Transmiterea sinaptic prin sinapsele chimice Fanta sinapselor chimice este mai larg dect a sinapselor electrice (200-300 ), ceea ce

oprete trecerea impulsului nervos de la neuronul presinaptic la cel postsinaptic. Funcionarea sinapselor chimice presupune traducerea PA n semnal chimic la nivelul componentei presinaptice, transmiterea n aceast form la componenta postsinaptic, urmat de regenerarea PA n neuronul postsinaptic.

Eliberarea mediatorului chimic din componenta presinaptic ncepe odat ce la membrana butonului terminal ajunge PA condus de-a lungul axonului neuronului presinaptic. Depolarizarea membranei butonului terminal produce deschiderea canalelor voltaj-dependente pentru Ca2+ i ionii de calciu ptrund din spaiul extracelular n buton, n virtutea gradientului electrochimic. Aceasta determin fuzionarea veziculelor cu mediator cu membrana presinaptic, n "zonele active" ale acesteia.

Mobilizarea veziculelor cu mediator chimic (I)

n ultimii ani a fost pus n eviden mecanismul prin care are loc exocitarea mediatorului chimic. O vezicul sinaptic plin cu mediator trebuie mai nti s se deplaseze spre o zon activ a membranei presinaptice, proces care se realizeaz prin interaciunea unor proteine citoscheletale actina i miozina, similare proteinelor contractile musculare (fig. 13-1). Urmtorul pas este ataarea veziculelor la membrana presinaptic, cu ajutorul unor complexe proteice specifice ale zonei active, cum sunt sec 6/8 i rab (fig. 13-2). Aceast modalitate de ataare este reversibil, dar poate deveni ireversibil prin intermediul proteinelor din familia SNARE, localizate n membrana veziculelor (v-SNARE) i n zona activ a membranei presinaptice (t-SNARE), care formeaz un complex (fig. 13-3).

Ca2+ ptruns n butonul terminal se fixeaz pe proteina Sinaptotagmin a membranei veziculei iar aceasta sufer o modificare conformaional, interacionnd cu complexul v-SNARE-t-SNARE (fig. 13-4), ceea ce duce la fuzionarea celor dou membrane i la eliberarea mediatorului chimic. Multe sinapse prezint la membrana presinaptic mai multe zone active, n jurul crora se aglomereaz numeroase vezicule cu mediator chimic. Se presupune c, la fiecare zon activ, numai o singur vezicul este ataat ireversibil i gata s elibereze mediatorul. Deci, pentru fiecare PA sosit la membrana butonului terminal, vor fi golite cel mult attea vezicule cte zone active are sinapsa. Reamintim c PA se formeaz i sunt conduse n grupuri (trenuri de poteniale) a cror frecven este proporional cu intensitatea stimulului. Fig. 13. Fuzionarea veziculelor cu membrana presinaptic. 1 vezicula spre deplaseaz spre zona activ; 2 vezicula se ataeaz reversibil la membran, prin intermediul complexelor proteice sec 6/8 i rab; 3 v-SNARE i t-SNARE formeaz un complex care ataeaz ireversibil vezicula la membrana presinaptic; 4 - sinaptotagmina, activat de Ca2+, interacioneaz cu complexul SNARE i determin ruperea membranei i eliberarea mediatorului n fanta sinaptic.

Numrul de molecule de mediator chimic eliberate dintr-o singur vezicul sinaptic poart numele de cuant de mediator. Cantitatea total de mediator chimic eliberat este proporional cu mrimea influxului de calciu n butonul terminal, cu numrul zonelor active ale membranei presinaptice i cu numrul veziculelor ataate ireversibil de acestea. Dup eliberarea mediatorului, membrana veziculei este ncorporat temporar n membrana presinaptic (fig. 14)

Fig. 14. Imagine electronmicroscopic a membranei presinaptice, cu veziculele cu mediator chimic

imediat disponibile. Sgeile indic vezicule care tocmai i-au descrcat mediatorul n fanta sinaptic.

La o sinaps chimic se deruleaz o serie de procese secveniale, dintre care unele pregtesc sinapsa pentru transmitere, iar altele iniiaz transmiterea sinaptic, odat cu sosirea unui PA prin membrana butonului terminal. Succesiunea evenimentelor din componenta presinaptic care au drept rezultat eliberarea mediatorului chimic este ilustrat n fig. 15.

Fig. 15. Dinamica evenimentelor transmiterii sinaptice la 2 tipuri de sinaps: glutamatergic (A) i cu glutamat n cotransmisie cu un peptid neuromodulator (B).

Majoritatea sinapselor din SNC sunt sinapse glutamatergice (care au ca mediator chimic

glutamatul). La o asemenea sinaps (fig. 15A), au loc urmtoarele evenimente pregtitoare: De-a lungul microtubulilor ce alctuiesc neurofibrilele sunt aduse n butonul terminal

proteine, ce vor intra n alctuirea membranei veziculelor cu mediator. Aceste proteine cltoresc de-a lungul neurofibrilelor, n vezicule transportoare (1), care sunt transportate cu vitez mare i apoi nglobate temporar n membrana butonului terminal (2).

2

Moleculele de glutamat, precum i enzime sosesc tot de-a lungul neurofibrilelor, dar prin transport lent.

Proteinele transportate sunt recuperate acum din membrana butonului terminal (2) i alturi de fosfolipide, formeaz vezicule.

Glutamatul este ncorporat n veziculele astfel formate (3). Veziculele ncrcate cu mediator se apropie de membrana presinaptic (4), unde vor fi

ataate, reversibil sau ireversibil (vezi Mobilizarea veziculelor cu mediator chimic I). La sosirea unui PA prin membrana butonului terminal, se declaneaz evenimentele

transmiterii sinaptice. A. Evenimente ce au loc n componenta presinaptic: Depolarizarea membranei deschide canalele de Ca2+ voltaj-dependente, iar calciul ptruns

n buton iniiaz fuzionarea veziculei cu membrana presinaptic i formarea porului, prin care mediatorul chimic este exocitat (5).

Mediatorul chimic eliberat difuzeaz n fanta sinaptic i se fixeaz de receptorii membranei postsinaptice (6).

Membrana veziculei este ncorporat n membrana presinaptic, de unde poate fi recuperat (7) prin dou mecanisme distincte (asupra acestora vom reveni).

O parte din moleculele de mediator chimic, care nu s-au fixat pe receptori, sunt recuperate n butonul terminal (8) i vor fi incluse din nou n vezicule, odat cu mediatorul sosit de-a lungul neurofibrilelor.

n cazul multor sinapse, mai ales din SNC, alturi de mediatorul chimic acioneaz i alte substane, de obicei de natur peptidic, numite neuromodulatori. Acestea nu realizeaz transmiterea sinaptic, dar o influeneaz, prin aciuni biochimice asupra componentei presinaptice sau postsinaptice. n situaia prezentat n fig. 15B, neuropeptidul este substana P, care se cotransmite mpreun cu glutamatul, la sinapsele realizate de neuronii pseudounipolari din ganglionii spinali sau cranieni, care conduc durerea. n cazul neuropeptidelor, sinteza este mai complex, de aceea ncepe n pericarion, unde de gsete informaia genetic i reticulul endoplasmic rugos (corpusculii Nissl). Veziculele sunt ncrcate cu precursorii neuropeptidelor n complexul Golgi i cltoresc apoi de-a lungul neurofibrilelor (fig. 15B-1) spre butonul terminal, prin transport rapid. n butonul terminal, este desvrit structura neuropeptidului (fig. 15B-2) i veziculele se apropie de membrana plasmatic, n alt zon a acesteia dect cea presinaptic. La depolarizarea membranei, neuropeptidul este exocitat (fig. 15B-3), n acelai timp cu mediatorul chimic (fig. 15B-4).

B. Evenimente ce au loc n componenta postsinaptic: Moleculele de mediator chimic difuzate n fanta sinaptic sunt recunoscute de receptorii

membranei postsinaptice i se fixeaz (o parte din ele) pe acetia. Receptorii, specifici pentru un anumit mediator, se pot ncadra n una din urmtoarele dou categorii (fig. 16):

- receptori care fac parte din nsi structura canalelor ionice (ionotropici - fig. 16A), i - receptori care sunt cuplai cu canalul ionic printr-o protein G i un sistem al celui de-al

doilea mesager (metabotropici - fig. 16B). n cazul receptorilor asociai cu proteine G, prin fixarea mediatorului chimic pe receptor este

iniiat o cascad de reacii enzimatice care d natere unui al doilea mesager, ce modific funciile celulare pentru o perioad mai lung de timp dect o face o simpl deschidere a canalelor ionice. Enzimele conectate cu membrana postsinaptic i mesagerii secundari rezultai, n interiorul celulei, din activitatea acestora sunt prezentai n tabelul 3.

