مروری بر زیست شناسی سلولی

موتورهای مولکولی:

سه خانواده از موتورهای مولکولی وجود دارد: میوزین، کینزین، و دینئین میوزین موتور پایه ای اکتین بوده و در انقباض ماهیچه دخالت دارد. برخی از میوزین های غیر تجمعی، وزیکول ها را نیز جا به جا می کنند. کینزین و دینئین موتورهای پایه ای میکروتوبول می باشند. هر دوی آن ها در انتقالات درون سلولی، حرکت وزیکول ها یا سازمان دادن اسکلت سلولی دخالت دارند. این موتورها از ATP به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند. مصرف ATP در میوزین و کینزین به خاطر عملکردشان مشابه است، ولی دینئین احتمالا به خاطر ساختار متفاوت، از مکانیسم متفاوتی استفاده می کند. مکانیسم مشترک میان همگی آن ها تغییر کنفورماسیون پروتئین ها بر اثر اتصال ATP، هیدرولیز ATP و آزاد شدن محصولات می باشد. 

 

میوزین:

در ژنوم انسان هجده کلاس میوزین و به
طور کلی بیش از 30-20 ژن برای میوزین، یا پروتئین های شبه میوزین شناخته شده است.

میوزین 1:

یک پروتئین با وزن مولکولی پایین است که دارای یک بخش دمی غنی از اسیدهای آمینه بازی بوده و به فسفولیپیدهای آنیونی در
غشاء سلولی متصل می شود. همچنین یک دومن غنی از گلیسین، پرولین و آلانین (دومن GPA)
در قسمت دم دارد که اتصال به اکتین را تسهیل می کند. آن ها در ناحیه گردن نزدیک به
سر دارای موتیف های مختلف اتصال به کالمودولین (IQ)
می باشند، که با مولکول های شبه کالدسمون (پروتئین متصل شونده به کمپلکس
کلسیم-کالمودولین در عضله صاف) برهمکنش داده و آن ها را تنظیم می کند.

این کلاس از میوزین ها در برهمکنش های
غشاء-غشاء دخالت داشته و در پرزهای روده کوچک عمل می کند. این میوزین ها در جابه
جایی و انتقال وزیکول های مشتق شده از گلژی نیز ممکن است دخالت داشته باشد.

میوزین 5:

دارای یک ناحیه گردن کشیده و یک دم با
انتهای کروی می باشند که باعث دیمر شدن آن ها می شود. زنجیره های سبک میوزین 5 از
خانواده های دست EF (EF hand) بوده و به موتیف تکراری IQ متصل می شود.
وزیکول های انتقالی احتمالا به ناحیه دم متصل می شوند. میوزین 5 در انتقال وزیکول
های سیناپسی، ملانوزوم ها، واکوئول ها و mRNA نقش دارد.
موتاسیون میوزین 5 با عدم عملکرد نورولوژیکی و دپیگمانتاسیون، خصوصا در مو همراه
است.

میوزین 6:

در بیشتر سلول ها و بافت ها بیان می
شود. قسمت گردن بلند می باشد و در هر سر دارای یک ناحیه اتصال به کالمودولین
(موتیف IQ) است. این پروتئین به صورت یک مولکول
دیمر با یک دم مارپیچی است که دارای دو انتهای کروی (هر منومر یکی) می باشد. نقص
در ژن این پروتئین موجب مشکلات شنوایی می شود که به نقص حرکتی موهای گوش داخلی
نسبت می دهند. این میوزین بر خلاف دیگر میوزین ها می تواند در هر جهتی حرکت کند.

دینئین:

دو کلاس از موتورهای دینئین وجود دارد:
(a) اکسونمال، که در حرکات تاژک و مژک
دخالت دارد. (b) سیتوپلاسمی، که باعث توزیع و سازمان
دهی ساختارهای سیتوپلاسمی می شود. دینئین غالبا در حرکت معکوس مواد سلولی نقش دارد
و مرحله حرکت آن در طول میکروتوبول وابسته به بار است.

ساختار و عملکرد عضله:

عضله اسکلتی:

هر فیبر عضلانی از چند صد تا چند هزار
میوفیبریل تشکیل می شود. فاصله بین دو صفحه Z
مجاور در میوفیبریل را سارکومر می نامند. در سارکومر عضله اسکلتی،
باندهای روشن (I) و باندهای تیره (A)
وجود دارند. باندI ، در فاصله بین دو سمت صفحه Z
(دو سارکومر مجاور) می باشد و فقط دارای فیلامان های اکتین است. باند A،
دارای هر دو فیلامان نازک (اکتین) و ضخیم (میوزین) می باشد و بین دو لبه
داخلی  باند  Iقرار دارد. ناحیه روشن در مرکز باند A،
باند H نام دارد که دارای فیلامان ضخیم بوده و
فیلامان نازک ندارد. در وسط باند H، خطM  قرار گرفته است که دارای پروتئین
هایی است که به لنگر انداختن فیلامان های سنگین در مرکز سارکومر کمک می کند.

وقتی ماهیچه منقبض می شود، فاصله بین
صفحات Z مجاور در سارکومر به واسطه کوتاه شدن
باندهای I وH ،
کاهش می یابد ولی باند A تغییری نمی کند.

فیلامان ضخیم:

مولکول های میوزین در سارکومر ایجاد
فیلامان ضخیم می کنند. میوزین یک پروتئین رشته ای بلند متشکل از دو زیر واحد سنگین
و چهار زیرواحد سبک است. دو زنجیره سنگین به دور هم پیچ خورده و دم میوزین را به
وجود می آورند. در انتهای آمینو، ناحیه سر وجود داشته که دارای دو دومن کروی با
جایگاهی برای هیدرولیز ATP و تعامل با اکتین است. به هر کدام از
دومن های کروی، یک جفت زنجیر سبک متصل می باشد.

تریپسین دم میوزین را از ناحیه حدود یک
سوم از سر برش داده و تولید مرومیوزین سنگین (HMM)
شامل سر و یک دم کوتاه و مرومیوزین سبک (LLM) شامل ناحیه
باقیمانده دم می کند. حاصل اثر پاپائین بر HMM تولید دو قطعه S1
مربوط به دو دومن کروی و یک قطعه S2 مربوط به ناحیه
دم است.

فیلامان های نازک:

اکتین فیلامانی (F-اکتین)
که از اتصال غیرکووالان منومرهای اکتین کروی (G-اکتین)
به وجود می آید. کاردیومیوپاتی احتقانی به علت نقص ژنتیکی در مولکول اکتین رخ می
دهد.

بتا-اکتینین به –Fاکتین متصل شده و به
تنظیم طول فیلامان های نازک کمک می کند. آلفا-اکتینین یک هومودیمر بوده و منومرهای
اکتین مجاور –Fاکتین را به هم متصل کرده و به فیبر
استحکام می بخشد. همچنین به لنگرانداختن فیلامان اکتین در صفحات Z
کمک می کند.

تروپومیوزین:

پروتئین میله ای شکل شامل دو زیرواحد
غیر مشابه است. این پروتئین با کنفورماسیون تجمعی سر به دم تشکیل شده و هر قسمت از
طولش با فیلامان های نازک برهمکنش می دهد. تروپومیوزین درشکاف منومرهای –Fاکتین جای می گیرد. هر مولکول تروپومیوزین با تقریبا هفت منومر
اکتین بر همکنش می دهد.

تروپونین:

دارای یک زیر واحد غیر مشابه به نام های
TnT،
TnI
و TnC است. زیرواحد TnT
به تروپومیوزین، زیرواحد I از اتصال اکتین
به میوزین جلوگیری می کند. زیرواحد TnC یک پروتئین مشابه
کالمودولین است که به Ca++ متصل می شود.

