La zona activa o zona activa sináptica es un término utilizado por primera vez por Couteaux y Pecot-Dechavassinein en 1970 para definir el sitio de liberación de neurotransmisores . Dos neuronas hacen contacto cercano a través de estructuras llamadas sinapsis que les permiten comunicarse entre sí. Como se muestra en el diagrama adyacente, una sinapsis consiste en el botón presináptico de una neurona que almacena vesículas que contienen neurotransmisores (arriba en la imagen) y una segunda neurona postsináptica que lleva receptores para el neurotransmisor (abajo), junto con un espacio entre las dos llamado hendidura sináptica (con moléculas de adhesión sináptica, SAM, que las mantienen unidas [1] ). Cuando un potencial de acción alcanza el botón presináptico, el contenido de las vesículas se libera en la hendidura sináptica y el neurotransmisor liberado viaja a través de la hendidura hasta la neurona postsináptica (la estructura inferior en la imagen) y activa los receptores en la membrana postsináptica.
La zona activa es la región del botón presináptico que media la liberación de neurotransmisores y está compuesta por la membrana presináptica y una densa colección de proteínas llamada citomatriz en la zona activa (CAZ). La CAZ se ve bajo el microscopio electrónico como un área oscura (densa en electrones) cerca de la membrana. Las proteínas dentro de la CAZ unen las vesículas sinápticas a la membrana presináptica y median la fusión de vesículas sinápticas , lo que permite que el neurotransmisor se libere de manera confiable y rápida cuando llega un potencial de acción.
La función de la zona activa es garantizar que los neurotransmisores puedan liberarse de manera confiable en una ubicación específica de una neurona y solo cuando la neurona dispara un potencial de acción. [2] A medida que un potencial de acción se propaga por un axón, alcanza la terminal axónica llamada botón presináptico. En el botón presináptico, el potencial de acción activa los canales de calcio (VDCC) que causan una afluencia local de calcio. El aumento de calcio es detectado por proteínas en la zona activa y obliga a las vesículas que contienen neurotransmisores a fusionarse con la membrana. Esta fusión de las vesículas con la membrana libera los neurotransmisores en la hendidura sináptica (espacio entre el botón presináptico y la membrana postsináptica). Luego, los neurotransmisores se difunden a través de la hendidura y se unen a los canales iónicos controlados por ligando y a los receptores acoplados a proteína G en la membrana postsináptica. La unión de los neurotransmisores a los receptores postsinápticos induce entonces un cambio en la neurona postsináptica. El proceso de liberación de neurotransmisores y unión a los receptores postsinápticos para provocar un cambio en la neurona postsináptica se denomina neurotransmisión.
La zona activa está presente en todas las sinapsis químicas examinadas hasta ahora y está presente en todas las especies animales. Las zonas activas examinadas hasta ahora tienen al menos dos características en común: todas tienen material denso en proteínas que se proyecta desde la membrana y ata vesículas sinápticas cerca de la membrana y tienen proyecciones filamentosas largas que se originan en la membrana y terminan en vesículas ligeramente más alejadas de la membrana presináptica. Las proyecciones densas en proteínas varían en tamaño y forma según el tipo de sinapsis examinada. Un ejemplo sorprendente de la proyección densa es la sinapsis en cinta (ver más abajo) que contiene una "cinta" de material denso en proteínas que está rodeada por un halo de vesículas sinápticas y se extiende perpendicularmente a la membrana presináptica y puede tener una longitud de hasta 500 nm. [3] La sinapsis de glutamato contiene estructuras piramidales más pequeñas que se extienden unos 50 nm desde la membrana. [4] La sinapsis neuromuscular contiene dos filas de vesículas con una larga banda proteínica entre ellas que está conectada a costillas horizontales regularmente espaciadas que se extienden perpendiculares a la banda y paralelas a la membrana. Estas costillas están conectadas a las vesículas, cada una de las cuales está ubicada sobre una clavija en la membrana (presumiblemente un canal de calcio). [5] Investigaciones anteriores indicaron que la zona activa de las neuronas glutamatérgicas contenía una disposición altamente regular de material proteico denso en forma de pirámide e indicaron que estas pirámides estaban conectadas por filamentos. Esta estructura se parecía a una red geométrica donde las vesículas eran guiadas hacia los agujeros de la red. [4] Este atractivo modelo ha sido cuestionado por experimentos recientes. Datos recientes muestran que la zona activa glutamatérgica contiene las proyecciones de material proteico denso, pero estas proyecciones no estaban en una disposición regular y contenían filamentos largos que se proyectaban unos 80 nm hacia el citoplasma. [6]
