background image

Physiology of excitable tissues               lecture 5                    Assi. Prof. Dr. Zahid M. kadhim

 

 

 

SYNAPSES 

neurons  generate  electrical  signals  in  the  form  of  action  potentials  that 
transmit messages from one area of the cell to another, and then from one 
nerve  cell  to  another  through  synapses.  synapses  are  junctions  where  the 
axon or some other portion of one cell (the presynaptic cell ) terminates on 
the dendrites, soma, or axon of another neuron or, in some cases, a muscle 
or  gland  cell  (the  postsynaptic  cell).  Synapses  are  dynamic  structures, 
increasing  and  decreasing  in  complexity  and  number  with  use,  experience 
and certainly age. 

Two  types  of  synapses  are  found  in  the  nervous  system:  electrical 

synapses  and  chemical  synapses.  Electrical  synapses  operate  by  allowing 
electrical signals to be transmitted from one neuron to another through gap 
junctions
.  Chemical  synapses  operate  through  the  release  of 
neurotransmitters that activate signal transduction mechanisms in the target 
cell. 

Electrical synapses 

Electrical synapses exist  between neurons and either other neurons or glial 
cells.  At  electrical  synapses,  the  plasma  membranes  of  adjacent  cells  are 
linked  together  by  gap  junctions  such  that  when  an  electrical  signal  is 
generated in one cell, it is directly transferred to the adjacent cell by means 
of ions flowing through the gap junctions. Second messenger molecules can 
also move through these junctions.

  

Electrical  synapses  allow  rapid  communication  between  adjacent 

neurons  that  synchronizes  the  electrical  activity  in  these  cells.  This 
communication  is  often  bidirectional,  although  some  gap  junctions  allow 
current flow in only one direction.  

The  communication  can  be  excitatory  or  inhibitory  at  the  same 

synapse,  as  either  a  depolarizing  or  a  hyperpolarizing  current  can  spread 
through these junctions.  

Electrical  synapses  have  been  identified  in  the  retina  of  the  eye  and 

certain areas of the cortex, areas of the brainstem that regulate breathing. 


background image

Physiology of excitable tissues               lecture 5                    Assi. Prof. Dr. Zahid M. kadhim

 

 

 

Chemical synapse 

Almost all neurons transmit messages to other cells at chemical synapses. In 
a  chemical  synapse,  first  neuron  (the  presynaptic  neuron)  secretes  a 
neurotransmitter  into  the  extracellular  fluid  (synaptic  cleft)  in  response  to 
an action  potential arriving at  its axon  terminal. The  neurotransmitter then 
binds  to  receptors  on  the  plasma  membrane  of  a  second  cell  (the 
postsynaptic  neuron), triggering in that cell an electrical signal that  may or 
may  not  initiate  an  action  potential,  depending  on  a  number  of 
circumstances.  A  neuron  can  form  synapses  with  other  neurons  or  with 
effector  cells  such  as  muscle  or  gland  cell  and  is  called  a  neuroeffector 
junction
.  

Functional Anatomy of chemical synapse 

Most  often  the  presynaptic  neuron’s  axon  terminal  forms  a  synapse 

with a  dendrite of  the  postsynaptic  neuron,  in  which case the synapses are 
referred to as axodendritic synapses. However, synapses between the axon 
terminal and soma of the postsynaptic cell, called axosomatic synapses, also 
occur and have the same function as axodendritic synapses. The presynaptic 
neuron’s  axon  terminal  sometimes  forms  a  synapse  with  the  postsynaptic 
neuron’s  axon  terminal,  in  which  case  the  synapse  is  called  an  axoaxonic 
synapse
.  Axoaxonic  synapses  have  a  special  function  in  modulating 
communication  at  axodendritic  and  axosomatic  synapses.  Dendrodendritic 
synapses have also been identified.  

In  all  cases,  the  axon  terminal  of  the  presynaptic  neuron  releases 

neurotransmitters  into  the  synaptic  cleft.  Once  released  into  the  synaptic 
cleft,  the  neurotransmitters  diffuse  rapidly  across  the  cleft  and  bind  to 
receptors on the postsynaptic  neuron.  The binding of  the  neurotransmitter 
to the receptors produces a response in the postsynaptic neuron. 

