Em formação

Como as vesículas sinápticas são trazidas para a sinapse?


Estou lendo sobre como a sinaptobrevina é usada para identificar vesículas sinápticas para amarrar perto da fenda sináptica. Como os neurônios têm uma sinapse e dendritos, gostaria de saber exatamente como as vesículas são movidas do Golgi para a sinapse.

Pelo que eu posso dizer, eles são transportados ao longo dos microtúbulos por dinaminas, em vez de flutuarem livremente no citosol (correto?). Se sim, como as dineninas identificam as vesículas sinápticas - elas formariam um complexo SNARE que é liberado perto da sinapse ou por algum outro meio?


Você está procurando uma revisão sobre o carregamento de vesículas ao longo do citoesqueleto. Este artigo de acesso aberto é o mais recente que encontrei sobre o assunto.

Do resumo:

Como as cargas sinápticas alcançam especificidade, direcionalidade e tempo de transporte é uma área de investigação em desenvolvimento. Estudos recentes demonstram que a ancoragem de motores em suas cargas é um ponto de controle fundamental. Além disso, a regulação espacial e temporal precisa das interações motor-carga é importante para a especificidade do transporte e o recrutamento da carga. O influxo de Ca2 + das vias de sinalização local, a sinalização CaMKII e a atividade da Rab GTPase regulam a atividade motora e a liberação de carga em locais sinápticos.

M. A. Schlager, C. C. Hoogenraad: Mecanismos básicos de reconhecimento e transporte de cargas sinápticas. No: Cérebro molecular. Vol. 2, 2009, p. 25. DOI: 10.1186 / 1756-6606-2-25. PMID 19653898. PMC 2732917.


Conteúdo

As sinapses são conexões funcionais entre neurônios ou entre neurônios e outros tipos de células. [6] [7] Um neurônio típico dá origem a vários milhares de sinapses, embora existam alguns tipos que fazem muito menos. [8] A maioria das sinapses conecta axônios a dendritos, [9] [10] mas também existem outros tipos de conexões, incluindo axônio para corpo celular, [11] [12] axônio para axônio, [11] [ 12] e dendrito a dendrito. [10] As sinapses são geralmente muito pequenas para serem reconhecidas usando um microscópio de luz, exceto como pontos onde as membranas de duas células parecem se tocar, mas seus elementos celulares podem ser visualizados claramente usando um microscópio eletrônico.

As sinapses químicas passam informações direcionalmente de uma célula pré-sináptica para uma célula pós-sináptica e, portanto, são assimétricas em estrutura e função. O terminal do axônio pré-sináptico, ou botão sináptico, é uma área especializada dentro do axônio da célula pré-sináptica que contém neurotransmissores encerrados em pequenas esferas delimitadas por membrana chamadas vesículas sinápticas (bem como uma série de outras estruturas de suporte e organelas, como mitocôndrias e retículo endoplasmático). As vesículas sinápticas estão ancoradas na membrana plasmática pré-sináptica em regiões chamadas zonas ativas.

Imediatamente oposta está uma região da célula pós-sináptica contendo receptores de neurotransmissores para sinapses entre dois neurônios; a região pós-sináptica pode ser encontrada nos dendritos ou no corpo celular. Imediatamente atrás da membrana pós-sináptica está um complexo elaborado de proteínas interligadas chamado densidade pós-sináptica (PSD).

As proteínas no PSD estão envolvidas na ancoragem e no tráfego de receptores de neurotransmissores e na modulação da atividade desses receptores. Os receptores e PSDs são freqüentemente encontrados em saliências especializadas da haste dendrítica principal, chamadas de espinhas dendríticas.

As sinapses podem ser descritas como simétricas ou assimétricas. Quando examinadas em um microscópio eletrônico, as sinapses assimétricas são caracterizadas por vesículas arredondadas na célula pré-sináptica e uma densidade pós-sináptica proeminente. As sinapses assimétricas são tipicamente excitatórias. Em contraste, as sinapses simétricas têm vesículas achatadas ou alongadas e não contêm uma densidade pós-sináptica proeminente. Sinapses simétricas são tipicamente inibitórias.

o fenda sináptica -também chamado lacuna sináptica- é uma lacuna entre as células pré e pós-sinápticas com cerca de 20 nm (0,02 μ) de largura. [5] O pequeno volume da fenda permite que a concentração do neurotransmissor seja elevada e diminuída rapidamente. [13]

Uma autapse é uma sinapse química (ou elétrica) formada quando o axônio de um neurônio faz sinapses com seus próprios dendritos.

Visão geral Editar

Aqui está um resumo da sequência de eventos que ocorrem na transmissão sináptica de um neurônio pré-sináptico para uma célula pós-sináptica. Cada etapa é explicada com mais detalhes abaixo. Observe que, com exceção da etapa final, todo o processo pode ser executado apenas algumas centenas de microssegundos, nas sinapses mais rápidas. [14]

  1. O processo começa com uma onda de excitação eletroquímica chamada potencial de ação, viajando ao longo da membrana da célula pré-sináptica, até atingir a sinapse.
  2. A despolarização elétrica da membrana na sinapse causa a abertura de canais permeáveis ​​aos íons de cálcio.
  3. Os íons de cálcio fluem através da membrana pré-sináptica, aumentando rapidamente a concentração de cálcio no interior.
  4. A alta concentração de cálcio ativa um conjunto de proteínas sensíveis ao cálcio ligadas a vesículas que contêm um neurotransmissor químico.
  5. Essas proteínas mudam de forma, fazendo com que as membranas de algumas vesículas "encaixadas" se fundam com a membrana da célula pré-sináptica, abrindo assim as vesículas e despejando seu conteúdo neurotransmissor na fenda sináptica, o espaço estreito entre as membranas do pré e pós-sináptico células.
  6. O neurotransmissor se difunde dentro da fenda. Parte dele escapa, mas parte se liga a moléculas receptoras químicas localizadas na membrana da célula pós-sináptica.
  7. A ligação do neurotransmissor faz com que a molécula do receptor seja ativado de algum modo. Vários tipos de ativação são possíveis, conforme descrito em mais detalhes abaixo. Em qualquer caso, esta é a etapa chave pela qual o processo sináptico afeta o comportamento da célula pós-sináptica.
  8. Devido à vibração térmica, o movimento dos átomos, vibrando em torno de suas posições de equilíbrio em um sólido cristalino, as moléculas de neurotransmissores eventualmente se soltam dos receptores e se afastam.
  9. O neurotransmissor é reabsorvido pela célula pré-sináptica e, em seguida, reembalado para liberação futura, ou então é decomposto metabolicamente.

Edição de liberação de neurotransmissor

A liberação de um neurotransmissor é desencadeada pela chegada de um impulso nervoso (ou potencial de ação) e ocorre por meio de um processo extraordinariamente rápido de secreção celular (exocitose). Dentro do terminal nervoso pré-sináptico, vesículas contendo neurotransmissor estão localizadas perto da membrana sináptica. O potencial de ação que chega produz um influxo de íons de cálcio por meio de canais de íons seletivos de cálcio, dependentes de voltagem, no curso para baixo do potencial de ação (corrente de cauda). [15] Os íons de cálcio então se ligam às proteínas sinaptotagmina encontradas dentro das membranas das vesículas sinápticas, permitindo que as vesículas se fundam com a membrana pré-sináptica. [16] A fusão de uma vesícula é um processo estocástico, levando à falha frequente da transmissão sináptica nas sinapses muito pequenas que são típicas do sistema nervoso central. Grandes sinapses químicas (por exemplo, a junção neuromuscular), por outro lado, têm uma probabilidade de liberação sináptica de 1. A fusão da vesícula é conduzida pela ação de um conjunto de proteínas no terminal pré-sináptico conhecido como SNAREs. Como um todo, o complexo ou estrutura proteica que medeia o encaixe e a fusão das vesículas pré-sinápticas é chamado de zona ativa. [17] A membrana adicionada pelo processo de fusão é posteriormente recuperada por endocitose e reciclada para a formação de novas vesículas cheias de neurotransmissores.

Uma exceção à tendência geral de liberação de neurotransmissores por fusão vesicular é encontrada nas células receptoras do tipo II das papilas gustativas de mamíferos. Aqui, o neurotransmissor ATP é liberado diretamente do citoplasma para a fenda sináptica por meio de canais dependentes de voltagem. [18]

Edição de ligação de receptor

Os receptores no lado oposto da lacuna sináptica ligam as moléculas de neurotransmissores. Os receptores podem responder de duas maneiras gerais. Em primeiro lugar, os receptores podem abrir diretamente os canais iônicos controlados por ligante na membrana celular pós-sináptica, fazendo com que os íons entrem ou saiam da célula e alterando o potencial transmembrana local. [14] A mudança resultante na tensão é chamada de potencial pós-sináptico. Em geral, o resultado é excitatório no caso de correntes despolarizantes, e inibitório no caso de correntes hiperpolarizantes. Se uma sinapse é excitatória ou inibitória depende de que tipo (s) de canal iônico conduz a (s) corrente (s) pós-sináptica (s), que por sua vez é função do tipo de receptores e neurotransmissores empregados na sinapse. A segunda maneira pela qual um receptor pode afetar o potencial de membrana é pela modulação da produção de mensageiros químicos dentro do neurônio pós-sináptico. Esses segundos mensageiros podem então amplificar a resposta inibitória ou excitatória aos neurotransmissores. [14]

Edição de rescisão

Depois que uma molécula de neurotransmissor se liga a uma molécula receptora, ela deve ser removida para permitir que a membrana pós-sináptica continue a retransmitir EPSPs e / ou IPSPs subsequentes. Essa remoção pode acontecer por meio de um ou mais processos:

  • O neurotransmissor pode se difundir devido às oscilações induzidas termicamente tanto dele quanto do receptor, tornando-o disponível para ser decomposto metabolicamente fora do neurônio ou para ser reabsorvido. [19]
  • As enzimas dentro da membrana subsináptica podem inativar / metabolizar o neurotransmissor. as bombas podem bombear ativamente o neurotransmissor de volta para o terminal pré-sináptico do axônio para reprocessamento e re-liberação após um potencial de ação posterior. [19]

A força de uma sinapse foi definida por Sir Bernard Katz como o produto da probabilidade de liberação (pré-sináptica) pr, tamanho quantal q (a resposta pós-sináptica à liberação de uma única vesícula neurotransmissora, um 'quantum'), e n, o número de sites de lançamento. "Conexão unitária" geralmente se refere a um número desconhecido de sinapses individuais conectando um neurônio pré-sináptico a um neurônio pós-sináptico. A amplitude dos potenciais pós-sinápticos (PSPs) pode ser tão baixa quanto 0,4 mV a tão alta quanto 20 mV. [20] A amplitude de um PSP pode ser modulada por neuromoduladores ou pode mudar como resultado de uma atividade anterior. As mudanças na força sináptica podem ser de curto prazo, durando de segundos a minutos, ou de longo prazo (potenciação de longo prazo, ou LTP), durando horas. Acredita-se que o aprendizado e a memória resultem de mudanças de longo prazo na força sináptica, por meio de um mecanismo conhecido como plasticidade sináptica.

A dessensibilização dos receptores pós-sinápticos é uma diminuição na resposta ao mesmo estímulo neurotransmissor. Isso significa que a força de uma sinapse pode, de fato, diminuir à medida que uma seqüência de potenciais de ação chega em rápida sucessão - um fenômeno que dá origem à chamada dependência de frequência das sinapses. O sistema nervoso explora essa propriedade para fins computacionais e pode sintonizar suas sinapses por meios como a fosforilação das proteínas envolvidas.

A transmissão sináptica pode ser alterada por atividade anterior. Essas mudanças são chamadas de plasticidade sináptica e podem resultar em uma diminuição na eficácia da sinapse, chamada de depressão, ou em um aumento na eficácia, chamada de potencialização. Essas mudanças podem ser de longo ou curto prazo. As formas de plasticidade de curto prazo incluem fadiga ou depressão sináptica e aumento sináptico. As formas de plasticidade de longo prazo incluem depressão e potenciação de longo prazo. A plasticidade sináptica pode ser homossináptica (ocorrendo em uma única sinapse) ou heterossináptica (ocorrendo em múltiplas sinapses).

Plasticidade homossináptica Editar

A plasticidade homossináptica (ou também modulação homotrópica) é uma mudança na força sináptica que resulta da história de atividade em uma sinapse particular. Isso pode resultar de mudanças no cálcio pré-sináptico, bem como feedback sobre os receptores pré-sinápticos, ou seja, uma forma de sinalização autócrina. A plasticidade homossináptica pode afetar o número e a taxa de reposição das vesículas ou pode afetar a relação entre o cálcio e a liberação das vesículas. A plasticidade homossináptica também pode ser pós-sináptica por natureza. Isso pode resultar em um aumento ou diminuição da força sináptica.

Um exemplo são os neurônios do sistema nervoso simpático (SNS), que liberam noradrenalina, que, além de afetar os receptores pós-sinápticos, também afeta os receptores α2-adrenérgicos pré-sinápticos, inibindo a liberação posterior de noradrenalina. [21] Esse efeito é utilizado com a clonidina para realizar efeitos inibitórios no SNS.

Plasticidade heterossináptica Editar

A plasticidade heterossináptica (ou também modulação heterotrópica) é uma mudança na força sináptica que resulta da atividade de outros neurônios. Novamente, a plasticidade pode alterar o número de vesículas ou sua taxa de reposição ou a relação entre o cálcio e a liberação das vesículas. Além disso, pode afetar diretamente o influxo de cálcio. A plasticidade heterossináptica também pode ser pós-sináptica por natureza, afetando a sensibilidade do receptor.

