Возбуждающие и тормозные синапсы Лекция 3. Биофизика и фармакология синаптических токов Лекция 3.1. - презентация

1 Возбуждающие и тормозные синапсы Лекция 3

2 Биофизика и фармакология синаптических токов Лекция 3.1

3 3 Постсинаптические потенциалы Различаются по амплитуде Могут быть деполяризующими или гиперполяризующими Не регенерируют и не перемещаются вдоль мембраны как потенциал действия Специальный случай: шунтирующий постсинаптический ответ (потенциал реверсии тока равен потенциалу мембраны)

4 4 Быстрые и медленные постсинаптические ответы 1979 годДжон Эклс в соавторстве с супругами Мак-Гир предложил называть эффекты классических быстрых медиаторов ионотропными поскольку они воздействуют на ионные каналы на постсинаптической мембране, а медленные эффекты - метаботропными, предполагая, что они требуют вовлечения метаболических процессов внутри постсинаптического нейрона.

5 5 Ионотропные рецепторы

6 6 Метаботропные рецепторы

7 7 Возбуждение и торможение Возбуждающее событие – событие повышающее вероятность распространения сигнала ВПСТ, возбуждающий постсинаптический ток, повышает вероятность возникновения тока действия в постсинаптической клетке Тормозное событие – событие снижающее вероятность распространения сигнала ТПСТ, тормозный постсинаптический ток, снижает вероятность возникновения тока действия в постсинаптической клетке

8 8 Что делает событие возбуждающим или тормозным? Потенциал покоя мембраны (V m ) Потенциал реверсии ионного тока (V rev ) – определяет направление тока Порог генерации потенциала действия (T) VmVm T V rev Деполяризующий потенциал (возбуждающий) VmVm T V rev Гиперполяризующий потенциал (тормозный) -60 мВ VmVm T V rev Шунтирующий ответ потенциал не возникает, но проводимость мембраны увеличивается (тормозный)

9 9Шунтирование S R = 1/R R – проводимость мембраны в покое S m =S R Шунтирующий ответ S S увеличивает проводимость мембраны Если добавлена шунтирующая проводимость, по закону Ома деполяризация мембраны будет меньше в ответ на возбуждающий синаптический ток V syn =I syn /S m Таким образом, шунтирующий ответ тормозный CmCm SRSR CmCm SRSRS Изменится так же константа затухания синаптических токов

10 10 Потенциал реверсии синаптического тока Потенциал реверсии тока быть измерен в постсинаптической клетке при использовании метода фиксации потенциала Потенциал реверсии в каждом случае определяется ионной селективностью каналов, открываемых нейропередатчиком

11 11 Патч кламп Варианты патч клампа 1.Присоединенная клетка – патч пипетка не имеет доступа к внутриклеточному содержимому. Возможен переход к inside-out конфигурации патча. 2.Целая клетка – содержимое клетки заменяется внутрипипеточным раствором. Возможен переход к outside-out конфигурации патча. 3.Перфорированная клетка – комбинация 1 и 2. Отверстия в мембране делаются с помощью антибиотиков. Возможны записи токов, как одиночных ионных каналов, так и их суммарной активности

12 12 Стохастический процесс открывания ионных каналов Стимул увеличивает вероятность открытия ионных каналов, как это происходит в случае постсинаптического потенциала. В режиме целая клетка регистрируется постсинаптический потенциал как временная суммация открытых состояний ионных каналов.

13 13 Потенциал реверсии: вольтамперная характеристика Метод: Потенциал на клеточной мембране фиксируется на разных уровнях. Синаптический ток измеряется в ответ на пресинаптическую стимуляцию Потенциал реверсии – потенциал фиксации на котором синаптический ток меняет направление.

14 14 Потенциал реверсии зависит от ионной проводимости Уравнение Нернста E irev = (RT/zF)ln ([ion] out /[ion] in ) где R= газовая постоянная T= абсолютная температура z= валентность иона F= постоянная Фарадея Для 37 о С получаем E i rev = 68 log ([ion] out /[ion] in ) Для 20 о С получаем E i rev = 58 log ([ion] out /[ion] in ) E i rev для Na + при 20 о С = 58log [140 мМ]/[7 мМ]= + 75 мВ Поскольку потенциал покоя нейрона негативный (-60 мВ), то ток опосредованный ионами Na + будет деполяризующим Один и тот же ионный канал может обладать проводимостью к нескольким ионам