Tabelul 3. Efectori-enzime i mesageri secundari ce acioneaz n corelaie cu receptori metabotropici

Enzima Mesagerul secundar Adenilatciclaza AMPc Guanilatciclaza GMPc Fosfolipaza C DAG (diacilglicerol)

IP3 (inozitol trifosfat)

3

Fig. 16. Un neurotransmitor poate influena activitatea unei celule postsinaptice prin dou tipuri de receptori: ionotropici i metabotropici. (A) Canalele ionice ligand-dependente combin funciile de receptor i de canal ionic ntr-un singur complex proteic (B) Receptorii metabotropici, de obicei activeaz proteine G, care moduleaz canalele ionice direct sau indirect, prin intermediul unor efectori intracelulari (enzime) i mesageri secundari.

Tabelul 4. Tipuri de mediatori chimici i de receptori Mediatorul chimic Receptorul Modificarea conduc-

tanei (g) membranare Modificarea poten- ialului membranar

Mesagerul secundar

Acetilcolin Nicotinic Muscarinic M1 Muscarinic M2

Crete gNa+ i gK+ Scade gK+ Crete gK+

PPSE PPSE PPSI

- IP3 i DAG

AMPc Noradrenalin 1

2 2

PPSI (SNC) PPSI ?

- AMPc AMPc

Dopamin D1 D2

PPSE ? PPSI

AMPc AMPc

Serotonin 5-HT-1A 5-HT-1B 5-HT-1C 5-HT-1D 5-HT-2 5-HT-3

Crete gK+ Crete gCl- Scade gK+ Crete gNa+ i gK+

PPSI

PPSI

PPSE PPSE

AMPc -

IP3 -

IP3 -

Glutamat Kainat Quisqualat

NMDA

Crete gNa+ i gK+ Crete gNa+ i gK+ Crete gCa2+

PPSE PPSE PPSE

- -

IP3 i DAG GABA GABA-A

GABA-B Crete gCl- Crete gK+

PPSI PPSI

- AMPc

n tabelul 4 sunt prezentai cei mai frecveni mediatori chimici, mpreun cu receptorii lor care acioneaz prin deschiderea direct a canalelor ionice, prin formarea unui mesager secundar sau prin ambele mecanisme.

Cnd un mediator chimic se fixeaz pe receptor, formnd complexul [MCh-R] (ligand receptor), apar modificri n conductana membranei postsinaptice, care duc la depolarizarea sau la hiperpolarizarea acesteia. O cretere a conductanei pentru Na+ depolarizeaz membrana, n timp ce o

4

cretere a conductanei care permite efluxul K+ sau influxul Cl-, o hiperpolarizeaz. n anumite cazuri, hiperpolarizarea membranei postsinaptice poate aprea i ca urmare a scderii conductanei pentru Na+, ceea ce reduce influxul de ioni pozitivi (fig. 17).

Fig. 17. Modificri ale polaritii membranei postsinaptice, declanate de deschiderea canalelor ionice

ligand-dependente, cuplate cu receptori ionotropici sau metabotropici

ntre sosirea unui PA la componenta presinaptic i modificarea de potenial n membrana postsinaptic se scurge o perioad de 0,5 - 0,7 ms, cunoscut sub numele de ntrziere sinaptic. Aceast ntrziere este dat de timpul necesar pentru ptrunderea Ca2+ n butonul terminal i fuzionarea veziculelor cu mediator cu membrana presinaptic. Timpul necesar mediatorului pentru a difuza n spaiul sinaptic este neglijabil.

Evenimente ce ncheie transmiterea sinaptic. A. Evenimente ce au loc n componenta presinaptic: Atta timp ct concentraia Ca2+ n butonul terminal rmne crescut, noi vezicule cu

mediator vor interaciona cu membrana presinaptic, eliberndu-i coninutul n fanta sinaptic i determinnd modificri de potenial n membrana postsinaptic. Pompa de calciu din membrana presinaptic este un mecanism activ ce scoate Ca2+ din butonul terminal, restabilind concentraia intracelular a ionului.

