Karl Åkerman Kaj Karlstedt. Synapser

Transkript

1 Karl Åkerman Kaj Karlstedt Synapser

2 Kontaktpunkten mellan två nervceller nervändan eller terminalen av axonen från en cell tar kontakt med en annan cell Den viktigaste enheten i nervsystemets signalering synapser finns främst på dendriter på synapsen verkar de flesta kända psyko- eller neuroaktiva läkemedlen Synapsen

3 Synapsen Synapsens uppbyggnad Presynaptisk nervterminal innehållande synaptiska vesikler Synaptisk klyfta mellan pre-och postsynaptisk membranerna Postsynaptisk membran med receptorer Inne i nerveterminalen finns mitokondrier som producerarar ATP som behövs för transmitter frisättningen

4 Synapsens uppbyggnad Mitokondrie Microtubuli Synaptiska vesikler Synapsklyfta Dendritknöl

5 Synapsen

6 Axonal transport Synapsens komponenter syntetiseras i cellkroppen och transporteras till nervterminalen längs axonen med såkallad axonal transport - Anterograd transport Axon

7 Axonal transport Retrograd transport från terminalen till cellkroppen har betydelse tex vid upptag av neurotropa virus som förökar sig i cellkärnan Axon

8 Presynaptiska skeenden- TRANSMITTERFRISÄTTNING Sker med exocytos När Ca 2+ halten ökar i nervterminalen sker fusion av vesiklar innehållande transmittor med plasma membranen och transmittorn kommer ut i synapsklyftan N och P-typs Ca 2+ kanaler frisätter transmittor i den såkallade aktiva zonen vid synapsspringan L-kanaler i periferin frisätter vissa peptider L- VGCC Ca 2+ N/P VGCC Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+

9 Exocytos Synaptiska vesiklar i en nervterminal R Gq PLC Ca 2+

10 Exocytos Aktionspotentialer R Gq PLC Ca 2+

11 Exocytos Invaderar nervterminalen R Gq PLC Ca 2+

12 Exocytos N/P eller Q typs Ca 2+ kanaler aktiveras Ca 2+ flödar in i terminalen Ca 2+ halten inne i terminalen ökar R Gq PLC Ca 2+

13 Exocytos De synaptiska vesiklerna fusionerar med plasma membranen R Gq PLC Ca 2+

14 Exocytos Neurotransmittern som förvarats i vesiklerna frisätts i synapsklyftan R Gq PLC Ca 2+

15 Exocytos Neurotransmittern binds till postsynaptiska receptorer R Gq PLC Ca 2+

16 Exocytos EPSP och eventuellt nya aktionspotentialer initieras R Gq PLC Ca 2+

17 Endocytos Efter frisättning tas vesikelmembranen åter upp och fylls med ny transmitter R Gq PLC Ca 2+

18 Olika typer av synapser Neuromuskulär junktion -förgrenade Centrala snabba -tex. glutamat En passage boutonsvaricoser -transmittern frisätts i omgivningen

19 Olika typer av synapser Excitatorisk Typ I Inhibitorisk Typ II Axo-axonal

20 I samtliga orsakar aktionspotentialer en ökning i Ca 2+ Olika typer av synapser

21 Synaptiska vesikler Olika typer av transmittorer förvaras i olika typer av vesikler. Mekanismen för frisättning verka dock vara densamma

22 Synaptiska vesikler Den synaptiska vesikeln är en organell som har helt specialiserat sig på att förvara transmittersubstanser. Organellens membran innehåller dessutom ett helt maskineri av proteiner som delvis behövs för anrikning av transmittorer in i vesiken och delvis för fusion av vesikeln under exocytosprocessen.

23 Fusionen Exocytosens fusionskede är en komplicerad process som involverar en mängd proteiner i vesikel- och plasma membranen. Det bildas först ett såkallat fusionskomplex av vesikelns och plasma membranens komponenter Komplexbildningen kräver ATP

24 Proteinkomponenenter i vesikelmembranen och plasmamembranen behövs för exocytos

25 Synaptiska vesikulära membranproteiner Synaptobrevin väsentlig del av fusionskomplexet Synaptofysin medverkar vid attraktion till plasmamembranet rab3 litet GTP bindande protein som har med reupptaget av vesikelmembranet att göra Synaptotagmim Ca 2+ sensor som sätter igång sekretionen Synapser- Synaptofysin färgning

26 Plasmamembranproteiner Syntaxin SNAP-25 RIM en del av fusionskomplexet binder synaptobrevin en del av fusionskomplexet binder synaptobrevin binder rab3 och hämmar GDI som hämmar rab3s funktion