15 15 Термины нейрофармакологии Лиганд – вещество, которое связывается с рецептором (агонисты и антагонисты) Агонист – вещество, которое повышает вероятность открытия ионного канала рецептора (нейропередатчики – агонисты постсинаптичеких рецепторов). Антагонист – вещество которое снижает вероятность открытия ионного канала Аллостерический модулятор – вещество которое изменяет эффект связывания агониста (эндогенные модуляторы влияют на синаптическую передачу) Аффинность – чувствительность рецептора к агонисту (синаптические рецепторы имеют низкую аффинность чтобы не реагировать на «фоновый» нейропередатчик) Десенситизация – потеря способности рецептора отвечать на постоянно присутствующий агонист (играет важную роль в окончании синаптического события) Инактивация – переход рецептора в неактивное состояние

16 16 Кинетическая модель R - рецептор, GluR – рецептор связанный с одной молекулой глутамата (агониста) Glu2R – рецептор связанный с 2-мя молекулами агониста Glu2R* - открытое состояние GluRD, Glu2RD, и Glu2R*D три десенситизированных состояния к – константы соответствующих переходов

17 Глутаматергические синапсы Лекция 3.2

18 18 Рецепторы глутамата Ионотропные –AMPA (преимущественно Na + /K + проводимость) –Каинатные (Na + /K + и Ca 2+ проводимость) –NMDA (значительная Ca 2+ проводимость) – потенциал-зависимые Метаботропные –mGluR группы I, II и III Играют функционально различную роль Могут быть мишенью для лекарственных препаратов

19 19 Метаботропные рецепторы глутамата Связаны с G-белком Располагаются на пре- и постсинаптическом участке

20 20 Ионотропные рецепторы глутамата

21 21 AMPA рецепторы Основные рецепторы глутаматергической синаптической передачи Проводимость одиночного канала ~8пС (g = I/V m -E rev ) Na + и K + проводимость если присутствует немодифицированная GluR2 субъединица то проводимость для Ca 2+ Быстрая десенситизация Вольтамперная характеристика – ВАХ

22 22 Каинатные рецепторы Состоят из 5 типов субъединиц GluR5,6,7, KA1, KA2 функциональны гомомеры GluR5 и GluR6 Гетеромеры KA2 с GluR5 или GluR6 Рецепторы быстро десенситизируются (но вероятно не все) Субклеточное распределение может отличаться от AMPA (возможно, преимущественно внесинаптические рецепторы) Линейная ВАХ

23 23 NMDA рецептор: самый интересный рецептор? Потенциал и хемочувствительный – нужны 2 события для активации NMDA рецептор – тетраметр состоящий из 2 NR1 субъединиц и 2 NR2 субъединиц Ca 2+ проводимость

24 24 NMDA рецептор Канал блокирован ионами Mg 2+ при mV. Деполяризация убирает Mg 2+ блок Помимо глутамата требует глицин как ко-агонист Имеет очень медленную кинетику. Обладает более высокой аффинностью, чем AMPA, каинатные или mGluR рецепторы.

25 ГАМКергические синапсы Лекция 3.3

26 26 ГАМКергические синапсы имеют много общего с глутаматергическими

27 27 Разнообразие ГАМКергических нейронов в ЦНС

28 28 Классификация и свойства ГАМК рецепторов ГАМК А и ГАМК С рецепторы как правило гиперполяризующие деполяризующие в случае, если потенциал постсинаптического нейрона более отрицательный, чем потенциал реверсии для Cl - в клетке (в процессе развития мозга) ГАМК А и ГАМК С – ионотропные рецепторы ГАМК ГАМК Б – метаботропные рецепторы ГАМК

29 29 Метаботропные рецепторы ГАМК Пресинаптическая функция: снижение высвобождения нейропередатчика Постсинаптическая функция: Медленный K + ток (гиперполяризующий) Поскольку требуется активация каскадов вовлекающих G- белки: Большая задержка (20-50 мсек), медленная начальная фаза и фаза затухания ( мсек)

30 30 Быстрая ГАМКергическая передача

31 31 ГАМК А рецепторы состоят из 5 субъединиц Насчитывается больше 20 генов кодирующих субъединицы ГАМК А рецептора

