Aktivní zóna - Active zone

Aktivní zóna
Schéma typické synapse centrálního nervového systému. Proteiny aktivní zóny jsou reprezentovány jako tmavě hnědé pyramidy na horním neuronovém konci
Detaily
Identifikátory
latinský	zona activa
TH	H2.00.06.2.00012
Anatomické pojmy mikroanatomie [ upravit na Wikidata ]

Aktivní zóně nebo synaptická aktivní zóna je termín Couteaux a Pecot-Dechavassinein poprvé použit v roce 1970 pro definování místa neurotransmiterů uvolňování. Dva neurony navazují kontakt prostřednictvím struktur zvaných synapsí, které jim umožňují vzájemnou komunikaci. Jak je znázorněno v sousedním diagramu, synapse se skládá z presynaptického boutonu jednoho neuronu, který uchovává vezikuly obsahující neurotransmiter (nahoře nahoře), a druhého, postsynaptického neuronu, který nese receptory pro neurotransmiter (dole), spolu s mezera mezi těmito dvěma zvaná synaptická štěrbina (se synaptickými adhezními molekulami, SAM, které drží tyto dva pohromadě). Když akční potenciál dosáhne presynaptického boutonu, obsah vezikul se uvolní do synaptické štěrbiny a uvolněný neurotransmiter cestuje přes štěrbinu k postsynaptickému neuronu (spodní struktura na obrázku) a aktivuje receptory na postsynaptické membráně.

Aktivní zóna je oblast v presynaptickém boutonu, která zprostředkovává uvolňování neurotransmiterů a je složena z presynaptické membrány a hustého souboru proteinů nazývaného cytomatrix v aktivní zóně (CAZ). CAZ je viděn pod elektronovým mikroskopem jako temná (elektronově hustá) oblast blízko membrány. Proteiny v CAZ spojují synaptické vezikuly s presynaptickou membránou a zprostředkovávají fúzi synaptických vezikul , což umožňuje spolehlivé a rychlé uvolnění neurotransmiteru při příchodu akčního potenciálu.

Funkce

Funkcí aktivní zóny je zajistit, aby mohly být neurotransmitery spolehlivě uvolněny v určitém místě neuronu a uvolněny pouze tehdy, když neuron vystřelí akční potenciál. Jak se akční potenciál šíří dolů axonem, dosáhne axonového terminálu nazývaného presynaptický bouton. V presynaptickém boutonu akční potenciál aktivuje vápníkové kanály (VDCC), které způsobují lokální příliv vápníku. Zvýšení vápníku je detekováno proteiny v aktivní zóně a nutí váčky obsahující neurotransmiter k fúzi s membránou. Tato fúze vezikul s membránou uvolňuje neurotransmitery do synaptické štěrbiny (prostor mezi presynaptickým boutonem a postsynaptickou membránou). Neurotransmitery pak difundují rozštěpem a váží se na ligandem řízené iontové kanály a receptory spojené s G-proteinem na postsynaptické membráně. Vazba neurotransmiterů na postsynaptické receptory pak indukuje změnu v postsynaptickém neuronu. Proces uvolňování neurotransmiterů a vazby na postsynaptické receptory, které způsobí změnu postsynaptického neuronu, se nazývá neurotransmise.

Struktura

Schéma proteinů nalezených v aktivní zóně

Aktivní zóna je přítomna ve všech dosud zkoumaných chemických synapsích a je přítomna ve všech druzích zvířat. Dosud zkoumané aktivní zóny mají alespoň dva společné znaky, všechny mají proteinově hustý materiál, který vyčnívá z membrány a svazuje synaptické vezikuly v blízkosti membrány a mají dlouhé vláknité výstupky pocházející z membrány a končící na vezikulách mírně dále od presynaptická membrána. Projekce husté na bílkoviny se liší velikostí a tvarem v závislosti na typu zkoumané synapse. Jedním z pozoruhodných příkladů husté projekce je pásová synapse (viz níže), která obsahuje „pás“ materiálu s hustou bílkovinou, který je obklopen halo synaptických vezikul a táhne se kolmo na presynaptickou membránu a může být dlouhý až 500 nm. Glutamátová synapse obsahuje menší struktury podobné pyramidám, které sahají asi 50 nm od membrány. Neuromuskulární synapse obsahuje dvě řady vezikul s dlouhým proteinovým pásem mezi nimi, který je spojen s pravidelně rozmístěnými vodorovnými žebry, probíhajícími kolmo k pásu a rovnoběžně s membránou. Tato žebra jsou poté spojena s vezikuly, které jsou každá umístěna nad kolíkem v membráně (pravděpodobně vápníkovým kanálem). Předchozí výzkum naznačil, že aktivní zóna glutamátergních neuronů obsahovala velmi pravidelné pole materiálu ve tvaru pyramidy ve tvaru bílkoviny a naznačila, že tyto pyramidy byly spojeny vlákny. Tato struktura připomínala geometrickou mříž, kde byly vezikuly vedeny do otvorů v mřížce. Tento atraktivní model byl zpochybněn nedávnými experimenty. Nedávná data ukazují, že glutamátergní aktivní zóna obsahuje projekce hustého proteinového materiálu, ale tyto projekce nebyly v pravidelném poli a obsahovaly dlouhá vlákna vyčnívající do cytoplazmy asi 80 nm.

