La trasmissione sinaptica - Body Works

La trasmissione sinaptica

Il neuroneCaratteristica peculiare delle cellule nervose èquella di condurre e comunicare informazioni. Lezone specializzate a livello delle quali le celluleentrano in comunicazione sono definite sinapsi

La trasmissione sinaptica può essere di due tipi:ElettricaChimica

Le sinapsi elettriche• Continuità citoplasmatica tracellula pre- e post-sinaptica• Componenti ultrastrutturali:canali delle giunzioni comunicanti(gap-junctions)• Trasmissione del segnalevirtualmente istantanea, perpassaggio diretto di correntiioniche da elemento presinaptico postsinaptico• Trasmissione sia uni- chebidirezionale• Sincronizzano le risposte dipopolazioni 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 incomunicazione il citoplasma delle cellule attigue.Il canale si apre per modificazione conformazionale delleconnessine.Apertura e chiusura soggetta a modulazione (chiusura per↓pH e Ca 2+ ).

In molti casi la sinapsielettrica viene utilizzataper sincronizzare piùneuroni ed ottenere unaattivazione massiva emolto rapida

Sinapsi ChimicaElemento 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 processifondamentali:‣ Processo di trasmissione: liberazione del neurotrasmettitore‣ Processo recettivo: interazione neurotrasmettitore recettoripostsinaptici e modificazione del potenziale postsinaptico.

E’ necessaria una rapida inattivazioneo rimozione del neurotrasmettitoredalla fessura sinaptica.

Sinapsi elettriche solo eccitatorieSinapsi chimiche sia eccitatorie che inibitorie.Il legame neurotrasmettitore-recettore puòinfatti determinare una modificazione dipermeabilità ionica che porta a:‣ Depolarizzazione: sinapsi eccitatoria,l’elemento postsinaptico può generare unpotenziale d’azione.‣ Iperpolarizzazione: sinapsi inibitoria,l’elemento postsinaptico è allontanato dallasoglia per la nascita del potenziale d’azione.

Trasmissione sinaptica chimicamediata da due differenti tipi direcettori postsinaptici:‣ Recettori ionotropici, associatia canali ionici. Responsabili dirisposte rapide.‣ Recettori metabotropici,accoppiati indirettamente acanali ionici per mezzo di secondimessaggeri. Responsabili dirisposte lente.‣ L’effetto postsinaptico (depooiperpolarizzazione) non dipendedal neurotrasmettitore, ma daltipo di recettore con cui ilneurotrasmettitore interagisce.

La giunzione neuromuscolare (acetilcolina, Ach) costituisce un ottimomodello per comprendere il funzionamento di una sinapsi chimica.L’Ach liberata dalle vescicolesinaptiche attraversa la fessurasinaptica (100 nm) e va ad attivare irecettori postsinaptici (10.000recettori / m 2 ).

Eventi a livello dellagiunzioneneuromuscolare1. Propagazione pda terminalepresinaptico2. Apertura canali voltaggiodipendenti ingresso Ca 2+3. Rapido rilascio Ach4. Interazione Ach-recettori depolarizzazione(potenziale di placca)5. Si generano correntielettrotoniche tra placca ezone vicine (canali Na +voltaggio-dipendenti)6. Insorge il pda muscolare7. Il pda si propaga8. Riduzione Ach per:‣ Idrolisi (operata da AchE)‣ Diffusione fuori dallafessura sinapticaLa colina viene recuperata dalterminale presinaptico.

Potenziale post-sinaptico sinaptico (potenziale di placca, PP)(EPP )

Differenze tra potenziali postsinaptici eccitatori (EPSP) e ilpotenziale d’azione (Pda)‣Gli EPSP non portano ad inversione della polarità dimembrana e sono mediati da canali ionici ligando-dipendentinon selettivi Il Pda è un’inversione della polarità di membrana mediatadall’apertura di canali voltaggio-dipendenti selettivi per ilNa + e il K +‣ Gli EPSP sono graduabili in ampiezza, maggiore è laquantità di neurotrasmettitore rilasciato maggiore è la loroampiezza Il Pda è un fenomeno tutto o nulla‣ Gli EPSP si propagano con decremento Il Pda si propaga senza decremento, perché vienecontinuamente rigenerato

Propagazione decrementale del PP

L’attivazione della corrente sinaptica corrispondeall’apertura di canali ionici attivati dall’Ach, la suainattivazione riflette i tempi di chiusura più o meno lunghidei canali.Il decorso temporale dei PP è più lungo delle correnti che lideterminano, a causa del tempo necessario per caricare oscaricare la capacità della membrana.

