptica. Questo gas lipofilo a emivita breve diffonde attraverso la membrana presinaptica e, attraverso l attivazione di cgmp, modula la liberazione di neurotrasmettitore dal bottone sinaptico. In tal modo si genera un segnale sinaptico retrogrado che contribuisce alla plasticità sinptica.

55 Sinapsi colinergiche: neurotrasmettitore Acetilcolina L ACh è il neurotrasmettitore usato da tutti gli assoni motori che originano dal midollo spinale, dai neuroni autonomi pregangliari, dalle fibre parasimpatiche postgangliari e dai neuroni dei gangli della base implicati nel controllo del movimento.

56 Per le sinapsi colinergiche (acetilcolina) esistono due tipi di recettori: nicotinici e muscarinici. Il recettore nicotinico è esso stesso il canale per gli ioni. Il recettore muscarinico (o metabotropo) al momento del legame con il neurotrasmettitore scatena una cascata di reazioni chimiche, che ad opera di un mediatore portano infine all apertura dei canali per gli ioni

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60 Glutammato principale neurotrasmettitore eccitatorio del sistema nervoso centrale Tre tipi di recettore: AMPA (Na +, K + ) α-amino-3-idrossi-5-metil-4-isoxazolo propionato NMDA (Na +, K +, Ca 2+ ) N-metil-D-aspartato kainato (Na +, K + )

61 Gli ioni Mg 2+ ostruiscono in modo non competitivo il canale del recettore per l NMDA, in maniera da impedire la comparsa di una corrente ionica anche in seguito al legame con il glutammato. Se il potenziale di membrana viene leggermente depolarizzato da una sinapsi eccitatoria dotata di un recettore per l AMPA, diminuiscono le forze di legame che agiscono su Mg 2+, il blocco da Mg 2+ viene rimosso e si permette una corrente di entrata di ioni Na + e Ca 2+ nella cellula. Lo ione Ca 2+ può fungere da secondo messaggero ed essere implicato in altri fenomeni quali i processi di memorizzazione.

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63 GABA: viene sintetizzato dal glutammato mediante una decarbossilasi specifica presente solo in certi neuroni del SNC. -si ritrova nelle cellule dei gangli della base, nelle cellule di Purkinje del cervelletto, negli interneuroni spinali -funziona come neurotrasmettitore inibitorio -è il neurotrasmettitore più diffuso nel cervello -due diversi recettori GABA A e GABA B : il GABA A è un canale per il Cl -, si assiste quindi ad una corrente di entrata di Cl - con conseguente iperpolarizzazione e quindi formazione di un IPSP. I narcotici barbiturici e i tranquillanti benzodiazepine (Valium) potenziano l effetto inibitorio dei recettori GABA A. il recettore GABA B apre i canali per gli ioni K + mediante le G-protein. -l effetto del GABA viene neutralizzato dal riassorbimento dello stesso mediatore da parte della terminazione presinaptica e da parte delle cellule della glia

64 Picrotossina (antagonista) Il recettore GABA A

65 Modulazione del GABA A barbiturico benzodiazepina sito di legame per benzodiazepine e barbiturici (ansiolitici), che potenziano l effetto inibitorio del GABA. il potenziale inibitorio è più ampio e persiste più a lungo in presenza di ansiolitici. GABA GABA (in presenza di barbiturico o benzodiazepina) 20 mv Il recettore GABA B è un recettore metabotropo (il IPSP si induce mediante l apertura di un canale per gli K +.)

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67 Ammine biogene: catecolamine (dopamina, noradrenalina, adrenalina) serotonina istamina Dopamina, noradrenalina e adrenalina sono catecolamine che hanno in comune la stessa via biosintetica che parte dalla tirosina: tirosina viene convertita in L-dopa dalla tirosina idrossilasi L-dopa è convertita in dopamina da una decarbossilasi nei neuroni noradrenergici la dopamina viene trasformata in noradrenalina ad opera della dopamina β- idrossilasi Le cellule cromaffini della midollare del surrene aggiungono un gruppo metilico alla noradrenalina formando adrenalina. La dopamina si trova nei nuclei basali e tronco encefalici, i neuroni della sostanza nera costituiscono una via discendente dopaminergica diretta allo striato I recettori per la dopamina agiscono mediante G-protein e l effetto postsinaptico può essere eccitatorio o inibitorio. Gioca un ruolo fondamentale nel controllo motorio e posturale e nelle patologie di questi sistemi(morbo di Parkinson). E importante anche in circuiti che presiedono al controllo del comportamento e delle emozioni. Alterazioni del sistema dopaminergico sono implicate in vari disturbi psichiatrici. Nel SNP la noradrenalina e l adrenalina sono i principali neurotrasmettitori dei neuroni simpatici postgangliari. Anche nel SNC per modulare i processi di acquisizione delle esperienze di apprendimento, nell elaborazione di stimoli sensoriali, nella regolazione del sonno, nell inibizione di dolori endogeni I recettori per le catecolamine sono 4, α 1, α 2, β 1 e β 2 Agiscono mediante secondi messaggeri e l effetto postsinaptico può essere eccitatorio o inibitorio.

