ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΖΩΩΝ 7-8/ Π.Παπαζαφείρη ΣΥΝΑΨΕΙΣ

Transcript

1 ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΖΩΩΝ 7-8/ Π.Παπαζαφείρη ΣΥΝΑΨΕΙΣ Νευροδιαβιβαστές α) παραγωγή, είδη β) αναγνώριση γ) σηματοδότηση

2 Σε πρώτη προσέγγιση, ο ορισμός του διαβιβαστή είναι: Διαβιβαστής είναι μια ουσία που απελευθερώνεται σε μια σύναψη από ένα νευρώνα και επηρεάζει ένα άλλο κύτταρο (νευρώνα ή τελεστή) με εξειδικευμένο τρόπο. Κριτήρια: να εντοπίζεται στις προσυναπτικές απολήξεις να απελευθερώνεται κατά την εκπόλωση του προσυναπτικού κυττάρου να αναγνωρίζει ειδικούς υποδοχείς

3 Το ΝΣ χρησιμοποιεί δύο κύριες ομάδες ενώσεων ως διαβιβαστές: 1)Μικρού ΜΒ ενώσεις 2)Νευροενεργά πεπτίδια (πεπτίδια λίγων αμινοξέων)

4 Ρύθμιση :έκκριση του νευροδιαβιβαστή

5 Οι νευροδιαβιβαστές είναι συσκευασμένοι σε κυστίδια και απελευθερώνονται με εξωκυττάρωση Κανάλια ασβεστίου Η εκπόλωση προκαλεί σύντηξη κυστιδίων με την προσυναπτική μεμβράνη Κυστίδιο

6 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΗ ΤΗΣ ΑΠΕΛΕΥΘΕΡΩΣΗΣ ΤΟΥ ΔΙΑΒΙΒΑΣΤΗ Απελευθέρωση του διαβιβαστή κατά κβάντα, το καθένα από τα οποία παράγει μια απόκριση καθορισμένου μεγέθους. Κάθε απόκριση είναι το αποτέλεσμα της απελευθέρωσης ενός αριθμού κβάντα διαβιβαστή και το μέγεθός της είναι ίσο με το βασικό μέγεθος επί τον αριθμό των κβάντα του διαβιβαστή

7 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΗ ΤΗΣ ΑΠΕΛΕΥΘΕΡΩΣΗΣ ΤΟΥ ΔΙΑΒΙΒΑΣΤΗ Η μονάδα που ορίζεται σαν κβάντουμ διαβιβαστή, αποτελείται από μόρια ακετυλοχολίνης περίπου, που απελευθερώνονται στη συναπτική σχισμή και ενεργοποιούν 2000 περίπου μετασυναπτικά κανάλια

8 Ρόλος των ιόντων ασβεστίου στην απελευθέρωση του διαβιβαστή

9 Ο κύκλος των κυστιδίων και του νευροδιαβιβαστή Αγκυροβόληση των κυστιδίων, εξαρτώμενη από Συναψίνη-σε ινίδια ακτίνης κοντά στις ενεργές ζώνες και τα κανάλια ασβεστίου Ανάκτηση της κυστιδιακής μεμβράνης μέσω ενδοκυττάρωσης (παρουσία δυναμίνης)- σε κυστίδια καλυμμένα με κλαθρίνη

10 Διπλή συσκευασία κυστιδίων Σε πολλές συνάψεις έχει υιοθετηθεί το σχέδιο της διπλής συσκευασίας που επιτρέπει τον έλεγχο της σχετικής απελευθέρωσης των δύο ειδών διαβιβαστών τους. Χαμηλής συχνότητας διέγερση προκαλεί την έκκριση του μικρού διαβιβαστή ενώ μια υψηλής συχνότητας διέγερση προκαλεί συν-απελευθέρωση και των δυο διαβιβαστών.