Hay al menos cinco proteínas de andamiaje principales que se enriquecen en la zona activa: UNC13B /Munc13, RIMS1 (molécula que interactúa con Rab3), Bassoon, Piccolo /aczonin, ELKS y liprins-α . Se cree que estas proteínas de andamiaje son los componentes de las estructuras densas en forma de pirámide de la zona activa y se cree que acercan las vesículas sinápticas a la membrana presináptica y los canales de calcio. La proteína ELKS se une a la proteína de adhesión celular , β-neurexina , y a otras proteínas dentro del complejo, como Piccolo y Bassoon. [7] La β-neurexina luego se une a la molécula de adhesión celular, neuroligina , ubicada en la membrana postsináptica. Luego, la neuroligina interactúa con las proteínas que se unen a los receptores postsinápticos. Las interacciones proteicas como la observada entre Piccolo/ELKS/β-neurexina/neuroligina garantizan que la maquinaria que media la fusión de vesículas esté muy cerca de los canales de calcio y que la fusión de vesículas esté adyacente a los receptores postsinápticos. Esta proximidad entre la fusión de vesículas y los receptores postsinápticos garantiza que haya poco retraso entre la activación de los receptores postsinápticos y la liberación de neurotransmisores.
La liberación de neurotransmisores se logra mediante la fusión de vesículas de neurotransmisores con la membrana presináptica. Aunque los detalles de este mecanismo aún se están estudiando, hay un consenso sobre algunos detalles del proceso. Se sabe que la fusión de vesículas sinápticas con la membrana presináptica requiere un aumento local de calcio [9] a partir de tan solo un canal de calcio estrechamente asociado [10] y la formación de complejos SNARE altamente estables . Un modelo predominante de fusión de vesículas sinápticas es que la formación del complejo SNARE es catalizada por las proteínas de la zona activa, como Munc18, Munc13 y RIM. Se cree que la formación de este complejo "prepara" la vesícula para que esté lista para la fusión de vesículas y la liberación de neurotransmisores (ver a continuación: grupo liberable). Una vez que la vesícula está preparada, la complexina se une al complejo SNARE; esto se denomina "superpreparación". Las vesículas que están superpreparadas se encuentran dentro del grupo fácilmente liberable (ver a continuación) y están listas para ser liberadas rápidamente. La llegada de un potencial de acción abre canales de calcio dependientes del voltaje cerca del complejo SNARE/complexina. El calcio se une entonces para cambiar la conformación de la sinaptotagmina . Este cambio en la conformación de permite que la sinaptotagmina desaloje la complexina, se una al complejo SNARE y se una a la membrana diana. Cuando la sinaptotagmina se une tanto al complejo SNARE como a la membrana, esto induce una fuerza mecánica sobre la membrana de modo que hace que la membrana de la vesícula y la membrana presináptica se fusionen. Esta fusión abre un poro de la membrana que libera el neurotransmisor. El poro aumenta de tamaño hasta que toda la membrana de la vesícula es indistinguible de la membrana presináptica. [11] [12] [13]
El botón presináptico tiene un proceso orquestado de manera eficiente para fusionar vesículas a la membrana presináptica para liberar neurotransmisores y regenerar vesículas de neurotransmisores. Este proceso llamado ciclo de vesículas sinápticas mantiene el número de vesículas en el botón presináptico y permite que la terminal sináptica sea una unidad autónoma. El ciclo comienza con (1) una región del aparato de Golgi que se pinza para formar la vesícula sináptica y esta vesícula se transporta a la terminal sináptica. En la terminal (2) la vesícula se llena de neurotransmisor. (3) La vesícula se transporta a la zona activa y se acopla en estrecha proximidad a la membrana plasmática. (4) Durante un potencial de acción, la vesícula se fusiona con la membrana, libera el neurotransmisor y permite que las proteínas de membrana previamente en la vesícula se difundan a la zona periactiva. (5) En la zona periactiva, las proteínas de membrana son secuestradas y son endocitadas formando una vesícula recubierta de clatrina . (6) Luego, la vesícula se llena con neurotransmisor y luego se transporta de regreso a la zona activa.
