مبانی علوم اعصاب؛ آزادسازی ترانسمیتر: اگزوسیتوز انتقال دهنده

---

---

---

---

---

SOME OF THE BRAIN’S MOST remarkable abilities, such as learning and memory, are thought to emerge from the elementary properties of chemical synapses, where the presynaptic cell releases chemical transmitters that activate receptors in the membrane of the postsynaptic cell. At most central synapses, transmitter is released from the presynaptic cell at presynaptic boutons, varicosities along the axon (like beads on a string) filled with synaptic vesicles and other organelles that contact postsynaptic targets. At other synapses, including the neuromuscular junction, transmitter is released from presynaptic terminals at the end of the axon. For convenience, we will refer to both types of release sites as presynaptic terminals. In the last three chapters, we saw how postsynaptic receptors control ion channels that generate the postsynaptic potential. Here we consider how electrical and biochemical events in the presynaptic terminal lead to the rapid release of small-molecule neurotransmitters, such as acetylcholine (ACh), glutamate, and γ-aminobutyric acid (GABA), that underlie fast synaptic transmission. In the next chapter, we examine the chemistry of the neurotransmitters themselves as well as the biogenic amines (serotonin, norepinephrine, and dopamine) and neuropeptides, which underlie slower forms of intercellular signaling.

برخی از قابل توجه ترین توانایی‌های مغز، مانند یادگیری و حافظه، از خواص اولیه سیناپس‌های شیمیایی ناشی می‌شوند، جایی که سلول پیش‌سیناپسی ترانسمیتر‌های شیمیایی آزاد می‌کند که گیرنده‌های غشای سلول پس‌سیناپسی را فعال می‌کند. در بیشتر سیناپس‌های مرکزی، ترانسمیتر از سلول پیش‌سیناپسی در تکمه‌های پیش‌سیناپسی آزاد می‌شود، واریکوسیته‌ها در امتداد آکسون (مانند مهره‌های روی یک رشته) پر از وزیکول‌های سیناپسی و سایر اندامک‌هایی که با اهداف پس‌سیناپسی تماس دارند. در سایر سیناپس‌ها، از جمله اتصال عصبی عضلانی، ترانسمیتر از پایانه‌های پیش‌سیناپسی در انتهای آکسون آزاد می‌شود. برای سهولت، ما به هر دو نوع سایت آزادسازی به عنوان پایانه‌های پیش‌سیناپسی اشاره خواهیم کرد. در سه فصل آخر، دیدیم که چگونه گیرنده‌های پس‌سیناپسی کانال‌های یونی را که پتانسیل پس‌سیناپسی را تولید می‌کنند، کنترل می‌کنند. در اینجا ما در نظر می‌گیریم که چگونه رویدادهای الکتریکی و بیوشیمیایی در پایانه پیش‌سیناپسی منجر به آزادسازی سریع انتقال‌دهنده‌های عصبی مولکولی کوچک، مانند استیل کولین (ACh)، گلوتامات و اسید γ-aminobutyric (GABA) می‌شود که زمینه ساز انتقال سریع سیناپسی هستند. در فصل بعدی، ما شیمی‌خود انتقال دهنده‌های عصبی و همچنین آمین‌های بیوژنیک (سروتونین، نوراپی نفرین و دوپامین) و نوروپپتیدها را بررسی می‌کنیم، که زمینه ساز اشکال کندتر سیگنال دهی بین سلولی هستند.

Transmitter Release Is Regulated by Depolarization of the Presynaptic Terminal

آزادسازی ترانسمیتر با دپلاریزاسیون پایانه پیش‌سیناپسی تنظیم می‌شود

What event at the presynaptic terminal leads to the release of transmitter? Bernard Katz and Ricardo Miledi first demonstrated the importance of depolarization of the presynaptic membrane. For this purpose, they used the giant synapse of the squid, a synapse large enough to permit insertion of electrodes into both pre- and postsynaptic structures. Two electrodes are inserted into the presynaptic terminal-one for stimulating and one for recording and one electrode is inserted into the postsynaptic cell for recording the excitatory post- synaptic potential (EPSP), which provides an index of transmitter release (Figure 15-1A).

چه رویدادی در پایانه پیش‌سیناپسی منجر به آزاد شدن ترانسمیتر می‌شود؟ برنارد کاتز و ریکاردو میلدی برای اولین بار اهمیت دپلاریزاسیون غشای پیش‌سیناپسی را نشان دادند. برای این منظور، آنها از سیناپس غول پیکر ماهی مرکب استفاده کردند، سیناپسی که به اندازه کافی بزرگ است تا امکان قرار دادن الکترودها در ساختارهای پیش‌سیناپسی و پس‌سیناپسی را فراهم کند. دو الکترود در ترمینال پیش‌سیناپسی – یکی برای تحریک و دیگری برای ثبت و یک الکترود به سلول پس‌سیناپسی برای ثبت پتانسیل پس‌سیناپسی تحریکی (EPSP) وارد می‌شود که شاخصی از آزادسازی ترانسمیتر را ارائه می‌دهد (شکل ۱۵-1A).

After the presynaptic neuron is stimulated and fires an action potential, an EPSP large enough to trigger an action potential is recorded in the postsynaptic cell. Katz and Miledi then asked how the presynaptic action potential triggers transmitter release. They found that as voltage-gated Na+ channels are blocked by application of tetrodotoxin, successive action potentials become progressively smaller. As the action potential is reduced in size, the EPSP decreases accordingly (Figure 15-1B). When the Na+ channel blockade becomes so profound as to reduce the amplitude of the presynaptic spike below 40 mV (positive to the resting potential), the EPSP disappears altogether. Thus, the amount of transmitter release (as measured by the size of the postsynaptic depolarization) is a steep function of the amount of presynaptic depolarization (Figure 15-1C).

پس از تحریک نورون پیش‌سیناپسی و شلیک پتانسیل عمل، یک EPSP به اندازه کافی بزرگ برای ایجاد پتانسیل عمل در سلول پس‌سیناپسی ثبت می‌شود. کاتز و میلدی سپس پرسیدند که چگونه پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی باعث آزاد شدن فرستنده می شود. آنها دریافتند که با مسدود شدن کانال‌های +Na دارای ولتاژ با استفاده از تترودوتوکسین، پتانسیل‌های عمل متوالی به تدریج کوچکتر می‌شوند. با کاهش اندازه پتانسیل عمل، EPSP بر این اساس کاهش می‌یابد (شکل ۱۵-1B). هنگامی که محاصره کانال +Na آنقدر عمیق می‌شود که دامنه اسپایک پیش‌سیناپسی را به زیر ۴۰ میلی ولت کاهش می‌دهد (مثبت پتانسیل استراحت)، EPSP به طور کلی ناپدید می‌شود. بنابراین، مقدار آزادسازی ترانسمیتر (که با اندازه دپلاریزاسیون پس‌سیناپسی اندازه گیری می‌شود) تابعی از مقدار دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی است (شکل ۱۵-1C).

Katz and Miledi next investigated how presynaptic depolarization triggers transmitter release. The action potential is produced by an influx of Na+ and an efflux of K+ through voltage-gated channels. To determine whether Na+ influx or K+ efflux is required to trigger transmitter release, Katz and Miledi first blocked the Na channels with tetrodotoxin. They then asked whether direct depolarization of the presynaptic membrane, by current injection, would still trigger transmitter release. Indeed, depolarization of the presynaptic membrane beyond a threshold of about 40 mV positive to the resting potential elicits an EPSP in the postsynaptic cell even with the Na+ channels blocked. Beyond that threshold, progressively greater depolarization leads to progressively greater amounts of transmitter release. This result shows that presynaptic Na+ influx is not necessary for release; it is important only insofar as it depolarizes the membrane enough for transmitter release to occur (Figure 15-2B).

کاتز و میلدی در ادامه بررسی کردند که چگونه دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی باعث آزاد شدن ترانسمیتر می‌شود. پتانسیل عمل با ورود +Na و جریان +K از طریق کانال‌های ولتاژدار تولید می‌شود. برای تعیین اینکه آیا ورود +Na یا جریان +K برای شروع آزادسازی ترانسمیتر مورد نیاز است، کاتز و میلدی ابتدا کانال‌های +Na را با تترودوتوکسین مسدود کردند. سپس آنها پرسیدند که آیا دپلاریزاسیون مستقیم غشای پیش‌سیناپسی، با تزریق فعلی، همچنان باعث آزاد شدن ترانسمیتر می‌شود یا خیر. در واقع، دپلاریزاسیون غشای پیش‌سیناپسی فراتر از آستانه حدود ۴۰ میلی ولت مثبت به پتانسیل استراحت، باعث ایجاد EPSP در سلول پس‌سیناپسی حتی با مسدود شدن کانال‌های +Na می‌شود. فراتر از این آستانه، دپلاریزاسیون بیشتر به تدریج منجر به آزاد شدن بیشتر ترانسمیتر می‌شود. این نتیجه نشان می‌دهد که ورود +Na پیش‌سیناپسی برای آزادسازی ضروری نیست. فقط تا جایی مهم است که غشا را به اندازه کافی دپولاریزه کند تا آزادسازی ترانسمیتر اتفاق بیفتد (شکل ۱۵-2B).

Figure 15-1 Transmitter release is triggered by changes in presynaptic membrane potential. (Adapted, with permission, from Katz and Miledi 1967a.)

شکل ۱۵-۱ آزادسازی ترانسمیتر توسط تغییرات پتانسیل غشای پیش‌سیناپسی تحریک می‌شود. (اقتباس، با اجازه، از Katz و Miledi 1967a.)

A. Voltage recording electrodes are inserted in both the pre- and postsynaptic fibers of the giant synapse in the stellate ganglion of a squid. A current-passing electrode is also inserted presynaptically to elicit a presynaptic action potential.

