مبانی علوم اعصاب اریک کندل؛ سلول های سیستم عصبی: نورون و نوروگلیا

THE CELLS OF THE NERVOUS SYSTEM- neurons and glia-share many characteristics with cells in general. However, neurons are specially endowed with the ability to communicate precisely and rapidly with other cells at distant sites in the body. Two features give neurons this ability.

سلول‌های سیستم عصبی – نورون‌ها و گلیا – ویژگی‌های بسیاری را با سلول‌ها به طور کلی به اشتراک می‌گذارند. با این حال، نورون‌ها به‌ویژه توانایی برقراری ارتباط دقیق و سریع با سلول‌های دیگر در نقاط دوردست بدن را دارند. دو ویژگی این توانایی را به نورون‌ها می‌دهد.

First, they have a high degree of morphological and functional asymmetry: Neurons have receptive dendrites at one end and a transmitting axon at the other. This arrangement is the structural basis for unidirectional neuronal signaling.

اول، آنها دارای درجه بالایی از عدم تقارن مورفولوژیکی و عملکردی هستند: نورون‌ها دارای دندریت‌های پذیرنده در یک انتها و یک آکسون انتقال دهنده در سمت دیگر هستند. این آرایش مبنای ساختاری برای سیگنال دهی عصبی یک طرفه است.

Second, neurons are both electrically and chemically excitable. The cell membrane of neurons contains specialized proteins-ion channels and receptors-that facilitate the flow of specific inorganic ions, thereby redistributing charge and creating electrical currents that alter the voltage across the membrane. These changes in charge can produce a wave of depolarization in the form of action potentials along the axon, the usual way a signal travels within the neuron. Glia are less excitable, but their membranes contain transporter proteins that facilitate the uptake of ions as well as proteins that remove neurotransmitter molecules from the extracellular space, thus regulating neuronal function.

دوم، نورون‌ها هم از نظر الکتریکی و هم شیمیایی تحریک پذیر هستند. غشای سلولی نورون‌ها حاوی پروتئین‌های تخصصی کانال‌های یونی و گیرنده‌هایی است که جریان یون‌های معدنی خاص را تسهیل می‌کنند، در نتیجه بار را مجدداً توزیع می‌کنند و جریان‌های الکتریکی ایجاد می‌کنند که ولتاژ را در سراسر غشاء تغییر می‌دهد. این تغییرات در بار می‌تواند موجی از دپلاریزاسیون را به شکل پتانسیل‌های عمل در امتداد آکسون ایجاد کند، راهی که سیگنال در نورون حرکت می‌کند. گلیاها کمتر تحریک پذیر هستند، اما غشاهای آنها حاوی پروتئین‌های ناقلی هستند که جذب یون‌ها را تسهیل می‌کنند و همچنین پروتئین‌هایی که مولکول‌های انتقال دهنده عصبی را از فضای خارج سلولی حذف می‌کنند، بنابراین عملکرد نورون‌ها را تنظیم می‌کنند.

There are hundreds of distinct types of neurons depending on their dendritic morphology, pattern of axonal projections, and electrophysiological properties. This structural and functional diversity is largely specified by the genes expressed by each neuronal cell type. Although neurons all inherit the same complement of genes, each expresses a restricted set and thus produces only certain molecules-enzymes, structural proteins, membrane constituents, and secretory products and not others. In large part, this expression depends on the cell’s developmental history. In essence, each cell is the set of molecules it expresses.

صدها نوع متمایز نورون بسته به مورفولوژی دندریتیک، الگوی برآمدگی آکسونی و خواص الکتروفیزیولوژیکی آنها وجود دارد. این تنوع ساختاری و عملکردی تا حد زیادی توسط ژن‌های بیان شده توسط هر نوع سلول عصبی مشخص می‌شود. اگرچه نورون‌ها همگی مکمل یکسانی از ژن‌ها را به ارث می‌برند، هر یک مجموعه محدودی را بیان می‌کنند و بنابراین فقط مولکول‌های خاصی را تولید می‌کنند – آنزیم‌ها، پروتئین‌های ساختاری، اجزای غشایی، و محصولات ترشحی و نه دیگران. تا حد زیادی، این بیان به تاریخچه رشد سلول بستگی دارد. در اصل، هر سلول مجموعه ای از مولکول‌هایی است که بیان می‌کند.

There are also many kinds of glial cells that can be identified based on their unique morphological, physiological, and biochemical features. The diverse morphologies of glial cells suggest that glia are probably as heterogeneous as neurons. Nonetheless, glia in the vertebrate nervous system can be divided into two major classes: macroglia and microglia. There are three main types of macroglia: oligodendrocytes, Schwann cells, and astrocytes. In the human brain, about 90% of all glial cells are macroglia. Of these, approximately half are myelin-producing cells (oligodendrocytes and Schwann cells) and half are astrocytes. Oligodendrocytes provide the insulating myelin sheaths of the axons of some neurons in the central nervous system (CNS) (Figure 7-1A). Schwann cells myelinate the axon of neurons in the peripheral nervous system (Figure 7-1B); nonmyelinating Schwann cells have other functions, including promoting development, maintenance, and repair at the neuromuscular synapse. Astrocytes owe their name to their irregular, roughly star-shaped cell bodies and large numbers of processes; they support neurons and modulate neuronal signaling in several ways (Figure 7-1C). Microglia are the brain’s resident immune cells and phagocytes, but also have homeostatic functions in the healthy brain.

همچنین انواع مختلفی از سلول‌های گلیال وجود دارد که می‌توان آنها را بر اساس ویژگی‌های مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی منحصر به فرد آنها شناسایی کرد. مورفولوژی‌های متنوع سلول‌های گلیال نشان می‌دهد که گلیا احتمالاً به اندازه نورون‌ها ناهمگن است. با این وجود، گلیا در سیستم عصبی مهره داران را می‌توان به دو دسته عمده تقسیم کرد: ماکروگلیا و میکروگلیا. سه نوع اصلی ماکروگلیا وجود دارد: اولیگودندروسیت‌ها، سلول‌های شوان و آستروسیت‌ها. در مغز انسان، حدود ۹۰ درصد از تمام سلول‌های گلیال ماکروگلیا هستند. از این تعداد، تقریباً نیمی‌از سلول‌های تولیدکننده میلین (الیگودندروسیت‌ها و سلول‌های شوان) و نیمی‌از آنها آستروسیت هستند. الیگودندروسیت‌ها غلاف‌های میلین عایق آکسون‌های برخی نورون‌ها را در سیستم عصبی مرکزی (CNS) فراهم می‌کنند (شکل ۷-1A). سلول‌های شوان آکسون نورون‌ها را در سیستم عصبی محیطی میلین می‌کنند (شکل ۷-1B). سلول‌های شوان غیر میلین کننده عملکردهای دیگری از جمله ارتقاء رشد، نگهداری و ترمیم در سیناپس عصبی عضلانی دارند. آستروسیت‌ها نام خود را مدیون جسم سلولی نامنظم و تقریباً ستاره ای شکل و تعداد زیادی فرآیند هستند. آنها از نورون‌ها پشتیبانی می‌کنند و سیگنال‌های عصبی را به روش‌های مختلفی تعدیل می‌کنند (شکل ۷-1C). میکروگلیا سلول‌های ایمنی ساکن مغز و فاگوسیت‌ها هستند، اما در مغز سالم دارای عملکردهای هموستاتیک هستند.

Neurons and Glia Share Many Structural and Molecular Characteristics

نورون‌ها و گلیا ویژگی‌های ساختاری و مولکولی زیادی دارند

Neurons and glia develop from common neuroepithelial progenitors of the embryonic nervous system and share many structural characteristics (Figure 7-2). The boundaries of these cells are defined by the cell membrane or plasmalemma, which has the asymmetric bilayer structure of all biological membranes and provides a hydrophobic barrier impermeable to most water-soluble substances. Cytoplasm has two main components: cytosol and membranous organelles.

نورون‌ها و گلیا از پیش سازهای عصبی اپیتلیال مشترک سیستم عصبی جنینی ایجاد می‌شوند و ویژگی‌های ساختاری زیادی دارند (شکل ۷-۲). مرزهای این سلول‌ها توسط غشای سلولی یا پلاسمالما مشخص می‌شود که ساختار دولایه نامتقارن تمام غشاهای بیولوژیکی را دارد و یک سد آبگریز غیرقابل نفوذ برای اکثر مواد محلول در آب ایجاد می‌کند. سیتوپلاسم دارای دو جزء اصلی است: سیتوزول و اندامک‌های غشایی.

Cytosol is the aqueous phase of cytoplasm. In this phase, only a few proteins are actually free in solution. With the exception of some enzymes that catalyze metabolic reactions, most proteins are organized into functional complexes. A recent subdiscipline called proteomics has determined that these complexes can consist of many distinct proteins, none of which are covalently linked to another. For example, the cytoplasmic tail of the N-methyl-D-aspartate (NMDA)-type glutamate receptor, a membrane-associated protein that mediates excitatory synaptic transmission in the CNS, is anchored in a large complex of more than 100 scaffold proteins and protein-modifying enzymes. (Many cytosolic proteins involved in second-messenger signaling, discussed in later chapters, are embedded in the cytoskeletal matrix immediately below the plasmalemma.) Ribosomes, the organelle on which messenger RNA (mRNA) molecules are translated, are made up of several protein subunits. Proteasomes, large multi-enzyme organelles that degrade ubiquitinated proteins (a process described later in this chapter), are also present throughout the cytosol of neurons and glia.

سیتوزول فاز آبی سیتوپلاسم است. در این مرحله، تنها چند پروتئین در واقع در محلول آزاد هستند. به استثنای برخی از آنزیم‌هایی که واکنش‌های متابولیکی را کاتالیز می‌کنند، بیشتر پروتئین‌ها در کمپلکس‌های عملکردی سازمان‌دهی می‌شوند. یک زیررشته اخیر به نام پروتئومیکس مشخص کرده است که این کمپلکس‌ها می‌توانند از پروتئین‌های متمایز زیادی تشکیل شده باشند که هیچکدام به صورت کووالانسی به دیگری مرتبط نیستند. به عنوان مثال، دم سیتوپلاسمی‌گیرنده گلوتامات نوع N-متیل-D-آسپارتات (NMDA)، یک پروتئین مرتبط با غشاء که واسطه انتقال سیناپسی تحریکی در CNS است، در مجموعه بزرگی از بیش از ۱۰۰ پروتئین داربست لنگر انداخته است. آنزیم‌های اصلاح کننده پروتئین (بسیاری از پروتئین‌های سیتوزولی درگیر در سیگنال‌دهی پیام‌رسان دوم، که در فصل‌های بعدی مورد بحث قرار گرفته‌اند، در ماتریکس اسکلت سلولی بلافاصله زیر پلاسمالما جاسازی شده‌اند.) ریبوزوم‌ها، اندامکی که مولکول‌های RNA پیام‌رسان (mRNA) روی آن ترجمه می‌شوند، از چندین زیر واحد پروتئین تشکیل شده‌اند. پروتئازوم‌ها، اندامک‌های بزرگ چند آنزیمی‌که پروتئین‌های یوبی‌کوئیتین‌شده را تجزیه می‌کنند (فرایندی که در ادامه این فصل توضیح داده شد)، همچنین در سراسر سیتوزول نورون‌ها و گلیا وجود دارند.

Figure 7-1 The principal types of glial cells are oligodendrocytes and astrocytes in the central nervous system and Schwann cells in the peripheral nervous system.

شکل ۷-۱ انواع اصلی سلول‌های گلیال الیگودندروسیت‌ها و آستروسیت‌ها در سیستم عصبی مرکزی و سلول‌های شوان در سیستم عصبی محیطی هستند.

A. Oligodendrocytes are small cells with relatively few processes. In the white matter of the brain, as shown here, they provide the myelin sheaths that insulate axons. A single oligodendrocyte can wrap its membranous processes around many axons. In the gray matter, perineural oligodendrocytes surround and support the cell bodies of neurons.

الف) الیگودندروسیت‌ها سلول‌های کوچکی هستند که فرآیندهای نسبتا کمی‌دارند. در ماده سفید مغز، همانطور که در اینجا نشان داده شده است، آنها غلاف‌های میلین را فراهم می‌کنند که آکسون‌ها را عایق می‌کنند. یک الیگودندروسیت منفرد می‌تواند فرآیندهای غشایی خود را در اطراف بسیاری از آکسون‌ها بپیچد. در ماده خاکستری، الیگودندروسیت‌های اطراف عصبی جسم سلولی نورون‌ها را احاطه کرده و از آن حمایت می‌کنند.

B. Schwann cells furnish the myelin sheaths for axons in the peripheral nervous system. During development, several Schwann cells are positioned along the length of a single axon.

B. سلول‌های شوان غلاف میلین را برای آکسون‌ها در سیستم عصبی محیطی فراهم می‌کند. در طول توسعه، چندین سلول شوان در طول یک آکسون قرار می‌گیرند.

Each cell forms a myelin sheath approximately 1 mm long between two nodes of Ranvier. The sheath is formed as the inner tongue of the Schwann cell turns around the axon several times, wrapping the axon in layers of membrane. In actuality, the layers of myelin are more compact than what is shown here. (Adapted from Alberts et al. 2002.)

هر سلول یک غلاف میلین به طول تقریبی ۱ میلی متر بین دو گره رانویه تشکیل می‌دهد. این غلاف زمانی تشکیل می‌شود که زبان داخلی سلول شوان چندین بار به دور آکسون می‌چرخد ​​و آکسون را در لایه‌هایی از غشاء می‌پیچد. در واقع، لایه‌های میلین فشرده تر از آنچه در اینجا نشان داده شده است. (برگرفته از آلبرتز و همکاران ۲۰۰۲.)

C. Astrocytes, a major class of glial cells in the central nervous system, are characterized by their star-like shape and the broad end-feet on their processes. Because these end-feet put the astrocyte into contact with both capillaries and neurons, astrocytes are thought to have a nutritive function. Astrocytes also play an important role in maintaining the blood-brain barrier (described later in the chapter).

C. آستروسیت‌ها، دسته اصلی از سلول‌های گلیال در سیستم عصبی مرکزی، با شکل ستاره‌مانند و انتهای پهن در فرآیندهایشان مشخص می‌شوند. از آنجایی که این پاهای انتهایی آستروسیت را با مویرگ‌ها و نورون‌ها در تماس قرار می‌دهند، تصور می‌شود که آستروسیت‌ها عملکرد تغذیه ای دارند. آستروسیت‌ها همچنین نقش مهمی‌در حفظ سد خونی-مغزی ایفا می‌کنند (که بعداً در فصل توضیح داده شد).

Figure 7-2 The structure of a neuron. The cell body and nucleus of a spinal motor neuron are surrounded by a double- layered membrane, the nuclear envelope, which is continuous with the endoplasmic reticulum. The space between the two membrane layers that constitutes the nuclear envelope is continuous with the lumen of the endoplasmic reticulum. Dendrites emerge from the basal aspect of the neuron, the axon from the apical aspect. (Adapted, with permission, from Williams et al. 1989.)

شکل ۷-۲ ساختار یک نورون. بدنه سلولی و هسته یک نورون حرکتی نخاعی توسط یک غشای دولایه به نام پوشش هسته ای احاطه شده است که با شبکه آندوپلاسمی‌پیوسته است. فضای بین دو لایه غشایی که پوشش هسته را تشکیل می‌دهند با لومن شبکه آندوپلاسمی‌پیوسته است. دندریت‌ها از جنبه پایه نورون و آکسون از جنبه آپیکال خارج می‌شوند. (اقتباس، با اجازه، از ویلیامز و همکاران ۱۹۸۹.)

Membranous organelles, the second main component of cytoplasm, include mitochondria and peroxisomes as well as a complex system of tubules, vesicles, and cisternae called the vacuolar apparatus. Mitochondria and peroxisomes process molecular oxygen. Mitochondria generate adenosine triphosphate (ATP), the major molecule by which cellular energy is transferred or spent, whereas peroxisomes prevent accumulation of the strong oxidizing agent hydrogen peroxide. Mitochondria, which are derived from symbiotic archeobacteria that invaded eukaryotic cells early in evolution, are not functionally continuous with the vacuolar apparatus. Mitochondria also play other essential roles in Ca2+ homeostasis and lipid biogenesis.

