Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Активная зона
Нейрон synapse.svg
Схема типичного синапса центральной нервной системы. Белки активной зоны представлены темно-коричневыми пирамидами на верхнем конце нейрона.
Подробности
Идентификаторы
латинскийZona Activa
THH2.00.06.2.00012
Анатомические термины микроанатомии

Активная зона или синаптической активная зона представляет собой термин , используемый первый Куто и Pecot-Dechavassinein в 1970 году , чтобы определить место нейромедиатора выпуска. Два нейрона находятся в непосредственном контакте через структуры, называемые синапсами, что позволяет им общаться друг с другом. Как показано на диаграмме рядом, синапс состоит из пресинаптического бутона одного нейрона, который хранит везикулы, содержащие нейротрансмиттер (вверху на рисунке), и второго постсинаптического нейрона, который несет рецепторы для нейромедиатора (внизу), а также промежуток между ними, называемый синаптической щелью (с молекулами синаптической адгезии, SAM, удерживающими их вместе [1]). Когда потенциал действия достигает пресинаптического бутона, содержимое везикул высвобождается в синаптическую щель, и высвобожденный нейромедиатор перемещается через щель к постсинаптическому нейрону (нижняя структура на рисунке) и активирует рецепторы на постсинаптической мембране.

Активная зона - это область в пресинаптическом бутоне, которая опосредует высвобождение нейротрансмиттера и состоит из пресинаптической мембраны и плотного скопления белков, называемых цитоматриксом в активной зоне (CAZ). Под электронным микроскопом CAZ представляет собой темную (электронно-плотную) область рядом с мембраной. Белки внутри CAZ связывают синаптические везикулы с пресинаптической мембраной и опосредуют слияние синаптических везикул , тем самым позволяя нейротрансмиттеру высвобождаться надежно и быстро при достижении потенциала действия.

Функция [ править ]

Функция активной зоны - гарантировать, что нейротрансмиттеры могут надежно высвобождаться в определенном месте нейрона и высвобождаться только тогда, когда нейрон запускает потенциал действия. [2] Когда потенциал действия распространяется вниз по аксону, он достигает конца аксона, называемого пресинаптическим бутоном. В пресинаптическом бутоне потенциал действия активирует кальциевые каналы.(VDCC), которые вызывают локальный приток кальция. Увеличение кальция обнаруживается белками в активной зоне и заставляет везикулы, содержащие нейротрансмиттер, сливаться с мембраной. Это слияние везикул с мембраной высвобождает нейротрансмиттеры в синаптическую щель (пространство между пресинаптическим бутоном и постсинаптической мембраной). Затем нейротрансмиттеры диффундируют через щель и связываются с лигандными ионными каналами и рецепторами, связанными с G-белком, на постсинаптической мембране. Связывание нейротрансмиттеров с постсинаптическими рецепторами затем вызывает изменение постсинаптического нейрона. Процесс высвобождения нейротрансмиттеров и связывания с постсинаптическими рецепторами, вызывающий изменение постсинаптического нейрона, называется нейротрансмиссией.

Структура [ править ]

Схема белков, обнаруженных в активной зоне

Активная зона присутствует во всех исследованных химических синапсах и присутствует у всех видов животных. Активные зоны, исследованные до сих пор, имеют по крайней мере две общие черты: все они содержат плотный белковый материал, который выступает из мембраны и связывает синаптические везикулы рядом с мембраной, и они имеют длинные нитчатые выступы, берущие свое начало на мембране и заканчивающиеся в пузырьках немного дальше от пресинаптическая мембрана. Плотные белковые выступы различаются по размеру и форме в зависимости от типа исследуемого синапса. Одним из ярких примеров плотных выступов является ленточный синапс (см. Ниже), который содержит «ленту» из плотного белкового материала, окруженного ореолом синаптических пузырьков и простирающегося перпендикулярно пресинаптической мембране, и может иметь длину до 500 нм.[3] Глутаматный синапс содержит пирамидоподобные структуры меньшего размера, которые выступают на 50 нм от мембраны. [4] Нервно-мышечный синапс содержит два ряда везикул с длинной белковой полосой между ними, которая соединяется с регулярно расположенными горизонтальными ребрами, проходящими перпендикулярно полосе и параллельно мембране. Затем эти ребра соединяются с везикулами, каждая из которых расположена над выступом в мембране (предположительно, с кальциевым каналом). [5] Предыдущие исследования показали, что активная зона глутаматергическогонейроны содержали очень регулярный массив плотного белкового материала в форме пирамиды, что указывало на то, что эти пирамиды были связаны нитями. Эта структура напоминала геометрическую решетку, в которой везикулы направлялись в отверстия решетки. [4] Эта привлекательная модель была поставлена ​​под сомнение в результате недавних экспериментов. Недавние данные показывают, что глутаматергическая активная зона действительно содержит выступы плотного белкового материала, но эти выступы не были регулярными и содержали длинные филаменты, выступающие в цитоплазму примерно на 80 нм. [6]

