Sinapsă chimică - Chemical synapse
Sinapsele chimice sunt joncțiuni biologice prin care semnalele neuronilor pot fi trimise între ele și către celule non-neuronale, cum ar fi cele din mușchi sau glande . Sinapsele chimice permit neuronilor să formeze circuite în sistemul nervos central . Acestea sunt cruciale pentru calculele biologice care stau la baza percepției și a gândirii. Acestea permit sistemului nervos să se conecteze și să controleze alte sisteme ale corpului.
La o sinapsă chimică, un neuron eliberează molecule de neurotransmițător într-un spațiu mic ( fanta sinaptică ) care este adiacent unui alt neuron. Neurotransmițătorii sunt conținuți în saci mici numiți vezicule sinaptice și sunt eliberați în fanta sinaptică prin exocitoză . Aceste molecule se leagă apoi de receptorii neurotransmițătorilor de pe celula postsinaptică. În cele din urmă, neurotransmițătorii sunt eliminați de la sinapsă printr-unul dintre mai multe mecanisme potențiale, inclusiv degradarea enzimatică sau recaptarea de către transportori specifici, fie pe celula presinaptică, fie pe o altă neuroglie pentru a termina acțiunea neurotransmițătorului.
Se estimează că creierul uman adult conține între 10 14 și 5 × 10 14 (100-500 trilioane) sinapse. Fiecare milimetru cub de cortex cerebral conține aproximativ un miliard ( scară scurtă , adică 10 9 ) dintre ele. Numărul sinapselor din cortexul cerebral uman a fost separat separat la 0,15 miliarde (150 trilioane)
Cuvântul „sinapsă” a fost introdus de Sir Charles Scott Sherrington în 1897. Sinapsele chimice nu sunt singurul tip de sinapsă biologică: există și sinapsele electrice și imunologice . Fără un calificativ, totuși, „sinapsă” se referă de obicei la sinapsă chimică.
Structura
| Structura unei sinapse chimice tipice |
|---|
| Distingeți între pre- și post- sinapsă |
|---|
| Conexiunea care leagă neuronul de neuron este sinapsă. Semnalul curge într-o singură direcție, de la neuronul presinaptic la neuronul postsinaptic prin sinapsă, care acționează ca un atenuator variabil. Pe scurt, direcția fluxului de semnal determină prefixul pentru sinapsele implicate . |
Sinapsele sunt conexiuni funcționale între neuroni sau între neuroni și alte tipuri de celule. Un neuron tipic dă naștere la câteva mii de sinapse, deși există unele tipuri care fac mult mai puține. Majoritatea sinapselor conectează axonii la dendrite , dar există și alte tipuri de conexiuni, inclusiv axon-la-celulă-corp, axon-la-axon și dendrit-la-dendrită . Sinapsele sunt în general prea mici pentru a putea fi recunoscute folosind un microscop cu lumină, cu excepția punctelor în care membranele a două celule par să se atingă, dar elementele lor celulare pot fi vizualizate clar folosind un microscop electronic .
Sinapsele chimice transmit informațiile direct de la o celulă presinaptică la o celulă postsinaptică și, prin urmare, sunt asimetrice ca structură și funcție. Terminalul axon presinaptic sau sinapticbouton, este o zonă specializată în axonul celulei presinaptice care conține neurotransmițători închiși în sfere mici legate de membrană numite vezicule sinaptice (precum și o serie de alte structuri de susținere și organite, cum ar fi mitocondriile și reticulul endoplasmatic ). Veziculele sinaptice sunt ancorate la membrana plasmatică presinaptică în regiuni numite zone active .
Imediat opusă este o regiune a celulei postsinaptice care conține receptori de neurotransmițător ; pentru sinapsele dintre doi neuroni regiunea postsinaptică poate fi găsită pe dendrite sau corpul celular. Imediat în spatele membranei postsinaptice se află un complex elaborat de proteine interconectate numite densitate postsinaptică (PSD).
