Везикула – определение, виды и функции
Определение пузырьков
Везикулы представляют собой отсеки, образованные липидный бислой отделяя его содержимое от цитоплазма или внеклеточная среда на основе жидкости. Они могут содержать жидкости или газы и выполнять широкий спектр функций в клетках по всему живому миру от регулирования плавучести до выделения гормонов.
Слово «пузырек» происходит от латинского слова vesicula, означающего «маленький пузырь», и может также относиться к пузырькам в теле или пузырькам газа в вулканических породах.
Примеры везикул
Везикулы находятся в бактерии, Archea и растения, а также у животных. В каждом клетка они имеют различную функцию, и одна и та же клетка может иметь разные типы пузырьков, участвующих в различных ролях
Вакуоли
Размер и количество вакуолей может варьироваться в зависимости от потребностей клетки. Животные вакуоли обычно являются частью более крупных движений внутри клетки, таких как экзоцитоз или эндоцитоз.
Сократительные вакуоли
Синаптические везикулы
Синаптические везикулы обнаруживаются на терминальном конце аксонов в нервных клетках (нейронах) и содержат нейротрансмиттеры – небольшие молекулы, участвующие в передаче электрохимических сигналов от одной клетки к другой. Эти структуры сливаются с плазматическая мембрана нейрона в ответ на быстрое изменение электрического мембранного потенциала. Это высвобождает нейротрансмиттеры в синаптическую щель, узкую область, разделяющую два нейрона. Нейротрансмиттеры затем связываются и активируют рецепторы в следующем или постсинаптическом нейроне, генерируя потенциал действия, который затем передается по длине этого нейрона.
Синаптические везикулы маленькие, около 40 нм в диаметре и содержат два типа белков на своих мембранах. Первыми являются протонные насосы, которые позволяют избирательно поглощать нейротрансмиттеры. Другая группа занимается транспортом везикул к мембране и рециркуляцией нейротрансмиттеров.
Типы везикул
Везикулы могут быть классифицированы на основе различных факторов, от функции до места и характера их груза. В зависимости от их функции они могут быть сгруппированы как лица, участвующие в транспортировке, пищеварении, защите, секреция или осморегуляция. Они также могут быть классифицированы как внутриклеточные или внеклеточные везикулы в зависимости от того, где они находятся. Наконец, хотя большинство из них содержат жидкости, некоторые микроорганизмы также используют газовые пузырьки для оптимизации фотосинтез и регулировать плавучесть.
Газовые пузырьки
Газовые пузырьки – это структуры, наблюдаемые в архее и во многих водных видах, которые, возможно, позволяют микробу подниматься или опускаться в толще воды, чтобы найти оптимальные условия для выживания и фотосинтеза. Газовый пузырь также позволяет клетке размещать фотосинтетические пигменты близко к поверхности клетки, около мембраны. Эти структуры необычны, потому что они образованы чисто мембраной на основе белка, которая не имеет липидного компонента. Тем не менее, эти белки чрезвычайно гидрофобный и поэтому может создавать барьер между содержимым цитоплазмы и секвестрированными газами.
Эти структуры, также известные как экзосомы, находятся в внеклеточной жидкости почти всех эукариот. Они участвуют в межклеточной передаче сигналов и содержат крупные биополимеры и иногда даже генетический материал. Фактически, они используются в сигнальных путях по всему живому миру, от бактерий, использующих экзосомы для передачи генетического материала млекопитающим, используя его для презентации антигена и созревания иммунных клеток. Они играют роль в росте и развитии клеток, а также в контролируемой гибели клеток, также известной как апоптоз, Экзосомы также имеют решающее значение для удаления цитоплазматических отходов и удаления белков плазматической мембраны.
Внутриклеточные везикулы, участвующие в пищеварении
Лизосомы представляют собой небольшие структуры, наблюдаемые в клетках животных, которые заполнены пищеварительными ферментами. Они могут сливаться с другими мембранными структурами, а комбинированный пузырь может действовать как пищеварительная органелла. Лизосомы могут сливаться с пищевыми вакуолями в одноклеточных организмах, таких как амеба, или в эндоцитарных пузырьках, содержащих патогены, которые поглощаются клетками иммунной системы.
