La trasmissione sinaptica
Un neurone può formare in media 1.000 contatti sinaptici e riceverne anche 10.000.
Le cellule del Purkinje del cervelletto ricevono fino a 100.000 sinapsi.
Esistono due meccanismi fondamentali di trasmissione sinaptica:
1) la trasmissione elettrica
2) la trasmissione chimica Efficacia è Dalla attività cellulare
PLASTICITA’
Charles Sherrington introduce il termine di sinapsi per indicare il punto di comunicazione tra neuorni.
Queste strutture erano gia state descritte morfologicamente da Ramon y Cajal.
All’inizio si pensava che tutte le sinapsi fossero elettriche.
Nel 1920 Otto Lewi dimostra che l’Ach, una sostanza chimica, media la
trasmissione dal nervo vago al cuore accesa diatriba tra fisiologi e farmacologici. Solo nel 1950-1960 si capisce che la trasmissione sinaptica puo’
essere sia elettrica che chimica.
La M. E. Le sinapsi chimiche sono morfologicamente diverse da quelle elettriche
Il flusso di corrente segue cammini diversi a livello delle sinapsi elettriche e chimiche
Giunzioni comunicanti:
Bassa resistenza, alta conduttanza
Canali passivi
Non esiste una via diretta di bassa resistenza. La corrente iniettata esce attraverso i canali passivi del neurone pre-sinaptico, che costituiscono le vie di minor resistenza. La depolarizzazione pre- sinaptica consente comunque la apertura di canali che permettono il passaggio dell’informazione
Nelle sinapsi elettriche la trasmissione è istantanea
Nelle sinapsi elettriche la corrente di depolarizzazione post-sinaptica è quella che origina dai canali voltaggio dipendenti del neurone pre-sinaptico. Questi canali quindi
devono non solo depolarizzare la cellula pre-sinaptica, ma anche fornire una corrente sufficiente a provocare variazioni significative del Potenziale post-sinaptico.
Terminale pre-sinaptico grande e con elevato numero di canali voltaggio dipendenti, terminale postsinaptico piccolo, possiede una (R in) > di un terminale grande
Legge di Ohm V = I x R in
LATENZA BREVE
Gambero gigante di acqua dolce
La trasmissione elettrica è graduata ed ha luogo anche quando le correnti della cellula pre-sinaptica sono sotto soglia per generare un potenziale d’azione
Corrente:
-Depolarizzante -Iperpolarizzante -bidirezionale -unidirezionale (sinapsi rettificanti)
Le variazioni del potenziale post-sinaptico sono direttamente proporzionali all’ampiezza e alla forma del potenziale pre- sinaptico
Trasmissione elettrotonica
Nelle sinapsi elettriche i canali delle giunzioni comunicanti mettono in connessione diretta una cellula con l’altra
Poro = 1,5 nm
NT emicanale=connessone NT connessone = 6
connessine
Meccanismo di apertura e chiusura
Le sei connessine devono ruotare l’una rispetto all’altra di ~ 0,9 nm
La sinapsi elettrica è utile per ottenere la rapida sincronizzazione di una rete di neuroni collegati tra loro da questo tipo di connessione
1) Risposte comportamentali di fuga da un pericolo: es. Cellula di Mauthner è un neurone gigante che media il colpo di coda del pesce rosso
2) Mutua connessione di interi aggregati di neuroni: i comportamenti, compaiono in maniera improvvisa e in forma di tutto o nulla.
Sincronismo
-Velocità-Sincronismo - Segnali
Metabolici <1000 (IP3, cAMP)
Le giunzioni comunicanti sono importanti per le funzioni della glia e nelle sue alterazioni patologiche
>> Comunicazioni intercellulari e intracellulari
Fettine tessuto cerebrale, fitta rete di astrociti, stimolazione elettrica flusso di Ca++ che si propaga alla velocità di ~ 1mm/sec attraverso giunzioni comunicanti
Guaina mielinica, cellule di Schwann, migliora comunicazione intracellulare. Gli strati di mielina sono tenuti insieme da giunzioni comunicanti, passaggio di ioni e piccoli metaboliti. Nella Malattia di Charcot-Marie Tooth, malattia demielinizzante legata al cromosoma X = unica mutazione in uno dei geni delle connessine.
Le sinapsi chimiche fungono da amplificatori dei segnali
Nelle sinapsi chimiche non esiste continuità strutturale tra l’elemento pre e pos-tsinaptico.
Esiste infatti una “ fessura sinaptica” di ~ 20-40 nm, di conseguenza la trasmissione sinaptica di natura chimica dipende dalla liberazione da parte del terminale pre-sinaptico di un
“neurotrasmettitore.
