Zona ativa - Active zone

Zona ativa
Neuron synapse.svg
Um diagrama de uma sinapse típica do sistema nervoso central. As proteínas da zona ativa são representadas como pirâmides marrom-escuras no terminal superior do neurônio
Detalhes
Identificadores
Latina zona activa
º H2.00.06.2.00012
Termos anatômicos da microanatomia

A zona ativa ou zona ativa sináptica é um termo usado pela primeira vez por Couteaux e Pecot-Dechavassinein em 1970 para definir o local de liberação do neurotransmissor . Dois neurônios fazem contato próximo por meio de estruturas chamadas sinapses, permitindo que eles se comuniquem entre si. Conforme mostrado no diagrama adjacente, uma sinapse consiste no botão pré-sináptico de um neurônio que armazena vesículas contendo neurotransmissor (na parte superior da imagem), e um segundo neurônio pós-sináptico que carrega receptores para o neurotransmissor (na parte inferior), juntamente com um lacuna entre os dois, chamada de fenda sináptica (com moléculas de adesão sináptica, SAMs, mantendo os dois juntos). Quando um potencial de ação atinge o botão pré-sináptico, o conteúdo das vesículas é liberado na fenda sináptica e o neurotransmissor liberado viaja através da fenda para o neurônio pós-sináptico (a estrutura inferior na imagem) e ativa os receptores na membrana pós-sináptica.

A zona ativa é a região no botão pré-sináptica que medeia a liberação do neurotransmissor e é composta pela membrana pré-sináptica e uma coleção densa de proteínas chamada citomatriz na zona ativa (CAZ). O CAZ é visto sob o microscópio eletrônico como uma área escura (densa de elétrons) próxima à membrana. As proteínas dentro do CAZ prendem as vesículas sinápticas à membrana pré-sináptica e medeiam a fusão das vesículas sinápticas , permitindo assim que o neurotransmissor seja liberado de forma confiável e rápida quando um potencial de ação chega.

Função

A função da zona ativa é garantir que os neurotransmissores possam ser liberados de forma confiável em um local específico de um neurônio e apenas liberados quando o neurônio dispara um potencial de ação. À medida que um potencial de ação se propaga ao longo de um axônio, ele atinge o terminal do axônio denominado botão pré-sináptico. No botão pré-sináptico, o potencial de ação ativa os canais de cálcio (VDCCs) que causam um influxo local de cálcio. O aumento do cálcio é detectado por proteínas na zona ativa e força as vesículas contendo neurotransmissor a se fundir com a membrana. Essa fusão das vesículas com a membrana libera os neurotransmissores na fenda sináptica (espaço entre o botão pré-sináptico e a membrana pós-sináptica). Os neurotransmissores então se difundem através da fenda e se ligam aos canais iônicos controlados pelo ligante e aos receptores acoplados à proteína G na membrana pós-sináptica. A ligação dos neurotransmissores aos receptores pós-sinápticos induz, então, uma mudança no neurônio pós-sináptico. O processo de liberação de neurotransmissores e ligação aos receptores pós-sinápticos para causar uma mudança no neurônio pós-sináptico é chamado de neurotransmissão.

Estrutura

Um diagrama das proteínas encontradas na zona ativa

A zona ativa está presente em todas as sinapses químicas examinadas até agora e em todas as espécies animais. As zonas ativas examinadas até agora têm pelo menos duas características em comum, todas elas têm material denso de proteína que se projeta da membrana e amarra vesículas sinápticas perto da membrana e têm longas projeções filamentosas originando-se na membrana e terminando em vesículas ligeiramente mais distantes de a membrana pré-sináptica. As projeções densas de proteínas variam em tamanho e forma, dependendo do tipo de sinapse examinada. Um exemplo notável de projeção densa é a sinapse de fita (veja abaixo) que contém uma "fita" de material denso de proteína que é cercada por um halo de vesículas sinápticas e se estende perpendicularmente à membrana pré-sináptica e pode ter até 500 nm. A sinapse de glutamato contém estruturas semelhantes a pirâmides menores que se estendem por cerca de 50 nm a partir da membrana. A sinapse neuromuscular contém duas fileiras de vesículas com uma longa faixa proteica entre elas, conectada a costelas horizontais regularmente espaçadas, estendendo-se perpendicularmente à faixa e paralelas à membrana. Essas costelas são então conectadas às vesículas, cada uma posicionada acima de um pino na membrana (presumivelmente um canal de cálcio). Pesquisas anteriores indicaram que a zona ativa dos neurônios glutamatérgicos continha uma matriz altamente regular de material denso de proteína em forma de pirâmide e indicou que essas pirâmides eram conectadas por filamentos. Essa estrutura se assemelhava a uma rede geométrica onde as vesículas eram guiadas para dentro dos orifícios da rede. Este modelo atraente foi questionado por experimentos recentes. Dados recentes mostram que a zona ativa glutamatérgica contém as projeções de material proteico denso, mas essas projeções não estavam em uma matriz regular e continham longos filamentos projetando-se cerca de 80 nm no citoplasma.