V aktivní zóně je obohaceno alespoň pět hlavních proteinů lešení; UNC13B / Munc13, RIMS1 (Rab3-interagující molekula), fagot, Piccolo / aczonin, losi a liprins-α . Tyto proteiny lešení jsou považovány za složky hustých pyramidových struktur aktivní zóny a předpokládá se, že přinášejí synaptické vezikuly do těsné blízkosti presynaptické membrány a vápníkových kanálů. Protein ELKS se váže na protein buněčné adheze , β-neurexin a další proteiny v komplexu, jako je Piccolo a fagot. β-neurexin se poté váže na molekulu buněčné adheze, neuroligin nacházející se na postsynaptické membráně. Neuroligin poté interaguje s proteiny, které se vážou na postsynaptické receptory. Interakce proteinů, jaké jsou patrné mezi Piccolo / ELKS / β-neurexinem / neuroliginem, zajišťují, že mechanismy, které zprostředkovávají fúzi vezikul, jsou v těsné blízkosti vápníkových kanálů a že fúze vezikul sousedí s postsynaptickými receptory. Tato fúze vezikul v těsné blízkosti a postsynaptické receptory zajišťuje, že mezi aktivací postsynaptických receptorů a uvolňováním neurotransmiterů existuje malé zpoždění.

Uvolňovací mechanismus neurotransmiteru

Stroje pro uvolnění vezikul.

Uvolňování neurotransmiteru se dosahuje fúzí vezikul neurotransmiteru s presynaptickou membránou. Ačkoli se podrobnosti tohoto mechanismu stále studují, existuje shoda ohledně některých podrobností procesu. Je známo, že fúze synaptických vezikul s presynaptickou membránou vyžaduje lokální zvýšení vápníku již od jediného, ​​úzce souvisejícího vápníkového kanálu a tvorbu vysoce stabilních komplexů SNARE . Jeden převládající model fúze synaptických vezikul je ten, že tvorba komplexu SNARE je katalyzována proteiny aktivní zóny, jako jsou Munc18, Munc13 a RIM. Předpokládá se, že tvorba tohoto komplexu „připravuje“ vezikul tak, aby byl připraven na fúzi vezikul a uvolnění neurotransmiteru (viz níže: uvolnitelná skupina). Poté, co je vezikul aktivován, pak se komplexin váže na komplex SNARE, což se nazývá „superprimovaný“. Vezikuly, které jsou superprimované, jsou ve snadno uvolnitelném fondu (viz níže) a jsou připraveny k rychlému uvolnění. Příchod akčního potenciálu otevírá napěťově řízené vápníkové kanály poblíž komplexu SNARE / komplex. Vápník se poté váže a mění konformaci synaptotagminu . Tato změna konformace umožňuje synaptotagminu poté uvolnit komplex, vázat se na komplex SNARE a vázat se na cílovou membránu. Když se synaptotagmin váže jak na komplex SNARE, tak na membránu, indukuje to mechanickou sílu na membránu, takže způsobí fúzi vezikulární membrány a presynaptické membrány. Tato fúze otevírá póry membrány, které uvolňují neurotransmiter. Velikost pórů se zvětšuje, dokud není celá membrána vezikul nerozeznatelná od presynaptické membrány.

Cyklus synaptických vezikul

Presynaptická aktivní zóna a cyklus synaptických vezikul

Presynaptický bouton má efektivně zorganizovaný proces fúze vezikul na presynaptickou membránu za účelem uvolnění neurotransmiterů a regenerace vezikul neurotransmiterů. Tento proces nazývaný synaptický vezikulární cyklus udržuje počet vezikul v presynaptickém boutonu a umožňuje synaptickému terminálu být autonomní jednotkou. Cyklus začíná (1) odštěpením oblasti golgiho aparátu za vzniku synaptického váčku a tento váček je transportován do synaptického terminálu. Na konci (2) je vezikul naplněn neurotransmiterem. (3) Vezikul je transportován do aktivní zóny a ukotven v těsné blízkosti plazmatické membrány. (4) Během akčního potenciálu je vezikul fúzován s membránou, uvolňuje neurotransmiter a umožňuje membránovým proteinům dříve na vezikulu difundovat do periaktivní zóny. (5) V periactive zóně jsou membránové proteiny a jsou oddělený endocytóze tvoří klathrinem potažené váček. (6) Vezikul je poté naplněn neurotransmiterem a poté transportován zpět do aktivní zóny.