پروتئین های تنظیم کننده انقباض در
عضله:

پروتئین رشته ای تیتین مسئول حفظ ارتباط
پهلو به پهلوی فیلامان های اکتین و میوزین در عضله می باشد که هر مولکول آن از
صفحه Z تا خط M کشیده می شود. پروتئین نبولین در طول
فیلامان های اکتین گسترش می یابد و ممکن است در تنظیم طول این فیلامان ها نقش
داشته باشد. 

مکانیسم انقباض در عضله اسکلتی:

اتصال Ca++ به تروپونین C منجر به آشکار
شدن جایگاه های اتصالی میوزین در مولکول اکتین و ایجاد پل های عرضی بین اکتین و
میوزین می شود. در مرحله بعد با فعالیت ATP آزی سر میوزین،
فیلامان های اکتین روی فیلامان های میوزین لغزیده و بدین وسیله طول سارکومر کوتاه
می شود.

عضله صاف:

در عضله صاف فیلامان های اکتین به اجسام
متراکم که دارای آلفا-اکتینین می باشند، متصل هستند. اجسام متراکم ماهیچه صاف نقش
خطوط Z در ماهیچه اسکلتی را ایفا می کنند. نسبت
فیلامان های نازک به ضخیم در ماهیچه صاف تقریبا 15:1 است. در حالی که در ماهیچه
اسکلتی 6:1 است. سلول های عضله صاف به جای تروپونین حاوی مقادیر زیادی از یک
پروتئین تنظیمی دیگر به نام کالمودولین می باشند. از جمله پروتئین های دخیل در
انقباض ماهیچه صاف کالدسمون می باشد که عملکردش مشابه تروپونین ماهیچه اسکلتی می
باشد. اتصال کلسیم-کالمودولین به کالدسمون به آزادسازی آن از اکتین اثر گذاشته و
موجب انقباض می شود.

مکانیسم انقباض در عضله صاف:

یون های کلسیم به جایگاه های اتصالی خود
در کالمودولین متصل شده و تشکیل کمپلکس کلسیم-کالمودولین (Ca++-CaM) می دهند. کمپلکس Ca++- CaMبه کیناز زنجیر سبک میوزین (MLCK) متصل شده و آن را فعال می کند و MLCK یکی از زنجیره های سبک هر سر میوزین را فسفریله می کند. زنجیر سبک
فسفریله می تواند به صورت متوالی به فیلامان اکتین متصل شود و فرآیند انقباض آغاز
شود. زنجیره سبک فسفریله، میوزین Mg++-ATPase را که انرژی لازم برای فرآیند انقباض را تامین می کند، تحریک می
کند. انقباض به وسیله میوزین فسفاتاز متوقف می یابد.

عضله قلبی:    

در انسان TnI
قلبی حدود 31 اسید آمینه بیشتر از نوع اسکلتی دارد. میزان سرمی TnI
چهار ساعت بعد از یک حمله قلبی حاد افزایش می یابد.

دو ایزوفرم TnT
قلبی، TnT1 و TnT2، در بافت قلبی بزرگسالان و دو ایزوفرم دیگر در بافت قلبی جنین
وجود دارد. این ایزوفرم ها نتیجه پیرایش متناوب mRNA است. میزان سرمی TnT2 چهار ساعت بعد از
حمله قلبی حاد افزایش یافته و بیش از 14روز بالا باقی می ماند. برای تشخیص حملات
قلبی TnT2 سرم دارای حساسیت 100% و ویژگی 95%
دارد.

میانجی های عصبی:

استیل کولین:

استیل کولین با متراکم شدن کولین و
استیل کوآ به وسیله کولین استیل ترانسفراز در سیتوزول نورون ها سنتز می شود. استیل
کولین توسط استیل کولین استراز به استات و کولین هیدرولیز می شود. ترکیباتی چون
نئوستیگمین، فیزوستیگمین، و دی ایزوپروپیل فلوئوروفسفات، آنزیم کولین استراز را
مهار می کنند.

