3 Mecanismele excitabilitatii si conducerii nervoase

27/10/10

1

Mecanisme celulare şi Mecanisme celulare şi moleculare ale

excitabilităţii celulei nervoase

Interacţiunea stimul - receptor - răspuns

r r

chimic

fizic

stimul c e

p t o

o

c e

s o

?răspuns

R e

P

r ?

27/10/10

2

…Due to its ability to give rise to spontaneous activity, the brain does not simply process information but also generates information....spontaneous neuron activity, far from being mere noise, is actually the source of cognitive abilities....the source of spontaneous neuron

György Buzsáki

pactivity (noise), has never been identified and has been assumed to result from brain’s imperfections.

excitabilitatePremise

identitatepermeabilitate

selectivă membranară

evoluţie

Interrelaţiile dintre proprietăţile membranei celulare şi principalele dimensiuni ale existenţei sistemelor biologice

adaptabilitate

27/10/10

3

C l i i

Sistemul de transport ionic membranar (STIM)

- Canale ionice- Pompe ionice

- Transportori ionici

27/10/10

4

Extracelular

Bistrat lipidic (3nm)

Retinal legat de lizina

Bacteriorodopsina (Alberts B. 2008)

Citosol

transport membranar

canal proteic t t i

bistrat lipidic

proteic transportori

Gradient de concentraţie

transport pasiv

difuzie simpla

mediată de canale

mediată de transportori

mediată de pompe

transport activadaptat după MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL. 2008

27/10/10

5

Carlo Matteucci (1811-68)a conceput

Canale ionice

Carlo Matteucci (1811 68)a conceput termenul şi a inregistrat curentul de leziune

Emil du Bois-Reymond (1818–1896) –y ( )ţesutul viu este compus din “molecule electrice”

Sidney Ringer (1836–1910) Rolul Ca în contracţia musculară

Canale ionice

În 1902, Julius Bernstein (1839-1917), ( )- celula excitabilă este mărginită de o membrană selectiv permeabilă pentru K în repaus şi devine permeabilă pentru alţi ioni în timpul excităriiIn 1907, John Newton Langley (1852–1925) a introdus conceptul demoleculă receptor pe suprfaţa celulelor nervoase şi musculare

27/10/10

6

Canale ioniceDefiniţie - structuri proteice transmembra-nare, celulare sau subcelulare ce permit

-canale ionice fără poartă necontrolate

transportul ionic conform gradientului electrochimic Clasificare - f(x) mec. de funcţionare:

(pasiv)

-canale ionice controlate (gated)

-canale ionice fără poartă, necontrolate (nongated)

Structura- proteine conţinînd până la 2000 aa, organizate în 3-6 segmente

Canale ionice

g gtransmembranare; peste 400 de gene controlează formarea canalelor ionice –170 gene pt. canalele de K, 38 pt Ca, 29 pt Na 58 pt Cl 15 pt receptoriiNa, 58 pt Cl, 15 pt.receptorii glutamatergici

27/10/10

7

Canale de Na+ voltaj- dependenteidentificat 1970

Structura canal de Na voltaj dependentP P

Canale ionice fără poartă (de repaus)

-asigură menţinerea potenţialului de

Clasificare: K+, Na+, Ca2+, Cl-

fluxul ionic de cca 1000 de ori mai

repaus prin transportul ionic pasiv, în echilibru cu transportul activ primar şi secundar

-fluxul ionic de cca. 1000 de ori mai redus decât cel prin canale ionice controlate (cu poartă)

27/10/10

8

Canale ionice

controlate (gated) de voltaj

Canale ionice controlate (gated)

- controlate (gated) – de voltaj

- controlate (gated) – de mediator

- controlate (gated) – mecanic (g )

Canale ionice cu poartă

Particularităţi:-permit un flux contolat mai rapid-permit un flux contolat mai rapid...

-participă la generarea, transmiterea sau modularea potenţialului de acţiune

i tă di it t i-au fost descoperite primele-prezintă o diversitate mai mare

-reprezintă principala ţintă terapeutică

27/10/10

9


Voltaj dependenteVoltaj dependente

Canale de Na+ voltaj- dependenteidentificat 1970

Structura canal de Na voltaj dependentP P

27/10/10

10

-subunitatea α - (α1- α9/ Nav 1- 9)

Canale de Na+ voltaj- dependente

-1800-2000 aa

-subunitatea β

-1800-2000 aa

-formează porul canalului

- controlează transportul ionic- controlează transportul ionic- ancorează canalul în membrana celulară