Um exemplo são novamente os neurônios do sistema nervoso simpático, que liberam noradrenalina, que, além disso, gera um efeito inibitório nas terminações pré-sinápticas dos neurônios do sistema nervoso parassimpático. [21]

Em geral, se uma sinapse excitatória for forte o suficiente, um potencial de ação no neurônio pré-sináptico desencadeará um potencial de ação na célula pós-sináptica. Em muitos casos, o potencial pós-sináptico excitatório (EPSP) não atingirá o limiar para eliciar um potencial de ação. Quando potenciais de ação de vários neurônios pré-sinápticos disparam simultaneamente, ou se um único neurônio pré-sináptico dispara em uma frequência alta o suficiente, os EPSPs podem se sobrepor e somar. Se houver sobreposição de EPSPs suficientes, o EPSP somado pode atingir o limite para iniciar um potencial de ação. Esse processo é conhecido como somatório e pode servir como um filtro passa-alto para os neurônios. [22]

Por outro lado, um neurônio pré-sináptico liberando um neurotransmissor inibitório, como o GABA, pode causar um potencial pós-sináptico inibitório (IPSP) no neurônio pós-sináptico, trazendo o potencial de membrana para mais longe do limiar, diminuindo sua excitabilidade e tornando-o mais difícil para o neurônio para iniciar um potencial de ação. Se um IPSP se sobrepõe a um EPSP, o IPSP pode, em muitos casos, impedir que o neurônio dispare um potencial de ação. Dessa forma, a saída de um neurônio pode depender da entrada de muitos neurônios diferentes, cada um dos quais pode ter um grau diferente de influência, dependendo da força e do tipo de sinapse com aquele neurônio. John Carew Eccles realizou alguns dos primeiros experimentos importantes sobre integração sináptica, pelos quais recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1963.

Quando um neurotransmissor é liberado em uma sinapse, ele atinge sua concentração máxima dentro do espaço estreito da fenda sináptica, mas parte dele certamente se difundirá antes de ser reabsorvido ou quebrado. Se se difundir, tem o potencial de ativar receptores localizados em outras sinapses ou na membrana longe de qualquer sinapse. A atividade extra-sináptica de um neurotransmissor é conhecida como transmissão de volume. [23] Está bem estabelecido que esses efeitos ocorrem em algum grau, mas sua importância funcional sempre foi motivo de controvérsia. [24]

Trabalhos recentes indicam que a transmissão de volume pode ser o modo predominante de interação para alguns tipos especiais de neurônios. No córtex cerebral dos mamíferos, uma classe de neurônios chamada células de forma neuroglia pode inibir outros neurônios corticais próximos, liberando o neurotransmissor GABA no espaço extracelular. [25] Ao longo da mesma veia, o GABA liberado das células de forma da neuroglia para o espaço extracelular também atua nos astrócitos circundantes, atribuindo um papel para a transmissão de volume no controle da homeostase iônica e neurotransmissora. [26] Aproximadamente 78% dos botões de células de forma de neuróglia não formam sinapses clássicas. Este pode ser o primeiro exemplo definitivo de neurônios se comunicando quimicamente onde as sinapses clássicas não estão presentes. [25]

Uma sinapse elétrica é uma ligação eletricamente condutiva entre dois neurônios adjacentes que é formada em uma lacuna estreita entre as células pré e pós-sinápticas, conhecida como junção de lacuna. Nas junções comunicantes, as células se aproximam a cerca de 3,5 nm umas das outras, em vez da distância de 20 a 40 nm que separa as células nas sinapses químicas. [27] [28] Ao contrário das sinapses químicas, o potencial pós-sináptico nas sinapses elétricas não é causado pela abertura dos canais iônicos por transmissores químicos, mas sim pelo acoplamento elétrico direto entre os dois neurônios. As sinapses elétricas são mais rápidas do que as sinapses químicas. [13] Sinapses elétricas são encontradas em todo o sistema nervoso, incluindo na retina, no núcleo reticular do tálamo, no neocórtex e no hipocampo. [29] Enquanto as sinapses químicas são encontradas entre os neurônios excitatórios e inibitórios, as sinapses elétricas são mais comumente encontradas entre os neurônios inibitórios locais menores. As sinapses elétricas podem existir entre dois axônios, dois dendritos ou entre um axônio e um dendrito. [30] [31] Em alguns peixes e anfíbios, as sinapses elétricas podem ser encontradas no mesmo terminal de uma sinapse química, como nas células de Mauthner. [32]

Uma das características mais importantes das sinapses químicas é que elas são o local de ação da maioria das drogas psicoativas. As sinapses são afetadas por drogas como curare, estricnina, cocaína, morfina, álcool, LSD e inúmeros outros. Essas drogas têm efeitos diferentes na função sináptica e, muitas vezes, estão restritas a sinapses que usam um neurotransmissor específico. Por exemplo, o curare é um veneno que impede a acetilcolina de despolarizar a membrana pós-sináptica, causando paralisia. A estricnina bloqueia os efeitos inibitórios do neurotransmissor glicina, que faz com que o corpo capte e reaja a estímulos mais fracos e anteriormente ignorados, resultando em espasmos musculares incontroláveis. A morfina atua nas sinapses que usam neurotransmissores de endorfina, e o álcool aumenta os efeitos inibitórios do neurotransmissor GABA. O LSD interfere nas sinapses que usam o neurotransmissor serotonina. A cocaína bloqueia a recaptação da dopamina e, portanto, aumenta seus efeitos.

Durante a década de 1950, Bernard Katz e Paul Fatt observaram correntes sinápticas em miniatura espontâneas na junção neuromuscular da rã. [ citação necessária ] Com base nessas observações, eles desenvolveram a 'hipótese quântica' que é a base para nosso entendimento atual da liberação de neurotransmissores como exocitose e pela qual Katz recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1970. [ citação necessária No final da década de 1960, Ricardo Miledi e Katz propuseram a hipótese de que o influxo de íons cálcio induzido pela despolarização desencadeia a exocitose.

Sir Charles Scott Sherringtonin cunhou a palavra "sinapse" e a história da palavra foi contada por Sherrington em uma carta que escreveu a John Fulton:

'Eu senti a necessidade de algum nome para chamar a junção entre célula nervosa e célula nervosa. Eu sugeri usar "syndesm". Ele [Sir Michael Foster] consultou seu amigo da Trindade, Verrall, o estudioso euripidiano, sobre isso, e Verrall sugeriu "sinapse" (do grego "fecho") .'– Charles Scott Sherrington [4]


Epilepsia e a sinapse

A comunicação neural no cérebro saudável permite a integração de uma entrada sensorial e a construção de uma resposta apropriada que se baseia no equilíbrio entre a atividade dos sistemas excitatórios e inibitórios. Epilepsia, um distúrbio que afeta 1% da população mundial, é classicamente considerado como resultado de um desequilíbrio entre excitação e inibição em uma região localizada, várias áreas do cérebro ou todo o cérebro. No entanto, esta é uma visão claramente simplista, uma vez que muitos novos mecanismos relacionados à liberação sináptica, fisiologia dos canais iônicos, metabolismo energético e outros foram encontrados em estudos moleculares e neurofisiológicos. Mudanças de longo prazo em pré-sináptico morfologia e vesícula sináptica a reciclagem foi descrita em modelos animais de epilepsia. Essas mudanças incluem alterações na morfologia dos botões sinápticos de fibra musgosa, incluindo tamanho aumentado, número de locais de liberação e número de vesículas na piscina de reserva e na piscina prontamente liberável.

Da série Cosmic Consciousness (2013) Veil Casseiopia

A imagem é Copyright Audrius V.Plioplys 2013

Mutações em genes que codificam elementos da maquinaria de liberação de neurotransmissores e a eficácia de drogas antiepilépticas que atuam no nível da vesícula sináptica chamam nossa atenção para a relevância do compartimento pré-sináptico para epilepsia. No pós sináptico nível vários receptores de neurotransmissores, canais iônicos e cotransportadores, moléculas de andaime e vias de sinalização têm sido implicados na epilepsia e epileptogênese, e também como alvos para drogas antiepilépticas.

Do ponto de vista da neurologia infantil, é particularmente relevante considerar os padrões normais de maturação cerebral, no que diz respeito aos sistemas gabaérgico e glutamatérgico. O cérebro imaturo é inclinado para a excitação e diferentes mecanismos moleculares contribuem para esse estado: o efeito despolarizante de GABA e a superexpressão de Receptores AMPA e NMDA criar uma composição que aumenta a excitabilidade das redes neuronais. Astrócitos desempenham um papel crucial na regulação e manutenção do meio químico extracelular do sistema nervoso central sob condições fisiológicas. A membrana plasmática dos astrócitos é rica em receptores para neurotransmissores, fatores de crescimento, citocinas e quimiocinas. A membrana plasmática do astrócito também contém transportadores para várias moléculas, como potássio, água, glutamato, glutamina, glicose, corpos cetônicos e lactato. Os processos citoplasmáticos dos astrócitos são justapostos a sinapses excitatórias, formando o que é frequentemente referido como sinapse tripartida. Os processos de astrócitos absorvem o glutamato sináptico com alta eficiência devido à abundância de transportadores de aminoácidos excitatórios de alta afinidade na membrana plasmática dos processos. Distúrbios nesses processos e também na atividade metabólica dentro dos astrócitos têm sido implicados na fisiopatologia da epilepsia.

Para saber mais: Nesta seção, você encontrará pesquisas relevantes e descobertas recentes sobre como a sinapse é afetada por distúrbios epilépticos em crianças e adolescentes.


Recuperação da membrana pré-sináptica e biologia do endossomo: definindo vesículas sinápticas heterogêneas molecularmente

A liberação e captação de neurotransmissores por vesículas sinápticas é um processo rigidamente controlado que ocorre em resposta a diversos estímulos em sinapses morfologicamente díspares. Para atender a essas demandas sinápticas arquitetônicas e funcionais, deve haver diversidade nos mecanismos que controlam sua secreção e recuperação e, possivelmente, na composição das vesículas sinápticas dentro do mesmo terminal. Aqui, prestamos atenção especial às áreas onde essa diversidade é gerada, como a variância no acoplamento de exocitose / endocitose, SNAREs que definem populações de vesículas sinápticas funcionalmente diversas e as máquinas de classificação dependentes de adaptadores capazes de gerar diversidade de vesículas. Argumentamos que existem várias vias de reciclagem de vesículas sinápticas em qualquer sinapse e discutimos várias linhas de evidências que apóiam o papel do endossomo na reciclagem de vesículas sinápticas.

Bonecos

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Mecanismos de reciclagem de vesículas sinápticas e as origens das espécies de vesículas sinápticas. ( UMA…

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Mecanismos de classificação de endossomos no terminal nervoso. A imagem mostra um endossomo precoce pré-sináptico ...


Proteômica da vesícula sináptica

Estudos recentes conseguiram elucidar o inventário proteico de várias organelas (revisado em Yates et al. 2005). Em particular, as análises proteômicas do tecido cerebral se tornaram um componente integral da pesquisa neurocientífica (revisado em Abul-Husn e Devi 2006 Becker et al. 2006) no entanto, estudos abrangentes sobre o proteoma da vesícula sináptica são raros (Blondeau et al. 2004 Coughenour et al. Morciano 2004 et al. Burré 2005et al. 2006b Takamori et al. 2006) como vesículas sinápticas têm sido difíceis de purificar para homogeneidade em grandes quantidades e contêm numerosas proteínas hidrofóbicas.


INTRODUÇÃO

PRÉ-SINÁPTICO [Ca 2+]: ASPECTOS NA ESTRUTURA E FUNÇÃO DAS SINAPSES DE FITA FOTORRECEPTORA

Mudanças nos íons de Ca 2+ citosólicos livres pré-sinápticos desencadeiam funções importantes nos terminais pré-sinápticos. Estes incluem exocitose de vesículas sinápticas e a mediação de várias formas de plasticidade sináptica (Bliss e Collingridge, 1993 Malenka e Nicoll, 1999 Neher e Sakaba, 2008 Kawamoto et al., 2012 Rizo e S & # x000fcdhof, 2012 Catterall et al., 2013 S & # x000fcdhof, 2013). Os íons Ca 2+ também têm funções fundamentais nas sinapses dos fotorreceptores. Os fotorreceptores empregam sinapses de fita tonicamente ativas que codificam mudanças graduais induzidas por luz do potencial de membrana em modulação de exocitose de vesícula sináptica contínua para transmitir os sinais induzidos por luz para a retina interna. As zonas ativas das sinapses em fita contêm grandes estruturas elétron-densas, fitas sinápticas, que estão associadas a um grande número de vesículas sinápticas. As fitas sinápticas têm uma importância fundamental para a sinalização na sinapse da fita. Esta revisão enfoca a regulação de [Ca 2+] em terminais de fotorreceptores pré-sinápticos e na função de uma proteína regulada por Ca 2+ em particular, a proteína GCAP2 do sensor neuronal de cálcio (NCS) (proteína 2 ativadora de guanilato ciclase). GCAP2, uma proteína de ligação de Ca 2+ contendo a mão de EF é fortemente expressa em fotorreceptores e desempenha vários papéis nos segmentos externos (OS) e na sinapse dos fotorreceptores.

FOTORECEPTORES

Os fotorreceptores são os principais neurônios sensíveis à luz na retina externa. Eles detectam quanta de luz (fótons) e comunicam a informação à retina interna para processamento posterior. Fotorreceptores de haste operam em baixas intensidades de luz e são capazes de detecção de um único fóton. Os fotorreceptores cone operam em condições de luz do dia e medeiam a visão de cores (Abramov e Gordon, 1994). Ambos os tipos de fotorreceptores exibem uma morfologia bipolar com dois processos que emanam de extremidades opostas do corpo celular fotorreceptor (Figura & # x200B Figura 1A 1A ) (1) Um processo externo forma o segmento externo (OS) que é responsável pela fototransdução. Durante esse processo, os fotopigmentos sensíveis à luz no sistema operacional transformam os quanta de luz em uma mudança no potencial da membrana fotorreceptora. (2) Um processo celular interno emerge da porção vitread do fotorreceptor soma. Este processo interno termina em um terminal pré-sináptico especializado que contém fitas sinápticas em suas zonas ativas (Figuras & # x200B Figuras 1A 1A e & # x200B 2 2 ) Nessas zonas ativas do tipo fita, os sinais gerados pela absorção de quanta de luz no sistema operacional são transmitidos continuamente para a retina interna (para revisão, consulte W & # x000e4ssle, 2004 Nassi e Callaway, 2009 Lee et al., 2010).

