Fuzija vezikula

Fuzija vezikula je spajanje vezikule s drugim vezikulama ili dijelom ćelijske membrane. U potonjem slučaju, to je krajnja faza lučenja iz sekretornih vezikula, gdje se njihov sadržaj izbacuje iz ćelije putem egzocitoze. Vezikule se također mogu spojiti s drugim odjelima ciljnih ćelijaa, kao što je lizosom. Egzocitoza nastaje kada se sekrecijske vezikule prolazno spajaju i vežu na bazi struktura u obliku čaše na ćelijskoj plazmamembrani zvanoj porosom, univerzalni sekrecijski mehanizam u ćelijama. Fuzija vezikula može zavisiti od SNARE proteina u prisustvu povećane unutarćelijske koncentracije kalcija (Ca²⁺).

Podražaji koji pokreću fuziju vezikula djeluju povećanjem unutarćelijskog Ca²⁺.

• Sinapsne vezikule vrše fuziju vezikula na nervni impuls koji dopire do sinapse, aktivirajući naponski zavisne kalcijske kanale koji izazivaju priliv Ca²⁺ u ćeliju.
• U endokrinom sistemu, mnogi hormoni oslobađaju se njihovim vezanjem za G-protein spregnute receptore povezane sa G_q alfa podjedinicom, aktivirajući IP3/DAG put za povećanje Ca²⁺. Primjeri ovog mehanizma uključuju:
  • Gonadotropin-oslobađajući hormon^[1]
  • Tireotropin-oslobađajući hormon^[1]
  • Hormon oslobađanja hormona rasta^[1] (mali put - glavni je cAMP ovisni put.^[2])

Modelni sistemi koji se sastoje od jednog fosfolipida ili mješavine proučavali su fizički hemičari. Kardiolipin nalazi se uglavnom u mitohondrijskim membranama, a ioni kalcija imaju važnu ulogu u respiratornim procesima posredovanim mitohondrijama. Uključene snage su pretpostavljene da objasne ^[3] ovaj proces u smislu nukleacije za aglomeraciju manjih supramolekulskih entiteta ili fazne promjene u strukturi biomembrana.^[4]

U fuziji sinapsnih vezikula, vezikula mora biti unutar nekoliko nanometara od ciljne membrane da bi proces fuzije započeo. Ova bliskost omogućava ćelijskoj membrani i vezikuli da razmjenjuju lipide, što je posredovano određenim proteinima za uklanjanje vode koja dolazi između formiranja spoja. Kada je vezikula u poziciji, mora sačekati dok Ca²⁺ uđe u ćeliju širenjem akcijskog potencijala do presinapsne membrane.^[5] Ca²⁺ vezuje se za specifične proteine, od kojih je jedan sinaptotagmin, u neuronima što pokreće potpunu fuziju vezikule sa ciljnom membranom.^[6]

Smatra se također da SNARE proteini pomažu u posredovanju koja je membrana meta čijih vezikula.^[7]

Sklapanje SNARE-ova u "trans" komplekse vjerovatno premošćuje suprotne lipidne dvoslojeve membrana koje pripadaju ćeliji i sekrecijskim granulama, dovodeći ih u blizinu i indukujući njihovu fuziju. Priliv kalcija u ćeliju pokreće završetak reakcije sklapanja, koja je posredovana interakcijom između navodnog senzora kalcija, sinaptotagmina sa membranskim lipidima i/ili djelomično sastavljenim SNARE kompleksom.

Jedna hipoteza implicira molekulu kompleksina unutar SNARE kompleksa i njenu interakciju sa molekulom sinaptotagmina.^[9] Poznata kao hipoteza "stezanja", prisustvo kompleksina normalno inhibira fuziju vezikula sa ćelijskom membranom. Međutim, vezivanje iona kalcija za sinaptotagmin pokreće oslobađanje ili inaktivaciju kompleksina, tako da se vezikula može slobodno spojiti.^[10]

Prema hipotezi o "zatvaraču", složeni sklop počinje na N-terminalnim dijelovima SNARE motiva i nastavlja se prema C-terminalima koji učvršćuju proteine u interakciji u membranama. Formiranje "trans"-SNARE kompleksa odvija se preko intermedijarnog kompleksa sastavljenog od SNAP-25 i sintaksina-1, koji kasnije prihvata sinaptobrevin-2 (citirani izotipovi sintaksina i sinaptobrevina učestvuju u oslobađanju neuromedijatora).

