علوم اعصاب پروس؛ نوروترانسمیتر گلوتامات: سنتز و گیرنده های متابوتروپیک و آیونوتروپیک آن

Glutamate

Glutamate is the most important transmitter for normal brain function. Nearly all excitatory neurons in the CNS are glutamatergic, and it is estimated that more than half of all brain synapses release this neurotransmitter. During brain trauma, there is excessive release of glutamate that can produce excitotoxic brain damage.

گلوتامات

گلوتامات مهمترین فرستنده برای عملکرد طبیعی مغز است. تقریباً همه نورون‌های تحریکی در سیستم عصبی مرکزی (CNS) گلوتاماترژیک هستند و تخمین زده می‌شود که بیش از نیمی از سیناپس‌های مغز این انتقال‌دهنده عصبی را آزاد می‌کنند. در طول ترومای مغزی، گلوتامات بیش از حد آزاد می‌شود که می‌تواند آسیب مغزی اکسیتوتوکسیک ایجاد کند.

Glutamate is a nonessential amino acid that does not cross the blood-brain barrier and therefore must be synthesized in neurons from local precursors. The most prevalent precursor for glutamate synthesis is glutamine, which is taken up into presynaptic terminals by the system A transporter 2 (SAT2) and is then metabolized to glutamate by the mitochondrial enzyme glutaminase (Figure 6.5). Glucose metabolized by neurons also can be used to synthesize glutamate by transamination of 2-oxoglutarate, an intermediate of the tricarboxylic acid (Krebs) cycle. Glutamate synthesized in the presynaptic cytoplasm is packaged into synaptic vesicles by vesicular glutamate transporters (VGLUTs). At least three different VGLUT genes have been identified, with different VGLUTs involved in packaging glutamate into vesicles at different types of glutamatergic presynaptic terminals.

گلوتامات یک اسید آمینه غیرضروری است که از سد خونی-مغزی عبور نمی‌کند و بنابراین باید در نورون‌ها از پیش‌سازهای موضعی سنتز شود. رایج‌ترین پیش‌ساز برای سنتز گلوتامات، گلوتامین است که توسط سیستم انتقال‌دهنده A 2 (SAT2) به پایانه‌های پیش‌سیناپسی جذب می‌شود و سپس توسط آنزیم گلوتامیناز میتوکندریایی به گلوتامات متابولیزه می‌شود (شکل 6.5). گلوکز متابولیزه شده توسط نورون‌ها همچنین می‌تواند برای سنتز گلوتامات با ترانس‌آمیناسیون 2-اکسوگلوتارات، یک واسطه از چرخه تری‌کربوکسیلیک اسید (کربس)، استفاده شود. گلوتامات سنتز شده در سیتوپلاسم پیش‌سیناپسی توسط انتقال‌دهنده‌های گلوتامات وزیکولی (VGLUTs) در وزیکول‌های سیناپسی بسته‌بندی می‌شود. حداقل سه ژن مختلف VGLUT شناسایی شده‌اند که VGLUTهای مختلفی در بسته‌بندی گلوتامات به وزیکول‌ها در انواع مختلف پایانه‌های پیش‌سیناپسی گلوتاماترژیک نقش دارند.

Once released, glutamate is removed from the synaptic cleft by the excitatory amino acid transporters (EAATs). EAATs are a family of five different Na⁺-dependent glutamate co-transporters. Some EAATs are present in glial cells and others in presynaptic terminals. Glutamate transported into glial cells via EAATs is converted into glutamine by the enzyme glutamine synthetase. Glutamine is then transported out of the glial cells by a different transporter, the system N transporter 1 (SN1), and transported into nerve terminals via SAT2. This overall sequence of events is referred to as the glutamate–glutamine cycle (see Figure 6.5). This cycle allows glial cells and presynaptic terminals to cooperate both to maintain an adequate supply of glutamate for synaptic transmission and to rapidly terminate postsynaptic glutamate action.

گلوتامات پس از آزاد شدن، توسط ناقل‌های اسید آمینه تحریکی (EAATs) از شکاف سیناپسی حذف می‌شود. EAATs خانواده‌ای از پنج ناقل گلوتامات وابسته به ⁺Na مختلف هستند. برخی از EAATها در سلول‌های گلیال و برخی دیگر در پایانه‌های پیش‌سیناپسی وجود دارند. گلوتامات منتقل شده به سلول‌های گلیال از طریق EAATها توسط آنزیم گلوتامین سنتتاز به گلوتامین تبدیل می‌شود. سپس گلوتامین توسط یک ناقل متفاوت، ناقل سیستم N 1 (SN1)، از سلول‌های گلیال خارج شده و از طریق SAT2 به پایانه‌های عصبی منتقل می‌شود. این توالی کلی رویدادها به عنوان چرخه گلوتامات-گلوتامین شناخته می‌شود (شکل 6.5 را ببینید). این چرخه به سلول‌های گلیال و پایانه‌های پیش‌سیناپسی اجازه می‌دهد تا هم برای حفظ منبع کافی گلوتامات برای انتقال سیناپسی و هم برای خاتمه سریع عمل گلوتامات پس‌سیناپسی با یکدیگر همکاری کنند.

