SİNAPTİK İLETİM

Dr. Ayşe DEMİRKAZIK

About this ChapterAbout this Chapter

How cells communicateHow cells communicate

Electrical and chemical signalsElectrical and chemical signals

Receptor types and how they functionReceptor types and how they function

Local regulation of cellsLocal regulation of cells

Modification of receptors and signalsModification of receptors and signals

Homeostatic balance depends on Homeostatic balance depends on communicationcommunication

Feedback regulates integration of systemsFeedback regulates integration of systems

Cell to Cell Conduction: the SynapseCell to Cell Conduction: the Synapse

Electrical synapses: gap junctionsElectrical synapses: gap junctions– Very fast conductionVery fast conduction– Example: cardiac muscleExample: cardiac muscle

Chemical synapsesChemical synapses– Pre synaptic terminalPre synaptic terminal

Synthesis of NeurotransmittersSynthesis of NeurotransmittersCaCa2+2+ releases Neurotransmitters releases Neurotransmitters

– Synaptic cleftSynaptic cleft– Postsynaptic cell: Neurotransmitter receptorsPostsynaptic cell: Neurotransmitter receptors

Cell to Cell Conduction: the SynapseCell to Cell Conduction: the Synapse

SynapsesSynapses

Types of SynapsesTypes of Synapses

Axodendritic – synapses between the axon Axodendritic – synapses between the axon of one neuron and the dendrite of anotherof one neuron and the dendrite of another

Axosomatic – synapses between the axon of Axosomatic – synapses between the axon of one neuron and the soma of anotherone neuron and the soma of another

Other types of synapses include:Other types of synapses include:– Axoaxonic (axon to axon)Axoaxonic (axon to axon)– Dendrodendritic (dendrite to dendrite)Dendrodendritic (dendrite to dendrite)– Dendrosomatic (dendrites to soma)Dendrosomatic (dendrites to soma)

Electrical SynapsesElectrical Synapses

Electrical synapses:Electrical synapses:– Are less common than chemical synapsesAre less common than chemical synapses– Correspond to gap junctions found in other cell Correspond to gap junctions found in other cell

typestypes

– Are important in the CNS in:Are important in the CNS in:Arousal from sleepArousal from sleep

Mental attentionMental attention

Emotions and memoryEmotions and memory

Ion and water homeostasisIon and water homeostasis

Specialized for the release and reception of Specialized for the release and reception of neurotransmittersneurotransmitters

Typically composed of two parts: Typically composed of two parts: – Axonal terminal of the presynaptic neuron, which Axonal terminal of the presynaptic neuron, which

contains synaptic vesicles contains synaptic vesicles – Receptor region on the dendrite(s) or soma of Receptor region on the dendrite(s) or soma of

the postsynaptic neuronthe postsynaptic neuron

Chemical SynapsesChemical Synapses

ChemicalChemical– Autocrine & Paracrine: local signalingAutocrine & Paracrine: local signaling– Endocrine system: distant, diffuse targetEndocrine system: distant, diffuse target

ElectricalElectrical– Gap junction: localGap junction: local– Nervous system: fast, specific, distant targetNervous system: fast, specific, distant target

Overview of Cell to Cell Overview of Cell to Cell Communication:Communication:

Gap Junctions and CAMsGap Junctions and CAMsProtein channels - Protein channels - connexinconnexin

Direct flow to neighborDirect flow to neighbor– Electrical- ions (charge)Electrical- ions (charge)– Signal chemicalsSignal chemicals

CAMs CAMs – Need direct surface Need direct surface

contactcontact– Signal chemicalSignal chemical

Figure 6-1a, b: Direct and local cell-to-cell communication

Paracrines and AutocrinesParacrines and Autocrines

Local Local communication communication

Signal chemicals Signal chemicals diffuse to targetdiffuse to target

Example: CytokinesExample: Cytokines– Autocrine–receptor Autocrine–receptor

on same cellon same cell– Paracrine–Paracrine–

neighboring cellsneighboring cells Figure 6-1c: Direct and local cell-to-cell communication

Signal Signal ChemicalsChemicals

Made in Made in endocrine cellsendocrine cells

Transported via Transported via bloodblood

Receptors on Receptors on target cellstarget cells

Long Distance Communication: Long Distance Communication: HormonesHormones

Figure 6-2a: Long distance cell-to-cell communication

NeuronsNeurons– Electrical signal down axonElectrical signal down axon– Signal molecule (neurotransmitter) to target cellSignal molecule (neurotransmitter) to target cell

NeurohormonesNeurohormones– Chemical and electrical signals down axonChemical and electrical signals down axon– Hormone transported via blood to targetHormone transported via blood to target

Long Distance Communication: Long Distance Communication: Neurons and NeurohormonesNeurons and Neurohormones

