مبانی علوم اعصاب پروس؛ نوروترانسمیترها؛ انتقال دهنده های عصبی و گیرنده های آنها: استیل کولین

Overview

NEURONS IN THE HUMAN BRAIN COMMUNICATE with one another, for the most part, by releasing chemical messengers called neurotransmitters. A large number of neurotransmitters are known. The main excitatory neurotransmitter in the brain is the amino acid glutamate, while the main inhibitory neurotransmitter is gaminobutyric acid (GABA). These and all other neurotransmitters evoke postsynaptic responses by binding to and activating neurotransmitter receptors. Most neurotransmitters are capable of activating several different receptors, yielding many possible modes of synaptic signaling. After activating their postsynaptic receptors, neurotransmitters are removed from the synaptic cleft by neurotransmitter transporters or by degradative enzymes. Abnormalities in the function of neurotransmitter systems contribute to a wide range of neurological and psychiatric disorders; thus, many neuropharmacological therapies are based on drugs that affect neurotransmitters, their receptors, or the mechanisms responsible for removing neurotransmitters from the synaptic cleft.

مرور کلی

نورون‌ها در مغز انسان، عمدتاً با آزاد کردن پیام‌رسان‌های شیمیایی به نام انتقال‌دهنده‌های عصبی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. تعداد زیادی از انتقال‌دهنده‌های عصبی شناخته شده‌اند. انتقال‌دهنده عصبی تحریکی اصلی در مغز، اسید آمینه گلوتامات است، در حالی که انتقال‌دهنده عصبی مهاری اصلی، اسید گامینوبوتیریک (GABA) است. این انتقال‌دهنده‌ها و سایر انتقال‌دهنده‌های عصبی با اتصال به گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی و فعال کردن آنها، پاسخ‌های پس‌سیناپسی را ایجاد می‌کنند. اکثر انتقال‌دهنده‌های عصبی قادر به فعال کردن چندین گیرنده مختلف هستند و حالت‌های ممکن بسیاری از سیگنالینگ سیناپسی را ایجاد می‌کنند. پس از فعال شدن گیرنده‌های پس‌سیناپسی، انتقال‌دهنده‌های عصبی توسط ناقل‌های انتقال‌دهنده عصبی یا توسط آنزیم‌های تجزیه‌کننده از شکاف سیناپسی حذف می‌شوند. ناهنجاری‌ها در عملکرد سیستم‌های انتقال‌دهنده عصبی در طیف گسترده‌ای از اختلالات عصبی و روانی نقش دارند. بنابراین، بسیاری از درمان‌های نوروفارماکولوژیک مبتنی بر داروهایی هستند که بر انتقال‌دهنده‌های عصبی، گیرنده‌های آنها یا مکانیسم‌های مسئول حذف انتقال‌دهنده‌های عصبی از شکاف سیناپسی تأثیر می‌گذارند.

Categories of Neurotransmitters

There are more than 100 different neurotransmitters. This large number of transmitters allows for tremendous diversity in chemical signaling between neurons. It is useful to separate this panoply of transmitters into two broad categories based simply on size (Figure 6.1). Neuropeptides, also called peptide neurotransmitters, are relatively large transmitter molecules composed of 3 to 36 amino acids. Individual amino acids, such as glutamate and GABA, as well as the transmitters acetylcholine, serotonin, and histamine, are much smaller than neuropeptides and have therefore come to be called small-molecule neurotransmitters. Within the category of small-molecule neurotransmitters, the biogenic amines (dopamine, norepinephrine, epinephrine, serotonin, and histamine) are often discussed separately because of their similar chemical properties and postsynaptic actions. The particulars of synthesis, packaging, release, and removal differ for each neurotransmitter (Table 6.1). This chapter describes some of the main features of these transmitters and their postsynaptic receptors.

دسته بندی انتقال دهنده‌های عصبی

بیش از 100 انتقال دهنده عصبی مختلف وجود دارد. این تعداد زیاد انتقال دهنده‌ها، تنوع فوق العاده ای را در سیگنالینگ شیمیایی بین نورون‌ها ایجاد می‌کند. جدا کردن این مجموعه از انتقال دهنده‌ها به دو دسته گسترده بر اساس اندازه مفید است (شکل 6.1). نوروپپتیدها، که انتقال دهنده‌های عصبی پپتیدی نیز نامیده می‌شوند، مولکول‌های انتقال دهنده نسبتاً بزرگی هستند که از 3 تا 36 اسید آمینه تشکیل شده اند. اسیدهای آمینه منفرد، مانند گلوتامات و گابا، و همچنین انتقال دهنده‌های استیل کولین، سروتونین و هیستامین، بسیار کوچکتر از نوروپپتیدها هستند و بنابراین به عنوان انتقال دهنده‌های عصبی مولکول کوچک نامیده می‌شوند. در دسته انتقال دهنده‌های عصبی مولکول کوچک، آمین‌های بیوژنیک (دوپامین، نوراپی نفرین، اپی نفرین، سروتونین و هیستامین) اغلب به دلیل خواص شیمیایی مشابه و اعمال پس سیناپسی آنها به طور جداگانه مورد بحث قرار می‌گیرند. جزئیات سنتز، بسته بندی، آزادسازی و حذف برای هر انتقال دهنده عصبی متفاوت است (جدول 6.1). این فصل برخی از ویژگی‌های اصلی این انتقال‌دهنده‌ها و گیرنده‌های پس‌سیناپسی آنها را شرح می‌دهد.

