ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ:ΔΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

Transcript

1 ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΖΩΩΝ 5-6/ Π.Παπαζαφείρη ΣΥΝΑΨΕΙΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ:ΔΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 3. ΧΗΜΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ:ΔΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 4. ΚΕΝΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ ΡΥΘΜΙΣΗ

2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ διαβίβαση στο νευρικό σύστημα ρύθμιση μέσω ειδικών συνδέσεων Αν και, οι περισσότεροι νευρώνες δέχονται διεγέρσεις από άλλους νευρώνες, το ΚΝΣ πρέπει να λειτουργεί με βάση τις πληροφορίες που λαμβάνει από το περιβάλλον. Αυτό το ρόλο έχουν τα εξειδικευμένα κύτταρα που μπορούν να δεχθούν αυτή την πληροφόρηση. Οι περισσότερες εξωτερικές και εσωτερικές διεγέρσεις λαμβάνονται από 3 τύπους αισθητικών κυττάρων (υποδοχέων): φωτός, μηχανικής διέγερσης και αλλαγών του χημικού περιβάλλοντος

3 ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΟ ΥΠΟΔΟΧΕΑ ΕΩΣ ΤΟ ΕΚΤΕΛΕΣΤΙΚΟ ΟΡΓΑΝΟ

4 ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ Αναγεννητικά δυναμικά και κώδικας συχνοτήτων. Το μέγεθος της αισθητικής διέγερσης προσδιορίζει το μέγεθος του αναγεννητικού δυναμικού. Αυτό με τη σειρά του κωδικοποιείται στη συχνότητα της παραγωγής δυναμικών του μετασυναπτικού νευρώνα.

5 Συναπτικές συνδέσεις, επιλεκτικότητα Ο μεγάλος αριθμός αισθητικών, κινητικών και γνωστικών λειτουργιών απαιτεί ταχείες, ειδικές και χωροταξικά οργανωμένες νευρικές συνδέσεις Ένα μικρό σύνολο νευρώνων διαμορφώνει το κέντρο του ρυθμιστικού συστήματος Οι νευρώνες των διάχυτων συστημάτων προέρχονται από το κέντρο του εγκεφάλου, κυρίως από το στέλεχος Κάθε νευρώνας επηρεάζει πολλούς άλλους καθόσον έχει έναν νευράξονα που συνδέεται με πολλά μετασυναπτικά κύτταρα Οι νευροδιαβιβαστές αυτών των συστημάτων φαίνεται να διαχέονται σε μεγαλύτερη απόσταση στο εξωκυτταρικό υγρό με αποτέλεσμα η δράση τους να μην περιορίζεται στην περιοχή της συναπτικής σχισμής.

6

7

8

9

10

11

12 Συνάψεις Θέσεις επικοινωνίας μεταξύ δύο κυττάρων στις οποίες το ηλεκτρικό σήμα ενός νευρικού κυττάρου μεταβιβάζεται σε ένα επόμενο Σχηματίζονται όταν ο άξονας ενός προσυναπτικού κυττάρου «συνδέεται» με σημεία του μετασυναπτικού κυττάρου Ένας νευρώνας μπορεί να συνδεθεί με περίπου άλλους νευρώνες З περίπου συνάψεις στο ΚΝΣ

13 ιστορικά στοιχεία Η συναπτική διαβίβαση προϋποθέτει ότι οι νευρώνες αποτελούν ανεξάρτητες δομικές μονάδες («Θεώρημα του νευρώνα», Ramon Y Cajal). στο τέλος του 19ου αιώνα προτάθηκε από τον Sherrington, ότι οι νευρώνες πλησιάζουν σε διάφορα σημεία όπου με μια χρονοβόρα, ενεργειοβόρα και χημειοευαίσθητη διαδικασία μεταδίδουν την πληροφορία με συγκεκριμένη κατεύθυνση. Δύο σημαντικά πειράματα θεμελίωσαν τις θεωρίες αυτές: Ο Eliot, στα 1904, διέγειρε τα συμπαθητικά νεύρα στην καρδιά και χορήγησε εκχυλίσματα επινεφριδίων και παρατήρησε ότι η νορεπινεφρίνη (γνωστός σήμερα νευροδιαβιβαστής του συμπαθητικού) διέγειρε την καρδιά με τον ίδιο τρόπο, όπως ο ερεθισμός του συμπαθητικού. Ο Loewi με τα πειράματά του, απέδειξε ότι η διαβίβαση του μηνύματος της αναστολής από το πνευμονογαστρικό νεύρο στον καρδιακό μυ είναι χημική.

