Synaptisk transmission B: , ,

Transkript

1 Synaptisk transmission B: , , Læringsmål Gøre rede for struktur og funktion af elektriske synapser B: Elektriske synapser: Svar og noter Struktur: Bygget til at tillade en strøm at løbe direkte fra ét nuron til et andet. Mellem den præ- og postsynaptiske membran er et mellemrum på kun 3-4nm hvor neuronerne er forbundet med gap junctions, der forbinder cytoplasma fra de to neuroner. Gap junctions tillader passage af næringsstoffer, metabolitter, ioner og andre små molekyler (> 1000 daltons) Funktion: Hurtig, direkte, bidirektionel kommunikation Gøre rede for struktur og funktion af kemiske synapser B: 157, 159 Forekomst: Indskudsskiver Celler i CNS neuronal synkronisering Kemiske synapser: Struktur: AP i den præsynaptiske nerveterminal frigiver neurotransmittere, der genererer elektriske eller biokemiske signaler i den postsynaptiske celle. Neurotransmittere: o Parasympatiske: ACh, (acetylcholinesterase) o Sympatiske Præsynaptiske terminal/membran: o Indeholder mange små synaptiske vesikler (40nm i dia), der indeholder høje koncentrationer af neurotransmittere. o Vesiklerne er koncentreret omkring den Aktive zone et specialiseret område på den præsynaptiske PM, der er involveret i transmitterfrigørelse. Synapse kløft o 20-40nm adskiller de to neuroner Postsynaptisk membran: o Postsynaptisk density område i membranen, hvor der er mange neurotransmitter receptorer -lokaliseret lige overfor aktiv zone. Funktion: Envejs kommunikation Proces: AP ledes gennem axonet til den præsynaptiske terminal depolarisering Depolariseringen åbner spændingsafhængige calciumkanaler og udløser Ca 2+ -afhængig frigivelse af SV indhold til synapsekløften (exocytose SV fussionerer med membranen og frigiver sit indhold til synapsekløften. SV membranen genoptages) De frigivne neurotransmitter molekyler diffunderer over den synaptiske kløft og interagerer med specifikke receptormolekyler, der er integrale proteiner på det postsynaptiske neurons PM. Interaktionen mellem neurotransmitter og dets recepter (nøgle i lås) aktiverer receptoren afhængig af receptortype vil det enten direkte påvirke membrankonduktansen i den postsynaptiske celle eller initiere en intracellulær signaleringskaskade, der regulerer mange cellulære processer inkl. Membrankonduktans ændringer. (disse mekanismer modulerer det post synaptiske neurons excitabilitet.

2 Forekomst: Det fleste synapser i pattedyrs nervesystem er kemiske synapser. Skeletmuskelfiber motorneuron (NMJ) Gøre rede for de begivenheder, der ligger mellem ankomsten af det præsynaptiske aktionspotential i synapsen og udløsningen af et postsynaptisk aktionspotential i både kemiske og elektriske synapser. B: 162 Gøre rede for de funktionelle forskelle mellem elektriske og kemiske synapser. F7: slide 18 Gøre rede for, hvordan signaleringen bringes til ophør i kemiske synapser. B: Kemiske synapser: Synaptisk delay: 1. Det præsynaptiske AP åbner spændingsfølsomme Ca 2+ -kanaler (langsomste) 2. Ca 2+ kommer ind i cellen gennem åbnede kanaler og udløser neurotransmitter frigørelse 3. Neurotransmitteren diffunderer hurtigt over den synaptiske kløft, binder til receptorer, og åbner ionkanaler i den postsynaptiske PM. Disse processer tager tid og forårsager derfor en forsinkelse mellem det præsynaptiske AP og den postsynaptiske respons. Åbningen af de spændingsfølsomme Ca 2+ -kanaler er den langsomste proces og dermed den store bidrager til forsinkelsen. Elektriske synapser: Der forekommer ikke noget nævneværdigt delay, da den elektriske strøm kan løbe direkte igennem cellerne via gap junctions. Elektrisk Kemisk Hurtighed Hurtig Langsom Synaptisk delay Nej Ja Brug af transmitterstoffer Nej Ja Direkte kontakt mellem cellerne Ja Nej Selektiv Nej Ja 1. Enzymatisk deaktivering Hydrolysering af enzymer o Enzymer omdanner neurotransmittere til inaktive udgaver. Eksempel: o Acetylcholinesterase nedbryder Ach ved at hydrolysere det til acetat og cholin Transportere henter cholin tilbage til den præsynaptiske celle for ny syntese af Ach. o Purinergiv neuro transmission: o Neurotransmitteren er ATP o Transmission termineres af ectonucletidaser der hurtigt nedbryder ATP til adenosin, der transporteres tilbage i cellen o Adenosin kan fungere som transmitter fx kan det modulere purinergic eller cholinerg transmission ved at binde til, og aktivere, presynaptiske adenosin receptorer og inhibere ATP eller Ach frigivelse. 2. Diffusion o Så snart neurotransmitter molekylerne er frigivet, begynder de at diffundere væk fra den synaptiske kløft dette får koncentrationen af neurotransmittere til at falde med tiden. 3. Genoptag o Der sidder receptorer på den præsynaptiske membran, der genoptager og genbruger neurotransmitteren. Nogle sender dem tilbage til Golgi og gensyntetiserer dem der. o Astrocytter og mikroglia i CNS har også receptorer for det, og kan genoptage NT og kan faktisk sende transmitterstoffet videre over i andre synapser. o Fx: Gliaceller,

