Trasmissione Sinaptica 1 Corteccia visiva umana Schema di un circuito elettrico 2 Una sinapsi è la giunzione tra due elementi cellulari eccitabili che consente il passaggio di informazione sottoforma di segnali elettrici Tipi di connessioni sinaptiche: • cito-neurale • interneuronica • neuro-muscolare 3 Neuroni della retina Bastoncello Cono Sinapsi cito-neurali Cellula orizzontale Cellula bipolare Sinapsi interneuroniche Cellula gangliare nervo ottico 4 Sinapsi neuro-muscolare Assone Placca motrice Fibra muscolare 5 Parti di due neuroni Neurone presinaptico Terminale eccitatorio Terminale inibitorio Neurone postsinaptico Terminale presinaptico assone dendriti corpo cellulare nucleo Terminale presinaptico dendrite postsinaptico direzione del flusso di informazione 6 7 Trasmissione sinaptica in azione 8 La sinapsi è un punto di elaborazione dell’informazione neurone presinaptico Neurone postsinaptico - ~1011 Un cervello umano adulto contiene neuroni, ciascuno di questi potrebbe ricevere 103 sinapsi, per un totale di 1014 sinapsi. La maggior parte di queste sinapsi si formano nei primi 2 anni di vita. Quindi, in un feto e in un neonato si formano 1014 sinapsi/108 s = 106 sinapsi/s !!! 9 La chimica è uno dei linguaggi del sistema nervoso, p.es. a livello delle sinapsi citosol Fessura sinaptica citosol recettore Terminale presinaptico Dendrite postsinaptico recettore Molecole di trasmettitore in vescicole sinaptiche recettore direzione del flusso d’informazione 10 Immagine al microscopio elettronico di una porzione di sinapsi vescicole sinaptiche terminale presinaptico dendrite postsinaptico 11 La diffusione attraverso lo spazio sinaptico è rapidissima citosol Fessura sinaptica citosol recettore Terminale presinaptico dendrite postsinaptico 50 nm Molecole di trasmettitore = 500 Å = 0.05 mm recettore recettore Tempo di diffusione: pochi ms direzione del flusso d’informazione 12 citosol N Come si riempiono le vescicole sinaptiche H+ Interno della vescicola citosol Pompa protonica ATP-dipendente H+ Neurotransmettitore e ATP N H+ Pompa H+-dipendente del neurotransmettitore (da 1,000 a 10,000 molecole di ciascuno) ~ isotonico! 13 MDMA (“ecstasy”) dissipa le riserve di H+ nelle vescicole, prevenendo il pompaggio di serotonina nelle vescicole Gli acidi e le basi deboli corto-circuitano molte vescicole! pompa protonica ATP-dipendente citosol trasportatore vescicolare di serotonina proton-accoppiato vescicola vescicola di vescicola depletata di di serotonina serotonina serotonina H+ “falso substrato” per due trasportatori MDMA MDMA-H+ serotonina MDMA-H+ Trasportatore della serotonina attraverso la membrane cellulare Na+-accoppiato MDMA spazio sinaptico 14 Come fa il neurotrasmettitore contenuto nelle vescicole a riversarsi nello spazio sinaptico? Le cellule hanno sviluppato sistemi elaborati per pompare il Ca2+ fuori dalla cellula mantenendone bassa la concentrazione nel citosol Un aumento transitorio e locale del Ca2+ intracellulare può essere usato per promuovere la comunicazione cellulare 15 La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico terminale presinaptico vescicola ancorata neurotrasmettitore Impulso nerv. canale per il Ca2+ voltaggio-dipendente spazio sinaptico 16 La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico terminale presinaptico Ca2+ Impulso nerv. vescicola ancorata neurotrasmettitore canale per il Ca2+ voltaggio-dipendente spazio sinaptico 17 La fusione delle vescicole sinaptiche è promossa prima da un evento elettrico e poi da uno chimico terminale presinaptico vescicola fusa Ca2+ neurotrasmettitore spazio sinaptico 18 Terminale sinaptico a riposo zzz… Vescicola sinaptica Proteina di fusione Proteina di legame dell’actina Actina Trasmettitore Proteina di fusione Corpi densi Canali del calcio Terminale presinaptico Proteina di allineamento Membrana postsinaptica Recettori 19 Terminale sinaptico durante l’eccitamento Trasmettitore Recettori 20 Sindrome di Lambert-Eaton • Debolezza generalizzata • Causata da anticorpi contro canali del Ca2+ pre-sinaptici 21 Il neurotrasmettitore agisce attivando il recettore postsinaptico per un tempo molto breve, dopo di che la sua azione si estingue Modalità di estinzione del neurotrasmettitore: • • • diffusione al di fuori della fessura sinaptica scissione enzimatica riassorbimento nella terminazione presinaptica 22 Come agisce il neurotrasmettitore a livello della membrana postsinaptica? 