Sinapsi

Biofisica e Fisiologia

Corso di Laurea Magistrale in

“Medicina e Chirurgia”

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

Una sinapsi rappresenta sempre un punto di discontinuità strutturale di una via di comunicazione intercellulare. Le membrane dei due elementi che prendono contatto sinaptico restano sempre distinte e separate da uno spazio, la fessura sinaptica.

Tipi di sinapsi

Elettrica Chimica

La trasmissione sinaptica può essere di due tipi:

La variazione del potenziale di membrana di una cellula viene trasmesso ad un’altra adiacente per flusso diretto di corrente. Si trovano nel SNC e periferico dove si rende necessaria un’alta velocità di connessione e sincronizzazione nell’attività dei neuroni vicini.

• Le sinapsi elettriche permettono una rapida comunicazione tra neuroni adiacenti sincronizzandone l’attività elettrica. Quando una delle due cellule connesse da gap junctions viene eccitata, si crea un gradiente di potenziale tra l’elemento presinaptico depolarizzato e quello postsinaptico non depolarizzato. Attraverso i connessoni fluiscono nella cellula postsinaptica ioni lungo il gradiente di potenziale. Raggiunto il valore soglia nella cellula postsinaptica, la depolarizzazione instaurerà il potenziale d’azione.

• La comunicazione è bidirezionale, i connessoni trasmettono elettricamente nei due sensi e può essere eccitatoria o inibitoria a livello della stessa sinapsi

• Contatti con cellule vicine, la trasmissione dell’eccitazione non è possibile nei confronti di cellule distanti

• Le cellule pre e postsinaptiche si trovano sempre nello stesso stato di polarizzazione, cioè non è possibile l’instaurarsi di un’inibizione a partire da un’eccitazione

Sinapsi chimiche -sito di contatto tra due cellule nervose -ruolo nella trasmissione delle informazioni -il contatto neurone-fibra muscolare prende il nome di placca motrice o giunzione neuromuscolare

Sinapsi chimiche

-l’arrivo del potenziale d’azione nella terminazione presinaptica depolarizza la membrana; -si aprono i canali per gli ioni Ca2+ voltaggio-dipendenti; -le vescicole sinaptiche contenenti il neurotrasmettitore sono fissate ai filamenti di actina del citoscheletro mediante la sinapsina o sono ancorate direttamente alla membrana presinaptica mediante la sinaptotagmina; -l’entrata del Ca2+ determina l’attivazione della sinaptotagmina con conseguente disancoraggio delle vescicole alla membrana presinaptica ed esocitosi del contenuto vescicolare all’interno della fessura sinaptica; inoltre, il Ca2+ attiva la proteinchinasi calcio-calmodulina dipendente che va a fosforilare la sinapsina, ciò determina il rilascio delle vescicole dai filamenti del citoscheletro le quali possono ancorarsi alla membrana presinaptica per essere utilizzate in un secondo processo di trasmissione sinaptica; - Il neurotrasmettitore viene rilasciato nella fessura sinaptica caratterizzata da un ampiezza di 20-50 nm. In 0,1 ms il neurotrasmettitore diffonde verso la membrana postsinaptica dove si lega ai recettori specifici.

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: famiglia di 4 proteine deputate all’ancoraggio delle vescicole di secrezione al citoscheletro. Quando la sinapsina I è fosforilata da una chinasi calcio-calmodulina-dipendente, si ha il distacco della vescicola dal citoscheletro.

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

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 assonico ed ingresso di Ca2+ libera le vescicole che si muovono verso le zone attive.

Indirizzamento vescicole alle 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

Postsynaptic

cell

Synaptic

vesicle

Action

potential

Axon

terminal

An action potential depolarizes

the axon terminal. 1

1

Voltage-gated

Ca2+ channel

Postsynaptic

cell

Ca2+

Ca2+

Synaptic

vesicle

Action

potential

Axon

terminal

An action potential depolarizes

the axon terminal.

The depolarization opens voltage-

gated Ca2+ channels and Ca2+

enters the cell.

1

2

1

2

Voltage-gated

Ca2+ channel

Postsynaptic

cell

Ca2+

Ca2+

Docking

protein

Synaptic

vesicle

Action

potential

Axon

terminal

An action potential depolarizes

the axon terminal.

The depolarization opens voltage-

gated Ca2+ channels and Ca2+

enters the cell.

Calcium entry triggers exocytosis

of synaptic vesicle contents.

1

2

3

1

2

3

Voltage-gated

Ca2+ channel

Postsynaptic

cell

Ca2+

Ca2+

Docking

protein

Synaptic

vesicle

Action

potential

Axon

terminal

Receptor

An action potential depolarizes

the axon terminal.

The depolarization opens voltage-

gated Ca2+ channels and Ca2+

enters the cell.

Calcium entry triggers exocytosis

of synaptic vesicle contents.

