NEURONI. Miten signaali siirtyy hermokudoksessa ?

On solujen välistä signalointia: intersellulaarinen signalointi, INTERCELLULAR SIGNALLING

ja  solujen sisäistä signalointia: intrasellulaarinen signalointi INTRACELLULAR SIGNALLING

Solujen välinen (intersellulaarinen) signalointi,

1. Signaalinvälitys voi olla johdintyyppistä (Wiring transmission)

Johdintyyppinen välittyminen voi olla (1) kemiallista johtumista tai (2) nopeampaa  elektristä johtumista synapsin avulla

Kemialliset synapsit (chemidal synapses) ovat keskushermostossa yleisin signaalinvälitystapa. Tällaisia NEURONIEN synapseja ympäröi ASTROGLIA-kalvojen antaman tupen suoja eikä niissä tapahdu välittäjäaineen leviämistä ympäristöön synaptisesta raosta ja sen takia fokaalisen signaalin siirtyminen onnistuu. Tätä kemiallista johtumistapaa tehostaa NEURONIN  elektrisen synapsin kautta tapahtuva johtuminen. NEURONIN  elektriset synapsit (Electrical synapses) sallivat signaalien nopean ja paikallisen siirtymisen.

2. Signaali voi välittyä tilavuudesta, johon välittäjäainetta leviää (Volyme transmission)

Tällainen tilavuudellinen signaalin välittyminen tapahtuu yleensä hermonvälittäjän diffundoituessa fokaalisesta kohdasta useihin soluihin. Esimerkkejä tällaisesta tilavuudellisesta hermosignaalin välityksestä mainitaan alla. Reitteja on useita.

A .NEURONIN hermonvälittäjäainetta tulvii yli synapsirajan ( neurotransmitter spillover). Kun neuronin synapsit eivät ole täydellisesti ASTROGLIA-kalvojen suojaamia, hermonvälittäjäainetta ( neurotransmitteriä) vuotaa synapsista ja diffundoituu solun ulkoiseen nesteeseen ja silloin voi aktivoitua kauempanakin olevat neuronaalit tai gliaaliset solut.

B. Avoimet synapsit (open synapses). Neurotransmitteriä tai neurohormoneja vapautuu avoimesta synapsista, joilla ei ole tarkennettua postsynaptista spesiaalisuutta (esim katekoliamineja vapautuu kohjuisesta suonikohdasta).

C. Ektooppinen neurotransmittorin vapautuminen ( ectopic release). Hermonvälittäjäainetta pääsee vapautumaan muusta kohtaa kuin synapsista.

D. Neurosekreetio. Neurohormoneja voi vapautua suoraan solunulkoiseen nesteeseen ja päästä verenkiertooon ( neurosecretion).

E. ASTROSYYTEISTÄ vapautuu "gliotransmitteriä": ASTROGLIASTA voi vapautua hermonvälittäjäainetta rakkuloissa tai muuta tietä diffundoitumalla solunulkoisen nesteen kautta  vaikuttamaan naapurisoluihin.

F. Kaasumaiset välittäjäaineet (release of gaseous transmitters ) vapautuvat: Esim. NO, ja tämä vaikuttaa ainoastaan tilavuudellisen välittymisen kautta.

G. Solunsisäinen tilavuudellinen  välittyminen: sekundäärivälittäjäaineet tai aineenvaihdunnalliset tuotteet (metaboliitit) voivat levitä "gap junktio"-kohtien  läpi ja ne antavat osansa intrasellulaariseen  tilavuudelliseen välittymiseen.

2. Solunsisäinen intrasellulaarinen signalointi (Intracellular signalling)

Tällä tieteen alalla on edistytty suuresti viime vuosikymmeninä. Intrasellulaarinen signalointi käsittää spesifisiä molekulaarisia ketjuja ( kaskadeja), jotka havaitsevat, välittävät ja tulkkaavat ulkoisia stimuluksia. Kun on kyse kemiallisista hermonvälittäjäaineista, solunsisäinen signalointi käyttää plasmakalvoon kuuluvia reseptoreita (receptors) havaitsemaan ulkoista ärsykettä ja sitten vaikuttajärjestelmiä ( effector system), jotka sijaitsevat plasmakalvolla (jonikanavat, ion channels ) tai solun sisällä. Usein plasmakalvon reseptorit ja effektorijärjestelmät ovat linkkiytyneet yhteen tai useampaan sekundääriseen välittäjäaineeseen, toisiolähettiin.( Kaikilla soluilla on sisäisiä signalointiteitään ja niissä on   setti  yleisiä  yhteisiä ominaisuuksia, joihin erilaiset ulkoa tulleet signalointitavat konvergoituvat).

Reseptorit

Mainitaan jonotrooppiset reseptorit (ionotropic receptors) ja metabotrooppiset reseptorit (metabotropic receptors).

Jonotrooppisilla reseptoreilla on ligandien paimentamat jonikanavaportit. Ligandi, jokin hermonvälittäjaine, asettuu reseptoriin ja silloin jonikanavan aukko aukeaa. Ligandi toimii tällöin portinaukaisijana. Kun kanava on auki pääsee jonit virtaamaan läpi molempiin suuntiin. Tämä vaikuttaa kalvopotentiaalissa jännitteen muutosta, jonivirtauksista ja transmembraanisista elektrokemiallisista eroista riippuen voi tapahtua depolarisoitumista tai hyperpolarisoitumisa.

