La trasmissione sinaptica
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
La trasmissione sinaptica può essere di due tipi:
Elettrica
Chimica
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
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 Ca2+).
In molti casi la sinapsi
elettrica viene utilizzata
per
sincronizzare
più
neuroni ed ottenere una
attivazione massiva e
molto rapida
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.
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.
E’ necessaria una rapida inattivazione
o rimozione del neurotrasmettitore
dalla fessura sinaptica.
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.
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.
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
(10.000
recettori / m2).
Eventi a livello della
giunzione
neuromuscolare
1. Propagazione pda terminale
presinaptico
2. Apertura canali voltaggiodipendenti  ingresso Ca2+
3. 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.
Potenziale postpost-sinaptico (potenziale di placca, PP)
(EPP )
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
Propagazione decrementale del PP
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.
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 GNa = GK  Epp = ENa + Ek/2  +55 mV – 95 mV/2 = 20 mV
Essendo Epp = 0 significa che GNa è circa 1.8 volte maggiore di GK
ENa
Potenziale di
inversione EPP
Potenziale
di riposo
EK
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 200.000 canali.
Canali inattivati da α-bungarotossina
Formati da cinque subunità
(2 , , e )
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
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
A Epp, il flusso entrante di
Na+ è controbilanciato dal
flusso uscente di K+
(il flusso netto di cariche è
zero)
-95 mV
Ek
-90 mV
Ek
0 mV
Epp
+55 mV
ENa
Liberazione del
neurotrasmettitore
L’ingresso di ioni Ca2+ (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 Ca2+ che entra
nella terminazione nervosa.
Maggiore Ca2+  maggiore quantità
neurotrasmettitore rilasciato.
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.
Il potenziale di placca è il risultato di molti quanti, è
quindi un multiplo della risposta elementare.
La riduzione del Ca2+ 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.
 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 Ca2+, che entrano nella terminazione
durante un pda, aumentano transitoriamente di
circa 100.000 volte la frequenza della
liberazione quantale, determinando il rilascio
sincrono, in media, di 150 quanti/sec.
 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
Ca2+ 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 Ca2+ determina l’apertura e la
successiva dilatazione dei pori di fusione preesistenti,
permettendo la liberazione del neurotrasmettitore.
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
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 Ca2+, promuove i processi
di fusione ed esocitosi
L’esocitosi del neurotrasmettitore può avvenire attraverso
la formazione di un poro di fusione transitorio
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-Ca2+/Calmodulina dipendente,
in seguito a depolarizzazione del terminale ed ingresso di Ca2+
libera le vescicole che si muovono verso le zone attive.
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 Ca2+ cambia la sua conformazione
e si lega ai fosfolipidi di membrana determinando l’apertura di un poro di
fusione.
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-Ca2+ determina un cambiamento di
conformazione della proteina favorendo il processo di completa fusione.
Il legame Ca2+-sinaptotagmina favorisce il processo di completa fusione
e la formazione del poro di fusione
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.
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.
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