En una neurona , las vesículas sinápticas (o vesículas de neurotransmisores ) almacenan varios neurotransmisores que se liberan en la sinapsis . La liberación está regulada por un canal de calcio dependiente del voltaje . Las vesículas son esenciales para propagar los impulsos nerviosos entre las neuronas y la célula las recrea constantemente . El área del axón que contiene grupos de vesículas es una terminal axónica o "botón terminal". Se pueden liberar hasta 130 vesículas por botón durante un período de diez minutos de estimulación 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 relación proteína : fosfolípido 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 da 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 mirARN . [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 del tétanos daña las proteínas de membrana asociadas a las vesículas (VAMP), un tipo de v-SNARE , mientras que las toxinas botulínicas dañan las t-SNARE S y v-SNARES y, por lo 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 requerida ]
Las vesículas en la terminal nerviosa se agrupan en tres grupos: el grupo de liberación fácil, 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 liberación fácil está acoplado a la membrana celular , lo que lo convierte en el primer grupo de vesículas que se liberan con la estimulación. El grupo de liberación fácil es pequeño y se agota rápidamente. El grupo de reciclaje está próximo a la membrana celular y tiende a ciclarse con una estimulación moderada, de modo que la tasa de liberación de vesículas es la misma o menor que la tasa de formación de vesículas. Este grupo es más grande que el grupo de liberación fácil, pero tarda más en movilizarse. El grupo de reserva contiene vesículas que no se liberan en condiciones normales. Este grupo de reserva puede ser bastante grande (~50%) en neuronas cultivadas en un sustrato de vidrio, pero es muy pequeño o está ausente en sinapsis maduras en tejido cerebral intacto. [8] [9]
Los eventos del ciclo de las vesículas sinápticas se pueden dividir en unos pocos pasos clave: [10]
Los componentes de las vesículas sinápticas en la neurona presináptica son transportados inicialmente a la sinapsis utilizando miembros de la familia de motores de kinesina . En C. elegans, el motor principal de las vesículas sinápticas es 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 de 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 de vesículas o la organización de 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, deben ser preparadas antes de que puedan comenzar la fusión. La preparación prepara la vesícula sináptica para que pueda fusionarse rápidamente en respuesta a un influjo de calcio. Se cree que este paso de preparación implica la formación de complejos SNARE parcialmente ensamblados. Las proteínas Munc13 , RIM y RIM-BP participan en este evento. [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 la preparación, pero no es esencial para el paso. [ cita requerida ]
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 las SNARE y es impulsado por la energía proporcionada por el ensamblaje de las SNARE. El desencadenante de detección de calcio para este evento es la proteína de vesícula sináptica de unión al calcio sinaptotagmina. La capacidad de las SNARE para mediar la fusión de una manera dependiente del calcio se ha reconstituido recientemente in vitro. En consonancia con 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 crítico en la exocitosis sináptica. [10]
Esto explica la recaptación de vesículas sinápticas en el modelo de fusión por contacto completo. Sin embargo, otros estudios han ido recopilando evidencia que sugiere que este tipo de fusión y endocitosis no siempre es así. [ cita requerida ]
Se cree que dos mecanismos de acción principales son responsables del reciclado de vesículas sinápticas: la fusión por colapso total y el método de "beso y fuga". 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 colapsa completamente en la membrana sináptica, o puede cerrarse rápidamente y desprender la membrana para generar la fusión por beso y fuga. [18]
Se ha demostrado que los períodos de estimulación intensa en las sinapsis neuronales reducen 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 de neurotransmisores, se fusionan con la membrana celular y se convierten en parte de ella. Después de marcar las vesículas sinápticas con HRP ( peroxidasa de rábano picante ), Heuser y Reese descubrieron que las porciones de la membrana celular en la unión neuromuscular de la rana fueron absorbidas por la célula y convertidas nuevamente en vesículas sinápticas. [20] Los estudios sugieren que el ciclo completo de exocitosis, recuperación y reformación de las vesículas sinápticas requiere menos de 1 minuto. [21]