лизосома содержит внушительный арсенал ферментов, которые действуют как гидролазы – они катализируют расщепление макромолекул за счет добавления воды. Эти ферменты работают при более низком pH, чем цитоплазма, и могут Hydrolyze нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды, которые все являются полимерами, образующимися в результате реакции дегидратации. Интересно, что сама лизосома защищена от своих собственных мощных ферментов, потому что большинство ее мембранных белков сильно гликозилированы с добавлением нескольких молекул сахара. В случае случайного разрыва лизосомы нейтральный рН цитоплазмы замедляет действие этих ферментов и защищает клетку от длительного повреждения.
Изображение показывает, что бактерии поглощаются амебой, которая затем переваривает ее и использует аминокислоты и простые углеводы для подпитки своей деятельности. Отработанный материал удаляется экзоцитозом, когда везикула сливается с клеточной мембраной.
На этом изображении фагоцитоз иммунной клеткой показано. Первоначально патоген распознается и поглощается, образуя структуру, называемую фагосомой. Лизосома сливается с фагосомой, а ферменты в лизосоме расщепляют микроб. Макрофаги – это выделенные фагоциты иммунной системы, которые могут поглощать и переваривать все – от клеточного дебриса и мелких патогенов до крупных раковых клеток с аномальными антигенами на их поверхности.
Внутриклеточные транспортные везикулы
Везикулы также участвуют в транспортировке материалов из одной части клетки в д��угую. Например, белки, синтезированные в шероховатой эндоплазматической сети избирательно отправляются в пузырьки, которые становятся частью обширной сети Гольджи.
Оказавшись внутри сети Гольджи, эти белки модифицируются и отправляются по назначению на основе сигналов в их аминокислотной последовательности. Некоторые гидролитические ферменты попадают в лизосому, тогда как другие везикулы сливаются с плазматической мембраной и доставляют мембранные белки. Эти транспортные везикулы также важны для транспортировки гидрофобных липидных частиц через водную цитоплазму.
Внутриклеточные секреторные везикулы
В сети Гольджи создается еще один класс везикул, и это везикулы, несущие груз, который необходимо секретировать. Это могут быть белки и углеводы, которые необходимы для формирования внеклеточный матрикс или ферменты, кофакторы, гормоны и пептиды, которые действуют вне клетки и транспортируются кровь или лимфа, Например, секреторные пузырьки из клеток фибробластов высвобождают гликопротеины, коллагены и другие волокнистые материалы, образуя внеклеточный матрикс. Клетки в кости секретируют минералы и матричные белки, в то время как хрящ клетки (хондроциты) участвуют в секреции гликозаминогликанов и протеогликанов. Эти выделения продолжаются постоянно, без каких-либо внешних сигналов. Синаптические везикулы, однако, являются примерами везикул, которые сливаются с плазматической мембраной в ответ на сигнал потенциала действия. Другими примерами являются клетки, которые выделяют гормоны, ферменты или слизь.
Функции везикул
Как видно из различных типов везикул, они могут участвовать в плавучести и оптимизировать фотосинтез (газовые везикулы), межклеточную передачу сигналов и обмен веществ (экзосомы), внутриклеточное пищеварение (лизосомы), транспорт и секрецию (везикулы, возникающие из сети Гольджи). Он может перевозить грузы любого типа, от крупных апоптотических пузырьков и патогенов до биополимеров, а также отходов. Они необходимы для формирования и поддержания плазматической мембраны, внеклеточного матрикса и внутренней цитоплазматической структуры. Везикулы также имеют решающее значение для функционирования клеток, участвующих во внеклеточном пищеварении, таких как выстилающие пищеварительные органы, такие как слюнные железы, Наконец, организм поддерживает гомеостаз координируя действия различных органов через свою нервную и эндокринную системы. Оба эти орган Системы нуждаются в правильном функционировании везикулярной сети для выполнения своих задач.
