Study Guides (248,454)
Canada (121,562)

CONDENSED STUDY NOTES - Quicknotes Midterm 1 - Intro, Neurotrophic Factors, Ion Channels, Receptors, Gene Regulation (DNA, RNA); does not include signal transduction or class presentations - LIFESCI 3B03.docx

21 Pages
Unlock Document

Life Sciences
Margaret Fahnestock

QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 Introduction − Central Nervous system – hundred billion neurons in human brain; proper function involves coordinated action of neurons via circuits in many brain regions;  association fibres connect functional domains (brain areas specialized to different roles)  Neuron Morphology − Soma – cell body; electrical and molecular signal integration from dendrites and axons; differ in size  − Dendrite – input to neuron; convergence of hundreds to thousands of inputs from other neurons; multiple branches increase surface area; differ in branching pattern  − Axon – output from neuron; (limited) divergence to other neurons allowing communication over long or short distances; differ in length and projection; sometimes  branches  − Spines – input structures of dendrites where synapses form; increases surface area; local signal processing, respond differently to different inputs  o Small protrusions of dendritic membrane – 1­2 µm length; <1 µm diamet (attached to dendri; wide spherical (distal end) o Act individually (different signal than neighbor) o Maturation  A) Filopodia Initiation – small projection; VASP, Ar(scaffolding, bin, Eps (capping protein) B) Filopodia Elongation – actin polymerizes creating shaft  C) Spine Head Formation – post­synaptic density (PSD; accumulation of signaling molecules, receptors and adhesion molecules on membrane) • PSD in excitatory – glutamate receptor; PSD95 protein • PSD in inhibitory – GABA or glycine receptor; Gephyrin protein  D) Spine Plasticity – mature spine (large head, thin neck) Glia – no synapses; but signaling  1. Astrocyte – 18%; star­like processes; i) modulate signaling ii) (prevent excess activation and da iii) developmental s(for radial glia) o Link from BBB to neuron – foot on i) capillary which regulates input of substances from blood ii) synapse absorbing extra ions and NT o Ionic and metabolic homeostasis  o Participate in electrical and chemical signaling  1 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 2. Myelinating – 75%; Oliodendrocytes in CNS; Schwann cells in PNS o Tight wrapping of cell membrane on ax(≤20; cytoplasm of glial cell gradually squeezed  out ▯concentric layers of closely apposed membrane for electrical insulation; held together by proteins  3. Microglia – 7%; mediate immune and repair functions in the brain; related to macrophages; i) scavenge cell debris from injury or death ii) secrete cytokines, modulate  inflammation (pro or anti) 2 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 − Glia in disease o Astrocytes – activated by protein aggregates in neurodegenerative disease (eg/ Huntingtons, AD); inflammatory response can increase neural damage after  stroke or neurodegeneration  o Oligodendrocytes –adhesion molecules (eg/ Nogo) can inhibit regeneration; immune attack on ensheathing glia in Multiple Sclerosis   o Microglia – mediate auto­immune disease; trigger inflammatory responses in brain  Signals  1. Electrical  a. Action Potential – large, fast, all­or­none depolarization  3 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 b. Synaptic Potential – slower, graded depolarization or hyperpolarization 2. Chemical  a. Trophic Growth Factor Signals – primarily bind to single pass transmembrane proteins (eg/ RTK); important for LTP and synapse functions b. Neurotransmitters – primarily bind to GPCRs; smaller NT bind ion channels  o Converge on the nucleus and alter levels of transcription factors  ▯signal transduction pathway  Neurotransmitters  − NT must be present in presynaptic  (or demonstration of synthesizi  ▯released in response to AP and Ca  influx  ▯receptors present on po t­synaptic cell (exogenous application of NT produces same result) − Two main classes 1. Small Molecule Transmitters  2. Peptide