Glia fiziológia I. Gliotranszmisszió. Gliotranszmitterek. Csatornák, receptorok Kapcsoltság, Ca ++ Ioncsatornák. Nem vezikuláris release

Glia fiziológia I.

Gliotranszmisszió

Csatornák, receptorok

Kapcsoltság, Ca++

Gliotranszmitterek

Ioncsatornák

Kapcsoltság

Nem – vezikuláris release

Aquaporinok

Glia szincícium

Vezikuláris release

Neurotransz mitter/neuro modulátor receptorok

Gap junctions

Transzporterek, egyéb glia eredetű faktorok

Glutamát receptorok GABA receptorok Citokin és kemokin receptorok

Hemichannels Asztro network térbeli/időbeli szabályozása Gliális Ca++, Ca++ hullámok

Gliális neurotranszmitter transzporterek Glutamát transzporterek GABA transzporterek

Glycin transzporterek

Endotelin receptorok

Egyéb transzporterek

Komplement rendszer

Glia eredetű neuropeptidek

Purinoreceptorok

Ozmolitikumok

Glia eredetű növekedési faktorok

Glia fiziológia

Gliális neurotranszmitter transzporterek

Glutamát transzporterek asztrocitákban EAA- Excitatory Amino Acid Transporter (EAAT) család GLAST (EAAT1)

GLT1 (EAAT2)

EAAC1

asztroglia, radiális glián főleg asztroglia, de bizonyos neuronokon is

(EAAT3)

érett neuronok

EAAT4

Purkinje sejtek, GABA-erg interneuronok, retina

EAAT5

retina bipoláris és fotoreceptor sejtjei

GLT1: fő glu trporter az agyban

GLAST: Glutamate Aspartate Transporter GLT1: Glutamate Transporter 1 EAAC1: Excitatory Amino Acid Carrier 1

[Glu]EC: 2-5 uM (ez megnő persze neuron-tüzeléskor) [Glu]IC: 1-10 mM tehát Glu eltávolítás az ec. térből nagy koncentráció-gradienssel szemben kell, hogy történjen ! („uphill” translocation)

conditional GLT-1 knock-out mouse to uncover cell-typespecific functional roles of GLT1 elimination of GLT-1 from astrocytes :

• loss of ∼80% of GLT-1 protein and of glutamate uptake activity • excess mortality, lower body weight, and seizures !

EEG spike-trains from GLT-1 KO

An increase in the ratio of cellular excitation to inhibition (E/I ratio) has been proposed to underlie the pathogenesis of neuropsychiatric disorders, such as autism spectrum disorders (ASD), obsessive-compulsive disorder (OCD), and Tourette's syndrome (TS). In astrocyte-specific GLT1 inducible knockout (GLAST(CreERT2/+)/GLT1(flox/flox), iKO) mice: • pathological repetitive behaviors including excessive and injurious levels of selfgrooming and tic-like head shakes • NMDA receptor antagonist ameliorated the pathological repetitive behaviors

Glia fiziológia


Glutamát transzporterek asztrocitákban

be: 1 Glu-, 3 Na+, 1H+ ki: 1 K+

K+ec: ~2-2,5 mM Na+ec: ~130 mM Ca++ec: ~1.5-2 mM Cl-ec: ~100 mM

ionok koncentrációgradiensük szerint mozognak

glia

elektrogén a transzporter mert befelé irányuló áram van és depolarizáció: a benti + töltés tovább segíti a – glutamát „uphill” felvételét

alacsony Na+ic fenntartása kritikus a Glutamát uptake szempontjából !!

!

Glia fiziológia


Glutamát transzporterek szerepe asztrocitákban Glutamát: sokféle ionmozgást okoz asztroban

K+

be: 1Glu3Na+, 1H+ Na+/K+

1. pumpa ki: Na+ be: K+ energiaigényes és lassabb

2. Na+/Ca++ exchanger (NCX) gyors megfordulása: ki: Na+ be: Ca++ !!!

Na+ AMPAR aktiváció: be: Na+ ki: K+

eredmény: net Na+ influx Na+ic ~5-10mM  20-30 mM-ra nő ezt ellensúlyozza 1. és 2.

Glia fiziológia

Gliális neurotranszmitter transzporterek Glutamát transzporterek asztrocitákban

!

alacsony Na+ic fenntartása kritikus a Glutamát uptake szempontjából !!

