The enzymes that catalyze the synthesis of the low- molecular-weight neurotransmitters, with the exception of dopamine β-hydroxylase, are found in the cytoplasm. These enzymes are synthesized on free polysomes in the cell body and probably in dendrites and are distributed throughout the neuron by axoplasmic flow. Thus, small-molecule transmitter substances can be formed in all parts of the neuron; most importantly, they can be synthesized at axonal presynaptic sites from which they are released.

آنزیم‌هایی که سنتز انتقال دهنده‌های عصبی با وزن مولکولی کم را کاتالیز می‌کنند، به استثنای دوپامین β-هیدروکسیلاز، در سیتوپلاسم یافت می‌شوند. این آنزیم‌ها بر روی پلی زوم‌های آزاد در بدن سلولی و احتمالاً در دندریت‌ها سنتز می‌شوند و توسط جریان آکسوپلاسمی‌در سراسر نورون توزیع می‌شوند. بنابراین، مواد ترانسمیتر مولکولی کوچک می‌توانند در تمام قسمت‌های نورون تشکیل شوند. مهمتر از همه، آنها را می‌توان در سایت‌های پیش سیناپسی آکسونی که از آن آزاد می‌شوند سنتز کرد.

In contrast, neuroactive peptides are derived from secretory proteins that are formed in the cell body. More than 50 short peptides are produced by neurons or neuroendocrine cells and exert physiological actions (Table 16-2).

در مقابل، پپتیدهای عصبی فعال از پروتئین‌های ترشحی که در بدن سلولی تشکیل می‌شوند مشتق می‌شوند. بیش از ۵۰ پپتید کوتاه توسط نورون‌ها یا سلول‌های عصبی غدد درون ریز تولید می‌شوند و اعمال فیزیولوژیکی انجام می‌دهند (جدول ۱۶-۲).

Some act as hormones on targets outside the brain (eg, angiotensin and gastrin) or are products of neuroendocrine secretion (eg, oxytocin, vasopressin, somatostatin, luteinizing hormone, and thyrotropin-releasing hormone). In addition, many neuropeptides act as neurotransmitters when released close to a target neuron, where they can cause inhibition, excitation, or both.

برخی به عنوان هورمون بر روی اهداف خارج از مغز عمل می‌کنند (مانند آنژیوتانسین و گاسترین) یا محصولات ترشح عصبی غدد درون ریز هستند (مانند اکسی توسین، وازوپرسین، سوماتواستاتین، هورمون لوتئینیزه کننده و هورمون آزاد کننده تیروتروپین). علاوه بر این، بسیاری از نوروپپتیدها هنگامی‌که در نزدیکی نورون هدف آزاد می‌شوند، به عنوان انتقال دهنده‌های عصبی عمل می‌کنند، جایی که می‌توانند باعث مهار، تحریک یا هر دو شوند.

Table 16-2 Neuroactive Mammalian Peptides

جدول ۱۶-۲ پپتیدهای عصبی پستانداران

جدول 16-2 پپتیدهای عصبی پستانداران

Neuroactive peptides have been implicated in modulating sensory perception and affect. Some peptides, including substance P and the enkephalins, are preferentially located in regions of the central nervous system involved in the perception of pain. Other neuropeptides regulate complex responses to stress; these peptides include γ-melanocyte-stimulating hormone, corticotropin-releasing hormone (CRH), adrenocorticotropin (ACTH), dynorphin, and β-endorphin.

پپتیدهای عصبی فعال در تعدیل ادراک حسی و عاطفه نقش دارند. برخی از پپتیدها، از جمله ماده P و انکفالین‌ها، ترجیحاً در مناطقی از سیستم عصبی مرکزی قرار دارند که در درک درد نقش دارند. سایر نوروپپتیدها پاسخ‌های پیچیده به استرس را تنظیم می‌کنند. این پپتیدها شامل هورمون محرک γ-ملانوسیت، هورمون آزاد کننده کورتیکوتروپین (CRH)، آدرنوکورتیکوتروپین (ACTH)، دینورفین و β-اندورفین هستند.

Although the diversity of neuroactive peptides is enormous, as a class these chemical messengers share a common cell biology. A striking generality is that neuroactive peptides are grouped in families with members that have similar sequences of amino acid residues. At least 10 have been identified; the seven main families are listed in Table 16-3.

اگرچه تنوع پپتیدهای عصبی فعال بسیار زیاد است، اما به عنوان یک طبقه، این پیام رسان‌های شیمیایی یک زیست شناسی سلولی مشترک دارند. یک کلیت قابل توجه این است که پپتیدهای عصبی فعال در خانواده‌هایی با اعضایی که دارای توالی‌های مشابهی از باقی مانده اسیدهای آمینه هستند گروه بندی می‌شوند. حداقل ۱۰ نفر شناسایی شده اند. هفت خانواده اصلی در جدول ۱۶-۳ فهرست شده اند.

Several different neuroactive peptides can be encoded by a single continuous messenger RNA (mRNA), which is translated into one large polyprotein precursor (Figure 16-2). Polyproteins can serve as a mechanism for amplification by providing more than one copy of the same peptide from the one pre- cursor. For example, the precursor of glucagon contains two copies of the hormone. Polyproteins also generate diversity by producing several distinct pep- tides cleaved from one precursor, as in the case of the opioid peptides. The opioid peptides are derived from polyproteins encoded by three distinct genes. These peptides are endogenous ligands for a family of G protein-coupled receptors. In addition to endogenous agonists, the mu opioid receptor also binds drugs with analgesic and addictive properties, such as morphine and synthetic derivatives, including heroin and oxycodone.

چندین پپتید عصبی مختلف را می‌توان توسط یک RNA پیام رسان پیوسته (mRNA)، که به یک پیش ساز پلی پروتئینی بزرگ ترجمه می‌شود، کدگذاری کرد (شکل ۱۶-۲). پلی پروتئین‌ها می‌توانند با ارائه بیش از یک کپی از همان پپتید از یک پیش ساز، به عنوان مکانیزمی‌برای تقویت عمل کنند. به عنوان مثال، پیش ساز گلوکاگون حاوی دو نسخه از این هورمون است. پلی پروتئین‌ها همچنین با تولید چندین پپتید مجزا که از یک پیش ساز جدا شده اند، تنوع ایجاد می‌کنند، مانند پپتیدهای مخدر. پپتیدهای اپیوئیدی از پلی پروتئین‌های کدگذاری شده توسط سه ژن مجزا مشتق می‌شوند. این پپتیدها لیگاندهای درون زا برای خانواده ای از گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G هستند. علاوه بر آگونیست‌های درون زا، گیرنده اپیوئیدی مو به داروهایی با خواص ضد درد و اعتیادآور مانند مورفین و مشتقات مصنوعی از جمله هروئین و اکسی کدون متصل می‌شود.

Table 16-3 The Main Families of Neuroactive Peptides

جدول ۱۶-۳ خانواده‌های اصلی پپتیدهای عصبی فعال

جدول 16-3 خانواده‌های اصلی پپتیدهای عصبی فعال

The processing of more than one functional peptide from a single polyprotein is not unique to neuro- active peptides. The mechanism was first described for proteins encoded by small RNA viruses. Several viral polypeptides are produced from the same viral polyprotein, and all contribute to the generation of new virus particles. As with the virus, where the different proteins obviously serve a common biological purpose (formation of new viruses), a neuronal polypeptide will in many instances yield peptides that work together to serve a common physiological goal. Sometimes the biological functions appear to be more complex, as peptides with related or antagonistic activities can be generated from the same precursor.

پردازش بیش از یک پپتید کاربردی از یک پلی پروتئین منحصر به پپتیدهای فعال عصبی نیست. این مکانیسم برای اولین بار برای پروتئین‌های کدگذاری شده توسط ویروس‌های RNA کوچک توصیف شد. چندین پلی پپتید ویروسی از همان پلی پروتئین ویروسی تولید می‌شوند و همگی در تولید ذرات ویروس جدید نقش دارند. همانند ویروس، جایی که پروتئین‌های مختلف به وضوح یک هدف بیولوژیکی مشترک (تشکیل ویروس‌های جدید) انجام می‌دهند، یک پلی پپتید عصبی در بسیاری از موارد پپتیدهایی تولید می‌کند که با هم کار می‌کنند تا یک هدف فیزیولوژیکی مشترک را برآورده کنند. گاهی اوقات عملکردهای بیولوژیکی پیچیده تر به نظر می‌رسد، زیرا پپتیدهایی با فعالیت‌های مرتبط یا متضاد می‌توانند از یک پیش ساز تولید شوند.

A particularly striking example of this form of synergy is the group of peptides formed from the pre- cursor of egg-laying hormone (ELH), a set of neuropeptides that govern diverse reproductive behaviors in the marine mollusk Aplysia. Egg-laying hormone can act as a hormone causing the contraction of oviduct muscles; it can also act as a neurotransmitter to alter the firing of several neurons involved in producing behaviors, as do the other peptides cut from the polyprotein.

نمونه بارز این شکل از هم افزایی گروهی از پپتیدها است که از پیش ساز هورمون تخمگذار (ELH) تشکیل شده است، مجموعه ای از نوروپپتیدها که بر رفتارهای تولید مثلی متنوع در نرم تنان دریایی Aplysia نظارت می‌کنند. هورمون تخمگذار می‌تواند به عنوان هورمونی عمل کند که باعث انقباض عضلات مجرای تخمک می‌شود. همچنین می‌تواند به عنوان یک انتقال دهنده عصبی عمل کند تا شلیک چندین نورون درگیر در تولید رفتارها را تغییر دهد، همانطور که پپتیدهای دیگر بریده شده از پلی پروتئین را انجام می‌دهند.

The processing of neuroactive peptides takes place within the neuron’s intracellular membrane system and in vesicles. Several peptides are produced from a single polyprotein by limited and specific proteolytic cleavage, catalyzed by proteases within these internal membrane systems. Some of these enzymes are serine proteases, a class that also includes the pancreatic enzymes trypsin and chymotrypsin. As with trypsin, the cleavage site of the peptide bond is determined by basic amino acid residues (lysine and arginine) in the substrate protein. Although cleavage is most common at dibasic residues, it can also occur at single basic residues, and polyproteins sometimes are cleaved at other peptide bonds.

پردازش پپتیدهای عصبی فعال در سیستم غشای داخل سلولی نورون و در وزیکول‌ها انجام می‌شود. چندین پپتید از یک پلی پروتئین منفرد توسط برش پروتئولیتیک محدود و خاص تولید می‌شود که توسط پروتئازها در این سیستم‌های غشایی داخلی کاتالیز می‌شود. برخی از این آنزیم‌ها سرین پروتئازها هستند، دسته ای که شامل آنزیم‌های پانکراس تریپسین و کیموتریپسین نیز می‌شود. مانند تریپسین، محل برش پیوند پپتیدی توسط بقایای اسید آمینه پایه (لیزین و آرژنین) در پروتئین سوبسترا تعیین می‌شود. اگرچه شکاف در باقیمانده‌های دوبازیک رایج‌تر است، اما می‌تواند در باقی مانده‌های پایه منفرد نیز رخ دهد، و پلی‌پروتئین‌ها گاهی در پیوندهای پپتیدی دیگر شکافته می‌شوند.

شکل 16-2 پیش سازهای هورمونی و نوروپپتیدی به طور متفاوتی پردازش می‌شوند

Figure 16-2 Hormone and neuropeptide precursors are processed differentially: The opioid family of neuropeptides. The opioid neuropeptides are derived from larger precursor molecules that require multiple rounds of protease- mediated cleavage. These precursors are processed differentially to yield their specific peptide products. Transport of these precursors through the membrane of the endoplasmic reticulum is initiated by a hydrophobic signal sequence. Internal cleavages often occur at basic residues within the polypeptide. Moreover, these precursors have key cysteine residues and sugar moieties that play roles in their processing and function. Generally, the first iteration of processing begins with the newly synthesized polyprotein precursor (known as the pre-propeptide form). Cleavage of an amino-terminal signal sequence generates a smaller molecule, the propeptide. Three major opioid peptide precursor proteins are encoded by three genes: proopiomelanocortin (POMC), proenkephalin (PENK), and prodynorphin (PDYN) (not shown). Differential processing of the three resultant pre-propeptides gives rise to the major opioid peptides-endorphins, enkephalins, and dynorphins.

