پیام‌رسان‌های ثانویه: کلسیم، نوکلئوتیدهای حلقوی: cAMP و cGMP، دی‌آسیل‌گلیسرول و IP3

Second Messengers

Neurons use many different second messengers as intracellular signals. These messengers differ in the mechanism by which they are produced and removed, as well as in their downstream targets and effects (Figure 7.7A). This section summarizes the attributes of some of the principal second messengers.

پیام‌رسان‌های ثانویه

نورون‌ها از پیام‌رسان‌های ثانویه مختلفی به عنوان سیگنال‌های درون سلولی استفاده می‌کنند. این پیام‌رسان‌ها در مکانیسم تولید و حذف خود و همچنین در اهداف و اثرات پایین‌دستی خود متفاوت هستند (شکل 7.7A). این بخش ویژگی‌های برخی از پیام‌رسان‌های ثانویه اصلی را خلاصه می‌کند.

• Calcium. The calcium ion (Ca²⁺) is perhaps the most common intracellular messenger in neurons. Indeed, few neuronal functions are immune to the influence—direct or indirect—of Ca²⁺. In all cases, information is transmit- ted by a transient rise in the cytoplasmic calcium concen- tration, which allows Ca²⁺ to bind to and activate a large number of Ca²⁺-binding proteins that serve as molecular One of the most thoroughly studied targets of Ca²⁺ is calmodulin, a Ca²⁺-binding protein abundant in the cytosol of all cells. Binding of Ca²⁺ to calmodulin activates this protein, which then initiates its effects by binding to still other downstream targets, such as pro- tein kinases. Another important family of intracellular Ca²⁺-binding proteins are the synaptotagmins, which serve as Ca²⁺ sensors during neurotransmitter release and other forms of intracellular membrane fusion (see Chapter 5).

• کلسیم. یون کلسیم (⁺Ca²) شاید رایج‌ترین پیام‌رسان درون سلولی در نورون‌ها باشد. در واقع، تعداد کمی از عملکردهای عصبی از تأثیر – مستقیم یا غیرمستقیم – ⁺Ca² مصون هستند. در همه موارد، اطلاعات با افزایش گذرا در غلظت کلسیم سیتوپلاسمی منتقل می‌شود، که به ⁺Ca² اجازه می‌دهد تا به تعداد زیادی از پروتئین‌های متصل شونده به ⁺Ca² که به عنوان گیرنده‌های مولکولی عمل می‌کنند، متصل شده و آنها را فعال کند. یکی از اهداف ⁺Ca² که به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفته است، کالمودولین است، یک پروتئین متصل شونده به ⁺Ca² که در سیتوزول همه سلول‌ها فراوان است. اتصال ⁺Ca² به کالمودولین این پروتئین را فعال می‌کند، که سپس اثرات خود را با اتصال به سایر اهداف پایین‌دستی، مانند پروتئین کینازها، آغاز می‌کند. خانواده مهم دیگری از پروتئین‌های متصل شونده به ⁺Ca² درون سلولی، سیناپتوتاگمین‌ها هستند که به عنوان حسگرهای ⁺Ca² در طول آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی و سایر اشکال همجوشی غشای درون سلولی عمل می‌کنند (به فصل 5 مراجعه کنید).

Ordinarily the concentration of Ca²⁺ ions in the cytosol is extremely low, typically 50 to 100 nanomolar (10^–9 M).

معمولاً غلظت یون‌های ⁺Ca² در سیتوزول بسیار کم است، معمولاً 50 تا 100 نانومولار (10-9 مولار).