FIGURE 6.5 Glutamate synthesis and cycling between neurons and glia. The action of glutamate released into the synaptic cleft is terminated by uptake into surrounding glial cells (and neurons) via excitatory amino acid transporters (EAATs). Within glial cells, glutamate is converted to glutamine by glutamine synthetase and released by glial cells through the SN1 transporter. Glutamine is taken up into nerve terminals via SAT2 transporters and converted back to glutamate by glutaminase. Glutamate is then loaded into synaptic vesicles via vesicular glutamate transporters (VGLUTs) to complete the cycle

شکل ۶.۵ سنتز گلوتامات و چرخه بین نورون‌ها و گلیا. عمل گلوتامات آزاد شده در شکاف سیناپسی با جذب به سلول‌های گلیال اطراف (و نورون‌ها) از طریق ناقل‌های اسید آمینه تحریکی (EAATs) خاتمه می‌یابد. در داخل سلول‌های گلیال، گلوتامات توسط گلوتامین سنتتاز به گلوتامین تبدیل می‌شود و توسط سلول‌های گلیال از طریق ناقل SN1 آزاد می‌شود. گلوتامین از طریق ناقل‌های SAT2 به پایانه‌های عصبی جذب می‌شود و توسط گلوتامیناز دوباره به گلوتامات تبدیل می‌شود. سپس گلوتامات از طریق ناقل‌های گلوتامات وزیکولی (VGLUTs) به وزیکول‌های سیناپسی بارگیری می‌شود تا چرخه کامل شود.

There are several types of ionotropic glutamate receptors (see Figure 6.3F). AMPA receptors, NMDA receptors, and kainate receptors are named after the agonists that activate them: AMPA (a-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazole-propionate), NMDA (N-methyl-d-aspartate), and kainic acid. All of these receptors are glutamate-gated cation channels that allow the passage of Na⁺ and K⁺, similar to the nAChR. Hence AMPA, kainate, and NMDA receptor activation always produces excitatory postsynaptic responses.

چندین نوع گیرنده یونوتروپیک گلوتامات وجود دارد (شکل 6.3F را ببینید). گیرنده‌های AMPA، گیرنده‌های NMDA و گیرنده‌های کاینات به نام آگونیست‌هایی که آنها را فعال می‌کنند نامگذاری شده‌اند: AMPA (a-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4 isoxazole-propionate)، NMDA (N-methyl-d-aspartate) و کاینیک اسید. همه این گیرنده‌ها کانال‌های کاتیونی دریچه‌دار گلوتامات هستند که اجازه عبور ⁺Na و ⁺K را می‌دهند، مشابه nAChR. از این رو فعال شدن گیرنده‌های AMPA، کاینات و NMDA همیشه پاسخ‌های پس‌سیناپسی تحریکی ایجاد می‌کند.

Most central excitatory synapses possess both AMPA and NMDA receptors. Antagonist drugs that selectively block either AMPA or NMDA receptors are often used to identify synaptic responses mediated by each receptor type. Such experiments reveal that excitatory postsynaptic currents (EPSCs) produced by NMDA receptors are slower and last longer than those produced by AMPA receptors (Figure 6.6A). EPSCs generated by AMPA receptors usually are much larger than those produced by other types of ionotropic glutamate receptors, so that AMPA receptors are the primary mediators of excitatory transmission in the brain. The physiological roles of kainate receptors are less well defined; in some cases, these receptors are found on presynaptic terminals and serve as a feedback mechanism regulate glutamate release. When found on postsynaptic cells, kainate receptors generate EPSCs that rise quickly but decay more slowly than those mediated by AMPA receptors (Figure 6.6B).

