Nevrotransmittere. Grunnleggende om nervesystemet. Clive Bramham. Nevronal cellebiologi. Membranpotensialet. Aksjonspotentialet. Synapsepotensialet

Transkript

1 Grunnleggende om nervesystemet Nevronal cellebiologi Membranpotensialet Aksjonspotentialet Synapsepotensialet Nevrotransmittere Gliaceller Synaptisk plastisitet 1 Nevrotransmittere Clive Bramham 2 1

2 Basal medisinsk nevrobiologi Underviser: Clive BRAMHAM Synapser (Kap 4, ss 67-75) må leses først. 1) Nevrotransmittersystemer: Kap. 5 Kap 9, s ) Glia: Kap. 2. 3) Synaptisk plastisitet: Kap. 4, s , Kap 9. s 154. Kap 32. s 502, og støtteark. Nevrogenese og regenerasjon: Kap 11, s Læringsmål nevrotransmittere (NT) Klassifiseringen av nevrotransmittere (f.eks. aminosyrer, biogene aminer, nevropeptider, gasser) på grunnlag av kjemisk struktur, syntese, lagring, virkningsmekanisme, samt anatomiske og funksjonelle trekk. Klassifisering av transmitterreseptorer og hovedtrekkene for reseptorenes virkningsmekanimser (ionotrop, G-proteinkoblet, reseptortyrosinkinaser). Transmittersubstanser: glutamat, GABA, acetylkolin, noradrenalin (NA), dopamin (DA), serotonin (5-HT), nevropeptider (BDNF, enkefalin) og nitrogenoksid (NO). Kjennskap ti anatomi (nervecelletype og baner), syntese, virkningsmekanisme og funksjon. 4 2

3 Forklar virkning av funksjon: 1) glutamat og GABA gir hhv raskt eksitasjon og hemming 2) Noradrenalin - modulerende transmitter. 3) Enkefalin og BDNF - nevropeptidtransmittere. Spatial og temporal summering av synaptiske potensialer (EPSP og IPSP) Skal kunne gjør rede for samspillet og interaksjoner mellom nevrotransmittere, for eksempel i forbindelse med langtidspotensiering (LTP). 5 Overordnet om nevrotransmittere (NT) NT er hovedansvarlig for kommunikasjon i CNS -sanser, motorikk, inforamsjonslagring, emosjoner, stemningsleie, søvn-våkenhet NT oppdeles i ulike klasser med ulik kjemi, anatomisk utbredelse, og funksjon NT påvirker membranpotensialet, AP fyringsfrekvens og mønster. NT påvirker intracellulære prosessor som genuttrykk og proteinsyntese 6 3

4 Nevrale nett Hjerneområder Enkelt nevron - egenskaper Atferd Gen og proteinuttrykk Synapser Nevrotransmittere 7 Nervecelle Nettverk av nerveceller Hjernen med sine: 100 milliardernerveceller (10 11 ) 100 trillioner synapser (10 14 ) 3.2 millioner km nervetråder (80 ganger rundt jordkloden) er det mest komplekse maskin som finnes i naturen, med et energibruk av bare 10 Watt. 8 4

5 Frigjøring av nevrotransmitter i synaptisk terminalen. 1. Synaptisk vesikkel spesialiset organelle for syntese, larging og frigjøring av transmitter. 2. AP depolariserer den presynaptisk membranen. 3. Docking av vesikkel ved presynaptisk membranen. 4. Depolarisering aktiverer Ca 2+ ionekanaler. 5. Åpning av vesikkel og frisetting av transmitter. 6. Diffusjon av transmitter over synaptisk spalte. 7. Aktivering av ligand-styrte ionekanaler (reseptorer) i den postsynaptisk membranen Generering av det postsynaptisk potensialet (depolarisering eller hyperpolarisering). 9. Overføring av det postynaptiske potensialet. 10. Innaktivering av transmittersubstans. 11. Inndragning av vesikkel-membranen (endocytose). 12. Syntese/re-opptakk av transmittersubstans i en rekonstituert vesikkel. 9 Kjemisk synaptisktransmisjon Syntese Lagring Frisetting Reseptor aktivering Transmitter inaktivering 10 5