викторина
1. Какой из этих пузырьков участвует в осморегуляции?A. Газовый пузырьB. Сократительная вакуольC. лизосомаD. Синаптическая везикула
Ответ на вопрос № 1
В верно. Сократительные вакуоли особенно важны для осморегуляции одноклеточных животных в пресноводных средах. Они забирают лишнюю воду из цитоплазмы и периодически выталкивают ее, тем самым защищая клетку от осмотического стресса. Газовая везикула участвует в оптимизации фотосинтеза и регуляции плавучести, тогда как лизосома – это прежде всего органелла, участвующая во внутриклеточном пищеварении. Синаптические везикулы обнаруживаются в основном в нейронах и участвуют в передаче сигнала от одной нервной клетки к другой.
2. Какова роль синаптического пузырька в передаче сигналов по нейрону?A. Секвестр нейротрансмиттеров и высвобождение их в синаптическую щельB. Переработка нейротрансмиттеровC. Избирательное поглощение нейротрансмиттеров с использованием протонных насосовD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 2
D верно. Все это функции синаптических везикул. Они содержат протонные насосы на своей мембране, которые позволяют им избирательно концентрировать нейротрансмиттеры внутри них, и участвуют как в высвобождении нейротрансмиттеров в синаптическую щель, так и в их повторный захват и рециркуляцию.
3. Какие из этих клеток выделяют материал исключительно в ответ на внешние раздражители?A. Хондроциты, выделяющие материал для формирования хрящевой матрицыB. Остеобласты, секретирующие минералы и белкиC. Ферменты, выделяющие слюнные железыD. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 3
С верно. Слюнные железы стимулируют выделение ферментов в ответ на присутствие пищи во рту. Хондроциты и остеобласты могут выделяться конститутивно, без необходимости внешнего раздражителя.
Везикулы
Везикула — в цитологии — это относительно маленькие внутриклеточные органоиды, мембрано-защищенные сумки, в которых запасают или транспортируют питательные вещества. Везикула отделена от цитозоля минимальным липидным слоем. Мембрана везикулы отгораживает ее от цитоплазмы схожим образом, как цитоплазматическая мембрана отгораживает клетку от внешней среды (порой агрессивной, с другим давлением, и пр.). Когда они отделены от цитоплазмы всего одним липидным слоем, везикулы называются однопластинчатыми. Так как везикула отгорожена от цитоплазмы, внутривезикулярные вещества могут быть совершенно иными, чем цитоплазматические. Везикула может присоединиться к внешней мембране, сплавиться с ней и выпустить свое содержимое в пространство вне клетки. Так может происходить процесс выделения. Везикула — это базисный инструмент клетки, обеспечивающий метаболизм и транспорт вещества, хранение ферментов также как настоящий химически инертный отсек. Также везикулы играют роль в поддержании плавучести клетки. [1] Некоторые везикулы способны образовываться из частей плазматической мембраны.
Содержание
Виды везикул
Транспортировка
Смотри также
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Везикулы» в других словарях:
ВЕЗИКУЛЫ — Пузырьки в разветвлениях дыхательного горла и легких. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. везикулы (лат. vesicula) мед. 1) пузырьки на коже, сыпь; 2) образования в организме человека и животных, имеющие … Словарь иностранных слов русского языка
везикулы — образования в живой клетке, имеющие вид пузырьков различного размера, отграниченных от цитоплазмы мембраной. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) … Словарь микробиологии
везикулы — вез икулы, ул, ед. ч. ула, ы … Русский орфографический словарь
ВЕЗИКУЛЫ — 1. Округлые вздутия мицелия гриба, проникающего в клетки корня высшего растения при образовании микоризы (напр., видов рода Endogone с земляникой, яблоней, томатами, салатом, пшеницей). 2. Вздутия и выпячивания на пыльцевых зернах. 3. Сферические … Словарь ботанических терминов
Химический синапс — Химический синапс особый тип межклеточного контакта между нейроном и клеткой мишенью. У данного типа синапса роль посредника (медиатора) передачи выполняет химическое вещество. Состоит из трёх основных частей: нервного окончания с… … Википедия
Экзоцитоз — в синапсе: передача сигнала от нейрона А к нейрону B. 1. Митохондрия 2. Синаптическая везикула с нейромедиатором 3. Ауторецептор 4. Синап … Википедия
Экзоцитозный пузырек — Экзоцитоз в синапсе: передача сигнала от нейрона А к нейрону B. 1. Митохондрия 2. Синаптическая везикула с нейромедиатором 3. Ауторецептор 4. Синапс с выделенным нейромедиатором. 5. Постсинаптический рецептор, активируемый нейромедиатором 6.… … Википедия
Везикула — Схема, показывающая цитоплазму, вместе с её компонентами (или органеллами), в типичной животной клетке. Органеллы: (1) Ядрышко (2) Ядро (3) … Википедия
Патологическая анатомия глоссита, хейлита и стоматита — Из воспалительных поражений тканей орофациальной области наиболее часто встречаются глоссит, хейлит и стоматит. Сочетанное поражение слизистой оболочки полости рта и кожи называется дерматостоматитом. Содержание 1 Типовые элементы поражения… … Википедия
Патологическая анатомия вирусных детских инфекций — Среди вирусных детских инфекций особое значение имеют корь, полиомиелит, эпидемический паротит, ветряная оспа и инфекционный мононуклеоз. Первые три относятся к РНК вирусным заболеваниям; ветряную оспу и инфекционный мононуклеоз вызывают ДНК… … Википедия
Замкнутая структура, образованная амфифильными молекулами, содержащими растворитель (обычно воду).