A. الکترودهای ثبت ولتاژ در هر دو رشته عصبی پیش‌سیناپسی و پس‌سیناپسی سیناپس غول پیکر در گانگلیون ستاره ای ماهی مرکب وارد می‌شوند. یک الکترود عبور جریان نیز به صورت پیش‌سیناپسی وارد می‌شود تا پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی را ایجاد کند.

B. Tetrodotoxin (TTX) is added to the solution bathing the cell to block the voltage-gated Na+ channels that underlie the action potential. The amplitudes of both the presynaptic action potential and the excitatory postsynaptic potential (EPSP) gradually decrease as more and more Na+ channels are blocked. After 7 minutes, the presynaptic action potential can still produce a suprathreshold EPSP that triggers an action potential in the postsynaptic cell. After about 14 to 15 minutes, the presynaptic spike gradually becomes smaller and produces smaller postsynaptic depolarizations. When the presynaptic spike is reduced to 40 mV or less, it fails to produce an EPSP. Thus, the size of the presynaptic depolarization (here provided by the action potential) controls the magnitude of transmitter release.

B. تترودوتوکسین (TTX) به محلول حمام سلول اضافه می‌شود تا کانال‌های +Na دارای ولتاژ را مسدود کند که زیربنای پتانسیل عمل هستند. دامنه هر دو پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی و پتانسیل پس‌سیناپسی تحریکی (EPSP) با مسدود شدن بیشتر و بیشتر کانال‌های +Na به تدریج کاهش می‌یابد. پس از ۷ دقیقه، پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی همچنان می‌تواند یک EPSP فوق آستانه تولید کند که پتانسیل عمل را در سلول پس‌سیناپسی ایجاد می‌کند. پس از حدود ۱۴ تا ۱۵ دقیقه، اسپایک پیش‌سیناپسی به تدریج کوچکتر می‌شود و دپلاریزاسیون پس‌سیناپسی کوچکتری ایجاد می‌کند. هنگامی‌که اسپایک پیش‌سیناپسی به ۴۰ میلی ولت یا کمتر کاهش می‌یابد، نمی‌تواند EPSP تولید کند. بنابراین، اندازه دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی (در اینجا توسط پتانسیل عمل ارائه می‌شود) میزان آزادسازی ترانسمیتر را کنترل می‌کند.

C. The dependence of the amplitude of the EPSP on the amplitude of the presynaptic action potential is the basis for the input- output curve for transmitter release. This relation is obtained by stimulating the presynaptic nerve during the onset of the blockade by TTX of the presynaptic Na+ channels, when there is a progressive reduction in the amplitude of the presynaptic action potential and postsynaptic depolarization. The upper plot demonstrates that a 40-mV presynaptic action potential is required to produce a postsynaptic potential. Beyond this threshold, there is a steep increase in amplitude of the EPSP in response to small increases in the amplitude of the presynaptic potential. The relationship between the presynaptic spike and the EPSP is logarithmic, as shown in the lower plot. A 13.5-mV increase in the presynaptic spike produces a 10-fold increase in the EPSP.

C. وابستگی دامنه EPSP به دامنه پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی مبنای منحنی ورودی-خروجی برای آزادسازی ترانسمیتر است. این رابطه با تحریک عصب پیش‌سیناپسی در هنگام شروع محاصره توسط TTX کانال‌های +Na پیش‌سیناپسی، زمانی که کاهش تدریجی در دامنه پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی و دپلاریزاسیون پس‌سیناپسی وجود دارد، به دست می‌آید. نمودار بالا نشان می‌دهد که یک پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی ۴۰ میلی ولت برای تولید یک پتانسیل پس‌سیناپسی مورد نیاز است. فراتر از این آستانه، یک افزایش شدید در دامنه EPSP در پاسخ به افزایش‌های کوچک در دامنه پتانسیل پیش‌سیناپسی وجود دارد. همانطور که در نمودار پایین نشان داده شده است، رابطه بین اسپایک پیش‌سیناپسی و EPSP لگاریتمی‌است. افزایش ۱۳.۵ میلی ولت در اسپایک پیش‌سیناپسی باعث افزایش ۱۰ برابری در EPSP می‌شود.

To examine the contribution of K+ efflux to transmitter release, Katz and Miledi blocked the voltage-gated K+ channels with tetraethylammonium at the same time that they blocked the voltage-sensitive Na+ channels with tetrodotoxin. They then injected a depolarizing current into the presynaptic terminals and found that the EPSPs were of normal size, indicating that normal transmitter release occurred (Figure 15-2C). Thus, neither Na+ nor K+ flux is required for transmitter release.

برای بررسی سهم جریان +K در آزادسازی ترانسمیتر، کاتز و میلدی همزمان با مسدود کردن کانال‌های +Na حساس به ولتاژ با تترودوتوکسین، کانال‌های +K دارای ولتاژ را با تترااتیل آمونیوم مسدود کردند. آنها سپس یک جریان دپلاریز کننده را به پایانه‌های پیش‌سیناپسی تزریق کردند و دریافتند که EPSP‌ها اندازه طبیعی دارند، که نشان می‌دهد آزاد شدن ترانسمیتر طبیعی رخ داده است (شکل ۱۵-2C). بنابراین، نه شار +Na و نه +K برای آزادسازی ترانسمیتر مورد نیاز نیست.

In the presence of tetraethylammonium, the current pulse elicits presynaptic depolarization through- out the duration of the pulse because the K+ current that normally repolarizes the presynaptic membrane is blocked. As a result, transmitter release is sustained throughout the current pulse as reflected in the pro- longed depolarization of the postsynaptic cell (Figure 15-2C). Quantification of the sustained depolarization was used by Katz and Miledi to determine a complete input-output curve relating presynaptic depolarization to transmitter release (Figure 15-2D). They confirmed the steep dependence of transmitter release on presynaptic depolarization. In the range of depolarization over which transmitter release increases (40-70 mV positive to the resting level), a 10-mV increase in pre- synaptic depolarization produces as much as a 10-fold increase in transmitter release. Depolarization of the presynaptic membrane above an upper limit produces no further increase in the postsynaptic potential.

در حضور تترا اتیل آمونیوم، پالس جریان باعث دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی در طول مدت پالس می‌شود زیرا جریان +K که به طور معمول غشای پیش‌سیناپسی را مجدداً قطبی می‌کند مسدود می‌شود. در نتیجه، آزادسازی ترانسمیتر در سراسر پالس جریان ادامه می‌یابد، همانطور که در دپلاریزاسیون طولانی سلول پس‌سیناپسی منعکس می‌شود (شکل ۱۵-2C). کمی‌سازی دپلاریزاسیون پایدار توسط کاتز و میلدی برای تعیین منحنی ورودی-خروجی کامل مربوط به دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی به آزادسازی ترانسمیتر استفاده شد (شکل ۱۵-2D). آنها وابستگی شدید آزادسازی ترانسمیتر به دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی را تأیید کردند. در محدوده دپلاریزاسیون که در آن آزادسازی ترانسمیتر افزایش می‌یابد (۴۰-۷۰ میلی ولت مثبت به سطح استراحت)، افزایش ۱۰ میلی ولتی در دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی به اندازه افزایش ۱۰ برابری در آزادسازی ترانسمیتر ایجاد می‌کند. دپلاریزاسیون غشای پیش‌سیناپسی بالاتر از حد بالایی افزایش بیشتری در پتانسیل پس‌سیناپسی ایجاد نمی‌کند.

Figure 15-2 Transmitter release is not directly triggered by the opening of presynaptic voltage-gated Na* or K+ channels. (Adapted, with permission, from Katz and Miledi 1967a.)

شکل ۱۵-۲ آزادسازی ترانسمیتر مستقیماً با باز شدن کانال‌های +Na یا +K دارای ولتاژ پیش‌سیناپسی تحریک نمی‌شود. (اقتباس، با اجازه، از Katz و Miledi 1967a.)

A. Voltage recording electrodes are inserted in both the pre- and postsynaptic fibers of the giant synapse in the stellate ganglion of a squid. A current-passing electrode has also been inserted into the presynaptic cell.

A. الکترودهای ثبت ولتاژ در هر دو رشته عصبی پیش‌سیناپسی و پس‌سیناپسی سیناپس غول پیکر در گانگلیون ستاره ای ماهی مرکب وارد می‌شوند. یک الکترود عبور جریان نیز در سلول پیش‌سیناپسی قرار داده شده است.

B. Depolarizing the presynaptic terminal with direct current injection through a microelectrode can trigger transmitter release even after the voltage-gated Na+ channels are completely blocked by adding tetrodotoxin (TTX) to the cell-bathing solution. Three sets of traces represent (from bottom to top) the depolarizing current pulse (I) injected into the presynaptic terminal, the resulting potential in the presynaptic terminal (Pre), and the EPSP generated by the release of transmitter onto the postsynaptic cell (Post). Progressively stronger current pulses in the presynaptic cell produce correspondingly greater depolarizations of the presynaptic terminal. The greater the pre- synaptic depolarization, the larger is the EPSP. The presynaptic depolarizations are not maintained throughout the duration of the depolarizing current pulse because delayed activation of the voltage-gated K+ channels causes repolarization.

