Neurotransmitery

Neurotransmitery
www.urmc.rochester.edu
Przykłady głównych substancji przekaźnikowych w mózgu
Neurotransmitery muszą spełniać odpowiednie kryteria, m.in.:
•synteza i magazynowanie w neuronach presynaptycznych
•uwalnianie z pęcherzyków w wyniku depolaryzacji neuronów
( w sposób zależny od Ca2+)
•oddziaływanie ze specyficznym receptorem
• obecność „maszynerii” inaktywującej
działanie w synapsie
•system wychwytu zwrotnego
acetylocholina
serotonina
histamina
noradrenalina
dopamina

Neuromodulatory przekazują sygnał,
ale nie spełniają wszystkich powyższych kryteriów:
peptydy – brak systemu wychwytu zwrotnego,
tlenek azotu-m.in. nie jest magazynowany, nie uwalnia się na
„sygnał” depolaryzacyjny)
są też inne definicje, m.in.:
neurotransmitery to te, które zmieniają potencjał błonowy, a
wszystkie pozostałe to neuromodulatory
Aminokwasy:
pobudzające = excitatory: glutaminian (i asparaginian),
hamujące = inhibitory: GABA (kwas γ -amino-masłowy)
Peptydy:
m.in. opioidowe, substancja P, cholecystokinina,
neuropeptyd Y, czynniki wzrostu (BDNF, NGF i inne)
Ważne pojęcie: kotransmisji
Organizacja ważniejszych szlaków
neurotransmisyjnych
Neurotransmitery działają poprzez swoiste
receptory
Receptory można badać za
Muskarynowe M1-M5
pomocą radioligandów,
można wyznaczać ich liczby i
powinowactwo (analiza
Scatcharda)
DA
D1-D5
oraz rozmieszczenie (
autoradiografia) czy poziom
mRNA ( hybrydyzacja in situ)
5-HT
17 różnych podtypów receptorów
Glu
jonotropowe (NMD, AMPA, kainowe)
ACh
Nikotynowe
metabotropowe mGluR
Badania receptorowe in vitro i ex vivo
• Receptory dla neurotransmiterów bada się chyba
najintesywniej, in vitro oraz in vivo
• Wśród ligandów receptorów jest najwięcej leków lub
potencjalnych leków
• Związki naśladujące działanie neurotransmitera to
agoniści, a blokujące jego działanie – to antagoniści
ACETYLOCHOLINA
Ester kwasu octowego i choliny
Cholina ulega estryfikacji, tj. przyłączeniu reszty kwasu octowego
do acetylocholiny przy udziale enzymu acetylotransferazy
cholinowej
Powstała acetylocholina jest uwalniana z zakończeń presynaptycznych do
przestrzeni synaptycznej przez dopływające impulsy nerwowe, a część jej jest
magazynowana w ziarnistościach neuronów.
Po wydzieleniu z zakończeń presynaptycznych ACh działa na
swoiste receptory znajdujące się w zakończeniach postsynaptycznych i jest bardzo szybko rozkładana przez enzym
acetylocholinesterazę (AChE).
Jest to jedyny mechanizm unieczynniania acetylocholiny.
Związki fosforoorganiczne (tj. sarin czy soman) mają zdolność do
hamowania acetylocholinesterazy, co warunkuje ich toksyczność.
ACETYLOCHOLINA
najprawdopodobniej powstała wcześniej
niż sam układ nerwowy i funkcjonalne
synapsy;
Bakterie, grzyby, pierwotniaki czy rośliny
mają maszynerię syntetyzującą ACh;
Ponadto, znajduje się ona nie tylko w układzie
nerwowym, np. w różnych komórkach
epitelialnych, w łożysku;
Wydaje się, że może mieć znaczenie w regulacji
różnicowania komórek;
Po raz pierwszy zaproponowano rolę ACh
jako mediatora funkcji komórkowych w
1907 r. (Hunt), Dale w 1914 zauważył, że
działanie ACh naśladuje stymulację
układu parasympatycznego; w 1921
Loewi wykazał, że ACh jest uwalniana
przez komórki nerwowe
Synapsa cholinergiczna
Acetylocholina
• Synteza acetylocholiny wymaga enzymu,
acetylotransferazy choliny, ChAT– występującego tylko
w neuronach cholinergicznych (marker);
• Dostępność choliny reguluje ilość powstającej ACh;
• KD ChAT dla choliny wynosi 1 nM a dla CoA - 10µM –
aktywność enzymu in vitro w obecności optymalnej ilości
substratów i „ko-faktorów” jest wyższa niż in vivo – co
wskazuje, że in vivo ma miejsce represja enzymu;
• Inhibitory ChAT nie obniżają syntezy ACh in vivo – może
tak być, że nie osiąga się wystarczającego stężenia i
vivo ale może tez wskazuje to na fakt, że nie jest to
„rate-limiting step” w syntezie ACh.