!

sőt !!! ilyenkor a gliális Glu-transzporter működése meg is fordulhat

excitotoxicitás

glutamát transzport a Na+/K+ pumpa működése miatt energiagényes : 1 glu = 1.5 ATP

ha asztro energiája kevés és Na+/K+ homeosztázis felborul asztro nem tud glutamátot eltávolítani

de NCX „reverz” módja javíthat a helyzeten ! ki: Na+ be: Ca++ (asztron relatíve magas denzitásban van NCX)

Glia fiziológia

Gliális neurotranszmitter transzporterek GABA transzporterek asztrocitákban

nem annyira fontosak asztroban mint glutamát-transzporterek, mert a GABA neuronális visszavétele sokkal nagyobb mértékű, mint glutamáté GABA transporter type 1 (GAT1 – főleg neuron) GABA transporter type 2 (GAT2 – liver, kidney, leptomeninges) GABA transporter type 3 (GAT3 – főleg asztro)

http://www.csupomona.edu/~seskandari/

mindhárom GAT lehet asztroban is - HC, cortex asztroban főleg GAT3 - Bergmann gliában GAT1

Glia fiziológia

Gliális neurotranszmitter transzporterek GABA transzporterek asztrocitákban be: 1 GABA és 2 Na+ Na+ elektrokémiai gradiense szerint

K+ec: ~2-2,5 mMglia Na+ec: ~130 mM Ca++ec: ~1.5-2 mM Cl-ec: ~100 mM

glia

GAD: Glutamát dehidrogenáz Remember: - GABAA akitvációra neuronba Cl- influx és hiperpolarizáció - gliában GABAA akitváció: Cl- efflux és depolarizáció

glutamate uptake-induced release of GABA from astrocytes has a direct impact on the excitability of pyramidal neurons in the hippocampus • GABA transzporter megfordulásával GABA ürül asztrocitákból • GABA ürülésér glutamát uptake blokkolásával gátolni lehet, tehát • a Glu transporter aktivitás triggereli a GABA transzporter megfordulását (valszeg az ic. Na+ szint növelésén keresztül) • az asztroból ürülő GABA hozzájárul a neuronok aktivitás-függő tónikus gátlásához The results suggest the existence of a novel molecular mechanism by which astrocytes transform glutamatergic excitation into GABAergic inhibition providing an adjustable, in situ negative feedback on the excitability of neurons.

Glia fiziológia

Gliális neurotranszmitter transzporterek Glycin transzporterek asztrocitákban

Glycin: - gátló neurotranszmitter főleg gerincvelőben, agytörzsben, retinában - ugyanakkor glutamát ko-agonistája NMDA receptorokon: serkentő NT GlyT1 transzporter: asztrocitákon főleg

GlyT2 transzporter: neuronokon

be: 1 glycin, 2Na+, 1 Cl-

be: 1 glycin, 3Na+, 1 Cl-

Eulenburg 2005

Gliális GlyT1 reverzál potenciálja nagyon közel van a nyugalmi membránpotenciáljához: kis depolarizációra könnyen megfordulhat: nem vezikuláris gly release

Glia fiziológia Gly receptorokról nem beszéltünk korábban

Gliális neurotranszmitter transzporterek Glycin transzporterek/receptorok glycinerg

NMDAR ko-agonista

Ca++ Eulenburg 2005

hiperpolarizáció

Localization and proposed functions of GlyTs at excitatory and inhibitory synapses. At inhibitory synapses, glycine release from the presynaptic terminal activates postsynaptic GlyRs and thereby induces ClK influx – hyperpolarization – of the postsynaptic cell. At excitatory glutamatergic synapses, glycine acts as an essential co-agonist of postsynaptic NMDARs, whereas neighbouring glutamate receptors of the a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic-acid receptor (AMPAR) subtype require only glutamate for channel activation. Here, glycine might be derived from neighbouring glycinergic terminals or even be released from astrocytes via non-vesicular mechanisms (e.g. reverse transport by GlyT1). GlyT2 is localized in the presynaptic plasma membrane of glycinergic neurons and transports glycine into the terminal, thereby enabling the refilling of synaptic vesicles with glycine by the HCdependent vesicular inhibitory amino acid transporter (VIAAT). GlyT1 is mainly expressed by glia cells surrounding both inhibitory and excitatory synapses. In addition, GlyT1 has been found on terminals of some excitatory neurons. Thus, GlyT1 mediates the clearance of glycine from the synaptic cleft of inhibitory synapses and, in addition, participates in the regulation of the glycine concentrations at excitatory synapses.

