La trasmissione sinaptica

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1 La trasmissione sinaptica

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 La trasmissione sinaptica può essere di due tipi: Elettrica Chimica

4 Le sinapsi elettriche Continuità citoplasmatica tra cellula pre- e post-sinaptica Componenti ultrastrutturali: canali delle giunzioni comunicanti (gap-junctions) Trasmissione del segnale virtualmente istantanea, per passaggio diretto di correnti ioniche da elemento presinaptico postsinaptico Trasmissione sia uni- che bidirezionale Sincronizzano le risposte di popolazioni neuronali

5 Giunzione comunicante formata da una coppia di emicanali (connessoni) costituiti da sei subunità proteiche identiche (connessine) che formano un poro (2 nm) che mette in comunicazione il citoplasma delle cellule attigue. Il canale si apre per modificazione conformazionale delle connessine. Apertura e chiusura soggetta a modulazione (chiusura per ph e Ca 2+ ).

6 In molti casi la sinapsi elettrica viene utilizzata per sincronizzare più neuroni ed ottenere una attivazione massiva e molto rapida

7 Sinapsi Chimica Elemento pre- e postsinaptico separati dal vallo sinaptico (20-40 nm). Depolarizzazione presinaptico liberazione neurotrasmettitore interazione con recettori specifici della membrana postsinaptica modificazione del potenziale di membrana. Le sinapsi chimiche sono caratterizzate da un ritardo della risposta (da 0.3 ms a qualche ms). Sono unidirezionali e permettono l amplificazione del segnale.

8 La trasmissione sinaptica chimica è determinata da due processi fondamentali: Processo di trasmissione: liberazione del neurotrasmettitore Processo recettivo: interazione neurotrasmettitore recettori postsinaptici e modificazione del potenziale postsinaptico.

9 E necessaria una rapida inattivazione o rimozione del neurotrasmettitore dalla fessura sinaptica.

10 Sinapsi elettriche solo eccitatorie Sinapsi chimiche sia eccitatorie che inibitorie. Il legame neurotrasmettitore-recettore può infatti determinare una modificazione di permeabilità ionica che porta a: Depolarizzazione: sinapsi eccitatoria, l elemento postsinaptico può generare un potenziale d azione. Iperpolarizzazione: sinapsi inibitoria, l elemento postsinaptico è allontanato dalla soglia per la nascita del potenziale d azione.

11 Trasmissione sinaptica chimica mediata da due differenti tipi di recettori postsinaptici: Recettori ionotropici, associati a canali ionici. Responsabili di risposte rapide. Recettori metabotropici, accoppiati indirettamente a canali ionici per mezzo di secondi messaggeri. Responsabili di risposte lente. L effetto postsinaptico (depoo iperpolarizzazione) non dipende dal neurotrasmettitore, ma dal tipo di recettore con cui il neurotrasmettitore interagisce.

12 La giunzione neuromuscolare (acetilcolina, Ach) costituisce un ottimo modello per comprendere il funzionamento di una sinapsi chimica. L Ach liberata dalle vescicole sinaptiche attraversa la fessura sinaptica (100 nm) e va ad attivare i recettori postsinaptici ( recettori / m 2 ).

13 Eventi a livello della giunzione neuromuscolare 1. Propagazione pda terminale presinaptico 2. Apertura canali voltaggiodipendenti ingresso Ca Rapido rilascio Ach 4. Interazione Ach-recettori depolarizzazione (potenziale di placca) 5. Si generano correnti elettrotoniche tra placca e zone vicine (canali Na + voltaggio-dipendenti) 6. Insorge il pda muscolare 7. Il pda si propaga 8. Riduzione Ach per: Idrolisi (operata da AchE) Diffusione fuori dalla fessura sinaptica La colina viene recuperata dal terminale presinaptico.

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15 Potenziale post-sinaptico sinaptico (potenziale di placca, PP) (EPP )

16 Differenze tra potenziali postsinaptici eccitatori (EPSP) e il potenziale d azione (Pda) Gli EPSP non portano ad inversione della polarità di membrana e sono mediati da canali ionici ligando-dipendenti non selettivi Il Pda è un inversione della polarità di membrana mediata dall apertura di canali voltaggio-dipendenti selettivi per il Na + e il K + Gli EPSP sono graduabili in ampiezza, maggiore è la quantità di neurotrasmettitore rilasciato maggiore è la loro ampiezza Il Pda è un fenomeno tutto o nulla Gli EPSP si propagano con decremento Il Pda si propaga senza decremento, perché viene continuamente rigenerato

17 Propagazione decrementale del PP

18 L attivazione della corrente sinaptica corrisponde all apertura di canali ionici attivati dall Ach, la sua inattivazione riflette i tempi di chiusura più o meno lunghi dei canali. Il decorso temporale dei PP è più lungo delle correnti che li determinano, a causa del tempo necessario per caricare o scaricare la capacità della membrana.

