Il neurone e la trasmissione delle informazioni: potenziale e sinapsi

Il Neurone e la Trasmissione di Informazioni

08/05/2023 25 1 Il neurone e la trasmissione di informazioni 2

NEURON

ONE WAY ONE WAY I neuroni sono cellule ECCITABILI cioè sono capaci di rispondere a stimoli ambientali variando la differenza del potenziale elettrico presente tra la superficie interna e quella esterna della membrana plasmatica

Potenziale a Riposo

La asimmetrica distribuzione di ioni carichi elettricamente è all'origine di una differenza di potenziale fra i due lati della membrana

Potenziale d'Azione

Il movimento di ioni Na+ e K+ attraverso specifici canali controlla il potenziale di azione nell'assone. -70mV + +30/35 mV 208/05/2023

Sinapsi: Giunzioni Specifiche

Gli assoni terminano con giunzioni specifiche dette sinapsi (o anche giunzioni citoneurali se l'elemento post-sinaptico non è un neurone). Elemento presinaptico Elemento postsinaptico Na+ Na+ ++ Informazione K+K+ K+ K+ Na+ Na+ +. Le sinapsi permettono la comunicazione fra neuroni e fra questi e le cellule effettrici. Pre-synapoio Connectne Connexion Presynapto membrane Nerve Gap junction 35m 20 mm Postsynaptic neuron Channel formed ow Dores m each membrane assonevescicole sinaptiche sinapsi neurone presinaptico neurone postsinaptico

Sinapsi Chimiche

• Sinapsi chimiche trasformano gli stimoli elettrici in chimici neuro trasmettitore dendriti 3

Sinapsi Elettriche

Electrical synapses Cell 1 Cell 2 Gap junction " Le membrane di cellule adiacenti sono collegate mediante giunzioni comunicanti (gap junctions). " I canali di connessione tra cellule adiacenti sono costituiti da coppie congiunte di emicanali detti connessoni, ognuno composto da 6 connessine disposte a cerchio intorno ad un asse centrale lungo il quale decorre il poro del canale Presynaptic- gjd2a/Cx35.5 gjd1a/Cx34.1 Postsynaptic " Le connessine possono ruotare in senso orario, modificando il lume del canale e quindi il suo grado di apertura. • Abbassamento del pH o incremento della concentrazione intracellulare di Ca2+ in una delle due cellule >modifica del canale. • I canali sono abbastanza ampi (circa 15 Å) da consentire il passaggio di tutti gli ioni inorganici. 4 • Spinapsi elettriche (giunzioni gap) - passano stimoli elettrici Postsynaptic08/05/2023

Caratteristiche delle Sinapsi Elettriche

• Permettono rapide comunicazioni tra cellule eccitabili adiacenti mage is prohibited
• Garantiscono la sincronizzazione dell'attività elettrica
• Non esistono sinapsi inibitorie: un potenziale d'azione in un neurone presinaptico scatena inevitabilmente un potenziale d'azione in un neurone postsinaptico
• Non permettono l'integrazione di più segnali sinaptici co send an E-mail to w.dla, please 100 nm Evidenziate in alcune regioni cerebrali (cervelletto, midollo spinale, talamo, ippocampo, bulbo olfattivo e retina). 5

Sinapsi Chimiche: Elementi e Meccanismi

elemento presinaptico vescicole sinaptiche elemento postsinaptico 608/05/2023

Elemento Presinaptico

Privo del citoscheletro dell'assone. • mitocondri vescicole sinaptiche (40-100 nm) con neurotrasmettitore pool di riserva (RP): destinato a sostituire le vescicole della zona attiva in seguito all'exocitosi. zona attiva (RRP): vescicole pronte a rilasciare il loro contenuto nella fessura sinaptica Copyright H. Jastrow 100 nm 7 • La zona attiva è costituita da proteine: • canale per il Ca2+ (V-dipendenti) " responsabili dei meccanismi di allineamento e di ancoraggio delle vescicole • integrali per la stabilizzazione della struttura (si proiettano verso l'esterno e interagiscono con proteine appartenenti alla membrana postsinaptica " di trasporto per il recupero delle molecole di neurotrasmettitore rilasciate nella fessura sinaptica (pompe di ricaptazione). Presynaptic neuron Synaptic vescicle Axon Terminal Neurotransmitters Voltage-gated Ca++ channels Neurotransmitter re-uptake pump Post-synaptic density Neurotransmitter receptors Synaptic 3 Cleft 00-80-00 Postsynaptic Neuron Dendritic Spine 808/05/2023

Zona Attiva della Membrana Presinaptica

Zona attiva della membrana presinaptica al TEM - materiale elettrondenso (densità presinaptica) uolie use of this image is prohibited Q & Photo: H. Jastrow For a licensed version send an E-mail to info@drjastrow.de, please Copyright H. Jastrow 100 nm 9

Fessura Sinaptica

- Fessura sinaptica • Sottile interstizio (25-30 nm) • Lungo la fessura è spesso apprezzabile materiale elettrondenso (proteine di adesione espresse dalle membrane di entrambi i terminali) > stabilizzazione meccanica della sinapsi. • Il fluido interstiziale è il mezzo attraverso cui diffonde il neurotrasmettitore 1008/05/2023

Terminale Post-Sinaptico

Microtubuli Canale attivato dal recettore " Assenza di vescicole di neurotrasmettitore. TERMINALE POST-SINAPTICO • Addensamento di materiale a ridosso della membrana (combacia in forma ed estensione con densità presinaptica) " Recettori per il neurotrasmettitore (canali ionici e/o altri complessi proteici) in grado di trasdurre il segnale • Proteine di adesione per stabilizzazione della sinapsi. Proteine citosoliche che costituiscono un'impalcatura tridimensionale (regolazione distanza e posizione dei recettori) 11 Publio use of this image is prohibited this hade's prohibited G & Photo: M. Jast For a licensed version sendan E mal. to Copyright H. Jastrow 100 nm Copyright H. Jastrow 100 nm 1208/05/2023

Meccanismo di Rilascio Vescicolare

Esocitosi Regolata

• Esocitosi regolata " Interazione tra proteine membrana vescicole, proteine membrana plasmatica e proteine citoplasmatiche. • Aumento di Ca2+ determina sia passaggio dal pool di riserva (RP) alla zona attiva (RRP) che l'esocitosi delle vescicole Canali per il Ca2+ attivati Cellula post-sinaptica 1 [Ca2+] Cellula pre-sinaptica Movimento del potenziale d'azione Reserve pool RRP • Ca2+ Vescicola contenente il neurotrasmettitore 13

Stadi Preparatori per la Liberazione del Neurotrasmettitore

La liberazione del neurotrasmettitore implica il passaggio delle vescicole sinaptiche attraverso una serie di stadi preparatori Accumulo dek neurotasmettitore Pool di deposito Rimozione della Clatrina Docking Priming Fusione Endocitosi Liberazione del ueurotrasmettilor

1. Liberazione vescicole legate al citoscheletro
2. Direzionamento ed ancoraggio alle zone attive (docking)
3. Predisposizione alla fusione (priming)
4. Fusione con la membrana pre- sinaptica
5. Recupero della membrana delle vescicole
6. Riformazione delle vescicole con il neuro trasmettitore 1408/05/2023

1. Liberazione dall'Interazione con il Citoscheletro

ADP ATP -COOH v-ATPasi H Filamento di actina Trasportatore vescicolare- sinapsina NH2 COOH COOH NH2 GTP NH_ 12 COOH Sinaptotagmina Sinaptobrevina L'ingresso di Ca2+ nel terminale presinaptico determina la fosforilazione della sinapsina ad opera di una chinasi Ca2+/calmodulina dipendente. Riduzione affinità sinapsina per actina-> distacco delle vescicole 15

2. Direzionamento alle Zone Attive

ADP ATP - COOH v-ATPasi Processo richiede proteine estrinseche della membrana vescicolare dette Rab3 (dotate di attività GTPasica) H Filamento- di actina Trasportatore vescicolare - Sinapsina Rab3 NH2 COOH COOH J NH_ GTP COOH Sinaptotagmina NH2 Sinaptobrevina Rab3-GTP contrassegna le vescicole che devono essere trasportate verso le zone attive e ne consente l'ancoraggio 16 Le vescicole del pool di riserva sono ancorate al citoscheletro di actina attraverso una proteine citoplasmatica (sinapsina) Rab3 NH2 12 NH08/05/2023