بیشتر سیناپس‌های تحریکی مرکزی دارای هر دو گیرنده AMPA و NMDA هستند. داروهای آنتاگونیستی که به طور انتخابی گیرنده‌های AMPA یا NMDA را مسدود می‌کنند، اغلب برای شناسایی پاسخ‌های سیناپسی ناشی از هر نوع گیرنده استفاده می‌شوند. چنین آزمایش‌هایی نشان می‌دهد که جریان‌های پس‌سیناپسی تحریکی (EPSCs) تولید شده توسط گیرنده‌های NMDA کندتر و طولانی‌تر از جریان‌های تولید شده توسط گیرنده‌های AMPA هستند (شکل 6.6A). EPSCهای تولید شده توسط گیرنده‌های AMPA معمولاً بسیار بزرگتر از EPSCهای تولید شده توسط انواع دیگر گیرنده‌های یونوتروپیک گلوتامات هستند، به طوری که گیرنده‌های AMPA واسطه‌های اصلی انتقال تحریکی در مغز هستند. نقش‌های فیزیولوژیکی گیرنده‌های کاینات کمتر مشخص شده است. در برخی موارد، این گیرنده‌ها در پایانه‌های پیش‌سیناپسی یافت می‌شوند و به عنوان یک مکانیسم بازخورد، آزادسازی گلوتامات را تنظیم می‌کنند. گیرنده‌های کاینات، هنگامی که در سلول‌های پس‌سیناپسی یافت می‌شوند، EPSCهایی تولید می‌کنند که به سرعت افزایش می‌یابند اما کندتر از EPSCهایی که توسط گیرنده‌های AMPA واسطه می‌شوند، از بین می‌روند (شکل 6.6B).

FIGURE 6.6 Postsynaptic responses mediated by ionotropic glutamate receptors. (A) Contributions of AMPA and NMDA receptors to EPSCs at a synapse between a presynaptic pyramidal cell and a postsynaptic interneuron in the visual cortex. Blocking NMDA receptors reveals a large and fast EPSC mediated by AMPA receptors, while blocking AMPA receptors reveals a slower EPSC component mediated by NMDA receptors. (B) Contributions of AMPA and kainate receptors to miniature EPSCs at the excitatory synapse formed between mossy fibers and CA3 pyramidal cells in the hippocampus. Pharmacological antagonists reveal that the component of EPSCs mediated by AMPA receptors is larger and decays faster than that mediated by kainate receptors. (A after Watanabe et al., 2005; B from Mott et al., 2008.)

شکل ۶.۶ پاسخ‌های پس‌سیناپسی که توسط گیرنده‌های یونوتروپیک گلوتامات واسطه‌گری می‌شوند. (الف) سهم گیرنده‌های AMPA و NMDA در EPSCها در سیناپسی بین یک سلول هرمی پیش‌سیناپسی و یک نورون رابط پس‌سیناپسی در قشر بینایی. مسدود کردن گیرنده‌های NMDA یک EPSC بزرگ و سریع واسطه‌گری شده توسط گیرنده‌های AMPA را نشان می‌دهد، در حالی که مسدود کردن گیرنده‌های AMPA یک جزء EPSC کندتر واسطه‌گری شده توسط گیرنده‌های NMDA را نشان می‌دهد. (ب) سهم گیرنده‌های AMPA و کاینات در EPSCهای مینیاتوری در سیناپس تحریکی تشکیل شده بین فیبرهای خزه‌ای و سلول‌های هرمی CA3 در هیپوکامپ. آنتاگونیست‌های دارویی نشان می‌دهند که جزء EPSCهای واسطه‌گری شده توسط گیرنده‌های AMPA بزرگتر است و سریع‌تر از آن جزء واسطه‌گری شده توسط گیرنده‌های کاینات از بین می‌رود. (الف پس از Watanabe و همکاران، 2005؛ ب از Mott و همکاران، 2008.)

Like all ionotropic receptors, AMPA receptors are composed of multiple subunits. There are four different AMPA receptor subunits, designated GluA1 to GluA4 (see Figure 6.3F), with each subunit conferring unique functional properties to AMPA receptors. AMPA receptor subunits have several different domains, including an extracellular ligand-binding domain that is responsible for binding glutamate, and a transmembrane domain that forms part of the ion channel (Figure 6.7A). These subunits are organized into the tetrameric structure shown in Figure 6.7B– The extracellular structure of AMPA receptors, unlike that of nAChRs, is asymmetrical and therefore looks different when viewed from its front and side surfaces (see Figure 6.7B,C). The AMPA receptor is Y-shaped (see Figure 6.7B), with the large extracellular domains of the subunits narrowing down as the receptor passes through the plasma membrane (see Figure 6.7D). The extracellular ligand-binding domains have a characteristic “clamshell” shape, with glutamate and other ligands binding within the opening of the clamshell (circle in Figure 6.7C). The transmembrane domain consists of helices that form both the channel pore and a gate that occludes the pore when glutamate is not bound to the receptor. Binding of glutamate causes the clamshell structure to “shut”; this movement then causes the gate helices within the transmembrane domain to move and thereby open the channel pore (Figure 6.7E).