Figure 6-2 b: Long distance cell-to-cell communication

Long Distance Communication: Long Distance Communication: Neurons and NeurohormonesNeurons and Neurohormones

Figure 6-2b, c: Long distance cell-to-cell communication

Signal PathwaysSignal Pathways

Signal molecule (ligand)Signal molecule (ligand)

ReceptorReceptor

Intracellular signalIntracellular signal

Target proteinTarget protein

ResponseResponse

Figure 6-3: Signal pathways

Receptor locationsReceptor locationsCytosolic or NuclearCytosolic or Nuclear– Lipophilic ligand Lipophilic ligand

enters cellenters cell

– Often activates geneOften activates gene

– Slower response Slower response

Cell membraneCell membrane– Lipophobic ligand Lipophobic ligand

can't enter cellcan't enter cell– Outer surface Outer surface

receptorreceptor– Fast responseFast response Figure 6-4: Target cell receptors

Presinaptik-postsinaptik kavramıPresinaptik-postsinaptik kavramı

Bir sinapsta Bir sinapsta postsinaptik olan bir postsinaptik olan bir nöronnöron

Bir başka sinapsta Bir başka sinapsta presinaptik olabilirpresinaptik olabilir

Sinir sisteminin tek bir Sinir sisteminin tek bir organizasyonunda organizasyonunda birçok presinaptik ve birçok presinaptik ve postsinaptik nöron postsinaptik nöron olabilirolabilir

Yaptığı uyarıya göre sinaps Yaptığı uyarıya göre sinaps türleri türleri

Uyarıcı sinaps; Uyarıcı sinaps; postsinaptik nöronu postsinaptik nöronu eksite eden, uyaran eksite eden, uyaran sinapstır...yani AP sinapstır...yani AP oluşturmasını oluşturmasını kolaylaştırırkolaylaştırır

İnhibe edici sinaps; İnhibe edici sinaps; postsinaptik nöronu postsinaptik nöronu inhibe eden sinapstırinhibe eden sinapstır

iki farklı kimyasal sinapsiki farklı kimyasal sinapseksitatöreksitatör inhibitör inhibitör

Postsinaptik Postsinaptik membrandaki membrandaki transmitter etkisi iki transmitter etkisi iki tür olabilir;tür olabilir;– Uyarıcı Uyarıcı

– İnhibe ediciİnhibe edici

Postsinaptik Postsinaptik membranda çalışan membranda çalışan sinyal iletme sinyal iletme mekanizması tipi vemekanizması tipi ve

Reseptörün etkilediği Reseptörün etkilediği kanalın tipi sinyalin kanalın tipi sinyalin formunu belirlerformunu belirler

İyon kanallarıİyon kanallarıpostsinaptik nöronun birinci etkilenme yolupostsinaptik nöronun birinci etkilenme yolu

Katyon kanalları;Katyon kanalları; çoğunlukla Na, bazen çoğunlukla Na, bazen de K ve Ca de K ve Ca iyonlarının geçişine iyonlarının geçişine izin veririzin verir

Anyon kanalları;Anyon kanalları; en çok Cl olmak en çok Cl olmak üzere diğer bazı üzere diğer bazı anyonları da anyonları da geçirebilirgeçirebilir

Na kanallarının Na kanallarının açılması;açılması; nöronu nöronu uyarır, yani Na uyarır, yani Na kanallarını açan NT kanallarını açan NT eksitatördüreksitatördür

ClCl-- kanallarının kanallarının açılması;açılması; nöronu nöronu inhibe eder, yani Clinhibe eder, yani Cl -- kanallarını açan NT kanallarını açan NT inhibitördürinhibitördür

Postsinaptik nöronda eksitasyonPostsinaptik nöronda eksitasyon

Sodyum iyon kanallarının açılmasıSodyum iyon kanallarının açılması– Eksitasyonun en sık kullanılan şeklidirEksitasyonun en sık kullanılan şeklidir

Klorür iyon kanallarının baskılanmasıKlorür iyon kanallarının baskılanmasıPotasyum iyon kanallarının baskılanmasıPotasyum iyon kanallarının baskılanması

Eksitatör reseptör sayısının artmasıEksitatör reseptör sayısının artmasıİnhibitör reseptör sayısının azalmasıİnhibitör reseptör sayısının azalmasıHücre içi metabolik değişikliklerHücre içi metabolik değişiklikler– Hücre aktivitesini uyarmak için yapılan değişikliklerHücre aktivitesini uyarmak için yapılan değişiklikler

Postsinaptik nöronda inhibisyonPostsinaptik nöronda inhibisyon

Klorür iyon kanallarının açılmasıKlorür iyon kanallarının açılmasıPotasyum iyon iletiminde artışPotasyum iyon iletiminde artış

