Sinapsi e Neurotrasmettitori

1

TRASMISSIONE SINAPTICA

• La sinapsi è il punto di collegamento fra due strutture eccitabili

• (neurone-neurone, neurone-muscolo)

• I neuroni che formano una sinapsi sono unità distinte

• (Golgi, Ramon y Cajal et al)

• I segnali si trasmettono da un neurone all’altro attraverso punti di

collegamento funzionali

• (Eccles, Sherrington, et al)

• Esistono due tipi di sinapsi strutturalmente e funzionalmente diverse:

sinapsi elettriche e sinapsi chimiche

La scoperta della trasmissione

sinaptica

2

Golgi: TEORIA RETICOLARE

sistema nervoso come rete continua, come interconnessione globale di tutti i centri nervosi (derivata dal fisiologo francese Pierre Flourens)

tutte le facoltà del cervello, da quelle percettive a quelle cognitive, sono il risultato di un’azione di massa dell’intero cervello (1865-1871)

postulava un’assoluta continuità tra tutti gli elementi del sistema nervoso mediata dalla connessione completa delle fibre conduttive, assoni e dendriti, e alla base della possibilità di propagazione dell’impulso elettrico tra centri e vie distanti nel sistema nervoso

Golgi pensava che i dendriti non partecipassero alla trasmissione dell’impulso nervoso e che avessero come funzione quella dell’alimentazione dei tessuti

L’idea accettata era che l’impulso nervoso potesse viaggiare indifferentemente in entrambe le direzioni lungo le fibre nervose e cioè da e verso il corpo cellulare

Cajal: TEORIA NEURONALE

1888, studiando al microscopio il cervelletto e la retina, Cajal osservava che alcuni assoni terminavano liberamente, senza nessuna interconnessione fisica con altre fibre nervose

in un lavoro del 1889, Cajal concludeva che le cellule nervose, alla pari di quelle degli altri tessuti, dovevano essere considerate come unità indipendenti

aveva compreso che la conduzione avveniva sia in dendriti che in assoni

Nel 1891 Cajal esponeva la teoria della polarizzazione dinamica del neurone secondo la quale i dendritisono preposti alla ricezione del segnale e cioè alla conduzione degli impulsi nervosi verso il corpo cellulare; mentre gli assoni conducono i segnali nervosi verso i neuroni posti in relazione di contiguità

3

Charles ScottSherrington

““synapsesynapse””

Agli inizi del 1900 attraverso gli studi sui riflessi spinali Sherrington dimostra:

• L’unidirezionalità del flusso di informazioni (se reticolare->multidirezionale)

• Ritardo sinaptico (la “rete continua” non ha ritardo)

• L’azione coordinata di diverse sinapsi

• Azioni inibitorie ed eccitatorie

• Solo le azioni eccitatorie vengono propagate, quelle inibitorie “stabilizzano” il

neurone

Nobel 1932Nobel 1932

1950, microscopia elettronica: definitiva conferma della teoria neuronale

4

Dibattito sulla natura della trasmissione sinaptica: chimica o elettrica?

KatzKufflerEccles

Vs.

La trasmissione sinaptica è mediata chimicamente o da un

trasferimento di carica?

-Evidenze che la trasmissione alla NMJ era di natura chimica erano

accettate da molti.

-Altri erano convinti che alcuni aspetti della trasmissione sinaptica

erano troppo veloci per poter essere spiegati da un mediatore

chimico.

Flusso di

corrente ai punti

di contattto

Scarica

modificata

Eccles sinapsi

NM

Eccles sinapsi

eccitatorie e

inibitorie

SINAPSI ELETTRICA

• diffusione di ioni e molecole dal neurone pre- a quello post-sinaptico (~ 3.5 nm)• il flusso passivo della corrente passa nel poro delle giunzioni comunicanti• trasmissione bidirezionale• trasmissione rapida (0.1 ms)• sincronizzazione di gruppi di cellule

SINAPSI CHIMICA

• spazio intersinaptico 20-40 nm• la terminazione presinaptica contiene vescicole con neurotrasmettitori• l’attività è iniziata dal potenziale d’azione presinaptico• ingresso di Ca2+ presinaptico• ritardo sinaptico maggiore: 0.3-1.5ms• trasmissione unidirezionale

5

Struttura della sinapsi elettrica

• il canale della giunzione comunicante è formato da 2 emicanali, (connessone) ciascuno appartenente ad una cellula • connette il citoplasma delle due cellule• ogni emicanale è costituito da 6 subunità proteiche (connessine)• il poro si apre in seguito ad una breve rotazione delle subunità• l’apertura del poro è regolata dal: voltaggio, pH e Ca2+

giunzione comunicante

Esempi: Muscoli lisci e cardiaci, cervello e cellule gliali

RUOLO FUNZIONALE

• sincronizzazione rapida dei segnali

nervosi in cellule accoppiate elettricamente

• è diffusa nel SNC e nelle fibre muscolari

lisce e cardiache

Due elettrodi nella cellula presinaptica: - uno per iniettare I- uno per registrare Vm

La depolarizzazione passiva si registra senza ritardo ma con ampiezza ridotta nella cellula postsinaptica

La trasmissione attraverso sinapsi elettriche

� la trasmissione elettrica avviene anche quando il segnale presinaptico è sotto soglia

� la variazione di potenziale nella cellula postsinaptica è proporzionale all’ampiezza e alla forma della variazione di potenziale della cellula presinaptica

� le sinapsi elettriche trasmettono con la stessa efficienza i segnali in entrambe le direzioni (o in un solo verso - rettificanti)

6

LA SINAPSI CHIMICA

• è la più diffusa: SNC, SNP, neurone-muscolo scheletrico • la trasmissione è mediata da sostanze chimiche• introduce un certo ritardo• è unidirezionale

Le sinapsi chimiche: le fasi della trasmissione

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• Il Ca2+ presinaptico è misurato con tecniche di microscopia a fluorescenza utilizzando sonde fluorescenti (fura-2) sensibili al Ca2+

• chelanti del Ca2+ presinaptico (EGTA, BAPTA) bloccano la risposta postsinaptica

post

pre

Iniezione di Ca2+ presinaptico

potenziale postsinaptico

pre

post post

pre

Prova di controllo Iniezione di chelante del

Ca2+

Ruolo del Ca2+ e dei canali del Ca2+ presinaptici

- il Ca2+ entra nel terminale presinaptico attraverso i canali del Ca2+ V-dipendenti (N e P/Q)

La trasmissione sinaptica è bloccata :

- utilizzando chelanti intrac. del Ca2+

- sostituendo il Ca2+con Mg2+

- bloccanti dei canali del Ca2+

(Cd2+ e neurotossine)

Potenziale

presinaptico

Corrente

presinaptica

di Ca2+

Potenziale

postsinaptico

Ruolo del Ca2+ e dei canali del Ca2+

presinaptici

Mediante prove di voltage clamp e bloccanti selettivi si dimostra che il calcio

necessario alla trasmissione sinaptica dipende da quello esterno

8

I canali del Ca2+ V-dipendenti sono addensati nelle zone attive presinaptiche, di fronte a gruppi di recettori nAChR localizzati sulla membrana postsinaptica

zone attive

canali del Ca2+ presinaptici

recettori nAChR postsinaptici

pliche giunzionali

fibre muscolari

terminazioni nervoseassone mielinato

Co-localizzazione dei canali del Ca2+ presinaptici e dei nAChR postsinaptici

canali del Ca2+ presinaptici

recettori nAChR postsinaptici

Co-localizzazione dei canali del Ca2+ e delle vescicole(motoneurone di rana)

a riposo depolarizzata� i rilievi allineati sulla m. presinaptica a riposo sono presumibilmente canali del Ca2+

� fusione di vescicole secretorie sulla membrana presinaptica a seguito di una depolarizzazione del terminale

� Struttura fine dei siti di fusione vescicolare della giunzione neuromuscolare di rana

� I canali del Ca2+ sono indicati in verde.

� In giallo sono indicate le proteine di ancoraggio

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Ancoraggio e fusione delle vescicole

� l’ancoraggio avviene attraverso l’interazione di proteine plasmatiche solubili (NSF e SNAP25) con proteine associate alla m. vescicolare (VAMP o sinaptobrevina) e proteine associate alla m. plasmatica (sintaxina)

� la sinaptotagmina è il sensore del Ca2+

� le sinapsine ancorano le vescicole al citoscheletro e facilitano l’avvicinamento alla m. plasmatica� il poro di fusione si attiva con il Ca2+ e inizia l’esocitosi

mobilizzazione

Il complesso SNARE

La vescicola si ancora Si formano i complessi SNARE per tirare le membrane

Il Ca2+ che entra si lega alla sinaptotagmina

La sinaptotagmina che ha legato il Ca2+ catalizza la fusione della

membrana

NSF (NEM-Sensitive Fusion Protein)

SNARE (SNAP Receptors)

SNAP (Soluble NSF-Attachement Protein)

VAMP (Vesicle Associated Membrane Protein)

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Tetano

paralisi spastica (tossina tetanica, TeNT) (clostridium tetani)

Botulismo

paralisi flaccida (tossina botulinica, BoNT)(clostridium botulinum)

� TeNT e BoNT agiscono sul motoneurone e vengono internalizzate nel citoplasma tramite trasporto retrogrado, TeNT migra negli interneuroni inibitori (cellule di Renshaw) e blocca la trasmissione delle sinapsi inibitorie (paralisi spastica)

� BoNT e TeNT sono proteasi che causano la scissione del complesso SNARE.

Le BoNT bloccano il rilascio di ACh dalla giunzione neuromuscolare (paralisi flaccida)

� Le BoNT sono utilizzate come agentiterapeutici per la cura della:a) distonia cervicaleb) blefarospasmoc) emispasmo facciale

Meccanismo d’azione delle tossine tetaniche e botuliniche

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Riempimento e riciclo vescicolare

• la membrana delle vescicole fuse viene recuperata (endocitosi), passa attraverso vari comparti endocellulari ed è riutilizzata per un nuovo ciclo

• le nuove vescicole vengono riempite da molecole di neurotrasmettitore, si ancorano alla membrana presinaptica e rimangono a disposizione per partecipare all’esocitosi

“pool” di riserva

“pool” di vescicole pronte per la fusione

Ancoraggio

Gemmazione

Fusione

Endocitosi

Preparazione

Esocitosi

Endocitosi

Endosoma

Destino del neurotrasmettitore

Ricaptazione Degradazione

Diffusione (?)