23 Attivazione diretta di un canale da parte di un neurotrasmettitore Recettore chiuso ACh aperto 24 Recettori-canale • Nicotinici (acetilcolina) • GABAergici di tipo A (GABA) • Glutamatergici (glutammato) • Glicinergici (glicina) 25 Alcune membrane postsinaptiche contangono recettori accoppiati a G proteine invece di canali chemio-dipendenti vescicole contenenti serotonina vescicole contenenti dopamina citosol NH 3+ HO N H fessura sinaptica HO H2 C C H2 NH 3+ HO recettore postsinaptico serotoninergico accoppiato a proteine G citosol recettore postsinaptico dopaminergico accoppiato a proteine G citosol 26 Chiusura di un canale per azione di un neurotrasmettitore mediante meccanismo indiretto A Trasmettiotore B aperto Recettore chiuso Lato extracellulare Lato citoplasmatico Adenilato ciclasi 2 subunità catalitiche 2 subunità regolatrici 27 Apertura di un canale per azione di un neurotrasmettitore mediante meccanismo indiretto A Trasmettitore Recettore B chiuso aperto G-proteina 28 Struttura di una sinapsi elettrica Gap junction connessioni 29 Studi elettrofisiologici delle sinapsi Neurone presinaptico Neurone postsinaptico 30 Stimolazione di un neurone presinaptico che produce un potenziale d’azione Misura della risposta postsinaptica V +60 Un “potenziale sinaptico” sufficientemente intenso porta ad un potenziale d’azione postsinaptico mV -60 1 ms 5 depolarizzazione del potenziale postsinaptico (eccitatorio) 31 Stimolazione di un neurone presinaptico che produce un potenziale d’azione Misura delle risposte postsinaptiche “potenziali postsinaptici” V 5 mV Come è possibile studiare il potenziale postsinaptico senza l’eventuale contaminazione del potenziale d’azione? 32 Bottoni sinaptici a livello dei dendriti di un neurone 33 Stimoli ripetuti ad un neurone presinaptico 5 mV Frazione delle Osservazioni Analisi della Trasmissione Sinaptica Quantale 1.0 0.4 0.3 Stimolati 0.2 Spontanei 0.1 0 01 12 23 34 45 56 Ampiezza delle Risposte Post-sinaptiche (mV) Nessun stimolo; eventi spontanei 50 - 1000 canali (differiscono in sinapsi diverse). Contenuto di una singola vescicola. 34 Statistica binomiale del rilascio delle vescicole N vescicole per terminale (3 in questo esempio) p probabilità di rilascio per vescicola Qual’è la probabilità P di rilasciare n vescicole? (n = 2 per questo potenziale d’azione) N n P(n) p 1 p N n n N e p a volte cambiano durante la memorizzazione, l’apprendimento, e l’assunzione di droghe 35 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 36 Il potenziale postsinaptico è locale sinapsi tratto di dendrite V x Registrazioni del PPS in punti del dendrite a distanze crescenti dal punto in cui la sinapsi è stata attivata 37 Il potenziale postsinaptico è graduale 38 Sommazione temporale È il caso di un unico terminale presinaptico che libera neurotrasmettitore ad ondate successive 39 Sommazione spaziale e inibizione È il caso di più terminali presinaptici che liberano neurotrasmettitore contemporaneamente 40 Quesito del giorno Il neurone al centro riceve cinque terminali sinaptici da altrettanti neuroni ciascuno dei quali forma più contatti sinaptici (il terminale f1 forma tre contatti, cinque f2, ecc.). Il terminale f4 libera un neurotrasmettitore che genera potenziali postsinaptici inibitori, mentre i potenziali postsinaptici generati dagli altri terminali sono eccitatori. Se il potenziale di riposo del neurone bersaglio è –70 mV e la soglia di eccitamento è posta a – 55 mV, generando ciascuna sinapsi un potenziale postsinaptico di 1 mV in valore assoluto, stabilire se quel neurone può generare un potenziale d’azione quando tutte le sinapsi sono attivate contemporaneamente. 