Solukalvoissa on yleensä sisäpuolella korkea K+ pitoisuus ja ulkopuolella korkea Na+ ja Ca++ pitoisuus ja tämä tekee kalvon eri puolien väliin potentiaalieron ( jännite-eron) . Tämä on kehon elämän periaate.( Kuolemasssa nämä jännite-erot soluista katoavat eli EKG tai aivofilmi on viivaa) Kehon ATP-tuotannosta suurin osa menee tämän koko kehon jännite-eron ylläpitämiseen eri jonipumpuilla, joka solussa, ei vain aivoissa.
 NEURONIT käyttävät jännite-eroa signaloinnin eteenpäin viemiseen.

Jonotrooppiset reseptorit (ionotropic receptors)

Kaikkein tavallisimmat jonotrooppiset reseptorit hermojärjestelmässä ovat ligandien paimentamia kationikanavia ja anionikanavia. Nämä ligandin paimentamat kationikanavat päästävät läpi +joneja Na+, K+ ja jossain määrin Ca++. Tällaisiin reseptoreihin kuuluvat jonotrooppiset glutamaattireseptorit (AMPA, NMDA), jonotrooppinen P2X- puriinireseptori ja nikotiininen koliinireseptori (nChR). Kun nämä reseptorit aktivoituvat, tapahtuu solun depolarisaatio ja solut ärtyvät, stimuloituvat. 

Ligandin paimentama anionikanava päästää läpi kloorijoneja. Ne ovat negatiivisia. Tällaisia reseptoreja ovat GABA-A reseptori ja glysiinireseptorit (GlyR). Kun nämä reseptorit aktivoituvat, seuraa kloridijonien virtaus neuronin sisään, hyperpolarisoituminen ja näiden neuronien solujen inhiboituminen, estyminen.

Mutta jos näitä anionikanavareseptoreita on GLIA-soluissa tai epäkypsissä neuroneissa, reseptorin aktivaatio johtaa negatiivisen kloridijonin ulosvirtaukeen näistä soluista, koska niiden solunsisäinen kloridipitoisuus on korkea ja tässä tapauksessa solut depolarisoituvat.

Metabotrooppiset reseptorit ( metabotropic receptors)

Keskushermoston alueella nämä reseptorit ovat kytkeytyneet G-proteiinivälitteisesti entsyymiin PLC ja AC sekä jonikanaviin.(siis solumetaboliassa  käytettyihin järjestelmiin) 

Ne reseptoreista, jotka ovat kytkeytyneet fosfolipaasiin PLC,  tuottavat PIP2 - lipidistä toisiolähettinä inositoli-3-fosfaattia (IP3) ja diasyyliglyserolia (DAG). ( Harmaassa aivokuoressa on tätä PIP2- lipidiä plasmakalvossa. Se on fosfatidyyli-inositoli difosfaatti. Yksi harmaan aivosolun käyttämä energia-ainejärjestelmä perustuu näihin PI-johdannaisiin, fosfatidyyli-inositoleihin ja inositolifosfaatteihin ja niiden keskiseen sykliin). 

Tällaisia reseptoreita ovat mGLuR ryhmä I, ja useimmat metabotrooppiset P2Y puriinireseptorit. 

Ne metabotrooppiset reseptorit , jotka ovat kytkeytyneet adenyylisyklaasiin ( AC, adenylate cyclase) tuottavat toisiolähettiä cAMP, syklinen adenosiinimonofosfaatti, 

Sellaisia reseptoreita ovat mGluR ryhmät II ja III eli metabotrooppiset glutamaattireseptorit ryhmästä II ja III, puriinireseptorit P2Y sekä jotkut muskariiniset koliinireseptorit, mChRs.

Sellaisia metabotrooppisia reseptoreita , jotka ovat kytkeytyneitä kaliumkanaviin, esiintyy muskariinisissa koliinireseptoreissa (mChR).

G-proteiini voi olla linkkiytynyt jonikanavaan ja usein metabotrooppisen reseptorin stimuloiminen aukaisee jonikanavan.

Toisioläheteistä (Second messengers)

Nämä ovat pieniä helposti diffundoituvia molekyylejä, jotka toimivat informaation kuljettana plasmakalvon ja solun sisäosien kesken. Näistä kaikkein yleisin on kalsiumjoni Ca++ ja se kontrolloi hyvin monia solunsisäisiä reaktioita aivan exosytoosista geenin ilmenemään asti.

Muita tärkeitä toisiolähettejä ovat IP3 (inositol(1,4,5) triphosphate), cAMP (cyclic adenosine monophosphate) ja cGMP (cyclic guanosine monophosphate) , syklinen ADPriboosi ja NAADP (nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate)

. 

Siis  ATP ja GTP energiapakkauksista entsymaattisesti on purettu esiin syklinen yhden fosfaatin muoto cAMP ja cGMP.   ja energiaa sisältävä  lipositolijohdanaiden PIP2  on entsymaattisesti hajoitettu inositolitrifosfaatiksi  ja glyseroliksi, jossa on kaksi rasvahappoketjua (DAG). Sekä DAG että IP3 ovat signaalinvälittäjiä edelleen solun sisällä.  Onkin olennaista huomata  tässä, että aivot haluavat PIP2 muotoa PI(1,4,5,)P2 tässä energiajärjestelmässä eikä esim  PI(3,4,5) P2, muotoa  vaikka ne molemmat ovat "PIP2"-kokoa . Myos  tuma suosii  PI(1,4,5)P2-muotoa energia-aineenvaihdunnassaan.

LÄHDE: Glial neurobiology. Alexei Verkhratsky, Arthur Butt. (2007) Signalling in the nervous system. Intercellular signalling. Intracellular signalling.  s.13-20.

Muistiin suomennoksena 21.2. 2018