مانند همه گیرنده‌های یونوتروپیک، گیرنده‌های AMPA از زیرواحدهای متعددی تشکیل شده‌اند. چهار زیرواحد مختلف گیرنده AMPA وجود دارد که با نام‌های GluA1 تا GluA4 نامگذاری شده‌اند (شکل 6.3F را ببینید)، که هر زیرواحد خواص عملکردی منحصر به فردی به گیرنده‌های AMPA می‌دهد. زیرواحدهای گیرنده AMPA دارای چندین دامنه مختلف هستند، از جمله یک دامنه اتصال لیگاند خارج سلولی که مسئول اتصال گلوتامات است، و یک دامنه غشایی که بخشی از کانال یونی را تشکیل می‌دهد (شکل 6.7A). این زیرواحدها در ساختار تترامری نشان داده شده در شکل 6.7B سازماندهی شده‌اند – ساختار خارج سلولی گیرنده‌های AMPA، برخلاف nAChRها، نامتقارن است و بنابراین وقتی از سطوح جلویی و جانبی آن مشاهده می‌شود، متفاوت به نظر می‌رسد (شکل 6.7B و C را ببینید). گیرنده AMPA به شکل Y است (شکل 6.7B را ببینید)، و دامنه‌های خارج سلولی بزرگ زیرواحدها با عبور گیرنده از غشای پلاسما باریک می‌شوند (شکل 6.7D را ببینید). دامنه‌های اتصال لیگاند خارج سلولی، شکل صدفی مشخصی دارند، به طوری که گلوتامات و سایر لیگاندها در دهانه صدف به هم متصل می‌شوند (دایره در شکل 6.7C). دامنه غشایی از مارپیچ‌هایی تشکیل شده است که هم منافذ کانال و هم دریچه‌ای را تشکیل می‌دهند که وقتی گلوتامات به گیرنده متصل نیست، منافذ را مسدود می‌کند. اتصال گلوتامات باعث می‌شود ساختار صدفی “بسته” شود. این حرکت سپس باعث می‌شود مارپیچ‌های دریچه درون دامنه غشایی حرکت کنند و در نتیجه منافذ کانال را باز کنند (شکل 6.7E).

FIGURE 6.7 Structure of the AMPA receptor. (A) Domain structure of an AMPA receptor subunit. The largest part of each subunit is extracellular and consists of two domains, the amino-terminal domain (ATD) and the ligand-binding domain (LBD). In addition, a transmembrane domain (TMD) forms part of the ion channel pore, and an intracellular carboxyl-terminal domain (CTD) connects the receptor to intracellular proteins. (B–D) Crystallographic structure of the AMPA receptor. Each of the four subunits is indicated in a different color. (B) From this perspective, the Y shape of the AMPA receptor is evident. (C) After rotating the receptor 90 degrees, the asymmetrical dimensions of the receptor are evident. One ligand-binding domain is visible and is occupied by an antagonist drug (circled). (D) Cross-section views of the AMPA receptor at two different positions (gray arrows) reveal the spatial relationships between subunits and also illustrate the changes in shape that occur along the length of the receptor. (E) Model for gating of the AMPA receptor by glutamate. The transmembrane domain (blue helices) and part of the extracellular ligand-binding domain are shown. Binding of glutamate closes the clamshell structure of the ligand-binding domain (side arrows), leading to movement of the gate helices that opens the channel pore. (A,E from Traynelis et al., 2010; B–D from Sobolevsky et al., 2009.)

