Слияние пузырьков - это слияние пузырьков с другими пузырьками или частью клеточной мембраны . В последнем случае это конечная стадия секреции секреторных пузырьков, когда их содержимое выводится из клетки посредством экзоцитоза . Везикулы также могут сливаться с другими компартментами клеток-мишеней, такими как лизосома . Экзоцитоз возникает, когда секреторные везикулы временно стыкуются и сливаются в основании чашеобразных структур на плазматической мембране клетки, называемой поросомой , универсальным секреторным механизмом в клетках. Слияние везикул может зависеть от белков SNARE в присутствии повышенного внутриклеточного кальция.(Ca 2+ ) концентрация.
Триггеры
Стимулы, запускающие слияние пузырьков, действуют за счет увеличения внутриклеточного Ca 2+ .
- Синаптические везикулы совершают слияние везикул посредством нервного импульса, достигающего синапса, активируя зависимые от напряжения кальциевые каналы, которые вызывают приток Са 2+ в клетку.
- В эндокринной системе многие гормоны высвобождаются за счет связывания их рилизинг-гормонов с рецепторами, связанными с G-белком, связанными с альфа-субъединицей G q , активируя путь IP3 / DAG для увеличения Ca 2+ . Примеры этого механизма включают:
- Гонадотропин-рилизинг-гормон [1]
- Релизинг-гормон тиротропина [1]
- Релизинг-гормон гормона роста [1] (второстепенный путь - основной путь зависит от цАМФ [2] )
Модельные системы
Модельные системы, состоящие из одного фосфолипида или смеси, изучались физиками-химиками. Кардиолипин содержится в основном в митохондриальных мембранах, а ионы кальция играют важную роль в респираторных процессах, опосредованных митохондриями . Вовлеченные силы были постулированы для объяснения [3] этого процесса с точки зрения зародышеобразования для агломерации более мелких супрамолекулярных единиц или фазовых изменений в структуре биомембран. [4]
Механизмы
Слияние синаптической щели
При слиянии синаптических везикул везикула должна находиться в пределах нескольких нанометров от мембраны-мишени, чтобы процесс слияния начался. Эта близость позволяет клеточной мембране и везикуле обмениваться липидами, что опосредуется определенными белками, которые удаляют воду, которая попадает между образующимися стыками. Как только везикула занимает свое положение, она должна ждать, пока Са 2+ не войдет в клетку за счет распространения потенциала действия на пресинаптическую мембрану. [5] Са 2+ связывается со специфическими белками, одним из которых является синаптотагмин , в нейронах, что запускает полное слияние везикулы с мембраной-мишенью. [6]
Также считается, что белки SNARE помогают определять, какая мембрана является мишенью для какого пузырька. [7]
Белок SNARE и формирование пор
Сборка SNAREs в "транс" комплексы, вероятно, соединяет противоположные липидные бислои мембран, принадлежащих клетке и секреторной грануле, сближая их и вызывая их слияние. Приток кальция в клетку запускает завершение реакции сборки, которая опосредуется взаимодействием предполагаемого сенсора кальция, синаптотагмина , с липидами мембран и / или частично собранным комплексом SNARE.
Одна из гипотез предполагает, что молекула Complexin входит в состав комплекса SNARE и ее взаимодействие с молекулой синаптотагмина. [9] Известная как гипотеза «зажима», присутствие комплексина обычно препятствует слиянию везикулы с клеточной мембраной. Однако связывание ионов кальция с синаптотагмином запускает высвобождение или инактивацию комплексина, так что везикула может свободно сливаться. [10]
Согласно гипотезе «застежки-молнии» сборка комплекса начинается с N-концевых частей мотивов SNARE и продолжается к С-концам, которые закрепляют взаимодействующие белки в мембранах. Формирование комплекса «транс» -SNARE происходит через промежуточный комплекс, состоящий из SNAP-25 и синтаксина-1, который позже вмещает синаптобревин-2 (указанные изотипы синтаксина и синаптобревина участвуют в высвобождении нейрональных нейромедиаторов).