A livello delle sinapsi chimiche la trasmissione comporta una serie di passaggi
Ritardo sinaptico=0,3- 1msec
Amplificazione
La trasmissione sinaptica comporta due diversi processi:
1) un processo di trasmissione che porta alla liberazione del NT
2) un processo recettivo, mediante il quale il NT si lega a recettori specifici nel n. pos-tsinaptico Analogie con la secrezione endocrina,
# sostanziale - il NT percorre distanze brevi - rapido
- perché la secrezione del NT avviene in zone attive
Infatti nei neuroni del SNA che non possiedono zone attive la trasmissione è più lenta e diffusa
Diverse sostanze possono fungere da NT, ma la loro specificità d’azione dipende dalle proprietà del recettore post-sinaptico a cui si legano
Proprietà dei recettori post-sinaptici
1) Sono proteine che attraversano le membrane a tutto spessore. La porzione extracellulare ha la funzione di riconoscere e legare il NT liberato dal terminale pre-sinaptico
2) Esercitano una funzione effettrice sulla cellula bersaglio modulando l’apetura o chiusura dei canali ionici
I neurotrasmettitori possono agire direttamente o indirettamente sui canali ionici che regolano il flusso di corrente nei neuroni
In genere composti da 5 subunità ciascuna con
4 segmenti di catena ad alfa elica Composti in genere da 1 singola subunità con 7 tratti di catena ad alfa elica intrenseci alla membrana
La liberazione dei NT è regolata dalla depolarizzazione delle terminazioni presinaptiche
Bernard Katz e Ricardo Miledi, mediante esperimenti eseguiti sulla sinapsi gigante di calamaro trovano che la depolarizzazione della membrana presinaptica è importante nella liberazione del NT. In che modo l’arrivo di un PA provoca la liberazione del NT ?
Blocco dei canali del Na voltaggio dipedenti con TTX o tetrodossina, La liberazione del NT valuatato dall’ampiezza del Potenziale post- sinaptico è strettamente dipendente dalla entità della depolarizzazione pre-sinaptica
Però l’ingresso del sodio non è indispensabile
Se si depolarizza direttamente la membrana presinaptica, facendovi passare una corrente depolarizzante, quando i canali del Na sono chiusi, si ha progressiva liberazione de NT
Potrebbe, allora essere la fuoriuscita di K+ evocata dalle variazioni di voltaggio, nel corso del PA, responsabile della liberazione del NT ? NO
Blocco dei canali del K+ con TEA (tetraetilamonio) mentre sono chiusi quelli del Na, depolarizzazione dell’elememento presinaptico e registrazione del potenziale
postsinaptico come indice di liberazione del NT
Potenziale dopo il blocco dei canali Na
Potenziale dopo il blocco dei canali K+
TTX
Rapporto ingresso-uscita della liberazione del NT
La liberazione dei NT è innescata dall’ingresso degli ioni Calcio
Si era già osservato che la concentrazione extracellulare del calcio influenzava notevolmente la liberazione del NT. Poichè la liberazione del NT è un processo intracellulare era necessario capire come il calcio potesse e dovesse entrare nella cellula
R. Llinas e coll. Dimostrano l’esistenza di una corrente di calcio voltaggio dipendente nelle terminazioni presinaptiche del calamaro giganti.
Dopo blocco con TTX e TEA, notano che depolarizzazioni graduali provocano una graduale comparsa di una corrente in entrata di Calcio, seguita da un graduale aumento del potenziale post-sinaptico.
La liberazione del NT dipende notevolmente ma non linearmente dall’entità dell’ingresso del calcio.
Sensore del calcio >> nei siti attivi, ha una bassa affinità per il calcio intracellulare. ~ 50- 100
La liberazione del NT termina non appena i canali del calcio si chiudono, (fase di ripolarizzazione)
L’andamento temporale dell’ingresso del calcio nella cellula presinaptica determina l’inizio della trasmissione sinaptica
Il ritardo sinaptico è in larga parte dovuto al tempo necessario perché i canali del calcio si aprano in risposta alla depolarizzazione.
La liberazione del NT avviene entro 0.2 msec dall’ingresso del calcio
>> durata PA >> quantità di calcio che entra >> liberazione di NT
-conotossina fluorescente per localizzare canali di tipo N nelle zone attive
I NT vengono liberati in pacchetti unitari detti “quanti”
I NT vengono liberati sotto forma di quantità elementari discrete dette QUANTI
-QUANTO POTENZIALE SINAPTICO QUANTALE POTENZAIALE SINAPTICO GLOBALE (ampiezza costante)
POTENZIALI DI PLACCA IN MINIATURA
Dovuti alla liberazione continua di Perché 0, 5 mV ? Ach
0, 5 mV è in reatà il risultato della apertura di ~ 2000 canali, perche l’apertura di 1 canale = 0,3 V
Poiché per l’apertura di un canale per l’Ach si devono legare 2 molecole di Ach
Ogni potenziale in miniatura è determinato non da 1 molecola di Ach, bensì da un quanto contente ~ 5000 molecole di NT
FATT e KATZ dimostrano la natura quantale nella sinapsi
neuromuscolare di rana in assenza di stimolazione Registrano OSCILLAZIONI SPONTANEE nervosa di 0,5 mV
La probabilità che venga rilasciato un quanto di NT dipende dall’ingresso di ioni Calcio
Le variazioni delle concentrazioni extracellulari del Calcio non hanno alcun effetto sulle dimensioni del quanto (N° molecole), ma piuttosto sulla probabilità che un quanto venga liberato.
