U mozgu, neuroni komuniciraju preko neurotransmitera, koji pokreću električne signale u nizvodnim neuronima vezivanjem i aktiviranjem specifičnih receptora. Neurotransmiteri se oslobađaju fuzijom sinaptičkih vezikula, koji sadrže velike količine neurotransmitera.
Naučnici sa Instituta za molekularnu i ćelijsku fiziologiju Forschungszentrum Julich i Univerziteta Južne Floride proučavali su kako sinaptičke vezikule akumuliraju neurotransmiter glutamat i razvili su matematički model sinaptičke vezikule koji opisuje ove procese. Rezultati su sada objavljeni u časopisu Nature Communications.
Jedinstvene računarske performanse našeg mozga zasnovane su na brzoj i visokofrekventnoj komunikaciji između neurona. Sinaptički prenos visoke frekvencije zahteva stalnu regeneraciju sinaptičkih vezikula. Za ovo, nezrele sinaptičke vezikule invaginiraju iz plazma membrane i pune se specijalizovanim transporterima neurotransmitera.
Vezikule u početku sadrže isti rastvor soli kao i ekstracelularni prostor, sa visokim koncentracijama hlorida (Cl-) i natrijuma (Na+). Za glutamatergične sinaptičke vezikule, hloridni joni se moraju ukloniti kako bi se vezikula efikasno obogatila glutamatom, koji je takođe negativno naelektrisan. Oba ova zadatka obavlja isti protein, vezikularni glutamatni transporter. Naučnici iz Julicha koristili su elektrofiziološke metode da detaljno prouče kako se to dešava.
Oni bi mogli da pokažu da vezikularni transporteri glutamata ne prenose samo glutamat, već zapravo sve testirane anjone. Međutim, transport glutamata se razlikuje od drugih anjona po svom mehanizmu: svaki molekul glutamata se zamenjuje za proton. Ovaj transport je spor, ali omogućava da se glutamat transportuje protiv njegovog gradijenta koncentracije i na taj način generiše visoke koncentracije u sinaptičkom vezikulu.
Aspartat i drugi veliki anjoni se transportuju sporo, ali bez spajanja na gradijent protona. Hloridni joni difunduju kroz jonske pore brzinom 300 puta brže od glutamata. Svi procesi su regulisani pH vrednošću na strani luminalne membrane i naponom membrane. Oni su neaktivni pri neutralnoj pH vrednosti i zahtevaju napon da bi postali aktivni.
Nakon formiranja, sinaptičke vezikule preuzimaju neutralnu pH vrednost. Zakiseljavanje protonskim pumpama aktivira transporter, omogućavajući brz izlaz Cl – jona i efektivnu depolarizaciju vezikula. Ovo stvara optimalne uslove za razmenu proton-glutamata. Iz tog razloga, samo glutamat, ali ne i vrlo sličan aspartat, se akumulira unutar vezikula. Profesor Ghanim Ullah sa Univerziteta Južne Floride napravio je matematički model koji tačno opisuje sve eksperimentalne nalaze o akumulaciji glutamata u sinaptičkom vezikulu.
Rezultati pružaju važne nove uvide u molekularnu osnovu funkcije mozga. Oni takođe mogu pomoći u razvoju novih terapijskih koncepata za bolesti kao što su moždani udar ili određene neurodegenerativne bolesti, u kojima povećane koncentracije ekstracelularnog glutamata uzrokuju smrt neurona.
