Механизм загрузки везикул. SNARE-комплекс.
Реферат
Студента гр. 371514 – 7
Очной формы обучения
Пономаревой Анастасии Николаевны
Проверила:
Лебедева Альбина Владимировна
подпись___________________
Нижний Новгород
Содержание
1. Синаптическая передача……………………………………………………………...3
2. Открытие SNARE-комплекса………………………………………………………..4
3. Механизм слияния везикул………………………………………………………….7
3.1. Докинг………………………………………………………………………….9
3.2. Прайминг………………………………………………………………………9
3.3. Окончательная сборка комплекса……………………………………………12
Синаптическая передача
Самым важным свойством синаптической передачи является ее скорость. В большинстве синапсов синаптическая передача длится всего несколько миллисекунд. Эта потрясающая скорость имеет решающее значение для общей работы мозга. Синапсы сильно отличаются друг от друга по таким свойствам, как прочность и пластичность, но всегда действуют по одному и тому же каноническому принципу, впервые выясненному Бернардом Кацем. Когда потенциал действия перемещается вниз по аксону, он деполяризует нервные окончания и открывает пресинаптические Ca2+-каналы. Входящий Ca2+ затем запускает высвобождение нейротрансмиттера менее чем за миллисекунду, с задержкой, возможно, менее 100 микросекунд. Удивительно, учитывая эту скорость, пресинаптическое высвобождение нейротрансмиттера опосредуется мембранным движением. Пресинаптические терминали заполнены синаптическими везикулами - маленькими органеллами диаметром 35 нм, которые содержат высокие концентрации нейротрансмиттеров. Выпуск активируется, когда Ca2+ индуцирует быстрое слияние этих пузырьков с пресинаптической плазматической мембраной в специализированной области, так называемой активной зоне. Активная зона расположена точно напротив постсинаптического уплотнения, содержащего рецепторы нейротрансмиттеров; в результате нейротрансмиттеры высвобождаются непосредственно на их рецепторы (рис. 1).
Активная зона - это принцип организации, обеспечивающий скорость и точность синаптической передачи. Активная зона рекрутирует и присоединяет синаптические везикулы в местах высвобождения, трансформирует синаптические везикулы в гранулометрическое «праймированное» состояние, которое реагирует на Ca2+ -переключение высвобождения и связывает Ca2+-каналы рядом с местами стыковки. Путем колокализации Ca2+ -каналов и праймированных везикул на синаптической щели активная зона позволяет плотно связать высвобождение нейротрансмиттера с потенциалом действия и направляет высвобождение нейротрансмиттера в синаптическую щель. После экзоцитоза синаптические везикулы рециркулируют по различным путям, включая быстрые эндоцитарные механизмы, которые иногда называют «поцелуй и бег», а также более медленные эндоцитарные механизмы, включающие ямки, окаймленные клатрином.
По сравнению с пресинаптическим высвобождением нейротрансмиттера постсинаптический прием нейротрансмиттера концептуально более прост, поскольку он в значительной степени опосредуется связыванием передатчика с лиганд-ионными каналами. Постсинаптические ионотропные рецепторы представляют собой высокоразвитые молекулярные машины, которые группируются напротив пресинаптической активной зоны и быстро преобразуют внеклеточный сигнал нейротрансмиттера во внутриклеточный ионный сигнал. Однако кажущаяся простота постсинаптических механизмов обманчива, потому что постсинаптические рецепторы нейротрансмиттеров подвержены сложным регуляторным процессам, включая везикулярную торговлю людьми, которые не полностью поняты. Кроме того, постсинаптические пути передачи сигналов организованы сложным и раздельным образом, который отличается между различными типами синапсов. Учитывая простой, но сложный канонический дизайн химического синапса, нельзя не восхищаться изобретательностью этого дизайна, что обеспечивает необходимую скорость и пластичность синаптической передачи с использованием специализированных пре- и постсинаптических механизмов.
Открытие SNARE-комплекса
Первое понимание того, как синаптические пузырьки сливаются с пресинаптической плазматической мембраной при высвобождении нейротрансмиттера, было получено из исследований токсинов столбняка и ботулизма. Эти нейротоксины, которые, как возбудители болезней, вызывают столбняк и ботулизм, также обладают большой терапевтической ценностью и относятся к числу наиболее известных нейротоксинов. Столбняк и ботулинические токсины являются металлопротеазами, которые блокируют высвобождение нейротрансмиттера в наномолярных концентрациях, останавливая слияние синаптических везикул с пресинаптической плазматической мембраной.