FIGURE 6.1 Examples of small-molecule and peptide neurotransmitters. Small-molecule transmitters can be subdivided into acetylcholine, amino acids, purines, and biogenic amines. Size differences between the small-molecule neurotransmitters and the peptide neurotransmitters areindicated by the space-filling models for glycine, norepinephrine, and methionine enkephalin. (Carbon atoms are black, hydrogen gray, nitrogen blue, and oxygen red.)

شکل ۶.۱ نمونه‌هایی از انتقال‌دهنده‌های عصبی مولکول کوچک و پپتیدی. انتقال‌دهنده‌های مولکولی کوچک را می‌توان به استیل کولین، اسیدهای آمینه، پورین‌ها و آمین‌های بیوژنیک تقسیم کرد. تفاوت اندازه بین انتقال‌دهنده‌های عصبی مولکول کوچک و انتقال‌دهنده‌های عصبی پپتیدی توسط مدل‌های پر کردن فضا برای گلیسین، نوراپی نفرین و متیونین انکفالین نشان داده شده است. (اتم‌های کربن سیاه، خاکستری هیدروژن، آبی نیتروژن و قرمز اکسیژن هستند.)

Acetylcholine

As mentioned in Chapter 5, acetylcholine (ACh) was the first substance identified as a neurotransmitter. In addition to its function as the neurotransmitter at skeletal neuromuscular junctions (see Chapter 5), as well as at the neuromuscular synapse between the vagus nerve and cardiac muscle fibers, ACh serves as a transmitter at synapses in the ganglia of the visceral motor system and at a variety of sites in the CNS. Whereas a great deal is known about the function of cholinergic transmission at neuromuscular junctions and ganglionic synapses, the actions of ACh in the CNS are not as well understood.

استیل کولین

همانطور که در فصل 5 ذکر شد، استیل کولین (ACh) اولین ماده‌ای بود که به عنوان یک انتقال‌دهنده عصبی شناسایی شد. علاوه بر عملکرد آن به عنوان انتقال‌دهنده عصبی در اتصالات عصبی-عضلانی اسکلتی (به فصل 5 مراجعه کنید) و همچنین در سیناپس عصبی-عضلانی بین عصب واگ و فیبرهای عضلانی قلبی، ACh به عنوان یک فرستنده در سیناپس‌ها در گانگلیون‌های سیستم حرکتی احشایی و در مکان‌های مختلف در سیستم عصبی مرکزی (CNS) عمل می‌کند. در حالی که اطلاعات زیادی در مورد عملکرد انتقال کولینرژیک در اتصالات عصبی-عضلانی و سیناپس‌های گانگلیونی وجود دارد، عملکرد ACh در سیستم عصبی مرکزی به خوبی درک نشده است.

Acetylcholine is synthesized in nerve terminals from the precursors acetyl coenzyme A (acetyl CoA, which is synthesized from glucose) and choline, in a reaction catalyzed by choline acetyltransferase (ChAT; Figure 6.2). Choline is present in plasma at a high concentration (about 10 mM) and is taken up into cholinergic neurons by a high-affinity, Na⁺-dependent choline co-transporter (ChT). After synthesis in the cytoplasm of the neuron, a vesicular ACh transporter (VAChT) loads approximately 10,000 molecules of ACh into each cholinergic vesicle. The energy required to concentrate ACh within the vesicle is provided by the acidic pH of the vesicle lumen, which allows the VAChT to exchange H⁺ for ACh.

استیل کولین در پایانه‌های عصبی از پیش‌سازهای استیل کوآنزیم A (استیل CoA که از گلوکز سنتز می‌شود) و کولین، در واکنشی که توسط کولین استیل ترانسفراز کاتالیز می‌شود، سنتز می‌شود (ChAT؛ شکل 6.2). کولین با غلظت بالا (حدود 10 میلی‌مولار) در پلاسما وجود دارد و توسط یک هم-انتقال‌دهنده کولین وابسته به Na⁺ (ChT) با میل ترکیبی بالا به نورون‌های کولینرژیک جذب می‌شود. پس از سنتز در سیتوپلاسم نورون، یک انتقال‌دهنده ACh وزیکولی (VAChT) تقریباً 10000 مولکول ACh را به هر وزیکول کولینرژیک منتقل می‌کند. انرژی مورد نیاز برای تغلیظ ACh در داخل وزیکول توسط pH اسیدی لومن وزیکول تأمین می‌شود که به VAChT اجازه می‌دهد ⁺H را با ACh مبادله کند.

FIGURE 6.2 Acetylcholine metabolism in cholinergic nerve terminals. The synthesis of acetylcholine from choline and acetyl CoA requires choline acetyltransferase. Acetyl CoA is derived from pyruvate generated by glycolysis, while choline is transported into the terminals via an Na⁺ dependent co-transporter (ChT). Acetylcholine is loaded into synaptic vesicles via a vesicular transporter (VAChT). After release, acetylcholine is rapidly metabolized by acetylcholinesterase, and choline is transported back into the terminal via the ChT.

شکل ۶.۲ متابولیسم استیل کولین در پایانه‌های عصبی کولینرژیک. سنتز استیل کولین از کولین و استیل CoA نیاز به کولین استیل ترانسفراز دارد. استیل CoA از پیروات تولید شده توسط گلیکولیز مشتق می‌شود، در حالی که کولین از طریق یک هم انتقال‌دهنده وابسته به Na⁺ (ChT) به پایانه‌ها منتقل می‌شود. استیل کولین از طریق یک انتقال‌دهنده وزیکولی (VAChT) به وزیکول‌های سیناپسی بارگیری می‌شود. پس از آزاد شدن، استیل کولین به سرعت توسط استیل کولین استراز متابولیزه می‌شود و کولین از طریق ChT دوباره به پایانه منتقل می‌شود.

In contrast to most other small-molecule neurotransmitters, the postsynaptic actions of ACh at many cholinergic synapses (the neuromuscular junction in particular) are not terminated by reuptake but by a powerful hydrolytic enzyme, acetylcholinesterase (AChE). This enzyme is concentrated in the synaptic cleft, ensuring a rapid decrease in ACh concentration after its release from the presynaptic terminal. AChE has a very high catalytic activity (about 5000 molecules of ACh per AChE molecule per second) and rapidly hydrolyzes ACh into acetate and choline. The choline produced by ACh hydrolysis is recycled by being transported back into nerve terminals, where it is used to resynthesize ACh.

برخلاف اکثر انتقال‌دهنده‌های عصبی مولکول‌های کوچک دیگر، عملکردهای پس‌سیناپسی استیل‌کولین‌استراز در بسیاری از سیناپس‌های کولینرژیک (به‌ویژه اتصال عصبی-عضلانی) با بازجذب خاتمه نمی‌یابند، بلکه توسط یک آنزیم هیدرولیتیک قدرتمند، استیل‌کولین‌استراز (AChE)، متوقف می‌شوند. این آنزیم در شکاف سیناپسی متمرکز است و کاهش سریع غلظت استیل‌کولین‌استراز را پس از آزادسازی آن از پایانه پیش‌سیناپسی تضمین می‌کند. استیل‌کولین‌استراز فعالیت کاتالیزوری بسیار بالایی دارد (حدود 5000 مولکول استیل‌کولین‌استراز به ازای هر مولکول استیل‌کولین‌استراز در ثانیه) و به سرعت استیل‌کولین را به استات و کولین هیدرولیز می‌کند. کولین تولید شده توسط هیدرولیز استیل‌کولین‌استراز با انتقال مجدد به پایانه‌های عصبی بازیافت می‌شود، جایی که برای سنتز مجدد استیل‌کولین‌استراز استفاده می‌شود.

Among the many interesting drugs that interact with cholinergic enzymes are the organophosphates. This group includes some potent chemical warfare agents. One such compound is the nerve gas sarin, made notorious in 1995 when a group of terrorists released it in Tokyo’s underground rail system. Organophosphates can be lethal because they inhibit AChE, allowing ACh to accumulate at cholinergic synapses. This buildup of ACh depolarizes the postsynaptic muscle cell and renders it refractory to subsequent ACh release, causing neuromuscular paralysis and other effects. The high sensitivity of insects to AChE inhibitors has made organophosphates popular insecticides.

در میان داروهای جالب بسیاری که با آنزیم‌های کولینرژیک تداخل دارند، ارگانوفسفات‌ها قرار دارند. این گروه شامل برخی از عوامل شیمیایی جنگی قوی است. یکی از این ترکیبات، گاز عصبی سارین است که در سال ۱۹۹۵، زمانی که گروهی از تروریست‌ها آن را در سیستم ریلی زیرزمینی توکیو رها کردند، بدنام شد. ارگانوفسفات‌ها می‌توانند کشنده باشند زیرا AChE را مهار می‌کنند و به ACh اجازه می‌دهند در سیناپس‌های کولینرژیک تجمع یابد. این تجمع ACh، سلول عضلانی پس‌سیناپسی را دپلاریزه می‌کند و آن را نسبت به آزادسازی بعدی ACh مقاوم می‌کند و باعث فلج عصبی-عضلانی و سایر اثرات می‌شود. حساسیت بالای حشرات به مهارکننده‌های AChE، ارگانوفسفات‌ها را به حشره‌کش‌های محبوبی تبدیل کرده است.

TABLE 6/1 Functional Features  of the Major Neurotransmitters

جدول ۶/۱ ویژگی‌های عملکردی انتقال‌دهنده‌های عصبی اصلی

Many of the postsynaptic actions of ACh are mediated by the nicotinic ACh receptor (nAChR), so named because the CNS stimulant nicotine also binds to these receptors.Nicotine consumption produces some degree of euphoria, relaxation, and eventually addiction, effects believed to be mediated by nAChRs. nAChRs are nonselective cation channels that generate excitatory postsynaptic responses, such as those illustrated in Figures 5.15 to 5.18. Several toxins, with remarkably diverse chemical structures, specifically bind to and block nicotinic receptors (Box 6A). The availability of these highly specific ligands—particularly a component of snake venom called a-bungarotoxin—has provided a valuable way to isolate and purify nAChRs. As a result, nAChRs are the best-studied type of ionotropic neurotransmitter receptor, and unraveling their molecular organization has provided deep insights into the workings of ionotropic receptors.