B. دپولاریزاسیون پایانه پیش‌سیناپسی با تزریق جریان مستقیم از طریق یک میکروالکترود می‌تواند باعث آزاد شدن ترانسمیتر شود حتی پس از مسدود شدن کامل کانال‌های +Na دارای ولتاژ با افزودن تترودوتوکسین (TTX) به محلول حمام سلولی. سه مجموعه ردیابی نشان دهنده (از پایین به بالا) پالس جریان دپلاریزاسیون (I) تزریق شده به پایانه پیش‌سیناپسی، پتانسیل حاصله در ترمینال پیش‌سیناپسی (Pre) و EPSP تولید شده با آزادسازی ترانسمیتر بر روی سلول پس‌سیناپسی (Post) است. پالس‌های جریان قوی‌تر پیش‌رونده در سلول پیش‌سیناپسی، دپلاریزاسیون‌های بیشتری را در پایانه پیش‌سیناپسی ایجاد می‌کنند. هر چه دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی بیشتر باشد، EPSP بزرگتر است. دپلاریزاسیون‌های پیش‌سیناپسی در طول مدت پالس جریان دپلاریزاسیون حفظ نمی‌شوند زیرا فعال شدن تاخیری کانال‌های +K دارای ولتاژ باعث ایجاد رپلاریزاسیون می‌شود.

C. Transmitter release occurs even after the voltage-gated Na+ channels have been blocked with TTX and the voltage-gated K+ channels have been blocked with tetraethylammonium (TEA). In this experiment, TEA was injected into the presynaptic terminal. The three sets of traces represent the same measurements as in part B. Because the presynaptic K+ channels are blocked, the presynaptic depolarization is maintained through- out the current pulse. The large sustained presynaptic depolarization produces large sustained EPSPs.

C. آزاد شدن ترانسمیتر حتی پس از مسدود شدن کانال‌های +Na دارای ولتاژ با TTX و مسدود شدن کانال‌های +K دارای ولتاژ با تترا اتیل آمونیوم (TEA) اتفاق می‌افتد. در این آزمایش، TEA به پایانه پیش‌سیناپسی تزریق شد. سه مجموعه ردیابی همان اندازه‌گیری‌های قسمت B را نشان می‌دهند. از آنجایی که کانال‌های +K پیش‌سیناپسی مسدود هستند، دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی در سراسر پالس جریان حفظ می‌شود. دپلاریزاسیون بزرگ پیش‌سیناپسی پایدار، EPSPهای پایدار بزرگ تولید می‌کند.

D. Blocking both the Na+ and K+ channels permits accurate control of presynaptic voltage and the determination of a complete input-output curve. Beyond a certain threshold (40 mV positive to the resting potential), there is a steep relationship between presynaptic depolarization and transmitter release, as measured from the size of the EPSP. Depolarizations greater than a certain level do not cause any additional release of transmitter. The initial presynaptic resting membrane potential was approximately -70 mV.

D. مسدود کردن هر دو کانال +Na و +K امکان کنترل دقیق ولتاژ پیش‌سیناپسی و تعیین منحنی ورودی-خروجی کامل را فراهم می‌کند. فراتر از یک آستانه خاص (۴۰ میلی ولت مثبت به پتانسیل استراحت)، یک رابطه شدید بین دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی و آزادسازی ترانسمیتر وجود دارد، همانطور که از اندازه EPSP اندازه گیری می‌شود. دپلاریزاسیون بیشتر از حد معینی باعث آزاد شدن اضافی ترانسمیتر نمی‌شود. پتانسیل اولیه غشای استراحت پیش‌سیناپسی تقریباً ۷۰- میلی ولت بود.

Release Is Triggered by Calcium Influx

آزادسازی توسط ورود کلسیم آغاز می‌شود

Katz and Miledi next turned their attention to Ca2+ ions. Earlier, Katz and José del Castillo had found that increasing the extracellular Ca2+ concentration enhanced transmitter release, whereas lowering the concentration reduced and ultimately blocked synaptic transmission. Because transmitter release is an intracellular process, these findings implied that Ca2+ must enter the cell to influence transmitter release.

سپس کاتز و میلدی توجه خود را به یون‌های +Ca2 معطوف کردند. پیش از این، کاتز و خوزه دل کاستیلو دریافته بودند که افزایش غلظت کلسیم خارج سلولی باعث افزایش آزادسازی ترانسمیتر می‌شود، در حالی که کاهش غلظت باعث کاهش و در نهایت مسدود شدن انتقال سیناپسی می‌شود. از آنجایی که آزادسازی ترانسمیتر یک فرآیند درون سلولی است، این یافته‌ها نشان می‌دهد که +Ca2 باید وارد سلول شود تا بر آزادسازی ترانسمیتر تأثیر بگذارد.

Previous work on the squid giant axon membrane had identified a class of voltage-gated Ca2+ channels, the opening of which results in a large Ca2+ influx because of the large inward electrochemical driving force on Ca2+. The extracellular Ca2+ concentration, approximately 2 mM in vertebrates, is normally four orders of magnitude greater than the intracellular concentration, approximately 107 M at rest. However, because these Ca2+ channels are sparsely distributed along the axon, they cannot, by themselves, provide enough cur- rent to produce a regenerative action potential.

کار قبلی روی غشای آکسون غول پیکر ماهی مرکب دسته‌ای از کانال‌های +Ca2 دردار ولتاژ را شناسایی کرده بود که باز شدن آن‌ها منجر به ورود بزرگ +Ca2 می‌شود که دلیل آن نیروی محرکه الکتروشیمیایی بزرگ به سمت داخل در +Ca2 است. غلظت +Ca2 خارج سلولی، تقریباً ۲ میلی مولار در مهره داران، معمولاً چهار مرتبه بزرگتر از غلظت درون سلولی است، تقریباً ۱۰۷ M در حالت استراحت. با این حال، از آنجایی که این کانال‌های +Ca2 به‌صورت پراکنده در امتداد آکسون توزیع شده‌اند، به خودی خود نمی‌توانند جریان کافی برای تولید پتانسیل عمل احیاکننده را فراهم کنند.

Katz and Miledi found that the Ca2+ channels were much more abundant at the presynaptic terminal. There, in the presence of tetraethylammonium and tetrodotoxin, a depolarizing current pulse was sometimes able to trigger a regenerative depolarization that required extracellular Ca2+, a calcium spike. Katz and Miledi there- fore proposed that Ca2+ serves dual functions. It is a carrier of depolarizing charge during the action potential (like Na+), and it is a special chemical signal-a second messenger-conveying information about changes in membrane potential to the intracellular machinery responsible for transmitter release. Calcium ions are able to serve as an efficient chemical signal because of their low intracellular resting concentration, approximately 10-fold lower than the resting concentration of Na+. As a result, the small amount of Ca2+ ions that enter or leave a cell during an action potential can lead to large percentage changes in intracellular Ca2+ that can trigger various biochemical reactions. Proof of the importance of Ca2+ channels in release has come from more recent experiments showing that specific toxins that block Ca2+ channels also block release.

کاتز و میلدی دریافتند که کانال‌های +Ca2 در پایانه پیش‌سیناپسی بسیار فراوان‌تر هستند. در آنجا، در حضور تترا اتیل آمونیوم و تترودوتوکسین، یک پالس جریان دپولاریزه کننده گاهی اوقات قادر به ایجاد دپلاریزاسیون احیا کننده بود که به +Ca2 خارج سلولی نیاز داشت، یک اسپایک کلسیم. بنابراین کاتز و میلدی پیشنهاد کردند که +Ca2 عملکردهای دوگانه دارد. این حامل بار دپلاریز کننده در طول پتانسیل عمل است (مانند +Na) و یک سیگنال شیمیایی ویژه است – یک پیام رسان دوم که اطلاعات را در مورد تغییرات پتانسیل غشاء به ماشین‌های داخل سلولی مسئول آزادسازی ترانسمیتر منتقل می‌کند. یون‌های کلسیم به دلیل غلظت کم استراحت درون سلولی، تقریباً ۱۰ برابر کمتر از غلظت +Na در حالت استراحت، می‌توانند به عنوان یک سیگنال شیمیایی کارآمد عمل کنند. در نتیجه، مقدار کمی‌از یون‌های +Ca2 که در طی یک پتانسیل عمل وارد یا خارج می‌شوند، می‌تواند منجر به تغییرات درصد زیادی در +Ca2 داخل سلولی شود که می‌تواند واکنش‌های بیوشیمیایی مختلفی را ایجاد کند. اثبات اهمیت کانال‌های +Ca2 در آزادسازی، از آزمایش‌های اخیر به دست آمده است که نشان می‌دهد سموم خاصی که کانال‌های +Ca2 را مسدود می‌کنند، آزادسازی را نیز مسدود می‌کنند.

The properties of the voltage-gated Ca2+ channels at the squid presynaptic terminal were measured by Rodolfo Llinas and his colleagues. Using a voltage clamp, Llinas depolarized the terminal while blocking the voltage-gated Na* channels with tetrodotoxin and the K+ channels with tetraethylammonium. He found that graded depolarizations activated a graded inward Ca2+ current, which in turn resulted in graded release of transmitter (Figure 15-3). The Ca2+ current is graded because the Ca2+ channels are voltage-dependent like the voltage-gated Na+ and K+ channels. Calcium ion channels in squid terminals differ from Na+ channels, however, in that they do not inactivate quickly but stay open as long as the presynaptic depolarization lasts.

خواص کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ در ترمینال پیش‌سیناپسی ماهی مرکب توسط رودولفو لیناس و همکارانش اندازه گیری شد. Llinas با استفاده از یک گیره ولتاژ، ترمینال را دپلاریزه کرد در حالی که کانال‌های +Na دارای ولتاژ را با تترودوتوکسین و کانال‌های +K را با تترااتیل آمونیوم مسدود کرد. او دریافت که دپلاریزاسیون‌های درجه‌بندی‌شده جریان درجه‌بندی شده +Ca2 را فعال می‌کنند که به نوبه خود منجر به آزاد شدن درجه‌بندی‌شده ترانسمیتر می‌شود (شکل ۱۵-۳). جریان +Ca2 درجه بندی می‌شود زیرا کانال‌های +Ca2 مانند کانال‌های +Na و +K دارای ولتاژ وابسته به ولتاژ هستند. کانال‌های یون کلسیم در پایانه‌های ماهی مرکب با کانال‌های +Na متفاوت هستند، اما به این دلیل که به سرعت غیرفعال نمی‌شوند، اما تا زمانی که دپلاریزاسیون پیش‌سیناپسی ادامه دارد، باز می‌مانند.