The concentration of Ca²⁺ ions outside neurons—in the bloodstream or cerebrospinal fluid, for instance—is several orders of magnitude higher, typically several millimolar (10^–3M). This steep Ca²⁺ gradient is maintained by several mechanisms (Figure 7.7B). Most important in this main- tenance are two proteins that translocate Ca²⁺ from the cytosol to the extracellular medium: an ATPase called the calcium pump; and an Na⁺/Ca2+ exchanger, which is a protein that replaces intracellular Ca²⁺ with extracellular sodium ions (see Chapter 4). In addition to these plasma membrane mechanisms, Ca²⁺ is also pumped into the en- doplasmic reticulum and mitochondria. These organelles can thus serve as storage depots of Ca²⁺ ions that are later released to participate in signaling events. Finally, nerve cells contain other Ca²⁺-binding proteins—such as cal- bindin—that serve as Ca²⁺ buffers. Such buffers reversibly bind Ca²⁺ and thus blunt the magnitude and slow the kinetics of Ca²⁺ signals within neurons.

غلظت یون‌های ⁺Ca² در خارج از نورون‌ها – به عنوان مثال، در جریان خون یا مایع مغزی نخاعی – چندین برابر بیشتر است، معمولاً چندین میلی‌مولار (10-3M). این شیب تند ⁺Ca² توسط چندین مکانیسم حفظ می‌شود (شکل 7.7B). مهمترین عوامل در این نگهداری، دو پروتئین هستند که ⁺Ca² را از سیتوزول به محیط خارج سلولی منتقل می‌کنند: یک ATPase به نام پمپ کلسیم؛ و یک مبدل ⁺Na⁺/ Ca²، که پروتئینی است که ⁺Ca² درون سلولی را با یون‌های سدیم خارج سلولی جایگزین می‌کند (به فصل 4 مراجعه کنید). علاوه بر این مکانیسم‌های غشای پلاسما، ⁺Ca² همچنین به شبکه آندوپلاسمی و میتوکندری پمپ می‌شود. بنابراین، این اندامک‌ها می‌توانند به عنوان انبارهای ذخیره یون‌های ⁺Ca² عمل کنند که بعداً برای شرکت در رویدادهای سیگنالینگ آزاد می‌شوند. در نهایت، سلول‌های عصبی حاوی پروتئین‌های اتصال‌دهنده ⁺Ca² دیگری – مانند کالبیندین – هستند که به عنوان بافرهای ⁺Ca² عمل می‌کنند. چنین بافرهایی به طور برگشت‌پذیر به ⁺Ca² متصل می‌شوند و بنابراین شدت و سرعت سیگنال‌های ⁺Ca² را در نورون‌ها کاهش می‌دهند.

The Ca²⁺ ions that act as intracellular signals enter the cytosol by means of one or more types of Ca²⁺-permeable ion channels (see Chapter 4). These can be voltage-gated Ca²⁺ channels or ligand-gated channels in the plasma membrane, both of which allow Ca²⁺ to flow down the Ca²⁺ gradient and into the cell from the extracellular medium. In addition, other channels allow Ca²⁺ to be released from the interior of the endoplasmic reticulum into the cytosol. These intracellular Ca²⁺-releasing channels are gated, so they can be opened or closed in response to various intra- cellular signals. One such channel is the inositol trisphos- phate (IP₃) receptor. As the name implies, this channel is regulated by IP₃, a second messenger described in more detail below. A second type of intracellular Ca²⁺-releasing channel is the ryanodine receptor, named after a drug that binds to and partially opens these receptors. Among the biological signals that activate ryanodine receptors are cytoplasmic Ca²⁺ and, at least in muscle cells, depolariza- tion of the plasma membrane.