Per determinare quale specie ionica è responsabile della corrente diplacca, la stessa viene misurata a diversi Vm (blocco del voltaggio) e sicalcola il potenziale di inversione.Potenziale di inversione EppEquilibrio elettrochimico delle specie ionicheresponsabili della corrente di placcaEpp = 0 mV, dimostra che le correnti ioniche attraverso il recettoredell’Ach sono determinate principalmente da Na + e K + .Se G Na = G K E pp = E Na + E k /2 +55 mV – 95 mV/2 = 20 mVEssendo Epp = 0 significa che G Na è circa 1.8 volte maggiore di G K

E NaPotenziale diinversione E PPPotenzialedi riposoE K

Formati da cinque subunità(2 , , e )I recettori per l’Ach sono canali ionici attivatichimicamente e dotati di bassa specificità.Consentono il passaggio di Na + e K + maescludono ioni caricati negativamente.Il numero di canali che si aprono dipendedall’Ach disponibile. Ach rilasciata con un pdaapre simultaneamente circa 200.000 canali.Canali inattivati da α-bungarotossina

Apertura sincrona di numerosi canali attivati dell’AchOgni canalerimane apertoper un tempovariabileCorrente di singolo canaleIl tempo di aperturavaria in modo casualeLa 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 prevalela corrente di Na + (forzaelettrochimica maggiore).Man mano che la membrana sidepolarizza, aumenta lacorrente in uscita di K + cheriporta il potenziale al valore diriposo-95 mVE k-90 mVE kA E pp , il flusso entrante diNa + è controbilanciato dalflusso uscente di K +(il flusso netto di cariche èzero)0 mVEpp+55 mVE Na

Liberazione delneurotrasmettitore

L’ingresso di ioni Ca 2+ (canali voltaggio-dipendenti P/Q, Ned R) nelle terminazioni nervose è indispensabile per laliberazione del neurotrasmettitoreL’ampiezza del potenziale postsinapticodipende dalla quantità di Ca 2+ che entranella terminazione nervosa.Maggiore Ca 2+ maggiore quantitàneurotrasmettitore rilasciato.

I neurotrasmettitori vengono liberati in pacchetti unitaridetti quantiIn assenza di stimolazione nervosa, si registrano depolarizzazionipostsinaptiche spontanee casuali di bassa ampiezza (0.5 mV): ipotenziali di placca in miniatura (MEPP).L’eserina, bloccante dell’Ach-E aumenta ampiezza e durata, ma non lafrequenza dei MEPP.I MEPP sono dovuti al rilascio di pacchetti di molecole dineurotrasmettitore denominati “quanti”. Un MEPP è il risultato dellaattivazione, Ach-dipendente, di circa 2000 canali.

Il potenziale di placca è il risultato di molti quanti, èquindi un multiplo della risposta elementare.La riduzione del Ca 2+ determina riduzione della quantità di Ach rilasciata da unpda. L’analisi statistica delle risposte mostra che queste corrispondono amultipli di risposte elementari (MEPP)I quanti sono contenuti in strutture specializzate: le vescicolesinaptiche (1 vescicola = 1 quanto di Ach = circa 5000 molecole). Ineurotrasmettitori vengono liberati per esocitosi dalle vescicolesinaptiche in prossimità delle zone attive.

‣ L’arrivo di un pda alla terminazionepresinaptica determina la liberazione di circa150 quanti e produce quindi una risposta digrande ampiezza.‣ In assenza di pda, il ritmo della liberazionequantale è basso: 1 quanto/sec.‣ Gli ioni Ca 2+ , che entrano nella terminazionedurante un pda, aumentano transitoriamente dicirca 100.000 volte la frequenza dellaliberazione quantale, determinando il rilasciosincrono, in media, di 150 quanti/sec.