СОДЕРЖАНИЕ
Типы везикулярных структур
Вакуоли
Лизосомы
Транспортные везикулы
Секреторные пузырьки
Внеклеточные везикулы
Различные типы электромобилей могут быть разделены на основе плотности (путем градиентно- дифференциального центрифугирования ), размера или маркеров поверхности. Однако подтипы EV имеют перекрывающиеся диапазоны размера и плотности, и уникальные для подтипа маркеры должны устанавливаться для каждой ячейки. Следовательно, трудно точно определить путь биогенеза, который вызвал конкретный EV после того, как он покинул клетку.
У грамотрицательных бактерий ЭВ производятся путем отщипывания внешней мембраны; однако, как ЭВ избегают толстых клеточных стенок грамположительных бактерий, микобактерий и грибов, до сих пор неизвестно. Эти электромобили содержат разнообразный груз, включая нуклеиновые кислоты, токсины, липопротеины и ферменты, и играют важную роль в физиологии и патогенезе микробов. Во взаимодействиях хозяин-патоген грамотрицательные бактерии продуцируют везикулы, которые играют роль в создании ниши колонизации, переносят и передают факторы вирулентности в клетки-хозяева и модулируют защиту и ответ хозяина.
Было обнаружено, что океанические цианобактерии непрерывно выделяют везикулы, содержащие белки, ДНК и РНК, в открытый океан. Везикулы, несущие ДНК различных бактерий, многочисленны в образцах морской воды в прибрежных водах и в открытом океане.
Другие типы
Формирование и транспорт
Некоторые пузырьки образуются, когда часть мембраны отрывается от эндоплазматической сети или комплекса Гольджи. Другие образуются, когда объект вне клетки окружен клеточной мембраной.
Оболочка везикул и молекулы груза
«Оболочка» везикул представляет собой набор белков, которые служат для формирования кривизны донорной мембраны, формируя округлую форму везикулы. Белки оболочки также могут связываться с различными трансмембранными рецепторными белками, называемыми грузовыми рецепторами. Эти рецепторы помогают выбрать, какой материал подвергается эндоцитозу при рецепторно-опосредованном эндоцитозе или внутриклеточном транспорте.
Стыковка везикул
Поверхностные белки, называемые SNARE, идентифицируют груз везикулы, а дополнительные SNARE на мембране-мишени действуют, вызывая слияние везикулы и мембраны-мишени. Предполагается, что такие v-SNARES существуют на мембране везикул, тогда как дополнительные на мембране-мишени известны как t-SNAREs.
Часто SNARE, связанные с везикулами или мембранами-мишенями, вместо этого классифицируются как SNARE Qa, Qb, Qc или R из-за большей вариабельности, чем просто v- или t-SNARE. Множество различных комплексов SNARE можно увидеть в разных тканях и субклеточных компартментах, 36 изоформ в настоящее время идентифицированы у людей.