3 Gøre rede for struktur og virkningsmåden af ionotrope og metabotrobe (=G-protein-koblede) receptorer. B: E: Ionotrope receptorer: Ligandgatede ionkanaler Liganden er en neurotransmitter Hurtig synaptisk respons fordi neurotransmitteren direkte gater ionkanalen. Vigtige for farmakoterapi Struktur: Består af 4-5 subunits, der er arrangeret som en gated pore. Ved binding af ligand undergår poren konformationsændringer, der åbner kanalen. Metabotrope receptorer: Medlem af den G-protein-koblede-receptor familie Monomere (heterodimere) proteiner med 7-transmembrane helixer Binding af neurotransmitter aktiverer en metabotrop receptor der så aktiverer G- protein. De fleste metabotrope receptorer fungerer som homodimerer eller heterodimerer (eller oligomere) Langsom signalering Struktur: G-proteiner er heterotimere proteinkomplekser bestående af alfa- beta- og gammasubunits, hvor alfa har bindingssite for guanin nucleotid. Ved inaktivt stadie er GDP (guanosin difosfat) bundet. Alfa GDP betagamma komplekset er bundet til den rette GPCR dimer og dannet et inaktivt pentameric kompleks Ved aktivering med NT-molekyle katalyserer den metabotrope receptor udskiftningen af GDP med GTP hvorved alfa GTP dissocierer fra betagammakomplekset begge kan påvirke efterfølgende effektorer og starte en signaleringsvej. Signaleringen termineres når alfa subunitten hydrolyserer GTP komplekset samles igen. Alfasubunitten har en indre GTPase aktivitet og hydrolyserer sig selv efter nogle få sekunder. G-proteinerne: Molekylære switches, der modulerer postsynaptisk aktivitet på mange måder. Alfa-subunitten kan aktivere enzymer, der danner de sekundære messengers: o IP 3 frigiver Ca 2+ fra S/ER o DAG gater ionkanaler, stimulerer protein kinaser til at fosforylere målproteiner o camp og cgmp gater ionkanaler, stimulerer proteinkinaser til af fosforylere målproteiner Betagamma-subunitten kan direkte modulere: o Ca 2+ og K + kanaler Ophør af signalering: Dissociering af NT: 1. Når neurotransmitter dissocierer fra receptoren Desensitivering 2. Fosforylering af GPCR af G-proteinkoblet recepter kinase (GRK medlem af serin/threonin kinase familien) tillader binding af beta-arrestin til GPCR forhindrer kobling til G-proteiner. GPCR-Beta-arrestin komplekset kan hentes fra plasmamembranen for at muliggøre genbrug af GPCR. Hvis en receptor udsættes for en agonist gennem længere tid falder den konduktans = desensibilitering. GPCR-beta-arrestin komplekset har også en anden funktion: Det bundne beta-arrestin kan efterfølgende binde og aktivere kinaser fx ekstracellulær signalregulerede kinaser (ERK)

4 hvis efterfølgende signalering er G-protein afhængig. Gøre rede for opbygningen af den nikotinerge acetylcholinreceptor. B: 186 Den nikotinerge acetylcholin receptor (nachr): Ionotrop Udtrykt ved den neuromuskulære endeplade (NMJ) Nonselektive kationkanal Aktiveres af acetylcholin eller nikotin Struktur: Består af 5 homologe subunits α, β, γ, δ, og ε hver nachr er en pentamer, der indeholder mindst to α-subunits i kombination med andre subunits Ved NMJ er kombinationen: 2α:β:γ:ε Hver subunit har 5 domæner der er spændt over membranen og udgør en pore - og et stort ekstracellulært domæne. Poren åbner, når de to alfasubunits binder et Ach molekyle samtidig. Acetylcholinesterase (AChE): Hydrolyserer Ach til acetat og cholin Højt koncentreret i den synaptiske kløft på cholinerge synapser inkl. NMJ Reducerer den ekstracellulære Ach-koncentration og hjælper derved med at terminere ACh s virkning. En Na + -koblet cotransporter henter cholin tilbage til den præsynaptiske nerveterminal hvor det bruges til gensyntese af Ach. Nogle paralytiske stoffer og toksiner agerer gennem interaktion med nachr eller AChE. Ekstra: Muskarinerg acetylcholin receptor (machr), G q : Metabotrop GPCR der medierer virkningen af Ach i CNS Der forekommer 5 subtyper: M 1 -M 5 machr er udtrykt af mange CNS neuroner og mange effektor celler fx hjerte-, glatmuskulatur, vaskulært endothel, exokrine kirtelceller. Mange af cellerne udtrykker to eller flere machr subtyper mangfoldig postsynaptisk repons Kan aktiveres af acethylcholin og muskarin Aktivering af machr i cellerne kan føre til: 1. Fosforinositid hydrolyse af IP 3 -aktiveret Ca 2+ frigivelse fra S/ER 2. Inhibering af adenylyl cyclase 3. Reduktion af camp niveau 4. Aktivering af Kir-channels (the inward retriefer K + channel større konduktans for influx af kalium) Aktivering af machr i CNS kan føre til: 1. Frigivelse af NT: ACh (gennem autoreceptorer), GABA og dopamin 2. Inhibering af visse nachr 3. De mange underliggende mekanismer inkluderer bl.a.: fosfoinositid kaskade, åbning af Kir kanaler, proteinkinase medieret modulering af N- og P/Q type spændingsstyrede Ca 2+ -kanaler machr modulerer sympatisk og parasympatisk ganglion-funktion ved at ændre den neuronale excitabilitet: parasympatisk effekt: 1. nedsætter hjertets frekvens 2. Kontraktion af blærer, luftveje, glat muskulatur 3. Endothel-medieret vasodilation og sekretion af væske og elektrolytter i spytkirtler