Distribuţie, rol


Nav 1-3, Nav 6-9 – în SNP, SNC cu rol in durere – pot fi mai multe tipuri pe acceaşi celulă nervoasă

Nav 4-5 – în m. scheletic şi miocard

Nav1.6 – în celule imune, microglia şi macrofage

27/10/10

11

extracelular


membrană celulară

+

poartă de inactivare

poartă de activare

REPAUS (închis)

ACTIVAT (deschis)

+

+

INACTIVAT (închis)

27/10/10

12

K+ansă de selecţiefiltru de selecţie

OO O

O

O O

Filtrul de selecţie

vestibulpor

citosol

ΦNa = 0,095 nm

ΦK = 0,133 nm


Controlate chimicControlate chimic

27/10/10

13

Canale ionice – Ach

Schema generala a receptorului de NMDA

NMDA – N-metil-D-aspartat; PCP- fenciclidina; MK-801 - dizocilpina

27/10/10

14

Kai

nat

K

ain

at

00

00 n

M, C

A3

nM

, CA

3

KK 2020B

icu

culină

Bic

ucu

lină

20

20 µµ

M, C

A3

M, C

A3

CONTROLCONTROL CRICRIZĂ EVOCATĂ CRIZĂ SPONTANĂZĂ EVOCATĂ CRIZĂ SPONTANĂ

BB 22

Bicuculina


Controlate mecanicControlate mecanic

27/10/10

15

intracelular

situs de ancorare

STIM

extrcelular

membrană celulară

proteină fibrilară

membrană celulară

intracelular

situs de ancorareextrcelular

STIM

membrană celulară

poartăproteină fibrilară

intracelular

27/10/10

16

particularităţi funcţionale

POMPE IONICE

t t ti i i l i- transport activ-ioni, mol. organice- implică reacţii enzimatice- rată mică de transport

POMPE IONICEtip P

P N K- Pompa Na-K- Schatzmann 1953 glicozide cardiace- Skou, 1957 ATP-aza activata de Na şi K 1977, PN

27/10/10

17

citosol

extracelular

ROL

EEExxxtttrrraaaccceeelll AAA

Pompa de Ca

SSSiiittt ddd lll CCC 222+++

IIInnntttrrraaaccceeelll...

NNN

CCC

SSSiiitttuuusss dddeee llleeegggaaarrreee aaa CCCaaa222+++

SSSiiitttuuusssuuulll AAATTTPPP---aaazzzeeeiii CCCaaalllmmmoooddduuullliiinnnăăă

SSSiiitttuuusssuuulll dddeee llleeegggaaarrreee aaa AAATTTPPP

27/10/10

18

Transportori ionici

- Na/Ca - Na/H

- Cl/HCO3 -- Na/ aa, Na/G - Na/HCO3

3- Na/K/2Cl - K/Cl

3Na+

K+

H+

H+

Ca2+

POMPE

K+

TRANSPORTORI

Cl-

Ca2+

K+

Cl-

Cl-

AA

Na+

CANALE

27/10/10

19

Transport ionic membranar

Interrelaţii excitabilitate-

Concluzii

metabolism

Distribuţia sarcinilor electrice

27/10/10

20

Concentraţia intra- extracelulară a principalilor ioni în celula mamiferelor (mMol)(mMol)

Ion Extracelular IntracelularNa+ 145 12K+ 4 155Ca2+ 1 8 0 001(rep)– 0 1(activ )Ca2 1.8 0.001(rep)– 0.1(activ.)Cl– 123 4.2Mg2+ 1.5 0.8

Potenţial de acţiune

0

m

V PAPA

NaNa++

KK++

50 KK

27/10/10

21

+20

repolarizaredepolarizare

- 60

Pm (

mV

)

repolarizaredepolarizare

depolarizare

timp (ms)

Variaţia potenţialului de membrană în raport cu activitatea celulei nervoase

hiperpolarizare repolarizare

Conducerea, transmiterea şiprocesarea semnalului în

sistemul nervos

27/10/10

22


sistemul nervosRepere istorice - Valenstein E S 2005. “The war Repere istorice

L.Galvani 1791- 97-electricitatea animală

A.Volta-bateria electrică -1800

Valenstein E S 2005. The war of the soups and sparks”- Columbia University Press

Otto Loewi-1920- AchCole şi Curtis -1939, Hodkin & Katz1949- PA / Na

Ch. Sherrington 1897- Sinapsa

I Transmiterea sinaptică


sistemul nervosI. Transmiterea sinapticăTransmiterea sinaptică electricăTransmiterea sinaptică chimică

II. Transmiterea nonsinapticăp

Transmiterea efapticăTransmiterea auto- paracrinăTransmiterea hormonală

27/10/10

23

teaca demielină

nod Ranvier

strat demielină

strat demielină

axon

nucleu

axon

I. Date generaleSNC 1011 neuroni;

Transmiterea şi procesarea semnalului în sistemul nervo

SNC - 1011 neuroni;- 1000 sinapse/neuron

- neuron=microprocesor ?p

27/10/10

24

Tansmiterea sinaptică electrică

model tridimensionalal sinapsei electrice:

A. Secţiune prin sinapsă Fiecaresinapsă. Fiecare din cele două membrane conţine câte o jumătate din canalul sinaptic.

B ConformaţiaB.Conformaţia conexonului variază cu starea închis/deschis.

