NEVROTRANSMITTERE og deres mekanismer Notater til forelesning 30.08.2012, Stadium 1C Linda White Inst. for nevromedisin, NTNU
Studiehåndboken #4. Kjemi, biokjemi, farmakologi 4.1.1 angi de viktigste celletyper i hjernen og hvordan de påvirker transmitter syntesen. Forklare nevrotransmitternes virkningsmekanismer 2
Dagens temaer Nevrotransmittere og klassifiseringen Synthese, transport, frisetting og inaktivering av nevrotransmittere Makromolekyler i forbindelse med nevrotransmisjon Postsynaptisk binding og synaptisk plastisitet
Nevrotransmisjon En elektrofysiologisk prosess Benytter synapser (elektriske og kjemiske) De kjemiske er mest tallrike i hjernen (ca. 130.000.000.000 nevroner med <500 - >100.000 synapser hver) Informasjonsformidling mellom celler når den høyeste grad av spesialisering ved kjemiske synapser
For å bli klassifisert som nevrotransmitter må substansen : Produseres presynaptisk Under stimulering bli frigjort ved synapsen i mengder store nok for å binde seg til en spesifikk reseptor og initiere et aksjonspotensial i det postsynaptiske nevronet Oppnå samme respons ved kunstig tilførsel Kunne fjernes fra den synaptiske kløften av en spesifikk mekanisme
"Små" nevrotransmittere i sentralnervesystemet Aminosyretransmittere glycin glutamat aspartat GABA Puriner som ATP Biogeniske aminer katekolaminer dopamin noradrenalin (norepinefrin) adrenalin (epinefrin) serotonin (5-hydroksytryptamin) histamin acetylkolin Acetylcholine
De største nevrotransmittere Nevropeptider f.eks. Substance P Galanin Enkefaliner Endorfiner Somatostatin Insulin Orexin (over 100 kjente) Neuropeptid Y De minste nevrotransmittere som nitrogen oksyd, karbon monoksyd
Syntese, transport og inaktiviering av nevrotransmittere Småmolekylære aminosyre- og 'klassiske' transmittere syntetiseres i nerveterminalene Enzymene som lager dem fraktes dit fra soma langs mikrotubuler i vesikler Konsentrasjonen er dermed høyere i terminalene enn i soma Produksjon styres av enzymets mengde og aktivitet Transmittersubstansene resirkuleres ved gjenopptak Nevropeptider derimot dannes i cellelegemet Lages de novo Prekursorer for nevropeptider spaltes både i ER, Golgi og DCV (dense core vesicles) De fraktes til terminalene i DCV Ingen gjenopptak Postsynaptic density Active zone Ukonvensjonelle transmittere (som NO) er for små til å kunne lagres lokalt i synaptiske vesikler. Produseres i terminalene etter behov og diffuserer direkte
Frigjøring av nevrotransmitter i den synaptiske terminalen 1. Synaptisk vesikkel spesialisert organelle for syntese, lagring og frisetting av transmitter 2. AP depolariserer den presynaptiske membranen 3. Docking av vesikkel ved den presynaptiske membranen 4. Depolarisering aktiverer spenningsfølsomme Ca 2+ - ionekanaler 5. Aktivering av vesikkel membranprotein. Kvantal frisetting av transmitter (eksocytose) 6. Diffusjon av transmitter over den synaptiske spalten 7. Aktivering av ligand-styrte ionekanaler (reseptorer) i den postsynaptiske membranen 11 8. Generering av det postsynaptiske potensialet (depolarisering eller hyperpolarisering) 10 9. Overføring av det postynaptiske potensialet 10. Inaktivering av transmitter-substansen. Den presynaptiske membranen re-polariseres og overskudd av Ca 2+ fjernes 11. Inndragning av vesikkel-membranen (endocytose)
