فسفرگیری اکسایشی

گردآوری و ترجمه: علی کباری

فسفرگیری اکسایشی (oxidative phosphorylation) فرآیند انرژی‌زایی است که باعث می‌شود حامل‌های انرژی ADP با انرژی پایین به حامل‌های انرژی ^۱ATP با انرژی بالا تبدیل شوند. نام فسفرگیری به این خاطر است که مولکول ADP با گرفتن یک بنیان فسفات به مولکول ATP تبدیل می‌شود. اکسایش یا همان اکسیدشدن هم به‌دلیل اکسایش مولکول‌های الکترون‌دهنده (مانند FADH و NADH) است. مولکول‌های  FADH و NADH هم پیش‌تر در سوخت قندها، مانند گلوکز، تولید شده‌اند.

الکترون‌دهنده‌هایی مانند  FADH و NADH در فضای ماتریکسی میتوکندری^۲ اکسید می‌شوند و الکترون خود را به کانال‌های یونی قرار گرفته در غشای داخلی میتوکندری منتقل می‌کنند. این الکترون‌ها با جابه‌جایی بین کانال‌های یونی مختلف، مقداری انرژی آزاد می‌کنند و در هر انتقال، یک یا چند یون هیدروژن از داخلی‌ترین قسمت میتوکندری (فضای ماتریکسی) به فضای بین‌غشایی آن منتقل می‌شود (شکل ۱).

 شکل ۱) انتقال الکترون بین مولکول‌های مختلف از جمله NADH ،FADH₂ و کانال‌های یونیِ قرارگرفته در غشایِ داخلیِ میتوکندری.

زنجیرهٔ انتقال الکترون در میتوکندری یوکاریوت‌ها یا سیتوزول پروکاریوت‌ها انجام می‌شود و بخش اعظم  ATP  ارگان‌ها را تأمین می‌کند.

به صورت دقیق‌تر، واکنش آزاد‌شدن الکترون از مولکول‌های NADH و FADH₂ در زنجیرهٔ انتقال الکترون به شرح زیر است: 

 NADH ⇄ NAD⁺ + H⁺ + 2e^– 

 FADH₂ ⇄ FAD⁺ + 2H⁺ + 2e^– 

الکترون‌های دومولکول NADH و  FADH₂  انرژی پتانسیل الکتریکی بالایی دارند. این الکترون‌ها به مولکول‌های دیگری (کانال‌های یونی) منتقل می‌شوند که انرژی الکتریکی آن‌ها کمی پایین‌تر می‌آید. در نتیجه در طی این انتقال، مقداری انرژی آزاد می‌شود. با استفاده از این انرژی، این کانال‌ها چند یونِ ⁺H را به فضای بین‌غشایی انتقال می‌دهند (شکل ۲).

شکل (۲) چهار کامپلکس پروتئینی که در انتقال زنجیره‌ای الکترون نقش دارند و یون‌های ⁺H را پمپاژ می‌کنند.

نام هر کدام از کانال‌های یونی چنین است:

Protein complex 1              NADH dehydrogenase

Protein complex 2              succinate dehydrogenase

Protein complex 3              cytochrome c reductase

Protein complex 4              cytochrome c oxidase

علاوه بر چهار پروتئین بالا، پروتئین 10-coenzyme q بر روی کامپلکس دو و پروتئین cytochrome c  بین کامپلکس سوم و چهارم قرار دارد.

یک مولکول NADH پس از اکسایش، دو الکترون آزاد می‌کند و آن‌ها به کامپلکس اول و در نتیجه، به زنجیرهٔ انتقال الکترون وارد می‌شوند. عبور الکترون‌ها از کامپلکس اول باعث می‌شود ⁺4H از فضای ماتریکسی به فضای بین‌غشایی پمپ شود. پس از آن، الکترون‌ها از کامپکس سوم عبور می‌کنند و ⁺4H  دیگر پمپاژ می‌شود. هنگام عبور از کامپلکس چهارم نیز ⁺2H پمپ می‌شود. پس هر NADH  تعداد ⁺10H را پمپ می‌کند. در انتهای زنجیره الکترون منتقل شده و یون‌های ⁺H در ماتریکس، با اکسیژن واکنش می‌دهند و مولکول آب می‌سازند. قابل ذکر است که تا زمان پایان چرخهٔ تنفسی، اکسیژن درگیر چرخه نمی‌شود.