C. Semnificaţiefuncţională ?

27/10/10

25

Gap J.- unda de Ca - reţea astrocitarăGap J.- K - reţea astrocitarăGap J.- miocard, m. neted

Gap J.- teaca de mielina- B. Charcot-

Gap J. miocard, m. netedGap J.- pH, CaGap J.- transport mesageri secunzi

Marie- Tooth

Transmitere efaptică

27/10/10

26

Myoclonus of peripheral origin: two case reports.Tyvaert L, Krystkowiak P, Cassim F, Houdayer E, Kreisler A, Destée A, Defebvre L. Mov Disord. 2009 Jan 30;24(2):274‐7

Bilateral processing in chemical synapses with electrical 'ephaptic' feedback: a theoretical model. Savtchenko LP. Math Biosci. 2007 May;207(1):113‐37. Epub 2006 Oct 7.PMID: 17112549

Rhythmic neuronal discharge in the medulla and spinal cord of fetal rats in the absence of synaptic transmission. Ren J, Momose‐Sato Y, Sato K, Greer JJ. J Neurophysiol. 2006 Jan;95(1):527‐34. Epub 2005 Sep 7

+++

+++

Axon hillock

Neuron presinaptic

++

++

Neuron presinaptic

Neuron postsinaptic

27/10/10

27

Transmiterea sinaptică chimică

Sinapsa chimicăSegment presinaptic

E

AGONIŞTI

ANTAGONIŞTI

Celulă Sinapsă excitatorie

Sinapsă inhibitorie

glială

Segment postsinaptic

27/10/10

28

Neurotransmiţători cu moleculă mică şi enzimele lor de biosinteză

NeurotNeurotransmiransmiţătorţător Enzime Enzime Activitate Activitate

ACETIL COLINĂACETIL COLINĂ Colin acetiltransferazăColin acetiltransferază Specifică Specifică

AMINE BIOGENEAMINE BIOGENE

D i ăD i ă Ti i hid il ăTi i hid il ă S ifi ăS ifi ăDopamină Dopamină Tirozin hidroxilazăTirozin hidroxilază SpecificăSpecifică

Epinefrină Epinefrină Tirozin hidroxilază şi Tirozin hidroxilază şi dopamin b hidroxilazădopamin b hidroxilază

Norepinefrină Norepinefrină Tirozin hidroxilază şi Tirozin hidroxilază şi dopamin b hidroxilazădopamin b hidroxilază

SpecificăSpecifică

Serotonină Serotonină Triptofan hidroxilazăTriptofan hidroxilază SpecificăSpecifică

Histamină Histamină Histidin decarboxilazăHistidin decarboxilază Specificitate incertăSpecificitate incertă

AMINOACIZI AMINOACIZI

GABAGABA Glutamat decarboxilazăGlutamat decarboxilază Specificitate probabilăSpecificitate probabilă

Glutamat Glutamat Enzime din Enzime din metabolismul general metabolismul general

Cale specifică Cale specifică nedeterminatănedeterminată

Glicină Glicină Enzime din Enzime din metabolismul generalmetabolismul general

Cale specifică Cale specifică nedeterminatănedeterminată

Peptide cerebrale neuroactive clasificate după localizarea tisulară

Categoria Categoria Peptide Peptide

HORMONI ELIBERATORI HORMONI ELIBERATORI HIPOTALAMICIHIPOTALAMICI TRH, GnRH, Somatostatin, CRH, GHTRH, GnRH, Somatostatin, CRH, GH--RHRH

HORMONI NEUROHIPOFIZARIHORMONI NEUROHIPOFIZARI Vasopresină, OxitocinăVasopresină, Oxitocină

PEPTIDE HIPOFIZAREPEPTIDE HIPOFIZARE ACTH, BACTH, B--endorfină, Aendorfină, A--MSH, Prolactină, MSH, Prolactină, LH, GH, TSHLH, GH, TSH

