В головном мозге нейроны взаимодействуют через нейротрансмиттеры, которые запускают электрические сигналы в нижестоящих нейронах, связывая и активируя определенные рецепторы. Нейротрансмиттеры высвобождаются в результате слияния синаптических пузырьков, содержащих большое количество нейротрансмиттеров.
Ученые из Института молекулярной и клеточной физиологии Forschungszentrum Jülich и Университета Южной Флориды изучили, как синаптические пузырьки накапливают нейротрансмиттер глутамат , и разработали математическую модель синаптического пузырька, описывающую эти процессы. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications .
Уникальная вычислительная производительность нашего мозга основана на быстрой и высокочастотной связи между нейронами. Синаптическая передача высокой частоты требует постоянной регенерации синаптических пузырьков. Для этого из плазматической мембраны инвагинируют незрелые синаптические пузырьки , которые заполняются специализированными транспортерами нейромедиаторов.
Везикулы изначально содержат тот же солевой раствор, что и внеклеточное пространство , с высокими концентрациями хлорида (Cl- ) и натрия (Na + ). Для глутаматергических синаптических везикул необходимо удалить ионы хлорида , чтобы эффективно обогатить везикулу глутаматом, который также заряжен отрицательно. Обе эти задачи выполняет один и тот же белок — везикулярный транспортер глутамата. Ученые из Юлиха использовали электрофизиологические методы для подробного изучения того, как это происходит.
Научные результаты
Они смогли показать, что везикулярные переносчики глутамата переносят не только глутамат, но и фактически все протестированные анионы. Однако транспорт глутамата отличается от других анионов по своему механизму: каждая молекула глутамата обменивается на протон. Этот транспорт медленный, но позволяет транспортировать глутамат против градиента его концентрации и, таким образом, создавать высокие концентрации в синаптических везикулах.
Аспартат и другие большие анионы транспортируются медленно, но без связи с протонным градиентом. Ионы хлорида диффундируют через ионную пору со скоростью в 300 раз быстрее, чем глутамат. Все процессы регулируются значением рН со стороны просветной мембраны и напряжением мембраны. Они неактивны при нейтральном значении pH и требуют напряжения, чтобы стать активными.
После образования синаптические везикулы принимают нейтральное значение рН. Подкисление протонными насосами активирует переносчик, обеспечивая быстрый выход ионов Cl — и эффективную деполяризацию везикул. Это создает оптимальные условия для протонно-глутаматного обмена. По этой причине внутри пузырька накапливается только глутамат, а не очень похожий на него аспартат. Профессор Ганим Улла из Университета Южной Флориды создал математическую модель, которая правильно описывает все экспериментальные данные о накоплении глутамата в синаптических пузырьках.
Результаты дают важные новые сведения о молекулярных основах функции мозга. Они также могут помочь разработать новые терапевтические концепции для таких заболеваний, как инсульт или некоторые нейродегенеративные заболевания , при которых повышенная концентрация внеклеточного глутамата вызывает гибель нейронов.