شکل ۶.۷ ساختار گیرنده AMPA. (الف) ساختار دامنه یک زیر واحد گیرنده AMPA. بزرگترین بخش هر زیر واحد خارج سلولی است و از دو دامنه تشکیل شده است، دامنه آمینو-ترمینال (ATD) و دامنه اتصال لیگاند (LBD). علاوه بر این، یک دامنه غشایی (TMD) بخشی از منافذ کانال یونی را تشکیل می‌دهد و یک دامنه کربوکسیل-ترمینال درون سلولی (CTD) گیرنده را به پروتئین‌های درون سلولی متصل می‌کند. (B-D) ساختار کریستالوگرافی گیرنده AMPA. هر یک از چهار زیر واحد با رنگ متفاوتی نشان داده شده است. (ب) از این منظر، شکل Y گیرنده AMPA مشهود است. (ج) پس از چرخاندن 90 درجه‌ای گیرنده، ابعاد نامتقارن گیرنده مشهود است. یک دامنه اتصال لیگاند قابل مشاهده است و توسط یک داروی آنتاگونیست (دایره شده) اشغال شده است. (د) نماهای برش عرضی گیرنده AMPA در دو موقعیت مختلف (فلش‌های خاکستری) روابط فضایی بین زیر واحدها را نشان می‌دهد و همچنین تغییرات شکلی را که در طول گیرنده رخ می‌دهد، نشان می‌دهد. (ه) مدلی برای دروازه‌بندی گیرنده AMPA توسط گلوتامات. دامنه غشایی (مارپیچ‌های آبی) و بخشی از دامنه اتصال لیگاند خارج سلولی نشان داده شده است. اتصال گلوتامات ساختار صدفی دامنه اتصال لیگاند (فلش‌های کناری) را می‌بندد و منجر به حرکت مارپیچ‌های دروازه‌ای می‌شود که منافذ کانال را باز می‌کند. (A،E از Traynelis و همکاران، ۲۰۱۰؛ B-D از Sobolevsky و همکاران، ۲۰۰۹.)

NMDA receptors have physiological properties that set them apart from the other ionotropic glutamate receptors. Perhaps most significant is that the pore of the NMDA receptor channel allows the entry of Ca²⁺ in addition to Na⁺ and K⁺. As a result, excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) produced by NMDA receptors increase the concentration of Ca²⁺ in the postsynaptic neuron, with Ca²⁺ then acting as a second messenger to activate intracellular signaling processes (see Chapter 7). Another key property is that Mg²⁺ blocks the pore of this channel at hyperpolarized membrane potentials, while depolarization pushes Mg²⁺ out of the pore (Figure 6.8A). This imparts a peculiar voltage dependence to current flow through the receptor (Figure 6.8B, red line); removing extracellular Mg²⁺ eliminates this behavior (blue line), which demonstrates that Mg²⁺ confers the voltage dependence. Because of this property, NMDA receptors pass cations (most notably Ca²⁺) only when the postsynaptic membrane potential is depolarized, such as during activation of strong excitatory inputs and/or during action potential firing in the postsynaptic cell. This requirement for the coincident presence of both glutamate and postsynaptic depolarization to open NMDA receptors is widely thought to underlie some forms of synaptic information storage, such as longterm synaptic plasticity (see Chapter 8). Another unusual feature of NMDA receptors is that their gating requires a co-agonist—the amino acid glycine, which is present in the ambient extracellular environment of the brain.

گیرنده‌های NMDA دارای خواص فیزیولوژیکی هستند که آنها را از سایر گیرنده‌های یونوتروپیک گلوتامات متمایز می‌کند. شاید مهمترین آنها این باشد که منفذ کانال گیرنده NMDA علاوه بر ⁺Na و ⁺K، اجازه ورود ⁺Ca² را نیز می‌دهد. در نتیجه، پتانسیل‌های پس‌سیناپسی تحریکی (EPSPs) تولید شده توسط گیرنده‌های NMDA، غلظت ⁺Ca² را در نورون پس‌سیناپسی افزایش می‌دهند و سپس ⁺Ca² به عنوان یک پیام‌رسان دوم برای فعال کردن فرآیندهای سیگنالینگ درون سلولی عمل می‌کند (به فصل 7 مراجعه کنید). یکی دیگر از ویژگی‌های کلیدی این است که ⁺Mg² منفذ این کانال را در پتانسیل‌های غشایی‌هایپرپلاریزه مسدود می‌کند، در حالی که دپلاریزاسیون، ⁺Mg² را از منفذ خارج می‌کند (شکل 6.8A). این امر وابستگی ولتاژ خاصی به جریان عبوری از گیرنده ایجاد می‌کند (شکل 6.8B، خط قرمز)؛ حذف ⁺Mg² خارج سلولی این رفتار را از بین می‌برد (خط آبی)، که نشان می‌دهد ⁺Mg² وابستگی ولتاژ را ایجاد می‌کند. به دلیل این ویژگی، گیرنده‌های NMDA تنها زمانی کاتیون‌ها (به‌ویژه ⁺Ca²) را عبور می‌دهند که پتانسیل غشای پس‌سیناپسی دپلاریزه شده باشد، مانند هنگام فعال شدن ورودی‌های تحریکی قوی و/یا هنگام شلیک پتانسیل عمل در سلول پس‌سیناپسی. این نیاز به حضور همزمان دپلاریزاسیون گلوتامات و پس‌سیناپسی برای باز کردن گیرنده‌های NMDA، به‌طور گسترده تصور می‌شود که زیربنای برخی از اشکال ذخیره‌سازی اطلاعات سیناپسی، مانند انعطاف‌پذیری سیناپسی بلندمدت است (به فصل 8 مراجعه کنید). یکی دیگر از ویژگی‌های غیرمعمول گیرنده‌های NMDA این است که دریچه‌گذاری آنها نیاز به یک کوآگونیست – اسید آمینه گلیسین – دارد که در محیط خارج سلولی مغز وجود دارد.

