علوم اعصاب پروس؛ نوروترانسمیترهای گابا و گلیسین

GABA and Glycine

Most inhibitory synapses in the brain and spinal cord use either g-aminobutyric acid (GABA) or glycine as neurotransmitters (Figure 6.10). GABA was identified in brain tissue during the 1950s (as was glutamate). It is now known that as many as a third of the synapses in the brain use GABA as their inhibitory neurotransmitter. GABA is most commonly found in local circuit interneurons, although medium spiny neurons of the striatum (see Chapter 18) and cerebellar Purkinje cells (see Chapter 19) are examples of GABAergic projection neurons.

گابا و گلیسین

بیشتر سیناپس‌های مهاری در مغز و نخاع از گاما آمینوبوتیریک اسید (GABA) یا گلیسین به عنوان انتقال‌دهنده عصبی استفاده می‌کنند (شکل 6.10). گابا در دهه 1950 در بافت مغز شناسایی شد (همانطور که گلوتامات شناسایی شد). اکنون مشخص شده است که تا یک سوم سیناپس‌های مغز از گابا به عنوان انتقال‌دهنده عصبی مهاری خود استفاده می‌کنند. گابا بیشتر در نورون‌های رابط مدار موضعی یافت می‌شود، اگرچه نورون‌های خاردار متوسط ​​جسم مخطط (به فصل 18 مراجعه کنید) و سلول‌های پورکنژ مخچه (به فصل 19 مراجعه کنید) نمونه‌هایی از نورون‌های پرتابی گاباارژیک هستند.

The predominant precursor for GABA synthesis is glucose, which is metabolized to glutamate by the tricarboxylic acid cycle enzymes. (Pyruvate and glutamine can also act as GABA precursors.) The enzyme glutamic acid decarboxylase (GAD), which is found almost exclusively in GABAergic neurons, catalyzes the conversion of glutamate to GABA (Figure 6.10A). GAD requires a co-factor, pyridoxal phosphate, for activity. Because pyridoxal phosphate is derived from vitamin B₆, a deficiency of this vitamin can lead to diminished GABA synthesis. The significance of this fact became clear after a disastrous series of infant deaths was linked to the omission of vitamin B₆ from infant formula. The absence of vitamin B₆ greatly reduced the GABA content of the brain, and the subsequent loss of synaptic inhibition caused seizures that in some cases were fatal. Once GABA is synthesized, it is transported into synaptic vesicles via a vesicular inhibitory amino acid transporter (VIAAT).

پیش‌ساز غالب برای سنتز GABA گلوکز است که توسط آنزیم‌های چرخه اسید تری‌کربوکسیلیک به گلوتامات متابولیزه می‌شود. (پیروات و گلوتامین نیز می‌توانند به عنوان پیش‌سازهای GABA عمل کنند.) آنزیم گلوتامیک اسید دکربوکسیلاز (GAD)، که تقریباً منحصراً در نورون‌های GABAergic یافت می‌شود، تبدیل گلوتامات به GABA را کاتالیز می‌کند (شکل 6.10A). GAD برای فعالیت به یک کوفاکتور، پیریدوکسال فسفات، نیاز دارد. از آنجا که پیریدوکسال فسفات از ویتامین B6 مشتق شده است، کمبود این ویتامین می‌تواند منجر به کاهش سنتز GABA شود. اهمیت این واقعیت پس از یک سری فاجعه‌بار مرگ نوزادان که با حذف ویتامین B6 از شیر خشک مرتبط بود، آشکار شد. عدم وجود ویتامین B6 محتوای GABA مغز را به میزان زیادی کاهش داد و از دست دادن مهار سیناپسی متعاقب آن باعث تشنج‌هایی شد که در برخی موارد کشنده بودند. پس از سنتز GABA، از طریق یک ناقل اسید آمینه مهارکننده وزیکولی (VIAAT) به وزیکول‌های سیناپسی منتقل می‌شود.