بسیاری از عملکردهای پس سیناپسی ACh توسط گیرنده ACh نیکوتینی (nAChR) انجام می‌شود، که به این دلیل نامگذاری شده است که نیکوتین محرک CNS نیز به این گیرنده‌ها متصل می‌شود. مصرف نیکوتین تا حدی سرخوشی، آرامش و در نهایت اعتیاد ایجاد می‌کند، اثراتی که اعتقاد بر این است که توسط nAChRها واسطه‌گری می‌شوند. nAChRها کانال‌های کاتیونی غیرانتخابی هستند که پاسخ‌های پس سیناپسی تحریکی ایجاد می‌کنند، مانند آنچه در شکل‌های 5.15 تا 5.18 نشان داده شده است. چندین سم، با ساختارهای شیمیایی بسیار متنوع، به طور خاص به گیرنده‌های نیکوتینی متصل شده و آنها را مسدود می‌کنند (کادر 6A). در دسترس بودن این لیگاندهای بسیار اختصاصی – به ویژه جزئی از زهر مار به نام a-بونگاروتوکسین – راهی ارزشمند برای جداسازی و خالص‌سازی nAChRها فراهم کرده است. در نتیجه، nAChRها بهترین نوع گیرنده انتقال‌دهنده عصبی یونوتروپیک هستند که مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و رمزگشایی از سازمان مولکولی آنها بینش عمیقی در مورد عملکرد گیرنده‌های یونوتروپیک ارائه داده است.

Nicotinic receptors are large protein complexes can sisting of five subunitis. At the neuromuscular junction, the nACHR contains two a subunits, each of which has a binding site that binds a single molecule of ACh. Both ACh binding site must be occupied for the receptor to be activated, so only relatively high concentrations of ACh activate these receptors. These subunits also bind other ligands, such as nicotine and a-bungarotoxin. The two a subunits are combined with 3 other subunits from among the four other types of nAChR SUBUNITS β, ∂, and either ϒ or ε in the ratio 2a:1β:1δ:1ϒ/ε. Neuronal nAChRs differ from those of muscle in that they (1) lack sensitivity to  α-bungarotoxin and (2) comprise only two receptor subunit types (α and β), in a ratio of 3α:2β.

گیرنده‌های نیکوتینی کمپلکس‌های پروتئینی بزرگی هستند که می‌توانند از پنج زیر واحد تشکیل شوند. در محل اتصال عصبی-عضلانی، nACHR حاوی دو زیر واحد α است که هر کدام دارای یک جایگاه اتصال هستند که به یک مولکول واحد ACh متصل می‌شود. برای فعال شدن گیرنده، هر دو جایگاه اتصال ACh باید اشغال شوند، بنابراین فقط غلظت‌های نسبتاً بالای ACh این گیرنده‌ها را فعال می‌کنند. این زیر واحدها همچنین به لیگاندهای دیگری مانند نیکوتین و α-بونگاروتوکسین متصل می‌شوند. دو زیر واحد α با 3 زیر واحد دیگر از چهار نوع دیگر زیر واحد nAChR یعنی β، ∂ و ϒ یا ε با نسبت 2α:1β:1δ:1ϒ/ε ترکیب می‌شوند. nAChRهای عصبی با nAChRهای عضلانی متفاوت هستند زیرا (1) فاقد حساسیت به α-بونگاروتوکسین هستند و (2) فقط شامل دو نوع زیر واحد گیرنده (α و β) با نسبت 3α:2β هستند.

Each subunit of the receptor contains a large extracellular region (which in α subunits contains the ACh binding site) as well as four membrane-spanning domains (Figure 6.3A). The transmembrane domains of the five individual subunits together form a channel with a central membrane-spanning pore (Figure 6.3B,C). The width of this pore (Figure 6.3D) is substantially larger than that of the pores of voltage-gated ion channels (see Figure 4.6), consistent with the relatively poor ability of nACh receptors to discriminate between different cations. Within this pore is a constriction that may represent the gate of the receptor. Binding of ACh to the a subunits is thought to cause a twisting of the extracellular domains of the receptor, which causes some of the receptor transmembrane domains to tilt to open the channel gate and permit ions to diffuse through the channel pore (Figure 6.3E).

هر زیر واحد گیرنده شامل یک ناحیه خارج سلولی بزرگ (که در زیر واحد α حاوی محل اتصال ACh است) و همچنین چهار دامنه غشایی است (شکل 6.3A). دامنه‌های غشایی پنج زیر واحد جداگانه با هم کانالی با یک منفذ مرکزی غشایی تشکیل می‌دهند (شکل 6.3B، C). عرض این منفذ (شکل 6.3D) به طور قابل توجهی بزرگتر از منافذ کانال‌های یونی وابسته به ولتاژ است (شکل 4.6 را ببینید)، که با توانایی نسبتاً ضعیف گیرنده‌های nACh در تمایز بین کاتیون‌های مختلف سازگار است. در داخل این منفذ، انقباضی وجود دارد که ممکن است نشان دهنده دروازه گیرنده باشد. تصور می‌شود که اتصال ACh به زیر واحدهای α باعث پیچ خوردگی دامنه‌های خارج سلولی گیرنده می‌شود که باعث می‌شود برخی از دامنه‌های غشایی گیرنده کج شوند تا دروازه کانال را باز کنند و به یون‌ها اجازه دهند از طریق منافذ کانال پخش شوند (شکل 6.3E).