PEPTIDE GASTROINTESTINALEPEPTIDE GASTROINTESTINALE

VIP, CCK, Gastrină, Neurotensină, MetVIP, CCK, Gastrină, Neurotensină, Met--Enkefalină, LeuEnkefalină, Leu--Enkefalină, SP, Enkefalină, SP, Insulină, Glucagon, Bombezină, Insulină, Glucagon, Bombezină, Secretină, SST, TRH, MotilinăSecretină, SST, TRH, Motilină

PEPTIDE CARDIACEPEPTIDE CARDIACE PANPAN

ALTELE ALTELE

Angiotensina II, Bradikinină, Angiotensina II, Bradikinină, Calcitonină, CGRP, NPYY, Galanină, Calcitonină, CGRP, NPYY, Galanină, Substanţa K (Neurokinina A), Peptide Substanţa K (Neurokinina A), Peptide de somnde somn

27/10/10

29

sinapsa colinergică

Receptori colinergici.

NicotiniciAg.nicotinaAtg. d-tubocurarina

MuscariniciAg.muscarina, pilocarpinaAtg. atropina

Ag.oxotremorinaAtg. propilbenzilcolina

Nicotinici musculariAg.feniltrimetilamoniuAtg. d-tubocurarina

Nicotinici neuronaliAg.dimetilfenilpiperazina

citisinaAtg. trimetafan, bungarotoxin

embrionar(α1)2βγδ nicotinici

linicotinici

limuscariniciM

jonctional(α1)2βεδ

neuronaliα 2-10

neuronaliβ2-5

M1-5

27/10/10

30

R. MUSCARINICI

Muscarinici M1pirenzepin

Muscarinici M2metoctraminămetoctramină

Muscarinici M3hexahidrosiladifenidol

Muscarinici M4himbacină

Muscarinici M5?

I. Distribuţia periferică

Distribuţia receptorilor colinergici

- m.scheletic (N)- s n v (N+M)

II. Distribuţia centrală – SNC (N+M)

III. Alte roluriorgs. unicelulare orgs. pluricelulare

dezvoltarediferenţiere

27/10/10

31

Receptorii nicotinici musculari embrionarit tă f ţ fib i l

I.Distribuţia receptorilor colinergici

- pe toată suprfaţa fibrei musculareneinervată sau denervată- au o rată mare a turnoverlui

Receptorii nicotinici musculari joncţionaliReceptorii nicotinici musculari joncţionali- la nivelul joncţiunii neuromusculare- au o rată mică a turnoverlui

Receptorii nicotinici neuronaliI.Distribuţia receptorilor colinergici

- sp.şi psp.din creasta neurală,i ă i id i

Receptorii muscarinici neuronali

- gg. postsinp. sp.,psp. şi MS.au proprietăţi identice

- postgg psp - m n visceral miocardpostgg.psp. m.n.visceral, miocardglande secretorii

- postgg.sp.- piloerecţie, sudoraţie

27/10/10

32

II.Distribuţia receptorilor colinergici-interneuronilor-corpul striat- controlul motor extrapiramidal şi memorie-neuronilor de proiecţie: din nc.bazali,conectati cu hipocampusulbulbul olfactiv şi cortex.(Meynert- b. Alz.

- cel. Renshaw

-din tr.cerebral, conectati cu talamusul,nc. interpeduncular,coliculii. sup

Transportor de colina

Transportor Transportor vezicular de ACh

Muscarinici carbacholedrofoniu

Sinapsa Colinergica

Nicotinici musc.suxametoniu

Muscarinici atropina

ACh

h

vesamicolACh

Colina

ChAT

Nicotinici nn.lobelina

suxametoniu

Nicotinici musc.D-tubocurarina

M.Gravis ?

ACh

fizostigmina

hemicolinium

AChAch

AChE

Colina + Ac-Colina + Ac -

AcCoANicotinici nn.hexametoniu

27/10/10

33

Trasportor de colina (ChT)

- 13 segmente transmembranare - grad mare de conservare filogenetică

- in neuron Na dependent situsuri de- in alte ţesuturi, (Km=10-100µ mol/L)

- in neuron, Na dependent, situsuri de fosforilare, (Km= 1-5 µ mol/L)

- co-localizat în membr. veziculară cu VAchT şi în membrana sinaptică

Trasportor de colina (ChT)

- blocarea endocitozei colinei ?- nr. şi activităţii ChT din membrana sinaptică

- stimularea sintezei şi elib. ACh ?- nr. şi activităţii ChT din membrana sinaptică

- captarea Ch = factor de control al biosintezei şi eliberării ACh

- tratamentul cu hemicolină ?

