En una neurona , las vesículas sinápticas (o vesículas de neurotransmisores ) almacenan varios neurotransmisores que se liberan en la sinapsis . La liberación está regulada por un canal de calcio dependiente del voltaje . Las vesículas son esenciales para la propagación de los impulsos nerviosos entre las neuronas y la célula las recrea constantemente . El área del axón que contiene grupos de vesículas es un axón terminal o "botón terminal". Se pueden liberar hasta 130 vesículas por botón durante un período de estimulación de diez minutos a 0,2 Hz. [1] En elcorteza visual del cerebro humano, las vesículas sinápticas tienen un diámetro medio de 39,5 nanómetros (nm) con una desviación estándar de 5,1 nm. [2]
Vesícula sináptica | |
---|---|
Detalles | |
Sistema | Sistema nervioso |
Identificadores | |
latín | vesicula synaptica |
Malla | D013572 |
TH | H2.00.06.2.00004 |
Términos anatómicos de microanatomía [ editar en Wikidata ] |
Estructura
Las vesículas sinápticas son relativamente simples porque solo un número limitado de proteínas encaja en una esfera de 40 nm de diámetro. Las vesículas purificadas tienen una relación proteína : fosfolípido de 1: 3 con una composición lipídica de 40% de fosfatidilcolina , 32% de fosfatidiletanolamina , 12% de fosfatidilserina , 5% de fosfatidilinositol y 10% de colesterol . [4]
Las vesículas sinápticas contienen dos clases de componentes obligatorios: proteínas de transporte involucradas en la captación de neurotransmisores y proteínas de tráfico que participan en la exocitosis , endocitosis y reciclaje de las vesículas sinápticas .
- Las proteínas de transporte están compuestas por bombas de protones que generan gradientes electroquímicos , que permiten la captación de neurotransmisores, y transportadores de neurotransmisores que regulan la captación real de neurotransmisores. El gradiente de protones necesario es creado por V-ATPasa , que descompone el ATP en energía. Los transportadores vesiculares mueven neurotransmisores desde el citoplasma de las células hacia las vesículas sinápticas. Los transportadores vesiculares de glutamato , por ejemplo, secuestran el glutamato en vesículas mediante este proceso.
- El tráfico de proteínas es más complejo. Incluyen proteínas de membrana intrínsecas , proteínas unidas periféricamente y proteínas como SNARE . Estas proteínas no comparten una característica que las haga identificables como proteínas de vesículas sinápticas, y se sabe poco acerca de cómo estas proteínas se depositan específicamente en las vesículas sinápticas. Muchas, pero no todas, las proteínas de vesículas sinápticas conocidas interactúan con proteínas no vesiculares y están vinculadas a funciones específicas. [4]
La estequiometría para el movimiento de diferentes neurotransmisores en una vesícula se da en la siguiente tabla.
Tipo (s) de neurotransmisor | Movimiento hacia adentro | Movimiento hacia afuera |
---|---|---|
norepinefrina , dopamina , histamina , serotonina y acetilcolina | neurotransmisor + | 2 H + |
GABA y glicina | neurotransmisor | 1 H + |
glutamato | neurotransmisor - + Cl - | 1 H + |
Recientemente, se ha descubierto que las vesículas sinápticas también contienen pequeñas moléculas de ARN, incluidos fragmentos de ARN de transferencia , fragmentos de ARN Y y ARN mir . [5] Se cree que este descubrimiento tiene un gran impacto en el estudio de las sinapsis químicas.
Efectos de las neurotoxinas
Se sabe que algunas neurotoxinas , como la batracotoxina , destruyen las vesículas sinápticas. La toxina del tétanos daña las proteínas de membrana asociadas a las vesículas (VAMP), un tipo de v-SNARE, mientras que las toxinas botulínicas dañan t-SNARES y v-SNARES y, por lo tanto, inhiben la transmisión sináptica. [6] Una toxina de araña llamada alfa-latrotoxina se une a las neurexinas , dañando las vesículas y provocando la liberación masiva de neurotransmisores.