Existem pelo menos cinco proteínas-esqueleto principais que são enriquecidas na zona ativa; UNC13B / Munc13, RIMS1 (molécula de interação com Rab3), Fagote, Piccolo / aczonina, ELKS e liprins-α . Acredita-se que essas proteínas-esqueleto sejam os constituintes das estruturas semelhantes a pirâmides densas da zona ativa e que aproximem as vesículas sinápticas da membrana pré-sináptica e dos canais de cálcio. A proteína ELKS liga-se à proteína de adesão celular , β-neurexina e outras proteínas do complexo, como Piccolo e Fagote. A β-neurexina então se liga à molécula de adesão celular, neuroligina localizada na membrana pós-sináptica. A neuroligina então interage com as proteínas que se ligam aos receptores pós-sinápticos. As interações de proteínas, como as observadas entre Piccolo / ELKS / β-neurexina / neuroligina, garantem que o maquinário que medeia a fusão da vesícula esteja próximo aos canais de cálcio e que a fusão da vesícula seja adjacente aos receptores pós-sinápticos. Esta fusão de vesículas de proximidade e receptores pós-sinápticos garante que haja pouco atraso entre a ativação dos receptores pós-sinápticos e a liberação de neurotransmissores.

Mecanismo de liberação de neurotransmissor

O mecanismo de liberação das vesículas.

A liberação do neurotransmissor é realizada pela fusão das vesículas do neurotransmissor à membrana pré-sináptica. Embora os detalhes desse mecanismo ainda estejam sendo estudados, há consenso sobre alguns detalhes do processo. A fusão da vesícula sináptica com a membrana pré-sináptica é conhecida por exigir um aumento local de cálcio de apenas um único canal de cálcio intimamente associado e a formação de complexos SNARE altamente estáveis . Um modelo predominante de fusão vesícula sináptica é que a formação do complexo SNARE é catalisada pelas proteínas da zona ativa, como Munc18, Munc13 e RIM. Acredita-se que a formação desse complexo "prepare" a vesícula para estar pronta para a fusão da vesícula e liberação do neurotransmissor (veja abaixo: pool liberável). Depois que a vesícula é preparada, a complexina se liga ao complexo SNARE, isso é chamado de "superprimed". As vesículas que são superprimed estão dentro da piscina facilmente liberável (veja abaixo) e estão prontas para serem liberadas rapidamente. A chegada de um potencial de ação abre canais de cálcio dependentes de voltagem próximos ao complexo SNARE / complexina. O cálcio então se liga para alterar a conformação da sinaptotagmina . Esta mudança na conformação de permite que a sinaptotagmina então desaloje a complexina, se ligue ao complexo SNARE e se ligue à membrana alvo. Quando a sinaptotagmina se liga ao complexo SNARE e à membrana, isso induz uma força mecânica na membrana de modo que faz com que a membrana da vesícula e a membrana pré-sináptica se fundam. Essa fusão abre um poro da membrana que libera o neurotransmissor. O poro aumenta de tamanho até que toda a membrana da vesícula seja indistinguível da membrana pré-sináptica.

Ciclo de vesículas sinápticas

A zona pré-sináptica ativa e o ciclo da vesícula sináptica

O botão pré-sináptico tem um processo orquestrado de forma eficiente para fundir vesículas à membrana pré-sináptica para liberar neurotransmissores e regenerar vesículas de neurotransmissores. Este processo denominado ciclo de vesículas sinápticas mantém o número de vesículas no botão pré-sináptico e permite que o terminal sináptico seja uma unidade autônoma. O ciclo começa com (1) uma região do aparelho de golgi é pinçada para formar a vesícula sináptica e esta vesícula é transportada para o terminal sináptico. No terminal (2), a vesícula é preenchida com neurotransmissor. (3) A vesícula é transportada para a zona ativa e encaixada nas proximidades da membrana plasmática. (4) Durante um potencial de ação, a vesícula se funde com a membrana, libera o neurotransmissor e permite que as proteínas da membrana anteriormente na vesícula se difundam para a zona periactiva. (5) Na zona periactiva, as proteínas da membrana são sequestradas e endocitadas formando uma vesícula revestida por clatrina . (6) A vesícula é então preenchida com neurotransmissor e então transportada de volta para a zona ativa.

O mecanismo de endocitose é mais lento do que o mecanismo de exocitose . Isso significa que, em atividade intensa, a vesícula no terminal pode se esgotar e não estar mais disponível para ser liberada. Para ajudar a prevenir o esgotamento das vesículas sinápticas, o aumento do cálcio durante a atividade intensa pode ativar a calcineurina que desfosforila proteínas envolvidas na endocitose mediada pela clatrina.

