Kemisk synaps - Chemical synapse

Konstnärlig tolkning av huvudelementen i kemisk synaptisk överföring. En elektrokemisk våg som kallas en åtgärdspotential färdas längs en neurons axon . När åtgärdspotentialen når den presynaptiska terminalen, provocerar den frisläppandet av en synaptisk vesikel och utsöndrar dess kvantitet av neurotransmittormolekyler . Neurotransmittorn binder till kemiska receptormolekyler som finns i membranet hos en annan neuron, den postsynaptiska neuronen, på motsatt sida av den synaptiska klyftan.

Kemiska synapser är biologiska knutpunkter genom vilka neurons signaler kan sändas till varandra och till icke-neuronala celler som de i muskler eller körtlar . Kemiska synapser tillåter neuroner att bilda kretsar i centrala nervsystemet . De är avgörande för de biologiska beräkningar som ligger till grund för uppfattning och tanke. De tillåter nervsystemet att ansluta till och styra andra system i kroppen.

Vid en kemisk synap släpper en neuron neurotransmittormolekyler till ett litet utrymme (den synaptiska klyftan ) som ligger intill en annan neuron. Neurotransmittorerna finns i små säckar som kallas synaptiska vesiklar och släpps ut i den synaptiska klyftan genom exocytos . Dessa molekyler binder sedan till neurotransmittorreceptorer på den postsynaptiska cellen. Slutligen rensas signalsubstanserna från synapsen genom en av flera potentiella mekanismer, inklusive enzymatisk nedbrytning eller återupptagning av specifika transportörer antingen på den presynaptiska cellen eller på någon annan neuroglia för att avsluta neurotransmittorns verkan.

Den vuxna mänskliga hjärnan beräknas innehålla från 10 14 till 5 × 10 14 (100–500 biljoner) synapser. Varje kubik millimeter av hjärnbarken innehåller ungefär en miljard ( kort skala , dvs 109 ) av dem. Antalet synapser i den mänskliga hjärnbarken har separat uppskattats till 0,15 kvadriljon (150 biljoner)

Ordet "synaps" introducerades av Sir Charles Scott Sherrington 1897. Kemiska synapser är inte den enda typen av biologisk synaps: elektriska och immunologiska synapser finns också. Utan kvalificering hänvisar dock "synaps" vanligtvis till kemisk synaps.

Strukturera

Struktur för en typisk kemisk synaps
Skilj mellan före och efter synaps
"Anslutningen som länkar neuron till neuron är synapsen. Signalen flyter
i en riktning, från den presynaptiska neuronen till den postsynaptiska neuronen
via synapsen som fungerar som en variabel dämpare." I korthet
bestämmer signalflödets riktning prefixet för de involverade
synapserna.

Synapser är funktionella kopplingar mellan neuroner eller mellan neuroner och andra typer av celler. En typisk neuron ger upphov till flera tusen synapser, även om det finns vissa typer som gör mycket färre. De flesta synapser ansluter axoner till dendriter , men det finns också andra typer av anslutningar, inklusive axon-till-cell-kropp, axon-till-axon och dendrit-till-dendrit . Synapser är i allmänhet för små för att vara igenkännliga med hjälp av ett ljusmikroskop förutom som punkter där membranen i två celler verkar beröra, men deras cellulära element kan visualiseras tydligt med hjälp av ett elektronmikroskop .

Kemiska synapser överför information riktad från en presynaptisk cell till en postsynaptisk cell och är därför asymmetriska i struktur och funktion. Den presynaptiska axonterminalen , eller synaptiskbouton, är ett specialiserat område inom axonen i den presynaptiska cellen som innehåller neurotransmittorer inneslutna i små membranbundna sfärer som kallas synaptiska vesiklar (liksom ett antal andra stödstrukturer och organeller, såsom mitokondrier och endoplasmatisk retikulum ). Synaptiska vesiklar är dockade vid det presynaptiska plasmamembranet i regioner som kallas aktiva zoner .

Omedelbart mittemot är en region av den postsynaptiska cellen innehållande neurotransmittorreceptorer ; för synapser mellan två neuroner kan den postsynaptiska regionen hittas på dendriterna eller cellkroppen. Omedelbart bakom det postsynaptiska membranet finns ett utarbetat komplex av sammankopplade proteiner som kallas postsynaptisk densitet (PSD).