11 ΔΙΑΒΙΒΑΣΤΕΣ ΜΙΚΡΟΥ ΜΟΡΙΑΚΟΥ ΒΑΡΟΥΣ Ακετυλοχολίνη Βιογενείς αμίνες Ντοπαμίνη Αδρεναλίνη-Νοραδρεναλίνη Σεροτονίνη Ισταμίνη Αμινοξέα γ-αμινοβουτυρικό οξύ (GABA) Γλυκίνη Γλουταμινικό οξύ

12 Υπάρχουν 8 «κλασικοί» χαμηλού ΜΒ διαβιβαστές: Όλοι είναι αμίνες Επτά είναι αμινοξέα ή παράγωγά τους Όλοι είναι φορτισμένα μικρά μόρια Όλα τα ένζυμα για τη σύνθεσή τους είναι κυτταροπλασματικά, με μία εξαίρεση (βυδροξυλάση της ντοπαμίνης)

13 ΒΙΟΓΕΝΕΙΣ ΑΜΙΝΕΣ Ο όρος βιογενείς αμίνες είναι από χημική άποψη μη συγκεκριμένος, αλλά έχει χρησιμοποιηθεί για δεκαετίες για ορισμένους διαβιβαστές. Περιλαμβάνει: α) κατεχολαμίνες (προέρχονται από τυροσίνη, αδρεναλίνη, νοραδρεναλίνη, ντοπαμίνη) β) σεροτονίνη (προέρχεται από τρυπτοφάνη) γ) ισταμίνη

14 Κοινοί νευροδιαβιβαστές-πεπτίδια

15 Τα νευροενεργά πεπτίδια ή τα πρόδρομα μόριά τους από το ενδοπλασματικό δίκτυο μεταβαίνουν στη συσκευή Golgi, από όπου φεύγουν μέσα σε κυστίδια και φτάνουν στο προσυναπτικό άκρο μέσω της γρήγορης αξονικής μεταφοράς. Έχουν βρεθεί περισσότερα από 50 στους νευρώνες Η ποικιλία των νευροενεργών πεπτιδίων είναι τεράστια Μπορούν να ομαδοποιηθούν σε οικογένειες (περίπου 10)

16 ΚΥΡΙΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΥΝΑΨΕΩΝ-ΔΙΑΒΙΒΑΣΤΕΣ 1) Συνάψεις που απελευθερώνουν ακετυλοχολίνη 2) Συνάψεις που απελευθερώνουν βιογενείς αμίνες. Με τον όρο βιογενείς αμίνες εννοούμε μικρομόρια διαφόρων τύπων που φέρουν μια αμινομάδα και επηρεάζουν τη λειτουργία πολλών τύπων κυττάρων (από αιμοπετάλια μέχρι νευρώνες). Οι βιογενείς αμίνες υποδιαιρούνται σε: α) Κατεχολαμίνες (αδρεναλίνη, νοραδρεναλίνη), β) Σεροτονίνη, 5-υδροξυτρυπτοφάνη, γ) ισταμίνες Αδρενεργικές συνάψεις Ντοπαμινικές συνάψεις Άλλες συνάψεις που χρησιμοποιούν βιογενείς αμίνες 3) Συνάψεις που απελευθερώνουν αμινοξέα: α) Γλουταμινεργικές συνάψεις και β) GABA-νεργικές 4) Πουρινεργικές συνάψεις 5) Πεπτιδο-ενεργικές συνάψεις

17 Νευροδιαβιβαστές ---σύνοψη Για να γίνει αποδεκτό ότι μια ουσία σε μια σύναψη νευρώνων έχει ρόλο διαβιβαστή, θα πρέπει να πληροί τα εξής κριτήρια: 1) Να συντίθεται στο νευρώνα. 2) Να βρίσκεται στο προσυναπτικό άκρο και να απελευθερώνεται σε ποσά που να είναι αρκετά για να ασκούν τη δράση τους στο μετασυναπτικό άκρο. 3) Όταν χορηγείται εξωγενώς σε «λογικές» συγκεντρώσεις, να μιμείται ακριβώς τη δράση του ενδογενώς απελευθερωμένου διαβιβαστή (πχ να ενεργοποιεί τα ίδια ιονικά κανάλια ή τα ίδια δεύτερα μηνύματα στο μετασυναπτικό κύτταρο). 4) Να υπάρχει ειδικός μηχανισμός για την απομάκρυνσή της από τη θέση δράσης της (Συναπτική σχισμή).

18 Υποδοχείς νευροδιαβιβαστών και διαβίβαση σήματος Οι νευροδιαβιβαστές πρέπει να αναγνωριστούν από ειδικές πρωτεΐνεςυποδοχείς στην μετασυναπτική μεμβράνη. Η πρόσδεση προκαλεί αλλαγή της διαμόρφωσης του υποδοχέα που σημαίνει αλλαγή λειτουργίας. Υπάρχουν πάνω από 100 διαφορετικά είδη υποδοχέων.