En la fusión por colapso completo, la vesícula sináptica se fusiona y se incorpora a la membrana celular. La formación de la nueva membrana es un proceso mediado por proteínas y solo puede ocurrir bajo ciertas condiciones. Después de un potencial de acción , el Ca 2+ inunda la membrana presináptica. El 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 es asistida por proteínas SNARE . Esta gran familia de proteínas media el acoplamiento de vesículas sinápticas de una manera dependiente de ATP. Con la ayuda de la sinaptobrevina en la vesícula sináptica, el complejo t-SNARE en la membrana, compuesto de sintaxina y SNAP-25 , puede acoplar, preparar y fusionar la vesícula sináptica en la membrana. [22]
Se ha demostrado que el mecanismo que se esconde tras la fusión por colapso completo 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 escinde esencialmente 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 en su lugar ataca a la proteína sinaptobrevina en la vesícula sináptica. A su vez, estas neurotoxinas impiden que las vesículas sinápticas completen la fusión por colapso completo. Sin este mecanismo en funcionamiento, pueden producirse espasmos musculares, parálisis y muerte. [ cita requerida ]
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 de neurotransmisores, luego cierra el poro y se recicla nuevamente dentro de la célula. [18] El mecanismo de beso y fuga ha sido un tema muy debatido. Sus efectos han sido observados y registrados; sin embargo, la razón detrás de su uso en oposición a la fusión de colapso completo aún se está explorando. Se ha especulado que el beso y fuga se emplea a menudo para conservar los escasos recursos vesiculares, así como para responder a entradas de alta frecuencia. [24] Los experimentos han demostrado que los eventos de beso y fuga ocurren. Observado por primera vez por Katz y del Castillo, se observó más tarde que el mecanismo de beso y fuga era diferente de la fusión de colapso completo en que la capacitancia celular no aumentaba en los eventos de beso y fuga. [24] Esto refuerza la idea del fenómeno del beso y fuga: la vesícula sináptica libera su carga y luego se separa de la membrana.
Las células parecen tener al menos dos mecanismos que seguir para reciclar la membrana. En determinadas condiciones, las células pueden cambiar 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 beso y fuga se sigue cuando los niveles de Ca 2+ son altos. [ cita requerida ]
Ales et al. demostraron que las concentraciones elevadas de iones de calcio extracelulares cambian el modo preferido de reciclaje y liberación de vesículas sinápticas al mecanismo de beso y fuga 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 de acuerdo con la actividad sináptica. [25]
La evidencia experimental sugiere que el beso y la fuga es el modo dominante de liberación sináptica al comienzo de los trenes de estímulos. En este contexto, el beso y la fuga refleja una alta probabilidad de liberación de vesículas. La incidencia del beso y la fuga también aumenta con la activación y estimulación rápidas 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 los años 1950, se descubrió que las terminaciones nerviosas contenían una gran cantidad de vesículas electrolúcidas (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 de placa terminal en miniatura postsinápticos que se atribuyeron a la liberación de paquetes discretos de neurotransmisores (cuantos) desde la terminal nerviosa presináptica. [30] [31] Por lo tanto, era razonable plantear la hipótesis de que la sustancia transmisora ( acetilcolina ) estaba contenida en dichas vesículas, que por un mecanismo secretor liberarían su contenido en la hendidura sináptica (hipótesis de la vesícula). [32] [33]
El eslabón perdido fue la demostración de que el neurotransmisor acetilcolina está realmente contenido en vesículas sinápticas. Unos diez años después, la aplicación de técnicas de fraccionamiento subcelular al tejido cerebral permitió el aislamiento primero de terminaciones nerviosas ( sinaptosomas ), [34] y posteriormente de vesículas sinápticas del cerebro de mamíferos. Dos laboratorios en competencia participaron en este trabajo, 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 ligada en fracciones de vesículas sinápticas del cerebro de rata apareció en 1963. [38] Ambos grupos liberaron vesículas sinápticas de sinaptosomas aislados por choque osmótico . El contenido de acetilcolina en una vesícula se estimó originalmente en 1000-2000 moléculas. [39] El trabajo posterior identificó la localización vesicular de otros neurotransmisores, como aminoácidos , catecolaminas , serotonina y ATP . Más tarde, las vesículas sinápticas también se pudieron aislar 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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