D-serine

glycin

Now glycine is viewed to team up together with D-serine but also with kynurenic acid to regulate the functionality of different subsets of receptors at a single locus.

.. patch-clamp biosensor method to confirm the glycine release from astrocytes by using GlyRα1 and Glyβ-expressing HEK293T cells ...

Glia fiziológia

Gliális neurotranszmitter transzporterek Egyéb transzporterek asztrocitákban

- sokféle más transzporter is lehet asztroban – attól függ, milyen neuron szomszédja ! dopamin – transzporterek norepinephrine - transzporterek szerotonin – transzporterek

asztro monoamin-szint szabályozásban betöltött szerepe még elég kérdéses ????

hisztamin – transzporterek taurin – transzporterek (forward-uptake vagy reverse-release)

in major depression SSRIs inhibit the serotonin transporter, SERT, and increase extracellular concentration of serotonin

5-Hydroxytryptamine receptor 2B (5-HT2B) also known as serotonin receptor 2B

Glia fiziológia

Gliális neurotranszmitter transzporterek Egyéb transzporterek asztrocitákban Taurine = 2-aminoethanesulfonic acid, nem ionos ozmolit

DIDS: 4,4'diisothiocyanostilbene-2,2'disulfonic acid

Taurine has many fundamental biological roles such as conjugation of bile acids, antioxidation, osmoregulation, membrane stabilization and modulation of calcium signaling. It is essential for cardiovascular function, and development and function of skeletal muscle, the retina and the central nervous system. http://www2.imbf.ku.dk/CellSignalling/IHLambert/

Ozmolitikumok = ozmózist befolyásoló anyagok

Ozmolitikumok („osmolytes”): - elektrolitok, melyek magas koncentrációban vannak jelen a citoszolban és ec. térben: pl. Na+, K+, Cl- kis szerves molekulák: aminosavak és származékaik (taurine, glutamate, glutamine, glycine, GABA and N-acetylaspartate) - polyalkoholok (myoinositol, sorbitol) - aminok (glycerophosphoryl choline, betaine, creatine/P-creatine and phosphoethanolamine)

Osmolalitás: szárazanyagkoncentráció / kg víz Osmolaritás: szárazanyagkoncentráció / l víz Ozmotikus nyomás: szérum, emlős sejt: 300 mOsm/kg (szűk határok, 275-310 mOsm/kg)

Az agyban a legfontosabbak: - glutamate, myo-inositol, creatine, taurine és N-acetylaspartate - glutamate van a legnagyobb koncentrációban ezek között - taurine a rágcsáló agyban nagy koncentrációjú, de macska vagy emberi agyban szintje alacsonyabb (ezekben a fajokban a szintézise csak kismértékű) An osmole (Osmol) is 1 mol of particles that contribute to the osmotic pressure of a solution.

Glia fiziológia Glia eredetű neuropeptidek - minden glia-típus képes termelésükre erősen régió-specifikusan és a fejlődés során változó módon - neuropeptid release: mechanizmus még elég tisztázatlan pl. asztro opioid termelése : osztódás és dendritnövekedés szab.

pl. asztro VIP termelése: agyi mikrocirkuláció szab. pl. ONEC sejt NPY termelése: axonnövekedés szabályozása olf. bulbusba

Verkhratsky Butt 2007

pl. asztro ANP és angitoenzin termelése: agyi víz homeosztázis szabályozása

Glia fiziológia Glia eredetű növekedési faktorok

Neurotophinok neuronális fejlődést, túlélést, funkcionálást támogatják NGF (nerve growth factor) BDNF (brain derived neurotrophic factor) NT-3, NT4 (neurotrophinok)

Fiziológiás hatások neuronális differenciáció fejlődés növekedés migráció pathfinding szinaptogenezis szinaptikus remodelling

Patológiás hatások neuronális regeneráció repair Főleg asztrociták termelnek sokféle növekedési faktort ODG kevesebbet – de pl. netrin-1-et igen (ezt asztro nem expresszálja) – axon pathfinding

Glia fiziológia I.