‣ Le vescicole sinaptiche sono gli organelli di depositodei quanti di neurotrasmettitore.‣ Le vescicole si fondono con la superficie interna dellamembrana del terminale presinaptico a livello di sitispecializzati di rilascio (zone attive).‣ La liberazione delle vescicole è un fenomeno tutto onulla.‣ La probabilità di liberazione dipende dalla quantità diCa 2+ che entra nel terminale durante il pda.‣ L’esocitosi avviene attraverso la formazionetransitoria di un poro di fusione, che attraversa lamembrana vescicolare e quella presinaptica.‣ L’ingresso del Ca 2+ determina l’apertura e lasuccessiva dilatazione dei pori di fusione preesistenti,permettendo la liberazione del neurotrasmettitore.

La liberazione del neurotrasmettitore implica ilpassaggio delle vescicole sinaptiche attraversouna serie di stadi preparatori:1. Liberazione dall’interazione con il citoscheletro2. Direzionamento ed ancoraggio alle zone attive3. Predisposizione alla fusione (priming)4. Fusione con la membrana presinaptica5. Recupero della membrana delle vescicole6. Riformazione vescicole

Ogni processo coinvolge proteine diverse:1.Sinapsine: Vincolano le vescicole al citoscheletro, inmodo da impedire una loro mobilizzazione casuale2. Rab3, proteina G vescicolare specifica, e Rimindirizzano le vescicole libere verso le zone attive3. SNARE (sintaxina, sinaptobrevina, Snap-25),ancorano le vescicole alle zone attive e facilitano lafusione4. Sinaptotagmina legata al Ca 2+ , promuove i processidi fusione ed esocitosi

L’esocitosi del neurotrasmettitore può avvenire attraversola formazione di un poro di fusione transitorio

Liberazione dal citoscheletroLe vescicole al di fuori delle zone attive (riserva dineurotrasmettitore) sono ancorate ad una rete di filamenti diactina del citoscheletro, dalla sinapsina in forma non fosforilata.La fosforilazione da parte della PK-Ca 2+ /Calmodulina dipendente,in seguito a depolarizzazione del terminale ed ingresso di Ca 2+libera le vescicole che si muovono verso le zone attive.

Indirizzamento vescicole zone attive: Rab3-GTP si lega allamembrana delle vescicole ed interagisce con Rim (zone attive dimembrana).Ancoraggio ai siti attivi: per interazione proteine vescicole-proteinemembrana (SNARE)Emifusione: SNARE vescicola-membrana creano stretto contatto tramembrana vescicolare e presinaptica.Fusione: La sinaptotagmina legandosi al Ca 2+ cambia la sua conformazionee si lega ai fosfolipidi di membrana determinando l’apertura di un poro difusione.

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-Ca 2+ determina un cambiamento diconformazione della proteina favorendo il processo di completa fusione.

Il legame Ca 2+ -sinaptotagmina favorisce il processo di completa fusionee la formazione del poro di fusione

Dopo la fusione il complesso delle proteine SNARE viene separatodall’attività ATP-asica del NSF, che si associa alle SNARE mediantela proteine adattatrici SNAP.

Le vescicole sinaptiche vengono riciclate attraversoendocitosi e riutilizzate ripetutamente. L’endocitosiavviene attraverso due meccanismi:‣ Meccanismo di kiss and run: Le vescicole che hannoliberato il contenuto attraverso un poro di fusione senzacollassare, vengono recuperate mediante chiusura delporo e dissociazione delle due mebrane (dinamina).‣ Le vescicole collassate nella membrana presinapticarichiedono l’intervento di proteine (adattine) cheseparano e raccolgono i componenti specifici dellamembrana vescicolare e favoriscano la polimerizzazionedi un rivestimento di clatrina che ne permettel’endocitosi.‣ Le vescicole ricostituite possono rimanere nel pooldisponibile per il rilascio o essere sequestrate dalcitoscheletro nel pool di riserva.

Dopo la liberazione il neurotrasmettitore (o partedella sua molecola) può:‣ Essere ricaptato nel terminale presinaptico edessere o rimmagazzinato nelle vescicolesinaptiche, ad opera di un trasportatorevescicolare o metabolizzato‣ Essere ricaptato dalle cellule gliali‣ Essere metabolizzato a livello extraneuronale‣ Diffondere nelle zone extrasinaptiche