NMDA receptors are tetrameric assemblies of subunits with many similarities to AMPA receptors. There are three groups of NMDA receptor subunits (GluN1, GluN2, and GluN3), with a total of seven different types of subunits (see Figure 6.3F). While GluN2 subunits bind glutamate, GluN1 and GluN3 subunits bind glycine. NMDA receptor tetramers typically comprise two glutamate-binding subunits (GluN2) and two glycine-binding subunits (GluN1). In some cases, GluN3 replaces one of the two GluN2 subunits. This mix of subunits ensures that the receptor binds both to glutamate released from presynaptic terminals and to the ambient glycine co-agonist.

گیرنده‌های NMDA مجموعه‌های تترامری از زیرواحدهایی هستند که شباهت‌های زیادی به گیرنده‌های AMPA دارند. سه گروه از زیرواحدهای گیرنده NMDA (GluN1، GluN2 و GluN3) وجود دارد که در مجموع هفت نوع زیرواحد مختلف دارند (شکل 6.3F را ببینید). در حالی که زیرواحدهای GluN2 به گلوتامات متصل می‌شوند، زیرواحدهای GluN1 و GluN3 به گلیسین متصل می‌شوند. تترامرهای گیرنده NMDA معمولاً شامل دو زیرواحد متصل شونده به گلوتامات (GluN2) و دو زیرواحد متصل شونده به گلیسین (GluN1) هستند. در برخی موارد، GluN3 جایگزین یکی از دو زیرواحد GluN2 می‌شود. این ترکیب زیرواحدها تضمین می‌کند که گیرنده هم به گلوتامات آزاد شده از پایانه‌های پیش‌سیناپسی و هم به کوآگونیست گلیسین محیطی متصل شود.

The structure of an NMDA receptor resembles a hot-air balloon (Figure 6.8C,D). Similar to AMPA receptor subunits, NMDA receptor subunits possess clamshell-shaped ligand-binding domains that bind to glutamate and to glycine, as well as transmembrane domains that form the channel pore and gate. One unique feature of NMDA receptors is a structure in the extracellular vestibule, adjacent to the transmembrane domain, that is postulated to bind Ca²⁺ and may help confer Ca²⁺ permeability to NMDA receptors (Figure 6.8E). Gating of NMDA receptors is proposed to arise from closure of the ligand-binding domains upon binding of glutamate and glycine, leading to a conformational change that opens the channel pore; in contrast, binding of antagonists to the ligand-binding domains displaces them and prevents channel opening (Figure 6.8F). The site at which Mg²⁺ binds to block the pore of the NMRA receptor has not yet been identified.

ساختار یک گیرنده NMDA شبیه یک بادکنک هوای گرم است (شکل 6.8C، D). مشابه زیرواحدهای گیرنده AMPA، زیرواحدهای گیرنده NMDA دارای دامنه‌های اتصال لیگاند صدفی شکل هستند که به گلوتامات و گلیسین متصل می‌شوند، و همچنین دامنه‌های غشایی که منافذ و دریچه کانال را تشکیل می‌دهند. یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد گیرنده‌های NMDA، ساختاری در دهلیز خارج سلولی، در مجاورت دامنه غشایی است که فرض می‌شود به ⁺Ca² متصل می‌شود و ممکن است به نفوذپذیری ⁺Ca² به گیرنده‌های NMDA کمک کند (شکل 6.8E). پیشنهاد می‌شود که دریچه‌دار شدن گیرنده‌های NMDA از بسته شدن دامنه‌های اتصال لیگاند پس از اتصال گلوتامات و گلیسین ناشی می‌شود که منجر به تغییر ساختاری می‌شود که منافذ کانال را باز می‌کند. در مقابل، اتصال آنتاگونیست‌ها به دامنه‌های اتصال لیگاند، آنها را جابجا می‌کند و از باز شدن کانال جلوگیری می‌کند (شکل 6.8F). هنوز محل اتصال ⁺Mg² برای مسدود کردن منافذ گیرنده NMRA مشخص نشده است.