Proteiner i PSD är involverade i förankring och handel med neurotransmittorreceptorer och modulering av dessa receptors aktivitet. Receptorerna och PSD: erna återfinns ofta i specialiserade utskjutningar från den huvudsakliga dendritiska axeln som kallas dendritiska spines .

Synapser kan beskrivas som symmetriska eller asymmetriska. När de undersöks under ett elektronmikroskop kännetecknas asymmetriska synapser av rundade vesiklar i den presynaptiska cellen och en framträdande postsynaptisk densitet. Asymmetriska synapser är vanligtvis excitatoriska. Symmetriska synapser har däremot platta eller långsträckta vesiklar och innehåller inte en framträdande postsynaptisk densitet. Symmetriska synapser är vanligtvis hämmande.

Den synaptiska klyftan- även kallad synaptisk gap- är ett gap mellan de pre- och postsynaptiska cellerna som är cirka 20 nm (0,02 μ) bred. Den lilla volymen i klyftan gör att neurotransmittorkoncentrationen kan höjas och sänkas snabbt.

Ett autaps är en kemisk (eller elektrisk) synaps som bildas när axonen i en neuron synapser med sina egna dendriter.

Signalering i kemiska synapser

Översikt

Här är en sammanfattning av händelseförloppet som sker i synaptisk överföring från en presynaptisk neuron till en postsynaptisk cell. Varje steg förklaras mer detaljerat nedan. Observera att med undantag för det sista steget kan hela processen bara köra några hundra mikrosekunder i de snabbaste synapserna.

  1. Processen börjar med en våg av elektrokemisk excitation som kallas en åtgärdspotential som reser längs membranet i den presynaptiska cellen tills den når synapsen.
  2. Den elektriska depolarisationen av membranet vid synapsen gör att kanaler öppnas som är permeabla för kalciumjoner.
  3. Kalciumjoner flödar genom det presynaptiska membranet, vilket snabbt ökar kalciumkoncentrationen i det inre.
  4. Den höga kalciumkoncentrationen aktiverar en uppsättning kalciumkänsliga proteiner fästa vid vesiklar som innehåller en neurotransmittorkemikalie .
  5. Dessa proteiner ändrar form, vilket gör att membranen i vissa "dockade" vesiklar smälter ihop med membranet i den presynaptiska cellen och öppnar därigenom vesiklarna och dumpar deras neurotransmittorinnehåll i den synaptiska klyftan, det smala utrymmet mellan membranen i pre- och postsynaptic celler.
  6. Neurotransmittorn diffunderar i klyftan. En del av den rymmer, men en del av den binder till kemiska receptormolekyler som finns på membranet i den postsynaptiska cellen.
  7. Bindningen av signalsubstansen gör att receptormolekylen aktiveras på något sätt. Flera typer av aktivering är möjliga, såsom beskrivs mer i detalj nedan. Detta är i alla fall det viktigaste steget genom vilket den synaptiska processen påverkar den postsynaptiska cellens beteende.
  8. På grund av termisk vibration bryter atomernas rörelse, som vibrerar kring deras jämviktslägen i ett kristallint fast ämne, så småningom neurotransmittormolekyler lossnar från receptorerna och försvinner.
  9. Neurotransmittorn reabsorberas antingen av den presynaptiska cellen och packas sedan om för framtida frisläppning, annars bryts den ned metaboliskt.

Neurotransmittor släpps

Frisättning av signalsubstans sker i slutet av axonala grenar.

Frisättningen av en signalsubstans utlöses av ankomsten av en nervimpuls (eller handlingspotential ) och sker genom en ovanligt snabb process av cellulär utsöndring ( exocytos ). Inom den presynaptiska nervterminalen är vesiklar som innehåller neurotransmittor lokaliserade nära det synaptiska membranet. Den kommande åtgärdspotentialen producerar en tillströmning av kalciumjoner genom spänningsberoende, kalciumselektiva jonkanaler vid åtgärdspotentialens nedre slag (svansström). Kalciumjoner binder sedan till synaptotagminproteiner som finns i membranen i de synaptiska vesiklarna, vilket gör att vesiklarna kan smälta ihop med det presynaptiska membranet. Fusion av en vesikel är en stokastisk process, vilket leder till frekvent misslyckande av synaptisk överföring vid de mycket små synapser som är typiska för centrala nervsystemet . Stora kemiska synapser (t.ex. den neuromuskulära korsningen ) har å andra sidan en sannolikhet för synaptisk frisättning på 1. Vesikelfusion drivs av verkan av en uppsättning proteiner i den presynaptiska terminalen som kallas SNARE . Som helhet kallas proteinkomplexet eller strukturen som förmedlar dockning och sammansmältning av presynaptiska vesiklar den aktiva zonen. Membranet som tillsätts genom fusionsprocessen hämtas senare genom endocytos och återvinns för bildning av färska neurotransmittorfyllda vesiklar.