اندامک‌های غشایی، دومین جزء اصلی سیتوپلاسم، شامل میتوکندری‌ها و پراکسی زوم‌ها و همچنین سیستم پیچیده ای از لوله‌ها، وزیکول‌ها و سیسترن‌ها به نام دستگاه واکولار می‌باشد. میتوکندری‌ها و پراکسی زوم‌ها اکسیژن مولکولی را پردازش می‌کنند. میتوکندری‌ها آدنوزین تری فسفات (ATP) را تولید می‌کنند، مولکول اصلی که انرژی سلولی توسط آن منتقل یا صرف می‌شود، در حالی که پراکسی زوم‌ها از تجمع عامل اکسید کننده قوی پراکسید هیدروژن جلوگیری می‌کنند. میتوکندری‌ها که از آرکئوباکتری‌های همزیستی مشتق شده‌اند که در اوایل تکامل به سلول‌های یوکاریوتی حمله کردند، از نظر عملکردی با دستگاه واکوئلی پیوسته نیستند. میتوکندری‌ها همچنین نقش‌های اساسی دیگری در هومئوستاز +Ca2 و بیوژنز لیپید دارند.

The vacuolar apparatus includes the smooth endoplasmic reticulum, the rough endoplasmic reticulum, the Golgi complex, secretory vesicles, endosomes, lysosomes, and a multiplicity of transport vesicles that interconnect these various compartments (Figure 7-3). Their lumen corresponds topologically to the outside of the cell; consequently, the inner leaflet of their lipid bilayer corresponds to the outer leaflet of the plasmalemma.

دستگاه واکوئولی شامل شبکه آندوپلاسمی‌صاف، شبکه آندوپلاسمی‌خشن، کمپلکس گلژی، وزیکول‌های ترشحی، اندوزوم‌ها، لیزوزوم‌ها و تعداد زیادی وزیکول انتقال است که این بخش‌های مختلف را به هم متصل می‌کنند (شکل ۷-۳). لومن آنها از نظر توپولوژیکی با خارج سلول مطابقت دارد. در نتیجه، برگچه داخلی دولایه لیپیدی آنها با برگچه بیرونی پلاسمالما مطابقت دارد.

The major subcompartments of this system are anatomically discontinuous but functionally connected because membranous and lumenal material is moved from one compartment to another by means of transport vesicles. For example, proteins and phospholipids synthesized in the rough endoplasmic reticulum (the portion of the reticulum studded with ribosomes) and the smooth endoplasmic reticulum are transported to the Golgi complex and then to secretory vesicles, which empty their contents when the vesicle membrane fuses with the plasmalemma (a process called exocytosis). This secretory pathway adds membranous components to the plasmalemma and also releases the contents of these secretory vesicles into the extracellular space.

بخش‌های اصلی این سیستم از نظر تشریحی ناپیوسته هستند، اما از نظر عملکردی به هم متصل هستند، زیرا مواد غشایی و مجرای با استفاده از وزیکول‌های انتقال از یک محفظه به محفظه دیگر منتقل می‌شوند. به عنوان مثال، پروتئین‌ها و فسفولیپیدهای سنتز شده در شبکه آندوپلاسمی‌خشن (بخشی از شبکه که با ریبوزوم‌ها پوشانده شده است) و شبکه آندوپلاسمی‌صاف به مجموعه گلژی و سپس به وزیکول‌های ترشحی منتقل می‌شوند که وقتی غشای وزیکول با وزیکول ترکیب می‌شود، محتویات خود را خالی می‌کند. پلاسمالما (فرآیندی به نام اگزوسیتوز). این مسیر ترشحی اجزای غشایی را به پلاسمالما اضافه می‌کند و همچنین محتویات این وزیکول‌های ترشحی را در فضای خارج سلولی آزاد می‌کند.

Conversely, components of cell membrane are taken into the cell through endocytic vesicles (endocytosis). These are incorporated into early endosomes, sorting compartments that are concentrated at the cell’s periphery. The endocytosed membrane, which typically contains specific proteins such as transmembrane receptors, can be either directed back to the plasma membrane by maturing into recycling endosomes or can mature into late endosomes which are targeted for degradation by fusion with lysosomes. (Exocytosis and endocytosis are discussed in detail later in this chapter.) The smooth endoplasmic reticulum also acts as a regulated internal Ca2+ store throughout the neuronal cytoplasm (see the discussion of Ca2+ release in Chapter 14).

برعکس، اجزای غشای سلولی از طریق وزیکول‌های اندوسیتی (اندوسیتوز) وارد سلول می‌شوند. اینها در اندوزومهای اولیه، محفظه‌های مرتب سازی که در حاشیه سلول متمرکز شده اند، ادغام می‌شوند. غشای اندوسیتوز شده، که معمولاً حاوی پروتئین‌های خاصی مانند گیرنده‌های گذرنده است، می‌تواند با بالغ شدن به آندوزوم‌های در حال بازیافت به غشای پلاسمایی هدایت شود یا می‌تواند به آندوزوم‌های دیررس بالغ شود که برای تجزیه با همجوشی با لیزوزوم‌ها هدف قرار می‌گیرند. (اگزوسیتوز و اندوسیتوز بعداً در این فصل به تفصیل مورد بحث قرار خواهند گرفت.) شبکه آندوپلاسمی‌صاف همچنین به عنوان یک ذخیره داخلی +Ca2 تنظیم شده در سراسر سیتوپلاسم عصبی عمل می‌کند (به بحث انتشار +Ca2 در فصل ۱۴ مراجعه کنید).

Figure 7-3 Organelles of the neuron. Electron micrographs show cytoplasm in four different regions of the neuron. (Adapted, with permission, from Peters et al. 1991.) A. A dendrite emerges from a pyramidal neuron’s cell body, which includes the endoplasmic reticulum (ER) above the nucleus (N) and a portion of the Golgi complex (G) nearby. Some Golgi cisternae have entered the dendrite, as have mitochondria (Mit), lysosomes (Ly), and ribosomes (R). Microtubules (Mt) are prominent cytoskeletal filaments in the cytosol. Axon terminals (AT) making contact with the dendrite are seen at the top and right.

شکل ۷-۳ اندامک‌های نورون. میکروگراف‌های الکترونی سیتوپلاسم را در چهار ناحیه مختلف نورون نشان می‌دهد. (اقتباس شده، با اجازه، از پیترز و همکاران ۱۹۹۱.) الف. یک دندریت از بدنه سلولی یک نورون هرمی‌خارج می‌شود، که شامل شبکه آندوپلاسمی‌(ER) بالای هسته (N) و بخشی از مجموعه گلژی (G) است. در نزدیکی برخی از مخازن گلژی مانند میتوکندری‌ها (Mit)، لیزوزوم‌ها (Ly) و ریبوزوم‌ها (R) وارد دندریت شده اند. میکروتوبول‌ها (Mt) رشته‌های اسکلت سلولی برجسته در سیتوزول هستند. پایانه‌های آکسون (AT) که با دندریت تماس دارند در بالا و سمت راست دیده می‌شوند.

B. Some components of a spinal motor neuron that participate in the synthesis of macromolecules. The nucleus (N) contains masses of chromatin (Ch) and is bounded by the nuclear envelope, which contains many nuclear pores (arrows). The mRNA leaves the nucleus through these pores and attaches to ribosomes that either remain free in the cytoplasm or attach to the membranes of the endoplasmic reticulum to form the rough endoplasmic reticulum (RER). Regulatory proteins synthesized in the cytoplasm are imported into the nucleus through the pores. Several parts of the Golgi apparatus (G) are seen, as are lysosomes (Ly) and mitochondria (Mit).

ب- برخی از اجزای یک نورون حرکتی نخاعی که در سنتز ماکرومولکول‌ها شرکت می‌کنند. هسته (N) حاوی توده‌هایی از کروماتین (Ch) است و توسط پوشش هسته‌ای که حاوی منافذ هسته‌ای (فلش‌ها) زیادی است، محدود می‌شود. mRNA از طریق این منافذ هسته را ترک می‌کند و به ریبوزوم‌هایی می‌چسبد که یا در سیتوپلاسم آزاد می‌مانند یا به غشای شبکه آندوپلاسمی‌متصل می‌شوند تا شبکه آندوپلاسمی‌خشن (RER) را تشکیل دهند. پروتئین‌های تنظیمی‌سنتز شده در سیتوپلاسم از طریق منافذ به هسته وارد می‌شوند. چندین بخش از دستگاه گلژی (G) دیده می‌شود، مانند لیزوزوم‌ها (Ly) و میتوکندری‌ها (Mit).

C, D. Micrographs of a dorsal root ganglion cell (C) and a motor neuron (D) show the organelles in the cell body that are chiefly responsible for synthesis and processing of proteins. The mRNA enters the cytoplasm through the nuclear envelope and is translated into proteins. Free polysomes, strings of ribosomes attached to a single mRNA, generate cytosolic proteins and proteins to be imported into mitochondria (Mit) and peroxisomes. Proteins destined for the endoplasmic reticulum are formed after the polysomes attach to the membrane of the endoplasmic reticulum (ER). The particular region of the motor neuron shown here also includes membranes of the Golgi apparatus (G), in which membrane and secretory proteins are further processed. Some of the newly synthesized proteins leave the Golgi apparatus in vesicles that move down the axon to synapses; other membrane proteins are incorporated into lysosomes (Ly) and other membranous organelles. The microtubules (M) and neurofilaments (Nf) are components of the cytoskeleton.

C، D. میکروگراف‌های یک سلول گانگلیونی ریشه پشتی (C) و یک نورون حرکتی (D) اندامک‌هایی را در جسم سلولی نشان می‌دهند که عمدتاً مسئول سنتز و پردازش پروتئین‌ها هستند. mRNA از طریق پوشش هسته وارد سیتوپلاسم می‌شود و به پروتئین ترجمه می‌شود. پلی‌زوم‌های آزاد، رشته‌هایی از ریبوزوم‌های متصل به یک mRNA، پروتئین‌ها و پروتئین‌های سیتوزولی تولید می‌کنند تا به میتوکندری (Mit) و پراکسی‌زوم‌ها وارد شوند. پروتئین‌هایی که برای شبکه آندوپلاسمی‌تعیین می‌شوند پس از اتصال پلی زوم‌ها به غشای شبکه آندوپلاسمی‌ (ER) تشکیل می‌شوند. ناحیه خاصی از نورون حرکتی نشان داده شده در اینجا همچنین شامل غشاهای دستگاه گلژی (G) است که در آن غشاء و پروتئین‌های ترشحی بیشتر پردازش می‌شوند. برخی از پروتئین‌های تازه سنتز شده، دستگاه گلژی را در وزیکول‌ها ترک می‌کنند که از آکسون به سمت سیناپس‌ها حرکت می‌کنند. سایر پروتئین‌های غشایی در لیزوزوم‌ها (Ly) و سایر اندامک‌های غشایی گنجانده می‌شوند. میکروتوبول‌ها (M) و نوروفیلامنت‌ها (Nf) اجزای اسکلت سلولی هستند.

A specialized portion of the rough endoplasmic reticulum forms the nuclear envelope, a spherical flattened cisterna that surrounds chromosomal DNA and its associated proteins (histones, transcription factors, polymerases, and isomerases) and defines the nucleus (Figure 7-3). Because the nuclear envelope is continuous with other portions of the endoplasmic reticulum and other membranes of the vacuolar apparatus, it is presumed to have evolved as an invagination of the plasmalemma to ensheathe eukaryotic chromosomes. The nuclear envelope is interrupted by nuclear pores, where fusion of the inner and outer membranes of the envelope results in the formation of hydrophilic channels through which proteins and RNA are exchanged between the cytoplasm proper and the nuclear cytoplasm.

بخش ویژه ای از شبکه آندوپلاسمی‌خشن پوشش هسته ای را تشکیل می‌دهد، یک مخزن کروی مسطح که DNA کروموزومی‌و پروتئین‌های مرتبط با آن (هیستون‌ها، فاکتورهای رونویسی، پلیمرازها و ایزومرازها) را احاطه کرده و هسته را مشخص می‌کند (شکل ۷-۳). از آنجایی که پوشش هسته با سایر بخش‌های شبکه آندوپلاسمی‌و سایر غشاهای دستگاه واکوئلی پیوسته است، فرض بر این است که به‌عنوان هجوم پلاسمالما برای پوشاندن کروموزوم‌های یوکاریوتی تکامل یافته است. پوشش هسته ای توسط منافذ هسته ای قطع می‌شود، جایی که ادغام غشای داخلی و خارجی پوشش منجر به تشکیل کانال‌های آبدوست می‌شود که از طریق آن پروتئین‌ها و RNA بین سیتوپلاسم مناسب و سیتوپلاسم هسته ای مبادله می‌شوند.

Even though nucleoplasm and cytoplasm are continuous domains of cytosol, only molecules with molecular weights less than 5,000 can pass through the nuclear pores freely by diffusion. Larger molecules need help. Some proteins have special nuclear localization signals, domains that are composed of a sequence of basic amino acids (arginine and lysine) that are recognized by soluble proteins called nuclear import receptors (importins). At a nuclear pore, this complex is guided into the nucleus by another group of proteins called nucleoporins.

اگرچه نوکلئوپلاسم و سیتوپلاسم حوزه‌های پیوسته سیتوزول هستند، اما تنها مولکول‌هایی با وزن مولکولی کمتر از ۵۰۰۰ می‌توانند آزادانه از طریق انتشار از منافذ هسته عبور کنند. مولکول‌های بزرگتر به کمک نیاز دارند. برخی از پروتئین‌ها سیگنال‌های محلی‌سازی هسته‌ای خاصی دارند، حوزه‌هایی که از دنباله‌ای از اسیدهای آمینه اساسی (آرژنین و لیزین) تشکیل شده‌اند که توسط پروتئین‌های محلول به نام گیرنده‌های واردات هسته‌ای (importins) شناسایی می‌شوند. در منافذ هسته ای، این مجموعه توسط گروه دیگری از پروتئین‌ها به نام نوکلئوپورین‌ها به درون هسته هدایت می‌شود.

The cytoplasm of the nerve cell body extends into the dendritic tree without functional differentiation. Generally, all organelles in the cytoplasm of the cell body are also present in dendrites, although the densities of the rough endoplasmic reticulum, Golgi complex, and lysosomes rapidly diminish with distance from the cell body. In dendrites, the smooth endoplasmic reticulum is prominent at the base of thin processes called spines (Figures 7-4 and 7-5), the receptive portion of excitatory synapses. Concentrations of polyribosomes in dendritic spines mediate local protein synthesis (see below).

سیتوپلاسم جسم سلول عصبی به درخت دندریتیک بدون تمایز عملکردی گسترش می‌یابد. به طور کلی، تمام اندامک‌ها در سیتوپلاسم جسم سلولی در دندریت‌ها نیز وجود دارند، اگرچه چگالی شبکه آندوپلاسمی‌خشن، کمپلکس گلژی و لیزوزوم‌ها به سرعت با فاصله از بدنه سلولی کاهش می‌یابد. در دندریت‌ها، شبکه آندوپلاسمی‌صاف در پایه فرآیندهای نازکی به نام خارها برجسته است (شکل‌های ۷-۴ و ۷-۵)، بخش پذیرنده سیناپس‌های تحریکی. غلظت پلی ریبوزوم‌ها در خارهای دندریتی واسطه سنتز پروتئین موضعی است (به زیر مراجعه کنید).

In contrast to the continuity of the cell body and dendrites, a sharp functional boundary exists between the cell body at the axon hillock, where the axon emerges. The organelles that compose the main biosynthetic machinery for proteins in the neuron—ribosomes, rough endoplasmic reticulum, and the Golgi complex-are generally excluded from axons (Figure 7-4), as are lysosomes and certain proteins. However, axons are rich in smooth endoplasmic reticulum, individual synaptic vesicles, and their precursor membranes.

بر خلاف تداوم جسم سلولی و دندریت‌ها، یک مرز عملکردی تیز بین جسم سلولی در تپه آکسون، جایی که آکسون ظاهر می‌شود، وجود دارد. اندامک‌هایی که ماشین بیوسنتزی اصلی پروتئین‌ها را در نورون تشکیل می‌دهند – ریبوزوم‌ها، شبکه آندوپلاسمی‌خشن و کمپلکس گلژی – به طور کلی از آکسون‌ها حذف می‌شوند (شکل ۷-۴)، مانند لیزوزوم‌ها و پروتئین‌های خاص. با این حال، آکسون‌ها غنی از شبکه آندوپلاسمی‌صاف، وزیکول‌های سیناپسی منفرد و غشاهای پیش ساز آنها هستند.