شکل ۱۶-۲ پیش سازهای هورمونی و نوروپپتیدی به طور متفاوتی پردازش می‌شوند: خانواده اپیوئیدی نوروپپتیدها. نوروپپتیدهای اپیوئیدی از مولکول‌های پیش ساز بزرگتری مشتق می‌شوند که به دورهای متعدد برش با واسطه پروتئاز نیاز دارند. این پیش سازها به طور متفاوتی برای تولید محصولات پپتیدی خاص خود پردازش می‌شوند. انتقال این پیش سازها از طریق غشای شبکه آندوپلاسمی‌توسط یک توالی سیگنال آبگریز آغاز می‌شود. شکاف‌های داخلی اغلب در باقی مانده‌های اساسی در پلی پپتید رخ می‌دهد. علاوه بر این، این پیش سازها دارای باقی مانده‌های کلیدی سیستئین و بخش‌های قندی هستند که در پردازش و عملکرد آنها نقش دارند. به طور کلی، اولین تکرار پردازش با پیش ساز پلی پروتئینی تازه سنتز شده (معروف به شکل پیش پروپپتیدی) آغاز می‌شود. برش یک توالی سیگنال آمینه ترمینال، مولکول کوچکتری به نام پروپپتید تولید می‌کند. سه پروتئین اصلی پیش ساز پپتید اوپیوئیدی توسط سه ژن کدگذاری می‌شوند: پروپیوملانوکورتین (POMC)، پروانکفالین (PENK) و پرودینورفین (PDYN) (نمایش داده نشده است). پردازش افتراقی از سه پیش پروپپتید به دست آمده منجر به پپتیدهای مخدر اصلی – اندورفین‌ها، انکفالین‌ها و دینورفین‌ها می‌شود.

A. The POMC precursor is processed differently in different lobes of the pituitary gland, resulting in α-melanocyte-stimulating hormone (α-MSH) and γ-MSH, corticotropin-like intermediate lobe peptide (CLIP), and β-lipotropin (β-LPH). β-LPH is cleaved to yield γ-LPH and β-endorphin (β-END), which themselves yield β-melanocyte-stimulating hormone (β-MSH) and α-endorphin (α-END), respectively. The endoproteolytic cleavages within adrenocorticotropic hormone (ACTH) and β-LPH take place in the intermediate lobe but not the anterior lobe.

الف. پیش ساز POMC به طور متفاوتی در لوب‌های مختلف غده هیپوفیز پردازش می‌شود که منجر به تولید هورمون محرک ملانوسیت (α-MSH) و γ-MSH، پپتید لوب میانی شبه کورتیکوتروپین (CLIP) و B-لیپوتروپین (B) می‌شود. -LPH). β-LPH برای تولید γ-LPH و β-اندورفین (β-END) شکسته می‌شود که خود به ترتیب هورمون محرک β-ملانوسیت (β-MSH) و α-اندورفین (α-END) تولید می‌کنند. شکاف‌های اندوپروتئولیتیک در هورمون آدرنوکورتیکوتروپیک (ACTH) و β-LPH در لوب میانی اتفاق می‌افتد اما در لوب قدامی‌رخ نمی‌دهد.

B. Similar principles are evident in the processing of the enkephalin precursor, which gives rise to six Met-enkephalin peptides and one Leu-enkephalin peptide.

ب. اصول مشابهی در پردازش پیش ساز انکفالین مشهود است که باعث ایجاد شش پپتید مت-انکفالین و یک پپتید لئو انکفالین می‌شود.

C. The dynorphin precursor is cleaved into at least three peptides that are related to Leu-enkephalin since the amino- terminal sequences of all three peptides contain the sequence of Leu-enkephalin.

ج. پیش ساز دینورفین به حداقل سه پپتید که مربوط به Leu-enkephalin هستند تقسیم می‌شود زیرا توالی‌های آمینه پایانی هر سه پپتید حاوی توالی Leu-enkephalin هستند.

Other types of peptidases also catalyze the limited proteolysis required for processing neuroactive peptides. Among these are thiol endopeptidases (with catalytic mechanisms like that of pepsin), amino peptidases (which remove the N-terminal amino acid of the peptide), and carboxy-peptidase B (an enzyme that removes an amino acid from the C-terminal end of the peptide if it is basic).

انواع دیگر پپتیدازها نیز پروتئولیز محدود مورد نیاز برای پردازش پپتیدهای عصبی فعال را کاتالیز می‌کنند. از جمله آن‌ها تیول اندوپپتیدازها (با مکانیسم‌های کاتالیزوری مانند پپسین)، آمینو پپتیدازها (که اسید آمینه N ترمینال پپتید را حذف می‌کنند) و کربوکسی پپتیداز B (آنزیمی‌که یک اسید آمینه را از انتهای C ترمینال حذف می‌کند). از پپتید اگر پایه باشد).

Different neurons that produce the same polyprotein may release different neuropeptides because of differences in the way the polyprotein is processed. An example is proopiomelanocortin (POMC), one of the three branches of the opioid family. POMC is found in neurons of the anterior and intermediate lobes of the pituitary, in the hypothalamus, and in several other regions of the brain, as well as in the placenta and gut. The same mRNA for POMC is found in all of these tissues, but different peptides are produced from POMC in different tissues in a regulated manner. One possibility is that two neurons that process the same polyprotein might differently express proteases with different specificities within the lumina of the endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, or vesicles. Alternatively, the two neurons might contain the same processing proteases, but each cell might glycosylate the common polyprotein at different sites, thereby protecting different regions of the polypeptide from cleavage.

نورون‌های مختلفی که پلی‌پروتئین مشابهی تولید می‌کنند ممکن است نوروپپتیدهای متفاوتی را به دلیل تفاوت در روش پردازش پلی‌پروتئین آزاد کنند. به عنوان مثال، پروپیوملانوکورتین (POMC)، یکی از سه شاخه از خانواده مواد افیونی است. POMC در نورون‌های لوب قدامی‌و میانی هیپوفیز، در هیپوتالاموس و در چندین ناحیه دیگر مغز و همچنین در جفت و روده یافت می‌شود. همان mRNA برای POMC در همه این بافت‌ها یافت می‌شود، اما پپتیدهای متفاوتی از POMC در بافت‌های مختلف به روشی تنظیم شده تولید می‌شوند. یک احتمال این است که دو نورون که پلی پروتئین یکسان را پردازش می‌کنند، ممکن است پروتئازها را با ویژگی‌های متفاوت در لومینای شبکه آندوپلاسمی، دستگاه گلژی یا وزیکول‌ها بیان کنند. از طرف دیگر، این دو نورون ممکن است حاوی پروتئازهای پردازش کننده یکسانی باشند، اما هر سلول ممکن است پلی پروتئین رایج را در مکان‌های مختلف گلیکوزیله کند، در نتیجه از مناطق مختلف پلی پپتید در برابر شکست محافظت می‌کند.

Peptides and Small-Molecule Transmitters Differ in Several Ways

پپتیدها و ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک از چند جهت با هم تفاوت دارند

Large dense-core vesicles are homologous to the secretory granules of nonneuronal cells. These vesicles are formed in the trans-Golgi network, where they are loaded with neuropeptides and other proteins that enable formation of the dense core. The dense- core vesicles are then transported from the soma to presynaptic sites in axons. In addition to containing neuropeptides, these vesicles often contain small molecule transmitters due to their expression of vesicular transporters. After large dense-core vesicles release their contents through exocytosis, the membrane is not recycled to form new large dense core vesicles. Rather the vesicles must be replaced by transport from the soma. In contrast, mature small synaptic vesicles are not synthesized in the soma. Rather, their protein components are delivered to release sites by transport of large dense-core precursor vesicles. To form a mature small synaptic vesicle, the precursor vesicles must first fuse with the plasma membrane. Following endocytosis, mature synaptic vesicles are then produced by local processing. Once their contents are released by exocytosis, synaptic vesicles can be rapidly recycled to maintain their local concentration during periods of sustained neural firing.

وزیکول‌های بزرگ با هسته متراکم همولوگ با گرانول‌های ترشحی سلول‌های غیر عصبی هستند. این وزیکول‌ها در شبکه trans-Golgi تشکیل می‌شوند، جایی که آنها با نوروپپتیدها و پروتئین‌های دیگری که تشکیل هسته متراکم را امکان پذیر می‌کنند، بارگیری می‌شوند. سپس وزیکول‌های هسته متراکم از سوما به مکان‌های پیش سیناپسی در آکسون‌ها منتقل می‌شوند. این وزیکول‌ها علاوه بر اینکه حاوی نوروپپتید هستند، اغلب حاوی ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک به دلیل بیان ناقل‌های وزیکولی هستند. پس از اینکه وزیکول‌های بزرگ با هسته متراکم محتویات خود را از طریق اگزوسیتوز آزاد می‌کنند، غشاء بازیافت نمی‌شود تا وزیکول‌های هسته متراکم بزرگ جدید تشکیل شود. بلکه وزیکول‌ها باید با انتقال از سوما جایگزین شوند. در مقابل، وزیکول‌های کوچک سیناپسی بالغ در سوما سنتز نمی‌شوند. در عوض، اجزای پروتئینی آن‌ها با انتقال وزیکول‌های پیش‌ساز هسته‌ای متراکم به مکان‌های رهاسازی تحویل داده می‌شوند. برای تشکیل یک وزیکول سیناپسی کوچک بالغ، وزیکول‌های پیش ساز باید ابتدا با غشای پلاسمایی ترکیب شوند. پس از اندوسیتوز، وزیکول‌های سیناپسی بالغ با پردازش موضعی تولید می‌شوند. هنگامی‌که محتویات آنها توسط اگزوسیتوز آزاد می‌شود، وزیکول‌های سیناپسی می‌توانند به سرعت بازیافت شوند تا غلظت محلی خود را در طول دوره‌های شلیک عصبی پایدار حفظ کنند.

Although both types of vesicles contain many similar proteins, dense-core vesicles lack several proteins needed for release at the active zones. The membranes from dense-core vesicles are used only once; new dense-core vesicles must be synthesized in the cell body and transported to the axonal terminals by anterograde transport. Moreover, no uptake mechanisms exist for neuropeptides. Thus, once a peptide is released, a new supply must arrive from the cell body. Although there is evidence for local protein synthesis in some axons, it has not been shown that this provides new peptides for release.

اگرچه هر دو نوع وزیکول حاوی بسیاری از پروتئین‌های مشابه هستند، اما وزیکول‌های هسته متراکم فاقد چندین پروتئین مورد نیاز برای آزادسازی در مناطق فعال هستند. غشاهای وزیکول‌های هسته متراکم فقط یک بار استفاده می‌شوند. وزیکول‌های جدید با هسته متراکم باید در بدن سلولی سنتز شوند و با حمل و نقل انتروگراد به پایانه‌های آکسونی منتقل شوند. علاوه بر این، هیچ مکانیسم جذبی برای نوروپپتیدها وجود ندارد. بنابراین، هنگامی‌که یک پپتید آزاد می‌شود، یک منبع جدید باید از بدن سلولی وارد شود. اگرچه شواهدی برای سنتز پروتئین موضعی در برخی آکسون‌ها وجود دارد، اما نشان داده نشده است که این امر پپتیدهای جدیدی را برای آزادسازی فراهم می‌کند.

The large dense-core vesicles release their contents by an exocytotic mechanism that is not specialized to nerve cells and does not require active zones; release can thus take place anywhere along the mem- brane of the axon that has the appropriate fusion machinery. As in other examples of regulated secretion, exocytosis of the dense-core vesicles depends on a general elevation of intracellular Ca2+ through voltage-gated Ca2+ channels that are not localized to the site of release. As a result, this form of exocytosis is slow and requires high stimulation frequencies to raise Ca2+ to levels sufficient to trigger release. This is in contrast to the rapid exocytosis of synaptic vesicles following a single action potential, which initiates the large, rapid increase in Ca2+ through voltage-gated Ca2+ channels tightly clustered at the active zone (Chapter 15).

