突触小泡如何积累谷氨酸

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受体来触发下游神经元中的电信号。神经递质通过含有大量神经递质的突触小泡融合释放。

Forschungszentrum Jülich 分子与细胞生理学研究所和南佛罗里达大学的科学家研究了突触小泡如何积累神经递质谷氨酸，并开发了描述这些过程的突触小泡数学模型。结果现已发表在《自然通讯》杂志上。

我们大脑独特的计算性能基于神经元之间的快速和高频通信。高频突触传递需要突触小泡的不断再生。为此，未成熟的突触小泡从质膜内陷，并被专门的神经递质转运蛋白填充。

囊泡最初包含与细胞外空间相同的盐溶液，具有高浓度的氯化物 (Cl-) 和钠 (Na+)。对于谷氨酸能突触小泡，必须去除氯离子才能有效地用带负电荷的谷氨酸丰富小泡。这两项任务都是由同一种蛋白质——囊泡谷氨酸转运蛋白——完成的。Jülich 的科学家使用电生理学方法详细研究了这种情况是如何发生的。

科学成果

他们可以证明囊泡谷氨酸转运蛋白不仅可以转运谷氨酸，而且实际上还可以转运所有测试过的阴离子。然而，谷氨酸盐的转运机制不同于其他阴离子：每个谷氨酸盐分子都交换一个质子。这种转运速度缓慢，但允许谷氨酸盐逆其浓度梯度转运，从而在突触小泡中产生高浓度。

天冬氨酸和其他大阴离子传输缓慢但不与质子梯度耦合。氯离子以比谷氨酸盐快 300 倍的速度通过离子孔扩散。所有过程都由管腔膜侧的 pH 值和膜电压调节。它们在中性 pH 值下不活跃，需要电压才能激活。

形成后，突触小泡呈现中性 pH 值。质子泵酸化可激活转运蛋白，使 Cl-离子快速排出并使囊泡有效去极化。这为质子-谷氨酸交换创造了最佳条件。出于这个原因，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，该模型正确描述了所有关于突触小泡中谷氨酸积累的实验结果。