As vesículas sinápticas ou vesículas de neurotransmisor son vesículas presentes nas neuronas que almacenan varios neurotransmisores que son liberados na sinapse. A liberación está regulada por unha canle de calcio dependente de voltaxe. As vesículas son esenciais para propagar o impulso nervioso entre neuronas e están sendo constantemente xeradas pola célula. A área do axón que contén grupos de vesículas é o terminal axónico ou "botón terminal". En cada botón poden libberarse ata unhas 130 vesículas nun período de dez minutos de estimulación a 0,2 Hz.[1] No córtex visual do cerebro humano, as vesículas sinápticas teñen un diámetro medio de 39,5 nanómetros (nm) cunha desviación estándar de 5,1 nm.[2]
As vesículas sinápticas son relativamente simples porque só caben un limitado número de proteínas dentro dunha esfera de 40 nm de diámetro. As vesículas purificadas teñen unha proporción proteína:fosfolípido de 1:3 cunha composición de lípidos de 40% de fosfatidilcolina, 32% de fosfatidiletanolamina, 12% de fosfatidilserina, 5% de fosfatidilinositol e 10% de colesterol.[4]
As vesículas sinápticas conteñen dúas clases de compoñentes obrigatorios: proteínas de transporte implicadas na captación do neurotransmisor e proteínas de tráfico que participan na exocitose da vesícula sináptica e na súa reciclaxe.
A estequiometría do movemento de diferentes neurotransmisores a unha vesícula dáse na seguinte táboa:
Tipo(s) de neurotransmisor | Movemento cara ao interior | Movemento cara ao exterior |
---|---|---|
noradrenalina (norepinefrina), dopamina, histamina, serotonina e acetilcolina | neurotransmisor+ | 2 H+ |
GABA e glicina | neurotransmisor | 1 H+ |
glutamato | neurotransmisor− + Cl− | 1 H+ |
Recentemente, descubriuse que as vesículas sinápticas tamén conteñen pequenas moléculas de ARN, incluíndo fragmentos de ARN transferente, fragmentos de ARN Y e microARN.[5] Este descubrimento crese que terá un grande impacto no estudo das sinapses químicas.
Algunhas neurotoxinas, como a batracotoxina, sábese que destrúen as vesículas sinápticas. A toxina tetánica dana as proteínas de membrana asociadas a vesículas (VAMP), un tipo de v-SNARE, mentres que a toxina botúlica dana as t-SNARES e v-SNARES e así inhibe a transmisión sináptica.[6] Unha toxina de arañas chamada alfa-latrotoxina únese ás neurexinas, danando as vesículas e causando unha liberación masiva de neurotransmisores.
As vesículas da terminal nerviosa poden agruparse en tres conxuntos: as vesículas liberables doadamente, as vesículas de reciclaxe, e as vesículas de reserva.[7] Estes tres conxuntos distínguense pola súa función e posición no terminal nervioso. O conxunto de vesículas liberables doadamente atracan na membrana plasmática, polo que son as primeiras que se liberan durante a estimulación. Trátase de vesículas pequenas que se esgotan rapidamente. O conxunto de vesículas de reciclaxe están próximas á membrana e adoitan ser cicladas con moderada estimulación, de modo que a proporción de vesículas liberadas é a mesma ou inferior que a a velocidade de formación de vesículas. Estas son máis grandes que as que se liberan doadamente, pero tardan máis tempo en ser mobilizadas. O conxunto de vesículas de reserva comprende vesículas que non son liberadas en condicións normais. Este conxunto de reseva pode ser bastante grande (~50%) en neuronas que crecen sobre un substrato de vidro, pero é moi pequeno ou está ausente nas sinapses maduras en tecido cerebral intacto.[8][9]
Os eventos do ciclo das vesículas sináptias poden dividirse en varios pasos clave:[10]
Os compoñentes da vesícula sináptica son dirixidos inicialmente á sinapse utilizando proteínas da familia das proteínas motoras cinesinas. No verme Caenorhabditis elegans o principal motor para as vesículas sinápticas é UNC-104.[11] Tamén hai probas de que outras proteínas como UNC-16/Sunday Driver regulan o uso de motores de transorte das vesículas sinápticas.[12]
Unha vez na sinapse, as vesículas sinápticas cárganse cun neurotransmisor. A carga do neurotransmisor é un proceso activo para o que cómpre un transportador do neurotransmisor e unha ATPase bomba de protóns que proporciona un gradiente electroquímico. Estes transportadores son selectivos para diferentes clases de transmisores. Ata agora describíronse os xenes unc-17 e unc-47 e os seus mutantes, que codifican o transportador de acetilcolina vesicular e o transportador de GABA vesicular en C. elegans.[13]
As vesículas sinápticas cargadas deben atracar preto dos sitios de liberación, pero o atraqaue é unha etapa do ciclo da que se sabe pouco. Identificáronse moitas proteínas ou vesículas sinápticas nos sitios de liberación; porén, ningunha das interaccións identificadas entre as proteínas da vesícula e as proteínas do sitio de liberación poden explicar a fase de atraque do ciclo. Os mutantes nas proteínas rab-3 e unc-18 alteran o atraque das vesículas ou a organización das vesículas nos sitios de liberación, pero non distorsionan completamente o atraque.[14] As proteínas SNARE non parecen estar implica<das na etapa de atraque do ciclo.
Despois de que as vesículas sinápticas atracan inicialmente, deben ser cebados antes de que poidan empezar a fusionarse. O cebado prepara a vesícula sináptica polo que poden fusionarse rapidamente en resposta ao influxo de calcio. Este paso de cebado pénsase que implica a formación de complexos de SNARE parcialmente ensamblados. Neste evento participan as proteínas Munc13, RIM e RIM-BP.[15] Pénsase que Munc13 estimula o cambio que experimenta a t-SNARE sintaxina desde unha conformación pechada a unha conformación aberta, que estimula a ensamblaxe de complexos v-SNARE/t-SNARE.[16] RIM tamén parece regular o cebado, pero non é esencial para este paso.
As vesículas cebadas fusiónanse rapidamente en resposta aos aumentos de calcio no citoplasma. Este evento de fusión pénsase que está mediado directamente polas SNARE e impulsado pola enerxía proporcionada pola ensamblaxe das SNARE. O sensor de calcio que desencadea este evento é a proteína da vesícula sináptica que se une ao calcio sinaptotagmina. A capacidade das SNARE de mediar a fusión de maneira dependente do calcio foi reconstruída recentemente in vitro. De maneira consistente co feito de que as SNARE son esenciais para o proceso de fusión, os mutantes de v-SNARE e t-SNARE de C. elegans son letais. De xeito similar, os mutantes de Drosophila e os ratos knockout indican que estes SNARE desempeñan un papel fundamental na exocitose sináptica.[10]
Explica a recaptación de vesículas sinápticas no modelo de fusión por contacto total. Porén, outros estudos acumularon probas que suxiren que este tipo de fusión e endocitose non se produce sempre.
Pénsase que hai dous mecanismos de acción principais responsables da reciclaxe das vesículas sinápticas: a fusión por colapso total e o método "bicar e correr" ("kiss-and-run" na literatura inglesa). Ambos os mecanismos empezan coa formación do poro sináptico que libera un transmisor no espazo extracelular. Despois da liberación do neurotransmisor, o poro pode dilatarse completamente de modo que a vesícula se colapse completamente na membrana sináptica, ou pode pecharse rapidamente e evaxinarse da membrana para xerar a fusión de tipo "bicar e correr".[17]
Demostrouse que os períodos de intensa estimulación na sinapse neural fan diminuír a cantidade de vesículas e incrementan a capacitancia celular e área superficial.[18] Isto indica que despois de que as vesículas sinápticas liberan o seu cargamento, fusiónanse coa membrana plasmática e pasan a formar parte dela. Heuser e Reese, etiquetaron as vesículas sinápticas con HRP (peroxidase do ravo picante) e encontraron que porcións da membrana plasmática nas unións musculares da ra eran captadas pola célula e convertidas de novo en vesículas sinápticas.[19] Os estudos realizados suxiren que todo o ciclo de exocitose, recuperación e reformación das vesículas sinápticas faise en menos dun minuto.[20]
Na fusión por colapso total, a vesícula sináptica fusiónase e queda incorporada á membrana plasmática. A formación da nova membrana é un proceso mediado por proteínas e só pode ocorrer baixo cerras condicións. Despois dun potencial de acción, o Ca2+ inunda a membrana presináptica. O Ca2+ únese a proteínas específicas no citoplasma, un dos cales é a sinaptotagmina, que á súa vez desencadea a fusión completa da vesícula sináptica coa membrana celular. Esta fusión completa do poro é axudada polas proteínas SNARE. Isto desencadea o atraque mediado por unha gran familia de proteínas da vesícula sináptica de maneira dependente do ATP. Coa axuda da sinaptobrevina da vesícula sináptica, o complexo de t-SNARE da membrana, constituído por sintaxina e SNAP-25, pode atracar, cebar e fusionar a vesícula sináptica na membrana.[21]
O mecanismo que está detrás da fusión por colapso total é a diana para as toxinas do botulismo e o tétano. A toxina botúlica ten unha actividade de protease que degrada a proteína SNAP-25. A proteína SNAP-25 é necesaria para a fusión de vesículas que libera neurotransmisores, en especial a acetilcolina.[22] A toxina botúlica esencialmente cliva estas proteínas SNARE, e ao facelo, impide que as vesículas sinápticas se fusionen coa membrana sináptica celular e liberen os seus neurotransmisores. A toxina tetánica segue unha vía similar, pero atacando a proteína sinaptobrevina na vesícula sináptica. Á súa vez, estas neurotoxinas impiden que as vesículas sinápticas realicen unha fusión por colapso total. Se este mecanismo non funciona, poden ocorrer espasmos musculares, parálise e a morte.