FIGURE 6.10 Synthesis, release, and reuptake of the inhibitory neurotransmitters GABA and glycine. GABA is synthesized from glutamate by the enzyme glutamic acid decarboxylase, which requires pyridoxal phosphate. (B) Glycine can be synthesized by several metabolic pathways; in the brain, the major precursor is serine. High-affinity transporters terminate the actions of these transmitters and return GABA or glycine to the synaptic terminals for reuse, with both transmitters being loaded into synaptic vesicles via the vesicular inhibitory amino acid transporter (VIAAT).

شکل ۶.۱۰ سنتز، آزادسازی و بازجذب نوروترانسمیترهای مهاری GABA و گلیسین. GABA توسط آنزیم گلوتامیک اسید دکربوکسیلاز از گلوتامات سنتز می‌شود که به پیریدوکسال فسفات نیاز دارد. (ب) گلیسین می‌تواند توسط چندین مسیر متابولیکی سنتز شود؛ در مغز، پیش‌ساز اصلی سرین است. ناقل‌های با میل ترکیبی بالا، عملکرد این ناقل‌ها را خاتمه می‌دهند و GABA یا گلیسین را برای استفاده مجدد به پایانه‌های سیناپسی بازمی‌گردانند، و هر دو ناقل از طریق ناقل اسید آمینه مهاری وزیکولی (VIAAT) در وزیکول‌های سیناپسی بارگذاری می‌شوند.

The mechanism of GABA removal is similar to that for glutamate: Both neurons and glia contain high-affinity Na⁺-dependent co-transporters for GABA. These co-transporters are termed GATs, and several forms of GAT have been identified. Most GABA is eventually converted to succinate, which is metabolized further in the tricarboxylic acid cycle that mediates cellular ATP synthesis. Two mitochondrial enzymes are required for this degradation: GABA transaminase and succinic semialdehyde dehydrogenase. There are also other pathways for degradation of GABA, the most noteworthy of which results in the production of g-hydroxybutyrate, a GABA derivative that has been abused as a “date rape” drug. Oral administration of g-hydroxybutyrate can cause euphoria, memory deficits, and unconsciousness. Presumably these effects arise from actions on GABAergic synapses in the CNS: Inhibition of GABA breakdown causes a rise in tissue GABA content and an increase in synaptic inhibitory activity.

مکانیسم حذف GABA مشابه مکانیسم گلوتامات است: هم نورون‌ها و هم گلیاها حاوی انتقال‌دهنده‌های کمکی وابسته به ⁺Na با میل ترکیبی بالا برای GABA هستند. این انتقال‌دهنده‌های کمکی GAT نامیده می‌شوند و چندین شکل از GAT شناسایی شده است. بیشتر GABA در نهایت به سوکسینات تبدیل می‌شود که در چرخه اسید تری کربوکسیلیک که واسطه سنتز ATP سلولی است، بیشتر متابولیزه می‌شود. دو آنزیم میتوکندریایی برای این تخریب مورد نیاز است: GABA ترانس آمیناز و سوکسینیک سمی آلدهید دهیدروژناز. همچنین مسیرهای دیگری برای تخریب GABA وجود دارد که قابل توجه‌ترین آنها منجر به تولید g-هیدروکسی بوتیرات، یک مشتق GABA که به عنوان داروی “تجاوز به عنف” مورد سوء مصرف قرار گرفته است، می‌شود. مصرف خوراکی g-هیدروکسی بوتیرات می‌تواند باعث سرخوشی، نقص حافظه و بیهوشی شود. احتمالاً این اثرات از اثرات بر سیناپس‌های GABAergic در CNS ناشی می‌شود: مهار تجزیه GABA باعث افزایش محتوای GABA بافتی و افزایش فعالیت مهاری سیناپسی می‌شود.

GABAergic synapses employ two types of postsynaptic receptors, called GABAA and GABAB. GABAA are ionotropic receptors, while GABAB are metabotropic receptors. The ionotropic GABAA receptors are GABA-gated anion channels, with Cl^– being the main permeant ion under physiological conditions. The reversal potential for Cl^– usually is more negative than the threshold for action potential firing (see Figure 5.19) due to the action of the K⁺/Cl^– co-transporter (see Figure 4.13D), which keeps intracellular Cl^– concentration low. Thus, activation of these GABA receptors causes an influx of negatively charged Cl^– that inhibits postsynaptic cells (Figure 6.11A). In cases where postsynaptic Cl^– concentration is high—in developing neurons, for example—GABAA receptors can excite their postsynaptic targets (Box 6B).

