معلومة

عمر برامج المراسلة الثانوية مثل Calcium أو IP3

عمر برامج المراسلة الثانوية مثل Calcium أو IP3


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

هل يمكن لأي شخص أن يقترح لي مؤلفات عن عمر الرسل الثانوي مثل الكالسيوم أو IP3؟ كتاب يفضل. ما أبحث عنه على وجه التحديد هو التحقق من أن الرسل الثانوي لديهم عمر معين ويتعرضون للتدهور. لا أحتاج إلى معرفة المدة التي تستغرقها حياتهم على وجه التحديد ، لكنني مهتم بالأحرى بحقيقة أنهم يخضعون للتحلل البيولوجي.

[تحرير]: تم استبدال كلمة "جزيء حيوي" بـ "مراسلات ثانوية" وفقًا لاقتراحWYSIWYG لتضييق الإجابة.


يمكن اعتبار عمر الكالسيوم غير محدود في المقاييس الزمنية البيولوجية ، فهو ليس جزيءًا حيويًا حقيقيًا. يعتمد عمر النصف للجزيئات الحيوية الأخرى مثل IP3 و PIP2 والمستقبلات والهرمونات وما إلى ذلك على الأنواع ويعتمد داخل الأنواع بشدة على الخلية وحالتها الأيضية.

إجابة مختصرة: لا توجد نظرة عامة على أعمار الجزيئات الحيوية. من الأسهل البحث عن جزيء معين في خلية معينة. ربما كنت محظوظا وقام شخص ما بقياس ذلك.


تحديث للتعليقات: جميع الرسل الثاني المعروفين ، مثل Ca2 + و IP3 و PIP2 ، يغيرون تركيزهم استجابةً لمحفز ، على سبيل المثال يؤدي تنشيط المستقبلات المسكارينية إلى تنشيط إنزيم فسفوليباز C الذي يشق PIP2 في DAG و IP3. يتسبب IP3 في إطلاق Ca2 +. لا يتحلل Ca2 + أو يتحلل أبدًا ولكن يتغير التركيز داخل الخلايا. يتحلل PIP2 ، أي يصبح تركيزه أقل ، بينما يزداد تركيز منتجات الانقسام ، IP3 و DAG. هذه التغييرات مؤقتة ، بعد إزالة الحافز ، يتدهور الرسل الثاني أيضًا أو على سبيل المثال يتم أخذ Ca2 + في مقصورات داخل الخلايا.

لمحة عامة عن الرسل الثاني.


تريسفوسفات الإينوزيتول

تريسفوسفات الإينوزيتول أو إينوزيتول 1،4،5-تريسفوسفات مختصر إنسب3 أو Ins3P أو IP3 هو جزيء يشير إلى فوسفات الإينوزيتول. وهي مصنوعة عن طريق التحلل المائي من فوسفاتيديلينوسيتول 4،5-بيسفوسفات (PIP2) ، وهو فوسفوليبيد يقع في غشاء البلازما ، بواسطة فسفوليباز سي (PLC). جنبا إلى جنب مع diacylglycerol (DAG) ، IP3 هو جزيء رسول ثانٍ يستخدم في نقل الإشارات في الخلايا البيولوجية. بينما يبقى DAG داخل الغشاء ، IP3 قابل للذوبان وينتشر عبر الخلية ، حيث يرتبط بمستقبلاته ، وهي قناة كالسيوم تقع في الشبكة الإندوبلازمية. عندما IP3 يربط مستقبله ، ويتم إطلاق الكالسيوم في العصارة الخلوية ، وبالتالي تنشيط إشارات مختلفة داخل الخلايا ينظمها الكالسيوم.


محتويات

هناك ثلاثة أنواع أساسية من جزيئات المرسل الثانوية:

  • جزيئات كارهة للماء: الجزيئات غير القابلة للذوبان في الماء مثل diacylglycerol و phosphatidylinositols ، وهي جزيئات مرتبطة بالغشاء وتنتشر من غشاء البلازما إلى الفضاء بين الغشاء حيث يمكن أن تصل وتنظم الغشاء المرتبط بروتينات المستجيب.
  • الجزيئات المحبة للماء: الجزيئات القابلة للذوبان في الماء ، مثل cAMP و cGMP و IP3و Ca 2+ الموجودة داخل العصارة الخلوية.
  • غازات: أكسيد النيتريك (NO) وأول أكسيد الكربون (CO) وكبريتيد الهيدروجين (H2S) التي يمكن أن تنتشر من خلال العصارة الخلوية وعبر الأغشية الخلوية.

هذه الرسل داخل الخلايا لها بعض الخصائص المشتركة:

  • يمكن تصنيعها / إطلاقها وتفكيكها مرة أخرى في تفاعلات محددة بواسطة الإنزيمات أو القنوات الأيونية.
  • يمكن تخزين بعضها (مثل Ca 2+) في عضيات خاصة وإطلاقها بسرعة عند الحاجة.
  • يمكن أن يكون إنتاجها / إطلاقها وتدميرها موضعية، مما يمكّن الخلية من الحد من مساحة ووقت نشاط الإشارة.

هناك العديد من أنظمة المراسلة الثانوية المختلفة (نظام cAMP ، ونظام الفوسفوينوزيتول ، ونظام حمض الأراكيدونيك) ، ولكنها جميعًا متشابهة تمامًا في الآلية الكلية ، على الرغم من أن المواد المعنية والتأثيرات الكلية يمكن أن تختلف.

في معظم الحالات ، يرتبط الترابط بجزيء بروتين المستقبل الممتد عبر الغشاء. يؤدي ارتباط الليجند بالمستقبل إلى تغيير شكل المستقبل. يمكن أن يؤثر تغيير التشكل هذا على نشاط المستقبل ويؤدي إلى إنتاج رسل ثانٍ نشط.

في حالة المستقبلات المقترنة ببروتين G ، يكشف تغيير التشكل عن موقع ربط لـ a بروتين جي. يرتبط بروتين G (المسمى باسم جزيئات الناتج المحلي الإجمالي و GTP التي ترتبط به) بالغشاء الداخلي للخلية ويتكون من ثلاث وحدات فرعية: ألفا وبيتا وجاما. يُعرف بروتين G باسم "محول الطاقة".

عندما يرتبط البروتين G بالمستقبل ، يصبح قادرًا على تبادل جزيء الناتج المحلي الإجمالي (غوانوزين ثنائي الفوسفات) على وحدة ألفا الفرعية لجزيء GTP (غوانوزين ثلاثي الفوسفات). بمجرد حدوث هذا التبادل ، تتحرر الوحدة الفرعية ألفا لمحول طاقة البروتين G من الوحدتين الفرعيتين بيتا وجاما ، وتبقى جميع الأجزاء مرتبطة بالغشاء. وحدة ألفا الفرعية ، التي أصبحت الآن حرة في التحرك على طول الغشاء الداخلي ، تتصل في النهاية ببروتين آخر مرتبط بالغشاء - "المستجيب الأساسي".

بعد ذلك ، يكون للمستجيب الأساسي إجراء ، مما يؤدي إلى إنشاء إشارة يمكن أن تنتشر داخل الخلية. هذه الإشارة تسمى "المرسل الثاني (أو الثانوي)." قد يقوم المرسل الثانوي بعد ذلك بتنشيط "المستجيب الثانوي" الذي تعتمد آثاره على نظام المراسلة الثانوي المعين.

