Neurotransmitery
Transkrypt
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