Cell to Cell Conduction: the Synapse

1
SINAPTIK ILETIM
Dr. Ayse DEMIRKAZIK
2
About this Chapter

• How cells communicate
• Electrical and chemical signals
• Receptor types and how they function
• Local regulation of cells
• Modification of receptors and signals
• Homeostatic balance depends on communication
• Feedback regulates integration of systems

3
Cell to Cell Conduction the Synapse

• Electrical synapses gap junctions
• Very fast conduction
• Example cardiac muscle
• Chemical synapses
• Pre synaptic terminal
• Synthesis of Neurotransmitters
• Ca2 releases Neurotransmitters
• Synaptic cleft
• Postsynaptic cell Neurotransmitter receptors

4
Cell to Cell Conduction the Synapse
5
Synapses
6
Types of Synapses

• Axodendritic synapses between the axon of one
  neuron and the dendrite of another
• Axosomatic synapses between the axon of one
  neuron and the soma of another
• Other types of synapses include
• Axoaxonic (axon to axon)
• Dendrodendritic (dendrite to dendrite)
• Dendrosomatic (dendrites to soma)

7
Electrical Synapses

• Electrical synapses
• Are less common than chemical synapses
• Correspond to gap junctions found in other cell
  types
• Are important in the CNS in
• Arousal from sleep
• Mental attention
• Emotions and memory
• Ion and water homeostasis

8
Chemical Synapses

• Specialized for the release and reception of
  neurotransmitters
• Typically composed of two parts
• Axonal terminal of the presynaptic neuron, which
  contains synaptic vesicles
• Receptor region on the dendrite(s) or soma of the
  postsynaptic neuron

9
Overview of Cell to Cell Communication

• Chemical
• Autocrine Paracrine local signaling
• Endocrine system distant, diffuse target
• Electrical
• Gap junction local
• Nervous system fast, specific, distant target

10
Gap Junctions and CAMs

• Protein channels - connexin
• Direct flow to neighbor
• Electrical- ions (charge)
• Signal chemicals
• CAMs
• Need direct surface contact
• Signal chemical

Figure 6-1a, b Direct and local cell-to-cell
communication
11
Paracrines and Autocrines

• Local communication
• Signal chemicals diffuse to target
• Example Cytokines
• Autocrinereceptor on same cell
• Paracrineneighboring cells

Figure 6-1c Direct and local cell-to-cell
communication
12
Long Distance Communication Hormones

• Signal Chemicals
• Made in endocrine cells
• Transported via blood
• Receptors on target cells

Figure 6-2a Long distance cell-to-cell
communication
13
Long Distance Communication Neurons and
Neurohormones

• Neurons
• Electrical signal down axon
• Signal molecule (neurotransmitter) to target cell
• Neurohormones
• Chemical and electrical signals down axon
• Hormone transported via blood to target

Figure 6-2 b Long distance cell-to-cell
communication
14
Long Distance Communication Neurons and
Neurohormones
Figure 6-2b, c Long distance cell-to-cell
communication
15
Signal Pathways

• Signal molecule (ligand)
• Receptor
• Intracellular signal
• Target protein
• Response

Figure 6-3 Signal pathways
16
Receptor locations

• Cytosolic or Nuclear
• Lipophilic ligand enters cell
• Often activates gene
• Slower response
• Cell membrane
• Lipophobic ligand can't enter cell
• Outer surface receptor
• Fast response

Figure 6-4 Target cell receptors
17
Presinaptik-postsinaptik kavrami

• Bir sinapsta postsinaptik olan bir nöron
• Bir baska sinapsta presinaptik olabilir
• Sinir sisteminin tek bir organizasyonunda birçok
  presinaptik ve postsinaptik nöron olabilir

18
Yaptigi uyariya göre sinaps türleri

• Uyarici sinaps postsinaptik nöronu eksite eden,
  uyaran sinapstir...yani AP olusturmasini
  kolaylastirir
• Inhibe edici sinaps postsinaptik nöronu inhibe
  eden sinapstir

19
iki farkli kimyasal sinapseksitatör
inhibitör

• Postsinaptik membranda çalisan sinyal iletme
  mekanizmasi tipi ve
• Reseptörün etkiledigi kanalin tipi sinyalin
  formunu belirler

• Postsinaptik membrandaki transmitter etkisi iki
  tür olabilir
• Uyarici
• Inhibe edici

20
Iyon kanallaripostsinaptik nöronun birinci
etkilenme yolu

• Na kanallarinin açilmasi nöronu uyarir, yani Na
  kanallarini açan NT eksitatördür
• Cl- kanallarinin açilmasi nöronu inhibe eder,
  yani Cl- kanallarini açan NT inhibitördür

• Katyon kanallari çogunlukla Na, bazen de K ve Ca
  iyonlarinin geçisine izin verir
• Anyon kanallari en çok Cl olmak üzere diger
  bazi anyonlari da geçirebilir

21
Postsinaptik nöronda eksitasyon

• Sodyum iyon kanallarinin açilmasi
• Eksitasyonun en sik kullanilan seklidir
• Klorür iyon kanallarinin baskilanmasi
• Potasyum iyon kanallarinin baskilanmasi
• Eksitatör reseptör sayisinin artmasi
• Inhibitör reseptör sayisinin azalmasi
• Hücre içi metabolik degisiklikler
• Hücre aktivitesini uyarmak için yapilan
  degisiklikler