وزیکول‌های بزرگ با هسته متراکم محتویات خود را با یک مکانیسم اگزوسیتوز آزاد می‌کنند که برای سلول‌های عصبی تخصصی نیست و به مناطق فعال نیاز ندارد. بنابراین رهاسازی می‌تواند در هر جایی در امتداد غشای آکسون که دارای دستگاه همجوشی مناسب است انجام شود. همانند سایر نمونه‌های ترشح تنظیم‌شده، اگزوسیتوز وزیکول‌های هسته متراکم به افزایش کلی +Ca2 داخل سلولی از طریق کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ که در محل آزادسازی موضعی نیستند، بستگی دارد. در نتیجه، این شکل از اگزوسیتوز آهسته است و به فرکانس‌های تحریک بالا نیاز دارد تا +Ca2 را به سطوحی که برای شروع آزادسازی کافی است، برساند. این برخلاف اگزوسیتوز سریع وزیکول‌های سیناپسی به دنبال یک پتانسیل عمل است که باعث افزایش سریع و بزرگ +Ca2 از طریق کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ می‌شود که در ناحیه فعال جمع شده‌اند (فصل ۱۵).

Peptides and Small-Molecule Transmitters Can Be Co-released

پپتیدها و ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک می‌توانند همزمان آزاد شوند

Neuroactive peptides, small-molecule transmitters, and other neuroactive molecules coexist in the same dense-core vesicles of some neurons (Chapters 7 and 15). In mature neurons, the combination usually consists of one of the small-molecule transmitters and one or more peptides derived from a polyprotein. For example, ACh and vasoactive intestinal peptide (VIP) can be released together and work synergistically on the same target cells.

پپتیدهای عصبی فعال، ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک و سایر مولکول‌های عصبی فعال در همان وزیکول‌های هسته متراکم برخی از نورون‌ها همزیستی دارند (فصل ۷ و ۱۵). در نورون‌های بالغ، این ترکیب معمولاً از یکی از ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک و یک یا چند پپتید مشتق شده از یک پلی پروتئین تشکیل شده است. به عنوان مثال، ACh و پپتید وازواکتیو روده (VIP) می‌توانند با هم آزاد شوند و به صورت هم افزایی روی سلول‌های هدف یکسان کار کنند.

Another example is calcitonin gene-related peptide (CGRP), which in most spinal motor neurons is packaged together with ACh, the transmitter used at the neuromuscular junction. CGRP activates adenylyl cyclase, raising cyclic adenosine monophosphate (CAMP) levels and cAMP-dependent protein phosphorylation in the target muscles (Chapter 14). Increased protein phosphorylation results in an increase in the force of contraction. Another example is the co-release of glutamate and dynorphin in neurons of the hippocampus, where glutamate is excitatory and dynorphin inhibitory. Because postsynaptic target cells have receptors for both chemical messengers, all of these examples of co-release are also examples of cotransmission.

مثال دیگر پپتید مرتبط با ژن کلسی تونین (CGRP) است که در اکثر نورون‌های حرکتی ستون فقرات همراه با ACh، ترانسمیتر مورد استفاده در اتصال عصبی عضلانی، بسته بندی می‌شود. CGRP آدنیلیل سیکلاز را فعال می‌کند، سطح آدنوزین مونوفسفات حلقوی (CAMP) و فسفوریلاسیون پروتئین وابسته به cAMP را در عضلات هدف افزایش می‌دهد (فصل ۱۴). افزایش فسفوریلاسیون پروتئین منجر به افزایش نیروی انقباض می‌شود. مثال دیگر آزادسازی همزمان گلوتامات و دینورفین در نورون‌های هیپوکامپ است که در آن گلوتامات تحریک کننده و مهارکننده دینورفین است. از آنجایی که سلول‌های هدف پس سیناپسی گیرنده‌هایی برای هر دو پیام رسان شیمیایی دارند، همه این نمونه‌های آزادسازی همزمان نمونه‌هایی از انتقال همزمان هستند.

As already described, the dense-core vesicles that release peptides differ from the small clear vesicles that release only small-molecule transmitters. The peptide- containing vesicles may or may not contain small- molecule transmitter, but both types of vesicles contain ATP. As a result, ATP is released by exocytosis of both large dense-core vesicles and synaptic vesicles. Moreover, it appears that ATP may be stored and released in a number of distinct ways: (1) ATP is co-stored and co- released with transmitters, (2) ATP release is simultaneous but independent of transmitter release, and (3) ATP is released alone. Co-release of ATP (which after release can be degraded to adenosine) may be an important illustration that coexistence and co-release do not necessarily signify cotransmission. ATP, like many other substances, can be released from neurons but still not be involved in signaling if there are no receptors nearby. As mentioned earlier, one criterion for judging whether a particular substance is used as a transmitter is that the substance is present in high concentrations in a neuron. Identification of transmitters in specific neurons has been important in understanding synaptic transmission, and a variety of histochemical methods are used to detect chemical messengers in neurons (Box 16-2).

همانطور که قبلاً توضیح داده شد، وزیکول‌های هسته متراکم که پپتیدها را آزاد می‌کنند با وزیکول‌های شفاف کوچکی که فقط ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک آزاد می‌کنند، متفاوت است. وزیکول‌های حاوی پپتید ممکن است حاوی ترانسمیتر مولکولی کوچک باشند یا نباشند، اما هر دو نوع وزیکول حاوی ATP هستند. در نتیجه، ATP توسط اگزوسیتوز هر دو وزیکول‌های بزرگ با هسته متراکم و وزیکول‌های سیناپسی آزاد می‌شود. علاوه بر این، به نظر می‌رسد که ATP ممکن است به روش‌های متمایز ذخیره و آزاد شود: (۱) ATP همراه با ترانسمیتر‌ها ذخیره و آزاد می‌شود، (۲) آزادسازی ATP همزمان اما مستقل از آزادسازی ترانسمیتر است، و (۳) ATP به تنهایی آزاد می‌شود. آزادسازی همزمان ATP (که پس از آزاد شدن می‌تواند به آدنوزین تجزیه شود) ممکن است یک مثال مهم باشد که همزیستی و آزادسازی همزمان لزوماً به معنی انتقال همزمان نیستند. ATP، مانند بسیاری از مواد دیگر، می‌تواند از نورون‌ها آزاد شود، اما اگر گیرنده‌ای در نزدیکی آن وجود نداشته باشد، باز هم در سیگنال‌دهی نقشی ندارد. همانطور که قبلا ذکر شد، یک معیار برای قضاوت در مورد استفاده از یک ماده خاص به عنوان ترانسمیتر این است که این ماده در غلظت‌های بالایی در یک نورون وجود دارد. شناسایی ترانسمیتر‌ها در نورون‌های خاص در درک انتقال سیناپسی مهم بوده است و انواع روش‌های هیستوشیمیایی برای شناسایی پیام‌رسان‌های شیمیایی در نورون‌ها استفاده می‌شود (کادر ۱۶-۲).

The glutamate synaptic vesicle transporters VGLUT2 and VGLUT3 are expressed in neurons that release other classes of neurotransmitter, particularly cholinergic, serotonergic, and catecholaminergic neurons. An interesting example of co-release of two small-molecule transmitters is that of glutamate and dopamine by neurons projecting to the ventral striatum, cortex, and elsewhere. This co-release may have important implications for modulation of motivated behaviors and for establishing the patterns of axonal projections. In some cases, glutamate is released together with dopamine in response to different patterns of dopaminergic neuron firing. While there is a controversy regarding whether the same synaptic vesicles can accumulate both neurotransmitters, in isolated synaptic vesicles, glutamate uptake enhances vesicular monoamine storage by increasing the pH gradient that drives vesicular monoamine transport, providing a presynaptic mechanism to regulate quantal size.

ناقلان وزیکول سیناپسی گلوتامات VGLUT2 و VGLUT3 در نورون‌هایی بیان می‌شوند که کلاس‌های دیگر انتقال دهنده‌های عصبی، به ویژه نورون‌های کولینرژیک، سروتونرژیک و کاتکول آمینرژیک را آزاد می‌کنند. یک مثال جالب از آزادسازی همزمان دو ترانسمیتر مولکولی کوچک، گلوتامات و دوپامین توسط نورون‌هایی است که به مخطط شکمی، قشر و جاهای دیگر می‌تابند. این آزادسازی همزمان ممکن است پیامدهای مهمی‌برای تعدیل رفتارهای با انگیزه و ایجاد الگوهای برآمدگی آکسونی داشته باشد. در برخی موارد، گلوتامات همراه با دوپامین در پاسخ به الگوهای مختلف شلیک نورون‌های دوپامینرژیک آزاد می‌شود. در حالی که در مورد اینکه آیا وزیکول‌های سیناپسی یکسان می‌توانند هر دو انتقال دهنده عصبی را جمع کنند، اختلاف نظر وجود دارد، در وزیکول‌های سیناپسی ایزوله، جذب گلوتامات با افزایش گرادیان pH که انتقال مونوآمین وزیکولی را هدایت می‌کند، ذخیره سازی مونوآمین وزیکولی را افزایش می‌دهد و مکانیزم پیش سیناپسی را برای تنظیم اندازه کوانتال فراهم می‌کند.

Removal of Transmitter From the Synaptic Cleft Terminates Synaptic Transmission

حذف ترانسمیتر از شکاف سیناپسی انتقال سیناپسی را خاتمه می‌دهد

Timely removal of transmitters from the synaptic cleft is critical to synaptic transmission. If transmitter molecules released in one synaptic action were allowed to remain in the cleft after release, this would impede the normal spatial and temporal dynamics of signaling, initially boosting the signal but preventing new signals from getting through. The synapse would ultimately become refractory, mainly because of receptor desensitization resulting from continued exposure to transmitter.

حذف به موقع ترانسمیتر‌ها از شکاف سیناپسی برای انتقال سیناپسی بسیار مهم است. اگر به مولکول‌های ترانسمیتر آزاد شده در یک عمل سیناپسی اجازه داده شود پس از رهاسازی در شکاف باقی بمانند، این امر دینامیک مکانی و زمانی طبیعی سیگنال‌دهی را مختل می‌کند، در ابتدا سیگنال را تقویت می‌کند اما از عبور سیگنال‌های جدید جلوگیری می‌کند. سیناپس در نهایت به دلیل حساسیت زدایی گیرنده ناشی از قرار گرفتن مداوم در معرض ترانسمیتر، در نهایت نسوز می‌شود.

Transmitter substances are removed from the cleft by three mechanisms: diffusion, enzymatic degradation, and reuptake. Diffusion removes some fraction of all chemical messengers, but in brain regions with very high innervation and thus a high requirement for neurotransmitter release, diffusion can play a relatively small role in tapering signaling. In contrast, in regions of low innervation, diffusion is a major means by which signaling is decreased.

مواد ترانسمیتر با سه مکانیسم آزادسازی، تجزیه آنزیمی‌و بازجذب از شکاف خارج می‌شوند. آزادسازی بخشی از همه پیام‌رسان‌های شیمیایی را حذف می‌کند، اما در نواحی مغزی با عصب‌گیری بسیار بالا و در نتیجه نیاز بالا برای آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی، آزادسازی می‌تواند نقش نسبتا کمی‌در کاهش سیگنال‌ها داشته باشد. در مقابل، در مناطق با عصب کم، آزادسازی وسیله اصلی کاهش سیگنالینگ است.

At cholinergic synapses, the dominant means of clearing ACh is enzymatic degradation of the transmitter by acetylcholinesterase. At the neuromuscular junction, the active zone of the presynaptic nerve terminal is situated just above the junctional folds of the muscle membrane. The ACh receptors are located at the sur- face of the muscle facing the release sites and do not extend deep into the folds (see Figure 12-1), whereas acetylcholinesterase is anchored to the basement membrane within the folds. This anatomical arrangement of transmitter, receptor, and degradative enzyme serves two functions.