Na osnovu stabilnosti rezultujućeg cis-SNARE kompleksa, postulirano je da energija oslobođena tokom procesa sklapanja služi kao sredstvo za prevazilaženje odbojnih sila između membrana. Postoji nekoliko modela koji predlažu objašnjenje sljedećeg koraka – formiranja drške i fuzijskih pora, ali o tačnoj prirodi ovih procesa se i dalje raspravlja. Dva najistaknutija modela formiranja fuzijskih pora su teorije fuzijskih pora obloženih lipidima i proteinima.^[11]

Jedan mogući model za formiranje fuzijskih pora je teorija pora lipidnih linija. U ovom modelu, nakon što su membrane dovedene u dovoljno bliski razmak preko mehanizma "zatvarača" kompleksa SNARE, fuzija membrane dolazi spontano. Pokazalo se da kada se dvije membrane dovedu na kritičnu udaljenost, moguće je da se hidrofilne lipidne grupe jedne membrane spoje sa suprotnom membranom.^[12] U modelu fuzijskih pora obloženih lipidima, SNARE kompleks djeluje kao skela, povlačeći membranu, uzrokujući nabiranje obje membrane, tako da mogu dostići kritičnu udaljenost za fuziju. Kako se dvije membrane počnu spajati, stvara se drška obložena lipidima, koja se radijalno širi prema van kako fuzija napreduje.

Dok su pore obložene lipidima moguće i mogu postići sva ista svojstva koja se primjećuju u ranom formiranju pora, ne postoji dovoljno podataka koji bi dokazali da je to jedini način formiranja.^[13] Još uvijek ne postoji predloženi mehanizam za međućelijsku regulaciju za fluktuaciju pora obloženih lipidima, i one bi imale znatno teže vrijeme da proizvedu efekte poput "poljubi se i bježi", u poređenju sa svojim analozima obloženim proteinima. Efikasnost pora obloženih lipidima bi takođe u velikoj meri zavisila od sastava obje membrane, a njen uspeh ili neuspeh bi mogao veoma varirati sa promjenama u elastičnosti i krutosti.^[13]

Drugi mogući model za formiranje fuzijskih pora je teorija pora obloženih proteinima. U ovom modelu, nakon aktivacije sinaptotagmina kalcijem, nekoliko SNARE skompleksa spaja se da formira prstenastu strukturu, pri čemu sinaptobrevin formira pore u membrani vezikula, a sintaksin formira pore u ćelijskoj membrani.^[14] Kako se početna pora širi, uključuje lipide iz oba dvosloja, što na kraju rezultira potpunom fuzijom dvije membrane. SNARE kompleks ima mnogo aktivniju ulogu u teoriji pora obloženih proteinima; budući da se pore u početku u potpunosti sastoje od SNARE proteina, pore se lahko mogu podvrgnuti međućelijskoj regulaciji, čineći fluktuaciju i mehanizme "poljubi i bježi" lahko dostupnim.^[9]

Pore obložene proteinima savršeno ispunjavaju sve uočene zahtjeve ranih fuzijskih pora, i ,iako neki podaci podržavaju ovu teoriju,^[14] ne postoji dovoljno podataka da bi se to proglasilo primarnom metodom fuzije. Pore obložene proteinima zahtijevaju najmanje pet kopija SNARE kompleksa, dok je fuzija uočena sa samo dvije.^[14]

U obje teorije, funkcija SNARE kompleksa ostaje uglavnom nepromijenjena, a cijeli SNARE kompleks je neophodan za pokretanje fuzije. Međutim, dokazano je da je in vitro sintaksin per se dovoljan za pokretanje spontane kalcij nezavisne fuzije sinapsnih ih vezikula koje sadrže v-SNARE.^[15] Ovo sugerira da je egzocitoza neurona zavisna od Ca²⁺ sinaptotagminskog dvostrukog regulatora, u odsustvu iona Ca²⁺ da inhibira dinamiku SNARE, dok je u prisustvu Ca²⁺ iona da djeluju kao agonist u procesu membranske fuzije.

Kod sinapsnih vezikula, neki neurohemičari su sugerirali da se vezikule povremeno možda neće u potpunosti spojiti sa presinapsnim membranama u oslobađanju neurotransmitera u sinapsni rascjep. Kontroverza leži u tome da li se endocitoza uvijek javlja u reformiranju vezikula, nakon oslobađanja neurotransmitera. Drugi predloženi mehanizam za oslobađanje sadržaja vezikula u vanćelijsku tečnost naziva se fuzija poljubi i beži.

Postoje neke indikacije da vezikule mogu formirati samo male pore u presinapsnoj membrani, omogućavajući sadržaju da se kratko vrijeme oslobodi standardnom difuzijom, prije nego što se povuku natrag u presinapsnu ćeliju. Ovaj mehanizam može biti način da se zaobiđe endocitoza posredovana klatrinom. Također se predlaže da se vezikula ne mora vratiti u endosom da bi se ponovo napunila, iako nije u potpunosti shvaćeno kojim mehanizmom bi se ponovo napunila. Ovo ne isključuje punu fuziju vezikula, već samo navodi da oba mehanizma mogu djelovati u sinapsnim pukotinama.

Pokazalo se da se "poljubi se i bježi" javlja u endokrinim ćelijama, iako to nije direktno uočeno u sinapsnim prazninama.^[16]

• SNARE
• Aktivna zona
• Liposom