Figure 15-3 Transmitter release is regulated by Ca2+ influx into the presynaptic terminals through voltage-gated Ca2+ channels. The voltage-sensitive Na+ and K+ channels in a squid giant synapse were blocked by tetrodotoxin and tetraethyl- ammonium. The membrane of the presynaptic terminal was voltage-clamped and membrane potential stepped to six different command levels of depolarization (bottom). The amplitude of the postsynaptic depolarization (top) varies with the size of the presynaptic inward Ca2+ current (middle) because the amount of transmitter release is a function of the concentration of Ca2+ in the presynaptic terminal. The notch in the postsynaptic potential trace is an artifact that results from turning off the presynaptic command potential. (Adapted, with permission, from Llinas and Heuser 1977)

شکل ۱۵-۳ آزادسازی ترانسمیتر توسط ورود +Ca2 به پایانه‌های پیش‌سیناپسی از طریق کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ تنظیم می‌شود. کانال‌های حساس به ولتاژ +Na و +K در یک سیناپس غول پیکر ماهی مرکب توسط تترودوتوکسین و تترااتیل آمونیوم مسدود شدند. غشای ترمینال پیش‌سیناپسی با ولتاژ گیره شد و پتانسیل غشاء به شش سطح مختلف فرمان دپلاریزاسیون (پایین) رسید. دامنه دپلاریزاسیون پس‌سیناپسی (بالا) با اندازه جریان +Ca2 پیش‌سیناپسی به سمت داخل (وسط) متفاوت است زیرا میزان آزاد شدن ترانسمیتر تابعی از غلظت +Ca2 در پایانه پیش‌سیناپسی است. بریدگی در ردیابی پتانسیل پس‌سیناپسی مصنوع است که از خاموش کردن پتانسیل فرمان پیش‌سیناپسی ناشی می‌شود. (اقتباس شده، با اجازه، از Llinas و Heuser 1977)

Calcium channels are largely localized in pre- synaptic terminals at active zones, the sites where neurotransmitter is released, exactly opposite the post- synaptic receptors (Figure 15-4). This localization is important as Ca2+ ions do not diffuse long distances from their site of entry because free Ca2+ ions are rap- idly buffered by Ca2+binding proteins. As a result, Ca2+ influx creates a sharp local rise in Ca2+ concentration at the active zones. This rise in Ca2+ in the presynaptic terminals can be visualized using Ca2+ -sensitive fluorescent dyes (Figure 15-4B). One striking feature of transmitter release at all synapses is its steep and nonlinear dependence on Ca2+ influx; a 2-fold increase in Ca2+ influx can increase the amount of transmitter released by more than 16-fold. This relationship indicates that at some regulatory site, the calcium sensor, the cooperative binding of several Ca2+ ions is required to trigger release.

کانال‌های کلسیم تا حد زیادی در پایانه‌های پیش‌سیناپسی در مناطق فعال، مکان‌هایی که انتقال دهنده عصبی آزاد می‌شود، دقیقاً در مقابل گیرنده‌های پس‌سیناپسی قرار دارند (شکل ۱۵-۴). این محلی‌سازی مهم است زیرا یون‌های +Ca2 در فواصل طولانی از محل ورود خود پخش نمی‌شوند، زیرا یون‌های +Ca2 آزاد به سرعت توسط پروتئین‌های +Ca2 بافر می‌شوند. در نتیجه، ورود +Ca2 افزایش شدید محلی در غلظت +Ca2 در مناطق فعال ایجاد می‌کند. این افزایش +Ca2:در پایانه‌های پیش‌سیناپسی را می‌توان با استفاده از رنگ‌های فلورسنت حساس به +Ca2 مشاهده کرد (شکل ۱۵-4B). یکی از ویژگی‌های بارز آزادسازی ترانسمیتر در تمام سیناپس‌ها، وابستگی شدید و غیرخطی آن به ورود +Ca2 است. افزایش ۲ برابری ورود +Ca2 می‌تواند مقدار ترانسمیتر آزاد شده را بیش از ۱۶ برابر افزایش دهد. این رابطه نشان می‌دهد که در برخی از مکان‌های تنظیمی، حسگر کلسیم، اتصال همکاری چند یون +Ca2 برای شروع آزادسازی لازم است.

Figure 15-4 Calcium flowing into the presynaptic nerve terminal during synaptic transmission at the neuromuscular junction is concentrated at the active zone. Calcium channels in presynaptic terminals at the end-plate are concentrated opposite clusters of nicotinic acetylcholine (ACh) receptors on the postsynaptic muscle membrane. Two drawings show the frog neuromuscular junction.

شکل ۱۵-۴ کلسیمی که در طول انتقال سیناپسی در محل اتصال عصبی عضلانی به انتهای عصب پیش‌سیناپسی جریان می‌یابد، در ناحیه فعال متمرکز می‌شود. کانال‌های کلسیمی‌در پایانه‌های پیش‌سیناپسی در صفحه انتهایی، در دسته‌های مخالف گیرنده‌های نیکوتین استیل کولین (ACh) روی غشای عضلانی پس‌سیناپسی متمرکز شده‌اند. دو نقاشی اتصال عصبی عضلانی قورباغه را نشان می‌دهد.

A. The enlarged view shows the microanatomy of the neuromuscular junction with the presynaptic terminal peeled back. A fluorescent image shows the presynaptic Ca2+ channels (labeled with a Texas red-coupled marine snail toxin that binds to Ca2+ channels) and postsynaptic ACh receptors (labeled with fluorescently tagged α-bungarotoxin, which binds selectively to ACh receptors). The two images are normally superimposed but have been separated for clarity. The patterns of labeling with both probes are in almost precise register, indicating that the active zone of the presynaptic neuron is in almost perfect alignment with the postsynaptic membrane containing the high concentration of ACh receptors. (Reproduced, with permission, from Robitaille, Adler, and Charlton 1990.)

A. نمای بزرگ شده میکروآناتومی‌اتصال عصبی- عضلانی را با پایانه پیش‌سیناپسی پوست کنده نشان می‌دهد. یک تصویر فلورسنت کانال‌های +Ca2 پیش‌سیناپسی (برچسب شده با سم حلزون دریایی جفت شده با قرمز تگزاس که به کانال‌های +Ca2 متصل می‌شود) و گیرنده‌های ACh پس‌سیناپسی (برچسب شده با α-bungarotoxin با برچسب فلورسنت، که به طور انتخابی به گیرنده‌های ACh متصل می‌شود) را نشان می‌دهد. این دو تصویر معمولاً روی هم قرار گرفته اند اما برای وضوح از هم جدا شده اند. الگوهای برچسب‌گذاری با هر دو پروب تقریباً در ثبت دقیق هستند، که نشان می‌دهد ناحیه فعال نورون پیش‌سیناپسی در تراز تقریباً کامل با غشای پس‌سیناپسی حاوی غلظت بالایی از گیرنده‌های ACh است. (بازتولید شده، با اجازه، از Robitaille، Adler، و Charlton 1990.)الف. نمای بزرگ شده میکروآناتومی‌اتصال عصبی- عضلانی را با پایانه پیش‌سیناپسی پوست کنده نشان می‌دهد. یک تصویر فلورسنت کانال‌های +Ca2 پیش‌سیناپسی (برچسب شده با سم حلزون دریایی جفت شده با قرمز تگزاس که به کانال‌های +Ca2 متصل می‌شود) و گیرنده‌های ACh پس‌سیناپسی (برچسب شده با α-bungarotoxin با برچسب فلورسنت، که به طور انتخابی به گیرنده‌های ACh متصل می‌شود) را نشان می‌دهد. این دو تصویر معمولاً روی هم قرار گرفته اند اما برای وضوح از هم جدا شده اند. الگوهای برچسب‌گذاری با هر دو پروب تقریباً در ثبت دقیق هستند، که نشان می‌دهد ناحیه فعال نورون پیش‌سیناپسی در تراز تقریباً کامل با غشای پس‌سیناپسی حاوی غلظت بالایی از گیرنده‌های ACh است. (بازتولید شده، با اجازه، از Robitaille، Adler، و Charlton 1990.)

B. Calcium influx in presynaptic terminals is localized at active zones. Calcium can be visualized using Ca2+-sensitive fluorescent dyes. 1. A presynaptic terminal at a neuromuscular junction filled with the dye fura-2 under resting conditions is shown in the black and white image. The fluorescence intensity of the dye changes as it binds Ca2+. In the color image, color-coded fluorescence intensity changes show local hotspots of intracellular Ca2+ in response to a single presynaptic action potential. Red indicates regions with a large increase in Ca2+; blue indicates regions with little increase in Ca2+. Regular peaks in Ca2+ concentration are seen along the terminal, corresponding to the localization of Ca2+ channels at the active zones.

B. ورود کلسیم در پایانه‌های پیش‌سیناپسی در مناطق فعال است. کلسیم را می‌توان با استفاده از رنگ‌های فلورسنت حساس به +Ca2 تجسم کرد. ۱. یک پایانه پیش‌سیناپسی در یک اتصال عصبی عضلانی پر از رنگ fura-2 در شرایط استراحت در تصویر سیاه و سفید نشان داده شده است. شدت فلورسانس رنگ با اتصال +Ca2 تغییر می‌کند. در تصویر رنگی، تغییرات شدت فلورسانس با کد رنگی، نقاط داغ محلی +Ca2 درون سلولی را در پاسخ به یک پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی نشان می‌دهد. رنگ قرمز مناطقی با افزایش زیاد +Ca2 را نشان می‌دهد. آبی مناطقی با افزایش کمی‌در +Ca2 را نشان می‌دهد. قله‌های منظم در غلظت‌های +Ca2 در امتداد ترمینال دیده می‌شود که مربوط به محلی سازی کانال‌های +Ca2 در مناطق فعال است.

