Pęcherzyk synaptyczny
| Pęcherzyk synaptyczny | |
|---|---|
 Neuron A (nadawczy) do neuronu B (odbierający). 1 . mitochondrium ; 2 . Pęcherzyk synaptyczny z neuroprzekaźnikami ; 3 . Autoreceptor 4 . Synapsa z uwolnionym neuroprzekaźnikiem ( serotonina ); 5 . Receptory postsynaptyczne aktywowane przez neuroprzekaźnik (indukcja potencjału postsynaptycznego ); 6 . kanał wapniowy ; 7 . Egzocytoza pęcherzyka; 8 . Odzyskany neuroprzekaźnik. | |
| Detale | |
| System | System nerwowy |
| Identyfikatory | |
| łacina | pęcherzyk synaptyczny |
| Siatka | D013572 |
| TH | H2.00.06.2.00004 |
| Anatomiczne warunki mikroanatomii | |
W neuronie pęcherzyki synaptyczne (lub pęcherzyki neuroprzekaźnika ) przechowują różne neuroprzekaźniki , które są uwalniane w synapsie . Uwalnianie jest regulowane przez zależny od napięcia kanał wapniowy . Pęcherzyki są niezbędne do propagacji impulsów nerwowych między neuronami i są stale odtwarzane przez komórkę . Obszar w aksonie , w którym znajdują się grupy pęcherzyków, to zakończenie aksonu lub „terminalny buton”. W ciągu dziesięciominutowej stymulacji przy częstotliwości 0,2 Hz z jednego guzika można uwolnić do 130 pęcherzyków. W korze wzrokowej ludzkiego mózgu pęcherzyki synaptyczne mają średnią średnicę 39,5 nanometra (nm) z odchyleniem standardowym 5,1 nm.
Struktura
Pęcherzyki synaptyczne są stosunkowo proste, ponieważ tylko ograniczona liczba białek mieści się w kuli o średnicy 40 nm. Oczyszczone pęcherzyki mają białka do fosfolipidów 1:3, a skład lipidów to 40% fosfatydylocholiny , 32% fosfatydyloetanoloaminy , 12% fosfatydyloseryny , 5% fosfatydyloinozytolu i 10% cholesterolu .
Pęcherzyki synaptyczne zawierają dwie klasy obowiązkowych składników: białka transportowe zaangażowane w wychwyt neuroprzekaźników oraz białka transportujące, które uczestniczą w egzocytozie , endocytozie i recyklingu pęcherzyków synaptycznych .
- Białka transportowe składają się z pomp protonowych , które generują gradienty elektrochemiczne , które umożliwiają wychwyt neuroprzekaźników, oraz transporterów neuroprzekaźników, które regulują rzeczywisty wychwyt neuroprzekaźników. Niezbędny gradient protonów jest tworzony przez V-ATPazę , która rozkłada ATP na energię. Transportery pęcherzykowe przenoszą neuroprzekaźniki z cytoplazmy komórki do pęcherzyków synaptycznych. Na przykład pęcherzykowe transportery glutaminianu sekwestrują glutaminian do pęcherzyków w tym procesie.
- Białka transportujące są bardziej złożone. Obejmują one wewnętrzne białka błonowe , białka związane obwodowo i białka, takie jak SNARE . Białka te nie mają wspólnej cechy, która umożliwiałaby ich identyfikację jako białek pęcherzyków synaptycznych i niewiele wiadomo o tym, w jaki sposób te białka są specyficznie osadzane w pęcherzykach synaptycznych. Wiele, ale nie wszystkie, znanych białek pęcherzyków synaptycznych oddziałuje z białkami niepęcherzykowymi i jest związanych z określonymi funkcjami.