Proteinele din PSD sunt implicate în ancorarea și traficul receptorilor neurotransmițătorilor și modularea activității acestor receptori. Receptorii și PSD-urile se găsesc adesea în proeminențe specializate din arborele dendritic principal numite spini dendritici .
Sinapsele pot fi descrise ca simetrice sau asimetrice. Când sunt examinate la microscopul electronic, sinapsele asimetrice se caracterizează prin vezicule rotunjite în celula presinaptică și o densitate post-sinaptică proeminentă. Sinapsele asimetrice sunt de obicei excitante. În schimb, sinapsele simetrice au vezicule turtite sau alungite și nu conțin o densitate postsinaptică proeminentă. Sinapsele simetrice sunt de obicei inhibitoare.
Fanta sinaptică -De asemenea , numit decalaj sinaptice - un decalaj între celulele pre- și postsinaptice , care este de aproximativ 20 nm (0,02 μ) lățime. Volumul mic al fisurii permite creșterea și scăderea rapidă a concentrației neurotransmițătorului.
O autapsă este o sinapsă chimică (sau electrică) formată atunci când axonul unui neuron se sinapsează cu propriile sale dendrite.
Semnalizarea în sinapsele chimice
Prezentare generală
Iată un rezumat al secvenței de evenimente care au loc în transmiterea sinaptică de la un neuron presinaptic la o celulă postsinaptică. Fiecare pas este explicat mai detaliat mai jos. Rețineți că, cu excepția pasului final, întregul proces poate rula doar câteva sute de microsecunde, în cele mai rapide sinapse.
- Procesul începe cu un val de excitație electrochimică numit potențial de acțiune care călătorește de-a lungul membranei celulei presinaptice, până ajunge la sinapsă.
- Depolarizarea electrică a membranei la sinapsă determină deschiderea canalelor permeabile la ionii de calciu.
- Ionii de calciu curg prin membrana presinaptică, crescând rapid concentrația de calciu din interior.
- Concentrația ridicată de calciu activează un set de proteine sensibile la calciu atașate la vezicule care conțin un produs chimic neurotransmițător .
- Aceste proteine își schimbă forma, determinând membranele unor vezicule „ancorate” să fuzioneze cu membrana celulei presinaptice, deschizând astfel veziculele și aruncând conținutul lor de neurotransmițător în fanta sinaptică, spațiul îngust dintre membranele pre- și postsinaptic. celule.
- Neurotransmițătorul difuzează în interiorul fisurii. Unele dintre ele scapă, dar unele se leagă de moleculele receptorilor chimici localizați pe membrana celulei postsinaptice.
- Legarea neurotransmițătorului face ca molecula receptorului să fie activată într-un fel. Sunt posibile mai multe tipuri de activare, așa cum este descris mai detaliat mai jos. În orice caz, acesta este pasul cheie prin care procesul sinaptic afectează comportamentul celulei postsinaptice.
- Datorită vibrațiilor termice , mișcarea atomilor, care vibrează în jurul pozițiilor lor de echilibru într-un solid cristalin, moleculele de neurotransmițător se desprind în cele din urmă de receptori și se îndepărtează.
- Neurotransmițătorul este fie reabsorbit de celula presinaptică și apoi reambalat pentru eliberare viitoare, fie este defalcat metabolic.
Eliberarea neurotransmițătorului
Eliberarea unui neurotransmițător este declanșată de sosirea unui impuls nervos (sau potențial de acțiune ) și are loc printr-un proces neobișnuit de rapid de secreție celulară ( exocitoză ). În terminalul nervului presinaptic, veziculele care conțin neurotransmițător sunt localizate în apropierea membranei sinaptice. Potențialul de acțiune care sosește produce un aflux de ioni de calciu prin canale ionice dependente de tensiune, selective la calciu, la cursa descendentă a potențialului de acțiune (curentul de coadă). Ionii de calciu se leagă apoi de proteinele sinaptotagminice găsite în membranele veziculelor sinaptice, permițând veziculelor să se contopească cu membrana presinaptică. Fuziunea unei vezicule este un proces stocastic , ducând la eșecul frecvent al transmiterii sinaptice la sinapsele foarte mici, care sunt tipice pentru sistemul nervos central . Sinapsele chimice mari (de exemplu, joncțiunea neuromusculară ), pe de altă parte, au o probabilitate de eliberare sinaptică de 1. Fuziunea veziculei este condusă de acțiunea unui set de proteine din terminalul presinaptic cunoscut sub numele de SNARE . În ansamblu, complexul proteic sau structura care mediază andocarea și fuziunea veziculelor presinaptice se numește zonă activă. Membrana adăugată prin procesul de fuziune este recuperată ulterior prin endocitoză și reciclată pentru formarea de vezicule proaspete pline de neurotransmițător.