Figure 7-4 Golgi and endoplasmic reticulum membranes extend from the cell body into dendrites.
A. The Golgi complex (solid arrow) appears under the light microscope as several filaments that extend into the dendrites (open arrow) but not into the axon. The arrowheads at the bottom indicate the axon hillock. For this micro- graph, a large neuron of the brain stem was immunostained with antibodies specifically directed against the Golgi complex. (Reproduced, with permission, from De Camilli et al. 1986. Copyright © ۱۹۸۶ Rockefeller University Press.)

شکل ۷-۴ غشاهای گلژی و شبکه آندوپلاسمی از جسم سلولی به دندریت‌ها گسترش می‌یابند.
الف) کمپلکس گلژی (پیکان جامد) در زیر میکروسکوپ نوری به صورت رشته‌های متعددی ظاهر می‌شود که به داخل دندریت‌ها (فلش باز) کشیده می‌شوند اما به آکسون نمی‌رسند. نوک پیکان در پایین نشان دهنده تپه آکسون است. برای این میکروگراف، یک نورون بزرگ از ساقه مغز با آنتی بادی‌هایی که به طور خاص علیه مجموعه گلژی هدایت شده بودند، رنگ آمیزی شد. (تکثیر، با اجازه، از De Camilli و همکاران. ۱۹۸۶. حق چاپ © ۱۹۸۶ انتشارات دانشگاه راکفلر.)

B. Smooth endoplasmic reticulum (arrowhead) extends into the neck of a dendritic spine, while another mem- brane compartment sits at the origin of the spine (arrow). (Reproduced, with permission, from Cooney et al. 2002. Copyright © ۲۰۰۲ Society for Neuroscience.)

ب. شبکه آندوپلاسمی‌صاف (سر پیکان) تا گردن اسکلت دندریتیک گسترش می‌یابد، در حالی که بخش غشایی دیگر در مبدا اسکلت قرار دارد (پیکان). (تکثیر شده، با اجازه، از کونی و همکاران ۲۰۰۲. حق چاپ © ۲۰۰۲ Society for Neuroscience.)

Figure 7-5 Types of dendritic spines. Three types of dendritic spine shapes are shown in a mature dendrite in a pyramidal cell in the CA1 region of the hippocampus. The drawing at left is based on a series of electron micrographs. (Drawing reproduced, with permission, from Harris and Stevens 1989; A, B, and C are reproduced, with permission, from Sorra and Harris 1993. Copyright © ۱۹۹۳ Society for Neuroscience.)

شکل ۷-۵ انواع خارهای دندریتیک. سه نوع شکل اسکلت دندریتی در یک دندریت بالغ در یک سلول هرمی‌در ناحیه CA1 هیپوکامپ نشان داده شده است. طراحی سمت چپ بر اساس یک سری میکروگراف الکترونی است. (طراحی تکثیر شده، با اجازه، از هریس و استیونز ۱۹۸۹؛ A، B، و C، با اجازه، از سورا و هریس ۱۹۹۳ تکثیر شده است. حق چاپ © ۱۹۹۳ Society for Neuroscience.)

A. In this thin dendritic spine, the thickened receptive surface (arrow), located across from the presynaptic axon, contains synaptic receptors. The tissue shown here and in B and C is from the hippocampus of a postnatal day-15 rat brain.

الف. در این اسکلت دندریتیک نازک، سطح گیرنده ضخیم شده (پیکان)، واقع در مقابل آکسون پیش سیناپسی، حاوی گیرنده‌های سیناپسی است. بافتی که در اینجا و در B و C نشان داده شده است از هیپوکامپ مغز موش صحرایی ۱۵ روزه پس از تولد است.

B. Stubby spines containing postsynaptic densities (arrow) are both small and rare in the mature hippocampus. Their larger counterparts (not shown) predominate in the immature brain.

ب. خارهای کلفت حاوی چگالی پس سیناپسی (پیکان) در هیپوکامپ بالغ هم کوچک و هم نادر هستند. همتایان بزرگتر آنها (نشان داده نشده) در مغز نابالغ غالب هستند.

C. Mushroom-shaped spines have a larger head. The immature spine shown here contains flat cisternae of smooth endoplasmic reticulum, some with a beaded appearance (solid arrow). The postsynaptic density is indicated by the open arrow.

ج- خارهای قارچی شکل سر بزرگتری دارند. اسکلت نابالغ نشان داده شده در اینجا حاوی مخازن مسطح شبکه آندوپلاسمی‌صاف است که برخی از آنها ظاهر مهره ای دارند (پیکان توپر). چگالی پس سیناپسی با فلش باز نشان داده می‌شود.

The Cytoskeleton Determines Cell Shape

اسکلت سلولی شکل سلول را تعیین می‌کند

The cytoskeleton determines the shape of a cell and is responsible for the asymmetric distribution of organelles within the cytoplasm. It includes three filamentous structures: microtubules, neurofilaments, and microfilaments. These filaments and associated proteins account for approximately a quarter of the total protein in the cell.

اسکلت سلولی شکل یک سلول را تعیین می‌کند و مسئول توزیع نامتقارن اندامک‌ها در داخل سیتوپلاسم است. این شامل سه ساختار رشته ای است: میکروتوبول‌ها، نوروفیلامنت‌ها و میکروفیلامنت‌ها. این رشته‌ها و پروتئین‌های مرتبط تقریباً یک چهارم کل پروتئین موجود در سلول را تشکیل می‌دهند.

Microtubules form long scaffolds that extend from one end of a neuron to the other and play a key role in developing and maintaining cell shape. A single microtubule can be as long as 0.1 mm. Microtubules consist of protofilaments, each of which consists of multiple pairs of a- and B-tubulin subunits arranged longitudinally along the microtubule (Figure 7-6A). Tubulin subunits bind to neighboring subunits along the protofilament and also laterally between adjacent protofilaments. Microtubules are polarized with a plus end (or growing end) and a minus end (where microtubules can be depolymerized). Interestingly, microtubule orientations differ between axons and dendrites. In the axon, microtubules display a single orientation with the plus end directed away from the cell body. In proximal dendrites, microtubules can be oriented both ways, with a plus end oriented toward or away from the cell body.

میکروتوبول‌ها داربست‌های بلندی را تشکیل می‌دهند که از یک انتهای نورون به انتهای دیگر امتداد یافته و نقش کلیدی در توسعه و حفظ شکل سلول ایفا می‌کنند. طول یک میکروتوبول منفرد می‌تواند تا ۰.۱ میلی متر باشد. میکروتوبول‌ها از پروتوفلامنت‌ها تشکیل شده اند که هر کدام از چندین جفت زیرواحدهای a- و B-tubulin که به صورت طولی در امتداد میکروتوبول قرار گرفته اند تشکیل شده است (شکل ۷-6A). زیر واحدهای توبولین به زیر واحدهای مجاور در امتداد پروتوفیلامنت و همچنین به صورت جانبی بین پروتوفیلامنت‌های مجاور متصل می‌شوند. میکروتوبول‌ها با یک انتهای مثبت (یا انتهای در حال رشد) و یک انتهای منهای (که در آن میکروتوبول‌ها می‌توانند پلیمریزه شوند) پلاریزه می‌شوند. جالب توجه است که جهت گیری میکروتوبول‌ها بین آکسون‌ها و دندریت‌ها متفاوت است. در آکسون، میکروتوبول‌ها یک جهت واحد را نشان می‌دهند که انتهای مثبت آن از بدنه سلولی دور است. در دندریت‌های پروگزیمال، میکروتوبول‌ها را می‌توان به هر دو طرف جهت‌گیری کرد، با یک انتهایی به سمت یا دور از جسم سلولی.

Microtubules grow by addition of guanosine triphosphate (GTP)-bound tubulin dimers at their plus end. Shortly after polymerization, the GTP is hydrolyzed to guanosine diphosphate (GDP). When a microtubule stops growing, its positive end is capped by a GDP-bound tubulin monomer. The low affinity of the GDP-bound tubulin for the polymer would lead to catastrophic depolymerization, were not for the fact that the microtubules are stabilized by interaction with other proteins.

میکروتوبول‌ها با افزودن دایمرهای توبولین متصل به گوانوزین تری فسفات (GTP) در انتهای مثبت خود رشد می‌کنند. مدت کوتاهی پس از پلیمریزاسیون، GTP به گوانوزین دی فسفات (GDP) هیدرولیز می‌شود. هنگامی‌که رشد یک میکروتوبول متوقف می‌شود، انتهای مثبت آن توسط یک مونومر توبولین محدود به تولید ناخالص داخلی پوشانده می‌شود. میل ترکیبی کم توبولین متصل به تولید ناخالص داخلی برای پلیمر منجر به پلیمریزاسیون فاجعه‌بار می‌شود، به دلیل این واقعیت نیست که میکروتوبول‌ها با تعامل با سایر پروتئین‌ها تثبیت می‌شوند.

In fact, while microtubules undergo rapid cycles of polymerization and depolymerization in dividing cells, a phenomenon referred to as dynamic instability, in mature dendrites and axons, they are more stable. This stability is thought to be caused by microtubule- associated proteins (MAPs) that promote the oriented polymerization and assembly of the tubulin polymers. MAPS in axons differ from those in dendrites.

در واقع، در حالی که میکروتوبول‌ها در سلول‌های در حال تقسیم، چرخه‌های سریع پلیمریزاسیون و دپلیمریزاسیون را تجربه می‌کنند، پدیده‌ای که به عنوان ناپایداری دینامیکی از آن یاد می‌شود، در دندریت‌ها و آکسون‌های بالغ، پایدارتر هستند. تصور می‌شود که این پایداری توسط پروتئین‌های مرتبط با میکروتوبول (MAPs) ایجاد می‌شود که پلیمریزاسیون جهت‌دار و مونتاژ پلیمرهای توبولین را ترویج می‌کنند. MAPS در آکسون‌ها با نقشه‌های موجود در دندریت‌ها متفاوت است.

For example, MAP2 is present in dendrites but not in axons, where tau proteins (see Box 7-1) and MAP1b are present. Furthermore, microtubule stability is also tightly regulated by many different types of reversible tubulin posttranslational modifications such as acetylation, detyrosination, and polyglutamylation. In Alzheimer disease and some other degenerative disorders, tau proteins are modified and abnormally polymerized, forming a characteristic lesion called the neurofibrillary tangle (Box 7-1).

به عنوان مثال، MAP2 در دندریت‌ها وجود دارد اما در آکسون‌ها وجود ندارد، جایی که پروتئین‌های تاو (به کادر ۷-۱ مراجعه کنید) و MAP1b وجود دارد. علاوه بر این، پایداری میکروتوبول نیز به شدت توسط بسیاری از انواع مختلف تغییرات پس از ترجمه توبولین برگشت‌پذیر مانند استیلاسیون، فشارزیناسیون و پلی‌گلوتامیلاسیون تنظیم می‌شود. در بیماری آلزایمر و برخی دیگر از اختلالات دژنراتیو، پروتئین‌های تاو تغییر یافته و به طور غیر طبیعی پلیمریزه می‌شوند و یک ضایعه مشخص به نام درهم‌تنیدگی نوروفیبریلاری را تشکیل می‌دهند (کادر ۷-۱).

Tubulins are encoded by a multigene family. At least six genes code the a- and ẞ-subunits. Because of the expression of the different genes or posttranscriptional modifications, more than 20 isoforms of tubulin are present in the brain.

توبولین‌ها توسط یک خانواده چند ژنی کدگذاری می‌شوند. حداقل شش ژن زیرواحدهای a و ẞ را کد می‌کنند. به دلیل بیان ژن‌های مختلف یا تغییرات پس از رونویسی، بیش از ۲۰ ایزوفرم توبولین در مغز وجود دارد.

Neurofilaments, 10 nm in diameter, are the bones of the cytoskeleton (Figure 7-6B). Neurofilaments are related to intermediate filaments of other cell types, including the cytokeratins of epithelial cells (hair and nails), glial fibrillary acidic protein in astrocytes, and desmin in muscle. Unlike microtubules, neurofilaments are stable and almost totally polymerized in the cell.

رشته‌های عصبی، با قطر ۱۰ نانومتر، استخوان‌های اسکلت سلولی هستند (شکل ۷-6B). نوروفیلامنت‌ها به رشته‌های میانی سایر انواع سلول‌ها، از جمله سیتوکراتین‌های سلول‌های اپیتلیال (مو و ناخن)، پروتئین اسیدی فیبریلاری گلیال در آستروسیت‌ها و دسمین در ماهیچه‌ها مرتبط هستند. بر خلاف میکروتوبول‌ها، نوروفیلامنت‌ها پایدار هستند و تقریباً به طور کامل در سلول پلیمریزه می‌شوند.

At 3 to 7 nm in diameter, microfilaments are the thinnest of the three main types of fibers that make up the cytoskeleton (Figure 7-6C). Like thin filaments of muscle, microfilaments are made up of two strands of polymerized globular actin monomers, each bearing an ATP or adenosine diphosphate (ADP), wound into a double-stranded helix. Actin is a major constituent of all cells, perhaps the most abundant animal protein in nature. There are several closely related molecular forms: the a actin of skeletal muscle and at least two other molecular forms, ẞ and y. Each is encoded by a different gene. Neural actin in higher vertebrates is a mixture of the ẞ and y species, which differ from muscle actin by a few amino acid residues. Most actin molecules are highly conserved, not only in different cell types of a species but also in organisms as distantly related as humans and protozoa.

با قطر ۳ تا ۷ نانومتر، ریز رشته‌ها نازک‌ترین از سه نوع فیبر اصلی هستند که اسکلت سلولی را تشکیل می‌دهند (شکل ۷-6C). مانند رشته‌های نازک ماهیچه‌ها، ریز رشته‌ها از دو رشته مونومرهای اکتین کروی پلیمریزه شده تشکیل شده‌اند که هر کدام حاوی ATP یا آدنوزین دی فسفات (ADP) هستند که به یک مارپیچ دو رشته‌ای زخمی‌می‌شوند. اکتین یکی از اجزای اصلی همه سلول‌ها، شاید فراوان ترین پروتئین حیوانی در طبیعت است. چندین شکل مولکولی نزدیک به هم وجود دارد: اکتین عضله اسکلتی و حداقل دو شکل مولکولی دیگر، ẞ و y. هر کدام توسط یک ژن متفاوت کدگذاری می‌شوند. اکتین عصبی در مهره داران عالی مخلوطی از گونه‌های ẞ و y است که با اکتین عضلانی با تعداد کمی‌باقی مانده اسید آمینه متفاوت است. بیشتر مولکول‌های اکتین، نه تنها در انواع سلول‌های مختلف یک گونه، بلکه در موجوداتی که از فاصله‌ای دور مانند انسان و تک یاخته‌ها به هم مرتبط هستند، بسیار محافظت می‌شوند.

Unlike microtubules and neurofilaments, actin filaments are short. They are concentrated at the cell’s periphery in the cortical cytoplasm just beneath the plasmalemma, where they form a dense network with many actin-binding proteins (eg, spectrinfodrin, ankyrin, talin, and actinin). This matrix plays a key role in the dynamic function of the cell’s periphery, such as the motility of growth cones (the growing tips of axons) during development, generation of specialized microdomains at the cell surface, and the formation of pre-and postsynaptic morphological specializations.

برخلاف میکروتوبول‌ها و نوروفیلامنت‌ها، فیلامنت‌های اکتیین کوتاه هستند. این فیلامنت‌ها در حاشیه سلول و در سیتوپلاسم کورتیکالی درست زیر پلاسما در هم متمرکز شده‌اند، جایی که یک شبکه متراکم با بسیاری از پروتئین‌های متصل شونده به اکتیین (مثل اسپکتریندفدرین، آنکیریین، تالین و آکتینین) را تشکیل می‌دهند. این ماتریس در عملکرد دینامیک حاشیه سلول نقش کلیدی دارد، مانند حرکات مخروط‌های رشد (نوک‌های در حال رشد آکسون‌ها) در طول توسعه، ایجاد میکرودامنه‌های تخصصی در سطح سلول و تشکیل ویژگی‌های شکلی پیش‌سیناپسی و پس‌سیناپسی.

Like microtubules, microfilaments undergo cycles of polymerization and depolymerization. At any one time, approximately half of the total actin in a cell can exist as unpolymerized monomers. The state of actin is controlled by binding proteins, which facilitate assembly and limit polymer length by capping the rapidly growing end of the filament or by severing it. Other binding proteins crosslink or bundle actin filaments.

مانند میکروتوبول‌ها، ریز رشته‌ها نیز تحت چرخه‌های پلیمریزاسیون و دپلیمریزاسیون قرار می‌گیرند. در هر زمان، تقریباً نیمی‌از کل اکتین موجود در یک سلول می‌تواند به صورت مونومرهای پلیمریزه نشده وجود داشته باشد. وضعیت اکتین توسط پروتئین‌های اتصال کنترل می‌شود، که مونتاژ را تسهیل می‌کند و طول پلیمر را با بستن انتهای سریع در حال رشد رشته یا با جدا کردن آن محدود می‌کند. سایر پروتئین‌های اتصال دهنده رشته‌های اکتین را به صورت متقابل یا بسته بندی می‌کنند.

Figure 7-6 Atlas of fibrillary structures.
A. Microtubules, the largest-diameter fibers (25 nm), are helical cylinders composed of 13 protofilaments, each 5 nm in width. Each protofilament is made up of a column of alternating α- and B-tubulin subunits; each subunit has a molecular weight of approximately 50,000 Da. Adjacent subunits bind to each other along the longitudinal protofilaments and laterally between subunits of adjacent protofilaments.

شکل ۷-۶ اطلس سازه‌های فیبریلاری.
الف. میکروتوبول‌ها، الیاف با بزرگترین قطر (۲۵ نانومتر)، استوانه‌های مارپیچی هستند که از ۱۳ پیش رشته تشکیل شده اند که هر کدام ۵ نانومتر عرض دارند. هر پروتوفیلامنت از ستونی از زیرواحدهای آلفا و B-توبولین متناوب تشکیل شده است. وزن مولکولی هر زیر واحد تقریباً ۵۰۰۰۰ Da است. زیر واحدهای مجاور در امتداد پروتوفیلامنت‌های طولی و به صورت جانبی بین زیر واحدهای پیش رشته‌های مجاور به یکدیگر متصل می‌شوند.

A tubulin molecule is a heterodimer consisting of one α- and one ẞ-tubulin subunit. 1. View of a microtubule. The arrows indicate the direction of the right-handed helix. 2. A side view of a microtubule shows the alternating o- and ẞ-subunits.

مولکول توبولین یک هترودایمر متشکل از یک زیرواحد α- و یک ẞ-توبولین است. ۱. نمای یک میکروتوبول. فلش‌ها جهت مارپیچ سمت راست را نشان می‌دهند. ۲. نمای جانبی یک میکروتوبول زیرواحدهای متناوب o و ẞ را نشان می‌دهد.

B. Neurofilaments are built with fibers that twist around each other to produce coils of increasing thickness. The thinnest units are monomers that form coiled-coil heterodimers. These dimers form a tetrameric complex that becomes the proto- filament. Two protofilaments become a protofibril, and three protofibrils are helically twisted to form the 10-nm diameter neurofilament. (Adapted, with permission, from Bershadsky and Vasiliev 1988.)

ب. رشته‌های عصبی با الیافی ساخته می‌شوند که به دور یکدیگر می‌پیچند تا سیم پیچ‌هایی با ضخامت فزاینده تولید کنند. نازک ترین واحدها مونومرهایی هستند که هترودیمرهای سیم پیچی را تشکیل می‌دهند. این دایمرها یک کمپلکس تترامری را تشکیل می‌دهند که به پروتوفیلامنت تبدیل می‌شود. دو پروتوفیلامنت به یک پروتوفیبریل تبدیل می‌شوند و سه پروتوفیبریل به صورت مارپیچی به هم می‌پیچند تا نوروفیلامنت با قطر ۱۰ نانومتر را تشکیل دهند. (اقتباس، با اجازه، از برشادسکی و واسیلیف ۱۹۸۸.)

C. Microfilaments, the smallest-diameter fibers (approximately 7 nm), are composed of two strands of polymerized globular actin (G-actin) monomers arranged in a helix. At least six different (but closely related) actins are found in mammals; each variant is encoded by a separate gene. Microfilaments are polar structures because the globular monomers are asymmetric.

ج. ریز رشته‌ها، الیاف با کمترین قطر (تقریباً ۷ نانومتر)، از دو رشته مونومرهای اکتین کروی پلیمریزه شده (G-actin) تشکیل شده اند که در یک مارپیچ قرار گرفته اند. حداقل شش اکتین مختلف (اما نزدیک به هم) در پستانداران یافت می‌شود. هر گونه توسط یک ژن جداگانه کدگذاری می‌شود. ریز رشته‌ها ساختارهای قطبی هستند زیرا مونومرهای کروی نامتقارن هستند.

The dynamic state of microtubules and microfilaments permits a mature neuron to retract old axons and dendrites and extend new ones. This structural plasticity is thought to be a major factor in changes of synaptic connections and efficacy and, therefore, cellular mechanisms of long-term memory and learning.

وضعیت دینامیکی میکروتوبول‌ها و ریز رشته‌ها به یک نورون بالغ اجازه می‌دهد تا آکسون‌ها و دندریت‌های قدیمی‌را جمع کند و آکسون‌های جدید را گسترش دهد. تصور می‌شود که این شکل پذیری ساختاری عامل اصلی در تغییرات اتصالات سیناپسی و اثربخشی و در نتیجه مکانیسم‌های سلولی حافظه و یادگیری بلند مدت باشد.

Box 7-1 Abnormal Accumulations of Proteins Are Hallmarks of Many Neurological Disorders
Tau is a microtubule-binding protein normally present in nerve cells. In Alzheimer disease, abnormal aggregates of tau are visible in the light microscope in neurons and glia as well as in the extracellular space. Highly phosphorylated tau molecules arranged in long, thin polymers wind around one another to form paired helical filaments (Figure 7-7A and Chapter 64). Bundles of the polymers, known as neurofibrillary tangles, accumulate in neuronal cell bodies, dendrites, and axons (Figure 7-7A).

کادر ۷-۱ تجمع غیر طبیعی پروتئین‌ها نشانه بسیاری از اختلالات عصبی هستند

تاو یک پروتئین متصل به میکروتوبول است که به طور معمول در سلول‌های عصبی وجود دارد. در بیماری آلزایمر، تجمعات غیر طبیعی تاو در میکروسکوپ نوری در نورون‌ها و گلیا و همچنین در فضای خارج سلولی قابل مشاهده است. مولکول‌های تاو بسیار فسفریله شده در پلیمرهای بلند و نازک به دور یکدیگر می‌پیچند تا رشته‌های مارپیچی جفتی را تشکیل دهند (شکل ۷-7A و فصل ۶۴). دسته‌هایی از پلیمرها که به نام درهم تنیده‌های نوروفیبریلاری شناخته می‌شوند، در اجسام سلول‌های عصبی، دندریت‌ها و آکسون‌ها تجمع می‌یابند (شکل ۷-7A).

In normal neurons, tau is either bound to microtubules or free in the cytosol. In the tangles, it is not bound to microtubules but is highly insoluble. The tangles form at least in part because tau is not proteolytically degraded. The accumulations disturb the polymerization of tubulin and therefore interfere with axonal transport. Consequently, the shape of the neuron is not maintained.

در نورون‌های طبیعی، تاو یا به میکروتوبول‌ها متصل می‌شود یا در سیتوزول آزاد است. در درهم، به میکروتوبول‌ها متصل نیست اما بسیار نامحلول است. این گره‌ها حداقل تا حدی تشکیل می‌شوند زیرا تاو از نظر پروتئولیتیک تجزیه نمی‌شود. تجمعات پلیمریزاسیون توبولین را مختل می‌کنند و بنابراین در انتقال آکسونی اختلال ایجاد می‌کنند. در نتیجه، شکل نورون حفظ نمی‌شود.

Tau accumulations are also found in neurons of patients with progressive supranuclear palsy, a movement disorder, and in patients with frontotemporal dementias, a group of neurodegenerative disorders that affect the frontal and temporal lobes (Chapter 63). The familial forms of frontotemporal dementias are caused by mutations in the tau gene. Abnormal aggregates are also found in glial cells, both astrocytes and oligodendrocytes, in progressive supranuclear palsy, cortico-basoganglionic degeneration, and frontotemporal dementias.

تجمع تاو همچنین در نورون‌های بیماران مبتلا به فلج فوق هسته ای پیشرونده، یک اختلال حرکتی، و در بیماران مبتلا به دمانس فرونتوتمپورال، گروهی از اختلالات عصبی که بر لوب‌های پیشانی و گیجگاهی تأثیر می‌گذارد، یافت می‌شود (فصل ۶۳). اشکال خانوادگی دمانس فرونتوتمپورال در اثر جهش در ژن تاو ایجاد می‌شود. توده‌های غیرطبیعی نیز در سلول‌های گلیال، هم آستروسیت‌ها و هم اولیگودندروسیت‌ها، در فلج فوق‌هسته‌ای پیشرونده، دژنراسیون کورتیکو بازوگانگلیونی و دمانس فرونتومپورال یافت می‌شوند.

The peptide B-amyloid also accumulates in the extra- cellular space in Alzheimer disease (Figure 7-7B and Chapter 64). It is a small proteolytic product of a much larger integral membrane protein, amyloid precursor protein, which is normally processed by several proteo- lytic enzymes associated with intracellular membranes.
The proteolytic pathway that generates ẞ-amyloid requires the enzyme B-secretase.

پپتید B-آمیلوئید همچنین در فضای خارج سلولی در بیماری آلزایمر تجمع می‌یابد (شکل ۷-7B و فصل ۶۴). این یک محصول پروتئولیتیک کوچک از یک پروتئین غشایی انتگرال بسیار بزرگتر، پروتئین پیش ساز آمیلوئید است که به طور معمول توسط چندین آنزیم پروتئولیتیک مرتبط با غشاهای درون سلولی پردازش می‌شود.

For unknown reasons, in Alzheimer disease, abnormal amounts of the amyloid precursor are processed by B-secretase. Some patients with early-onset familial Alzheimer disease either have mutations in the amyloid precursor gene or in the genes coding for the membrane proteins presenilin 1 and 2, which are closely associated with secretase activity.

به دلایل ناشناخته، در بیماری آلزایمر، مقادیر غیر طبیعی پیش ساز آمیلوئید توسط B-secretase پردازش می‌شود. برخی از بیماران مبتلا به بیماری آلزایمر خانوادگی زودرس یا دارای جهش در ژن پیش ساز آمیلوئید یا در ژن‌های کد کننده پروتئین‌های غشایی پرسنیلین ۱ و ۲ هستند که ارتباط نزدیکی با فعالیت آنزیم آنزیم دارند.

In Parkinson disease, abnormal aggregates of α-synuclein accumulate in cell bodies of neurons. Like tau, a-synuclein is a normal soluble constituent of the cell. But in Parkinson disease, it becomes insoluble, forming spherical inclusions called Lewy bodies (Figure 7-7C and Chapter 63).

در بیماری پارکینسون، توده‌های غیرطبیعی آلفا سینوکلئین در بدنه‌های سلولی نورون‌ها تجمع می‌یابند. مانند تاو، a-synuclein یک ترکیب طبیعی محلول در سلول است. اما در بیماری پارکینسون، نامحلول می‌شود و انکلوزیون‌های کروی شکلی به نام اجسام لویی تشکیل می‌دهد (شکل ۷-7C و فصل ۶۳).

These abnormal inclusions also contain ubiquitin. Because ubiquitin is required for proteasomal degradation of proteins, its presence suggests that affected neurons have attempted to target α-synuclein or other molecular constituents for proteolysis. Apparently, degradation does not occur, possibly because of misfolding or the abnormal aggregation of the proteins or because of faulty proteolytic processing in the cell.

این ترکیبات غیر طبیعی حاوی یوبیکوئیتین نیز هستند. از آنجایی که یوبیکوئیتین برای تخریب پروتئازومی‌پروتئین‌ها مورد نیاز است، وجود آن نشان می‌دهد که نورون‌های آسیب دیده سعی کرده اند α-سینوکلئین یا سایر اجزای مولکولی را برای پروتئولیز هدف قرار دهند. ظاهراً تخریب رخ نمی‌دهد، احتمالاً به دلیل تا شدن نادرست یا تجمع غیرعادی پروتئین‌ها یا به دلیل پردازش پروتئولیتیک معیوب در سلول.

Do these abnormal protein accumulations affect the physiology of the neurons and glia? On the one hand, the accumulations may form in response to altered posttranslational processing of the proteins and serve to isolate the abnormal proteins, permitting normal cell activities. On the other hand, the accumulations may disrupt cellular activities such as membrane trafficking, axonal and dendritic transport, and the maintenance of synaptic connections between specific classes of neurons. In addition, the altered proteins themselves, aside from the aggregations, may have deleterious effects. With ẞ-amyloid, there is evidence that the peptide itself is toxic.

آیا این تجمع غیرطبیعی پروتئین بر فیزیولوژی نورون‌ها و گلیا تأثیر می‌گذارد؟ از یک طرف، تجمع ممکن است در پاسخ به تغییر پردازش پس از ترجمه پروتئین‌ها شکل بگیرد و به جداسازی پروتئین‌های غیرطبیعی کمک کند و به فعالیت‌های طبیعی سلول اجازه دهد. از سوی دیگر، تجمع ممکن است فعالیت‌های سلولی مانند قاچاق غشاء، حمل و نقل آکسونی و دندریتیک، و حفظ اتصالات سیناپسی بین کلاس‌های خاصی از نورون‌ها را مختل کند. علاوه بر این، خود پروتئین‌های تغییر یافته، جدای از تجمعات، ممکن است اثرات مضری داشته باشند. با ẞ-آمیلوئید، شواهدی وجود دارد که خود پپتید سمی‌است.

In addition to serving as the cytoskeleton, microtubules and actin filaments act as tracks along which organelles and proteins are rapidly driven by molecular motors. The motors used by the actin filaments, the myosins, also mediate other types of cell motility, including extension of the cell’s processes and translocation of membranous organelles from the bulk cytoplasm to the region adjacent to the plasma membrane. (Actomyosin is responsible for muscle contraction.) Because the microtubules and actin filaments are polar, each motor drives its organelle cargo in only one direction.

علاوه بر این که به عنوان اسکلت سلولی عمل می‌کنند، میکروتوبول‌ها و رشته‌های اکتین به عنوان مسیرهایی عمل می‌کنند که در امتداد آن اندامک‌ها و پروتئین‌ها به سرعت توسط موتورهای مولکولی هدایت می‌شوند. موتورهای استفاده شده توسط رشته‌های اکتین، میوزین‌ها، همچنین انواع دیگر تحرک سلولی، از جمله گسترش فرآیندهای سلولی و انتقال اندامک‌های غشایی از سیتوپلاسم توده ای به ناحیه مجاور غشای پلاسمایی را واسطه می‌کنند. (آکتومیوزین مسئول انقباض عضلانی است.) از آنجایی که میکروتوبول‌ها و رشته‌های اکتین قطبی هستند، هر موتور محموله اندامک خود را تنها در یک جهت هدایت می‌کند.

As already mentioned, microtubules are arranged in parallel in the axon with plus ends pointing away from the cell body and minus ends facing the cell body. This regular orientation allows some organelles to move toward and others to move away from nerve endings, the direction being determined by the specific type of molecular motor, thus maintaining the distinctive distribution of axonal organelles (Figure 7-8). In dendrites, however, microtubules with opposite polarities are mixed together, explaining why the organelles of the cell body and dendrites are similar.

همانطور که قبلا ذکر شد، میکروتوبول‌ها به صورت موازی در آکسون قرار گرفته‌اند که انتهای آن به سمت بدنه سلولی و انتهای منهای رو به بدنه سلولی است. این جهت گیری منظم به برخی از اندامک‌ها اجازه می‌دهد تا به سمت و برخی دیگر از انتهای عصبی دور شوند، جهت توسط نوع خاصی از موتور مولکولی تعیین می‌شود، بنابراین توزیع متمایز اندامک‌های آکسونی حفظ می‌شود (شکل ۷-۸). با این حال، در دندریت‌ها، میکروتوبول‌هایی با قطبیت مخالف با هم مخلوط می‌شوند و توضیح می‌دهند که چرا اندامک‌های جسم سلولی و دندریت‌ها شبیه هم هستند.

Box 7-1 Abnormal Accumulations of Proteins Are Hallmarks of Many Neurological Disorders (continued)

کادر ۷-۱ تجمع غیرطبیعی پروتئین‌ها نشانه بسیاری از اختلالات عصبی هستند (ادامه)

Figure 7-7 Abnormal aggregates of proteins inside neurons in Alzheimer and Parkinson diseases.
A. Left: Intracellular neurofibrillary tangles of Alzheimer disease, labeled here with a dark silver stain. (Reproduced, with permission, from J.P. Vonsattel.) Right: An electron micrograph of a tangle shows bundles of abnormal filaments, filling a dendrite. The filaments are composed of altered tau protein. (Used, with permission, from Dr. L. Carrasco, formerly of Runwell Hospital, Wickford, UK.)

شکل ۷-۷ تجمع غیرطبیعی پروتئین‌ها در سلول‌های عصبی در بیماری‌های آلزایمر و پارکینسون.
الف. سمت چپ: گره‌های نوروفیبریلاری درون سلولی بیماری آلزایمر، که در اینجا با یک لکه نقره ای تیره برچسب گذاری شده است. (تکثیر شده، با اجازه، از J.P. Vonsattel.) سمت راست: یک میکروگراف الکترونی از یک درهم، دسته‌هایی از رشته‌های غیرعادی را نشان می‌دهد که یک دندریت را پر می‌کنند. رشته‌ها از پروتئین تاو تغییر یافته تشکیل شده اند. (استفاده شده، با اجازه، از دکتر ال. کاراسکو، سابقاً از بیمارستان رانول، ویکفورد، انگلستان.)

B. In Alzheimer disease, amyloid plaque is created by extracellular deposits of polymerized ẞ-amyloid peptides. The plaque shown here has a dense core of amyloid as well as a surrounding halo of deposits. Some neuronal processes in the plaque exhibit tangle pathology. (Reproduced, with permission, from J.P. Vonsattel.)

ب) در بیماری آلزایمر، پلاک آمیلوئید توسط رسوبات خارج سلولی پپتیدهای ẞ-آمیلوئید پلیمریزه شده ایجاد می‌شود. پلاک نشان داده شده در اینجا دارای یک هسته متراکم آمیلوئید و همچنین‌هاله ای از رسوبات اطراف است. برخی از فرآیندهای عصبی در پلاک آسیب شناسی گره خوردگی را نشان می‌دهند. (تکثیر شده، با اجازه، از J.P. Vonsattel.)

C. A Lewy body in the substantia nigra of a patient with Parkinson disease contains accumulations of abnormal filaments made up of a-synuclein, among other proteins. (Reproduced, with permission, from J.P. Vonsattel.)

ج. بدن لویی در جسم سیاه یک بیمار مبتلا به بیماری پارکینسون حاوی انباشتگی رشته‌های غیرطبیعی است که از a-synuclein و سایر پروتئین‌ها ساخته شده‌اند. (تکثیر شده، با اجازه، از J.P. Vonsattel.)

Protein Particles and Organelles Are Actively Transported Along the Axon and Dendrites

ذرات و اندامک‌های پروتئینی به طور فعال در امتداد آکسون و دندریت‌ها حمل می‌شوند

In neurons, most proteins are made in the cell body from mRNAs. Important examples are neurotransmitter biosynthetic enzymes, synaptic vesicle membrane components, and neurosecretory peptides. Because axons and terminals often lie at great distances from the cell body, sustaining the function of these remote regions presents a challenge. Passive diffusion would be far too slow to deliver vesicles, particles, or even single macromolecules over this great distance.

در نورون‌ها، بیشتر پروتئین‌ها در جسم سلولی از mRNA‌ها ساخته می‌شوند. نمونه‌های مهم آنزیم‌های بیوسنتزی انتقال دهنده‌های عصبی، اجزای غشای وزیکول سیناپسی و پپتیدهای ترشح کننده عصبی هستند. از آنجایی که آکسون‌ها و پایانه‌ها اغلب در فواصل زیادی از جسم سلول قرار دارند، حفظ عملکرد این مناطق دورافتاده یک چالش است. انتشار غیرفعال برای رساندن وزیکول‌ها، ذرات یا حتی ماکرومولکول‌های منفرد در این فاصله زیاد بسیار کند است.

The axon terminal, the site of secretion of neuro- transmitters, is particularly distant from the cell body. In a motor neuron that innervates a muscle of the leg in humans, the distance of the nerve terminal from the cell body can exceed 10,000 times the cell body diameter. Thus, membrane and secretory products formed in the cell body must be actively transported to the end of the axon (Figure 7-9).

پایانه آکسون، محل ترشح انتقال دهنده‌های عصبی، به خصوص از جسم سلولی دور است. در یک نورون حرکتی که عضله پا را در انسان عصب دهی می‌کند، فاصله پایانه عصبی از جسم سلولی می‌تواند بیش از ۱۰۰۰۰ برابر قطر جسم سلول باشد. بنابراین، غشاء و محصولات ترشحی تشکیل شده در جسم سلولی باید به طور فعال به انتهای آکسون منتقل شوند (شکل ۷-۹).

In 1948, Paul Weiss first demonstrated axonal trans- port when he tied off a sciatic nerve and observed that axoplasm in the nerve accumulated with time on the proximal side of the ligature. He concluded that axoplasm moves at a slow, constant rate from the cell body toward terminals in a process he called axoplasmic flow. Today we know that the flow Weiss observed consists of two discrete mechanisms, one fast and the other slow.

در سال ۱۹۴۸، پل وایس برای اولین بار انتقال آکسونی را نشان داد که عصب سیاتیک را بسته و مشاهده کرد که آکسوپلاسم در عصب با گذشت زمان در سمت پروگزیمال لیگاتور تجمع می‌یابد. او نتیجه گرفت که آکسوپلاسم با سرعت آهسته و ثابتی از جسم سلولی به سمت پایانه‌ها در فرآیندی که او آن را جریان آکسوپلاسمی‌می‌نامد حرکت می‌کند. امروزه می‌دانیم که جریان مشاهده شده توسط وایس از دو مکانیسم مجزا تشکیل شده است، یکی سریع و دیگری کند.

Figure 7-8 The cytoskeletal structure of an axon. The micrograph shows the dense packing of microtubules and neurofilaments linked by cross bridges (arrows). Organelles are transported in both the anterograde and retrograde directions in the microtubule-rich domains. Visualization in the micrograph was achieved by quick freezing and deep etching. M, myelin sheath; MT, microtubules. x105,000. (Adapted, with permission, from Schnapp and Reese 1982. Copyright © ۱۹۸۲ Rockefeller University Press.)

شکل ۷-۸ ساختار اسکلت سلولی یک آکسون. میکروگراف بسته بندی متراکم میکروتوبول‌ها و نوروفیلامنت‌ها را نشان می‌دهد که توسط پل‌های متقاطع (فلش) به هم متصل شده اند. اندامک‌ها در هر دو جهت قدامی‌و رتروگراد در حوزه‌های غنی از میکروتوبول حمل می‌شوند. تجسم در میکروگراف با انجماد سریع و حکاکی عمیق به دست آمد. M، غلاف میلین؛ MT، میکروتوبول‌ها. x105000. (اقتباس شده، با اجازه، از Schnapp و Reese 1982. حق چاپ © ۱۹۸۲ انتشارات دانشگاه راکفلر.)

Membranous organelles move toward axon terminals (anterograde direction) and back toward the cell body (retrograde direction) by fast axonal transport, a form of transport that is up to 400 mm per day in warm-blooded animals. In contrast, cytosolic and cytoskeletal proteins move only in the anterograde direction by a much slower form of transport, slow axonal transport. These transport mechanisms in neurons are adaptations of processes that facilitate intracellular movement of organelles in all secretory cells. Because all these mechanisms operate along axons, they have been used by neuroanatomists to trace the course of individual axons as well as interconnections between neurons (Box 7-2).

اندامک‌های غشایی با انتقال سریع آکسونی به سمت پایانه‌های آکسون (جهت انتروگراد) و به سمت جسم سلولی (جهت رتروگراد) حرکت می‌کنند، نوعی انتقال که در حیوانات خونگرم تا ۴۰۰ میلی‌متر در روز است. در مقابل، پروتئین‌های سیتوزولی و اسکلت سلولی تنها در جهت قدامی‌حرکت می‌کنند که انتقال آکسونی کندتر است. این مکانیسم‌های انتقال در نورون‌ها سازگاری فرآیندهایی هستند که حرکت درون سلولی اندامک‌ها را در تمام سلول‌های ترشحی تسهیل می‌کنند. از آنجایی که همه این مکانیسم‌ها در امتداد آکسون‌ها عمل می‌کنند، توسط متخصصان عصبی برای ردیابی مسیر آکسون‌های فردی و همچنین اتصالات متقابل بین نورون‌ها استفاده شده است (کادر ۷-۲).

Fast Axonal Transport Carries Membranous Organelles

انتقال سریع آکسونی اندامک‌های غشایی را حمل می‌کند

Large membranous organelles are carried to and from the axon terminals by fast transport (Figure 7-11). These organelles include synaptic vesicle precursors, large dense-core vesicles, mitochondria, elements of the smooth endoplasmic reticulum, and protein particles carrying RNAs. Direct microscopic analysis reveals that fast transport occurs in a stop-and-start (saltatory) fashion along linear tracks of microtubules aligned with the main axis of the axon. The saltatory nature of the movement results from the periodic dissociation of an organelle from the track or from collisions with other particles. 

اندامک‌های غشایی بزرگ با انتقال سریع به پایانه‌های آکسون و از آن‌ها منتقل می‌شوند (شکل ۷-۱۱). این اندامک‌ها شامل پیش سازهای وزیکول سیناپسی، وزیکول‌های بزرگ با هسته متراکم، میتوکندری‌ها، عناصر شبکه آندوپلاسمی‌صاف و ذرات پروتئینی حامل RNA هستند. تجزیه و تحلیل میکروسکوپی مستقیم نشان می‌دهد که انتقال سریع به صورت توقف و شروع (نمکی) در امتداد مسیرهای خطی میکروتوبول‌ها در راستای محور اصلی آکسون اتفاق می‌افتد. ماهیت شوری حرکت ناشی از تفکیک دوره ای یک اندامک از مسیر یا در اثر برخورد با ذرات دیگر است.

Figure 7-9 Membrane trafficking in the neuron. 1. Proteins and lipids of secretory organelles are synthesized in the endoplasmic reticulum and transported to the Golgi complex, where large dense-core vesicles (peptide-containing secretory granules) and synaptic vesicle precursors are assembled. 2. Large dense-core vesicles and transport vesicles carry synaptic vesicle proteins down the axon via axonal transport. 3. At the nerve terminals, the synaptic vesicles are assembled and loaded with nonpeptide neurotransmitters. Synaptic vesicles and large dense-core vesicles release their contents by exocytosis. 4. Following exocytosis, large dense-core vesicle membranes are returned to the cell body for reuse or degradation. Synaptic vesicle membranes undergo many cycles of local exocytosis and endocytosis in the presynaptic terminal.

شکل ۷-۹ نقل و انتقال غشایی در نورون. ۱. پروتئین‌ها و لیپیدهای اندامک‌های ترشحی در شبکه آندوپلاسمی‌سنتز می‌شوند و به مجموعه گلژی منتقل می‌شوند، جایی که وزیکول‌های هسته متراکم بزرگ (گرانول‌های ترشحی حاوی پپتید) و پیش سازهای وزیکول سیناپسی جمع می‌شوند. ۲. وزیکول‌های بزرگ با هسته متراکم و وزیکول‌های انتقال، پروتئین‌های وزیکول سیناپسی را از طریق انتقال آکسون به پایین آکسون می‌برند. ۳. در پایانه‌های عصبی، وزیکول‌های سیناپسی جمع شده و با انتقال دهنده‌های عصبی غیر پپتیدی بارگذاری می‌شوند. وزیکول‌های سیناپسی و وزیکول‌های بزرگ با هسته متراکم محتویات خود را با اگزوسیتوز آزاد می‌کنند. ۴. به دنبال اگزوسیتوز، غشاهای وزیکولی با هسته متراکم بزرگ برای استفاده مجدد یا تخریب به جسم سلولی بازگردانده می‌شوند. غشاهای وزیکول سیناپسی چرخه‌های زیادی از اگزوسیتوز موضعی و اندوسیتوز در انتهای پیش سیناپسی را تجربه می‌کنند.

Early experiments on dorsal root ganglion cells showed that anterograde fast transport depends critically on ATP, is not affected by inhibitors of protein synthesis (once the injected labeled amino acid is incorporated), and does not depend on the cell body, because it occurs in axons severed from their cell bodies. In fact, active transport can occur in reconstituted cell-free axoplasm.

آزمایش‌های اولیه روی سلول‌های گانگلیونی ریشه پشتی نشان داد که انتقال سریع متخلخل به شدت به ATP بستگی دارد، تحت تأثیر مهارکننده‌های سنتز پروتئین قرار نمی‌گیرد (زمانی که آمینو اسید نشان‌دار تزریق شده وارد شود)، و به جسم سلولی بستگی ندارد، زیرا در آکسون‌ها رخ می‌دهد. از جسم سلولی آنها جدا شده است. در واقع، انتقال فعال می‌تواند در آکسوپلاسم بدون سلول بازسازی شده رخ دهد.

Microtubules provide an essentially stationary track on which specific organelles can be moved by molecular motors. The idea that microtubules are involved in fast transport emerged from the finding that certain alkaloids that disrupt microtubules and block mitosis, which depends on microtubules, also interfere with fast transport.

میکروتوبول‌ها یک مسیر اساساً ثابت را فراهم می‌کنند که اندامک‌های خاص را می‌توان توسط موتورهای مولکولی حرکت داد. این ایده که میکروتوبول‌ها در انتقال سریع نقش دارند، از این یافته‌ها پدید آمد که آلکالوئیدهای خاصی که میکروتوبول‌ها را مختل می‌کنند و میتوز را که به میکروتوبول‌ها بستگی دارد مسدود می‌کنند، همچنین در انتقال سریع تداخل دارند.

Molecular motors were first visualized in electron micrographs as cross bridges between microtubules and moving particles (Figure 7-8). More advanced fluorescence time-lapse microscopy techniques are able to visualize the dynamics of axon transport for specific cargos such as mitochondria and synaptic vesicles. The motor molecules for anterograde transport are plus- end-directed motors called kinesin and a variety of kinesin-related proteins. The kinesins represent a large family of adenosine triphosphatases (ATPase), each of which transports different cargos. Kinesin is a hetero- tetramer composed of two heavy chains and two light chains. Each heavy chain has three domains: (1) a globular head (the ATPase domain) that acts as the motor when attached to microtubules, (2) a coiled-coil helical stalk responsible for dimerization with the other heavy chain, and (3) a fan-like carboxyl-terminus that interacts with the light chains. This end of the complex attaches indirectly to the organelle that is moved through specific families of proteins referred to as cargo adapters.

موتورهای مولکولی ابتدا در میکروگراف‌های الکترونی به عنوان پل‌های متقاطع بین میکروتوبول‌ها و ذرات متحرک مشاهده شدند (شکل ۷-۸). تکنیک‌های پیشرفته‌تر میکروسکوپ تایم لپس فلورسانس قادر به تجسم دینامیک انتقال آکسون برای محموله‌های خاص مانند میتوکندری و وزیکول‌های سیناپسی هستند. مولکول‌های موتوری برای انتقال انتروگراد، موتورهای با انتها به نام کینزین و انواع پروتئین‌های مرتبط با کینزین هستند. کینزین‌ها نشان دهنده خانواده بزرگی از آدنوزین تری فسفاتازها (ATPase) هستند که هر کدام محموله‌های مختلفی را حمل می‌کنند. کینزین یک هتروتترامر است که از دو زنجیره سنگین و دو زنجیره سبک تشکیل شده است. هر زنجیره سنگین دارای سه حوزه است: (۱) یک سر کروی (دامنه ATPase) که هنگام اتصال به میکروتوبول‌ها به عنوان موتور عمل می‌کند، (۲) یک ساقه مارپیچ سیم پیچی که مسئول دیمر شدن با زنجیره سنگین دیگر است، و (۳) یک پایانه کربوکسیل فن مانند که با زنجیره‌های سبک در تعامل است. این انتهای مجموعه به طور غیرمستقیم به اندامک متصل می‌شود که از طریق خانواده‌های خاصی از پروتئین‌ها به نام آداپتورهای محموله حرکت می‌کند.