Ett undantag från den allmänna trenden med neurotransmittorfrisättning genom vesikulär fusion finns i typ II -receptorceller hos däggdjurs smaklökar . Här frigörs signalsubstansen ATP direkt från cytoplasman in i den synaptiska klyftan via spänningsgrindade kanaler.

Receptorbindning

Receptorer på motsatt sida av det synaptiska gapet binder neurotransmittormolekyler. Receptorer kan svara på något av två allmänna sätt. För det första kan receptorerna direkt öppna ligand-gated jonkanaler i det postsynaptiska cellmembranet, vilket får joner att komma in eller ut ur cellen och förändra den lokala transmembranpotentialen . Den resulterande förändringen i spänning kallas en postsynaptisk potential . I allmänhet är resultatet excitatoriskt vid depolariserande strömmar och hämmande vid hyperpolariserande strömmar. Huruvida en synaps är excitatorisk eller hämmande beror på vilken eller vilka typer av jonkanaler som leder den postsynaptiska strömmen, vilket i sin tur är en funktion av typen av receptorer och signalsubstanser som används vid synapsen. Det andra sättet en receptor kan påverka membranpotentialen är genom att modulera produktionen av kemiska budbärare inuti den postsynaptiska neuronen. Dessa andra budbärare kan sedan förstärka det hämmande eller excitatoriska svaret på signalsubstanser.

Uppsägning

Efter att en signalsubstansmolekyl binder till en receptormolekyl måste den avlägsnas så att det postsynaptiska membranet kan fortsätta att vidarebefordra efterföljande EPSP och/eller IPSP . Denna borttagning kan ske genom en eller flera processer:

  • Neurotransmittorn kan diffundera bort på grund av termiskt inducerade svängningar av både den och receptorn, vilket gör den tillgänglig för att brytas ned metaboliskt utanför neuron eller att reabsorberas.
  • Enzymer i det subsynaptiska membranet kan inaktivera/metabolisera signalsubstansen.
  • Återupptagningspumpar kan aktivt pumpa neurotransmittorn tillbaka till den presynaptiska axonterminalen för upparbetning och återfrisättning efter en senare åtgärdspotential.

Synaptisk styrka

Styrkan hos en synaps har definierats av Sir Bernard Katz som produkten av (presynaptisk) sannolikhet för frisläppande pr , kvantstorlek q (det postsynaptiska svaret på frisläppandet av en enda signalsubstansvesikel, en 'kvant'), och n , antalet av släppplatser. "Enhetsanslutning" avser vanligtvis ett okänt antal enskilda synapser som förbinder en presynaptisk neuron med en postsynaptisk neuron. Amplituden för postsynaptiska potentialer (PSP) kan vara så låg som 0,4 mV till så hög som 20 mV. Amplituden hos en PSP kan moduleras av neuromodulatorer eller kan ändras till följd av tidigare aktivitet. Förändringar i den synaptiska styrkan kan vara kortvariga, varande sekunder till minuter eller långsiktiga ( långsiktiga potentiering eller LTP), varaktiga timmar. Inlärning och minne antas bero på långsiktiga förändringar i synaptisk styrka, via en mekanism som kallas synaptisk plasticitet .

Receptor desensibilisering

Desensibilisering av postsynaptiska receptorer är en minskning av svaret på samma neurotransmittorstimulans. Det betyder att styrkan hos en synaps i själva verket kan minska när ett handlingspotential kommer snabbt i följd-ett fenomen som ger upphov till det så kallade frekvensberoendet för synapser. Nervsystemet utnyttjar denna egenskap för beräkningssyfte och kan ställa in dess synapser med hjälp av fosforylering av de involverade proteinerna.