در سیناپس‌های کولینرژیک، ابزار غالب پاکسازی ACh، تخریب آنزیمی‌ترانسمیتر توسط استیل کولین استراز است. در محل اتصال عصبی عضلانی، ناحیه فعال پایانه عصب پیش سیناپسی درست بالای چین‌های اتصالی غشای عضلانی قرار دارد. گیرنده‌های ACh در سطح عضله روبروی محل‌های رهاسازی قرار دارند و به عمق چین‌ها گسترش نمی‌یابند (شکل ۱۲-۱ را ببینید)، در حالی که استیل کولین استراز به غشای پایه در داخل چین‌ها متصل می‌شود. این آرایش آناتومیکی ترانسمیتر، گیرنده و آنزیم تجزیه کننده دو عملکرد را انجام می‌دهد.

First, on release, ACh reacts with its receptor; after dissociation from the receptor, the ACh diffuses into the cleft and is hydrolyzed to choline and acetate by acetylcholinesterase. As a result, the transmitter molecules are used only once. Thus, one function of the esterase is to punctuate the synaptic message. Second, the choline that otherwise might be lost by diffusion away from the synaptic cleft is recaptured. Once hydrolyzed by the esterase, the choline lingers in the reservoir provided by the junctional folds and is taken back up into cholinergic nerve endings by a high-affinity choline transporter. (Unlike the biogenic amines, there is no uptake mechanism for ACh itself at the plasma membrane.) In addition to acetylcholinesterase, ACh is also degraded by another esterase, butyrylcholinesterase, which can also degrade other molecules including cocaine and the paralytic drug succinylcholine. However, the precise functions of butyrylcholinesterase are not fully understood.

اول، در هنگام آزادسازی، ACh با گیرنده خود واکنش نشان می‌دهد. پس از جدا شدن از گیرنده، ACh در شکاف منتشر می‌شود و توسط استیل کولین استراز به کولین و استات هیدرولیز می‌شود. در نتیجه، مولکول‌های ترانسمیتر تنها یک بار استفاده می‌شوند. بنابراین، یکی از عملکردهای استراز، نقطه گذاری پیام سیناپسی است. دوم، کولینی که در غیر این صورت ممکن است در اثر آزادسازی از شکاف سیناپسی از بین برود دوباره بازیابی می‌شود. هنگامی‌که توسط استراز هیدرولیز می‌شود، کولین در مخزن ایجاد شده توسط چین‌های پیوندی باقی می‌ماند و توسط یک ناقل کولین با میل ترکیبی بالا به انتهای عصب کولینرژیک بازگردانده می‌شود. (برخلاف آمین‌های بیوژنیک، هیچ مکانیسم جذبی برای خود ACh در غشای پلاسمایی وجود ندارد.) علاوه بر استیل کولین استراز، ACh توسط استراز دیگری به نام بوتیریل کولین استراز نیز تجزیه می‌شود که می‌تواند مولکول‌های دیگر از جمله کوکائین و داروی فلج کننده سوکسینیل کولین را نیز تجزیه کند. با این حال، عملکرد دقیق بوتیریل کولین استراز به طور کامل شناخته نشده است.

Box 16-2 Detection of Chemical Messengers and Their Processing Enzymes Within Neurons

کادر ۱۶-۲ تشخیص پیام رسان‌های شیمیایی و آنزیم‌های پردازش کننده آنها در نورون‌ها

Powerful histochemical techniques are available for detecting both small-molecule transmitter substances and neuroactive peptides in histological sections of nervous tissue.

تکنیک‌های هیستوشیمیایی قدرتمندی برای شناسایی مواد انتقال‌دهنده مولکولی کوچک و پپتیدهای عصبی فعال در بخش‌های بافت‌شناسی بافت عصبی در دسترس هستند.

Catecholamines and serotonin, when reacted with formaldehyde vapor, form fluorescent derivatives. In an early example of transmitter histochemistry, the Swedish neuroanatomists Bengt Falck and Nils Hillarp found that the reaction can be used to locate transmitters with fluorescence microscopy under properly controlled conditions.

کاتکول آمین‌ها و سروتونین، هنگامی‌که با بخار فرمالدئید واکنش نشان می‌دهند، مشتقات فلورسنت را تشکیل می‌دهند. در یک مثال اولیه از هیستوشیمی‌ترانسمیتر، بنگت فالک و نیلز هیلارپ، نوروآناتومیست سوئدی دریافتند که این واکنش می‌تواند برای مکان یابی ترانسمیتر‌ها با میکروسکوپ فلورسانس در شرایط کنترل شده مناسب استفاده شود.

Because individual vesicles are too small to be resolved by the light microscope, the exact position of the vesicles containing the transmitter was inferred by comparing the fluorescence under the light microscope with the position of vesicles under the electron microscope. A number of fluorescent false transmitters, particularly those that mimic catecholamines, are substrates for plasma membrane and/or vesicular transporters, enabling their use to label vesicles and assess their turn- over in living tissue. In addition, a variety of genetically expressed neurotransmitter reporters based on green fluorescent protein can be used to detect extracellular levels of neurotransmitters.

از آنجایی که وزیکول‌های منفرد آنقدر کوچک هستند که توسط میکروسکوپ نوری قابل تشخیص نیستند، موقعیت دقیق وزیکول‌های حاوی ترانسمیتر با مقایسه فلورسانس زیر میکروسکوپ نوری با موقعیت وزیکول‌ها در زیر میکروسکوپ الکترونی استنباط شد. تعدادی از ترانسمیتر‌های کاذب فلورسنت، به‌ویژه آنهایی که کاتکول آمین‌ها را تقلید می‌کنند، بسترهایی برای غشای پلاسمایی و/یا ناقل‌های وزیکولی هستند که استفاده از آن‌ها را برای برچسب زدن وزیکول‌ها و ارزیابی چرخش آن‌ها در بافت زنده ممکن می‌سازد. علاوه بر این، انواع گزارشگرهای انتقال دهنده عصبی با بیان ژنتیکی بر اساس پروتئین فلورسنت سبز می‌توانند برای تشخیص سطوح خارج سلولی انتقال دهنده‌های عصبی استفاده شوند.

Histochemical analysis can be extended to the ultra- structure of neurons under special conditions. Fixation of nervous tissue in the presence of potassium permanganate, chromate, or silver salts, or the dopamine analog 5-hydroxdopamine, which forms an electron-dense product, intensifies the electron density of vesicles containing biogenic amines and thus reveals the large number of dense-core vesicles that are characteristic of aminergic neurons.

آنالیز هیستوشیمیایی را می‌توان تحت شرایط خاص به ساختار فراساختار نورون‌ها تعمیم داد. تثبیت بافت عصبی در حضور پرمنگنات پتاسیم، کرومات یا نمک‌های نقره، یا آنالوگ دوپامین ۵-هیدروکسدوپامین، که یک محصول متراکم الکترونی را تشکیل می‌دهد، چگالی الکترونی وزیکول‌های حاوی آمین‌های بیوژنیک را تشدید می‌کند و بنابراین تعداد زیادی از آمین‌های بیوژن را نشان می‌دهد. وزیکول‌های هسته ای که مشخصه نورون‌های آمینرژیک هستند.

شکل 16-3 تکنیک‌های تجسم پیام رسان‌های شیمیایی

Figure 16-3 Techniques for visualizing chemical messengers.

شکل ۱۶-۳ تکنیک‌های تجسم پیام رسان‌های شیمیایی.

A. A light-microscope section of the hippocampus of a rat. 1. In situ hybridization using a probe for the mRNA encoding GAT-1, a GABA transporter. The probe was end-labeled with a-^3S-S-dATP and visualized by clusters of silver grains in the overlying autoradiographic photographic emulsion.

الف. بخش میکروسکوپ نوری از هیپوکامپ موش صحرایی. ۱. هیبریداسیون درجا با استفاده از یک پروب برای mRNA کد کننده GAT-1، یک انتقال دهنده GABA. کاوشگر با a-3S-S-dATP نشاندار شد و توسط خوشه‌هایی از دانه‌های نقره در امولسیون عکاسی اتورادیوگرافی پوشاننده مشاهده شد.

۲. In situ hybridization of the mRNA for glutamic acid decarboxylase (GAD), the specific biosynthetic enzyme for GABA, was carried out with an oligonucleotide probe linked to the enzyme alkaline phosphatase. The GAD probe was visualized by accumulation of colored alkaline phosphatase reaction product in the cytoplasm. Neurons expressing both GAT-1 and GAD transcripts were labeled by silver grains and the phosphatase reaction, respectively, and are indicated by circles enclosing cells bodies that contain both labels. (Used with permission of Sarah Augood.)

۲. هیبریداسیون درجا mRNA برای گلوتامیک اسید دکربوکسیلاز (GAD)، آنزیم بیوسنتزی خاص برای GABA، با یک پروب الیگونوکلئوتیدی مرتبط با آنزیم آلکالین فسفاتاز انجام شد. پروب GAD با تجمع محصول واکنش آلکالین فسفاتاز رنگی در سیتوپلاسم مشاهده شد. نورون‌هایی که هر دو رونوشت GAT-1 و GAD را بیان می‌کنند به ترتیب با دانه‌های نقره و واکنش فسفاتاز نشان‌دار شدند و با دایره‌هایی که بدنه‌های سلولی را در بر می‌گیرند نشان داده می‌شوند که حاوی هر دو برچسب هستند. (با اجازه سارا اوگود استفاده شد.)

B. Images of neocortex from a GAD65-GFP transgenic mouse in which green fluorescent protein (GFP) is expressed under the control of the GAD65 promotor. GFP is co-localized with GAD65 (1-3) and GABA (4-6) (both detected by indirect immunofluorescence) in neurons in the different layers. Most of the GFP-positive neurons are immunopositive for GAD65 and GABA (arrows show selected examples). Scale bar = 100 μm. (Adapted, with permission, from López-Bendito et al. 2004. Copyright © ۲۰۰۴ Oxford University Press.)

ب. تصاویر نئوکورتکس از یک موش تراریخته GAD65-GFP که در آن پروتئین فلورسنت سبز (GFP) تحت کنترل پروموتور GAD65 بیان شده است. GFP با GAD65 (1-3) و GABA (4-6) (هر دو توسط ایمونوفلورسانس غیرمستقیم تشخیص داده می‌شوند) در سلول‌های عصبی در لایه‌های مختلف، هم زمان است. اکثر نورون‌های GFP مثبت برای GAD65 و GABA ایمونو مثبت هستند (فلش‌ها نمونه‌های انتخاب شده را نشان می‌دهد). نوار مقیاس = 100 میکرومتر. (اقتباس شده، با اجازه، از López-Bendito و همکاران. ۲۰۰۴. حق چاپ © ۲۰۰۴ آزادسازیات دانشگاه آکسفورد.)

It is also possible to identify neurons that express the gene for a particular transmitter enzyme or peptide precursor. Many methods for detecting specific mRNAs depend on nucleic acid hybridization. One such method is in situ hybridization.

همچنین می‌توان نورون‌هایی را که ژن آنزیم ترانسمیتر خاص یا پیش ساز پپتیدی را بیان می‌کنند شناسایی کرد. بسیاری از روش‌ها برای تشخیص mRNA‌های خاص به هیبریداسیون اسید نوکلئیک بستگی دارد. یکی از این روش‌ها هیبریداسیون درجا است.

Two single strands of a nucleic acid polymer will pair if their sequence of bases is complementary. With in situ hybridization, the strand of noncoding DNA (the negative or antisense strand or its corresponding RNA) is applied to tissue sections under conditions suitable for hybridizing with endogenous (sense) mRNA. If the probes are radiolabeled, autoradiography reveals the locations of neurons that contain the complex formed by the labeled complementary nucleic acid strand and the mRNA.

دو رشته منفرد از یک پلیمر اسید نوکلئیک در صورتی جفت می‌شوند که توالی بازهای آنها مکمل یکدیگر باشند. با هیبریداسیون درجا، رشته DNA غیرکدکننده (رشته منفی یا ضد حس یا RNA مربوط به آن) در شرایط مناسب برای هیبریداسیون با mRNA درون زا (حساس) به بخش‌های بافت اعمال می‌شود. اگر کاوشگرها رادیویی نشاندار شوند، اتورادیوگرافی مکان نورون‌هایی را نشان می‌دهد که حاوی کمپلکس تشکیل شده توسط رشته اسید نوکلئیک مکمل نشاندار شده و mRNA هستند.