Neurotransmitter diffuses across

the synaptic cleft and binds with

receptors on the postsynaptic cell.

4

1

2

3

4

1

2

3

Voltage-gated

Ca2+ channel

Postsynaptic

cell

Ca2+

Ca2+

Docking

protein

Synaptic

vesicle

Action

potential

Axon

terminal

Receptor

An action potential depolarizes

the axon terminal.

The depolarization opens voltage-

gated Ca2+ channels and Ca2+

enters the cell.

Calcium entry triggers exocytosis

of synaptic vesicle contents.

Neurotransmitter diffuses across

the synaptic cleft and binds with

receptors on the postsynaptic cell.

Cell

response

Neurotransmitter binding initiates

a response in the postsynaptic

cell.

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

Inactivation of

Neurotransmitters

La quantità di neurotrasmettitore rilasciato dipende dalla frequenza dei potenziali d’azione nel neurone presinaptico. Se non arriva un’ulteriore potenziale d’azione, il rilascio di neurotrasmettitore si arresta in pochi millisecondi perché i canali voltaggio-dipendenti per il calcio si chiudono immediatamente dopo l’apertura ed il calcio citoplasmatico viene attivamente pompato all’esterno del bottone sinaptico per riportare le concentrazioni di tale ione ai valori base.

Axo-axonal communication (here, between A & B)

can modify classical synaptic communication

(here, between B & C); this can result in

presynaptic inhibition or presynaptic facilitation.

Note: the Terminal B must have receptors

for the signal released from A.

Presynaptic modulation of transmission

Membrana presinaptica

Membrana postsinaptica

Il tempo intercorrente tra l’arrivo del potenziale d’azione a livello del bottone presinaptico e la risposta a livello postsinaptico è di 0,5-5 millisecondi. Tale intervallo di tempo è definito ritardo sinaptico.

-molti neurotrasmettitori generano risposte rapide e di breve durata aprendo un canale ionico chimicamente regolato, il che porta al passaggio di ioni tra la cellula e il LEC e si determina una variazione del potenziale di membrana (potenziale sinaptico veloce, EPSP e IPSP); -alcuni neurotrasmettitori innescano risposte lente e durature attivando sistemi di secondi messaggeri. Queste risposte comprendono sia l’apertura che la chiusura di canali ionici, sia la modificazione di proteine cellulari esistenti e la regolazione della sintesi di nuove proteine.

L’unione del neurotrasmettitore al recettore innesca una serie di risposte nella cellula postsinaptica:

I recettori postsinaptici hanno il ruolo di: - riconoscere il neurotrasmettitore - attivare i rispettivi effettori • Si dividono in due classi principali: ionotropi e metabotropi

il recettore è un canale ionico

sono recettori ionotropi: nAChR, GABAA, glicina, NMDA, AMPA, kainato, P2X

azione rapida (ms)

Recettori ionotropi

Il recettore metabotropo non è un canale. E’ una proteina con 7 a-eliche transmembranali,

attiva una proteina G che a sua volta attiva altri effettori (canali e/o secondi messaggeri)

Sono recettori metabotropi: muscarinici (mAChR), GABAergici (GABAB), adrenergici

(a-AR, b-AR), glutamatergici (mGluR), dopaminergici (D1-D5), purinergici (P2Y),

serotoninergici (5-HT), neuropeptidergici (m, d, k oppioidi, …)

Azione lenta (100 ms-100 s

La proteina G attivata

dal recettore, attiva

(o chiude) direttamente i canali

ionici.

La proteina G, attivata

dal recettore, attiva (o inibisce)

enzimi che producono secondi

messaggeri che, a loro volta

attivano o chiudono canali

ionici.

Recettori metabotropi

Tutti i recettori adrenergici sono collegati a proteine G.

α1

Si avrà un aumento della velocità della depolarizzazione spontanea ed una diminuzione

del livello di ripolarizzazione per cui la soglia per l’insorgenza del potenziale d’azione

viene raggiunta più rapidamente.

La velocità della depolarizzazione spontanea diminuisce e si avrà una iperpolarizzazione

della membrana, con conseguente allontanamento del potenziale di membrana dal livello

di soglia per l’insorgenza del potenziale d’azione.

SINAPSI ECCITATORIE Funzionano in modo tale da portare il potenziale della membrana postsinaptica al valore più vicini al valore soglia in modo tale da generare un potenziale d’azione

SINAPSI INIBITORIA Funziona in modo tale da iperpolarizzare la membrana del neurone postsinaptico o da stabilizzarla al valore di riposo

Un neurone riceve comunicazioni da centinaia o migliaia di neuroni; su di esso si genera pertanto una convergenza di imput

L’integrazione sinaptica operata dal neurone fa sì che quando la sommazione dei potenziali postsinaptici eccitatori prevale su quelli inibitori ed è in grado di portare il potenziale di membrana del monticolo assonale al valore soglia, nasce un potenziale d’azione.