6 Nevrotransmitter Definisjon Transmitteren lagres, som oftest i nerveterminalen. Tidstedeværelse av synteseapparat for transmitteren Transmitteren frisettes ved nevronalt stimulering. Tidstedeværelse av en reseptor. Farmakologisk blokade av reseptoren blokkerer virkningen av transmitteren. Tilførsel av transmitteren gir en fysiologisk respons. Tilstedeværelse av en inaktiveringsmekanisme for transmitteren (reopptak, degradering). 11 Inndeling av nevrotransmittere Klassiske NT er småmolekyler som: dannes i nerveterminalen vha enzymer lagres i små, klare vesikler inaktiveres ved reopptak 1. Aminosyre-transmittere (glutamat, GABA) 2. Aminer (Noradrenalin, serotonin, dopamin) 3. Acetylkolin Ikke-klassiske NT 1. Peptid-transmittere (nevrotrofiner, enkefaliner, m.fl.) 2. Gass-transmittere (nitrogenmonooksid, m.fl.) 12 6

7 Neurotransmittere Aminosyrer Glutamate γ-aminobutyric acid GABA Glycine Kolinester Biogeneaminer Epinephrine Norepinephrine Dopamine Serotonin Histamine 13 Histamine Serotonin 14 7

8 Presis, punkt-til-punkt Modulerende Volumtransmisjon 15 Aminosyre-transmittere Hovedansvarlig for eksitasjon (glutamat) og inhibisjon (GABA (γ-aminobutansyre)og glysin). - Lokal synaptisk virkning. - Punkt-til-punkt transmisjon. - Samhandling mellom eksitasjon og hemming

9 Projeksjons nevron -Langt akson/kobling mellom hjernerområder -Eksitasjon (glutamat) -Eksempel (pyramidecelle i cortex) Internevron - Kort akson/kobling lokalt - Inhibisjon (GABA) - Eksempel (basketcelle i cortex) Internevron (GABA) Pyramidecelle (Glu) 17 Glutamat Glutamat er hovedansvarlig for rask, eksitasjoni CNS. Brukes i projeksjonsnevroner(ikke internevroner). Syntese: Indirekte fra glukosegjennom Krebs syklus (transaminering av α-ketoglutarat) Enzym: aminotranferase Direkte fra glutamine (glutamat-glutamin krets) Enzym: glutaminase Lagring: små, klare vesikler. Lagres vha vessikel glutamat transportøren (VGluT) 18 9

10 Glutamat Inaktivering: Opptak vha glutamat transportører hovedsakelig i glia astrocytter, men også i nerveterminalen Glutamat omdannes til glutamin i glia celler, fraktes tilbake til nerveterminal, og blir omgjort igjen til glutamat (glutamat-glutamin syklus). 19 Glutamatreseptorer Ionotrope (iglur): AMPA-R. Ansvarlig for raske EPSPer. Natrium permeabel. AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) is a synthetic compound that is a specific agonist for the AMPA receptor. NMDA-R (N-metyl-D-aspartat). Ionekanelen er transmitter og spenningsstyrt. Kalsium permeabel. Viktig ved synaptisk plastisitet. Metabotrope (mglur): Gruppe 1. Postsynaptisk. Positiv G-protein kobling til fosfolipase C. Gruppe 2 & 3. Presynaptisk. Negativ G-protein kobling til adenylylsyklase. Autoreseptorer hemmer glutamat frisettning

11 Glutamat Presynaptisk terminal Glia Postsynaptisk Spina 21 SYNAPSE per nervecelle Nervecelle Dendritt Dendritt gren Dendritt Stamme Dendritt Spina Nerveende : Reseptor transmitter 22 11

12 Glutamatsynapser sett i elektronmikroskopisk snitt Nerveterminal med små, klare vesikler Dendritt spina med postsynaptisk fortettning Gliacelle (astrocytt) Postsynaptisk fortettning 23 Postsynaptic Density (PSD) Aktivering av NMDA-R krever: 1) Glutamat binding 2) membran depolarisering Kanalen er calsiumpermeabel. Funksjon: Ca 2+ er en second messenger. Ca2+ fremkaller en langvarig økning i synaptisk styrke. Fenomenet, som kalles langstidspotensiering (LTP), er et eksempel på synaptisk plastisitet