Hybrid oligonucleotides synthesized with nucleotides containing base analogs tagged chemically, fluorescently, or with antibodies can be detected histochemically. Multiple labels can be used at the same time (Figure 16-3A). RNAscope, a more recent mRNA hybridization method, allows for simultaneous detection of different mRNAs with lower background and single-molecule sensitivity. Another approach to detecting the synthetic proteins involves viral or transgenic expression of proteins fused to variants of green fluorescent protein (Figure 16-3B).

الیگونوکلئوتیدهای هیبریدی سنتز شده با نوکلئوتیدهای حاوی آنالوگ‌های پایه که به صورت شیمیایی، فلورسنت یا با آنتی بادی برچسب گذاری شده اند، می‌توانند از نظر هیستوشیمیایی شناسایی شوند. چندین برچسب را می‌توان به طور همزمان استفاده کرد (شکل ۱۶-3A). RNAscope، یک روش جدیدتر هیبریداسیون mRNA، امکان تشخیص همزمان mRNA‌های مختلف با زمینه کمتر و حساسیت تک مولکولی را فراهم می‌کند. روش دیگر برای تشخیص پروتئین‌های مصنوعی شامل بیان ویروسی یا تراریخته پروتئین‌هایی است که با انواع پروتئین‌های فلورسنت سبز ترکیب شده اند (شکل ۱۶-3B).

Transmitter substances can also be detected using immunohistochemical techniques. Amino acid transmitters, biogenic amines, and neuropeptides have a primary amino group that becomes covalently fixed within the neurons; this group becomes cross-linked to proteins by aldehydes, the usual fixatives used in microscopy for immunohistochemical techniques.

مواد ترانسمیتر را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های ایمونوهیستوشیمی‌نیز شناسایی کرد. ترانسمیتر‌های اسید آمینه، آمین‌های بیوژنیک و نوروپپتیدها دارای یک گروه آمینه اولیه هستند که به صورت کووالانسی در نورون‌ها ثابت می‌شود. این گروه توسط آلدئیدها، فیکساتورهای معمول مورد استفاده در میکروسکوپ برای تکنیک‌های ایمونوهیستوشیمی، به پروتئین‌ها متصل می‌شوند.

Specific antibodies against the transmitter substances are necessary. Antibodies specific to serotonin, histamine, and many neuroactive peptides can be detected by a second antibody (in a technique called indirect immunofluorescence). As an example, if the first antibody is rabbit-derived, the second antibody can be goat antibody raised against rabbit immunoglobulin.

آنتی بادی‌های خاص علیه مواد انتقال دهنده ضروری است. آنتی بادی‌های مخصوص سروتونین، هیستامین و بسیاری از پپتیدهای عصبی فعال را می‌توان با یک آنتی بادی دوم (در تکنیکی به نام ایمونوفلورسانس غیرمستقیم) شناسایی کرد. به عنوان مثال، اگر اولین آنتی بادی مشتق از خرگوش باشد، آنتی بادی دوم می‌تواند آنتی بادی بزی باشد که علیه ایمونوگلوبولین خرگوش ایجاد شده است.

These commercially available secondary antibodies are tagged with fluorescent dyes and used under the fluorescence microscope to locate antigens in regions of individual neurons-cell bodies, axons, and presynaptic release sites (Figure 16-3).

این آنتی‌بادی‌های ثانویه تجاری موجود با رنگ‌های فلورسنت برچسب‌گذاری می‌شوند و در زیر میکروسکوپ فلورسانس برای یافتن آنتی‌ژن‌ها در مناطق تک سلولی سلول‌های عصبی، آکسون‌ها و مکان‌های رهاسازی پیش سیناپسی استفاده می‌شوند (شکل ۱۶-۳).

Immunohistochemical techniques are also used with electron microscopy to locate chemical transmitters in the ultrastructure of neurons. Such techniques usually involve a peroxidase-antiperoxidase system that produces an electron-dense reaction product. Another method is to use antibodies linked to electron-dense gold particles. Spheres of colloidal gold can be generated with precise diameters in the nanometer range. When coated with an appropriate antibody, these gold particles can be used to detect proteins and peptides with high resolution. This technique has the additional useful feature that more than one specific antibody can be examined in the same tissue section if each antibody is linked to gold particles of different sizes (Figure 16-4).

تکنیک‌های ایمونوهیستوشیمی‌همچنین با میکروسکوپ الکترونی برای تعیین مکان ترانسمیتر‌های شیمیایی در فراساختار نورون‌ها استفاده می‌شود. چنین تکنیک‌هایی معمولاً شامل یک سیستم پراکسیداز-آنتی پراکسیداز است که محصول واکنشی با متراکم الکترونی تولید می‌کند. روش دیگر استفاده از آنتی بادی‌های مرتبط با ذرات طلای چگالی الکترونی است. کره‌های طلای کلوئیدی را می‌توان با قطرهای دقیق در محدوده نانومتری تولید کرد. هنگامی‌که با یک آنتی بادی مناسب پوشانده شوند، این ذرات طلا می‌توانند برای شناسایی پروتئین‌ها و پپتیدها با وضوح بالا استفاده شوند. این تکنیک دارای ویژگی مفید اضافی است که اگر هر آنتی بادی به ذرات طلا با اندازه‌های مختلف مرتبط باشد، می‌توان بیش از یک آنتی‌بادی خاص را در همان بخش بافت بررسی کرد (شکل ۱۶-۴).

شکل 16-4 ذرات طلای مات الکترونی متصل به آنتی بادی برای تعیین محل آنتی ژن در بافت در سطح فراساختاری استفاده می‌شوند

Figure 16-4 Electron-opaque gold particles linked to antibody are used to locate antigens in tissue at the ultrastructural level. The electron micrograph shows a section through the cell body of an Aplysia bag cell. Bag cells control reproductive behavior by releasing a group of neuropeptides cleaved from the egg-laying hormone (ELH) precursor. The cells contain several kinds of dense-core vesicles. The cell shown here was treated with two anti- bodies against different amino acid sequences contained in different regions of the ELH precursor. One antibody was raised in rabbits and the other in rats. These antibodies were detected with anti-rabbit or anti-rat immunoglobulins (secondary antibodies) raised in goats. Each secondary antibody was coupled to colloidal gold particles of a distinct size. Vesicles identified by antigen 1 (labeled with the smaller gold particles) are smaller than vesicles identified by antigen 2 (labeled with the larger gold particles), indicating that the specific fragments cleaved from the precursor are localized in different vesicles. (Reproduced, with permission, from Fisher et al. 1988.)

شکل ۱۶-۴ ذرات طلای مات الکترونی متصل به آنتی بادی برای تعیین محل آنتی ژن در بافت در سطح فراساختاری استفاده می‌شوند. میکروگراف الکترونی بخشی را از طریق بدنه سلولی یک سلول کیسه Aplysia نشان می‌دهد. سلول‌های کیسه‌ای رفتار تولیدمثلی را با آزاد کردن گروهی از نوروپپتیدهای جدا شده از پیش‌ساز هورمون تخم‌گذاری (ELH) کنترل می‌کنند. سلول‌ها حاوی چندین نوع وزیکول با هسته متراکم هستند. سلول نشان داده شده در اینجا با دو آنتی بادی علیه توالی‌های اسید آمینه مختلف موجود در مناطق مختلف پیش ساز ELH درمان شد. یک آنتی بادی در خرگوش و دیگری در موش ایجاد شد. این آنتی بادی‌ها با ایمونوگلوبولین‌های ضد خرگوش یا ضد موش (آنتی بادی‌های ثانویه) تولید شده در بزها شناسایی شدند. هر آنتی بادی ثانویه با ذرات طلای کلوئیدی با اندازه مشخص همراه شد. وزیکول‌های شناسایی شده توسط آنتی ژن ۱ (برچسب شده با ذرات طلای کوچکتر) کوچکتر از وزیکول‌های شناسایی شده توسط آنتی ژن ۲ (برچسب شده با ذرات طلای بزرگتر) هستند، که نشان می‌دهد قطعات خاصی که از پیش ساز جدا شده اند در وزیکول‌های مختلف قرار دارند. (تکثیر شده، با اجازه، از فیشر و همکاران ۱۹۸۸.)

Box 16-2 Detection of Chemical Messengers and Their Processing Enzymes Within Neurons (continued)

کادر ۱۶-۲ تشخیص پیام رسان‌های شیمیایی و آنزیم‌های پردازش کننده آنها در نورون‌ها (ادامه)

A number of fluorescent vesicular transporter substrates have been used as fluorescent false neurotransmitters (FFNs) to monitor transmitter release in mouse brain slice or whole fly brain (Figure 16-5). This approach allows visualization of nerve terminals in which synaptic vesicles have been loaded with FFNs; release can then be monitored optically in real time in response to either depolarization, which leads to exocytosis and synaptic vesicle emptying, or amphetamine, which leads to nonexocytic release of vesicular contents into the cytoplasm in response to vesicle deacidification.

تعدادی از بسترهای ناقل وزیکولی فلورسنت به عنوان انتقال دهنده‌های عصبی کاذب فلورسنت (FFNs) برای نظارت بر آزادسازی ترانسمیتر در برش مغز موش یا کل مغز مگس استفاده شده است (شکل ۱۶-۵). این رویکرد اجازه می‌دهد تا پایانه‌های عصبی را که در آن وزیکول‌های سیناپسی با FFN بارگذاری شده اند، مشاهده کنید. سپس می‌توان در پاسخ به دپلاریزاسیون، که منجر به اگزوسیتوز و تخلیه وزیکول سیناپسی می‌شود، یا آمفتامین، که منجر به آزادسازی غیر اگزوسیتی محتویات وزیکولی در سیتوپلاسم در پاسخ به اسید زدایی وزیکول می‌شود، رهاسازی را در زمان واقعی مشاهده کرد.

شکل 16-5 برچسب گذاری انتقال دهنده عصبی کاذب فلورسنت (FFN) اجازه نظارت نوری بر آزادسازی انتقال دهنده عصبی را می‌دهد

Figure 16-5 Fluorescent false neurotransmitter (FFN) labeling permits optical monitoring of neurotransmitter release.

شکل ۱۶-۵ برچسب گذاری انتقال دهنده عصبی کاذب فلورسنت (FFN) اجازه نظارت نوری بر آزادسازی انتقال دهنده عصبی را می‌دهد.

A. FFN (blue dots) is transported by VMAT into synaptic vesicles in dopamine nerve terminals. Vesicles at steady state are acidic, as indicated by yellow shading.

A. FFN (نقاط آبی) توسط VMAT به وزیکول‌های سیناپسی در پایانه‌های عصبی دوپامین منتقل می‌شود. وزیکول‌ها در حالت پایدار اسیدی هستند که با سایه زرد نشان داده می‌شود.

B. 1. Raising the extracellular KCI concentration leads to depolarization and release of vesicles through exocytosis, resulting in the loss of fluorescent label (destaining). 2. KCI (40 mM) depolarization caused rapid FFN206 destaining in presynaptic dopamine nerve terminals. Whole fly brains were loaded to steady state with FFN206 (300 nM) and treated with KCI. Projected image stacks of the neuropil before (left) and after (right) KCl-induced depolarization. 3. Kinetics of fluorescence decay from representative experiments. Black arrow indicates initiation of KCI addition. Scale bar = 25 μm.

B. 1. افزایش غلظت KCI خارج سلولی منجر به دپلاریزاسیون و آزادسازی وزیکول‌ها از طریق اگزوسیتوز می‌شود و در نتیجه برچسب فلورسنت از بین می‌رود. ۲. دپلاریزاسیون KCI (40 میلی مولار) باعث کاهش رنگ سریع FFN206 در پایانه‌های عصبی دوپامین پیش سیناپسی شد. مغز مگس کامل با FFN206 (300 نانومتر) به حالت پایدار بارگذاری شد و با KCI درمان شد. پشته‌های تصویر پیش بینی شده از نوروپیل قبل از (چپ) و پس از (راست) دپلاریزاسیون ناشی از KCl. 3. سینتیک فروپاشی فلورسانس از آزمایش‌های نماینده. فلش سیاه شروع اضافه کردن KCI را نشان می‌دهد. نوار مقیاس = 25 میکرومتر.