Есть по крайней мере пять основных белков каркаса, которые обогащены в активной зоне; UNC13B / Munc13, RIMS1 (молекула, взаимодействующая с Rab3), Bassoon, Piccolo / aczonin, ELKS и липрины-α . Считается, что эти каркасные белки являются составными частями плотных пирамидоподобных структур активной зоны и, как полагают, приводят синаптические пузырьки в непосредственную близость к пресинаптической мембране и кальциевым каналам. Белок ELKS связывается с белком клеточной адгезии , β-нейрексином и другими белками в составе комплекса, такими как Piccolo и Bassoon. [7] β-нейрексин затем связывается с молекулой клеточной адгезии, нейролигином.расположен на постсинаптической мембране. Затем нейролигин взаимодействует с белками, которые связываются с постсинаптическими рецепторами. Белковые взаимодействия, подобные тем, которые наблюдаются между пикколо / ELKS / β-нейрексином / нейролигином, гарантируют, что механизм, который опосредует слияние везикул, находится в непосредственной близости от кальциевых каналов и что слияние везикул находится рядом с постсинаптическими рецепторами. Это слияние везикул в непосредственной близости от постсинаптических рецепторов обеспечивает небольшую задержку между активацией постсинаптических рецепторов и высвобождением нейротрансмиттеров.

Механизм выпуска нейротрансмиттера [ править ]

Механизм высвобождения пузырьков. [8]
Основная статья: слияние пузырьков

Высвобождение нейротрансмиттера осуществляется путем слияния везикул нейромедиатора с пресинаптической мембраной. Хотя детали этого механизма все еще изучаются, существует консенсус по некоторым деталям процесса. Известно, что слияние синаптических везикул с пресинаптической мембраной требует локального увеличения кальция [9] из всего лишь одного, тесно связанного кальциевого канала [10] и образования высокостабильного SNARE.комплексы. Одна преобладающая модель слияния синаптических пузырьков состоит в том, что образование комплекса SNARE катализируется белками активной зоны, такими как Munc18, Munc13 и RIM. Считается, что образование этого комплекса «запускает» везикулу, чтобы она была готова к слиянию везикул и высвобождению нейромедиатора (см. Ниже: высвобождаемый пул). После того, как везикула примирована, комплексин связывается с комплексом SNARE, это называется «суперпраймированным». Суперпраймированные везикулы находятся в легко высвобождаемом пуле (см. Ниже) и готовы к быстрому высвобождению. Прибытие потенциала действия открывает управляемые напряжением кальциевые каналы рядом с комплексом SNARE / комплексин. Затем кальций связывается, чтобы изменить конформацию синаптотагмина.. Это изменение конформации позволяет синаптотагмину затем вытеснять комплексин, связываться с комплексом SNARE и связываться с мембраной-мишенью. Когда синаптотагмин связывается как с комплексом SNARE, так и с мембраной, это вызывает механическое воздействие на мембрану, заставляя мембрану везикул и пресинаптическую мембрану слиться. Это слияние открывает мембранную пору, которая высвобождает нейромедиатор. Пора увеличивается в размерах до тех пор, пока вся мембрана везикул не становится неотличимой от пресинаптической мембраны. [11] [12] [13]

Цикл синаптических пузырьков [ править ]