Synaptisk plasticitet

Synaptisk överföring kan ändras genom tidigare aktivitet. Dessa förändringar kallas synaptisk plasticitet och kan resultera i antingen en minskning av synapsens effekt, kallad depression, eller en ökning av effekten, kallad potentiering. Dessa förändringar kan antingen vara långsiktiga eller kortsiktiga. Former av kortsiktig plasticitet inkluderar synaptisk trötthet eller depression och synaptisk förstoring . Former av långsiktig plasticitet inkluderar långtidsdepression och långsiktig potentiering . Synaptisk plasticitet kan antingen vara homosynaptisk (förekommer vid en enda synaps) eller heterosynaptisk (förekommer vid flera synapser).

Homosynaptisk plasticitet

Homosynaptisk plasticitet (eller även homotropisk modulering) är en förändring i den synaptiska styrkan som härrör från aktivitetshistorien vid en viss synaps. Detta kan bero på förändringar i presynaptiskt kalcium samt feedback på presynaptiska receptorer, dvs en form av autokrin signalering . Homosynaptisk plasticitet kan påverka antalet och påfyllningshastigheten för vesiklar eller det kan påverka förhållandet mellan kalcium och vesikelfrisättning. Homosynaptisk plasticitet kan också vara postsynaptisk till sin natur. Det kan resultera i antingen en ökning eller minskning av synaptisk styrka.

Ett exempel är neuroner i det sympatiska nervsystemet (SNS), som frisätter noradrenalin , som förutom att påverka postsynaptiska receptorer också påverkar presynaptiska α2-adrenerga receptorer , vilket hämmar ytterligare frisättning av noradrenalin. Denna effekt används med klonidin för att utföra hämmande effekter på SNS.

Heterosynaptisk plasticitet

Heterosynaptisk plasticitet (eller även heterotropisk modulering) är en förändring i synaptisk styrka som härrör från aktiviteten hos andra neuroner. Återigen kan plasticiteten förändra antalet vesiklar eller deras påfyllningshastighet eller förhållandet mellan kalcium och vesikelfrisättning. Dessutom kan det direkt påverka kalciuminflödet. Heterosynaptisk plasticitet kan också vara postsynaptisk till sin natur, vilket påverkar receptorkänsligheten.

Ett exempel är återigen neuroner i det sympatiska nervsystemet , som frisätter noradrenalin , vilket dessutom genererar en hämmande effekt på presynaptiska terminaler av neuroner i det parasympatiska nervsystemet .

Integrering av synaptiska ingångar

I allmänhet, om en excitatorisk synaps är tillräckligt stark, kommer en aktionspotential i den presynaptiska neuronen att utlösa en aktionspotential i den postsynaptiska cellen. I många fall når den excitatoriska postsynaptiska potentialen (EPSP) inte tröskeln för att framkalla en åtgärdspotential. När åtgärdspotentialer från flera presynaptiska neuroner eldar samtidigt, eller om en enda presynaptisk neuron avfyras med tillräckligt hög frekvens, kan EPSP överlappa och summera. Om tillräckligt många EPSP överlappar varandra kan den summerade EPSP nå tröskeln för att initiera en åtgärdspotential. Denna process är känd som summering och kan fungera som ett högpassfilter för neuroner.

Å andra sidan kan en presynaptisk neuron som släpper ut en hämmande neurotransmittor, såsom GABA , orsaka en hämmande postsynaptisk potential (IPSP) i den postsynaptiska neuronen, vilket leder membranpotentialen längre bort från tröskeln, minskar dess upphetsning och gör det svårare för neuron för att initiera en åtgärdspotential. Om en IPSP överlappar med en EPSP kan IPSP i många fall hindra neuronen från att skjuta en åtgärdspotential. På detta sätt kan utsignalen från en neuron bero på ingången från många olika neuroner, som var och en kan ha olika grad av inflytande, beroende på styrkan och typen av synaps med den neuronen. John Carew Eccles utförde några av de viktiga tidiga experimenten med synaptisk integration, för vilken han fick Nobelpriset för fysiologi eller medicin 1963.

Volymöverföring

När en signalsubstans frigörs vid en synaps når den sin högsta koncentration inuti det smala utrymmet i den synaptiska klyftan, men en del av den kommer säkert att sprida sig innan den reabsorberas eller bryts ner. Om det sprider sig bort har det potential att aktivera receptorer som är placerade antingen vid andra synapser eller på membranet bort från eventuella synapser. Den extrasynaptiska aktiviteten hos en signalsubstans är känd som volymöverföring . Det är väl etablerat att sådana effekter uppstår till viss del, men deras funktionella betydelse har länge varit en kontrovers.

