انواع گیرنده‌ها: گیرنده‌های متصل به کانال، گیرنده‌های متصل به آنزیم و گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G

Receptor Types

Regardless of the nature of the initiating signal, cellular responses are determined by the presence of receptors that specifically bind to the signaling molecules. Binding of signal molecules causes a conformational change in the receptor, which then triggers a subsequent signaling cascade within the affected cell. The receptors for impermeant signal molecules are proteins that span the plasma membrane. The extracellular domain of such receptors includes the binding site for the signal, while the intracellular domain activates intracellular signaling cascades after the signal binds. A large number of these receptors have been identified and are grouped into families defined by the mechanism used to transduce signal binding into a cellular response (Figure 7.4).

انواع گیرنده‌ها

صرف نظر از ماهیت سیگنال آغازین، پاسخ‌های سلولی با حضور گیرنده‌هایی که به طور خاص به مولکول‌های سیگنالینگ متصل می‌شوند، تعیین می‌شوند. اتصال مولکول‌های سیگنال باعث تغییر ساختاری در گیرنده می‌شود که سپس آبشار سیگنالینگ بعدی را در سلول آسیب‌دیده آغاز می‌کند. گیرنده‌های مولکول‌های سیگنالینگ غیرنفوذی، پروتئین‌هایی هستند که در غشای پلاسمایی قرار دارند. دامنه خارج سلولی چنین گیرنده‌هایی شامل محل اتصال سیگنال است، در حالی که دامنه درون سلولی، آبشارهای سیگنالینگ درون سلولی را پس از اتصال سیگنال فعال می‌کند. تعداد زیادی از این گیرنده‌ها شناسایی شده‌اند و در خانواده‌هایی گروه‌بندی می‌شوند که توسط مکانیسم مورد استفاده برای تبدیل اتصال سیگنال به یک پاسخ سلولی تعریف شده‌اند (شکل 7.4).

Channel- linked receptors (see Figure 7.4A), also called ligand-gated ion channels (see Figure 4.8), have the receptor and transducing functions as part of the same protein molecule. Interaction of the chemical signal with the binding site of the receptor causes the opening or closing of an ion channel pore in another part of the same molecule. The resulting ion flux changes the membrane potential of the target cell and, in some cases, can also lead to entry of Ca²⁺ ions that serve as a second-messenger signal within the cell. Good examples of such receptors are the numerous ionotropic neurotransmitter receptors described in Chapter 6.

گیرنده‌های متصل به کانال (به شکل 7.4A مراجعه کنید)، که کانال‌های یونی دریچه‌دار لیگاندی نیز نامیده می‌شوند (به شکل 4.8 مراجعه کنید)، عملکردهای گیرنده و انتقال را به عنوان بخشی از همان مولکول پروتئینی دارند. برهمکنش سیگنال شیمیایی با محل اتصال گیرنده باعث باز یا بسته شدن منافذ کانال یونی در قسمت دیگری از همان مولکول می‌شود. شار یون حاصل، پتانسیل غشای سلول هدف را تغییر می‌دهد و در برخی موارد، می‌تواند منجر به ورود یون‌های Ca2+ شود که به عنوان سیگنال پیام‌رسان ثانویه در داخل سلول عمل می‌کنند. نمونه‌های خوبی از چنین گیرنده‌هایی، گیرنده‌های متعدد انتقال‌دهنده عصبی یونوتروپیک هستند که در فصل 6 توضیح داده شده‌اند.

Enzyme-linked receptors also have an extracellular binding site for chemical signals (see Figure 7.4B). The intracellular domain of such receptors is an enzyme whose catalytic activity is regulated by the binding of an extracellular signal. The great majority of these receptors are protein kinases, often tyrosine kinases, that phosphorylate intracellular target proteins, thereby changing the physiological function of the target cells. Noteworthy members of this group of receptors are the Trk family of neurotrophin receptors (see Chapter 23) and other receptors for growth factors.