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69 Possibili effetti, agonisti o antagonisti, di sostanze psicoattive (farmaci o droghe) su una sinapsi chimica

70 Molti farmaci, tossine o patologie esercitano i loro effetti alterando le diverse fasi della trasmissione sinaptica Questi effetti sono esercitati attraverso: 1) alterazione del rilascio di neurotrasmettitore 2) alterazione dell interazione neurotrasmettitore-recettore 3) alterazione della rimozione del neurotrasmettitore dallo spazio intersinaptico 4) sostituzione di un neurotrasmettitore mancante 1- Alterazione del rilascio Tetano e botulismo le tossina tetanica (TeNT) e le tossine botuliniche (BoNT) sono proteasi che bloccano la fusione vescicolare. Distruggono il complesso SNARE, riducono il rilascio di ACh e determinano una riduzione dello stato di contrazione del m. scheletrico. vescicole la TeNT blocca il rilascio vescicolare di glicina dalle sinapsi inibitorie che controllano l attività dei motoneuroni spinali. I motoneuroni vengono permanentemente stimolati e producono le tipiche contrazioni tetaniche dei m. scheletrici (paralisi spastica). le BoNT bloccano il rilascio vescicolare di ACh della giunzione neuromuscolare riducendo l attività elettrica e la forza di contrazione muscolare (paralisi flaccida).

71 Ansia 2- Alterazione dell interazione neurotrasmettitore-recettore alcune terapie di patologie neurodegenerative si basano sull uso di antagonisti recettoriali (molecole che si legano reversibilmente al recettore bloccando l azione del neurotrasmettitore,) Schizofrenia nella schizofrenia alcune aree neuronali rilasciano quantità eccessive di dopamina si cura con farmaci antipsicotici: cloropromazina (Thorazine) e aloperidolo (Haldol) che riducono i sintomi bloccando i recettori della dopamina altre terapie fanno uso di molecole che favoriscono il legame del neurotrasmettitore al suo recettore, potenziandone l azione. le benzodiazepine (diazepam, Valium) sono ansiolitici che agiscono sui recettori GABA A facilitando l interazione del GABA con il recettore. producono un potenziamento dell azione inibitoria GABAergica. agonistarecettore

72 3- Alterata rimozione del neurotrasmettitore dallo spazio intersinaptico Depressione la depressione è una malattia neurologica associata ad una deficienza di serotonina e noradrenalina a livello del SNC. si cura con il Prozac (fluoxetina) che inibisce il trasportatore del re-uptake (presinaptico) della serotonina rilasciata in questo modo la concentrazione di serotonina nello spazio intersinaptico e l attività delle sinapsi serotoninergiche aumentano. Malattia di Alzheimer trasportatore (re-uptake) nell Alzheimer la perdita di memoria e l insorgere della demenza è associata ad una forte perdita di neuroni colinergici e riduzione del numero di recettori nicotinici dell area cognitiva pre-frontale con conseguente riduzione di ACh in quell area le terapie più efficaci sono basate sull uso di anticolinesterasici (tacrina, donepezil, rivastigmina, galantamina) che aumentano i livelli di ACh nello spazio intersinaptico riducendo la quantità di neurotrasmettitore idrolizzato dall ACh-esterasi ACh-esterasi

73 Azione delle droghe stimolanti sui terminali assonici catecolaminergici. Possiamo osservare un terminale noradrenergico sulla sinistra ed un terminale dopaminergico sulla destra. Sia la NA che la DA sono sintetizzate a partire da tirosina. L azione di NA e di DA si conclude normalmente con un loro riassorbimento nel terminale assonico. Cocaina ed anfetamina bloccano tale riassorbimento, permettendo a NA e DA di restare più a lungo nella fessura sinaptica.

74 4- Sostituzione di un neurotrasmettitore mancante Morbo di Parkinson il parkinsonismo è causato da una progressiva distruzione dei neuroni dopaminergici della sostanza nigra che innervano neuroni del caudato e del putamen con conseguente riduzione o mancanza di dopamina in quelle aree. la dopamina è rilasciata da neuroni che inibiscono i motoneuroni che controllano la contrazione muscolare scheletrica permettendo in tal modo una regolazione continua e precisa del movimento muscolare. nel morbo di Parkinson la perdita di inibizione produce tremore a riposo, rigidità muscolare e in alcuni casi demenza. si cura farmacologicamente con la levodopa (L-dopa), un precursore della dopamina, che è trasportato nell assone terminale presinaptico dei neuroni dopaminergici ed è usato come substrato per la sintesi di nuova dopamina.