14 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ Loewi

15 ΕΙΔΗ ΣΥΝΑΨΕΩΝ ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης ή το μέγεθος Αξονοδενδριτική Αξονοσωματική Αξονοαξονική

16 ΕΙΔΗ ΣΥΝΑΨΕΩΝ Χημικές συνάψεις Ηλεκτρικές συνάψεις

17 2. Ηλεκτρικές συνάψεις

18 Η ροή του ρεύματος στη σύναψη της καραβίδας είναι μονόδρομη. Αυτό αποδεικνύεται εκπολώνοντας το προσυναπτικό ή το μετασυναπτικό κύτταρο.

19 Στις περισσότερες ηλεκτρικές συνάψεις, η ροή του ρεύματος μπορεί να είναι αμφίδρομη. Η μετάδοση του δυναμικού μέσα από μια ηλεκτρική σύναψη ΔΕΝ διαφέρει από την μετάδοση κατά μήκος του άξονα «Παράγοντας εξασθένησης της ηλεκτρικής σύναψης»

20 Οι ηλεκτρικές συνάψεις εξασφαλίζουν μεγάλη ταχύτητα μεταβίβασης του σήματος

21 Ηλεκτρικές συνάψεις συγχρονισμός

22 Οι χασματοσυνδέσεις σχηματίζονται αποκλειστικά από εξαμερή ονομάζονται κοννεξόνια( Cx36), - που συνδέουν τα κύτταρα μεταξύ τους.

23 Ηλεκτρικές συνάψεις Συμμετρική μορφολογία. Αμφίδρομη μονόδρομη μεταβίβαση. Οι προ- και μετα-συναπτικές μεμβράνες βρίσκονται πολύ κοντά (~ 3.5 vs. ~ 20 nm σε άλλα κύτταρα), και συνδέονται με χασμοσυνδέσεις (gap junctions). - τα ιόντα κινούνται ελεύθερα στις χασμοσυνδέσεις παρέχοντας ένα περιβάλλον χαμηλής αντίστασης χωρίς απώλεια προς τον εξωκυτταρικό χώρο. Έτσι η μεταβίβαση του σήματος είναι ηλεκτροτονική. - στιγμιαία, άμεση μεταφορά του ηλεκτρικού σήματος από το ένα κύτταρο στο άλλο ( < 0.3 msec).

24 Ηλεκτρικές συνάψεις Συγχρονισμός της ηλεκτρικής δραστηριότητας μεγάλου αριθμού νευρώνων: - πολλοί νευροεκκριτικοί νευρώνες που παράγουν πεπτιδικούς νευροδιαβιβαστές. - ο συντονισμός είναι μάλλον απαραίτητος κατά την ανάπτυξη του νευρικού ιστού συμπεριλαμβανομένων των χημικών συνάψεων. - ο συγχρονισμός είναι απαραίτητος για λειτουργίες που απαιτούν άμεσες αποκρίσεις (αντανακλαστικά, βηματοδότης).

25 Ηλεκτρικές # χημικές συνάψεις: ανατομικές διαφορές

26 ΙΔΙΟΤΗΤΑ Απόσταση μεταξύ ΠΡΟ και ΜΕΤΑσυναπτικού κυττάρου Κυτταροπλασματική συνέχεια μεταξύ ΠΡΟ και ΜΕΤΑσυναπτικού κυττάρου ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ 3.5 nm nm ΝΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ ΟΧΙ Λεπτή δομή Χασμοσυνδέσεις Προσυναπτικές ζώνες και κοκκία, μετασυναπτικοί υποδοχείς Τρόπος μετάδοσης Ιονικό ρεύμα Νευροδιαβιβαστής Συναπτική καθυστέρηση Κατεύθυνση μετάδοσης Ουσιαστικά καμιά Συνήθως αμφίδρομη Σημαντική, τουλάχιστον 0.2 msec και συχνά >1-5 Μονόδρομη