Piscinas de vesículas

A sinapse contém pelo menos dois grupos de vesículas sinápticas, a piscina facilmente liberável e a piscina de reserva. A piscina prontamente liberável está localizada dentro da zona ativa e conectada diretamente à membrana pré-sináptica, enquanto a piscina de reserva é agrupada pelo citoesqueleto e não está diretamente conectada à zona ativa.

Piscina liberável

A piscina liberável está localizada na zona ativa e é ligada diretamente à membrana pré-sináptica. É estabilizado por proteínas dentro da zona ativa e ligado à membrana pré-sináptica por proteínas SNARE . Essas vesículas estão prontas para serem liberadas por um único potencial de ação e são reabastecidas por vesículas do reservatório. A piscina liberável às vezes é subdividida em piscina liberável e piscina liberável.

Reserva de piscina

O pool de reserva não está diretamente conectado à zona ativa. O aumento na concentração pré-sináptica de cálcio ativa a proteína quinase dependente de cálcio-calmodulina (CaMK). CaMK fosforila uma proteína, sinapsina , que medeia o agrupamento das vesículas do pool de reserva e ligação ao citoesqueleto. A fosforilação da sinapsina mobiliza vesículas no reservatório e permite que elas migrem para a zona ativa e reabasteçam o reservatório prontamente liberável.

Zona periativa

A zona periactiva circunda a zona ativa e é o local de endocitose do terminal pré-sináptico. Na zona periactiva, proteínas de arcabouço, como a intersectina 1, recrutam proteínas que medeiam a endocitose, como dinamina , clatrina e endofilina. Na drosofilia, o homólogo da intersectina, Dap160, está localizado na zona periactiva da junção neuromuscular e o mutante Dap160 esgota as vesículas sinápticas durante a estimulação de alta frequência.

Zona ativa de sinapse da faixa de opções

A sinapse em fita é um tipo especial de sinapse encontrada em neurônios sensoriais , como células fotorreceptoras , células bipolares da retina e células ciliadas . As sinapses em fita contêm uma estrutura densa de proteína que amarra uma série de vesículas perpendiculares à membrana pré-sináptica. Em uma micrografia eletrônica, ele aparece como uma estrutura em forma de fita perpendicular à membrana. Ao contrário da sinapse "tradicional", as sinapses em fita podem manter uma liberação gradativa de vesículas. Em outras palavras, quanto mais despolarizado um neurônio, maior a taxa de fusão da vesícula. A zona ativa da sinapse da faixa de opções é separada em duas regiões, a densidade arquiforme e a faixa de opções. A densidade arquiforme é o local da fusão das vesículas e a fita armazena o pool liberável de vesículas. A estrutura da fita é composta principalmente pela proteína RIBEYE, cerca de 64-69% do volume da fita, e é amarrada à densidade arquiforme por proteínas de suporte, como o fagote.

Proteínas

Proteína Estrutura / Função
Proteínas Estruturais
Flautim
Fagote
Aros
ELKS (ERCs ou CAST)
BARRIL
hortelã
Liprin-alfa-1
Ancoragem e preparação
Munc-13
Munc-18
SNAREs
SNAP25
VAMP2
sintaxina Localizada na membrana sináptica e se liga ao SNAP-25 e à sinaptobrevina para mediar a fusão das vesículas.
Proteínas Citoesqueléticas
Actin
Tubulina
miosina Várias moléculas de miosina II geram força no músculo esquelético por meio de um mecanismo de golpe de força alimentado pela energia liberada pela hidrólise de ATP
espectrina
β-catenina
Canal de Cálcio
Canal de cálcio dependente de voltagem (VDCC) Permite o rápido influxo de cálcio durante um potencial de ação.

Medindo a liberação de neurotransmissor

Um diagrama que mostra a mudança na capacitância da membrana antes (em cima) e depois (no meio e em baixo) da fusão da vesícula.

A liberação do neurotransmissor pode ser medida determinando a amplitude do potencial pós - sináptico após o disparo de um potencial de ação no neurônio pré-sináptico. Medir a liberação do neurotransmissor dessa forma pode ser problemático porque o efeito do neurônio pós-sináptico na mesma quantidade de neurotransmissor liberado pode mudar com o tempo. Outra maneira é medir a fusão da vesícula com a membrana pré-sináptica diretamente usando uma pipeta de remendo . Uma membrana celular pode ser considerada um capacitor em que os íons positivos e negativos são armazenados em ambos os lados da membrana. Quanto maior a área da membrana, mais íons são necessários para manter a membrana em um determinado potencial. Em eletrofisiologia, isso significa que uma injeção de corrente no terminal levará menos tempo para carregar uma membrana até um determinado potencial antes da fusão da vesícula do que após a fusão da vesícula. O curso de tempo para carregar a membrana até um potencial e a resistência da membrana são medidos e com esses valores a capacitância da membrana pode ser calculada pela equação Tau / Resistência = Capacitância. Com essa técnica, os pesquisadores podem medir a liberação da vesícula sináptica diretamente, medindo os aumentos na capacitância da membrana do terminal pré-sináptico.

Veja também

Referências