В 1992 году исследования в лаборатории Cesare Montecucco, Heiner Niemann и Reinhard Jahn показали, что столбнячный токсин и ботулинический токсин B блокируют синаптическое везикулярное слияние протеолитическим расщеплением Synaptobrevin-2/VAMP. В следующем году те же лаборатории показали, что другие типы ботулинических токсинов расщепляют два других пресинаптических мембранных белка, SNAP-25 и Syntaxin-1. Более того, было продемонстрировано, что повсеместно распространенная изоформа формы синаптобравина (Cellubrevin) также является субстратом столбнячного токсина, что указывает на то, что ингибирование слияния везикул с помощью столбнячного токсин-зависимого расщепления Synaptobrevin-2 отражает общую функцию синаптообревиноподобных молекул при слиянии мембран. Вместе эти результаты предоставили первое и, возможно, еще самое убедительное доказательство того, что Synaptobrevin-2, SNAP-25 и Syntaxin-1 являются важными компонентами пресинаптического оборудования для слияния мембран. Доказательства того, как эти белки, позже названные белками SNARE, могут работать, исходили из параллельных исследований в лаборатории Джеймса Ротмана.
Ротман изучал мембранный синтез путем биохимического восстановления везикулярного движения между кмопартментами аппарата Гольджи. Используя этот анализ, Ротман выделил N-этилмалеимид-чувствительный фактор (называемый NSF) и белки NSF-адаптера, которые прикрепляют NSF к мембранам (как SNAP, неудачное совпадение акронимов с SNAP-25). Как NSF, так и SNAP были необходимы для синтеза in vitro в анализе Ротмана и были признаны гомологичными генам дрожжей, участвующих в секреции, что указывает на фундаментальную функцию в мембранном движении. В исследовании лаборатория Ротмана затем использовала иммобилизованные NSF и SNAP в качестве матрицы сродства для очистки SNAP-рецепторов (то есть SNARE) от мозга, потому что мозг был самым богатым источником таких рецепторов. Он выделил Synaptobrevin-2, Syntaxin-1 и SNAP-25, так же как эти белки были показаны как субстраты столбняка и ботулинического токсина. Впоследствии Ротман совместно с Ричардом Шеллером показал, что Synaptobrevin-2, Syntaxin-1 и SNAP-25 образуют комплекс друг с другом и что этот комплекс диссоциирован NSF, который действует как АТФаза. Этот блестящий эксперимент дал объяснение тому, как эти белки могут работать при слиянии, хотя потребовалось еще много лет, чтобы сформулировать убедительный механизм для их функции слияния. Было обанружено, что комплексы SNARE являются SDS-резистентными (SDS = додецилсульфат натрия) и чрезвычайно плотными, и что только SNARE-комплекс, но не отдельные SNARE-белки, связывается с SNAP и NSF, тогда как только свободные SNARE-белки, но не SNARE белки в комплексе являются субстратами для ботулинического и столбнячного токсинов.
Рассматриваемые вместе, эти исследования показали, что образование комплексов SNARE между синаптической везикулой и пресинаптической плазматической мембраной может опосредовать слияние, но механизм слияния был неясен. Одна из гипотез заключалась в том, что NSF и SNAP являются фактическими слитыми белками, а белки SNARE обеспечивают специфичность реакции синтеза, опосредуемой NSF и SNAP, действуя как их рецепторы после сборки комплексов SNARE. Альтернативная идея - белки SNARE, особенно синаптобревин, фактически непосредственно участвуют в слиянии, хотя было непонятно, каким механизмом.
В двух последующих ключевых экспериментах выяснилось, являются ли NSF / SNAP или SNARE фактическими белками мембранной оболочки. Во-первых, лаборатория Билла Викнера показала, что дрожжевой NSF не функционирует в слиянии, требуется только активировать белки SNARE для слияния и перерабатывать оборудование SNARE после слияния. Во-вторых, было продемонстрировано, что комплексы SNARE собираются параллельно, так что сборка SNARE-комплекса заставляет C-терминальные трансмембранные области белков SNARE в непосредственной близости.
Ключевое наблюдение Heuser и Jahn дало непосредственную модель того, как белки SNARE могут опосредовать слияние, а именно путем застежки молнии в направлении от N до С-конца, тем самым заставляя мембраны, которые содержат С-концевые трансмембранные области, находиться в непосредственной близости. Эта модель была быстро подтверждена с помощью биофизических исследований и кристаллографии и далее разработана Ротманом и другими, используя эксперименты по восстановлению in vitro с липосомами. Сейчас это стандартная модель.