突触囊泡如何积聚谷氨酸

　　

               

突触囊泡谷氨酸积累的两个主要参与者，囊泡谷氨酸转运体VGLUT和囊泡质子泵的示意图，以及生理细胞质谷氨酸和天冬氨酸浓度下谷氨酸积累的模型预测

在大脑中，神经元通过神经递质进行交流，神经递质通过结合和激活特定的受体来触发下游神经元的电信号。神经递质通过突触囊泡融合释放，突触囊泡中含有大量的神经递质。

 

科学家研究了突触囊泡是如何积累神经递质谷氨酸的，并建立了一个描述这些过程的突触囊泡的数学模型。研究结果已经发表在《Nature Communications》杂志上。            

我们大脑独特的计算能力是基于神经元之间快速和高频的交流。高频突触传递需要突触囊泡的不断再生。因此，未成熟的突触囊泡从质膜外翻，由专门的神经递质转运体填充。

囊泡最初含有与细胞外空间相同的盐溶液，含有高浓度的氯(Cl-)和钠(Na+)。对于谷氨酸能突触囊泡，必须去除氯离子才能有效地使谷氨酸囊泡富集，谷氨酸囊泡也带负电荷。这两项任务都是由同一种蛋白质完成的，即水疱性谷氨酸转运蛋白。科学家们使用电生理学的方法来详细研究这是如何发生的。            

科学成果

他们可以证明囊泡谷氨酸转运体不仅运输谷氨酸，而且实际上运输所有被测试的阴离子。然而，谷氨酸的转运机制与其他阴离子不同:每个谷氨酸分子交换一个质子。这种转运是缓慢的，但允许谷氨酸逆其浓度梯度运输，从而在突触囊泡中产生高浓度。

天冬氨酸和其他大阴离子传输缓慢，但不耦合到质子梯度。氯离子通过离子孔的扩散速度比谷氨酸快300倍。所有的过程都受腔膜侧的pH值和膜电压的调节。它们在中性pH值下不活跃，需要电压才能变得活跃。

突触囊泡形成后，pH值为中性。质子泵的酸化激活了转运体，允许Cl-离子快速出口和有效的囊泡去极化。这为质子-谷氨酸交换创造了最佳条件。由于这个原因，只有谷氨酸，而不是非常相似的天冬氨酸，在囊泡内积累。南佛罗里达大学的Ghanim Ullah教授建立了一个数学模型，正确地描述了突触囊泡中谷氨酸积累的所有实验结果。

这些结果为大脑功能的分子基础提供了重要的新见解。它们也可能有助于开发新的治疗概念，如中风或某些神经退行性疾病，其中细胞外谷氨酸浓度增加导致神经元死亡。