سیناپس‌های گاباارژیک از دو نوع گیرنده پس‌سیناپسی به نام‌های GABAA و GABAB استفاده می‌کنند. GABAA گیرنده‌های یونوتروپیک هستند، در حالی که GABAB گیرنده‌های متابوتروپیک هستند. گیرنده‌های یونوتروپیک GABAA کانال‌های آنیونی وابسته به GABA هستند که Cl- یون اصلی نفوذپذیر در شرایط فیزیولوژیکی است. پتانسیل معکوس برای Cl- معمولاً منفی‌تر از آستانه شلیک پتانسیل عمل است (شکل 5.19 را ببینید) به دلیل عملکرد هم-انتقال‌دهنده K⁺/Cl- (شکل 4.13D را ببینید) که غلظت Cl- درون سلولی را پایین نگه می‌دارد. بنابراین، فعال شدن این گیرنده‌های GABA باعث هجوم Cl- با بار منفی می‌شود که سلول‌های پس‌سیناپسی را مهار می‌کند (شکل 6.11A). در مواردی که غلظت Cl- پس‌سیناپسی بالا است به عنوان مثال در نورون‌های در حال توسعه – گیرنده‌های GABAA می‌توانند اهداف پس‌سیناپسی خود را تحریک کنند (کادر 6B).

Like nACh receptors, GABAA receptors are pentamers (Figure 6.11B). There are 19 types of GABAA subunits (see Figure 6.3F); this diversity of subunits causes the composition and function of GABAA receptors to differ widely among neuronal types. Typically, GABAA receptors consist of two a subunits, two b subunits, and one other subunit, most often a g subunit. A specialized type of GABAA receptor, found exclusively in the retina, consists entirely of r subunits and is called the GABAAr receptor (formerly the GABAC receptor). The five GABAA receptor subunits are assembled into a structure quite similar to that of the nAChR (see Figure 6.11B). The transmembrane domains of the subunits form a central pore that includes a ring of positive charges that presumably serve as the binding site for Cl^– (Figure 6.11C). GABA binds in pockets found at the interface between the extracellular domains of the subunits; many other types of ligands also bind to these sites (Figure 6.11D). Benzodiazepines such as diazepam (Valium) and chlordiazepoxide (Librium) are anxiety-reducing drugs that enhance GABAergic transmission by binding to the extracellular domains of a and d subunits of GABAA receptors.

گیرنده‌های GABAA مانند گیرنده‌های nACh، پنج‌تایی هستند (شکل 6.11B). 19 نوع زیرواحد GABAA وجود دارد (شکل 6.3F را ببینید)؛ این تنوع زیرواحدها باعث می‌شود ترکیب و عملکرد گیرنده‌های GABAA در بین انواع نورون‌ها بسیار متفاوت باشد. معمولاً گیرنده‌های GABAA از دو زیرواحد a، دو زیرواحد b و یک زیرواحد دیگر، که اغلب یک زیرواحد g است، تشکیل شده‌اند. یک نوع تخصصی از گیرنده GABAA، که منحصراً در شبکیه یافت می‌شود، کاملاً از زیرواحدهای r تشکیل شده و گیرنده GABAAr (که قبلاً گیرنده GABAC بود) نامیده می‌شود. پنج زیرواحد گیرنده GABAA در ساختاری کاملاً شبیه به nAChR جمع شده‌اند (شکل 6.11B را ببینید). دامنه‌های غشایی زیرواحدها یک منفذ مرکزی تشکیل می‌دهند که شامل حلقه‌ای از بارهای مثبت است که احتمالاً به عنوان محل اتصال Cl- عمل می‌کند (شکل 6.11C). گابا در فضاهایی که در سطح مشترک بین دامنه‌های خارج سلولی زیرواحدها یافت می‌شوند، متصل می‌شود؛ بسیاری از انواع دیگر لیگاندها نیز به این مکان‌ها متصل می‌شوند (شکل 6.11D). بنزودیازپین‌ها مانند دیازپام (والیوم) و کلردیازپوکساید (لیبریوم) داروهای کاهش‌دهنده اضطراب هستند که با اتصال به دامنه‌های خارج سلولی زیرواحدهای a و d گیرنده‌های GABAA، انتقال گاباارژیک را افزایش می‌دهند.