Charcos de vesículas
Las vesículas en la terminal nerviosa se agrupan en tres grupos: el grupo de fácil liberación, el grupo de reciclaje y el grupo de reserva. [7] Estos grupos se distinguen por su función y posición en la terminal nerviosa. El grupo que se libera fácilmente se acopla a la membrana celular , lo que las convierte en el primer grupo de vesículas que se liberan con la estimulación. La piscina de fácil liberación es pequeña y se agota rápidamente. La piscina de reciclaje está próxima a la membrana celular y tiende a ciclar con estimulación moderada, de modo que la tasa de liberación de vesículas es igual o menor que la tasa de formación de vesículas. Este grupo es más grande que el grupo que se libera fácilmente, pero lleva más tiempo movilizarse. El grupo de reserva contiene vesículas que no se liberan en condiciones normales. Este conjunto de reserva puede ser bastante grande (~ 50%) en las neuronas que crecen en un sustrato de vidrio, pero es muy pequeño o está ausente en las sinapsis maduras en el tejido cerebral intacto. [8] [9]
Fisiología
El ciclo de vesículas sinápticas
Los eventos del ciclo de vesículas sinápticas se pueden dividir en algunos pasos clave: [10]
- 1. Tráfico hacia la sinapsis
Los componentes de la vesícula sináptica se transportan inicialmente a la sinapsis utilizando miembros de la familia motora de la kinesina . En C. elegans, el motor principal de las vesículas sinápticas es UNC-104. [11] También hay evidencia de que otras proteínas como UNC-16 / Sunday Driver regulan el uso de motores para el transporte de vesículas sinápticas. [12]
- 2. Carga del transmisor
Una vez en la sinapsis, las vesículas sinápticas se cargan con un neurotransmisor. La carga del transmisor es un proceso activo que requiere un transportador de neurotransmisores y una bomba de protones ATPasa que proporciona un gradiente electroquímico. Estos transportadores son selectivos para diferentes clases de transmisores. Hasta la fecha se ha descrito la caracterización de unc-17 y unc-47, que codifican el transportador vesicular de acetilcolina y el transportador vesicular GABA . [13]
- 3. Acoplamiento
Las vesículas sinápticas cargadas deben atracar cerca de los sitios de liberación, sin embargo, el acoplamiento es un paso del ciclo del que sabemos poco. Se han identificado muchas proteínas en las vesículas sinápticas y en los sitios de liberación; sin embargo, ninguna de las interacciones proteicas identificadas entre las proteínas de las vesículas y las proteínas del sitio de liberación puede explicar la fase de acoplamiento del ciclo. Los mutantes en rab-3 y munc-18 alteran el acoplamiento o la organización de las vesículas en los sitios de liberación, pero no interrumpen por completo el acoplamiento. [14] Las proteínas SNARE, ahora también parecen estar involucradas en el paso de acoplamiento del ciclo. [15]
- 4. Cebado
Después de que las vesículas sinápticas se acoplan inicialmente, deben cebarse antes de que puedan comenzar la fusión. El cebado prepara la vesícula sináptica para que pueda fusionarse rápidamente en respuesta a un influjo de calcio. Se cree que este paso de cebado implica la formación de complejos SNARE parcialmente ensamblados. Las proteínas Munc13 , RIM y RIM-BP participan en este evento. [16] Se cree que Munc13 estimula el cambio de la sintaxina t-SNARE de una conformación cerrada a una conformación abierta, lo que estimula el ensamblaje de los complejos v-SNARE / t-SNARE. [17] RIM también parece regular el cebado, pero no es esencial para el paso.
- 5. Fusión
Las vesículas preparadas se fusionan muy rápidamente en respuesta a las elevaciones de calcio en el citoplasma. Se cree que este evento de fusión está mediado directamente por las SNARE e impulsado por la energía proporcionada por el montaje de SNARE. El desencadenante sensible al calcio para este evento es la proteína de la vesícula sináptica de unión al calcio sinaptotagmina. La capacidad de las SNARE para mediar en la fusión de una manera dependiente del calcio se ha reconstituido recientemente in vitro. De acuerdo con las SNARE que son esenciales para el proceso de fusión, los mutantes v-SNARE y t-SNARE de C. elegans son letales. De manera similar, los mutantes en Drosophila y los knockouts en ratones indican que estos SNARES juegan un papel crítico en la exocitosis sináptica. [10]
- 6. Endocitosis
Esto explica la recaptación de vesículas sinápticas en el modelo de fusión de contacto completo. Sin embargo, otros estudios han estado recopilando evidencia que sugiere que este tipo de fusión y endocitosis no siempre es el caso.