27 Plasmamembranproteiner Syntaxin SNAP-25 RIM en del av fusionskomplexet binder synaptobrevin en del av fusionskomplexet binder synaptobrevin binder rab3 och hämmar GDI som hämmar rab3s funktion

28 Plasmamembranproteiner Syntaxin SNAP-25 RIM en del av fusionskomplexet binder synaptobrevin en del av fusionskomplexet binder synaptobrevin binder rab3 och hämmar GDI som hämmar rab3s funktion

29 Övriga proteiner som behövs för fusionen NSF är ett ATPas som associerar med fusionskomplexet och producerar energi för fusionen SNAP proteiner, munc proteiner tar del I uppbyggandet av fusionskomplexet Rabfilin stimulerar rab3

30 Fusionskomplexet GTP GDP ATP ADP+P GDI Rab 3 SNAPS Rabfilin NSF SYNAPTOFYSIN MUNC 18, MUNC 13 SYNAPTOBREVIN SNAP-25 SYNTAXIN Ca 2+

31 Fusionskomplexet tvingar vesikelmembranen in i plasmamembranen

32 Dynamin avsnör vesikeln tillbaka under endocytosfasen Exo och endocytos Klatrin bildar ett skal runt vesikeln som tas in i terminalen och förlorar sedan skalet

33 Toxiner som påverkar fusionskomplexet Vissa toxiner från anaeroba bakterier såsom Chlostridium botulinium, som kan orsaka matförgiftning och Chlostridium tetani, som kan förgifta via sår, bryter ner fusionskomplexet och hämmar transmittorfrisättning. Dessa har varit till stor betydels för utredningen av exocytosens molekylärfysiologi. De har också terapeutisk betydelse man injicerar dem för att specifikt blockera vissa nervcentra tex vid kronisk smärta

34 Botulinium toxin Fusionskomplexet bryts ner

35 Myotonier orsakar spasticitet membrandefekt tex genetiska störningar i jonkanaler behandling med botulinium toxin Spasticitet torticollis Behandling med botulinum toxin

36 TRANSMITTORÅTERUPPTAG Plasma membranens Na + gradient är drivande kraften för transporten av transmittorn över membranen in i nervterminalen. Terminalen utnyttjar således Na + gradienten för att anrika transmittorer. Transportörern hämmas av tricykliska antidepressiva såsom amitriptylin när det gäller aminer såsom noradrenalin, serotonin etc.

37 Åtetupptag av neurotransmittorer i nervterminalen Transmitterupptaget är en tvåstegs process Amintransmittorer tas först upp över plasma-membranen genon kotransport med Na + Därefter drivs de in i vesikeln av en protongradient som bildas av vesikelmembranens H + ATPas som pumpar in protoner i vesikel och gör des indre yta positivt laddad.

38 VESIKELTRANSPORT En ATP förbrukande proton pump gör vesikelinnehållet surt och positivt laddat - transmittorn drivs in i vesikeln antingen med hjälp av : protongradienten ph (protonen går ut och aminen in) eller membranpotentialen E (negativt laddade)

39 Vesikelupptagsmekanismerna beror på transmitterns laddning transmittor mekanism/ inhibitor drivkraft aminer H+ utbyte reserpin acetylkolin H + utbyte vesamikol glutamat GABA membranpotential membranpotential och H + utbyte

40 Vesikelupptagsmekanismerna beror på transmitterns laddning

41 Olika typer av neurotransmittorer Småmolekylära tex acetylkolin, noradrenalin, serotonin, histamin återanvänds Neuropeptider såsom endorfiner, substans P etc syntetiseras i cellkroppen och transporteras till nervterminalen via axonal transport -Deras syntes stimuleras av elektrisk aktivitet

42 Postsynaptiska skeenden Receptorer på dendriter reagerar på frisatta neurotransmittorer och initierar elektrisk aktivitet

43 Postsynaptiska skeenden-olika typer av neurotransmitterreceptorer Ionotropa receptorer i hjärnan tex glutamatreceptorer (iglur) och nikotin acetylkolin receptorer (nachr) startar elektrisk signallering G-protein kopplade receptorer tex metabotropa glutamatreceptorer (mglur) samt muskarina acetylkolinreceptorer (machr) upprätthåller en stimulatorisk eller inhibitorisk tonus

44 Excitation och inhibition kanalen öppnas och Na + flödar in Na+ Na+ Na+ Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- Na+ Na

45 Excitation och inhibition depolarisering - EPSP Na+ Na+ Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- Na+ Na+ +++ Na+

46 Excitation och inhibition inhibitorisk transmitter frisätts och binds Na+ Na+ Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- Na+ Na+ +++ Na+

47 Excitation och inhibition Cl - kanalen öppnas Na+ Na+ Na+ Cl- Cl-Cl- Cl- Cl- Na+ +++ Na+

48 Excitation och inhibition Cl - flödar in Na+ +++ Na+ Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- Cl- Cl- Cl-

49 Excitation och inhibition Cl - flödet släcker depolariseringen Na+ Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- Cl- Cl- Na+ Cl

50 De summerade Eletrotonisk konduktion EPSPsignalerna överförs passivt till cellkroppen och det initiala axonsegmentet

51 Framåt och bakåt propagering i dendriter Elektriska signaler i dendriter fortplantar sig inte endast passivt utan olika typer av propagering (fortplantning) har påvisats. Propageringen variera från neurontyp till annan och är mycket beroende av neuronens excitationstillstånd dvs dess styrka

52 Framåt propagering i dendriter Spänningskänsliga Na + /Ca 2+ och K + kanaler samt aktionspotentialer har påvisats i dendriter Kanaltätheten är betydligt lägre än i axonen Tröskelvärdet för aktionspotentialer i dendriter ligger även vi mera positiva potentialer än i axonen Långvariga Ca 2+ beroende aktionspotentialer har upmätts i flera olika typer av dendriter

53 Bakåtpropagering i dendriter Vid hög aktivitet kommer aktionspotentialer att propageras även baklänges till dendritträdet och inte endast längs axonen till nervterminalen bakåtpropagering anses ha stor betydelse för synapsens integrerande funtioner

54 Framåt och bakåt propagering i dendriter

55 NMDA-RECEPTORN NMDA-receptorn har flera egenskaper och specifika funktioner som åtskiljer den från övriga jonotropa receptorer. I Jonkanalen har hög Ca 2+ permeabilitet II Mg 2+ blockerar jonkanalen vid negativ membranpotential III Glycin är en koagonist för receptorn

56 NMDA receptor kanalen är permeabel för Ca 2+ glutamate + 2+ Na /Ca

57 NMDA receptorn - Mg 2+ blocket Vid vilomembranpotentialer är NMDAreceptorkanalen blockerad av Mg 2+ En Depolarisation upphäver Mg 2+ -blockaden Detta innebär att NMDA-kanalen behöver en annan receptor eller en ledande / föregående depolarisation av annan orsak för sin funktion.

58 NMDA receptorn - Mg 2+ blocket depol.

59 Glycin är en co - agonist för NMDA receptorn Glycin måste binda till sitt speciella bindningsställe på NMDA-receptorn, innan denna kan bli aktiverad av glutamat Man säger att glycin är en co-agonist Det behövs altså frisättning av glycin från en anna nervterminal

60 NMDA receptorn kräver altså depolarisering tex via AMPA receptorer för att upphäva Mg 2+ blocket GLUTAMATE ++ NMDAR ++ AMPAR Ca 2+ Na +

61 Samt glycin för att jonkanalen skall kunna aktiveras GLUTAMATE Glycine ++ NMDAR ++ AMPAR Ca 2+ Na +

62 Receptorkanalen reglerast ytterligare via andra transmittorer som påverkar G-protein kopplade receptorer GLUTAMATE Glycine ++ NMDAR ++ Amine Peptide Ca 2+ Na + G GPCR

63 NMDA receptorn - Mg 2+ blocket Detta betraktas som viktigt i många sammanhang, t.ex när två neuroners signaler skall sammanstråla (konvergera) i samma cell och ge eld samtidigt coincidence detection. Signal 2 Signal 4 Signal 1

64 Andra bindningställen på NMDA receptorn Flera andra ligandbindningsställen finns på och i NMDA-receptorn, exempelvis det för polyaminer Många ligander som är kända hallucinogener binder till det såkallade kanalbindningsstället

65 Bindningsställen på NMDA receptorn The NMDA receptor sites kanal bindningst glycine PCP glutamate Zn Mg 2+ Polyamine

66 NMDA receptorns struktur NMDA Receptorn består av subenheter av NR1- och NR2-typ. NR1-subenheter måste komma i kontakt med någon av NR2-(A,B,C,D) subenheterna för att skapa en funktionell kanal. NR2- subenheterna bestämmer affiniteten för glycin, Mg 2+ och droger.