Tutti i neurotrasmettitori Sinapsi colinergica (AChE)

Sinapsi monoaminergica (MAO)

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I NEUROTRASMETTORI ED I LORO RECETTORI

PRINCIPALI NEUROTRASMETTITORI

Acetilcolina

Glutammato

Aspartato

GABA

Purine

NEUROTRASMETTITORI A BASSO PESO MOLECOLARE

Dopamina

Noradrenalina

Adrenalina

Serotonina (5-HT)

Istamina

glicina

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• molecole costituite da un numero variabile di aminoacidi (3-36)

• contenuti in vescicole di dimensioni maggiori

• sintetizzati come pre-proteine del reticolo endoplasmatico rugoso dove viene rimossa la sequenza segnale. La pre-proteina risultante attraversa l’apparato di Golgi e viene immagazzinata in vescicole. All’interno delle vescicole si completa la formazione del peptide: scissione proteolitica, modificazione delle estremità del peptide, glicosilazione, fosforilazione, formazione dei ponti disolfuro.

Neurotrasmettitori peptidici (più di 100 peptidi, composti da 3 a 30 amminoacidi)

• I neurotrasmettitori liberati per esocitosi dalla cellula presinaptica si legano ai recettori sulla cellula postsinaptica, facendo aprire (o chiudere) canali ionici

• I recettori postsinaptici hanno il ruolo di:

- riconoscere il neurotrasmettitore

- attivare i rispettivi effettori

• Si dividono in due classi principali: ionotropi e metabotropi

Autorecettori presinaptici: sono recettori che rispondono al neurotrasmettitore prodotto da quello stesso neurone. Probabilmente, gli autorecettori svolgono funzioni di feedback negativo. Dopo che il terminale ha rilasciato il neurotrasmettitore, alcune sue molecole fannoritorno verso il neurone presinaptico, dove attivano autorecettori che, a loro volta, inibiscono l’ulteriore rilascio di neurotrasmettitore.

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� il recettore è un canale ionico� sono recetori ionotropi: nAChR, GABAA, glicina, Glutammato (NMDA, AMPA, kainato)� azione rapida (ms)

Recettori ionotropi

IL RECETTORE NICOTINICO (COLINERGICO)DELL’ACETILCOLINA

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Trasmissione Colinergica

• Tutti i motoneuroni che attivano il m. scheletrico

• Tutti i neuroni pregangliari del S.N.A.

• Tutti i neuroni postgangliari del parasimpatico

Recettore nicotinico dell’ACh (nAChR): struttura

• costituito da 5 subunità (2α, β, ε, δ) (P.M. 250 kD)• forma un poro acquoso • attivato da 2 molecole di ACh• permeabile a Na+, K+, Ca2+• bloccato da: d-tubocurarina (alcaloide)αααα-bungarotossina (proteina)αααα-conotossina (proteina)

• costituito da 5 subunità (2α, β, ε, δ) (P.M. 250 kD)• forma un poro acquoso • attivato da 2 molecole di ACh• permeabile a Na+, K+, Ca2+• bloccato da: d-tubocurarina (alcaloide)αααα-bungarotossina (proteina)αααα-conotossina (proteina)

εε ε

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Un’altra vista dell’nAChR del muscolo scheletrico

• Gli nAChR nel muscolo scheletrico

• Diversità durante lo sviluppo fetale: formati da 4 subunità (α, β, γ, δ, manca ε) secondo un rapporto 2α:β:γ:δ.

• Caratteristiche biofisiche diverse: bassa conduttanza lunghi tempi di apertura

• Differente localizzazione embriogenesi/muscolo denervato

fotografia al microscopio

elettronico dell’nAChR

•Gli nAChR dei neuroni

•sono pentameri (α2−10, β2−4) secondo un rapporto 2α:β:γ:δ..

•Formano recettori eteromerici o omomerici con caratteristiche funzionali diverse.

• Maggiormente permeabili al Ca2+ rispetto a quelli periferici

Recettori nicotinici centrali dell’Ach

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L’enzima ACh-esterasi

• l’ACh-esterasi è presente sulla membrana post-sinaptica

• idrolizza l’ACh in acetato + colina

• è responsabile della fase decrescente del p. di placca

• inibitori dell’ACh-esterasi potenziano l’attività della sinapsi

Stimolo presinaptico

t (ms)

azione della ACh-esterasiattivazione

del

nAChR

Recettore nicotinico dell’ACh (nAChR): funzione

• legame dell’ACh con il recettore a livello della placca motrice apertura del canale: entrata di Na+ e uscita di K+

• potenziale di placca• depolarizzazione postsinaptica• successiva apertura dei canali del Na+ e K+ V-dipendenti• ingresso di Na+ e ulteriore depolarizzazione• genesi e propagazione del p.d.a.

Ciclo vitale dell’ACh

18

LA TRASMISSIONE SINAPTICA NELLA GIUNZIONE NEUROMUSCOLARE

La giunzione neuromuscolare: struttura

A livello del muscolo l’assone della cellula nervosa si

suddivide in sottili branche. Ogni branca forma

numerose espansioni dette bottoni sinaptici,

ricoperte da un sottile strato di cellule di Schwann.

Questi bottoni sinaptici riposano su una regione

specializzata della membrana muscolare detta

placca motrice.