Пресинаптическая активная зона и цикл синаптических пузырьков

Пресинаптический бутон имеет эффективно организованный процесс слияния везикул с пресинаптической мембраной для высвобождения нейротрансмиттеров и регенерации везикул нейромедиатора. Этот процесс, называемый циклом синаптических пузырьков, поддерживает количество пузырьков в пресинаптическом бутоне и позволяет синаптическому окончанию быть автономной единицей. Цикл начинается с того, что (1) область аппарата Гольджи отщепляется, чтобы сформировать синаптический пузырек, и этот пузырек транспортируется к синаптическому окончанию. В конце (2) везикула заполнена нейромедиатором. (3) Везикула транспортируется в активную зону и стыкуется в непосредственной близости от плазматической мембраны. (4)Во время потенциала действия везикула сливается с мембраной, высвобождает нейромедиатор и позволяет мембранным белкам, ранее находившимся на везикуле, диффундировать в периактивную зону. (5) В периактивной зоне мембранные белки изолируются и эндоцитозируются, образуя везикулу, покрытую клатрином . (6) Затем везикула заполняется нейротрансмиттером и затем транспортируется обратно в активную зону.

Механизм эндоцитоза более медленный, чем механизм экзоцитоза . Это означает, что при интенсивной активности везикула в терминале может истощиться и больше не будет доступна для высвобождения. Чтобы предотвратить истощение синаптических везикул, увеличение кальция во время интенсивной активности может активировать кальциневрин, который дефосфорилирует белки, участвующие в клатрин-опосредованном эндоцитозе. [14]

Бассейны пузырьков [ править ]

Синапс содержит по крайней мере два кластера синаптических везикул, легко высвобождаемый пул и резервный пул. Легко высвобождаемый пул расположен внутри активной зоны и напрямую связан с пресинаптической мембраной, в то время как резервный пул сгруппирован цитоскелетом и не связан напрямую с активной зоной.

Releasable pool [ править ]

Высвобождаемый пул расположен в активной зоне и связан непосредственно с пресинаптической мембраной. Он стабилизируется белками в активной зоне и связывается с пресинаптической мембраной белками SNARE . Эти пузырьки готовы к высвобождению за счет единственного потенциала действия и пополняются пузырьками из резервного пула. Выполняемый пул иногда подразделяется на выпускаемый пул и выпускаемый пул.

Резервный пул [ править ]

Резервный пул не связан напрямую с активной зоной. Увеличение пресинаптической концентрации кальция активирует кальций-кальмодулин-зависимую протеинкиназу (CaMK). CaMK фосфорилирует белок, синапсин , который обеспечивает кластеризацию везикул резервного пула и прикрепление к цитоскелету. Фосфорилирование синапсина мобилизует везикулы в резервном пуле и позволяет им мигрировать в активную зону и пополнять легко высвобождаемый пул. [15] [16]

Периактивная зона [ править ]

Периактивная зона окружает активную зону и является местом эндоцитоза пресинаптического терминала. В периактивной зоне каркасные белки, такие как интерсектин 1, привлекают белки, которые опосредуют эндоцитоз, такие как динамин , клатрин и эндофилин. [17] У дрозофилии гомолог интерсектина, Dap160, расположен в периактивной зоне нервно-мышечного соединения, а мутантный Dap160 истощает синаптические пузырьки во время высокочастотной стимуляции. [18]

Активная зона ленточного синапса [ править ]

Основная статья: Ленточный синапс

Ленточный синапс - это особый тип синапса, обнаруженный в сенсорных нейронах, таких как фоторецепторные клетки , биполярные клетки сетчатки и волосковые клетки . Ленточные синапсы содержат плотную белковую структуру, которая связывает множество везикул, перпендикулярных пресинаптической мембране. На электронной микрофотографиион выглядит как ленточная структура, перпендикулярная мембране. В отличие от «традиционных» синапсов, ленточные синапсы могут поддерживать постепенное высвобождение пузырьков. Другими словами, чем более деполяризован нейрон, тем выше скорость слияния пузырьков. Активная зона ленточного синапса разделена на две области: дугообразную плотность и ленту. Архиформная плотность - это место слияния везикул, а лента хранит высвобождаемый пул везикул. Ленточная структура состоит в основном из белка RIBEYE, примерно 64–69% объема ленты, и связана с аркообразной плотностью белками каркаса, такими как фагот. [19]