Gliotranszmisszió

Csatornák, receptorok

Kapcsoltság, Ca++

Gliotranszmitterek

Ioncsatornák

Kapcsoltság

Nem – vezikuláris release

Aquaporinok

Glia szincícium

Vezikuláris release

Neurotransz mitter/neuro modulátor receptorok

Gap junctions

Transzporterek, egyéb glia eredetű faktorok

Glutamát receptorok GABA receptorok Citokin és kemokin receptorok

Hemichannels Asztro network térbeli/időbeli szabályozása Gliális Ca++, Ca++ hullámok

Gliális neurotranszmitter transzporterek Glutamát transzporterek GABA transzporterek

Glycin transzporterek

Endotelin receptorok

Egyéb transzporterek

Komplement rendszer

Glia eredetű neuropeptidek

Purinoreceptorok

Ozmolitikumok

Glia eredetű növekedési faktorok

Glia fiziológia II. Agyi homeosztázis szabályozása Ion-homeosztázis az extracelluláris térben „K+ spatial buffering” Retina, K+ siphoning Extracellular space Cl- homeosztázis

[Glu]ec szabályozása

Ammónia [GABA]ec szabályozása

Ca++ homeosztázis

Víz - homeosztázis szabályozása

pH szabályozás

Swelling

AsztroGlia fiziológia

Ion-homeosztázis az extracelluláris térben A fő ion-transzport rendszerek asztrocitákban

3.előadás ODC-nél tárgyaltuk

NCX

AsztroGlia fiziológia Intracelluláris

Ion-homeosztázis az extracelluláris térben

K+ic: ~100-140 mM Na+ic: <10 mM Ca++ic: <0,0001 mM Cl-ic: ~30-40 mM (glia) Cl-ic: ~2-10 mM (neuron)


Neuronok: Na+, Ca++ influx: depolarizáció K+ efflux: repolarizáció EC térben relatíve alacsony a [K+], kicsi a térfogat - kis K+ release is nagy változást okoz Ha EC térben [K+] magas  a K+ efflux lassul, repolarizáció nem tökéletes  neuron depolarizált lesz, Na+ csatornák inaktiválódnak  „conduction block”

Neuron is !

Na+/K+ATPáz

Extracelluláris agyi környezet

Glia ! Kloridkapcsolt K+ uptake

K+ spatial redistribution

K+ec -t el kell távolítani !!

lásd később


„K+ spatial buffering”

K+ eltávolítása a tüzelő neuronok környezetéből az asztrocita-hálózat által 1966, Orkand RK, Nicholls JG, Kuffler SW Effect of nerve impulses on the membrane potential of glial cells in the central nervous system of Amphibia. J Neurophysiol 29:788–806.

nervus opticus stimuláció

a nem mielinált axonok körüli gliában lassú de- és repolarizáció később extracelluláris mező-potenciál mérések és aktivitás-függő [K+]ec mérések

Kofuji and Newman, 2004

optikai imaging agyszeleteken (intrinsic optic signals (IOS), ec. tér zsugorodása/tágulása)



-K+ec macska gerincvelőben a könyökízület ritmikus mozgatásakor (intenzív, de még fiziológiás neuronális aktivitás esetén) : 2-2.5 mM –ról → 4-4.2mM -ra nő -K+ec általában, normál fiziológiai aktivitás esetén ritkán nő 0,2-0,4 mM-nál többel - ugyanakkor lokálisan, a szinapszis környékén ez a növekedés SOKKAL magasabb lehet: nagyon hatékony az eltávolítás mechanizmusa - epilepszia esetén ez az eltávolítórendszer hibás lehet → K+ dyshomeostasis: K+ec =10-12 mM is lehet roham esetén - ischemia esetén K+ dyshomeostasis: K+ec =50-60 mM – ra is megnőhet

1.


K+

feszültségfüggő csatornákon át távozik neuronból

2. normális esetben ennek nagy részét a sejt visszaveszi a 3Na/2K ATPáz ionpumpával

!

5.

3. a többlet K+ -ot a glia veszi fel szintén a 3Na/2K ATPáz révén illetve elektrokémiai gradiens mentén K+ csatornákon (Kir) át. Ekkor Cl- is kotranszportálódik, hogy fennmaradjon az ionegyensúly. Ezúton a lecsökkent ec Na+ is pótlódik.

6.

4.

4. a K+ többlet a réskapcsolatokon át szétterjed a glia-hálózatban 5. K+ csatornákon át leadódik az intersticiális térbe (spatial buffering) vagy a perikapilláris térbe (siphoning) 6. a perikapilláris térből endotélsejtek a 3Na/2K ATPase pumpa segítségével felveszik és a kapillárisba üríthetik

1.

3.

2.

http://archimede.bibl.ulaval.ca/archimede/fichiers/25580/ch05.html

Gliasejtek szerepe a [K+]ec homeosztázisban


A gliasejtek membránpotenciálja kb. -80-90 mV ami a nagyon hasonló a K+ ekvilibrium potenciálhoz.