۲. The color image shows a high-magnification view of the peak increase in terminal Ca2+ levels. The corresponding black and white image shows fluorescence labeling of nicotinic ACh receptors in the postsynaptic membrane, illustrating the close spatial correspondence between areas of presynaptic Ca2+ influx and areas of postsynaptic receptors. Scale bar = 2 μm. (Reproduced, with permission, from Wachman et al. 2004. Copyright © ۲۰۰۴ Society for Neuroscience.)

۲. تصویر رنگی نمایی با بزرگنمایی بالا از اوج افزایش سطوح پایانه +Ca2 را نشان می‌دهد. تصویر سیاه و سفید مربوطه نشان‌بندی فلورسانس گیرنده‌های نیکوتین ACh را در غشای پس‌سیناپسی نشان می‌دهد، که مطابقت فضایی نزدیک بین نواحی ورود +Ca2 پیش‌سیناپسی و نواحی گیرنده‌های پس‌سیناپسی را نشان می‌دهد. نوار مقیاس = 2 میکرومتر. (بازتولید، با اجازه، از Wachman و همکاران. ۲۰۰۴. حق چاپ © ۲۰۰۴ Society for Neuroscience.)

The Relation Between Presynaptic Calcium Concentration and Release

رابطه بین غلظت کلسیم پیش‌سیناپسی و آزادسازی

How much Ca2+ is necessary to induce release of neurotransmitters? To address this question, Bert Sakmann and Erwin Neher and their colleagues measured synaptic transmission in the calyx of Held, a large synapse in the mammalian auditory brain stem, composed of axons from the cochlear nucleus to the medial nucleus of the trapezoid body. This synapse is specialized for very rapid and reliable transmission to allow for precise localization of sound in the environment.

چه مقدار +Ca2 برای القای آزادسازی انتقال دهنده‌های عصبی لازم است؟ برای پاسخ به این سوال، برت ساکمن و اروین نهر و همکارانشان انتقال سیناپسی را در کالیکس هلد، سیناپس بزرگی در ساقه مغز شنوایی پستانداران، که از آکسون‌هایی از هسته حلزون تا هسته میانی جسم ذوزنقه تشکیل شده است، اندازه‌گیری کردند. این سیناپس برای انتقال بسیار سریع و قابل اعتماد تخصصی است تا امکان محلی سازی دقیق صدا در محیط را فراهم کند.

The calyx forms a cup-like presynaptic terminal that engulfs a postsynaptic cell body (Figure 15-5A). The calyx synapse includes almost a thousand active zones that function as independent release sites. This enables a presynaptic action potential to release a large amount of transmitter that results in a reliably large postsynaptic depolarization. In contrast, individual. synaptic boutons of a typical neuron in the brain contain only a single active zone. Because the calyx terminal is large, it is possible to insert electrodes into both the pre- and postsynaptic structures, much as with the squid giant synapse, and directly measure the synaptic coupling between the two compartments. This paired recording allows a precise determination of the time course of activity in the presynaptic and postsynaptic cells (Figure 15-5B).

کالیکس، یک پایانه پیش‌سیناپسی فنجانی شکل می‌دهد که یک جسم سلولی پس‌سیناپسی را در بر می‌گیرد (شکل ۱۵-5A). سیناپس کالیکس تقریباً شامل هزار ناحیه فعال است که به عنوان مکان آزادسازی مستقل عمل می‌کنند. این یک پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی را قادر می‌سازد تا مقدار زیادی ترانسمیتر را آزاد کند که منجر به دپلاریزاسیون بزرگ پس‌سیناپسی می‌شود. در مقابل، فردی. تکمه‌های سیناپسی یک نورون معمولی در مغز فقط یک منطقه فعال دارد. از آنجایی که پایانه کالیکس بزرگ است، می‌توان الکترودها را در ساختارهای پیش‌سیناپسی و پس‌سیناپسی قرار داد، درست مانند سیناپس غول پیکر ماهی مرکب، و به طور مستقیم جفت سیناپسی بین دو محفظه اندازه گیری شد. این ثبت زوجی امکان تعیین دقیق دوره زمانی فعالیت در سلول‌های پیش‌سیناپسی و پس‌سیناپسی را فراهم می‌کند (شکل ۱۵-5B).

These recordings revealed a brief lag of 1 to 2 ms between the onset of the presynaptic action potential and the EPSP, which accounts for what Sherrington termed the synaptic delay. Because Ca2+ channels open more slowly than Na* channels, and the inward Ca2+ driving force increases as the neuron repolarizes, Ca2+ does not begin to enter the presynaptic terminal in full force until the membrane has begun to repolarize. Surprisingly, once Ca2+ enters the terminal, transmitter is rapidly released with a delay of only a few hundred microseconds. Thus, the synaptic delay is largely attributable to the time required to open Ca2+ channels. The astonishing speed of Ca2+ action indicates that, prior to Ca2+ influx, the biochemical machinery underlying the release process must already exist in a primed and ready state. Such rapid kinetics are vital for neuronal information processing and require elegant molecular mechanisms that we shall consider later.

این ثبت‌ها یک تأخیر کوتاه ۱ تا ۲ میلی‌ثانیه بین شروع پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی و EPSP را نشان می‌دهد، که دلیل آن چیزی است که شرینگتون آن را تاخیر سیناپسی می‌نامد. از آنجایی که کانال‌های +Ca2 کندتر از کانال‌های +Na باز می‌شوند و نیروی محرکه +Ca2 به سمت داخل با رپولاریزه شدن نورون افزایش می‌یابد، +Ca2 تا زمانی که غشاء شروع به قطبش مجدد نکند، با قدرت کامل وارد ترمینال پیش‌سیناپسی نمی‌شود. با کمال تعجب، هنگامی که +Ca2 وارد ترمینال می‌شود، ترانسمیتر به سرعت تنها با تاخیر چند صد میکروثانیه آزاد می‌شود. بنابراین، تاخیر سیناپسی تا حد زیادی به زمان مورد نیاز برای باز کردن کانال‌های +Ca2 نسبت داده می‌شود. سرعت شگفت‌انگیز عمل +Ca2 نشان می‌دهد که، قبل از ورود +Ca2، ماشین‌آلات بیوشیمیایی زیربنایی فرآیند آزادسازی باید در حالت اولیه و آماده وجود داشته باشد. چنین سینتیک‌های سریعی برای پردازش اطلاعات عصبی حیاتی هستند و به مکانیسم‌های مولکولی ظریفی نیاز دارند که بعداً در نظر خواهیم گرفت.

A presynaptic action potential normally produces only a brief rise in presynaptic Ca2+ concentration because the Ca2+ channels open only for a short time. In addition, Ca2+ influx is localized at the active zone. These two properties contribute to a concentrated local pulse of Ca2+ that induces a burst of transmitter release (Figure 15-5B). As we shall see later in this chapter, the duration of the action potential regulates the amount of Ca2* that flows into the terminal and thus the amount of transmitter release.

پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی معمولاً فقط افزایش مختصری در غلظت +Ca2 پیش‌سیناپسی ایجاد می‌کند زیرا کانال‌های +Ca2 فقط برای مدت کوتاهی باز می‌شوند. علاوه بر این، ورود +Ca2 در منطقه فعال محلی است. این دو ویژگی به یک پالس موضعی متمرکز +Ca2 کمک می‌کنند که باعث ایجاد انفجاری از آزادسازی ترانسمیتر می‌شود (شکل ۱۵-5B). همانطور که بعداً در این فصل خواهیم دید، مدت زمان پتانسیل عمل مقدار +Ca2 را که به ترمینال جریان می‌یابد و در نتیجه میزان آزاد شدن ترانسمیتر را تنظیم می‌کند.

To determine how much Ca2+ is needed to trigger release, the Neher and Sakmann groups introduced into the presynaptic terminal an inactive form of Ca2+ complexed within a light-sensitive chemical cage. They also loaded the terminals with a Ca2+ -sensitive fluorescent dye to assay the intracellular free Ca2+ concentration. By uncaging the Ca2+ ions with a flash of light, they could trigger transmitter release by a uniform and quantifiable increase in Ca2+ concentration. These experiments revealed that a rise in Ca2+ concentration of less than 1 μM is sufficient to induce release of some transmitter, but approximately 10 to 30 μM Ca2+ is required to release the amount normally observed during an action potential. Here again, the relationship between Ca2+ concentration and transmitter release is highly nonlinear, consistent with a model in which at least four or five Ca2+ ions must bind to the Ca2+ sensor to trigger release (Figure 15-5C,D).

گروه‌های Neher و Sakmann برای تعیین مقدار +Ca2  مورد نیاز برای شروع آزادسازی، شکل غیرفعال +Ca2 را که در یک قفس شیمیایی حساس به نور کمپلکس شده بود، به پایانه پیش‌سیناپسی معرفی کردند. آنها همچنین پایانه‌ها را با یک رنگ فلورسنت حساس به +Ca2 برای سنجش غلظت +Ca2 آزاد داخل سلولی بارگذاری کردند. با جدا کردن یون‌های +Ca2 با یک فلاش نور، آنها می‌توانند با افزایش یکنواخت و قابل اندازه‌گیری در غلظت +Ca2 باعث آزاد شدن ترانسمیتر شوند. این آزمایش‌ها نشان داد که افزایش غلظت +Ca2 کمتر از ۱ میکرومولار برای القای آزادسازی برخی ترانسمیتر‌ها کافی است، اما تقریباً ۱۰ تا ۳۰ میکرومولار +Ca2 برای آزاد کردن مقداری که معمولاً در طول یک پتانسیل عمل مشاهده می‌شود مورد نیاز است. در اینجا نیز، رابطه بین غلظت +Ca2 و آزادسازی ترانسمیتر بسیار غیرخطی است، مطابق با مدلی که در آن حداقل چهار یا پنج یون +Ca2 باید به حسگر +Ca2 متصل شوند تا آزادسازی را آغاز کنند (شکل ۱۵-5C,D).