19 Όλοι οι υποδοχείς για τους διαβιβαστές έχουν δύο κοινά βιοχημικά χαρακτηριστικά: 1) Είναι πρωτεΐνες που διαπερνούν τη μεμβράνη. Η εξωκυτταρική περιοχή αναγνωρίζει και ενώνεται με τον διαβιβαστή που εκκρίνεται από το προσυναπτικό άκρο. 2) Μετά την ένωση με τον διαβιβαστή οι υποδοχείς ασκούν τη δράση τους εντός του μετασυναπτικού κυττάρου, ελέγχοντας απευθείας το ιονικό κανάλι εμμέσως μέσω δευτέρων μηνυμάτων.

20 Διαβιβαστές των οποίων ο υποδοχέας είναι τμήμα του μετασυναπτικού καναλιού: Ach (νικοτινικές συνάψεις) GABA Γλυκίνη Γλουταμινικό οξύ (AMPA, NMDA υποδοχείς) Διαβιβαστές των οποίων ο υποδοχέας είναι διαφορετικό μόριο από το κανάλι: Αδρεναλίνη, ΝΑ Σεροτονίνη Ντοπαμίνη Ach (μουσκαρινικοί υποδοχείς) Γλουταμινικό οξύ Νευροπεπτίδια

21 Δίαυλοι που προσδένουν διαβιβαστή Οι επιδράσεις εξαρτώνται από τα ιόντα που μετακινούνται. Na+ και K+ προκαλούν εκπόλωση (διεγερτικοί). Cl- προκαλούν υπερπόλωση και είναι ανασταλτικοί. Η ενεργοποίηση είναι ταχεία και μεσολαβείται από αμινοξέα και αμίνες.

22 ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΣΤΙΣ ΚΕΝΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ Διεγερτική συναπτική δράση (epsp) επιτυγχάνεται από υποδοχείς, κανάλια εξειδικευμένα για το Na και το Κ. Το γλουταμινικό οξύ είναι ο κύριος διεγερτικός διαβιβαστής στον εγκέφαλο. Ανασταλτική συναπτική δράση (ipsp) επιτυγχάνεται από υποδοχείς κανάλια εξειδικευμένα για το Cl. Το GABA και η γλυκίνη είναι ανασταλτικοί διαβιβαστές. Υποδοχείς για το GABA, τη γλυκίνη και το γλουταμινικό οξύ είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες. Συνάψεις σε ένα νευρώνα του ΚΝΣ ομαδοποιούνται σύμφωνα με τη λειτουργία τους. Συνάψεις στο κυτταρικό σώμα είναι συχνά ανασταλτικές. Συνάψεις στους δενδρίτες είναι συχνά διεγερτικές. Συνάψεις στα άκρα των αξόνων είναι συχνά τροποποιημένες.

23 Διεγερτικό μετασυναπτικό δυναμικό (EPSP) Διεγερτικοί νευροδιαβιβαστές: ACh και γλουταμινικό

24 Υποδοχείς διεγερτικών συνάψεων

25 Γλουταμινικό οξύ : προσδένεται σε δυο τύπους υποδοχέων Ιονοτροπικοί : AMPA, Καϊνικού οξέος (KA) και NMDA Μεταβολοτροπικοί: mglurs AMPA:α-Amino-3-hydroxy-5- methyl-4- isoxazolepropionic acid

26 Υπομονάδες NR1, NR2 Ο υποδοχέας NMDA NMDA,

27 Ανασταλτικό μετασυναπτικό δυναμικό (IPSP) Ανασταλτικοί νευροδιαβιβαστές: Γλυκίνη και GABA

28 Υποδοχείς ανασταλτικών συνάψεων: GABA A α-υπομονάδα (6 ισομορφές) β-υπομονάδα (3 ισομορφές) γ-υπομονάδα (3 ισομορφές) δ-υπομονάδα ε-υπομονάδα θ-υπομονάδα π-υπομονάδα Πιο συχνός συνδυασμός: α1β2γ2

29 γ-αμινοβουτυρικό οξύ (GABA): προσδένεται σε δυο τύπους υποδοχέων Ιονοτροπικοί : GABA A, GABA C Μεταβολοτροπικοί (υποδοχείς συζευγμένοι με G πρωτεΐνες): GABA B

30 Νευροδιαβιβαστής Βασική λειτουργία Ακετυλοχολίνη Ντοπαμίνη Επινεφρίνη Νορεπινεφρίνη GABA Σεροτονίνη Γλουταμινικό Κυρίως διεγερτική Γενικά διεγερτική διεγερτική διεγερτική ή ανασταλτική ανασταλτική Γενικά ανασταλτική διεγερτική