19 Per determinare quale specie ionica è responsabile della corrente di placca, la stessa viene misurata a diversi Vm (blocco del voltaggio) e si calcola il potenziale di inversione. Potenziale di inversione Epp Equilibrio elettrochimico delle specie ioniche responsabili della corrente di placca Epp = 0 mv, dimostra che le correnti ioniche attraverso il recettore dell Ach sono determinate principalmente da Na + e K +. Se G Na = G K E pp = E Na + E k /2 +55 mv 95 mv/2 = 20 mv Essendo Epp = 0 significa che G Na è circa 1.8 volte maggiore di G K

20 E Na Potenziale di inversione E PP Potenziale di riposo E K

21 Formati da cinque subunità (2,, e ) I recettori per l Ach sono canali ionici attivati chimicamente e dotati di bassa specificità. Consentono il passaggio di Na + e K + ma escludono ioni caricati negativamente. Il numero di canali che si aprono dipende dall Ach disponibile. Ach rilasciata con un pda apre simultaneamente circa canali. Canali inattivati da α-bungarotossina

22 Apertura sincrona di numerosi canali attivati dell Ach Ogni canale rimane aperto per un tempo variabile Corrente di singolo canale Il tempo di apertura varia in modo casuale La corrente associata al PP dipende da: Numero canali della placca motrice Probabilità che un canale sia aperto Conduttanza di ogni canale aperto Forza elettromotrice che agisce sugli ioni

23 I canali Ach della placca motrice sono ugualmente permeabili a Na + e K + Al potenziale di riposo prevale la corrente di Na + (forza elettrochimica maggiore). Man mano che la membrana si depolarizza, aumenta la corrente in uscita di K + che riporta il potenziale al valore di riposo -95 mv E k -90 mv E k A E pp, il flusso entrante di Na + è controbilanciato dal flusso uscente di K + (il flusso netto di cariche è zero) 0 mv Epp +55 mv E Na

24 Liberazione del neurotrasmettitore

25 L ingresso di ioni Ca 2+ (canali voltaggio-dipendenti P/Q, N ed R) nelle terminazioni nervose è indispensabile per la liberazione del neurotrasmettitore L ampiezza del potenziale postsinaptico dipende dalla quantità di Ca 2+ che entra nella terminazione nervosa. Maggiore Ca 2+ maggiore quantità neurotrasmettitore rilasciato.

26 I neurotrasmettitori vengono liberati in pacchetti unitari detti quanti In assenza di stimolazione nervosa, si registrano depolarizzazioni postsinaptiche spontanee casuali di bassa ampiezza (0.5 mv): i potenziali di placca in miniatura (MEPP). L eserina, bloccante dell Ach-E aumenta ampiezza e durata, ma non la frequenza dei MEPP. I MEPP sono dovuti al rilascio di pacchetti di molecole di neurotrasmettitore denominati quanti. Un MEPP è il risultato della attivazione, Ach-dipendente, di circa 2000 canali.

27 Il potenziale di placca è il risultato di molti quanti, è quindi un multiplo della risposta elementare. La riduzione del Ca 2+ determina riduzione della quantità di Ach rilasciata da un pda. L analisi statistica delle risposte mostra che queste corrispondono a multipli di risposte elementari (MEPP) I quanti sono contenuti in strutture specializzate: le vescicole sinaptiche (1 vescicola = 1 quanto di Ach = circa 5000 molecole). I neurotrasmettitori vengono liberati per esocitosi dalle vescicole sinaptiche in prossimità delle zone attive.

28 L arrivo di un pda alla terminazione presinaptica determina la liberazione di circa 150 quanti e produce quindi una risposta di grande ampiezza. In assenza di pda, il ritmo della liberazione quantale è basso: 1 quanto/sec. Gli ioni Ca 2+, che entrano nella terminazione durante un pda, aumentano transitoriamente di circa volte la frequenza della liberazione quantale, determinando il rilascio sincrono, in media, di 150 quanti/sec.

29 Le vescicole sinaptiche sono gli organelli di deposito dei quanti di neurotrasmettitore. Le vescicole si fondono con la superficie interna della membrana del terminale presinaptico a livello di siti specializzati di rilascio (zone attive). La liberazione delle vescicole è un fenomeno tutto o nulla. La probabilità di liberazione dipende dalla quantità di Ca 2+ che entra nel terminale durante il pda. L esocitosi avviene attraverso la formazione transitoria di un poro di fusione, che attraversa la membrana vescicolare e quella presinaptica. L ingresso del Ca 2+ determina l apertura e la successiva dilatazione dei pori di fusione preesistenti, permettendo la liberazione del neurotrasmettitore.

30 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

31 Ogni processo coinvolge proteine diverse: 1.Sinapsine: Vincolano le vescicole al citoscheletro, in modo da impedire una loro mobilizzazione casuale 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

32 L esocitosi del neurotrasmettitore può avvenire attraverso la formazione di un poro di fusione transitorio

33 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 ed ingresso di Ca 2+ libera le vescicole che si muovono verso le zone attive.

34 Indirizzamento vescicole 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.

35 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.

36 Il legame Ca 2+ -sinaptotagmina favorisce il processo di completa fusione e la formazione del poro di fusione

37 Dopo la fusione il complesso delle proteine SNARE viene separato dall attività ATP-asica del NSF, che si associa alle SNARE mediante la proteine adattatrici SNAP.

38 Le vescicole sinaptiche vengono riciclate attraverso endocitosi e riutilizzate ripetutamente. L endocitosi avviene attraverso due meccanismi: Meccanismo di kiss and run: Le vescicole che hanno liberato il contenuto attraverso un poro di fusione senza collassare, vengono recuperate mediante chiusura del poro e dissociazione delle due mebrane (dinamina). Le vescicole collassate nella membrana presinaptica richiedono l intervento di proteine (adattine) che separano e raccolgono i componenti specifici della membrana vescicolare e favoriscano la polimerizzazione di un rivestimento di clatrina che ne permette l endocitosi. Le vescicole ricostituite possono rimanere nel pool disponibile per il rilascio o essere sequestrate dal citoscheletro nel pool di riserva.

39 Dopo la liberazione il neurotrasmettitore (o parte della sua molecola) può: Essere ricaptato nel terminale presinaptico ed essere o rimmagazzinato nelle vescicole sinaptiche, ad opera di un trasportatore vescicolare o metabolizzato Essere ricaptato dalle cellule gliali Essere metabolizzato a livello extraneuronale Diffondere nelle zone extrasinaptiche