A livello della placca motrice la membrana

presinaptica e quella postsinaptica sono separate da

uno spazio di 50 µm nel quale viene riversato il

contenuto delle vescicole sinaptiche, rappresentato

dal neurotrasmettitore acetilcolina.

La membrana postsinaptica è organizzata in pieghe

giunzionali, le quali sono ricche di recettori per

l’acetilcolina.

Le zone attive e le vescicole sinaptiche

La giunzione neuromuscolare è una struttura

altamente specializzata

19

stimolando il motoneurone (presinaptico) si registra a livello della cellula muscolare (postsinaptica) un potenziale di placca (EPP, end-plate potential), che depolarizza le membrana fino alla soglia del potenziale d’azione.

IL POTENZIALE DI PLACCA

� Il potenziale di placca è eccitatorio e ha un’ampiezza elevata (40 mV)

� il curaro riduce sotto soglia l’ampiezza dell’EPP. Si può cosìstudiare il potenziale di placca (EPP) senza il p.a.

� se l’EPP è sopra soglia, il p.d.a. che si genera si propaga lungo la fibra muscolare senza decadere e causa la contrazione del muscolo

� il curaro riduce sotto soglia l’ampiezza dell’EPP. Si può cosìstudiare il potenziale di placca (EPP) senza il p.a.

� se l’EPP è sopra soglia, il p.d.a. che si genera si propaga lungo la fibra muscolare senza decadere e causa la contrazione del muscolo

p. di placca

V soglia -55 mV

controllo+curaro

(bassa dose)

+curaro(alta dose)

Propagazione del potenziale di placca

stimolo

stimolo

50 mV

� la presenza di un’alta densitàdi canali del Na+ e K+ lungo la fibra muscolare converte l’EPP in un PdA che si propaga lungo la fibra e stimola la contrazione.

� la presenza di un’alta densitàdi canali del Na+ e K+ lungo la fibra muscolare converte l’EPP in un PdA che si propaga lungo la fibra e stimola la contrazione.

� il potenziale di placca ha la massima ampiezza nel sito di insorgenza: a livello della placca motrice� è dovuto ad un flusso netto di corrente positiva entrante� si propaga passivamente e diminuisce in funzione della distanza

� il potenziale di placca ha la massima ampiezza nel sito di insorgenza: a livello della placca motrice� è dovuto ad un flusso netto di corrente positiva entrante� si propaga passivamente e diminuisce in funzione della distanza

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� l’insorgenza dell’EPP è causata da un aumento della concentrazione di acetilcolina (ACh) nella fessura sinaptica (fase di attivazione dell’EPP).

� l’ACh è rilasciata dalle terminazioni presinaptiche del motoneurone

� a livello della placca motrice sono concentrati i recettori nicotinici per l’acetilcolina (nAChR) che sonorecettori-canali

� l’ACh si lega agli nAChR che si attivano e sono permeabili al Na+/K+/Ca2+. Si genera un flusso netto di cariche positive entranti.

� la membrana postsinaptica si depolarizza

� la concentrazione di ACh si riduce rapidamente ad opera dell’enzima acetilcolinesterasi (ACh-esterasi) e per diffusione (fase di decadimento dell’EPP)

Chi genera il potenziale di placca?

Stimolo presinaptico

t (ms)

azione della ACh-esterasiattivazione del nAChR

Per studiare quali ioni attraversino i recettori-canale dell’acetilcolina, sono state

misurate le correnti sinaptiche evocate nel terminale postsinaptico dalla

stimolazione degli assoni presinaptici imponendo sperimentalmente diversi valori

del potenziale di membrana alla cellula postsinaptica.

Individuare a quale potenziale di membrana le correnti ioniche che attraversano i

recettori-canali si azzerano dà un’importante informazione in quanto, a seconda del

suo valore, indica se la corrente sinaptica è mediata dal sodio, dal potassio o da

entrambi.

Gli esperimenti hanno mostrato che la corrente sinaptica che attraversa i recettori

nicotinici per l’acetilcolina diventa nulla se si impone un potenziale di membrana di 0

mV. Questo potenziale viene chiamato potenziale di inversione.

Un potenziale di inversione di 0 mV non corrisponde né al potenziale di equilibrio

del potassio EK né a quello del sodio ENa. In effetti, i recettori nicotinici per

l’acetilcolina hanno permeabilità mista sodio-potassio.

21

-100mV (EK+)

-90mV

0mV

+70mV (ENa+)

Potenziale d’inversione INa+=-IK+

INa+ = gNa+ (Vm – ENa+)

Potenziale

Post‐‐‐‐sinaptico (EPP)

Corrente

Post‐‐‐‐sinaptica

IK+ = gK+ (Vm – EK+)

Correnti ioniche e potenziale di placca

NATURA QUANTICA DEL RILASCIO DEL NEUROTRASMETTITORE

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• anche in assenza di stimolazione presinaptica, si registrano sulla cellula muscolare modificazioni spontanee del potenziale di membrana

• sono analoghe al EPP ma di ampiezza notevolmente inferiore (< 1 mV)

• hanno la stessa farmacologia; sono denominati potenziali di placca in miniatura (mEPP)

Potenziali di placca in miniatura (mEPP)

Che relazione esiste tra EPP e mEPP?

• riducendo il Ca2+ extracellulare, si riduce il rilascio di ACh.

• l’ampiezza degli EPP diminuisce al di sotto della soglia.