یون‌های ⁺Ca² که به عنوان سیگنال‌های درون سلولی عمل می‌کنند، از طریق یک یا چند نوع کانال یونی نفوذپذیر به ⁺Ca² وارد سیتوزول می‌شوند (به فصل 4 مراجعه کنید). این کانال‌ها می‌توانند کانال‌های ⁺Ca² وابسته به ولتاژ یا کانال‌های وابسته به لیگاند در غشای پلاسما باشند که هر دو به ⁺Ca² اجازه می‌دهند تا در شیب ⁺Ca² از محیط خارج سلولی به داخل سلول جریان یابد. علاوه بر این، کانال‌های دیگری نیز به ⁺Ca² اجازه می‌دهند تا از داخل شبکه آندوپلاسمی به داخل سیتوزول آزاد شود. این کانال‌های آزادکننده ⁺Ca² درون سلولی، دریچه‌دار هستند، بنابراین می‌توانند در پاسخ به سیگنال‌های مختلف درون سلولی باز یا بسته شوند. یکی از این کانال‌ها، گیرنده اینوزیتول تری فسفات (IP₃) است. همانطور که از نامش پیداست، این کانال توسط IP₃، یک پیام‌رسان ثانویه که در ادامه با جزئیات بیشتری توضیح داده شده است، تنظیم می‌شود. نوع دوم کانال آزادکننده ⁺Ca² درون سلولی، گیرنده رایانودین است که نام خود را از دارویی گرفته است که به این گیرنده‌ها متصل شده و تا حدی آنها را باز می‌کند. از جمله سیگنال‌های بیولوژیکی که گیرنده‌های رایانودین را فعال می‌کنند، می‌توان به ⁺Ca² سیتوپلاسمی و حداقل در سلول‌های ماهیچه‌ای، دپلاریزاسیون غشای پلاسما اشاره کرد.

These various mechanisms for elevating and removing Ca²⁺ ions allow precise control of both the timing and location of Ca²⁺ signaling within neurons, which in turn permit Ca²⁺ to control many different signaling events. For example, voltage-gated Ca²⁺ channels allow Ca²⁺ concentrations to rise very rapidly and locally within presynaptic terminals to trigger neurotransmitter release, as described in Chapter 5. Slower and more widespread rises in Ca²⁺ concentration regulate a wide variety of other responses, including gene expression in the cell nucleus.

این مکانیسم‌های مختلف برای افزایش و حذف یون‌های ⁺Ca² امکان کنترل دقیق زمان و مکان سیگنالینگ ⁺Ca² در نورون‌ها را فراهم می‌کنند، که به نوبه خود به ⁺Ca² اجازه می‌دهد تا بسیاری از رویدادهای سیگنالینگ مختلف را کنترل کند. به عنوان مثال، کانال‌های ⁺Ca² وابسته به ولتاژ اجازه می‌دهند غلظت ⁺Ca² خیلی سریع و به صورت موضعی در پایانه‌های پیش‌سیناپسی افزایش یابد تا آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی را تحریک کند، همانطور که در فصل 5 توضیح داده شده است. افزایش آهسته‌تر و گسترده‌تر غلظت ⁺Ca² طیف گسترده‌ای از پاسخ‌های دیگر، از جمله بیان ژن در هسته سلول را تنظیم می‌کند.

Cyclic nucleotides. Another important group of second messengers is the cyclic nucleotides, specifically cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and cyclic guanosine monophosphate (cGMP) (Figure 7C). Cyclic AMP is a de- rivative of the abundant cellular energy storage molecule ATP, and is produced when G-proteins activate adenylyl cyclase in the plasma membrane. Adenylyl cyclase converts ATP into cAMP by removing two phosphate groups from the ATP. Cyclic GMP is similarly produced from GTP by the action of guanylyl cyclase. Once the intracellular con- centration of cAMP or cGMP is elevated, these nucleotides can bind to two different classes of targets. The most common targets of cyclic nucleotide action are protein kinases, either the cAMP-dependent protein kinase (PKA) or the cGMP-dependent protein kinase (PKG). These enzymes mediate many physiological responses by phosphorylating target proteins, as described in the next section. In addition, cAMP and cGMP can influence neuronal signaling by binding to certain ligand-gated ion channels (see Figure 4.8D). These cyclic nucleotide-gated channels are particularly important in phototransduction and other sensory transduction processes, such as olfaction. Cyclic nucleotide signals are degraded by phosphodiesterases, enzymes that cleave phosphodiester bonds and convert cAMP into AMP or cGMP into GMP.