زنجیرهٔ انتقال الکترون به صورت مشابه با FADH₂ هم انجام می‌پذیرد؛ با این تفاوت که الکترون‌های آزادشده از FADH₂ به جای کامپلکس اول وارد کامپلکس دوم می‌شوند. هر FADH₂ تعداد ⁺6H را پمپ می‌کند.

وجود غلظت بیشتر یون‌های هیدروژن در فضای بین‌غشایی میتوکندری نسبت به فضای ماتریکسی یک اختلاف پتانسیل الکتریکی شکل می‌دهد که با نام Proton motive force از آن یاد می‌شود. این اختلاف پتانسیل یک ذخیرهٔ انرژی محسوب می‌شود و سلول می‌تواند از آن برای تولید ATP  سود ببرد. یعنی یون‌های هیدروژن، با انتقال از فضای بین‌غشایی به فضای ماتریکسی، انرژی آزاد می‌کنند. هیدروژن‌ها در طی این انتقال از یک پروتئین غشایی با نام ATP synthase عبور می‌کنند و این پروتئین با انرژی حاصل از انتقال ⁺4H یک مولکول ADP  را به ATP  تبدیل می‌کند (شکل ۳).

شکل ۳) عمل تولید حامل‌های انرژی ATP از ADP، با استفاده از اختلاف غلظت یون‌های هیدروژن بین فضای ماتریکسی و بین‌غشایی و بنیان فسفات داخل فضای ماتریسی. این عمل توسط یک پروتئین با نام AT synthase صورت می‌گیرد.

در مجموع، می‌توان گفت:

    ۱.   هر مولکول NADH  باعث تولید دو و نیم مولکول ATP  می‌شود.

    ۲.  هر مولکول  FADH₂  باعث تولید یک‌و‌نیم مولکول ATP  می‌شود.

1. adenosine triphosphate مولکولی است که انرژی درون سلول‎‌ها را با خود حمل می‌کند و به‌‎عبارت‌دیگر، حامل انرژی سلول است.

2. میتوکندری از دو غشای لیپیدی تودرتو تشکیل شده است. غشای داخلی فضای ماتریکسی (داخلی‌ترین قسمت میتوکندری) را احاطه کرده است و غشای بیرونی با مقداری فاصله، غشای داخلی را احاطه کرده است، که این فاصله با نام فضای بین‌غشایی شناخته می‌شود.

انتقال‌دهنده‌ها و گیرنده‌های عصبی

ترجمه: امین مخفی

آیا می‌دانید میلیاردها سلول عصبی و تریلیون‌ها سیناپس‌ در مغز شگفت‌انگیز شما وجود دارد؟

بیشتر سیناپس‌های شما سیناپس شیمیایی‌اند؛ به این معنی که پیام‌رسان‌های شیمیایی، اطلاعات را از یک نورون به نورون دیگر منتقل می‌کنند.

در این مقاله، به ناقل‌های عصبی (پیام‌رسان‌های شیمیاییِ ترشح‌شده از سلول‌های عصبی) می‌پردازیم که می‌توانند با سلول‌های همسایه «صحبت کنند»؛ همچنین دربارۀ پروتئین‌های گیرنده بحث می‌کنیم که به سلول هدف اجازه می‌دهند پیام را «بشنود».

ناقل‌‌های عصبیِ متعارف و غیر متعارف (معمولی یا غیرمعمولی)

ناقل‌های عصبی انواع مختلفی دارند (و البته هنوز هم ناقل‌های جدیدی دارند کشف می‌شوند!)

فرضیه‌ها دربارۀ آنچه باعث می‌شود یک ناقل عصبی ایجاد شود، در گذر زمان، تغییر و گسترش یافته است؛ بنابراین برخی از ناقل‌های عصبی که اخیراً کشف شده‌اند ممکن است با در نظرگرفتنِ تعاریف قدیمی‌تر «غیرمعمول» یا «غیرمتعارف» باشند.

ناقل‌های عصبی متعارف

پیام‌رسان‌های شیمیایی که به عنوان ناقل‌های عصبی متعارف عمل می‌کنند ویژگی‌هایی اساسی دارند. آن‌ها در وزیکول‌های سیناپسی ذخیره می‌شوند، وقتی ⁺Ca² در پاسخ به یک پتانسیل عمل وارد پایانۀ آکسونی می‌شود، آزاد می‌شوند و با اتصال به گیرنده‌های غشای سلول پس‌سیناپسی عمل می‌کنند.

تصویر سیناپس و ناقل‌های عصبی ذخیره‌شده در وزیکول‌های سیناپسیِ درون پایانۀ آکسونی؛  
در پاسخ به یک پتانسیل عمل، وزیکول‌ها با غشای پیش‌سیناپسی جوش می‌خورند و ناقل عصبی را در شکاف سیناپسی آزاد می‌کنند.

ناقل‌های عصبی متعارف را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد: مولکول کوچک ناقل و نوروپپتیدها (نوعی پروتئین کوچک).

مولکول‌های کوچک ناقل

مولکول‌های کوچکِ ناقل مولکول‌های آلیِ کوچک هستند که انواع مختلفی دارند:

• ناقل‌های عصبی آمینو اسید: گلوتامات، GABA (اسید -γآمینوبوتیریک) و گلایسین. همۀ این‌ها اسیدهای آمینه هستند، اگرچه GABA اسید آمینه‌ای نیست که در پروتئین‌ها یافت شود.

• آمین‌های بیوژنیک: دوپامین، نوراپی‌نفرین، اپی‌نفرین، سروتونین و هیستامین که از پیش‌سازهای آمینو اسید ساخته می‌شوند.

                         ساختار دوپامین

• ناقل‌های عصبی پورینرژیک: ATP و آدنوزین که نوکلئوتیدها و نوکلئوزیدها هستند.
  

                                 ساختار آدنوزین

• استیل‌کولین، که در هیچ یک از دسته‌های ساختاری دیگر قرار نمی‌گیرد، اما یک ناقل عصبی اصلی در اتصالات عصبی عضلانی است (جایی که اعصاب به عضلات متصل می‌شوند) و هم‌چنین سیناپس‌های خاص دیگر.

                             ساختار استیل کولین

نوروپپتیدها

نوروپپتیدها هر کدام از سه آمینو اسید یا بیشتر تشکیل شده‌اند و بزرگتر از مولکول‌های کوچک ناقل هستند. تعداد زیادی نوروپپتید متفاوت وجود دارد: برخی از آن‌ها شامل اندورفین و انکفالین هستند که از درد جلوگیری می‌کنند، ماده P که حامل سیگنال‌های درد است و نوروپپتید Y که باعث تحریک غذا خوردن می‌شود و ممکن است برای جلوگیری از تشنج عمل کند.

                                                                                        توالی اسیدهای آمینۀ انکفالین

اثرات ناقل عصبی به گیرندۀ آن بستگی دارد. بعضی از ناقل‌های عصبی «تحریک‌کننده» تلقی می‌شوند و باعث می‌شوند در نورونِ هدف پتانسیل عمل ایجاد شود. برخی دیگر، به‌طورکلی، «مهارکننده (بازدارنده)» تلقی می‌شوند و باعث می‌شوند که احتمال ایجاد پتانسیل عمل کمتر شود؛ مثلاً گلوتامات عاملِ اصلیِ انتقال‌دهندۀ تحریک‌کننده در سیستم عصبی مرکزی است. GABA اصلی‌ترین ناقل عصبی مهارکننده در مغز مهره‌داران بزرگسال است. گلایسین اصلی‌ترین ناقل عصبی بازدارنده در نخاع است.

بااین‌حال، «تحریک‌کننده» و «مهارکننده» واقعاً مشخصه‌های صریح و شفافی نیستند که بتوانیم بر اساس آن ناقل‌های عصبی را مرتب کنیم. در عوض، یک ناقل عصبی، بسته به زمینه، گاهی اوقات می‌تواند اثر تحریک‌کنندگی یا مهارکنندگی داشته باشد.

چگونه می‌تواند چنین باشد؟ همان‌طور که مشخص شد، برای هر ناقل عصبی فقط یک نوع گیرنده وجود ندارد. در عوض، یک ناقل عصبی معین معمولاً می‌تواند به چندین گیرندۀ پروتئینی مختلف متصل گردد و آن‌ها را فعال کند. اینکه اثرِ یک ناقلِ عصبیِ خاص، در یک سیناپس معین، تحریک‌کنندگی باشد یا مهار کنندگی، به این بستگی دارد که کدام یک از گیرنده‌های آن بر روی سلول پس‌سیناپسی (سلول هدف) وجود داشته باشد.

مثالِ استیل کولین

ناقل عصبی استیل کولین در محلِ اتصالِ عصبی-ماهیچه­ای در ماهیچۀ اسکلتی تحریک‌کننده است و باعث انقباض ماهیچه می‌شود. در مقابل، در قلب مهارکننده است و ضربان قلب را کند می‌کند. این اثرات مختلف امکان‌پذیر است، زیرا دو نوع پروتئینِ گیرندۀ مختلفِ استیل کولین در دو مکان یافت می‌شود.