C. 1. Amphetamine leads to deacidification of vesicles (loss of yellow shading) and their destaining through a nonexocytic mechanism discussed in the text. 2. Amphetamine (1 μM) caused FFN206 destaining. Whole fly brains were loaded to steady state with FFN206 (300 nM) and treated with amphetamine. Projected image stacks of neuropil before (left) and after (right) treatment. 3. Kinetics of fluorescence decay from representative experiments. Black arrow indicates initiation of drug addition. Scale bar = 25 μm. (Reproduced, with permission, from Freyberg et al. 2016.)

ج. ۱. آمفتامین منجر به اسید زدایی وزیکول‌ها (از بین رفتن سایه زرد) و رنگ آمیزی آنها از طریق مکانیسم غیر اگزوسیتی مورد بحث در متن می‌شود. ۲. آمفتامین (۱ میکرومولار) باعث از بین رفتن FFN206 شد. مغز مگس کامل با FFN206 (300 نانومولار) به حالت پایدار بارگذاری شد و با آمفتامین تحت درمان قرار گرفت. تصاویر پیش بینی شده از نوروپیل قبل از (چپ) و بعد از (راست) درمان. ۳. سینتیک فروپاشی فلورسانس از آزمایش‌های نماینده. فلش سیاه شروع مصرف دارو را نشان می‌دهد. نوار مقیاس = 25 میکرومتر. (بازتولید، با اجازه، از Freyberg و همکاران ۲۰۱۶.)

Many other enzymatic pathways that degrade released transmitters are not directly involved in terminating synaptic transmission but are important for controlling the concentration of the transmitter within the neuron or for inactivating transmitter molecules that have diffused away from the synaptic cleft. Many of these degradative enzymes are important clinically- they provide sites for drug action and serve as diagnostic indicators. For example, inhibitors of MAO, an intracellular enzyme that degrades amine transmitters, are used to treat depression and Parkinson disease. Catechol-O-methyltransferase (COMT) is another cytoplasmic enzyme that is important for degrading biogenic amines. Measurement of its metabolites provides a useful clinical index of the efficacy of drugs that affect the synthesis or degradation of the biogenic amines in nervous tissue. COMT is thought to play a particularly critical role in regulating cortical dopamine levels because of the low levels of the dopamine uptake trans- porter. The relevance of this enzyme is underscored by the finding that a functional polymorphism in the COMT gene has been related to cognitive performance.

بسیاری از مسیرهای آنزیمی‌دیگر که ترانسمیتر‌های آزاد شده را تخریب می‌کنند، مستقیماً در پایان دادن به انتقال سیناپسی دخیل نیستند، اما برای کنترل غلظت ترانسمیتر در نورون یا برای غیرفعال کردن مولکول‌های ترانسمیتر که از شکاف سیناپسی منتشر شده‌اند، مهم هستند. بسیاری از این آنزیم‌های تخریب کننده از نظر بالینی مهم هستند – آنها مکان‌هایی را برای اثر دارو فراهم می‌کنند و به عنوان شاخص‌های تشخیصی عمل می‌کنند. به عنوان مثال، مهارکننده‌های MAO، آنزیم درون سلولی که ترانسمیتر‌های آمین را تجزیه می‌کند، برای درمان افسردگی و بیماری پارکینسون استفاده می‌شود. کاتکول-O-متیل ترانسفراز (COMT) آنزیم سیتوپلاسمی‌دیگری است که برای تجزیه آمین‌های بیوژنیک مهم است. اندازه گیری متابولیت‌های آن یک شاخص بالینی مفید از اثربخشی داروهایی را ارائه می‌دهد که بر سنتز یا تخریب آمین‌های بیوژنیک در بافت عصبی تأثیر می‌گذارد. تصور می‌شود COMT به دلیل سطوح پایین انتقال دهنده جذب دوپامین، نقش مهمی‌در تنظیم سطوح دوپامین قشر مغز ایفا می‌کند. ارتباط این آنزیم با این یافته که یک پلی مورفیسم عملکردی در ژن COMT با عملکرد شناختی مرتبط است، تاکید می‌شود.

Neuropeptides are removed relatively slowly from the synaptic cleft by slow diffusion and proteolysis by extracellular peptidases. In contrast, small- molecule transmitters are removed more quickly from the synaptic cleft and extrasynaptic space. The critical mechanism for inactivation of most small molecule neurotransmitters is reuptake at the plasma membrane. This mechanism serves the dual purposes of terminating the synaptic action of the transmitter as well as recapturing transmitter molecules for subsequent reuse. Although Elliott had hypothesized in 1914 that uptake transporters might exist, their discovery waited until 1958 when F. Barbara Hughes and Benjamin Brodie found that blood platelets accumulated norepinephrine and serotonin, which could compete with each other for uptake. Julius Axelrod, also a member of Brodie’s group, soon afterward characterized norepinephrine uptake into neurons using a radiolabeled substrate.

نوروپپتیدها با آزادسازی آهسته و پروتئولیز توسط پپتیدازهای خارج سلولی نسبتاً آهسته از شکاف سیناپسی حذف می‌شوند. در مقابل، ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک با سرعت بیشتری از شکاف سیناپسی و فضای خارج سیناپسی حذف می‌شوند. مکانیسم حیاتی برای غیرفعال سازی بیشتر انتقال دهنده‌های عصبی مولکولی کوچک، بازجذب در غشای پلاسمایی است. این مکانیسم اهداف دوگانه خاتمه دادن به عمل سیناپسی ترانسمیتر و همچنین گرفتن مجدد مولکول‌های ترانسمیتر برای استفاده مجدد بعدی را انجام می‌دهد. اگرچه الیوت در سال ۱۹۱۴ این فرضیه را مطرح کرده بود که ناقلان جذب ممکن است وجود داشته باشند، کشف آنها تا سال ۱۹۵۸ منتظر ماند تا زمانی که F. Barbara Hughes و Benjamin Brodie دریافتند که پلاکت‌های خون نوراپی نفرین و سروتونین را انباشته می‌کنند که می‌توانند برای جذب با یکدیگر رقابت کنند. جولیوس اکسلرود، همچنین یکی از اعضای گروه برودی، بلافاصله پس از آن جذب نوراپی نفرین به نورون‌ها را با استفاده از یک بستر نشاندار شده رادیویی مشخص کرد.

*Axelrod received a bachelor’s degree in chemistry and wrote many of his celebrated papers as a technician in Brodie’s lab before entering graduate school and receiving a PhD 21 years later. He was awarded a share of the Nobel Prize in 1970 for his co-discovery of neuronal norepinephrine uptake and his discovery of COMT. His corecipients of the prize that year were Bernard Katz, who described quantal neurotransmission, and Ulf von Euler, who also studied vesicular uptake and epinephrine release.

* اکسلرود مدرک لیسانس شیمی‌گرفت و بسیاری از مقالات مشهور خود را به عنوان تکنسین در آزمایشگاه برودی قبل از ورود به مقطع کارشناسی ارشد و دریافت مدرک دکترا ۲۱ سال بعد نوشت. او در سال ۱۹۷۰ به خاطر کشف مشترک جذب نوراپی نفرین عصبی و کشف COMT، سهمی‌از جایزه نوبل را دریافت کرد. برنارد کاتز، که انتقال عصبی کوانتال را توصیف کرد، و اولف فون اویلر، که جذب وزیکولی و آزادسازی اپی نفرین را نیز مطالعه کرد، دریافت کنندگان جایزه او در آن سال بودند.

High-affinity uptake is mediated by transporter molecules in the membranes of nerve terminals and glial cells. Unlike vesicular transporters, which are powered by the H+ electrochemical gradient in an antiport mechanism, plasma membrane transporters are driven by the Na+ electrochemical gradient through a symport mechanism in which Na+ ions and transmitter move in the same direction.

جذب با میل ترکیبی بالا توسط مولکول‌های ناقل در غشای پایانه‌های عصبی و سلول‌های گلیال واسطه می‌شود. برخلاف انتقال‌دهنده‌های وزیکولی که توسط گرادیان الکتروشیمیایی +H در مکانیزم ضد پورت تغذیه می‌شوند، ناقل‌های غشای پلاسمایی توسط گرادیان الکتروشیمیایی +Na از طریق مکانیسم سمپورتی هدایت می‌شوند که در آن یون‌های +Na و ترانسمیتر در یک جهت حرکت می‌کنند.

Each type of neuron has its own characteristic uptake mechanism. For example, noncholinergic neurons do not take up choline with high affinity. Certain powerful psychotropic drugs can block uptake processes. For example, cocaine blocks the uptake of dopamine, norepinephrine, and serotonin; the tricyclic antidepressants block uptake of serotonin and norepinephrine. The selective serotonin reuptake inhibitors, such as fluoxetine (Prozac), were an important therapeutic innovation and are generally better tolerated than tricyclic antidepressants, although treatment- resistant depression remains a critical problem. The application of appropriate drugs that block transporters can prolong and enhance synaptic signaling by the biogenic amines and GABA. In some instances, drugs act both on transporters on the neuron’s surface and on vesicular transporters within the cell. For example, amphetamines are actively taken up by the dopamine or other biogenic amine transporters on the external membrane of the neuron as well as by VMAT2.

هر نوع نورون مکانیسم جذب مشخصه خود را دارد. به عنوان مثال، نورون‌های غیر کولینرژیک، کولین را با میل ترکیبی بالا نمی‌گیرند. برخی از داروهای روانگردان قوی می‌توانند فرآیند جذب را مسدود کنند. برای مثال، کوکائین از جذب دوپامین، نوراپی نفرین و سروتونین جلوگیری می‌کند. داروهای ضد افسردگی سه حلقه ای جذب سروتونین و نوراپی نفرین را مسدود می‌کنند. مهارکننده‌های انتخابی بازجذب سروتونین، مانند فلوکستین (پروزاک)، یک نوآوری درمانی مهم بودند و عموماً بهتر از داروهای ضد افسردگی سه حلقه‌ای تحمل می‌شوند، اگرچه افسردگی مقاوم به درمان همچنان یک مشکل حیاتی است. استفاده از داروهای مناسب که انتقال دهنده‌ها را مسدود می‌کنند می‌تواند سیگنالینگ سیناپسی را توسط آمین‌های بیوژنیک و GABA طولانی و تقویت کند. در برخی موارد، داروها هم بر روی ناقل‌های روی سطح نورون و هم بر روی ناقل‌های وزیکولی درون سلول اثر می‌گذارند. به عنوان مثال، آمفتامین‌ها به طور فعال توسط دوپامین یا سایر ناقل آمین‌های بیوژنیک روی غشای خارجی نورون و همچنین توسط VMAT2 جذب می‌شوند.

Transporter molecules for neurotransmitters belong to two distinct groups that are different in both structure and mechanism. High-resolution structures of bacterial homologs from each of these families have been solved, which has greatly advanced our understanding of transporter mechanisms.

مولکول‌های انتقال دهنده برای انتقال دهنده‌های عصبی به دو گروه مجزا تعلق دارند که از نظر ساختار و مکانیسم متفاوت هستند. ساختارهای با وضوح بالا از همولوگ‌های باکتری از هر یک از این خانواده‌ها حل شده است، که درک ما از مکانیسم‌های انتقال دهنده را بسیار ارتقا داده است.

One group of transporters is the neurotransmitter sodium symporters (NSS), a superfamily of transmembrane proteins that thread through the plasma membrane 12 times (11 times for many prokaryotic homologs). These proteins are comprised of a pseudo-symmetric inverted repeat in which membrane-spanning segments 1 to 5 are homologous to membrane-spanning segments 6 to 10. The NSS family includes the transporters of GABA, glycine, norepinephrine, dopamine, serotonin, osmolytes, and amino acids. Crystal structures for the human serotonin transporter and the fly dopamine transporter, which share the same structure and general mechanism as the bacterial homologs crystallized previously, have recently been solved.