أيونات الكالسيوم هي نوع واحد من الرسل الثاني وهي مسؤولة عن العديد من الوظائف الفسيولوجية الهامة بما في ذلك تقلص العضلات والتخصيب وإطلاق الناقل العصبي. عادة ما تكون الأيونات مرتبطة أو مخزنة في مكونات داخل الخلايا (مثل الشبكة الإندوبلازمية (ER)) ويمكن إطلاقها أثناء نقل الإشارة. ينتج إنزيم phospholipase C دياسيل جلسرين وإينوزيتول ثلاثي فوسفات ، مما يزيد من نفاذية أيونات الكالسيوم في الغشاء. يفتح بروتين G النشط قنوات الكالسيوم للسماح لأيونات الكالسيوم بالدخول إلى غشاء البلازما. المنتج الآخر من phospholipase C ، diacylglycerol ، ينشط بروتين كيناز C ، الذي يساعد في تنشيط cAMP (رسول ثانٍ آخر).

نظام كامب نظام الفوسفوينوزيتول نظام حمض الأراكيدونيك نظام cGMP نظام التيروزين كيناز
أول رسول:
الناقلات العصبية
(مستقبلات)
الإبينفرين (α2، β1، β2)
أستيل كولين (M2)
الإبينفرين (α1)
أستيل كولين (M1 ، M3)
الهيستامين (مستقبلات الهستامين) - -
أول رسول:
الهرمونات
ACTH ، ANP ، CRH ، CT ، FSH ، الجلوكاجون ، hCG ، LH ، MSH ، PTH ، TSH AGT ، GnRH ، GHRH ، الأوكسيتوسين ، TRH - ANP ، أكسيد النيتريك INS، IGF، PDGF
محول الإشارة GPCR / Gس (β1، β2)، Gأنا (α2، M2) GPCR / Gف غير معروف G- بروتين - RTK
المستجيب الأساسي Adenylyl cyclase فسفوليباز ج فوسفوليباز أ غوانيلات سيكلاز RasGEF (Grb2-Sos)
الرسول الثاني cAMP (أدينوسين أحادي الفوسفات الدوري) IP3 DAG Ca2 + حمض الأراكيدونيك cGMP Ras.GTP (بروتين جي صغير)
المستجيب الثانوي بروتين كيناز أ PKC CaM 5-ليبوكسجيناز ، 12-ليبوكسجيناز ، سيكلوكسجيناز بروتين كينيز جي MAP3K (c-Raf)

IP3و DAG و Ca 2+ هم الرسل الثاني في مسار الفوسفوينوزيتول. يبدأ المسار بربط الرسائل الأولية خارج الخلية مثل الأدرينالين والأستيل كولين والهرمونات AGT و GnRH و GHRH والأوكسيتوسين و TRH ، إلى المستقبلات الخاصة بكل منها. يرتبط الإبينفرين بمستقبل البروتين المقترن α1 GTPase (GPCR) ويرتبط الأسيتيل كولين بـ M1 و M2 GPCR. [8]

يؤدي ارتباط المرسل الأساسي بهذه المستقبلات إلى تغيير توافقي للمستقبل. تُطلق الوحدة الفرعية α ، بمساعدة عوامل تبادل النوكليوتيدات الجوانين (GEFS) ، الناتج المحلي الإجمالي ، وتربط GTP ، مما يؤدي إلى تفكك الوحدة الفرعية والتنشيط اللاحق. [9] تنشط الوحدة الفرعية α المنشط فسفوليباز C ، الذي يحلل الغشاء المرتبط بالفوسفاتيدينوسيتول 4،5-بيسفوسفات (PIP2) ، مما أدى إلى تكوين رسل ثانوي diacylglycerol (DAG) و inositol-1،4،5-triphosphate (IP3). [10] IP3 يرتبط بمضخات الكالسيوم على ER ، وينقل Ca 2+ ، وهو رسول ثانٍ آخر ، إلى السيتوبلازم. [11] [12] يرتبط Ca 2+ في النهاية بالعديد من البروتينات ، مما يؤدي إلى تنشيط سلسلة من المسارات الأنزيمية.


ما هو نظام Second Messenger؟

الرسل الثاني هم جزيئات داخل الخلايا ترسل إشارات من المستقبلات إلى الأهداف. تطلق الخلية رسلًا ثانيًا استجابةً للتعرض لجزيئات الإشارات خارج الخلية ، والتي تعتبر أول رسل. يطلق الرسل الثاني العمليات الفسيولوجية للخلية. هذه العمليات هي تكاثر الخلايا ، التمايز ، الهجرة ، البقاء على قيد الحياة ، موت الخلايا المبرمج ، تقلص العضلات ، الإخصاب ، وإطلاق الناقل العصبي ، إلخ.

الشكل 02: نظام المراسلة الثاني

هناك العديد من أنظمة المراسلة الثانية المختلفة داخل الخلية. يعد AMP الدوري و GMP الدوري و Inositol trisphosphate و diacylglycerol والكالسيوم العديد من الأمثلة. بشكل عام ، الرسل الثاني عبارة عن جزيئات صغيرة غير بروتينية مصنوعة من الدهون الفوسفورية. يتم إنتاجها بعد تنشيط المستقبل المعتمد على الرسول الأول. علاوة على ذلك ، فإن جزيئات المرسل الثاني عبارة عن جزيئات صغيرة يمكن أن تنتشر بسهولة داخل الخلية. تعمل من خلال تنشيط بروتين كينيز. في الواقع ، يربط كل رسول ثان نوعًا معينًا من بروتين كينيز. في بعض الأحيان ، يتزاوج الرسل الثانيون مع كينازات دائرية متعددة ويقومون بتضخيم قوة الإشارة الأصلية.


وظيفة بروتينات G alpha

يمنع انزيم adenylyl cyclase ، وينشط قناة البوتاسيوم

ينشط فسفوليباز ج

يحفز انزيم adenylyl الموجود في العين

ينشط انزيم adenylyl ينشط قناة الكالسيوم

آلية عمل مستقبلات البروتين G- المقترنة

دورة تنشيط / تعطيل بروتين جي

في حالة الراحة (غير النشطة) للبروتين G ، يرتبط الناتج المحلي الإجمالي (guanosine diphosphate) بإحكام بالوحدة الفرعية & # x3B1. ولكن عندما يرتبط ناهض بمستقبل G البروتين المقترن ، يتم استبدال الناتج المحلي الإجمالي المرتبط بالوحدة الفرعية & # x3B1 بـ GTP.

يتم بعد ذلك فصل & # x3B1-GTP عن الوحدات الفرعية & # x3B2 و & # x3B3 ويتفاعل لاحقًا مع المستجيب المرتبط بالغشاء (مثل adenylyl cyclase). يزداد نشاط GTPase للوحدة الفرعية & # x3B1 عند الارتباط ، مما يؤدي إلى التحلل المائي لـ GTP المرتبط بالناتج المحلي الإجمالي والذي يسمح للوحدة الفرعية & # x3B1 بإعادة الاندماج مع مجمع & # x3B2 & # x3B3.


الفصول 6-10 علم الأحياء 1406

موقع نشط:
- موقع إنزيم محدد يرتبط بالركيزة.

مصدر الطاقة المباشر لتحلل السكر

منتج نهائي يتم تعديله ليدخل في دورة حامض الستريك

منتج يتبرع بالإلكترونات لسلسلة نقل الإلكترون

طاقة مشعة (طاقة من الشمس)
ثاني أكسيد الكربون CO2 (غاز مأخوذ من الهواء)
ماء H2O (يمتص من الجذور والهواء)

الجلوكوز (C6H12O6) سكر يستخدم كغذاء للنبات. يخزن الطاقة.

أنتجت الجزيئات خلال دورة كالفين التي تغادر الدورة.
-ADP
- عدد قليل من جليسيرالديهيد 3 فوسفات (G3P)

فريد في نظام الصور 2
- تنقسم ذرات الهيدروجين من جزيئات الماء لتنتج H + وإلكترونات بديلة لجزيئات الكلوروفيل.
- تُستخدم الطاقة من الإلكترونات المُثارة في هذا النظام الضوئي للمساعدة في ضخ أيونات H + في الثايلاكويد لإنتاج ATP.