• stimolando il motoneurone in basso Ca2+ l’ampiezza degli EPP si riduce a multipli interi dell’ampiezza dei mEPP.

23

� i mEPP sono il prodotto del rilascio di una unità di mediatore, ovvero del contenuto di una vescicola presinaptica. Una vescicola (unità di mediatore) contiene 10.000-40.000 molecole di ACh e causa un mEPP di 0.5-1 mV

� durante una stimolazione viene rilasciato il contenuto di 200-300 vescicole che permettono di raggiungere con sicurezza un potenziale di placca di circa 30-60 mV (giunzione neuromuscolare)

Teoria del rilascio quantico

• l’ampiezza più piccola (unitaria o quanto) corrisponde ad un mEPP

• le altre ampiezze (gli EPP) sono multipli interi di un mEPP

Ampiezze degli EPP in basso Ca2+Ampiezze dei mEPP

Ampiezza potenziali di placca in miniatura (mV)

Ampiezza potenziali di placca (mV)

1

2X

4X

1X

- stimolo + stimolo

La quantità di neurotrasmettitore che viene rilasciato dipende dall’intensità dello stimolo iniziale, che a sua volta dipende dalla frequenza di scarica dei potenziali d’azione.

Teoria del rilascio quantico: considerazioni

Regola:L’entità dello stimolo è decodificata dalla frequenza di generazione (frequenza di scarica) del potenziale d’azione.

24

I RECETTORI IONOTROPI DEL GLUTAMMATO

principale neurotrasmettitore eccitatorio del sistema nervoso centrale

• L’attività eccitatoria dei neuroni del cervello e del midollo viene regolata dai diversi tipi di recettori del glutammato:- i recettori ionotropi (recettori-canale)- i recettori metabotropi (controllano canali ionici attraverso secondi messaggeri)

Glutammato

Recettori ionotropi del glutammato

• Tre tipi:

- AMPA (Na+, K+)- NMDA (Na+, K+, Ca2+)- kainato (Na+, K+)

• proteine formate da 4 subunità

• L’apertura del recettore NMDA è potenziata dalla glicina.

• Il Mg2+ blocca il canale NMDA a riposo

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Al potenziale di riposo il canale NMDA non conduce perché è bloccato dal Magnesio.

Il blocco del Magnesio viene rimosso a potenziali positivi

I recettori AMPA e NMDA colocalizzano nelle strutture del SNC, il rilascio del

glutammato evoca sempre risposte miste

(APV) acido fosfoaminovalerico inibitore NMDA-R

Corrente AMPA

precoce

Formazione di spine

dendritiche durante la

long-term-potentiation

(LTP)

LTP

I meccanismi alla base del potenziamento a lungo termine (LTP, plasticitàsinaptica)

• il glutammato si lega ai recettori AMPA e NMDA.

• l’NMDA a riposo è bloccato dal Mg2+ e si apre solo quando la membrana è depolarizzata.

• ripetute depolarizzazioni della m. postsinaptica rimuovono il blocco del Mg2+, permettendo al Ca2+ di entrare (rivelatore di coincidenza)

•il Ca2+ attiva delle proteine chinasi che inducono modificazioni locali dei bottoni e producono un messaggero retrogrado (NO?) che, a livello presinaptico, causa un ulteriore aumento della liberazione di glutammato

• effetto potenziante a feedback positivo che induce plasticità sinaptica (alterazione funzionale pre- e post-sinaptica delle sinapsi)

• l’effetto può essere a lungo (LTP) o a breve termine (STP)

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I RECETTORI IONOTROPI DELGABA E DELLA GLICINA

• il GABA (acido γ-amino butirrico) e la glicina sono neurotrasmettitori inibitori• attivano recettori-canale permeabili al Cl-

GABA e glicina

Picrotossina(antagonista)

Il recettore GABAA

• costituito da 5 subunità α, β, γ, δ, ρα, β, γ, δ, ρα, β, γ, δ, ρα, β, γ, δ, ρ• permeabile al Cl- che entra all’interno della cellula • causa iperpolarizzazioni quando èaperto dal GABA

I recettori del GABA si trovano

principalmente nelle regioni rostrali del

SNC ma anche nel midollo spinale

I recettori della glicina prevalgono nel

midollo spinale, sono coinvolti nei riflessi

e nel coordinamento motorio.

27

Modulazione del GABAA

• sito di legame per benzodiazepine(ansiolitici) e barbiturici, che potenzianol’effetto inibitorio del GABA.

• il potenziale inibitorio è più ampio e persiste più a lungo in presenza di ansiolitici.

Il recettore GABAB è un recettore metabotropo

GABA (in presenza di barbiturico

o benzodiazepina)

GABA

20 mV

L'interazione del GABA con i recettori GABAB attiva principalmente una proteina G

inibitoria (Gi), che produce una inibizione dell'enzima adenilato ciclasi. La riduzione

della concentrazione di cAMP si traduce in una riduzione dei livelli di fosforilazione

ed inibizione funzionale dei canali calcio/voltaggio dipendenti implicati nel controllo

presinaptico del rilascio di neurotrasmettitori o a livello postsinaptico sull’apertura

dei canali del K+.