Stechiometrię ruchu różnych neuroprzekaźników do pęcherzyka podano w poniższej tabeli.
| Typy neuroprzekaźników | Ruch do wewnątrz | Ruch na zewnątrz |
|---|---|---|
| norepinefryny , dopaminy , histaminy , serotoniny i acetylocholiny | neuroprzekaźnik + | 2 H + |
| GABA i glicyna | neuroprzekaźnik | 1H + |
| glutaminian | neuroprzekaźnik − + Cl − | 1H + |
Ostatnio odkryto, że pęcherzyki synaptyczne zawierają również małe cząsteczki RNA, w tym fragmenty transferowego RNA , fragmenty Y RNA i mirRNA . Uważa się, że odkrycie to ma szeroki wpływ na badanie synaps chemicznych.
Działanie neurotoksyn
niektóre neurotoksyny , takie jak batrachotoksyna , niszczą pęcherzyki synaptyczne. Toksyna tężcowa uszkadza białka błonowe związane z pęcherzykami (VAMP), rodzaj v-SNARE, podczas gdy toksyna botulinowa uszkadza t-SNARES i v-SNARES, a tym samym hamuje transmisję synaptyczną. Toksyna pająka zwana alfa-latrotoksyną wiąże się z neureksynami , uszkadzając pęcherzyki i powodując masowe uwalnianie neuroprzekaźników. [ potrzebne źródło ]
Pule pęcherzyków
Pęcherzyki w zakończeniu nerwu są pogrupowane w trzy pule: pulę łatwo uwalnialną, pulę recyklingową i pulę rezerwową. Baseny te wyróżniają się funkcją i położeniem w zakończeniu nerwowym. Łatwo uwalniana pula jest przyczepiana do błony komórkowej , co czyni je pierwszą grupą pęcherzyków uwalnianych podczas stymulacji. Łatwo zwalniana pula jest mała i szybko się wyczerpuje. Pula recyklingowa znajduje się w pobliżu błony komórkowej i zwykle podlega cyklom przy umiarkowanej stymulacji, tak że szybkość uwalniania pęcherzyków jest taka sama lub niższa niż szybkość tworzenia się pęcherzyków. Ta pula jest większa niż pula, którą można łatwo zwolnić, ale jej mobilizacja trwa dłużej. Pula rezerwowa zawiera pęcherzyki, które nie są uwalniane w normalnych warunkach. Ta pula rezerwowa może być dość duża (~ 50%) w neuronach hodowanych na szklanym podłożu, ale jest bardzo mała lub nieobecna w dojrzałych synapsach w nienaruszonej tkance mózgowej.
Fizjologia
Cykl pęcherzyków synaptycznych
Zdarzenia cyklu pęcherzyków synaptycznych można podzielić na kilka kluczowych etapów:
- 1. Handel do synapsy
Składniki pęcherzyków synaptycznych są początkowo przenoszone do synapsy przy użyciu członków rodziny motorycznej kinezyny . U C. elegans głównym motorem pęcherzyków synaptycznych jest UNC-104. Istnieją również dowody na to, że inne białka, takie jak UNC-16/Sunday Driver, regulują wykorzystanie silników do transportu pęcherzyków synaptycznych.
- 2. Ładowanie nadajnika
W synapsie pęcherzyki synaptyczne są ładowane neuroprzekaźnikiem. Ładowanie przekaźnika jest aktywnym procesem wymagającym transportera neuroprzekaźników i pompy protonowej ATPazy, która zapewnia gradient elektrochemiczny. Transportery te są selektywne dla różnych klas przekaźników. Dotychczas opisano charakterystykę unc-17 i unc-47, które kodują pęcherzykowy transporter acetylocholiny i pęcherzykowy transporter GABA .
- 3. Dokowanie
Załadowane pęcherzyki synaptyczne muszą zadokować w pobliżu miejsc uwalniania, jednak dokowanie jest etapem cyklu, o którym niewiele wiemy. Zidentyfikowano wiele białek na pęcherzykach synaptycznych iw miejscach uwalniania, jednak żadna ze zidentyfikowanych interakcji białkowych między białkami pęcherzyków a białkami miejsca uwalniania nie może odpowiadać za fazę dokowania cyklu. Mutanty w rab-3 i munc-18 zmieniają dokowanie pęcherzyków lub organizację pęcherzyków w miejscach uwalniania, ale nie zakłócają całkowicie dokowania. Białka SNARE wydają się być teraz również zaangażowane w etap dokowania cyklu.