Quando la concentrazione extracellulare di calcio è normale, l’arrivo di un PA determina la liberazione di 150 quanti, ciscuno di ~ 0,5 mV.
In assenza di potenziale la placca neuromuscolare libera 1 quanto al secondo
Nel corso di un potenziale d’azione, si ha il rilascio sincrono di 150 quanti /1-2 msec
La trasmissione quantale è presente in tutte le sinapsi chimiche con # A) SNC e SNP = 1 PA = 1-10 quanti 2 m (quadri)
B) Placca motrice = 1 PA = 150 quanti 2000-6000 m (quadri)
I NT sono racchiusi e liberati da vescicole sinaptiche
L’equivalente morfologico del quanto di NT è la vescicola sinaptica
1957 studi di ME Accumuli di vescicole nelle terminazioni sinaptiche,
“forse gli organuli di deposito dei quanti di NT)
Perry dimostra che le vescicole non si distribuiscono in maniera uniforme, ma si addensano in zone specializzate “ ZONE ATTIVE” che corrispondono a delle configurazioni particolari della membrana (conf. Omega)
“ ZONE ATTIVE Zone di esocitosi
Giunzione neuromuscolare di rana, contiene ~ 300 attive dove si accumulano ~ 10 milioni di vescicole
Vescicole chiare, piccole, aspetto ovale, diametro 50 nm, localizzate in zone attive, contengono NT di tipo I e II
Vescicole elettrodense più scure contengono contengono NT di tipo III, non localizzate in zone attive
L’analisi quantale della liberazione del NT ha dimostrato che nelle zone attive il rilascio ha il carattere di un evento di tutto o nulla
Non tutti i meccanismi di trasmissione chimica comportano necessariamente l’accumulo e il rilascio da vescicole sinaptiche.
Acido arachidonico NO, CO
PGE
Facilmente diffondono anche per via retrograda e possono influenzare anche la liberazione dei NT classici dal terminale presinaptico
I NT vengono liberati dalle vescicole per esocitosi
Metodi tradizionali non consenterino di studiare il fenomeno della liberazione del NT perché la probabilita di trovare una vescicola nel momento in cui “ libera” il NT era molto bassa.
La tecnica della criofrattura ha permesso di superare questo ostacolo (1970)
A1: 1-2 file di particelle intramembranose verosimilmente canali del Calcio voltaggio
dipendenti, perchè hanno una densità di ~ 1500 per 3 .
B1: Nel corso dell’attività sinaptica, compaiono in prossità di queste strutture diverse deformazioni.
Verosimilmente invaginazioni della membrana plasmatica nel corso della esocitosi
C1: Processo di rinnovamento che si verifica entro 10 sec dalla fusione.
L’ancoraggio delle vescicole sinaptiche sulla membrana, la loro fusione e il conseguente processo di esocitosi dipendono dalla
quantità di calcio che entra nella cellula
Il Calcio aumenta la probabilità di liberazione del NT:
1) consente la fusione delle vescicole a livello delle zone attive 2) indirizza e vescicole verso i siti di liberazione delle zone attive
Nelle terminazioni pre-sinaptiche la >> parte delle vescicole è legata al citoscheletro vicino alla zona attiva, ma solo un piccolo numero di vescicole è prossimo alla zona attiva; il calcio favorisce proprio queste vescicole
L’esocitosi prevede la formazione di un poro di fusione
Con tecniche di patch clamp si è osservato che la esocitosi prevede la formazione temporanea di un PORO di FUSIONE (costituito da un ponte protoplasmatico) che ha
una CONDUTTANZA di un singolo canale (~ 200 ps) e dimensioni uguali a quelle delle giunzioni comunicanti (1,5 nm), successivamente il PORO si DILATA fino a 50
nm ed aumenta anche la sua CONDUTTANZA
La fusione avviene molto rapidamente, frazione di millisecondo. Di conseguenze le proteine che determinano la fusione delle vescicole alla membrana presinaptica devono, con ogni probabilità, essere già presenti ed organizzate intorno al poro di fusione.
Il canale di fusione è verosimilmente formato da una porzione vescicolare e una porzione fornita dalla membrana plasmatica.