Several Classes of Calcium Channels Mediate Transmitter Release

چندین دسته از کانال‌های کلسیمی واسطه آزادسازی ترانسمیتر هستند

Calcium channels are found in all nerve cells and in many nonneuronal cells. In skeletal and cardiac muscle cells, they are important for excitation-contraction coupling; in endocrine cells, they mediate release of hormones. Neurons contain five broad classes of voltage-gated Ca2+ channels: the L-type, P/Q-type, N-type, R-type, and T-type, which are encoded by distinct but closely related genes that can be divided into three gene families based on amino acid sequence similarity. L-type channels are encoded by the Ca_V۱ family. Members of the Ca_V۲ family comprise P/Q- (Ca_v۲.۱), N- (Ca_V۲.۲), and R-type (Ca_V۲.۳) channels. Finally, T-type channels are encoded by the Ca_V۳ gene family. Each channel type has specific biophysical and pharmacological properties and physiological functions (Table 15-1).

کانال‌های کلسیم در تمام سلول‌های عصبی و در بسیاری از سلول‌های غیر عصبی یافت می‌شود. در سلول‌های اسکلتی و ماهیچه‌های قلبی، آنها برای جفت شدن تحریک-انقباض مهم هستند. در سلول‌های غدد درون ریز، آنها واسطه ترشح هورمون‌ها هستند. نورون‌ها شامل پنج کلاس وسیع از کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ هستند: نوع L، نوع P/Q، نوع N، نوع R و نوع T که توسط ژن‌های متمایز اما نزدیک به هم کدگذاری می‌شوند که می‌توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد. سه خانواده ژن بر اساس شباهت توالی اسید آمینه کانال‌های نوع L توسط خانواده CaV1 کدگذاری می‌شوند. اعضای خانواده CaV2 شامل کانال‌های P/Q- (Cav2.1)، N- (CaV2.2) و R-type (CaV2.3) هستند. در نهایت، کانال‌های نوع T توسط خانواده ژن CaV3 کدگذاری می‌شوند. هر نوع کانال دارای خواص بیوفیزیکی و فارماکولوژیک و عملکردهای فیزیولوژیکی خاص است (جدول ۱۵-۱).

Calcium channels are multimeric proteins whose distinct properties are determined by their pore-forming subunit, the a_۱-subunit. The a_۱-subunit is homologous to the a-subunit of the voltage-gated Na* channel, comprised of four repeats of a domain with six membrane-spanning segments that includes the S4 voltage-sensor and pore-lining P-region (see Figure 8-10). Calcium channels also have auxiliary subunits (termed α_۲, B, 7, and 8) that modify the properties of the channel formed by the a-subunit. The subcellular localization in neurons of different types of calcium channels also varies. The N- and P/Q-type Ca2+ channels are found predominantly in the presynaptic terminal, whereas L-, R-, and T-type channels are found largely in the soma and dendrites.

کانال‌های کلسیمی‌پروتئین‌های چندمری هستند که ویژگی‌های متمایز آن‌ها توسط زیرواحد منفذسازشان، زیرواحد α۱ تعیین می‌شود. زیرواحد α۱ همولوگ با زیرواحد α کانال +Na دارای دروازه ولتاژ است که از چهار تکرار یک دامنه با شش بخش پوشاننده غشاء تشکیل شده است که شامل سنسور ولتاژ S4 و ناحیه P پوشش منافذ است (شکل را ببینید. ۸-۱۰). کانال‌های کلسیمی‌همچنین دارای زیرواحدهای کمکی (به نام α۲، B، ۷ و ۸) هستند که خواص کانال تشکیل شده توسط زیرواحد α را تغییر می‌دهند. محلی سازی درون سلولی در نورون‌های انواع مختلف کانال‌های کلسیم نیز متفاوت است. کانال‌های +Ca2 نوع N و P/Q عمدتاً در پایانه پیش‌سیناپسی یافت می‌شوند، در حالی که کانال‌های نوع L، -R- و T عمدتاً در سوما و دندریت‌ها یافت می‌شوند.

Figure 15-5 The precise relation between presynaptic Ca2+ and transmitter release at a central synapse has been measured. (Reproduced, with permission, from Meinrenken, Borst, and Sakmann 2003, and Sun et al. 2007. Parts A and B: Copyright © ۲۰۰۳ John Wiley and Sons.)

شکل ۱۵-۵ رابطه دقیق بین +Ca2 پیش‌سیناپسی و آزادسازی ترانسمیتر در سیناپس مرکزی اندازه گیری شده است. (تکثیر شده، با اجازه، از Meinrenken، Borst، و Sakmann 2003، و Sun et al. 2007. بخش‌های A و B: Copyright © ۲۰۰۳ John Wiley and Sons.)

A. The large presynaptic terminal of the calyx of Held in the mammalian brain stem engulfs a postsynaptic cell body. The fluorescence image at left shows a calyx filled with a Ca2+ sensitive dye.

A. پایانه بزرگ پیش‌سیناپسی کالیکس Hold در ساقه مغز پستانداران، جسم سلولی پس‌سیناپسی را در بر می‌گیرد. تصویر فلورسانس در سمت چپ کالیکس پر شده با رنگ حساس +Ca2 را نشان می‌دهد.

B. Time courses for several synaptic events. The dashed lines indicate the timing of the peak responses for the Ca2+ current, transmitter release, and postsynaptic current.

B. دوره‌های زمانی برای چندین رویداد سیناپسی. خطوط چین نشان دهنده زمان پاسخ‌های پیک برای جریان +Ca2، آزادسازی ترانسمیتر و جریان پس‌سیناپسی است.

C. Transmitter release is steeply dependent on the Ca2+ concentration in the presynaptic terminal. The calyx was loaded with a caged Ca2* compound that releases its bound Ca2+ in response to a flash of ultraviolet light and with a Ca2+sensitive dye that allows the intracellular Ca2+ concentration to be measured. By controlling the intensity of light, one can regulate the increase in Ca2+ in the presynaptic terminal. The plot, on a logarithmic scale, shows the relation between the rate of vesicle release and intracellular Ca2+ concentration. The blue line depicts a fit of the data by a model that assumes that release is triggered by a major Ca2+ sensor that binds five Ca2+ ions, resulting in a Ca2+ cooperativity of five. Due to the nonlinear relationship between Ca2*and release, small increments in Ca2+ at concentrations of more than 1 um cause massive increases in release.

C. آزادسازی ترانسمیتر به شدت به غلظت +Ca2 در پایانه پیش‌سیناپسی وابسته است. کالیکس با یک ترکیب +Ca2 در قفس بارگذاری شد که +Ca2 محدود خود را در پاسخ به فلاش نور فرابنفش آزاد می‌کند و با یک رنگ حساس +Ca2 که اجازه می‌دهد غلظت +Ca2 داخل سلولی اندازه‌گیری شود. با کنترل شدت نور، می‌توان افزایش +Ca2 را در پایانه پیش‌سیناپسی تنظیم کرد. نمودار، در مقیاس لگاریتمی، رابطه بین سرعت آزادسازی وزیکول و غلظت +Ca2 داخل سلولی را نشان می‌دهد. خط آبی تناسب داده‌ها را توسط مدلی نشان می‌دهد که فرض می‌کند آزادسازی توسط یک حسگر اصلی +Ca2 ایجاد می‌شود که پنج یون +Ca2 را به هم متصل می‌کند، که منجر به همکاری پنج +Ca2 می‌شود. با توجه به رابطه غیر خطی بین +Ca2 و آزادسازی، افزایش‌های جزئی در +Ca2 در غلظت‌های بیش از ۱ um باعث افزایش گسترده در آزادسازی می‌شود.

D. The release of transmitter from a vesicle requires the binding of five Ca2+ ions to a Ca2+sensing synaptic vesicle protein. In the figure, Ca2+ ions bind to five sensors present on a single vesicle; in reality, each sensor molecule binds multiple Ca2+ ions.

د) آزادسازی ترانسمیتر از یک وزیکول مستلزم اتصال پنج یون +Ca2 به یک پروتئین وزیکول سیناپسی حساس به +Ca2 است. در شکل، یون‌های +Ca2 به پنج حسگر موجود در یک وزیکول متصل می‌شوند. در حقیقت، هر مولکول حسگر چندین یون +Ca2 را متصل می‌کند.

Table 15-1 Voltage-Gated Ca2+ Channels of Neurons

جدول ۱۵-۱ کانال‌های +Ca2 نورون‌ها با ولتاژ

Four of the types of voltage-gated Ca2+ channels- the L-type, P/Q-type, N-type, and R-type-generally require fairly strong depolarization to be activated (voltages positive to -40 to -20 mV are required) and thus are sometimes loosely referred to as high-voltage- activated Ca2+ channels (Table 15-1). In contrast, T-type channels open in response to small depolarizations around the threshold for generating an action potential (-60 to -40 mV) and are therefore called low-voltage- activated Ca2+ channels. Because they are activated by small changes in membrane potential, the T-type channels help control excitability at the resting potential and are an important source of the excitatory current that drives the rhythmic pacemaker activity of certain cells in both the brain and heart.

