Aktivní zóna je termín, který poprvé použil Couteaux a Pecot-Dechavassinein v roce 1970 a je definován v neuronu jako místo uvolnění neurotransmiterů. Neurony obsahují struktury zvané synapse, které umožňují komunikaci mezi jedním neuronem a druhým. Tyto synapse, jako je ta na obrázku vpravo, obsahují strukturu (horní část obrázku) zvanou presynaptický bouton, která ukládá váčky obsahující neurotransmiter a uvolňuje obsah těchto váčků po příchodu akčního potenciálu. Tento neurotransmiter uvolněný presynaptickým neuronem pak putuje do postsynaptického neuronu (neuron na dně) a aktivuje receptory na membráně tohoto neuronu. Aktivní zóna je oblast v presynaptickém boutonu, která zprostředkovává uvolnění neurotransmiterů a je složena z presynaptické membrány a husté sbírky proteinů zvaných cytomatrix v aktivní zóně (CAZ). CAZ je identifikován v elektronovém mikroskopu jako ztmavená (elektronová hustá) oblast v blízkosti presynaptické membrány. Proteiny uvnitř CAZ přivazují synaptické váčky k presynaptické membráně a zprostředkovávají syntézu synaptických váčků, aby umožnily uvolnění neurotransmiterů. Strojní zařízení uvnitř CAZ zajišťuje, že synaptické váčky budou spolehlivě a rychle uvolněny po příchodu akčního potenciálu.
Funkcí aktivní zóny je zajistit, aby neurotransmitery mohly být spolehlivě uvolněny v určitém místě neuronu a uvolněny pouze tehdy, když neuron vystřelí akční potenciál.
Když se akční potenciál šíří axonem, dosáhne axonového zakončení nazývaného presynaptický bouton. V presynaptickém boutonu aktivuje akční potenciál kalciové kanály (VDCC), které způsobují lokální příliv kalcia. Zvýšení kalcia je detekováno proteiny v aktivní zóně a nutí váčky obsahující neurotransmiter k fúzi s membránou. Toto spojení váčků s membránou uvolňuje neurotransmitery do synaptické štěrbiny (prostoru mezi presynaptickým boutonem a postsynaptickou membránou). Neurotransmitery pak difundují štěrbinou a vážou se na ligandem řízené iontové kanály a G-proteinem spřažené receptory na postsynaptické membráně. Vazba neurotransmiterů na postsynaptické receptory pak vyvolává změnu v postsynaptickém neuronu. Proces uvolňování neurotransmiterů a vazby na postsynaptické receptory způsobující změnu postsynaptického neuronu se nazývá neurotransmise.
Diagram bílkovin nalezených v aktivní zóně
Aktivní zóna je přítomna ve všech dosud zkoumaných chemických synapsích a je přítomna u všech živočišných druhů. Dosud zkoumané aktivní zóny mají nejméně dva společné rysy, všechny mají bílkovinně hustý materiál, který vystupuje z membrány a uvazuje synaptické váčky v blízkosti membrány a mají dlouhé vláknité výčnělky, které vycházejí z membrány a končí ve váčcích o něco dále od presynaptické membrány. Výčnělky bílkovinně husté se liší velikostí a tvarem v závislosti na typu zkoumané synapse. Nápadným příkladem husté výčnělky je stužková synapse (viz níže), která obsahuje „stužku“ bílkovinně hustého materiálu, která je obklopena svatozáří synaptických váčků a sahá kolmo k presynaptické membráně a může být dlouhá až 500 nm! Glutamanátová synapse obsahuje menší pyramidovité struktury, které se rozprostírají asi 50 nm od membrány. Neuromuskulární synapse obsahuje dvě řady váčků s dlouhým proteinovým pásem mezi nimi, který je spojen s pravidelně rozmístěnými horizontálními žebry sahajícími kolmo k pásu a rovnoběžně s membránou. Tato žebra jsou pak spojena s váčky, z nichž každé je umístěno nad kolíkem v membráně (pravděpodobně vápníkový kanál). Předchozí výzkumy ukázaly, že aktivní zóna glutamatergických neuronů obsahuje vysoce pravidelnou soustavu proteinově hustého materiálu pyramidového tvaru a naznačily, že tyto pyramidy jsou spojeny vlákny. Tato struktura připomínala geometrickou mřížku, kde byly váčky vedeny do otvorů mřížky. Tento atraktivní model byl zpochybněn nedávnými experimenty. Nedávné údaje ukazují, že glutamatergická aktivní zóna skutečně obsahuje projekce proteinově hustého materiálu, ale tyto projekce nebyly v pravidelné soustavě a obsahovaly dlouhá vlákna promítající asi 80 nm do cytoplazmy.