5 Gøre rede for neurotransmission i den neuromuskulære endeplade, og de vigtigste giftstoffer og sygdomme, der angriber denne synapse (kun dem, der blev gennemgået til forelæsningerne). B: (156?), 160, 188 NMJ er den store kemiske synapse mellem et spinal motorneuron og en skeletmuskelfiber. EPP: Depolariseringen på den postsynaptiske membran kaldes end-plate potential (EPP) og er er ofte stor nok til at nå tærskelværdien i skeletmuskelcellen. Den er karakteriseret ved at have en hurtig stigning, og et langsom eksponentielt fald. o Den hurtige stigning skyldes at ACh hurtigt diffunderer over den synaptiske kløft og aktiverer AChRs, der lader kationer strømme ind. o Det langsommere fald skyldes at kanalerne lukker langsomt dog hydrolyseres Ach hurtigt af acetylcholinesterase En depolarisering af membranen kan også forekomme spontant (frigivelse af 1 quantum ACh) og udløser et miniature end-plate potential MEPPs der er på ca. 0,4mV Struktur: Axonet fra motorneuronen kontakter muskelfiberende ved et område kaldet end plate (endeplade). Her forgrener axonet sig i synaptiske boutons, der er adskilt fra den postsynaptiske membran af en 100nm synaptisk kløft Hver bouton indeholder SV klumpet sammen omkring en aktiv zone - SV indeholder NT ACh. Hver aktiv zone ligger lige over en junctional fold der er en dyb invagination i muskelcellens membran, hvori der er en høj densitet af AChR (nachr) lokaliseret nær toppen af hver fold. Proces (neurotransmission): AP i det præsynaptiske neuron Depolarisering af præsynaptiske membran Frigivelse af ACh ACh diffunderer over den synaptiske kløft og binder til nachr på den postsynaptiske membran. Binding af to ACh-molekyler pr. receptor åbner kanalen og leder en indadgående strøm, hvorved den postsynaptiske membran depolariserer. Terminering: I hver NMJ er der en basement-membran der forankrer acetylcholinesterase, der hydrolyserer ACh og derved hjælper med at nedbryde ACh Giftstoffer, der blokkerer: Nogle stoffer og toksiner forårsager paralyse ved at binde til nachr og forhindre ACh i at binde. Curare (D-tubocurarin) o Et alkaloidt toxin fra barken på South American liana vine. o Har en lammende effekt da det er en kompetetiv inhibitor af nachrs og blokerer dem ved binding. α-bungarotoxin o Har en lammende effekt da det blokerer nachrs. Nikotin o Aktiverer nachr, der giver kramper. Sarin o Binder kovalent og irreversibelt til den katalytiske serin del af AChesterase, så man dør af kramper, der kvæler en.

6 Gøre rede for definitionen af en neurotransmitter. B: Neurotransmitter: Intracellulært messengermolekyle Syntetiseres i og frigives af præsynaptiske neuroner og har effekt for præsynaptiske neuroner/effetor celler mm. (Neurotransmittere, der er peptider syntetiseres i nisslsubstans i soma) Lagres i vesikler Tre kriterier for at et stof er en neurotransmitter: 1. Det er tilstede i neuroner 2. Det frigives som resultat af AP-aktivitet 3. Det aktiverer receptorer i den postsynaptiske celle Konventionelle Neurotransmittere: Oplagres i SV og frigives i quantal fashion af calciumafhængig exocytose Tre grupper: 1. ACh, Glutamat, (excitatorisk) GABA, Glycin (inhibitorisk) -og nogle puriner o Oplagres i 40nm elektrontætte SV o Frigives og fungerer på veldefinerede synapser med klassiske strukturer.

7 o o (Den synapsike kløft på 20-40nm som vi kender) Denne type synaptisk transmission kaldes wiring transmission Virker på metabotrope (G-koblede) og ionobotrobe (ligandgatede ionkanaler) 2. Biogene monoaminer o Serotonin, Histamin, dopamin, noradrenalin, adrenalin o Oplagres i små tætte core (elektron-opaque mindre tætte) SV (dia 40-70nm) o Frigives ved klassiske synapser hvor den postsynaptiske celle har en specialiseret densitet (fortætning overfor den aktive zone) o Frigives også ved en passant synapse hvor de præsynaptiske terminaler er simple SV-indeholdende varicositeter (forstørrelser) der forekommer langs axonet som de passerer postsynaptiske celler. (Nerveterminalen er en lang perlekæde) o Ved en passant synapser aktiverer den frigivede NT mange postsynaptiske celler = volumen transmission o Kun metabotrope 3. Neuropeptider o aminosyrer (rester) o Lagres i store tætte core vesikler ( nm i diameter) hvori monoaminer hyppigt coisoleres (cosequestered) o Disse synapser koncentreres i/ og frigives fra boutons ved klassiske synapser o Metabotrope og ionotrope Ikke-konventionelle Neurotransmittere: o Lagres ikke i synaptiske vesikler o Hydrofobe gasser og lipider o Disse lipidopløselige transmittere kan ikke lagres i SV da de har en lipidmembran. o Genereres i og frigives af et neuron. o Eksempler: o NT gasser: NO Carbon monooxid, CO o NT Lipider: Endocannabinoider Deres effekt efterligner i store træk psykogent maijuana Nævne to almindeligt forekommende excitatoriske neurotransmittere og to tilhørende ionotrope receptorer. F7 Excitatoriske ved ionotrope receptorer: Glutamatreceptorer o NMDAR Langsommere non-selektiv kationkanal meget permeabel for Ca ++, men blokeres af extracellulær Mg ++ Ionotrop glutamatreceptor i CNS Mg++ blokkerer almindeligvis kanalen Depolarisering får mg++ til af diffundere ud af kanalen og natrium og calcium kan strømme ind Calcium aktiverer nedstrøms calciumafhængige signaleringskaskader o AMPAR hurtig monovalent kation-selektiv (Ikke permeable for Ca ++ ) Ionotrop Glutamatreceptor i CNS Fast gating kun åben i ganske kort tid