22
Postsinaptik nöronda inhibisyon

• Klorür iyon kanallarinin açilmasi
• Potasyum iyon iletiminde artis
• Eksitatör reseptör sayisinin azalmasi
• Inhibitör reseptör sayisinin artmasi
• Hücresel metabolik fonksiyonlari inhibe eden
  düzenlemeler

23
EPSP Eksitatör PostSinaptik Potansiyel

• Presinaptik eksitatör nörotransmitter salinimi
• Postsinaptik eksitatör reseptörlerin uyarilmasi
• Na iyon kanallarinin açilmasi
• Na geçirgenliginin artmasi
• Elektrokimyasal olarak Naun hücre içine akisinin
  artmasi
• EPSPnin olusmasi

24
Potansiyelin anlami

• Tek basina bir EPSP aksiyon potansiyeli
  olusturmak için yeterli degildir
• Amplitüdün büyümesi için iki yol vardir
• Birçok terminalden es zamanli desarjlarin olmasi
• Ayni terminalden kisa araliklarla desarjin
  tekrarlanmasi

25
APnin olusmasi

• EPSP yeterli büyüklüge ulastiginda AP ortaya
  çikar
• APnin baslangiç yeri akson baslangiç segmentidir

26
IPSPInhibitör PostSinaptik Potansiyel

• Presinaptik inhibitör nörotransmitter salinimi
• Postsinaptik inhibitör reseptörlerin uyarilmasi
• K ve Cl kanallarinda ortaya çikan degisiklikler
• K iyonlarinin disari akmasi
• Cl iyonlarinin içeri akmasi
• IPSPnin olusmasi
• (hiperpolarizasyon)

27
Yavas postsinaptik potansiyeller

• EPSP ve IPSPye ek olarak
• Yavas formlar da vardir
• K geçirgenligindeki düsüse bagli olarak yavas
  EPSP
• K geçirgenligindeki artisa bagli olarak da yavas
  IPSPler olusur

28
SumasyonSpasyal-uzaysal

• Bir postsinaptik nöron
• Çesitli presinaptik nöronlardan ayni zamanda
  impulslar alir ve bu EPSPler toplanirsa

29
SumasyonTemporal-zamansal

• Bir postsinaptik nöron
• Uygun araliklarla
• Ayni presinaptik sinapstan desarjlar alir
• Ve bu EPSPler toplanirsa

30
EPSP ve IPSP
31
Inhibitör ve Eksitatör potansiyeller
32
diverjans-dagilma

• Bir nörondan gelen impulslarin sinapslar
  sayesinde pekçok nörona ulasmasina denir
• Bu sayede bir nöron çok genis alanlarda etkili
  olabilir

33
konverjans-toplanma

• Bir postsinaptik nöron binlerce presinaptik
  nörondan gelen uyarilarin etkisi altinda olabilir
• Bu binlerce farkli nöronun impulslarinin bir
  hücreyi etkilemesine konverjans denir

34
sinapslarda inhibisyon

• 1.Direkt inhibisyon
• Bir IPSP tarafindan nöronda meydana getirilen
  inhibisyondur
• Postsinaptik desarj olmadan gerçeklesir

• 2.Indirek inhibisyon
• Nöronda AP olustuktan sonra olusan inhibisyondur
• Refrakter periyod, ard hiperpolarizasyon
  döneminde nöron indirekt olarak inhibe durumdadir

35
Presinaptik inhibisyon

• Bazen bir presinaptik AP henüz sinaptik araliga
  ulasamadan aksoaksonal sinaps tarafindan
  söndürülür

Klor iletkenliginde artis K disa akisinda
artma Caun hücreye girisi için gerekli
potansiyele ulasilamaz
GABAnin en çok kullandigi inhibisyon yolu
36
Negatif feed back inhibisyon

• Nöronlar kendi kendilerini de inhibe edebilirler
• Akson kollateralleri, ara nöronlarla sinaps yapar
• Bu ara nöronlar sinyalin çiktigi nöronu ve/veya
  baska nöronlari inhibe ederler
• Renshaw hücreleri (nöronlari)...

37
Renshaw hücre inhibisyonu
38
Membrane Receptor Classes

• Ligand- gated channel
• Receptor enzymes
• G-protein-coupled
• Integrin

39
Membrane Receptor Classes
Figure 6-5 Four classes of membrane receptors
40
Signal Transduction

• Transforms signal energy
• Protein kinase
• Second messenger
• Activate proteins
• Phosporylation
• Bind calcium
• Cell response

Figure 6-8 Biological signal transduction
41
Signal Amplification

• Small signal produces large cell response
• Amplification enzyme
• Cascade

Figure 6-7 Signal amplification
42
Receptor Enzymes

• Transduction
• Activation cytoplasmic
• Side enzyme
• Example Tyrosine kinase

Figure 6-10 Tyrosine kinase, an example of a
receptor-enzyme
43
G-Protein-coupled Receptors

• Hundreds of types
• Main signal transducers
• Activate enzymes
• Open ion channels
• Amplify
• adenyl cyclase-cAMP
• Activates synthesis

44
G-Protein-coupled Receptors
Figure 6-11 The G protein-coupled adenylyl
cyclase-cAMP system
45
Transduction Reviewed
Figure 6-14 Summary of signal transduction
systems
46
Novel Signal Molecules

• Calcium muscle contraction
• Channel opening
• Enzyme activation
• Vesicle excytosisNitric Oxide (NO)
• Paracrine arterioles
• Activates cAMP
• Brain neurotransmitter
• Carbon monoxide (CO)

47
Novel Signal Molecules
Figure 6-15 Calcium as an intracellular messenger