31 Διάφορα μόρια, όπως Ach, GABA, γλυκίνη, γλουταμινικό οξύ, σεροτονίνη, νοραδρεναλίνη, αλλά και διάφορα πεπτίδια, δρουν ως νευροδιαβιβαστές. Η δράση τους όμως δεν εξαρτάται από τη χημική τους φύση, αλλά από τις ιδιότητες των υποδοχέων στους οποίους δεσμεύονται. Δηλαδή ΔΕΝ ΥΠΑΡΧΕΙ ΤΙΠΟΤΑ ΕΜΦΥΤΑ ΔΙΕΓΕΡΤΙΚΟ Ή ΕΜΦΥΤΑ ΑΝΑΣΤΑΛΤΙΚΟ ΣΕ ΕΝΑ ΔΙΑΒΙΒΑΣΤΗ.

32 ΑΡΧΗ (ΝΟΜΟΣ) ΤΟΥ DALE Διατυπώθηκε από τον J. Eccles (1957) Ο ώριμος νευρώνας χρησιμοποιεί τον ίδιο διαβιβαστή σε όλες τις συνάψεις του». Η αρχή του Dale δεν φαίνεται να ισχύει σε ορισμένους αναπτυσσόμενους νευρώνες, οι οποίοι έχει δειχθεί ότι συνθέτουν περισσότερους από έναν διαβιβαστές. Επίσης, πολλοί ώριμοι νευρώνες, έχει βρεθεί ότι περιέχουν περισσότερους από ένα δυνητικούς διαβιβαστές. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται «συνύπαρξη» και πάντα περιλαμβάνει έναν διαβιβαστή μικρού ΜΒ και ένα νευροενεργό πεπτίδιο. Με βάση τα παραπάνω η αρχή του Dale μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: «Ο νευρώνας χρησιμοποιεί τον ίδιο συνδυασμό χημικών μηνυμάτων (διαβιβαστών) σε όλες τις συνάψεις του».

33 Απόκλιση και σύγκλιση των επιδράσεων των διαβιβαστών στους διαύλους

34 Η δράση ενός διαβιβαστή μπορεί να δώσει συναπτική δράση με διαφορετικά χρονοδιαγράμματα. Εδώ, ο διαβιβαστής μπορεί να ενεργοποιήσει το camp και να επηρεάσει τη διεγερσιμότητα για λεπτά ή μπορεί μέσω ενεργοποίησης μεταγραφικών παραγόντων να επηρεάσει τη γονιδιακή έκφραση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα των παραγωγή πρωτεΐνης που τροποποιεί το κανάλι, με τελικό αποτέλεσμα την αλλαγή διεγερσιμότητας που διαρκεί εβδομάδες.

35 Οι σηματοδοτικοί μηχανισμοί επιτρέπουν την ενίσχυση, τη ρύθμιση και αποκρίσεις μακράς διάρκειας

36 Είδη μεταβο-λι-κο-τροπικών υποδοχέων Glutamate Acetycholine histamine GABA Class1 ClassII ClassIII B Dopamine 5-HT (muscarininc) mglur1 mglur2 mglur4 GABA B R1 D1 A M1 5-HT 1 H1 mglur5 mglur3 mglur6 GABA B R2 D1 B M2 5-HT 2 H2 mglur7 D2 M3 5-HT 3 H3 mglur8 D3 M4 5-HT 4 D4 M5 5-HT 5 5-HT 6 5-HT 7

37 Συναπτική θέση και λειτουργία των GluR Προσυναπτικοί mglur τροποποιούν την απελευθέρωση Glu Μετασυναπτικοί mglur ρυθμίζουν τη συναπτική διαβίβαση Συμμετέχουν σε LTP/LTD (mglur group I and II) Nature Reviews Drug Discovery 4, (2005)

38 Η συνεργασία αστροκυττάρων-νευρικών κυττάρων στο μεταβολισμό, δίνει τη δυνατότητα απομάκρυνσης του γλουταμινικού που απελευθερώνεται σε μεγάλες ποσότητες μετά από έντονη δραστηριότητα των νευρώνων οι διεγερτικοί νευρώνες απελευθερώνουν γλουταμινικό στη συναπτική σχισμή. Το γλουταμινικό μεταφέρεται γρήγορα από ισχυρούς μεταφορείς που βρίσκονται στην επιφάνεια των αστροκυττάρων. Η διατήρηση της ομοιόστασης του γλουταμινικού είναι πολύ σημαντικός ρυθμιστικός παράγοντας : Η ενδονευρωνική συγκέντρωση του γλουταμινικού πρέπει να διατηρείται υψηλή (για την πλήρωση των συναπτικών κυστιδίων στις διεγερτικές συνάψεις Η εξωκυτταρική συγκέντρωση του γλουταμινικού πρέπει να είναι χαμηλή γιατί είναι νευροτοξικός παράγοντας