8 Acetylcholin (muskarinerge, nikotinerge) o Nikotinerg, nachr Ionkanal To alfa subunit + 3 andre To Ach molekyler skal binde åbner ionkanal lukker natrium ind (er permeable for både Natrium og kalium men lukker i starten af sin åbningstid kun natrium igennem. Dette skyldes at lige når receptoren åbner er membranpotentialet tættere på Ek derfor har natrium en større gradient for at løbe ind. Senere vil kalium løbe ind.) Sidder ved NMJ o Muskarinerg, machr GPCR Primær Ach-receptor i CNS vigtig i parasympatisk respons Findes i hele kroppen Modulatoriske ved metabotrobe: Noradrenalin Dopamin Serotonin Histamin Acetylcholin Nævne to almindeligt forekommende inhibitoriske neurotransmittere og to tilhørende ionotrope receptorer. F7 Inhibitoriske ved ionotrope receptorer: GABA (interneuroner i hjernen) o GABA A R en Cl - kanal der aktiveres ved binding af to GABA eller benzodiazepiner o GABA C R en metabotrop (GPCR) recepter der aktiveres ved binding af GABA og stimulerer en signalvej med fosforlipase C og adenylyl cyclase, der åbner K + kanaler og inhiberer Ca ++ kanaler, der begge medvirker til en inhibitorisk respons i neuronet. De sidder ofte på den præsynaptiske terminal hvor deres aktivering inhiberer frigivelsen af transmitterstof. Permeable for klorid Glycin (i rygmarven) o Glycin receptorer (GlyRs) er en Cl - kanal der kræver binding af 3 glycin. OBS: GABA A R og GlyR er begge klorid kanaler, der medfører hyperpolarisering på -80mV ved åbning. GABA og glycin er inhibitoriske NT i CNS. Definere excitatorisk og inhibitorisk neurotransmission F7 Definitioner: Excitatorisk: En neurotransmitter er excitatorisk (stimulerende),hvis den øger sandsynligheden for, at det postsynaptiske neuron fyrer et aktionspotential. Mekanisme: Vendepotential > tærskel E rev er positiv i forhold til AP-tærsklen (i nachr ca. 0mV) et neuron har et

9 hvilemembranpotentiale på -70mV og går vi mod 0mV vil vi på et tidspunkt nå en tærskelværdi der kommer et AP pga. depolarisering Inhibitorisk: En neurotransmitter er inhibitorisk (hæmmende), hvis den nedsætter sandsynligheden for, at det postsynaptiske neuron fyrer et aktionspotential. Mekanisme: Vendepotential < tærskel E rev er negativ i forhold til AP-tærsklen (GABA A R (kloridkanal) ca. -80mV) det vil give en hyperpolarisering hvis cellen har et hvilemembranpotentiale på -70mV og vi går mod -80mV. Neuronet bliver holdt under tærskelværdien. Erev: En receptors ligevægtspotentiale. Det membranpotentiale som en receptor vil få et membranpotentiale til at gå imod. Gøre rede for mekanismen bag excitatorisk neurotransmission. B: Excitatorisk synapse: aktiveringen af synapsen øger sandsynligheden for at den postsynaptiske celle vil generere et AP. Neurotransmitterne, der skaber denne ændring i excitabilitet gør det ved at åbne eller lukke ionkanaler øge eller mindske membrankonduktansen. Excitatorisk Neurotransmission Proces: (er lige her beskrevet for hele NMJ) AP i den præsynaptike membran aktivering af spændingsfølsomme calciumkanaler Ca 2+ løber ind SV-priming og frigivelse af ACh (eller andet NT), der diffunderer over den synaptiske kløft og binder til nachr åbning af nachr kanaler, der er permeable for kalium og natrium Ioner løber ind (mest natrium) depolarisering af den postsynaptiske membran åbning af spændingsafhængige natriumkanaler muskelkontraktion Når en nachr åbner nær hvile Vm vil en indadgående strøm løbe gennem kanalen. Den makroskopiske (hele cellen) indadgående strøm af kalium- og natriumioner kaldes endplate current (EPC) og får membranen til at depolarisere EPP endplate potential. o At lige netop Na + og K + er ansvarlig kan bestemmes ved at undersøge hvordan EPC ændres i forhold til ændringer i Vm. o Hvis Vm er negativt vil ioner løbe ind i cellen, hvis Vm er positivt vil ionerne løbe ud af cellen, og hvis Vm er 0 vil der ikke være nogen strøm (EPC). Ved Vm=-40mV vil EPC ikke være så stor. Ved Vm=-80 er EPC stor, pga. den elektriske drivkraft et større. o Lige netop den Vm hvor EPC går fra at være indadrettet til udadrettet kaldes E rev. o Hvis ion flowet udelukkende var af Na + ville E rev være lig med ligevægtspotentialet af Na + (E + Na ). o Når kanalen åbner ved hvilemembranpotentialet er strømmen indadrettet og bæres af Na + for Vm er så tæt på E + K at der ingen K + strøm er, når V m så ændres af Na + influx, begynder K + at strømme ud (aktionspotentialet). At E rev ligger over tærskelværdien betyder, at man vil få en depolarisering, der er stor nok til at udløse et aktionspotentiale og dermed få en excitatorisk respons kaldet EPSP (exitatorisk postsynaptisk potential) Generelt gælder det for alle excitatoriske synapser, at E rev er mere positivt end APtærskelværdien, som er ca. -55mV. Således vil aktivering af excitatoriske synapser forårsage en indadgående strøm. Denne strøm bringer Vm tættere på AP tærskeværdien og er derfor depolariserende og excitatorisk.