The same sitebinds the hypnotic zolpidem (Ambien), which is widely used to induce sleep. Barbiturates such as phenobarbital and pentobarbital are other hypnotics that also bind to the extracellular domains of the a and b subunits of some GABA receptors and potentiate GABAergic transmission; these drugs are used therapeutically for anesthesia and to control epilepsy. The injection anesthetic ketamine also binds to the extracellular domain of GABA receptors (see Figure 6.11D). The transmembrane domains of GABAA receptors also serve as the targets for numerous ligands, such as inhalant anesthetics and steroids. Another drug that binds to the transmembrane domain of GABA receptors is ethanol; at least some aspects of drunken behavior are caused by ethanol-mediated alterations in ionotropic GABA receptors.

همین محل، زولپیدم خواب‌آور (Ambien) را که به طور گسترده برای القای خواب استفاده می‌شود، متصل می‌کند. باربیتورات‌هایی مانند فنوباربیتال و پنتوباربیتال، دیگر داروهای خواب‌آور هستند که به دامنه‌های خارج سلولی زیر واحدهای a و b برخی از گیرنده‌های GABA نیز متصل می‌شوند و انتقال GABAergic را تقویت می‌کنند. این داروها به صورت درمانی برای بیهوشی و کنترل صرع استفاده می‌شوند. کتامین، داروی بیهوشی تزریقی، نیز به دامنه خارج سلولی گیرنده‌های GABA متصل می‌شود (شکل 6.11D را ببینید). دامنه‌های غشایی گیرنده‌های GABAA همچنین به عنوان اهدافی برای لیگاندهای متعدد، مانند بی‌حس‌کننده‌های استنشاقی و استروئیدها، عمل می‌کنند. داروی دیگری که به دامنه غشایی گیرنده‌های GABA متصل می‌شود، اتانول است. حداقل برخی از جنبه‌های رفتار مستی ناشی از تغییرات ناشی از اتانول در گیرنده‌های یونوتروپیک GABA است.

FIGURE 6.11 Ionotropic GABA receptors. (A) Stimulation of a presynaptic GABAergic interneuron, at the time indicated by the arrow, causes a transient inhibition of action potential firing in the postsynaptic target. This inhibitory response is causedby activation of postsynaptic GABAA receptors. (B–D) Crystallographic structure of a GABAA receptor. (B) The receptor is formed from five subunits, each containing an extracellular domain and a transmembrane domain. One subunit is highlighted in blue. (C) This extracellular perspective shows the pore formed by the transmembrane domains of the receptor subunits. (D) View of two receptor subunits, indicating the binding sites for numerous ligands. Here the GABA binding site is occupied by benzamidine, a GABAA receptor agonist. (A after Chavas and Marty, 2003; B,C from Miller and Aricescu, 2014; D from Puthenkalam et al., 2016.)

شکل ۶.۱۱ گیرنده‌های یونوتروپیک GABA. (الف) تحریک یک نورون رابط GABAergic پیش‌سیناپسی، در زمانی که با فلش نشان داده شده است، باعث مهار گذرای شلیک پتانسیل عمل در هدف پس‌سیناپسی می‌شود. این پاسخ مهاری در اثر فعال شدن گیرنده‌های GABAA پس‌سیناپسی ایجاد می‌شود. (ب-د) ساختار کریستالوگرافی یک گیرنده GABAA. (ب) گیرنده از پنج زیر واحد تشکیل شده است که هر کدام حاوی یک دامنه خارج سلولی و یک دامنه غشایی هستند. یک زیر واحد با رنگ آبی برجسته شده است. (ج) این نمای خارج سلولی، منفذی را نشان می‌دهد که توسط دامنه‌های غشایی زیر واحدهای گیرنده تشکیل شده است. (د) نمای دو زیر واحد گیرنده، نشان‌دهنده جایگاه‌های اتصال برای لیگاندهای متعدد است. در اینجا جایگاه اتصال GABA توسط بنزامیدین، یک آگونیست گیرنده GABAA، اشغال شده است. (الف) برگرفته از چاواس و مارتی، ۲۰۰۳؛ ب، ج برگرفته از میلر و آریچسکو، ۲۰۱۴؛ د برگرفته از پوتنکالام و همکاران، ۲۰۱۶.)