- 4. Gruntowanie
Po początkowym zadokowaniu pęcherzyków synaptycznych muszą one zostać zagruntowane, zanim będą mogły rozpocząć fuzję. Priming przygotowuje pęcherzyki synaptyczne, aby mogły szybko łączyć się w odpowiedzi na napływ wapnia. Uważa się, że ten etap torowania obejmuje tworzenie częściowo zmontowanych kompleksów SNARE. Białka Munc13 , RIM i RIM-BP biorą udział w tym zdarzeniu. Uważa się, że Munc13 stymuluje zmianę syntaksyny t-SNARE z konformacji zamkniętej do konformacji otwartej, co stymuluje składanie kompleksów v-SNARE /t-SNARE. Wydaje się również, że RIM reguluje priming, ale nie jest niezbędny do wykonania kroku. [ potrzebny cytat ]
- 5. Fuzja
Zagruntowane pęcherzyki łączą się bardzo szybko w odpowiedzi na podwyższenie poziomu wapnia w cytoplazmie. Uważa się, że w tym zdarzeniu fuzji pośredniczą bezpośrednio SNARE i jest napędzane energią dostarczoną z zespołu SNARE. Wyzwalaczem wykrywającym wapń dla tego zdarzenia jest białko synaptyczne pęcherzyków wiążące wapń, synaptotagmina. Zdolność SNARE do pośredniczenia w fuzji w sposób zależny od wapnia została niedawno odtworzona in vitro. Zgodnie z tym, że SNARE są niezbędne w procesie fuzji, mutanty v-SNARE i t-SNARE C. elegans są śmiertelne. Podobnie mutanty u Drosophila i nokauty u myszy wskazują, że te SNARES odgrywają kluczową rolę w egzocytozie synaptycznej.
- 6. Endocytoza
Stanowi to o ponownym wychwycie pęcherzyków synaptycznych w modelu pełnej fuzji kontaktowej. Jednak inne badania gromadzą dowody sugerujące, że ten typ fuzji i endocytozy nie zawsze ma miejsce. [ potrzebne źródło ]
Recykling pęcherzyków
Uważa się, że za recykling pęcherzyków synaptycznych odpowiedzialne są dwa wiodące mechanizmy działania: pełna fuzja kolapsu i metoda „pocałuj i uciekaj”. Oba mechanizmy zaczynają się od utworzenia pory synaptycznego, który uwalnia przekaźnik do przestrzeni pozakomórkowej. Po uwolnieniu neuroprzekaźnika pory mogą albo całkowicie się rozszerzyć, tak że pęcherzyk zapadnie się całkowicie w błonie synaptycznej, albo mogą się szybko zamknąć i odciąć błonę, powodując fuzję typu „pocałuj i uciekaj”.
Pełna fuzja upadku
Wykazano, że okresy intensywnej stymulacji synaps nerwowych zmniejszają liczbę pęcherzyków, a także zwiększają pojemność i powierzchnię komórkową. Wskazuje to, że po uwolnieniu ładunku neuroprzekaźnika pęcherzyki synaptyczne łączą się z błoną komórkową i stają się jej częścią. Po oznaczeniu pęcherzyków synaptycznych za pomocą HRP ( peroksydazy chrzanowej ), Heuser i Reese odkryli, że fragmenty błony komórkowej na połączeniu nerwowo-mięśniowym żaby zostały wchłonięte przez komórkę i ponownie przekształcone w pęcherzyki synaptyczne. Badania sugerują, że cały cykl egzocytozy, odzyskiwania i ponownego tworzenia pęcherzyków synaptycznych wymaga mniej niż 1 minuty.