Reciclaje de vesículas
Se cree que dos mecanismos de acción principales son responsables del reciclaje de vesículas sinápticas: la fusión por colapso total y el método de "besar y correr". Ambos mecanismos comienzan con la formación del poro sináptico que libera transmisor al espacio extracelular. Después de la liberación del neurotransmisor, el poro puede dilatarse completamente de modo que la vesícula colapsa completamente en la membrana sináptica, o puede cerrarse rápidamente y pellizcar la membrana para generar una fusión de besar y correr. [18]
Fusión de colapso total
Se ha demostrado que los períodos de estimulación intensa en las sinapsis neurales reducen el recuento de vesículas y aumentan la capacidad celular y el área de superficie. [19] Esto indica que después de que las vesículas sinápticas liberan su carga útil de neurotransmisores, se fusionan y se vuelven parte de la membrana celular. Después de marcar las vesículas sinápticas con HRP ( peroxidasa de rábano picante ), Heuser y Reese encontraron que partes de la membrana celular en la unión neuromuscular de la rana eran absorbidas por la célula y convertidas nuevamente en vesículas sinápticas. [20] Los estudios sugieren que el ciclo completo de exocitosis, recuperación y reforma de las vesículas sinápticas requiere menos de 1 minuto. [21]
En la fusión de colapso completo, la vesícula sináptica se fusiona y se incorpora a la membrana celular. La formación de la nueva membrana es un proceso mediado por proteínas y solo puede ocurrir bajo ciertas condiciones. Después de un potencial de acción , Ca 2+ inunda la membrana presináptica. El Ca 2+ se une a proteínas específicas en el citoplasma, una de las cuales es la sinaptotagmina , que a su vez desencadena la fusión completa de la vesícula sináptica con la membrana celular. Esta fusión completa del poro es asistida por proteínas SNARE . Esta gran familia de proteínas median el acoplamiento de vesículas sinápticas de una manera dependiente de ATP. Con la ayuda de la sinaptobrevina en la vesícula sináptica, el complejo t-SNARE de la membrana, formado por sintaxina y SNAP-25 , puede acoplar, cebar y fusionar la vesícula sináptica en la membrana. [22]
Se ha demostrado que el mecanismo detrás de la fusión por colapso total es el objetivo de las toxinas botulínica y tetánica . La toxina botulínica tiene actividad proteasa que degrada la proteína SNAP-25 . La proteína SNAP-25 es necesaria para la fusión de vesículas que libera neurotransmisores, en particular acetilcolina. [23] La toxina botulínica esencialmente escinde estas proteínas SNARE y, al hacerlo, evita que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana sináptica celular y liberen sus neurotransmisores. La toxina del tétanos sigue una vía similar, pero en cambio ataca a la proteína sinaptobrevina en la vesícula sináptica. A su vez, estas neurotoxinas evitan que las vesículas sinápticas completen la fusión del colapso completo. Sin este mecanismo en efecto, pueden ocurrir espasmos musculares, parálisis y muerte.
"Besar y correr"
El segundo mecanismo por el cual se reciclan las vesículas sinápticas se conoce como fusión de besar y correr . En este caso, la vesícula sináptica "besa" la membrana celular, abriendo un pequeño poro para que se libere su carga útil de neurotransmisores, luego cierra el poro y se recicla de nuevo a la célula. [18] El mecanismo de besar y correr ha sido un tema muy debatido. Sus efectos se han observado y registrado; sin embargo, todavía se está explorando la razón detrás de su uso en oposición a la fusión por colapso total. Se ha especulado que el besar y correr se emplea a menudo para conservar los escasos recursos vesiculares y también para responder a las entradas de alta frecuencia. [24] Los experimentos han demostrado que ocurren eventos de besar y correr. Observado por primera vez por Katz y del Castillo, más tarde se observó que el mecanismo de besar y correr era diferente de la fusión de colapso total en que la capacitancia celular no aumentaba en los eventos de besar y correr. [24] Esto refuerza la idea de una moda de besar y correr, la vesícula sináptica libera su carga útil y luego se separa de la membrana.