The metabotropic GABAB receptors are also widely distributed in the brain. Like the ionotropic GABA receptors, GABAB receptors are inhibitory. Rather than relying on Cl^–-selective channels, however, GABAB-mediated inhibition is often due to the activation of K⁺ channels. A second action of GABAB receptors is to block Ca²⁺ channels, which also inhibits postsynaptic cells. The structure of GABAB receptors is similar to that of other metabotropic receptors, although GABAB receptors assemble as heterodimers of B1 and B2 subunits (Figure 6.12). Like the mGluRs, GABAB receptors possess venus flytrap domains (see Figure 6.12, left), but these bind GABA rather than glutamate. Binding of GABA to the venus flytrap domain of the B1 subunit causes this domain to close, leading to conformational changes in the transmembrane domains of both subunits that permit binding of G-proteins (see Figure 6.12, right).

گیرنده‌های متابوتروپیک GABAB نیز به طور گسترده در مغز توزیع شده‌اند. گیرنده‌های GABAB مانند گیرنده‌های یونوتروپیک GABA، مهارکننده هستند. با این حال، مهار با واسطه GABAB به جای تکیه بر کانال‌های انتخابی -Cl، اغلب به دلیل فعال شدن کانال‌های +K است. عمل دوم گیرنده‌های GABAB مسدود کردن کانال‌های +Ca2 است که سلول‌های پس سیناپسی را نیز مهار می‌کند. ساختار گیرنده‌های GABAB مشابه سایر گیرنده‌های متابوتروپیک است، اگرچه گیرنده‌های GABAB به صورت هترودایمرهای زیر واحدهای B1 و B2 جمع می‌شوند (شکل 6.12). مانند mGluRها، گیرنده‌های GABAB دارای دامنه‌های زهره مگس‌خوار هستند (شکل 6.12، سمت چپ را ببینید)، اما این دامنه‌ها به جای گلوتامات به GABA متصل می‌شوند. اتصال GABA به دامنه‌ی زهره مگس‌خوار زیر واحد B1 باعث بسته شدن این دامنه می‌شود و منجر به تغییرات ساختاری در دامنه‌های غشایی هر دو زیر واحد می‌شود که امکان اتصال پروتئین‌های G را فراهم می‌کند (شکل 6.12، سمت راست را ببینید).

FIGURE 6.12 Structure of metabotropic GABAB receptors. (Left) Metabotropic GABAB receptors are heterodimers of B1 and B2 subunits, each containing a venus flytrap domain and a transmembrane domain. (Right) Binding of GABA (green spheres) to the venus flytrap domain of the B1 subunit causes the transmembrane domains to move and bind to G-proteins, thereby activating intracellular signaling processes. (From Pin and Bettler, 2016).

شکل ۶.۱۲ ساختار گیرنده‌های متابوتروپیک GABAB. (چپ) گیرنده‌های متابوتروپیک GABAB هترودایمرهایی از زیرواحدهای B1 و B2 هستند که هر کدام حاوی یک دامنه ونوس مگس‌خوار و یک دامنه غشایی هستند. (راست) اتصال GABA (کره‌های سبز) به دامنه ونوس مگس‌خوار زیرواحد B1 باعث می‌شود دامنه‌های غشایی حرکت کرده و به پروتئین‌های G متصل شوند و در نتیجه فرآیندهای سیگنالینگ درون سلولی را فعال کنند. (از پین و بتلر، 2016).

