Слияние пузырьков
Слияние везикул — это слияние везикул с другими везикулами или частью клеточной мембраны . В последнем случае это конечная стадия секреции из секреторных пузырьков, когда их содержимое выводится из клетки посредством экзоцитоза . Везикулы также могут сливаться с другими компартментами клеток-мишеней, такими как лизосома . Экзоцитоз происходит, когда секреторные пузырьки временно стыкуются и сливаются у основания чашеобразных структур клеточной плазматической мембраны, называемой поросомой , универсальным секреторным механизмом в клетках. Слияние везикул может зависеть от белков SNARE в присутствии повышенного внутриклеточного кальция (Ca 2+ ) концентрация.
Триггеры
[ редактировать ]Стимулы, запускающие слияние пузырьков, действуют за счет увеличения внутриклеточного кальция. 2+ .
- Синаптические везикулы совершают слияние везикул нервным импульсом, достигающим синапса, активируя потенциал-зависимые кальциевые каналы , которые вызывают приток кальция. 2+ в клетку.
- В эндокринной системе многие гормоны высвобождаются в результате их рилизинг-гормонов связывания с рецепторами, связанными с G-белком связанными с Gq , альфа-субъединицей , активируя путь IP3/DAG для увеличения Ca. 2+ . Примеры этого механизма включают в себя:
- Гонадотропин-рилизинг гормон [1]
- Тиреотропин-рилизинг гормон [1]
- Рилизинг-гормон гормона роста [1] (второстепенный путь - основной - цАМФ-зависимый путь [2] )
Модельные системы
[ редактировать ]Модельные системы, состоящие из одного фосфолипида или его смеси, изучались физико-химиками. Кардиолипин обнаруживается главным образом в мембранах митохондрий, а ионы кальция играют важную роль в дыхательных процессах, опосредованных митохондриями . Предполагалось, что вовлеченные силы объясняют [3] этот процесс с точки зрения зародышеобразования для агломерации более мелких супрамолекулярных образований или фазовых изменений в структуре биомембран. [4]
Механизмы
[ редактировать ]Слияние синаптической щели
[ редактировать ]При слиянии синаптических пузырьков везикула должна находиться в пределах нескольких нанометров от целевой мембраны, чтобы начался процесс слияния. Эта близость позволяет клеточной мембране и везикуле обмениваться липидами, опосредованно определенными белками, которые удаляют воду, попадающую между формирующимся соединением. Как только везикула заняла свое место, она должна подождать, пока Ca 2+ поступает в клетку путем распространения потенциала действия на пресинаптическую мембрану. [5] Что 2+ связывается со специфическими белками, одним из которых является синаптотагмин , в нейронах, что вызывает полное слияние пузырька с мембраной-мишенью. [6]
Считается также, что белки SNARE помогают определить, какая мембрана является мишенью какой везикулы. [7]
Белок SNARE и образование пор
[ редактировать ]
Сборка SNARE в «транс»-комплексы, вероятно, соединяет противоположные липидные бислои мембран, принадлежащих клетке и секреторной грануле, сближая их и индуцируя их слияние. Приток кальция в клетку запускает завершение реакции сборки, которая опосредуется взаимодействием предполагаемого сенсора кальция, синаптотагмина , с мембранными липидами и/или частично собранным комплексом SNARE.
Одна из гипотез предполагает участие молекулы комплексина в составе комплекса SNARE и ее взаимодействие с молекулой синаптотагмином. [9] Присутствие комплексина, известное как гипотеза «зажима», обычно ингибирует слияние пузырька с клеточной мембраной. Однако связывание ионов кальция с синаптотагмином вызывает высвобождение или инактивацию комплексина, так что везикула затем может свободно сливаться. [10]
Согласно гипотезе «молнии», сборка комплекса начинается с N-концевых частей мотивов SNARE и продолжается к С-концам, которые закрепляют взаимодействующие белки в мембранах. Формирование комплекса «транс»-SNARE происходит через промежуточный комплекс, состоящий из SNAP-25 и синтаксина-1, который позже аккомодирует синаптобревин-2 (указанные изотипы синтаксина и синаптобревина участвуют в высвобождении нейрональных нейромедиаторов).