41 L’acetilcolina Agonista: Nicotina Antagonista: d-tubocurarina 42 Myasthenia Gravis • Caratteristica: debolezza e affaticabilità • Causata da un attacco autoimmune mediato da anticorpi ai recettori Ach nel muscolo. Normale Myasthenia gravis 43 Due-terzi dei recettori a livello della giunzione neuromuscolare non sono disponibili Myasthenia gravis Normale assone vescicole terminale nervoso sito di rilascio recettori per l’Ach muscolo acetilcolinesterasi 44 L’acetilcolina Agonista: Muscarina Antagonista: Atropina 45 Il GABA è un importante neurotrasmettitore inibitorio Agonista: Acido g-amino butirrico Antagonisti: Recettore GABAA bicucullina 46 Il glutammato è il principale trasmettitore eccitatorio nel cervello Recettori: AMPA e NMDA Agonista: acido glutamico 47 Il recettore NMDA conduce solo quando 1. Il potenziale di membrana è più positivo di -30 mV 2. È presente il glutammato (le concentrazioni intracell. di glutammato e Mg2+ sono trascurabili) Potenziale d’azione più glutammato canale funzionante Ca2+ -30 mV esterno interno Il recettore NMDA è coinvolto nella plasticità sinaptica 48 Il Potenziamento a Lungo Termine (PLT) come modalità di memorizzazione Consiste in una facilitazione della trasmissione dell’eccitamento nelle giunzioni sinaptiche. Si realizza in due fasi: Induzione del PLT Stabilizzazione del PLT 49 Induzione del PLT Quando il recettore AMPA è attivato ma il recettore NMDA bloccato, la sinapsi funziona perfettamente, viene prodotta una normale risposta postsinaptica, ma non può essere potenziata. 50 Induzione del PLT Solo quando il blocco da Mg sui recettori NMDA viene rimosso e il Ca2+ può entrare attraverso il canale NMDA è possibile il PLT 51 Stabilizzazione del PLT a livello presinaptico 52 Stabilizzazione del PLT a livello postsinaptico 53 PLT precoce (memoria a breve termine) Le proteinchinasi 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 fosforilazione AMPAR *CaMK Processi di rilascio *PKC *PKC NMDAR Ca++ Messaggero retrogrado * = attivazione persistente 54 PLT tardivo (memoria a lungo termine) Implica la sintesi di nuove proteine spina dendrite cAMP CaMK MAPK PKA sintesi proteica CREB corpo cellulare nucleo espressione genica CREB = Cyclic AMP-Response Element Binding Protein MAPK = mitogen-activated protein kinase 55 PLT tardivo (a lunga durata) Una forte stimolazione ad alta frequenza genera un PLT di lunga durata 1 La forte stimolazione porta alla creazione di un’etichetta molecolare sulla sinapsi (1) Inoltre innesca processi molecolari (2) che attivano geni all’interno del nucleo (3) Le proteine sintetizzate (4) si rivelano efficienti solo presso quei siti dove si era prodotta l’etichetta (5) 56 PLT precoce (a breve durata) Una SAF debole induce una forma di PLT di breve durata (PLT precoce) che non sollecita l’espressione genica né la sintesi proteica. Induce tuttavia la creazione dell’etichetta. 57 Il PLT precoce può trasformarsi in un PLT tardivo attraverso la coincidenza della SAF debole applicata a una via nervosa con la SAF forte collegata ad un’altra. Ciò è possibile perché la SAF debole crea comunque un’etichetta riconosciuta dalle proteine prodotte dalla SAF forte dall’altra via nervosa. Ciò può portare a: Consolidamento della connessione col terminale presinaptico: • a livello postsinaptico rendendo disponibili più recettori AMPA • a livello presinaptico rendendo più efficiente il rilascio di neurotrasmettitore Sviluppo contingente di nuove sinapsi mediante liberazione di neurotrofine dalla cellula postsinaptica 58 Due esempi di neuromodulatori Dopamina: interviene a livello del SNC nella regolazione dei fenomeni comportamentali e dell’umore Inibizione: cura di depressione e schizofrenia Facilitazione eccessiva (anfetamine): sintomatologie di tipo schizofrenico Scarsa produzione: morbo di Parkinson Serotonina: interviene a livello del SNC abbassando il livello di attività dei centri encefalici e regolando i fenomeni percettivi Inibizione: cura della depressione Attivazione eccessiva (LSD): allucinazioni 59