BOX  6B  ◊ Excitatory Actions of GABA in the Developing Brain

کادر ۶ب ◊ اعمال تحریکی گابا در مغز در حال رشد

Although GABA normally functions as an inhibitory neurotransmitter in the mature brain, in the developing brain GABA excites its target cells. This remarkable reversal of action arises from developmental changes in intracellular Cl– homeostasis. The mechanisms involved in this switch have been studied most extensively in cortical neurons. In young neurons, intracellular Cl– concentration is controlled mainly by the Na+/K+/Cl co-transporter, which pumps Cl– into the neurons and yields a high [Cl–]i (Figure A, left). As the neurons continue to develop, they begin to express a K+/Cl– co-transporter that pumps Cl– out of the neurons and lowers [Cl–]i (see Figure A, right). Such shifts  in  Cl–  homeostasis  can  cause[Cl–]i to drop several-fold over the first 1 to 2 postnatal weeks of development (Figure B).

اگرچه گابا معمولاً به عنوان یک انتقال‌دهنده عصبی مهاری در مغز بالغ عمل می‌کند، در مغز در حال رشد، گابا سلول‌های هدف خود را تحریک می‌کند. این تغییر قابل توجه عملکرد، ناشی از تغییرات رشدی در هموستاز Cl درون سلولی است. مکانیسم‌های دخیل در این تغییر، به طور گسترده در نورون‌های قشری مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. در نورون‌های جوان، غلظت Cl درون سلولی عمدتاً توسط هم انتقال‌دهنده Na⁺/K⁺/Cl- کنترل می‌شود که Cl را به درون نورون‌ها پمپ می‌کند و i[Cl] بالایی تولید می‌کند (شکل A، سمت چپ). با ادامه رشد نورون‌ها، آنها شروع به بیان یک هم انتقال‌دهنده K⁺/Cl می‌کنند که Cl را از نورون‌ها خارج کرده و [Cl]i را کاهش می‌دهد (شکل A، سمت راست را ببینید). چنین تغییراتی در هموستاز Cl می‌تواند باعث شود [Cl]i در 1 تا 2 هفته اول پس از تولد چندین برابر کاهش یابد (شکل B).

Because ionotropic GABA receptors are Cl–-permeable channels, ion flux through these receptors varies accordto the electrochemical driving force on Cl–. In the young neurons, where [Cl–] i is high, ECl is more positive than the resting potential. As a result, GABA depolarizes these neurons. In addition, ECl often is more positive than threshold, so GABA is able to excite these neurons to fire action potentials (Figure C). As described in the text, the lower [Cl–]i of mature neurons causes ECl to be more negative than the action potential threshold (andoften more negative than the resting potential), resulting in inhibitory responses to GABA.

از آنجا که گیرنده‌های یونوتروپیک GABA کانال‌های نفوذپذیر به Cl هستند، جریان یون از طریق این گیرنده‌ها مطابق با نیروی محرک الکتروشیمیایی وارد بر Cl تغییر می‌کند. در نورون‌های جوان، که [Cl] i بالا است، ECl مثبت‌تر از پتانسیل استراحت است. در نتیجه، GABA این نورون‌ها را دپلاریزه می‌کند. علاوه بر این، ECl اغلب مثبت‌تر از آستانه است، بنابراین GABA قادر است این نورون‌ها را برای ایجاد پتانسیل‌های عمل تحریک کند (شکل C). همانطور که در متن توضیح داده شده است، [Cl]i پایین‌تر نورون‌های بالغ باعث می‌شود ECl منفی‌تر از آستانه پتانسیل عمل (و اغلب منفی‌تر از پتانسیل استراحت) باشد و در نتیجه پاسخ‌های مهاری به GABA ایجاد شود.

Why does GABA undergo such a switch in its postsynaptic actions? While the logic of this phenomenon is not yet completely clear, it appears that depolarizing GABA responses produce electrical activity that controls neuronal proliferation, migration, growth, and maturation, as well as determining synaptic connectivity. Once these developmental processes are completed, the resulting neural circuitry requires inhibitory transmission that can then also be provided by GABA. Further work will be needed to fully appreciate the significance of the excitatory actions of GABA, as well as to understand the mechanisms underlying the expression of the K+/Cl– co-transporter that ends the brief career of GABA as an excitatory neurotransmitter.