Eksitatör reseptör sayısının azalmasıEksitatör reseptör sayısının azalmasıİnhibitör reseptör sayısının artmasıİnhibitör reseptör sayısının artmasıHücresel metabolik fonksiyonları inhibe Hücresel metabolik fonksiyonları inhibe eden düzenlemelereden düzenlemeler

EPSPEPSP EEksitatör ksitatör PPostostSSinaptik inaptik PPotansiyelotansiyel

Presinaptik eksitatör Presinaptik eksitatör nörotransmitter salınımınörotransmitter salınımıPostsinaptik eksitatör Postsinaptik eksitatör reseptörlerin uyarılmasıreseptörlerin uyarılmasıNa iyon kanallarının Na iyon kanallarının açılmasıaçılması– Na geçirgenliğinin Na geçirgenliğinin

artmasıartması– Elektrokimyasal olarak Elektrokimyasal olarak

Na’un hücre içine Na’un hücre içine akışının artmasıakışının artması

EPSP’nin oluşmasıEPSP’nin oluşması

Potansiyelin Potansiyelin anlamıanlamı

Tek başına bir EPSP Tek başına bir EPSP aksiyon potansiyeli aksiyon potansiyeli oluşturmak için yeterli oluşturmak için yeterli değildirdeğildir

Amplitüdün büyümesi Amplitüdün büyümesi için iki yol vardır;için iki yol vardır;– Birçok terminalden eş Birçok terminalden eş

zamanlı deşarjların olmasızamanlı deşarjların olması

– Aynı terminalden kısa Aynı terminalden kısa aralıklarla deşarjın aralıklarla deşarjın tekrarlanmasıtekrarlanması

AP’nin oluşmasıAP’nin oluşması

EPSP yeterli EPSP yeterli büyüklüğe büyüklüğe ulaştığında AP ulaştığında AP ortaya çıkarortaya çıkar

AP’nin başlangıç AP’nin başlangıç yeri akson yeri akson başlangıç başlangıç segmentidirsegmentidir

IPSPIPSPİİnhibitör nhibitör PPostostSSinaptik inaptik PPotansiyelotansiyel

Presinaptik inhibitör Presinaptik inhibitör nörotransmitter salınımınörotransmitter salınımıPostsinaptik inhibitör Postsinaptik inhibitör reseptörlerin uyarılmasıreseptörlerin uyarılmasıK ve Cl kanallarında K ve Cl kanallarında ortaya çıkan değişikliklerortaya çıkan değişiklikler– K iyonlarının dışarı K iyonlarının dışarı

akmasıakması– Cl Cl iyonlarının içeri akmasıiyonlarının içeri akması

IPSP’nin oluşmasıIPSP’nin oluşması– (hiperpolarizasyon)(hiperpolarizasyon)

Yavaş postsinaptik potansiyellerYavaş postsinaptik potansiyeller

EPSP ve IPSP’ye ek olarak;EPSP ve IPSP’ye ek olarak;– Yavaş formlar da vardırYavaş formlar da vardır

K geçirgenliğindeki düşüşe bağlı K geçirgenliğindeki düşüşe bağlı olarak yavaş EPSPolarak yavaş EPSP

K geçirgenliğindeki artışa bağlı K geçirgenliğindeki artışa bağlı olarak da yavaş IPSP’ler oluşurolarak da yavaş IPSP’ler oluşur

SumasyonSumasyonSpasyal-uzaysalSpasyal-uzaysal

Bir postsinaptik nöron;Bir postsinaptik nöron;– Çeşitli presinaptik nöronlardan aynı zamanda impulslar Çeşitli presinaptik nöronlardan aynı zamanda impulslar

alır ve bu EPSP’ler toplanırsaalır ve bu EPSP’ler toplanırsa

SumasyonSumasyonTemporal-zamansalTemporal-zamansal

Bir postsinaptik Bir postsinaptik nöron;nöron;– Uygun Uygun

aralıklarlaaralıklarla– Aynı presinaptik Aynı presinaptik

sinapstan sinapstan deşarjlar alırdeşarjlar alır

– Ve bu EPSP’ler Ve bu EPSP’ler toplanırsatoplanırsa

EPSP ve IPSP EPSP ve IPSP

İnhibitör ve Eksitatör İnhibitör ve Eksitatör potansiyellerpotansiyeller

diverjans-dağılmadiverjans-dağılmaBir nörondan gelen impulsların sinapslar Bir nörondan gelen impulsların sinapslar sayesinde pekçok nörona ulaşmasına sayesinde pekçok nörona ulaşmasına denirdenirBu sayede bir nöron çok geniş alanlarda Bu sayede bir nöron çok geniş alanlarda etkili olabiliretkili olabilir

konverjans-toplanmakonverjans-toplanmaBir postsinaptik Bir postsinaptik nöron binlerce nöron binlerce presinaptik presinaptik nörondan gelen nörondan gelen uyarıların etkisi uyarıların etkisi altında olabiliraltında olabilir