Считается, что регуляторные Rab- белки проверяют соединение SNARE. Белок Rab является регуляторным GTP-связывающим белком и контролирует связывание этих комплементарных SNARE в течение достаточно длительного времени, чтобы белок Rab гидролизовал связанный с ним GTP и закрепил везикулу на мембране.
Слияние пузырьков
При подавлении рецепторов
Подготовка
Изолированные пузырьки
Везикулы в основном используются в двух типах исследований:
Искусственные везикулы
Везикула
Вези́кула — в цитологии — это относительно маленькие внутриклеточные органоиды, мембрано-защищенные сумки, в которых запасаются или транспортируются питательные вещества. Везикула отделена от цитозоля минимальным липидным слоем. Мембрана везикулы отгораживает ее от цитоплазмы схожим образом, как цитоплазматическая мембрана отгораживает клетку от внешней среды (порой агрессивной, с другим давлением, и пр.). Когда они отделены от цитоплазмы всего одним липидным слоем, везикулы называются однопластинчатыми. Так как везикула отгорожена от цитоплазмы, внутривезикулярные вещества могут быть совершенно иными, чем цитоплазматические. Везикула может присоединиться к внешней мембране, сплавиться с ней и выпустить свое содержимое в пространство вне клетки. Так может происходить процесс выделения. Везикула — это базисный инструмент клетки, обеспечивающий метаболизм и транспорт вещества, хранение ферментов также как настоящий химически инертный отсек. Также везикулы играют роль в поддержании плавучести клетки. [1] Некоторые везикулы способны образовываться из частей плазматической мембраны.
Виды везикул
См. также
Примечания
Полезное
Смотреть что такое «Везикула» в других словарях:
везикула — сыпь, пузырек Словарь русских синонимов. везикула сущ., кол во синонимов: 2 • пузырек (13) • сыпь … Словарь синонимов
ВЕЗИКУЛА — (лат. vesicula пузырек) элемент кожной сыпи полушаровидный пузырек с прозрачным или мутноватым содержимым … Большой Энциклопедический словарь
ВЕЗИКУЛА — ВЕЗИКУЛА, небольшой пузырек в ПРОТОПЛАЗМЕ КЛЕТКИ, обычно содержащий серозную жидкость. см. также АППАРАТ ГОЛЬДЖИ … Научно-технический энциклопедический словарь
везикула — ы, ж. (лат. vēsīcula пузырек). мед. Элемент кожной сыпи полушаровидный пузырек с прозрачным и мутноватым содержанием. || Ср. папула, розеола. Толковый словарь иностранных слов Л. П. Крысина. М: Русский язык, 1998 … Словарь иностранных слов русского языка
везикула — Маленький мембранный органоид эукариотической клетки [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN vesicle … Справочник технического переводчика
везикула — Небольшая округлая или овальная полость в минерале или горной породе, особенно в вулканическом стекле, образованная при замыкании пузырьков пара или газа в расплавленной массе по мере ее застывания … Словарь по географии
везикула — ы; ж. [лат. vesicula пузырёк] Мед. 1. Элемент кожной сыпи в виде пузырька. 2. Образование в виде пузырька в организме человека и животных. * * * везикула (лат. vesicula пузырёк), элемент кожной сыпи полушаровидный пузырёк с прозрачным или… … Энциклопедический словарь
везикула — (лат. vesicula уменьшит. от vesica пузырь; син. пузырек) первичный морфологический элемент сыпи в виде пузырька (до 5 мм в диаметре), наполненного серозным экссудатом … Большой медицинский словарь
везикула — первичный морфологический элемент сыпи в виде пузырька с серозным, экссудатом. Источник: Медицинская Популярная Энциклопедия … Медицинские термины
везикула — везикула, везикулы, везикулы, везикул, везикуле, везикулам, везикулу, везикулы, везикулой, везикулою, везикулами, везикуле, везикулах (Источник: «Полная акцентуированная парадигма по А. А. Зализняку») … Формы слов
В полном объеме: синаптические везикулы в трехмерной модели синапса
Тонкое строение синаптических везикул является ключом к пониманию работы внутриклеточного мембранного транспорта
Автор
Редакторы
Синаптические везикулы обеспечивают связь между нейронами, а значит, их изучение является необходимым для понимания того, как функционирует нервная система. Кроме того, везикулы являются моделью для изучения общих для всех клеток механизмов клеточного транспорта. Новая трехмерная модель синапса включает 300 тысяч белков в атомарном разрешении. Эта подробная модель открывает новые возможности для изучения тонких механизмом работы синаптических везикул.