На основании стабильности образующегося комплекса цис-SNARE было предположено, что энергия, выделяемая в процессе сборки, служит средством преодоления сил отталкивания между мембранами. Существует несколько моделей, предлагающих объяснение последующего этапа – образования ножки и поры слияния, но точная природа этих процессов остается дискуссионной. Двумя наиболее известными моделями образования слитых пор являются теории слитых пор, выстланные липидами и белками. [11]
Теория слитых пор, покрытых липидами
[ редактировать ]
Одной из возможных моделей образования слитых пор является теория пор липидных линий. В этой модели, как только мембраны оказываются достаточно близко друг к другу с помощью механизма «молнии» комплекса SNARE , слияние мембран происходит спонтанно. Было показано, что когда две мембраны находятся на критическом расстоянии, гидрофильные липидные головные группы одной мембраны могут сливаться с противоположной мембраной. [12] В модели слитых пор, покрытых липидами, комплекс SNARE действует как каркас, натягивая мембрану, заставляя обе мембраны сморщиваться, чтобы они могли достичь критического расстояния слияния. Когда две мембраны начинают сливаться, образуется покрытый липидами стебель, расширяющийся радиально наружу по мере слияния.
Хотя поры, выстланные липидами, возможны и могут достигать всех тех же свойств, которые наблюдаются при раннем формировании пор, не существует достаточных данных, чтобы доказать, что это единственный метод образования. [13] В настоящее время не существует предложенного механизма межклеточной регуляции колебаний пор, выстланных липидами, и им будет значительно труднее добиться таких эффектов, как «поцелуй и беги», по сравнению с их аналогами, выстланными белками. Эффективность покрытых липидами пор также будет сильно зависеть от состава обеих мембран, и ее успех или неудача могут сильно варьироваться в зависимости от изменений эластичности и жесткости. [13]
Теория слитых пор, выстланных белками
[ редактировать ]Другой возможной моделью образования слитых пор является теория пор, выстланных белками. В этой модели после активации синаптотагмина кальцием несколько комплексов SNARE объединяются, образуя кольцевую структуру, при этом синаптобревин образует пору в мембране пузырька, а синтаксин образует пору в клеточной мембране. [14] По мере расширения начальной поры она включает в себя липиды обоих бислоев, что в конечном итоге приводит к полному слиянию двух мембран. Комплекс SNARE играет гораздо более активную роль в теории пор, выстланных белками; поскольку пора изначально полностью состоит из белков SNARE, пора легко подвергается межклеточной регуляции, что делает легко достижимыми механизмы колебаний и «поцелуй и беги». [9]
Поры, выстланные белком, идеально отвечают всем наблюдаемым требованиям пор раннего слияния, и хотя некоторые данные подтверждают эту теорию, [14] не существует достаточных данных, чтобы объявить его основным методом слияния. Пора, выстланная белком, требует как минимум пяти копий комплекса SNARE, в то время как слияние наблюдалось всего лишь с двумя. [14]
В обеих теориях функция комплекса SNARE остается практически неизменной, и для инициации слияния необходим весь комплекс SNARE. Однако было доказано, что in vitro синтаксина как такового достаточно для стимулирования спонтанного кальций-независимого слияния синаптических везикул, содержащих v-SNARE. [15] Это говорит о том, что в Ca 2+ -зависимый экзоцитоз нейронов синаптотагмин является двойным регулятором в отсутствие Ca 2+ ионы ингибируют динамику SNARE, а в присутствии Ca 2+ ионы действуют как агонисты в процессе слияния мембран.
Гипотеза «поцелуй и беги»
[ редактировать ]в синаптических везикулах Некоторые нейрохимики предположили, что везикулы иногда не могут полностью сливаться с пресинаптическими мембранами при высвобождении нейротрансмиттеров в синаптическую щель . Спор заключается в том, всегда ли происходит эндоцитоз при реформировании везикул после высвобождения нейромедиатора. Другой предполагаемый механизм высвобождения содержимого везикул во внеклеточную жидкость называется слиянием «поцелуй и беги» .
Есть некоторые указания на то, что везикулы могут образовывать лишь небольшие поры в пресинаптической мембране, позволяющие содержимому высвобождаться путем стандартной диффузии на короткое время, прежде чем вернуться обратно в пресинаптическую клетку. Этот механизм может быть способом обойти клатрин-опосредованный эндоцитоз . Также предполагается, что везикуле не обязательно возвращаться в эндосому для пополнения, хотя до конца не понятно, с помощью какого механизма она будет пополняться. Это не исключает полного слияния пузырьков, а лишь констатирует, что оба механизма могут действовать в синаптических щелях.