دورة كالفين:
استخدم ثاني أكسيد الكربون
اصنع السكريات
تحتاج ريبولوز بيسفوسفات

التفاعلات المعتمدة على ثاني أكسيد الكربون - ستروما

أثناء الطور ، تتكثف الكروموسومات ، وتتفكك الأغشية النووية ، ويتشكل المغزل الانقسامي.

أثناء الطور الاستوائي ، تصطف الكروموسومات على طول المستوى الاستوائي للخلية.

أثناء الطور ، الأختان
يتم فصل الكروماتيدات عن بعضها البعض وتتحرك إلى أقطاب متقابلة للخلية.


النتائج والمناقشة

تم إعداد DiscoverX Hithunter ® IP3 بتنسيق 384 بئر وتم تشغيل منحنيات قياسية على PHERAstar من شركة BMG LABTECH FS في وضع الاستقطاب السريع. تمت إضافة الكواشف القياسية IP3 وفقًا لبروتوكول الفحص وتمت قراءة إشارة استقطاب التألق بعد ساعة واحدة من إضافة الكاشف الأخير. ويتضح من المنحنى القياسي Hithunter ® IP3 في جوري فاي أدناه (اللوحة 3).

الشكل 3: مقايسة Hithunter IP3: بيانات منحنى معياري بتنسيق 384-well.

يعتبر اختبار Hithunter ® IP3 أداة قوية وحساسة ومحددة لقياس الخلوي D-myo-inositol 1،4،5-triphosphate. ويستند هذا إشارة على المنافسة ملزم بين IP3 فلوريدا uorescent التتبع وIP3 الخالي من الملصقات من المحللة خلية أو معيار IP3. تتم قراءة الإشارة على أنها تغيير في استقطاب التألق وتتناسب عكسياً مع كمية IP3 في محللات الخلية. إشارة المنحنى القياسية إلى الخلفية هي & gt5 ، و EC50 هو 13 نانومتر. يمكن قياس الإشارة على الفور أو بعد 16 ساعة.


الناقلات العصبية ، والمستقبلات ، والمرسلون الثانيون في 40 عامًا

شهدت العقود الأربعة الماضية تطورات غير عادية في الفهم الجزيئي للناقلات العصبية ، ومستقبلاتها ، ومراسليها الثانية. يسلط هذا المقال الضوء على مجموعة مختارة من الاكتشافات البارزة الخاصة ، مع التركيز على النتائج الأساسية التي غيرت التفكير في هذا المجال.

مقدمة

إن القول بأن الكثير عن النقل العصبي قد تغير في العقود الأربعة الماضية هو بخس كبير. في عام 1970 ، كانت الأمينات الحيوية المنشأ معروفة جيدًا كناقلات عصبية. كانت الأحماض الأمينية تشق طريقها مع GABA المقبول ويشتبه بشدة في الجليسين كنواقل عصبية مثبطة. كثرت التلميحات عن الغلوتامات ، لكن هيئة المحلفين كانت لا تزال خارجة. قلة هم الذين فكروا في الببتيدات كمرسلات. تم تحديد المادة P في ثلاثينيات القرن الماضي كعامل في مستخلصات الدماغ ذات نشاط عضلي أملس ، لكن تعيينها (P للمسحوق) يشير إلى جهلنا. في عام 1970 ، عزلت سوزان ليمان مادة الببتيد وحصلت على تسلسل الأحماض الأمينية ، ولكن لا يوجد دليل على أنها كانت ناقل عصبي. بالطبع ، لم يحلم أحد بالغازات ، أو الأيزومرات "غير الطبيعية" للأحماض الأمينية ، مثل d -serine ، أو endocannabinoids المشتقة من الدهون كمرسلات. تم افتراض أن المستقبلات عبارة عن بروتينات مترجمة إلى أغشية متشابكة ، ولكن لم يتم التعرف على أي منها من الناحية الكيميائية الحيوية. كان الرسول الثاني الوحيد المميز هو CAMP. لقد حدث الكثير في السنوات الفاصلة لدرجة أن هذه المراجعة الموجزة تبرز بحكم الضرورة عددًا قليلاً فقط من الموضوعات والمحققين الرئيسيين.

الناقلات العصبية

تزامن تأسيس جمعية علم الأعصاب في عام 1970 مع حدث مهم لعلم الأعصاب ، خاصة لعالم الناقلات العصبية. مُنحت جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب إلى يوليوس أكسلرود ، وبرنارد كاتز ، وأولف فون أويلر "لاكتشافاتهم المتعلقة بالمرسلات الخلطية في المحطات العصبية وآليات تخزينها وإطلاقها وتعطيلها". تم تكريم كاتز لتوضيحه الإطلاق الكمي للأستيل كولين من النهايات العصبية عند التقاطع العصبي العضلي. تم الاستشهاد بـ Von Euler لتأكيده بشكل قاطع أن norepinephrine هو ناقل عصبي في النهايات العصبية للجهاز العصبي السمبثاوي. أكد الاقتباس عن أكسلرود اكتشافه لـ "الآليات التي تشارك في تعطيل النورادرينالين ، جزئيًا تحت تأثير إنزيم اكتشفه بنفسه". لم تحدد جمعية نوبل اكتشاف أكسلرود لاستعادة امتصاص النوربينفرين بواسطة أطراف الأعصاب كطريقة لتعطيل المشابك ولم تعلق على اكتشافه أن مضادات الاكتئاب ثلاثية الحلقات تعمل عن طريق تثبيط عملية إعادة الامتصاص هذه. يخبرنا هذا أنه في عام 1970 ، كانت هذه المفاهيم ، التعليم المسيحي اليوم ، لا تزال مثيرة للجدل. في أوائل السبعينيات من القرن الماضي ، أدت مراقبة امتصاص الناقلات العصبية ذات العلامات الإشعاعية في النهايات العصبية المقروصة ، المشابك العصبية ، للدماغ إلى توصيف دقيق إلى حد ما للعملية والقدرة على التمييز بين نقل الأمينات البيولوجية المنشأ المختلفة ، مثل النوربينفرين والسيروتونين (إيفرسن ، 1999) ). اعتبرت العقيدة أن النهايات العصبية تعيد تراكم جزيئات المرسل التي أطلقتها بشكل انتقائي. وهكذا ، فإن زيادة إدراك أن الخلايا الدبقية هي النمط السائد لتعطيل جهاز الإرسال في الدماغ ، وخاصة بالنسبة للجلوتامات ، كان ثوريًا.

في عام 1972 ، استخدم علماء ليلي النقل المتشابك لتحديد فلوكستين (بروزاك) كمثبط انتقائي لامتصاص السيروتونين (كرامر ، 1993 توريس وأمارا ، 2007). تبعت سلسلة من مثبطات امتصاص السيروتونين الانتقائية بعد فترة وجيزة بمضادات الاكتئاب الانتقائية بالنوربينفرين. كلا الفئتين من الأدوية فعالان سريريًا ، مما يؤدي إلى حل المعركة الطويلة بين أولئك الذين يفضلون السيروتونين أو النوربينفرين كعامل حاسم في تنظيم الحالة المزاجية. الجواب - كلاهما مهم.