10 Gøre rede for mekanismen bag inhibitorisk neurotransmission. B: Definere og bruge begreberne excitatorisk postsynaptisk potential (EPSP) og inhibitorisk postsynaptisk potential (IPSP). B: 194 og 196 Inhibitorisk synapse: aktiveringen af synapsen mindsker sandsynligheden for at den postsynaptiske celle vil generere et AP. Neurotransmitterne, der skaber denne ændring i excitabilitet gør det ved at åbne eller lukke ionkanaler øge eller mindske membrankonduktansen. Inhibitorisk Neurotransmission Et præsynaptisk aktionspotentiale Ca ++ ind GABA eller glycin ud At E Cl - og dermed E rev ligger under tærskelværdien betyder at V m sænkes (hyperpolariseres) og det bliver derfor sværere at nå tærskelværdien og man får dermed en inhibitorisk respons kaldet IPSP (inhibitorisk postsynaptisk potential). Generelt gælder det for alle inhibitoriske synapser, at E rev er mere negativ end APtærskelværdien, (-55mV.) GABA og glycin er de vigtigste inhibitoriske NT i CNS begge binder til ionotrope receptorer, der leder Cl - Den synaptiske strøm ledet af GABA A R eller GlyR har en E rev tæt på E cl (clorids ligevægtspotentiale) Kanalen er permeable for Cl - Fordi E cl ofte er mere negativ end hvilemembranpotentialet, inducerer aktiveringen af GABA A R og GlyR en udadgående inhibitorisk postsynaptisk strøm (IPSC) over tid skaber IPSC en hyperpolarisering i den postsynaptiske celle --> et inhibitorisk postsynaptisk potentiale (IPSP). Denne hyperpolarisering bevæger Vm væk fra tærskelværdien (-55mV) og er derfor inhibitorisk. De inhibitoriske synapser behøver ikke altid at danne en hyperpolarisering. De åbne cloridkanaler opretholder Vm ved E cl hvilket kan være mere negativt, det samme som, eller mere positiv end hvilepotentialet dog: så længe E Cl er mere negativ end AP tærskelværdien, vil de åbne cloridkanaler udøve en inhibitorisk effekt. Excitatorisk postsynaptisk potential (EPSP) er den depolarisering af den postsynaptiske membran, der fremkommer fra frigivelsen af excitatoriske neurotransmittere. Inhibitorisk postsynaptisk potential (IPSP) er den lille hyperpolarisering af den postsynaptiske membran, der fremkommer fra frigivelsen af inhibitoriske neurotransmittere. Det er summen af EPSP og IPSP, der bestemmer om tærskelværdien nås, og dermed om et AP udløses. Gøre rede for spatial og temporal summation af EPSP er. F7: slide 14 og B: Summation: Temporal summation o Subliminalt stimuli efterlader membranen hyperexcitabel ca. 1 ms efter o Flere AP kan adderes/summeres til hinanden o Afhænger af tidskonstanten, tau (som skal være stor) Spartial summation o To eller flere stimuli summeres o Størrelse af summeringen afhænger af lambda og størrelsen af de individuelle stimuli o Flere AP på samme tid adderes/ summeres Generelt: Den neuronale membran summerer eller integrerer synaptiske inputs over rum og tid. Denne summation er påvirket af to passive membran egenskaber: o Længdekonstanten (lambda) Bestemmer afstanden over hvilken et

11 subtærskelværdis ændring Vm kan spredes passivt. o Tidskonstanten (T m ) Billede A: Et aktionspotentiale affyres fra det præsynaptiske neuron, og giver anledning til, at man kan måle ét EPSP (exitatorisk postsynpatisk potential) på det post synaptiske neuron. Det ses også at størrelsen på EPSP ikke er stor nok til at komme over tærskelværdien og starte en depolarisering i den postsynaptiske celle. Billede B - Spatial summation Hvis de to excitatoriske synapser på forskellige lokalisationer på det postsynaptiske neuron aktiveres samtidig vil den samlede effekt af deres depolarisering på hvilken som helt lokalisation (inkl. Hillock) blive bestemt ved spartial summation. Spartial summation er påvirket af længdekonstanten: o Stor længdekonstant imputs fra fjerne synapser kan summere effektivt o Lille længdekonstant fjerne inputs vil blive svækket og summere dårligt. Den summation, der opnås som følge af, at flere præsynaptiske neuroner affyrer aktionspotentialer på én postsynaptisk neuron. Her ses det, at dette giver anledning til, at det EPSP, der kan måles på det postsynaptiske neuron har en større amplitude end de individuelle aktionspotentialer har, der er altså sket én samlet summation og tærskelværdien nås således. Da der er tale om flere synapser forskellige steder på samme, postsynaptiske neuron spiller dennes længdekonstant ind, hvor en høj længdekonstant betyder at summationen er effektiv, og en lille betyder at summationen er ineffektiv Billede C - Temporal summation Den summation der opnås som følge af flere aktionspotentialer hurtigt efter hinanden fra det samme præsynaptiske neuron til ét postsynaptisk neuron. Påvirkes af tidskonstanten T m, der afgør den temporale udholdenhed af subtærskelværdi ændring i Vm. o Stor T m Synaptisk respons vil vare længere og være i stand til at summere med senere synaptiske inputs og derved generere et større respons. Her ses det, at amplituden på det EPSP, der kan måles på det postsynaptiske neuron trinvis når en amplitude, der er høj nok til nå over tærskelværdien, amplituden er dog lidt mindre end ved spatial summation da tidkonstanten her spiller en rolle. Jo større tidskonstanten er, jo længere kan der gå mellem aktionspotentialerne fra den præsynaptiske membran, og jo tættere de ligger, jo højere bliver amplituden på EPSP fordi der ikke er tid nok til at neuronet afflades (husk på den har funktion som en kapacitator)