O excepție de la tendința generală de eliberare a neurotransmițătorilor prin fuziune veziculară se găsește în celulele receptorilor de tip II ale papilelor gustative de mamifere . Aici neurotransmițătorul ATP este eliberat direct din citoplasmă în fanta sinaptică prin canale cu tensiune.
Legarea receptorului
Receptorii de pe partea opusă a decalajului sinaptic leagă moleculele de neurotransmițător. Receptorii pot răspunde în oricare dintre două moduri generale. În primul rând, receptorii pot deschide direct canale ionice cu ligand în membrana celulei postsinaptice, determinând intrarea sau ieșirea ionilor din celulă și schimbarea potențialului transmembranar local . Schimbarea rezultată a tensiunii se numește potențial postsinaptic . În general, rezultatul este excitant în cazul curenților depolarizatori și inhibitor în cazul curenților hiperpolarizanti . Faptul că o sinapsă este excitativă sau inhibitoare depinde de ce tip (uri) de canale ionice conduc curentul (curenții) postsinaptic (e), care, la rândul său, este o funcție a tipului de receptori și neurotransmițător utilizat la sinapsă. Al doilea mod în care un receptor poate afecta potențialul membranei este prin modularea producției de mesageri chimici în interiorul neuronului postsinaptic. Acești al doilea mesager poate amplifica apoi răspunsul inhibitor sau excitator la neurotransmițători.
Rezilierea
După ce o moleculă de neurotransmițător se leagă de o moleculă de receptor, aceasta trebuie îndepărtată pentru a permite membranei postsinaptice să continue să retransmită EPSP-uri și / sau IPSP-uri ulterioare . Această eliminare poate avea loc prin unul sau mai multe procese:
- Neurotransmițătorul se poate difuza din cauza oscilațiilor induse termic atât ale acestuia, cât și ale receptorului, făcându-l disponibil pentru a fi descompus metabolic în afara neuronului sau pentru a fi reabsorbit.
- Enzimele din membrana subsinaptică pot inactiva / metaboliza neurotransmițătorul.
- Pompele de recaptare pot pompa activ neurotransmițătorul înapoi în terminalul axon presinaptic pentru reprocesare și eliberare după un potențial de acțiune ulterior.
Puterea sinaptică
Puterea unei sinapse a fost definită de Sir Bernard Katz ca produs al probabilității (presinaptice) de eliberare pr , mărime cuantică q (răspunsul postsinaptic la eliberarea unei singure vezicule de neurotransmițător, un „cuantic”) și n , numărul a site-urilor de lansare. „Conexiunea unitară” se referă de obicei la un număr necunoscut de sinapse individuale care leagă un neuron presinaptic de un neuron postsinaptic. Amplitudinea potențialelor postsinaptice (PSP) poate fi de la 0,4 mV până la 20 mV. Amplitudinea unui PSP poate fi modulată de neuromodulatori sau se poate modifica ca urmare a activității anterioare. Modificările puterii sinaptice pot fi pe termen scurt, durând câteva secunde până la minute, sau pe termen lung ( potențare pe termen lung sau LTP), durând ore. Se crede că învățarea și memoria rezultă din schimbări pe termen lung ale forței sinaptice, printr-un mecanism cunoscut sub numele de plasticitate sinaptică .