По приблизительным оценкам, в среднем в эукариотической клетке содержится 7,9×10 9 молекул белков [1]. Удивительно, но такое огромное число молекул не ведет к хаосу и неразберихе, а обеспечивает точное выполнение всех клеточных функций, в которых у каждой молекулы есть свои место и задача. Благодаря подробному изучению различных клеточных процессов и молекулярных путей, ученые проникают все глубже в понимание тонкой клеточной организации. Важное место в таких исследованиях занимает исследование работы синаптических пузырьков (везикул), ведь они не только являются основой функционирования нашей нервной системы, но и представляют собой модель для изучения общих принципов мембранного транспорта. Не даром в 2013 году за исследования везикулярного транспорта вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине [2]!
Синаптические везикулы — это маленькие мембранные пузырьки, находящиеся в синаптических окончаниях нейронов (особые расширения на концах нейронных отростков, обеспечивающие связь между нейронами). Синаптические везикулы заполнены медиаторами — химическими веществами, которые изменяю работу нейронов. Когда везикулы сливаются с мембраной синаптического окончания, медиатор попадает в щель между синаптическими окончаниями двух нейронов и таким образом передает сигнал от одного нейрона к другому. Благодаря тому, что все синаптические везикулы сконцентрированы в синаптических окончаниях, их легко выделять из изучаемых тканей для анализа. Поэтому именно судьба синаптических везикул — это один из самых хорошо изученных сейчас клеточных путей.
Известно, что он состоит из трех этапов. Сначала пузырек прикрепляется к специальному участку синаптической мембраны — активной зоне (этот этап называется докинг). Потом он подготавливается к слиянию с синаптической мембраной (прайминг) и, в конце концов, сливается с ней, высвобождая медиатор в синаптическую щель (экзоцитоз). Параллельно на синаптической мембране происходит эндоцитоз с образованием пузырька, который постепенно обеспечивается всеми необходимыми молекулами и медиатором для восполнения запаса везикул.
Для того, чтобы более полно описать работу синаптической везикулы и синаптичсекого окончания, необходимо подробно изучить ее молекулярное строение и белковый состав. Первая модель синаптического пузырька с атомным разрешением появилась еще семь лет назад [3]. В этой работе ученым удалось изучить некоторые особенности устройства везикулы, — например, они обнаружили, что белковые молекулы занимают около 20% поверхности мембраны везикулы, и при этом липидные компоненты мембраны представлены, по больше части, «жесткими» малоподвижными липидами. Новая работа ученых из Гёттингена позволила дополнить эти данные и подробно охарактеризовать соотношение различных белковых молекул внутри синаптического пузырька [4].
Группа исследователей под руководством Силвио Риццоли использовала комплексный подход, объединив количественный иммуноблоттинг, масс-спектрометрию, электронную микроскопию и флуоресцентную микроскопию высокого разрешения, что позволило им охарактеризовать не только количество разных белков в везикулах и в цитоплазме вокруг них, но и их расположение внутри синаптического окончания. На первом этапе своего исследования они выделили синаптические окончания из образцов мозга крысы. Сделать это можно с помощью центрифугирования в градиенте полисахарида (в данной работе был использован синтетический полисахарид Ficoll, но подобный эксперимент можно провести и с обыкновенной сахарозой).
Разные компоненты клетки имеют разную плотность, поэтому, если разрушенные клетки (гомогенат) поместить в пробирку с несколькими слоями растворов сахара разной концентрацией и начать вращать на центрифуге, органеллы распределяться по этим слоям, выбирая слой с близкой плотностью. При разрушении нервных клеток синаптические окончания отрываются от нейронных отростков и образуют так называемые синаптосомы, которые можно обнаружить в слое с 9% концентрацией полисахарида Ficoll (рис. 1). Полученный образец синаптосом исследователи, прежде всего, изучили с помощью электронного микроскопа. Это помогло охарактеризовать пространственные параметры синаптосом: их размер, количество синаптических пузырьков в одной синаптосоме, объем этих пузырьков.