27/10/10

34

Transportor vezicular de acetilcolina (VAChT)

- 12 segmente transmembranare

- gena localizată pe Cr.X in apropierea genei de sinteza a ChAT

- este un antiporter H+ / ACh, ATP depentent

- este inhibat selectiv de vesamicol

depentent

Acetilcolinesteraza (AChE) -Este un important factor de controlal transmiterii sinaptice

- animale knock out prezinta un tremor continuu, dezvoltare deficitară, disfuncţii neurologice

I hibit i AChE i l i-Inhibitori AChE: sarinul, compuşi organofosforici induc fibrilaţii musculare, blocarea activităţii musculare

27/10/10

35

Acetilcolinesteraza (AChE) -succinilcolina blocant muscular competitiv - miorelaxant

i i- anticolinesteraze - tratament pentrumiastenia gravis, B.Alzhaimer

-inhibitori reversibili: edrofonium, galaminagalamina

sinapsa noradrenergică

27/10/10

36

Sinapsa noradrenergica

Subtipuri de receptori α1-adrenergici

α1A α1B α1DAminoacizi 430-476 515 560Cromosom 8 5 20Cale efectoare ↑Ca2+, PKC ↑Ca2+, PKC ↑ Ca2+, PKC

Distributie inimă ficat splină rinichi aortaDistributie inimă, ficat, splină, rinichi, aorta,cerebellum, creier fetal cortex cerebral

cortex cerebral, vase sangvase sanguine

27/10/10

37

Subtipuri de receptori α2-adrenergici

α2A α2B α2C

Aminoacizi 450 450 461Cromosom 10 2 4Cale efectoare ↓cAMP ↓cAMP ↓cAMPDistribution pancreas, ficat, inimă,plămân

intestin subţire, talamus aorta, hipocampuslocus ceruleus bulb olfactiv,

hipocampus

Subtipuri de receptori β-adrenergici

β1 β2 β3

Aminoacizi 477 413 402/408

Cromosom 10 5 8

Cale efectoare cAMP cAMP cAMP

Distributie inimă, rinichi, plămân,ficat creier,cortex cerebral cerebellum ţesut adiposcortex cerebral, cerebellum, ţesut adiposhipotalamus hipocampus,

cortex cerebral,muschi neted,bulb olfactiv

27/10/10

38

Caracteristici ale şoarecilor knockoutpentru receptori catecolaminergici

Knockout FenotipReceptor adrenergic 1A Scăderea presiunii arterialeReceptor adrenergic 1B Scăderea presiunii arteriale şi a răspunsului la

stimulenţii SNCReceptor adrenergic 1D Scăderea presiunii arteriale

Receptor adrenergic 2A Creşterea activităţii simpatice, tahicardieReceptor adrenergic 2B Scăderea răspunsului vasoconstrictor la

agoniştii α2R t d i 2C Fă ă f ti id tReceptor adrenergic 2C Fără un fenotip evidentReceptor adrenergic β1 Majoritatea mor prenatal

Receptor adrenergic β2 Modificări de tonus vascular şi de metabolism energetic în stres

Receptor adrenergic β3 Modificarea concentraţiilor de leptină şi insulină după tratamentul cu agonişti

sinapsa glutamatergică

27/10/10

39

Sinapsa glutamatergica

Transportori sinaptici

27/10/10

40

sinapsa GABAergică

BenzodiazepinesNonbenzodiazepine(Zolpidem)BarbituriceMethaqualoneBaclofenMuscimolProgabideTiagabine

BicucullineMetrazolFlumazenil

27/10/10

41


i t l sistemul nervosII. Transmiterea nonsinapticăTransmiterea hormonală

Transmiterea efapticăTransmiterea auto- paracrină

Modularea transmiterii semnalului

27/10/10

42

Componenta tComponenta trigger rigger si de conduceresi de conducere

Canale de Na+ voltaj- dependenteModularea activităţii

Na+receptor RACK

Gk

PLC

PKC activ

PKC inactiv

PInhibarea C Na incetinirea inactivării

Na1.8- PGE2 AMPC, efect opusTTX rezistent

[Ca2+]Ptdins(4,5)P2

DAG

Dopamina,D1,AMPc,PKA

Alţi modulatori

Muscarina Ach-PLC

Cocaina efectul DA

Fosfataza 1,2aCalcineurina

Defosforilare

27/10/10

43

27/10/10

44

27/10/10

45

27/10/10

46

27/10/10

47

3 Mecanismele excitabilitatii si conducerii nervoase

Documents

Transcript of 3 Mecanismele excitabilitatii si conducerii nervoase