                                                         ویژگی نوع سلول در پاسخ به استیل‌کولین 
شکل سمت چپ: سلول ماهیچه‌ای اسکلتی. مولکول استیل‌کولین به یک کانال یونی دریچه‌دار، وابسته به لیگاند، متصل می‌شود و باعث باز شدن آن می‌شود و اجازه می‌دهد یون‌های مثبت وارد سلول شوند. این رویداد باعث انقباض ماهیچه می‌شود. 
شکل سمت راست: سلول ماهیچه‌ای قلب. مولکول استیل‌کولین به یک گیرندۀ متصل به پروتئین G متصل می‌شود و یک پاسخ ضعیف را ایجاد می‌کند که منجر به مهار انقباض ماهیچه می‌شود.

• به گیرنده‌های استیل‌کولین در سلول‌های ماهیچه‌ای اسکلتی گیرنده‌های استیل‌کولین نیکوتینی گفته می‌شود. آن‌ها کانال‌های یونی هستند که در پاسخ به اتصال استیل‌کولین باز می‌شوند و باعث دپولاریزاسیونِ سلول هدف می‌شوند.
• به گیرنده‌های استیل‌کولین در سلول‌های ماهیچه‌ای قلب گیرنده‌های استیل‌کولین موسکارینی گفته می‌شود. آن‌ها کانال‌های یونی نیستند، اما باعث ایجاد مسیرهای پیام­رسانی در سلول هدف می‌شوند که از به‌وجودآمدنِ پتانسیل عمل جلوگیری می‌کنند.

انواع گیرنده‌های ناقل عصبی

همان‌طور که مثال فوق نشان می‌دهد، ما می‌توانیم پروتئین‌های گیرنده را ─که ناقل‌های عصبی فعال کرده‌اند‌─ به دو گروه گسترده تقسیم کنیم:

• کانال‌های یونی وابسته به لیگاند: این گیرنده‌ها پروتئین‌های کانال یونی پوشانندۀ غشایی هستند که مستقیماً در پاسخ به اتصال لیگاند باز می‌شوند.
• گیرنده‌های متابوتروپیک: این گیرنده‌ها خود کانال‌های یونی نیستند. اتصال ناقل عصبی یک مسیر پیام‌رسانی را ایجاد می‌کند که ممکن است به‌طور غیرمستقیم کانال‌ها را باز یا بسته کند (یا کاملاً اثر دیگری داشته باشد).

کانال‌های یونی وابسته به لیگاند

اولین گروهِ گیرنده‌های ناقل عصبی کانال‌های یونی وابسته به لیگاند هستند که به آن‌ها گیرنده‌های یونوتروپیک نیز گفته می‌شود. هنگام اتصال ناقل عصبی، آن‌ها دچار تغییر شکل می‌شوند و باعث بازشدن کانال می‌شوند. این بسته به یون‌هایی است که می‌توانند از کانال عبور کنند و غلظت آن‌ها در داخل و خارج سلول ممکن است اثری تحریک‌کننده یا مهارکننده داشته باشد.

کانال‌های یونیِ وابسته به لیگاند، مجموعه‌های پروتئینی بزرگی هستند. آن‌ها قسمت‌های خاصی دارند که این قسمت‌ها اتصال‌دهندۀ ناقل عصبی و هم‌چنین بخش‌های پوشانندۀ غشایی هستند که کانال را تشکیل می‌دهد.

                                                                       تصویرِ  کانال وابسته به لیگاند  
هنگامی که ناقل عصبی به کانال متصل می‌شود، باز می‌شود و بار‌های مثبت‌ از سطح شیب غلظت خود پایین می‌روند و به سلول وارد و باعث دپولاریزاسیون می‌شوند.

کانال‌های یونی وابسته به لیگاند معمولاً پاسخ‌های فیزیولوژیکی بسیار سریعی ایجاد می‌کنند. جریان شروع به حرکت می‌کند (یون‌ها شروع به عبور از غشا می‌کنند). در ده‌ها میکروثانیه اتصال ناقل عصبی انجام و جریان متوقف می‌شود (درصورتی که ناقل عصبی دیگر به گیرنده‌های خود متصل نباشد). در بیشتر موارد، ناقل عصبی، به‌سبب آنزیم‌هایی که آن را تجزیه می‌کنند یا سلول‌های همسایه که آن را جذب می‌کنند، به سرعت از سیناپس خارج می‌شود.

گیرنده‌های متابوتروپیک

فعال‌سازی گیرنده‌های ناقل عصبیِ گروه دوم فقط به‌طور غیرمستقیم بر باز و بسته شدن کانال یونی تأثیر می‌گذارد. در این حالت، پروتئینی که ناقل عصبی به آن متصل می‌شود (گیرندۀ ناقل عصبی)، یک کانال یونی نیست. پیام‌رسانی از طریق این گیرنده‌های متابوتروپیک به فعال‌شدن چندین مولکول در داخل سلول بستگی دارد و اغلب شامل یک مسیر پیام‌رسان دوم (a second messenger pathway) است، اما از آنجا که مراحل بیشتری را شامل می‌شود، پیام­رسانی از طریق گیرنده‌های متابوتروپیک بسیار کندتر از پیام‌رسانی از طریق کانال‌های یونی وابسته به لیگاند است.

                                                                      گیرنده های متابوتروپیک

برخی از گیرنده‌های متابوتروپیک، هنگامی که فعال می‌شوند، اثرات تحریکی دارند (باعث انجام پتانسیل عمل در سلول می‌شوند)، در حالی‌که برخی دیگر اثرات مهاری دارند. بیشترِ اوقات، این تأثیرات به این دلیل رخ می‌دهد که گیرندۀ متابوتروپیک، یک مسیر پیام‌رسانی را راه‌اندازی می‌کند که یک کانال یونی را باز یا بسته می‌کند. ازطرف‌دیگر، ناقل عصبی­‌ای که به گیرندۀ متابوتروپیک متصل می‌شود، ممکن است با نحوۀ پاسخ سلول به ناقل عصبی دیگر ─که از طریق یک کانالِ لیگاند عمل می‌کند─ متفاوت باشد. هم‌چنین، پیام‌رسانی از طریق گیرنده‌های متابوتروپیک، می‌تواند بر روی سلول پس‌سیناپسی تأثیر بگذارد به‌طوری که اصلاً کانال‌های یونی را درگیر نکند.

انتقال‌دهنده‌های عصبی متعارف و انواع گیرنده‌های آن‌ها

این جدول یک فهرست جامع نیست، اما برخی از معروف‌ترین ناقل‌های عصبی معمولی را پوشش می‌دهد.

ناقل‌های عصبی غیرمتعارف

همۀ ناقل‌های عصبی، که تاکنون دربارۀ آن‌ها بحث کرده‌ایم، می‌توانند ناقل‌های عصبی معمولی باشند. اخیراً، چندین گروه از ناقل‌های عصبی شناسایی شده‌اند که از همه قوانین معمول پیروی نمی‌کنند. این‌ها ناقل‌‌های عصبی غیرمتعارف یا غیرمعمول در نظر گرفته می‌شوند.

دو گروه از فرستنده‌های (پیک‌های)‌ غیرمتعارف، اندوکانابینوئیدها و انتقال‌دهنده‌های گازی (گاز‌های ناقل: گازهای محلول مانند نیتریک اکسید NO و کربن مونوکسید CO) هستند. این مولکول‌ها از این جهت که در وزیکول سیناپسی ذخیره نمی‌شوند غیرمتعارف هستند و ممکن است پیام‌هایی را از نورون پس‌سیناپسی به نورون پیش‌سیناپسی منتقل کنند. هم‌چنین، انتقال‌دهنده‌های گازی می‌توانند به جای تعامل با گیرنده‌های موجود در غشایِ پلاسماییِ سلول‌هایِ هدفِ خود، از غشای سلول عبور کنند و مستقیماً بر روی مولکول‌های داخل سلول عمل کنند.

با یادگیریِ بیشترِ نحوۀ کار سلول‌های عصبی، احتمالاً، پیام‌رسان‌های غیرمتعارف دیگری کشف می‌شوند. با کشف این پیام‌رسان‌های شیمیایی جدید، ممکن است مجبور شویم فرضیه‌ها و ذهنیت خود را در مورد معنای ناقل عصبی تا حد زیادی تغییر دهیم.

منبع:

https://www.khanacademy.org/science/biology/human-biology/neuron-nervous-system/a/neurotransmitters-their-receptors

https://www.nature.com/scitable/topicpage/translation-dna-to-mrna-to-protein-393/