39 Μεταγωγή σήματος Τα εξωτερικά σήματα καθιστούν ή μετατρέπονται σε χημικούς αγγελιαφόρους οι οποίοι, πυροδοτούν έναν καταρράκτη δευτερογενών γεγονότων, όπως η κινητοποίηση διάχυτων ενδοκυττάριων συστημάτων μεταγωγής του σήματος που διαμεσολαβούν στην κυτταρική απόκριση Τα σημαντικότερα στάδια: αναγνώριση του υποδοχέα χωροταξική αλλαγή στον υποδοχέα παραγωγή δεύτερου μηνύματος

40 Μεταγωγή σήματος ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΕΥΤΕΡΩΝ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ 1) Ιόντα Ca 2+ 2) Κυκλικά νουκλεοτίδια 3) Πρωτεΐνες-Ca 2+ 4) Υδρολυτικά παράγωγα της φωσφοϊνοσιτόλης 5) Φωσφορυλίωση πρωτεϊνών 6) Καρβοξυμεθυλίωση πρωτεϊνών 7) Μεταβολίτες του αραχιδονικού οξέος

41 Μεταγωγή σήματος στις συνάψεις Αργή, άμεση σύνδεση μιας πρωτεΐνης G σε δίαυλο Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

42 Μεταγωγή σήματος στις συνάψεις Αργή, σύστημα δεύτερου μηνύματος Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

43 Σχηματικός κύκλος λειτουργίας μιας πρωτεΐνης G

44 κύκλος μιας πρωτεΐνης G, αναλυτικά

45 Αντιδράσεις που πυροδοτούνται από τις α-υπομονάδες της ενεργοποιημένης G πρωτεΐνης

46 Ρύθμιση από τον υποδοχέα β της ΝΕ, μέσω του σηματοδοτικού μηχανισμού της αδενυλικής κυκλάσης

47 Κομβικός ρόλος των ιόντων ασβεστίου στη συναπτική διαβίβαση και ειδικότερα στους μηχανισμούς LTP, LTD

48 Η συγκέντρωση και το παράθυρο ενεργοποίησης του δεύτερου μηνύματος επιτρέπουν τον ορισμό του Τα συστήματα δεύτερων αγγελιαφόρων παρουσιάζουν ειδικότητα αλλά και ποικιλομορφία Συνήθως οι προσδέτες που ενεργοποιούν τις ίδιες σηματοδοτικές οδούς, καταλήγουν στο ίδιο αποτέλεσμα Η κυτταρική απόκριση εξαρτάται τελικά από τον κυτταρικό «εξοπλισμό» σε υποδοχείς και οδούς μεταγωγής σήματος Σύνθετες κυτταρικές αποκρίσεις όπως ο πολλαπλασιασμός και η διαφοροποίηση, υποκινούνται από συνδυασμούς σημάτων

49 Ο ίδιος χημικός αγγελιαφόρος μπορεί να επάγει διαφορετικές απαντήσεις σε διαφορετικά κύτταρα στόχους λόγω των διαφορετικών συνδυασμών δεύτερων μηνυμάτων που χρησιμοποιούνται Α,Β: παρόμοιοι υποδοχείς

50 Οι αποκρίσεις ρυθμίζονται μέσω τροποποίησης του αριθμού των υποδοχέων

51 Από-ευαισθητοποίηση του υποδοχέα είναι ένας μηχανισμός μείωσης της κυτταρικής απόκρισης στον διαβιβαστή Ορίζεται ως «η αύξηση της συγκέντρωσης του διαβιβαστή που απαιτείται για να προκαλέσει το ήμισυ της ενεργοποίησης του τελεστή» Μέσω φωσφορυλίωσης Απομάκρυνση μέσω ενδοκυττάρωσης

52 Η ενίσχυση αλλά και η εξειδίκευση του σήματος είναι απαραίτητες προϋποθέσεις για την σωστή κυτταρική απόκριση

53 Τρόποι κυτταρικής επικοινωνίας σύνδεση νευρικών κυττάρων