Основываясь на стабильности образовавшегося комплекса cis-SNARE , было постулировано, что энергия, высвобождаемая во время процесса сборки, служит средством для преодоления сил отталкивания между мембранами. Существует несколько моделей, которые предлагают объяснение следующего шага - образования стебля и поры слияния, но точная природа этих процессов остается спорной. Двумя наиболее известными моделями формирования пор слияния являются теории пор слияния с липидами и белками. [11]
Теория пор слияния липидов
Одной из возможных моделей образования пор слияния является теория пор липидных линий. В этой модели, когда мембраны оказываются достаточно близко друг к другу посредством механизма «застежки-молнии» комплекса SNARE , слияние мембран происходит спонтанно. Было показано, что, когда две мембраны находятся на критическом расстоянии, гидрофильные липидные головные группы одной мембраны могут сливаться с противоположной мембраной. [12] В модели слитых пор, выстланных липидами, комплекс SNARE действует как каркас, натягивая мембрану, заставляя обе мембраны сморщиваться, чтобы они могли достичь критического расстояния слияния. Когда две мембраны начинают сливаться, образуется покрытый липидами стержень, расширяющийся радиально наружу по мере слияния.
В то время как поры, покрытые липидами, возможны и могут достигать всех тех же свойств, которые наблюдаются при раннем порообразовании, не существует достаточных данных, чтобы доказать, что это единственный метод образования. [13] В настоящее время не существует предложенного механизма межклеточной регуляции флуктуации липидных пор, и им будет гораздо труднее производить такие эффекты, как «поцелуй и беги», по сравнению с их белково-белковой цепочкой. облицованные аналоги. Эффективность пор, покрытых липидами, также будет сильно зависеть от состава обеих мембран, и ее успех или неудача могут сильно варьироваться в зависимости от изменений эластичности и жесткости. [13]
Теория пор слияния с белковой оболочкой
Другой возможной моделью образования пор слияния является теория пор, выстланных белками. В этой модели после активации синаптотагмина кальцием несколько комплексов SNARE объединяются, чтобы сформировать кольцевую структуру, при этом синаптобревин формирует поры в мембране везикул, а синтаксин формирует поры в клеточной мембране. [14] По мере того, как начальная пора расширяется, она включает липиды из обоих бислоев, что в конечном итоге приводит к полному слиянию двух мембран. Комплекс SNARE играет гораздо более активную роль в теории пор, выстланных белками; поскольку пора изначально полностью состоит из белков SNARE, она легко может подвергаться межклеточной регуляции, что делает легко достижимыми механизмы флуктуации и «поцелуй и бегство». [9]
Пора, выстланная белком, полностью удовлетворяет всем наблюдаемым требованиям поры раннего слияния, и хотя некоторые данные действительно поддерживают эту теорию [14] , не существует достаточных данных, чтобы объявить ее основным методом слияния. Пора, выстланная белками, требует по крайней мере пяти копий комплекса SNARE, в то время как слияние наблюдается всего с двумя. [14]
В обеих теориях функция комплекса SNARE остается в основном неизменной, и весь комплекс SNARE необходим для инициирования слияния. Однако было доказано, что синтаксина in vitro как такового достаточно, чтобы управлять спонтанным кальций-независимым слиянием синаптических везикул, содержащих v-SNARE. [15] Это говорит о том, что при Са 2+ -зависимом экзоцитозе нейронов синаптотагмин является двойным регулятором, в отсутствие ионов Са 2+ он ингибирует динамику SNARE, а в присутствии ионов Са 2+ действует как агонист в процессе слияния мембран.
Гипотеза поцелуя и бега
В синаптических пузырьках некоторые нейрохимики предположили, что пузырьки иногда могут не полностью сливаться с пресинаптическими мембранами при высвобождении нейромедиатора в синаптическую щель . Разногласия заключаются в том, всегда ли эндоцитоз происходит при реформировании пузырьков после высвобождения нейромедиатора. Другой предложенный механизм высвобождения содержимого везикул во внеклеточную жидкость называется слиянием «поцелуй и беги» .