یک گروه از انتقال‌دهنده‌ها، انتقال‌دهنده‌های عصبی سمپورترهای سدیم (NSS)، یک ابرخانواده پروتئین‌های گذرنده هستند که ۱۲ بار (۱۱ برابر برای بسیاری از همولوگ‌های پروکاریوتی) از غشای پلاسما عبور می‌کنند. این پروتئین‌ها از یک تکرار وارونه شبه متقارن تشکیل شده اند که در آن بخش‌های پوشاننده غشاء ۱ تا ۵ همولوگ با بخش‌های پوشاننده غشاء ۶ تا ۱۰ هستند. خانواده NSS شامل ناقلین GABA، گلیسین، نوراپی نفرین، دوپامین، سروتونین، اسمولیت‌ها، و اسیدهای آمینه ساختارهای کریستالی برای ناقل سروتونین انسانی و ناقل دوپامین مگس، که ساختار و مکانیسم کلی مشابهی با همولوگ‌های باکتریایی متبلور شده قبلی دارند، اخیراً حل شده‌اند.

The second family consists of transporters of glutamate. These proteins traverse the plasma membrane eight times and contain two helical hairpins that are thought to serve a role in gating access of substrate from each side of the membrane (see Figure 8-16). Each group includes several transporters for each transmitter substance; for example, there are multiple GABA, glycine, and glutamate transporters, each with somewhat different localization, function, and pharmacology.

خانواده دوم از ناقلین گلوتامات تشکیل شده است. این پروتئین‌ها هشت بار غشای پلاسمایی را طی می‌کنند و حاوی دو سنجاق سر مارپیچ هستند که تصور می‌شود در دسترسی به بستر از هر طرف غشاء نقش دارند (شکل ۸-۱۶ را ببینید). هر گروه شامل چندین انتقال دهنده برای هر ماده ترانسمیتر است. به عنوان مثال، چندین ناقل GABA، گلیسین و گلوتامات وجود دارد که هر کدام دارای مکان یابی، عملکرد و فارماکولوژی تا حدودی متفاوت هستند.

The two groups can be distinguished function- ally. Although both are driven by the electrochemical potential provided by the Na’ gradient, transport of glutamate requires the countertransport of K, whereas transport by NSS proteins often requires the cotransport of CI (or H antiport in the case of prokaryotic homologs). During transport of glutamate, one negatively charged molecule of the transmitter is imported with three Na+ ions and one proton (symport) in exchange for the export of one K+. This leads to a net influx of two positive charges for each transport cycle, generating an inward current. As a result of this charge transfer, the negative resting potential of the cell generates a large inward driving force that results in an enormous gradient of glutamate across the cell membrane. In contrast, the NSS proteins transport one to three Na+ ions and one Cl ion together with their substrates. While under most conditions the electrochemical driving force is sufficient for NSS transporters to carry transmitter into the cell, thereby increasing the cytoplasmic transmitter concentration, the concentration of transmitter in the cytoplasm is quite low and ultimately determined by the action of vesicular transporters to load transmitter into synaptic vesicles.

این دو گروه را می‌توان از نظر عملکردی متمایز کرد. اگرچه هر دو توسط پتانسیل الکتروشیمیایی ارائه شده توسط گرادیان Na’ هدایت می‌شوند، انتقال گلوتامات به انتقال متقابل K نیاز دارد، در حالی که حمل و نقل توسط پروتئین‌های NSS اغلب به انتقال همزمان CI (یا آنتی پورت H در مورد همولوگ‌های پروکاریوتی) نیاز دارد. در طول انتقال گلوتامات، یک مولکول با بار منفی ترانسمیتر با سه یون +Na و یک پروتون (سیمپورت) در ازای صادرات یک +K وارد می‌شود. این منجر به هجوم خالص دو بار مثبت برای هر چرخه انتقال می‌شود که جریانی به سمت داخل تولید می‌کند. در نتیجه این انتقال بار، پتانسیل استراحت منفی سلول نیروی محرکه بزرگی به سمت داخل ایجاد می‌کند که منجر به گرادیان عظیمی‌از گلوتامات در سراسر غشای سلولی می‌شود. در مقابل، پروتئین‌های NSS یک تا سه یون +Na و یک یون کلر را همراه با بسترهای خود حمل می‌کنند. در حالی که تحت اکثر شرایط، نیروی محرکه الکتروشیمیایی برای حمل‌کننده‌های NSS کافی است تا ترانسمیتر را به داخل سلول حمل کنند، در نتیجه غلظت ترانسمیتر سیتوپلاسمی‌افزایش می‌یابد، غلظت ترانسمیتر در سیتوپلاسم بسیار کم است و در نهایت با عمل ناقل‌های وزیکولی برای بارگذاری ترانسمیتر به داخل وزیکول‌های سیناپسی تعیین می‌شود.

A fascinating aspect of the function of the NSS proteins is the ability of these transporters to run backward, allowing them to generate transmitter efflux. This is best characterized for the neurotransmitter dopamine, as amphetamine and related analogs lead to massive release of dopamine through a nonexocytotic mechanism. As discussed earlier, at pharmacological doses, amphetamine is actively transported by both the plasma membrane dopamine transporter (DAT) and the vesicular VMAT2; the latter effect dissipates the vesicular H* gradient, leading to the escape of dopamine to the cytoplasm. This dopamine then moves “backward”, out of the cell, through DAT, a process that requires phosphorylation of its N-terminus. While essential for amphetamine function, the normal physiological role of this phosphorylation remains a mystery, as it does not seem essential for dopamine uptake. Computational studies suggest that phosphorylation-regulated interactions of the N-terminus with acidic lipids in the inner leaflet play a role in modulating transporter function. Nevertheless, the ultimate answer may require atomic resolution structures that include the N-terminal domain coupled with biophysical data on N-terminal dynamics.

یکی از جنبه‌های جالب عملکرد پروتئین‌های NSS، توانایی این انتقال‌دهنده‌ها برای حرکت به سمت عقب است که به آنها اجازه می‌دهد جریان ترانسمیتر را تولید کنند. این به بهترین وجه برای انتقال دهنده عصبی دوپامین مشخص می‌شود، زیرا آمفتامین و آنالوگ‌های مربوط به آن منجر به آزادسازی گسترده دوپامین از طریق یک مکانیسم غیر اگزوسیتوز می‌شود. همانطور که قبلاً بحث شد، در دوزهای دارویی، آمفتامین به طور فعال توسط هر دو انتقال دهنده دوپامین غشای پلاسمایی (DAT) و VMAT2 وزیکولی منتقل می‌شود. اثر دوم، گرادیان وزیکولی +H را از بین می‌برد و منجر به فرار دوپامین به سیتوپلاسم می‌شود. سپس این دوپامین از طریق DAT به خارج از سلول حرکت می‌کند، فرآیندی که نیاز به فسفوریلاسیون انتهای N آن دارد. در حالی که برای عملکرد آمفتامین ضروری است، نقش طبیعی فیزیولوژیکی این فسفوریلاسیون همچنان یک راز باقی مانده است، زیرا به نظر نمی‌رسد برای جذب دوپامین ضروری باشد. مطالعات محاسباتی نشان می‌دهد که برهمکنش‌های تنظیم شده با فسفوریلاسیون انتهای N با لیپیدهای اسیدی در برگچه داخلی در تعدیل عملکرد ناقل نقش دارد. با این وجود، پاسخ نهایی ممکن است به ساختارهای تفکیک اتمی‌نیاز داشته باشد که شامل دامنه N ترمینال همراه با داده‌های بیوفیزیکی در دینامیک ترمینال N باشد.

Highlights

نکات برجسته

۱. Information carried by a neuron is encoded in electrical signals that travel along its axon to a synapse, where these signals are transformed and carried across the synaptic cleft by one or more chemical messengers.

۱. اطلاعات حمل شده توسط یک نورون در سیگنال‌های الکتریکی که در امتداد آکسون آن به یک سیناپس منتقل می‌شود، رمزگذاری می‌شود، جایی که این سیگنال‌ها تبدیل شده و توسط یک یا چند پیام رسان شیمیایی در سراسر شکاف سیناپسی منتقل می‌شوند.

۲. Two major classes of chemical messengers, small- molecule transmitters and neuroactive peptides, are packaged in vesicles within the presynaptic neuron. After their synthesis in the cytoplasm, small-molecule transmitters are taken up and highly concentrated in vesicles, where they are protected from degradative enzymes in the cytoplasm.

۲. دو دسته اصلی از پیام رسان‌های شیمیایی، ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک و پپتیدهای عصبی فعال، در وزیکول‌های درون نورون پیش سیناپسی بسته بندی می‌شوند. پس از سنتز آنها در سیتوپلاسم، ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک گرفته می‌شوند و به شدت در وزیکول‌ها متمرکز می‌شوند، جایی که از آنزیم‌های تخریب کننده در سیتوپلاسم محافظت می‌شوند.

۳. Synaptic vesicles in the periphery are highly concentrated in nerve endings and, in the brain, tend to be at varicosities along the axon at pre- synaptic sites. Classical excitatory synapses with ionotropic glutamate receptors are examples of “private” synapses that communicate with a closely apposed postsynaptic structure such as a dendritic spine. In contrast, the dopamine system exemplifies “social” synapses that can interact with extrasynaptic receptors on many neurons.

۳. وزیکول‌های سیناپسی در حاشیه به شدت در انتهای عصبی متمرکز هستند و در مغز تمایل دارند که در امتداد آکسون در مکان‌های پیش سیناپسی واریکوسیته باشند. سیناپس‌های تحریک‌کننده کلاسیک با گیرنده‌های گلوتامات یونوتروپیک نمونه‌هایی از سیناپس‌های «خصوصی» هستند که با ساختار پس سیناپسی نزدیک به هم مانند ستون فقرات دندریتیک ارتباط برقرار می‌کنند. در مقابل، سیستم دوپامین نمونه ای از سیناپس‌های «اجتماعی» است که می‌توانند با گیرنده‌های خارج سیناپسی در بسیاری از نورون‌ها تعامل داشته باشند.

۴. To prevent depletion of small molecule transmitters during rapid synaptic transmission, most are synthesized locally at terminals.

۴. برای جلوگیری از تخلیه ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک در طول انتقال سریع سیناپسی، اکثر آنها به صورت محلی در پایانه‌ها سنتز می‌شوند.

۵. The protein precursors of neuroactive peptides are synthesized only in the cell body, the site of transcription and translation. The neuropeptides are packaged in secretory granules and vesicles that are carried from the cell body to the terminals by axoplasmic transport. Unlike the vesicles that contain small-molecule transmitters, these vesicles are not refilled at the terminal.

۵. پیش سازهای پروتئینی پپتیدهای عصبی فعال فقط در بدن سلولی، محل رونویسی و ترجمه، سنتز می‌شوند. نوروپپتیدها در گرانول‌ها و وزیکول‌های ترشحی بسته بندی می‌شوند که با حمل و نقل آکسوپلاسمی‌از بدن سلولی به پایانه‌ها منتقل می‌شوند. برخلاف وزیکول‌هایی که حاوی ترانسمیتر‌های مولکولی کوچک هستند، این وزیکول‌ها در ترمینال دوباره پر نمی‌شوند.

۶. The enzymes that regulate transmitter biosynthesis are under tight regulatory control, and changes in neuronal activity can produce homeostatic changes in the levels and activity of these enzymes. This regulation can occur both posttranslationally in the cytoplasm, as a result of phosphorylation and dephosphorylation reactions, as well as by transcriptional control in the nucleus.

۶. آنزیم‌هایی که بیوسنتز ترانسمیتر را تنظیم می‌کنند، تحت کنترل شدید نظارتی هستند و تغییرات در فعالیت عصبی می‌تواند تغییرات هموستاتیکی در سطح و فعالیت این آنزیم‌ها ایجاد کند. این تنظیم می‌تواند هم به صورت پس از ترجمه در سیتوپلاسم، در نتیجه واکنش‌های فسفوریلاسیون و دفسفوریلاسیون، و هم از طریق کنترل رونویسی در هسته رخ دهد.

۷. Precise mechanisms for terminating transmitter actions represent a key step in synaptic transmission that is nearly as important as transmitter synthesis and release. Some released transmitter is lost as a result of simple diffusion out of the synaptic cleft. However, for the most part, transmitter actions are terminated by specific molecular reactions.