• Il recettore metabotropo non è un canale. E’ una proteina con 7 α-eliche transmembranali, attiva una proteina G che a sua volta attiva altri effettori (canali e/o secondi messaggeri)

• Sono recettori metabotropi: mAChR, GABAB, αααα- e ββββ- adrenergici,

glutammato, neuropeptidi, dopamina (D1-D5), …

• Azione lenta (100 ms-100 s)

Recettori metabotropi

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La trasmissione sinaptica indiretta (o a secondo messaggero)

Trasmettitori:

GABA (GABAB)

Glutammato (metabotropici)

Acetilcolina (muscarinici)

Noradrenalina

Dopamina

Serotonina

Oppioidi ed altri….

Trasmettitori:

GABA, glicina

Glutammato

Acetilcolina (nicotinici)

La proteina G, attivata dal recettore, attiva (o chiude) direttamente i canali ionici.

Recettori metabotropi

La proteina G, attivata dal recettore, attiva (o inibisce) enzimi che producono secondi messaggeri che, a loro volta attivano o chiudono canali ionici.

29

• I recettori accoppiati a proteine G sono formati da una sola subunitàcomposta da 7 segmenti (α-eliche) di catena polipeptidica trasmembranari• Il sito di legame per il neurotrasmettitore: sulla porzione extracellulare • Il sito di legame per la proteina G: nel III loop intracellulare• Non formano canali ionici, ma attraverso l’attivazione delle subunità a e bg delle G proteine possono aprire o chiudere canali di vario tipo (Na+, K+ o Ca2+) e quindi indurre risposte eccitatorie o inibitorie. • Si parla di un’azione sui canali ionici mediata dal recettore metabotropo

Il recettore muscarinico dell’ACh

fosfolipasi C (PLC)

attivazione, IP3 e aumento di

calcio, eccitazione

SNC, sostanza neraM5

Gi: Inattivazione adenilatociclasi diminuzione cAMP, ↓conduttanza del Ca

2+;↑

conduttanza al K+

Corteccia, striato, coordinamento

motorioM4

fosfolipasi C (PLC)


calcio

contrazione muscolo liscio;

secrezione ghiandolareM3

Gi: Inattivazione adenilatociclasi diminuzione cAMP, ↓conduttanza del Ca

2+; ↑

conduttanza al K+

SNC: ubiquitario; Cuore: Inibizione

neuronale effetti inotropi e

cronotropi negativii

M2

fosfolipasi C (PLC)


calcio, eccitazione

Corteccia, ippocampo:

Eccitazione SNC, memoria?M1

MeccanismoLocalizzazione/EffettiTipo di

recettore

Recettore metabotropici dell’ACh

30

• il glutammato si lega anche ad un recettore metabotropo causando:- attivazione di una proteina Gq- attivazione della PLC (fosfolipasi C)

oppure

- Attivazione di una proteina Gi- diminuzione cAMP- aumento IK+- riduzione ICa2+

Recettori metabotropi del glutammato

Recettori metabotropi del glutammato

I recettori del gruppo I sono implicati nei processi associati alla regolazione della depolarizzazione di membrana (inibizione di canali del K+ e/o- apertura dei

canali del Ca2+)

I recettori metabotropici del glutammato dei terminali presinaptici sono responsabili della regolazione del rilascio di neurotrasmettitore (gruppo II e III)

Abbondanti nello striato,

ippocampo e cervelletto

31

Dopamina

I recettori adrenergici attivati dalla A e NA sono di tipo metabotropo e sono divisi in due classi : αααα (α1, α2) e ββββ (β1,

β2, β3). Possono attivare la via dell’IP3 o del cAMP/PKA.

Recettori adrenergici

La noradrenalina è un importante mediatore nervoso del cervello emozionale:

-comportamenti d'emergenza e nella risposta allo stress.

-A livello del SNC produce attivazione cerebrale, aumentando l'attenzione e la vigilanza;

- A livello periferico, via nervoso simpatico, media gli aggiustamenti funzionali ai comportamenti di lotta e fuga(es. l'aumento del battito cardiaco, della pressione arteriosa, della mobilitazione degli zuccheri, della dilatazionedei bronchi, ecc.

Gs: attivazione adenilato

ciclasi , aumento cAMP

Lipolisi e termogenesiβ3



Rilasciamento muscolo liscioβ2



contrazione muscolo cardiacoβ1

Gi: Inattivazione adenilato

ciclasi diminuzione cAMP,

inibizione canali del K+

Contrazione/dilatazione (α2 gangli

simpatico e autorecettori) muscolo

liscio vasi

α2

Gq: fosfolipasi C(PLC)


calcio

contrazione muscolo liscio vasiα1

MeccanismoEffettiTipo di

recettore

Recettori adrenergici

32

D2

D1

Gi/0: diminuzione adenilato

ciclasi , aumento IP3

Corteccia, limbico: umore

emozioni comportamentoD4



limbico,ipotalamo:

comportamento, prolattinaD3



Corteccia, limbico, Striato,

ipotalamo: umore, controllo

motorio,comportamento

prolattina

D2



Sistema limbico, striato:

emozioni, controllo motorioD5



Corteccia, limbico, striato:

emozioni, umoreD1

MeccanismoLocalizzazione/funzioneTipo di

recettore

Recettori dopaminergici

I sistemi a proiezione diffusaSistema noradrenergico

Sistema dopaminergico

-implicato nei processi del rinforzo

psicologico nelle funzioni cognitive.

- trasmettitore nervoso principale del

nucleo del locus coeruleus, (integra le

informazioni sensoriali proiettandole alla

neocorteccia.

