En una neurona , las vesículas sinápticas (o vesículas de neurotransmisores ) almacenan diversos neurotransmisores que se liberan en la sinapsis . La liberación está regulada por un canal de calcio dependiente de voltaje . Las vesículas son esenciales para la propagación de los impulsos nerviosos entre las neuronas y la célula las recrea constantemente . El área del axón que contiene grupos de vesículas es el terminal del axón o "botón terminal". Se pueden liberar hasta 130 vesículas por botón durante un período de estimulación de diez minutos a 0,2 Hz. [1] En la corteza visual del cerebro humano, las vesículas sinápticas tienen un diámetro promedio de 39,5 nanómetros (nm) con una desviación estándar de 5,1 nm. [2]
Las vesículas sinápticas son relativamente simples porque sólo un número limitado de proteínas caben en una esfera de 40 nm de diámetro. Las vesículas purificadas tienen una proporción proteína : fosfolípidos de 1:3 con una composición lipídica de 40% fosfatidilcolina , 32% fosfatidiletanolamina , 12% fosfatidilserina , 5% fosfatidilinositol y 10% colesterol . [4]
Las vesículas sinápticas contienen dos clases de componentes obligatorios: proteínas de transporte involucradas en la captación de neurotransmisores y proteínas de tráfico que participan en la exocitosis , endocitosis y reciclaje de las vesículas sinápticas .
La estequiometría para el movimiento de diferentes neurotransmisores dentro de una vesícula se proporciona en la siguiente tabla.
Recientemente, se ha descubierto que las vesículas sinápticas también contienen pequeñas moléculas de ARN, incluidos fragmentos de ARN de transferencia , fragmentos de ARN Y y mirRNA . [5] Se cree que este descubrimiento tiene un amplio impacto en el estudio de las sinapsis químicas.
Se sabe que algunas neurotoxinas , como la batracotoxina , destruyen las vesículas sinápticas. La toxina tetánica daña las proteínas de membrana asociadas a vesículas (VAMP), un tipo de v-SNARE , mientras que las toxinas botulínicas dañan t-SNARE S y v-SNARES y, por tanto, inhiben la transmisión sináptica. [6] Una toxina de araña llamada alfa-latrotoxina se une a las neurexinas , dañando las vesículas y provocando una liberación masiva de neurotransmisores. [ cita necesaria ]
Las vesículas en la terminal nerviosa se agrupan en tres grupos: el grupo de fácil liberación, el grupo de reciclaje y el grupo de reserva. [7] Estos grupos se distinguen por su función y posición en la terminal nerviosa. El grupo de vesículas que se libera fácilmente está acoplado a la membrana celular , lo que los convierte en el primer grupo de vesículas que se liberan tras la estimulación. La piscina, que se puede liberar fácilmente, es pequeña y se agota rápidamente. El grupo de reciclaje está próximo a la membrana celular y tiende a ciclarse con estimulación moderada, de modo que la tasa de liberación de vesículas es igual o menor que la tasa de formación de vesículas. Este grupo es más grande que el grupo de fácil liberación, pero tarda más en movilizarse. El grupo de reserva contiene vesículas que no se liberan en condiciones normales. Este conjunto de reservas puede ser bastante grande (~50%) en neuronas cultivadas sobre un sustrato de vidrio, pero es muy pequeño o está ausente en las sinapsis maduras en tejido cerebral intacto. [8] [9]
Los eventos del ciclo de las vesículas sinápticas se pueden dividir en algunos pasos clave: [10]
Los componentes de la vesícula sináptica en la neurona presináptica inicialmente se transportan a la sinapsis utilizando miembros de la familia motora de las cinesinas . En C. elegans, el motor principal de las vesículas sinápticas es el UNC-104. [11] También hay evidencia de que otras proteínas como UNC-16/Sunday Driver regulan el uso de motores para el transporte de vesículas sinápticas. [12]
Una vez en la sinapsis, las vesículas sinápticas se cargan con un neurotransmisor. La carga del transmisor es un proceso activo que requiere un transportador de neurotransmisores y una bomba de protones ATPasa que proporciona un gradiente electroquímico. Estos transportadores son selectivos para diferentes clases de transmisores. Hasta la fecha se ha descrito la caracterización de unc-17 y unc-47, que codifican el transportador vesicular de acetilcolina y el transportador vesicular GABA . [13]
Las vesículas sinápticas cargadas deben acoplarse cerca de los sitios de liberación; sin embargo, el acoplamiento es un paso del ciclo del que sabemos poco. Se han identificado muchas proteínas en las vesículas sinápticas y en los sitios de liberación; sin embargo, ninguna de las interacciones proteicas identificadas entre las proteínas de la vesícula y las proteínas del sitio de liberación puede explicar la fase de acoplamiento del ciclo. Los mutantes en rab-3 y munc-18 alteran el acoplamiento o la organización de las vesículas en los sitios de liberación, pero no interrumpen completamente el acoplamiento. [14] Las proteínas SNARE ahora también parecen estar involucradas en el paso de acoplamiento del ciclo. [15]
Después de que las vesículas sinápticas se acoplan inicialmente, se deben preparar antes de que puedan comenzar la fusión. El cebado prepara las vesículas sinápticas para que puedan fusionarse rápidamente en respuesta a una entrada de calcio. Se cree que este paso de preparación implica la formación de complejos SNARE parcialmente ensamblados. En este evento participan las proteínas Munc13 , RIM y RIM-BP. [16] Se cree que Munc13 estimula el cambio de la sintaxina t-SNARE de una conformación cerrada a una conformación abierta, lo que estimula el ensamblaje de complejos v-SNARE/t-SNARE. [17] RIM también parece regular el cebado, pero no es esencial para el paso. [ cita necesaria ]