The axon terminal of the presynaptic neuron contains numerous small, 

membrane-bound  compartments  called  synaptic  vesicles,  which  store 
neurotransmitter molecules. Most neurotransmitters are synthesized in the 
cytosol  of  the  axon  terminal,  where  the  enzymes  for  their  synthesis  are 
located.  After  synthesis,  neurotransmitters  are  actively  transported  into 
synaptic  vesicles,  where  they  are  stored  until  their  eventual  release  by 


background image

Physiology of excitable tissues               lecture 5                    Assi. Prof. Dr. Zahid M. kadhim

 

 

 

exocytosis.  while  the  vesicles  and  the  proteins  contained  in  their  walls  are 
synthesized in the neuronal cell body and transported along the axon to the 
endings by fast axoplasmic transport. 

Calcium  ions  play  important  role  in  synaptic  transmission.  Cytosolic 

calcium  triggers  the  release  of  neurotransmitter  by  exocytosis.  Calcium 
channels  in  the  plasma  membrane  of  presynaptic  neuron  open  when  the 
axon  terminal  is  depolarized.  Calcium  will  flow  down  its  electrochemical 
gradient into  the axon  terminal,  thereby increasing  its concentration in the 
cytosol  of  axon  terminal.  Calcium  then  causes  the  membranes  of  synaptic 
vesicles  to  fuse  with  vesicle  attachment  sites  on  the  inner  surface  of  the 
axon  terminal  membrane  and  undergo  exocytosis,  which  releases  the 
neurotransmitters into the synaptic cleft. 

The  amount  of  neurotransmitter  released  depends  on  the 

concentration of calcium in the cytosol of the axon terminal, which depends 
on the frequency of action potentials in the presynaptic neuron.  

 

Chemical synapse 

  Following  a  single  action  potential,  neurotransmitter  release  stops 

within a few milliseconds because the voltage-gated calcium channels close 
soon after opening, and because calcium ions are actively transported out of 
the  axon  terminal  on  a  continual  basis,  bringing  the  cytosolic  calcium 
concentration  back  to  its  resting  level.  If  a  second  action  potential  arrives 
before  neurotransmitter  is  cleared  from  the  synaptic  cleft,  however,  then 


background image

Physiology of excitable tissues               lecture 5                    Assi. Prof. Dr. Zahid M. kadhim

 

 

 

the  cytosolic  calcium  levels  increase  causing  more  neurotransmitter  to  be 
released  from  the  presynaptic  cell,  thereby  increasing  the  amount  of 
neurotransmitter  in  the  synaptic  cleft.  When  a  series  of  action  potentials 
arrives at an axon terminal in a short time, cytosolic calcium levels increase 
even  more,  thereby  releasing  even  more  neurotransmitter.  As  a 
consequence,  the  concentration  of  neurotransmitter  in  the  synaptic  cleft 
increases as the frequency of action potentials increases.  

The binding of a neurotransmitter molecule to a receptor is a brief and 

reversible process. If neurotransmitter molecules were to remain indefinitely 
in  the  synaptic  cleft  following  their  release,  they  would  bind  to  receptors 
over  and  over  again,  inducing  a  continual  response  in  the  postsynaptic 
neuron.  Continual  binding  of  neurotransmitter  to  receptor  does  not  occur 
because a number of processes quickly clear the neurotransmitter from the 
cleft, thereby terminating the signal.  

Some  neurotransmitter  molecules  are  degraded  by  enzymes,  which 

may  be  located  on  the  postsynaptic  neuron’s  plasma  membrane,  on  the 
presynaptic  neuron’s  plasma  membrane,  on  the  plasma  membranes  of 
nearby glial cells, in the interstitial fluid of the synaptic cleft, or even in the 
cytoplasm  of  the  presynaptic  neuron  or  glial  cells.  Other  neurotransmitter 
molecules can be actively transported back into the presynaptic neuron that 
released them, a process known as reuptake. Once inside the neuron, these 
neurotransmitter  molecules  are  usually  degraded  and  the  breakdown 
products  recycled  to  form  new  neurotransmitter  molecules.  Still  other 
neurotransmitter  molecules  in  the  synaptic  cleft  simply  diffuse  out  of  the 
cleft. 