گیرنده‌های متصل به آنزیم همچنین دارای یک جایگاه اتصال خارج سلولی برای سیگنال‌های شیمیایی هستند (شکل 7.4B را ببینید). دامنه درون سلولی چنین گیرنده‌هایی، آنزیمی است که فعالیت کاتالیزوری آن با اتصال یک سیگنال خارج سلولی تنظیم می‌شود. اکثریت قریب به اتفاق این گیرنده‌ها، پروتئین کینازها، اغلب تیروزین کینازها، هستند که پروتئین‌های هدف درون سلولی را فسفریله می‌کنند و در نتیجه عملکرد فیزیولوژیکی سلول‌های هدف را تغییر می‌دهند. اعضای قابل توجه این گروه از گیرنده‌ها، خانواده Trk از گیرنده‌های نوروتروفین (به فصل 23 مراجعه کنید) و سایر گیرنده‌های فاکتورهای رشد هستند.

G-protein-coupled receptors (see Figure 7.4C), also called metabotropic receptors (see Chapter 5), regulate intracellular reactions by an indirect mechanism involving an intermediate transducing molecule, called a GTP-binding protein (or G-protein). Hundreds of different G-protein-linked receptors have been identified. Well-known examples include the b-adrenergic receptor, the muscarinic type of acetylcholine receptor, and metabotropic glutamate receptors discussed in Chapter 6, as well as the receptors for odorants in the olfactory system, and many types of receptors for peptide hormones. Rhodopsins, the light-sensitive proteins of retinal photoreceptors, are another type of G-protein-linked receptor whose activating signal is photons of light, rather than a chemical signal (see Figure 11.9).

گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G (شکل 7.4C را ببینید)، که گیرنده‌های متابوتروپیک نیز نامیده می‌شوند (به فصل 5 مراجعه کنید)، واکنش‌های درون سلولی را با مکانیسم غیرمستقیمی شامل یک مولکول انتقال‌دهنده واسطه، به نام پروتئین متصل‌شونده به GTP (یا پروتئین G) تنظیم می‌کنند. صدها گیرنده مختلف مرتبط با پروتئین G شناسایی شده‌اند. نمونه‌های شناخته‌شده شامل گیرنده β-آدرنرژیک، گیرنده استیل کولین نوع موسکارینی و گیرنده‌های گلوتامات متابوتروپیک مورد بحث در فصل 6، و همچنین گیرنده‌های بو در سیستم بویایی و انواع زیادی از گیرنده‌های هورمون‌های پپتیدی هستند. رودوپسین‌ها، پروتئین‌های حساس به نور گیرنده‌های نوری شبکیه، نوع دیگری از گیرنده‌های مرتبط با پروتئین G هستند که سیگنال فعال‌کننده آنها فوتون‌های نور است، نه یک سیگنال شیمیایی (شکل 11.9 را ببینید).

Intracellular receptors are activated by cell-permeant or lipophilic signaling molecules (see Figure 7.4D). Many of these receptors lead to the activation of signaling cas- cades that produce new mRNA and protein within the target cell. Often such receptors comprise a receptor protein bound to an inhibitory protein complex. When the signaling molecule binds to the receptor, the inhibitory complex dissociates to expose a DNA-binding domain on the receptor. This activated form of the receptor can then move into the nucleus and directly interact with nuclear DNA, resulting in altered transcription. Some intracellular receptors are located primarily in the cytoplasm, while others are in the nucleus. In either case, once these receptors are activated they affect gene expression by altering DNA transcription.

گیرنده‌های درون سلولی توسط مولکول‌های سیگنالینگ نفوذپذیر به سلول یا لیپوفیل فعال می‌شوند (شکل 7.4D را ببینید). بسیاری از این گیرنده‌ها منجر به فعال شدن آبشارهای سیگنالینگ می‌شوند که mRNA و پروتئین جدیدی را در سلول هدف تولید می‌کنند. اغلب چنین گیرنده‌هایی شامل یک پروتئین گیرنده متصل به یک کمپلکس پروتئینی مهارکننده هستند. هنگامی که مولکول سیگنالینگ به گیرنده متصل می‌شود، کمپلکس مهارکننده جدا می‌شود تا یک دامنه اتصال به DNA روی گیرنده را در معرض دید قرار دهد. این شکل فعال شده گیرنده می‌تواند سپس به هسته منتقل شود و مستقیماً با DNA هسته‌ای تعامل داشته باشد و منجر به تغییر رونویسی شود. برخی از گیرنده‌های درون سلولی عمدتاً در سیتوپلاسم قرار دارند، در حالی که برخی دیگر در هسته هستند. در هر صورت، هنگامی که این گیرنده‌ها فعال می‌شوند، با تغییر رونویسی DNA بر بیان ژن تأثیر می‌گذارند.