Desensibilizarea receptorilor
Desensibilizarea receptorilor postsinaptici este o scădere a răspunsului la același stimul neurotransmițător. Înseamnă că puterea unei sinapse se poate diminua efectiv pe măsură ce un tren de potențial de acțiune ajunge într-o succesiune rapidă - fenomen care dă naștere așa-numitei dependențe de frecvență a sinapselor. Sistemul nervos exploatează această proprietate în scopuri de calcul și își poate regla sinapsele prin mijloace precum fosforilarea proteinelor implicate.
Plasticitatea sinaptică
Transmisia sinaptică poate fi modificată prin activitatea anterioară. Aceste modificări se numesc plasticitate sinaptică și pot duce fie la o scădere a eficacității sinapsei, numită depresie, fie la o creștere a eficacității, numită potențare. Aceste modificări pot fi fie pe termen lung, fie pe termen scurt. Formele de plasticitate pe termen scurt includ oboseala sinaptică sau depresie și augmentarea sinaptică . Forme de plasticitate pe termen lung includ depresie pe termen lung și potențarea pe termen lung . Plasticitatea sinaptică poate fi fie homosinaptică (care apare la o singură sinapsă), fie heterosinaptică (care apare la mai multe sinapse).
Plasticitatea homosinaptică
Plasticitatea homosinaptică (sau, de asemenea, modulația homotropă) este o schimbare a forței sinaptice care rezultă din istoria activității la o anumită sinapsă. Acest lucru poate rezulta din modificări ale calciului presinaptic, precum și feedback-ul asupra receptorilor presinaptici, adică o formă de semnalizare autocrină . Plasticitatea homosinaptică poate afecta numărul și rata de completare a veziculelor sau poate afecta relația dintre eliberarea de calciu și vezicule. Plasticitatea homosinaptică poate fi, de asemenea, de natură postsinaptică. Poate duce fie la creșterea, fie la scăderea puterii sinaptice.
Un exemplu este neuronii sistemului nervos simpatic (SNS), care eliberează noradrenalină , care, pe lângă afectarea receptorilor postsinaptici, afectează și receptorii α2-adrenergici presinaptici , inhibând eliberarea ulterioară de noradrenalină. Acest efect este utilizat cu clonidină pentru a efectua efecte inhibitoare asupra SNS.
Plasticitatea heterosinaptică
Plasticitatea heterosinaptică (sau, de asemenea, modulația heterotropă) este o modificare a puterii sinaptice care rezultă din activitatea altor neuroni. Din nou, plasticitatea poate modifica numărul de vezicule sau rata de completare a acestora sau relația dintre eliberarea de calciu și vezicule. În plus, ar putea afecta direct influxul de calciu. Plasticitatea heterosinaptică poate fi, de asemenea, de natură postsinaptică, afectând sensibilitatea receptorilor.
Un exemplu este din nou neuronii sistemului nervos simpatic , care eliberează noradrenalină , care, în plus, generează un efect inhibitor asupra terminalelor presinaptice ale neuronilor sistemului nervos parasimpatic .
Integrarea intrărilor sinaptice
În general, dacă o sinapsă excitativă este suficient de puternică, un potențial de acțiune în neuronul presinaptic va declanșa un potențial de acțiune în celula postsinaptică. În multe cazuri, potențialul postsinaptic excitator (EPSP) nu va atinge pragul pentru obținerea unui potențial de acțiune. Când potențialele de acțiune ale mai multor neuroni presinaptici trag simultan sau dacă un singur neuron presinaptic trage la o frecvență suficient de mare, EPSP-urile se pot suprapune și însuma. Dacă se suprapun suficient EPSP, EPSP însumat poate atinge pragul pentru inițierea unui potențial de acțiune. Acest proces este cunoscut sub numele de sumare și poate servi ca filtru de trecere înaltă pentru neuroni.
