Nature突触囊泡是如何积聚谷氨酸

突触囊泡是一种位于神经元轴突末梢的特殊细胞器，内部充满了神经递质分子（如乙酰胆碱、谷氨酸等）。当神经冲动到达轴突末梢时，突触囊泡与细胞膜融合，并释放出神经递质分子到突触间隙。这些神经递质分子可以与后续的神经元细胞膜上的受体结合，产生神经信号传递。突触囊泡功能的正常与否很关键，因为许多神经系统疾病都受到神经递质分子的异常影响。

突触囊泡积累谷氨酸有两个主要参与者，通过囊泡谷氨酸转运体VGLUT和囊泡质子泵的示意图，以及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可以详细了解到。

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的受体来触发下游神经元的电信号。神经递质通过突触囊泡融合释放，突触囊泡中含有大量的神经递质。

科学家研究了突触囊泡是如何积累神经递质谷氨酸的，并建立了一个描述这些过程的突触囊泡的数学模型。研究结果已经发表在《Nature Communications》杂志上。

我们大脑独特的计算能力是基于神经元之间快速和高频的交流。高频突触传递需要突触囊泡的不断再生。因此，未成熟的突触囊泡从质膜外翻，由专门的神经递质转运体填充。

囊泡最初含有与细胞外空间相同的盐溶液，含有高浓度的氯(Cl-)和钠(Na+)。对于谷氨酸能突触囊泡，必须去除氯离子才能有效地使谷氨酸囊泡富集，谷氨酸囊泡也带负电荷。这两项任务都是由同一种蛋白质完成的，即水疱性谷氨酸转运蛋白。科学家们使用电生理学的方法来详细研究这是如何发生的。

他们可以证明囊泡谷氨酸转运体不仅运输谷氨酸，而且实际上运输所有被测试的阴离子。然而，谷氨酸的转运机制与其他阴离子不同:每个谷氨酸分子交换一个质子。这种转运是缓慢的，但允许谷氨酸逆其浓度梯度运输，从而在突触囊泡中产生高浓度。

天冬氨酸和其他大阴离子传输缓慢，但不耦合到质子梯度。氯离子通过离子孔的扩散速度比谷氨酸快300倍。所有的过程都受腔膜侧的pH值和膜电压的调节。它们在中性pH值下不活跃，需要电压才能变得活跃。

突触囊泡形成后，pH值为中性。质子泵的酸化激活了转运体，允许Cl-离子快速出口和有效的囊泡去极化。这为质子-谷氨酸交换创造了最佳条件。由于这个原因，只有谷氨酸，而不是非常相似的天冬氨酸，在囊泡内积累。南佛罗里达大学的Ghanim Ullah教授建立了一个数学模型，正确地描述了突触囊泡中谷氨酸积累的所有实验结果。

这些结果为大脑功能的分子基础提供了重要的新见解。它们也可能有助于开发新的治疗概念，如中风或某些神经退行性疾病，其中细胞外谷氨酸浓度增加导致神经元死亡。