چرا GABA در عملکردهای پس سیناپسی خود چنین تغییری را متحمل می‌شود؟ در حالی که منطق این پدیده هنوز کاملاً مشخص نیست، به نظر می‌رسد که پاسخ‌های دپلاریزه کننده GABA فعالیت الکتریکی ایجاد می‌کنند که تکثیر، مهاجرت، رشد و بلوغ نورون‌ها و همچنین اتصال سیناپسی را کنترل می‌کند. پس از تکمیل این فرآیندهای رشدی، مدار عصبی حاصل نیاز به انتقال مهاری دارد که می‌تواند توسط GABA نیز تأمین شود. برای درک کامل اهمیت عملکردهای تحریکی GABA و همچنین درک مکانیسم‌های زیربنایی بیان کو-ترانسپورتر K⁺/Cl که به دوران کوتاه GABA به عنوان یک انتقال‌دهنده عصبی تحریکی پایان می‌دهد، به کار بیشتری نیاز است.

(A) The developmental switch in expression of Cl– transporters lowers [Cl–]i, thereby reversing direction of Cl– flux through GABA receptors. (B) Imaging [Cl–]i between postnatal days 5 and 20 (right) demonstrates a progressive reduction in [Cl–]i (left). (C) Developmental changes in [Cl–]i cause GABA responses to shift from depolarizing in young(6-day-old) neurons (left) to hyperpolarizing in older (10-day-old) neurons (right) cultured from the chick spinal cord. (B from Berglund et al., 2006; C after Obata et al., 1978.)

(الف) تغییر رشدی در بیان ناقل‌های Cl-، [Cl-]i را کاهش می‌دهد و در نتیجه جهت جریان Cl را از طریق گیرنده‌های GABA معکوس می‌کند. (ب) تصویربرداری [Cl]i بین روزهای 5 و 20 پس از تولد (راست) کاهش تدریجی [Cl]i را نشان می‌دهد (چپ). (ج) تغییرات رشدی در [Cl]i باعث می‌شود پاسخ‌های GABA از دپلاریزه شدن در نورون‌های جوان (6 روزه) (چپ) به‌هایپرپلاریزه شدن در نورون‌های مسن‌تر (10 روزه) (راست) کشت شده از نخاع جوجه تغییر کند. (ب از Berglund و همکاران، 2006؛ ج از Obata و همکاران، 1978.)

The distribution of the neutral amino acid glycine in the CNS is more restricted than that of GABA. About half of the inhibitory synapses in the spinal cord use glycine; most other inhibitory synapses use GABA. Glycine is synthesized from serine by the mitochondrial isoform of serine hydroxymethyltransferase (see Figure 6.10B) and is transported into synaptic vesicles via the same vesicular inhibitory amino acid transporter that loads GABA into vesicles. Once released from the presynaptic cell, glycine is rapidly removed from the synaptic cleft by glycine transporters in the plasma membrane. Mutations in the genes coding for some of these transporters result in hyperglycinemia, a devastating neonatal disease characterized by lethargy, seizures, and mental retardation.

توزیع اسید آمینه خنثی گلیسین در سیستم عصبی مرکزی (CNS) محدودتر از GABA است. حدود نیمی از سیناپس‌های مهاری در نخاع از گلیسین استفاده می‌کنند؛ اکثر سیناپس‌های مهاری دیگر از GABA استفاده می‌کنند. گلیسین توسط ایزوفرم میتوکندریایی سرین هیدروکسی متیل ترانسفراز (شکل 6.10B را ببینید) از سرین سنتز می‌شود و از طریق همان ناقل اسید آمینه مهاری وزیکولی که GABA را به داخل وزیکول‌ها بارگیری می‌کند، به وزیکول‌های سیناپسی منتقل می‌شود. گلیسین پس از آزاد شدن از سلول پیش‌سیناپسی، به سرعت توسط ناقل‌های گلیسین در غشای پلاسما از شکاف سیناپسی خارج می‌شود. جهش در ژن‌های کدکننده برخی از این ناقل‌ها منجر به‌هایپرگلیسینمی می‌شود، یک بیماری ویرانگر نوزادی که با بی‌حالی، تشنج و عقب‌ماندگی ذهنی مشخص می‌شود.