67 NMDA receptorns funktioner Snabb transmission Neuronal utveckling Inlärning och minne Kontroll av andning och blodtryck Sinnestransmission

68 Excitoxicitet NMDA receptorerna anses ha betydelse vid såkallad excitoxicitet dvs vid neuronskada läcker glutamat ut från celler och orsakar stark icke-ändamålsenlig aktivering av glutamatreceptorer som leder till ytterligare cellskada

69 Excitoxicitet Cellskada leder till frisättning av glutamat som aktiverar glutamatreceptorer Cell damage GLUTAMATE GLUTAMATE Cell damage GLUTAMATE NMDAR AMPAR Ca 2+ Na +

70 Ytterligare skada och celldöd sker då Na + flödar in i cellen och orsakar osmotisk skada med celldöd som följd Cell damage GLUTAMATE GLUTAMATE Cell damage GLUTAMATE NMDAR AMPAR Ca 2+ Na + Ca 2+ Ca 2+ Na + Na + osmotic and chemical damage

71 Stroke är en typisk situation vid vilken excitoxicitet har en central betydelse i patofysiologin. En betydande komponent av excitocicitet också vid Parkinsons sjukdom Huntingtons Chorea Alzheimer sjukdom Trauma infektion etc

72 Postsynaptiska skeenden-plasticitet -LTP Glutamatreceptorer har en central betydelse i plasticitet dvs långvariga förändringar i synapsfunktionen som induceras av aktivitet. NMDA receptorn behövs för initiering av plasticitet - Receptorn kräver depolarisering för att aktiveras depolariseringen upphäver ett block av kanalen som orsakas av Mg 2+ joner -NMDA receptorn tillåter inflöde av Ca 2+ vilket startar signalvägar -NMDA receptorn moduleras via andra neurotransmittorer glycin behövs för kanalens öppnande samt receptorn styrs av signaler frå G-protein kopplade receptorer

73 LTP=Long Term Potentiation LTP är en förlängd ökning av EPSP i glutamaterga synapser som uppkommer när preoch postsynaptiska neuroner stimuleras på ett särskilt manér. LTP är relaterat till inlärning och minne.

74 Olika faser vid LTP Induktion Mekanismer som leder till synaptiska förändringar Upprätthållande Mekansismer som leder till bestående förändringar Expression LTP kan observeras några minuter efter induktion I vissa fall krävs dock längre tider upp till 30 min

75 LTP EPSP EPSP LTP EPSP amplitude LTP protokoll Tid 10 h 10 d

76 LTP=Long Term Potentiation Den ökade intracellulära Ca 2+ halten vid aktivering av NMDA receptorer anses var en delaktig faktor i triggandet av LTP Upprätthållandet av LTP under långa tider kräver genavskrivning och proteinsyntes.

77 Ökning i dendritknölars intracellulära Ca 2+ halt och volym vid induktion av LTP

78 LTP Prolonged depolarisation Mg 2+ -block of the NMDAreceptor released Ca 2+ -influx Prolonged activation of CaMKII (Ca 2+ /calmodulinkinase II) LTP kan initieras med högfrekvens elektrisk stimulering - ofysiologisk Eller samtidig stimulering av pre- och postsynaptisk membran - sannolikt fysiologisk Gene transkription

79 LTP Cellulära mekaniser Initiala mekanismer Post-synaptisk aktivitet: Depolarisationen krävs för att upphäva Mg blocket eller för att aktivera spännings känsliga Ca 2+ kanaler Pre-synaptisk aktivitet behövs för aktivering av glutamat receptorer Ca 2+ ökningen leder till protein Kinas aktivation Phosphorylering av proteiner involverade i synaptisk transmission (tidig fas) bla AMPA receptorer mrna partiklar styr lokal proteinsyntes Initiation av gene expression (sen fas)

80 mrna partiklar styr lokal proteinsyntes

81 Dendritknölars mängd och struktur beror på aktivitet Litet stimulans normal Stimulerande miljö

82 Dendritknölarna är förändrade i olika typer av mental retardation

83 Dendritknölarna är förändrade i olika typer av mental retardation FragileX MRX Down syndrom trisomi 21 Patau syndrom trisomi 13 15

84 Dendritknölarna är förändrade vid epilepsi

85 LTP Cellulära mekanismer Tre typer NMDA receptor beroende Icke-NMDA receptor beroende Beroende av metabotropa glutamat receptorer Alla beror på en ökning i Ca 2+ i dendritknölar Ca 2+ kelatorer såsom BAPTA, EGTA hämmar LTP Ca 2+ ökningen kan initieras på olika sätt NMDA kanaler Spänningskänsliga Ca 2+ kanaler Ca 2+ frisättning från förråd

86 LTP vs LTD LTD= long term depression - liksom LTP beroende av intracellulärt Ca 2+ Låg aktivitet = liten Ca 2+ ökning = LTD Hög aktivitet = Stor Ca 2+ ökning = LTP

87 Ca 2+ och plasticitet Biokemiska Mekanismer liten Ca 2+ ökning aktiverar högaffinitets fosfataser leder till: Dephosforylering av AMPA receptorer vilket leder till liten depolarisering Stor Ca 2+ ökning aktiverar låg affinitets, protein kinases som fosforylerar AMPA receptorer AMPA receptorns fosforylering leder till större depolarisering samt insertion av nya AMPA receptorer