In addition to these ionotropic glutamate receptors, there are three classes of metabotropic glutamate receptors (mGluRs; see Figure 6.4C). These receptors differ in their coupling to intracellular signal transduction pathways (see Chapter 7) and in their sensitivity to pharmacological agents. Activation of many of these receptors leads to inhibition of postsynaptic Ca²⁺ and Na⁺ channels. Unlike the excitatory ionotropic glutamate receptors, mGluRs cause slower postsynaptic responses that can either excite or inhibit postsynaptic cells. As a result, the physiological roles of mGluRs are quite varied. Although they possess a transmembrane domain that spans the membrane seven times, characteristic of all G-protein-coupled receptors, mGluRs are structurally unique because they are dimers of two identical subunits (Figure 6.9). Each subunit possesses a venus flytrap domain, a glutamate-binding domain similar to the clamshell-shaped ligand-binding domains of ionotropic glutamate receptors (see Figures 6.7 and 6.8). This venus flytrap domain is connected to the transmembrane domain via a linker domain rich in the amino acid cysteine (see Figure 6.9, left). Binding of glutamate causes the venus flytrap domains to close, with the resulting movement causing the transmembrane domains to rotate and thereby activate the receptor (see Figure 6.9, right). Binding of G-proteins to the activated receptor then initiates intracellular signaling.

علاوه بر این گیرنده‌های یونوتروپیک گلوتامات، سه دسته گیرنده متابوتروپیک گلوتامات (mGluRs) وجود دارد؛ به شکل 6.4C مراجعه کنید). این گیرنده‌ها از نظر اتصال به مسیرهای انتقال سیگنال درون سلولی (به فصل 7 مراجعه کنید) و حساسیت به عوامل دارویی متفاوت هستند. فعال شدن بسیاری از این گیرنده‌ها منجر به مهار کانال‌های پس سیناپسی ⁺Ca² و ⁺Na می‌شود. برخلاف گیرنده‌های یونوتروپیک گلوتامات تحریکی، mGluRs باعث پاسخ‌های پس سیناپسی کندتری می‌شوند که می‌توانند سلول‌های پس سیناپسی را تحریک یا مهار کنند. در نتیجه، نقش‌های فیزیولوژیکی mGluRs بسیار متنوع است. اگرچه آنها دارای یک دامنه غشایی هستند که هفت بار در طول غشاء امتداد می‌یابد، که مشخصه همه گیرنده‌های جفت شده با پروتئین G است، mGluRs از نظر ساختاری منحصر به فرد هستند زیرا آنها دایمرهایی از دو زیر واحد یکسان هستند (شکل 6.9). هر زیر واحد دارای یک دامنه‌ی ونوس مگس‌خوار است، یک دامنه‌ی اتصال به گلوتامات که مشابه دامنه‌های اتصال به لیگاند صدفی‌شکل گیرنده‌های یونوتروپیک گلوتامات است (به شکل‌های 6.7 و 6.8 مراجعه کنید). این دامنه‌ی ونوس مگس‌خوار از طریق یک دامنه‌ی رابط غنی از اسید آمینه‌ی سیستئین به دامنه‌ی غشایی متصل می‌شود (به شکل 6.9، سمت چپ مراجعه کنید). اتصال گلوتامات باعث بسته شدن دامنه‌های ونوس مگس‌خوار می‌شود و حرکت حاصل باعث چرخش دامنه‌های غشایی و در نتیجه فعال شدن گیرنده می‌شود (به شکل 6.9، سمت راست مراجعه کنید). اتصال پروتئین‌های G به گیرنده‌ی فعال شده، سیگنالینگ درون سلولی را آغاز می‌کند.

FIGURE 6.8  Function and structure of the NMDA receptor. (A) Voltage-dependent block of the NMDA receptor pore by Mg²⁺. At hyperpolarized potentials, Mg²⁺ resides within the channel pore and blocks it (left). Depolarization of the membrane potential pushes Mg²⁺ out of the pore, so that current can flow through the NMDA receptor. (B) Voltage dependence of current flowing through NMDA receptors activated by glutamate. In the presence of Mg²⁺ (red), Mg²⁺ block of the channel pore prevents current flow at hyperpolarized membrane potentials. If extracellular Mg²⁺ is removed, there is no block of the channel pore. (C–E) Crystallographic structure of the NMDA receptor. Each of the four subunits is indicated in a different color: GluN1 subunits are orange and yellow, GluN2 subunits cyan and purple. (C) The structure of the NMDA receptor is similar to that of the AMPA receptor, with an amino-terminal domain, ligand-binding domain, transmembrane domain, and carboxyl-terminal domain. The ligand-binding domain of GluN2A binds to glutamate (green spheres), while the ligand-binding domain of GluN1 binds to the co-agonist, glycine (green spheres). (D) Rotating the receptor 90 degrees reveals the location of the putative binding site for Ca2+. (E) Close-up view of the putative Ca2+ binding site (red and green mesh) in the extracellular vestibule of the receptor. (F) Model for gating of NMDA receptors. Proposed movements (arrows) of the amino-terminal domain and ligand-binding domain regions of the receptor when bound to antagonists, such as DCKA and D-APV (left), or agonists (glycine and glutamate, right). (C–E from Karakas and Furukawa, 2014; F from Zhu et al., 2016.)