Senare arbete tyder på att volymöverföring kan vara det övervägande interaktionssättet för vissa speciella typer av neuroner. I hjärnbarken hos däggdjur kan en klass av neuroner som kallas neurogliaformceller hämma andra närliggande kortikala neuroner genom att släppa neurotransmittorn GABA till det extracellulära utrymmet. Längs samma ven verkar GABA som frigörs från neurogliaformceller i det extracellulära utrymmet också på omgivande astrocyter , vilket tilldelar en roll för volymöverföring vid kontroll av jonisk och neurotransmittor homeostas. Cirka 78% av neurogliaform cellboutoner bildar inte klassiska synapser. Detta kan vara det första definitiva exemplet på neuroner som kommunicerar kemiskt där klassiska synapser inte finns.

Förhållande till elektriska synapser

En elektrisk synaps är en elektriskt ledande länk mellan två angränsande neuroner som bildas vid ett smalt gap mellan de pre- och postsynaptiska cellerna , kända som en gap-korsning . Vid gap -korsningar närmar sig celler inom cirka 3,5  nm från varandra, snarare än 20 till 40 nm avståndet som separerar celler vid kemiska synapser. I motsats till kemiska synapser orsakas den postsynaptiska potentialen i elektriska synapser inte av öppnandet av jonkanaler med kemiska sändare, utan snarare av direkt elektrisk koppling mellan båda neuronerna. Elektriska synapser är snabbare än kemiska synapser. Elektriska synapser finns i hela nervsystemet, inklusive i näthinnan , thalamusens retikulära kärna , neocortex och i hippocampus . Medan kemiska synapser finns mellan både excitatoriska och hämmande neuroner, finns elektriska synapser oftast mellan mindre lokala hämmande neuroner. Elektriska synapser kan existera mellan två axoner, två dendriter eller mellan en axon och en dendrit. Hos vissa fiskar och amfibier kan elektriska synapser hittas inom samma terminal för en kemisk synaps, som i Mauthner -celler .

Effekter av droger

En av de viktigaste egenskaperna hos kemiska synapser är att de är platsen för åtgärder för de flesta psykoaktiva läkemedel . Synapser påverkas av droger, såsom curare, stryknin, kokain, morfin, alkohol, LSD och otaliga andra. Dessa läkemedel har olika effekter på synaptisk funktion och är ofta begränsade till synapser som använder en specifik signalsubstans. Till exempel, curare är ett gift som stoppar acetylkolin från depolariserande det postsynaptiska membranet, vilket orsakar förlamning . Strychnine blockerar de hämmande effekterna av signalsubstansen glycin , vilket får kroppen att ta upp och reagera på svagare och tidigare ignorerade stimuli, vilket resulterar i okontrollerbara muskelspasmer . Morfin verkar på synapser som använder endorfin -neurotransmittorer, och alkohol ökar de hämmande effekterna av signalsubstansen GABA . LSD stör synapser som använder signalsubstansen serotonin . Kokain blockerar återupptag av dopamin och ökar därför dess effekter.

Historia och etymologi

Under 1950 -talet observerade Bernard Katz och Paul Fatt spontana miniatyrsynaptiska strömmar vid grodens neuromuskulära korsning . Baserat på dessa observationer utvecklade de den ”kvanthypotes” som ligger till grund för vår nuvarande förståelse av neurotransmittorfrisättning som exocytos och för vilken Katz fick Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1970. I slutet av 1960 -talet avancerade Ricardo Miledi och Katz hypotesen att depolarisationsinducerad tillströmning av kalciumjoner utlöser exocytos .

Sir Charles Scott Sherringtonin myntade ordet 'synaps' och ordets historia gavs av Sherrington i ett brev som han skrev till John Fulton:

'Jag kände behovet av något namn för att kalla korsningen mellan nervcell och nervcell ... jag föreslog att man skulle använda "syndesm" ... Han [ Sir Michael Foster ] rådfrågade sin treenighetsvän Verrall , den euripidiska forskaren, om det , och Verrall föreslog "synaps" (från grekiska "lås") .'– Charles Scott Sherrington

Se även

Anteckningar

Referenser

externa länkar

Lyssna på denna artikel ( 7 minuter )
Talad Wikipedia -ikon
Denna ljudfil skapades från en översyn av denna artikel av den 19 juni 2005 och återspeglar inte efterföljande ändringar. ( 2005-06-19 )