Hvorfor så mange og så forskjellige transmittere? Kompleksitet krever plastisitet Et postsynaptisk nevron mottar signaler fra mange andre nevroner Nevronet må kunne skille mellom signalene Trolig frigjør alle nevroner >1 nevrotransmitter, ofte med forskjellige plasseringer (f.eks. forskjellige terminaler/synaptiske områder) Den postsynaptiske cellen kan spesialisere seg for å optimalisere mottak for et signal fra bestemte presynaptiske områder
Postsynaptiske aspekter
Ionekanaler Ligand-styrte Ionotropiske reseptorer raske direkte NMDA-R AMPA-R glutamat Kainat-R GABA A -R Gly-R 5-HT 3 -R nach-r P2X-R (ATP) Spenningsstyrte - ingen reseptorer - åpner/lukker i forhold til transmembran-potensialet - raske, direkte Ligand-styrte Metabotropiske reseptorer saktere varige indirekte, flere ledd mglu-r GABA B -R mach-r katekolaminer samtlige nevropeptider Drug News Perspect 2002;15:226 Reseptoren er en del av ionekanalen IONEKANALER Ioner diffuserer nedover sin konsentrasjons-gradient, inntil 10 8 ioner/s ATP-uavhengig Indirekte kobling mellom reseptor og ionekanal
Aktiv transport systemer (f.eks. natriumspumpen) ligner ionekanaler, men prinsippet er annerledes ATPaser Finjustering av nevronal homeostase Adskillig langsommere (ca. 10 3 ioner/s) enn ionefluks (diffusjon) over ionekanaler Bruker en vesentlig del av hjernens ATP. Homeostase forstyrres raskt i tilfelle blodog dermed oksygen- og ATP-mangel Uten slike pumper ødelegges fort natrium- og kalium-gradientene
Postsynaptisk spesialisering Spesialiseringen er enten eksitatorisk (glutamat) eller inhibitorisk (GABA) Blant de viktigste postsynaptiske komponenter er ionotropiske reseptorer Springer images Reseptorene er konsentrert i membranen, plassert i et rikt og komplekst nettverk av proteiner som forankrer og støtter dem, samt sørger for videre postsynaptisk signalisering Det er svære forskjeller mellom eksitatoriske og inhibitoriske postsynaptiske spesialiseringer - de eksitatoriske er fortykkede og mer komplekse Sammensetningen og reguleringen av proteiner i membranen er svært dynamisk
Postsynaptic density Active zone PSD = postsynaptic density Multiple proteiner som lager et nettverk like under den postsynaptiske membranen ved eksitatoriske synapser Utgjør et stillas til transmitter-reseptorer, signaltransduksjons-molekyler m.m Trolig spesifikke for bestemte synapsetyper og bidrar til binding av spesifikke eksitatoriske nevrotransmittere PSD-95 er et viktig stillas-kompleks i forbindelse med glutamaterge synapser Proteinene i figuren kontrollerer synaptisk funksjon, morfologi, trafficking, og lokalisering av neurotransmitter reseptorer m.m cms.frontiersin.org/.../fnmol-01-004.html
Mekanismer som påvirker PSD Aktivitets-indusert endringer i synaptisk styrke (synaptisk plastisitet) er nok nevroners fundamental evne til å oppnå dynamikk og danne en basis for bl.a. adferd, hukommelse, læring og kognisjon (kort-tids såvel som langtidsendringer) Utviklingen av nye synapser, styrke-endringer blant eksisterende synapser og fjerning av synapser regnes som basisen for denne plastisiteten To typer synaptisk plastisitet kalles for langtids-potensiering og langtidsdepresjon Langtids-potensiering (LTP, Terje Lømo 1966) er en varende økning (potensiering) i synaptisk styrke som følge av høyfrekvent stimulering av en kjemisk synaps Synapser som har gjennomgått LTP pleier å ha en sterkere elektriske respons til en stimulus enn synapser som ikke har gjort det