Bu binlerce farklı Bu binlerce farklı nöronun nöronun impulslarının bir impulslarının bir hücreyi hücreyi etkilemesine etkilemesine konverjans denirkonverjans denir

sinapslarda inhibisyonsinapslarda inhibisyon

1.Direkt inhibisyon; 1.Direkt inhibisyon; – Bir IPSP Bir IPSP

tarafından tarafından nöronda meydana nöronda meydana getirilen getirilen inhibisyondurinhibisyondur

– Postsinaptik Postsinaptik deşarj olmadan deşarj olmadan gerçekleşirgerçekleşir

2.İndirek inhibisyon;2.İndirek inhibisyon;– Nöronda AP Nöronda AP

oluştuktan sonra oluştuktan sonra oluşan inhibisyonduroluşan inhibisyondur

– Refrakter periyod, Refrakter periyod, ard ard hiperpolarizasyon hiperpolarizasyon döneminde nöron döneminde nöron indirekt olarak indirekt olarak inhibe durumdadırinhibe durumdadır

Presinaptik inhibisyonPresinaptik inhibisyonBazen bir presinaptik AP henüz sinaptik aralığa Bazen bir presinaptik AP henüz sinaptik aralığa ulaşamadan aksoaksonal sinaps tarafından ulaşamadan aksoaksonal sinaps tarafından söndürülürsöndürülür

Klor iletkenliğinde artış

K dışa akışında artma

Ca’un hücreye girişi için gerekli potansiyele ulaşılamaz

GABA’nın en çok kullandığı inhibisyon yolu

Negatif feed back inhibisyonNegatif feed back inhibisyon

Nöronlar kendi kendilerini de inhibe Nöronlar kendi kendilerini de inhibe edebilirleredebilirler

Akson kollateralleri, ara nöronlarla sinaps Akson kollateralleri, ara nöronlarla sinaps yaparyapar

Bu ara nöronlar sinyalin çıktığı nöronu Bu ara nöronlar sinyalin çıktığı nöronu ve/veya başka nöronları inhibe ederlerve/veya başka nöronları inhibe ederler

Renshaw hücreleri (nöronları)...Renshaw hücreleri (nöronları)...

Renshaw Renshaw hücre hücre

inhibisyonuinhibisyonu

Ligand- gated channelLigand- gated channel

Receptor enzymesReceptor enzymes

G-protein-coupledG-protein-coupled

IntegrinIntegrin

Membrane Receptor ClassesMembrane Receptor Classes

Membrane Receptor ClassesMembrane Receptor Classes

Figure 6-5: Four classes of membrane receptors

Signal TransductionSignal Transduction

Transforms signal Transforms signal energyenergy

Protein kinaseProtein kinase

Second Second messengermessenger

Activate proteinsActivate proteins– PhosporylationPhosporylation– Bind calciumBind calcium

Cell responseCell responseFigure 6-8: Biological signal transduction

Signal AmplificationSignal Amplification

Small signal Small signal produces large cell produces large cell responseresponse

Amplification Amplification enzymeenzyme

CascadeCascade

Figure 6-7: Signal amplification

Receptor EnzymesReceptor Enzymes

TransductionTransduction

Activation Activation cytoplasmiccytoplasmic– Side enzymeSide enzyme

Example: Example: Tyrosine kinaseTyrosine kinase

Figure 6-10: Tyrosine kinase, an example of a receptor-enzyme

G-Protein-coupled ReceptorsG-Protein-coupled Receptors

Hundreds of typesHundreds of types

Main signal transducersMain signal transducers– Activate enzymesActivate enzymes– Open ion channelsOpen ion channels– Amplify:Amplify:

adenyl cyclase-cAMPadenyl cyclase-cAMP

– Activates synthesisActivates synthesis

G-Protein-coupled ReceptorsG-Protein-coupled Receptors

Figure 6-11: The G protein-coupled adenylyl cyclase-cAMP system

Transduction ReviewedTransduction Reviewed

Figure 6-14: Summary of signal transduction systems

Novel Signal MoleculesNovel Signal Molecules

Calcium: muscle contractionCalcium: muscle contraction– Channel openingChannel opening– Enzyme activationEnzyme activation– Vesicle excytosisNitric Oxide (NO)Vesicle excytosisNitric Oxide (NO)– Paracrine: arteriolesParacrine: arterioles

– Activates cAMPActivates cAMP– Brain neurotransmitterBrain neurotransmitter

Carbon monoxide (CO)Carbon monoxide (CO)

Novel Signal MoleculesNovel Signal Molecules

Figure 6-15: Calcium as an intracellular messenger