A) Lokális K+ uptake. Amikor a [K+]ec nő, a gliasejtek K+-t akkumulálnak főleg Na/K–ATPase (vagy K+/Cl kotranszporterek) révén. A gliális Na/K pumpák 10-15mM [K+]ec körül telítődnek (a neuronálisok már 3mM-nál). A lokális K+ uptake eléggé limitált, mert az [K+]ic növekedése víz influxot és duzzadást okoz. B) K+ spatial buffering. Lokális [K+]ec növekedés depolarizációt okoz, mely elektromos/kémiai gradienst képez az adott sejt és a szomszédos, kapcsolt asztociták között. Emiatt a K+ diffúzióval tovaterjed a hálózaton belül. K+uptake: főleg Kir4.1 K+ csatornák: ezek – bár inward rectifying csatornák – megengedik a K+ effluxot is: a K+ leadása is ezeken át történik. A Kir csatornák konduktanciáját a K+ionok direkt regulálják: a konduktancia négyzetesen nő a [K +]ec növekedésével.


Extracellular space

Régóta ismert: szinaptikus aktivitás az EC tér zsugorodásával is jár !

pl.:

Neuronális aktivitás akár 30% ec. tér zsugorodást okozhat – glia duzzadás miatt !

Intrinsic Optical Signal (IOS) időbeli lefutása neuronális stimuláció hatására agyszeletben piros:nő, kék: csökken – ez ec. tér zsugorodásával szélesedésével függ össze Kofuji,Newman 2004

„The IOS is a small change in the absorption (or reflection) of light that occurs in neuronal tissue when neurons are activated.”


Extracellular space Intrinsic optikai szignál (IOS) intenzitása és az [K+]ec valamint az ec tér térfogat- változásai közötti öszefüggés. A) IOS a neocortexben, 4 másodperccel a VI réteg-beli stimuláció (2s train) után. A görbék az [K+]ec mutatják a különböző kérgi rétegekben. A szaggatott vonal az alap [K+]ec =3mM – t mutatja. Nyíl:stimuláció kezdete. B) IOS 4 másodperccel a stimuláció kezdete után. A görbék itt az ec tér térfogatváltozását (shrinkage!) mutatják a különböző kortikális rétegekben. Nyíl:stimuláció kezdete. ec K+ nő ec tér csökken

Witte 2001 Nicholson, Eva Sykova 1998

ec.térfogat mérések: (TMA+) tetramethylammonium diffúzió mérése TMA szelektív microelektóddal ec.tér


Extracellular space

EC tér (ECS) (fixálás miatt zsugorodás !) Diffúziót szabályozó tényezők az EC térben. a=volume fraction, l=tortuosity a – geometria (l tekervényesség, labirintus-faktor) b – holt tér (átmeneti megrekedés) c – akadály (intersticiális viszkozitás, mátrixmolekulák) D = diffúziós állandó vízben d – kikötődés falhoz, receptorhoz, D*= diffúziós állandó ECS-ben mátrixhoz – vagy uptake quantum dot nanokristályok: ECS átlagos e - töltés szélessége in vivo patkány cortexben: ~38 - 64 nm Sykova, Nicholson 2008


Extracellular space

ECS mérés módszerei Radiotracerek - kamrai injektálás, [3H]mannitol, [14C]- [3H]sucrose (Mr 342), [14C]- [3H]inulin - 3-5 órás diffúzió, utána fixálás blokkok kimetszése, előhívása

Real-time iontofophoresis technique (RTI) - iontoforetikus és ion-szelektív mikroelektródok (ISM) párosítása (lehet 2 pár is, x-y, x-z) - az elektródok kihúzva az agarban kontroll méréseket csinálnak - RTI-TMA: ha tetramethylammonium diffúziót mérünk Real-time pressure ejection technique (RTP) - kis térfogatok beinjektálása az agyszövetbe Sykova, Nicholson 2008


Extracellular space

Integrative optical imaging (IOI) és RTI-TMA

k’= rate constant 0,012/second: a TMA 1,2%-a szállítódik az adott útvonalon másodpercenként

- fluoreszcens molekulák injektálása (pressure) - ÉS TMA iontoforézis ugyanazon a setup-on, szimultán ! Pl. dopamin, serotonin stb. is alkalmas mérésre spec. elektródokkal Sykova, Nicholson 2008

AsztroGlia fiziológia IOI measurements in vivo

Extracellular space 3 kDa dextran

Quatum dot

Dextran is a complex, branched glucan (polysaccharide made of many glucose molecules) composed of chains of varying lengths (from 3 to 2000 kilodaltons).