El mecanismo de endocitosis es más lento que el de exocitosis , lo que significa que, en caso de actividad intensa, la vesícula terminal puede agotarse y no estar disponible para ser liberada. Para ayudar a prevenir el agotamiento de las vesículas sinápticas, el aumento de calcio durante la actividad intensa puede activar la calcineurina, que desfosforila las proteínas implicadas en la endocitosis mediada por clatrina. [14]
La sinapsis contiene al menos dos grupos de vesículas sinápticas: el grupo de liberación fácil y el grupo de reserva. El grupo de liberación fácil se encuentra dentro de la zona activa y está conectado directamente a la membrana presináptica, mientras que el grupo de reserva está agrupado por el citoesqueleto y no está conectado directamente a la zona activa.
El grupo liberable se encuentra en la zona activa y está unido directamente a la membrana presináptica. Está estabilizado por proteínas dentro de la zona activa y unido a la membrana presináptica por proteínas SNARE . Estas vesículas están listas para liberarse mediante un único potencial de acción y se reponen con vesículas del grupo de reserva. El grupo liberable a veces se subdivide en el grupo fácilmente liberable y el grupo liberable.
El fondo de reserva no está conectado directamente con la zona activa. El aumento de la concentración de calcio presináptico activa la proteína quinasa dependiente de calcio-calmodulina (CaMK). La CaMK fosforila una proteína, la sinapsina , que media la agrupación de las vesículas del fondo de reserva y su fijación al citoesqueleto. La fosforilación de la sinapsina moviliza las vesículas del fondo de reserva y les permite migrar a la zona activa y reponer el fondo fácilmente liberable. [15] [16]
La zona periactiva rodea la zona activa y es el sitio de endocitosis de la terminal presináptica. En la zona periactiva, las proteínas de andamiaje como la intersectina 1 reclutan proteínas que median la endocitosis como la dinamina , la clatrina y la endofilina. [17] En Drosophila, el homólogo de la intersectina, Dap160, se encuentra en la zona periactiva de la unión neuromuscular y el mutante Dap160 agota las vesículas sinápticas durante la estimulación de alta frecuencia. [18]
La sinapsis en cinta es un tipo especial de sinapsis que se encuentra en neuronas sensoriales como las células fotorreceptoras , las células bipolares de la retina y las células pilosas . Las sinapsis en cinta contienen una estructura proteica densa que une una serie de vesículas perpendiculares a la membrana presináptica. En una micrografía electrónica aparece como una estructura similar a una cinta perpendicular a la membrana. A diferencia de la sinapsis "tradicional", las sinapsis en cinta pueden mantener una liberación gradual de vesículas. En otras palabras, cuanto más despolarizada esté una neurona, mayor será la tasa de fusión de vesículas. La zona activa de la sinapsis en cinta está separada en dos regiones, la densidad archiforme y la cinta. La densidad archiforme es el sitio de fusión de vesículas y la cinta almacena el grupo liberable de vesículas. La estructura en cinta está compuesta principalmente por la proteína RIBEYE, aproximadamente el 64-69% del volumen de la cinta, y está unida a la densidad archiforme mediante proteínas de andamiaje como Bassoon. [19]
La liberación de neurotransmisores se puede medir determinando la amplitud del potencial postsináptico después de activar un potencial de acción en la neurona presináptica. Medir la liberación de neurotransmisores de esta manera puede ser problemático porque el efecto de la neurona postsináptica a la misma cantidad de neurotransmisor liberado puede cambiar con el tiempo. Otra forma es medir la fusión de vesículas con la membrana presináptica directamente usando una pipeta de parche . Una membrana celular puede considerarse como un condensador en el que los iones positivos y negativos se almacenan en ambos lados de la membrana. Cuanto mayor sea el área de la membrana, más iones serán necesarios para mantener la membrana a un cierto potencial. En electrofisiología, esto significa que una inyección de corriente en la terminal tardará menos tiempo en cargar una membrana a un potencial dado antes de la fusión de vesículas que después de la fusión de vesículas. El tiempo necesario para cargar la membrana a un potencial y la resistencia de la membrana se miden y con estos valores se puede calcular la capacitancia de la membrana mediante la ecuación Tau/Resistencia=Capacitancia. Con esta técnica los investigadores pueden medir directamente la liberación de vesículas sinápticas midiendo los aumentos en la capacitancia de la membrana de la terminal presináptica. [20]