ظل مجال امتصاص الناقل العصبي كامنًا إلى حد ما حتى عام 1991 عندما قامت سوزان أمارا وزملاؤها باستنساخ ناقلات النورإبينفرين ، تلاها استنساخ الناقلات لجميع الأمينات والأحماض الأمينية والمواد ذات النشاط العصبي (توريس وأمارا ، 2007). حددت التقنيات الوراثية الجزيئية تكرارًا من 20 إلى 23 نقطة أساس داخل منطقة متعددة الأشكال من الجين الناقل للسيروتونين ، يحدث على شكل أليلين ، المتغير "القصير" المكون من 14 تكرارًا والمتغير "الطويل" 16 تكرارًا (Belmaker and Agam ، 2008). يؤدي الشكل القصير إلى انخفاض التعبير عن ناقل السيروتونين وتقليل امتصاص السيروتونين. يتفاعل هذا الأليل القصير مع أحداث الحياة المجهدة ويرتبط بتكرار الاكتئاب. وهكذا ، إلى جانب التوسط في تصرفات مضادات الاكتئاب ، يبدو أن للسيروتونين دور مسبب للمرض في بعض أشكال المرض العاطفي. ودعمًا لهذا الاستنتاج ، فإن الأشكال المتعددة في جين التريبتوفان هيدروكسيلاز 2 الخاص بالدماغ ، وهو إنزيم يحد من المعدل في التخليق الحيوي للسيروتونين ، يرتبط بالاكتئاب في مجموعات سكانية منفصلة.

توطين الناقل العصبي والإجراءات

كانت القدرة على تصور الخلايا العصبية التي تحتوي على نواقل عصبية فردية تقدمًا مهمًا للغاية في علم الأعصاب ، حيث ساهم بقوة في الشعار الرئيسي لعلوم الأعصاب - لربط الكيمياء العصبية ، وعلم التشريح العصبي ، وعلم وظائف الأعصاب. بدأ هذا الجهد في منتصف الستينيات من خلال تطوير Nils-ke Hillarp و Bengt Falck والمتعاونين للإجراءات التي يتم بموجبها تألق الكاتيكولامينات والسيروتونين في المجهر بعد التفاعل مع أبخرة الفورمالديهايد. ثم قام هيلارب وطلابه كجيل فوكس وأنيكا داهلستروم بتعيين النوربينفرين والدوبامين والسيروتونين المحتوي على الخلايا العصبية في الدماغ (هيلارب وآخرون ، 1966). رسم الخرائط الكيميائية الهيستوكيميائية المناعية للببتيدات العصبية ، الذي ابتكره توماس هوكفلت ، كان له أهمية مماثلة (Hokfelt et al. ، 1984). على الرغم من أن هذا العمل تم تنفيذه قبل عام 1970 ، إلا أنه وضع الأسس المفاهيمية للعالم الجزيئي / الخلوي / الفيزيولوجي العصبي المتكامل في العقود الأخيرة.

كانت السبعينيات سنوات الببتيدات العصبية. أثار تحديد مستقبلات الأفيون السؤال التالي: "لماذا توجد مستقبلات للمواد الأفيونية؟ الإنسان لم يولد مع المورفين فيه ". قامت عدة مجموعات بتنقية الببتيدات من الدماغ مع نشاط انتقائي شبيه بالمواد الأفيونية. في ديسمبر 1975 ، أبلغ جون هيوز وهانس كوسترليتز والمتعاونون عن تسلسل اثنين من الأحماض الأمينية الخمسة المحتوية على الببتيدات ، ميثيونين إنكيفالين وليوسين إنكيفالين (هيوز وآخرون ، 1975). في الأشهر التي سبقت هذه الخاتمة ، كان الباحثون الأفيونيون قد جلسوا لتسمية المواد الافتراضية الشبيهة بالمورفين واختاروا "الإندورفين". فضل هيوز وكوسترليتز تسمية إنكيفالين من اليونانية "في الرأس". لقد أرادوا تحرير المجتمع العلمي من التحيز بأن هذه المواد لن تتعلق إلا بالسلوك المرتبط بالمواد الأفيونية. مع اكتشاف الببتيدات الأفيونية الأخرى التي تتضمن تسلسل إنكيفالين ، أصبح مصطلح الإندورفين يستخدم بشكل عام لأي ببتيد به نشاط أفيوني. نظرًا لأننا "لسنا مدمنين على أنفسنا" ، حاولت العديد من المخاوف الصيدلانية تطوير مشتقات إنكيفالين كمسكنات أقل إدمانًا - فشلت جميعًا. في معقدات مستقبلات الأفيون ، فإن مشتقات إنكيفالين المستقرة الشبيهة بالمخدرات تسبب الإدمان مثل معظم المواد الأفيونية. يحول التدهور السريع للإنكيفالين المنطلق بشكل متشابك دون شغل المستقبلات المستمرة ، وهو أمر ضروري لبدء عملية الإدمان.

أثار عزل إنكيفالين اهتمامًا كبيرًا بالببتيدات كمرسلات محتملة. كشفت الخرائط المناعية الكيميائية عن عشرات الببتيدات المترجمة بشكل كبير لمجموعات عصبية معينة في الجهاز العصبي المركزي والمحيطي. أدى توطين المادة P ، والببتيد المرتبط بجين الكالسيتونين ، وغيرها في ألياف الألم الرقيقة غير المبطنة إلى جهود لتطوير مسكنات تسد مستقبلات هذه الببتيدات.

أوضح إدوارد هربرت وشوساكو نوما كيفية تكوين الببتيدات العصبية ، وقدموا بعض المفاهيم الجديدة المذهلة (دوغلاس وآخرون ، 1984). قبل سنوات عديدة ، أظهر دونالد شتاينر أن الأنسولين يتم إنتاجه من سلائف بروتينية كبيرة ، proinsulin ، على خطوتين. داخل السلائف ، الأنسولين محاط بأزواج من الأحماض الأمينية الأساسية. أولاً ، ينشق إنزيم شبيه بالتريبسين على يمين كل من هذه الأحماض الأمينية الأساسية تاركًا الأنسولين مع ليسين واحد أو أرجينين عند طرفه C. ثم يزيل carboxypeptidase الحمض الأميني الأساسي المرفق. تم توضيح نمط مماثل للإنكيفالين و بيتا-إندورفين. لكن كانت هناك مفاجآت. يحتوي طليعة β-endorphin ، pro-opiomelanocortin ، ضمن تسلسله ACTH وهرمون تحفيز الخلايا الصباغية مع β-endorphin. قدمت سلائف إنكيفالين مفاجآت أخرى. تحتوي إحدى السلائف على ست نسخ من ميثيونين إنكيفالين ونسخة واحدة من لوسين إنكيفالين ، بينما تحتوي الأخرى على ثلاث نسخ من ليسين إنكيفالين.

من بين الأحماض الأمينية ، شهدت العقود الأربعة الماضية اهتمامًا كبيرًا بالجلوتامات باعتباره الناقل العصبي الرئيسي في الدماغ. كان التمايز بين الأنواع الفرعية لمستقبلات الجلوتامات مفتاحًا لهذا الجهد ، خاصةً التمييز بين مستقبلات NMDA و AMPA. من المسلم به الآن أن معظم انتقال "الخبز والزبدة" التحفيزي يتضمن مستقبلات AMPA. مستقبلات NMDA هي على حد سواء الجهد والرابط بوابات. وبالتالي ، فإن إزالة الاستقطاب عن طريق تنشيط مستقبلات AMPA يفتح مستقبلات NMDA التي تسمح بتدفق الكالسيوم ، وهو حدث حاسم في اللدونة المتشابكة الكامنة وراء التقوية طويلة المدى. عمل روجر نيكول وروبرت مالينكا وآخرون أظهروا أن العديد من مستقبلات AMPA "صامتة" أدى إلى العديد من الدراسات التي أظهرت أن دورات استيعاب مستقبلات AMPA وإخراجها من الخارج ضرورية أيضًا لدونة التشابك (Kerchner and Nicoll ، 2008).