Sykova, Nicholson 2008


Sykova, Nicholson 2008

Extracellular space

a=1/5=0,2

a=0,3/5=0,06

normal

disease Sykova, Nicholson 2008


Inward rectifier kálium csatornák (Kir) nagy denzitásban és lokalizáltan a glián (pl Kir4.1) periszinaptikusan és perikapilláris területeken.


Térbeli K+ pufferelés a gliasejtek nagy K+ permeabilitásától és a glia szincíciumtól függ

AQP4 és Cx43 együttműködése: primer asztro tenyészet: AQP4 knockdown (siRNS) Cx43 downregulációt okozott és a kapcsoltság csökkent (Nicchia 2005).

Kir4.1 és AQP4: kolokalizáció, ko-immunprecipitáció és molekuláris kölcsönhatások !! Szoros kapcsolat ! Benfenati and Ferroni, 2010


„K+ spatial buffering” Extracell [K+] mérése egy mérés

- glia-specifikus Kir4.1 deléció - HC stratum radiatum szinaptikus aktiválás - ec. K+ konc. mérése ionszenzitív elektróddal - eredmény: ec. K+ eltávolítás késleltetett

sok mérés

- epilepszia esetén a K+ eltávolítórendszer hibás lehet → K+ dyshomeostasis: K+ec =10-12 mM is lehet roham esetén

Retina, K+ siphoning

AsztroGlia fiziológia SRS (subretinal space)

SRS

IPL

IPL (inner plexiform layer)

The cells of the retina and their response to a spot light flash. The photoreceptors are the rods and cones in which a negative receptor potential is elicited. This drives the bipolar cell to become either depolarized or hyperpolarized. The amacrine cell has a negative feedback effect. The ganglion cell fires an action pulse so that the resulting spike train is proportional to the light stimulus level.

ELECTRORETINOGRAM http://www.bem.fi/book/28/28.htm

Pigment epitélium tartja alacsonyan itt a K+ec-t

Retina, K+ siphoning 1980’s, Eric Newman

subretinal space

ez a fotoreceptor stimuláció után a pigment epitélium hatása

1. K+ ürül az IPL (inner plexiform layer)-ből neuronális stimulációra 2. K+ bekerül a Müller gliába 3. K+ a Müller gliából főleg az erekbe és az üvegtestbe jut a végtalpakon keresztül

IPL: legtöbb szinapszis itt van a retinán belül

Newman 1996

„K+ reservoir”

üvegtest

4. A fény által indukált ec. [K+] csökkenés a szubretinális térben K+ kiáramláshoz vezet a Müller gliából

Müller sejten belül a K+ konduktancia 94%-a ide koncentrálódik ! Kir csatornák itt !




Ca++ homeosztázis


pH szabályozás

Swelling


K+ic: ~100-140 mM Na+ic: <10 mM Ca++ic: <0,0001 mM Cl-ic: ~30-40 mM (glia) Cl-ic: ~2-10 mM (neuron)


Cl- homeosztázis - anion-csatornák nyitásán át Cl- efflux gliából (pl. hipozmotikus stressz esetén) - vagy Na+/K+/2Cl- kotranszporter segítségével asztro akkumulálhat is kloridot

Ca++ homeosztázis - neuronális aktivitáskor neuron Ca++-t akkumulál, ekkor [Ca++]ec leesik 1 mM alá - ha [Ca++]ec alacsony, akkor neurotranszmisszió gátlódhat - ha [Ca++]ec 0,5 mM alá esik  gliális Ca++ raktárból (ER, IP3) Ca++ felszabadulás  plazmamembrán Ca++ pumpán vagy Na+/Ca++ exchanger-en keresztül Ca++ release  [Ca++]ec helyreáll - ischemia esetén [Ca++]ec 0,01-0,1 mM is lehet

!


pH szabályozás

- intracelluláris pH = 6.8 - 7.5 neuronban, gliában is

- extracelluláris pH = 7.1 - 7.3

[H+]ic = ~30-160 nM

[H+]ec = ~50 nM

- pontos EC pH szabályzás nagyon fontos ! mert például: - pH = 7 alatt NMDAR működése gátlódik - savanyodás proton-szenzitív kation-csatornákat aktiválhat (ezek: ASIC=acid-sensitive ion channels) - neuronális működés CO2 termeléssel jár – ami H+ termeléssel jár CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3− + H+ - emelett a neuronok H+-t ürítenek is: szinaptikus vezikulák pH-ja = 5.6 - ezekkel a folyamatokkal részben a gliális bikarbonát és proton transzporterek tartanak egyensúlyt - Na+/HCO3- kotranszporter (NBC) fontos: mindkét irányban működhet !




Ca++ homeosztázis


pH szabályozás

Swelling


[Glu]ec koncentráció szabályozása

!

glutamine synthase

[Glu]IC~1-10 mM [Glu]IV~100 mM

[Glu]IC~50uM-1 mM

[Glu]EC~1uM

glutamát-glutamin sönt

Neuronális glutaminsav reciklizálása: glutamát-glutamin ciklus

Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, et al., editors. 1999

glutaminase



Serkentő (glutamaterg) szinapszis

GLNase

Bak 2006

tricarboxylic acid cycle (TCA cycle; Krebs cycle; citric acid cycle)

Ammónia

- szabad ammónia keletkezik neuronban - hiperammonémia veszélyes lehet (gliózis, encephalopátia, felborult Glu/Gln ciklus)

ödéma,

ischemiás

- agy ammónia ürítésének fő útja: gliális GS révén gyártott Gln leadása a vérbe

Akkumulált Gln ozmotikus hatása miatt asztro duzzadás

SIRS: systemic inflammatory response syndrome



-ha Gln[EC] olyan magas, hogy a neuronális Gln felvétel telített, akkor a gliális glutamin leadás gátlódik a „system N” transzport megfordulásával „System L” : aminosav antiporter, gliális Gln ürítés és nem-neuroaktív aminosavakba (Leu, Ala) „csomagolt” ammónia felvétele (aminosav shuttle)

„System A” transzporter: neuronális Gln felvétel („concentrative, sodium-dependent and electrogenic”)

„System N”: gliális Gln leadás/felvétel („Na+-glutamine symporter and a H+ anti-porter, sodium-dependent, yet electroneutral”

Bak LK. et al. 2006


[GABA]ec koncentráció szabályozása

Gátló (GABAerg) szinapszis

glutamate decarboxylase

Bak LK. et al. 2006

GLNase

- GABA-erg neuronoknál fontosabb a re-uptake mint a szintézis - GABA-erg terminálisokban kisebb a Gln raktár - GLIA az idegi gátlást tudja kontrollálni ily módon ! - Glutamát – bioenergetikai folyamatok kapcsolata !

Malateaspartate shuttle mitokodriumban

malate-aspartate shuttle

The is a biochemical system for translocating electrons produced during glycolysis across the semipermeable inner membrane of the mitochondrion for oxidative phosphorylation in eukaryotes. These electrons enter the electron transport chain of the mitochondria via reduction equivalents to generate ATP. The shuttle system is required because the mitochondrial inner membrane is impermeable to NADH, the primary reducing equivalent of the electron transport chain. To circumvent this, malate carries the reducing equivalents across the membrane.

Aspartate from the mitochondria crosses to the cytosol. Aspartate is transaminated (at the expense of aketoglutarate) to yield oxaloacetate Oxaloacetate is reduced to malate by cytosolic NADH Malate enters the mitochondrion and is oxidised to oxaloacetate, yielding NADH inside the mitochondrion

PAG : foszfát aktiválta glutamináz mitokondriális membránban lokalizált

Oxaloacetate is transaminated to aspartate, which leaves the mitochondrion.

Schousboe 2013




Ca++ homeosztázis


pH szabályozás

Swelling



- agyi vízháztartás szabályozása neuropeptidek révén: vazopresszin (VP), ANP (atrial natriuretic peptide, atriopeptin), angiotenzinogén, angiotenzin Gliális vízmozgás: aquaporinok !! Vazopresszin - asztrocitákon V1 vazopresszin receptorok mediálta intracell Ca++ release - víz-permeabilitás gliába nő w ANP - VP hatás antagonizálása - ANP-t asztrok is termelik, szekretoros granulákba csomagolva Ca++ függő módon ürítik Angiotenzin - előállítás angiotenzinogénből, ami főleg asztroban van: de angiotenzin inkább neuronális (előállítás/inkorporáció útvonala még: ???) - asztrociták angiotenzin recetor II-t expresszálnak, aktivációjukra ic. Ca++ raktár ürülés és pl. prostacyclin (eicosanoid) release - vazodilatáció e rendszer minden eleme szintetizálódhat az agyban is



Asztrociták az extracelluláris ozmolaritást érzékelik: pl. hipozmotikus stressz (EC ozmolaritás ↓)  asztro duzzadás  RVD

(agyi ödéma !)

regulatory volume decrease : (szabályozott térfogatcsökkenés) ozmotikusan aktív anyagok kizárása a sejtből

K+ Cl-, szerves aminok, glutamát, glycin, taurine, GABA... release

majd víz efflux

astrocyte http://hatam-soferet.dreamwidth.org/702473.html

Súlyos esetben (hypoxiaischaemia, trauma): nagyfokú asztro-duzzadás (citotoxikus ödéma) és RVD gyengülése - megszűnése !



Swelling

moderate, transient swelling of astrocyte endfeet occurs at active synapses 1. végtalpakon K+, Na+ és Glu- uptake (Kir4.1, Na/Glu kotranszporterek, és valószínűleg egyéb ?? kation csatornák): IC ozmolit-koncentráció nő 2. ozmotikus viszonyok által irányított víz influx (aquaporin, AQP4) és duzzadás (swelling)

3. „volume sensing and osmotransduction”  nem teljesen feltárt eseménysorozat  mely végső soron RVDhez (regulatory volume decrease) vezet. És swelling-indukálta ic. Ca++ ↑ (ic. Ca++ raktár ürülés és kapacitatív Ca++ influx ??TRPV4 ?? csatornákon át) kíséri a jelenséget. 4. RVD: ozmolitikum efflux: Cl-, taurin, excitatorikus aminosavak ürítése volume-regulated anion channel (VRAC) – on keresztül és valószínűleg K+ efflux volume-sensitive (és Ca++ függő?) K+ csatornákon át

5. IC ozmolitikumok kiáramlását követően víz efflux, térfogatcsökkenés Benfenati, Ferroni 2010

Ca++ szerepe e folyamatokban még kérdéses (t.i. vannak változását cáfoló adatok is) ! Egy csomó kináz is aktiválódik swelling esetén: sok még a ??? Gliális RVD ionos mechanizmusai is : ????



szinaptikus aktivitás  glia duzzadás  lokális ec. tér szűkülés  hatékonyabb szignalizáció (neurotranszmitter koncentrációja nagyobb és a „spillover” kisebb) - periszinaptikus glia végtalp lokális gliaduzzadás - távoli végtalpakon zsugorodás : sokszor kimérték, hogy neuronális aktivitásra hogyan változik EC tér a stimuláció helyén és attól távol

Kir és AQP kolokalizáció, ko-immunprecitipáció, molekuláris együttműködés !

… AQP4 deletion in mice has little or no effect on development, survival, growth, and neuromuscular function, but produces a small defect in urinary concentrating ability consistent with its expression in the medullary collecting duct... Ma, 1997

Víz - homeosztázis szabályozása C: experimental design: AQP4 KO egerek -30%

-20%

D: Glt-1–EGFP egerek, Texas red hydrazide töltött szeletek A festéket szelektíven asztro veszi fel. (ez a sulforhodamine 101 (SR101) fixálható változata)

E: 20% ozmolaritás csökkenés (−20% Osm): WT sejttest jobban duzzad mint KO. Utána RVD mindkét esetben. Komolyabb ozmotikus stressz esetén (−30% Osm) folyamatos a duzzadás, nincs RVD. AQP4-/- egerek: jelentősen csökkent agyi ödéma víz intoxikáció esetén !

Thrane 2010 PNAS


Víz - homeosztázis szabályozása Ca++ szint változások asztroban 30 perccel i.p. víz injekció után (200 mL/kg desztvíz, kb 4 ml/egér). In vivo 2 foton

imaging. Rhod2: Ca++ mérés/asztro Glt-1– EGFP . FITC-dextran: erek kirajzolása. Asztro sejttesten és perikapilláris végtalpon a legintenzívebb és legtartósabb a Ca++ jel.

Dextran: elágazó poliszacharid, sok glükózból

Tenyésztett asztro ATP release ozmotikus sokkban nagyobb (WT only !)

P2 purinrec. blokkolása is csökkenti az ozmotikus stresszre Ca++ jellel válaszoló asztrok számát.

Thrane 2010



3D confocal morfometria hGFAP-GFP egerek, hipozmotikus körülmények

Glia fiziológia I. Gliotranszmisszió. Gliotranszmitterek. Csatornák, receptorok Kapcsoltság, Ca ++ Ioncsatornák. Nem vezikuláris release

Recommend Documents