Mechanismus endocytózy je pomalejší než mechanismus exocytózy . To znamená, že při intenzivní aktivitě může dojít k vyčerpání vezikul v terminálu a jejich uvolnění již není k dispozici. Aby se zabránilo vyčerpání synaptických vezikul, může zvýšení vápníku během intenzivní aktivity aktivovat kalcineurin, který defosforyluje proteiny podílející se na endocytóze zprostředkované klatrinem.

Vezikulové bazény

Synapse obsahuje alespoň dva shluky synaptických vezikul, snadno uvolnitelný fond a rezervní fond. Snadno uvolnitelný bazén je umístěn v aktivní zóně a je připojen přímo k presynaptické membráně, zatímco rezervní bazén je seskupen cytoskeletálně a není přímo připojen k aktivní zóně.

Uvolnitelný bazén

Uvolnitelný bazén se nachází v aktivní zóně a je vázán přímo na presynaptickou membránu. Je stabilizován proteiny v aktivní zóně a vázán na presynaptickou membránu proteiny SNARE . Tyto vezikuly jsou připraveny k uvolnění jediným akčním potenciálem a jsou doplněny vezikuly z rezervního fondu. Uvolnitelný fond se někdy dělí na snadno uvolnitelný fond a uvolnitelný fond.

Rezervní fond

Rezervní fond není přímo připojen k aktivní zóně. Zvýšení presynaptické koncentrace vápníku aktivuje proteinkinázu závislou na vápníku a kalmodulinu (CaMK). CaMK fosforyluje protein, synapsin , který zprostředkovává shlukování vezikul rezervního poolu a připojení k cytoskeletu. Fosforylace synapsinu mobilizuje vezikuly v rezervní rezervě a umožňuje jim migrovat do aktivní zóny a doplnit snadno uvolnitelnou zásobu.

Periaktivní zóna

Periaktivní zóna obklopuje aktivní zónu a je místem endocytózy presynaptického terminálu. V periactive zóně, lešení proteiny jako intersectin 1 rekrutovat proteiny, které zprostředkovávají endocytózou, jako dynaminu , klathrinem a endophilin. V Drosophilii se homolog intersektinu, Dap160, nachází v periaktivní zóně neuromuskulárního spojení a mutant Dap160 během vysokofrekvenční stimulace vyčerpává synaptické vezikuly.

Aktivní zóna pásu karet synapse

Stuha synapse je speciální typ synapse nacházející se v senzorických neuronech, jako jsou fotoreceptorové buňky , bipolární buňky sítnice a vlasové buňky . Stuhy synapsí obsahují hustou proteinovou strukturu, která svazuje řadu vezikulů kolmých na presynaptickou membránu. Na elektronovém mikrofotografii se jeví jako pásová struktura kolmá k membráně. Na rozdíl od „tradiční“ synapse mohou páskové synapsy udržovat postupné uvolňování vezikul. Jinými slovy, čím více depolarizovaný neuron, tím vyšší je rychlost fúze vezikul. Aktivní zóna pásu karet synapse je rozdělena do dvou oblastí, hustoty archiform a pásu karet. Hustota archiform je místem fúze vezikul a páska uchovává uvolnitelnou skupinu vezikul. Struktura pásky je složena převážně z proteinu RIBEYE, přibližně 64–69% objemu pásky, a je vázána na archiformní hustotu pomocí lešení proteinů, jako je fagot.

Proteiny

Měření uvolňování neurotransmiterů

Schéma ukazující změnu kapacity membrány před (nahoře) a po (střední a dolní) fúzi vezikul.

Uvolňování neurotransmiteru lze měřit stanovením amplitudy postsynaptického potenciálu po spuštění akčního potenciálu v presynaptickém neuronu. Měření uvolňování neurotransmiteru tímto způsobem může být problematické, protože účinek postsynaptického neuronu na stejné množství uvolněného neurotransmiteru se může v průběhu času měnit. Dalším způsobem je měření fúze vezikul s presynaptickou membránou přímo pomocí pipety s náplastí . Buněčnou membránu lze považovat za kondenzátor v tom, že kladné a záporné ionty jsou uloženy na obou stranách membrány. Čím větší je plocha membrány, tím více iontů je zapotřebí k udržení membrány na určitém potenciálu. V elektrofyziologii to znamená, že injekce proudu do terminálu bude trvat kratší dobu, než nabije membránu na daný potenciál před fúzí vezikul, než po fúzi vezikul. Změří se časový průběh nabití membrány na potenciál a odpor membrány a s těmito hodnotami lze vypočítat kapacitu membrány pomocí rovnice Tau / Resistance = Capacitance. S touto technikou mohou vědci měřit uvolňování synaptických vezikul přímo měřením zvýšení kapacity membrány presynaptického terminálu.

Viz také

• Spárování zjednodušeného pulzu
• Postsynaptická hustota

Reference