FIGURE 7.4 Categories of cellular receptors. Cell-impermeant signaling molecules can bind to and activate channel-linked receptors (A), enzyme-linked receptors (B), or G-protein-coupled receptors (C). Cell-permeant signaling molecules activate intracellular receptors (D).

شکل۷.۴ دسته بندی گیرنده های سلولی. مولکول های سیگنالینگ نفوذناپذیر در سلول می توانند به گیرنده های متصل به کانال (A)، گیرنده های متصل به آنزیم (B) یا گیرنده های جفت شده با پروتئین G (C) متصل شده و آنها را فعال کنند. مولکول های سیگنالینگ نفوذناپذیر در سلول، گیرنده های درون سلولی (D) را فعال می کنند.

G-Proteins and Their Molecular Targets

Both G-protein-coupled receptors and enzyme-linked receptors can activate biochemical reaction cascades that ultimately modify the function of target proteins. For both of these receptor types, the coupling between receptor activation and their subsequent effects is provided by GTP-binding proteins. There are two general classes of GTP-binding proteins (Figure 7.5). Heterotrimeric G-proteins consist of three distinct subunits (a, b, and g). There are many different a, b, and g subunits, allowing a bewildering number of G-protein permutations. Regardless of the specific composition of the heterotrimeric G-protein, its a subunit binds to guanine nucleotides, either GTP or GDP. Binding of GDP then allows the a subunit to bind to the b and g subunits toform an inactive trimer. Binding of an extracellular signal to a G-protein-coupled receptor in turn allows the G-protein to bind to the receptor and causes GDP to be replaced with GTP (see Figure 7.5A). When GTP is bound to the G-protein, the a subunit dissociates from the bg complex and activates the G-protein. Following activation, both the GTP-bound a subunit and the free bg subunit complex can bind to downstream effector molecules that mediate a variety of responses in the target cell.

پروتئین‌های G و اهداف مولکولی آنها

هم گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G و هم گیرنده‌های متصل به آنزیم می‌توانند آبشارهای واکنش‌های بیوشیمیایی را فعال کنند که در نهایت عملکرد پروتئین‌های هدف را تغییر می‌دهند. برای هر دو نوع گیرنده، اتصال بین فعال شدن گیرنده و اثرات بعدی آنها توسط پروتئین‌های متصل به GTP فراهم می‌شود. دو دسته کلی از پروتئین‌های متصل به GTP وجود دارد (شکل 7.5). پروتئین‌های G هتروتریمری از سه زیر واحد مجزا (a، b و g) تشکیل شده‌اند. زیر واحدهای a، b و g مختلف زیادی وجود دارد که امکان تعداد گیج‌کننده‌ای از جایگشت‌های پروتئین G را فراهم می‌کند. صرف نظر از ترکیب خاص پروتئین G هتروتریمری، زیر واحد a آن به نوکلئوتیدهای گوانین، چه GTP و چه GDP، متصل می‌شود. اتصال GDP سپس به زیر واحد a اجازه می‌دهد تا به زیر واحدهای b و g متصل شود و یک تریمر غیرفعال تشکیل دهد. اتصال یک سیگنال خارج سلولی به یک گیرنده متصل به پروتئین G به نوبه خود به پروتئین G اجازه می‌دهد تا به گیرنده متصل شود و باعث جایگزینی GDP با GTP شود (شکل 7.5A را ببینید). هنگامی که GTP به پروتئین G متصل می‌شود، زیر واحد α از کمپلکس bg جدا شده و پروتئین G را فعال می‌کند. پس از فعال شدن، هم زیر واحد α متصل به GTP و هم کمپلکس زیر واحد β آزاد می‌توانند به مولکول‌های مؤثر پایین‌دست متصل شوند که واسطه انواع پاسخ‌ها در سلول هدف هستند.