-Il principali neurotrasmettitori dei nuclei

della base (coordina il comportamento

motorio, es. sostanza nera e corpo

striato sede del controllo del

coordinamento motorio).

-Proiezioni

dell’amigdala:umore/emozioni.

33

L’apertura di canali ionici nella cellula postsinaptica causa una variazione transiente del potenziale, detta potenziale postsinaptico che può essere di tipo eccitatorio oinibitorio

� il potenziale postsinaptico inibitorio è una variazione transiente del potenziale di membrana verso valori più negativi rispetto al potenziale di membrana a riposo (es. da –60 mV a –70, –80 mV).

� il potenziale postsinaptico eccitatorio è una variazione transiente del potenziale di membrana verso valori meno negativi rispetto al potenziale di membrana a riposo (es. da –60 mV a –20 mV).

Sinapsi eccitatorie e sinapsi inibitorie

� potenziale post-sinaptico inibitorio (IPSP) (inhibitory post-sinaptic potential)

� potenziale post-sinaptico eccitatorio (EPSP) (excitatory post-sinaptic potential)

-60 mV

-60 mV

IPSP

EPSP

20 mV

Attività sinaptica eccitatoria

E’ associata all’apertura di canali ionici selettivi per:

Na+

Na+ + K+

Na+ + Ca2+

Infatti, questi canali hanno potenziali di inversione (pot. di Nernst) più positivi del potenziale di riposo della cellula (Vm = - 60 mV)

ENa = + 63 mV

ENa+K = - 20 mV

ENa+Ca = + 65 mV

EPSP

-60 mV

34

Attività sinaptica inibitoria

È causata dall’apertura di canali selettivi per:

K+

Cl-

infatti questi canali hanno potenziali di inversione più negativi del potenziale di riposo della cellula (Vm = - 60 mV)

EK = - 80 mV

ECl = - 70 mV

IPSP

-60 mV

Meccanismi di integrazione sinapticasinapsi eccitatorie ed inibitorie

35

Sommazione spaziale e temporale dei potenziali postsinaptici

Nelle sinapsi centrali la convergenza di stimoli è l’elemento chiave della

comunicazione nervosa

Regola generale

Monticolo assonico

• L’eccitamento a livello somatico insorge ogni qualvolta la somma algebrica (spaziale e temporale) di tutti i potenziali postsinaptici (eccitatori e inibitori) raggiunge o supera la soglia di attivazione.

• In tal caso, a livello del monticolo assonico si genera un potenziale d’azione che si propaga lungo l’assone

• Il monticolo assonico è una zona del neurone con “soglia di attivazione” più bassa, perché contiene densità di canali del Na+ voltaggio-dipendenti più alte che nel resto del soma.

36

E’ molto importante capire come l’attività

delle varie sinapsi si integrino.

…e quindi la

localizzazione

delle sinapsi ,

che si

raggiunge

durante lo

sviluppo, e’

importante

Le proprieta’ passive sono importanti

Il risultato finale di tutta l’attivita’ sinaptica inibitoria ed eccitatoria e’ rappresentata dalla frequenza di scarica in uscita lungo

l’assone.L’inibizione modula la scarica impedendo l’instaurarsi di potenziali

di azione o diminuendo la probabilità che vengano generati.

Eccitatorio: avvicina Vm alla soglia per la generazione di un potenziale di azione

Inibitorio: diminuisce la probabilita’che si superi la soglia per la generazione di un potenziale di azione.

Presenza di inibizione

Assenza di inibizione

37

Le sinapsi indirette che non usano trasmettitori che

legano recettori-canali come il glutammato o il GABA,

influenzano l’eccitabilità della cellula postsinaptica

causando l’attivazione di cascate biochimiche che

regolano l’apertura o la chiusura di canali posti su

tutta la membrana postsinaptica.

L’attività di questi neurotrasmettittori

(neuromodulatori) è poco evidente per se, ma si

evidenzia con una facilitazione o depressione delle

risposte del neurone postsinaptico ad altri ingressi.

Questa è la neuromodulazione.

La neuromodulazione

Es. di neuromodulazione: L’azione degli oppioidi sulla trasmissione del

dolore è mediata da sinapsi che modulano l’efficacia della sinapsi tra la fibra

nocicettiva afferente e il neurone che trasmette l’informazione dolorifica

centralmente.

38

Un esempio di

neuromodulazione:

la noradrenalina

rimuove

l’adattamento

chiudendo i canali

del potassio calcio

dipendenti nei

neuroni

dell’ippocampo

+TEA

+TTX

Integrazione sinaptica

39

I circuiti nervosi possono modificarsi in risposta all’esperienza

La plasticità’ è presente in tutto il SNC, ma in particolar modo a livello

della corteccia cerebrale

Senza di essa

•Il nostro cervello non si sarebbe sviluppato in maniera

normale

•Il nostro comportamento sarebbe stereotipato ed

immodificabile dall’esperienza

•Saremmo esseri senza memoria del passato

Questa capacità si definisce plasticità neurale

I cambiamenti dei circuiti neurali in risposta all’esperienza

sono meno evidenti man mano che la plasticità corticale

diminuisce con il procedere dello sviluppo

Tuttavia, la plasticità corticale è presente nell’adulto, sia in

risposta ad aumenti dell’attività afferente (apprendimenti) sia in

risposta a riduzioni dell’attività afferente (lesioni)

40

Comprendere i meccanismi alla base della

plasticità corticale, sia durante lo sviluppo

che nell’adulto, potrebbe permettere di:

•correggere difetti insorti in seguito ad un

processo di sviluppo deficitario o scorretto

•sfruttare al meglio o potenziare i tentativi

spontanei di recupero che il sistema nervoso

mette in atto dopo una lesione

Le “regole” della plasticità

Raffinamento e maturazione dei circuiti neurali durante

lo sviluppo

Formazione di una traccia di memoria

41

Plasticità neurale: capacità dei circuiti nervosi di modificarsi,

cambiando quindi la loro uscita, in risposta all’esperienza

Cosa cambia nel circuito?