أثارت الملاحظات في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي أن أكسيد النيتريك يتوسط في استرخاء الأوعية الدموية المعتمد على البطانية ، أثار اهتمامنا والآخرين باحتمالية أن يكون أكسيد النيتروجين ناقلًا عصبيًا في الدماغ (Bredt and Snyder ، 1994). تم إثبات أن تحفيز GMP الدوري بواسطة مستقبلات الجلوتامات يتوسط بواسطة NO. سمح تنقية واستنساخ الخلايا العصبية NO synthase (nNOS) بتوصيفها بعمق وتحديد NOS المحرض و NOS البطاني. على الرغم من أن nNOS يحدث في 1٪ فقط من الخلايا العصبية ، فإن عملياتها تتشعب بشكل كبير لدرجة أن كل خلية في الدماغ ربما تتعرض لـ NO. عندما يتم إطلاقه بشكل مفرط بعد فرط تحفيز مستقبلات NMDA ، فإن NO هو سام للأعصاب وقد يتسبب في تلف الدماغ من السكتة الدماغية الوعائية. في الجهاز العصبي المحيطي ، يعتبر NO أيضًا ناقلًا عصبيًا مهمًا ، وهو جهاز إرسال يتوسط في انتصاب القضيب. التخفيف من ضعف الانتصاب عن طريق مثبطات الفوسفوديستيراز -5 مثل سيلدينافيل (الفياجرا) يعكس المستويات المتزايدة من GMP الدوري ، المرسل الثاني لـ NO. على الرغم من أن الإجراءات الوعائية لأكسيد النيتروجين تنبع من تنشيط محلقة الغوانيليل ، إلا أنه من المقدر بشكل متزايد أن معظم الإشارات بواسطة أكسيد النيتروجين تتضمن نيتروزيل العديد من البروتينات الخلوية البارزة مثل مضخة الصوديوم ، والأكتين ، والتوبيولين (Jaffrey et al. ، 2001 Hess et al. ، 2005).

NO ليس هو الناقل العصبي الغازي الوحيد. يتكون أول أكسيد الكربون من انقسام حلقة الهيم بواسطة الهيم أوكسيجيناز (H O) (Mustafa et al. ، 2009). يحدث الشكل العصبي للإنزيم ، HO2 ، في مجموعات الخلايا العصبية المنفصلة في الدماغ والمحيط. في الضفيرة العضلية المعوية من الأمعاء ، يتم تحديد موقع nNOS و HO2. الفئران مع حذف nNOS و HO2 ، على التوالي ، تظهر انخفاضًا بنسبة 40-50 ٪ في الانتقال غير الأدرينالي غير الكوليني (NANC) مع انتقال NANC الذي تم إلغاؤه تقريبًا في الضربات المزدوجة.

تم مؤخرًا إنشاء كبريتيد الهيدروجين (H2S) كعامل استرخاء رئيسي مشتق من البطانة (EDRF) (Yang et al. ، 2008). ينخفض ​​نشاط EDRF بشكل عميق في شرايين الفئران مع حذف cystathionine-γ-lyase ، وهو إنزيم تشكيل H2S الرئيسي في المحيط. في الدماغ ، يولد cystathionine-β-synthase H2S ، أيضًا من السيستين. يبدو أن H2S يشير من خلال تكوين ارتباط بيرسلفيد بالسيستين في البروتينات المستهدفة ، وهي عملية يشار إليها باسم الكبريتات ، مماثلة لبروتينات NO nitrosylating (Mustafa et al. ، 2009). لا يزال يتعين تحديد ما إذا كان H2S هو ناقل عصبي جيد.

مستقبلات

معظمنا في مجال المستقبلات يعتبر عام 1970 عامًا بارزًا. أتذكر بوضوح الإثارة المصاحبة عند تحديد مستقبل الأسيتيل كولين النيكوتين في العضو الكهربائي في Torpedo ، وهو ثعبان كهربائي ، يتم مراقبته عن طريق ربط سم الأفعى الزائف الذي لا رجعة فيه α-bungarotoxin المسمى باليود 125 (Changeux and Taly ، 2008 ). كان جان بيير تشانجوكس شخصية رئيسية في هذه الأحداث ، في حين أن مختبرات ريكاردو ميليدي ومايكل رافتري كانت من المساهمين المهمين. تم تحقيق هذا الاختراق بفضل عدة عوامل مهمة. الصدمة الكهربائية التي تسببها الثعابين تتوسطها أعداد هائلة من المستقبلات ، والتي تشكل ما يصل إلى 20٪ من البروتين الكلي للعضو الكهربائي. طورت الطبيعة سم البنجاروتوكسين ألفا للتفاعل مع تقارب عالٍ بشكل غير عادي وعدم رجعة افتراضية من أجل أن تهاجم الأفاعي فرائسها. تم تسهيل الدراسات الملزمة من خلال القدرة على تصنيف السم مع اليود 125 إلى النشاط الإشعاعي النوعي العالي للغاية. لاحظ العديد من علماء الأدوية العصبية أن نجاح هذا الجهد ينذر باستحالة وضع العلامات الكيميائية الحيوية على الناقلات العصبية / مستقبلات الأدوية في الدماغ ، في المستقبل المنظور ، والتي قُدرت بشكل صحيح بأنها لا تمثل أكثر من مليون من وزن أنسجة المخ.

في عام 1973 ، أتاحت الدراسات الملزمة باستخدام المواد الأفيونية [3 H] تحديد مستقبلات الأفيون في متجانسات الدماغ الخام باستخدام روابط ربط عكسية (Snyder and Pasternak ، 2003). ما الذي ساهم في نجاح هذا التقدم غير المتوقع؟ سمحت المواد الأفيونية الموصوفة بالتريتيوم إلى النشاط الإشعاعي النوعي العالي باستخدام تركيزات منخفضة جدًا من الجند المشع ، والتي من شأنها أن تتفاعل بشكل انتقائي مع المستقبلات ذات الصلة دوائيًا. يسمح الغسل القوي والسريع للغاية بتفكيك الجند المشع غير المرتبط على وجه التحديد مع الحفاظ على التفاعلات مع المستقبلات ذات الصلة دوائيًا ، والتي يجب أن يكون لها تقارب أعلى بكثير للرابط من مواقع الربط غير المحددة. في غضون 3 سنوات ، تكون الحبيبات الإشعاعية المناسبة ، بشكل عام مع ثوابت تفكك نانومولار منخفضة للمستقبلات ، مستقبلات موصوفة للأمين الحيوي الرئيسي والناقلات العصبية للأحماض الأمينية. سمح هذا العمل بتوضيح تصرفات العديد من الأدوية. بالنسبة للمستقبلات الأفيونية ، كان للهيروين والكوديين تقارب ضئيل للمستقبلات ، مما يشير إلى أنهما مجرد عقاقير أولية ، على التوالي ، منزوعة الأسيتيل ومزيل الميثيل لتكوين monacetylmorphine والمورفين.

تم توضيح الآثار العلاجية الهامة للأدوية من خلال دراسات الارتباط بالمستقبلات. اقترح عمل أرفيد كارلسون حول دوران الدوبامين أن التأثيرات المضادة للذهان للأدوية المضادة للذهان قد تتضمن حصارًا للمستقبلات متبوعًا بأنظمة التغذية المرتدة التي تسرع دوران الدوبامين (كارلسون وليندكفيست ، 1963). ترتبط الفاعلية السريرية لمضادات الذهان لسلسلة كبيرة من الأدوية المضادة للذهان ارتباطًا وثيقًا بترابطها مع مستقبلات الدوبامين الموصوفة بواسطة [3 H] هالوبيريدول ولكن ليس بالمستقبلات الموصوفة بواسطة [3 H] الدوبامين (Creese et al.، 1976 Seeman et al.، 1976 ). نحن نعلم الآن أن مواقع الربط التي تحمل علامات هالوبيريدول والدوبامين ، على التوالي ، تعكس الأنواع الفرعية D2 و D1 من مستقبلات الدوبامين مع حصار مستقبلات D2 الأكثر صلة من الناحية العلاجية. الآثار الجانبية التي تشبه الأتروبين المسكارينية للأدوية المضادة للذهان ومضادات الاكتئاب من الجيل الأول تعيق استخدامها. أتاح ارتباط Ligand بالمستقبلات الكولينية المسكارينية لصناعة الأدوية وسيلة بسيطة للكشف عن مثل هذه الإجراءات الضارة التي تؤدي إلى جيل جديد من مضادات الاكتئاب الأكثر أمانًا والأكثر استخدامًا.