5

Recuperarea n butonul terminal a membranei veziculelor, pentru a fi reumplute cu mediator chimic se poate realiza prin dou mecanisme, n funcie de starea de activitate a neuronului presinaptic.

Mobilizarea veziculelor golite (II) 1. Mecanismul kiss and run presupune desprinderea veziculei golite de la membrana

presinaptic, nchiderea porului i reumplerea rapid cu mediator chimic, dup care vezicula revine n ealonul veziculelor imediat disponibile. Acesta este un mecanism rapid (reciclarea unei vezicule dureaz mai puin de 1 ms), specific neuronilor cu activitate intens, care transmit poteniale cu frecven mare i necesit o dinamic accentuat a veziculelor. Prin urmare, n butonii terminali ai acestor neuroni concentraia Ca2+ se menine ridicat, favoriznd reciclarea rapid (fig. 18).

2. Mecanismul prin lateralizare presupune nglobarea veziculei golite n membrana presinaptic, lateralizarea ei (scoaterea din zona membranar a densitii presinaptice) i reintroducerea n butonul terminal prin endocitoz. Veziculele astfel recuperate vor fi reumplute cu mediator chimic i introduse n grupul veziculelor de rezerv. Acest mecanism funcioneaz n neuronii care, pentru o perioad, au o activitate mai puin intens, caracterizat i prin concentraie intracelular redus a Ca2+. Durata recuperrii este mai mare, peste 20 ms pentru fiecare vezicul (fig. 18).

Fig. 18. Mecanismele de recuperare a veziculelor golite de mediator chimic: kiss and run (dreapta) i mecanismul prin lateralizare (stnga).

B. Evenimente ce au loc n componenta postsinaptic: Odat depolarizat sau hiperpolarizat membrana postsinaptic, canalele ionice din aceasta se

inactiveaz, nchiderea lor fiind determinat de ncetarea aciunii mediatorului chimic. Aciunea mediatorului se oprete cnd acesta este:

1) ndeprtat de pe receptor, prin desfacerea enzimatic a complexului [MCh-R]; 2) transformat chimic ntr-o substan inactiv; 3) scos din spaiul sinaptic: transportat, prin mecanisme active, napoi n butonul terminal

(vezi i fig. 15A-8), preluat n celulele gliale nvecinate acestuia sau n snge (fig. 19).

6

Fig. 19. Modaliti de ndeprtare a mediatorului chimic din fanta sinaptic i de pe receptorii postsinaptici. O parte a mediatorului este recuperat n butonul terminal, la nivelul unor transportori membranari. Excesul de mediator este preluat temporar de celulele gliale ce nconjoar, cu prelungirile lor, sinapsa i ulterior este redat neuronului. O alt parte a mediatorului, precum i substane rezultate din degradarea acestuia, pot trece n snge.

Succesiunea acestor evenimente se desfoar cu ajutorul unor enzime specifice, n final mediatorul chimic sau substanele rezultate din degradarea lui fiind recuperate prin endocitoz i transport retrograd de neuronul presinaptic, i reutilizate pentru sinteza a noi cantiti de mediator. Moleculele de mediator chimic care, dup difuzarea n fanta sinaptic, nu au apucat s se lege de receptorii postsinaptici vor avea aceeai soart ca i moleculele care s-au combinat cu receptorii.

Cele dou tipuri de sinapse chimice, excitatoare i inhibitoare, se difereniaz prin efectul mediatorului chimic asupra neuronului postsinaptic. Efectul excitator sau inhibitor depinde de tipul de receptori postsinaptici i de tipul de canale ionice pe care aceti receptori le controleaz. De aici rezult c este posibil ca acelai mediator chimic s produc efecte diferite, n funcie de tipul de receptor cu care interacioneaz (deci de tipul de sinaps), la o sinaps avnd rol de excitator, iar la alta - rol de inhibitor. Astfel, neurotransmitorul este doar un mesager chimic care declaneaz un rspuns preexistent n structura funcional a membranei postsinaptice (tipul de receptori i de canale ionice).

7