27 Έχει προταθεί (Gray 1969) ότι υπάρχουν δύο μορφολογικοί τύποι χημικών συνάψεων (Τύποι Ι και ΙΙ) και παρόλο ότι υπάρχουν και πολλοί ενδιάμεσοι τύποι, η υποδιαίρεση αυτή είναι χρήσιμη. ΤΥΠΟΣ Ι Συναπτική σχισμή περίπου 30 nm. Περιοχή επαφής 1-2 μm Σχετικά αυξημένη συσσώρευση πυκνού υλικού δίπλα στην προσυναπτική μεμβράνη ΤΥΠΟΣ ΙΙ Συναπτική σχισμή περίπου 20 nm Περιοχή επαφής σχετικά μικρή (<1 μm σε διάμετρο) Σχετικά μικρή αλλά συμμετρική συσσώρευση πυκνού υλικού Σε πολλές περιοχές του εγκεφάλου, ο τύπος Ι σχετίζεται με πολυάριθμα σφαιρικά κοκκία διαμέτρου nm. Αντίθετα, ο τύπος ΙΙ σχετίζεται με μικρότερα κοκκία (10-30 nm), λίγα σε αριθμό επίπεδα ή ελλειπτικά. Ο τύπος Ι έχει πυκνό ΙΜΡ (διαμεμβρανικά σωματίδια) στη μετασυναπτική μεμβράνη, σε αντίθεση με τον τύπο ΙΙ που δεν έχει καθόλου.

28 δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά

29 Συναπτικά κομβία:ο άξονας του προσυναπτικού νευρώνα απολήγει σε μια ελαφρά διόγκωση Ο αριθμός των συναπτικών κομβίων μπορεί να είναι : 1 ανά μετασυναπτικό κύτταρο (π.χ. ορισμένοι νευρώνες του διάμεσου εγκεφάλου) ή αρκετές χιλιάδες. Στους κινητικούς νευρώνες του νωτιαίου μυελού, υπολογίζεται ότι υπάρχουν ~ Από αυτά, είναι στο κυτταρικό σώμα και στους δενδρίτες. Υπολογίζεται ότι τα συναπτικά κομβία σε ένα νευρώνα καλύπτουν το 40% της ολικής επιφάνειας της μεμβράνης του.

30 3. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΥΝΑΨΕΩΝ επισκόπηση 7 σταδίων

31 Πολλές από τις αρχές λειτουργίας της συναπτικής διαβίβασης στη νευρομυϊκή (Ν-Μ) σύναψη, ισχύουν και στις συνάψεις του ΚΝΣ. Πρέπει όμως να τονιστεί ότι οι μηχανισμοί της Ν-Μ σύναψης είναι απλούστεροι διότι: 1) Οι περισσότερες μυϊκές ίνες νευρώνονται μόνο από έναν κινητικό νευρώνα. 2) Η μυϊκή ίνα δέχεται μόνο διεγέρσεις (δεν υπάρχουν ανασταλτικές συνάψεις στο σκελετικό μυ των σπονδυλωτών). 3) Όλες οι διεγερτικές συνάψεις των μυϊκών ινών χρησιμοποιούν τον ίδιο διαβιβαστή (Ach), ο οποίος ενεργοποιεί το ίδιο είδος υποδοχέα-καναλιού. 4) Οι Ν-Μ συνάψεις είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές: κάθε συναπτικό δυναμικό epp δίνει πάντα δυναμικό ενέργειας.

32 χημικές ενώσεις, χρήσιμες για τη μελέτη της συναπτικής διαβίβασης Δεκαμεθόνιο, καρβαχόλη, ηλεκτροχολίνη: Είναι ανάλογα της Ach, τα οποία, όπως το κουράριο, ενώνονται με τον υποδοχέα της, αλλά αντί να τον μπλοκάρουν, τον ενεργοποιούν. Hemicholinium: Ενώσεις που μπλοκάρουν την επαναπρόσληψη της χολίνης από τα προσυναπτικά άκρα. Botulinum toxin: Προέρχεται από το βακτήριο Clostridium tobulinum και αναστέλλει την απελευθέρωση της Ach από τα νευρικά άκρα. Από τα πιο αποτελεσματικά δηλητήρια που υπάρχουν. Μουσκαρίνη: Ενεργοποιεί τους υποδοχείς της Ach Νικοτίνη: Ενεργοποιεί τους υποδοχείς της Ach Ρεζερπίνη: Αλκαλοειδές που προκαλεί σταδιακή απώλεια των κατεχολαμινών και της σεροτονίνης από τα συναπτικά άκρα. Ναλοξόνη: Μπλοκάρει τους οπιοειδείς υποδοχείς στο νευρικό σύστημα.