(UMA) Os fotorreceptores apresentam morfologia bipolar. Um processo distal forma o segmento externo (OS) e o segmento interno (IS). O SO é o local onde ocorre a fototransdução. O IS representa o centro metabólico do fotorreceptor. Um processo vitread interno termina no terminal pré-sináptico que contém uma fita sináptica na zona ativa. (B) Micrografia eletrônica de transmissão de um segmento externo (OS). Podem ser observadas matrizes densamente compactadas de discos de membrana. As flechas em (B) apontar para discos individuais. No OS, ocorre fototransdução e as proteínas GCAP realizam um feedback dependente de Ca 2+ nas guanilato ciclases. (C) Micrografia eletrônica de transmissão na zona de junção entre OS e IS. OS e IS são conectados pelo cilum conectante (cc) que organiza o transporte da vesícula dependente de mt para o segmento externo (Sung e Chuang, 2010). OS, segmento externo IS, segmento interno m, mitocôndria cc, conectando cílio ligando OS e IS mt, microtúbulo pm, membrana plasmática. Barras de escala: 50 nm (B), 250 nm (C).

Sinapses de fitas fotorreceptoras. No (A, C) as sinapses da fita do fotorreceptor de haste são mostradas por microscopia eletrônica de transmissão em (B, D) sinapses de fita de fotorreceptor de cone. (A, B) Os grandes terminais pré-sinápticos são preenchidos com numerosas vesículas sinápticas (sv). A zona ativa é caracterizada por densidades pré-sinápticas especializadas, as densidades arciformes (ad). A fita sináptica (sr) é ancorada na densidade arciforme. A fita sináptica está associada a um grande número de vesículas sinápticas. Oposto às zonas ativas estão as pontas dendríticas de células horizontais (hc) e células bipolares (bc) que contêm receptores de glutamato ionotrópicos e metabotrópicos para sinalização. As pontas dendríticas estão localizadas dentro de uma invaginação do terminal pré-sináptico. Sinapses de cone (B, D) são maiores em diâmetro do que as sinapses de bastonete e contêm várias zonas ativas (círculos tracejados) e várias fitas sinápticas (sr). sr, fita sináptica sv, vesículas sinápticas ad, densidade arciforme pré, terminal pré-sináptico m, mitocôndrio hc, pontas dendríticas de células horizontais bc, pontas dendríticas de células bipolares pm, membrana plasmática pré-sináptica. Barras de escala: 400 nm (UMA), 1 e # x003bcm (B), 150 nm (C), 800 nm (D).

Ca 2+ - REGULAÇÃO DEPENDENTE DA FOTOTRANSDUÇÃO EM SEGMENTOS EXTERIORES DOS FOTORRECEPTORES

O OS contém grampos intracelulares densos e regulares de discos de membrana (para hastes, Figura & # x200B Figura 1 1 para revisão, ver Mustafi et al., 2009). Essas especializações de membrana são enriquecidas com fotopigmentos contendo opsina sensíveis à luz (Burns e Baylor, 2001 Chen, 2005). À medida que os quanta de luz são detectados pelos fotopigmentos no OS, uma cascata de transdução de sinal é iniciada que finalmente leva através da ativação mediada pela proteína G de uma fosfodiesterase, fosfodiesterase 6 (PDE6), para a hidrólise de cGMP (Burns e Baylor, 2001 Chen , 2005 Dell & # x02019Orco e Koch, 2010). A queda no cGMP leva ao fechamento dos canais catiônicos cíclicos controlados por nucleotídeos (canais CNG) na membrana plasmática, um canal catiônico não seletivo através do qual os íons Na + - e Ca 2+ podem passar de extra- para intracelular espaço ao longo de seu gradiente eletroquímico. O fechamento induzido pela luz dos canais de CNG gera uma resposta de hiperpolarização. O potencial da membrana varia de & # x02248-40 mV no escuro a & # x02248-70 mV na luz forte. O sistema de fototransdução tem uma alta faixa dinâmica que é ajustada & # x02013 não exclusivamente, mas em uma extensão considerável & # x02013 por processos dependentes de Ca 2+ (Arshavsky, 2002 Korenbrot e Rebrik, 2002 Sharma, 2002, 2010 Koch, 2006 Artemyev , 2008 Stephen et al., 2008 Dell & # x02019Orco e Koch, 2010 Sharma e Duda, 2012). A queda induzida pela luz de Ca 2+ é detectada por proteínas de ligação de Ca 2+, contendo EF à mão, as proteínas ativadoras de guanilato ciclase (GCAPs Korenbrot e Rebrik, 2002 Palczewski et al., 2004 Koch, 2006 Sakurai et al ., 2011 Sharma e Duda, 2012). Os GCAPs são membros da família das proteínas NCS (Sharma, 2002, 2010 Koch, 2006 Burgoyne, 2007 Baehr e Palczewski, 2009 Koch et al., 2010 Schmitz et al., 2012). GCAP2 (bem como seus parentes próximos GCAP1 e GCAP3 para revisão, ver Palczewski et al., 2004) contém quatro mãos EF. A primeira mão EF não é capaz de se ligar ao Ca 2+ devido à troca de aminoácidos críticos (Palczewski et al., 2004 Koch, 2006 Burgoyne, 2007 Schmitz et al., 2012). Assim, sob estimulação de luz, quando o Ca 2+ é baixo, os GCAPs ativam o fotorreceptor retinal guanilato ciclase (ret-GC), restaurando assim os níveis basais de cGMP (Burns e Baylor, 2001 Sharma, 2002, 2010 Chen, 2005 Sharma e Duda, 2012) . No escuro, com Ca 2+ elevado, os GCAPs inibem a atividade dos ret-GCs e evitam a superprodução de cGMP. Esses processos dependentes de Ca 2+ - / GCAP definem a faixa dinâmica da fototransdução e mantêm o OS e a fototransdução operacionais em diferentes níveis de fluxos de fótons (Koch, 2006 Stephen et al., 2008 Sharma e Duda, 2012). Os GCAPs são miristoilados em seu terminal N. Notavelmente, em contraste com outros membros da família NCS, os GCAPs não realizam uma troca de miristoil dependente de Ca 2+ no terminal N (Stephen et al., 2007). Em vez disso, o grupo miristoil N-terminal permanece enterrado no interior da molécula tanto no estado ligado ao Ca 2+ quanto livre do Ca 2+, onde é essencial estabilizar a proteína (Stephen et al., 2007). Excepcionalmente, o terminal C de GCAP2 realiza uma mudança conformacional dependente de Ca 2+ (Peshenko et al., 2004).

A SINAPEIRA DE FITA FOTORECEPTORA DA RETINA MADURA: ULTRAESTRUTURA E ANATOMIA MOLECULAR DO COMPLEXO DE FITA SINÁPTICA

Os fotorreceptores são neurônios não estimulantes e comunicam mudanças graduais induzidas pela luz do potencial de membrana em modulações das taxas de liberação de neurotransmissores tônicos nos terminais pré-sinápticos (Heidelberger et al., 2005 Matthews e Fuchs, 2010 Mercer e Thoreson, 2011). Para este propósito, os terminais fotorreceptores são equipados com grandes zonas ativas às quais especializações pré-sinápticas conspícuas, as fitas sinápticas, são anexadas (para revisão, ver tom Dieck e Brandst & # x000e4tter, 2006 Schmitz, 2009 Matthews e Fuchs, 2010 Mercer and Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012).

A fita sináptica é uma grande estrutura elétron-densa que está associada a um grande número de vesículas sinápticas ao longo de toda a sua superfície (Figura & # x200B Figura 2 2 ver também Schmitz, 2009). Em sinapses de fita fotorreceptora, a fita sináptica geralmente aparece como uma estrutura em forma de barra de vários 100 nm de comprimento no microscópio eletrônico de transmissão (Schmitz, 2009 Mercer e Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012). As reconstruções tridimensionais da fita sináptica revelaram que este perfil em forma de barra é uma seção transversal de uma estrutura em forma de placa da fita sináptica (Figuras & # x200B Figuras 2 2 e & # x200B 3E 3E Rao-Mirotznik et al., 1995 para revisão, ver também Schmitz, 2009 Mercer e Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012). Além disso, a fita sináptica é dobrada em forma de ferradura ao longo da membrana plasmática pré-sináptica invaginada do terminal fotorreceptor. A fita sináptica em forma de ferradura pode ter uma profundidade de cerca de 1 & # x003bcm (Schmitz, 2009 Schmitz et al., 2012). Os terminais pré-sinápticos do fotorreceptor de haste geralmente possuem uma única zona ativa e um único cone de fita sináptica. Os terminais pré-sinápticos possuem várias zonas ativas e múltiplas, embora tipicamente fitas sinápticas menores (Figura & # x200B Figura 2 2 W & # x000e4ssle, 2004 Schmitz, 2009 Mercer e Thoreson, 2011 Regus-Leidig e Brandst & # x000e4tter, 2012 Schmitz et al., 2012). Nas sinapses de fitas fotorreceptoras, as fitas sinápticas são ancoradas na densidade arciforme. A densidade arciforme corresponde às projeções pré-sinápticas de sinapses convencionais (tom Dieck e Brandst & # x000e4tter, 2006 Schmitz, 2009 Mercer e Thoreson, 2011 Figura & # x200B Figura 2 2 ) Na membrana plasmática da zona ativa, os canais de Ca 2+ dependentes de voltagem do tipo L (VGCC) estão agrupados. O fluxo de Ca 2+ através desses canais desencadeia a liberação na sinapse do fotorreceptor (veja abaixo). A zona ativa com a fita sináptica anexada é oposta pelas pontas de múltiplas terminações dendríticas pós-sinápticas de células horizontais e bipolares. Essas pontas dendríticas estão localizadas em uma cavidade formada por uma invaginação do terminal fotorreceptor pré-sináptico. As pontas dendríticas contêm receptores de glutamato metabotrópicos (no caso de células bipolares ON invaginantes) ou receptores de glutamato ionotrópicos (no caso de células horizontais e células bipolares OFF Nomura et al., 1994 De Vries e Schwartz, 1999 De Vries, 2000 W & # x000e4ssle, 2004 De Vries et al., 2006 para revisão, ver Dhingra e Vardi, 2012). Células bipolares retinais, neurônios semelhantes a fotorreceptores na glândula pineal, células ciliadas do ouvido interno e células ciliadas vestibulares também constroem sinapses em fita em mamíferos (Moser et al., 2006 Schmitz, 2009 Matthews e Fuchs, 2010 Mercer e Thoreson, 2011 Safieddine et al., 2012 Schmitz et al., 2012).

A fita sináptica é uma estrutura dinâmica, tanto na retina madura (A, B, D, E) quanto na retina imatura durante o desenvolvimento retinal pós-natal inicial (C, F). Painéis (A, B) mostram fitas sinápticas desmontadas na retina madura. A fita sináptica madura em forma de barra se desmonta por meio de estruturas esféricas, as esferas sinápticas (pontas de seta em A, B) A desmontagem em esferas sinápticas ocorre na extremidade citosólica não ancorada na membrana plasmática da fita sináptica (pontas de seta em A, B) Neste final, a fita sináptica aparece ampliada antes que as esferas sinápticas esféricas se separem dela (A, B). As fitas sinápticas esféricas ainda estão associadas às vesículas sinápticas por meio de conexões finas. Mas eles não estão mais ancorados na membrana plasmática pré-sináptica. Painel (UMA) é modificado de Schmitz e Drenckhahn (1993) com permissão de Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Germany. (C) Montagem da fita sináptica madura em forma de barra durante o desenvolvimento pós-natal. A densidade arciforme (ad) é claramente visível na zona ativa (pontas de seta tracejadas em C) Na sinapse mostrada em (C), a montagem da fita sináptica acaba de começar. Um pequeno pedaço da fita já está montado (pequena seta preta em C) e ancorado na densidade arciforme.A maior parte da fita ainda está presente como esferas sinápticas imaturas (pontas de seta) localizadas nas proximidades do pequeno primer de fita ancorado (seta em C) Mais tarde no desenvolvimento, as fitas sinápticas esféricas (pontas de flechas) se aglutinam com o primer de fita ancorado (pequena seta preta em C) para formar a fita sináptica madura em forma de barra. As interações RIBEYE & # x02013RIBEYE podem mediar este processo. Painel (C) é retirado de Schmitz et al. (2006) com permissão do PNAS (copyright (2006) National Academy of Sciences, EUA). Painéis (D, E) representam esquematicamente a desmontagem induzida por iluminação da fita sináptica (ver também A, B) Painel (F) resume a possível sequência de montagem da fita sináptica que ocorre durante o desenvolvimento pós-natal. sr, fita sináptica ss, esfera sináptica pré, pré-sináptica, sv, vesícula sináptica bc, ponta dendrítica de célula bipolar hc, ponta dendrítica de célula horizontal m, mitocôndrio P4, dia pós-natal 4. Pontas de seta em (A, B) aponte para as esferas sinápticas se formando na extremidade distal não ancorada à membrana da fita sináptica. Setas tracejadas em (C) aponte para a densidade arciforme, que é a densidade pré-sináptica nas sinapses da faixa de opções. As esferas coloridas em vermelho em (D & # x02013F) representam vesículas sinápticas. Painéis (D & # x02013F) foram redesenhados com base em números de Adly et al. (1999) e Spiwoks-Becker et al. (2004). Barras de escala: 100 nm (A & # x02013C).