2- Ancoraggio ai Siti Attivi

vescicola V-SNARE Sinaptobrevina N 1 C N Sinaptotagmina N N C 42 SNAP-25 C t-SNARE Sintaxina Canale del Ca2+ Membrana presinaptica Il legame (e la successiva fusione delle vescicole sinaptiche alla membrana plasmatica) è legato alla famiglia delle proteine transmembrana SNARE e alla sinaptotagmina I V-SNARE: sinaptobrevina t-SNARE: SNAP25 e sintaxina L'interazione v-SNARE e t-SNARE assicura il corretto posizionamento delle vescicole vicino ai canali Ca2+ voltaggio-dipendenti. 17

3- Predisposizione alla Fusione - Priming

Contrazione proteine SNARE a partire dall'estremità N- terminale in direzione di quella C-terminale, con un reciproco avvolgimento a elica (modello a chiusura lampo). A 1 V-SNARE t-SNARE Sinaptobrevina (V-SNARE) 2 SNAP-25 t-SNARE Sintaxina Si genera una forza traente che porta la membrana vescicolare a contatto con la membrana presinaptica. 18 N Neurexina I08/05/2023

4- Fusione con la Membrana Presinaptica

Vescicola La fusione della vescicola con la membrana presinaptica è promossa dal legame del Ca2+ alla sinaptotagmina. Sinaptotagmina Sinaptohema Ingresso di Ca2+-> Ca2+/sinaptotagmina > cambiamento conformazione-> avvicinamento membrane. Legame sinaptotagmina con fosfolipidi di membrana > formazione poro si fusione. Ca' c d 19

5- Recupero della Membrana delle Vescicole

Endosoma • Processo mediato da clatrina. Dinamina " La membrana di origine vescicolare lega una proteine adattatrice (AP-2) in grado di legare la clatrina. "gemmazione" Sinapsina La clatrina determina l'incurvamento della membrana e la formazione di una struttura vescicolare rivestita. "gemmazione" "ancoraggio" "preparazione" "fusione" clatrina sinaptotagmina Ca2+ SNARE NSF SNAP 2008/05/2023

6- Riformazione delle Vescicole

Endosoma Dinamina , "gemmazione" Sinapsina "gemmazione' "ancoraggio" "preparazione" "fusione" clatrina sinaptotagmina Ca2+ NSF SNAP SNARE • Dinamina: si avvolge attorno al colletto della vescicola e ne provoca lo strozzamento e il distacco dalla membrana (GTP-dipendente). " La vescicola neoformata > pool di riserva . Durante questo processo viene anche riempita di neurotrasmettitore ad opera di specifici trasportatori vescicolari. 21 2208/05/2023

Omeostasi Vescicolare

Al di fuori della zona attiva (aree più periferiche del bottone sinaptico) ci sono vescicole rivestite di clatrina (endocitosi) Fusione incompleta dopo fusione delle membrane fuoriesce solo il neurotrasmettitore. La vescicola rimane intatta e pronta per essere "ricaricata" con una nuova quota di neurotrasmettitore. Nella zona attiva, sono talvolta osservabili cisterne di forma irregolare, non rivestite, impegnate in un recupero non specifico di membrana (necessario in seguito a intensa attività di scarica) 23

Destino dei Neurotrasmettitori

Simporto Na+/neurotrasmettitore Cellula presinaptica 1 I neurotrasmettitori possono rientrare nei terminali assonali per essere riutilizzati, oppure essere captati all'interno delle cellule gliali. Vescicola sinaptica Trasportatore vescicolare 3 Na NT 2 Na NT 2K . NT Na NT Na 1 H Sangue -Enzima 3 Alcuni neurotrasmettitori possono diffondere fuori dalla fessura sinaptica. Trasportatore di membrana Cellula postsinaptica 2 La RICAPTAZIONE viene operata da meccanismi di trasporto attivo gradiente elettrochimico del Na+, generato e mantenuto dalla Na+/K+ -ATPasi, per accumulare il neurotrasmettitore all'interno della terminazione presinaptica. 3 4 Pompa protonica 2 Alcuni neurotrasmettitori vengono inattivati da enzimi. Cellula gliale 24