Il CALCIO favorisce la dilatazione di PORO PRE-ESISTENTE
Liberazione < alla norma o Appena normale
Cavità rivestite di clatrina Ritmi normali o elevati
Non in condizioni normali, ma solo quando ci sono ritmi di liberazione elevati
Le vescicole sinaptiche vengono riciclate, per endocitosi e si fondono con gli endosomi
La liberazione dei neurotrasmettitori dalle vescicole sinaptiche richiede l’ intervento di numerose proteine
1) proteine che ancorano le vescicole al citoscheletro
2) proteine che indirizzano le vescicole verso le zone attive
3) proteine che ancorano le vescicole in corrispondenza delle zone attive per facilitare la fusione
4) proteine che promuovono la fusione e l’esocitosi
5) proteine che intevengono nella fase di recupero delle vescicole
1) MOBILIZZAZIONE: delle vescicole ai citoscheletro attraverso le SINAPSINE (Ia, Ib, IIa, IIb) in forma defofosorilata. Quando la depolarizzazione dell’elemento pre-sinaptico determina l’ingresso di Calcio, la sinapsina I viene fosforilata dalla Ca++ Calmodulina chinasi e questo determina il distacco della vescicola dalla trabecolatura del citoscheletro.
2) DISLOCAZIONE, il movimento delle vescicole verso i punti di ancoraggio nella membrana presinaptica a livello del vallo è guidato da due proteine Rab 3A e Rab 3C, per questo processo sembra importante l’idrolisi del GTP a GDP e Pì. L’idrolisi sembra indispensabile per rendere irreversibile l’ancoraggio.
3) L’ANCORAGGIO, delle vescicole alla membrana presinaptica è garantito dall’interazione tra proteine che fanno parte integrante della membrana vescicolare (v-SNARES: sinaptobrevina, bloccate dalla tossina botulinica) e proteine presenti nella memebrana presinaptica (t-SNARES : sintaxina, e SNAP 25) (Il termine SNARES = perche legano il recettore SNAP)
4) L’ESOCITOSI prevede la partecipazione della SINAPTOTAGMINA (e NEUREXINA) una proteina vescicolare. E’ formata da due domini che legano i fosfolipidi in maniera calcio dipendente. Si approfonda pertanto nel doppio strato lipidico quando entra il calcio nella cellula.
Al termine del processo di fusione e del rilascio del NT, due molecole solubili citoplasmatiche la NSF (N- ethylmaleimide-sensitive fusion protein) e la SNAP (soluble NSF attachment protein) si legano a componenti del complesso sinaptobrevina-sintaxina-SNAP 25 - che è estremamente stabile -, e lo scindono, consentendo il recupero delle vescicole.
Il numero di vescicole sinaptiche che vengono liberate può venir modulato, modulando la concentrazione degli ioni Calcio
Le sinapsi chimiche possono essere modificate per tempi più o meno lunghi = PLASTICITA’ SINAPTICA:
1) PROCESSI INTRINSECI AL NEURONE: variazioni del potenziale di membrana ed attività cellulare.
A) Piccole variazioni del potenziale di membrana: esiste una classe di canali per il Calcio che non si inattivano.
Attraverso qs canali il calcio entra in piccole quantità, costantemente all’interno del neurone pre-sinaptico. In questi casi una lieve depolarizzazione della membrana può aumentare la conduttanza per il Calcio e aumentare la
liberazione del NT.
B) Un intensa attività può modificare l’efficienza di una sinapsi. Sperimentalmente: STIMOLAZIONE tetanica = il calcio in eccesso non viene legato = aumenta liberazione del NT
2) PROCESSI ESTRINSECI AL NEURONE: importanza delle sinapsi asso-assoniche, presenti nelle terminazioni pre-sinaptiche, nella regolazione delle concentrazioni intracellulari di Calcio che possono modulare in senso sia
inibitorio che facilitatorio l’ingresso di ioni calcio
Inibizione pre-sinaptica:
1) Chiusura canali calcio o apertura canali K == iperpolarizzazione
2) Aumento conduttanza Cloro == riduzione del PA nel neurone pre-sinaptico
3) Inibizione diretta della liberazione di NT
GABA è un NT inibitorio, aumenta la permeabilità agli ioni Cloro. Dato che in molti tipi cellulari il potenziale di equilibrio del cloro è prossimo a quello di riposo della cellula, l’aumentata permeabilità al cloro non modifica in modo significativo il valore del potenziale di membrana. Però diminuisce la resistenza della membrana, dato che secondo la legge di Ohm V=RI, ogni riduzione della R si traduce in una riduzione dell’ampiezza del V che si verifica all’arrivo del PA a livello pre-sinaptico, e dato che la quantità di ioni Calcio, in ingresso è funzione del voltaggio, ne risulta un minor ingresso di calcio e quindi una riduzione della liberazione del NT