Las vesículas preparadas se fusionan muy rápidamente con la membrana celular en respuesta a las elevaciones de calcio en el citoplasma. Esto libera el neurotransmisor almacenado en la hendidura sináptica . Se cree que el evento de fusión está mediado directamente por los SNARE e impulsado por la energía proporcionada por el ensamblaje de SNARE. El desencadenante de este evento que detecta el calcio es la sinaptotagmina, una proteína de la vesícula sináptica que se une al calcio. Recientemente se ha reconstituido in vitro la capacidad de las SNARE para mediar en la fusión de forma dependiente del calcio. De acuerdo con el hecho de que las SNARE son esenciales para el proceso de fusión, los mutantes v-SNARE y t-SNARE de C. elegans son letales. De manera similar, los mutantes en Drosophila y los knockouts en ratones indican que estas SNARES desempeñan un papel fundamental en la exocitosis sináptica. [10]
Esto explica la recaptación de vesículas sinápticas en el modelo de fusión de contacto total. Sin embargo, otros estudios han ido recopilando evidencia que sugiere que este tipo de fusión y endocitosis no siempre es así. [ cita necesaria ]
Se cree que dos mecanismos de acción principales son responsables del reciclaje de vesículas sinápticas: la fusión por colapso total y el método de "besar y correr". Ambos mecanismos comienzan con la formación del poro sináptico que libera el transmisor al espacio extracelular. Después de la liberación del neurotransmisor, el poro puede dilatarse completamente de modo que la vesícula colapse completamente en la membrana sináptica, o puede cerrarse rápidamente y pellizcar la membrana para generar una fusión de beso y fuga. [18]
Se ha demostrado que los períodos de estimulación intensa en las sinapsis neurales agotan el recuento de vesículas y aumentan la capacitancia y la superficie celular. [19] Esto indica que después de que las vesículas sinápticas liberan su carga útil de neurotransmisores, se fusionan con la membrana celular y pasan a formar parte de ella. Después de marcar las vesículas sinápticas con HRP ( peroxidasa de rábano picante ), Heuser y Reese descubrieron que la célula absorbía porciones de la membrana celular en la unión neuromuscular de la rana y las convertía nuevamente en vesículas sinápticas. [20] Los estudios sugieren que el ciclo completo de exocitosis, recuperación y reforma de las vesículas sinápticas requiere menos de 1 minuto. [21]
En la fusión por colapso total, la vesícula sináptica se fusiona y queda incorporada a la membrana celular. La formación de la nueva membrana es un proceso mediado por proteínas y sólo puede ocurrir bajo ciertas condiciones. Después de un potencial de acción , el Ca 2+ inunda la membrana presináptica. Ca 2+ se une a proteínas específicas en el citoplasma, una de las cuales es la sinaptotagmina , que a su vez desencadena la fusión completa de la vesícula sináptica con la membrana celular. Esta fusión completa del poro está asistida por proteínas SNARE . Esta gran familia de proteínas media el acoplamiento de vesículas sinápticas de forma dependiente de ATP. Con la ayuda de la sinaptobrevina en la vesícula sináptica, el complejo t-SNARE de la membrana, formado por sintaxina y SNAP-25 , puede acoplar, cebar y fusionar la vesícula sináptica en la membrana. [22]
Se ha demostrado que el mecanismo detrás de la fusión por colapso total es el objetivo de las toxinas botulínica y tetánica . La toxina botulínica tiene actividad proteasa que degrada la proteína SNAP-25 . La proteína SNAP-25 es necesaria para la fusión de vesículas que libera neurotransmisores, en particular acetilcolina. [23] La toxina botulínica esencialmente escinde estas proteínas SNARE y, al hacerlo, evita que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana sináptica celular y liberen sus neurotransmisores. La toxina tetánica sigue una vía similar, pero ataca la proteína sinaptobrevina en la vesícula sináptica. A su vez, estas neurotoxinas impiden que las vesículas sinápticas completen la fusión por colapso total. Sin este mecanismo en vigor, pueden ocurrir espasmos musculares, parálisis y muerte. [ cita necesaria ]
El segundo mecanismo por el cual se reciclan las vesículas sinápticas se conoce como fusión de beso y fuga . En este caso, la vesícula sináptica "besa" la membrana celular, abriendo un pequeño poro para que se libere su carga útil de neurotransmisor, luego cierra el poro y se recicla nuevamente al interior de la célula. [18] El mecanismo de beso y fuga ha sido un tema acaloradamente debatido. Sus efectos han sido observados y registrados; sin embargo, aún se está explorando la razón detrás de su uso en lugar de la fusión por colapso total. Se ha especulado que el beso y fuga se emplea a menudo para conservar los escasos recursos vesiculares, además de utilizarse para responder a entradas de alta frecuencia. [24] Los experimentos han demostrado que ocurren eventos de beso y fuga. Observado por primera vez por Katz y del Castillo, más tarde se observó que el mecanismo de besar y correr era diferente de la fusión de colapso total en que la capacitancia celular no aumentaba en los eventos de besar y correr. [24] Esto refuerza la idea de una moda de beso y fuga, la vesícula sináptica libera su carga útil y luego se separa de la membrana.