13 NMDA-R regulering 25 Glutamatreseptorer - postsynaptisk fortettning Synapsespalte PSD Små, klar vesikkler ved aktivsonen AMPAR NMDAR mglur 26 13

14 Postsynaptisk fortettning (postsynaptic density, PSD) Svært proteinkompleks (flere hundre ulike proteiner) -Signaltransduksjon i spina -Regulering av synapse størrelse og funksjon Feng and Zhang, Nature Rev. Neurosci., PSD består av: - NT reseptorer - adaptorproteiner som PSD-95 - små G-proteiner som Ras og Rap - enzymer som Ca2+/calmodulin-avhengig proteinkinase II - actin filamenter og assosierte proteiner - signaltransduksjon i spina - regulering av synapse størrelse og funksjon Feng and Zhang, Nature Rev. Neurosci.,

15 Glutamat: funksjon & klinikk Funksjon Hovedsystem system for presis prosessering av informasjon (sanser, motorikk, kognisjon). Synaptisk plastisitet og hukommelse. Klinikk veldig bredt og sammensatt Eksitotoksisitet (f.eks. ved epilepsi og ischemi) Psykiatri (schizofreni og depresjon) Alzheimers demens 29 Eksitotoksisitet (f.eks. ved epilepsi og ischemi) Dårlig blod/oksygen tilførsel. ATP tap og glutamat transporteren svekkes eller reversere i rettning, slik glutamat nivå i spalten blir vedvarende høy. Kraftig vedvarende influks av Ca2+ pga stor glutamat frisetting og aktivering av NMDAR. Ca2+ buffer-kapasitet intracellulært overskrides. Cytoplasmisk nivå av Ca2+ blir dermed alt for høy. Dette fører til patalogisk aktivering av en rekke enzymer bl.a. endonuclease, protease som fører til celleskade og celledød

16 GABA (γ-aminobutansyre) Hovedansvarlig for rask, punkt-til-punkt hemming (IPSP). Syntese: Indirekte fra glukose Direkte fra glutamat Glutamate GABA Glutamic acid decarboxylase Lagring: små, klare vesikler. 31 GABAreseptorer Located pre- and postsynaptic GABA a-receptor GABA-A= ionotrop. Vanligvis postsynaptisk. Klor permeabel. Gir rask hyperpolarisering. GABA-B= metabotrop. Pre-og postsynaptisk. G-protein kobling til kalium kanal. Gir sakte hyperpolarisering

17 GABA Inaktivering Opptak ved hjelp av GABA transportører (GAT) i glia og nerve terminaler Inaktiveres i mitokondria av enzymet GABA transaminase (GABA-T) 33 GABA Presynaptisk terminal Glia Postsynaptisk Nevron 34 17

18 GABA internevroner - Lokale inhibitoriske kretser Tilbakeførende hemming Fremoverførende hemming Stoffer som øker GABA-A Cl- kanal aktivitet - som øker IPSP Valium (Diazepam) Angstdempende middel (anxiolytikum), hypnotikum (før operasjon), og anti- epileptikum (ved status epilipticus). Valium er kjemisk i klassen benzodiazepin. Valium er en positive allosterisk modulator av GABA-A, som øker åpnings frekvens av Cl kanalen. Etanol også stimulerer åpning av kanalen. Mekanismen er ikke avklart. Barbiturat anestetika (som fenobarbital) forlenger åpningstiden for Cl kanalen 36 18

19 GABA synapse Nerveterminal Postsynaptisk membran (uten postsynaptisk fortettning) 37 GABA: funksjon & klinikk Funksjon Hovedsystem for presis hemming (IPSP). Hemmende kretser (tilbakeførende og fremoverførende). IPSP styrer nervecellens eksitabilitet. IPSP kan kortslutte (stoppe) EPSP i dendritter og hemme AP dannelse ved cellelegemet. Dannelse av rytmer (EEG) og synkronisering av nettverk Klinikk Epileptisk anfall synkron fyring (AP) i glutamaterge nevroner. Angst tilstander (valium) 38 19