RIBEYE é um componente único e principal das fitas sinápticas (Schmitz et al., 2000, 2012 Wan et al., 2005 Schmitz, 2009 Mercer e Thoreson, 2011). RIBEYE é a única proteína conhecida específica para fitas sinápticas (Schmitz et al., 2000 Magupalli et al., 2008 para revisão, ver Schmitz, 2009 Mercer e Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012). RIBEYE consiste em um domínio A exclusivo que é específico para fitas sinápticas e um domínio B que é amplamente idêntico ao CtBP2. Usando diferentes promotores, RIBEYE e CtBP2 são transcritos a partir do mesmo gene (Schmitz, 2009). Embora o CtBP2 seja expresso na maioria, senão em todas as células, a expressão da expressão de RIBEYE é limitada às células que formam sinapses em fita. Particularmente, o domínio A contém muitos locais de interação, nos quais RIBEYE pode se ligar a moléculas RIBEYE vizinhas. Essas múltiplas interações RIBEYE & # x02013RIBEYE poderiam permitir a montagem de múltiplas moléculas RIBEYE em estruturas semelhantes a fitas (Magupalli et al., 2008 para revisão, ver Schmitz, 2009 Mercer e Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012). Esses precursores primitivos de fita esférica poderiam então se reunir em fitas sinápticas maduras em forma de barra / placa em fotorreceptores maduros (veja abaixo). RIBEYE parece ser o principal bloco de construção das fitas sinápticas. Proteínas adicionais são necessárias para gerar fitas sinápticas funcionais maduras (veja abaixo).

Ambos RIBEYE (B) -domain e CtBP1 / CtBP2 ligam NAD (H) (Schmitz et al., 2000). No caso de CtBP1 / CtBP2, a ligação de NADH regula a interação com proteínas nucleares (Fjeld et al., 2003). Esta interação regulada por NAD (H) pode ligar ou desligar genes alvo distintos relevantes, por exemplo, para migração celular, adesão e apoptose (Paliwal et al., 2006, 2007, 2012 Chinnadurai, 2009). Na sinapse, NAD (H) promove a interação de RIBEYE com outras proteínas sinápticas, por exemplo, a proteína NCS GCAP2 (Venkatesan et al., 2010 L & # x000f3pez-del Hoyo et al., 2012). A interação de RIBEYE & # x02013GCAP2 parece ser relevante para mediar os efeitos dependentes de Ca 2+ na dinâmica da fita sináptica (veja abaixo). Outras interações de proteína & # x02013proteína de RIBEYE não dependem de NADH, por exemplo, interação de RIBEYE & # x02013Munc119 (Alpadi et al., 2008) ou não foram analisadas quanto à sua dependência de NADH, por exemplo, no caso de RIBEYE-Fagote (tom Dieck et al., 2005). Embora RIBEYE pareça ser a única proteína principal da fita sináptica, existem outras proteínas da fita que também estão presentes na zona ativa de sinapses que não contêm fita (para revisão, consulte tom Dieck e Brandst & # x000e4tter, 2006 Schmitz, 2009 Mercer e Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012). O fagote está localizado na zona ativa de fotorreceptores, células bipolares e células ciliadas (além da localização da zona ativa das sinapses convencionais) e é considerado uma âncora importante para a fita sináptica nas sinapses de fita. Camundongos knockout para fagote exibem fitas & # x0201cflutuantes & # x0201d não ancoradas na membrana plasmática em células fotorreceptoras e ciliadas (Khimich et al., 2005 tom Dieck et al., 2005), embora não em células bipolares da retina. O fagote também está presente nas células bipolares da retina (Deguchi-Tawarada et al., 2006). Portanto, podem existir mecanismos de ancoragem adicionais para a fita sináptica. Também foi relatado que o fagote está recentemente ligado a canais Cav pré-sinápticos (Nishimune et al., 2004, 2012, ver também abaixo). Piccolo, como o fagote, uma proteína de múltiplos domínios muito grande, está presente tanto em sinapses convencionais quanto em fitas. Recentemente, uma variante de splice de piccolo foi descrita, denominada piccolino, que é expressa preferencialmente em sinapses de fita (Regus-Leidig et al., 2013). Proteínas conhecidas por serem essenciais para a função sinapse em sinapses convencionais são a família de proteínas da molécula de interação rab3 de múltiplos domínios (RIM) (Wang et al., 1997 Kaeser et al., 2011, 2012 para revisão, ver S & # x000fcdhof, 2013) . Essas proteínas foram localizadas na fita sináptica. As isoformas longas de RIM contêm um dedo Zn N-terminal, domínio PDZ central e dois domínios C2 (S & # x000fcdhof, 2012a, b, 2013) que os permitem realizar funções sinápticas importantes. As proteínas RIM controlam o encaixe da vesícula sináptica e o priming da vesícula, bem como a localização do canal de Ca 2+ (para revisão, consulte S & # x000fcdhof, 2012b, 2013). Sua função na sinapse da fita é menos clara. RIM2 parece estar localizado na base da fita sináptica e RIM1 no corpo da fita sináptica (tom Dieck et al., 2005). As proteínas RIM interagem com as proteínas Munc13 em sinapses convencionais para mediar a iniciação da vesícula (Deng et al., 2011). Enquanto nas sinapses convencionais, os RIMs interagem com Munc13-1, Munc13-1 está ausente nas sinapses dos fotorreceptores (Schmitz et al., 2001 Cooper et al., 2012). Em vez de Munc13-1, ubMunc13-2 é expresso em sinapses de fotorreceptores (Cooper et al., 2012). Outras proteínas da zona ativa [por exemplo, CAST / ELKS RIM-binding proteínas (RIM-BPs)] também estão presentes nas sinapses de fita fotorreceptora parcialmente diferencialmente distribuídas em subcompartimentos distintos da sinapse (para revisão, ver tom Dieck e Brandst & # x000e4tter, 2006 Mercer e Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012).

FITAS SINÁPTICAS: CONSIDERAÇÕES FUNCIONAIS

A fita sináptica é a característica estrutural mais proeminente das sinapses da fita fotorreceptora. A função da fita sináptica ainda não está clara. As vesículas sinápticas anexadas à fita sináptica foram funcionalmente correlacionadas a diferentes pools de vesículas sinápticas (para revisão, consulte Heidelberger et al., 2005 Matthews e Fuchs, 2010 Mercer e Thoreson, 2011). Estudos de microscopia de fluorescência de reflexão interna total (TIRF) de vesículas sinápticas individuais demonstraram que a base da fita é um hotspot de exocitose da vesícula sináptica (Zenisek et al., 2000 Chen et al., 2013). A linha basal de vesículas sinápticas anexadas à fita sináptica representa o pool de vesículas que pode ser liberado imediatamente (o & # x0201cRRP, & # x0201d pool prontamente liberável). Portanto, um papel da fita pode ser posicionar esta linha basal de vesículas sinápticas em uma & # x0201c distância de ataque & # x0201d para que as proteínas SNARE executem rapidamente a exocitose desencadeada por Ca 2+ (Zenisek et al., 2000). A fita sináptica parece ser necessária para liberação rápida e síncrona, bem como para componentes de liberação lenta e assíncrona (Khimich et al., 2005 Zenisek, 2008 Frank et al., 2010 Snellman et al., 2011).

A exocitose foi frequentemente observada em locais contendo fitas se a exocitose foi induzida por estímulos leves, por exemplo, despolarizações fracas (Chen et al., 2013). Se despolarizações mais longas foram aplicadas, a exocitose também ocorreu em locais sem fita, ou seja, a alguma distância dos canais pré-sinápticos de Ca 2+ (Midorikawa et al., 2007 Zenisek, 2008 Chen et al., 2013). A exocitose de vesículas sinápticas nesses locais sem fita pode contribuir para o componente de liberação assíncrona (Midorikawa et al., 2007 Zenisek, 2008).

As grandes dimensões da fita sináptica permitem que muitas vesículas sejam encaixadas na base da fita sináptica (Matthews e Fuchs, 2010 Mercer e Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012). Isso é muito provavelmente necessário para apoiar a fusão vesicular multivesicular coordenada na fita sináptica (Glowatzki e Fuchs, 2002 Singer et al., 2004 Khimich et al., 2005 Graydon et al., 2011). As vesículas sinápticas anexadas à fita sináptica em uma posição mais distante (também denotadas como & # x0201ctethered vesículas & # x0201d Heidelberger et al., 2005 Matthews e Fuchs, 2010 Mercer and Thoreson, 2011) podem contribuir para o pool de vesículas sinápticas que é liberado com uma cinética mais lenta, o pool de liberação lenta (& # x0201cSRP & # x0201d). As vesículas sinápticas amarradas poderiam possivelmente se mover para baixo em direção à base da fita sináptica antes de finalmente se fundirem na zona ativa (& # x0201ccinto transportador & # x0201d hipótese da fita sináptica Lenzi e von Gersdorff, 2001 Parsons e Sterling, 2003).

Recentemente, foi demonstrado que a fita sináptica também tem um papel importante na reposição das vesículas sinápticas (Jackman et al., 2009 Snellman et al., 2011 Chen et al., 2013 ver também abaixo). A regulação da reposição da vesícula sináptica pode ser uma função importante das fitas sinápticas (Jackman et al., 2009 Chen et al., 2013). Foi demonstrado que a liberação tônica na sinapse da fita fotorreceptora leva ao esgotamento da vesícula na base da fita. Com base nessa sugestão, a fita funcionaria como um capacitor para vesículas sinápticas que recarregam os locais de liberação vazios na base da fita sináptica (Jackman et al., 2009 Snellman et al., 2011 Chen et al., 2013). O capacitor de fita será recarregado com vesículas sinápticas na fase leve, quando a exocitose das vesículas estiver baixa. Este capacitor de fita recarregado fornecerá vesículas prontas para liberação no escuro quando o fotorreceptor se despolariza (Jackman et al., 2009 Chen et al., 2013). De acordo com essa hipótese, a taxa de liberação é determinada pela taxa de reposição da vesícula na fita sináptica. De acordo com essa suposição, foi recentemente demonstrado que as principais proteínas endocíticas foram fortemente enriquecidas na zona periactiva ao redor da fita sináptica (Wahl et al., 2013).

CÓDIGO SINÁPTICO NAS SINAPSES DE FITA EM COMPARAÇÃO COM O CÓDIGO NAS SINAPSES CONVENCIONAIS

A codificação sináptica em sinapses de fita difere da codificação em sinapses convencionais. As sinapses convencionais são tipicamente sinapses fásicas que iniciam a exocitose da vesícula sináptica apenas quando um estímulo, geralmente um potencial de ação, atinge o terminal pré-sináptico. A despolarização do terminal pré-sináptico abre VGCC, normalmente canais de cálcio do tipo P- / Q- / N em sinapses fásicas (para revisão, ver Catterall et al., 2005 Striessnig et al., 2010 Catterall, 2011 S & # x000fcdhof, 2012a, b, 2013). O fluxo de Ca 2+ subsequente inicia a fusão da vesícula sináptica na zona ativa (para revisão, consulte S & # x000fcdhof, 2012a, b, 2013). Em contraste, as sinapses em fita são sinapses tonicamente ativas que fundem continuamente as vesículas sinápticas com a membrana plasmática pré-sináptica. A taxa basal de exocitose da vesícula sináptica é modulada em resposta a mudanças graduais do potencial de membrana. Em fotorreceptores, a exocitose é alta no escuro quando o fotorreceptor é despolarizado. A taxa de exocitose diminui à luz quando o fotorreceptor hiperpolariza (Jackman et al., 2009). A exocitose da vesícula sináptica nas sinapses da fita também é iniciada pelo influxo de Ca 2+ através do VGCC. Mas as sinapses de fita normalmente usam outros canais de Ca 2+ além das sinapses fásicas (veja abaixo). Como mencionado acima, a exocitose de vesículas sinápticas ocorre preferencialmente na base da fita sináptica (Zenisek et al., 2000 Chen et al., 2013). Sinapses de fita podem fundir várias centenas de vesículas sinápticas por segundo e fita (Heidelberger et al., 2005 Schmitz, 2009). Os fotorreceptores de bastonete mantêm exocitose contínua em potenciais de membrana fisiológica, indicando uma alta probabilidade de liberação de vesículas em sinapses de fita (Jackman et al., 2009 Chen et al., 2013). Como isso é alcançado não está claro, mas pode ser baseado em uma alta sensibilidade ao Ca 2+ do mecanismo de liberação e / ou um acoplamento eficiente do mecanismo de liberação aos canais pré-sinápticos de Ca 2+ tipo L (veja abaixo). Em contraste, a probabilidade de liberação em sinapses fásicas convencionais é normalmente muito menor do que em sinapses de fita (para revisão, consulte Nicoll e Schmitz, 2005 Rusakov, 2006 Fioravante e Regehr, 2011 Regehr, 2012).

No nível de vesícula única, usando microscopia TIRF, foi demonstrado que as vesículas sinápticas não se fundiram imediatamente após aparecerem na membrana plasmática, mas pararam na base da fita por cerca de 60 ms antes que a fusão finalmente ocorresse (Zenisek et al., 2000 Chen et al., 2013). Sessenta milissegundos é um atraso de tempo relativamente longo e indica que a velocidade da exocitose de vesícula única não pode ser o principal determinante para a codificação sináptica e sua fidelidade temporal nas sinapses em fita.

A recuperação de vesículas sinápticas foi recentemente avaliada como um aspecto importante da sinalização nas sinapses da faixa de opções (veja também acima). A exocitose contínua em sinapses de fita fotorreceptora causou depleção de vesículas sinápticas na base da fita sináptica em potenciais de membrana fisiológica (Jackman et al., 2009 Chen et al., 2013). Esta depleção de locais de liberação pré-sináptica durante a exocitose tônica em potenciais de membrana fisiológica sugeriu que o reabastecimento da vesícula sináptica é limitante da taxa de exocitose e um aspecto importante para a sinalização em sinapses de fita (Jackman et al., 2009 Chen et al., 2013). A taxa de reposição da vesícula determinaria, portanto, o quão suave a exocitose poderia ocorrer. Lacunas na exocitose da vesícula sináptica contínua na sinapse da fita, por exemplo, como resultado de reposição insuficiente da vesícula, podem contribuir com informações de sinalização importantes.