تمييز مواقع الربط بواسطة أنواع فرعية من المستقبلات الموضحة بروابط مختلفة. في حالة مستقبلات الأفيون ، مواقع الربط المتمايزة Hans Kosterlitz للمستقبلات المعينة μ و و ، والتي تتوافق بشكل رائع مع أدلة من الدراسات الدوائية في الحيوانات السليمة وأنظمة الأعضاء المختلفة (باترسون وآخرون ، 1983). أدى هذا التقدم إلى جهود من قبل صناعة المستحضرات الصيدلانية لتطوير مواد أفيونية انتقائية فرعية قد تكون مسكنات ذات إمكانات أقل إدمانًا ، وهو هدف لم يتحقق. سهّل تمايز الأنواع الفرعية لمستقبلات السيروتونين تطوير عوامل متنوعة ، بما في ذلك مضادات 5-HT3 ، في التخفيف من غثيان العلاج الكيميائي للسرطان وفئة التريبتان من عوامل مضادات الصداع النصفي.

جاءت خطوة عملاقة إلى الأمام في تقدير المستقبلات من استنساخها الجزيئي ، وهو جهد كان فيه مختبر نوما رائدًا ، مع استنساخ مستقبلات النيكوتين أسيتيل كولين للوصلة العصبية العضلية في عام 1982 ، وهو المجال الذي جعله جان بيير تشانجوكس رائدًا أيضًا. مساهمات (نوما ، 1987). أظهر استنساخ بروتين المستقبل أنه يؤوي موقع التعرف على الناقل العصبي والقناة الأيونية المرتبطة به. تم تقديم هذه الملاحظة من خلال عمل ريتشارد هوجانير وإفرايم راكر اللذين أعادا تكوين بروتين مستقبلات الأسيتيل كولين ، المنقى بواسطة الكيمياء الحيوية التقليدية ، إلى حويصلات محملة بصوديوم مرمز إشعاعيًا وأثبتا أن بروتين المستقبل النقي يحتوي على قناة أيون الصوديوم ذات الصلة (Huganir and Racker ، 1982) . اليوم نأخذ هذا المفهوم كأمر مسلم به ، لكن العديد من الباحثين شعروا أن بروتينات ربط الترابط وبروتينات القناة الأيونية كانت كيانات منفصلة انتقلت عبر الغشاء عن طريق الانتشار الجانبي مع ارتباط الناقل العصبي مما يؤدي إلى ارتباطها. قام روبرت ليفكوفيتز باستنساخ أول مستقبل أمين حيوي المنشأ ، مستقبل بيتا الأدرينالي (ديكسون وآخرون ، 1986). مثل Numa وغيره ، قام Lefkowitz بتنقية بروتين المستقبل بشكل مضني إلى التجانس ، والحصول على تسلسل الأحماض الأمينية الجزئية ، ثم فحص مكتبة cDNA باستخدام مسبار نيوكليوتيد. تبين أن مستقبل β-adrenoceptor هو متماثل لـ rhodopsin ، مستنسخ بواسطة Jeremy Nathans (Nathans and Hogness ، 1984) ، الذي قام بعد ذلك باستنساخ جينات للأصباغ البصرية الثلاثة التي تتوسط في رؤية الألوان (Nathans et al. ، 1986).

رسل داخل الخلايا

في عام 1970 ، كان كل من cAMP و GMP الدوري هما الجزيئان المرسلان الوحيدان اللذان تم تأسيسهما. كان من المفترض أن الهرمون / المرسل يتوسط تشوه المستقبلات بطريقة ما يؤثر على إنزيم adenylyl cyclase. في 1969-1970 اكتشف مارتن رودبل ولوتز بيرنباومر أن التحفيز الهرموني لانزيم الأدينيليل المقترن بالمستقبلات يتطلب إضافة GTP مما أدى إلى اقتراح رودبل بـ "بروتين G" الذي يربط GTP ويتفاعل مع المستقبل (رودبل ، 1992). سعى ألفريد جيلمان وعزل مثل هذه البروتينات باستخدام متغير خط خلية سرطان الدم S49 ، والذي يحتوي على مستقبلات و adenylyl cyclase ولكنه لا يزال لا يستجيب للعلاج الهرموني (جيلمان ، 1995). في عام 1994 ، تقاسم رودبل وجيلمان جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب لهذا الجهد. Today's scientists are often obsessed with publishing only in journals with high “impact factors.” Virtually all the key Rodbell and Gilman publications appeared in the مجلة الكيمياء البيولوجية.

In the mid-1980s Michael Berridge and colleagues identified inositol 1,4,5 trisphosphate (IP3) as a second messenger mediating the ability of hormones to release intracellular calcium (Berridge, 2009). It soon became evident that as many or more neurotransmitters and hormones act via IP3 as through cAMP. Since intracellular calcium is released in discrete quanta, it was assumed that intracellular calcium is stored in small vesicles whose surfaces must contain receptors for IP3. The “grind and bind” techniques that permitted identification of neurotransmitter receptors in the brain also facilitated labeling of IP3 receptors and their purification (Ferris and Snyder, 1992). Reconstitution of the purified IP3 receptor protein into lipid vesicles loaded with radioactive calcium revealed that the receptor contains both an IP3 recognition site and its associated calcium channel and permitted demonstration that the pure receptor protein contains the machinery to mediate quantal release of calcium. Receptor cloning by Katsuhiko Mikoshiba revealed one of the most exquisitely regulated proteins in biology (Mikoshiba, 2007). The IP3 receptor is a very large protein, >2700 aa, with the IP3 recognition site occupying only 200 aa at the N terminus and the calcium channel comprising a similar number of amino acids at the C terminus. The large intermediate area has binding sites whereby calcium release is modulated by factors such as NADH, ATP, the immunophilin FKBP12, ankyrin, Homer, Protein 4.1, myosin, calmodulin, caldendrin, chromogranins, cytochrome ج, TRPC C calcium channels, heterotrimeric G proteins, and Irbit.

Phosphorylation is likely the most important posttranslational modification of proteins. The pioneering work of Paul Greengard in this arena commenced in 1969–1970 (Greengard, 2001). Up to that time phosphorylation was an arcane process uniquely associated with glycogen metabolism. Greengard demonstrated that large numbers of proteins are physiologically phosphorylated, especially in the brain. He characterized a number of these in depth, such as the synapsins that regulate synaptic vesicle disposition, and DARPP32, which is highly concentrated in dopamine enriched areas of the brain and is a principal target of cAMP-dependent kinase phosphorylation. Greengard identified a series of phosphatases and phosphatase inhibitors that regulate the various phosphorylation cascades.

Summing up

Where have we been and where are we going? The molecular characterization of synaptic transmission in terms of neurotransmitters, their receptors and intracellular messenger molecules advanced enormously in the past 40 years. The goal of all biomedical research is to understand human biology and thereby find causes and cures for disease. How do we fare when judged by these criteria? The principal drugs used in psychiatry—the antipsychotics, antidepressants and antianxiety agents—were all identified in the 1950s and the early 1960s. There have since been incremental advances but no major breakthroughs. Monitoring transmitter uptake in synaptosomes permitted the development of norepinephrine- and serotonin-selective antidepressants, which are substantive advances, but not transformational. The high-throughput monitoring of drug candidates at neurotransmitter receptors has greatly facilitated the drug development process. Systematic structure–activity analysis has permitted the design of drugs with extremely high affinity for receptors and with selectivity. For instance, the first-generation tricyclic antidepressants displayed troublesome muscarinic anticholinergic side effects. Screening chemicals at muscarinic receptors led to new generations of antidepressants devoid of these adverse actions.

