Активная зона - Active zone

Активная зона
Схема типичного синапса центральной нервной системы. Белки активной зоны представлены темно-коричневыми пирамидами на верхнем конце нейрона.
Подробности
Идентификаторы
латинский	Zona Activa
TH	H2.00.06.2.00012
Анатомические термины микроанатомии [ редактировать в Викиданных ]

Активная зона или синаптической активная зона представляет собой термин , используемый первым и Куто 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 нейротрансмиттера (внизу), а также промежуток между ними, называемый синаптической щелью (с молекулами синаптической адгезии, SAM, удерживающими их вместе). Когда потенциал действия достигает пресинаптического бутона, содержимое пузырьков 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

Функция активной зоны - гарантировать, что нейротрансмиттеры могут надежно высвобождаться в определенном месте нейрона и высвобождаться только тогда, когда нейрон запускает потенциал действия. 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.

Состав

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 у них есть длинные нитчатые выступы, берущие начало на мембране и заканчивающиеся в везикулах немного дальше от нее. 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 везикул и простирающегося перпендикулярно пресинаптической мембране, и может иметь длину до 500 нм. Глутаматный синапс содержит более мелкие пирамидоподобные структуры, которые отходят от мембраны примерно на 50 нм. 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). Предыдущие исследования показали, что активная зона глутаматергических нейронов содержала очень регулярный массив плотного белкового материала в форме пирамиды, и показали, что эти пирамиды были связаны нитями. Эта структура напоминала геометрическую решетку, в которой везикулы направлялись в отверстия решетки. 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.

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. Затем β-нейрексин связывается с молекулой клеточной адгезии, нейролигином, расположенным 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

Механизм высвобождения 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 из всего лишь одного, тесно связанных кальциевых каналов и образования высокостабильных комплексов SNARE . 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.

Цикл синаптических пузырьков

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 нейротрансмиттер 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 помочь предотвратить истощение синаптических везикул, увеличение кальция во время интенсивной активности может активировать кальциневрин, который дефосфорилирует белки, участвующие в клатрин-опосредованном эндоцитозе.

Пузыри везикул

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.

Выдвижной бассейн

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

Резервный пул не связан напрямую с активной зоной. Повышение пресинаптической концентрации кальция активирует кальций-кальмодулин-зависимую протеинкиназу (CaMK). CaMK фосфорилирует белок, синапсин , который опосредует 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.

Периактивная зона

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. У дрозофилии гомолог интерсектина, Dap160, расположен в периактивной зоне нервно-мышечного соединения, а мутантный Dap160 истощает синаптические пузырьки во время высокочастотной стимуляции.

Активная зона ленточного синапса

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 микрофотографии он 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 аркоформной плотностью с помощью таких белков, как фагот.

Белки

Измерение высвобождения нейромедиатора

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 нейротрансмиттера 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 конденсатор, в котором 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.

Смотрите также

• Парное облегчение пульса
• Постсинаптическая плотность

Рекомендации