Слияние пузырьков - Vesicle fusion

Слияние пузырьков это слияние пузырька с другим пузырьки или часть клеточная мембрана. В последнем случае это конечный этап секреция из секреторных пузырьков, где их содержимое выводится из клетки через экзоцитоз. Везикулы также могут сливаться с другими клеточными компартментами-мишенями, такими как лизосома. Экзоцитоз происходит, когда секреторные везикулы временно стыкуются и сливаются в основании чашеобразных структур на плазматической мембране клетки, называемой поросома, универсальный секреторный аппарат в клетках. Слияние везикул может зависеть от SNARE белки при наличии повышенного внутриклеточного кальций (Ca2+) концентрация.

Триггеры

Стимулы, запускающие слияние везикул, действуют за счет увеличения внутриклеточного Ca2+.

Модельные системы

Модельные системы, состоящие из одного фосфолипид или смеси были изучены физико-химиками. Кардиолипин содержится в основном в митохондриальных мембранах, а ионы кальция играют важную роль в респираторных процессах, опосредованных митохондрия. Постулировали вовлеченные силы, чтобы объяснить[3] этот процесс с точки зрения зародышеобразования для агломерации более мелких супрамолекулярных структур или фазовые изменения в структуре биомембран.[4]

Механизмы

Слияние синаптической щели

В синаптический пузырек слияния, везикула должна находиться в пределах нескольких нанометров от целевой мембраны, чтобы процесс слияния начался. Эта близость позволяет клеточной мембране и везикуле обмениваться липидами, который опосредуется определенными белками, которые удаляют воду, которая попадает между образующимися стыками. Как только везикула окажется в нужном положении, она должна подождать, пока Ca2+ попадает в клетку путем распространения потенциал действия к пресинаптической мембране.[5] Ca2+ связывается со специфическими белками, один из которых Синаптотагмин в нейронах, который запускает полное слияние пузырька с целевой мембраной.[6]

Также считается, что белки SNARE помогают определять, какая мембрана является мишенью для какой везикулы.[7]

Белок SNARE и формирование пор

Дальнейшая информация: SNARE (белок)
Молекулярный механизм, управляющий экзоцитозом при высвобождении нейромедиатора. Основной комплекс SNARE образован четырьмя α-спиралями, созданными синаптобревином, синтаксином и SNAP-25, синаптотагмин служит сенсором кальция и тесно регулирует застегивание SNARE.[8]

Сборка SNAREs в "транс" -комплексы, вероятно, соединит мосты между противоположными липидные бислои мембран, принадлежащих клетке и секреторной грануле, сближая их и вызывая их слияние. Приток кальция в клетку запускает завершение реакции сборки, которая опосредуется взаимодействием предполагаемого датчика кальция, синаптотагмин с мембранными липидами и / или частично собранным комплексом SNARE.

Одна гипотеза предполагает, что молекула Комплексин в составе комплекса SNARE и его взаимодействие с молекулой синаптотагмина.[9] Известная как гипотеза «зажима», присутствие комплексина обычно ингибирует слияние пузырьков с клеточной мембраной. Однако связывание ионов кальция с синаптотагмином вызывает высвобождение или инактивацию комплексина, так что везикула может свободно сливаться.[10]

Согласно гипотезе «застежки-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 вмещает синаптобревин-2 (цитируемые изотипы синтаксина и синаптобревина участвуют в высвобождении нейромедиаторов).

На основании стабильности полученного цис-SNARE комплекспостулируется, что энергия, выделяемая в процессе сборки, служит средством преодоления сил отталкивания между мембранами. Есть несколько моделей, которые предлагают объяснение последующей стадии - формирование стебля и поры слияния, но точный характер этих процессов остается обсуждается. Две самые известные модели на поры слияния формация - это теории пор слияния липидов и белков.[11]

Теория пор слияния липидов

В теории пор с липидным покрытием обе мембраны изгибаются по направлению друг к другу, образуя поры раннего слияния. Когда две мембраны находятся на «критическом» расстоянии, головные липидные группы одной мембраны вставляются в другую, создавая основу для поры слияния.

Одной из возможных моделей образования пор слияния является теория пор липидных линий. В этой модели, когда мембраны были помещены в достаточно близкое расстояние с помощью механизма "застежки-молнии" SNARE сложного, 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 поры слияния, покрытой 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 стержень, расширяющийся радиально наружу по мере слияния.

В то время как поры, покрытые липидами, возможны и могут обладать всеми теми же свойствами, которые наблюдаются при раннем порообразовании, не существует достаточных данных, чтобы доказать, что это единственный метод образования.[13] В настоящее время не существует предложенного механизма межклеточной регуляции флуктуации пор, выстланных липидами, и им будет гораздо труднее производить эффекты, такие как «поцелуй и беги», по сравнению с их аналогами, выстланными белками. Эффективность пор, покрытых липидами, 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 пор слияния с белками

Другой возможной моделью образования пор слияния является теория пор с белками. В этой модели после активации синаптотагмин кальцием несколько комплексов SNARE объединяются, чтобы сформировать кольцевую структуру с синаптобревин формируя поры в мембране везикул и Синтаксин образуя поры в клеточной мембране.[14] По мере того, как начальная пора расширяется, она включает липиды из 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, она легко может подвергаться межклеточной регуляции, что делает легко достижимыми механизмы флуктуации и «поцелуй и бегство».[9]

Пора, выстланная белком, полностью отвечает всем наблюдаемым требованиям поры раннего слияния, и хотя некоторые данные подтверждают эту теорию,[14] не существует достаточных данных, чтобы объявить его основным методом слияния. Пора, выстланная белками, требует по крайней мере пяти копий комплекса SNARE, тогда как слияние наблюдается всего с двумя.[14]

В обеих теориях функция комплекса SNARE остается в основном неизменной, и весь комплекс SNARE необходим для инициирования слияния. Однако было доказано, что in vitro Синтаксин как таковой достаточно, чтобы управлять спонтанным кальций-независимым слиянием синаптических пузырьков, содержащих v-SNAREs.[15] Это говорит о том, что в Ca2+-зависимый нейрональный экзоцитоз синаптотагмин является двойным регулятором, в отсутствие Ca2+ ионы для подавления динамики SNARE, в то время как в присутствии Ca2+ ионы действовать как агонист в процессе слияния мембран.

