Нейроны связаны друг с другом через синапсы, места, где сигналы передаются в виде химических мессенджеров. Райнхард Ян, директор Института биофизической химии Макса Планка в Геттингене, точно исследовал, как работает этот процесс.
Наша нервная система состоит из около 100 миллиардов связанных нейронов, способных выполнять сложные вычисления. Каждый нейрон имеет антенную зону, состоящую из тела клетки и ее расширений (дендритов). Именно здесь он получает сигналы от других нейронов.
Одна ячейка говорит, другая слушает
Затем сигналы вычисляются и пересылаются "кабель", аксон в виде электрических импульсов. В эмиттерной области аксон разветвляется, образуя участки контакта, известные как синапсы, где сигналы передаются другим нейронам (рис. 1). В синапсе электрические импульсы, поступающие от аксона, преобразуются в химические сигналы. Информация тогда течет только в одном направлении: одна ячейка говорит, другая слушает. Количество синапсов, которые может развить один нейрон, значительно варьируется. В зависимости от типа нейрон может иметь от одного до более 100000 синапсов. В среднем каждый нейрон имеет около 1000 синапсов.
Синапсы – элементарные единицы передачи нейронной информации
Синапсы состоят из
Пресинаптические нервные окончания содержат сигнальные молекулы, известные как нейротрансмиттеры, которые хранятся в небольших мембранных пузырьках. Каждое нервное окончание в центральной нервной системе содержит в среднем несколько сотен синаптических пузырьков. Однако синапсы значительно различаются. Например, некоторые специализированные синапсы содержат более 100 000 везикул. Они включают синапсы, которые контролируют наши мышцы. В каждом синапсе несколько пузырьков всегда находятся в исходном положении, "скрывающийся", как бы на пресинаптической плазматической мембране, к которой они пристыковались.
Молекулярные машины в действии
Электрический сигнал, поступающий на нервное окончание, активирует кальциевые каналы в плазматической мембране. Ионы кальция извне затем проходят через каналы внутрь синапса. Там поступающие ионы кальция сталкиваются и активируют молекулярный механизм, расположенный между мембраной везикул и плазматической мембраной. Эта машина заставляет мембраны везикул в исходном положении сливаться с плазматической мембраной и высвобождать нейротрансмиттеры, содержащиеся в везикулах, в синаптическую щель.
На другой стороне синаптической щели нейромедиаторы вступают в контакт с участками стыковки на мембране принимающего нейрона, которые регулируют электрические свойства этой мембраны. Это изменяет электрическое сопротивление мембраны. Принимающая ячейка способна быстро обработать возникающее изменение потенциала. Между приходом импульса и потенциальным изменением на другой стороне синаптической щели проходит всего около одной тысячной секунды. Фактически, синаптическая передача – один из самых быстрых известных биологических процессов. Тем не менее, по сравнению с транзистором, он очень медленный.
Синаптические везикулы: не только хранящие органеллы
Синаптический пузырь – это не просто мембраносвязанный "резервуар" для нейромедиаторов. Его мембрана содержит целый ряд белков, которые практически не изменились за миллионы лет эволюции. Группа этих белков, переносчики нейротрансмиттеров, ответственны за перекачку нейромедиаторов из цитоплазмы в пузырьки, где они накапливаются. Этот процесс требует большого количества энергии, которое обеспечивается другой белковой молекулой, протонной АТФазой (V-АТФаза), которая перекачивает протоны в везикулы – процесс, подпитываемый аденозинтрифосфатом (АТФ). Насосы, в свою очередь, используют полученный градиент концентрации для поглощения нейромедиаторов.
Помимо этих белков, необходимых для "пополнение", мембраны синаптических везикул содержат другие компоненты, которые позволяют везикулам сливаться с плазматической мембраной (включая синаптобревин белка SNARE и синаптотагмин сенсора кальция). После слияния мембран они возвращаются обратно в нервное окончание. Затем синаптические пузырьки возвращаются обратно в нервное окончание через несколько промежуточных этапов и наполняются нейротрансмиттерами. Этот процесс повторяется снова и снова, тысячи раз в жизненном цикле пузырька.
Процесс, посредством которого синаптические везикулы функционируют на молекулярном уровне, сложен. Несколько лет назад мы создали исчерпывающий перечень всех компонентов везикул. Поскольку везикулы крошечные и сложные по составу, это мероприятие было непростым. Несколько команд из Германии, Японии, Швейцарии и США годами сотрудничали, чтобы идентифицировать белковые и жировые компоненты везикул и разработать количественную молекулярную модель стандартной везикулы.
Во-первых, необходимо было решить проблемы, которые не были такими простыми, как можно было бы предположить, например, подсчет количества везикул в растворе и определение количества присутствующих белков и мембранных липидов. Результаты удивили даже экспертов. Оказалось, что структура биологической транспортной везикулы в гораздо большей степени формируется белками, чем считалось ранее: если посмотреть на модель везикул снаружи, липидная мембрана (желтая) едва видна из-за большого количества белков. Тем не менее, модель содержит только около 70 процентов от общего количества присутствующего белка.
Эта работа послужила основой для дальнейших исследований. Тем временем стало возможным различать везикулы, транспортирующие различные нейромедиаторы друг от друга, и сравнивать их. Вопреки тому, что считалось, они лишь незначительно различаются по своему составу. Кроме того, были изолированы различные везикулы, которые уже пристыковались к плазматической мембране, что позволило также проанализировать их белковый состав.
Как сливаются мембраны?
Вторая цель исследования – получить представление о функциональных деталях белковой машины, ответственной за слияние мембран. Участвующие в этом белки были охарактеризованы более десяти лет, но до сих пор не ясно, как им удается объединить мембраны менее чем за одну миллисекунду после притока ионов кальция.
Белки SNARE – небольшие белковые молекулы, которые находятся в плазматической мембране и мембране везикул – отвечают за сам процесс слияния. Всякий раз, когда мембраны приближаются друг к другу, белки складываются друг на друга, скручиваясь вместе, как веревки, в направлении мембраны (рис. 3).
Этот процесс укладки высвобождает энергию, которая используется для сплавления мембран. Недавние исследования показали, что скрученные пучки проникают в мембрану.
Чтобы понять, как это наложение приводит к слиянию мембран, белки SNARE были включены в искусственные мембраны, что можно было наблюдать с помощью методов высокого разрешения, таких как криоэлектронная микроскопия. Впервые выявлены промежуточные стадии реакции синтеза. Это позволило разработать модель отдельных шагов на молекулярном уровне.
Также был достигнут прогресс в вопросе о том, как поступающие ионы кальция активируют термоядерную машину. Это опосредуется другим белком в мембране синаптических везикул, синаптотагмином, который связывает ионы кальция, а затем сближает мембраны.
Несмотря на значительный прогресс, сложные молекулярные процессы до сих пор полностью не изучены. Тем более удивительно, насколько плавно нейроны взаимодействуют друг с другом и насколько эффективно механизм слияния работает в синапсе, воздействуя на каждое наше движение, эмоцию и мысль. Поэтому ученые всего мира продолжают сосредотачиваться на термоядерной машине, чтобы лучше понять эти процессы. Есть обоснованная надежда, что такие знания также улучшат наше понимание нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, Альцгеймера и Хантингтона.