In summary, the nACh receptor is a ligand-gated ion channel. The intimate association of the ACh binding sites of this receptor with the pore of the channel permits the rapid response to ACh that is characteristic of nACh receptors. This general arrangement—several receptor subunits coming together to form a ligand-gated ion channel—is characteristic of all the ionotropic receptors at fast-acting synapses employing glutamate, GABA, serotonin, and other neurotransmitters. Thus, the nicotinic receptor has served as a paradigm for studies of other ionotropic receptors, at the same time leading to a much deeper appreciation of several neuromuscular diseases (Clinical Applications). The subunits used to make nAChRs and other types of ionotropic neurotransmitter receptors are summarized in Figure 6.3F.

به طور خلاصه، گیرنده nACh یک کانال یونی دریچه‌دار لیگاندی است. ارتباط نزدیک جایگاه‌های اتصال ACh این گیرنده با منافذ کانال، پاسخ سریع به ACh را که مشخصه گیرنده‌های nACh است، امکان‌پذیر می‌سازد. این چیدمان کلی – چندین زیر واحد گیرنده که برای تشکیل یک کانال یونی دریچه‌دار لیگاندی گرد هم می‌آیند – مشخصه همه گیرنده‌های یونوتروپیک در سیناپس‌های سریع‌الاثر است که از گلوتامات، GABA، سروتونین و سایر انتقال‌دهنده‌های عصبی استفاده می‌کنند. بنابراین، گیرنده نیکوتینی به عنوان الگویی برای مطالعات سایر گیرنده‌های یونوتروپیک عمل کرده است، و در عین حال منجر به درک بسیار عمیق‌تری از چندین بیماری عصبی-عضلانی شده است (کاربردهای بالینی). زیر واحدهای مورد استفاده برای ساخت nAChRها و سایر انواع گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی یونوتروپیک در شکل 6.3F خلاصه شده‌اند.

FIGURE 6.3 Structure of the nicotinic ACh receptor. (A) Structure of the α subunit of the receptor. Each subunit crosses the membrane four times; the a subunit additionally contains a binding site for ACh in its extracellular domain. (B) Five subunits come together to form a complete AChR. (C) View of the AChR from the perspective of the synaptic cleft. The arrangement of the five subunits is evident, with each subunit contributing one transmembrane helix that forms the channel pore. (D) Cross-section view of the transmembrane domain of the AChR. The openings at either end of the channel pore are very large, and the pore narrows at the channel gate. The turquoise sphere indicates the dimension of a sodium ion (0.3 nm diameter). (E) Model for gating of the AChR.Binding of ACh to its binding sites on the two α subunits causes a conformational change in part of the extracellular domain, which causes the pore-forming helices to move and open the pore gate. (F) A diversity of subunits come together to form ionotropic neurotransmitter receptors. (A–C from Unwin, 2005; D,E from Miyazawa et al., 2003.)

شکل ۶.۳ ساختار گیرنده نیکوتینی استیل کولین. (الف) ساختار زیر واحد α گیرنده. هر زیر واحد چهار بار از غشاء عبور می‌کند؛ زیر واحد α علاوه بر این حاوی یک جایگاه اتصال برای استیل کولین در دامنه خارج سلولی خود است. (ب) پنج زیر واحد برای تشکیل یک AChR کامل گرد هم می‌آیند. (ج) نمای AChR از منظر شکاف سیناپسی. ترتیب پنج زیر واحد مشهود است، به طوری که هر زیر واحد یک مارپیچ غشایی ایجاد می‌کند که منافذ کانال را تشکیل می‌دهد. (د) نمای مقطعی از دامنه غشایی AChR. دهانه‌های دو انتهای منافذ کانال بسیار بزرگ هستند و منافذ در دروازه کانال باریک می‌شوند. کره فیروزه‌ای ابعاد یون سدیم (قطر 0.3 نانومتر) را نشان می‌دهد. (ه) مدلی برای دروازه‌بندی AChR. اتصال ACh به جایگاه‌های اتصالش روی دو زیرواحد α باعث تغییر ساختاری در بخشی از دامنه خارج سلولی می‌شود که باعث می‌شود مارپیچ‌های تشکیل‌دهنده منافذ حرکت کرده و دریچه منافذ را باز کنند. (و) انواع زیرواحدها برای تشکیل گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی یونوتروپیک گرد هم می‌آیند. (A-C از Unwin، 2005؛ D،E از Miyazawa و همکاران، 2003.)

