miniatura|Neurona A transmitindo á neurona B (recibindo).1. Mitocondrias; 2. Vesícula sináptica con neurotransmiores;3. Autorreceptor4. Sinapse co neurotransmisor liberado (serotonina);5. Receptores postsinápticos activados por un neurotransmisor (indución dun potencial postsináptico);6. Canle de calcio;7. Exocitose dunha vesícula;8. Neurotransmisor recapturado.
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. 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.
Estrutura
miniatura|350px|Neuronas do hipocampo primario observadas aos dez días in vitro por microscopia confocal. En ambas as imaxes as neuronas foron marcadas cun marcador somatodendrítico, a proteína asociada a microtúbulos (en vermello). Na imaxe da dereita, as vesículas sinápticas foron marcadas en verde (amarelo onde se solaparon o verde e o vermello). Barra de escala = 25 μm. 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.
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.
As proteínas de transporte están compostas de bombas de protóns que xeran gradientes electroquímicos, que permiten a captación do neurotransmisor, e transportadores de neurotransmisores que regulan a captación real do neurotransmisor. O gradiente protónico necesario é creado pola V-ATPase, que utiliza o ATP como fonte de enerxía. Os transportadores vesiculares moven os neurotransmisores desde o citoplasma das células ás vesículas sinápticas. Os transportadores de glutamato vesiculares, por exemplo, secuestran o glutamato nas vesículas por medio deste proceso. As proteínas de tráfico son máis complexas. Inclúen proteínas intrínsecas de membrana, proteínas unidas perifericamente, e proteínas como as SNARE. Estas proteínas non comparten unha característica distintiva que as poida identificar como proteínas das vesículas sinápticas e pouco se sabe sobre como se depositan estas proteínas especificamente nas vesículas sinápticas. Moitas, pero non todas, das proteínas das vesículas sinápticas coñecidas interaccionan con proteínas non vesiculares e están asociadas a determinadas funcións.
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. Este descubrimento crese que terá un grande impacto no estudo das sinapses químicas.
Efectos das neurotoxinas
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. Unha toxina de arañas chamada alfa-latrotoxina únese ás neurexinas, danando as vesículas e causando unha liberación masiva de neurotransmisores.
Conxuntos de vesículas
As vesículas da terminal nerviosa poden agruparse en tres conxuntos: as vesículas liberables doadamente, as vesículas de reciclaxe, e as vesículas de reserva. 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.
Fisioloxía O ciclo das vesículas sinápticas
Os eventos do ciclo das vesículas sináptias poden dividirse en varios pasos clave:
1. Tráfico cara á sinapse
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. Tamén hai probas de que outras proteínas como UNC-16/Sunday Driver regulan o uso de motores de transorte das vesículas sinápticas.
2. Carga do transmisor
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.
3. Atraque
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. As proteínas SNARE non parecen estar implica<das na etapa de atraque do ciclo.
4. Cebado
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. 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. RIM tamén parece regular o cebado, pero non é esencial para este paso.
5. Fusión
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.
6. Endocitose
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.
Reciclaxe das vesículas
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".
Fusión por colapso total
Demostrouse que os períodos de intensa estimulación na sinapse neural fan diminuír a cantidade de vesículas e incrementan a capacitancia celular e área superficial. 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. Os estudos realizados suxiren que todo o ciclo de exocitose, recuperación e reformación das vesículas sinápticas faise en menos dun minuto.
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.
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. 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.
"Bicar e correr"