Комикс-шпаргалка . «Как происходит выделение нейромедиатора»

Что происходит с момента синтеза нейромедиатора до связывания его с рецепторами на постсинаптической мембране? Комикс по мотивам Нобелевской лекции Томаса Зюдофа: молекулярный механизм выделения нейромедиатора в картинках. Конечно, это лишь малый фрагмент полной картины распространения импульсов в нервной системе, но зато посмотрите, как он красив!

Синапсы — области контакта между нейронами — бывают химическими и электрическими. Химический синапс представляет собой непрямой контакт двух клеток: между их мембранами остается узкое пространство — синаптическая щель. Эффекторная клетка (та, от которой идет импульс), возбуждаясь, выделяет в синаптическую щель молекулы нейромедиатора , которые связываются с рецепторами на мембране воспринимающей клетки и вызывают ее ответ.

Любознательный читатель приглашается к ознакомлению с эпической сагой о нейромедиаторах, написанной для «биомолекулы» Виктором Лебедевым. В сериал входят: дофамин, серотонин, норадреналин, ацетилхолин, ?- аминомасляная кислота и глутаминовая кислота. Не счесть алмазов пламенных в лабазах каменных. — Ред.

На картинке изображен самый распространенный вид синапса — аксо-дендритический. (А бывают еще аксо-соматические синапсы, когда аксон подходит к телу воспринимающей клетки, аксо-аксональные, и даже дендро-дендритические — их образуют таинственные безаксонные нейроны где-то в глубине обонятельной луковицы, но это совсем редкий и маргинальный случай.) Еще на картинке виднеются олигодендроциты — глиальные клетки, которые в центральной нервной системе обматывают аксоны слоями миелина — изолирующей липидной мембраны, что препятствует рассеиванию импульса и ускоряет его проведение.
(Олигодендроциты подрисованы просто для приличия; предполагается, что вся рассказанная ниже история происходит где-то в мозге: выбранный мной нейромедиатор выделяется в центральной нервной системе.) Начало аксона — место, где он отходит от тела клетки — называется «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 — зарубежные ученые ласково называют эту структуру «пуговкой» (button) или «бутончиком» (bouton). 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.

В электрических синапсах не задействованы нейромедиаторы, а синаптическая щель очень узкая. Цитоплазма двух клеток связана напрямую через специальные белковые каналы — коннексоны. Сигнал в таком синапсе передается путем перехода ионов из одной клетки в другую. Такие синапсы почти не встречаются в нашей нервной системе; они характерны главным образом для беспозвоночных.

Дальше речь пойдет о событиях, происходящих в химическом синапсе, а именно о том, как выделяется медиатор в синаптическую щель.

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 — такие как пептиды — синтезируются в теле нейрона и, уже будучи упакованными в везикулы, транспортируются оттуда до аксонной терминали по микротрубочкам. Здесь в качестве медиатора, вместе с которым читателю предлагается пройти путь до синаптической щели, выбран серотонин. Правда, хороший? Он — маленькая молекула, а значит, синтезируется в цитоплазме недалеко от
окончания. Вот он 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. У наших героев чудом получается проникнуть к самой активной зоне, и — ...

И дальше начинается вот что.

Докинг
Первый этап прикрепления везикулы к пресинаптической мембране называется «docking», или «tethering» — «заякоривание». В мембране везикулы есть такой белок — Rab 3/27, принадлежащий к семейству Rab-ГТФаз, которые занимаются адресованием везикул в мембраны-реципиенты. (Rab — от «rat brain». В первый раз такие белки были найдены в мозгу крысы.) 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 кальциевым каналам в пресинаптической мембране. Это очень важный момент, потому что ключевым сигналом для выделения нейромедиатора служит поступление ионов кальция в цитоплазму. Кальциевые каналы открываются, когда потенциал действия доходит до аксонной терминали.

И вот, 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
— запомните его, он сыграет свою роль на следующей стадии.

Прайминг
Следующий этап — 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. Как именно он реагирует и
что при этом происходит — парой картинок ниже. Основные
три компонента SNARE — синаптобревин, синтаксини SNAP-25.

Синтаксин заякорен в пресинаптической мембране. В
неактивном состоянии его концевой N-пептид связан с другим
участком этой же молекулы — H-abc доменом, то есть
неактивный синтаксин как бы замкнут сам на себя. Еще он на
протяжении всей истории остается связанным с белком Munc
18-1. 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.

Прайминг 1
Munc-13 — тот самый, который висел в белковой цепочке, —
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.
Синаптотагмин выполняет роль кальциевого сенсора: у него
есть специальные сайты связывания Ca2+, то есть именно
синаптотагмин делает возможным выделение нейромедиатора,
когда приходит потенциал действия.

Прайминг 2
Для того, чтобы окончательно собрать комплекс, нужен еще
белок комплексин. Он присоединяется в желобок между
синаптобревином и синтаксином, а функция его заключается в
активации синаптотагмина. Когда комплексин присоединяется
к комплексу, синтаптотагмин становится способным связывать
кальций. Вот теперь комплекс окончательно собран, все
готово, и остается только ждать потенциала действия.

И вот — нейрон возбуждается! В аксонном холмике
лавинообразно открываются натриевые каналы, мембрана
деполяризуется, ПД бежит по аксону — и в пресинаптической
мембране открываются кальциевые каналы. В цитоплазму
заходят ионы Ca2+, синаптотагмин связывает пять штук —
одним сайтом три, другим два — и взаимодействует с
липидами мембраны так, что открывается пора — сквозная
дырочка из везикулы в синаптическую щель. Также важным
фактором при слиянии является давление, создаваемое
белковым комплексом — он прижимает везикулу к
пресинаптической мембране.

И — ура, нейромедиатор в синаптической щели!

Но что же происходит с SNARE/SM комплексом потом? Когда
пора расширяется, белки меняют расположение, поворачиваясь
как бы перпендикулярно плоскости мембраны. А вскоре NSF —
такая АТФаза — приходит из цитоплазмы вместе со своим
кофактором SNAP, и они вызывают распад SNARE/SM комплекса.
После этого везикула может отделиться от пресинаптической
мембраны, но тут может происходить по-разному:(рис)

Описанный выше механизм выброса медиаторов в синапсах, а
также роль ионов кальция в этом процессе были установлены
Томасом Зюдофом, который тем самым внес решающий вклад в
нейробиологию и клеточную биологию. За данные открытия ему
вместе с Джеймсом Ротманом и Рэнди Шекманом присуждена в
2013 году Нобелевская премия по физиологии и медицине —
«за открытие системы везикулярного транспорта — основной
транспортной системы в наших клетках».

Комментарии: