اصول علم اعصاب اریک کندل؛ مدولاسیون انتقال سیناپسی و تحریک پذیری عصبی: پیام رسان های دوم

---

---

---

---

---

---

THE BINDING OF NEUROTRANSMITTER to postsynaptic receptors produces a postsynaptic potential either directly, by opening ion channels, or indirectly, by altering ion channel activity through changes in the postsynaptic cell’s biochemical state. As we saw in Chapters 11 to 13, the type of postsynaptic action depends on the type of receptor. Activation of an ionotropic receptor directly opens an ion channel that is part of the receptor macromolecule itself. In contrast, activation of metabotropic receptors regulates the opening of ion channels indirectly through biochemical signaling pathways; the metabotropic receptor and the ion channels regulated by the receptor are distinct macromolecules (Figure 14-1).

اتصال انتقال دهنده عصبی به گیرنده‌های پس‌سیناپسی باعث ایجاد پتانسیل پس‌سیناپسی می‌شود یا به طور مستقیم، با باز کردن کانال‌های یونی، یا به طور غیرمستقیم، با تغییر فعالیت کانال یونی از طریق تغییرات در وضعیت بیوشیمیایی سلول پس‌سیناپسی. همانطور که در فصل‌های ۱۱ تا ۱۳ دیدیم، نوع عمل پس‌سیناپسی به نوع گیرنده بستگی دارد. فعال شدن یک گیرنده یونوتروپیک مستقیماً یک کانال یونی را باز می‌کند که بخشی از خود ماکرومولکول گیرنده است. در مقابل، فعال شدن گیرنده‌های متابوتروپیک، باز شدن کانال‌های یونی را به طور غیرمستقیم از طریق مسیرهای سیگنالینگ بیوشیمیایی تنظیم می‌کند. گیرنده متابوتروپیک و کانال‌های یونی که توسط گیرنده تنظیم می‌شوند ماکرومولکول‌های متمایز هستند (شکل ۱۴-۱).

Whereas the action of ionotropic receptors is fast and brief, metabotropic receptors produce effects that begin slowly and persist for long periods, ranging from hundreds of milliseconds to many minutes. The two types of receptors also differ in their functions. Ionotropic receptors underlie fast synaptic signaling that is the basis of all behaviors, from simple reflexes to complex cognitive processes. Metabotropic receptors modulate behaviors; they modify reflex strength, activate motor patterns, focus attention, set emotional states, and contribute to long-lasting changes in neural circuits that underlie learning and memory. Metabotropic receptors are responsible for many of the actions of transmitters, hormones, and growth factors. The actions of these neuromodulators can produce remarkable and dramatic changes in neuronal excitability and synaptic strength and, in so doing, can profoundly alter the state of activity in an entire circuit important for behavior.

در حالی که عملکرد گیرنده‌های یونوتروپیک سریع و کوتاه است، گیرنده‌های متابوتروپیک اثراتی را ایجاد می‌کنند که به آرامی‌شروع می‌شوند و برای دوره‌های طولانی، از صدها میلی ثانیه تا چندین دقیقه، باقی می‌مانند. این دو نوع گیرنده از نظر عملکرد نیز متفاوت هستند. گیرنده‌های یونوتروپیک زیربنای سیگنال دهی سریع سیناپسی هستند که اساس همه رفتارها، از رفلکس‌های ساده تا فرآیندهای شناختی پیچیده است. گیرنده‌های متابوتروپیک رفتارها را تعدیل می‌کنند. آنها قدرت رفلکس را تغییر می‌دهند، الگوهای حرکتی را فعال می‌کنند، توجه را متمرکز می‌کنند، حالات عاطفی را تنظیم می‌کنند، و به تغییرات طولانی مدت در مدارهای عصبی که زمینه یادگیری و حافظه است، کمک می‌کنند. گیرنده‌های متابوتروپیک مسئول بسیاری از اعمال ترانسمیترها، هورمون‌ها و فاکتورهای رشد هستند. اعمال این تعدیل‌کننده‌های عصبی می‌تواند تغییرات قابل‌توجه و چشمگیری در تحریک‌پذیری عصبی و قدرت سیناپسی ایجاد کند و با انجام این کار، می‌تواند عمیقاً وضعیت فعالیت را در کل مدار مهم برای رفتار تغییر دهد.

Figure 14-1 Neurotransmitter actions can be divided into two groups according to the way receptor and effector functions are coupled.

شکل ۱۴-۱ اعمال انتقال دهنده عصبی را می‌توان با توجه به نحوه جفت شدن عملکرد گیرنده و عامل به دو گروه تقسیم کرد.

A. Direct transmitter actions are produced by the binding of transmitter to ionotropic receptors, ligand-gated channels in which the receptor and ion channel are domains within a single macromolecule. The binding of transmitter to the receptor on the extracellular aspect of the receptor-channel protein directly opens the ion channel embedded in the cell membrane.

الف. اعمال فرستنده مستقیم با اتصال فرستنده به گیرنده‌های یونوتروپیک، کانال‌های دارای لیگاند که در آن گیرنده و کانال یونی حوزه‌های درون یک ماکرومولکول واحد هستند، ایجاد می‌شود. اتصال فرستنده به گیرنده در جنبه خارج سلولی پروتئین گیرنده کانال مستقیماً کانال یونی تعبیه شده در غشای سلولی را باز می‌کند.

B. Indirect transmitter actions are caused by binding of transmitter to metabotropic receptors, macromolecules that are separate from the ion channels they regulate. There are two families of these receptors. 1. G protein-coupled receptors activate guanosine triphosphate (GTP)-binding proteins that engage a second-messenger cascade or act directly on ion channels. 2. Receptor tyrosine kinases initiate a cascade of protein phosphorylation reactions, beginning with autophosphorylation (P) of the kinase itself on tyrosine residues.

ب) اعمال فرستنده غیرمستقیم در اثر اتصال فرستنده به گیرنده‌های متابوتروپیک، ماکرومولکول‌هایی که از کانال‌های یونی که تنظیم می‌کنند جدا هستند، ایجاد می‌شود. دو خانواده از این گیرنده‌ها وجود دارد. ۱. گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G، پروتئین‌های متصل شونده به گوانوزین تری فسفات (GTP) را فعال می‌کنند که با یک آبشار پیام رسان دوم درگیر می‌شوند یا مستقیماً روی کانال‌های یونی عمل می‌کنند. ۲. تیروزین کینازهای گیرنده، آبشاری از واکنش‌های فسفوریلاسیون پروتئین را آغاز می‌کنند که با اتوفسفوریلاسیون (P) خود کیناز بر روی باقی مانده‌های تیروزین شروع می‌شود.

Ionotropic receptors change the membrane potential quickly. As we have seen, this change is local at first but is propagated as an action potential along the axon if the change in membrane potential is suprathreshold. Activation of metabotropic receptors also begins as a local action that can spread to a wider region of the cell. The binding of a neurotransmitter with a metabotropic receptor activates proteins that in turn activate effector enzymes. The effector enzymes then often produce second-messenger molecules that can diffuse within a cell to activate still other enzymes that catalyze modifications of a variety of target proteins, greatly changing their activities.

گیرنده‌های یونوتروپیک پتانسیل غشا را به سرعت تغییر می‌دهند. همانطور که دیدیم، این تغییر در ابتدا موضعی است، اما اگر تغییر پتانسیل غشاء فوق آستانه باشد، به عنوان یک پتانسیل عمل در امتداد آکسون منتشر می‌شود. فعال شدن گیرنده‌های متابوتروپیک نیز به عنوان یک عمل موضعی شروع می‌شود که می‌تواند به ناحیه وسیع تری از سلول گسترش یابد. اتصال یک انتقال دهنده عصبی با یک گیرنده متابوتروپیک پروتئین‌ها را فعال می‌کند که به نوبه خود آنزیم‌های موثر را فعال می‌کنند. سپس آنزیم‌های مؤثر اغلب مولکول‌های پیام‌رسان دوم را تولید می‌کنند که می‌توانند در داخل سلول منتشر شوند تا آنزیم‌های دیگری را فعال کنند که تغییرات انواع پروتئین‌های هدف را کاتالیز می‌کنند و فعالیت‌های آن‌ها را تا حد زیادی تغییر می‌دهند.

There are two major families of metabotropic receptors: G protein-coupled receptors and receptor tyrosine kinases. We first describe the G protein-coupled receptor family and later discuss the receptor tyrosine kinase family.

دو خانواده اصلی از گیرنده‌های متابوتروپیک وجود دارد: گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G و گیرنده تیروزین کیناز. ما ابتدا خانواده گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G را توصیف می‌کنیم و بعداً در مورد خانواده گیرنده تیروزین کیناز بحث می‌کنیم.

The G protein-coupled receptors are coupled to an effector by a trimeric guanine nucleotide-binding protein, or G protein (Figure 14-1B). This receptor family comprises α- and β-adrenergic receptors for norepinephrine, muscarinic acetylcholine (ACh) receptors, γ-aminobutyric acid B (GABA_B) receptors, certain glutamate and serotonin receptors, all receptors for dopamine, receptors for neuropeptides, odorant receptors, rhodopsin (the protein that reacts to light, initiating visual signals; see Chapter 22), and many others. Many of these receptors are thought to be involved in neurological and psychiatric diseases and are key targets for the actions of important classes of therapeutic drugs.

گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G توسط یک پروتئین متصل شونده به نوکلئوتید گوانین تریمریک یا پروتئین G به یک افکتور جفت می‌شوند (شکل ۱۴-1B). این خانواده گیرنده‌ها شامل گیرنده‌های α- و β-آدرنرژیک برای نوراپی نفرین، گیرنده‌های استیل کولین موسکارینی (ACh)، گیرنده‌های اسید γ-آمینو بوتیریک اسید B (GABAB)، برخی گیرنده‌های گلوتامات و سروتونین، همه گیرنده‌های دوپامین، گیرنده‌های گیرنده‌های نوروپپتیدها، گیرنده‌های بویایی  و ردوپسین (پروتئینی که به نور واکنش نشان می‌دهد، شروع سیگنال‌های بینایی، به فصل ۲۲ مراجعه کنید) و بسیاری دیگر هستند. تصور می‌شود که بسیاری از این گیرنده‌ها در بیماری‌های عصبی و روان‌پزشکی دخیل هستند و اهداف کلیدی برای اعمال دسته‌های مهم داروهای درمانی هستند.

G protein-coupled receptors activate a variety of effectors. The typical effector is an enzyme that produces a diffusible second messenger. These second messengers in turn trigger a biochemical cascade, either by activating specific protein kinases that phosphorylate the hydroxyl group of specific serine or threonine residues in various proteins or by mobilizing Ca2+ ions from intracellular stores, thereby initiating reactions that change the cell’s biochemical state. In some instances, the G protein or the second messenger acts directly on an ion channel.

گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G انواعی از عوامل موثر را فعال می‌کنند. اثرگذار معمولی آنزیمی‌است که پیام رسان دوم قابل انتشار را تولید می‌کند. این پیام رسان‌های دوم به نوبه خود باعث ایجاد یک آبشار بیوشیمیایی می‌شوند، یا با فعال کردن پروتئین کینازهای خاص که گروه هیدروکسیل باقی مانده‌های سرین یا ترئونین خاص را در پروتئین‌های مختلف فسفریله می‌کنند یا با بسیج یون‌های +Ca2 از ذخایر درون سلولی، در نتیجه واکنش‌هایی را آغاز می‌کنند که حالت بیوشیمیایی سلول را تغییر می‌دهد. در برخی موارد، پروتئین G یا پیام رسان دوم مستقیماً روی یک کانال یونی عمل می‌کند.

The Cyclic AMP Pathway Is the Best Understood Second-Messenger Signaling Cascade Initiated by G Protein-Coupled Receptors

مسیر چرخه‌ای AMP بهترین آبشار سیگنال‌دهی پیام‌رسان دوم است که توسط گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G آغاز شده است.

The adenosine 3′,5′-cyclic monophosphate (cyclic AMP or cAMP) pathway is a prototypic example of a G protein-coupled second-messenger cascade. It was the first second-messenger pathway to be discovered, and our conception of other second-messenger path- ways is based on it.

مسیر آدنوزین ‘۳،’۵- مونوفسفات حلقوی (AMP حلقوی یا cAMP) یک نمونه اولیه از آبشار پیام رسان دوم جفت شده با پروتئین G است. این اولین مسیر پیام آور دوم بود که کشف شد، و تصور ما از سایر راه‌های پیام آور دوم بر اساس آن است.

The binding of transmitter to receptors linked to the cAMP cascade first activates a specific G protein, G_S (named for its action to stimulate cAMP synthesis). In its resting state, G_S, like all G proteins, is a trimeric protein consisting of an α-, β-, and γ-subunit. The α-subunit is only loosely associated with the membrane and is usually the agent that couples the receptor to its primary effector enzyme. The β- and γ-subunits form a strongly bound complex that is more tightly associated with the membrane. As described later in this chapter, the βγ complex of G proteins can regulate the activity of certain ion channels directly.

اتصال فرستنده به گیرنده‌های مرتبط با آبشار cAMP ابتدا یک پروتئین G خاص، GS (نامگذاری شده برای تحریک سنتز cAMP) را فعال می‌کند. در حالت استراحت، GS، مانند تمام پروتئین‌های G، یک پروتئین تریمریک است که از زیرواحد α-، β- و γ تشکیل شده است. زیرواحد α فقط به طور ضعیفی با غشاء مرتبط است و معمولاً عاملی است که گیرنده را با آنزیم مؤثر اصلی خود جفت می‌کند. زیرواحدهای β و γ یک کمپلکس قوی‌تر را تشکیل می‌دهند که محکم‌تر با غشاء مرتبط است. همانطور که در ادامه این فصل توضیح داده شد، کمپلکس βγ از پروتئین‌های G می‌تواند فعالیت کانال‌های یونی خاص را مستقیماً تنظیم کند.

In the resting state, the α-subunit binds a molecule of guanosine diphosphate (GDP). Upon the binding of ligand, a G protein-coupled receptor undergoes a conformational change that enables it to bind to the α-subunit, thereby promoting the exchange of GDP with a molecule of guanosine triphosphate (GTP). This leads to a conformational change that causes the α-subunit to dissociate from the βγ complex, thereby activating the α-subunit.

در حالت استراحت، زیرواحد α به یک مولکول گوانوزین دی فسفات (GDP) متصل می‌شود. پس از اتصال لیگاند، یک گیرنده جفت شده با پروتئین G دچار تغییر ساختاری می‌شود که آن را قادر می‌سازد به زیرواحد α متصل شود، در نتیجه تبادل GDP با مولکول گوانوزین تری فسفات (GTP) را ارتقا می‌دهد. این منجر به تغییر ساختاری می‌شود که باعث می‌شود زیر واحد α از کمپلکس βγ جدا شود و در نتیجه زیر واحد α فعال شود.

The particular class of α-subunit that is coupled to the cAMP cascade is termed α_S, which stimulates the integral membrane protein adenylyl cyclase to catalyze the conversion of adenosine triphosphate (ATP) to cAMP. When associated with the cyclase, α_S, also acts as a GTPase, hydrolyzing its bound GTP to GDP. When GTP is hydrolyzed, α becomes inactive. It dissociates from adenylyl cyclase and reassociates with the βγ complex, thereby stopping the synthesis of cAMP (Figure 14-2A). A G_S, protein typically remains active for a few seconds before its bound GTP is hydrolyzed.

کلاس خاصی از زیرواحد α که به آبشار cAMP جفت می‌شود، αs نامیده می‌شود که پروتئین غشایی یکپارچه آدنیلیل سیکلاز را برای کاتالیز کردن تبدیل آدنوزین تری فسفات (ATP) به cAMP تحریک می‌کند. هنگامی‌که با سیکلاز همراه است، αs نیز به عنوان یک GTPase عمل می‌کند و GTP محدود خود را به GDP هیدرولیز می‌کند. هنگامی‌که GTP هیدرولیز می‌شود، α غیر فعال می‌شود. از آدنیلیل سیکلاز جدا می‌شود و با کمپلکس βγ مجدداً مرتبط می‌شود و در نتیجه سنتز cAMP را متوقف می‌کند (شکل ۱۴-2A). یک Gs، پروتئین معمولاً برای چند ثانیه قبل از هیدرولیز شدن GTP محدود فعال باقی می‌ماند.

Once a G protein-coupled receptor binds a ligand, it can interact sequentially with more than one G protein macromolecule. As a result, the binding of relatively few molecules of transmitter to a small number of receptors can activate a large number of cyclase complexes. The signal is further amplified in the next step in the cAMP cascade, the activation of the protein kinase.

هنگامی‌که یک گیرنده جفت شده با پروتئین G به لیگاند متصل می‌شود، می‌تواند به طور متوالی با بیش از یک ماکرومولکول پروتئین G تعامل داشته باشد. در نتیجه، اتصال مولکول‌های نسبتا کمی‌فرستنده به تعداد کمی‌گیرنده می‌تواند تعداد زیادی کمپلکس سیکلاز را فعال کند. سیگنال در مرحله بعدی در آبشار cAMP، فعال شدن پروتئین کیناز، بیشتر تقویت می‌شود.

The major target of cAMP in most cells is the cAMP-dependent protein kinase (also called protein kinase A or PKA). This kinase, identified and characterized by Edward Krebs and colleagues, is a heterotetrameric enzyme consisting of a dimer of two regulatory (R) subunits and two catalytic (C) subunits. In the absence of cAMP, the R subunits bind to and inhibit the C subunits. In the presence of cAMP, each R subunit binds two molecules of cAMP, leading to a conformational change that causes the R and C subunits to dissociate (Figure 14-2B). Dissociation frees the C subunits to transfer the γ-phosphoryl group of ATP to the hydroxyl groups of specific serine and threonine residues in substrate proteins. The action of PKA is terminated by phosphoprotein phosphatases, enzymes that cleave the phosphoryl group from proteins, producing inorganic phosphate.

هدف اصلی cAMP در اکثر سلول‌ها پروتئین کیناز وابسته به cAMP (که پروتئین کیناز A یا PKA نیز نامیده می‌شود) است. این کیناز که توسط ادوارد کربس و همکارانش شناسایی و مشخص شد، یک آنزیم هتروتترامری است که از یک دایمر از دو زیر واحد تنظیمی‌ (R) و دو زیر واحد کاتالیزوری (C) تشکیل شده است. در غیاب cAMP، زیر واحدهای R به زیر واحدهای C متصل شده و آن را مهار می‌کنند. در حضور cAMP، هر زیر واحد R به دو مولکول cAMP متصل می‌شود که منجر به تغییر ساختاری می‌شود که باعث جدا شدن زیر واحدهای R و C می‌شود (شکل ۱۴-2B). تفکیک زیرواحدهای C را آزاد می‌کند تا گروه γ-phosphoryl ATP را به گروه‌های هیدروکسیل باقی مانده‌های خاص سرین و ترئونین در پروتئین‌های سوبسترا منتقل کنند. عمل PKA توسط فسفوپروتئین فسفاتازها خاتمه می‌یابد، آنزیم‌هایی که گروه فسفوریل را از پروتئین‌ها جدا می‌کنند و فسفات معدنی تولید می‌کنند.

Protein kinase A is distantly related through evolution to other serine and threonine protein kinases that we shall consider: the calcium/calmodulin-dependent protein kinases and protein kinase C. These kinases also have regulatory and catalytic domains, but both domains are within the same polypeptide molecule (see Figure 14-4).

پروتئین کیناز A از طریق تکامل به سایر کینازهای پروتئینی سرین و ترئونین ارتباط دور دارد که ما در نظر خواهیم گرفت: پروتئین کینازهای وابسته به کلسیم/کالمودولین و پروتئین کیناز C. این کینازها همچنین دارای حوزه‌های تنظیمی‌و کاتالیزوری هستند، اما هر دو حوزه در یک پلی پپتید قرار دارند. مولکول (شکل ۱۴-۴ را ببینید).

In addition to blocking enzymatic activity, the regulatory subunits of PKA also target the catalytic subunits to distinct sites within cells. Human PKA has two types of R subunits, RI and RII, each with two subtypes: RIα, RIβ, RIIα, and RIIβ. The genes for each derive from a common ancestor but have different properties. For example, type II PKA (containing RII-type subunits) is targeted to the membrane by A kinase attachment proteins (AKAPs). One type of AKAP targets PKA to the N-methyl-D-aspartate (NMDA)-type glutamate receptor by binding both PKA and the postsynaptic density protein PSD-95, which binds to the cytoplasmic tail of the NMDA receptor (Chapter 13). In addition, this AKAP also binds a protein phosphatase, which removes the phosphate group from substrate proteins. By localizing PKA and other signaling components near their substrate, AKAPS form local signaling complexes that increase the specificity, speed, and efficiency of second-messenger cascades. Because AKAPs have only a weak affinity for RI, subunits, most type I PKA is free in the cytoplasm.

علاوه بر مسدود کردن فعالیت آنزیمی، زیرواحدهای تنظیمی‌ PKA همچنین زیرواحدهای کاتالیزوری را به مکان‌های متمایز درون سلولی هدف قرار می‌دهند. PKA انسانی دارای دو نوع زیر واحد R یعنی RI and RII است که هر کدام دارای دو زیرگروه است: RIα, RIβ, RIIα, and RIIβ. ژن‌های هر کدام از یک جد مشترک منشأ می‌گیرند اما خواص متفاوتی دارند. به عنوان مثال، نوع II PKA (حاوی زیر واحدهای نوع RII) توسط پروتئین‌های اتصال A کیناز (AKAPs) به غشاء هدف قرار می‌گیرد. یکی از انواع AKAP با اتصال PKA و پروتئین با چگالی پس‌سیناپسی PSD-95، که به دم سیتوپلاسمی‌گیرنده NMDA متصل می‌شود، PKA را به گیرنده گلوتامات نوع N-متیل-D-آسپارتات (NMDA) هدف قرار می‌دهد (فصل ۱۳). علاوه بر این، این AKAP یک پروتئین فسفاتاز را نیز متصل می‌کند که گروه فسفات را از پروتئین‌های سوبسترا حذف می‌کند. با بومی‌سازی PKA و سایر اجزای سیگنالینگ در نزدیکی بستر خود، AKAPS مجتمع‌های سیگنالینگ محلی را تشکیل می‌دهد که ویژگی، سرعت و کارایی آبشارهای پیام رسان دوم را افزایش می‌دهد. از آنجایی که AKAP‌ها فقط میل ترکیبی ضعیفی برای زیر واحدهای RI دارند، بیشتر PKA نوع I در سیتوپلاسم آزاد است.

Kinases can only phosphorylate proteins on serine and threonine residues that are embedded within a context of specific phosphorylation consensus sequences of amino acids. For example, phosphorylation by PKA usually requires a sequence of two contiguous basic amino acids either lysine or arginine followed by any amino acid, and then by the serine or threonine residue that is phosphorylated (for example, Arg-Arg-Ala-Thr).

کینازها فقط می‌توانند پروتئین‌های موجود در باقیمانده‌های سرین و ترئونین را فسفریله کنند که در زمینه توالی‌های اجماع فسفریلاسیون خاص اسیدهای آمینه جاسازی شده‌اند. به عنوان مثال، فسفوریلاسیون توسط PKA معمولاً به دنباله ای از دو اسید آمینه پایه به هم پیوسته یا لیزین یا آرژنین و به دنبال هر اسید آمینه و سپس توسط باقی مانده سرین یا ترئونین که فسفریله می‌شود (به عنوان مثال Arg-Arg-Ala-Thr) نیاز دارد.

Several important protein substrates for PKA have been identified in neurons. These include voltage-gated and ligand-gated ion channels, synaptic vesicle proteins, enzymes involved in transmitter biosynthesis, and proteins that regulate gene transcription. As a result, the cAMP pathway has widespread effects on the electrophysiological and biochemical properties of neurons. We shall consider some of these actions later in this chapter.

چندین سوبسترای پروتئینی مهم برای PKA در نورون‌ها شناسایی شده است. اینها شامل کانال‌های یونی دارای ولتاژ و دریچه لیگاند، پروتئین‌های وزیکول سیناپسی، آنزیم‌های دخیل در بیوسنتز فرستنده و پروتئین‌هایی هستند که رونویسی ژن را تنظیم می‌کنند. در نتیجه، مسیر cAMP اثرات گسترده ای بر خواص الکتروفیزیولوژیکی و بیوشیمیایی نورون‌ها دارد. برخی از این اقدامات را در ادامه این فصل بررسی خواهیم کرد.

Figure 14-2 Activation of G protein-coupled receptors stimulates cyclic adenosine monophosphate (cAMP) production and protein kinase A. (Adapted from Alberts et al. 1994.)

شکل ۱۴-۲ فعال شدن گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G، تولید آدنوزین مونوفسفات حلقوی (cAMP) و پروتئین کیناز A را تحریک می‌کند (اقتباس از آلبرتس و همکاران ۱۹۹۴).

A. The binding of a transmitter to certain receptors activates the stimulatory G protein (G_S), consisting of α_S-, β-, and γ-subunits. When activated, the α_S-subunit exchanges its bound guanosine diphosphate (GDP) for guanosine triphosphate (GTP), causing a to dissociate from the βγ complex. Next, α_S associates with an intracellular domain of adenylyl cyclase, thereby stimulating the enzyme to produce cAMP from adenosine triphosphate (ATP). The hydrolysis of GTP to GDP and inorganic phosphate (P_i) leads to dissociation of α_s, from the cyclase and its reassociation with the βγ complex. The cyclase then stops producing the second messenger. As transmitter dissociates from the receptor, the three subunits of the G protein reassociate, and the guanine nucleotide-binding site on the α-subunit is occupied by GDP.

A. اتصال یک فرستنده به گیرنده‌های خاص، پروتئین G محرک (GS) را فعال می‌کند که از زیرواحدهای αs، β و γ تشکیل شده است. هنگامی‌که زیرواحد aS فعال می‌شود، گوانوزین دی فسفات (GDP) خود را با گوانوزین تری فسفات (GTP) مبادله می‌کند و باعث می‌شود α از کمپلکس βγ جدا شود. در مرحله بعد، αs با یک دامنه درون سلولی آدنیلیل سیکلاز مرتبط می‌شود، در نتیجه آنزیم را برای تولید cAMP از آدنوزین تری فسفات (ATP) تحریک می‌کند. هیدرولیز GTP به GDP و فسفات معدنی (Pi) منجر به تفکیک αs، از سیکلاز و ارتباط مجدد آن با کمپلکس βγ می‌شود. سپس سیکلاز تولید پیام رسان دوم را متوقف می‌کند. همانطور که فرستنده از گیرنده جدا می‌شود، سه زیرواحد پروتئین G مجدداً مرتبط می‌شوند و محل اتصال به نوکلئوتید گوانین در زیر واحد α توسط GDP اشغال می‌شود.

B. Four cAMP molecules bind to the two regulatory subunits of protein kinase A (PKA), liberating the two catalytic subunits, which are then free to phosphorylate specific substrate proteins on certain serine or threonine residues, thereby regulating protein function to produce a given cellular response. Two kinds of enzymes regulate this pathway. Phosphodiesterases convert cAMP to adenosine monophosphate (which is inactive), and protein phosphatases remove phosphate groups (P) from the substrate proteins, releasing inorganic phosphate, P. Phosphatase activity is, in turn, decreased by the protein inhibitor-1 (not shown), when it is phosphorylated by PKA.

b. چهار مولکول cAMP به دو زیرواحد تنظیمی‌پروتئین کیناز A (PKA) متصل می‌شوند و دو زیرواحد کاتالیزوری را آزاد می‌کنند، که سپس آزادانه پروتئین‌های سوبسترای خاصی را روی باقی مانده‌های سرین یا ترئونین فسفریله می‌کنند و در نتیجه عملکرد پروتئین را برای تولید سلولی مشخص تنظیم می‌کنند. پاسخ دو نوع آنزیم این مسیر را تنظیم می‌کنند. فسفودی‌ترازها cAMP را به آدنوزین مونوفسفات (که غیر فعال است) تبدیل می‌کنند و پروتئین فسفاتازها گروه‌های فسفات (P) را از پروتئین‌های سوبسترا حذف می‌کنند و فسفات معدنی آزاد می‌کنند. فعالیت فسفاتاز به نوبه خود توسط مهارکننده پروتئین کاهش می‌یابد (نشان داده نشده است)، هنگامی‌که توسط PKA فسفریله می‌شود.

The Second-Messenger Pathways Initiated by G Protein-coupled Receptors Share a Common Molecular Logic

مسیرهای پیام رسان دوم که توسط گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G آغاز شده است منطق مولکولی مشترک را به اشتراک می‌گذارند

Approximately 3.5% of genes in the human genome code for G protein-coupled receptors. Although many of these are odorant receptors in olfactory neurons (Chapter 29), many others are receptors for well- characterized neurotransmitters used throughout the nervous system. Despite their enormous diversity, all G protein-coupled receptors consist of a single polypeptide with seven characteristic membrane-spanning regions (serpentine receptors) (Figure 14-3A). Recent results from X-ray crystallography have provided detailed insights into the three-dimensional structure of these receptors in contact with their respective G proteins (Figure 14-3B).

تقریباً ۳.۵ درصد از ژن‌ها در ژنوم انسان، گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G را کد می‌کنند. اگرچه بسیاری از اینها گیرنده‌های بو در نورون‌های بویایی هستند (فصل ۲۹)، بسیاری دیگر گیرنده‌های انتقال دهنده‌های عصبی با مشخصه ای هستند که در سراسر سیستم عصبی استفاده می‌شوند. علیرغم تنوع بسیار زیاد آنها، تمام گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G از یک پلی پپتید منفرد با هفت ناحیه مشخصه پوشاننده غشاء (گیرنده‌های سرپانتین) تشکیل شده اند (شکل ۱۴-3A). نتایج اخیر از کریستالوگرافی اشعه ایکس بینش دقیقی را در مورد ساختار سه بعدی این گیرنده‌ها در تماس با پروتئین‌های G مربوطه خود ارائه کرده است (شکل ۱۴-3B).

The number of substances that act as second messengers in synaptic transmission is much fewer than the number of transmitters. More than 100 substances serve as transmitters; each can activate several types of receptors present in different cells. The few second messengers that have been well characterized fall into two categories, intracellular and transcellular. Intracellular messengers are molecules whose actions are confined to the cell in which they are produced. Transcellular messengers are molecules that can readily cross the cell membrane and thus can leave the cell in which they are produced to act as intercellular signals, or first messengers, on neighboring cells.

تعداد موادی که به عنوان پیام رسان دوم در انتقال سیناپسی عمل می‌کنند بسیار کمتر از تعداد ترانسمیترها است. بیش از ۱۰۰ ماده به عنوان فرستنده عمل می‌کنند. هر کدام می‌توانند انواع مختلفی از گیرنده‌های موجود در سلول‌های مختلف را فعال کنند. چند پیام رسان دوم که به خوبی مشخص شده اند به دو دسته درون سلولی و بین سلولی تقسیم می‌شوند. پیام رسان‌های درون سلولی مولکول‌هایی هستند که عملکرد آنها محدود به سلولی است که در آن تولید می‌شوند. پیام رسان‌های بین سلولی مولکول‌هایی هستند که می‌توانند به راحتی از غشای سلولی عبور کنند و بنابراین می‌توانند سلولی را که در آن تولید می‌شوند ترک کنند تا به عنوان سیگنال‌های بین سلولی یا اولین پیام رسان‌ها بر روی سلول‌های همسایه عمل کنند.

A Family of G Proteins Activates Distinct Second-Messenger Pathways

خانواده ای از پروتئین‌های G مسیرهای متمایز پیام رسان دوم را فعال می‌کند

Approximately 20 types of α-subunits have been identified, 5 types of β-subunits, and 12 types of γ-subunits. G proteins with different α-subunits couple different classes of receptors and effectors and therefore have different physiological actions. For example, the inhibitory G_i proteins, which contain the α_i-subunit, inhibit adenylyl cyclase and decrease cAMP levels. Other G proteins (G_q/11 proteins, which contain α_q– or α_۱۱– subunits) activate phospholipase C and probably other signal transduction mechanisms not yet identified. The G_o protein, which contains the α_o-subunit, is expressed at particularly high levels in the brain, but its exact targets are not known. Compared with other organs of the body, the brain contains an exceptionally large variety of G proteins. Even so, because of the limited number of classes of G proteins compared to the much larger number of receptors, one type of G protein can often be activated by different classes of receptors.

تقریباً ۲۰ نوع زیرواحد آلفا (α)،  ۵ نوع زیرواحد β و ۱۲ نوع زیرواحد γ شناسایی شده است. پروتئین‌های G با زیرواحدهای α متفاوت، کلاس‌های متفاوتی از گیرنده‌ها و تأثیرگذارها را جفت می‌کنند و بنابراین اعمال فیزیولوژیکی متفاوتی دارند. به عنوان مثال، پروتئین‌های بازدارنده Gi که حاوی زیرواحد αi هستند، آدنیلیل سیکلاز را مهار کرده و سطوح cAMP را کاهش می‌دهند. سایر پروتئین‌های G (پروتئین‌های Gq/11 که حاوی زیرواحدهای αq یا α۱۱ هستند) فسفولیپاز C و احتمالاً مکانیسم‌های انتقال سیگنال دیگر را که هنوز شناسایی نشده‌اند، فعال می‌کنند. پروتئین Go که حاوی زیرواحد αo است، در سطوح بالایی در مغز بیان می‌شود، اما اهداف دقیق آن مشخص نیست. در مقایسه با سایر اندام‌های بدن، مغز دارای تنوع بسیار زیادی از پروتئین‌های G است. با این حال، به دلیل تعداد محدودی از کلاس‌های پروتئین‌های G در مقایسه با تعداد بسیار بیشتر گیرنده‌ها، یک نوع پروتئین G اغلب می‌تواند توسط کلاس‌های مختلف گیرنده فعال شود.

The number of known effector targets for G proteins is even more limited than the types of G proteins. Important effectors include certain ion channels that are activated by the ẞy complex, adenylyl cyclase in the cAMP pathway, phospholipase C in the diacylglycerol-inositol polyphosphate path- way, and phospholipase A_۲, in the arachidonic acid pathway. Each of these effectors (except for the ion channels) initiates changes in specific target proteins within the cell, either by generating second messengers that bind to the target protein or by activating a protein kinase that phosphorylates it.

تعداد اهداف موثر شناخته شده برای پروتئین‌های G حتی محدودتر از انواع پروتئین‌های G است. عوامل مهم شامل کانال‌های یونی خاصی هستند که توسط کمپلکس βγ، آدنیلیل سیکلاز در مسیر cAMP، فسفولیپاز C در مسیر پلی فسفات دی اسیل گلیسرول-اینوزیتول و فسفولیپاز A2 در مسیر اسید آراشیدونیک فعال می‌شوند. هر یک از این عوامل (به جز کانال‌های یونی) تغییراتی را در پروتئین‌های هدف خاص در سلول آغاز می‌کنند، یا با تولید پیام‌رسان‌های دوم که به پروتئین هدف متصل می‌شوند یا با فعال کردن پروتئین کیناز که آن را فسفریله می‌کند.

Hydrolysis of Phospholipids by Phospholipase C Produces Two Important Second Messengers, IP_۳, and Diacylglycerol

هیدرولیز فسفولیپیدها توسط فسفولیپاز C دو پیام رسان مهم IP3 و دی آسیل گلیسرول تولید می‌کند.

Many important second messengers are generated through the hydrolysis of phospholipids in the inner leaflet of the plasma membrane. This hydrolysis is catalyzed by three enzymes-phospholipase C, D, and A_۲-named for the ester bonds they hydrolyze in the phospholipid. The phospholipases each can be activated by different G proteins coupled to different receptors.

بسیاری از پیام رسان‌های مهم دوم از طریق هیدرولیز فسفولیپیدها در برگچه داخلی غشای پلاسمایی تولید می‌شوند. این هیدرولیز توسط سه آنزیم فسفولیپاز C، D و A2 به نام پیوندهای استری که در فسفولیپید هیدرولیز می‌کنند کاتالیز می‌شود. فسفولیپازها هر کدام می‌توانند توسط پروتئین‌های G مختلف که با گیرنده‌های مختلف جفت می‌شوند فعال شوند.

The most commonly hydrolyzed phospholipid is phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP_۲), which typically contains the fatty acid stearate esterified to the glycerol backbone in the first position and the unsaturated fatty acid arachidonate in the second. Activation of receptors coupled to G_q or G_۱۱ stimulates phospholipase C, which leads to the hydrolysis of PIP_۲ (specifically the phosphodiester bond that links the glycerol backbone to the polar head group) and production of two second messengers, diacylglycerol (DAG) and inositol 1,4,5-trisphosphate (IP_۳).

متداول ترین فسفولیپید هیدرولیز شده، فسفاتیدیل ۴،۵-بیس فسفات (PIP2) است که معمولاً حاوی استئارات اسید چرب استری شده به ستون فقرات گلیسرول در موقعیت اول و اسید چرب غیراشباع آراشیدونات است. فعال شدن گیرنده‌های جفت شده به Gq یا G11 فسفولیپاز C را تحریک می‌کند، که منجر به هیدرولیز PIP2 (به ویژه پیوند فسفودی استری که ستون فقرات گلیسرول را به گروه سر قطبی متصل می‌کند) و تولید دو پیام رسان دوم، دی اسیل گلیسرول (DAG) و اینوزیتول ۱، می‌شود. ۴،۵-تری فسفات (IP3).

Diacylglycerol, which is hydrophobic, remains in the membrane when formed, where it recruits the cytoplasmic protein kinase C (PKC). Together with DAG and certain membrane phospholipids, PKC forms an active complex that can phosphorylate many protein substrates in the cell, both membrane-associated and cytoplasmic (Figure 14-4A). Activation of some isoforms of PKC requires elevated levels of cytoplasmic Ca2+ in addition to DAG.

دی آسیل گلیسرول، که آبگریز است، هنگام تشکیل در غشاء باقی می‌ماند و در آنجا پروتئین سیتوپلاسمی‌کیناز C (PKC) را جذب می‌کند. همراه با DAG و فسفولیپیدهای غشایی خاص، PKC یک کمپلکس فعال را تشکیل می‌دهد که می‌تواند بسیاری از سوبستراهای پروتئینی را در سلول، هم مرتبط با غشاء و هم سیتوپلاسمی، فسفریله کند (شکل ۱۴-4A). فعال سازی برخی ایزوفرم‌های PKC علاوه بر DAG به سطوح بالای +Ca2 سیتوپلاسمی‌نیاز دارد.

Figure 14-3 G protein-coupled receptors contain seven membrane-spanning domains.

شکل ۱۴-۳ گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G شامل هفت حوزه پوششی غشایی هستند.

A. The β_۲-adrenergic receptor shown here is representative of G protein-coupled receptors, including the β_۱-adrenergic and muscarinic acetylcholine (ACh) receptors and rhodopsin. It consists of a single subunit with an extracellular amino terminus, intracellular carboxy terminus, and seven membrane- spanning α-helixes. The binding site for the neurotransmitter lies in a cleft in the receptor formed by the transmembrane helixes. The amino acid residue aspartic acid (Asp)-113 participates in binding. The part of the receptor indicated in brown associates with G, protein α-subunits. Two serine (Ser) residues in the intracellular carboxy-terminal tail are sites for phosphorylation by specific receptor kinases, which helps inactivate the receptor. (Adapted, with permission, from Frielle et al. 1989.)

A. گیرنده β۲-آدرنرژیک نشان داده شده در اینجا نماینده گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G، از جمله گیرنده‌های β۱-آدرنرژیک و استیل کولین موسکارینی (ACh) و رودوپسین است. از یک زیر واحد منفرد با یک پایانه آمینو خارج سلولی، پایانه کربوکسی داخل سلولی و هفت مارپیچ α پوشا به غشاء تشکیل شده است. محل اتصال برای انتقال دهنده عصبی در شکافی در گیرنده است که توسط مارپیچ‌های گذرنده تشکیل شده است. باقی مانده اسید آمینه اسید آسپارتیک (Asp)-113 در اتصال شرکت می‌کند. بخشی از گیرنده نشان داده شده به رنگ قهوه ای با زیرواحدهای α، پروتئین G مرتبط است. دو باقیمانده سرین (Ser) در دم کربوکسی ترمینال داخل سلولی محل‌هایی برای فسفوریلاسیون توسط گیرنده کینازهای خاص هستند که به غیرفعال شدن گیرنده کمک می‌کند. (اقتباس، با اجازه، از Frielle و همکاران ۱۹۸۹.)

B. Models based on X-ray crystal structures of the β_۲– adrenergic receptor (blue) interacting with the G_s, protein in the inactive guanosine diphosphate (GDP)-bound state and the active guanosine triphosphate (GTP)-bound state. A high- affinity synthetic agonist is bound in the transmembrane region near the extracellular surface of the membrane (space-filling model). The α_s-, β-, and γ-subunits of the inactive G_s, protein are shown in brown, cyan, and purple, respectively. In the active state, α_s, (gold) undergoes a conformational change that enables it to interact with adenylyl cyclase. (Adapted, with permission, from Kobilka 2013. Copyright © ۲۰۱۳ Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.)

ب. مدل‌های مبتنی بر ساختارهای کریستالی اشعه ایکس گیرنده آدرنرژیک β۲ (آبی) در تعامل با Gs، پروتئین در حالت متصل به گوانوزین دی فسفات غیرفعال (GDP) و حالت متصل به گوانوزین تری فسفات فعال (GTP). یک آگونیست مصنوعی با میل ترکیبی بالا در ناحیه گذر غشایی نزدیک سطح خارج سلولی غشاء (مدل پرکننده فضا) متصل می‌شود. زیرواحدهای β، αs و γ پروتئین Gs غیرفعال به ترتیب به رنگ‌های قهوه ای، فیروزه ای و بنفش نشان داده شده اند. در حالت فعال، αs (طلایی) دچار یک تغییر ساختاری می‌شود که آن را قادر می‌سازد با آدنیلیل سیکلاز تعامل کند. (اقتباس شده، با مجوز، از Kobilka 2013. حق چاپ © ۲۰۱۳ Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.)

Figure 14-4 Hydrolysis of phospholipids in the cell membrane activates three major second-messenger cascades.

شکل ۱۴-۴ هیدرولیز فسفولیپیدها در غشای سلولی، سه آبشار اصلی پیام رسان دوم را فعال می‌کند.

A. The binding of transmitter to a receptor activates a G protein that activates phospholipase C (PLC). This enzyme cleaves phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP_۲) into the second messengers inositol 1,4,5-trisphosphate (IP_۳) and diacylglycerol (DAG). IP_۳, is water soluble and diffuses into the cytoplasm, where it binds to the IP_۳ receptor-channel on the smooth endoplasmic reticulum, thereby releasing Ca2+ from internal stores. DAG remains in the membrane, where it recruits and activates protein kinase C (PKC). Membrane phospholipid is also a necessary cofactor for PKC activation. Some isoforms of PKC also require Ca2+ for activation. PKC is composed of a single protein molecule that has both a regulatory domain that binds DAG and a catalytic domain that phosphorylates proteins on serine or threonine residues. In the absence of DAG the regulatory domain inhibits the catalytic domain.

الف. اتصال فرستنده به گیرنده، پروتئین G را فعال می‌کند که فسفولیپاز C (PLC) را فعال می‌کند. این آنزیم فسفاتیدیل ۴،۵-بیس فسفات (PIP2) را به دومین پیام رسان اینوزیتول ۱،۴،۵-تری فسفات (IP3) و دی آسیل گلیسرول (DAG) می‌شکافد. IP3 محلول در آب است و در سیتوپلاسم منتشر می‌شود، جایی که به کانال گیرنده IP3 در شبکه آندوپلاسمی‌صاف متصل می‌شود و در نتیجه +Ca2 را از ذخایر داخلی آزاد می‌کند. DAG در غشاء باقی می‌ماند، جایی که پروتئین کیناز C (PKC) را جذب و فعال می‌کند. فسفولیپید غشایی نیز یک کوفاکتور ضروری برای فعال سازی PKC است. برخی از ایزوفرم‌های PKC نیز برای فعال سازی به +Ca2 نیاز دارند. PKC از یک مولکول پروتئینی تشکیل شده است که هم یک دامنه تنظیمی‌دارد که به DAG متصل می‌شود و هم یک دامنه کاتالیزوری که پروتئین‌ها را روی باقی مانده‌های سرین یا ترئونین فسفریله می‌کند. در غیاب DAG دامنه تنظیمی‌دامنه کاتالیزوری را مهار می‌کند.

B. The calcium/calmodulin-dependent protein kinase is activated when Ca2+ binds to calmodulin and the calcium/ calmodulin complex then binds to a regulatory domain of the kinase. The kinase is composed of many similar subunits (only one of which is shown here), each having both regulatory and catalytic functions. The catalytic domain phosphorylates proteins on serine or threonine residues. (ATP, adenosine triphosphate; C, catalytic subunit; COOH, carboxy terminus; H_۲N, amino terminus; R, regulatory subunit.)

B. پروتئین کیناز وابسته به کلسیم/کالمودولین زمانی فعال می‌شود که +Ca2 به کالمودولین متصل می‌شود و کمپلکس کلسیم/کالمودولین سپس به حوزه تنظیمی‌کیناز متصل می‌شود. کیناز از بسیاری از زیر واحدهای مشابه (که فقط یکی از آنها در اینجا نشان داده شده است) تشکیل شده است که هر کدام دارای عملکردهای تنظیمی و کاتالیزوری هستند. دامنه کاتالیزوری پروتئین‌ها را روی باقی مانده‌های سرین یا ترئونین فسفریله می‌کند. (ATP، آدنوزین تری فسفات؛  C، زیر واحد کاتالیزوری؛ COOH، انتهای کربوکسی؛ H2N، پایانه آمینه؛ R، زیر واحد تنظیمی.)

The second product of the phospholipase C path- way, IP_۳, stimulates the release of Ca2+ from intracellular membrane stores in the lumen of the smooth endoplasmic reticulum. The membrane of the reticulum contains a large integral membrane macromolecule, the IP, receptor, which forms both a receptor for IP_۳ on its cytoplasmic surface and a Ca2+ channel that spans the membrane of the reticulum. When this macromolecule binds IP3, the channel opens, releasing Ca2+ into the cytoplasm (Figure 14-4A).

دومین محصول مسیر فسفولیپاز C، اینوزیتول تری فسفات (IP3)، آزادسازی +Ca2 را از ذخایر غشای داخل سلولی در مجرای شبکه آندوپلاسمی صاف تحریک می‌کند. غشای شبکه حاوی یک ماکرومولکول غشایی انتگرال بزرگ به نام گیرنده IP است که هم گیرنده IP3 را در سطح سیتوپلاسمی‌آن تشکیل می‌دهد و هم یک کانال +Ca2 که غشای شبکه را می‌پوشاند. هنگامی‌که این ماکرومولکول به IP3 متصل می‌شود، کانال باز می‌شود و +Ca2 در سیتوپلاسم آزاد می‌شود (شکل ۱۴-4A).

The increase in intracellular Ca2+ triggers many biochemical reactions and opens calcium-gated channels in the plasma membrane. Calcium can also act as a second messenger to trigger the release of additional Ca2 from internal stores by binding to another integral protein in the membrane of the smooth endoplasmic reticulum, the ryanodine receptor (so called because it binds the plant alkaloid ryanodine, which inhibits the receptor; in contrast, caffeine opens the ryanodine receptor). Like the IP3 receptor to which it is distantly related, the ryanodine receptor forms a Ca2+ channel that spans the reticulum membrane; however, cytoplasmic Ca2+, not IP_۳, opens the ryanodine receptor-channel.

افزایش +Ca2 داخل سلولی باعث بسیاری از واکنش‌های بیوشیمیایی می‌شود و کانال‌های کلسیمی‌را در غشای پلاسمایی باز می‌کند. کلسیم همچنین می‌تواند به‌عنوان پیام‌رسان دوم برای آزادسازی کلسیم اضافی از ذخایر داخلی با اتصال به پروتئین جدایی ناپذیر دیگری در غشای شبکه آندوپلاسمی‌صاف، گیرنده رایانودین عمل کند (به این دلیل که به آلکالوئید گیاهی رایانودین متصل می‌شود، که مانع از گیرنده، در مقابل، کافئین گیرنده رایانودین را باز می‌کند). گیرنده رایانودین مانند گیرنده IP3 که از دور به آن مرتبط است، یک کانال +Ca2 را تشکیل می‌دهد که غشای شبکه را می‌پوشاند. با این حال، +Ca2 سیتوپلاسمی، نه IP3، کانال گیرنده رایانودین را باز می‌کند.

Calcium often acts by binding to the small cytoplasmic protein calmodulin. An important function of the calcium/calmodulin complex is to activate calcium/ calmodulin-dependent protein kinase (CaM kinase). This enzyme is a complex of many similar subunits, each containing both regulatory and catalytic domains within the same polypeptide chain. When the calcium/calmodulin complex is absent, the C-terminal regulatory domain of the kinase binds and inactivates the catalytic portion. Binding to the calcium/calmodulin complex causes conformational changes of the kinase molecule that unfetter the catalytic domain for action (Figure 14-4B). Once activated, CaM kinase can phosphorylate itself through intramolecular reactions at many sites in the molecule. Autophosphorylation has an important functional effect: It converts the enzyme into a form that is independent of calcium/calmodulin and therefore persistently active, even in the absence of Ca2+.

کلسیم اغلب با اتصال به پروتئین سیتوپلاسمی‌کوچک کالمودولین عمل می‌کند. عملکرد مهم کمپلکس کلسیم/کالمودولین فعال کردن پروتئین کیناز وابسته به کلسیم/کالمودولین (CaM کیناز) است. این آنزیم مجموعه ای از بسیاری از زیر واحدهای مشابه است که هر یک شامل هر دو حوزه تنظیمی‌و کاتالیزوری در یک زنجیره پلی پپتیدی است. هنگامی‌که کمپلکس کلسیم/کالمودولین وجود ندارد، حوزه تنظیمی‌ترمینال C کیناز به بخش کاتالیزوری متصل شده و غیرفعال می‌شود. اتصال به کمپلکس کلسیم/کالمودولین باعث تغییرات ساختاری مولکول کیناز می‌شود که دامنه کاتالیزوری را برای عمل باز می‌کند (شکل ۱۴-4B). پس از فعال شدن، CaM کیناز می‌تواند خود را از طریق واکنش‌های درون مولکولی در بسیاری از مکان‌های مولکول فسفریله کند. اتوفسفوریلاسیون یک اثر عملکردی مهم دارد: آنزیم را به شکلی تبدیل می‌کند که مستقل از کلسیم/کالمودولین است و بنابراین حتی در غیاب +Ca2 فعال است.

Persistent activation of protein kinases is a general and important mechanism for maintaining biochemical processes that underlie long-term changes in synaptic function associated with certain forms of memory. In addition to the persistent activation of calcium/calmodulin-dependent protein kinase, PKA can also become persistently active following a prolonged increase in cAMP because of a slow enzymatic degradation of free regulatory subunits through the ubiquitin pathway. The decline in regulatory subunit concentration results in the long-lasting presence of free catalytic subunits, even after cAMP levels have declined, leading to the continued phosphorylation of substrate proteins. PKC can also become persistently active through proteolytic cleavage of its regulatory and catalytic domains or through the expression of a PKC isoform that lacks a regulatory domain. Finally, the duration of phosphorylation can be enhanced by certain proteins that act to inhibit the activity of phosphoprotein phosphatases. One such protein, inhibitor-1, inhibits phosphatase activity only when the inhibitor is itself phosphorylated by PKA.

فعال شدن مداوم پروتئین کینازها یک مکانیسم کلی و مهم برای حفظ فرآیندهای بیوشیمیایی است که زمینه ساز تغییرات طولانی مدت در عملکرد سیناپسی مرتبط با اشکال خاصی از حافظه است. علاوه بر فعال شدن مداوم پروتئین کیناز وابسته به کلسیم/کالمودولین، PKA همچنین می‌تواند به دنبال افزایش طولانی مدت cAMP به دلیل تخریب آنزیمی‌آهسته زیر واحدهای تنظیمی‌آزاد از طریق مسیر یوبیکوئیتین، به طور مداوم فعال شود. کاهش غلظت زیر واحد تنظیمی‌منجر به حضور طولانی مدت زیر واحدهای کاتالیزوری آزاد می‌شود، حتی پس از کاهش سطح cAMP، که منجر به ادامه فسفوریلاسیون پروتئین‌های سوبسترا می‌شود. PKC همچنین می‌تواند از طریق برش پروتئولیتیک حوزه‌های تنظیمی‌و کاتالیزوری خود یا از طریق بیان یک ایزوفرم PKC که فاقد دامنه تنظیمی‌است، به طور مداوم فعال شود. در نهایت، مدت زمان فسفوریلاسیون را می‌توان توسط پروتئین‌های خاصی که برای مهار فعالیت فسفوپروتئین فسفاتازها عمل می‌کنند، افزایش داد. یکی از این پروتئین‌ها، بازدارنده-۱، فعالیت فسفاتاز را تنها زمانی مهار می‌کند که خود مهارکننده توسط PKA فسفریله شود.

Receptor Tyrosine Kinases Compose the Second Major Family of Metabotropic Receptors

گیرنده تیروزین کینازها دومین خانواده اصلی گیرنده‌های متابوتروپیک را تشکیل می‌دهند

The receptor tyrosine kinases represent a distinct family of receptors from the G protein-coupled receptors. The receptor tyrosine kinases are integral membrane proteins composed of a single subunit with an extracellular ligand-binding domain connected to a cytoplasmic region by a single transmembrane segment. The cytoplasmic region contains a protein kinase domain that phosphorylates both itself (autophosphorylation) and other proteins on tyrosine residues (Figure 14-5A). This phosphorylation results in the activation of a large number of proteins, including other kinases that are capable of acting on ion channels.

گیرنده تیروزین کیناز نشان دهنده یک خانواده متمایز از گیرنده‌ها از گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G است. گیرنده تیروزین کینازها پروتئین‌های غشایی یکپارچه هستند که از یک زیر واحد با یک دامنه اتصال لیگاند خارج سلولی که توسط یک بخش گذرنده به یک منطقه سیتوپلاسمی‌متصل است، تشکیل شده اند. ناحیه سیتوپلاسمی‌حاوی یک دامنه پروتئین کیناز است که هم خود (اتوفسفوریلاسیون) و هم سایر پروتئین‌ها را روی باقیمانده‌های تیروزین فسفریله می‌کند (شکل ۱۴-5A). این فسفوریلاسیون منجر به فعال شدن تعداد زیادی پروتئین، از جمله سایر کینازها می‌شود که قادر به عمل بر روی کانال‌های یونی هستند.

Receptor tyrosine kinases are activated when bound by peptide hormones, including epidermal growth factor (EGF), fibroblast growth factor (FGF), nerve growth factor (NGF), brain-derived neurotrophic factor (BDNF), and insulin. Cells also contain important nonreceptor cytoplasmic tyrosine kinases, such as the protooncogene src. These nonreceptor tyrosine kinases are often activated by interactions with receptor tyrosine kinases and are important in regulating growth and development.

تیروزین کینازهای گیرنده زمانی فعال می‌شوند که توسط هورمون‌های پپتیدی از جمله فاکتور رشد اپیدرمی‌ (EGF)، فاکتور رشد فیبروبلاست (FGF)، فاکتور رشد عصبی (NGF)، فاکتور نوروتروفیک مشتق از مغز (BDNF) و انسولین متصل شوند. سلول‌ها همچنین حاوی تیروزین کینازهای غیر گیرنده سیتوپلاسمی مهمی مانند پروتونکوژن src هستند. این تیروزین کینازهای غیر گیرنده اغلب با برهمکنش با گیرنده تیروزین کیناز فعال می‌شوند و در تنظیم رشد و نمو مهم هستند.

Many (but not all) of the receptor tyrosine kinases exist as monomers in the plasma membrane in the absence of ligand. Ligand binding causes two monomeric receptor subunits to form a dimer, thereby activating the intracellular kinase. Each monomer phosphorylates its counterpart at a tyrosine residue, an action that enables the kinase to phosphorylate other proteins. Like the serine and threonine protein kinases, tyrosine kinases regulate the activity of neuronal proteins they phosphorylate, including the activity of certain ion channels. Tyrosine kinases also activate an isoform of phospholipase C, phospholipase Cγ, which like PLCB cleaves PIP_۲, into IP_۳, and DAG.

بسیاری از گیرنده‌های تیروزین کیناز (اما نه همه) به صورت مونومر در غشای پلاسمایی در غیاب لیگاند وجود دارند. اتصال لیگاند باعث می‌شود دو زیر واحد گیرنده مونومر یک دایمر تشکیل دهند و در نتیجه کیناز داخل سلولی را فعال کنند. هر مونومر همتای خود را در باقیمانده تیروزین فسفریله می‌کند، عملی که کیناز را قادر می‌سازد پروتئین‌های دیگر را فسفریله کند. مانند پروتئین کینازهای سرین و ترئونین، تیروزین کینازها فعالیت پروتئین‌های عصبی را که فسفریله می‌کنند، تنظیم می‌کنند، از جمله فعالیت کانال‌های یونی خاص. تیروزین کیناز همچنین ایزوفرمی‌از فسفولیپاز C، فسفولیپاز Cγ را فعال می‌کند که مانند PLCB که PIP2 را به IP3 و DAG می‌شکافد.

Receptor tyrosine kinases initiate cascades of reactions involving several adaptor proteins and other protein kinases that often lead to changes in gene transcription. The mitogen-activated protein kinases (MAP kinases) are an important group of serine-threonine kinases that can be activated by a signaling cascade initiated by receptor tyrosine kinase. MAP kinases are activated by cascades of protein-kinase reactions (kinase kinases), each cascade specific to one of three types of MAP kinase: extracellular signal-regulated kinase (ERK), p38 MAP kinase, and c-Jun N-terminal kinase (JNK). Activated MAP kinases have several important actions. They translocate to the nucleus where they turn on gene transcription by phosphorylating certain transcription factors. This action is thought to be important in stabilizing long-term memory formation (Chapters 53 and 54). MAP kinases also phosphorylate cytoplasmic and membrane proteins to produce short- term modulatory actions (Figure 14-5B).

تیروزین کینازهای گیرنده آبشاری از واکنش‌ها را آغاز می‌کنند که شامل چندین پروتئین آداپتور و دیگر پروتئین‌کینازها می‌شود که اغلب منجر به تغییر در رونویسی ژن می‌شود. پروتئین کینازهای فعال شده با میتوژن (MAP کینازها) یک گروه مهم از سرین-ترئونین کینازها هستند که می‌توانند توسط یک آبشار سیگنالینگ آغاز شده توسط گیرنده تیروزین کیناز فعال شوند. کینازهای MAP توسط آبشار واکنش‌های پروتئین کیناز (کیناز کیناز) فعال می‌شوند، که هر آبشار مختص یکی از سه نوع MAP کیناز است: کیناز تنظیم شده با سیگنال خارج سلولی (ERK)، کیناز P38 MAP و کیناز N ترمینال c-Jun (JNK). مپ‌کینازهای (MAP کینازهای) فعال شده چندین عمل مهم دارند. آنها به هسته منتقل می‌شوند، جایی که رونویسی ژن را با فسفریله کردن برخی از فاکتورهای رونویسی فعال می‌کنند. تصور می‌شود که این عمل در تثبیت شکل گیری حافظه بلند مدت مهم است (فصل ۵۳ و ۵۴). MAP کینازها همچنین پروتئین‌های سیتوپلاسمی و غشایی را فسفریله می‌کنند تا اقدامات تعدیلی کوتاه مدت ایجاد کنند (شکل ۱۴-5B).

Figure 14-5 Receptor tyrosine kinases.

شکل ۱۴-۵ گیرنده تیروزین کیناز.

A. Receptor tyrosine kinases are monomers in the absence of a ligand. The receptor contains a large extracellular binding domain that is connected by a single transmembrane segment to a large intracellular region that contains a catalytic tyrosine kinase domain. Ligand binding to the receptor often causes two receptor subunits to form dimers, enabling the enzyme to phosphorylate itself on various tyrosine residues on the cytoplasmic side of the membrane.

الف) تیروزین کینازهای گیرنده در غیاب لیگاند مونومر هستند. این گیرنده شامل یک حوزه اتصال خارج سلولی بزرگ است که توسط یک بخش گذر غشایی به یک منطقه بزرگ داخل سلولی که حاوی یک دامنه تیروزین کیناز کاتالیزوری است متصل می‌شود. اتصال لیگاند به گیرنده اغلب باعث می‌شود دو زیر واحد گیرنده دیمر تشکیل دهند و آنزیم را قادر می‌سازد تا خود را بر روی باقی مانده‌های تیروزین مختلف در سمت سیتوپلاسمی‌غشاء فسفریله کند.

B. After the receptor is autophosphorylated, several downstream signaling cascades become activated through the binding of specific adaptor proteins to the receptor phosphotyrosine residues (P). Left: Activation of mitogen-activated protein kinase (MAPK). A series of adaptor proteins recruits the small guanosine triphosphate (GTP)-binding protein Ras, which activates a protein kinase cascade, leading to the dual phosphorylation of MAP kinase on nearby threonine and tyrosine residues. The activated MAP kinase then phosphorylates substrate proteins on serine and threonine residues, including ion channels and transcription factors. Center: Phospholipase C., (PLC) becomes activated on binding to a different phosphotyrosine residue, providing a mechanism for producing inositol 1,4,5-trisphosphate (IP_۳) and diacylglycerol (DAG) that does not rely on G proteins. Right: Activation of the Akt protein kinase (also called PKB). Adaptor proteins first activate phosphoinositide 3-kinase (PI3K), which adds a phosphate group to PIP_۲, yielding PIP_۳, which then enables Akt activation.

ب. پس از اتوفسفریله شدن گیرنده، چندین آبشار سیگنال دهی پایین دست از طریق اتصال پروتئین‌های آداپتور خاص به باقی مانده‌های فسفوتیروزین گیرنده فعال می‌شوند. سمت چپ: فعال شدن پروتئین کیناز فعال شده با میتوژن (MAPK). مجموعه‌ای از پروتئین‌های آداپتور، پروتئین کوچک متصل شونده به گوانوزین تری فسفات (GTP) Ras را جذب می‌کنند که یک آبشار پروتئین کیناز را فعال می‌کند و منجر به فسفوریلاسیون دوگانه MAP کیناز بر روی باقی مانده‌های ترئونین و تیروزین می‌شود. سپس MAP کیناز فعال شده، پروتئین‌های سوبسترا را روی باقی مانده‌های سرین و ترئونین، از جمله کانال‌های یونی و فاکتورهای رونویسی، فسفریله می‌کند. مرکز: فسفولیپاز C (PLC) با اتصال به باقی مانده فسفوتیروزین متفاوت فعال می‌شود و مکانیزمی برای تولید اینوزیتول ۱،۴،۵-تری فسفات (IP3) و دی آسیل گلیسرول (DAG) فراهم می‌کند که به پروتئین‌های G متکی نیست. راست: فعال شدن پروتئین کیناز Akt (که PKB نیز نامیده می‌شود). پروتئین‌های آداپتور ابتدا فسفوئینوزیتید ۳-کیناز (PI3K) را فعال می‌کنند که یک گروه فسفات را به PIP2 اضافه می‌کند و PIP3 را تولید می‌کند که سپس فعال سازی Akt را فعال می‌کند.

Several Classes of Metabolites Can Serve as Transcellular Messengers

چندین دسته از متابولیت‌ها می‌توانند به عنوان پیام رسان‌های بین سلولی عمل کنند

The metabolic products we have considered so far in response to metabotropic receptor actions do not readily cross the cell membrane. As a result, they act as true intracellular second messengers: They only affect the cell that produces them. However, cells can also synthesize metabolites that are lipid soluble and so can both act on the cell that produces them and diffuse across the plasma membrane to affect neighboring cells. We refer to such molecules as transcellular messengers.

محصولات متابولیکی که ما تاکنون در پاسخ به اعمال گیرنده متابوتروپیک در نظر گرفته‌ایم به آسانی از غشای سلولی عبور نمی‌کنند. در نتیجه، آنها به عنوان پیام رسان دوم درون سلولی عمل می‌کنند: آنها فقط بر سلولی که آنها را تولید می‌کند تأثیر می‌گذارند. با این حال، سلول‌ها همچنین می‌توانند متابولیت‌هایی را سنتز کنند که محلول در چربی هستند و بنابراین هم می‌توانند بر روی سلولی که آنها را تولید می‌کند و هم در غشای پلاسمایی منتشر شده و سلول‌های مجاور را تحت تأثیر قرار دهند. ما به چنین مولکول‌هایی به عنوان پیام رسان‌های بین سلولی اشاره می‌کنیم.

Although these molecules have some functional resemblance to neurotransmitters, they differ in a number of important ways. They are not contained within vesicles and are not released at specialized synaptic contacts. They often do not act on membrane receptors but cross the plasma membrane of neighboring cells to reach intracellular targets. And their release and actions are much slower than those at fast synapses. We will consider three broad classes of transcellular messengers: the cyclooxygenase and lipoxygenase metabolites of the lipid molecule arachidonic acid, the endocannabinoids, and the gas nitric oxide.

اگرچه این مولکول‌ها شباهت‌های عملکردی با انتقال‌دهنده‌های عصبی دارند، اما از جهات مهمی‌با هم تفاوت دارند. آنها در داخل وزیکول‌ها وجود ندارند و در تماس‌های تخصصی سیناپسی آزاد نمی‌شوند. آنها اغلب بر روی گیرنده‌های غشایی عمل نمی‌کنند اما از غشای پلاسمایی سلول‌های همسایه عبور می‌کنند تا به اهداف درون سلولی برسند. و آزادسازی و اعمال آنها بسیار کندتر از سیناپس‌های سریع است. ما سه دسته وسیع از پیام رسان‌های بین سلولی را در نظر خواهیم گرفت: متابولیت‌های سیکلواکسیژناز و لیپواکسیژناز مولکول لیپیدی آراشیدونیک اسید، اندوکانابینوئیدها و اکسید نیتریک گاز.

Hydrolysis of Phospholipids by Phospholipase A_۲, Liberates Arachidonic Acid to Produce Other Second Messengers

هیدرولیز فسفولیپیدها توسط فسفولیپاز A2، اسید آراشیدونیک را آزاد می‌کند تا پیام رسان‌های دوم دیگری تولید کند.

Phospholipase A_۲, hydrolyzes phospholipids that are distinct from PIP_۲, cleaving the fatty acyl bond between the 2′ position of the glycerol backbone and arachidonic acid. This releases arachidonic acid, which is then converted through enzymatic action to one of a family of active metabolites called eicosanoids, so called because of their 20 (Greek eicosa) carbon atoms.

فسفولیپاز A2، فسفولیپیدهای متمایز از PIP2 را هیدرولیز می‌کند و پیوند آسیل چرب را بین موقعیت ‘۲ اسکلت گلیسرول و اسید آراشیدونیک می‌شکند. این اسید آراشیدونیک آزاد می‌کند که سپس از طریق عمل آنزیمی به یکی از خانواده متابولیت‌های فعال به نام ایکوزانوئیدها تبدیل می‌شود که به دلیل ۲۰ اتم کربن (ایکوزا یونانی) نامیده می‌شود.

Three types of enzymes metabolize arachidonic acid: (1) cyclooxygenases, which produce prostaglandins and thromboxanes; (2) several lipoxygenases, which produce a variety of other metabolites; and (3) the cytochrome P450 complex, which oxidizes arachidonic acid itself as well as cyclooxygenase and lipoxygenase metabolites (Figure 14-6). Synthesis of prostaglandins and thromboxanes in the brain is dramatically increased by nonspecific stimulation such as electroconvulsive shock, trauma, or acute cerebral ischemia (localized absence of blood flow). These metabolites can all be released by the cell that synthesizes them and thus act as transcellular signals. Many of the actions of prostaglandins are mediated by acting in the plasma membrane on a family of G protein- coupled receptors. The members of this receptor family can, in turn, activate or inhibit adenylyl cyclase or activate phospholipase C.

سه نوع آنزیم اسید آراشیدونیک را متابولیزه می‌کنند: (۱) سیکلواکسیژنازها که پروستاگلاندین‌ها و ترومبوکسان‌ها را تولید می‌کنند. (۲) چندین لیپوکسیژناز، که انواع متابولیت‌های دیگر را تولید می‌کنند. و (۳) کمپلکس سیتوکروم P450 که خود اسید آراشیدونیک و همچنین متابولیت‌های سیکلواکسیژناز و لیپوکسیژناز را اکسید می‌کند (شکل ۱۴-۶). سنتز پروستاگلاندین‌ها و ترومبوکسان‌ها در مغز با تحریک غیر اختصاصی مانند شوک الکتریکی، تروما، یا ایسکمی‌حاد مغزی (فقدان موضعی جریان خون) به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. این متابولیت‌ها همگی می‌توانند توسط سلولی که آنها را سنتز می‌کند آزاد شوند و بنابراین به عنوان سیگنال‌های بین سلولی عمل می‌کنند. بسیاری از اعمال پروستاگلاندین‌ها با اثر در غشای پلاسمایی روی خانواده ای از گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G انجام می‌شود. اعضای این خانواده گیرنده به نوبه خود می‌توانند آدنیلیل سیکلاز را فعال یا مهار کنند یا فسفولیپاز C را فعال کنند.

Endocannabinoids Are Transcellular Messengers That Inhibit Presynaptic Transmitter Release

اندوکانابینوئیدها پیام رسان‌های بین سلولی هستند که آزاد شدن فرستنده پیش‌سیناپسی را مهار می‌کنند.

In the early 1990s, researchers identified two types of G protein-coupled receptors, CB1 and CB2, which bind with high affinity the active compound in marijuana, A-tetrahydrocannabinol (THC). Both classes of receptors are coupled to G_i, and G_o, types of G proteins. The CB1 receptors are the most abundant type of G protein-coupled receptor in the brain and are found predominantly on axons and presynaptic terminals in both the central and peripheral nervous systems. Activation of these receptors inhibits release of several types of neurotransmitters, including both GABA and glutamate. The CB2 receptors are found mainly on lymphocytes, where they modulate the immune response.

در اوایل دهه ۱۹۹۰، محققان دو نوع گیرنده جفت شده با پروتئین G، CB1 و CB2 را شناسایی کردند که با میل ترکیبی بالا به ترکیب فعال ماری جوانا، A-tetrahydrocannabinol (THC) متصل می‌شوند. هر دو دسته از گیرنده‌ها با Gi و Go، انواع پروتئین‌های G جفت می‌شوند. گیرنده‌های CB1 فراوان ترین نوع گیرنده جفت شده با پروتئین G در مغز هستند و عمدتاً در آکسون‌ها و پایانه‌های پیش‌سیناپسی در هر دو سیستم عصبی مرکزی و محیطی یافت می‌شوند. فعال شدن این گیرنده‌ها از آزادسازی چندین نوع انتقال دهنده عصبی از جمله GABA و گلوتامات جلوگیری می‌کند. گیرنده‌های CB2 عمدتاً روی لنفوسیت‌ها یافت می‌شوند، جایی که آنها پاسخ ایمنی را تعدیل می‌کنند.

The identification of the cannabinoid receptors led to the purification of their endogenous ligands, the endocannabinoids. Two major endocannabinoids have been identified; both contain an arachidonic acid moiety and bind to both CB1 and CB2 receptors. Anandamide (Sanskrit ananda, bliss) consists of arachidonic acid coupled to ethanolamine (arachidonyl-ethanolamide); 2-arachidonylglycerol (2-AG) consists of arachidonic acid esterified at the 2 position of glycerol. Both are produced by the enzymatic hydrolysis of phospholipids containing arachidonic acid, a process that is initiated either when certain G protein-coupled receptors are stimulated or the internal Ca2+ concentration is elevated (Figure 14-6). However, whereas 2-AG is synthesized in nearly all neurons, the sources of anandamide are less well characterized.

شناسایی گیرنده‌های کانابینوئید منجر به خالص سازی لیگاندهای درون زا آنها، اندوکانابینوئیدها شد. دو اندوکانابینوئید اصلی شناسایی شده است. هر دو حاوی یک بخش اسید آراشیدونیک هستند و به هر دو گیرنده CB1 و CB2 متصل می‌شوند. آناندامید (سنسکریت ananda، بلیس) از اسید آراشیدونیک همراه با اتانول آمین (آراشیدونیل-اتانول آمید) تشکیل شده است. ۲-آراشیدونیل گلیسرول (۲-AG) از اسید آراشیدونیک استری شده در موقعیت ۲ گلیسرول تشکیل شده است. هر دو توسط هیدرولیز آنزیمی‌فسفولیپیدهای حاوی آراشیدونیک اسید تولید می‌شوند، فرآیندی که یا زمانی که گیرنده‌های خاص جفت شده با پروتئین G تحریک می‌شوند یا غلظت +Ca2 داخلی افزایش می‌یابد، آغاز می‌شود (شکل ۱۴-۶). با این حال، در حالی که ۲-AG تقریباً در تمام نورون‌ها سنتز می‌شود، منابع آناندامید به خوبی مشخص نمی‌شوند.

Because the endocannabinoids are lipid metabolites that can diffuse through the membrane, they function as transcellular signals that act on neighboring cells, including presynaptic terminals. Production of these metabolites is often stimulated in postsynaptic neurons by the increase in intracellular Ca2+ that results from postsynaptic excitation. Once produced, the endocannabinoids diffuse through the cell membrane to nearby presynaptic terminals, where they bind to CB1 receptors and inhibit transmitter release. In this manner, the postsynaptic cell can control activity of the presynaptic neuron. There is now intense interest in understanding how the activation of these receptors in the brain leads to the various behavioral effects of marijuana.

از آنجایی که اندوکانابینوئیدها متابولیت‌های لیپیدی هستند که می‌توانند از طریق غشاء پخش شوند، به عنوان سیگنال‌های بین سلولی عمل می‌کنند که بر روی سلول‌های مجاور، از جمله پایانه‌های پیش‌سیناپسی، عمل می‌کنند. تولید این متابولیت‌ها اغلب در نورون‌های پس‌سیناپسی با افزایش +Ca2 داخل سلولی که از تحریک پس‌سیناپسی ناشی می‌شود، تحریک می‌شود. پس از تولید، اندوکانابینوئیدها از طریق غشای سلولی به پایانه‌های پیش‌سیناپسی مجاور منتشر می‌شوند، جایی که به گیرنده‌های CB1 متصل می‌شوند و آزاد شدن فرستنده را مهار می‌کنند. به این ترتیب، سلول پس‌سیناپسی می‌تواند فعالیت نورون پیش‌سیناپسی را کنترل کند. در حال حاضر علاقه شدیدی برای درک اینکه چگونه فعال شدن این گیرنده‌ها در مغز منجر به اثرات رفتاری مختلف ماری جوانا می‌شود وجود دارد.

The Gaseous Second Messenger Nitric Oxide Is a Transcellular Signal That Stimulates Cyclic GMP Synthesis

نیتریک اکسید نیتریک پیام رسان دوم گازی یک سیگنال بین سلولی است که سنتز چرخه ای GMP را تحریک می‌کند.

Nitric oxide (NO) acts as a transcellular messenger in neurons as well as in other cells of the body. The modulatory function of NO was discovered through its action as a local hormone released from the endothelial cells of blood vessels, causing relaxation of the smooth muscle of vessel walls. Like the metabolites of arachidonic acid, NO readily passes through cell membranes and can affect nearby cells without acting on a surface receptor. Nitric oxide is a free radical and so is highly reactive and short-lived.

اکسید نیتریک (NO) به عنوان یک پیام رسان بین سلولی در نورون‌ها و همچنین در سایر سلول‌های بدن عمل می‌کند. عملکرد تعدیلی NO از طریق عمل آن به عنوان یک هورمون موضعی آزاد شده از سلول‌های اندوتلیال عروق خونی کشف شد که باعث شل شدن ماهیچه صاف دیواره عروق می‌شود. مانند متابولیت‌های اسید آراشیدونیک، NO به راحتی از غشای سلولی عبور می‌کند و می‌تواند سلول‌های مجاور را بدون اثر بر گیرنده‌های سطحی تحت تاثیر قرار دهد. اکسید نیتریک یک رادیکال آزاد است و بنابراین بسیار واکنش پذیر و کوتاه مدت است.

Nitric oxide produces many of its actions by stimulating the synthesis of guanosine 3′,5′-cyclic monophosphate (cyclic GMP or cGMP), which like CAMP is a cytoplasmic second messenger that activates a protein kinase. Specifically, NO activates guanylyl cyclase, the enzyme that converts GTP to CGMP. There are two types of guanylyl cyclase. One is an integral membrane protein with an extracellular receptor domain and an intracellular catalytic domain that synthesizes cGMP. The other is cytoplasmic (soluble guanylyl cyclase) and is the isoform activated by NO. In some instances, NO is thought to act directly by modifying sulfhydryl groups on cysteine residues of various proteins, a process termed nitrosylation.

اکسید نیتریک بسیاری از اعمال خود را با تحریک سنتز گوانوزین ‘۳،’۵- مونوفسفات حلقوی (GMP حلقوی یا cGMP) تولید می‌کند، که مانند CAMP یک پیام رسان دوم سیتوپلاسمی‌است که پروتئین کیناز را فعال می‌کند. به طور خاص، NO، گوانیلیل سیکلاز، آنزیمی که GTP را به CGMP تبدیل می‌کند، فعال می‌کند. دو نوع گوانیلیل سیکلاز وجود دارد. یکی یک پروتئین غشایی یکپارچه با یک دامنه گیرنده خارج سلولی و یک دامنه کاتالیزوری درون سلولی است که cGMP را سنتز می‌کند. دیگری سیتوپلاسمی‌است (گوانیلیل سیکلاز محلول) و ایزوفرم است که توسط NO فعال می‌شود. در برخی موارد تصور می‌شود که NO مستقیماً با اصلاح گروه‌های سولفیدریل روی باقی‌مانده‌های سیستئین پروتئین‌های مختلف، فرآیندی که به آن نیتروسیلاسیون می‌گویند، عمل می‌کند.

Figure 14-6 Three phospholipases generate distinct second messengers by hydrolysis of phospholipids containing arachidonic acid.

شکل ۱۴-۶ سه فسفولیپاز با هیدرولیز فسفولیپیدهای حاوی اسید آراشیدونیک، پیام رسان‌های دوم مجزا تولید می‌کنند.

Pathway 1. Stimulation of G protein-coupled receptors leads to activation of phospholipase A_۲ (PLA_۲) by the free By-subunit complex. Phospholipase A_۲ hydrolyzes phosphatidylinositol (PI) in the plasma membrane, leading to the release of arachidonic acid, a 20-carbon fatty acid with four double bonds that is a component of many phospholipids. Once released, arachidonic acid is metabolized through several pathways, three of which are shown. The 12- and 5-lipoxygenase pathways both produce several active metabolites; the cyclooxygenase pathway pro- duces prostaglandins and thromboxanes. Cyclooxygenase is inhibited by indomethacin, aspirin, and other nonsteroidal anti- inflammatory drugs. Arachidonic acid and many of its metabolites modulate the activity of certain ion channels. (HPETE, hydroperoxyeicosatetraenoic acid.)

مسیر ۱. تحریک گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G منجر به فعال شدن فسفولیپاز A2 (PLA2) توسط کمپلکس آزاد By-subunit می‌شود. فسفولیپاز A2 فسفاتیدیل‌نوزیتول (PI) را در غشای پلاسمایی هیدرولیز می‌کند و منجر به آزاد شدن اسید آراشیدونیک، یک اسید چرب ۲۰ کربنی با چهار پیوند دوگانه می‌شود که جزء بسیاری از فسفولیپیدها است. پس از آزاد شدن، اسید آراشیدونیک از طریق چندین مسیر متابولیزه می‌شود که سه مورد از آنها نشان داده شده است. مسیرهای ۱۲ و ۵ لیپوکسیژناز هر دو چندین متابولیت فعال تولید می‌کنند. مسیر سیکلواکسیژناز پروستاگلاندین‌ها و ترومبوکسان‌ها را تولید می‌کند. سیکلواکسیژناز توسط ایندومتاسین، آسپرین و سایر داروهای ضد التهابی غیر استروئیدی مهار می‌شود. اسید آراشیدونیک و بسیاری از متابولیت‌های آن فعالیت کانال‌های یونی خاصی را تعدیل می‌کنند. (HPETE، هیدروپروکسی ایکوزاتترانوئیک اسید.)

Pathway 2. Other G proteins activate phospholipase C (PLC), which hydrolyzes Pl in the membrane to generate DAG (see Figure 14-4). Hydrolysis of DAG by a second enzyme, diacylglycerol lipase (DAGL), leads to production of 2-arachidonyl- glycerol (2-AG), an endocannabinoid that is released from neuronal membranes and then activates G protein-coupled endocannabinoid receptors in the plasma membrane of other neighboring neurons.

مسیر ۲. سایر پروتئین‌های G فسفولیپاز C (PLC) را فعال می‌کنند که Pl را در غشاء هیدرولیز می‌کند تا DAG تولید کند (شکل ۱۴-۴ را ببینید). هیدرولیز DAG توسط آنزیم دوم، دی آسیل گلیسرول لیپاز (DAGL)، منجر به تولید ۲-آراشیدونیل گلیسرول (۲-AG) می‌شود، یک اندوکانابینوئید که از غشای عصبی آزاد می‌شود و سپس گیرنده‌های اندوکانابینوئیدی جفت شده با پروتئین G را در غشای پلاسما فعال می‌کند. سایر نورون‌های همسایه

Pathway 3. Elevation of intracellular Ca2+ activates phospholipase D (PLD), which hydrolyzes phospholipids that have an unusual polar head group containing arachidonic acid (N-arachidonylphosphatidylethanolamine [N-arachidonyl PE]). This action generates a second endocannabinoid termed anandamide (arachidonylethanolamide).

مسیر ۳. افزایش Ca2 داخل سلولی فسفولیپاز D (PLD) را فعال می‌کند، که فسفولیپیدهایی را که دارای یک گروه سر قطبی غیرعادی حاوی اسید آراشیدونیک هستند (N-arachidonylphosphatidylethanolamine [N-arachidonyl PE]) هیدرولیز می‌کند. این عمل باعث تولید دومین اندوکانابینوئید به نام آناندامید (آراشیدونیل اتانول آمید) می‌شود.

Cyclic GMP has two major actions. It acts directly to open cyclic nucleotide-gated channels (important for phototransduction and olfactory signaling, as described in Chapters 22 and 29, respectively), and it activates the cGMP-dependent protein kinase (PKG), which like PKA phosphorylates substrate proteins on certain serine or threonine residues. PKG differs from the PKA in that it is a single polypeptide with both regulatory (cGMP-binding) and catalytic domains, which are homologous to regulatory and catalytic domains in other protein kinases. It also phosphorylates a distinct set of substrates from PKA.

GMP چرخه ای دو عمل عمده دارد. مستقیماً برای باز کردن کانال‌های حلقوی نوکلئوتیدی (برای انتقال نوری و سیگنال‌دهی بویایی، همانطور که به ترتیب در فصل‌های ۲۲ و ۲۹ توضیح داده شد، مهم است) عمل می‌کند، و پروتئین کیناز وابسته به cGMP (PKG) را فعال می‌کند، که مانند PKA پروتئین‌های سوبسترای خاصی را فسفریله می‌کند. باقی مانده‌های سرین یا ترئونین تفاوت PKG با PKA در این است که یک پلی پپتید منفرد با هر دو حوزه تنظیمی‌ (cGMP-binding) و کاتالیزوری است که با دامنه‌های تنظیمی‌و کاتالیزوری در سایر پروتئین کینازها همولوگ هستند. همچنین مجموعه ای متمایز از بسترهای PKA را فسفریله می‌کند.

Cyclic GMP-dependent phosphorylation of proteins is prominent in Purkinje cells of the cerebellum, large neurons with copiously branching dendrites. There, the cGMP cascade is activated by NO produced and released from the presynaptic terminals of granule cell axons (the parallel fibers) that make excitatory synapses onto the Purkinje cells. This increase in cGMP in the Purkinje neuron reduces the response of the AMPA receptors to glutamate, thereby depressing fast excitatory transmission at the parallel fiber synapse.

فسفوریلاسیون چرخه‌ای پروتئین‌ها وابسته به GMP در سلول‌های پورکنژ مخچه، نورون‌های بزرگ با دندریت‌های انشعاب فراوان، برجسته است. در آنجا، آبشار cGMP توسط NO تولید شده و آزاد شده از پایانه‌های پیش‌سیناپسی آکسون‌های سلول گرانول (الیاف موازی) که سیناپس‌های تحریکی را بر روی سلول‌های پورکنژ می‌سازند، فعال می‌شود. این افزایش در cGMP در نورون پورکنژ پاسخ گیرنده‌های AMPA به گلوتامات را کاهش می‌دهد و در نتیجه انتقال تحریکی سریع در سیناپس فیبر موازی را کاهش می‌دهد.

---

---

---

---

---

---

---

---