Apesar das grandes diferenças fisiológicas entre as sinapses em fita e as sinapses convencionais, essas sinapses não diferem fortemente na composição da maquinaria exocitótica (para revisão, ver Schmitz, 2009 Matthews e Fuchs, 2010 Mercer e Thoreson, 2011 Schmitz et al., 2012) . Em sinapses de fita fotorreceptora, a sintaxina 1 é substituída pela sintaxina 3b (Curtis et al., 2008, 2010) complexin 1/2 por complexin 3/4 (Reim et al., 2005, 2009) Munc13-1 por ubMunc13-2 (Schmitz et al., 2001 Cooper et al., 2012) piccolo por piccolino (Regus-Leidig et al., 2013). Mas os principais agentes da exocitose são notavelmente conservados.

Deve ser mencionado que as sinapses em fita não são uma população uniforme de sinapses, mas exibem diferenças estruturais e funcionais (Heidelberger et al., 2005, Moser et al., 2006 Matthews e Fuchs, 2010 Mercer e Thoreson, 2011). A exocitose em sinapses em fita de células ciliadas no ouvido interno opera de uma maneira fundamentalmente diferente e parece funcionar sem as proteínas SNARE neuronais (Nouvian et al., 2011).

DESENVOLVIMENTO DO COMPLEXO DE FITA SINÁPTICA

As sinapses da fita fotorreceptora da retina do camundongo desenvolvem-se pós-natal (Olney, 1968 Blanks et al., 1974). A montagem do complexo da fita sináptica em fotorreceptores ocorre por meio de etapas distintas. Começando por volta do dia 4 pós-natal (P4), pequenos precursores de fita esférica são ancorados na densidade arciforme da zona ativa do fotorreceptor conforme avaliado por microscopia eletrônica e microscopia de imunofluorescência com anticorpos contra RIBEYE (Olney, 1968 Hermes et al., 1992 Regus-Leidig et al., 2010a, b Liu et al., 2013, Zabouri e Haverkamp, ​​2013). Começando por volta de P10 e prosseguindo com o tempo de abertura dos olhos, as fitas esféricas curtas e imaturas se desenvolvem na forma madura da fita sináptica que é em forma de barra em seções transversais e em forma de placa em representações tridimensionais (Figuras 3C, F Hermes et al., 1992 Vollrath e Spiwoks-Becker, 1996 Adly et al., 1999 Schmitz et al., 2006 Regus-Leidig et al., 2010a, b Liu et al., 2013).

Estudos recentes demonstraram que o VGCC tem um papel fundamental para a organização do desenvolvimento do citoesqueleto pré-sináptico, incluindo as fitas sinápticas.

FITAS SINÁPTICAS E CANAIS DE Ca 2+ GATED POR TENSÃO

VGCC tipo L são agrupados na extremidade basal da fita sináptica (Heidelberger et al., 2005 Doering et al., 2007 Striessnig et al., 2010 Mercer e Thoreson, 2011 Mercer et al., 2011a Schmitz et al., 2012 ) O local é um hotspot de exocitose (Zenisek et al., 2000). A entrada de Ca 2+ através do VGCC do tipo L é essencial para desencadear a exocitose na sinapse do fotorreceptor (Dacheux e Miller, 1976 Schmitz e Witkovsky, 1997 Witkovsky et al., 1997 Heidelberger et al., 2005). O VGCC na zona ativa de fotorreceptores consiste em uma subunidade & # x003b11 transmembrana formadora de poros (Cav1.4, em fotorreceptores Cav1.3 em células ciliadas internas), uma subunidade & # x003b22 auxiliar e a & # x003b12 & # x003b44- subunidade (Ball et al., 2002, 2011 Catterall et al., 2005 Morgans et al., 2005 Wycisk et al., 2006 Buraei e Yang, 2010 Striessnig et al., 2010 Catterall, 2011 Mercer et al., 2011a Schmitz et al., 2012, Liu et al., 2013). Poucos canais Cav na base das fitas sinápticas são suficientes para conduzir a exocitose (Brandt et al., 2005 Bartoletti et al., 2011). VGCC tipo L em fotorreceptores são bem adequados para suportar exocitose tônica em sinapses de fita porque esses canais não mostram inativação dependente de Ca 2+ (CDI) e pouca inativação dependente de voltagem (VDI Singh et al., 2006 Striessnig et al., 2010 Catterall, 2011 Shaltiel et al., 2012). Além disso, a sensibilidade de liberação de Ca 2+ é alta e a exocitose é desencadeada por concentrações baixas de Ca 2+ submicromolares (Rieke e Schwartz, 1996 Thoreson et al., 2004 Heidelberger et al., 2005 Sheng et al., 2007 Choi et al., 2008, Jarsky et al., 2010). Além dos canais do tipo L, as células bipolares da retina também expressam VGCC do tipo T transiente (Pan et al., 2001 Ma e Pan, 2003 Hu et al., 2009).

No desenvolvimento da retina externa, os canais Cav associam-se precocemente com precursores de fita sináptica e fitas sinápticas (Liu et al., 2013 Zabouri e Haverkamp, ​​2013). As fitas sinápticas não se formam adequadamente, se os canais de cálcio do tipo L estiverem ausentes, por exemplo, em modelos de nocaute de camundongo Cav1.4 (Mansergh et al., 2005 Chang et al., 2006 Raven et al., 2007 Lodha et al., 2010). Nos diferentes modelos de nocaute de mouse Cav1.4 disponíveis, o canal Cav1.4 demonstrou exercer uma influência forte e severa na localização e montagem da fita sináptica.Algumas diferenças quantitativas foram observadas nos diferentes modelos de nocaute de camundongos Cav1.4 disponíveis (Mansergh et al., 2005 Chang et al., 2006 Raven et al., 2007 Lodha et al., 2010).

Dois estudos recentes (Liu et al., 2013 Zabouri e Haverkamp, ​​2013) analisaram em detalhes a relevância dos canais Cav para etapas distintas da montagem da fita sináptica na zona ativa e para a maturação subsequente do complexo da fita sináptica (Liu et al., 2013, Zabouri e Haverkamp, ​​2013). Inicialmente, em estágios iniciais de desenvolvimento, os precursores de fita imaturos estão agrupados no terminal e provavelmente ancorados na zona ativa (Zabouri e Haverkamp, ​​2013), mesmo se os canais Cav estiverem ausentes. Mas & # x02013 em contraste com o tipo selvagem & # x02013 esses precursores de fita imaturos não estão alinhados e, portanto, funcionalmente ligados com receptores de glutamato pós-sinápticos no nocaute Cav1.4 (Liu et al., 2013). Além disso, sem a atividade de canal adequada, esses precursores de fita imaturos não amadurecem nas fitas sinápticas em forma de barra, mas permanecem imaturos (Liu et al., 2013 Zabouri e Haverkamp, ​​2013). Curiosamente, a atividade fisiológica normal do canal Cav é necessária para transformar fitas imaturas em fitas maduras. Ambos os mutantes de perda de função, bem como mutantes de ganho de função (Knoflach et al., 2013 Liu et al., 2013) dos canais Cav impediram a maturação adequada do complexo de fita sináptica (Liu et al., 2013 )

Da mesma forma, também os modelos de nocaute de várias proteínas ligadas ao canal Cav1.4 (ou seja, & # x003b22-subunidade dos canais Cav1.4, CaBP4, fagote e laminina & # x003b22 (para revisão, consulte Nishimune, 2012) exibidos ausentes , menor ou não anexado & # x0201cfloating & # x0201d fitas sinápticas (Libby et al., 1999 Ball et al., 2002 Dick et al., 2003 Haeseleer et al., 2004 Nishimune et al., 2004 Nishimune, 2012). De acordo com esses achados, os canais Cav controlados por voltagem no ouvido interno mostraram regular o tamanho da fita sináptica (Frank et al., 2009, 2010, Sheets et al., 2011, 2012).

Zabouri e Haverkamp (2013) demonstraram que os canais Cav são importantes não apenas para o desenvolvimento adequado do complexo da fita sináptica, mas também para o desenvolvimento do citoesqueleto pré-sináptico em fotorreceptores. A exclusão de Cav1.4 leva à montagem incorreta de muitos componentes do citoesqueleto pré-sináptico do fotorreceptor, incluindo PSD95, a membrana plasmática Ca 2+ -ATPase (PMCA), Veli3, & # x003b2-distroglicano, fagote e RIM2. Como consequência, a arquitetura do terminal sináptico foi profundamente alterada.

Esses dados argumentam que o canal Cav1.4 em fotorreceptores é um organizador central da zona ativa da sinapse da fita fotorreceptora em geral e para o complexo da fita sináptica em particular. Várias moléculas são candidatas a fornecer uma ligação entre as fitas sinápticas e os canais de cálcio Cav1.4 dependentes de voltagem. A família de proteínas de múltiplos domínios RIM são componentes essenciais das zonas ativas em sinapses convencionais e de fita (Wang et al., 1997 S & # x000fcdhof, 2013). Em zonas ativas convencionais, eles são encontrados em densidades pré-sinápticas em sinapses de fita tanto na zona ativa (densidades arciformes RIM2 tom Dieck et al., 2005) e também na fita sináptica adequada (RIM1, tom Dieck et al., 2005). RIMs são importantes para vários aspectos centrais da função de sinapse (Deng et al., 2011 Han et al., 2011 Kaeser et al., 2011 para revisão, consulte S & # x000fcdhof, 2013). As proteínas RIM são cruciais para ancorar VGCC tipo P / Q / N na zona ativa em sinapses convencionais por meio de uma interação de domínio PDZ direta (Deng et al., 2011 Han et al., 2011 Kaeser et al., 2011 para revisão, consulte S & # x000fcdhof, 2013). Os RIMs interagem indiretamente com os canais de Ca 2+ do tipo L via RIM-BPs (Hibino et al., 2002). Além de imobilizar o VGCC, os RIMs são essenciais para o priming da vesícula via interação com Munc13 e para o encaixe da vesícula sináptica via interação com rab3 / rab27 (Deng et al., 2011 Han et al., 2011 Kaeser et al., 2011 para revisão, ver S & # x000fcdhof, 2013).

Também foi relatado que o RIM1 está associado às subunidades & # x003b2 (& # x003b24, & # x003b22a) do VGCC (Kiyonaka et al., 2007 Miki et al., 2007). Esta interação foi sugerida para suprimir a inativação do VGCC (Kiyonaka et al., 2007 Miki et al., 2007). Curiosamente, uma mutação pontual no domínio C2A de RIM1 é responsável por uma distrofia de bastonete em cone (CORD7 Johnson et al., 2003). As proteínas CAST / ELKS que também estão presentes no complexo da fita sináptica foram recentemente relatadas como também associadas às subunidades & # x003b2 do VGCC (Chen et al., 2011 Kiyonaka et al., 2012). Da mesma forma, foi descrito que o fagote está associado às subunidades & # x003b2 do VGCC (Chen et al., 2011, Nishimune et al., 2012). A ligação do fagote às subunidades & # x003b2 do VGCC é compatível com a descoberta de que a organização do VGCC foi perturbada nas sinapses da fita da orelha interna de ratos com deficiência de fagote (Frank et al., 2010). Assim, a zona ativa com as fitas sinápticas parece estar intimamente associada com VGCC e organizada por esses canais por uma infinidade de diferentes proteínas & # x02013 interações de proteína.

DINÂMICA DE FITA SINÁPTICA Ca 2+, GCAP2 E SINÁPTICA

Na retina de camundongos adultos maduros, as fitas sinápticas também estão subjacentes às mudanças de tamanho. Essas mudanças são dependentes de iluminação e parecem ser reguladas por Ca 2+ (Vollrath e Spiwoks-Becker, 1996 Adly et al., 1999 Spiwoks-Becker et al., 2004 Schmitz, 2009 Regus-Leidig et al., 2010a). Vários estudos observaram uma redução induzida pela luz no tamanho das fitas sinápticas na retina do camundongo (Adly et al., 1999 Spiwoks-Becker et al., 2004 Regus-Leidig et al., 2010a Fuchs et al., 2013). As fitas em forma de barra parecem desmontar (e remontar) da extremidade citosólica livre, não ancorada na membrana (Figura & # x200B Figura 3 3 ) Desta extremidade da fita em forma de barra, fitas esféricas, as esferas sinápticas, destacam (Figura & # x200B Figura 3 3 ) Assim, este crescimento dependente de iluminação e desmontagem da fita sináptica parece empregar estruturas intermediárias semelhantes como no desenvolvimento (Figura & # x200B Figura 3C 3C ) Esses intermediários esféricos são semelhantes em aparência às fitas sinápticas esféricas das células ciliadas no ouvido interno (para revisão, ver Moser et al., 2006). As esferas sinápticas ainda estão associadas a numerosas vesículas sinápticas (Figuras 3A e # x02013C ) Fitas esféricas foram adicionadas às fitas restantes durante a escuridão (Spiwoks-Becker et al., 2004 Regus-Leidig et al., 2010a).

A redução induzida pela luz do tamanho da fita sináptica pode ser imitada pela redução do Ca 2+ intracelular (Adly et al., 1999 Spiwoks-Becker et al., 2004) sugerindo que o Ca 2+ é um fator importante que regula o tamanho da fita. Na verdade, enquanto a redução do Ca 2+ intracelular leva a uma redução do tamanho da fita sináptica, os aumentos do Ca 2+ intracelular resultam em tamanhos de fita aumentados (Spiwoks-Becker et al., 2004 Regus-Leidig et al., 2010a). A base genética dos animais também influencia a dinâmica da fita sináptica. Foi relatado que a plasticidade do tamanho da fita sináptica é mais forte em camundongos albinóticos do que em camundongos pigmentados (Fuchs et al., 2013).

Os mecanismos de montagem e desmontagem de fitas sinápticas na retina madura ainda são amplamente desconhecidos. A proteína NCS GCAP2 está envolvida na desmontagem dependente de Ca 2+ de fitas sinápticas (Venkatesan et al., 2010 L & # x000f3pez-del Hoyo et al., 2012). RIBEYE, o principal componente das fitas sinápticas, se liga à proteína NCS GCAP2 (Venkatesan et al., 2010). GCAP2 é a única proteína conhecida de ligação ao Ca 2+ das fitas sinápticas. A interação entre RIBEYE e GCAP2 ocorre por meio do domínio B de RIBEYE e da região C-terminal (CTR) de GCAP2 (Venkatesan et al., 2010 para revisão, ver Schmitz et al., 2012). O CTR de GCAP2 é divergente em sequência entre GCAP1 e GCAP2. Em concordância, GCAP1 não se liga a RIBEYE enquanto GCAP2 o faz (Venkatesan et al., 2010). Análises ultraestruturais recentes, usando microscopia eletrônica de imunogoldagem pós-incorporação demonstraram que GCAP2 é um componente de fitas sinápticas que está diretamente localizado no corpo da fita sináptica (L & # x000f3pez-del Hoyo et al., 2012). A superexpressão viral de GCAP2 em culturas organotípicas de retina leva a uma desmontagem das fitas sinápticas (Venkatesan et al., 2010). Da mesma forma, em GCAP2 & # x02013 superexpressando camundongos transgênicos, as fitas sinápticas também tendem a se desmontar mais facilmente do que nas retinas de tipo selvagem (L & # x000f3pez-del Hoyo et al., 2012) embora o complexo de fita sináptica como tal seja normalmente formado no nocaute GCAP2 camundongos.

Baixas concentrações intracelulares de Ca 2+ levam à dimerização e também a mudanças conformacionais no CTR de GCAP2 (Olshevskaya et al., 1999 Peshenko et al., 2004). Em particular, Ca 2+ intracelular baixo leva à exposição do CTR de GCAP2 (Peshenko et al., 2004). Na forma livre de Ca 2+ do GCAP2, o CTR é exposto, enquanto no estado ligado ao Ca 2+ não está (ou muito menos Peshenko et al., 2004). Portanto, a interação RIBEYE & # x02013GCAP2 é mais provavelmente favorecida por condições de Ca 2+ intracelular baixo, por exemplo, na iluminação. Além disso, enquanto a interação RIBEYE & # x02013GCAP2 é promovida por NAD (H) (Venkatesan et al., 2010), NADH desestabiliza a rede de interação RIBEYE & # x02013RIBEYE (ou seja, interação RE (A) -RE (B) Magupalli et al., 2008 ), o que levaria a uma tendência geral de interação RIBEYE & # x02013RIBEYE reduzida. Por este mecanismo, a depleção de Ca 2+ de GCAP2 poderia contribuir para a desmontagem de fitas sinápticas em sinapses de fotorreceptores. Por essa maneira de pensar, a ligação do GCAP2 à fita sináptica poderia estar envolvida na regulação da dinâmica dependente de Ca 2+ das fitas sinápticas.

A mudança conformacional de GCAP2 induzida por baixo Ca 2+ poderia, assim, levar a um corte e subsequente desmontagem do corpo da fita em estruturas esféricas, as esferas sinápticas (Figura & # x200B Figura 4 4 ) Os estudos de microscopia eletrônica de ouro imunológico por L & # x000f3pez-del Hoyo et al. (2012) mostraram que GCAP2 não é homogeneamente distribuído ao longo de todo o corpo da fita (como é RIBEYE Schmitz et al., 2000), mas é agrupado em pontos de acesso na superfície da fita sináptica. Esses pontos quentes de imunorreatividade GCAP2 na fita sináptica podem representar locais de desmontagem da fita (Figura & # x200B Figura 4 4 ).

Desmontagem da fita sináptica mediada por GCAP2. (UMA) Estudos anteriores mostraram que GCAP2 interage com RIBEYE, o principal componente das fitas sinápticas (Venkatesan et al., 2010). O desenho em (UMA) resume esquematicamente a interação entre GCAP2 e RIBEYE. A região C-terminal (CTR) de GCAP2 interage com a região de dobradiça do domínio RIBEYE (B) que conecta o subdomínio de ligação a NAD (H) com o subdomínio de ligação ao substrato de RIBEYE (Venkatesan et al., 2010 Schmitz et al., 2012). Essa interação é promovida pelo NAD (H). (B) GCAP2 realiza uma mudança conformacional dependente de Ca 2+ de sua região C-terminal (CTR). Na forma livre de Ca 2+, o CTR está exposto, enquanto na sua forma ligada ao Ca 2+ está menos exposta (Peshenko et al., 2004). Além disso, o GCAP2 se dimeriza com baixo Ca 2+ (Olshevskaya et al., 1999). O CTR é responsável pela ligação a RIBEYE (Venkatesan et al., 2010). (CD) A ligação de GCAP2 a RIBEYE de fitas sinápticas pode levar ao corte da fita sináptica por meio da exposição do CTR. A exposição do CTR ocorre se o Ca 2+ for baixo, por exemplo, na iluminação ou se o Ca 2+ intracelular for tamponado por quelantes. Como consequência, as fitas estão ficando mais curtas. Fitas esféricas, esferas sinápticas, se dissociam da extremidade citosólica livre da fita sináptica. Enquanto NAD (H) favorece a ligação de GCAP2 a RIBEYE, ele enfraquece as interações RIBEYE & # x02013RIBEYE que podem facilitar a desmontagem da fita sináptica (Magupalli et al., 2008). Por razões de clareza, o sistema de membrana intracelular, por exemplo, ER e mitocôndrias que poderiam influenciar os níveis de Ca 2+ intracelulares foram omitidos no desenho esquemático. Pode-se esperar que esses compartimentos moldem ainda mais o sinal de Ca 2+ no terminal pré-sináptico. As proteínas PMCA e NCX são representadas esquematicamente. O terminal C (CTR) de GCAP2 que interage com RIBEYE e que é exposto particularmente na forma livre de Ca 2+ de GCAP2 é esquematicamente representado como uma estrutura semelhante a uma faca porque é proposto para severar a estrutura da fita sináptica. As esferas coloridas em azul em (B & # x02013D) representam íons Ca 2+. sr, fita sináptica ss, esfera sináptica CTR, região C-terminal de GCAP2 PMCA, membrana plasmática Ca 2+ -ATPases NCX, trocador de Na + / Ca 2+ ad, densidade arciforme (ou seja, a densidade pré-sináptica de sinapses de fita fotorreceptora) EF, EF mão.

MODULAÇÃO INTRACELULAR DE SINAIS DE Ca 2+ NOS TERMINAIS FOTORRECEPTORES

Os sinais de Ca 2+ gerados pelo influxo através do VGCC são modulados por vários mecanismos intracelulares que podem subsequentemente aumentar ou diminuir a concentração citosólica de Ca 2+. O sinal final de Ca 2+ no terminal pré-sináptico é moldado pelas interações temporais e espaciais desses mecanismos (Krizaj e Copenhagen, 2002, Szikra e Krizaj, 2006).

O retículo endoplasmático liso (ER) é a principal fonte de Ca 2+ intracelular (Parekh, 2011) e está localizado próximo à fita sináptica nas sinapses da fita fotorreceptora, conforme julgado por imunomarcação com anticorpos contra componentes ER, por exemplo, o sarco (endo) plasmático proteína retículo Ca 2+ -ATPase (SERCA) -2 (Johnson et al., 2007 Babai et al., 2010). A liberação de Ca 2+ induzida por Ca 2+ (CICR) do ER pode amplificar os sinais de Ca 2+ e melhorar a transmissão do sinal (Krizaj et al., 1999 Krizaj, 2003 Cadetti et al., 2006 Suryanarayanan and Slaughter, 2006 Szikra e Krizaj, 2007, Szikra et al., 2008, 2009, Babai et al., 2010). Vários estudos mostraram que o CICR contribui para a liberação de tônica na sinapse do fotorreceptor (Krizaj et al., 1999 Cadetti et al., 2006 Suryanarayanan e Slaughter, 2006 Babai et al., 2010). Ambas as classes de receptores localizados em ER responsáveis ​​pela mobilização de Ca 2+ do ER, ou seja, receptores de rianodina (RyR) e receptores IP3 (IP3R) foram localizados em terminais fotorreceptores (Peng et al., 1991 Krizaj et al., 1999 Krizaj, 2003). O CICR também pode ativar os canais de Cl- ativados por Ca 2+ na membrana plasmática pré-sináptica. Canais de Cl- ativados por Ca 2+ do tipo TMEM16B foram localizados no terminal do fotorreceptor (Lalonde et al., 2009 St & # x000f6hr ​​et al., 2009 Mercer et al., 2011b). A ativação dos canais de Cl - ativados por Ca 2+ em terminais de fotorreceptores deve levar à despolarização porque o potencial de membrana de cerca de & # x02248 & # x0201340 mV no escuro é mais negativo do que o potencial de equilíbrio de Cl - de -20 mV em sinapses de fotorreceptores de bastonete (Thoreson et al., 2002 Babai et al., 2010).

Se os estoques de Ca 2+ intracelulares estiverem exauridos, os mecanismos de entrada de cálcio operados pelo armazenamento (SOCE) podem reabastecê-los (para revisão, ver Parekh e Putney, 2005 Lewis, 2011 Soboloff et al., 2012 Gudlur et al., 2013). A proteína sensora de Ca 2+ contendo EF localizada em ER STIM ativa canais de Ca 2+ ativados por liberação de Ca 2+ (CRAC) seletiva de Ca 2+, em caso de depleção de estoque. Os canais CRAC contêm proteínas Orai como componentes principais que permitem o influxo de Ca 2+ através da membrana plasmática e a subsequente reposição de Ca 2+ do estoque de ER esvaziado (Lewis, 2011 Soboloff et al., 2012 Gudlur et al., 2013). As proteínas TRPC1 também contribuem para a atividade do canal CRAC (Szikra et al., 2009 Molnar et al., 2012). O silenciamento de TRPC1 por interferência de RNA aboliu SOCE em bastonetes, mas não em cones, indicando que TRPC1 poderia ser um componente importante de SOCE em bastonetes (Szikra et al., 2008). As proteínas STIM1 foram recentemente localizadas no terminal do fotorreceptor (Szikra et al., 2009). A SERCA2 ATPase (ver abaixo) foi sugerida como o & # x0201cterceiro elemento & # x0201d de SOCE que medeia o influxo de Ca 2+ no ER após ter entrado no citosol através dos canais CRAC (Manjarr & # x000e9s et al., 2010 , 2011 Alonso et al., 2012). Canais de Ca 2+ operados em loja podem contribuir para sinais de Ca 2+ sustentados e estender a faixa dinâmica de sinalização na sinapse da fita do fotorreceptor tonicamente ativo.

Os PMCAs representam uma família de proteínas transmembrana (Carafoli, 1999 Tempel e Shilling, 2007) que expulsa Ca 2+ do citosol para o espaço extracelular de forma dependente de ATP (Carafoli, 1999 Tempel e Shilling, 2007). O PMCA é imobilizado na membrana plasmática do terminal pré-sináptico que é estruturado por PSD95, MPP4 e VELI3 (Aartsen et al., 2006, 2009 Yang et al., 2007 F & # x000f6rster et al., 2009). A localização adequada de PMCA na membrana plasmática pré-sináptica também depende do VGCC (Xing et al., 2012). O PMCA tem uma forte influência na sinalização pré-sináptica de Ca 2+ (Duncan et al., 2006, Szikra e Krizaj, 2006) e também na dinâmica do comprimento da fita sináptica (Yang et al., 2007 Aartsen et al., 2009). A exclusão do gene MPP4 leva a uma perda de PMCA da membrana plasmática dos terminais fotorreceptores pré-sinápticos (Yang et al., 2007 Aartsen et al., 2009). A perda subsequente da atividade de extrusão leva ao aumento do Ca 2+ intracelular e ao aumento das fitas sinápticas (Yang et al., 2007 Aartsen et al., 2009). Os trocadores Na + / Ca 2+ (NCXs) expulsam Ca 2+ do citosol para o espaço extracelular sob condições fisiológicas (Lytton, 2007). As proteínas NCX estão localizadas próximas à fita sináptica e, portanto, pode-se esperar que influenciem fortemente a transmissão sináptica e a dinâmica da fita (Duncan et al., 2006 Johnson et al., 2007). PMCA parece ser predominantemente expresso em esférulas de bastonetes NCX é predominantemente expresso em pedículos de cone (Johnson et al., 2007). O SERCA pode reduzir o Ca 2+ intracelular bombeando Ca 2+ do citosol para o ER (Bublitz et al., 2013). Em sinapses fotorreceptoras, a bomba SERCA foi localizada nas proximidades da fita sináptica (Yang et al., 2007 Babai et al., 2010). Os sistemas de extrusão de Ca 2+ descritos são importantes para restaurar os níveis de repouso de Ca 2+ após aumentos induzidos pela despolarização (Duncan et al., 2006 Szikra e Krizaj, 2006 Johnson et al., 2007 Mercer e Thoreson, 2011 Wan et al. , 2012, Bublitz et al., 2013). Os terminais fotorreceptores geralmente também contêm mitocôndrias nas proximidades da fita sináptica (Johnson et al., 2007). Foi sugerido que as mitocôndrias são capazes de absorver grandes quantidades de Ca 2+ (Rizzuto et al., 2004, Parekh e Putney, 2005, Rizzuto e Pozzan, 2006). Em terminais de fita, a captação de Ca 2+ pelas mitocôndrias foi considerada funcionalmente relevante apenas se a carga de Ca 2+ fosse particularmente alta (Zenisek e Matthews, 2000).

O TAMANHO DA FITA SINÁPTICA NAS SINAPSES DE FOTORRECEPTORES: UMA PROXIA PARA CA 2+ PRÉ-SINÁPTICO - CONCENTRAÇÃO?

Conforme resumido acima, existem várias ligações entre os canais Cav, níveis pré-sinápticos de Ca 2+, sinalização sináptica e as fitas sinápticas.O fluxo de Ca 2+ por meio de VGCC, bem como a conversa cruzada subsequente com outros sistemas reguladores de Ca 2+ no terminal pré-sináptico, afetam a plasticidade estrutural e a maturação do desenvolvimento da fita sináptica nas sinapses dos fotorreceptores. À luz, quando o Ca 2+ é baixo nos terminais dos fotorreceptores pré-sinápticos (Thoreson et al., 2004 Choi et al., 2005, 2008 Sheng et al., 2007 Jackman et al., 2009), as fitas sinápticas parecem ser menores do que no escuro (Adly et al., 1999 Balkema et al., 2001 Spiwoks-Becker et al., 2004 Hull et al., 2006 Regus-Leidig et al., 2010a). Da mesma forma, em modelos de camundongos knockout nos quais a extrusão de Ca 2+ é perturbada e o Ca 2+ pré-sináptico aumentado, as fitas sinápticas eram mais longas do que em animais de controle (Yang et al., 2007 Aartsen et al., 2009). Por outro lado, em modelos de camundongo nocaute onde os canais Cav foram excluídos, as fitas sinápticas eram menores e não se desenvolveram em fitas sinápticas grandes e maduras. Portanto, o tamanho da fita sináptica pode aparecer como uma leitura do Ca 2+ pré-sináptico. Uma publicação recente (Liu et al., 2013) indicou que a dinâmica mediada por Ca 2+ de fitas sinápticas & # x02013 pelo menos em desenvolvimento & # x02013 é mais complexa. Também as mutações de ganho de função do canal Cav1.4, que levam a uma ativação do canal Cav1.4 já em potenciais de membrana mais negativos, exibiram fitas sinápticas mais curtas do que o normal (Liu et al., 2013). Pesquisas futuras precisam fornecer uma imagem mais detalhada sobre a montagem e desmontagem da fita sináptica, sua regulação e suas consequências para a sinalização na sinapse do fotorreceptor.


Sinapse: Definição, Mecanismo e Propriedades (com Diagrama)

Neste artigo iremos discutir sobre: ​​- 1. Definição de Sinapse 2. Mecanismo de Transmissão Sináptica 3. Propriedades.

Definição de sinapse:

A sinapse pode ser definida como a junção funcional entre partes de dois neurônios diferentes. Não há continuidade anatômica entre dois neurônios envolvidos na formação da sinapse.

No nível da sinapse, o impulso é conduzido de um neurônio para outro devido à liberação de neuro e titransmissores, como ACh, noradrenalina, serotonina, etc.

As sinapses, que requerem a liberação de alguma substância química (neurotransmissor) durante a transmissão sináptica, são denominadas sinapses químicas. No corpo humano, quase todas as sinapses são do tipo químico. As partes envolvidas em uma sinapse são apresentadas na Fig. 9.5.

A região pré-sináptica é principalmente contribuída por axônio e a região pós-sináptica pode ser contribuída por dendrito ou soma (corpo celular) ou axônio de outro neurônio.

Consequentemente, as sinapses podem ser dos seguintes tipos com base em diferentes partes do neurônio envolvido nas informações da sinapse:

Mecanismo de Transmissão Sináptica:

b. Despolarização da região pré-sináptica

c. Influxo de íons de cálcio do LEC para a região pré-sináptica

d. Liberação de neurotransmissor

e. Passagem do neurotransmissor pela fenda sináptica.

f. Ligação do neurotransmissor aos receptores na região pós-sináptica.

g. Mudança na atividade elétrica da região pós-sináptica. Dependendo da substância transmissora liberada, pode haver geração de EPSP ou IPSP (EPSP ou potencial pós-sináptico excitatório ou IPSP ou potencial pós-sináptico inibitório). Se EPSP for produzido, a região pós-sináptica se tornará menos negativa e se IPSP for produzido, a região pós-sináptica se tornará mais negativa.

h. Quando o EPSP atingir o nível de disparo, haverá geração de potencial de ação na região pós-sináptica. EPSP é devido ao influxo de íon sódio. Se o IPSP for produzido, a região pós-sináptica torna-se hiperpolarizada e, portanto, não haverá desenvolvimento de potencial de ação na região pós-sináptica. IPSP será devido ao efluxo de íons de potássio ou influxo de íons de cloreto nas regiões pós-sinápticas.

Propriedades da sinapse:

1. Condução unidirecional (condução unidirecional):

Na sinapse química, uma vez que o neurotransmissor está presente apenas na região pré-sináptica, o impulso é conduzido apenas da região pré para pós-sináptica e não vice-versa.

2. O atraso sináptico é para o neurotransmissor:

uma. Seja liberado das vesículas sinápticas quando o potencial de ação atingir a região pré-sináptica.

b. Passe pela fenda sináptica.

c. Atue na região pós-sináptica para produzir a produção de potencial de ação na região pós-sináptica.

Para que todos os eventos acima ocorram, algum tempo é necessário. Isso é conhecido como atraso sináptico, que normalmente é de cerca de 0,5 ms em cada sinapse.

Quando as sinapses são estimuladas continuamente, após algum tempo, devido à exaustão do neurotransmissor nos terminais pré-sinápticos, os impulsos deixam de ser conduzidos. Isso resulta em fadiga ocorrendo no nível da sinapse. A fadiga é um fenômeno temporário. Se algum repouso for dado aos neurônios, o repouso facilita a ressíntese do neurotransmissor para condução posterior do impulso através da sinapse.

4. Convergência e divergência:

Os impulsos de uma fibra nervosa pré-sináptica podem terminar na região pós-sináptica de um grande número de neurônios e isso é chamado de divergência. Quando as fibras nervosas de diferentes neurônios pré-sinápticos terminam em um neurônio pós-sináptico comum, isso é conhecido como convergência. No SNC, em média, cerca de 10.000 sinapses são encontradas em qualquer neurônio.

Quando um estímulo de força subliminar é aplicado, não haverá desenvolvimento de potencial de ação na região pós-sináptica. Mas se muitos estímulos subliminares forem aplicados na região pré-sináptica, os efeitos desses estímulos podem ser somados e levar ao desenvolvimento do potencial de ação na região pós-sináptica. Isso é conhecido como somatório.

Existem dois tipos de soma, nomeadamente espacial e temporal. Na soma temporal, o neurônio pré-sináptico estimulado será o mesmo, mas muitos estímulos são aplicados em rápida sucessão (o tempo dos estímulos será diferente, mas o local da estimulação será o mesmo).

Na soma espacial, os neurônios pré-sinápticos estimulados serão diferentes, mas os estímulos serão aplicados simultaneamente (o tempo de estimulação deve ser o mesmo, mas os locais de estimulação serão diferentes). Isso é possível devido à propriedade de convergência.

6. Excitação ou inibição:

A condução do impulso através de uma sinapse pode estimular ou inibir a atividade da região pós-sináptica. Se houver influência estimulatória, haverá produção de potencial de ação no neurônio pós-sináptico e, se houver influência inibitória, não haverá geração de potencial de ação na região pós-sináptica.

Inibições Sinápticas:

Exemplos de inibição são:

eu. Inibição pós-sináptica (direta)

ii. Inibição pré-sináptica

iii. Inibição de células de Renshaw (feedback ou recorrente)

4. Inibição recíproca (feed forward)

Inibição pós-sináptica:

Eventos na inibição pós-sináptica:

eu. Chegada do impulso na região pré-sináptica

ii. Liberação de neurotransmissor

iii. Estimulação do neurônio internuncial

4. Produção de potencial de ação no neurônio internuncial

v. Liberação de neurotransmissor do neurônio internuncial

vi. Ligação do neurotransmissor aos receptores na região pós-sináptica

vii. Influxo de íons de cloreto na região pós-sináptica

viii. Membrana pós-sináptica se tornando mais negativa (desenvolvimento de potencial pós-sináptico inibitório ou também conhecido como IPSP)

ix. Hiperpolarização da região pós-sináptica

x. Não há produção de potencial de ação na região pós-sináptica.

A substância glicina é um exemplo clássico de neurotransmissor inibitório na região pós-sináptica. Por exemplo, quando o músculo bíceps está se contraindo, haverá relaxamento associado do músculo tríceps devido à inibição pós-sináptica.

O mecanismo de inibição em todos os outros tipos, nomeadamente célula de Renshaw (Fig. 9.6), lateral (Fig. 9.7) e inibições recíprocas (Fig. 9.8), será como o que foi explicado para a inibição pós-sináptica, mas a orientação do neurônio envolvido na inibição será ser diferente.

Inibição pré-sináptica (Fig. 9.9):

Na inibição pré-sináptica, os eventos que ocorrem são os seguintes:

eu. O neurônio que termina no terminal pré-sináptico libera o neurotransmissor.

ii. Por causa disso, o terminal pré-sináptico se torna menos negativo (por causa do influxo de íons de potássio)

iii. Portanto, o terminal pré-sináptico não consegue permanecer em estado de repouso.

Agora, quando o potencial de ação atinge essa região pré-sináptica, a despolarização do terminal pré-sináptico não será na extensão que normalmente ocorre.

A amplitude do potencial de pico será menor do que o normal. Quando o neurônio pré-sináptico é mantido em repouso normal, durante o desenvolvimento do potencial de ação, o potencial de membrana atingirá mais 35 mV do estado de repouso de menos 70 mV. Nesse caso, a variação líquida no potencial será de cerca de 105 mV.

Quando o potencial de ação atinge um neurônio que foi mantido em um estado parcialmente despolarizado (quando o potencial de membrana é tornado menos negativo), a variação líquida no potencial será menor do que o normal (será menor que 105 mV).

eu. Isso leva à liberação de uma quantidade menor do que o normal de neurotransmissor dos terminais pré-sinápticos.

ii. Neurotransmissor na ligação a receptores na região pós e shysynaptic leva ao desenvolvimento de EPSP.

iii. Mas a amplitude do EPSP será menor do que o normal e, portanto, não será capaz de trazer a região pós-sináptica ao estado limite de estimulação.

4. Por conta disso, não haverá produção de potencial de ação na região pós-sináptica.

Na inibição recíproca (Fig. 9.10), o impulso do terminal pré-sináptico estimula o músculo agonista que fornece o neurônio motor e, por meio de um neurônio interno, inibe o músculo antagonista que fornece o neurônio motor.


Parte 2: O Futuro da Microscopia Eletrônica

00: 00: 00.23 Então, aquela década realmente começa no final dos anos 60 a 1980, foi um
00: 00: 07.25, um momento maravilhoso para a biologia celular. Quer dizer, esse trabalho saiu de
00: 00: 12.25 que o tempo foi uma revolução para a compreensão de como as sinápticas
00: 00: 15.12 a transmissão funciona. Houve apenas uma era de grandes células
00: 00: 21,10 biologia. Então, por que você acha que isso aconteceu?
00: 00: 24.15 E por que acabou?
00: 00: 26.02 Bem, acho que não acabou.
00: 00: 29.03 Tá brincando comigo? Acabou de começar de novo.
00: 00: 32.05 O foco, você sabe, é a biologia molecular meio que varrida.
00: 00: 35.28 Oh sim, quero dizer, houve um período de tempo no verão, é claro,
00: 00: 38.06 você pega esses caras no Caltech. Na verdade, tivemos um aluno e
00: 00: 45.01 ela se levantou e disse, bem, eu quero que todos saibam disso
00: 00: 49,28 a microscopia eletrônica é um campo que está morrendo. E então nós queríamos
00: 00: 54,21 - fizemos um gráfico de como era um campo agonizante sobre a nossa porta.
00: 00: 58,21 Um campo eletromagnético agonizante. Lembre-se disso?
00: 01: 01.20 Não!
00: 01: 02.09 Ele apenas mostrou essa coisa onde, de repente, a curva foi
00: 01: 05.00 para baixo. E dizia "Campo Moribundo". Ela também estava no laboratório de Keith Porter.
00: 01: 09,10 Sério?
00: 01: 10.23 O fundador da microscopia eletrônica moderna ficou desiludido.
00: 01: 15.04 E então houve um período em que as pessoas pensaram que
00: 01: 18.00 iríamos entender tudo entendendo os genes.
00: 01: 21.16 E nós entendemos muito dos genes, mas você não entende tudo
00: 01: 25,04 dos genes. Agora, finalmente, o lado técnico dos microscópios eletrônicos
00: 01: 33.12 está tendo uma drástica - e novos tipos de microscópios eletrônicos
00: 01: 37,25 estão aparecendo. E o desafio está em pessoas como John e eu,
00: 01: 43.02 pessoas que realmente preparam coisas para microscópios eletrônicos
00: 01: 47.29 para tirar proveito desses novos tipos de coisas ópticas que esses
00: 01: 52,18 microscópios podem usar. E isso vai acontecer muito.
00: 01: 56.20 Teremos uma compreensão totalmente nova das células,
00: 02: 01.21 não no nível das membranas, mas do indivíduo
00: 02: 05.16 moléculas de proteína correndo em volta umas das outras.
00: 02: 09.00 Voltar ao que Tom estava falando, a morte do elétron
00: 02: 13,01 microscopia. Aquele período em que sua morte iminente parecia
00: 02: 17,28 inevitável. Existem alguns outros fatores que eu gostaria
00: 02: 21,19 para trazer à tona. Uma é que aquele foi um período em que a luz
00: 02: 25.04 microscopia decolou, quando começou. E luz
00: 02: 28.15 a microscopia estava fornecendo duas coisas incrivelmente fundamentais que o EM
00: 02: 32,23 não forneceu. Número um, a dinâmica das células.
00: 02: 36.17 Os movimentos reais de todas essas coisas. Veja bem
00: 02: 41.03 microscopia de luz tem 1/1000 da resolução, tão longe.
00: 02: 47.07 Mas foi todo um processo exibido para você em uma célula viva.
00: 02: 52.04 Em segundo lugar, a microscopia de luz estava permitindo que você começasse a identificar
00: 02: 59.11 qual proteína estava fazendo isso, porque a nova tecnologia de fluorescência,
00: 03: 03.29 proteínas fluorescentes e assim por diante, estavam chegando para serem examinadas por
00: 03: 07.09 microscopia de luz. Então, não foi que a microscopia eletrônica morreu, foi
00: 03: 12.13 eclipsado pela microscopia de luz e seu enorme potencial.
00: 03: 16.11 Você passou por uma fase de microscopia de luz.
00: 03: 17.29 Eu mesma me apaixonei por ela e me perdi nela.
00: 03: 21.03 Mas, a coisa crítica que sempre enfrentamos, e ainda estamos
00: 03: 29.16 contra, não importa o quão sofisticados os microscópios eletrônicos sejam,
00: 03: 33.06 ou quão perfeitos são os nossos meios de visualização, nunca iremos contornar
00: 03: 36.15 o fato de que o microscópio eletrônico fornece uma imagem estática
00: 03: 39,21 imagem. Uma imagem parada, um instantâneo de algo. Um instante no tempo.
00: 03: 45.00 Para cada foto que você tira, cada preparação que você faz,
00: 03: 49,13 é um instante no tempo. E você tem que voltar a extrapolar
00: 03: 54,11 ao que estava acontecendo na vida. Você tem que dizer, bem, eu cronometrei
00: 03: 58,22 perfeitamente, tive 5 milissegundos, 10 milissegundos,
00: 04: 01.11 20 milissegundos, então posso dizer que fez isso, aquilo e aquilo.
00: 04: 05.05 Mas isso é uma interpretação em si.
00: 04: 08.05 Aberto a perguntas se tiver concorrentes na sua área.
00: 04: 11,27 É sempre aquele evento de extrapolação que é uma interpretação.
00: 04: 17.13 E isso fez com que as pessoas se assustassem e levou à morte,
00: 04: 22,27 dos quais estamos agora a tentar recuperar. Sempre estarei tentando
00: 04: 27,03 recuperar.
00: 04: 27.25 Quer dizer, se você fosse um jovem estudante no curso e entrasse
00: 04: 31.25 e você teve a opção de passar uma semana fazendo meticulosamente
00: 04: 37.12 preparação para deixar algo pronto para o microscópio eletrônico
00: 04: 39.20 para obter uma imagem dele, ou você pode pegar alguns genes e criar alguns
00: 04: 44.15 lindas cores que iriam subir e descer dentro da sua célula,
00: 04: 48.05 você poderia ficar aí sentado a tarde toda olhando para eles, o que você faria?
00: 04: 50,28 Me pegou. Eu me sentaria aqui e olharia para isso. Essa é uma foto.
00: 04: 55,23 Então, qual é o futuro da microscopia eletrônica? Por que
00: 04: 59,08 - o que o recomenda aos alunos?
00: 05: 03.07 Bem, você fez duas perguntas lá. O futuro e
00: 05: 08.15 o que o recomenda aos alunos. Pode ser que haja pouco para
00: 05: 12.11 recomendo aos alunos. É isso que realmente enfrentamos.
00: 05: 15.05 Quantas pessoas vão para esta área? É comovente ver
00: 05: 18.16 como poucas pessoas estão sendo treinadas, mesmo nesses laboratórios que
00: 05: 21.29 são totalmente vanguardistas. E toda a cultura da microscopia eletrônica
00: 05: 27.07 está em perigo terrível.
00: 05: 31.17 Ainda assim, você não respondeu por que eles deveriam ser treinados,
00: 05: 35.26 o que eles vão ver que você não pode ver à luz
00: 05: 38.00 microscópio eletrônico?
00: 05: 39,05 Tudo. Quero dizer, você é muito limitado. Quero dizer a ideia pessoas
00: 05: 46.25 ficou todo animado com microscopia de alta resolução e super
00: 05: 50,29 resolução. Super resolução, é uma melhoria de cerca de 100%.
00: 05: 57.08 Você passa de algo que está a 200 nm para algo
00: 06: 01.20 que são 50 nm. Mas vemos coisas o tempo todo que são 1nm!
00: 06: 06,06 2nm. Quero dizer, a lacuna entre a resolução no elétron
00: 06: 13.00 microscópio e um microscópio de luz são enormes. E eu não
00: 06: 17.02 - meu objetivo no meu trabalho atual é que eu queira entender
00: 06: 21.10 como as proteínas individuais se encaixam para fazer os motores das proteínas.
00: 06: 25.15 Agora você pode examinar isso com microscopia de luz, mas
00: 06: 28.21 com alguns corantes fluorescentes e veja o que acontece,
00: 06: 33.14 fazer algumas inferências, mas você não sabe realmente até que
00: 06: 36,23 obter as imagens e reconstruir as proteínas.
00: 06: 42.15 Isto é - acabei de ouvir Tom dar suas palestras
00: 06: 47.09 para os alunos deste ano no Laboratório Biológico Marinho
00: 06: 51.04 e ficou novamente impressionado com a aparência que ele tem.
00: 06: 57.10 Ele, como está dizendo, e fica aparente em cada palavra que ele diz
00: 07: 03.04 para os alunos, ele acredita, e eu concordo totalmente com ele, que
00: 07: 07.25 está na resolução EM, um nível de microscopia eletrônica,
00: 07: 12.08 que vamos entender a função celular, função de organela,
00: 07: 17,19 e tudo sobre o celular. Porque está nesse nível
00: 07: 20.15 que você pode realmente ver as moléculas. E o nome completo do jogo
00: 07: 25.05 está vendo as moléculas interagindo umas com as outras.
00: 07: 27.19 Isso é - para entender esta máquina chamada vida, temos
00: 07: 33.02 para ver as moléculas individuais interagindo umas com as outras.
00: 07: 36.09 A microscopia de luz dá-lhe estas pistas maravilhosas que
00: 07: 39.23 eles estão dançando juntos, ou indo para cá, mas para ver
00: 07: 43.13 como aquela máquina funciona, você tem que ter a resolução de
00: 07: 49,22 este instrumento. E é um fato simples. É incrível que tenhamos
00: 07: 57,01 o instrumento. É ótimo que o tenhamos por 50 anos,
00: 08: 00.28 Quase 60 anos, mas tem um nicho na biologia celular
00: 08: 07.01 e na ciência médica isso é insubstituível.
00: 08: 10,08 Nunca mais será o mesmo.


Como as vesículas sinápticas são trazidas para a sinapse? - Biologia

Figura 1: Estrutura de uma junção neuromuscular. (A) Imagem de microscopia eletrônica de um terminal nervoso e sua sinapse com uma célula vizinha em uma junção neuromuscular. (B) Imagem de reconstrução por microscopia crioeletrônica de uma fração do neurônio pré-sináptico mostrando as vesículas sinápticas que ele abriga para liberação futura. (C) Esquema de uma sinapse. Observe que a fenda sináptica, vesículas etc. não estão desenhadas em escala. (A, B adaptado de S. O. Rizzoli e W. J. Betz, Nat. Rev. Neurosci., 6:57, 2005.)

Figura 2: Tamanho das sinapses no cérebro. (A) Imagem de microscopia eletrônica de uma sinapse entre um axônio e um dendrito. (B) Reconstrução de uma sinapse como a mostrada em (A) ilustrando as vesículas sinápticas. (C) Distribuição de tamanhos de sinapses medidos usando microscopia eletrônica. (Figuras cortesia de Linnaea Ostroff)

Até agora no livro, nos concentramos principalmente nos tamanhos de células individuais e nas moléculas, complexos macromoleculares e organelas dentro delas. A multicelularidade, no entanto, tem a ver com parcerias entre células. Um belo exemplo de nossa própria multicelularidade é fornecido pelas células de nosso sistema nervoso. Essas células fazem parte de um vasto e complexo conjunto de interações que só agora estão começando a ser mapeadas. A sede das interações entre os neurônios vizinhos são as sinapses, a interface entre as células em que pequenas saliências adotam uma configuração de beijo, como visto nas Figuras 1 e 2 para os casos de uma junção neuromuscular e uma sinapse no cérebro, respectivamente. Essas sinapses são responsáveis ​​pela propagação de informações de um neurônio para o outro. Curiosamente, a transmissão de informações no sistema nervoso é parcialmente elétrica e parcialmente química. Ou seja, quando um potencial de ação viaja ao longo de um nervo, ele o faz mudando temporariamente o potencial transmembrana de seu valor de repouso altamente negativo para um potencial positivo quase igual. Quando o potencial de ação atinge a sinapse, isso leva à fusão da vesícula e subsequente liberação de sinais químicos (neurotransmissores) que induzem a passagem do canal na célula vizinha com a qual formou a sinapse. Isso resulta, por sua vez, em um potencial de ação na célula vizinha. Como visto nas Figuras 1 e 2, a sinapse é composta por um terminal pré-sináptico no axônio do neurônio transmissor e um terminal pós-sináptico com uma chamada fenda sináptica entre eles. O número total de tais sinapses no cérebro humano foi vagamente declarado estar na faixa de 10 13 -10 15 (BNID 106138, 100693), com cada milímetro cúbico do córtex cerebral tendo cerca de um bilhão de tais sinapses (BNID 109245).

Figura 3: Imagens da sinapse. (A) Renderização de volume do córtex somatossensorial de um camundongo. O marcador sináptico sinapsina foi imunomarcado tornando possível ver os pontos individuais de sinapsina conectando neurônios marcados em verde. As sinapses individuais foram reproduzidas em cores aleatórias. (B) Reconstrução de dois axônios de Drosophila mostrando a localização das conexões sinápticas (manchas escuras). A cor é usada para distinguir as duas células. A linha escura é o limite entre os dois músculos que estão em contato com os axônios. (A adaptado de D. Kleinfeld et al., J. Neurosci., 31: 16215, 2011 B adaptado de S. O. Rizzoli e W. J. Betz, Nat. Rev. Neuroscience, 6:57, 2005.)

Desenvolvimentos experimentais recentes tornaram possível revisitar estimativas de ordem de magnitude como aquelas dadas acima com base em representações de volume de sinapses como as mostradas na Figura 3. Com base em tais experimentos, começamos a obter uma visão estrutural multiescala das conexões entre neurônios diferentes. Além disso, esses mapas estão fornecendo uma visão cada vez mais específica da diversidade química encontrada nas sinapses. Isto é, dependendo de qual tipo específico de célula está sendo considerado, o complemento de proteínas presentes na região da sinapse será diferente. Na escala das sinapses individuais, uma visão de perto da caixa de aproximadamente 1 μm na qual a maioria das sinapses se encaixa está agora disponível. Tanto a microscopia eletrônica clássica quanto suas extensões tomográficas tridimensionais pintam um belo quadro de sinapses com seu complemento de vesículas sinápticas. Usando técnicas tomográficas e uma combinação de microscopia de luz e eletrônica, os cientistas mapearam a rica rede de conexões entre os neurônios, incluindo seus complementos de vesículas sinápticas. As Figuras 1 e 2 mostram várias visões diferentes das distribuições dessas sinapses de tamanho mícron em neurônios individuais. Na verdade, a Figura 2C dá uma imagem quantitativa precisa da gama de tamanhos sinápticos no cérebro. Para ter uma noção da escala, o leitor é convidado a lembrar o tamanho de uma bactéria com seu volume de ≈1 μm 3, o que significa que cada uma dessas sinapses tem aproximadamente o tamanho de uma bactéria (BNID 111086).

Para entender melhor a conexão íntima entre estrutura e função nas células do sistema nervoso, considere os processos que ocorrem quando lemos um livro. Primeiro, os fótons refletidos da página são absorvidos pela rodopsina nos fotorreceptores de nossos olhos. Essa absorção de fótons resulta em uma cascata de sinal no fotorreceptor da retina, que culmina na liberação de neurotransmissores na sinapse. Especificamente, as vesículas sinápticas se fundem com a membrana da célula pré-sináptica, como mostrado nas Figuras 1C e 2A (embora a imagem microscópica na Figura 1 mostre uma junção neuromuscular e não a sinapse de um fotorreceptor) e liberam 10 3 -10 4 neurotransmissor moléculas de cada vesícula (BNID 108622, 108623, 102777). Os neurotransmissores comuns são o glutamato, usado em cerca de 90% das sinapses (BNID 108663), bem como a acetilcolina e o GABA, que são embalados em alta concentração de 100-200 mM nas vesículas sinápticas (BNID 102777). Cada vesícula tem cerca de 10 -5 μm 3 em volume (BNID 102776), então nossa regra de que a concentração de 1 nM em 1 μm 3 é cerca de 1 molécula nos permite verificar que existem de fato cerca de 1000 moléculas de neurotransmissores por vesícula. Essas moléculas então se difundem na fenda sináptica e ligam-se a receptores na superfície da célula pós-sináptica. O sinal que se propaga para o nosso cérebro é transportado por potenciais de ação elétrica dentro dos neurônios e retransmitido de um neurônio para o outro por eventos de fusão sináptica semelhantes. A liberação da vesícula é desencadeada por 10 2 -10 4 íons Ca 2+ (BNID 103549). A energia gasta por liberação de vesícula foi estimada em cerca de 10 5 ATP / vesícula (BNID 108667). As sinapses são apagadas em cerca de 1 ms, preparando o caminho para a comunicação futura. A eliminação rápida é essencial, pois os disparos neuronais podem atingir taxas de mais de 100 vezes por segundo (BNID 107124), embora a taxa média de disparo seja estimada em 1-10 Hz no córtex (BNID 108670). O atraso criado pelo tempo que um neurotransmissor leva para se difundir pela fenda sináptica (não desenhado em escala no esquema da Figura 1) faz parte do tempo de resposta dos humanos a qualquer reflexo ou ação neural de qualquer tipo. Convenientemente, leva menos de 1 ms para atravessar a divisão sináptica de 20-40 nm (BNID 100721, 108451), pois o leitor pode verificar facilmente após ler a vinheta em “Quais são as escalas de tempo para difusão nas células?”. Curiosamente, isso pode ser comparado ao tempo que leva para o potencial de ação se propagar por um nervo que está na escala de tempo ms, conforme discutido na vinheta “Com que velocidade os sinais elétricos se propagam nas células?”.


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Ciência

Vol 287, Edição 5454
04 de fevereiro de 2000

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Por Matthijs Verhage, Ascanio S. Maia, Jaap J. Plomp, Arjen B. Brussaard, Joost H. Heeroma, Hendrika Vermeer, Ruud F. Toonen, Robert E. Hammer, Timo K. van den, Berg, Markus Missler, Hans J . Geuze, Thomas C. Südhof

Ciência 04 de fevereiro de 2000: 864-869


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