Transmitters   Small, clear vesicles  Large, dense­core vesicles (90­250 nm diamter)  Synthesized in pre­synaptic terminal; synthesizing enzymes   Synthesized in the soma; transported to pre­synaptic  transport to terminal terminal  Release in response to single AP  Released in response to burst or repetitive AP  Eg/ Acetylcholine, Glycine, Glutamate (excitatory), Adrenaline, γ­  Eg/ a­MSH, Endorphin, Ghrelin, Somatostatin,  amino butyric acid GABA (inhibitory) Neuropeptide Y                                      − Sequence of Events at Chemical Synapse 4 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 o Transmitter synthesized; stored in vesicles  ▯AP and depolarization releases vesicle into synapse  ▯NT binds and activates receptor on post­synaptic side  ▯ inactivation of NT  ▯recycling of vesicle membrane  Neurotrophic Factors − Needed for I) Development II) Survival/Maintenance III) Plasticity IV) Repair following injury  − Neurotrophic Family – 4 mammalian family members o i) NGF (nerve growth f ii) BDN (brain derived neurotrophiii) N (neurotrpophinv) NT­4/(neurotrrophin­4 ) o NGF and BDF persist into adulthood – involved in neurodegenerative and psychiatric disease  o Family classified by cysteine knot – 3 cysteine molecules that can form disulphide bonds, which cross in the middle of two monomers, pulling the structure  tight and forming a dimer o Specificity of factors by different loops that govern binding to receptors  − GDNF Family – TGF­b Superfamily o i) GDNF (glial cell­line NF) ii) ARTartemi iii) NT (Neurtu iv) PS(persephin) − Other NFs  o i) CNTF(ciliary ii)FGF (fibroblast growth iii) PDG(platelet­derived growtiv) IGF­I, IGF (insulin­like growth factor) − Different NF overlap with each other in specificities for different population of neurons  Development – Axonal Growth/Target Innervation − Neurogenesis and proliferation  ▯differentiation (cannot occur simultaneously) − NF signal to nucleus of undifferentiated cells to make new proteins that are neuron specific, leading to morphological changes ▯   growth of axon − Neuron with NGF receptor grows to reach target  ▯connection made if target cell dies if NF does not match NF receptor on  growing neuron − Neurite outgrowth in response to NGF – hundred of neurites in every direction; some make connections, most do not (die, pruning) Survival/Maintenance − Without NF, connections disintegrate, scavenged by microglia  ▯cell dies  − NF act as trophic messengers form periphery – tar (postsynapsecrete NF into synaptic cleft  ▯taken up by axo (pre syna  ▯reaches soma to  suppress apoptotic signal  − 2 way communication – Pre (NT)  Post (NF) 5 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 Synaptic Plasticity − Regulates synthesis of NT and neuronal activity  − NFs help synapses make and break connections (needed for learning and memory) − NF can increase excitability of cell  ▯increase ability to fire (part of LTP) o LTP (long term potentiation) – continued activation potentiates strength of synapse  o LTD (long term depression) – weakens synapse  − Eg/ BDNF  o i) neuronal survival ii) maintenance of synaptic connectivity iii) excitability iv) dendritic spine maturation v) synapse formation vi) neurogenesis vii)  synaptic plasticity viii) dendritic growth and branching ix) LTP x) neurogenesis  Repair + Recovery from Injury − Add NF to damaged or cut axon – encourage growth along pathway − Add NF to cell body – maintain cell body; grow another axon Ion Channels − Plasma membrane – lipid bilayer that separates two distinct fluid compartments  − Ions on each side of the plasma membrane create a membrane potential  ▯Ion channels determine the flow of ions across the   membrane o Extracellular (positive) Na+; K+ intracellular (negative) o Resting membrane potential = ­70 mV − Gated ion channels underlie all electrical signaling in the NS − Ions flow passively according to i) concentration gradient; pushing K+ out ii) electrical potential across the cell; pushing K+ in − Either leaky or gated − Gated Channels  o Activated by physical changes in the cell membrane  Voltage­activated  Stretch­activated o Activated by ligands  Extracellular activation  Intracellular activation  6 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 − Ion channel activity initiates sensation (input) and behaviour (output) o Receptor Potential – stretch­ and ligand­gated ion channels convert sensory signals into electrical signals; stimulus  ▯open channel  ▯change membrane  o Synaptic Potential – ligand­gated ion channels convert synaptic activity into synaptic potentials; voltage  gated channel opens released NT  ▯NT binds ligand­gated channel   Stimulus causes ion channel opening/closing  ▯receptor potential Ł transmitter causes ion   channel open/closing  ▯synaptic potential o Action Potential – summation of receptor or synaptic potentials activates voltage­gated ion channels; different inputs add up at axon hillock  ▯AP   − Channels are selectively permeable – cations (+ve), anions (­ve), one of Na , Ca , K , Cl or non­selective + + + o Pore Size (diameter) – shell of hydra2ion (H O around ion) determi eg/ Na  is smaller than K  but b2nds more H O  ▯Na  has larger diameter  o Selective filter (AA sequence of the pore) – electrostatic bonds formed with aa on 2nside of pore; H O can bind (unfavorable to lose water) o Bacterial K+ Channel – positively charged ions pass through filter into water filled cavity; oxygen on inside of pore replaces water and allows for ion to  pass through          − Composed of several subunits – hetero­ or homo­oligomer, or single polypeptide with membrane spanning domain o Auxiliary subunits γ; modify properties of ion channels − Open and Closed States o Activated – closed at rest  ▯activated by ligand  o Deactivated – open at rest  ▯closes in response to stimulus  o Desensitized – closed at rest  ▯activated by ligand  ▯desensitized to ligand after certain time, closes even with bound ligand  o Inactivated  – closed at rest  ▯opens in response to depolarization  ▯conformational change after certain time, closes even though polarized  7 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 Synaptic Transmission – Ligand­Gated Ion Channels  − NT released from synapse can bind  o To receptors on ion channels directly, causing it to open = extracellularly­activated o To receptors that modulate ion channels downstream by signaling/secondary messengers = intracellularly­activated   Eg/ GPCR, cAMP as secondary messenger  − Properties of ion channels gated by extracellular ligands – i) located in post­synaptic density ii) opening varies with ligand concentration iii) initiate rapid responses iv)  usually less selective than voltage­gated channels (i.e. 2+ ions flow through) v) can cause depolarization or hyperpolarization − Nicotinic Acetylcholine Receptors (nAChRs) o ACh released from presynaptic terminal in motor neuron  ▯binds ACh­gated channels (nAChR) on muscle post synaptic membranes  o Structure – γ subunits; large extracellular portion, binding pockets on extracellular area of a; each subunit has 4 membrane spanning domains (M1, M2,  M3, M4)  M2 lines the channel pore and determines selectivity – negatively charged aa ring around extra­ and intra­ cellular cavity attract cations  Narrowest region (polar, not charged) eliminates waters of hydration, allow ions to pass  8 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 o Toxin in venom (a­bungarotoxin) irreversibly binds and blocks nAChRs; used to study channel structure, gating, localization Channelopathies  − Diesaes caued by altered ion channels − Mutations in voltage­gates Na  channels − Generalized Epilepsy with Febrile Seizures (GEFS) – mutation in Na  channels slows the rate of Na  current inactivation  ▯Na channel closes too slowly leading to  hyper­excitability (Na  depolarizes membrane  ▯Ca  channels open, Ca  enters cell)  Receptors − G­Protein Coupled Receptors (GPCR) – bound by peptide hormones and NTs o Transmembrane a­helices linked to G­protein s bunits (a,b,γ) o When ligand binds membrane spanning a­helices, molecule changes conformation  ▯G­protein activated; a­subunit separates from  b­ and γ­ subunit − Receptor Tyrosine Kinase (RTK) – bound by growth factors and cytokine receptors  o Monomeric in membrane; tyrosine residues in intracellular domain o Ligand binding results in dimerization  ▯auto­phosphorylation leads to activation   Receptor Tyrosine Kinase (RTK) − Classes of RTKs  o Trk Receptor Family – neurotrophic factors o RET Receptor Family – neurotrophic factors; GDNF Family o Cytokine Receptor Family – neurotrophic factors and cytokines  o Eph Receptor Family – axon guidance o EGF Receptor Family (ERBb Family) – epidermal growth factor; mitogen (causes cell proliferation; stops differentiation) o FGF Receptor Family – fibroblast growth factor  o VEGF Receptor Family – vascular endothelial growth factor o PDGF Receptor Family – platelet derived growth factor o Insulin Receptor Family – insulin­like growth factors − Trk and p755 Receptors – bind neurotrophin factors  o NGF, NT4, BDNF, NT3 (NFs) have affinities for different Trk receptors; all have affinity for p75 9 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03 o Trk receptors have intracellular tyrosine domain; p75 has a death domain  o Trk – NF binds  ▯dimerization  ▯auto­phosphorylation  ▯signaling pathway o p75 – NF binds  ▯dimerization  ▯auto­phosphorylation  ▯many signals (cell death, myelination) o p75 has a high affinity for Trk – can form a complex and amplify Trk signaling and ligand binding  o p75 as a co­receptor (receptor that can bind in concert with a number of other receptors) – can amplify and modify signals  p75NT – neurotrophin receptor; binds neurotrophins independently; initiates a set of signaling pathways  ▯cell death or myelination  p75NT/Trk – binds neurotrophins; enhances Trk signaling  ▯pro­survival NTR  p75 /Sortilin – binds pro­neurotrophins  ▯cell death   p75NT/NogoR/Lingo­1  ▯inhibition of neurite outgrowth; poor regeneration in spinal cord; myelin associated proteins bind to complex, which  prevent regeneration and growth of axon and dendrites  o Survival or apoptosis depends in i) ligand (pro­ or mature) ii) receptor  NGF bound to Trk(with or witho  ▯TrkA dimerization  ▯survival and neurite outgrowth  NGF bound to p (alo  ▯cell death  ProNGF bound to TrkA (low affinity)  ▯cell death  ProNGF bound to p75  ▯cell death − Glial­Derived Neurotrophic Factor (GDNF) Receptors o RET Receptor Family o GDNF – supports survival and function of CNS dopaminergic neurons and spinal motor neurons; promotes motor nerve­neuromuscular junction innervation   Over­expression leads to hyper­innervation  Hirschprung Disease – developmental disorder of the enteric nervous system due to failure in migration of neural­crest derived GDNF­ responsive cells into the GI tract; lack of innervation in the gut 10 QUICKNOTES – MIDTERM 1 LIFESCI 3B03  GDNF knock out mice – lacks a kidney o Ligand binds to GFRa  ▯co­receptor binds to RET  ▯RET dimerization and auto­phosphorylation  GFRa ­ 4 different co receptors; each bind different ligands; GPI cleavable anchor   Differences from Trk and p75 – p75 single pass, not cleavable GPI; Trk does not need co­receptor to dimerize o Motor nerve innervating muscle; lined with Schwann cells – needs GDNF to be connected o Damaged Nerve   Damage leads to disintegration of axon between cut site and muscle ­ Schwann cells remain and produce GDNFa; muscle produces GDNF;  GDNF binds GDNFa which binds RET allowing for dimerization; motor axon growth is directed by location of GDNF  Cleavage at axon terminal creating a gap in the axon – co­receptors can be cleaved and diffuse across gap (then same as above)  − Ciliary Neurotrophic Factor (CNTF) o Cytokine Receptor Family  o CNTF – important during development for differentiation of glial progenitor cells into astrocytes and sympathetic precursors into cholinergic neurons;  found in peripheral nerves; made by Schwann cells; supports survival of spinal motor neurons  CNTF knockout mice – severe motor neuron deficit  CNTF slows progression of motor neuron disease in animal models of spinal degeneration  Clinical trials for diseases such as ALS o CNFT binds to CNTFRa  ▯CNTFRa bind
More Less

Related notes for LIFESCI 3B03

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.