W pełnej fuzji kolapsu pęcherzyk synaptyczny łączy się i zostaje włączony do błony komórkowej. Tworzenie nowej błony jest procesem, w którym pośredniczą białka i może zachodzić tylko w określonych warunkach. Po potencjale czynnościowym Ca 2+ napływa do błony presynaptycznej. Ca 2+ wiąże się ze specyficznymi białkami w cytoplazmie, z których jednym jest synaptotagmina , co z kolei wyzwala całkowitą fuzję pęcherzyka synaptycznego z błoną komórkową. To całkowite zespolenie porów jest wspomagane przez SNARE białka. Ta duża rodzina białek pośredniczy w dokowaniu pęcherzyków synaptycznych w sposób zależny od ATP. Z pomocą synaptobrewiny na pęcherzyku synaptycznym, kompleks t-SNARE na błonie, składający się z syntaksyny i SNAP-25 , może zadokować, zapoczątkować i wtopić pęcherzyk synaptyczny w błonę.
Wykazano, że mechanizm stojący za fuzją pełnego załamania jest celem toksyn botulinowych i tężcowych . Toksyna botulinowa ma proteazy , która rozkłada białko SNAP-25 . Białko SNAP -25 jest wymagane do fuzji pęcherzyków, która uwalnia neuroprzekaźniki, w szczególności acetylocholinę. Toksyna botulinowa zasadniczo rozszczepia te białka SNARE, a czyniąc to, zapobiega fuzji pęcherzyków synaptycznych z komórkową błoną synaptyczną i uwalnianiu ich neuroprzekaźników. Toksyna tężcowa podąża podobną drogą, ale zamiast tego atakuje białko synaptobrewina na pęcherzyku synaptycznym. Z kolei te neurotoksyny uniemożliwiają pęcherzykom synaptycznym ukończenie pełnej fuzji zapadnięcia się. Bez tego mechanizmu mogą wystąpić skurcze mięśni, paraliż i śmierć. [ potrzebne źródło ]
„Pocałuj i uciekaj”
Drugi mechanizm, dzięki któremu pęcherzyki synaptyczne są przetwarzane, jest znany jako fuzja typu „pocałuj i uciekaj” . W tym przypadku pęcherzyk synaptyczny „całuje” błonę komórkową, otwierając mały por, przez który uwalniany jest ładunek neuroprzekaźnika, a następnie zamyka por i jest zawracany z powrotem do komórki. Mechanizm „pocałuj i uciekaj” był tematem gorących dyskusji. Jego efekty były obserwowane i rejestrowane; jednak wciąż badany jest powód jego użycia w przeciwieństwie do fuzji z pełnym zawaleniem. Spekulowano, że pocałuj i uciekaj jest często stosowany w celu oszczędzania ograniczonych zasobów pęcherzykowych, a także jest wykorzystywany do reagowania na sygnały wejściowe o wysokiej częstotliwości. Eksperymenty wykazały, że zdarzają się zdarzenia typu „pocałuj i uciekaj”. Pierwszy zaobserwowany przez Katza i del Castillo, później zaobserwowano, że mechanizm „pocałuj i uciekaj” różni się od fuzji pełnego zapadnięcia się tym, że pojemność komórkowa nie wzrasta w zdarzeniach „pocałuj i uciekaj”. To wzmacnia ideę mody „pocałuj i uciekaj”, pęcherzyk synaptyczny uwalnia swój ładunek, a następnie oddziela się od błony.
Modulacja
Wydaje się zatem, że komórki mają co najmniej dwa mechanizmy do naśladowania w celu recyklingu błon. W pewnych warunkach komórki mogą przełączać się z jednego mechanizmu na drugi. Powolna, konwencjonalna fuzja z całkowitym zapadnięciem dominuje w błonie synaptycznej, gdy poziom Ca 2+ jest niski, a szybki mechanizm „pocałuj i uciekaj” następuje, gdy poziom Ca 2+ jest wysoki. [ potrzebne źródło ]
Aleś i in. wykazali, że podwyższone stężenia zewnątrzkomórkowych jonów wapnia przesuwają preferowany tryb recyklingu i uwalniania pęcherzyków synaptycznych do mechanizmu „pocałuj i uciekaj” w sposób zależny od stężenia wapnia. Zaproponowano, że podczas wydzielania neuroprzekaźników w synapsach tryb egzocytozy jest modulowany przez wapń, aby osiągnąć optymalne warunki dla sprzężonej egzocytozy i endocytozy zgodnie z aktywnością synaptyczną.