Гипотеза поцелуя и бега

В синаптические везикулы, некоторые нейрохимики предположили, что везикулы иногда могут не полностью сливаться с пресинаптическими мембранами при высвобождении нейротрансмиттеров в синаптическая щель. Споры заключаются в том, эндоцитоз всегда происходит при реформировании везикул после высвобождения нейромедиатора. Другой предложенный механизм высвобождения содержимого везикул во внеклеточную жидкость называется поцелуй и беги слияние.

Есть некоторые указания на то, что везикулы могут образовывать только небольшие поры в пресинаптической мембране, позволяющие содержимому высвобождаться путем стандартной диффузии в течение короткого времени, прежде чем вернуться обратно в пресинаптическую клетку. Этот механизм может быть обходным клатрин-опосредованный эндоцитоз. Также предполагается, что пузырьку не нужно возвращаться в эндосома для пополнения, хотя не совсем понятно, с помощью какого механизма он будет пополняться. Это не исключает полного слияния везикул, а только утверждает, что оба механизма могут действовать в синаптических щелях.

«Поцелуй и беги», как было показано, происходит в эндокринных клетках, хотя непосредственно в синаптических промежутках не наблюдалось.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Страница 237 в: Костанцо, Линда С. (2007). Физиология. Хагерствон, доктор медицины: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN  978-0-7817-7311-9.
  2. ^ Уолтер Ф., доктор философии. Бор (2003). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход. Elsevier / Saunders. п. 1300. ISBN  978-1-4160-2328-9.
  3. ^ Папахаджопулос, Деметриос (1990). «Молекулярные механизмы индуцированного кальцием слияния мембран». Журнал биоэнергетики и биомембран. 22 (2): 157–179. Дои:10.1007 / BF00762944. PMID  2139437.
  4. ^ научный
  5. ^ Пигино, Густаво; Морфини, Херардо; Брэди, Скотт (2006). «Глава 9: Внутриклеточная торговля». В Сигале, Джордж Дж .; Альберс, Р. Уэйн; Брэди, Скотт Т .; и другие. (ред.). Основы нейрохимии: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты (Учебник) (7-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Elsevier Academic Press. п. 143. ISBN  978-0-12-088397-4.
  6. ^ Pigino et al. стр.158
  7. ^ Pigino et al. стр.143
  8. ^ Георгиев, Данко Д .; Джеймс Ф. Глейзбрук (2007). «Субнейронная обработка информации уединенными волнами и случайными процессами». В Лышевском, Сергей Эдуард (ред.). Справочник по нано- и молекулярной электронике. Серия нано- и микротехники. CRC Press. С. 17–1–17–41. Дои:10.1201/9781315221670-17. ISBN  978-0-8493-8528-5.
  9. ^ а б Kümmel, D .; Krishnakumar, S. S .; Radoff, D.T .; Li, F .; Giraudo, C.G .; Pincet, F .; Rothman, J. E .; Райниш, К. М. (2011). "Комплексин перекрестно связывает SNARE до слияния в зигзагообразный массив". Структурная и молекулярная биология природы. 18 (8): 927–933. Дои:10.1038 / nsmb.2101. ЧВК  3410656. PMID  21785414.
  10. ^ Ричмонд, Джанет. «Функция синапса».
  11. ^ Джексон, Мейер Б .; Чепмен, Эдвин Р. (2006). «Поры слияния и машины слияния в экзоцитозе, инициированном Ca2 +». Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул. 35 (1): 135–160. Дои:10.1146 / annurev.biophys.35.040405.101958. PMID  16689631.
  12. ^ Marrink, Siewert J .; Марк, Алан Э. (01.09.2003). «Механизм слияния везикул, выявленный с помощью моделирования молекулярной динамики» (PDF). Журнал Американского химического общества. 125 (37): 11144–11145. Дои:10.1021 / ja036138 +. ISSN  0002-7863. PMID  16220905.
  13. ^ а б Нанавати, C; Маркин, В С; Оберхаузер, A F; Фернандес, Дж. М. (1992-10-01). «Пора слияния экзоцитоза, смоделированная как липидная пора». Биофизический журнал. 63 (4): 1118–1132. Дои:10.1016 / с0006-3495 (92) 81679-х. ISSN  0006-3495. ЧВК  1262250. PMID  1420930.
  14. ^ а б c Чанг, Че-Вэй; Хуэй, Энфу; Бай, Джихонг; Брунс, Дитер; Chapman, Edwin R .; Джексон, Мейер Б. (2015-04-08). «Структурная роль трансмембранного домена Synaptobrevin 2 в порах слияния плотных везикул». Журнал неврологии. 35 (14): 5772–5780. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.3983-14.2015. ISSN  0270-6474. ЧВК  4388931. PMID  25855187.
  15. ^ Вудбери ди-джей, Роньлиен К. (2000). «Синтаксина t-SNARE достаточно для спонтанного слияния синаптических пузырьков с плоскими мембранами» (PDF). Cell Biology International. 24 (11): 809–818. Дои:10.1006 / cbir.2000.0631. PMID  11067766. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-19. Получено 2009-05-31.
  16. ^ Piginio et al. стр. 161-162