Самый распространенный вид синапса — аксо-дендритический (бывают еще аксо-соматические синапсы, когда аксон подходит к телу воспринимающей клетки, аксо-аксональные, и даже дендро-дендритические). Начало аксона — место, где он отходит от тела клетки — аксонный холмик. Именно там возникает потенциал действия, который потом распространяется дальше по аксону в сторону воспринимающей клетки.
Аксон ближе к концу может разделяться на несколько веточек, идущих к разным клеткам. Каждая такая веточка оканчивается аксонной терминалью. В аксонной терминали есть митохондрии, чтобы обеспечивать энергией многочисленные происходящие здесь процессы; почти всегда обнаруживается довольно много везикул — мембранных пузырьков, в которых транспортируются медиаторы и разные другие вещества — например, ферменты. Так же там есть довольно правильным образом организованный цитоскелет: микротрубочки цитоскелета образуют «рельсы», которые протягиваются в цитоплазме аксона от тела нейрона до самого окончания. Везикулы перемещаются по этим самым «рельсам». Еще в аксонной терминали есть эндосома — мембранная структура, похожая на аппарат Гольджи. Надо сказать, что научное сообщество не пришло к единому мнению, постоянное это образование или временное, которое получается в результате слияния пузырьков; но, так или иначе, от эндосомы могут отпочковываться везикулы, которые используются для транспорта нейромедиаторов.
Маленькие и просто устроенные нейромедиаторы — например, ацетилхолин — образуются из молекул-предшественников прямо в цитоплазме аксонной терминали. Там же они упаковываются в везикулы — мембранные пузырьки, которые могут отделяться от эндосомы или приходить от синаптической щели после высвобождения своего прошлого содержимого.
Медиаторы сложного строения синтезируются в теле нейрона и, уже будучи упакованными в везикулы, транспортируются оттуда до аксонной терминали по микротрубочкам. Нейромедиатор попадает в везикулу, отпочкованную от эндосомы, и к мембране везикулы прикрепляется транспортный белок кинезин, который начинает тащить пузырек за собой, «шагая» по микротрубочке в сторону пресинаптической мембраны. У кинезина есть две субъединицы — «ножки», которые по очереди прикрепляются и открепляются от микротрубочки, с каждым разом немного дальше, продвигая его вперед. В одной везикуле могут быть тысячи молекул нейромедиатора. Раньше считалось, что один нейрон может выделять только один нейромедиатор (принцип Дейла), но сейчас известно, что это не так. Более того, оказалось, что в везикуле одновременно могут находиться разные нейромедиаторы.
Не вся пресинаптическая мембрана подходит для того, чтобы медиатор выделился, а только области, которые называются активными зонами. Только там есть специальные белки, нужные для прикрепления везикулы, а также локализованы потенциал-зависимые кальциевые каналы. Активные зоны располагаются ровно напротив рецепторных полей на постсинаптической мембране. Вот туда, к одной из активных зон, и держит путь кинезин. Над активными зонами обычно собирается множество пузырьков, которые ждут своей очереди слиться с пресинаптической мембраной и освободиться от содержимого.
Докинг
Первый этап прикрепления везикулы к пресинаптической мембране называется «docking», или «tethering» — «заякоривание». В мембране везикулы есть белок Rab 3/27, принадлежащий к семейству Rab-ГТФаз, которые занимаются адресованием везикул в мембраны-реципиенты (Rab — от «rat brain», впервые такие белки были найдены в мозгу крыс). Rab 3/27 заякорен в липидном бислое мембраны, он включается туда на стадии образования везикулы. Будучи связанным с ГДФ, он неактивен и не может ничего присоединять, а при замене ГДФ на ГТФ активируется и становится способным к формированию связей. Когда везикула образуется, Rab 3/27 прикрепляется к ней уже в активированной форме.
Когда везикула оказывается в достаточной близости от активной зоны, Rab 3/27 связывается с белками RIM (Rab 3-interacting molecules), которые, в свою очередь, через RIM-BP (RIM-binding proteins) прикрепляются к Ca2+-каналам в пресинаптической мембране. Это очень важный момент, потому что ключевым сигналом для выделения нейромедиатора служит поступление ионов Ca2+ в цитоплазму. Ca2+-каналы открываются, когда потенциал действия доходит до аксонной терминали.
Чтобы везикула могла как можно более оперативно выбросить медиатор, когда придет ПД, она прикрепляется к кальциевому каналу такой белковой «веревочкой». Формирование этой «веревочки» и называется докингом. Везикула «причаливает» к пресинаптической мембране, бросая «якорь» около кальциевого канала. К белковой цепочке из RIM присоединяется еще белок Munc-13.