12 Gøre rede for summation mellem EPSP er og IPSP er. F7: slide 15 Hvis et IPSP falder sammen med et EPSP i den postsynaptiske celle, vil EPSP ets amplitude blive reduceret. På ovenstående billede modtager det postsynaptiske neuron tre signaler to excitatoriske og et inhibitorisk. Når de to typer af signaler kombineres, er det den totale sum, der bestemmer om der udløses et EPSP eller IPSP Forklaring af tabel: EPSP( synapse E1 eller E2): Her ses det lille EPSP, der fremkommer hvis der kun kommer ét excitatorisk signal Summerede EPSP er (synapser E1 + E2): her ses den spatiale summation, der fremkommer, når det postsynaptiske neuron modtager to excitatoriske signaler IPSP (Synapse I): Her ses det lille IPSP, der fremkommer når der kommer ét inhibitorisk signal. Ved to inhibitoriske, ville der ses en summation af disse. Summerede EPSP + IPSP (synapser E1 + I): Her ses summationen af et excitatorisk og inhibitorisk signal. Der ses et meget lille EPSP og det er fordi amplituden af det excitatoriske signal er lidt større end det for det inhibitoriske. Summerede EPSP + IPSP (synapser E1 + I + E2): Her ses, at det resulterende EPSP er højere end i 4. fordi der nu er mere, der taler for en excitatoriske (EPSP) respons.

13 Gøre rede for indflydelsen af en synapses position på synapsestyrken. F7: slide 16 Jo tættere synapsen sidder på axon hillock, des større er det resulterende EPSP hvilket skyldes neuronets længdekonstant, der fortæller noget om hvor langt et local respons kan brede sig. Derfor gælder det også at jo tættere synapsen sidder på axon hillock des mindre afstand er der til de spændingsfølsomme Na + kanaler, der skal mediere signalet langs axonet jo større er sandsynligheden for, at der fyrres et aktionspotentiale. Gøre rede for at den synaptiske transmission er stokastisk. F8: slide 3 og 11 B: Miniature Endplate Potentialer (MEPPs) Hvis man måler på en muskelfiber hvor den innerverende nerve er inaktiveret og dermed ikke kan fyre aktionspotentialer, vil man alligevel kunne måle små membranpotentialer, disse kaldes miniature endplate potentialer (MEPPs) Små spontane depolariseringer af muskelcellen selv ved fraværelse af præsynaptiske AP er. Disse spontane depolariseringer har mange fællestræk med EPPs De er identiske i tid og forløb med en hurtig stigende fase og en langsommere ekspotentielt aftagende fase - men er dog mindre. MEPPs er størst hvis de måles ved musklens endplate. De har en størrelse på omkring 0,4mV ca gange større end depolariseringen, der opstår ved åbning af en enkelt nachr. Da to molekyler af Ach kræves for at åbne kanalen, og ikke al den frigivne ACh binder til postsynaptiske receptorer, skal hver quantum indeholde mere end 4000 molekyler ACh (NT frigives i pakker kaldet quanta) MEPP fra ufsas kursus: Den depolarisering/hyperpolarisering, der sker på baggrund af frigivelse af kun Én SV! Er 0,4mV kan ikke være mindre, men kan ganges op afhængig af hvor mange vesikler, der frigives. Bevis for, at NT frigives i quantum. Stokastisk transmission: At noget er stokastisk betyder, at man ikke kan forudsige hvad der sker, og det er det, der sker når et aktionspotentiale når den præsynaptiske membran nogen gange frigives der vesikler med transmitterstof, og andre gange gør der ikke også selvom der er sendt et aktionspotentiale (se billedet) Billedet viser også at amplituden er forskellig, og dette afhænger af hvor mange vesikler, og dermed quanta transmitterstof, der er frigivet.

14 Når aktionspotentiale når den præsynaptiske membran og aktiverer influx af Ca ++ gennem de spændingsgatede Ca ++ kanaler, giver dette anledning til dannelse af såkaldte calcium nanodomæner, der er et udtryk for den enorme koncentrationsstigning af Ca ++, der sker lokalt omkring kanalerne. Disse nanodomæner af Ca ++ er meget små og meget kortvarige, det er derfor ikke sikkert, at der nås at frigives vesikler med neurotransmitter, og derfor er den synaptiske transmission stokastisk. At det alligevel altid sker i den neuromuskulære junction er fordi der her er så mange synapser at det ikke betyder noget om én af synapserne ender i en faliure. Gøre rede for funktionen (i store træk) af SNAREkomplekset og synaptotagmin. B: F8: slide 8 og 10 En synaptisk vesikel fyldes med transmitterstof ved sekundær aktiv transport der afhænger af at V-ATPase pumper H + ind i vesikel lumen, som så kan løbe ud i cytosol koblet til transporten af transmitterstof ind i vesiklen.

15 Proces: 1. Den fyldte vesikel diffunderer mod den aktive zone området lige over PM og docker. 2. (Øverste billede) Docket vesikel binder til den aktive zone via interaktioner mellem proteinerne Rab og det Rab3-interagerende molekyle Rim, der sidder hhv. På SV og i den aktive zone. 3. Munc18-1 er et aktivt-zone-protein der danner kompleks med syntaxin SV-priming for exocytose foregår gennem formationen af et kompleks mellem SNARE proteiner på SV (Synaptobrevin/ VAMP) og i den aktive zone af PM (SNAP-25 og syntaxin-1) Munc18-1 skifter fra kun at interagere med syntaxin til også at interagere med SNAREkomplekset. Hvert SNARE motif/motiv er en specifik aminosyre sekvens der adopterer en alfahelix-konformation. Synaptobrevin og syntaxin-1 har hver et enkelt SNARE motiv mens SNAP-25 og har to. Når de 3 SNARE interagerer opstiller deres motif sig således at de danner et 4- helixbundt, hvilket er essentielt for stabiliteten af corekomplekset. 4. SV membranen og PM trækkes til en ekstremt tæt position og bliver primed til Ca 2+ udløst membranfussion og exocytose. 5. Efter priming kan Ca 2+ binde til synaptotagmin og udløse fussion af SV til PM, med dannelse af en fussions pore åbning hvorigennem neurotransmittermolekyler frigives ind til den synaptiske kløft. (billedet i bunden) Synaptotagmin fungerer som en Ca 2+ sensor. Et N-terminalt transmembrant domæne forankrer synaptotagmin i SV membranen hvor to C-terminale C 2 - domæner fungerer som Ca 2+ -bindingssites. I den aktiv zone forekommer der spændingsstyrede calciumkanaler (tæt på den primede vesikel). Når AP depolariserer nerveterminalen åbner kanalerne Dette medfører en influx af calcium, der skaber et mikrodomæne af meget høj calciumkoncentration, som udvikles nær den primede SV. Den høje [Ca 2+ ] gør det muligt for synaptotagmin på SV at binde til mange Ca 2+ ioner hvormed synaptotagmins C 2-domæner bliver aktiveret og undergår en tofolds konformation: o Med det allerede dannede SNARE-kompleks o Med fosforlipider i PM