• نوکلئوتیدهای حلقوی. گروه مهم دیگری از پیام‌رسان‌های ثانویه، نوکلئوتیدهای حلقوی، به ویژه آدنوزین مونوفسفات حلقوی (cAMP) و گوانوزین مونوفسفات حلقوی (cGMP) هستند (شکل 7C). AMP حلقوی مشتقی از مولکول ذخیره انرژی سلولی فراوان ATP است و هنگامی تولید می‌شود که پروتئین‌های G، آدنیلیل سیکلاز را در غشای پلاسما فعال می‌کنند. آدنیلیل سیکلاز با حذف دو گروه فسفات از ATP، ATP را به cAMP تبدیل می‌کند. GMP حلقوی نیز به طور مشابه از GTP با عمل گوانیلیل سیکلاز تولید می‌شود. هنگامی که غلظت درون سلولی cAMP یا cGMP بالا می‌رود، این نوکلئوتیدها می‌توانند به دو دسته مختلف از اهداف متصل شوند. رایج‌ترین اهداف عمل نوکلئوتید حلقوی، پروتئین کینازها هستند، یا پروتئین کیناز وابسته به cAMP (PKA) یا پروتئین کیناز وابسته به cGMP (PKG). این آنزیم‌ها با فسفریله کردن پروتئین‌های هدف، همانطور که در بخش بعدی توضیح داده شده است، واسطه بسیاری از پاسخ‌های فیزیولوژیکی هستند. علاوه بر این، cAMP و cGMP می‌توانند با اتصال به کانال‌های یونی دریچه‌دار لیگاندی خاص، بر سیگنال‌دهی عصبی تأثیر بگذارند (شکل 4.8D را ببینید). این کانال‌های دریچه‌دار نوکلئوتیدی حلقوی به ویژه در انتقال نوری و سایر فرآیندهای انتقال حسی، مانند بویایی، اهمیت دارند. سیگنال‌های نوکلئوتیدی حلقوی توسط فسفودی‌استرازها، آنزیم‌هایی که پیوندهای فسفودی‌استری را می‌شکنند و cAMP را به AMP یا cGMP را به GMP تبدیل می‌کنند، تخریب می‌شوند.

Diacylglycerol and IP₃. Remarkably, membrane lipids can also be converted into intracellular second messengers (Figure 7.7D). The two most important messengers of this type are produced from phosphatidylinositol bisphosphate (PIP₂). This lipid component is cleaved by phospholipase C, an enzyme activated by certain G-proteins and by calcium Phospholipase C splits the PIP₂ into two smaller molecules, each of which acts as a second messenger. One of these messengers is diacylglycerol (DAG), a molecule that remains within the membrane and activates protein kinase C, which phosphorylates substrate proteins in both the plasma membrane and elsewhere. The other messenger is IP₃, which leaves the cell membrane and diffuses within the cytosol. IP₃ binds to IP₃ receptors, channels that release calcium from the endoplasmic reticulum. Thus, the action of IP₃ is to produce yet another second messenger (perhaps a third messenger, in this case!) that triggers an entire spectrum of reactions in the cytosol. The actions of DAG and IP₃ are terminated by enzymes that convert these two molecules into inert forms that can be recycled to pro- duce new molecules of PIP₂.