Прайминг
Следующий этап слияния везикул — это прайминг (priming; подготовка везикулы к слиянию). Подготовка заключается в образовании плотного белкового комплекса между мембраной везикулы и пресинаптической мембраной, в результате чего мембранный пузырек крепко прижимается к мембране аксона и становится способным реагировать на увеличение концентрации кальция.
Этот комплекс получил название SNARE — soluble NSF attachment receptor proteins, по названию АТФазы NSF, с которой он может реагировать. Насчитывается около 60 белков SNARE. Белки группы делятся на две функциональные категории: везикулярные белки (v-SNARE) и белки принимающей органеллы (t-SNARE). Новая структурная классификация подразделяет группу на R-SNARE и Q-SNARE. Q-SNARE - syntaxin и SNAP-25. Вносят остаток глутамина (Q) в образование нулевого ионного слоя в собранном основном комплексе SNARE. R-SNARE – synaptobrevin. Вносит остатки аргинина (R) в образование нулевого ионного слоя в собранном ядерном комплексе SNARE.
Основные три компонента SNARE — синаптобревин, синтаксин и SNAP-25. Синаптобревин находится на мембране везикулы, а синтаксин и SNAP-25 – на пресинаптической мембране.
Синаптобревин - небольшой трансмембранный белок, относится к семейству везикуло-ассоциированных мембранных белков (vesicle associated membrane protein - VAMP). Существует 2 изотипа синаптобревина (синаптобревин 1 и 2), синтезирующиеся в мозге. По функциональной классификации синаптобревин относится к везикулярным белкам SNARE (v-SNARE), а по структурной - к R-SNARE.
Синтаксин заякорен в пресинаптической мембране, это трансмембранный белок. Существует 4 изотипа синтаксинов. Синтаксин относится к подгруппе Q-SNARE. Состоит из трёх доменов: N-концевой регуляторный домен (Habc), комплексообразующий SNARE-домен и C-концевой трансмембранный домен. SNARE-домен является 60-70-аминокислотной последовательностью, характерной для всех белков семейства SNARE. Регуляторный домен сформирован из трёх альфа-спиральных участков. В «закрытой» конформации синтаксина этот домен закрывает SNARE домен и блокирует его взаимодействие с одноимёнными доменами других белков SNARE комплекса. Такая «закрытая» конформация синтаксина поддерживается другим белком nSec1 (Munc18). В «открытой» конформации синтаксин способен образовать SNARE комплекс.
То есть в неактивном состоянии концевой N-пептид синтаксина связан с другим участком этой же молекулы — H-abc доменом, неактивный синтаксин как бы замкнут сам на себя. Также он всё время остается связанным с белком Munc 18-1.
Белок Munc-18 – гомолог белка UNC-18, является членом семейства Sec1/Munc18-like (SM). Сначала думали, что Munc 18-1 препятствует сборке комплекса, а потом оказалось, что он необходим для открытия поры в везикуле. В неактивном состоянии синтаксин связан с Munc 18-1 через SNARE-мотив — участок, которым он потом связывается с белками SNARE. Поэтому это состояние и неактивное — синтаксин не может войти в состав комплекса, потому что нужный для этого участок занят.
Munc-13 инициирует переход синтаксина в активное состояние: синтаксин отделяет N-пептид от самого себя и связывается им с Munc 18-1, а SNARE-мотив при этом освобождается. После этого он становится способным к образованию комплекса SNARE, что и происходит дальше: он плотно связывается с синаптобревином, который торчит из мембраны везикулы, и с белком SNAP-25. Munc 18-1 тоже входит в состав комплекса, будучи связанным с синтаксином, поэтому целый комплекс называется SNARE/SM.
Белок, который не входит в состав комплекса, но играет ключевую роль в процессе выделения — это синаптотагмин. Он заякорен в мембране везикулы неподалеку от синаптобревина. Это трансмембранный кальций-связывающий белок, участвующий во внутриклеточном транспорте мембран. Синаптотагмин представлен 13 изотипами белка (Syt1-Syt13). Молекула синаптотагмина состоит из N-концевого трансмембранного фрагмента, связывающего элемента и двух C2 доменов (C2A и C2B), связывающих кальций. Синаптотагмин является кальциевым сенсором, который участвует в последних стадиях выброса нейромедиатора в синаптическую щель. Он связывается с нейрексином и SNAP-25, осуществляя удержание секреторной везикулы у пресинаптической мембраны, и участвует в выбросе нейромедиатора за счёт регуляции SNARE комплекса при подъёме кальция. То есть именно синаптотагмин делает возможным выделение нейромедиатора, когда приходит потенциал действия.