A second class of ACh receptors is activated by muscarine, a poisonous alkaloid found in some mushrooms (see Box 6A), and thus they are referred to as muscarinic ACh receptors (mAChRs). mAChRs are metabotropic and mediate most of the effects of ACh in the brain. Like other metabotropic receptors, mAChRs have seven helical membrane-spanning domains (Figure 6.4A). ACh binds to a single binding site on the extracellular surface of the mAChR; this binding site is within a deep channel that is formed by several of the transmembrane helices (Figure 6.4B). Binding of ACh to this site causes a conformational change that permits G-proteins to bind to the cytoplasmic domain of the mAChR, which is only partially shown in Figure 6.4A.

دسته دوم گیرنده‌های ACh توسط موسکارین، یک آلکالوئید سمی که در برخی قارچ‌ها یافت می‌شود (به کادر 6A مراجعه کنید) فعال می‌شوند و بنابراین به آنها گیرنده‌های موسکارینی ACh (mAChRs) گفته می‌شود. mAChRها متابوتروپیک هستند و بیشتر اثرات ACh را در مغز واسطه‌گری می‌کنند. mAChRها مانند سایر گیرنده‌های متابوتروپیک، هفت دامنه مارپیچی در حال عبور از غشاء دارند (شکل 6.4A). ACh به یک محل اتصال واحد در سطح خارج سلولی mAChR متصل می‌شود. این محل اتصال در یک کانال عمیق قرار دارد که توسط چندین مارپیچ غشایی تشکیل شده است (شکل 6.4B). اتصال ACh به این محل باعث تغییر ساختاری می‌شود که به پروتئین‌های G اجازه می‌دهد به دامنه سیتوپلاسمی mAChR متصل شوند، که فقط تا حدی در شکل 6.4A نشان داده شده است.

Five subtypes of mAChRs are known (Figure 6.4C) and are coupled to different types of G-proteins, thereby causing a variety of slow postsynaptic responses. Muscarinic ACh receptors are highly expressed in the corpus striatum and various other forebrain regions, where they activate inward rectifier K⁺ channels or Ca²⁺-activated K⁺ channels, thereby exerting an inhibitory influence on dopamine-mediated motor effects. In other parts of the brain, such as the hippocampus, mAChRs are excitatory and act by closing KCNQ-type K⁺ channels. These receptors are also found in the ganglia of the peripheral nervous system. Finally, mAChRs mediate peripheral cholinergic responses of autonomic effector organs such as heart, smooth muscle, and exocrine glands and are responsible for the inhibition of heart rate by the vagus nerve. Numerous drugs act as mAChR agonists or antagonists; mAChR blockers that are therapeutically useful include atropine (used to dilate the pupil), scopolamine (effective in preventing motion sickness), and ipratropium (useful in the treatment of asthma).

پنج زیرگروه از mAChRها شناخته شده‌اند (شکل 6.4C) و با انواع مختلف پروتئین‌های G جفت می‌شوند و در نتیجه باعث ایجاد پاسخ‌های پس‌سیناپسی آهسته متنوعی می‌شوند. گیرنده‌های موسکارینی ACh به میزان زیادی در جسم مخطط و سایر نواحی مختلف مغز پیشین بیان می‌شوند، جایی که کانال‌های ⁺K یکسوکننده درونی یا کانال‌های ⁺K فعال‌شده با ⁺Ca² را فعال می‌کنند و در نتیجه تأثیر مهاری بر اثرات حرکتی ناشی از دوپامین اعمال می‌کنند. در سایر قسمت‌های مغز، مانند هیپوکامپ، mAChRها تحریکی هستند و با بستن کانال‌های ⁺K نوع KCNQ عمل می‌کنند. این گیرنده‌ها همچنین در گانگلیون‌های سیستم عصبی محیطی یافت می‌شوند. در نهایت، mAChRها واسطه پاسخ‌های کولینرژیک محیطی اندام‌های مؤثر خودکار مانند قلب، عضله صاف و غدد برون‌ریز هستند و مسئول مهار ضربان قلب توسط عصب واگ می‌باشند. داروهای متعددی به عنوان آگونیست یا آنتاگونیست mAChR عمل می‌کنند؛ مسدودکننده‌های mAChR که از نظر درمانی مفید هستند شامل آتروپین (برای گشاد کردن مردمک چشم)، اسکوپولامین (در پیشگیری از بیماری حرکت مؤثر است) و ایپراتروپیوم (در درمان آسم مفید است) می‌شوند.

FIGURE 6.4 Muscarinic and other metabotropic receptors. (A,B) Structure of the human M₂ mAChR. (A) This receptor spans the plasma membrane seven times and has a cytoplasmic domain (only partially shown here) that binds to and activates G-proteins, as well as an extracellular domain that binds ACh. In this view, the ACh binding site is occupied by 3-quinuclidinyl-benzilate (QNB, colored spheres), a muscarinic receptor antagonist. (B) View of the extracellular surface of the mAChR showing QNB bound to the ACh binding site. (C) Muscarinic and other metabotropic neurotransmitter receptors. (A,B after Haga et al., 2012.)