Modulación
Por tanto, las células parecen tener al menos dos mecanismos a seguir para el reciclaje de la membrana. En determinadas condiciones, las células pueden cambiar de un mecanismo a otro. La fusión de colapso completo, convencional y lenta predomina en la membrana sináptica cuando los niveles de Ca 2+ son bajos, y el mecanismo rápido de besar y correr se sigue cuando los niveles de Ca 2+ son altos.
Ales y col. demostraron que las concentraciones elevadas de iones de calcio extracelulares cambian el modo preferido de reciclaje y liberación de vesículas sinápticas al mecanismo de besar y correr de una manera dependiente de la concentración de calcio. Se ha propuesto que durante la secreción de neurotransmisores en las sinapsis, el modo de exocitosis está modulado por el calcio para alcanzar las condiciones óptimas para la exocitosis y endocitosis acopladas de acuerdo con la actividad sináptica. [25]
La evidencia experimental sugiere que el besar y correr es el modo dominante de liberación sináptica al comienzo de los trenes de estímulos. En este contexto, besar y correr refleja una alta probabilidad de liberación de vesículas. La incidencia de besarse y correr también aumenta con la activación rápida y la estimulación de la neurona, lo que sugiere que la cinética de este tipo de liberación es más rápida que otras formas de liberación de vesículas. [26]
Historia
Con el advenimiento del microscopio electrónico a principios de la década de 1950, se descubrió que las terminaciones nerviosas contenían una gran cantidad de vesículas electrón-lucentes (transparentes a los electrones). [27] [28] El término vesícula sináptica fue introducido por primera vez por De Robertis y Bennett en 1954. [29] Esto fue poco después de que se descubrió que la liberación del transmisor en la unión neuromuscular de la rana inducía potenciales de placa terminal en miniatura postsinápticos que se atribuían a la liberación de paquetes discretos de neurotransmisores (cuantos) de la terminal nerviosa presináptica. [30] [31] Por tanto, era razonable suponer que la sustancia transmisora ( acetilcolina ) estaba contenida en tales vesículas, que por un mecanismo secretor liberarían su contenido en la hendidura sináptica (hipótesis de vesículas). [32] [33]
El eslabón perdido fue la demostración de que el neurotransmisor acetilcolina en realidad está contenido en vesículas sinápticas. Aproximadamente diez años después, la aplicación de técnicas de fraccionamiento subcelular al tejido cerebral permitió el aislamiento primero de las terminaciones nerviosas ( sinaptosomas ), [34] y posteriormente de las vesículas sinápticas del cerebro de los mamíferos. Dos laboratorios competidores participaron en este trabajo, el de Victor P. Whittaker en el Institute of Animal Physiology, Agricultural Research Council, Babraham, Cambridge, Reino Unido y el de Eduardo de Robertis en el Instituto de Anatomía General y Embriología, Facultad de Medicina, Universidad de Buenos Aires, Argentina. [35] El trabajo de Whittaker que demuestra la acetilcolina en fracciones de vesículas de cerebro de cobaya se publicó por primera vez en forma de resumen en 1960 y luego con más detalle en 1963 y 1964, [36] [37] y el artículo del grupo de Robertis que demuestra un enriquecimiento de acetilcolina unida en fracciones de vesículas sinápticas de cerebro de rata apareció en 1963. [38] Ambos grupos liberaron vesículas sinápticas de sinaptosomas aislados por choque osmótico . El contenido de acetilcolina en una vesícula se estimó originalmente en 1000-2000 moléculas. [39] El trabajo posterior identificó la localización vesicular de otros neurotransmisores, como aminoácidos , catecolaminas , serotonina y ATP . Más tarde, las vesículas sinápticas también podrían aislarse a partir de otros tejidos tales como el ganglio cervical superior , [40] o el pulpo cerebro. [41] El aislamiento de fracciones altamente purificadas de vesículas sinápticas colinérgicas del órgano eléctrico Ray Torpedo [42] [43] fue un importante paso adelante en el estudio de la bioquímica y función de las vesículas.
Ver también
- Vesicular monoamine transporter
- Synapsins
- Vesicle fusion
- Synaptosome
Referencias
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enlaces externos
- Synaptic Vesicles – Cell Centered Database