Acetylocholina
• Dostępność choliny reguluje ilość powstającej
ACh;
• Cholina w osoczu występuje w stężeniu ok. 10
µM;
• System wychwytu choliny o niskim
powinowactwie (Km ok. 10-100 µM) występuje
we wszystkich tkankach;
• Tylko neurony cholinergiczne mają system o
wysokim powinowactwie (Km ok. 1-5 µM),
zależny od Na+ - system ten jest wysycany przy
stężeniu choliny ok. 10 µM czyli koncentracja w
osoczu wystarcza do stabilnej syntezy ACh
Acetylocholina
• Po syntezie w zakończeniach ACh jest transportowana
do pęcherzyków magazynujących – poprzez transporter
(VAChT), zbudowany podobnie jak transportery
pęcherzykowe innych neurotransmiterów (12 sekwencji
przechodzących przez błonę);
• Ciekawe – sekwencja VAChT jest kodowana w intronie
genu kodującego ChAT – wskazuje to na potencjalne
znaczenie ko-regulacji ekspresji;
• Wychwyt ACh do pęcherzyków regulowany jest przez
ATP;
• Vesamicol selektywnie (choć niekompetycyjnie) hamuje
ten transporter
Acetylocholina
• Przynajmniej połowa choliny do syntezy ACh pochodzi z
„recyklingu” czyli jest odzyskiwana przez neurony z
synapsy a także może pochodzić z rozkładu
fosfatydylocholiny;
• Trudno oszacować ilość ACh zawartą w pęcherzykach –
są dane pokazujące, że jest to ok. 2000 cząsteczek w
pojedynczym pęcherzyku;
• Szacuje się też, że są różne pule pęcherzyków –
„gotowe od razu”, „magazynujące”, „z opóźnionym
uwalnianiem” itp. – to dotyczy też innych
neurotransmiterów
AChE
• Acetylocholino-esteraza, AChE, rozkłada ACh, też jest
syntetyzowana w neuronach cholinergicznch, ale także i
w innych; jest jednym z najszybciej działających
enzymów;
• Wyróżnia się kilka form AChE, raczej na podstawie
sposobu przyłączenia do błony czy rozpuszczalności niż
z powodu różnic w aktywności katalitycznej; są to na
ogół kompleksy zbudowane z kilkunastu podjednostek
katalitycznych;
• AChE jest substratem działania wielu insektycydów i
gazów bojowych; śmierć następuje głównie w wyniku
paraliżu oddychania
AChE
• U ssaków można wyróżnić AChE kodowana przez 1
gen, natomiast u bezkręgowców jest wiele genów
kodujących AChE;
• U ssaków jest też wiele form AChE, które powstają na
drodze alternatywnego składania i po-translacyjnej
asocjacji podjednostek katalitycznych i strukturalnych.
Znane są 3 główne formy: T (tail), R (read through), and
H(hydrophobic).