شکل ۶.۴ گیرنده‌های موسکارینی و سایر متابوتروپیک. (A،B) ساختار mAChR M2 انسانی. (A) این گیرنده هفت بار در غشای پلاسمایی امتداد دارد و دارای یک دامنه سیتوپلاسمی (که در اینجا فقط بخشی از آن نشان داده شده است) است که به پروتئین‌های G متصل شده و آنها را فعال می‌کند، و همچنین یک دامنه خارج سلولی دارد که به ACh متصل می‌شود. در این نما، محل اتصال ACh توسط 3-کینوکلیدینیل-بنزیلات (QNB، کره‌های رنگی)، یک آنتاگونیست گیرنده موسکارینی، اشغال شده است. (B) نمای سطح خارج سلولی mAChR که QNB متصل به محل اتصال ACh را نشان می‌دهد. (C) گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی موسکارینی و سایر متابوتروپیک. (A،B پس از Haga و همکاران، 2012.)

CLINICAL  APPLICATIONS

Myasthenia Gravis: An Autoimmune Disease of Neuromuscular Synapses

Myasthenia gravis is a disease that interferes with transmission between  motor  neurons  and skeletal muscle fibers and afflicts approximately 1 of every 10,000 people. The hallmark of the disorder, which was originally described by the British physician Thomas Willis in 1685, is muscle weakness, particularly during sustained activity (Figure A). Although the course is variable, myasthenia commonly affects muscles controlling the eyelids (resulting in drooping of the eyelids, or ptosis) and eye movements (resulting in double vision, or diplopia). Muscles controlling facial expression, chewing, swallowing, and speaking are other common targets.

کاربردهای بالینی

میاستنی گراویس: یک بیماری خودایمنی سیناپس‌های عصبی-عضلانی

میاستنی گراویس بیماری است که در انتقال بین نورون‌های حرکتی و فیبرهای عضلانی اسکلتی اختلال ایجاد می‌کند و تقریباً از هر 10000 نفر، یک نفر را مبتلا می‌کند. مشخصه این اختلال که در ابتدا توسط پزشک بریتانیایی توماس ویلیس در سال 1685 توصیف شد، ضعف عضلانی، به ویژه در طول فعالیت مداوم است (شکل A). اگرچه سیر بیماری متغیر است، میاستنی معمولاً عضلات کنترل کننده پلک‌ها (که منجر به افتادگی پلک یا پتوز می‌شود) و حرکات چشم (که منجر به دوبینی یا دیپلوپی می‌شود) را تحت تأثیر قرار می‌دهد. عضلات کنترل کننده حالت چهره، جویدن، بلعیدن و صحبت کردن از دیگر اهداف رایج هستند.

An important indication of the cause of myasthenia gravis came from the clinical observation that the muscle weakness improves following treatment with neostigmine and other inhibitors of acetylcholinesterase (AChE), the enzyme that normally degrades acetylcholine (ACh) at the neuromuscular junction (see Figure A). Studies of muscle obtained by biopsy showed that both end plate potentials (EPPs) and miniature end plate potentials (MEPPs) are much smaller than normal (Figure B).

یک نشانه مهم از علت میاستنی گراویس از مشاهدات بالینی حاصل شد که ضعف عضلانی پس از درمان با نئوستیگمین و سایر مهارکننده‌های استیل کولین استراز (AChE)، آنزیمی که به طور معمول استیل کولین (ACh) را در محل اتصال عصبی-عضلانی تجزیه می‌کند، بهبود می‌یابد (شکل A را ببینید). مطالعات عضله به دست آمده از طریق بیوپسی نشان داد که هم پتانسیل‌های صفحه انتهایی (EPP) و هم پتانسیل‌های صفحه انتهایی مینیاتوری (MEPP) بسیار کوچکتر از حد طبیعی هستند (شکل B).

Because both the frequency of MEPPs and the quantal content of EPPs are normal, it seemed likely that myasthenia gravis affects the postsynaptic muscle cells. Indeed, electron microscopy shows that the structure of neuromuscular junctions is altered, with obvious changes being a widening of the synaptic cleft and an apparent reduction in the number of ACh receptors in the postsynaptic membrane.

از آنجا که هم فراوانی MEPPها و هم محتوای کمی EPPها طبیعی است، به نظر می‌رسد که میاستنی گراویس بر سلول‌های عضلانی پس سیناپسی تأثیر می‌گذارد. در واقع، میکروسکوپ الکترونی نشان می‌دهد که ساختار اتصالات عصبی-عضلانی تغییر می‌کند، که تغییرات آشکار آن شامل پهن شدن شکاف سیناپسی و کاهش آشکار تعداد گیرنده‌های ACh در غشای پس سیناپسی است.

A chance observation in the early 1970s led to the discovery of the underlying cause of these changes. Jim Patrick and Jon Lindstrom, then working at the Salk Institute, were attempting to raise antibodies to nicotinic ACh receptors by immunizing rabbits with the receptors. Unexpectedly, the immunized rabbits developed muscle weakness that improved after treatment with AChE inhibitors. Subsequent work showed that the blood of patients with myasthenia  gravis  contains  antibodies directed against the ACh receptor, and that these antibodies are present at neuromuscular synapses. Removal of antibodies by plasma exchange improves the weakness. Finally, injecting the serum of patients with myasthenia gravis into mice produces myasthenic effects, because the serum carries circulating antibodies.