Fast retrograde transport primarily moves endosomes generated by endocytic activity at nerve endings, mitochondria, and elements of the endoplasmic reticulum. Many of these components are degraded through fusion with lysosomes. Fast retrograde transport also delivers signals that regulate gene expression in the neuron’s nucleus. For example, activated growth factor receptors at nerve endings are taken up into vesicles and carried back along the axon to the nucleus. Transport of transcription factors informs the gene transcription apparatus in the nucleus of conditions in the periphery. Retrograde transport of these molecules is especially important during nerve regeneration and axon regrowth (Chapter 47). Certain toxins (tetanus toxin) as well as pathogens (herpes simplex, rabies, and polio viruses) are also transported toward the cell body along the axon.

انتقال سریع رتروگراد در درجه اول آندوزوم‌های تولید شده توسط فعالیت اندوسیتی در انتهای عصب، میتوکندری و عناصر شبکه آندوپلاسمی‌را حرکت می‌دهد. بسیاری از این اجزا از طریق همجوشی با لیزوزوم‌ها تجزیه می‌شوند. انتقال سریع رتروگراد همچنین سیگنال‌هایی را ارائه می‌دهد که بیان ژن را در هسته نورون تنظیم می‌کند. به عنوان مثال، گیرنده‌های فاکتور رشد فعال در انتهای عصبی به داخل وزیکول‌ها منتقل می‌شوند و در امتداد آکسون به هسته منتقل می‌شوند. انتقال فاکتورهای رونویسی به دستگاه رونویسی ژن در هسته از شرایط محیطی اطلاع می‌دهد. انتقال رتروگراد این مولکول‌ها به ویژه در طول بازسازی عصب و رشد مجدد آکسون اهمیت دارد (فصل ۴۷). برخی از سموم (سم کزاز) و همچنین پاتوژن‌ها (هرپس سیمپلکس،‌هاری و ویروس‌های فلج اطفال) نیز در طول آکسون به سمت جسم سلولی منتقل می‌شوند.

The rate of retrograde fast transport is approximately one-half to two-thirds that of anterograde fast transport. As in anterograde transport, particles move along micro- tubules during retrograde flow. The motor molecules for retrograde axonal transport are minus-end-directed motors called dyneins, similar to those found in cilia and flagella of nonneuronal cells. They consist of a multimeric ATPase protein complex with two globular heads on two stalks connected to a basal structure. The globular heads attach to microtubules and act as motors, moving toward the minus end of the polymer. As with kinesin, the other end of the complex attaches to the transported organelle through specialized cargo adapters.

نرخ انتقال سریع رتروگراد تقریباً یک دوم تا دو سوم انتقال سریع قدامی‌است. مانند انتقال قدامی، ذرات در طول جریان رتروگراد در امتداد ریز لوله‌ها حرکت می‌کنند. مولکول‌های حرکتی برای انتقال آکسونی رتروگراد، موتورهایی با انتها منهای به نام داینین هستند، شبیه به مولکول‌های موجود در مژک‌ها و تاژک‌های سلول‌های غیر عصبی. آنها از یک مجتمع پروتئین ATPase چندمرکی با دو سر کروی بر روی دو ساقه متصل به یک ساختار پایه تشکیل شده‌اند. سرهای کروی به میکروتوبول‌ها متصل می‌شوند و به عنوان موتور عمل می‌کنند و به سمت انتهای منهای پلیمر حرکت می‌کنند. همانند کینزین، انتهای دیگر مجموعه از طریق آداپتورهای مخصوص بار به اندامک حمل شده متصل می‌شود.

Box 7-2 Neuroanatomical Tracing Makes Use of Axonal Transport
Neuroanatomists typically locate axons and terminals of specific nerve cell bodies by microinjection of dyes; expression of fluorescent proteins; or autoradiographically tracing specific proteins soon after administering radioactively labeled amino acids, certain labeled sugars (fucose or amino sugars, precursors of glycoprotein), or specific transmitter substances.

کادر ۷-۲ ردیابی نوروآناتومیکی از حمل و نقل آکسونی استفاده می‌کند

نوروناتومیست‌ها معمولاً آکسون‌ها و پایانه‌های جسم سلول‌های عصبی خاص را با تزریق ریز رنگ‌ها تعیین می‌کنند. بیان پروتئین‌های فلورسنت؛ یا بلافاصله پس از تجویز آمینو اسیدهای نشاندار شده با رادیواکتیو، قندهای نشاندار شده خاص (قندهای فوکوز یا آمینو، پیش سازهای گلیکوپروتئین)، یا مواد فرستنده خاص، پروتئین‌های خاص را به صورت اتورادیوگرافیک ردیابی کنید.

Similarly, particles, proteins, or dyes that are readily taken up at nerve terminals by endocytosis and transported back to cell bodies are used to identify the cell bodies. The enzyme horseradish peroxidase has been most widely used for this type of study because it readily undergoes retrograde transport and its reaction product is conveniently visualized histochemically.

به طور مشابه، ذرات، پروتئین‌ها یا رنگ‌هایی که به راحتی در پایانه‌های عصبی توسط اندوسیتوز جذب می‌شوند و به جسم سلولی منتقل می‌شوند برای شناسایی اجسام سلولی استفاده می‌شوند. آنزیم پراکسیداز ترب کوهی به طور گسترده برای این نوع مطالعه استفاده شده است زیرا به راحتی تحت انتقال رتروگراد قرار می‌گیرد و محصول واکنش آن به راحتی به صورت هیستوشیمیایی قابل مشاهده است.

Axonal transport is also used by neuroanatomists to label material exchanged between neurons, making it possible to identify neuronal networks (Figure 7-10).

انتقال آکسون نیز توسط متخصصین عصبی برای برچسب گذاری مواد مبادله شده بین نورون‌ها استفاده می‌شود و شناسایی شبکه‌های عصبی را ممکن می‌سازد (شکل ۷-۱۰).

Figure 7-10 Axonal transport of the herpes simplex virus (HSV) is used to trace cortical pathways in monkeys. Depending on the strain, the virus moves in the anterograde or retrograde direction by axonal transport. In either direction, it enters a neuron with which the infected cell makes synaptic contact. Here the projections of cells in the primary motor cortex to the cerebellum in monkeys were traced using an anterograde-moving strain (HSV-1 [H129]). Monkeys were injected in the region of the primary motor cortex that controls the arm. After 4 days, the brain was sectioned and immunostained for viral antigen. Micrographs show the virus was transported from the primary motor cortex to second-order neurons in pontine nuclei (A) and then to third-order neurons in the cerebellar cortex (B). (Reproduced, with permission, from P.L. Strick.)

شکل ۷-۱۰ انتقال آکسونی ویروس هرپس سیمپلکس (HSV) برای ردیابی مسیرهای قشر مغز در میمون‌ها استفاده می‌شود. بسته به سویه، ویروس با انتقال آکسونی در جهت قدامی‌یا رتروگراد حرکت می‌کند. در هر دو جهت، وارد نورونی می‌شود که سلول آلوده با آن تماس سیناپسی برقرار می‌کند. در اینجا پیش بینی سلول‌ها در قشر حرکتی اولیه به مخچه در میمون‌ها با استفاده از یک سویه متحرک انتروگراد (HSV-1 [H129]) ردیابی شد. میمون‌ها در ناحیه قشر حرکتی اولیه که بازو را کنترل می‌کند تزریق شدند. پس از ۴ روز، مغز برش داده شد و برای آنتی ژن ویروسی رنگ آمیزی شد. میکروگراف‌ها نشان می‌دهند که ویروس از قشر حرکتی اولیه به نورون‌های مرتبه دوم در هسته پونتین (A) و سپس به نورون‌های مرتبه سوم در قشر مخچه (B) منتقل شده است. (تکثیر شده، با اجازه، از P.L. Strick.)

Microtubules also mediate anterograde and retrograde transport of mRNAs and ribosomal RNA carried in particles formed with RNA-binding proteins. These proteins have been characterized in both vertebrate and invertebrate nervous systems and include the cytoplasmic polyadenylation element binding protein (CPEB), the fragile X protein, Hu proteins, NOVA, and Staufen. The activities of these proteins are critical. For example, CPEB keeps select mRNAs dormant during transport from the cell body to nerve endings; once there (upon stimulation), the binding protein can facilitate the local translation of the RNA by mediating polyadenylation and activation of the messenger. Both CPEB and Staufen were discovered in Drosophila, where they maintain maternal mRNAs dormant in unfertilized eggs and, upon fertilization, distribute and localize mRNA to various regions of the dividing embryo. Loss-of-function mutations in the fragile X (FMR1) gene lead to a severe form of mental retardation.

ریز لوله‌ها همچنین واسطه انتقال قدامی‌و رتروگراد mRNA‌ها و RNA ریبوزومی‌هستند که در ذرات تشکیل‌شده با پروتئین‌های متصل شونده به RNA حمل می‌شوند. این پروتئین‌ها در هر دو سیستم عصبی مهره داران و بی مهرگان مشخص شده اند و شامل پروتئین اتصال دهنده عنصر پلی آدنیلاسیون سیتوپلاسمی‌(CPEB)، پروتئین X شکننده، پروتئین‌های Hu، NOVA و Staufen هستند. فعالیت این پروتئین‌ها حیاتی است. به عنوان مثال، CPEB mRNA‌های انتخابی را در حین انتقال از جسم سلولی به انتهای عصبی غیرفعال نگه می‌دارد. هنگامی‌که وجود دارد (پس از تحریک)، پروتئین اتصال می‌تواند ترجمه محلی RNA را با واسطه پلی آدنیلاسیون و فعال سازی پیام رسان تسهیل کند. هر دو CPEB و Staufen در مگس سرکه کشف شدند، جایی که mRNA‌های مادر را در تخم‌های بارور نشده حفظ می‌کنند و پس از لقاح، mRNA را در مناطق مختلف جنین تقسیم می‌کنند. جهش‌های از دست دادن عملکرد در ژن X شکننده (FMR1) منجر به شکل شدید عقب ماندگی ذهنی می‌شود.

Figure 7-11 Early experiments on anterograde axonal transport used radioactive labeling of proteins. In the experiment illustrated here, the distribution of radioactive proteins along the sciatic nerve of the cat was measured at various times after injection of [3H]-leucine into dorsal root ganglia in the lumbar region of the spinal cord. To show trans- port curves for various times (2, 4, 6, 8, and 10 hours after the injection) in one figure, several ordinate scales (in logarithmic units) are used. Large amounts of labeled protein stay in the ganglion cell bodies but, with time, move out along axons in the sciatic nerve, so the advancing front of the labeled protein is progressively farther from the cell body (arrows). The velocity of transport can be calculated from the distance of the front at the various times. From experiments of this kind, Sidney Ochs found that the rate of fast axonal transport is constant at 410 mm per day at body temperature. (Adapted, with permission, from Ochs 1972. Copyright © ۱۹۷۲ AAAS.)

شکل ۷-۱۱ آزمایش‌های اولیه بر روی انتقال آکسونی انتروگراد از برچسب زدن رادیواکتیو پروتئین‌ها استفاده می‌کرد. در آزمایشی که در اینجا نشان داده شده است، توزیع پروتئین‌های رادیواکتیو در طول عصب سیاتیک گربه در زمان‌های مختلف پس از تزریق [3H]-لوسین به گانگلیون‌های ریشه پشتی در ناحیه کمری نخاع اندازه‌گیری شد. برای نشان دادن منحنی‌های انتقال برای زمان‌های مختلف (۲، ۴، ۶، ۸ و ۱۰ ساعت پس از تزریق) در یک شکل، از چندین مقیاس ارتین (بر حسب واحد لگاریتمی) استفاده می‌شود. مقادیر زیادی از پروتئین نشان‌دار شده در جسم سلول‌های گانگلیونی باقی می‌ماند، اما با گذشت زمان، در امتداد آکسون‌های عصب سیاتیک حرکت می‌کند، بنابراین قسمت جلویی پروتئین نشان‌دار به تدریج از جسم سلولی دورتر می‌شود (فلش). سرعت انتقال را می‌توان از فاصله جلو در زمان‌های مختلف محاسبه کرد. از آزمایش‌هایی از این دست، سیدنی اوکس دریافت که سرعت انتقال سریع آکسونی در دمای بدن ۴۱۰ میلی‌متر در روز ثابت است. (اقتباس شده، با اجازه، از Ochs 1972. حق چاپ © ۱۹۷۲ AAAS.)

Proteins, ribosomes, and mRNA are concentrated at the base of some dendritic spines (Figure 7-12). Only a select group of mRNAs are transported into the dendrites from the soma. These include mRNAs that encode actin- and cytoskeletal-associated proteins, MAP2, and the o-subunit of the Ca2+/calmodulin- dependent protein kinase. They are translated in the dendrites in response to activity in a presynaptic neuron. This local protein synthesis is thought to be important in sustaining the molecular changes at the synapse that underlie long-term memory and learning.

پروتئین‌ها، ریبوزوم‌ها و mRNA در پایه برخی از خارهای دندریتیک متمرکز شده اند (شکل ۷-۱۲). فقط گروه منتخبی از mRNA‌ها از سوما به دندریت‌ها منتقل می‌شوند. اینها شامل mRNA‌هایی هستند که پروتئین‌های مرتبط با اکتین و اسکلت سلولی، MAP2، و زیرواحد o پروتئین کیناز وابسته به Ca2+/calmodulin را کد می‌کنند. آنها در پاسخ به فعالیت در یک نورون پیش سیناپسی در دندریت‌ها ترجمه می‌شوند. تصور می‌شود که این سنتز پروتئین محلی در حفظ تغییرات مولکولی در سیناپس که زمینه ساز حافظه و یادگیری طولانی مدت است، مهم است.

Likewise, the mRNA for myelin basic protein is transported to the distant ends of the oligodendrocytes, where it is translated as the myelin sheath grows, as discussed later in this chapter.

به همین ترتیب، mRNA برای پروتئین پایه میلین به انتهای دور الیگودندروسیت‌ها منتقل می‌شود، جایی که با رشد غلاف میلین ترجمه می‌شود، همانطور که بعداً در این فصل بحث شد.

Slow Axonal Transport Carries Cytosolic Proteins and Elements of the Cytoskeleton

انتقال آکسونی آهسته پروتئین‌های سیتوزولی و عناصر اسکلت سلولی را حمل می‌کند

Cytosolic proteins and cytoskeletal proteins are moved from the cell body by slow axonal transport. Slow transport occurs only in the anterograde direction and consists of at least two kinetic components that carry different proteins at different rates.

پروتئین‌های سیتوزولی و پروتئین‌های اسکلت سلولی با انتقال آکسونی آهسته از جسم سلولی منتقل می‌شوند. انتقال آهسته فقط در جهت انتروگراد اتفاق می‌افتد و حداقل از دو جزء جنبشی تشکیل شده است که پروتئین‌های مختلف را با سرعت‌های مختلف حمل می‌کنند.

The slower component travels at 0.2 to 2.5 mm per day and carries the proteins that make up the fibrillar elements of the cytoskeleton: the subunits of neurofilaments and o- and ẞ-tubulin subunits of microtubules. These fibrous proteins constitute approximately 75% of the total protein moved in the slower component. Microtubules are transported in polymerized form by a mechanism involving microtubule sliding in which relatively short preassembled micro- tubules move along existing microtubules. Neurofilament monomers or short polymers move passively together with the microtubules because they are crosslinked by protein bridges.

جزء کندتر با سرعت ۰.۲ تا ۲.۵ میلی متر در روز حرکت می‌کند و پروتئین‌هایی را که عناصر فیبریلار اسکلت سلولی را تشکیل می‌دهند حمل می‌کند: زیر واحدهای نوروفیلامنت‌ها و زیر واحدهای o- و ẞ-tubulin میکروتوبول‌ها. این پروتئین‌های فیبری تقریباً ۷۵ درصد از کل پروتئین جابجا شده در جزء کندتر را تشکیل می‌دهند. میکروتوبول‌ها به شکل پلیمریزه شده توسط مکانیزمی‌که شامل لغزش میکروتوبول است که در آن میکروتوبول‌های از پیش مونتاژ شده نسبتاً کوتاه در امتداد میکروتوبول‌های موجود حرکت می‌کنند، منتقل می‌شوند. مونومرهای نوروفیلامنت یا پلیمرهای کوتاه به صورت غیرفعال همراه با میکروتوبول‌ها حرکت می‌کنند زیرا توسط پل‌های پروتئینی به هم متصل می‌شوند.