Pe de altă parte, un neuron presinaptic care eliberează un neurotransmițător inhibitor, cum ar fi GABA , poate provoca un potențial inhibitor postsinaptic (IPSP) în neuronul postsinaptic, aducând potențialul membranei mai departe de prag, scăzând excitabilitatea acestuia și făcându-l mai dificil pentru neuronul pentru a iniția un potențial de acțiune. Dacă un IPSP se suprapune cu un EPSP, IPSP poate împiedica în multe cazuri neuronul să declanșeze un potențial de acțiune. În acest fel, ieșirea unui neuron poate depinde de intrarea multor neuroni diferiți, fiecare dintre aceștia putând avea un grad diferit de influență, în funcție de puterea și tipul de sinapsă cu acel neuron. John Carew Eccles a realizat unele dintre experimentele timpurii importante privind integrarea sinaptică, pentru care a primit Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină în 1963.
Transmiterea volumului
Când un neurotransmițător este eliberat într-o sinapsă, acesta atinge cea mai mare concentrație în spațiul îngust al fantei sinaptice, dar unele dintre acestea se vor difuza cu siguranță înainte de a fi reabsorbite sau descompuse. Dacă se difuzează, are potențialul de a activa receptori care sunt localizați fie la alte sinapse, fie pe membrană, departe de orice sinapsă. Activitatea extrasinaptică a unui neurotransmițător este cunoscută sub numele de transmitere a volumului . Este bine stabilit că astfel de efecte apar într-o anumită măsură, dar importanța lor funcțională a fost mult timp o chestiune de controversă.
Lucrări recente indică faptul că transmiterea volumului poate fi modul predominant de interacțiune pentru unele tipuri speciale de neuroni. În cortexul cerebral al mamiferelor, o clasă de neuroni numiți celule neurogliaforme poate inhiba alți neuroni corticali din apropiere prin eliberarea neurotransmițătorului GABA în spațiul extracelular. De-a lungul aceleiași vene, GABA eliberat din celulele neurogliaforme în spațiul extracelular acționează și asupra astrocitelor din jur , atribuind un rol de transmitere a volumului în controlul homeostaziei ionice și neurotransmițătoare. Aproximativ 78% dintre butoanele celulare neurogliaforme nu formează sinapse clasice. Acesta poate fi primul exemplu definitiv de neuroni care comunică chimic acolo unde sinapsele clasice nu sunt prezente.
Relația cu sinapsele electrice
O sinapsă electrică este o legătură conductivă electric între doi neuroni adiacenți care se formează la un decalaj îngust între celulele pre- și postsinaptice , cunoscut sub numele de joncțiune decalată . La joncțiunile gap, celulele se apropie la aproximativ 3,5 nm una de cealaltă, mai degrabă decât la distanța de 20 până la 40 nm care separă celulele la sinapsele chimice. Spre deosebire de sinapsele chimice, potențialul postsinaptic în sinapsele electrice nu este cauzat de deschiderea canalelor de ioni de către transmițătorii chimici, ci mai degrabă de cuplarea electrică directă între ambii neuroni. Sinapsele electrice sunt mai rapide decât sinapsele chimice. Sinapsele electrice se găsesc în tot sistemul nervos, inclusiv în retină , nucleul reticular al talamusului , neocortexului și în hipocamp . În timp ce sinapsele chimice se găsesc între neuronii excitatori și inhibitori, sinapsele electrice se găsesc cel mai frecvent între neuronii inhibitori locali mai mici. Sinapsele electrice pot exista între doi axoni, două dendrite sau între un axon și o dendrită. La unii pești și amfibieni , sinapsele electrice pot fi găsite în același terminal al unei sinapse chimice, ca în celulele Mauthner .
Efectele drogurilor
Una dintre cele mai importante caracteristici ale sinapselor chimice este că acestea reprezintă locul de acțiune pentru majoritatea medicamentelor psihoactive . Sinapsele sunt afectate de droguri, cum ar fi curare, stricnină, cocaină, morfină, alcool, LSD și nenumărate altele. Aceste medicamente au efecte diferite asupra funcției sinaptice și sunt adesea limitate la sinapsele care utilizează un neurotransmițător specific. De exemplu, curarea este o otravă care împiedică acetilcolina să depolarizeze membrana postsinaptică, provocând paralizie . Strychnina blochează efectele inhibitoare ale neurotransmițătorului glicină , ceea ce face ca organismul să se ridice și să reacționeze la stimuli mai slabi și ignorați anterior, rezultând spasme musculare incontrolabile . Morfina acționează asupra sinapselor care utilizează neurotransmițători de endorfină , iar alcoolul crește efectele inhibitoare ale neurotransmițătorului GABA . LSD interferează cu sinapsele care utilizează neurotransmițătorul serotonină . Cocaina blochează recaptarea dopaminei și, prin urmare, crește efectele acesteia.