Есть некоторые указания на то, что везикулы могут образовывать только небольшие поры в пресинаптической мембране, позволяющие содержимому высвобождаться путем стандартной диффузии на короткое время, прежде чем вернуться обратно в пресинаптическую клетку. Этот механизм может быть способом обхода клатрин-опосредованного эндоцитоза . Также предполагается, что пузырьку не нужно возвращаться в эндосому для пополнения, хотя не совсем понятно, с помощью какого механизма он будет заполняться. Это не исключает полного слияния везикул, а только утверждает, что оба механизма могут действовать в синаптических щелях.
Было показано, что «поцелуй и беги» происходит в эндокринных клетках, хотя это не было обнаружено напрямую в синаптических промежутках. [16]
Смотрите также
- SNARE
- Пресинаптическая активная зона
- Липосомы используются в качестве моделей искусственных клеток в исследованиях слияния мембран .
Рекомендации
- ^ a b c Страница 237 в: Костанцо, Линда С. (2007). Физиология . Хагерствон, доктор медицины: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 978-0-7817-7311-9.
- ^ Уолтер Ф., доктор философии. Бор (2003). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход . Elsevier / Saunders. п. 1300. ISBN 978-1-4160-2328-9.
- ^ Папахаджопулос, Деметриос (1990). «Молекулярные механизмы индуцированного кальцием слияния мембран». Журнал биоэнергетики и биомембран . 22 (2): 157–179. DOI : 10.1007 / BF00762944 . PMID 2139437 .
- ^ sciencedirect
- ^ Пигино, Густаво; Морфини, Херардо; Брэди, Скотт (2006). «Глава 9: Внутриклеточная торговля». В Сигале, Джордж Дж .; Альберс, Р. Уэйн; Брэди, Скотт Т .; и другие. (ред.). Основы нейрохимии: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты (учебник) (7-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Elsevier Academic Press. п. 143. ISBN. 978-0-12-088397-4.
- ^ Пигино и др. стр.158
- ^ Пигино и др. стр.143
- ^ 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.
- ^ а б Kümmel, D .; Кришнакумар, СС; Radoff, DT; Li, F .; Giraudo, CG; Pincet, F .; Ротман, Дж. Э .; Райниш, KM (2011). «Комплексин перекрестно связывает SNARE перед слиянием в зигзагообразный массив» . Структурная и молекулярная биология природы . 18 (8): 927–933. DOI : 10.1038 / nsmb.2101 . PMC 3410656 . PMID 21785414 .
- ^ Ричмонд, Джанет. «Функция синапса» .
- ^ Джексон, Мейер Б .; Чепмен, Эдвин Р. (2006). «Поры слияния и машины слияния в экзоцитозе, инициированном Ca2 +». Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул . 35 (1): 135–160. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.35.040405.101958 . PMID 16689631 .
- ^ Marrink, Siewert J .; Марк, Алан Э. (01.09.2003). «Механизм слияния везикул, выявленный с помощью моделирования молекулярной динамики» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 125 (37): 11144–11145. DOI : 10.1021 / ja036138 + . ISSN 0002-7863 . PMID 16220905 .
- ^ а б Нанавати, C; Маркин ВС; Оберхаузер, AF; Фернандес, Дж. М. (1992-10-01). «Пора слияния экзоцитоза смоделирована как липидная пора» . Биофизический журнал . 63 (4): 1118–1132. DOI : 10.1016 / s0006-3495 (92) 81679-X . ISSN 0006-3495 . PMC 1262250 . PMID 1420930 .
- ^ а б в Чанг, Че-Вэй; Хуэй, Энфу; Бай, Джихонг; Брунс, Дитер; Chapman, Edwin R .; Джексон, Мейер Б. (2015-04-08). «Структурная роль трансмембранного домена Synaptobrevin 2 в порах слияния плотного ядра везикул» . Журнал неврологии . 35 (14): 5772–5780. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.3983-14.2015 . ISSN 0270-6474 . PMC 4388931 . PMID 25855187 .
- ^ Вудбери ди-джей, Роньлиен К. (2000). «Синтаксина t-SNARE достаточно для спонтанного слияния синаптических пузырьков с плоскими мембранами» (PDF) . Cell Biology International . 24 (11): 809–818. DOI : 10,1006 / cbir.2000.0631 . PMID 11067766 . Архивировано из оригинального (PDF) 19 июля 2011 года . Проверено 31 мая 2009 .
- ^ Piginio et al. стр. 161-162