The other component of slow axonal transport is approximately twice as fast as the slower component. It carries clathrin, actin, and actin-binding proteins as well as a variety of enzymes and other proteins.

مؤلفه دیگر انتقال آکسون آهسته تقریباً دو برابر سریعتر از مؤلفه کندتر است. این ماده حاوی کلاترین، اکتین و پروتئین‌های اتصال دهنده اکتین و همچنین انواع آنزیم‌ها و پروتئین‌های دیگر است.

Figure 7-12 Ribosomes in the dendritic arbor. (Images reproduced, with permission, from Oswald Steward.) A. Some ribosomes are dispatched from the cell body to dendrites where they are used in local protein synthesis. This autoradiograph shows the distribution of ribosomal RNA (rRNA) in hippocampal neurons in low-density cultures using in situ hybridization. The image was made with dark field illumination, in which silver grains reflect light and thus appear as bright spots. Silver grains, denoting the rRNA, are heavily concentrated over cell bodies and dendrites but are not detectable over the axons that crisscross among the dendrites.

شکل ۷-۱۲ ریبوزوم‌ها در درخت دندریتیک. (تصاویر با اجازه اسوالد استوارد بازتولید شده اند.) الف. برخی از ریبوزوم‌ها از جسم سلولی به دندریت‌ها فرستاده می‌شوند و در سنتز پروتئین محلی استفاده می‌شوند. این اتورادیوگرافی توزیع RNA ریبوزومی‌(rRNA) را در نورون‌های هیپوکامپ در فرهنگ‌های با چگالی کم با استفاده از هیبریداسیون درجا نشان می‌دهد. این تصویر با نور میدان تاریک ساخته شده است، که در آن دانه‌های نقره نور را منعکس می‌کنند و بنابراین به صورت نقاط روشن ظاهر می‌شوند. دانه‌های نقره که rRNA را نشان می‌دهند، به شدت بر روی اجسام سلولی و دندریت‌ها متمرکز شده‌اند، اما روی آکسون‌هایی که متقاطع در بین دندریت‌ها هستند قابل تشخیص نیستند.

B. Ribosomes in dendrites are selectively concentrated at the junction of the spine and main dendritic shaft (arrow), where the spine contacts the axon terminal of a presynaptic neuron. This electron micrograph shows a mushroom-shaped spine of a neuron in the hippocampal dentate gyrus. Note the absence of ribosomes in the dendritic shaft. S, spine head; T, presynaptic terminal; Den, main shaft of the dendrite containing a long mitochondrion. x60,000.

ب. ریبوزوم‌های موجود در دندریت‌ها به طور انتخابی در محل اتصال اسکلت و محور اصلی دندریتیک (پیکان) متمرکز می‌شوند، جایی که اسکلت با پایانه آکسون یک نورون پیش سیناپسی تماس می‌گیرد. این میکروگراف الکترونی یک اسکلت قارچی شکل از یک نورون را در شکنج دندانه دار هیپوکامپ نشان می‌دهد. به عدم وجود ریبوزوم در شفت دندریتیک توجه کنید. S، سر اسکلت؛ T، پایانه پیش سیناپسی؛ لانه، شفت اصلی دندریت حاوی یک میتوکندری بلند. x60000.

Proteins Are Made in Neurons as in Other Secretory Cells

پروتئین‌ها مانند سایر سلول‌های ترشحی در نورون‌ها ساخته می‌شوند

Secretory and Membrane Proteins Are Synthesized and Modified in the Endoplasmic Reticulum

پروتئین‌های ترشحی و غشایی در شبکه آندوپلاسمی‌سنتز و اصلاح می‌شوند.

The mRNAs for secretory and membrane proteins are translated through the membrane of the rough endoplasmic reticulum, and their polypeptide products are processed extensively within the lumen of the endoplasmic reticulum. Most polypeptides destined to become proteins are translocated across the membrane of the rough endoplasmic reticulum during synthesis, a process called cotranslational transfer.

mRNA‌های پروتئین‌های ترشحی و غشایی از طریق غشای شبکه آندوپلاسمی‌خشن ترجمه می‌شوند و محصولات پلی پپتیدی آنها به طور گسترده در لومن شبکه آندوپلاسمی‌پردازش می‌شوند. اکثر پلی پپتیدهایی که قرار است به پروتئین تبدیل شوند، در طول سنتز، در سراسر غشای شبکه آندوپلاسمی‌خشن جابه‌جا می‌شوند، فرآیندی که انتقال هم‌ترجمهی نامیده می‌شود.

Transfer is possible because ribosomes, the site where proteins are synthesized, attach to the cytosolic surface of the reticulum (Figure 7-13). Complete transfer of the polypeptide chain into the lumen of the reticulum produces a secretory protein (recall that the inside of the reticulum is related to the outside of the cell). Important examples are the neuroactive peptides. If the transfer is incomplete, an integral membrane protein results. Because a polypeptide chain can thread its way through the membrane many times during synthesis, several membrane-spanning configurations are possible depending on the primary amino acid sequence of the protein. Important examples are neurotransmitter receptors and ion channels (Chapter 8).

انتقال امکان پذیر است زیرا ریبوزوم‌ها، محلی که پروتئین‌ها در آن سنتز می‌شوند، به سطح سیتوزولی شبکه متصل می‌شوند (شکل ۷-۱۳). انتقال کامل زنجیره پلی پپتیدی به لومن شبکه یک پروتئین ترشحی تولید می‌کند (به یاد بیاورید که داخل شبکه به بیرون سلول مربوط می‌شود). نمونه‌های مهم پپتیدهای عصبی فعال هستند. اگر انتقال ناقص باشد، یک پروتئین غشایی یکپارچه ایجاد می‌شود. از آنجایی که یک زنجیره پلی پپتیدی می‌تواند چندین بار در طول سنتز از غشاء عبور کند، بسته به توالی اسید آمینه اولیه پروتئین، چندین پیکربندی پوششی غشایی امکان پذیر است. نمونه‌های مهم گیرنده‌های انتقال دهنده عصبی و کانال‌های یونی هستند (فصل ۸).

Some proteins transported into the endoplasmic reticulum remain there. Others are moved to other compartments of the vacuolar apparatus or to the plasmalemma, or are secreted into the extracellular space. Proteins that are processed in the endoplasmic reticulum are extensively modified. One important modification is the formation of intramolecular disulfide linkages (Cys-S-S-Cys) caused by oxidation of pairs of free sulfhydryl side chains, a process that cannot occur in the reducing environment of the cytosol. Disulfide linkages are crucial to the tertiary structure of these proteins.

برخی از پروتئین‌های منتقل شده به شبکه آندوپلاسمی‌در آنجا باقی می‌مانند. برخی دیگر به بخش‌های دیگر دستگاه واکوئلی یا پلاسمالما منتقل می‌شوند یا به فضای خارج سلولی ترشح می‌شوند. پروتئین‌هایی که در شبکه آندوپلاسمی‌پردازش می‌شوند به طور گسترده ای اصلاح می‌شوند. یکی از اصلاحات مهم، تشکیل پیوندهای دی سولفیدی درون مولکولی (Cys-S-S-Cys) ناشی از اکسیداسیون جفت زنجیره جانبی سولفیدریل آزاد است، فرآیندی که نمی‌تواند در محیط احیا کننده سیتوزول رخ دهد. پیوندهای دی سولفیدی برای ساختار سوم این پروتئین‌ها بسیار مهم هستند.

Figure 7-13 Protein synthesis in the endoplasmic reticulum. Free and membrane-bound polysomes translate mRNA that encodes proteins with a variety of destinations. Messenger RNA, transcribed from genomic DNA in the neuron’s nucleus, emerges into the cytoplasm through nuclear pores to form polyribosomes (see enlargement). The polypeptides that become secretory and membrane proteins are translocated across the membrane of the rough endoplasmic reticulum.

شکل ۷-۱۳ سنتز پروتئین در شبکه آندوپلاسمی. پلی‌زوم‌های آزاد و متصل به غشاء mRNA را ترجمه می‌کنند که پروتئین‌هایی را با مقصدهای مختلف کد می‌کند. RNA پیام رسان، رونویسی شده از DNA ژنومی‌در هسته نورون، از طریق منافذ هسته ای به سیتوپلاسم ظاهر می‌شود و پلی ریبوزوم‌ها را تشکیل می‌دهد (بزرگ شدن را ببینید). پلی پپتیدهایی که تبدیل به پروتئین‌های ترشحی و غشایی می‌شوند در سراسر غشای شبکه آندوپلاسمی‌خشن منتقل می‌شوند.

Proteins may be modified by cytosolic enzymes either during synthesis (cotranslational modification) or afterward (posttranslational modification). One example is N-acylation, the transfer of an acyl group to the N-terminus of the growing polypeptide chain. Acylation by a 14-carbon fatty acid myristoyl group permits the protein to anchor in membranes through the lipid chain.

پروتئین‌ها ممکن است توسط آنزیم‌های سیتوزولی یا در طول سنتز (اصلاح همزمان ترجمه) یا پس از آن (اصلاح پس از ترجمه) اصلاح شوند. یک مثال N-acylation، انتقال یک گروه آسیل به انتهای N زنجیره پلی پپتیدی در حال رشد است. آسیلاسیون توسط یک گروه میریستوئیل اسید چرب ۱۴ کربنی به پروتئین اجازه می‌دهد تا از طریق زنجیره لیپیدی در غشاها لنگر بیاندازد.

Other fatty acids can be conjugated to the sulfhydryl group of cysteine, producing a thioacylation:

اسیدهای چرب دیگر را می‌توان به گروه سولفیدریل سیستئین کونژوگه کرد و تیواسیلاسیون ایجاد کرد:

Isoprenylation is another posttranslational modification important for anchoring proteins to the cytosolic side of membranes. It occurs shortly after synthesis of the protein is completed and involves a series of enzymatic steps that result in thioacylation by one of two long-chain hydrophobic polyisoprenyl moieties (farnesyl, with 15 carbons, or geranyl-geranyl, with 20) of the sulfhydryl group of a cysteine at the C-terminus of proteins.

ایزوپرنیلاسیون یکی دیگر از اصلاحات پس از ترجمه مهم برای لنگر انداختن پروتئین‌ها به سمت سیتوزولی غشاها است. مدت کوتاهی پس از تکمیل سنتز پروتئین رخ می‌دهد و شامل یک سری مراحل آنزیمی‌است که منجر به تیواسیلاسیون توسط یکی از دو نیمه پلی ایزوپرنیل آبگریز زنجیره بلند (فارنسیل، با ۱۵ کربن، یا ژرانیل-ژرانیل، با ۲۰) از گروه سولفیدریل می‌شود. یک سیستئین در انتهای C پروتئین‌ها.

Some posttranslational modifications are readily reversible and thus used to regulate the function of a protein transiently. The most common of these modifications is the phosphorylation at the hydroxyl group in serine, threonine, or tyrosine residues by protein kinases. Dephosphorylation is catalyzed by protein phosphatases. (These reactions are discussed in Chapter 14.) As with all posttranslational modifications, the sites to be phosphorylated are determined by particular sequences of amino acids around the residue to be modified. Phosphorylation can alter physiological processes in a reversible fashion. For example, protein phosphorylation-dephosphorylation reactions regulate the kinetics of ion channels, the activity of transcription factors, and the assembly of the cytoskeleton.

برخی از اصلاحات پس از ترجمه به آسانی قابل برگشت هستند و بنابراین برای تنظیم عملکرد یک پروتئین به طور موقت مورد استفاده قرار می‌گیرند. رایج ترین این تغییرات، فسفوریلاسیون در گروه هیدروکسیل در باقی مانده‌های سرین، ترئونین یا تیروزین توسط پروتئین کینازها است. دفسفوریلاسیون توسط پروتئین فسفاتازها کاتالیز می‌شود. (این واکنش‌ها در فصل ۱۴ مورد بحث قرار می‌گیرند.) مانند تمام اصلاحات پس از ترجمه، مکان‌هایی که باید فسفریله شوند توسط توالی‌های خاصی از اسیدهای آمینه در اطراف باقیمانده‌ای که باید اصلاح شوند تعیین می‌شوند. فسفوریلاسیون می‌تواند فرآیندهای فیزیولوژیکی را به صورت برگشت پذیر تغییر دهد. به عنوان مثال، واکنش‌های فسفوریلاسیون-دفسفوریلاسیون پروتئین، سینتیک کانال‌های یونی، فعالیت فاکتورهای رونویسی و مونتاژ اسکلت سلولی را تنظیم می‌کنند.

Still another important posttranslational modification is the addition of ubiquitin, a highly conserved protein with 76 amino acids, to the e-amino group of specific lysine residues in the protein molecule. Ubiquitination, which regulates protein degradation, is mediated by three enzymes. El is an activating enzyme that uses the energy of ATP. The activated ubiquitin is next transferred to a conjugase, E2, which then transfers the activated moiety to a ligase, E3. The E3, alone or together with E2, transfers the ubiquitinyl group to the lysine residue in a protein. Specificity arises because a given protein molecule can only be ubiquinated by a specific E3 or combination of E3 and E2. Some E3s also require special cofactors-ubiquitination occurs only in the presence of E3 and a cofactor protein.

یکی دیگه از تغییرات مهم بعد از ترجمه، اضافه کردن یوبیکوئیتین هست که یه پروتئین بسیار محافظت‌شده با ۷۶ آمینو اسید هست، به گروه آمینی خاص از باقی‌مانده‌های لیزین در مولکول پروتئینی. یوبیکوئیتین‌سازی که تجزیه پروتئین رو تنظیم می‌کنه، توسط سه آنزیم انجام می‌شه. El یک آنزیم فعال‌سازی هست که از انرژی ATP استفاده می‌کنه. بعد از فعال شدن، یوبیکوئیتین به یک کونژوگاز، E2 منتقل می‌شه، که بعدش هم بخش فعال رو به یک لیگاز، E3 منتقل می‌کنه. E3، به‌تنهایی یا همراه با E2، گروه یوبیکوئیتین رو به باقی‌مانده لیزین در یک پروتئین منتقل می‌کنه. دقت و خاص بودن از این ناشی میشه که یک مولکول پروتئینی مشخص فقط می‌تونه توسط یه E3 خاص یا ترکیبی از E3 و E2 یوبیکوئیتین بشه. بعضی E3ها همچنین نیاز به کافاکتورهای خاص دارن – یوبیکوئیتین‌سازی فقط در حضور E3 و یک پروتئین کافاکتور اتفاق می‌افتد.

Monoubiquitination tags a protein for degradation in the endosomal-lysosomal system. This is especially important in endocytosis and recycling of surface receptors. Ubiquitinyl monomers are successively linked to the e-amino group of a lysine residue in the previously added ubiquitin moiety. Addition of more than five ubiquitins to the multiubiquitin chain tags the protein for degradation by the proteasome, a large complex containing multifunctional protease subunits that cleave proteins into short peptides.

مونوبی کوئیتیناسیون پروتئینی را برای تخریب در سیستم اندوزومی-لیزوزومی‌برچسب گذاری می‌کند. این امر به ویژه در اندوسیتوز و بازیافت گیرنده‌های سطحی مهم است. مونومرهای یوبی کوئیتینیل به طور متوالی به گروه e-آمینه باقیمانده لیزین در قسمت قبلی یوبی کوئیتین متصل می‌شوند. افزودن بیش از پنج یوبی‌کوئیتین به زنجیره مولتی یوبی‌کوئیتین، پروتئین را برای تجزیه توسط پروتئازوم، یک مجتمع بزرگ حاوی زیرواحدهای پروتئاز چند عملکردی که پروتئین‌ها را به پپتیدهای کوتاه می‌شکند، برچسب‌گذاری می‌کند.

The ATP-ubiquitin-proteasome pathway is a mechanism for the selective and regulated proteolysis of proteins that operates in the cytosol of all regions of the neuron dendrites, cell body, axon, and terminals. Until recently, this process was thought to be primarily directed to poorly folded, denatured, or aged and dam- aged proteins. We now know that ubiquitin-mediated proteolysis can be regulated by neuronal activity and plays specific roles in many neuronal processes, including synaptogenesis and long-term memory storage.