Istorie și etimologie
În anii 1950, Bernard Katz și Paul Fatt au observat curenți sinaptici miniaturali spontani la joncțiunea neuromusculară a broaștei . Pe baza acestor observații, au dezvoltat „ipoteza cuantică” care stă la baza înțelegerii noastre actuale a eliberării neurotransmițătorilor ca exocitoză și pentru care Katz a primit Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină în 1970. La sfârșitul anilor 1960, Ricardo Miledi și Katz au avansat ipoteza că influxul de ioni de calciu indus de depolarizare declanșează exocitoză .
Sir Charles Scott Sherringtonin a inventat cuvântul „sinapsă”, iar istoria cuvântului a fost dată de Sherrington într-o scrisoare pe care i-a scris-o lui John Fulton:
„Am simțit nevoia unui anumit nume să numesc joncțiunea dintre celulele nervoase și celulele nervoase ... Am sugerat să folosesc„ sindesmul ”... El [ Sir Michael Foster ] și-a consultat prietenul Trinity Verrall , savantul euripidean , despre asta , iar Verrall a sugerat „sinapsa” (din greaca „agrafa”) .'– Charles Scott Sherrington
Vezi si
Note
Referințe
- Carlson, Neil R. (2007). Fiziologia comportamentului (ed. A IX-a). Boston, MA: Pearson Education. ISBN 978-0-205-59389-7.
- Kandel, Eric R .; Schwartz, James H .; Jessell, Thomas M. (2000). Principiile științei neuronale (ediția a IV-a). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-8385-7701-1.
- Llinás R, Sugimori M, Simon SM (aprilie 1982). „Transmiterea prin depolarizare presinaptică, în formă de vârf, în sinapsa gigantului calmar” . Proc. Natl. Acad. Știință. SUA . 79 (7): 2415-9. Cod Bib : 1982PNAS ... 79.2415L . doi : 10.1073 / pnas.79.7.2415 . PMC 346205 . PMID 6954549 .
- Llinás R, Steinberg IZ, Walton K (1981). „Relația dintre curentul presinaptic de calciu și potențialul postsinaptic în sinapsele gigantului de calamar” . Jurnal biofizic . 33 (3): 323-352. Cod Bib : 1981BpJ .... 33..323L . doi : 10.1016 / S0006-3495 (81) 84899-0 . PMC 1327434 . PMID 6261850 .
- Urs, Mark F .; Connors, Barry W .; Paradiso, Michael A. (2001). Neuroștiințe: explorarea creierului . Hagerstown, MD: Lippincott Williams și Wilkins. ISBN 978-0-7817-3944-3.
- Hormuzdi, SG; Filippov, MA; Mitropoulou, G; Monyer, H; Bruzzone, R (martie 2004). „Sinapse electrice: un sistem de semnalizare dinamică care modelează activitatea rețelelor neuronale” . Biochim Biophys Acta . 1662 (1-2): 113-137. doi : 10.1016 / j.bbamem.2003.10.023 . PMID 15033583 .
- Karp, Gerald (2005). Biologie celulară și moleculară: concepte și experimente (ediția a IV-a). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-46580-5.
- Nicholls, JG; Martin, AR; Wallace, BG; Fuchs, PA (2001). De la neuron la creier (ed. A 4-a). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-439-3.
linkuri externe
- Synapse Review pentru copii
- Sinapsele Biologymad.com (2004)
- Synapse - Baza de date centrată pe celulă
- Atlasul neurocitologiei ultrastructurale O mare galerie de imagini cu microscop electronic, asamblată de laboratorul sinapselor și altor structuri neuronale ale lui Kristen Harris.