16 Denne interaktion destabiliserer junctons mellem SV og PM, hvilket udløser fusion mellem deres membraner åbner en fussions-pore. 6. Efter fussions-pore åbningen binder SNAPs, NSF (N-ethylmaleimide-sensitive faktorer) og ATPase til SNARE-komplekset og adskiller det en proces, der kræver ATP hydrolyse. SV frigøres ved endocytose og han blive recycled. Kort sagt: Synaptobrevin er SNARE på SV (en alfahelix) og syntaxsin (en alfahelix) og SNAP-25 (to alfahelix) er SNARE på PM. de danner en 4alfahelix og primer SV og PM. Binding af calcium (fra mikrodomænet skabet af VGCC) til synatotagmin destabiliserer membranerne som så fussionerer (synaptotagmin undergår en tofolds konformationsændring med SNARE-komplekset og fosforlipider i PM hvilket er grundet til destabilisering). Der danens en fussionspore og NT exocyteres. SNAPs og NSF binder til SNARE-komplekset og adskiller det ved brug af ATP. SV frigøres ved endocytose og genbruges. Stoffer, der blokkere NT frigivelse: BoTox En zinkprotease, der kan kløve alle SNARE-proteiner (afhængig af botoxtype) i NMJ. Tetanustoxin kløver synaptobrevin i inhibitoriske Synapser i medulla spinalis og forårsager stivkrampe. Alfa-LTX (gift fra sort enke) danner calcium permeable porer i nerveterminaler og endokrine celler der vil være en kontinuerlig frigivelse af NT Genbrug af vesikel: 1. Kiss-and-stay - vesiklen forbliver docket mens den fyldes igen. 2. Kiss-and-run - vesiklen undocker og genoptager transmitterstof 3. Endosomal genbrug - vesiklen undocker vha. clathrin og enten går gennem endosomet eller går direkte til reservepuljen og genopfyldes. (clathrin) - Se side 173 eller andre læringsmål for flere detaljer. o Kort om vesikler: Ydre Ø: 40nm, Indre Ø: 30nm, Membran består af dobbeltlipidlag 5nm Transport af NT ind i SV afhænger af en protons elektrokemiske gradient, der drives af en protonpumpe kendt som V-ATPase. o V-ATPase kobler hydrolysen af 1 ATP til transporten af op til 4 H + ioner ind i lumen af SV den luminale H + koncentration stiger og genererer et lumenpositiv membranpotentiale. Sekundær aktiv transport kobler den nedadgående bevægelse af H + (fra SV ud i cytosol) til optagelsen af NT ind i SV lumen. SV lumen er mere surt end cytosol (forskel på ca. 1,5pH enheder) SV lumen er mere elektrisk positivt med 40mV til 70mV. SV indhold (NT) frigives på en alt-eller-intet metode quantum er begrebet, der bruges til at benævnte populationen af NT i vesiklen. Gøre rede for, hvordan en (elektrisk eller kemisk) synapses styrke kan ændres. F8: slide 13 ( men de uddybes i senere læringsmål) Kemisk synapse 1. Øge antallet af Ca 2+ kanaler mere calcium kommer ind og flere vesikler med transmitterstof frigives, hvormed depolariseringen af det postsynaptiske neuron bliver større. 2. Forlængelse af AP mere tid til at mere Ca 2+ kan strømme ind. 3. Flere primede vesikler eller rykke vesiklerne tættere på VGCC således de ligger klar med transmitterstof. 4. Mere NT pr. vesikel øger den quantum af NT, der frigives. 5. Forsinke NT-genoptag øger koncentrationen af NT i den synaptiske kløft hvormed aktiveringen af receptorerne på den postsynaptiske membran forlænges og mere Na + vil strømme ind. 6. Flere receptorer på den postsynaptiske membran vil lade mere Na + komme ind i

17 neuronet og depolariseringen bliver dermed større. Denne benytter cellen sig af (se de næste læringsmål) Definere Long-Term Potentiation (LTP) og gøre rede for mekanismen herfor, herunder betydningen af NMDAreceptoren og calcium. F8 slide 18 B: Elektrisk synapse: 1. Øge/ mindste antallet af åbne gap juncitons. Long-Term Potentiation (LTP) Længerevarende stigning i virkningen af transmission ved excitatoriske synapser. (Aktivitets-afhængig stigning) LTP kan vare dage til uger (måske længere) LTP ses sekunder efter stimulering og må derfor involvere aktivering af cellulære signalveje der arbejder på en kort tidsskala. betyder at amplituden på EPSP bliver højere trods størrelse af det excitatoriske signal (mængden af frigivet transmitterstof) ikke øges. LTP opnås ved højfrekvens stimulation på 100Hz.

