突触小泡如何积聚谷氨酸

作者：尤里希研究中心

How do synaptic vesicles accumulate glutamate?

突触小泡谷氨酸积累过程中的两个主要角色--囊泡谷氨酸转运体 VGLUT 和囊泡质子泵--的示意图，以及在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。图片来源：Kolen 等人

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触发下游神经元的电信号。神经递质通过突触小泡的融合释放，突触小泡中含有大量神经递质。

尤利希研究中心分子与细胞生理学研究所和南佛罗里达大学的科学家们研究了突触小泡如何积聚神经递质谷氨酸，并建立了一个描述这些过程的突触小泡数学模型。研究成果现已发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

我们大脑独特的计算性能基于神经元之间的快速高频通信。高频率的突触传输需要突触小泡的不断再生。为此，未成熟的突触小泡从质膜侵入，并由专门的神经递质转运体填充。

突触小泡最初含有与细胞外空间相同的盐溶液，其中含有高浓度的氯化物（Cl-）和钠（Na+）。对于谷氨酸能突触小泡来说，必须去除氯离子，才能有效地使小泡富含谷氨酸，而谷氨酸也是带负电荷的。这两项任务都由同一种蛋白质--囊泡谷氨酸转运体--来完成。尤利希科学家利用电生理学方法详细研究了这一过程。

科学成果

他们可以证明，液泡谷氨酸转运体不仅转运谷氨酸，实际上还转运所有测试过的阴离子。不过，谷氨酸的转运机制与其他阴离子不同：每个谷氨酸分子都要与一个质子交换。这种转运速度很慢，但能使谷氨酸逆浓度梯度转运，从而在突触囊泡中产生高浓度。

天门冬氨酸和其他大阴离子的运输缓慢，但不与质子梯度耦合。氯离子通过离子孔的扩散速度比谷氨酸快 300 倍。所有过程都受管腔膜侧的 pH 值和膜电压的调节。在中性 pH 值下，它们不起作用，需要电压才能活跃起来。

突触小泡形成后，pH 值呈中性。质子泵的酸化作用激活了转运体，使 Cl- 离子快速排出，并有效地使囊泡去极化。这为质子-谷氨酸交换创造了最佳条件。因此，只有谷氨酸盐而不是非常类似的天冬氨酸盐会在囊泡内积聚。南佛罗里达大学的 Ghanim Ullah 教授建立了一个数学模型，该模型正确地描述了突触小泡中谷氨酸积累的所有实验结果。

这些结果为了解大脑功能的分子基础提供了重要的新见解。它们还可能有助于开发治疗中风或某些神经退行性疾病等疾病的新概念，在这些疾病中，细胞外谷氨酸浓度增加会导致神经元死亡。

(责任编辑：泉水)

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