Existuje nejméně pět hlavních lešenářských proteinů, které jsou obohaceny v aktivní zóně; UNC13/Munc13, RIM (Rab3-interagující molekula), Bassoon, Piccolo/aczonin, ELKS a liprins-α. Tyto lešenářské proteiny jsou považovány za složky husté pyramidě podobné struktury aktivní zóny a má se za to, že přivádějí synaptické váčky do těsné blízkosti presynaptické membrány a kalciových kanálů. Protein ELKS se váže na buněčný adhezní protein, β-neurexin a další proteiny v komplexu, jako je Piccolo a Bassoon. β-neurexin se pak váže na buněčnou adhezní molekulu, neuroligin umístěný na postsynaptické membráně. Neuroligin pak interaguje s proteiny, které se vážou na postsynaptické receptory. Proteinové interakce, jaké byly pozorovány mezi Piccolo/ELKS/β-neurexin/neuroligin, zajišťují, že stroje, které zprostředkovávají fúzi váčků, jsou v těsné blízkosti kalciových kanálů a že fúze váčků sousedí s postsynaptickými receptory. Tato těsná fúze váčků a postsynaptických receptorů zajišťuje, že mezi aktivací postsynaptických receptorů a uvolněním neurotransmiterů dochází jen k malému zpoždění.
Mechanismus uvolňování neurotransmiteru
Puchýř uvolňuje stroje.
Uvolnění neurotransmiteru je dosaženo fúzí váčků neurotransmiterů s presynaptickou membránou. Ačkoli podrobnosti tohoto mechanismu jsou stále studovány, existuje shoda na některých detailech tohoto procesu. Je známo, že syntéza váčků s presynaptickou membránou vyžaduje lokální zvýšení vápníku a tvorbu vysoce stabilních komplexů SNARE. Jedním z převládajících modelů syntézy synaptických váčků je, že tvorba komplexu SNARE je katalyzována proteiny aktivní zóny, jako jsou Munc18, Munc13 a RIM. Má se za to, že tvorba tohoto komplexu „připravuje“ váček tak, aby byl připraven na fúzi váčků a uvolnění neurotransmiteru (viz níže: uvolnitelný bazén). Po napumpování váčku se pak komplex naváže na komplex SNARE, tomu se říká „superprimovaný“. Váčky, které jsou superprimované, jsou uvnitř snadno uvolnitelného bazénu (viz níže) a jsou připraveny k rychlému uvolnění. Příchod akčního potenciálu otevře napěťově řízené vápníkové kanály v blízkosti komplexu SNARE/complexin. Vápník se pak naváže na změny konformace synaptotagminu. Tato změna konformace umožňuje synaptotagminu následně uvolnit komplex, naváže se na komplex SNARE a naváže se na cílovou membránu. Když se synaptotagmin naváže jak na komplex SNARE, tak na membránu, vyvolá to mechanickou sílu na membránu tak, že způsobí fúzi vezikulární membrány a presynaptické membrány. Tato fúze otevře membránový pór, který uvolní neurotransmiter. Pór se zvětšuje, až je celá vezikulární membrána k nerozeznání od presynaptické membrány.
Presynaptická aktivní zóna a cyklus synaptických vezikul
Presynaptický bouton má efektivně řízený proces uvolňování fúzních váčků do presynaptické membrány za účelem uvolnění neurotransmiteru a regenerace váčků neurotransmiterů. Tento proces nazývaný cyklus synaptických váčků udržuje počet váčků v presynaptickém boutonu a umožňuje synaptickému terminálu být autonomní jednotkou. Cyklus začíná 1) oblastí golgiho aparátu, která je odštípnuta za účelem vytvoření synaptického váčku a tento váček je transportován do synaptického terminálu. Na terminálu 2) je váček naplněn neurotransmiterem. 3) Váček je transportován do aktivní zóny a ukotven v těsné blízkosti plazmatické membrány. 4) Během akčního potenciálu se váček spojí s membránou, uvolní neurotransmiter a umožní membránovým proteinům, které byly předtím na váčku, aby difundovaly do periaktivní zóny. 5) V periaktivní zóně jsou membránové proteiny sekvestrovány a jsou endocytovány za vzniku váčku potaženého klathrinem. (6) vezikul se poté naplní neurotransmiterem a je poté transportován zpět do aktivní zóny.
Mechanismus endocytózy je pomalejší než mechanismus exocytózy. To znamená, že při intenzivní aktivitě se váček v terminálu může vyčerpat a není již k dispozici k uvolnění. Aby se zabránilo depleci synaptických váčků, může zvýšení vápníku během intenzivní aktivity aktivovat kalcineurin, který dephosforyluje proteiny podílející se na endocytóze zprostředkované klathrinem.
Synapse obsahuje nejméně dva shluky synaptických váčků, snadno uvolnitelný bazén a rezervní bazén. Snadno uvolnitelný bazén se nachází v aktivní zóně a je napojen přímo na presynaptickou membránu, zatímco rezervní bazén je shlukován cytoskeletálním a není přímo napojen na aktivní zónu.