32 32 Быстрые ТПСТ опосредованы хлорной проводимостью

33 33 Возбуждающий и тормозный эффекты ГАМК А Глутаматные синапсы (основные возбуждающие синапсы мозга) возникают после ГАМКергических. В этот период ГАМК опосредует передачу возбуждения, тогда как торможение осущесвляется за счет шунтирующего эффекта внесинаптических ГАМК рецепторов. Вопрос: Почему? Потенциал клетки более негативный в развивающихся нейронах чем в развитых или потенциал реверсии хлорных токов более позитивный? VmVm T V rev VmVm T -60 мВ VmVm T V rev взрослый нейрон негативный потенциал мембраны сдвиг потенциала реверсии Это тоже шунтирование синаптический потенциал никогда не достигнет порога

34 34 Изменение градиентов для Cl - в процессе развития Сдвиг в относительной экспрессии Cl - транспортеров Сначала экспрессируется Na + -K + -2Cl - котранспортер (NKCC 1), он увеличивает [Cl - ] i - ГАМК эффекты деполяризующие Потом экспрессируется K + -Cl - котранспортер (KCC2) снижающий [Cl - ] i – ГАМК эффекты гиперполяризующие

35 35 Энергия для транспорта Транспортеры в отличие от насосов не требуют энергии АТФ. Они используют энергию градиентов других ионов, потому и могут переносить тот или иной ион против градиента. Используется градиент Na + и K + Типы транспорт: симпорт и антипорт

36 Синаптическая пластичность Лекция 3.4

37 37 Синаптическая пластичность Правило Хебба (1948) Когда аксон клетки А достаточно близко, чтобы возбудить клетку Б, или постоянно разряжается, происходит процесс роста или метаболические изменения в одной или обоих клетках так, что эффективность клетки А, как клетки возбуждающей В увеличивается Только в начале 70х Блис и Ломо привели экспериментальное доказательство этого принципа – долговременная синаптическая потенциация

38 38 Типы синаптической пластичности Кратковременная пластичность (секунды - минуты) посттетаническая потенциация парная фасилитация парная депрессия Долговременная пластичность (часы и дни) NMDA рецептор зависимая долговременная потенциация (LTP) NMDA рецептор независимая LTP Ca 2+ чувствительная аденилатциклаза зависимая LTP NMDA рецептор зависимая долговременная депрессия (LTD) Гомосинаптическая пластичность Возникает в активированных синапсах как результат их собственной активации Гетеросинаптическая пластичность Пластичность возникает в других синапсах того же синаптического пути

39 39 LTP может быть получена в срезе гиппокампа Метод записи полевых потенциалов и электрическая стимуляция Клетки гиппокампа образуют слои

40 40 LTP как изменение внеклеточного полевого потенциала Классический эксперимент 1.Измерять полевой ВПСП в ответ на одиночную электрическую стимуляцию 2.Произвести короткую высокочастотную стимуляцию 3.Произвести измерение LTP как изменение угла наклона полевого ВПСП

41 41 Экспериментальная проверка правила Хебба 1.Деполяризация постсинапса не приводит к LTP 2.Пресинаптическая активность при фиксированном потенциале на постсинапсе не приводит к LTP 3.1 и 2 вместе ведут к LTP Гомосинаптическая LTP

42 42 Ассоциативная LTP (гетеросинаптическая) (А) На один вход подать слабую стимуляцию – нет эффекта (B) Тетаническая (высокочастотная) стимуляция не приводит к LTP вслабом пути, но приводит в сильном (C) Подать тетаническую стимуляцию на оба пути одновременно – в слабом пути возникнет LTP

43 43 NMDA рецептор зависимая и независимая LTP NMDA рецептор зависимая LTP не возникает при блокированных NMDA рецепторах. Как правило постсинаптическая (усиливает функцию AMPA рецепторов) NMDA рецептор независимая LTP увеличивает вероятность высвобождения нейропередатчика (пресинаптическая)

44 44 Возможные механизмы LTP/LTD Пресинаптический: увеличение/снижение вероятности высвобождения нейропередатчика Постсинаптический: Увеличение/снижение ответа на ту же концентрацию нейропередатчика –Изменение числа рецепторов –Изменение свойств рецепторов (посттрансляционная модификация или экспрессия рецепторов с другими свойствами)

45 45 NMDA рецепторы контролируют экспрессию и интернализацию AMPA рецепторов

46 46 Посттрансляционная модификация рецепторых белков Модель того как фосфорилирование/ дефосфорилирование может приводить к синаптической пластичности (LTP или LTD). Направление модификации зависит от стимуляции и соответствующего входа Ca 2+ )