Рисунок 1. Синаптосомы. а — Схема приготовление препарата синаптосом. б — Реконструкция синаптосомы по электронным микрофотографиям. Красным отмечена активная зона, темно-бежевым — синаптические везикулы, темно-серым — более крупные органеллы, розовым — митохондрия.
Убедившись, что процедура выделения синаптосом не изменила содержащееся в них количество белков, ученые вычислили концентрацию 62 различных белков с помощью количественного иммуноблоттинга. Суть этого метода заключается в сравнении количества каждого из белков в экспериментальном образце и в контрольных образцах с заранее известной концентрацией белка. Полученные результаты хорошо согласовывались с более ранними исследованиями. Отклонение было обнаружено только для белка SV2 (synaptic vesicle 2): в данном исследовании его количество было оценено как 12 копий на один синаптический пузырек, тогда как в других исследованиях — 1,7 и 5 копий.
Метод иммуноблоттинга основан на работе антител, которые распознают только целые белки, содержащие определенную последовательность аминокислот. При этом, если часть белков при приготовлении экспериментального образца (гомогената клеток) была разрушена и/или утратила необходимую аминокислотную последовательность, эта фракция белков не будет распознана. Именно поэтому иммуноблоттинг помог исследовать только около 40,5% общего содержания белков в синаптосомах. Для того, чтобы сделать оценку количества белков более точной, исследователи обратились к количественной масс-спектрометрии — к методу iBAQ (intensity-based absolute quantification, основанный на интенсивности полный подсчет). iBAQ вычисляет количество того или иного белка, учитывая все пептиды, которые могли появиться при его разрушении. Использование этого метода помогло увеличить долю проанализированных белков до 88,4%, при этом результаты хорошо коррелировали с данными, полученными при иммуноблоттинге.
Рисунок 2. Белковый состав пресинаптического окончания на примере синаптическо-го белка VAMP2. На рисунках в первом столбце изображены схемы препаратов, AZ — активная зона, ves — везикулы. Во втором и третьем столбцах — иммуногистохимическая окраска на белки VAMP2, маркер активной зоны (Bassoon или Bungarotoxin) и маркер синаптических пузырьков (Synaptophysin). В столбцах 4–6 — распределение белков VAMP2, Amphiphysin, Syntaxin 16 в синапсе. Более яркая окраска показывает большее количество белка интереса в данном участке синаптосомы.
Внутренним контролем служило то, что белки, образующие различные белковые комплексы (например, структурные белки везикулярных кластеров или белки активной зоны) были обнаружены в правильных соотношениях. Интересным и неожиданным открытием оказалось то, что количество белков, задействованных на разных этапах везикулярного цикла, разительно отличается. Количество белков комплекса SNARE (необходимого для слияния синаптического пузырька с синаптической мембраной) составляло 20–26 тысяч копий в одной синаптосоме, хотя для экзоцитоза одной везикулы достаточно 1–3 копий этого комплекса. При этом в одной синаптосоме всего около 4 тысяч молекул клатрина и около 2,3 тысяч молекул динамина. Для работы одного синаптического пузырька нужно 150–180 копий клатрина, а значит, всего клатрина, который присутствует в одном синапсе, хватит для экзоцитоза только 7% везикул этого синапса. Аналогичные расчеты для динамина показывают, что его количество достаточно для экзоцитоза всего 11% везикул. При этом количество белков, необходимых для эндоцитоза везикул (для замешения использованных пузырьков), было еще ниже — от 50 до 150 копий.
Для того, чтобы объяснить эти неожиданные результаты, ученые предположили, что для некоторых белков их точное расположение в месте использования может компенсировать недостаточное количество копий. В то же время, белки, количество которых оказалось удивительно большим, могут располагаться в синапсе очень рассеянно, поэтому в каждом конкретном месте синапса их концентрация будет низкой. Проверить эти предположения исследователям помогло использование флуоресцентной микроскопии высокого разрешения — метода STED-микроскопии [5] (Stimulated Emission Depletion Microscopy, микроскопия на основе подавления спонтанного испускания). В качестве контрольных образцов ученые использовали культуру нейронов гиппокампа и нервно-мышечное окончание взрослых крыс.