Uvolnitelný bazén je umístěn v aktivní zóně a je vázán přímo na presynpatickou membránu. Je stabilizován proteiny v aktivní zóně a vázán na presynaptickou membránu proteiny SNARE. Tyto váčky jsou připraveny k uvolnění jediným akčním potenciálem a jsou doplněny váčky z rezervního bazénu. Uvolnitelný bazén je někdy dále rozdělen na snadno uvolnitelný a uvolnitelný bazén.
Rezervní bazén není přímo napojen na aktivní zónu. Zvýšení koncentrace presynaptického vápníku aktivuje fosfatázu citlivou na vápník, kalcineurin. Kalcineurin dephosforyluje protein, synapsin, který zprostředkovává shlukování vezikul rezervního bazénu. Dephosforylace synapsinu mobilizuje vezikuly v rezervním bazénu a umožňuje, aby vezikuly migrovaly do aktivní zóny a doplnily snadno uvolnitelný bazén.
Periaktivní zóna obklopuje aktivní zónu a je místem endocytózy presynaptického terminálu. V periaktivní zóně lešenářské proteiny, jako je intersectin 1, nabírají proteiny, které zprostředkovávají endocytotidu, jako je dynamin, klathrin a endophilin. V Drosophilii se intersectin homolog, Dap160, nachází v periaktivní zóně neuromuskulárního spojení a mutant Dap160 poškozují synaptické váčky při vysokofrekvenční stimulaci.
Páska Synapse Aktivní zóna
Pásková synapse je speciální typ synapse, který se nachází ve smyslových neuronech, jako jsou fotoreceptorové buňky, retinální bipolární buňky a vlasové buňky. Páskové synapse obsahují hustou strukturu bílkovin, která přivazuje soustavu váčků kolmo k presynaptické membráně. V elektronovém mikrografu se jeví jako struktura podobná pásu kolmo k membráně. Na rozdíl od ‚tradiční‘ synapse, mohou si páskové synapse udržet odstupňované uvolňování váčků. Jinými slovy, čím více depolarizovaný neuron, tím vyšší je rychlost fúze váčků. Aktivní zóna Ribbonové synapse je rozdělena do dvou oblastí, na archiformní hustotu a pás. Archiformní hustota je místem fúze váčků a pás ukládá uvolnitelný bazén váčků. Struktura pásu se skládá primárně z bílkoviny RIBEYE, asi z 64-69% objemu pásu, a je přivázána k archiformní hustotě lešením bílkovin, jako je Bassoon.
Proteiny aktivní zóny
Měření uvolnění neurotransmiteru
Diagram znázorňující změnu membránové kapacity před (nahoře) a po (uprostřed a dole) fúzi váčků.
Uvolnění neurotransmiteru lze měřit stanovením amplitudy postsynaptického potenciálu po spuštění akčního potenciálu v presynaptickém neuronu. Měření uvolnění neurotransmiteru tímto způsobem může být problematické, protože účinek postsynaptického neuronu na stejné množství uvolněného neurotransmiteru se může v průběhu času měnit. Jiný způsob je měřit fúzi váčků s presynaptickou membránou přímo pomocí náplasti pipety. Buněčná membrána může být považována za kondenzátor v tom, že pozitivní a negativní ionty jsou uloženy na obou stranách membrány. Čím větší je plocha membrány, tím více iontů je zapotřebí k udržení membrány na určitém potenciálu. V elektrofyziologii to znamená, že proudová injekce do terminálu zabere kratší dobu k nabití membrány na daný potenciál před fúzí váčků než po fúzi váčků. Měří se časový průběh nabití membrány na potenciál a odpor membrány a s těmito hodnotami lze kapacitu membrány vypočítat podle rovnice Tau/Resistance=Kapacita. Pomocí této techniky mohou výzkumníci měřit uvolňování synaptických váčků přímo měřením zvýšení kapacity membrány presynaptické terminály.
soma, axon (axon hillock, axoplasmus, axolemma, neurofibril/neurofilament), dendrit (Nisslovo tělo, dendritická páteř, apikální dendrit, bazální dendrit)typy (bipolární, pseudounipolární, multipolární, pyramidové, Purkinje, granule)
GSA, GVA, SSA, SVA, vlákna (Ia, Ib nebo Golgi, II nebo Aβ, III nebo Aδ nebo rychlá bolest, IV nebo C nebo pomalá bolest)
GSE, GVE, SVE, horní motorický neuron, dolní motorický neuron (α motorneuron, γ motorneuron)
neuropil, synaptický váček, neuromuskulární spojení, elektrická synapse – Interneuron (Renshaw)
Volné nervové zakončení, Meissnerova krvinka, Merkelové nervové zakončení, Svalové vřeteno, Pacinianova krvinka, Ruffiniho zakončení, Čichový receptorový neuron, Fotoreceptorová buňka, Vlasové buňky, Chuťové buňky
astrocyt, oligodendrocyt, ependymální buňky, mikroglie, radiální glie
Schwannova buňka, oligodendrocyt, Ranvierovy uzliny, internoda, Schmidt-Lantermanovy řezy, neurolemma
epineurium, perineurium, endoneurium, nervový fascikl, meninges