استیل کولین عمدتا دو نوع گیرنده را
فعال می کند که گیرنده های موسکارینی و نیکوتینی نامیده می شود. دلیل این نامگذاری
این است که موسکارین، سمی که از قارچ های سمی گرفته می شود فقط گیرنده های
موسکارینی را فعال می کند و گیرنده های نیکوتینی را فعال نمی کند، در حالی که
نیکوتین فقط گیرنده های نیکوتینی را فعال می کند؛ استیل کولین هر دوی این گیرنده
ها فعال می کند. برخی از ترکیبات مانند متاکولین، کاربوکول و نیکوتین، همانند
استیل کولین اثر تحریکی بر فیبر عضلانی داشته باشند.

 گیرنده نیکوتینی استیل کولین، توسط چند سم عصبی
کشنده از جمله D-توبراکوارین جزء فعال سم کوار و چندین
سم دیگر از مارها، از جمله آلفا-بونگاروتوکسین،کوبروتوکسین، و ارابوتوکسین مهار می
شود. سوکسینیل کولین به عنوان یک شل کننده عضلانی، از طریق باز کردن کانال منجر به
دپلاریزاسیون غشاء می شود. سوکسینیل کولین در جراحی استفاده می شود، زیرا فعالیت
برگشت پذیر آن منجر به هیدرولیز سریع ترکیب، بعد از توقف جراحی می شود.

میاستنی گراویس یک بیماری خود ایمنی
اکتسابی است، که مشخصه آن ضعف عضلانی ناشی از کاهش انتقال عصبی-عضلانی می باشد.
سرم بیش از 90% بیماران مبتلا به میاستنی گراویس دارای آنتی بادی بر علیه گیرنده
نیکوتینی استیل کولین (AChR) بر روی غشاء پس سیناپسی اتصالات عصبی
عضلانی می باشند. 

سروتونین:

همانند دوپامین، عمل سروتونین به وسیله بازجذب
به وسیله یک انتقال دهنده خاص خاتمه می یابد. بعضی انواع افسردگی ها با کاهش میزان
سروتونین همراه می باشند. مهارکننده های انتخابی بازجذب سروتونین (SSRIs) مانند پاروکستین، فلوکستین (پروزاک) و سرترالین (زولوفت) به
عنوان داروهای ضد افسردگی، بازجذب سروتونین توسط نورون های پیش سیناپسی را به طور
اختصاصی مهار می کنند. دسیپیرامین، ایمیپیرامین، نورتریپتیلین و آمیتریپتیلین از
جمله داروهای ضد افسردگی سه حلقه ای (TCA) هستند که باعث
مهار بازجذب سروتونین و نوراپی نفرین توسط نورون های پیش‌سیناپسی می شوند.

گلوتامات:

به عنوان یک ناقل عصبی تحریکی در سیستم
عصبی مرکزی عمل می کند. گلوتامات به وسیله آستروسیت ها برداشته شده و پس از تبدیل
شدن به گلوتامین، به نورون های پیش سیناپسی منتقل می شود. در نورون های تحریکی،
گلوتامین به گلوتامات تبدیل شده و مجددا در وزیکول های بسته بندی می شود.

گاما-آمینوبوتیریک اسید (GABA):

یک نوع ناقل عصبی مهاری می باشد که از
طریق اتصال به گیرنده خود موجب باز شدن کانال های آنیونی و ورود یون های منفی
مانند کلراید (Cl-) به داخل سلول عصبی می شود. همانند
گلوتامات، گابا توسط آستروسیت ها برداشته شده و پس از تبدیل شدن به گلوتامین، به
نورون های پیش سیناپسی منتقل می شود. در نورون های مهاری، گلوتامین به گلوتامات و
سپس به GABA تبدیل شده و در وزیکول های سیناپسی بسته
بندی می شود. میزان GABA در مغز بعضی بیماران مبتلا به صرع پایین
است. والپروئیک اسید از سد خونی-مغزی عبور کرده و میزان GABA در مغز را افزایش می دهد. باربیتورات ها و بنزودیازپین ها مانند
والیوم (دیازپام) به گیرنده GABA متصل می شوند و
موجب بازشدن کانال گیرنده GABA می شوند.