The second class of GTP-binding proteins is the monomeric G-proteins (also called small G-proteins). These monomeric GTPases also relay signals from activated cell surface receptors to intracellular targets such as the cytoskeleton and the vesicle trafficking apparatus of the cell. The first small G-protein was discovered in a virus that causes rat sarcoma tumors and was therefore called ras. Ras helps regulate cell differentiation and proliferation by relaying signals from receptor kinases to the nucleus; the viral form of ras is defective, which accounts for the ability of the virus to cause the uncontrolled cell proliferation that leads to tumors. Ras is known to be involved in many forms of neuronal signaling, including long-term synaptic potentiation (see Chapter 8). Since the discovery of ras, a large number of small GTPases have been identified and can be sorted into five different subfamilies with different functions. For instance, some are involved in vesicletrafficking in the presynaptic terminal or elsewhere in the neuron, while others play a central role in protein and RNA trafficking in and out of the nucleus.

دسته دوم پروتئین‌های متصل شونده به GTP، پروتئین‌های G مونومری (که پروتئین‌های G کوچک نیز نامیده می‌شوند) هستند. این GTPaseهای مونومری همچنین سیگنال‌ها را از گیرنده‌های فعال سطح سلول به اهداف درون سلولی مانند اسکلت سلولی و دستگاه انتقال وزیکول سلول منتقل می‌کنند. اولین G-پروتئین کوچک در ویروسی کشف شد که باعث تومورهای سارکوم موش صحرایی می‌شود و بنابراین ras نامیده شد. Ras با انتقال سیگنال‌ها از کینازهای گیرنده به هسته، به تنظیم تمایز و تکثیر سلولی کمک می‌کند. شکل ویروسی ras ناقص است، که دلیل توانایی ویروس در ایجاد تکثیر کنترل نشده سلولی است که منجر به تومورها می‌شود. Ras در بسیاری از اشکال سیگنالینگ عصبی، از جمله تقویت سیناپسی طولانی مدت، نقش دارد (به فصل 8 مراجعه کنید). از زمان کشف ras، تعداد زیادی از GTPaseهای کوچک شناسایی شده‌اند و می‌توان آنها را در پنج زیرخانواده مختلف با عملکردهای مختلف طبقه‌بندی کرد. برای مثال، برخی در انتقال وزیکول‌ها در ترمینال پیش‌سیناپسی یا هر جای دیگری در نورون نقش دارند، در حالی که برخی دیگر نقش محوری در انتقال پروتئین و RNA به داخل و خارج هسته دارند.

Similar to heterotrimeric G-proteins, monomeric G-proteins function as molecular timers that are active in their GTP-bound state, becoming inactive when they have hydrolyzed the bound GTP to GDP (see Figure 7.5B). Mo- nomeric G-proteins are activated by replacement of bound GDP with GTP; this reaction is controlled by a group of proteins called guanine nucleotide exchange factors (GEFs). There are more than 100 GEFs, some of which specifically activate single types of monomeric G-proteins, while other can activate multiple monomeric G-proteins. GEFs, in turn, are activated by binding to activated receptors. This binding is promoted by yet another protein, termed an adaptor protein.

مشابه پروتئین‌های G هتروتریمری، پروتئین‌های G مونومری به عنوان تایمرهای مولکولی عمل می‌کنند که در حالت متصل به GTP خود فعال هستند و هنگامی که GTP متصل را به GDP هیدرولیز می‌کنند، غیرفعال می‌شوند (شکل 7.5B را ببینید). پروتئین‌های G مونومری با جایگزینی GDP متصل با GTP فعال می‌شوند. این واکنش توسط گروهی از پروتئین‌ها به نام فاکتورهای تبادل نوکلئوتید گوانین (GEF) کنترل می‌شود. بیش از 100 GEF وجود دارد که برخی از آنها به طور خاص انواع واحدی از پروتئین‌های G مونومری را فعال می‌کنند، در حالی که برخی دیگر می‌توانند چندین پروتئین G مونومری را فعال کنند. GEFها به نوبه خود با اتصال به گیرنده‌های فعال شده فعال می‌شوند. این اتصال توسط پروتئین دیگری به نام پروتئین آداپتور تقویت می‌شود.