یک مشاهده تصادفی در اوایل دهه 1970 منجر به کشف علت اصلی این تغییرات شد. جیم پاتریک و جان لیندستروم، که در آن زمان در موسسه سالک کار می‌کردند، در تلاش بودند تا با ایمن‌سازی خرگوش‌ها با گیرنده‌های ACh، آنتی‌بادی‌هایی را علیه گیرنده‌های ACh نیکوتینی تولید کنند. به طور غیرمنتظره‌ای، خرگوش‌های ایمن‌شده دچار ضعف عضلانی شدند که پس از درمان با مهارکننده‌های AChE بهبود یافت. تحقیقات بعدی نشان داد که خون بیماران مبتلا به میاستنی گراویس حاوی آنتی‌بادی‌هایی است که علیه گیرنده ACh هدایت می‌شوند و این آنتی‌بادی‌ها در سیناپس‌های عصبی-عضلانی وجود دارند. حذف آنتی‌بادی‌ها از طریق تعویض پلاسما، ضعف را بهبود می‌بخشد. در نهایت، تزریق سرم بیماران مبتلا به میاستنی گراویس به موش‌ها اثرات میاستنی ایجاد می‌کند، زیرا سرم حاوی آنتی‌بادی‌های در گردش است.

These findings indicate that myasthenia gravis is an autoimmune disease that targets nicotinic ACh receptors. The immune response reduces the number of functional receptors at the neuromuscular junction and eventually destroys them altogether, diminishing the efficiency of synaptic transmission; muscle weakness occurs because motor neurons are less capable of exciting the postsynaptic muscle cells. This causal sequence also explains why cholinesterase inhibitors alleviate the symptoms: The inhibitors increase the concentration of ACh in the synaptic cleft, allowing more effective activation of those postsynaptic receptors not yet destroyed by the immune system. However, it is still not clear what triggers this autoimmune response to ACh receptors. Some other myasthenic syndromes weaken neuromuscular transmission by affecting ACh release from presynaptic terminals (see Clinical Applications, Chapter 5).

این یافته‌ها نشان می‌دهد که میاستنی گراویس یک بیماری خودایمنی است که گیرنده‌های ACh نیکوتینی را هدف قرار می‌دهد. پاسخ ایمنی تعداد گیرنده‌های عملکردی را در محل اتصال عصبی-عضلانی کاهش می‌دهد و در نهایت آنها را به طور کلی از بین می‌برد و کارایی انتقال سیناپسی را کاهش می‌دهد. ضعف عضلانی به این دلیل رخ می‌دهد که نورون‌های حرکتی توانایی کمتری در تحریک سلول‌های عضلانی پس‌سیناپسی دارند. این توالی علّی همچنین توضیح می‌دهد که چرا مهارکننده‌های کولین‌استراز علائم را تسکین می‌دهند: مهارکننده‌ها غلظت استیل‌کولین‌استراز را در شکاف سیناپسی افزایش می‌دهند و امکان فعال‌سازی مؤثرتر گیرنده‌های پس‌سیناپسی را که هنوز توسط سیستم ایمنی از بین نرفته‌اند، فراهم می‌کنند. با این حال، هنوز مشخص نیست چه چیزی این پاسخ خودایمنی به گیرنده‌های استیل‌کولین‌استراز را تحریک می‌کند. برخی دیگر از سندرم‌های میاستنی با تأثیر بر آزادسازی استیل‌کولین از پایانه‌های پیش‌سیناپسی، انتقال عصبی-عضلانی را تضعیف می‌کنند (به کاربردهای بالینی، فصل 5 مراجعه کنید).

Myasthenia gravis reduces the efficiency of neuromuscular transmission. (A) Electromyographs (EMGs) show muscle responses elicited by stimulating motor nerves. In typical individuals, each stimulus in a train evokes the same contractile response. In patients with myasthenia gravis, transmission rapidly fatigues, although it can be partially restored by administration of AChE inhibitors such as neostigmine. (B) Distribution of MEPP amplitudes in muscle fibers from patients with myasthenia gravis and from healthy controls. The smaller size of MEPPs in patients with myasthenia gravis is due to a diminished number of postsynaptic receptors. (A after Harvey and Lilienthal, 1941; B after Elmqvist et al., 1964.)

میاستنی گراویس کارایی انتقال عصبی-عضلانی را کاهش می‌دهد. (الف) الکترومیوگرافی (EMG) پاسخ‌های عضلانی ناشی از تحریک اعصاب حرکتی را نشان می‌دهد. در افراد معمولی، هر محرک در یک رشته، پاسخ انقباضی یکسانی را ایجاد می‌کند. در بیماران مبتلا به میاستنی گراویس، انتقال به سرعت خسته می‌شود، اگرچه می‌توان آن را تا حدی با تجویز مهارکننده‌های AChE مانند نئوستیگمین بازیابی کرد. (ب) توزیع دامنه‌های MEPP در فیبرهای عضلانی بیماران مبتلا به میاستنی گراویس و افراد سالم. اندازه کوچکتر MEPPها در بیماران مبتلا به میاستنی گراویس به دلیل کاهش تعداد گیرنده‌های پس سیناپسی است. (الف پس از‌هاروی و لیلینتال، ۱۹۴۱؛ ب پس از المکویست و همکاران، ۱۹۶۴.)

BOX  6A    ◊ Neurotoxins That Act on Neurotransmitter Receptors