Por tanto, las células parecen tener al menos dos mecanismos a seguir para el reciclaje de membranas. Bajo determinadas condiciones, las células pueden pasar de un mecanismo a otro. La fusión lenta, convencional y de colapso total predomina en la membrana sináptica cuando los niveles de Ca 2+ son bajos, y el mecanismo rápido de besar y correr se sigue cuando los niveles de Ca 2+ son altos. [ cita necesaria ]
Alés et al. demostraron que concentraciones elevadas de iones de calcio extracelular cambian el modo preferido de reciclaje y liberación de vesículas sinápticas al mecanismo de besar y correr de una manera dependiente de la concentración de calcio. Se ha propuesto que durante la secreción de neurotransmisores en las sinapsis, el modo de exocitosis es modulado por el calcio para alcanzar condiciones óptimas para la exocitosis y endocitosis acopladas según la actividad sináptica. [25]
La evidencia experimental sugiere que besar y correr es el modo dominante de liberación sináptica al comienzo de los trenes de estímulos. En este contexto, besar y correr refleja una alta probabilidad de liberación de vesículas. La incidencia de besar y correr también aumenta con la rápida activación y estimulación de la neurona, lo que sugiere que la cinética de este tipo de liberación es más rápida que otras formas de liberación de vesículas. [26]
Con la llegada del microscopio electrónico a principios de la década de 1950, se descubrió que las terminaciones nerviosas contenían una gran cantidad de vesículas electrotransparentes (transparentes a los electrones). [27] [28] El término vesícula sináptica fue introducido por primera vez por De Robertis y Bennett en 1954. [29] Esto fue poco después de que se descubriera que la liberación del transmisor en la unión neuromuscular de la rana inducía potenciales postsinápticos en miniatura de la placa terminal que se atribuyeron a la liberación de paquetes discretos de neurotransmisores (cuantos) desde la terminal nerviosa presináptica. [30] [31] Por lo tanto, era razonable suponer que la sustancia transmisora ( acetilcolina ) estaba contenida en tales vesículas, que mediante un mecanismo secretor liberarían su contenido en la hendidura sináptica (hipótesis de las vesículas). [32] [33]
El eslabón perdido fue la demostración de que el neurotransmisor acetilcolina está contenido en vesículas sinápticas. Unos diez años más tarde, la aplicación de técnicas de fraccionamiento subcelular al tejido cerebral permitió aislar primero las terminaciones nerviosas ( sinaptosomas ) [34] y posteriormente las vesículas sinápticas del cerebro de los mamíferos. En este trabajo participaron dos laboratorios competidores, el de Victor P. Whittaker en el Instituto de Fisiología Animal, Consejo de Investigación Agrícola, Babraham, Cambridge, Reino Unido y el de Eduardo de Robertis en el Instituto de Anatomía General y Embriología, Facultad de Medicina, Universidad de Buenos Aires, Argentina. [35] El trabajo de Whittaker que demuestra la acetilcolina en fracciones de vesículas del cerebro de cobaya se publicó por primera vez en forma de resumen en 1960 y luego con más detalle en 1963 y 1964, [36] [37] y el artículo del grupo de Robertis que demuestra un enriquecimiento de acetilcolina unida en fracciones de vesículas sinápticas de cerebro de rata apareció en 1963. [38] Ambos grupos liberaron vesículas sinápticas de sinaptosomas aislados mediante shock osmótico . Inicialmente se estimó que el contenido de acetilcolina en una vesícula era de 1.000 a 2.000 moléculas. [39] Trabajos posteriores identificaron la localización vesicular de otros neurotransmisores, como aminoácidos , catecolaminas , serotonina y ATP . Posteriormente, también se podrían aislar vesículas sinápticas de otros tejidos como el ganglio cervical superior , [40] o el cerebro del pulpo . [41] El aislamiento de fracciones altamente purificadas de vesículas sinápticas colinérgicas del órgano eléctrico del rayo Torpedo [42] [43] fue un importante paso adelante en el estudio de la bioquímica y la función de las vesículas.
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