Было показано, что «поцелуй и беги» происходит в эндокринных клетках, хотя непосредственно в синаптических промежутках это не наблюдалось. [16]
См. также
[ редактировать ]- ЛОВУШКА
- Пресинаптическая активная зона
- Липосомы, используемые в качестве моделей искусственных клеток в исследованиях слияния мембран .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Страница 237 в: Костанцо, Линда С. (2007). Физиология . Хагерствон, доктор медицины: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 978-0-7817-7311-9 .
- ^ Уолтер Ф., доктор философии. Бор (2003). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход . Эльзевир/Сондерс. п. 1300. ISBN 978-1-4160-2328-9 .
- ^ Папахаджопулос, Деметриос (1990). «Молекулярные механизмы кальций-индуцированного слияния мембран». Журнал биоэнергетики и биомембран . 22 (2): 157–179. дои : 10.1007/BF00762944 . ПМИД 2139437 . S2CID 1465571 .
- ^ наукадирект
- ^ Пиджино, Густаво; Морфини, Херардо; Брэди, Скотт (2006). «Глава 9: Внутриклеточная торговля». В Сигале, Джордж Дж.; Альберс, Р. Уэйн; Брэди, Скотт Т.; и др. (ред.). Базовая нейрохимия: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты (Учебник) (7-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Elsevier Academic Press. п. 143. ИСБН 978-0-12-088397-4 .
- ^ Пиджино и др. стр. 158
- ^ Пиджино и др. стр.143
- ^ Георгиев, Данко Д.; Джеймс Ф. Глейзбрук (2007). «Субнейронная обработка информации уединенными волнами и случайными процессами». В Лышевском, Сергей Эдвард (ред.). Справочник по нано- и молекулярной электронике . Серия «Нано и микроинженерия». ЦРК Пресс. стр. 17–1–17–41. дои : 10.1201/9781315221670-17 . ISBN 978-0-8493-8528-5 . S2CID 199021983 .
- ^ Jump up to: а б Кюммель, Д.; Кришнакумар, СС; Радофф, Д.Т.; Ли, Ф.; Джираудо, CG; Пинсет, Ф.; Ротман, Дж. Э.; Райниш, К.М. (2011). «Комплексин сшивает префузионные SNARE в зигзагообразный массив» . Структурная и молекулярная биология природы . 18 (8): 927–933. дои : 10.1038/nsmb.2101 . ПМЦ 3410656 . ПМИД 21785414 .
- ^ Ричмонд, Джанет. «Функция синапса» .
- ^ Джексон, Мейер Б.; Чепмен, Эдвин Р. (2006). «Поры слияния и машины слияния при экзоцитозе, запускаемом Ca2+». Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры . 35 (1): 135–160. doi : 10.1146/annurev.biophys.35.040405.101958 . ПМИД 16689631 .
- ^ Марринк, Зиверт Дж.; Марк, Алан Э. (1 сентября 2003 г.). «Механизм слияния пузырьков, выявленный с помощью молекулярно-динамического моделирования» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 125 (37): 11144–11145. дои : 10.1021/ja036138+ . ISSN 0002-7863 . ПМИД 16220905 .
- ^ Jump up to: а б Нанавати, К; Маркин В.С.; Оберхаузер, А.Ф.; Фернандес, Дж. М. (1 октября 1992 г.). «Экзоцитотическая слитая пора, смоделированная как липидная пора» . Биофизический журнал . 63 (4): 1118–1132. Бибкод : 1992BpJ....63.1118N . дои : 10.1016/s0006-3495(92)81679-x . ISSN 0006-3495 . ПМЦ 1262250 . ПМИД 1420930 .
- ^ Jump up to: а б с Чанг, Че-Вэй; Хуэй, Энфу; Бай, Цзихун; Брунс, Дитер; Чепмен, Эдвин Р.; Джексон, Мейер Б. (8 апреля 2015 г.). «Структурная роль трансмембранного домена синаптобревина 2 в порах слияния пузырьков с плотным ядром» . Журнал неврологии . 35 (14): 5772–5780. doi : 10.1523/JNEUROSCI.3983-14.2015 . ISSN 0270-6474 . ПМЦ 4388931 . ПМИД 25855187 .
- ^ Вудбери-ди-джей, Рогнлиен К. (2000). «Стаксин t-SNARE достаточен для спонтанного слияния синаптических пузырьков с плоскими мембранами» (PDF) . Международная клеточная биология . 24 (11): 809–818. дои : 10.1006/cbir.2000.0631 . ПМИД 11067766 . S2CID 37732173 . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 г. Проверено 31 мая 2009 г.
- ^ Пиджинио и др. стр. 161-162