LTP har flere kjennetegn Tidsspesifisitet Presynaptisk(e) celle(r) må fyre før den postsynaptiske cellen Synkronisering LTP er avhengig av at synapser stimuleres synkront, gjentatte ganger med høyfrekvens Spesifisitet LTP er synapsområde-avhengig (inputspesifikk), ingen potensiering ved ustimulerte synapser på samme cellen Styrke og varighet Signalet forsterkes og forsterkningen er langvarig (i flere timer in vitro og i dager eller uker in vivo) Canadian Institutes of Health Research Assosiativitet Figuren viser en økning i eksitatoriske postsynaptiske potensial i respons til høyfrekvensstimulering Svake fyringer til et postsynaptisk område får en potensiert effekt når de fremkommer synkront med gjentatte fyringer til en nabosynaps Kooperativitet Synkrone svake stimuleringer til flere postsynaptiske områder kan føre til indusering av LTP kollektivt
Hva betyr LTP for kjemisk nevrotransmisjon? Nevrotransmisjon forsterkes og informasjonsflyten mellom de pre- og postsynaptiske cellene over synapsekløften forbedres Kan innebære økt presynaptisk frigjøring av nevrotransmitter modulering av postsynaptisk reseptor-tilgjengelighet for transmitteren økning i postsynaptisk reseptorantall økt aktivitet hos eksisterende reseptorer
Eksempel på konsekvenser for den postsynaptiske cellen LTP kan føre til økt frigjøring (flere vesikler) av nevrotransmitter, f.eks. glutamat. Glutamat binder seg til sine postsynaptiske reseptorer. Glutamat aktiverer AMPA-reseptorer Den postsynaptiske cellen hypopolariseres Ved NMDA-reseptorer: NMDA-R hypopolariseringen fjerner Mg 2+ og kanalen åpnes Binding av glutamat til reseptoren er ikke nok til å aktivere kanalen Kalsium strømmer inne i den postsynaptiske cellen i tillegg til natrium
Eksempel på postsynaptiske mekanismer ved LTP (fosforylerings- og aktiveringskaskader) Gentranskripsjon camp-aktivert PKA fosforylerer (og dermed aktiverer) baner som fører til fosforylering og aktivering av transkripsjons-faktorer Transkripsjonsfaktorer fører til endret transkripsjon
Lang-tids depresjon (LTD) en metode for depotensiering Man kan ikke forvente å forsterke LTP i det uendelige. Skal det utnyttes maksimalt må andre synapser svekkes LTD forekommer ved en reduksjon i synaptisk styrke gjennom bl.a. redusert postsynaptisk reseptortetthet, og/eller redusert presynaptisk nevrotransmitter frisetting LTD initieres ved lav-frekvens, synkron stimulering og benytter seg av flere av de samme mekanismene som LTP Flere reseptorer modulerer LTD, inkl. NMDA-R, endocannabinoider og serotonin, og krever kalsium influks
LTP/LTD påvirker glutamatreseptor trafficking til dendritiske spinae Postsynaptiske funksjonelle og strukturelle endringer Dynamisk regulering av reseptorer Modulering av synaptisk effektivitet i LTP og LTD LTP/LTD endrer PSD-morfologi og spinae modifisering av stillaskomplekser og transport-mekanismer Modeller som induserer LTP styrker synaptisk funksjon ved å øke antallet reseptorer, mens long-term depresjon (LTD) fører til en selektiv reduksjon i synaptiske reseptorer Trafficking av reseptorer påvirker E/I-likevekten R. Lamprecht and J. LeDoux: Nature Neuroscience Reviews, vol.5, January 2004
Er LTP/LTD mekanismer bak læring og hukommelse og forglemmelse? Flere komponenter som ofte assosieres med LTP (f.eks. NMDAreseptorer, protein kinaser, kalsium-avhengig protein kinaser) gjenspeiler aspekter som kreves for hukommelseslagring Aspekter ved LTP gjenkjennes ved hukommelseserfaring repetisjon øker hukommelse tilfeldig, uvesentlige detaljer glemmes fort ubrukt informasjon gradvis glemmes selv om det i utgangspunktet er godt kjent assosiasjoner styrker evnen til å huske LTP er hittil den aspekt innenfor nevrovitenskap som vi kjenner til som varer lengst (dager og uker) Men menneskers læring og erindringer kan vare i over 100 år