Quartz 4

synaptic vesicles

7 min read

Synaptic Vesicles

= tiny (≈50 nm diameter) secretory vesicles

개요

Synaptic vesicle은 신경세포와 일부 내분비 세포에서 발견되는 특수화된 작은 secretory vesicle이다. 이들은 small-molecule neurotransmitter를 저장하고, millisecond 단위의 매우 빠른 exocytosis를 통해 chemical synapse에서 신호 전달을 매개한다.

Figure 13-47: Synaptic vesicle의 구조. (A) Presynaptic terminal의 scale model. (B) 단일 synaptic vesicle의 상세 구조. Vesicle은 다양한 membrane protein과 약 1,800개의 neurotransmitter molecule을 포함한다.

Synaptic Vesicle의 구조적 특징

크기와 조성

물리적 특성:

  • 직경: 약 50 nm
  • 매우 작고 균일한 크기
  • 신경세포와 일부 내분비 세포에만 존재

Membrane 조성:

  • 약 7,000개의 phospholipid molecule
  • 약 5,700개의 cholesterol molecule
  • 약 50종류의 integral membrane protein
  • 총 600개의 transmembrane α-helix

Major membrane protein:

  1. Synaptobrevin (v-SNARE)

    • 가장 풍부한 단백질
    • 약 70 copy per vesicle
    • Membrane fusion에 필수

  2. V-type ATPase

    • H⁺ pump
    • 1-2 copy per vesicle
    • Neurotransmitter loading에 필수

  3. Neurotransmitter transporter

    • Antiport 형태
    • H⁺ gradient를 이용
    • Specific for each neurotransmitter

Cargo: Neurotransmitter

Small-molecule neurotransmitter:

  • Acetylcholine
  • Glutamate
  • Glycine
  • GABA (γ-aminobutyric acid)
  • 약 1,800 molecules per vesicle

Neuropeptide:

Synaptic Vesicle의 형성

형성 경로의 특수성

일반적인 secretory vesicle과 달리, synaptic vesicle은 local recycling을 통해 형성된다. 즉 cytosol의 작은 neurotransmitter를 gate(antiport)를 통해 local에서 공급함. ER에서 넣어져서 오는 것이 아님. Figure 13-46: Synaptic vesicle의 형성과 재활용. Nerve terminal에서의 local endocytosis와 neurotransmitter loading 과정. 2 - 5 - 6 경로가 가장 빠르고 흔함 3 - 4 - 5 - 6 경로가 느리고 보조적인 경로

1. Plasma Membrane으로의 초기 전달

새로운 vesicle 성분의 공급:

2. Local Endocytosis

Nerve terminal에서의 재활용:

  • Vesicle이 plasma membrane과 융합 후
  • 거의 즉시 endocytosis 시작
  • Clathrin-mediated endocytosis
  • 매우 빠른 속도 (seconds)

속도의 중요성:

  • 신경세포는 초당 1000회 이상 발화 가능
  • 빠른 vesicle 재생성 필요
  • Local recycling으로 해결

3. Neurotransmitter Loading

Transport mechanism:

Cytosol → Vesicle lumen

H⁺/neurotransmitter antiport:
- V-type ATPase가 H⁺을 vesicle 안으로 pump
- H⁺ gradient 생성
- Neurotransmitter transporter가 H⁺ gradient 이용
- H⁺ 밖으로, neurotransmitter 안으로

직접 loading:

  • Endocytic vesicle이 형성되자마자 시작
  • 별도의 intermediate compartment 불필요
  • 매우 효율적

Rapid Exocytosis의 분자 메커니즘

Priming: Fusion 준비 상태

Figure 13-45: Synaptic vesicle exocytosis의 분자 메커니즘. Priming과 Ca²⁺-triggered fusion 과정.