• دی‌آسیل‌گلیسرول و IP₃. نکته قابل توجه این است که لیپیدهای غشایی می‌توانند به پیام‌رسان‌های ثانویه درون سلولی نیز تبدیل شوند (شکل 7.7D). دو پیام‌رسان مهم از این نوع از فسفاتیدیل‌اینوزیتول بیس‌فسفات (PIP₂) تولید می‌شوند. این جزء لیپیدی توسط فسفولیپاز C، آنزیمی که توسط پروتئین‌های G خاصی فعال می‌شود، و توسط کلسیم فسفولیپاز C، PIP₂ را به دو مولکول کوچکتر تقسیم می‌کند که هر کدام به عنوان پیام‌رسان ثانویه عمل می‌کنند. یکی از این پیام‌رسان‌ها دی‌آسیل‌گلیسرول (DAG) است، مولکولی که در داخل غشا باقی می‌ماند و پروتئین کیناز C را فعال می‌کند، که پروتئین‌های سوبسترا را هم در غشای پلاسما و هم در جاهای دیگر فسفریله می‌کند. پیام‌رسان دیگر IP₃ است که غشای سلولی را ترک کرده و در سیتوزول منتشر می‌شود. IP₃ به گیرنده‌های IP₃ متصل می‌شود، کانال‌هایی که کلسیم را از شبکه آندوپلاسمی آزاد می‌کنند. بنابراین، عمل IP₃ تولید یک پیام‌رسان دوم دیگر (شاید در این مورد یک پیام‌رسان سوم!) است که طیف کاملی از واکنش‌ها را در سیتوزول آغاز می‌کند. اعمال DAG و IP₃ توسط آنزیم‌هایی که این دو مولکول را به اشکال بی‌اثر تبدیل می‌کنند و می‌توانند برای تولید مولکول‌های جدید PIP₂ بازیافت شوند، خاتمه می‌یابد.

FIGURE 7.7 Neuronal second messengers. (A) Mechanisms responsible for producing and removing second messengers, and the downstream targets of these messengers. (B) Proteins involved in delivering calcium to the cytoplasm and in removing calcium from the cytoplasm. (C) Mechanisms for producing and degrading cyclic nucleotides. (D) Pathways involved in producing and removing diacylglycerol and IP₃.

شکل ۷.۷ پیام‌رسان‌های ثانویه عصبی. (الف) مکانیسم‌های مسئول تولید و حذف پیام‌رسان‌های ثانویه و اهداف پایین‌دست این پیام‌رسان‌ها. (ب) پروتئین‌های دخیل در رساندن کلسیم به سیتوپلاسم و حذف کلسیم از سیتوپلاسم. (ج) مکانیسم‌های تولید و تجزیه نوکلئوتیدهای حلقوی. (د) مسیرهای دخیل در تولید و حذف دی‌آسیل‌گلیسرول و IP₃.

 The intracellular concentration of these second messengers changes dynamically over time, allowing precise control over their downstream targets. These signals can also be localized to small compartments within single cells or can spread over great distances, some even spreading between cells via gap junctions (see Chapter 5). Under- standing of the complex temporal and spatial dynamics of these second-messenger signals has been greatly aided by the development of imaging techniques that visualize second messengers and other molecular signals within cells (Box 7A).

غلظت درون سلولی این پیام‌رسان‌های ثانویه به طور پویا با گذشت زمان تغییر می‌کند و امکان کنترل دقیق بر اهداف پایین‌دستی آنها را فراهم می‌کند. این سیگنال‌ها همچنین می‌توانند در بخش‌های کوچکی در سلول‌های منفرد متمرکز شوند یا در فواصل طولانی پخش شوند، برخی حتی از طریق اتصالات شکاف‌دار بین سلول‌ها پخش می‌شوند (به فصل 5 مراجعه کنید). درک دینامیک پیچیده زمانی و مکانی این سیگنال‌های پیام‌رسان ثانویه با توسعه تکنیک‌های تصویربرداری که پیام‌رسان‌های ثانویه و سایر سیگنال‌های مولکولی را در سلول‌ها تجسم می‌کنند، بسیار کمک شده است (کادر 7A).

BOX  7A   Dynamic Imaging of Intracellular Signaling

Dramatic breakthroughs in our understanding of the brain often rely on development of new experi mental techniques.