۷. مکانیسم‌های دقیق برای خاتمه دادن به اعمال ترانسمیتر، یک مرحله کلیدی در انتقال سیناپسی است که تقریباً به اندازه سنتز و آزادسازی ترانسمیتر مهم است. برخی از ترانسمیتر‌های آزاد شده در نتیجه آزادسازی ساده از شکاف سیناپسی از بین می‌روند. با این حال، در بیشتر موارد، اعمال ترانسمیتر توسط واکنش‌های مولکولی خاص خاتمه می‌یابد.

۸. Acetylcholine is rapidly hydrolyzed by acetyl- cholinesterase to choline and acetate. Glutamate, GABA, glycine, and the biogenic amines are taken up into presynaptic terminals and/or glia by specific transporters at the plasma membrane that are driven by the Na gradient.

۸. استیل کولین به سرعت توسط استیل کولین استراز به کولین و استات هیدرولیز می‌شود. گلوتامات، گابا، گلیسین و آمین‌های بیوژنیک توسط ناقل‌های خاصی در غشای پلاسمایی که توسط گرادیان Na هدایت می‌شوند به پایانه‌های پیش سیناپسی و/یا گلیا جذب می‌شوند.

۹. Some of the most potent psychoactive compounds act at neurotransmitter transporters. The psychostimulatory effects of cocaine result from its action to prevent reuptake of dopamine, thereby increasing its extracellular levels. In contrast, amphetamine and its derivatives promote nonexocytotic release of dopamine through a mechanism involving both the plasma membrane DAT and the vesicular transporter VMAT2.

۹. برخی از قوی ترین ترکیبات روانگردان در انتقال دهنده‌های عصبی عمل می‌کنند. اثرات روانی تحریک کننده کوکائین ناشی از عمل آن برای جلوگیری از بازجذب دوپامین و در نتیجه افزایش سطح خارج سلولی آن است. در مقابل، آمفتامین و مشتقات آن از طریق مکانیسمی‌که هم غشای پلاسمایی DAT و هم ناقل وزیکولی VMAT2 را در بر می‌گیرد، آزادسازی غیر اگزوسیتوزی دوپامین را ترویج می‌کنند.

۱۰. The first step in understanding the molecular strategy of chemical transmission usually involves identifying the contents of synaptic vesicles. Except for those instances in which transmitter is released by transporter molecules or by diffusion through the membrane (in the case of gases and lipid metabolites, see Chapter 14), only molecules suitably packaged in vesicles can be released from a neuron’s terminals. However, not all molecules released by a neuron are chemical messengers-only those that bind to appropriate receptors and initiate functional changes in that target neuron can usefully be considered neurotransmitters.

۱۰. اولین قدم در درک استراتژی مولکولی انتقال شیمیایی معمولاً شامل شناسایی محتویات وزیکول‌های سیناپسی است. به جز مواردی که در آن ترانسمیتر توسط مولکول‌های ناقل یا با آزادسازی از طریق غشاء آزاد می‌شود (در مورد گازها و متابولیت‌های لیپید، به فصل ۱۴ مراجعه کنید)، فقط مولکول‌هایی که به‌طور مناسب در وزیکول‌ها بسته‌بندی شده‌اند می‌توانند از پایانه‌های نورون آزاد شوند. با این حال، همه مولکول‌هایی که توسط یک نورون آزاد می‌شوند، پیام‌رسان‌های شیمیایی نیستند، فقط آن‌هایی که به گیرنده‌های مناسب متصل می‌شوند و تغییرات عملکردی را در آن نورون هدف آغاز می‌کنند، می‌توانند به طور مفیدی به عنوان انتقال‌دهنده عصبی در نظر گرفته شوند.

۱۱. Information is transmitted when transmitter molecules bind to receptor proteins in the membrane of another cell, causing them to change conformation, leading either to increased ion conductance in the case of ligand-gated ion channels or to alterations in downstream signaling pathways in the case of G protein-coupled receptors.

۱۱. اطلاعات زمانی منتقل می‌شود که مولکول‌های ترانسمیتر به پروتئین‌های گیرنده در غشای سلول دیگر متصل می‌شوند و باعث تغییر ساختار آن‌ها می‌شود که منجر به افزایش رسانایی یونی در مورد کانال‌های یونی دریچه لیگاند یا تغییر در مسیرهای سیگنال‌دهی پایین‌دستی می‌شود. گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G

۱۲. The co-release of several neuroactive substances onto appropriate postsynaptic receptors permits great diversity of information to be transferred in a single synaptic action.

۱۲. آزادسازی همزمان چندین ماده عصبی بر روی گیرنده‌های پس سیناپسی مناسب، امکان انتقال تنوع زیادی از اطلاعات در یک عمل سیناپسی را فراهم می‌کند.

Jonathan A. Javitch David Sulzer

کلیک کنید تا Selected Reading نمایش داده شود

Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. 2002. Membrane transport of small molecules and the electrical properties of membranes. In: Molecular Biology of the Cell, 4th ed. New York and Oxford: Garland Science.

Axelrod J. 2003. Journey of a late blooming biochemical neuroscientist. J Biol Chem 278:1-13.

Burnstock G. 1986. Purines and cotransmitters in adrenergic and cholinergic neurones. Prog Brain Res 68:193–۲۰۳.

Chaudhry FA, Boulland JL, Jenstad M, Bredahl MK, Edwards RH. 2008. Pharmacology of neurotransmitter transport into secretory vesicles. Handb Exp Pharmacol 184:77-106.

Cooper JR, Bloom FE, Roth RH. 2003. The Biochemical Basis of Neuropharmacology, 8th ed. New York: Oxford Univ. Press.

Dale H. 1935. Pharmacology and nerve endings. Proc R Soc Med (Lond) 28:319–۳۳۲.

Edwards RH. 2007. The neurotransmitter cycle and quantal size. Neuron 55:835-858.

Falck B, Hillarp NÅ, Thieme G, Torp A. 1982. Fluorescence of catecholamines and related compounds condensed with formaldehyde. Brain Res Bull 9:11-15.

Fatt P, Katz B. 1950. Some observations on biological noise. Nature 166:597-598.

Jiang J, Amara SG. 2011. New views of glutamate trans- porter structure and function: advances and challenges. Neuropharmacology 60:172-181.

Johnson RG. 1988 Accumulation of biological amines into chromaffin granules: a model for hormone and neuro- transmitter transport. Physiol Rev 68:232–۳۰۷.

Katz B. 1966. Nerve, Muscle, and Synapse. New York: McGraw-Hill.

Koob GF, Sandman CA, Strand FL (eds). 1990. A decade of neuropeptides: past, present and future. Ann NY Acad Sci 579:1-281.

Loewi O. 1960. An autobiographic sketch. Perspect Biol Med 4:3-25.

Lohr KM, Masoud ST, Salahpour A, Miller GW. 2017. Membrane transporters as mediators of synaptic dopamine dynamics: implications for disease. Eur J Neurosci 45:20-33.

Pereira D, Sulzer D. 2012. Mechanisms of dopamine quantal size regulation. Front Biosci 17:2740-2767.

Sames D, Dunn M, Karpowicz RJ Jr, Sulzer D. 2013. Visualizing neurotransmitter secretion at individual synapses. ACS Chem Neurosci 4:648-651.

Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, Molinoff PB (eds). 1998. Basic Neurochemistry: Molecular, Cellular, and Medical Aspects, 6th ed. Philadelphia: Lippincott.

Snyder SH, Ferris CD. 2000. Novel neurotransmitters and their neuropsychiatric relevance. Am J Psychiatry 157:1738-1751.

Sossin WS, Fisher JM, Scheller RH. 1989. Cellular and molecular biology of neuropeptide processing and packaging. Neuron 2:1407-1417.

Sulzer D, Cragg SJ, Rice ME. 2016. Striatal dopamine neurotransmission: regulation of release and uptake. Basal Ganglia 6:123-148.

Sulzer D, Pothos EN. 2000. Regulation of quantal size by pre- synaptic mechanisms. Rev Neurosci 11:159-212.

Toei M, Saum R, Forgac M. 2010. Regulation and isoform function of the V-ATPases. Biochemistry 49:4715-4723.

Torres GE, Amara SG. 2007. Glutamate and monoamine transporters: new visions of form and function. Curr Opin Neurobiol 17:304–۳۱۲.

Van der Kloot W. 1991 The regulation of quantal size. Prog Neurobiol 36:93-130.

Weihe E, Eiden LE. 2000. Chemical neuroanatomy of the vesicular amine transporters. FASEB J 15:2435-2449.

References
Augood SJ, Herbison AE, Emson PC. 1995. Localization of GAT-1 GABA transporter mRNA in rat striatum: cellular coexpression with GAD67 mRNA, GAD67 immunoreactivity, and parvalbumin mRNA. J Neurosci 15:865-874.

Coleman JA, Green EM, Gouaux E. 2016. X-ray structures and mechanism of the human serotonin transporter. Nature 532:334-339.

Danbolt NC, Chaudhry FA, Dehnes Y, et al. 1998. Properties and localization of glutamate transporters. Prog Brain Res 116:23-43.

Fisher JM, Sossin W, Newcomb R, Scheller RH. 1988. Multiple neuropeptides derived from a common precursor are differentially packaged and transported. Cell 54:813-822.

Freyberg Z, Sonders MS, Aguilar JI, et al. 2016. Mechanisms of amphetamine action illuminated through in vivo optical monitoring of dopamine synaptic vesicles. Nat Commun 7:10652.

Hnasko TS, Chuhma N, Zhang H, et al. 2010. Vesicular glutamate transport promotes dopamine storage and glutamate corelease in vivo. Neuron 65:643-656.

Khoshbouei, H, Sen N, Guptaroy B, et al. 2004. N-terminal phosphorylation of the dopamine transporter is required for amphetamine-induced efflux. PLoS Biol 2(3): E78.

Krieger DT. 1983. Brain peptides: what, where, and why? Science 222:975-985.

Liu Y, Kranz DE, Waites C, Edwards RH. 1999. Membrane trafficking of neurotransmitter transporters in the regulation of synaptic transmission. Trends Cell Biol 9:356–۳۶۳.

Lloyd PE, Frankfurt M, Stevens P, Kupfermann I, Weiss KR. 1987. Biochemical and immunocytological localization of the neuropeptides FMRFamide SCPA, SCPB, to neurons involved in the regulation of feeding in Aplysia. J Neurosci 7:1123-1132.

López-Bendito G, Sturgess K, Erdélyi F, Szabó G, Molnár Z, Paulsen O. 2004. Preferential origin and layer destina- tion of GAD65-GFP cortical interneurons. Cereb Cortex 14:1122-1133.

Okuda T, Haga T. 2003. High-affinity choline transporter. Neurochem Res 28:483–۴۸۸.

Otsuka M, Kravitz EA, Potter DD. 1967. Physiological and chemical architecture of a lobster ganglion with particular reference to y-aminobutyrate and glutamate. J Neurophysiol 30:725-752.

Palay SL. 1956. Synapses in the central nervous system. J Biophys Biochem Cytol 2:193-202.

Pereira DB, Schmitz Y, Mészáros J, et al. 2016. Fluorescent false neurotransmitter reveals functionally silent dopamine vesicle clusters in the striatum. Nat Neurosci 19:578-586.

Rubin RP. 2007. A brief history of great discoveries in pharmacology: in celebration of the centennial anniversary of the founding of the American Society of Pharmacology and Experimental Therapeutics. Pharmacol Rev 59:289–۳۵۹.

Yamashita A, Singh SK, Kawate T, Jin Y, Gouaux E. 2005. Crystal structure of a bacterial homologue of Na+/Cl-dependent neurotransmitter transporters. Nature 437:205-223.

Yernool D, Boudker O, Jin Y, Gouaux E. 2004. Structure of a glutamate transporter homologue from Pyrococcus horikoshii. Nature 431:811-818.

کلیک کنید تا References نمایش داده شود

Augood SJ, Herbison AE, Emson PC. 1995. Localization of GAT-1 GABA transporter mRNA in rat striatum: cellular coexpression with GAD67 mRNA, GAD67 immunoreactivity, and parvalbumin mRNA. J Neurosci 15:865-874.