مسیر ATP-ubiquitin-پروتئازوم مکانیسمی‌برای پروتئولیز انتخابی و تنظیم شده پروتئین‌ها است که در سیتوزول تمام نواحی دندریت‌های نورون، بدنه سلولی، آکسون و پایانه‌ها عمل می‌کند. تا همین اواخر، تصور می‌شد که این فرآیند عمدتاً به سمت پروتئین‌های ضعیف چین خورده، دناتوره شده، یا پیر و آسیب دیده هدایت می‌شود. ما اکنون می‌دانیم که پروتئولیز با واسطه یوبیکوئیتین را می‌توان با فعالیت عصبی تنظیم کرد و نقش‌های خاصی را در بسیاری از فرآیندهای عصبی، از جمله سیناپتوژنز و ذخیره حافظه طولانی مدت ایفا می‌کند.

Another important protein modification is glycosylation, which occurs on amino groups of asparagine residues (N-linked glycosylation) and results in the addition en bloc of complex polysaccharide chains. These chains are then trimmed within the endoplasmic reticulum by a series of reactions controlled by chaperones, including heat shock proteins, calnexin, and calreticulin. Because of the great chemical specificities of oligosaccharide moieties, these modifications can have important implications for cell function. For example, cell-to-cell interactions that occur during development rely on molecular recognition between glycoproteins on the surfaces of the two interacting cells. Also, because a given protein can have somewhat different oligosaccharide chains, glycosylation can diversify the function of a protein. It can increase the hydrophilicity of the protein (useful for secretory proteins), fine-tune its ability to bind macromolecular partners, and delay its degradation.

یکی دیگر از اصلاحات مهم پروتئین، گلیکوزیلاسیون است که روی گروه‌های آمینه باقیمانده‌های آسپاراژین (گلیکوزیلاسیون N-linked) رخ می‌دهد و منجر به اضافه شدن بلوک زنجیره‌های پلی ساکارید پیچیده می‌شود. سپس این زنجیره‌ها در داخل شبکه آندوپلاسمی‌با یک سری واکنش‌هایی که توسط چپرون‌ها کنترل می‌شوند، از جمله پروتئین‌های شوک حرارتی، کالنکسین و کالرتیکولین بریده می‌شوند. به دلیل ویژگی‌های شیمیایی بزرگ بخش‌های الیگوساکارید، این تغییرات می‌توانند پیامدهای مهمی‌برای عملکرد سلول داشته باشند. به عنوان مثال، فعل و انفعالات سلول به سلول که در طول توسعه رخ می‌دهد، به شناسایی مولکولی بین گلیکوپروتئین‌ها در سطوح دو سلول متقابل متکی است. همچنین، از آنجا که یک پروتئین داده شده می‌تواند زنجیره‌های الیگوساکاریدی تا حدودی متفاوتی داشته باشد، گلیکوزیلاسیون می‌تواند عملکرد یک پروتئین را متنوع کند. می‌تواند آب دوستی پروتئین را افزایش دهد (مفید برای پروتئین‌های ترشحی)، توانایی آن را برای اتصال به شرکای ماکرومولکولی تنظیم کند و تجزیه آن را به تاخیر بیندازد.

An interesting posttranslational modification of mRNA is RNA interference (RNAi), the targeted destruction of double-stranded RNAs. This mechanism, which is believed to have arisen to protect cells against viruses and other rogue fragments of nucleic acids, shuts down the synthesis of any targeted protein. Double-stranded RNAs are taken up by an enzyme complex that cleaves the molecule into oligomers. The RNA sequences are retained by the complex. As a result, any homologous hybridizing RNA strands, either double- or single-stranded, will be destroyed. The process is regenerative: The complex retains a hybridizing fragment and goes on to destroy another RNA molecule until none remain in the cell. Although the physiological role of RNAi in normal cells is unclear, transfection or injection of RNAi into cells is of great research and clinical importance (Chapter 2).

یک اصلاح جالب پس از ترجمه mRNA، تداخل RNA (RNAi)، تخریب هدفمند RNA‌های دو رشته ای است. این مکانیسم، که اعتقاد بر این است که برای محافظت از سلول‌ها در برابر ویروس‌ها و سایر قطعات سرکش اسیدهای نوکلئیک ایجاد شده است، سنتز هر پروتئین هدف را متوقف می‌کند. RNA‌های دو رشته ای توسط یک کمپلکس آنزیمی‌جذب می‌شوند که مولکول را به الیگومرها می‌شکافد. توالی‌های RNA توسط کمپلکس حفظ می‌شوند. در نتیجه، هر رشته RNA هیبریدکننده همولوگ، دو رشته ای یا تک رشته ای، از بین می‌رود. این فرآیند احیاکننده است: کمپلکس یک قطعه هیبرید کننده را حفظ می‌کند و به تخریب مولکول RNA دیگری ادامه می‌دهد تا زمانی که هیچ یک در سلول باقی نماند. اگرچه نقش فیزیولوژیکی RNAi در سلول‌های طبیعی نامشخص است، انتقال یا تزریق RNAi به سلول‌ها از اهمیت تحقیقاتی و بالینی زیادی برخوردار است (فصل ۲).

Secretory Proteins Are Modified in the Golgi Complex

پروتئین‌های ترشحی در مجتمع گلژی اصلاح شده اند

Proteins from the endoplasmic reticulum are carried in transport vesicles to the Golgi complex where they are modified and then moved to synaptic terminals and other parts of the plasma membrane. The Golgi complex appears as a grouping of membranous sacks aligned with one another in long ribbons.

پروتئین‌ها از شبکه آندوپلاسمی‌در وزیکول‌های حمل و نقل به مجتمع گلژی منتقل می‌شوند و در آنجا اصلاح می‌شوند و سپس به پایانه‌های سیناپسی و سایر قسمت‌های غشای پلاسما منتقل می‌شوند. مجموعه گلژی به صورت گروهی از کیسه‌های غشایی به نظر می‌رسد که در نوارهای بلند با یکدیگر هماهنگ شده اند.

The mechanism by which vesicles are trans- ported between stations of the secretory and endocytic

مکانیسمی‌که توسط آن وزیکول‌ها بین ایستگاه‌های ترشحی و اندوسیتی منتقل می‌شوند

pathways has been remarkably conserved from simple unicellular prokaryotes (yeast) to neurons and glia of multicellular organisms. Transport vesicles develop from membrane, beginning with the assembly of proteins that form coats, or coat proteins, at selected patches of the cytosolic surface of the membrane. A coat has two functions. It forms rigid cage-like structures that produce evagination of the membrane into a bud shape, and it selects the protein cargo to be incorporated into the vesicles.

مسیرها به طور قابل ملاحظه ای از پروکاریوت‌های تک سلولی ساده (مخمر) تا نورون‌ها و گلیا موجودات چند سلولی حفظ شده است. وزیکول‌های انتقال از غشاء ایجاد می‌شوند و با تجمع پروتئین‌هایی شروع می‌شوند که پوشش‌ها یا پروتئین‌های پوششی را در قسمت‌های انتخابی سطح سیتوزولی غشا تشکیل می‌دهند. یک کت دو کارکرد دارد. ساختارهای قفس مانند سفت و سختی را تشکیل می‌دهد که باعث تبخیر غشاء به شکل جوانه می‌شود و محموله پروتئینی را انتخاب می‌کند که در وزیکول‌ها گنجانده شود.

There are several types of coats. Clathrin coats assist in evaginating Golgi complex membrane and plasmalemma during endocytosis. Two other coats, COPI and COPII, cover transport vesicles that shuttle between the endoplasmic reticulum and the Golgi complex. Coats usually are rapidly dissolved once free vesicles have formed. The fusion of vesicles with the target membrane is mediated by a cascade of molecular interactions, the most important of which is the reciprocal recognition of small proteins on the cytosolic surfaces of the two interacting membranes: vesicular soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptors (v-SNAREs) and t-SNAREs (target- membrane SNAREs). The role of SNARE proteins in neurotransmitter release through synaptic vesicle fusion with the plasma membrane is discussed in Chapter 15.

چند نوع مانتو وجود دارد. کت‌های کلاترین به تخلیه غشای کمپلکس گلژی و پلاسمالما در طول اندوسیتوز کمک می‌کنند. دو پوشش دیگر، COPI و COPII، وزیکول‌های انتقالی را می‌پوشانند که بین شبکه آندوپلاسمی‌و مجموعه گلژی جابه‌جا می‌شوند. پوشش‌ها معمولاً پس از تشکیل وزیکول‌های آزاد به سرعت حل می‌شوند. ادغام وزیکول‌ها با غشای هدف بوسیله آبشاری از فعل و انفعالات مولکولی انجام می‌شود که مهمترین آنها شناسایی متقابل پروتئین‌های کوچک در سطوح سیتوزولی دو غشای متقابل است: گیرنده‌های پروتئین چسبنده حساس به فاکتور N-ethylmaleimide محلول در تاولی. (v-SNAREs) و t-SNAREs (غشاء هدف SNARE‌ها). نقش پروتئین‌های SNARE در آزادسازی انتقال دهنده‌های عصبی از طریق همجوشی وزیکول سیناپسی با غشای پلاسمایی در فصل ۱۵ مورد بحث قرار گرفته است.

Vesicles from the endoplasmic reticulum arrive at the cis side of the Golgi complex (the aspect facing the nucleus) and fuse with its membranes to deliver their contents into the Golgi complex. These proteins travel from one Golgi compartment (cisterna) to the next, from the cis to the trans side, undergoing a series of enzymatic reactions. Each Golgi cisterna or set of cisternae is specialized for a particular type of reaction. Several types of protein modifications, some of which begin in the endoplasmic reticulum, occur within the Golgi complex proper or within the transport station adjacent to its trans side, the trans-Golgi network (the aspect of the complex typically facing away from the nucleus toward the axon hillock). These modifications include the addition of N-linked oligosaccharides, O-linked (on the hydroxyl groups of serine and threonine) glycosylation, phosphorylation, and sulfation.

وزیکول‌های شبکه آندوپلاسمی‌به سمت سیس کمپلکس گلژی (جنبه‌ای که رو به هسته است) می‌رسند و با غشاهای آن ترکیب می‌شوند تا محتویات خود را به مجموعه گلژی برسانند. این پروتئین‌ها از یک محفظه گلژی (cisterna) به قسمت بعدی، از سیس به سمت ترانس حرکت می‌کنند و تحت یک سری واکنش‌های آنزیمی‌قرار می‌گیرند. هر مخزن گلژی یا مجموعه ای از مخزن‌ها برای نوع خاصی از واکنش تخصصی است. چندین نوع اصلاح پروتئین، که برخی از آنها در شبکه آندوپلاسمی‌شروع می‌شوند، در مجتمع گلژی مناسب یا در ایستگاه حمل و نقل مجاور سمت ترانس آن، شبکه ترانس گلژی (جنبه ای از مجموعه که معمولاً از هسته رو به جلو است، رخ می‌دهد. تپه آکسون). این اصلاحات شامل افزودن الیگوساکاریدهای متصل به N، گلیکوزیلاسیون، فسفوریلاسیون و سولفاته با پیوند O (روی گروه‌های هیدروکسیل سرین و ترئونین) است.

Both soluble and membrane-bound proteins that travel through the Golgi complex emerge from the trans-Golgi network in a variety of vesicles that have different molecular compositions and destinations. Proteins transported from the trans-Golgi network include secretory products as well as newly synthesized components for the plasmalemma, endosomes, and other membranous organelles (see Figure 7-2). One class of vesicles carries newly synthesized plasmalemmal proteins and proteins that are continuously secreted (constitutive secretion). These vesicles fuse with the plasma membrane in an unregulated fashion. An important type of these vesicles delivers lysosomal enzymes to late endosomes.

هم پروتئین‌های محلول و هم پروتئین‌های متصل به غشاء که از طریق مجموعه گلژی حرکت می‌کنند، از شبکه ترانس گلژی در انواع وزیکول‌هایی که ترکیبات مولکولی و مقصدهای متفاوتی دارند، خارج می‌شوند. پروتئین‌های منتقل شده از شبکه trans-Golgi شامل محصولات ترشحی و همچنین اجزای تازه سنتز شده برای پلاسمالما، اندوزوم‌ها و سایر اندامک‌های غشایی است (شکل ۷-۲ را ببینید). یک دسته از وزیکول‌ها حامل پروتئین‌های پلاسمالمی‌جدید سنتز شده و پروتئین‌هایی هستند که به طور مداوم ترشح می‌شوند (ترشح سازنده). این وزیکول‌ها به شکلی تنظیم نشده با غشای پلاسمایی ترکیب می‌شوند. نوع مهمی از این وزیکول‌ها آنزیم‌های لیزوزومی‌را به اندوزوم‌های دیررس تحویل می‌دهند.

Still other classes of vesicles carry secretory proteins that are released by an extracellular stimulus (regulated secretion). One type stores secretory products, primarily neuroactive peptides, in high concentrations. Called large dense-core vesicles because of their electron-dense (osmophilic) appearance in the electron microscope, these vesicles are similar in function and biogenesis to peptide-containing granules of endocrine cells. Large dense-core vesicles are targeted primarily to axons but can be seen in all regions of the neuron. They accumulate in the cytoplasm just beneath the plasma membrane and are highly concentrated at axon terminals, where their contents are released through Ca-regulated exocytosis.

هنوز دسته‌های دیگری از وزیکول‌ها حامل پروتئین‌های ترشحی هستند که توسط یک محرک خارج سلولی (ترشح تنظیم شده) آزاد می‌شوند. یک نوع محصولات ترشحی، عمدتاً پپتیدهای عصبی فعال را در غلظت‌های بالا ذخیره می‌کند. این وزیکول‌ها که به دلیل ظاهر متراکم الکترونی (اسموفیل) در میکروسکوپ الکترونی، وزیکول‌های هسته متراکم بزرگ نامیده می‌شوند، از نظر عملکرد و بیوژنز مشابه گرانول‌های حاوی پپتید سلول‌های غدد درون ریز هستند. وزیکول‌های بزرگ با هسته متراکم عمدتاً به سمت آکسون‌ها هدف قرار می‌گیرند، اما می‌توانند در تمام مناطق نورون دیده شوند. آنها در سیتوپلاسم درست در زیر غشای پلاسمایی تجمع می‌یابند و به شدت در پایانه‌های آکسون متمرکز می‌شوند، جایی که محتویات آنها از طریق اگزوسیتوز تنظیم شده با کلسیم آزاد می‌شود.

Recent work has demonstrated that small synaptic vesicles-the electron-lucent vesicles responsible for the rapid release of neurotransmitter at axon terminals are actively transported toward the synaptic terminals as individual cargoes. It is thought that protein components of small synaptic vesicles originate from large precursor vesicles from the trans-Golgi network. These synaptic vesicles already incorporate most of the proteins that enable their fusion at the pre- synaptic active zone. The neurotransmitter molecules stored in these synaptic vesicles are released by exocytosis regulated by Ca2+ influx through channels close to the release site. The vesicles can then undergo cycles of recycling/exocytosis as described in Chapter 15. Importantly, these vesicles are refilled through specialized transporters called vesicular transporters that are specific for each neurotransmitter (eg, glutamate, γ-aminobutyric acid (GABA), acetylcholine).

کار اخیر نشان داده است که وزیکول‌های سیناپسی کوچک – وزیکول‌های شفاف الکترونی که مسئول انتشار سریع انتقال‌دهنده عصبی در پایانه‌های آکسون هستند، به طور فعال به عنوان محموله‌های جداگانه به سمت پایانه‌های سیناپسی منتقل می‌شوند. تصور می‌شود که اجزای پروتئینی وزیکول‌های سیناپسی کوچک از وزیکول‌های پیش‌ساز بزرگ از شبکه trans-Golgi منشا می‌گیرند. این وزیکول‌های سیناپسی در حال حاضر بیشتر پروتئین‌هایی را در خود جای داده‌اند که همجوشی آنها را در ناحیه فعال پیش سیناپسی ممکن می‌سازند. مولکول‌های انتقال دهنده عصبی ذخیره شده در این وزیکول‌های سیناپسی توسط اگزوسیتوز تنظیم شده توسط هجوم +Ca2 از طریق کانال‌های نزدیک به محل انتشار آزاد می‌شوند. سپس وزیکول‌ها می‌توانند تحت چرخه‌های بازیافت/اگزوسیتوز قرار بگیرند که در فصل ۱۵ توضیح داده شد. نکته مهم این است که این وزیکول‌ها از طریق ناقل‌های تخصصی به نام ناقل‌های تاولی که برای هر انتقال‌دهنده عصبی خاص هستند، دوباره پر می‌شوند (به عنوان مثال، گلوتامات، گاما- آمینوبوتیریک اسید (GABA)، استیل کولین).