Priming process:

  1. Vesicle docking

    • Presynaptic plasma membrane에 결합
    • Rab protein과 tethering protein 역할

  2. SNARE pairing 시작

    • Synaptobrevin (v-SNARE)
    • Syntaxin (t-SNARE)
    • SNAP25 (t-SNARE, 2개의 α-helix 기여)
    • 부분적으로 assemble된 상태

  3. Complexin binding

    • SNARE complex에 결합
    • Complete zippering 방지
    • “Brake” 역할

⇒Metastable state형성

  • 융합 직전 상태
  • Ca²⁺ 신호 대기
  • 매우 빠른 반응 가능

Ca²⁺-triggered Fusion

Triggering mechanism:

  1. Action potential 도착

    • Nerve terminal depolarization
    • Voltage-gated Ca²⁺ channel 개방

  2. Ca²⁺ influx

    • Cytosolic Ca²⁺ 급증
    • Local concentration 증가

  3. Synaptotagmin activation

    • Ca²⁺-binding domain 보유
    • Ca²⁺ 결합으로 conformational change
    • SNARE complex와 상호작용

  4. Complexin displacement

    • Synaptotagmin이 complexin 제거
    • Brake 해제

  5. Complete zippering

    • SNARE bundle 완전히 형성
    • Fusion pore 개방
    • Neurotransmitter 방출

속도:

  • 전체 과정: milliseconds
  • Priming 덕분에 가능
  • 빠른 synaptic transmission

Primed Vesicle의 Pool

다중 pool 시스템:

  1. Readily releasable pool (RRP)

    • Primed vesicle
    • 즉시 방출 가능
    • 소수만 primed 상태

  2. Recycling pool

    • 활발히 재활용 중
    • RRP로 신속히 보충

  3. Reserve pool

    • 장기간 자극 시 사용
    • 천천히 mobilize

장점:

  • 연속적인 발화 가능
  • RRP 소진 시 recycling pool에서 보충
  • 피로(fatigue) 방지

Synaptic Vesicle Recycling의 여러 경로

Kiss-and-run

  • Vesicle이 완전히 융합하지 않음
  • Fusion pore만 일시적으로 개방
  • Neurotransmitter 방출 후 즉시 닫힘
  • 가장 빠른 재활용

Full collapse and reformation

  • Vesicle이 완전히 plasma membrane과 융합
  • Clathrin-mediated endocytosis로 재형성
  • 좀 더 시간 소요

Bulk endocytosis

  • 고빈도 자극 시
  • 대량의 membrane을 한꺼번에 endocytose
  • 내부에서 vesicle 재형성

Synaptic Vesicle의 생리학적 중요성

신경 전달의 핵심

Fast synaptic transmission:

  • Millisecond 단위 신호 전달
  • Priming system 필수
  • 연속적인 발화 가능

Synaptic plasticity:

  • 학습과 기억의 기초
  • Vesicle pool size 조절
  • Release probability 변화

Neurotransmitter 특이성

각 신경세포의 특화:

  • 특정 neurotransmitter transporter 발현
  • 특정 neurotransmitter만 loading
  • 일관된 신호 전달

병리학적 측면

Genetic Disorder

Dynamin 돌연변이:

  • Drosophila shibire mutant
  • 고온에서 마비
  • Vesicle recycling 차단
  • Clathrin-coated pit이 pinch off하지 못함

Toxin 표적

Botulinum toxin:

  • SNARE protein 절단
  • Vesicle fusion 차단
  • 마비 유발

Tetanus toxin:

  • Synaptobrevin 절단
  • Inhibitory neuron 표적
  • 경련 유발

Drug Target

많은 신경약물이 synaptic vesicle 표적:

  • Neurotransmitter transporter 억제제
  • Vesicle acidification 차단
  • Release 조절

요약

Synaptic vesicle은 신경세포에서 빠른 신호 전달을 가능하게 하는 특수화된 vesicle이다. 약 50 nm 크기에 다양한 membrane protein과 1,800개의 neurotransmitter molecule을 포함한다. 이들은 nerve terminal에서 local recycling을 통해 형성되며, priming system을 통해 fusion 직전 상태로 대기한다. Action potential에 의한 Ca²⁺ influx가 trigger가 되어 millisecond 내에 neurotransmitter를 방출하며, 연속적인 신경 전달을 위해 매우 빠르게 재활용된다.

Graph View

Backlinks