33 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΥΝΑΨΕΩΝ συνοπτική επισκόπηση

34 Κάθε συναπτικό κομβίο περιέχει όλους τους μηχανισμούς που απαιτούνται για την απελυθέρωση του διαβιβαστή: 1) Τα συναπτικά κοκκία που περιέχουν το διαβιβαστή 2) Τα τασεοελεγχόμενα κανάλια Ca 2+ 3) Την ενεργό ζώνη, μια εξειδίκευση της μεμβράνης για την απελευθέρωση του διαβιβαστή Κάθε ενεργός ζώνη βρίσκεται απέναντι σε κάθε λειτουργική εγκόλπωση της μετασυναπτικής μεμβράνης. Στο πάνω μέρος αυτής της εγκόλπωσης είναι συγκεντρωμένοι οι υποδοχείς της Ach, που σχηματίζουν ένα γεωμετρικό πλέγμα, με πυκνότητα ~ υποδοχείς/μ 2. Η πρωτεΐνη κάθε υποδοχέα έχει διάμετρο ~8.5 nm. Στο κάτω μέρος της εγκόλπωσης της μετασυναπτικής μεμβράνης υπάρχουν πολλά τασεοελεγχόμενα κανάλια Νa τα οποία μετατρέπουν το δυναμικό της τελικής κινητικής πλάκας σε ΔΔ.

35 ΚΑΝΑΛΙΑ ΣΤΙΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ Τα τασεοελεγχόμενα και τα ελεγχόμενα από διαβιβαστές κανάλια, λειτουργούν με διαφορετικό τρόπο.

36 Σύγκριση των διαστάσεων (στα στενότερα σημεία) στα κανάλια Na +, K + και στο ελεγχόμενο από Ach κανάλι.

37 Ο υποδοχέας της ακετυλοχολίνης ως παράδειγμα Η ένωση της Ach με τα χημειοελεγχόμενα κανάλια της μετασυναπτικής μεμβράνης, οδηγεί στο «άνοιγμά» τους και έτσι η μεμβράνη γίνεται διαπερατή τόσο στο Na + όσο και στο Κ +. Η ροή αυτών των ιόντων εκπολώνει τη μεμβράνη και δίνει epp. Η εκπόλωση αυτή ανοίγει γειτονικά τασεοελεγχόμενα κανάλια Na +. Για να προκληθεί ΔΔ, η εκπόλωση που παράγεται από το epp, πρέπει να ανοίξει ικανοποιητικό αριθμό καναλιών Na + ώστε η μεμβράνη να φτάσει στο οριακό δυναμικό και να δώσει ΔΔ.

38 ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΑΝΑΜΕΣΑ ΣΤΙΣ ΚΕΝΤΡΙΚΕΣ ΚΑΙ ΤΗ ΝΕΥΡΟΜΥΪΚΗ ΣΥΝΑΨΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟ ΚΝΣ ΝΕΥΡΟΜΥΪΚΗ ΣΥΝΑΨΗ Συνάψεις Πάρα πολλές Μόνο μία-δύο Έλευση δυναμικού ενέργειας προκαλεί Ποσοτική διαβάθμιση (gradiation) Ολοκλήρωση Μικρή εκπόλωση ΝΑΙ: Άθροιση πολλών (εκ- και υπερ-πολωτικά) ΝΑΙ, στον εκφυτικό κώνο του νευρώνα Ανεμπόδιστα μικρό ΔΕ Κάθε προσυναπτικό ΔΕ δίνει ένα δυναμικό καθορισμένου μεγέθους (οι μηχανικές ιδιότητες του μυός προκαλούν τη διαβάθμιση της συστολής) ΟΧΙ, υποχρεωτική σύναψη Δυνατότητα αναστολής ΝΑΙ ΟΧΙ

39 Κεντρικές συνάψεις - ρύθμιση

40 1. ΣΧΕΣΗ ΠΡΟΣΥΝΑΠΤΙΚΟΥ- ΜΕΤΑΣΥΝΑΠΤΙΚΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ

41 Διεγερτικά μετασυναπτικά δυναμικά (EPSPs) Άνοιγμα ιοντικών διαύλων οδηγεί σε εκπόλωση και καθιστά πιθανή την ανάπτυξη ενός δυναμικού ενέργειας : Το εσωτερικό του μετασυναπτικού κυττάρου γίνεται λιγότερο αρνητικό. Na + Ca 2+ Na + Ca εξω μέσα

42 Ανασταλτικά μετασυναπτικά δυμανικά (IPSPs) Άνοιγμα ιοντικών διαύλων οδηγεί σε υπερπόλωση και αδυναμία ανάπτυξης ενός δυναμικού ενέργειας Το εσωτερικό του μετασυναπτικού κυττάρου καθίσταται περισσότερο αρνητικό. K + Cl - Cl - + εξω K + - μεσα

43 Μετακίνηση ιόντων στη μετασυναπτική μεμβράνη

44 Προσυναπτική αναστολή Οι αξονοαξονικές συνάψεις μπορούν να αναστέλλουν την απελευθέρωση του νευροδιαβιβαστή μεταβάλλοντας την είσοδο του ασβεστίου. Η προσυναπτική αναστολή παρατηρείται όταν ένας προσυναπτικός ανασταλτικός νευρώνας (γ) ελαττώνει το ρεύμα του ασβεστίου στο συναπτικό άκρο ενός δευτέρου προσυναπτικού νευρώνα (α) και έτσι έχουμε ελάττωση του διαβιβαστή που απελευθερώνεται. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι το συναπτικό δυναμικό που καταγράφεται στο μετασυναπτικό κύτταρο (β) είναι ελαττωμένο.

45 Ενσωμάτωση διαφορετικών σημάτων για τη διαμόρφωση της τελικής απόκρισης

46 Εξάρτηση από το δυναμικό των EPSPs, IPSPs του νευρικού συστήματος

47 Το εύρος της μετασυναπτικής απάντησης εξαρτάται από την προηγούμενη δραστηριότητά τους: συναπτική δύναμη Η επαναλαμβανόμενη διέγερση των συνάψεων παράγει σύντομες περιόδους αυξημένης ή μειωμένης μετασυναπτικής απάντησης (διευκόλυνση, ενίσχυση, καταστολή, εξοικείωση) Τόσο η αύξηση όσο και η μείωση σχετίζονται με την ποσότητα του διαβιβαστή που απελευθερώνεται (που, ως ένα βαθμό εξαρτάται από το ασβέστιο).

48 Νευρορυθμιστές: Ρυθμιστικές επιδράσεις της νορεπινεφρίνης ΑΠΟΥΣΙΑ Οι μοριακοί μηχανισμοί των νευρο-ρυθμιστών είναι πολύπλοκοι και διαφορετικοί. Όμως, όλοι ξεκινούν από την ενεργοποίηση ενός μεμβρανικού υποδοχέα που πυροδοτεί έναν ενδοκυτταρικό καταρράκτη σηματοδότησης

49 ΚΕΝΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΨΕΙΣ ΑΜΕΣΑ-ΕΜΜΕΣΑ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΕΣ

50 Παράγοντες που καθορίζουν τη συναπτική λειτουργία Προσυναπτικοί: Διαθεσιμότητα νευροδιαβιβαστή, πρόδρομων μορίων και των αντίστοιχων ενζύμων Δυναμικό μεμβράνης Συγκέντρωση ασβεστίου Ενεργοποίηση υποδοχέων Φάρμακα Μετασυναπτικοί: Ιστορικό μεμβρανικής δραστηριότητας Παρουσία άλλων νευροδιαβιβαστών ή νευρορυθμιστών Φάρμακα Γενικοί: Έκταση της συναπτικής επαφής απόσταση μεμβρανών Κύκλος του νευροδιαβιβαστή και του υποδοχέα του

51 Τρεις από πολλές ουσίες που αλλοιώνουν τη νευροδιαβίβαση (ντοπαμίνη) μεθ-αμφεταμίνη νικοτίνη seattlepi.nwsource.com/ methamphetamines/ αλκοόλ (GABA) science.howstuffworks.com/ alcohol.htm