Белки [ править ]

ПротеинСтруктура / Функция
Структурные белки
Пикколо
Фагот
Диски
ЛОЛИ (ERC или CAST)
КАСКА
Мята
Липрин-альфа-1
Стыковка и заливка
Munc-13
Munc-18
SNAREs
SNAP25
ВАМП2
синтаксинРасположен на синаптической мембране и связывается с SNAP-25 и синаптобревином, опосредуя слияние везикул.
Цитоскелетные белки
Актин
Тубулин
миозин Множественные молекулы миозина II генерируют силу в скелетных мышцах за счет механизма силового удара, подпитываемого энергией, высвобождаемой при гидролизе АТФ
спектрин
β-катенин
Кальциевый канал
Напряжение-зависимый кальциевый канал (VDCC)Обеспечивает быстрый приток кальция во время потенциала действия.

Измерение высвобождения нейромедиатора [ править ]

Диаграмма, показывающая изменение емкости мембраны до (вверху) и после (средний и нижний) слияния везикул.

Высвобождение нейротрансмиттера можно измерить путем определения амплитуды постсинаптического потенциала после запуска потенциала действия в пресинаптическом нейроне. Измерение высвобождения нейромедиатора таким способом может быть проблематичным, потому что влияние постсинаптического нейрона на то же количество высвобожденного нейротрансмиттера может со временем измениться. Другой способ - измерить слияние везикул с пресинаптической мембраной непосредственно с помощью патч-пипетки . Клеточную мембрану можно рассматривать как конденсаторв том, что положительные и отрицательные ионы накапливаются с обеих сторон мембраны. Чем больше площадь мембраны, тем больше ионов необходимо для удержания мембраны при определенном потенциале. В электрофизиологии это означает, что введение тока в терминал потребует меньше времени для зарядки мембраны до заданного потенциала до слияния везикул, чем после слияния везикул. Измеряется время зарядки мембраны до потенциала и сопротивление мембраны, и с этими значениями емкость мембраны может быть рассчитана по уравнению Тау / Сопротивление = Емкость. С помощью этого метода исследователи могут измерять высвобождение синаптических везикул напрямую, измеряя увеличение мембранной емкости пресинаптического терминала. [20]

См. Также [ править ]

  • Парное облегчение пульса
  • Постсинаптическая плотность

Ссылки [ править ]