چهار نوع از کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ – نوع L، نوع P/Q، نوع N و نوع R- معمولاً برای فعال شدن نیاز به دپلاریزاسیون نسبتاً قوی دارند (ولتاژهای مثبت ۴۰- تا ۲۰- میلی ولت هستند. مورد نیاز است) و بنابراین گاهی اوقات به عنوان کانال‌های Ca2+ فعال شده با ولتاژ بالا نامیده می‌شوند (جدول ۱-۱۵). در مقابل، کانال‌های نوع T در پاسخ به دپلاریزاسیون‌های کوچک در اطراف آستانه برای تولید پتانسیل عمل (۶۰- تا ۴۰- میلی ولت) باز می‌شوند و بنابراین کانال‌های +Ca2 فعال شده با ولتاژ پایین نامیده می‌شوند. از آنجا که آنها با تغییرات کوچک در پتانسیل غشاء فعال می‌شوند، کانال‌های نوع T به کنترل تحریک پذیری در پتانسیل استراحت کمک می‌کنند و منبع مهمی‌از جریان تحریکی هستند که فعالیت ضربان ساز ریتمیک سلول‌های خاص در مغز و قلب را هدایت می‌کند.

In neurons, the rapid release of conventional transmitters during fast synaptic transmission is mediated mainly by P/Q-type and N-type Ca2+ channels, the channel types most concentrated at the active zone. The localization of N-type Ca2+ channels at the frog neuromuscular junction has been visualized using a fluorescence-labeled snail toxin that binds selectively to these channels (see Figure 15-4A). The L-type channels are not found in the active zone and thus do not normally contribute to the fast release of conventional transmitters such as ACh and glutamate. However, Ca2* influx through L-type channels is important for slower forms of release that do not occur at specialized active zones, such as the release of neuropeptides from neurons and of hormones from endocrine cells. As we shall see later, regulation of Ca2+ influx into presynaptic terminals controls the amount of transmitter release and hence the strength of synaptic transmission.

در نورون‌ها، آزادسازی سریع ترانسمیتر‌های معمولی در طول انتقال سریع سیناپسی عمدتاً توسط کانال‌های +Ca2 نوع P/Q و نوع N انجام می‌شود، کانال‌هایی که بیشترین تمرکز را در ناحیه فعال دارند. محلی سازی کانال‌های +Ca2 نوع N در محل اتصال عصبی عضلانی قورباغه با استفاده از سم حلزون با برچسب فلورسانس که به طور انتخابی به این کانال‌ها متصل می‌شود، مشاهده شده است (شکل ۱۵-4A را ببینید). کانال‌های نوع L در ناحیه فعال یافت نمی‌شوند و بنابراین به طور معمول به آزادسازی سریع ترانسمیتر‌های معمولی مانند ACh و گلوتامات کمک نمی‌کنند. با این حال، ورود +Ca2 از طریق کانال‌های نوع L برای فرم‌های آهسته‌تر آزادسازی که در مناطق فعال تخصصی رخ نمی‌دهند، مانند آزادسازی نوروپپتیدها از نورون‌ها و هورمون‌ها از سلول‌های غدد درون ریز، مهم است. همانطور که بعدا خواهیم دید، تنظیم ورود +Ca2 به پایانه‌های پیش‌سیناپسی، میزان آزاد شدن ترانسمیتر و در نتیجه قدرت انتقال سیناپسی را کنترل می‌کند.

Mutations in voltage-gated Ca2+ channels are responsible for certain acquired and genetic diseases. Timothy syndrome, a developmental disorder characterized by a severe form of autism with impaired cognitive function and a range of other pathophysiological changes, results from a mutation in the a_۱-subunit of L-type channels that alters their voltage-dependent gating, thereby affecting dendritic integration. Different point mutations in the P/Q-type channel α_۱-subunit give rise to hemiplegic migraine or epilepsy. Patients with Lambert-Eaton syndrome, an autoimmune disease associated with muscle weakness, make antibodies to the P/Q-type channel a_۱-subunit that decrease total Ca2+ current (Chapter 57).

جهش در کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ مسئول برخی بیماری‌های اکتسابی و ژنتیکی است. سندرم تیموتی، یک اختلال رشدی است که با یک نوع شدید اوتیسم با اختلال در عملکرد شناختی و طیف وسیعی از تغییرات پاتوفیزیولوژیک مشخص می‌شود، ناشی از جهش در زیرواحد α۱ کانال‌های نوع L است که دروازه‌های وابسته به ولتاژ آنها را تغییر می‌دهد و در نتیجه دندریتیک را تحت تأثیر قرار می‌دهد. ادغام جهش‌های نقطه ای مختلف در زیرواحد α۱ کانال نوع P/Q باعث میگرن همی‌پلژیک یا صرع می‌شود. بیماران مبتلا به سندرم Lambert-Eaton، یک بیماری خودایمنی مرتبط با ضعف عضلانی، آنتی بادی‌هایی را برای زیر واحد α۱ کانال نوع P/Q تولید می‌کنند که جریان کل +Ca2 را کاهش می‌دهد (فصل ۵۷).

Transmitter Is Released in Quantal Units

ترانسمیتر در واحدهای کوانتومی آزاد می‌شود

How does the influx of Ca2+ trigger transmitter release? Katz and his colleagues provided a key insight into this question by showing that transmitter is released in discrete amounts they called quanta. Each quantum of transmitter produces a postsynaptic potential of fixed size, called the quantal synaptic potential. The total postsynaptic potential is made up of a large number of quantal potentials. EPSPs seem smoothly graded in amplitude only because each quantal (or unit) potential is small relative to the total potential.

ورود +Ca2 چگونه باعث آزاد شدن ترانسمیتر می‌شود؟ کاتز و همکارانش با نشان دادن اینکه ترانسمیتر در مقادیر گسسته ای که آنها کوانتا نامیده اند آزاد می‌شود، بینشی کلیدی در مورد این سوال ارائه کردند. هر کوانتوم ترانسمیتر یک پتانسیل پس‌سیناپسی با اندازه ثابت تولید می‌کند که پتانسیل سیناپسی کوانتومی نامیده می‌شود. کل پتانسیل پس‌سیناپسی از تعداد زیادی پتانسیل کمی‌تشکیل شده است. به نظر می‌رسد EPSPها از نظر دامنه به راحتی درجه بندی می‌شوند، تنها به این دلیل که هر پتانسیل کمی‌ (یا واحد) نسبت به پتانسیل کل کوچک است.

Katz and Fatt obtained the first clue as to the quantal nature of synaptic transmission in 1951 when they observed spontaneous postsynaptic potentials of approximately 0.5 mV at the nerve-muscle synapse of the frog. Like end-plate potentials evoked by nerve stimulation, these small depolarizing responses are largest at the site of nerve-muscle contact and decay electrotonically with distance (see Figure 12-5). Small spontaneous potentials have since been observed in mammalian muscle and in central neurons. Because postsynaptic potentials at vertebrate nerve-muscle synapses are called end-plate potentials, Fatt and Katz called these spontaneous potentials miniature end-plate potentials.

کاتز و فت اولین سرنخ را در مورد ماهیت کمی‌انتقال سیناپسی در سال ۱۹۵۱ با مشاهده پتانسیل‌های پس‌سیناپسی خود به خودی تقریباً ۰.۵ میلی ولت در سیناپس عصب-عضله قورباغه به دست آوردند. مانند پتانسیل‌های صفحه انتهایی که توسط تحریک عصبی برانگیخته می‌شوند، این پاسخ‌های دپلاریزاسیون کوچک در محل تماس عصب-عضله بزرگ‌ترین هستند و به صورت الکتروتونیک با فاصله از بین می‌روند (شکل ۱۲-۵ را ببینید). پتانسیل‌های خود به خودی کوچک از آن زمان در ماهیچه پستانداران و در نورون‌های مرکزی مشاهده شده است. از آنجایی که پتانسیل‌های پس‌سیناپسی در سیناپس‌های عصبی – عضله مهره داران را پتانسیل‌های صفحه انتهایی می‌نامند، فت و کاتز این پتانسیل‌های خود به خودی را پتانسیل‌های مینیاتوری صفحه انتهایی نامیدند.

Several results convinced Fatt and Katz that the miniature end-plate potentials represented responses to the release of small amounts of ACh, the neurotransmitter used at the nerve-muscle synapse. The time course of the miniature end-plate potentials and the effects of various drugs on them are indistinguishable from the properties of the end-plate potential. Like the end-plate potentials, the miniature end-plate potentials are enhanced and prolonged by prostigmine, a drug that blocks hydrolysis of ACh by acetylcholinesterase. Conversely, they are abolished by agents that block the ACh receptor, such as curare. The miniature end-plate potentials represent responses to small packets of transmitter that are spontaneously released from the presynaptic nerve terminal in the absence of an action potential. Their frequency can be increased by a small depolarization of the presynaptic terminal. They disappear if the presynaptic motor nerve degenerates and reappear when a new motor synapse is formed.

چندین نتیجه، فت و کاتز را متقاعد کرد که پتانسیل‌های مینیاتوری صفحه انتهایی پاسخ‌هایی به آزادسازی مقادیر کمی‌از ACh، انتقال‌دهنده عصبی مورد استفاده در سیناپس عصب-عضله را نشان می‌دهند. سیر زمانی پتانسیل‌های مینیاتوری صفحه انتهایی و اثرات داروهای مختلف بر روی آنها از خواص پتانسیل صفحه انتهایی قابل تشخیص نیست. مانند پتانسیل‌های صفحه انتهایی، پتانسیل‌های مینیاتوری صفحه انتهایی توسط پروستیگمین، دارویی که هیدرولیز ACh توسط استیل کولین استراز را مسدود می‌کند، تقویت و طولانی می‌شود. برعکس، آنها توسط عواملی که گیرنده ACh را مسدود می‌کنند، مانند کورار حذف می‌شوند. پتانسیل‌های مینیاتوری صفحه انتهایی پاسخ‌هایی را به بسته‌های کوچک ترانسمیتر نشان می‌دهند که در غیاب پتانسیل عمل، خود به خود از پایانه عصبی پیش‌سیناپسی آزاد می‌شوند. فرکانس آنها را می‌توان با دپلاریزاسیون کوچک پایانه پیش‌سیناپسی افزایش داد. اگر عصب حرکتی پیش‌سیناپسی تحلیل رود و با تشکیل سیناپس حرکتی جدید دوباره ظاهر شوند.