شکل ۶.۸ عملکرد و ساختار گیرنده NMDA. (الف) انسداد وابسته به ولتاژ منافذ گیرنده NMDA توسط ⁺Mg². در پتانسیل‌های‌هایپرپلاریزه، ⁺Mg² در داخل منافذ کانال قرار می‌گیرد و آن را مسدود می‌کند (چپ). دپلاریزاسیون پتانسیل غشاء، ⁺Mg² را از منافذ خارج می‌کند، به طوری که جریان می‌تواند از طریق گیرنده NMDA جریان یابد. (ب) وابستگی ولتاژ جریان عبوری از گیرنده‌های NMDA که توسط گلوتامات فعال می‌شوند. در حضور ⁺Mg² (قرمز)، انسداد ⁺Mg² منافذ کانال از جریان در پتانسیل‌های‌هایپرپلاریزه غشاء جلوگیری می‌کند. اگر ⁺Mg² خارج سلولی حذف شود، هیچ انسدادی از منافذ کانال وجود ندارد. (C-E) ساختار کریستالوگرافی گیرنده NMDA. هر یک از چهار زیر واحد با رنگ متفاوتی نشان داده شده است: زیر واحدهای GluN1 نارنجی و زرد، زیر واحدهای GluN2 فیروزه‌ای و بنفش هستند. (ج) ساختار گیرنده NMDA مشابه گیرنده AMPA است، با یک دامنه آمینو-ترمینال، دامنه اتصال لیگاند، دامنه غشایی و دامنه کربوکسیل-ترمینال. دامنه اتصال لیگاند GluN2A به گلوتامات (کره‌های سبز) متصل می‌شود، در حالی که دامنه اتصال لیگاند GluN1 به کوآگونیست، گلیسین (کره‌های سبز) متصل می‌شود. (د) چرخاندن گیرنده 90 درجه، محل اتصال احتمالی ⁺Ca² را نشان می‌دهد. (ه) نمای نزدیک از محل اتصال احتمالی ⁺Ca² (توری قرمز و سبز) در دهلیز خارج سلولی گیرنده. (و) مدلی برای دروازه‌ای کردن گیرنده‌های NMDA. حرکات پیشنهادی (فلش‌ها) نواحی دامنه آمینو-ترمینال و دامنه اتصال لیگاند گیرنده هنگام اتصال به آنتاگونیست‌ها، مانند DCKA و D-APV (چپ) یا آگونیست‌ها (گلیسین و گلوتامات، راست). (C-E از Karakas و Furukawa، ۲۰۱۴؛ F از Zhu و همکاران، ۲۰۱۶.)

FIGURE 6.9 Structural model of metabotropic glutamate receptors. (Left) Metabotropic glutamate receptors consist of a pair of identical subunits, each containing a venus flytrap domain, a cysteine-rich linker domain, and a transmembrane domain consisting of the canonical seven membrane-spanning helices. (Right) Binding of glutamate (red spheres) to the venus flytrap domains causes the transmembrane domains to rotate and bind to G-proteins, thereby activating intracellular signaling processes. (From Pin and Bettler, 2016.)

شکل ۶.۹ مدل ساختاری گیرنده‌های متابوتروپیک گلوتامات. (چپ) گیرنده‌های متابوتروپیک گلوتامات از یک جفت زیر واحد یکسان تشکیل شده‌اند که هر کدام حاوی یک دامنه ونوس مگس‌خوار، یک دامنه پیوندی غنی از سیستئین و یک دامنه غشایی متشکل از هفت مارپیچ غشایی متعارف هستند. (راست) اتصال گلوتامات (کره‌های قرمز) به دامنه‌های ونوس مگس‌خوار باعث چرخش دامنه‌های غشایی و اتصال آنها به پروتئین‌های G می‌شود و در نتیجه فرآیندهای سیگنالینگ درون سلولی را فعال می‌کند. (از پین و بتلر، 2016.)

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).