O segundo mecanismo polo cal se reciclan as vesículas sinápticas denomínase fusión de "bicar e correr" (kiss and run). Neste caso, a vesícula sináptica "bica" a membrana plasmática, abrindo un pequeno poro a través do cal se liberará o seu cargamento de neurotransmisores, despois péchase o poro e a vesícula é reciclada cara ao interior da célula.[17] O mecanismo de "bicar e correr"" foi un asunto moi debatido. Observáronse e rexistráronse os seus efectos; porén a razón que está detrás do seu uso en oposición coa fusión por colapso total está aínda sendo explorada. Especulouse que o modo de "bicar e correr" emprégase a miúdo para conservar fontes de vesículas escasas e utilízase para responder a impulsos de alta frecuencia.[23] Os experimentos mostraron que os eventos de "bicar e correr" ocorren realmente. Foron observados primeiro por Katz e del Castillo, e despois observouse que o mecanismo de "bicar e correr" era diferente da fusión por colapso total porque a capacitancia celular non se incrementaba nos eventos de "bicar e correr".[23] Isto reforza a idea dun mecanismo de tipo "bicar e correr": a vesícula sináptica libera o seu cargamento e despois sepárase da membrana.
As células parecen ter polo menos dous mecanismos para a reciclaxe da membrana. En certas condicións, as células poden cambiar dun mecanismo a outro. A lenta fusión por colapso total convencional predomina na membrana sináptica cando os niveis de Ca2+ son baixos, e o mecanismo rápido de "bicar e correr" é o que se realiza cando os niveis de Ca2+ son altos.
Ales et al. mostraron que as concentracións elevadas de ión calcio extracelular cambian o modo preferido de reciclaxe e liberación de vesículas sinápticas ao mecanismo de "bicar e correr" de maneira dependente da concentración de calcio. Propúxose que durante a secreción de neurotransmisores nas sinapses, o modo de exocitose é modulado polo calcio para alcanzar as condicións óptimas para a exocitose e endocitose acopladas segundo a actividade sináptica.[24]
A evidencia experimental suxire que o modo "bicar e correr" é o modo dominente de liberación sináptica ao inicio dos trens de estímulos. Neste contexto, o "bicar e correr" supón unha alta probabilidade de liberación de vesículas. A incidencia do "bicar e correr" é tamén incrementada polo rápido disparo de impulsos e estimulación da neurona, o que indica que a cinética deste tipo de liberación é máis rápida que outras formas de liberación de vesículas.[25]
Coa aparición da microscopia electrónica a inicios da década de 1950, atopouse que as terminacions nerviosas contiñan un gran número de vesículas transparentes aos electróns.[26][27] O termo vesícula sináptica foi utilizado por primeira vez por De Robertis e Bennett en 1954.[28] Pouco despois atopouse que a liberación de transmisores na unión neuromuscular nas ras inducía potenciais de placa final miniatura postsinápticos que foron adscritos á liberación de paquetes discretos de neurotransmisores (cuantos) desde a terminal nerviosa presináptica.[29][30] Era, pois, razoable hipotetizar que a substancia transmisora (acetilcolina) estaba contida dentro das vesículas, as cales liberarían o seu contido por un mecanismo secretor no espazo sináptico (hipótese da vesícula).[31][32]
Faltaba por demostrar que o neurotransmisor acetilcolina estaba realmente contido nas vesículas sinápticas. Uns dez anos despois, a aplicación de técnicas de fraccionamento subcelular ao tecido cerebral permitiu o illamento de terminacións nerviosas (sinaptosomas),[33] e das propias vesículas sinápticas do cerebro de mamíferos. Este traballo realizouse pola competencia entre dous laboratorios, o de Victor P. Whittaker no Instituto de Fisioloxía Animal, Consello de Investigación Agrícola, Babraham, Cambridge, Reino Unido e o de Eduardo de Robertis no Instituto de Anatomía Xeral e Embrioloxía, Facultade de Medicina, Universidade de Buenos Aires, Arxentina. O traballo de Whittaker que demostraba a presenza de acetilcolina nas fraccións vesiculares de cerebro de coello de Indias foi publicado como resumo en 1960 e despois con máis detalle en 1963 e 1964,[34][35] e o artigo do grupo de de Robertis que demostraba un enriquecemento de acetilcolina unida nas fraccións das vesículas sinápticas de cerebro de rata apareceu en 1963.[36] Ambos os grupos liberaron vesículas sinápticas de sinaptosomas illados por shock osmótico. Estimouse orixinalmente que o contido de acetilcolina dunha vesícula estaba entre 1000 e 2000 moléculas.[37] Posteriores traballos identificaron a localización vesicular doutros neurotrnsmisores, como os aminoácidos, catecolaminas, serotonina e ATP. Despois, as vesículas sinápticas puideron tamén illarse doutros tecidos como o ganglio cervical superior,[38] ou o cerebro de polbo.[39] O illamento de fraccións altamente purificadas de vesículas sinápticas colinérxicas do órgano eléctrico da raia Torpedo[40][41] foi un importante paso adiante no estudo da bioquímica e función das vesículas.
Commons ten máis contidos multimedia sobre: Vesícula sináptica |