  1. ^ Missler М, Südhof ТС, Biederer Т (2012). «Адгезия синаптических клеток» . Cold Spring Harb Perspect Biol . 4 (4): a005694. DOI : 10.1101 / cshperspect.a005694 . PMC  3312681 . PMID  22278667 .
  2. ^ Крейг С. Гарнер и Кан Шен. Структура и функции активных зон позвоночных и беспозвоночных. Структура и функциональная организация синапса. Эд: Йоханнес Ад и Майкл Элерс. Спрингер, 2008.
  3. ^ Чжай Р. Грейс; Беллен Хьюго Дж. (2004). «Архитектура активной зоны в пресинаптическом нервном окончании». Физиология . 19 (5): 262–270. DOI : 10.1152 / physiol.00014.2004 . PMID 15381754 . S2CID 9609266 .  
  4. ^ a b Филлипс Г.Р .; и другие. (2001). «Паутина пресинаптических частиц: ультраструктура, состав, растворение и воссоздание». Нейрон . 32 (1): 63–77. DOI : 10.1016 / s0896-6273 (01) 00450-0 . PMID 11604139 . S2CID 5996555 .  
  5. ^ Марк L .; и другие. «Харлоу и др. Архитектура материала активной зоны в нервно-мышечном соединении лягушки». Природа . 409 : 2001.
  6. ^ Сиксоу; и другие. (2007). «Трехмерная архитектура пресинаптической терминальной цитоматрицы» . Журнал неврологии . 27 (26): 6868–6877. DOI : 10.1523 / jneurosci.1773-07.2007 . PMC 6672225 . PMID 17596435 .  
  7. ^ Зив, Гарнер (2004). «Клеточные и молекулярные механизмы пресинаптической сборки». Клеточные и молекулярные механизмы пресинаптической сборки . 5 (5): 385–399. DOI : 10.1038 / nrn1370 . PMID 15100721 . S2CID 21516580 .  
  8. ^ Георгиев, Данко Д .; Джеймс Ф. Глейзбрук (2007). «Субнейронная обработка информации уединенными волнами и случайными процессами» . В Лышевском, Сергей Эдуард (ред.). Справочник по нано- и молекулярной электронике . Серия нано- и микротехники. CRC Press. С. 17-1–17-41. DOI : 10.1201 / 9781315221670-17 . ISBN 978-0-8493-8528-5.
  9. ^ Heidelberger; и другие. (1994). «Кальциевая зависимость скорости экзоцитоза в синаптическом окончании». Природа . 371 (6497): 513–515. Bibcode : 1994Natur.371..513H . DOI : 10.1038 / 371513a0 . PMID 7935764 . S2CID 4316464 .  
  10. ^ Стэнли EF (1993). «Отдельные кальциевые каналы и высвобождение ацетилхолина на пресинаптическом нервном окончании». Нейрон . 11 (6): 1007–1011. DOI : 10.1016 / 0896-6273 (93) 90214-c . PMID 8274272 . S2CID 7311805 .  
  11. ^ Atasoy и Kavalali. Машины высвобождения нейротрансмиттеров: компоненты нейронального комплекса SNARE и их функции. Структурная и функциональная организация Synapse Hell и Ehlers (ред.) 2008 г.
  12. ^ Пан З .; Судхоф Т. (2010). «Клеточная биология экзоцитоза, запускаемого Ca2 +» . Текущее мнение в клеточной биологии . 22 (4): 496–505. DOI : 10.1016 / j.ceb.2010.05.001 . PMC 2963628 . PMID 20561775 .  
  13. ^ Карр C .; Мансон М. (2007). «Действие команды тегов в синапсе» . EMBO Reports . 8 (9): 834–838. DOI : 10.1038 / sj.embor.7401051 . PMC 1973957 . PMID 17767192 .  
  14. ↑ Юнг Наджа; Хаук Фолькер (2007). «Клатрин-опосредованный эндоцитоз в синапсах» . Трафик . 8 (9): 1129–1136. DOI : 10.1111 / j.1600-0854.2007.00595.x . PMID 17547698 . S2CID 11320827 .  
  15. ^ Пинг Чи; Пол Грингард; Тимоти Райан (10 апреля 2003 г.). «Мобилизация синаптических пузырьков регулируется отдельными путями фосфорилирования синапсина I с разной частотой». Нейрон . 38 (1): 69–78. DOI : 10.1016 / S0896-6273 (03) 00151-X . PMID 12691665 . S2CID 17405359 .  
  16. ^ Cesca et al. (2010) Синапсины: ключевые участники функции и пластичности синапсов. Прогресс нейробиологии. Vol. 91. 313-348.
  17. ^ Дергай; и другие. (2010). «Интерсектин 1 образует комплексы с SGIP1 и Reps1 в ямках, покрытых клатрином». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях . 402 (2): 408–413. DOI : 10.1016 / j.bbrc.2010.10.045 . PMID 20946875 . 
  18. ^ Мари; и другие. (2004). «Dap160 / Intersectin Scaffolds Periactive Zone для достижения эндоцитоза высокой точности и нормального синаптического роста». Нейрон . 43 (2): 207–219. DOI : 10.1016 / j.neuron.2004.07.001 . PMID 15260957 . S2CID 16296285 .  
  19. ^ Джордж Дзанацци и Гэри Мэтьюз. Молекулярная архитектура ленточных пресинаптических терминалов. Мол. Neurobiol. (2009) 39: 130-148.
  20. ^ Герсдорф Х. и Мэтьюз Г. (1994) Динамика слияния синаптических пузырьков и восстановления мембран в синаптических окончаниях. Природа. Том 367. 735-739