Termination of signaling by both heterotrimeric and monomeric G-proteins is determined by hydrolysis of GTP to GDP. The rate of GTP hydrolysis is an important property of a particular G-protein and can be regulated by other proteins, termed GTPase-activating proteins (GAPs). By replacing GTP with GDP, GAPs return G-proteins to their inactive form. GAPs were first recognized as regulators of small G-proteins (see Figure 7.5B), but similar proteins are now known to regulate the a subunits of heterotrimericG-proteins (see Figure 7.5A).

پایان سیگنال‌دهی توسط پروتئین‌های G هتروتریمری و مونومری با هیدرولیز GTP به GDP تعیین می‌شود. سرعت هیدرولیز GTP یک ویژگی مهم یک پروتئین G خاص است و می‌تواند توسط پروتئین‌های دیگری به نام پروتئین‌های فعال‌کننده GTPase (GAPs) تنظیم شود. GAPها با جایگزینی GTP با GDP، پروتئین‌های G را به شکل غیرفعال خود برمی‌گردانند. GAPها ابتدا به عنوان تنظیم‌کننده‌های پروتئین‌های G کوچک شناخته شدند (شکل 7.5B را ببینید)، اما اکنون مشخص شده است که پروتئین‌های مشابه، زیر واحدهای α پروتئین‌های G هتروتریمری را تنظیم می‌کنند (شکل 7.5A را ببینید).

FIGURE 7.5 Types of GTP-binding proteins. (A) Heterotrimeric G-proteins consist of three distinct subunits (a, b, and g). Receptor activation causes the binding of the G-protein and thea subunit to exchange GDP for GTP, leading to a dissociation of the a and bg subunits. The biological actions of these G-proteins are terminated by hydrolysis of GTP, which is enhanced by GT- Pase-activating (GAP) proteins. (B) Monomeric G-proteins usesimilar mechanisms to relay signals from activated cell surface receptors to intracellular targets. The biological actions of these G-proteins depends on binding of GTP, which is activated by guanine nucleotide exchange factors (GEFs) that bind to the receptor in association with adaptor proteins, and their activity is terminated by hydrolysis of GTP, which is also regulated by GAP proteins.

شکل ۷.۵ انواع پروتئین‌های متصل شونده به GTP. (الف) پروتئین‌های G هتروتریمری از سه زیر واحد مجزا (a، b و g) تشکیل شده‌اند. فعال شدن گیرنده باعث اتصال پروتئین G و زیر واحد تئا برای تبادل GDP با GTP می‌شود که منجر به تفکیک زیر واحدهای a و bg می‌شود. اقدامات بیولوژیکی این پروتئین‌های G با هیدرولیز GTP خاتمه می‌یابد که توسط پروتئین‌های فعال‌کننده GT-Pase (GAP) تقویت می‌شود. (ب) پروتئین‌های G مونومر از مکانیسم‌های مشابهی برای انتقال سیگنال‌ها از گیرنده‌های سطح سلول فعال شده به اهداف درون سلولی استفاده می‌کنند. اقدامات بیولوژیکی این پروتئین‌های G به اتصال GTP بستگی دارد که توسط فاکتورهای تبادل نوکلئوتید گوانین (GEFs) فعال می‌شود که در ارتباط با پروتئین‌های آداپتور به گیرنده متصل می‌شوند و فعالیت آنها با هیدرولیز GTP خاتمه می‌یابد که آن نیز توسط پروتئین‌های GAP تنظیم می‌شود.

Activated G-proteins alter the function of many downstream effectors. Most of these effectors are enzymes that produce intracellular second messengers. Effector enzymes include adenylyl cyclase, guanylyl cyclase, phospholipase C, and others (Figure 7.6). The second messengers produced by these enzymes trigger the complex biochemical signaling cascades discussed in the next section. Because each of these cascades is activated by specific G-protein subunits, the pathways activated by a particular receptor are determined by the specific identity of the G-protein subunits associated with it.