20 Amin-transmittere (biogenic amines) Finnes i små grupper av nevroner eller kjerner Utbredt aksonnett påvirker mange hjerneområder Ekstrasynaptisk, volumtransmisjon (ikke punkt-til-punkt). Virker hovedsakelig gjennom G-proteinstyrte reseptorer

21 Presis, punkt-til-punkt Modulerende Volumtransmisjon 41 Syntese av DA og NA Fra aminosyren tyrosin DA Nigrostriatal bane Mesolimbisk Mesokortikal Dopamin (DA) NA Locus coeruleus Noradrenalin (NA) Katekolaminer: benzen med to hydroksylgrupper og en alifatiskamin sidegruppe 42 21

22 Syntese av serotonin (5-hydroksytryptamin, 5HT) Fra aminosyren tyrosin i n. raphe 43 Inaktivering av amin NT Enzymatisk Monoaminoksidase (MAO). Catechol-O-methyl transferase, COMT. Reopptak i terminalen DAT (dopamintransportør) NET (noradrenalintransportør) SERT (sertonintransportør) Diffusjon 44 22

23 Noradrenalin 45 Noradrenalin 46 23

24 Modulerende virkning. Lager ikke aksjonspotensialer selv, men påvirker effekten av glutamat og GABA. Kan regulere fyrings frekvens og mønster. Koordinerende, globale virkninger som ved regulering av oppmerksomhet og søvn-våkenhet. F.eks. alle amin-transmittere kan øke fyringsaktivitet ved å blokkerer en Ca2+-avhengig kalium konduktans. 47 Noradrenalin modulerer AP fyringsfrekvens - NA øker AP fyring tillater skur av AP - Skjer ved selektiv oppmerksomhet Glutamat- NMDAR - Kalsium influks - Ca2+/calmodulin Åpner SK-kalium kanal Dette hemmer AP. NA - beta1 reseptorer - Lukker SK kalium kanelen. Tillater AP. Glutamat Glutamat I dette forsøket ser vi at AP stopper opp selv om glutamat fremdeles er tilstede. Glutamat fører til kalsium influks (NMDAR bl.a), og kalsium åpner en spesiell type kaliumkanal (SK-kanal), hvilket bremser AP fyring. NA modulerer virkningen av glutamat. Tillater høyfrekvent AP ved selektiv oppmerksomhet. NA aktiverer beta1-adrenoceptorer som fører til lukking kaliumkanalen via aktivering av et ukjent G- protein signal. NA endrer modus operandi endre hjernens tidlstand! Høyfrekvent fyring av glutamaterge nevroner er viktig for plastisitet (langtidspotensiering)

25 Serotonin 49 Serotonerge fibre i neokorteks 50 25

26 Noradrenalin og Serotonin: funksjon & klinikk Funksjon Selektiv oppmerksomhet Stemningsleie Søvn-våkenhet Smerteregulering Autonom funksjoner Fødeinntak Klinikk Depresjon og angst Søvnforstyrrelser 51 Virkning av ulike antidepressiva 52 26

27 Dopaminerge baner og deres funksjon 53 Dopaminerge baner og deres funksjon 1) Motorisk kontroll (substantia nigra til striatum) Parkinsons sykdom nevrodegenerativ tilstand med svinn (død) av DA nevroner i substantia nigra. Symptom lindring med L-Dopa terapi. 2) Belønnings systemer (mesolimbisk; VTA til n.accumbens) Avhengighet av diverse slag (cocain, gambling). 3) Kognisjon (mesokortikal; VTA til Prefrontal korteks) Schizofreni (antipsykotika blokkerer DA-reseptorer) 54 27

28 Acetylkolin Første transmitter identifisert PNS og CNS Acetyl-CoA Kolin Syntese I terminalen ved hjelp av enzymet choline acetyltransferase (ChAT). Kolin acetyltransferase Acetylkolin 55 Acetylkolin Acetylcholine Enzymet acetylkolinesterase (AChE) omformer acetylkolin til inaktive metabolitter: kolin og acetat ACh hydrolysen skjer ekstracellulært. Kolin taes opp i terminal og brukes til nysyntese av Ach. Acetylcholin esterase Reuptake Acetate Choline 56 28