• AChET – główna forma występująca w mózgu,
mięśniach i innych tkankach, są to formy hydrofilowe,
tworzą oligomery z podjednostkami strukturalnymi,
zawierającymi lipidy
• AChEH – zawiera hydrofobowy, odszczepialny peptyd z
kotwicą PI
• AChER – znana głównie z Torpedo sp. ale występuje też
u myszy
AChE
Receptory cholinergiczne
Receptory cholinergiczne
• Początkowo podział receptorów cholinergicznych
wynikał z obserwacji działania dwóch alkaloidów –
muskaryny i nikotyny (działanie agonistyczne);
• Antagoniści – atropina (M) i d-tubokuraryna (N) –
również działały inaczej, co potwierdzało podział;
• Receptory nikotynowe (N) dało się podzielić na
podtypy:
N1 – występuje w płytce nerwowo-mięśniowej;
blokowany przez tubokurarynę (kompetycyjnie) oraz
toksyny z jadu węży (nieodwracalnie)
N2 – wyst. w zwojach (ganglia), podobne do N2
występują także w OUN
Receptor nikotynowy = kanał jonowy;
pentamer
Receptory nikotynowe
• W OUN występuje przynajmniej 8
podjednostek α i trzy β, ponadto γ i δ
• Kombinacja tych podjednostek daje
różne podtypy receptorów, odmiennie
wrażliwych na toksyny
Receptor nikotynowy był oczyszczony jako pierwszy z wszystkich,
z Torpedo californica, gdzie gęstość tego receptora wynosi ok.100
pmol/mg białka (w porównaniu z 0,1 pmol/mg białka w mięśniach
szkieletowych); zbiegło się to z identyfikacją wrażliwości tego
receptora na α-bungarotoksynę, co pomogło w izolacji receptora a
następnie rozwiązanie jego struktury
Torpedo californica
Receptor nikotynowy
• Receptor nikotynowy jest
penatmerem,
podjednostki ułożone są
tak, że wewnątrz tworzy
się kanał przepuszczalny
dla kationów;
• Wykazano pozytywny
efekt allosteryczny
agonistów
Receptor nikotynowy - cd
• Podjednostki mają 30-40% homologii w sekwencji,
• Receptor jest pentamerem, ca. 280 kDa
• Kanał jest nieprzepuszczalny dla jonów w stanie
zamkniętym; otwiera się do średnicy 6,5 Å;
• Dwie podjednostki α oraz γ i δ tworzą dwa miejsca
wiązania dla agonisty (obydwa muszą być zajęte, żeby
doszło do aktywacji kanału; wykazano kooperatywność)
oraz kompetycyjnych antagonistów, ponadto – tworzą
powierzchnię, z którą łączą się α-toksyny;
• Wykazano też kilka miejsc wiązania dla
niekompetycyjnych antagonistów – na różnej głębokości
kanału, są to także miejsca wiązania lokalnych
anestetyków
Receptor nikotynowy - cd
• Receptory te mogą mieć też lokalizację presynaptyczną
– regulują wtedy uwalnianie neurotransmitera jako autolub heteroreceptory
• Wzrost ekspresji receptorów nikotynowych wynika z
nasilenia transkrypcji (podczas gdy wzrost ekspresji
AChE – raczej ze stabilizacji mRNA)
Receptory muskarynowe = GPCRs
Receptory muskarynowe - cd
• Aktywacja MR prowadzi do hamowania AC,
stymulacji PLC i regulacji kanałów K+ – zależy to
od rodzaju białka G, z którym wchodzą w
interakcję;
• Wewnątrzkomórkowe mediatory aktywacji MRs
to cAMP, DAG, IP3, Ca2+ ale też i cGMP;
• To wszystko, razem z aktywacją receptorów
nikotynowych – daje wielkie zróżnicowanie
końcowych efektów, które zależą też od
kombinacji receptorów występujących na tej
samej komórce
Receptory muskarynowe - cd
• Podział receptorów muskarynowych zaczął się
od wiązania pireznezpiny – antagonisty
(wysokie powinowactwo w korze mózgu,
hipokampie i zwojach = M1,, w sercu = M2);
• cDNA MRs koduje glikoproteiny o masie 55 do
70 kDA, należące do rodziny receptorów 7TM;
• Następnie sklonowano 3 dalsze receptory, M3M5;
• Dokładne regiony odpowiedzialne za
zróżnicowane wiązanie antagonistów nie są
jeszcze poznane;
Receptory muskarynowe - cd
• M1, M3 i M5 – stymulują PLC prawdopodobnie
poprzez interakcje z Gq/11, niewrażliwy na
toksynę krztuśca (Pertussis toxin), aktywuje
formę β PLC;
• PLC indukuje wzrost Ca2+ i pośrednio aktywuje
zależne od Ca 2+ kanały K+ i Cl-;
• M2 i M4 działają poprzez Gi (wrażliwy na toksynę
krztuśca) i hamują AC; ponadto regulują kanały
K+, poprzez interakcje z innym białkiem G;
• Selektywność MRs wobec białek G nie jest
absolutna;
Receptory muskarynowe - cd
• M1, M3 i M5 (ale nie M2 i M4) – stymulują
proliferację komórkowa i transformację –
wykorzystuje się to w badaniach
przeszukujących znaczenie mutacji;
• Podobnie – aktywacja kinaz MAP (tu działają M2
i M4 ale tez i M1/M3)
Receptory muskarynowe
Działanie inhibitorów AChE
Szlaki cholinergiczne w mózgu
• Neurony cholinergiczne są zarówno interneuronami jak i
układają się w dłuższe szlaki dające projekcje do wielu struktur
w OUN.
• Z ośrodka w pniu mózgu neurony cholinergiczne wstępująco
docierają do podwzgórza, podstawnego przodomózgowia,
wzgórza, ciała migdałowatego, hipokampa, substancji czarnej
oraz jąder nakrywki;
• Istnieją również włókna cholinergiczne zstępujące do móżdżku,
rdzenia przedłużonego oraz jąder nerwów czaszkowych.
• N. cholinergiczne dochodzą też do jąder miejsca sinawego, co
wskazuje na bezpośrednie interakcje w tym miejscu układu
noradrenergicznego i cholinergicznego.
• Uważa się również, że w wielu rejonach mózgu neurony
cholinergiczne towarzyszą monoaminoergicznym.
Szlaki cholinergiczne w mózgu
• Drugą istotną strukturą, z której wywodzą się neurony
cholinergiczne jest podstawne przodomózgowie. Tam
zlokalizowane jest jądro Meynerta oraz jądro środkowe
przegrody.
• Stąd zstępujące projekcje włókien cholinergicznych docierają
do ciała migdałowatego oraz hipokampa. Ważniejsze jednak
wydają się być projekcje wstępujące do kory mózgu, ciała
migdałowatego, przedniego zakrętu obręczy, opuszki
węchowej.
• To właśnie degeneracja włókien cholinergicznych w jądrach
przodomózgowia prowadząca do spadku unerwienia cholinergicznego
jest jedną z teorii tłumaczących etiopatogenezę choroby Alzheimera.
Pogłębiający się deficyt funkcji poznawczych koreluje ze stopniem utraty
neuronów cholinergicznych. Stąd udowodniona skuteczność leków
nasilających przekaźnictwo cholinergiczne. Na zwierzęcym modelu choroby
Alzheimera wykazano, że substancje będące selektywnymi agonistami
receptorów M1 mogą nie tylko zmniejszać nasilenie funkcji poznawczych, ale
również wpływać na procesy leżące u podstaw tej choroby.
Toksyny działające na ukł. cholinergiczny
• Najczęściej działanie związane jest z blokadą transmisji
nerwowo-mięśniowej
• Alfa toksyny z jadu węży (m.in. Alfa-bungarotoksyna,
neutotoksyna II, alfa-cobratoksyna, alfa-conotoksyna) –
inhibitory receptorów nikotynowych;
• Botox – toksyna z Clostridium botulinum – działa jako
bloker „maszynerii” uwalniającej pęcherzyki synaptyczne
(poprzez rozkład niektórych białek należących do
SNARE); niezwykle silna, wystarczy 10 cząsteczek do
zahamowania synapsy cholinergicznej;
• Toksyna pająka czarnej wdowy – prawdopodobnie
unieczynnia „maszynerię” uwalniającą ACh z synapsy w
sposób zależny od wapnia
Serotonina
• Odkryta jako substancja czynna w surowicy,
zwiększająca kurczliwość mięśni gładkich
naczyń krwionośnych;
• potem okazało się, że źródłem serotoniny we
krwi są płytki (chociaż tam nie ma syntezy 5-HT
tylko akumulacja);
• Oczyszczono ją w latach 40-tych XX w.
• Jako substancja hydrofilowa nie przekracza
BBB, odkrycie serotoniny w mózgu implikowało
konieczność syntezy w OUN
Serotonina - cd
• Odkrycie, że LSD antagonizuje niektóre efekty
serotoniny wzmocniło koncepcję, że jest to
ważna substancja – chociaż na początku jej
działanie ograniczano do przewodu
pokarmowego…
• W 1964 r. zastosowano nową technikę,
histofluorescencję (Dahlstrom i Fuxe) i
wykazano, ze w OUN większość ciał
komórkowych zawierających serotoninę
znajduje się w jądrach szwu (Raphe nuclei)
• Potem się okazało, że nie wszystkie komórki
raphe są serotoninergiczne
Największa grupa neuronów serotonergicznych – B7, tworzy continuum z B6;
często nazywane są dorsal raphe;
B8 – median raphe; przedłużona o B9;
Te regiony dają rozbudowane projekcje do przodomózgowia (median raphe raczej do
hipokampa, przegrody czy Hpt a dorsal – raczej do prążkowia, chociaż do kory
mózgowej projekcje idą z obydwu regionów
Raphe nuclei - projekcje
• Aksony z median raphe (typ M) raczej
rozgałęzione, większe, mają bogatsze
żylakowatości (varicosities)
• Aksony typu D (z dorsal raphe) są cieńsze, mają
mniej żylakowatości i mniejszych, są
podatniejsze na działanie pochodnych
amfetaminy, np. d-fenfluraminy, MDMA (3,4metyleno-dioksy-metamfetamina, ecstasy), czy
PCA (parachloroampfetamina);
• Generalnie bardzo rozgałęziony system
zakończeń
Synteza serotoniny
• Tryptofan pochodzi z diety,
• Ilość Trp transportowanego do mózgu jest
pochodną jego stężenia we krwi ale także relacji
do stężenia innych aa – dlatego obniżenie Trp w
diecie a zwiększenie innych aa będzie
skutkowało kompetycją o transport i może
prowadzić do spadku Trp w mózgu a tym
samym spadku stężenia serotoniny – możliwe
konsekwencje behawioralne
Hydroksylaza Trp – tylko w komórkach 5-HT;
Wymaga tlenu i pterydynowych kofaktorów, np.
BH4;
Km dla Trp wynosi ok. 30-60 µM, bliskie
stężeniu Trp w mózgu;
PCPA – inhibitor hydroksylazy Trp,
eksperymentalnie można obnizyc synteze
serotoniny
Dekarboksylaza aminokwasów
aromatycznych, AADC –
obecna nie tylko w neuronach 5-HT;
W szyszynce – 5-HT
jest prekursorem
melatoniny
Serotonina - cd
• Serotonina magazynowana jest w
pęcherzykach, wchodzi do nich poprzez
transport aktywny – transportery mają 12
transmembranowych segmentów, VMAT1 i
VMAT2 – odmienne od transporterów wychwytu
zwrotnego z zakończeń
• Mają inne inhibitory… chociaż fenfluramina i
MDMA hamują oba rodzaje
• W pęcherzykach są białka specyficznie wiążące
serotoninę, m.in. SBP, uwalniane z serotoniną (3
izoformy);
Serotonina - cd
• Wychwyt zwrotny – przez SERT,
• Proces aktywnego transportu, wymaga jonów
Na+ i Cl-, energia potrzebna do utrzymywania
gradientu Na+ w poprzek błony;
• 630 aa, pojedynczy gen na chromosomie 17;
• 12 segmentów transmembranowych, C- i Nkoniec – lokalizacja wewnątrzkomórkowa;
• mRNA w OUN – tylko w komórkach 5-HT;
• Modyfikowany potranslacyjnie (glikozylacja,
forsorylacja)
Metabolizm serotoniny
• MAO rozkłada serotoninę acetoaldehydu 5—
hydroksy-indolodowego a potem powstaje kwas
5-hydroksyindolooctowy (5-HIIA) – główny
metabolit 5-HT w mózgu;
• MAO-A i MAO-B – falowonoproteiny, integralnie
związane z zewnętrzną błoną mitochondrialną
neuronów ale też i komórek glejowych;
• MAO-A – preferencyjnie metabolizuje 5-HT i NA
• MAO-B – dopaminę
Receptory 5-HT
Rodzina 5-HT1
• Receptory hamujące cyklazę adenylową
• 5-HT1A hamują AC ale też otwierają kanały K+,
zlokalizowane presynaptycznie na neuronach
raphe ale też i na zakończeniach oraz
postsynaptycznie (hipokamp)
• 5-HT1B, 5-HT1D – hamują AC
• 5-HT1F – skolonowany w 1993
Rodzina 5-HT2
• Receptory stymulują PLC;
• 5-HT2A – ważny w korze mózgowej, reguluje
też depolaryzację neuronów poprzez zamykanie
niektórych kanałów K+; ma też miejsca wiązania
dla niektórych halucynogenów
• 5-HT2B – stosunkowo późno sklonowany,
związany z PLC ale prawdopodobnie nie tylko;
• 5-HT2C – lokalizacja – oprócz innych regionów
OUN – w choroid plexus (splot naczyniówkowy),
reguluje skład i objętość CSF
Receptor 5-HT3
• Zidentyfikowany w latach 80-tych XX w.
• Kanał jonowy, homomeryczny, specyficzny dla
kationów, dokładna budowa nie całkiem znana;
• wywołuje szybką depolaryzację neuronów,
• Ma miejsca allosterycznej modulacji (anestetyki,
EtOH)
Syndrom serotoninowy
• Może być wywołany zbyt dużą ilością serotoniny w
mózgu. Najczęściej spowodowany jest interakcjami
różnych substancji blokujących wychwyt zwrotny
hormonu. Może prowadzić do śmierci.
• Bóle głowy, halucynacje, podwyższona temperatura
ciała, sztywność mięśni, zaburzenia snu, zaburzenia
myślenia, problemy z koncentracją, niepokój
• Nadmierna potliwość, tachykardia, nudności, wymioty,
biegunka, drgawki, zaczerwienienie skóry, poszerzenie
źrenic