Counting the Number of Glutamate Molecules in Single Synaptic Vesicles

谷氨酸受体 化学 突触小泡 安培法 生物物理学 小泡 神经递质 神经科学 生物化学 生物 受体 物理化学 电极 电化学
作者
Yuanmo Wang,Hoda Fathali,Devesh Mishra,Thomas Olsson,Jacqueline D. Keighron,Karolina P. Skibicka,Ann‐Sofie Cans
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (44): 17507-17511 被引量:85
标识
DOI:10.1021/jacs.9b09414
摘要

Analytical tools for quantitative measurements of glutamate, the principal excitatory neurotransmitter in the brain, are lacking. Here, we introduce a new enzyme-based amperometric sensor technique for the counting of glutamate molecules stored inside single synaptic vesicles. In this method, an ultra-fast enzyme-based glutamate sensor is placed into a solution of isolated synaptic vesicles, which stochastically rupture at the sensor surface in a potential-dependent manner at a constant negative potential. The continuous amperometric signals are sampled at high speed (10 kHz) to record sub-millisecond spikes, which represent glutamate release from single vesicles that burst open. Glutamate quantification is achieved by a calibration curve that is based on measurements of glutamate release from vesicles pre-filled with various glutamate concentrations. Our measurements show that an isolated single synaptic vesicle encapsulates about 8000 glutamate molecules and is comparable to the measured exocytotic quantal glutamate release in amperometric glutamate sensing in the nucleus accumbens of mouse brain tissue. Hence, this new methodology introduces the means to quantify ultra-small amounts of glutamate and to study synaptic vesicle physiology, pathogenesis, and drug treatments for neuronal disorders where glutamate is involved.
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