29 Acetylkolin 57 Acetylkolinreseptorer muskarin reseptoren (machr) er metabotrop. Mest utbredt reseptortype i hjernen. Nikotin reseptorer (nachr) er ionotrope. Permeable for natrium og kalium. Finnes ved skjellettmuskel, men også i CNS

30 Acetylkolin 59 Acetylkolin: funksjon & klinikk Funksjon Selektiv oppmerksomhet Synkronisering av nettverk (rytmer) Søvn-våkenhet Klinikk Alzheimers demens en aspekt av sykdomer er svinn av kolinerge nevroner i n.basalis.takrin kolinesterase hemmer ren symptomatisk terapi. Ikke behandling

31 Ikke-klassiske transmittere Peptid-transmittere (mer en 50 forskjellige) Syntetiserer i cellelegemet Dannes ved deling av større prekursorproteiner Lagres i "dense core" vesikler Volumtransmisjon. G-proteinkoblete reseptorer Ingen reopptak (inaktivering av peptidaser) Frisettes ved høyfrekvent fyring. Eksempler: nevrotrofiner som BDNF, enkefalin 61 Transmitter sameksistens Flere transmittere i samme nerveterminal Klassisk transmitter samlokalisert med en eller flere nevropeptider. Peptiden lagres i dense-core vesikler og frisettes maksimalt ved høyfrekventaktivitet Peptiden regulerer effekten av den klassiske transmitteren Eksempler Glutamat og opioide peptider (enkefaliner) Glutamat og BDNF Acetylkolin og vasoaktiv intestinal polypeptid (VIP) Noradrenalin og nevropeptid Y (NPY) 62 31

32 Nevropeptider (som enkefalin) frisettes ved høyfrekvente AP-fyring. Glutamat vesikkel Enkefalin i dense-core vesikkel 63 Glutamat og enkefalin i samme nerveterminal dvs coeksistens Glu frisettes alene (uten enkefalin) ved lavfrekvent AP i terminalen Glu og enkefalin frisettes begge ved høy-frekvent AP Enkefalin binder til mu opioidreseptorer på GABA internevronet, hvilket hyperpolariserer og hemmer internevronet Under normale forhold med lavfrekvent AP, vil aktivering av GABA internevronet medføre fremoverførende hemming. Men, enkefalin frisetting ved høyfrekvent fyring vil hemme internevronet, og vi får tap av inhibisjon (såkalt disinhibisjon) av pyramidecellen. Den økte depolariseringen av pyramidecellen vil kunne fremme EPSP summasjon på dendrittet, og dermed fremme LTP dannelse

33 Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) -syntese fra propeptid. -lagring i større vesikler (Dense core og andre) - pre og/eller postsynaptisk frisetting - aktiverer membran tyrosinkinase-reseptorer - inaktiveres enzymatisk, ved opptak, og ved diffusjon 65 BDNF-TrkB ved glutamat synapsen BDNF frisettes postsynaptisk ved NMDAR aktivering BDNF virker tilbake på TrkB reseptorer på spina. TrkB signaler påvirker genuttrykk NB! Synaptisk plastisitet Pre Post TrkB BDNF TrkB Glutamate A N iglurs

34 BDNF regulerer transkripsjon og proteinsyntese BDNF TrkB Trk receptor Translasjon nucleus Transkripsjon Gass-transmittere Syntese Nitrogenmonooksid (NO) NO syntase isoformer inos macrophage inducible, in microglia enos endothelial nnos neuronal 68 34

35 NO - egenskaper Ikke lagret i vesikler Ikke frisatt gjennom eksocytose Kalsium-avhengig produksjon (f.eks. Ved NMDAR aktivering) Postsynaptisk syntese (i dendrittet) Radial diffusjon fra syntesestedet Virker for eksempel på nerveterminalen NO active guanylyl cyclase cgmp Mulig retrograd budbringer ved LTP 69 35