18 Proces: 1. Der stimuleres med en høj frekvens på 100Hz 2. Der frigives rigtig meget transmitterstof (glutamat) som binder til AMPA receptoren indadgående Natrium og kalium strøm og membranen depolariseres. 3. Depolarisering skubber den Mg 2+ ion ud, der blokerer NMDA kanalen, så der nu både kan strømme ioner ind af AMPAR der depolariserer cellen og medierer aktionspotentialet men nu kan der også strømme Ca ++ ind gennem NMDAR 4. Ca ++ aktiverer CaM (calmodulin) der igen binder til og aktivere en Ca ++ afhængig protein kinase II (CaMKII) der kan gøre to ting fosforylere AMPAR hvilket øger deres konduktivitet og dermed at EPSP bliver lidt større ikke så vigtig CaMKII aktivering medfører at flere AMPAR receptorer indsættes i den postsynaptiske densitet, og når der indsættes flere receptorer stiger mængden af ioner der kan komme ind og EPSC (excitatorisk postsynaptisk current) stiger dermed, og jo flere ioner der kommer ind, jo mere depolariseres membranen og jo større bliver EPSP så. 5. Mekanismen bag vedligeholdelsen af LTP er ukendt men CaMKII spiller en rolle ved at regulere transskription og translation af proteiner, der har betydning for vedligeholdelsen. Efter den høj frekvente stimulering, der har betydet et flere AMPA receptorer indsættes vil man se et større EPSP selvom det excitatoriske aktionspotentiale ikke ændres og der frigives samme mængde glutamat. Definere Long-Term Depression (LTD) og gøre rede for mekanismen herfor, herunder betydningen af NMDAreceptoren og calcium. F8 B: Long-Term depression (LTD) Long-term depression (LTD) er det modsatte af LTP, og resulterer i at det resulterende EPSP bliver mindre selvom frigivelsen af transmitterstof er den samme. Det opnås ved lav-frekvens stimulering (0,5-5 Hz) Forlænget svag (0,5-5Hz) stimulering af neurotransmission ved excitatoriske synapser i CA1-regionen af hippocampus kan udløse længerevarende formindskelse i virkningen af transmission. (aktivitets-afhængig formindskelse) Varer dage til uger.

19 Proces: 1. Som ved LTP frigives glutamat, som binder til AMPA receptoren og membranen depolariseres. 2. Depolarisering skubber den Mg 2+ ion ud, der blokerer NMDA kanalen, så der nu både kan strømme ioner ind af AMPA der depolariserer cellen og medierer aktionspotentialet, men nu kan der også strømme Ca ++ ind gennem NMDA. 3. Ca ++ aktiverer CaM (calmodulin), der nu binder sig til og aktiverer fosfatasen calcineurin, der ved defosforylering af PP1-inhibitoren, aktiverer endnu en anden fosfatase PP1. 4. PP1 kan defosforylere AMPA receptorer på ser-831 hvis fosforylering af PKA er vigtig for retention ved synapsen - hvilket betyder, at de fjernes fra den postsynaptiske membran ved endocytose, der aktiveres af calcineurin. 5. Aktiveres calcineurin aktiverer, ligesom ved CaMKII, transskription og translation af betydning for vedligeholdelsen. Når der fjernes AMPA receptorer fra den postsynaptiske membran kan neuronet ikke depolariseres lige så meget som før, fordi der ikke kan strømme samme EPSC (excitatorisk postsynaptisk current) som så ikke kan generere EPSP af samme størrelse som hvis der ikke var blevet fjernet AMPA receptorer. Længerevarende opretholdelse af LTD kræver translation af eksisterende mrna til nysyntetiserede proteiner, men ikke ny transskription samt intakt funktion af proteasomet. Forskelle og ligheder mellem LTP og LTD: Begge kræver aktivering af CaM gennem NMDAR-afhængig stigning i [Ca 2+ ] o Ca 2+ /CaM aktiverer CaMKII i forbindelse med LTP o Ca 2+ /CaM aktiverer calcineurin i forbindelse med LTD LTP induceres af højfrekvens stimulering og den hurtigt gentagede calciuminflux gennem NMDAR ophobes i det postsynaptiske neuron et robust og opretholdt stigning i den indre calciumkoncentration. LTD induceres af lavfrekvens stimulering calciuminflux er separeret over tid hvilket fører til en svag men længerevarende stigning i den indre calciumkoncentration og det postsynaptiske neuron. Forskelle/ Ca++/Cam Frekvens [ca++]i AMPAR EPSP ligheder aktiverer: LTD Calcineurin Lav: 0,5-5Hz Separeret over Fjernes ved Mindskes tid svag, længere varende stigning defosforylering fra PP1 LTP CamKII Høj: 100Hx Hurtigt gentaget ca++influx robust, opretholdt stigning Tilføjes af CamKII Øges

20 MEPP: Den depolarisering/hyperpolarisering der sker på baggrund af frigivelse af kun Én SV! Er 0,4mV kan ikke være mindre, men kan ganges op afhængig af hvor mange vesikler, der frigives. Bevis af at NT frigives i quantum. Konventionelle NT: Oplagres i synaptiske vesikler Gruppe 1: ACh, glutamat (exitatoriske) og glycin, GABA (inhibitoriske) Frigives i klassiske synapser Gruppe 2: Biogene monoaminer: Serotonin, dopamin, adrenalin, noradrenalin, histamin Klassiske synapser eller enpassant (en passant ses bl.a. omkring glatte muskelceller. Gruppe 3: Peptidtransmittere Dannes i rer, oplagres i store SV og fragtes til bouton. Klassiske synapser og på punkter langs axoner (AP-bursts) bliver spyttet ud under fragt. Uknventionelle: Hydrofobe, oplagres ikke i SV NO (og dens virkning på glatte muskelceller) CO Kan normalt give forgiftning, Lipider Endocannabinoider, 2-AG GABAaR og GlyR er begge klorid kanaler der medfører hyperpolarisering på -80mV ved åbning. GABA og glycin er inhibitoriske NT i CNS.