Glycine receptors are pentamers consisting of mixtures of four types of a subunits, along with an accessory b subunit (see Figure 6.3F). These receptors are potently blocked by strychnine, which may account for the toxic properties of this plant alkaloid (see Box 6A). Glycine receptors are ligand-gated Cl^– channels whose general structure closely mirrors that of the GABAA receptors (Figure 6.13). Gating of glycine receptors by ligands is well understood. Binding of glycine to a ligand-binding site on the extracellular domains causes a conformational change that opens the pore, increasing the pore radius from 1.4 Å (smaller than a Cl^– ion, which has a radius of 1.8 Å) to 4.4 Å, thereby enabling Cl^– and other permeant anions to flow through the pore formed by the transmembrane domains of the five subunits (see Figure 6.13, right). This Cl^– flux inhibits the postsynaptic neuron. Blocking these receptors, by binding of strychnine to the same ligand-binding site, closes the pore (see Figure 6.13, left).

گیرنده‌های گلیسین، پنج‌تایی‌هایی هستند که از مخلوطی از چهار نوع زیرواحد α به همراه یک زیرواحد فرعی β تشکیل شده‌اند (شکل 6.3F را ببینید). این گیرنده‌ها به شدت توسط استریکنین مسدود می‌شوند، که ممکن است دلیل خواص سمی این آلکالوئید گیاهی باشد (به کادر 6A مراجعه کنید). گیرنده‌های گلیسین، کانال‌های Cl- با دریچه لیگاندی هستند که ساختار کلی آنها دقیقاً منعکس‌کننده ساختار گیرنده‌های GABAA است (شکل 6.13). دریچه‌دار کردن گیرنده‌های گلیسین توسط لیگاندها به خوبی درک شده است. اتصال گلیسین به محل اتصال لیگاند در دامنه‌های خارج سلولی باعث تغییر ساختاری می‌شود که منافذ را باز می‌کند و شعاع منافذ را از 1.4 آنگستروم (کوچکتر از یون Cl که شعاع 1.8 آنگستروم دارد) به 4.4 آنگستروم افزایش می‌دهد، در نتیجه Cl و سایر آنیون‌های نفوذپذیر را قادر می‌سازد تا از طریق منافذ تشکیل شده توسط دامنه‌های غشایی پنج زیرواحد جریان یابند (شکل 6.13، سمت راست را ببینید). این جریان Cl نورون پس سیناپسی را مهار می‌کند. مسدود کردن این گیرنده‌ها، با اتصال استریکنین به همان محل اتصال لیگاند، منافذ را می‌بندد (شکل 6.13، سمت چپ را ببینید).

FIGURE 6.13 Gating of glycine receptors. Similar to GABAA receptors, glycine receptors are pentamers consisting of five subunits. Each subunit (one of which is highlighted) consists of an extracellular domain and a pore-forming transmembrane domain. (Left) Binding of strychnine (orange) to a ligand-binding site on the extracellular domain closes the channel pore. (Right) Binding of glycine to the same ligand-binding site causes a conformational change that opens the pore. (From Du et al., 2015.)

شکل ۶.۱۳ باز شدن گیرنده‌های گلیسین. مشابه گیرنده‌های GABAA، گیرنده‌های گلیسین پنتامرهایی هستند که از پنج زیر واحد تشکیل شده‌اند. هر زیر واحد (که یکی از آنها‌هایلایت شده است) از یک دامنه خارج سلولی و یک دامنه غشایی تشکیل دهنده منافذ تشکیل شده است. (چپ) اتصال استریکنین (نارنجی) به یک جایگاه اتصال لیگاند روی دامنه خارج سلولی، منافذ کانال را می‌بندد. (راست) اتصال گلیسین به همان جایگاه اتصال لیگاند باعث تغییر ساختاری می‌شود که منافذ را باز می‌کند. (از Du و همکاران، 2015.)

Biogenic Amines

Biogenic amine transmitters regulate many brain functions and are also active in the peripheral nervous system.