Aufklärung des Vesikeltransports

Der Nobelpreis für Medizin des Jahres 2013 wurde an Thomas Südhof, James Rothman und Randy Schekman vergeben, die entscheidende Beiträge zur Aufklärung der Mechanismen des intrazellulären Vesikeltransports geleistet haben. Siehe hierzu auch den Artikel auf Spektrum.de vom 7. Oktober 2013, "Pünktlich von A nach B".

Für das Gebiet der Neurobiologie interessant ist sicherlich die Art und Weise, wie die synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen, um die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freizusetzen. Dazu habe ich eine eigene kleine Zeichnung angefertigt, die ich Ihnen nicht vorenthalten möchte:

Drei Proteine, die für die Vesikelfusion wichtig sind
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Die SNARE-Proteine sitzen mit ihrem lipophilen Ende in der Membran der Vesikel (v-SNARE) sowie in der präsynatischen Membran (t-SNARE). Man muss sich vorstellen, dass die beiden verschiedenen SNARE-Proteine komplementär zueinander sind, daher sind sie in dem Bild auch in Komplementärfarben dargestellt. Das dritte Protein, das eine wichtige Rolle bei der Vesikelfusion spielt, ist Synaptotagmin. Man vermutet, dass Synaptotagmin der Ca²⁺-Sensor ist.

Der Einstrom von Calcium-Ionen
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Durch ein ankommendes Aktionspotenzial öffnen sich die spannungsgesteuerten Calciumkanäle in der präsynaptischen Membran, und Ca²⁺-Ionen strömen massiv in das Zellplasma des synaptischen Endknöpfchens. Einige Ca²⁺-Ionen setzen sich an den Calcium-Sensor Synaptotagmin.

Synaptotagmin ist mit seinem Aminoende in der Membran der synaptischen Vesikel verankert. Durch das Einströmen der Calcium-Ionen ändert sich die Konformation dieses Proteins, und das Carboxyende nimmt Kontakt mit der präsynaptischen Membran auf ^{[3, S. 193]}.

Daraufhin bewegt sich das Vesikel weiter in Richtung präsynaptischer Membran, und die v-SNARE-Proteine erhalten Kontakt mit den komplementären t-SNARE-Proteinen. Die komplementären SNARE-Proteine verbinden sich und ziehen den Vesikel noch weiter zur präsynaptischen Membran:

Die SNARE-Proteine verbinden sich
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Schließlich kommt es zur Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran und die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt:

Fusion und Freisetzung der Neurotransmitter
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Diese Darstellung ist immer noch sehr stark vereinfacht, in Wirklichkeit sind noch viel mehr Proteine an der Fusion der Vesikel beteiligt. Aber die Forschung zu diesem Gebiet ist noch nicht abgeschlossen, in ein paar Jahren wird man Genaueres wissen - hoffentlich.

Energieversorgung der Vesikel

Der Transport der synaptischen Vesikel zur präsynaptischen Membran ist recht energieaufwendig. An sich wird jede Menge ATP für einen solchen Transport verbraucht. Leider befinden sich im Axon und in den synaptischen Endknöpfchen keine Mitochondrien, die das ATP bereitstellen könnten. Wo also kommt die Energie für den Vesikeltransport her?

Frédéric Saudou et al. haben nun herausgefunden, dass die erforderliche Energie ausschließlich aus der Glyolyse stammt, die ja nicht auf Mitochondrien angewiesen ist, weil sie im Zellplasma abläuft. Allerdings ist die Energieausbeute der Glycolyse recht bescheiden: 2 ATP pro Molekül Glucose. Eines der Schlüsselenzyme der Glycolyse, die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase, fanden die Forscher direkt in der Membran der synaptischen Vesikel.