What about insights into causation? Polymorphisms in enzymes of serotonin synthesis and serotonin transporters do predict susceptibility to depression indicating that serotonin is more than just a mediator of antidepressant drug effects. The explosion in technology permitting gene monitoring in humans will likely lead to further insights into the underpinnings of the major mental illnesses. Whether these genetic aberrations will involve neurotransmitters, receptors, and intracellular messengers is unknown. Thus far extensive genetic analysis of patients with schizophrenia and affective disorder has identified large numbers of rare sequence alterations that each contribute in a small way to the disease phenotype. Conceivably these illnesses will turn out to be extremely heterogeneous with multiple causal gene defects. If so, our hopes of finding “causes and cures” will be disappointed. But I am an optimist. I am confident that our molecular insights into synaptic communication will escalate in coming decades and that, 40 years from today, we will both have vastly greater insights into normal function as well as profound new understanding of disease etiology and associated therapies.


2. Calcium regulation of ROSਏormation

2.1. ROS formation

ROS are derived from molecular oxygen by electron transfer reactions resulting in the formation of superoxide anion radical (O2 •− ), and subsequently hydrogen peroxide (H2ا2), either spontaneously, or by the action of superoxide dismutases (SOD). In the presence of iron, superoxide and H2ا2 can lead to the formation of highly reactive hydroxyl radicals, which can damage cellular proteins, RNA, DNA and lipids. Interaction of ROS with nitric oxide or fatty acids can lead to the formation of peroxynitrite or peroxyl radicals, respectively, that are also highly reactive. In the presence of chloride, peroxidases can catalyze the generation of hypochlorous acid (HOCl) and singlet oxygen ( 1 O2) from H2ا2.

Superoxide is not freely diffusible, but can cross membranes via ion channels. Extracellular superoxide has been shown to enter the cell via the anion blocker sensitive chloride channel-3 [69], while mitochondrial outer membrane´s voltage-dependent anion channels can direct superoxide flux from mitochondria to the cytosol [64]. On the other hand, hydrogen peroxide, which is not a radical, is diffusible over membranes and therefore has been frequently considered to act as a second messenger. Efficient transmembrane diffusion of hydrogen peroxide can be directed by aquaporins, which probably fine tune hydrogen peroxide levels in the cytoplasm, intracellular organelles, and the extracellular space [16]. High ROS levels in the cell can be achieved endogenously (e.g. in several cardiac pathologies), or exogenously (e.g. by administration of some types of chemotherapeutics). There is increasing evidence that in addition to the detrimental effects of high ROS levels exceeding the cellular antioxidant capacity, the cell is able to generate ROS in lower amounts that act as important signaling molecules controlling cell proliferation and cell death, cellular migration, vascular tone, and other cellular functions [75,99].

2.2. Calcium and mitochondrial ROS generation

Although the role of mitochondrial ROS is not completely understood, it is proposed that mitochondrial dysfunction causing excessive ROS production may be a prominent feature of several diseases [2]. Newer evidence suggests that mitochondrial ROS can also act as signaling molecules to activate pro-growth responses [139].

Generation of ROS by mitochondria has been considered for a long time to be only a byproduct of oxidative metabolism in the course of ATP production [151,164]. However, clear evidence exists that mitochondrial ROS might also have a function in signaling within mitochondria or between mitochondria and other organelles [130,34]. Under normal conditions, up to 1% of the electrons flowing to molecular oxygen through the electron transport chain may be diverted to form superoxide. Superoxide can be generated at different sites within the mitochondria [22]. Among them, the ubiquinone-binding sites in complex I (site IQ) and complex III (site IIIQo) of the respiratory chain, glycerol 3-phosphate dehydrogenase, the flavin in complex I (site IF), the electron transferring flavoprotein:Q oxidoreductase (ETFQOR) of fatty acid beta-oxidation, and pyruvate and 2-oxoglutarate dehydrogenases have the highest capacity to generate superoxide. Interestingly, only site IIIQo (on complex III) and glycerol 3-phosphate dehydrogenase can release superoxide into the intermembrane space suggesting that these sites are of a high importance of mitochondrial ROS release into the cytosol ([102], Fig. 2 ).

Calcium and ROS crosstalk between endoplasmic reticulum and mitochondria. The endoplasmic reticulum (ER) is a major site of calcium storage. Calcium from ER cisternae is flowing mainly through calcium release channels as inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (IP3R) and ryanodine receptors (RyR). These channels are accumulated in mitochondrial associated membranes (MAMs), which associate with the mitochondrial outer membrane. Calcium ions from the cytoplasm enter the mitochondria through voltage dependent anion channels (VDAC) or calcium uniporter. High levels of calcium stimulate respiratory chain activity leading to higher amounts of reactive oxygen species (ROS). ROS can further target ER-based calcium channels leading to increased release of calcium and further increased ROS levels. Increased ROS and calcium load can open the mitochondrial permeability transition pore (mPTP) resulting in the release of pro-apoptotic factors. Abbreviations: SERCA – sarco/endoplasmic reticulum Ca 2+ ATPase RyR – ryanodine receptors IP3R – IP3 receptor VDAC – voltage-dependent anion channel ANT – adenine-nucleotide transporter mPTP – mitochondrial permeability transition pore mNCX – mitochondrial sodium/calcium exchanger.

The metabolic state of the cell has an important impact on ROS production capacity of mitochondria. The chemical nature of the substrates fueling the respiratory chain, the amplitude of the membrane potential in mitochondria (ΔΨm), the pH of the matrix, and the oxygen tension in the surroundings are important factors controlling ROS production in mitochondria [5].

Since Ca 2+ primarily promotes ATP synthesis by stimulating enzymes of the Krebs cycle and oxidative phosphorylation in the mitochondria, it has been suggested that the increased metabolic rate would consume more oxygen resulting in increased respiratory chain electron leakage and ROS levels [26]. Indeed, mitochondrial ROS generation correlated with metabolic rate [136]. Under normal conditions, Ca 2+ diminished ROS from both complexes I and III while it enhanced ROS generation when these complexes were inhibited by pharmacological agents. One explanation has been that Ca 2+ induces a three-dimensional conformation change of the respiratory chain complexes which leads to mitochondrial ROS generation [26].

There is further evidence that the metabolic state of the mitochondria determines the effects of calcium on mitochondrial ROS levels. When the membrane potential is high (no ATP synthesis), Ca 2+ uptake results in decreased ROS generation. When the membrane potential is set to a depolarized range (ATP synthesis), ROS generation is stimulated, or not influenced by Ca 2+ , depending on the amount of the Ca 2+ load [1]. When mitochondria are overloaded with Ca 2+ , ROS production might increase independently of the metabolic state of mitochondria [94].

Mitochondrial permeability transition pore (mPTP) is a voltage and Ca 2+ -dependent, cyclosporin A sensitive, high conductance channel, whose prolonged opening leads to a brisk increase in the permeability of the inner mitochondrial membrane to solutes with molecular mass up to 1500ꃚ [13]. As a consequence, a bioenergetic catastrophe occurs: equilibration of the proton gradient causes mitochondrial depolarization, followed by respiratory inhibition and generation of ROS, massive release of matrix Ca 2+ , and swelling of mitochondria which leads to breaches in the outer mitochondrial membrane that induce the release of intermembrane proteins. Thus, mPTP opening prompts the demise of the cell, and its (dys)regulation turned out to be a crucial step in the pathogenesis of a variety of diverse diseases, encompassing ischemia-reperfusion damage, lysosomal storage diseases, liver damage, many acute and chronic disorders of the central nervous system and cancer (for review see [119]).