پروتئین‌های G فعال‌شده عملکرد بسیاری از عوامل مؤثر در پایین‌دست را تغییر می‌دهند. اکثر این عوامل مؤثر آنزیم‌هایی هستند که پیام‌رسان‌های ثانویه درون سلولی تولید می‌کنند. آنزیم‌های مؤثر شامل آدنیلیل سیکلاز، گوانیلیل سیکلاز، فسفولیپاز C و سایر موارد هستند (شکل 7.6). پیام‌رسان‌های ثانویه تولید شده توسط این آنزیم‌ها، آبشارهای سیگنالینگ بیوشیمیایی پیچیده‌ای را که در بخش بعدی مورد بحث قرار می‌گیرند، آغاز می‌کنند. از آنجا که هر یک از این آبشارها توسط زیرواحدهای خاص پروتئین G فعال می‌شوند، مسیرهای فعال شده توسط یک گیرنده خاص توسط هویت خاص زیرواحدهای پروتئین G مرتبط با آن تعیین می‌شوند.

G-proteins can also directly bind to and activate ion channels. For example, activation of muscarinic receptors by acetylcholine can open K⁺ channels, thereby reducing the rate at which the neurons fire action potentials. Such inhibitory responses are believed to be the result of bg subunits of G-proteins binding to the K⁺ channels. The activation of a subunits can also lead to the rapid closing of voltage-gated Ca²⁺ and Na⁺ channels. Because these channels carry inward currents involved in generating action potentials, closing them also makes it more difficult for target cells to fire (see Chapters 3 and 4). Thus, by directly regulating the gating of ion channels, G-proteins can influence the electrical signaling of target cells.

پروتئین‌های G همچنین می‌توانند مستقیماً به کانال‌های یونی متصل شده و آنها را فعال کنند. به عنوان مثال، فعال شدن گیرنده‌های موسکارینی توسط استیل کولین می‌تواند کانال‌های ⁺K را باز کند و در نتیجه سرعت شلیک پتانسیل عمل توسط نورون‌ها را کاهش دهد. اعتقاد بر این است که چنین پاسخ‌های مهاری نتیجه اتصال زیر واحدهای bg پروتئین‌های G به کانال‌های ⁺K است. فعال شدن زیر واحدها همچنین می‌تواند منجر به بسته شدن سریع کانال‌های ⁺Ca² و ⁺Na وابسته به ولتاژ شود. از آنجا که این کانال‌ها جریان‌های داخلی دخیل در تولید پتانسیل‌های عمل را حمل می‌کنند، بسته شدن آنها شلیک را برای سلول‌های هدف نیز دشوارتر می‌کند (به فصل‌های 3 و 4 مراجعه کنید). بنابراین، با تنظیم مستقیم دریچه کانال‌های یونی، پروتئین‌های G می‌توانند بر سیگنال‌دهی الکتریکی سلول‌های هدف تأثیر بگذارند.

In summary, the binding of chemical signals to their receptors activates cascades of signal transduction events in the cytosol of target cells. Within such cascades, G-proteins serve a pivotal function as the molecular transducing elements that couple membrane receptors to their molecular effectors within the cell. The diversity of G-proteins and their downstream targets leads to many types of physiological responses.

به طور خلاصه، اتصال سیگنال‌های شیمیایی به گیرنده‌هایشان، آبشارهایی از رویدادهای انتقال سیگنال را در سیتوزول سلول‌های هدف فعال می‌کند. در چنین آبشارهایی، پروتئین‌های G به عنوان عناصر انتقال‌دهنده مولکولی که گیرنده‌های غشایی را به عوامل مؤثر مولکولی خود در داخل سلول متصل می‌کنند، عملکرد محوری دارند. تنوع پروتئین‌های G و اهداف پایین‌دست آنها منجر به انواع مختلفی از پاسخ‌های فیزیولوژیکی می‌شود.

FIGURE 7.6 Effector pathways associated with G-protein- coupled receptors. In all three examples shown here, binding of a neurotransmitter to such a receptor leads to activation of a G-protein and subsequent recruitment of second-messenger pathways. Gs, Gq, and Gi refer to three different types of heterotrimeric G-proteins.

شکل ۷.۶ مسیرهای مؤثر مرتبط با گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G. در هر سه مثال نشان داده شده در اینجا، اتصال یک انتقال‌دهنده عصبی به چنین گیرنده‌ای منجر به فعال شدن یک پروتئین G و متعاقباً جذب مسیرهای پیام‌رسان ثانویه می‌شود. Gs، Gq و Gi به سه نوع مختلف از پروتئین‌های G هتروتریمری اشاره دارند.

Second Messengers

Neurons use many different second messengers as intracellular signals.