 As a result, neurotransmitter is usually present in the synaptic cleft for 

only a few milliseconds after its release from the presynaptic neuron. 

Once an impulse reaches the presynaptic terminals, a response can be 

obtained in the postsynaptic neuron after a a time lag called Synaptic delay 
.The delay is due to the time it takes for the synaptic mediator to be released 
from  presynaptic  neuron  and  diffuse  through  the  synaptic  cleft  and  act  on 
the postsynaptic neuronal receptors.  

Signal Transduction Mechanisms at Chemical Synapses 


background image

Physiology of excitable tissues               lecture 5                    Assi. Prof. Dr. Zahid M. kadhim

 

 

 

Neurotransmitter can induce either a fast or slow response in a postsynaptic 
neuron. 

The  fast  response  occurs  whenever  a  neurotransmitter  binds  to  a 

channel-linked  receptor,  also  called  an  ionotropic  receptor.  All  channel-
linked  receptors  are  ligand-gated  channels.  The  binding  of  the 
neurotransmitter opens the ion channel, allowing one or more specific ions 
to permeate  the  plasma membrane and change  the electrical properties of 
the postsynaptic neuron. 

Slow  responses,  by  contrast,  are  mediated  through  G  protein–linked 

receptors called metabotropic receptors. In the nervous system, G proteins 
can trigger either the opening or the closing of ion channels,  depending on 
the specific synapse.

 

These G protein–regulated ion channels respond to the 

binding of neurotransmitter more slowly than the channels that mediate the 
fast response, with durations ranging from milliseconds to hours, depending 
on the synapse, but with the same ultimate effect. 

Excitatory Synapses 

An  excitatory  synapse  is  one  that  brings  the  membrane  potential  of  the 
postsynaptic  neuron  closer  to  the  threshold  for  generating  an  action 
potential; that is, excitatory synapses depolarize the postsynaptic neuron.  

Sometimes, a single stimulus applied  to a neuron does  not lead to the 

formation  of  a  propagated  action  potential  in  the  postsynaptic  neuron. 
Instead,  the  stimulation  produces  a  transient  partial  depolarization  that 
brings  membrane  potential  closer  to  threshold  without  firing.  During  this 
time, the excitability of the neuron to other stimuli is increased, and another 
stimulus of low intensity that does not cause action potential under normal 
circumstances  capable  of  causing  depolarization  and  consequently  this 
potential is called an excitatory postsynaptic potential (EPSP). 

Inhibitory synapse 

An inhibitory synapse is a synapse that takes the membrane potential of the 
postsynaptic  neuron  away  from  the  action  potential  threshold  by 
hyperpolarizing  the  neuron  or,  alternatively,  stabilizes  the  membrane 
potential at the resting value by opening channels for either potassium ions 


background image

Physiology of excitable tissues               lecture 5                    Assi. Prof. Dr. Zahid M. kadhim

 

 

 

or chloride ions, so a potential stronger than normal is needed to get action 
potential and is called an inhibitory postsynaptic potential (IPSP). 

Temporal summation 

when  two  subthreshold  potentials  (EPSP)  arrive  at  a  neuron  at  the  same 
time  or  the  second  potential  arrive  before  the  first  one  decay,  the  two 
potentials summate and can induce an action potential of that neuron. 

Spatial summation 

when  two  subthreshold  stimuli  (EPSP)  arrive  at  two  different  sites  of  the 
neuron, they can summate and induce an action potential. 

Neural Integration 

Communication  in  the  nervous  system  is  generally  not  a  process  in  which 
one  presynaptic  cell  communicates  to  one  postsynaptic  cell.  Instead,  the 
axon  of  one  neuron  often  has  several  collaterals  that  communicate  to 
several other neurons, an arrangement called  divergence. Likewise, a given 
neuron  typically  receives  communication  from  many  neurons  (hundreds  or 
thousands), an arrangement called convergence. 




رفعت المحاضرة من قبل: علي الشبري
المشاهدات: لقد قام 0 عضواً و 69 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل