Molecular physiology of Nervous system

1. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗІОЛОГІЯ
НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ

2. Функції мозку
• мислення
• увага
• свідомість
• прийняття рішень
• рухові функції
• мова
• навчання
• пам'ять
• координація рухів
• сприйняття
• планування
• вирішення проблем

3. Базисні характеристики нервової
системи
ВІДЧУТТЯ
(рецепція, сприйняття інформації)
ІНТЕГРАЦІЯ (перцепція, обробка,
Інтеграція інформації)
СИГНАЛІЗАЦІЯ (прийняття
рішення, відповідь на інформацію)

4. У середньому людський мозок
складається з 86 міліардів
нейронів
Гліальних клітин у x10 більше ніж
нейронів
Один нейрон може мати до 10 000
контактів (синапсів) з іншими
У дитинстві і особливо в
підлітковому віці до 50% нейронів і
синапсів зникає
Мозок використовує 20% всієї
енергії
Загальні відомості про мозок

5. Клітини нервової
системи
1.1. НейронНейрон (дав.-гр.(дав.-гр.
νε ρον — волокно, нерв)ῦνε ρον — волокно, нерв)ῦ
– функціональна одиниця– функціональна одиниця
нервової системи, маєнервової системи, має
тіло, дендрити та аксон.тіло, дендрити та аксон.

6. 2. Глія
(англ. glue - клей)
астроцити,
мікроглія,
епендімальні клітини,
олігодендроглія тощо

7. Електричні явища у нейронах:
роль мембранного потенціалу спокою

9. Na+
/K+
-АТФаза
Na+
/K+
-АТФаза, складається з двох α-субодиниць (функціональних, або транспортних) та
двох β-субодиниць (структурних). Цитоплазматична частина α-субодиниці зв'язується з
молекулою АТФ та 3-ма молекулами Na+
, які потім обмінюються на 2 молекули
позаклітинного K+
Насос є електрогенним, оскільки в результаті 1 циклу сумарний заряд
всередині клітини стає -1.

10. Цикл роботи Na+/K+- АТФази

13. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПРОВЕДЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ

15. В основі електричних явищ – циклічна зміна
мембранної проникності для різних іонів

16. Сальтаторна провідність –
найшвидший шлях (>120м/с)

18. АНКІРИНИ (англ. anchor - якір) - родина
внутрішньоклітинних адаптерних білків, що
приєднують інтегральні мембранні протеїни до певних місць
в мембранах та цитоскелету

20. NCX-1 Na+/Ca2+
exchanger,
DHPR - Dihydropyridine
receptor,
RYR - Ryanodine receptor,
Adducin – білок
цитоскелету

21. SAP97 – synapse-associated protein 97,
AKAP79/150 - A-kinase anchoring protein 79/150,
PP2B - protein phosphatase 2B,
PKA/C – protein kinase A/C,
M1R - muscarinic acetylcholine receptor 1

22. Три домени якірних білків (А-кіназних)

23. Передача інформації
між клітинами - синапси

24. Види синапсів: електричний (gap junctions) та
хімічний (neurotransmitters)

27. Types of ionotropic glutamate receptors:
The a-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazole-propionate (AMPA) receptor,
The N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor
Located in dendritic spines, role - induction and expression of LTP.
When gluatamate binds to these receptors their channels open and positively charged
ions in the extracellular fluid (Na+ and Ca2+) enter the neuron.

28. AMPA (α-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazole-
propionate) та NMDA (N-Methyl-D-Aspartate) рецептори
– найбільш поширені у нервовій системі

29. The induction of LTP occurs when extracellular calcium enters the spine via the NMDA calcium
channel. But entrance of calcium is not needed for LTP expression.

30. Іонотропні vs метаботропні рецептори

31. PSPs - postsynaptic potentials,
EPSP - excitatory postsynaptic potentials,
IPSP - inhibitory postsynaptic potentials

33. Молекулярний механізм роботи іонотропних
рецепторів глутамату (iGluRs)

34. Наслідки
збудження
іонотропних
глутаматних
рецепторів

35. Інші амінокислоти можуть впливати на
глютаматні рецептори

36. SR - serine racemase

37. Гамма-аміномасляна кислота (GABA)
та її рецептори

38. Вивільнення медіатору та
рециркуляція везикул

39. SNAP & SNARE
близько 60 білків, які об'єднує наявність одного і того ж цитозольного
домену з 60-70 амінокислот, який називається SNARE motif (або SNARE
домен), здатного до утворення оборотного, але міцного
чотирьохспірального зчеплення
Автор: Danko Dimchev Georgiev https://uk.wikipedia.org/wiki/SNARE

40. NSF - N-ethylmaleimide sensitive fusion protein

41. Постсинаптичне ущільнення

43. PSD-95 – postsynaptic density protein 95,
GKAP – guanylate kinase associated protein (guanylate kinase catalyzes the ATP-
dependent phosphorylation of GMP into GDP),
Shank - molecular scaffolds in the postsynaptic density,
Homer - adaptor proteins for many postsynaptic density proteins,
CaMKII – Ca2+calmodulin dependent protein kinase II

44. MAGUKs - membrane-associated guanylate
kinases Transmission electron tomography
(A)AMPAR-type structure;
(B)Red, vertical filaments on the inside surface of PSD;
cyan, putative NMDA receptors;
blue, putative AMPA receptors.
(C) PSD rotated
(D) PSD rotated

45. СИНАПТИЧНА
ПЛАСТИЧНІСТЬ – зміна
властивостей пре- та
постсинаптичних нейронів, та
утворення нових дендритних
шипиків (dendritic spine)

47. Пресинаптична динаміка
(пластичність)
- короткотривала (мілісекунди)
прискорення
депресія
- посттетанічна потенціація (хвилини)
- довготривала пресинаптична пластичність
(години)

50. MUNK18 – syntaxin binding protein 1

52. The vesicular transporters
(vGluT1
and vGluT2
) load glutamate
into vesicles presynaptically.
The glial, astrocyte and
postsynaptic glutamate
transporters (excitatory amino-acid
transporters, EAAT1–5)
For instance, the group II mGlu
(mGlu2/3
) receptor agonists
probably serve to stimulate mGlu
autoreceptors on glutamatergic
terminals to suppress excitatory
neurotransmission at selected
synapses in the central nervous
system. By contrast,
mGlu5
receptor antagonists might
inhibit mGlu5-mediated potentiation
of NMDA receptor ion currents and
potentially disrupt the formation of
memory processes associated with
stressful events.
Activation of GRM4 has potential
therapeutic benefits in the
treatment of parkinson's disease

53. Several studies have demonstrated decreases in the expression of glial fibrillary acid protein (GFAP) and in the number of GFAP-expressing
glial cells in the hippocampus and prefrontal cortex following exposure to chronic stress. Chronic stress may also impair the ability to
effectively clear synaptic glutamate (Glu) through glial excitatory amino acid transporters (EAATs). This may lead to glutamate spillover and,
ultimately, increased activation of extrasynaptic glutamate receptors, resulting in excitotoxicity, a process that has been proposed to occur in
several neurodegenerative disorders and possibly after exposure to chronic stress. Finally, chronic stress may decrease the rates of flux
through the glutamate–glutamine (Gln) cycle, resulting in reduced glutamate metabolism.

54. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ ПАМ’ЯТІ
NOBEL LECTURE
The Molecular Biology of
Memory Storage: A Dialog
between Genes and Synapses

55. Synaptic activity
simultaneously induces
local mRNA translation and
genomic signaling cascade,
that trigger transcription of
new mRNA

56. Synapse-to-Nucleus
Signaling
Different signaling cascades
lead to cAMP-responsive,
element-binding (CREB)
protein phosphorylation and
transcription initiation

57. Загальна схема
транскрипції РНК та
традиційна методика
тестування пам'яті у
тварини

59. CCAAT-enhancer-binding proteins (orCCAAT-enhancer-binding proteins (or C/EBPC/EBPs)s)

60. “cAMP Response Element-Binding Protein Is a Primary Hub of Activity-Driven
Neuronal Gene Expression”
Eva Benito, Luis M. Valor, Maria Jimenez-Minchan, Wolfgang Huber and
Angel Barco
The Journal of Neuroscience, 14 December 2011
CREB was found to occupy ≈ 4,000 promoter sites in vivo, but many of them are cell-specific,
www.natural.salk.edu/CREB
BDNF – Brain-derived neurotrophic factor,
Arc - activity-regulated cytoskeleton-associated protein

61. Egr1 (англ. early growth response 1, Zif258)Egr1 (англ. early growth response 1, Zif258)
- фактор транскрипции- фактор транскрипции із цинковимиіз цинковими
пальцямипальцями

62. Нокаут Zif258 спричинює підвищення
експресії протеасоми та порушення
синаптичної пластичності
SGK - Serine/threonine-protein kinases, Tap1 – ATB-binding cassette transporter,
Vel – розчинник, hal – галоперидол

65. * 5-AZA – 5-azacytidine

67. мікроРНК – малі двохланцюгові некодуючімікроРНК – малі двохланцюгові некодуючі
РНКРНК
Основна функція miRNA - пригнічення
трансляції білків
У людини описано 1764 гена, що кодують
miRNA (www.ensembl.org)

72. “If you want to understand the
brain you’re going to have to
take a reductionist approach, one
cell at a time”
Harry Grundfest

74. Будьте розумними!