С помощью флуоресцентной микроскопии было изучено расположение 62 различных белков относительно активной зоны синапса и везикулярного кластера (скопления везикул в синаптическом окончании). Оказалось, что большинство белков распределено в объеме синапса более-менее равномерно (учитывая, что большинство белков активной зоны находится в активной зоне, а везикулярный кластер занимает почти весь объем синаптосомы). Таким образом, компенсация за счет особенностей распределения для белков синапса не характерна, а значит, вопрос о том, почему количество копий одних белков значительно больше количества копий других, остается открытым.
Полученные с помощью STED-микроскопии данные помогли исследователям построить трехмерную реконструкцию синаптического окончания, содержащую 60 различных белков (рис. 3). Все белки были смоделированы с атомарной точностью и расположены в характерных участках синапса, в соответствии с полученными экспериментальными результатами и литературными данными. Эта модель демонстрирует, что синаптическое окончание достаточно плотно заполнено везикулами, что, вероятно, препятствует свободному перемещению молекул и органелл. Возможно, что большое количество копий некоторых белков является эволюционным приспособлением к этой особенности строения синаптического окончания, помогающим обеспечить быстрое высвобождение медиатора в синаптическую щель. При этом образование новых везикул взамен использованных (эндоцитоз) может проходить гораздо медленнее без вреда для функционирования синапса. Это может объяснить небольшое количество копий эндоцитозных белков. При этом для того чтобы обеспечить нормальную работу синаптического окончания, нужно иметь большой запас готовых везикул, что и показывают результаты трехмерной реконструкции.
Рисунок 3. Трехмерная реконструкция синапса. а — Срез через синаптическое окончание. Изображение содержит 60 белков, которые расположены в количестве копий и местоположениях, определенных с помощью микроскопии. б — Белки, указанные на реконструкции синапса. в — Увеличенное изображение активной зоны.
Полученные немецкими учеными результаты позволяют более подробно описать функционирование синаптического окончания и работу системы везикулярного транспорта. Стало понятно, что в условиях высокой плотности везикул, количество и расположение белков в синаптическом окончании должно строго контролироваться. Но на вопрос о том, каким образом контролируется количество копий каждого из белков, предстоит ответить новым исследованиям. Осуществляется ли этот контроль на уровне транскрипции, трансляции или транспорта этих белков от тела нейрона к синаптическому окончанию? Возможно, что важную роль в этом контроле играют сами синаптические везикулы, которые могут связывать свободные белки и, таким образом, снижать их концентрацию в цитоплазме. Более подробно предстоит изучить и особенности регуляции трансмембранных белков синаптических пузырьков, которым было уделено немного внимания в описанной работе.
За последние два десятилетия компьютерные технологии начали вносить значительный вклад во все естественные науки, в том числе и в биологию. Наряду с масштабным анализом больших объемов данных и компьютерным моделированием различных биологических процессов, все большие обороты набирает научная визуализация, которая является областью компьютерной графики. Если на ранних этапах развития этой области ученым удавалось создавать только трехмерные модели белков и некоторых других молекул, то сейчас вычислительные мощности позволяют моделировать сравнительно крупные объекты — большие молекулярные комплексы и целые вирусы.
Отличным примером результатов научной визуализации могут послужить работы российской компании Visual Science в их проекте «Зоопарк вирусов» — самые подробные на данный момент научно достоверные модели ВИЧ и вируса гриппа. Специалисты Visual Science объединяют данные огромного количества работ по молекулярной биологии, вирусологии и кристаллографии, мнения экспертов ведущих научных центров мира и результаты молекулярного моделирования, полученные научным отделом компании.
О другом примере детальной научной визуализации было рассказано в этой статье. Уже сейчас можно утверждать, что такие подробные трехмерные модели помогают ученым получить более общий взгляд на изучаемый объект, обнаружить новые закономерности в его строении и функционировании. Несомненно, что в ближайшем будущем область применения научной визуализации будет расширяться, помогая исследователям совершать новые открытия.