Dowody eksperymentalne sugerują, że pocałuj i uciekaj jest dominującym sposobem uwalniania synaptycznego na początku ciągu bodźców. W tym kontekście „pocałuj i uciekaj” odzwierciedla wysokie prawdopodobieństwo uwolnienia pęcherzyków. Częstość występowania pocałunku i ucieczki jest również zwiększona przez szybkie odpalanie i stymulację neuronu, co sugeruje, że kinetyka tego typu uwalniania jest szybsza niż inne formy uwalniania pęcherzyków.
Historia
Wraz z pojawieniem się mikroskopu elektronowego we wczesnych latach pięćdziesiątych XX wieku stwierdzono, że zakończenia nerwowe zawierają dużą liczbę pęcherzyków przepuszczających elektrony (przezroczystych dla elektronów). Termin pęcherzyk synaptyczny został po raz pierwszy wprowadzony przez De Robertisa i Bennetta w 1954 r. Było to wkrótce po uwolnieniu przekaźnika w złączu nerwowo-mięśniowym żaby , który indukował postsynaptyczne miniaturowe potencjały płytki końcowej , które przypisywano uwalnianiu dyskretnych pakietów neuroprzekaźnika ( kwantów) z presynaptycznego zakończenia nerwu. Rozsądne było zatem postawienie hipotezy, że substancja przekaźnikowa ( acetylocholina ) była zawarta w takich pęcherzykach, które poprzez mechanizm wydzielniczy uwalniały swoją zawartość do szczeliny synaptycznej (hipoteza pęcherzykowa).
Brakującym ogniwem było wykazanie, że neuroprzekaźnik acetylocholina faktycznie jest zawarty w pęcherzykach synaptycznych. Około dziesięć lat później zastosowanie subkomórkowych technik frakcjonowania tkanki mózgowej umożliwiło wyizolowanie najpierw zakończeń nerwowych ( synaptosomów ), a następnie pęcherzyków synaptycznych z mózgu ssaków. W tę pracę zaangażowane były dwa konkurujące ze sobą laboratoria: Victora P. Whittakera z Institute of Animal Physiology, Agricultural Research Council, Babraham, Cambridge, Wielka Brytania oraz Eduardo de Robertis w Instituto de Anatomía General y Embriología, Facultad de Medicina, Universidad de Buenos Aires, Argentyna. Praca Whittakera wykazująca acetylocholinę we frakcjach pęcherzyków z świnki morskiej została po raz pierwszy opublikowana w formie abstrakcyjnej w 1960 r., A następnie bardziej szczegółowo w 1963 i 1964 r., A artykuł grupy de Robertis wykazujący wzbogacenie związanej acetylocholiny we frakcje pęcherzyków synaptycznych szczura mózg pojawił się w 1963 roku. Obie grupy uwolniły pęcherzyki synaptyczne z izolowanych synaptosomów w wyniku szoku osmotycznego . Zawartość acetylocholiny w pęcherzyku pierwotnie szacowano na 1000–2000 cząsteczek. Późniejsze prace zidentyfikowały pęcherzykową lokalizację innych neuroprzekaźników, takich jak aminokwasy , katecholaminy , serotonina i ATP . Później pęcherzyki synaptyczne można było również izolować z innych tkanek, takich jak górny zwój szyjny lub mózg ośmiornicy . Izolacja wysokooczyszczonych frakcji cholinergicznych pęcherzyków synaptycznych z narządu elektrycznego Torpedo był ważnym krokiem naprzód w badaniu biochemii i funkcji pęcherzyków.