La fusión de vesículas es la fusión de una vesícula con otras vesículas o con una parte de una membrana celular . En este último caso, es la etapa final de la secreción de las vesículas secretoras, donde su contenido es expulsado de la célula mediante exocitosis . Las vesículas también pueden fusionarse con otros compartimentos celulares diana, como un lisosoma . La exocitosis ocurre cuando las vesículas secretoras se acoplan y fusionan transitoriamente en la base de estructuras en forma de copa en la membrana plasmática celular llamada porosoma , la maquinaria secretora universal en las células. La fusión de vesículas puede depender de las proteínas SNARE en presencia de una mayor concentración de calcio intracelular (Ca 2+ ).
Los estímulos que desencadenan la fusión de vesículas actúan aumentando el Ca 2+ intracelular .
Los físicoquímicos han estudiado sistemas modelo que consisten en un solo fosfolípido o una mezcla. La cardiolipina se encuentra principalmente en las membranas mitocondriales y los iones de calcio juegan un papel importante en los procesos respiratorios mediados por la mitocondria . Se ha postulado que las fuerzas involucradas explican [3] este proceso en términos de nucleación para aglomeración de entidades supramoleculares más pequeñas o cambios de fase en la estructura de las biomembranas. [4]
En la fusión de vesículas sinápticas , la vesícula debe estar a unos pocos nanómetros de la membrana objetivo para que comience el proceso de fusión. Esta cercanía permite que la membrana celular y la vesícula intercambien lípidos, lo que está mediado por ciertas proteínas que eliminan el agua que se interpone entre la unión en formación. Una vez que la vesícula está en posición debe esperar hasta que Ca 2+ ingrese a la célula mediante la propagación de un potencial de acción a la membrana presináptica. [5] Ca 2+ se une a proteínas específicas, una de las cuales es la sinaptotagmina , en las neuronas, lo que desencadena la fusión completa de la vesícula con la membrana objetivo. [6]
También se cree que las proteínas SNARE ayudan a mediar qué membrana es el objetivo de qué vesícula. [7]
El ensamblaje de las SNARE en los complejos "trans" probablemente une las bicapas lipídicas opuestas de las membranas que pertenecen a las células y los gránulos secretores, acercándolas e induciendo su fusión. La entrada de calcio en la célula desencadena la finalización de la reacción de ensamblaje, que está mediada por una interacción entre el supuesto sensor de calcio, la sinaptotagmina , con los lípidos de membrana y/o el complejo SNARE parcialmente ensamblado.
Una hipótesis implica a la molécula Complexina dentro del complejo SNARE y su interacción con la molécula sinaptotagmina. [9] Conocida como la hipótesis de la "pinza", la presencia de complexina normalmente inhibe la fusión de la vesícula con la membrana celular. Sin embargo, la unión de iones de calcio a la sinaptotagmina desencadena la liberación o inactivación de la complexina, de modo que la vesícula queda libre para fusionarse. [10]
Según la hipótesis de la "cremallera", el ensamblaje complejo comienza en las partes N-terminales de los motivos SNARE y continúa hacia los extremos C que anclan las proteínas que interactúan en las membranas. La formación del complejo "trans"-SNARE se produce a través de un complejo intermedio compuesto de SNAP-25 y sintaxina-1, que luego se adapta a la sinaptobrevina-2 (los isotipos de sintaxina y sinaptobrevina citados participan en la liberación de neuromediadores neuronales).
Basándose en la estabilidad del complejo cis-SNARE resultante , se ha postulado que la energía liberada durante el proceso de ensamblaje sirve como un medio para superar las fuerzas repulsivas entre las membranas. Hay varios modelos que proponen una explicación de un paso posterior: la formación del tallo y el poro de fusión, pero la naturaleza exacta de estos procesos sigue siendo debatida. Dos de los modelos más destacados sobre la formación de poros de fusión son las teorías de los poros de fusión revestidos de lípidos y revestidos de proteínas. [11]
Un posible modelo para la formación de poros de fusión es la teoría de los poros de la línea de lípidos. En este modelo, una vez que las membranas se han acercado lo suficiente a través del mecanismo de "cremallera" del complejo SNARE , la fusión de membranas se produce de forma espontánea. Se ha demostrado que cuando las dos membranas se acercan a una distancia crítica, es posible que los grupos de cabeza de lípidos hidrófilos de una membrana se fusionen con la membrana opuesta. [12] En el modelo de poro de fusión revestido de lípidos, el complejo SNARE actúa como un andamio, tirando de la membrana y haciendo que ambas membranas se fruncan para que puedan alcanzar la distancia de fusión crítica. A medida que las dos membranas comienzan a fusionarse, se produce un tallo revestido de lípidos que se expande radialmente hacia afuera a medida que avanza la fusión.
Si bien es posible un poro revestido de lípidos y puede lograr las mismas propiedades observadas en la formación temprana de poros, no existen datos suficientes para demostrar que sea el único método de formación. [13] Actualmente no existe un mecanismo propuesto sobre la regulación intercelular para la fluctuación de los poros revestidos de lípidos, y les resultaría mucho más difícil producir efectos como el "besar y correr" en comparación con sus proteínas. homólogos alineados. La eficacia de los poros recubiertos de lípidos también dependería en gran medida de la composición de ambas membranas, y su éxito o fracaso podría variar enormemente con los cambios en la elasticidad y la rigidez. [13]
Otro posible modelo para la formación de poros de fusión es la teoría de los poros revestidos de proteínas. En este modelo, después de la activación de la sinaptotagmina por el calcio, varios complejos SNARE se unen para formar una estructura de anillo, donde la sinaptobrevina forma el poro en la membrana de la vesícula y la sintaxina forma el poro en la membrana celular. [14] A medida que el poro inicial se expande, incorpora lípidos de ambas bicapas, lo que eventualmente resulta en la fusión completa de las dos membranas. El complejo SNARE tiene un papel mucho más activo en la teoría de los poros revestidos de proteínas; Debido a que el poro se compone inicialmente enteramente de proteínas SNARE, el poro puede someterse fácilmente a una regulación intercelular, lo que hace que los mecanismos de fluctuación y "besar y correr" sean fácilmente alcanzables. [9]
Un poro revestido de proteínas cumple perfectamente con todos los requisitos observados del poro de fusión temprana, y aunque algunos datos respaldan esta teoría, [14] no existen datos suficientes para declararlo como el método principal de fusión. Un poro revestido de proteínas requiere al menos cinco copias del complejo SNARE, mientras que se ha observado fusión con tan solo dos. [14]
En ambas teorías, la función del complejo SNARE permanece prácticamente sin cambios y todo el complejo SNARE es necesario para iniciar la fusión. Sin embargo, se ha demostrado que la sintaxina in vitro per se es suficiente para impulsar la fusión espontánea independiente del calcio de vesículas sinápticas que contienen v-SNARE. [15] Esto sugiere que en la exocitosis neuronal dependiente de Ca 2+ , la sinaptotagmina es un regulador dual, en ausencia de iones Ca 2+ para inhibir la dinámica SNARE, mientras que en presencia de iones Ca 2+ actúa como agonista en el proceso de fusión de membranas.
En las vesículas sinápticas , algunos neuroquímicos han sugerido que en ocasiones las vesículas pueden no fusionarse completamente con las membranas presinápticas durante la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica . La controversia radica en si la endocitosis siempre ocurre o no en el proceso de reforma de las vesículas después de la liberación del neurotransmisor. Otro mecanismo propuesto para la liberación del contenido de las vesículas al líquido extracelular se llama fusión de beso y fuga .
Hay algunos indicios de que las vesículas pueden formar solo un pequeño poro en la membrana presináptica, lo que permite que el contenido se libere mediante difusión estándar durante un breve período antes de retirarse nuevamente a la célula presináptica. Este mecanismo puede ser una forma de evitar la endocitosis mediada por clatrina . También se propone que la vesícula no necesita regresar a un endosoma para rellenarse, aunque no se comprende completamente mediante qué mecanismo se rellenaría. Esto no excluye la fusión completa de vesículas, sino que sólo establece que ambos mecanismos pueden operar en las hendiduras sinápticas.
Se ha demostrado que "besar y correr" ocurre en las células endocrinas, aunque no se ha observado directamente en los espacios sinápticos. [dieciséis]