2.3 Calcium and NADPH oxidases

The family of NADPH oxidases (NOXes) has been considered unique in that their sole function is to generate superoxide or hydrogen peroxide, respectively, and that they are responsive to receptor stimulation [115,9]. Up to date, this family comprises 7 members, which differ in their catalytic subunits as well as in the requirement of regulatory proteins. The initially identified NADPH oxidase contains the NOX2 core unit, which builds together with the p22phox subunit the cytochrome b558. It is also known as the “respiratory burst” enzyme of neutrophils and is a part of the innate immune response. Upon binding of particles, bacteria, fungi or soluble inflammatory mediators to specific receptors on the neutrophil cell surface, NOX2 is activated and mediates release of large amounts of ROS [108]. This activation is regulated by cytosolic subunits p47phox, p67phox, p40phox and the Rac GTPase, which need to be phosphorylated by calcium activated protein kinase C (PKC) in order to translocate to the plasma membrane and join the NOX2/p22phox complex [30].

The majority of neutrophil-activating receptors induce extracellular calcium entry as an early signaling response to activate effector functions, including phagocytosis, degranulation, and chemotaxis [108]. These membrane receptors induce generation of inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) which activates IP3Rs and Ca 2+ release from the intracellular stores which is important for phagocytosis [137]. Depleted stores are reloaded by the sarco/endoplasmic reticulum Ca 2+ ATPase SERCA, whereby calcium influx into the cell is enhanced through store-operated calcium channels [23]. This Ca 2+ influx is also required for neutrophil ROS generation by stimulating Ca 2+ -dependent recruitment of S100A8/A9 proteins which act as Ca 2+ sensors and can interact with flavocytochrome b558 and p67phox to promote ROS generation [25]. Moreover, Hv1 voltage-gated proton channels have been shown to extrude the protons and compensate the charge generated by NADPH oxidases, thereby enhancing the driving force for extracellular Ca 2+ entry and sustaining NADPH oxidase activity [46].

Similar to the NOX2 containing enzyme in neutrophils, NOX1 activity in keratinocytes has been described to be dependent on calcium in response to UVA light [153]. NOX1 activity requires the recruitment of cytosolic activators similar to NOX2, suggesting that calcium might also act in resembling way. Moreover, it has been recently shown that NOX1 can directly be phosphorylated by the calcium activated PKC㬡 suggesting that calcium may via this way enhance NOX1 activity [138].

Apart from these more indirect ways of calcium-dependent NOX activation, the NOX5 as well as the DUOX1 and DUOX2 containing enzymes have been shown to be calcium-binding proteins, which require calcium for ROS generation. NOX5 contains an N-terminal regulatory domain (called NOX5-EF) with four EF-hands. When Ca 2+ binds to this domain, hydrophobic residues can interact with the C-terminal catalytic domain and activate the enzyme [7]. Besides of EF-hands, NOX5 can bind calcium-activated calmodulin to the C-terminal domain, leading to a conformational change and increased N-terminal enzymatic activity. Furthermore calcium-activated calcium/calmodulin-dependent kinase II (CAMKII) can positively regulate NOX5 activity عبر the phosphorylation of Ser475 [111]. Calcium-dependent NOX5 activity has been found to contribute to vascular proliferation and vessel formation [10], to proliferation in different cancer cell lines [3] and also might play a role in kidney disease [76] and in coronary artery disease [61].

Two other family members, dual oxidase 1 (DUOX1) and 2 (DUOX2) have been originally identified in the mammalian thyroid gland. DUOX1 is also highly expressed in airway epithelial cells and DUOX2 in the salivary glands and gastrointestinal tract. Dual oxidases contain an EF-hand calcium-binding cytosolic region similar to that in NOX5 and an N-terminal, extracellular domain with considerable sequence identity with mammalian peroxidases. DUOX enzymes are activated by calcium and release hydrogen peroxide rather than superoxide. In the thyroid, hydrogen peroxide produced by DUOX2 is utilized by thyroperoxidase as an electron acceptor to generate protein-bound iodothyronines (T3 and T4) [109,27,88]. Recently, it was shown that epidermal wounding induces a calcium flash which activates hydrogen peroxide production via DUOX1 and subsequently the recruitment of immune cells to migrate to the wound [122]. Similarly, calcium flashes have been shown to trigger DUOX-dependent hydrogen peroxide in zebrafish after mechanical injury, resulting in leukocyte recruitment [107]. Genetic studies in Drosophila have demonstrated that DUOX can generate microbicidal ROS in the gut epithelia [91].

Recent studies suggested a cross-talk between NADPH oxidases and mitochondrial ROS generation. For example, NOX2 was shown to stimulate mitochondrial ROS production by activating reverse electron transfer in angiotensin-II induced hypertension, while mitochondrial superoxide induced by activation of mitochondrial ATP-sensitive K + channels has been demonstrated to stimulate NOX2, contributing to the development of endothelial oxidative stress and hypertension [106,43]. Although the exact mechanisms of this cross-talk are not clear yet, these findings might explain some discrepancies found in the literature regarding the sources of ROS. Since both ROS generating systems are sensitive to calcium, they show the importance of the calcium-ROS cross-talk under (patho)physiological conditions.


Second messenger

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

Second messenger, molecule inside cells that acts to transmit signals from a receptor to a target. المصطلح second messenger was coined upon the discovery of these substances in order to distinguish them from hormones and other molecules that function outside the cell as “first messengers” in the transmission of biological information. Many second messenger molecules are small and therefore diffuse rapidly through the cytoplasm, enabling information to move quickly throughout the cell. As elements of signaling pathways, second messengers can serve to integrate information when multiple independent upstream inputs influence the rates of synthesis and degradation of the second messenger. In addition, second messengers can have multiple downstream targets, thereby expanding the scope of signal transmission.

A large number of second messenger molecules have been characterized, including cyclic nucleotides (e.g., cyclic adenosine monophosphate, or cAMP, and cyclic guanosine monophosphate, or cGMP), ions (e.g., Ca 2+ ), phospholipid-derived molecules (e.g., inositol triphosphate), and even a gas, nitric oxide (NO). The calcium ion Ca 2+ has a critical role in the rapid responses of neurons and muscle cells. At rest, cells maintain a low concentration of Ca 2+ in the cytoplasm, expending energy to pump these ions out of the cell. When activated, neurons and muscle cells rapidly increase their cytoplasmic Ca 2+ concentration by opening channels in the cell membrane, which allow Ca 2+ ions outside the cell to enter rapidly.

The cyclic nucleotide cAMP is synthesized by adenylyl cyclase enzymes, which are downstream of heterotrimeric G-proteins (guanine nucleotide binding proteins) and receptors. For example, when epinephrine binds to beta-adrenergic receptors in cell membranes, G-protein activation stimulates cAMP synthesis by adenylyl cyclase. The newly synthesized cAMP is then able to act as a second messenger, rapidly propagating the epinephrine signal to the appropriate molecules in the cell. This stimulatory signaling pathway leads to the production of effects such as increasing rate and force of contraction of the heart that are characteristic of epinephrine. Caffeine also enhances the action of cAMP by inhibiting the enzyme phosphodiesterase, which degrades cAMP the enhancement of cAMP activity contributes to the general stimulatory action of caffeine. As a gas, nitric oxide (NO) is distinct among second messengers in being able to diffuse across cell membranes, which allows signal information to cross into neighbouring cells.



تعليقات:

  1. Videl

    لا يمكن

  2. Pascal

    بدلاً من الانتقاد ، ننصح الحل للمشكلة.

  3. Garve

    عذرا ، لأنني قاطعتك ، أود أن أقدم قرارا آخر.

  4. Zololmaran

    الشيء الرئيسي هو البراعة

  5. Grokus

    رسالة رائعة وقيمة للغاية



اكتب رسالة