What could account for the small, fixed size of the miniature end-plate potential? Del Castillo and Katz first tested the possibility that each event represents a response to the opening of a single ACh receptor- channel. However, application of very small amounts of ACh to the frog muscle end-plate elicited depolarizing postsynaptic responses that were much smaller than the 0.5 mV response of a miniature end-plate potential. This finding made it clear that the miniature end-plate potential represents the opening of more than one ACh receptor-channel. In fact, Katz and Miledi were later able to estimate the voltage response to the elementary current through a single ACh receptor-channel as being only approximately 0.3 μV (Chapter 12). Based on this estimate, a miniature end- plate potential of 0.5 mV would represent the summation of the elementary currents of approximately 2,000 channels. Later work showed that a miniature end-plate potential is the response to the synchronous release of approximately 5,000 molecules of ACh.

چه چیزی می‌تواند برای اندازه کوچک و ثابت پتانسیل مینیاتوری صفحه انتهایی توضیح دهد؟ دل کاستیلو و کاتز ابتدا این امکان را آزمایش کردند که هر رویداد نشان دهنده پاسخی به باز شدن یک کانال گیرنده ACh باشد. با این حال، استفاده از مقادیر بسیار کمی‌از ACh به صفحه انتهایی عضله قورباغه باعث ایجاد پاسخ‌های پس‌سیناپسی دپلاریزاسیون شد که بسیار کوچکتر از پاسخ ۰.۵ میلی ولت یک پتانسیل مینیاتوری صفحه انتهایی بود. این یافته روشن کرد که پتانسیل مینیاتوری صفحه انتهایی نشان دهنده باز شدن بیش از یک کانال گیرنده ACh است. در واقع، کاتز و میلدی بعداً توانستند پاسخ ولتاژ به جریان اولیه را از طریق یک کانال گیرنده ACh تنها تقریباً ۰.۳ میکروولت تخمین بزنند (فصل ۱۲). بر اساس این تخمین، یک پتانسیل مینیاتوری صفحه انتهایی ۰.۵ میلی ولت مجموع جریان‌های اولیه تقریباً ۲۰۰۰ کانال را نشان می‌دهد. کار بعدی نشان داد که یک پتانسیل مینیاتوری صفحه انتهایی پاسخ به آزادسازی همزمان تقریباً ۵۰۰۰ مولکول ACh است.

What is the relationship of the large end-plate potential evoked by nerve stimulation and the small, spontaneous miniature end-plate responses? This question was first addressed by del Castillo and Katz in a study of synaptic signaling at the nerve-muscle synapse bathed in a solution low in Ca2+. Under this condition, the end-plate potential is reduced markedly, from the normal 70 mV to about 0.5 to 2.5 mV. Moreover, the amplitude of each successive end-plate potential now varies randomly from one stimulus to the next; often, no response can be detected at all (termed failures). However, the minimum response above zero-the unit end-plate potential in response to a presynaptic action potential is identical in amplitude (approximately 0.5 mV) and shape to the spontaneous miniature end-plate potentials. Importantly, the amplitude of each end-plate potential is an integral multiple of the unit potential (Figure 15-6).

رابطه پتانسیل بزرگ صفحه انتهایی که توسط تحریک عصبی و پاسخ‌های کوچک و خود به خود مینیاتوری صفحه انتهایی برانگیخته می‌شود چیست؟ این سوال برای اولین بار توسط دل کاستیلو و کاتز در مطالعه ای در مورد سیگنال دهی سیناپسی در سیناپس عصب – عضله غرق در محلول کم +Ca2 مطرح شد. تحت این شرایط، پتانسیل صفحه انتهایی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، از ۷۰ میلی ولت معمولی به حدود ۰.۵ تا ۲.۵ میلی ولت. علاوه بر این، دامنه هر پتانسیل صفحه انتهایی متوالی اکنون به طور تصادفی از یک محرک به محرک دیگر متفاوت است. اغلب، هیچ پاسخی را نمی‌توان به هیچ وجه تشخیص داد (به نام شکست). با این حال، حداقل پاسخ بالای صفر – پتانسیل صفحه انتهایی واحد در پاسخ به پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی، از نظر دامنه (تقریبا ۰.۵ میلی ولت) و شکل با پتانسیل‌های مینیاتوری خود به خودی صفحه انتهایی یکسان است. نکته مهم این است که دامنه هر پتانسیل صفحه انتهایی مضربی جدایی ناپذیر از پتانسیل واحد است (شکل ۱۵-۶).

Now del Castillo and Katz could ask: How does the rise of intracellular Ca2+ that accompanies each action potential affect the release of transmitter? They found that increasing the external Ca2+ concentration does not change the amplitude of the unit synaptic potential. However, the proportion of failures decreases and the incidence of higher-amplitude responses (composed of multiple quantal units) increases. These observations show that an increase in external Ca2+ concentration does not enhance the size of a quantum of transmitter (that is, the number of ACh molecules in each quantum) but rather acts to increase the average number of quanta that are released in response to a presynaptic action potential. The greater the Ca2+ influx into the terminal, the larger the number of transmitter quanta released.

حال دل کاستیلو و کاتز می‌توانند بپرسند: چگونه افزایش +Ca2 داخل سلولی که هر پتانسیل عمل را همراهی می‌کند، بر آزادسازی ترانسمیتر تأثیر می‌گذارد؟ آنها دریافتند که افزایش غلظت خارجی +Ca2 دامنه پتانسیل سیناپسی واحد را تغییر نمی‌دهد. با این حال، نسبت خرابی‌ها کاهش می‌یابد و بروز پاسخ‌های با دامنه بالاتر (متشکل از واحدهای کمی‌چندگانه) افزایش می‌یابد. این مشاهدات نشان می‌دهد که افزایش غلظت +Ca2 خارجی اندازه یک کوانتوم ترانسمیتر (یعنی تعداد مولکول‌های ACh در هر کوانتوم) را افزایش نمی‌دهد، بلکه باعث افزایش میانگین تعداد کوانتوم‌هایی می‌شود که در پاسخ به یک کوانتوم آزاد می‌شوند. پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی هر چه ورود +Ca2 به ترمینال بیشتر باشد، تعداد کوانتای ترانسمیتر آزادتر می‌شود.

Thus, three findings led del Castillo and Katz to conclude that transmitter is released in packets with a fixed amount of transmitter, a quantum: The amplitude of the end-plate potential varies in a stepwise manner at low levels of ACh release, the amplitude of each step increase is an integral multiple of the unit potential, and the unit potential has the same mean amplitude and shape as that of the spontaneous miniature end- plate potentials. Moreover, by analyzing the statistical distribution of end-plate potential amplitudes, del Castillo and Katz and other subsequent researchers were able to show that a single action potential produced a transient increase in the probability that a given quantum of transmitter is released according to a random process, similar to that governing the out- come of a coin toss (Box 15-1).

بنابراین، سه یافته دل کاستیلو و کاتز را به این نتیجه رساندند که ترانسمیتر در بسته‌هایی با مقدار ثابت ترانسمیتر، یک کوانتوم آزاد می‌شود: دامنه پتانسیل صفحه انتهایی به صورت پلکانی در سطوح کم آزادسازی ACh تغییر می‌کند، دامنه هر پله افزایش مضربی جدایی ناپذیر از پتانسیل واحد است و پتانسیل واحد دارای همان دامنه و شکل میانگین خود به خودی است. پتانسیل‌های مینیاتوری صفحه انتهایی علاوه بر این، با تجزیه و تحلیل توزیع آماری دامنه‌های پتانسیل صفحه انتهایی، دل کاستیو و کاتز و سایر محققان بعدی توانستند نشان دهند که یک پتانسیل عمل منفرد باعث افزایش گذرا در احتمال آزاد شدن یک کوانتوم معین از ترانسمیتر بر اساس تصادفی می‌شود. فرآیند، مشابه فرآیندی که بر نتیجه پرتاب سکه حاکم است (کادر ۱-۱۵).

In the absence of an action potential, the rate of quantal release is low-only one quantum per second is released spontaneously at the end-plate. În contrast, the firing of an action potential releases approximately 150 quanta, each approximately 0.5 mV in amplitude, resulting in a large end-plate potential. Thus, the influx of Ca2+ into the presynaptic terminal during an action potential dramatically increases the rate of quantal release by a factor of 150,000, triggering the synchronous release of about 150 quanta in about 1 ms.

در غیاب پتانسیل عمل، سرعت آزادسازی کوانتومی کم است، فقط یک کوانتوم در ثانیه به طور خود به خود در صفحه انتهایی آزاد می‌شود. در مقابل، شلیک یک پتانسیل عمل تقریباً ۱۵۰ کوانتا، هر کدام تقریباً ۰.۵ میلی ولت در دامنه آزاد می‌کند، که منجر به پتانسیل صفحه انتهایی بزرگ می‌شود. بنابراین، ورود +Ca2 به پایانه پیش‌سیناپسی در طول یک پتانسیل عمل، به طور چشمگیری نرخ آزادسازی کوانتومی را با ضریب ۱۵۰۰۰۰ افزایش می‌دهد و باعث آزادسازی همزمان حدود ۱۵۰ کوانت در حدود ۱ میلی ثانیه می‌شود.

---

---

---

---

---

---