L’efficacia delle connessioni sinaptiche si modifica in risposta ai

cambiamenti nell’attività elettrica che l’esperienza induce nel

circuito

Ingresso

presinaptico

Risposta

postsinaptica

Esperienza

(cambio di attività mantenuto nel tempo)

Ingresso

presinaptico

Risposta

postsinapticao

Donald O. Hebb1904-1985

…quando un assone della cellula A (la cellula presinaptica)

prende parte ripetitivamente nel processo di eccitamento della

cellula B (la cellula postsinaptica), qualche cambiamento

strutturale o metabolico subentra in una o entrambe le cellule in

modo che l'effcienza di A, come cellula eccitatrice di B, aumenti.

42

Meccanismo Hebbiano di plasticità:

rafforzamento delle sinapsi con attivita’

sincrona

… se un neurone presinaptico A attiva ripetutamente il neurone

postsinaptico B la connessione sinaptica fra A e B si rafforza

Corollario: se A fallisce ripetutamente nell’attivare B, la

connessione fra A e B si indebolisce

Meccanismo Hebbiano di plasticità:

rafforzamento delle sinapsi con attivita’ sincrona

Neuroni presinaptici

attivi sincronicamente

Neuroni presinaptici

attivi asincronamente

Attività del neurone

postsinaptico

43

Esempio di potenziamento a

lungo termine. Uno stimolo

ad alta frequenza (treno di

impulsi, indicato con il

triangolo nero) produce un

incremento transitorio della

risposta sinaptica (LTP

precoce). Se si eseguono 4

stimolazioni ad alta

frequenza si ha un

potenziamento maggiore e

permanente nel tempo (LTP

tardivo).

Tratto da Kandel et al., 2003.

La verifica sperimentale dell’ipotesi di Hebb si ebbe con la scoperta, all’inizio degli

anni ’70, del fenomeno del potenziamento a lungo termine (LTP).

Monitorando le ampiezze degli EPSP ci si accorse che la risposta a stimoli test somministrati a bassa

frequenza (uno ogni 15-60 secondi) aumentava se la sinapsi veniva sottoposta ad un breve episodio di

stimolazione ad alta frequenza. Se venivano somministrate ripetute stimolazioni ad alta frequenza, il

potenziamento era più ampio e permanente nel tempo. Questi fenomeni sono presenti sia in vitro che in

vivo e sono stati osservati in molte aree cerebrali.

pende

nza E

PS

P m

V/m

s

Giro dentato

Via perforante

Cellule Granulari

Collaterali di

Schaffer

CA1

CA3

La funzione probabile della LTP e quella di permettere l’apprendimento di

informazioni di tipo non procedurale: struttura ippocampo

44

Nel corso della normale trasmissione sinaptica a

bassa frequenza, il glutammato liberato dalle

terminazioni presinaptiche agisce sia sui recettori

NMDA che su quelli AMPA.

Na+ e K+ tuttavia passano soltanto attraverso i

recettori AMPA in quanto, a livello di riposo del

potenziale di membrana, i canali-recettori NMDA

sono bloccati dal Mg2+.

Trasmissione sinaptica normale

Induzione di LTP

Quando la membrana postsinaptica viene

depolarizzata dall’azione dei AMPA, come accade

nel corso della stimolazioni tetaniche che danno

origine al potenziamento a lungo termine.

La depolarizzazione toglie il blocco degli Mg2+ ai

canali NMDA. Ciò consente il flusso di Na+, K+ e

Ca2+ attraverso questi canali.

L’aumento di Ca2+ che ne consegue a livello delle

spine dendritiche attiva le chinasi calcio-dipendenti

(calciocalmodulina e la chinasi C) che determinano

la comparsa di LTP.

Quando è stato indotto un LTP, la cellula

postsinaptica libera un segnale retrogrado, che

probabilmente agisce sulle chinasi presenti nella

terminazione presinaptica, e da origine al

persistente aumento della liberazione di

neurotrasmettitore che è alla base del prolungarsi

nel tempo dell’LTP.

45

Potenziamento

sinaptico

Nuovi siti

sinaptici

Crescita di nuove

connessioni

Meccanismi di plasticità sinaptica

Ingresso

presinaptico

Risposta

postsinaptica

Ingresso

presinaptico

Risposta

postsinaptica

Ingresso

presinaptico

Risposta

postsinaptica

Le modificazioni dell’efficacia sinaptica, per

consolidarsi e mantenersi stabili nel tempo

(modifiche a lungo termine) necessitano della

trascrizione genica e della sintesi di nuove

proteine

Sinapsi e Neurotrasmettitori

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