گلیسین:

یک نوع ناقل عصبی مهاری بوده که بیشتر
در نخاع و ساقه مغز عمل می کند. استریکنین یک سم قوی آلکالوئیدی است که به عنوان
یک آنتاگونیست گیرنده گلیسین عمل می کند. از دوزهای بسیار پایین استریکنین به
عنوان محرک سیستم عصبی مرکزی استفاده می شود. 

اندورفین ها و انکفالین ها:

نوروپپتیدهایی هستند که همانند
اپیوئیدها به گیرنده هایی که هفت مارپیچ گذرنده غشایی دارند متصل می شوند.
اندورفین ها در کاهش حساسیت به درد نقش دارند. انکفالین ها پنتاپپتیدهایی هستند که
نقشی مشابه اندورفین ها دارند. متیونین انکفالین (مت-انکفالین) از ناحیه N-ترمینال
بتااندورفین به وجود می آید. اندورفین ها و اپیوئیدها با اتصال به G-پروتئین
های مربوط، سبب مهار کانال های کلسیمی ولتاژی در انتهای نورون پیش سیناپسی و در
نتیجه سبب کاهش آزادسازی نوروترانسمیتر می گردند.

ماده P:

یک میانجی عصبی تحریکی است که در درد
نقش دارد و متعلق به یک گروه از نوروپپتیدها به نام نوروکینین ها می باشند. گیرنده
ماده P، نوروکین 1 (NK-1)، یک پروتئین G دارای هفت مارپیچ
گذرنده غشایی می باشد.

پروتئین های دخیل در آزادسازی میانجی
های عصبی:

سیناپسین:

تحریک عصبی باعث ورود Ca++ به نورون پیش سیناپسی و اتصال Ca++ به کالمودولین شده که با فعال سازی CaM
کیناز 1 و CaM کیناز 2، باعث فسفریله شدن سیناپسین می
گردند. این عمل باعث آزاد شدن وزیکول های سیناپسی از پروتئین های سیتواسکلتونی
ماتریکس و یا جلوگیری از اتصال وزیکول های فسفریله شده به این ماتریکس می شود. در
نتیجه ذخیره آزاد وزیکول های سیناپسی افزایش می یابد. همچنین کلسیم-کالمودولین می
تواند مستقیما به سیناپسین متصل شده و مانع از اتصال آن به اکتین و احتمالا دیگر
پروتئین های اسکلت سلولی شود.

سیناپتوفیزین:

یک پروتئین اینتگرال غشایی در وزیکول
های سیناپسی است که ممکن است با تشکیل یک کانال در وزیکول های سیناپسی به میانجی
عصبی اجازه عبور از غشاء پیش سیناپسی به شکاف سیناپسی دهد.

سیناپتوتاگمین:

یک پروتئین اینتگرال غشایی وزیکول های
سیناپسی می باشد که از طریق Ca++ با پروتئین های
خاصی که بر روی غشاء پیش سیناپسی قرار دارند، برهمکنش می دهد و احتمالا در
لنگراندازی وزیکول های سیناپسی در غشاء نقش دارد.

سینتاکسین:

یک پروتئین اینتگرال غشای پلاسمایی
نورون های پیش سیناپسی است که به سیناپتوتاگمین متصل شده و میانکنش آن را با کانال
های Ca++ در محل آزادسازی میانجی عصبی را وساطت
می کند، همچنین در اگزوسیتوز نقش دارد.

سیناپتوبروین / VAMP (یا پروتئین غشایی وابسته به وزیکول):

متشکل از یک خانواده با دو پروتئین کوچک
18 و 17 کیلودالتونی است که از طریق یک دومن C-ترمینال
در سمت سیتوپلاسمی لنگر انداخته است و در انتقال وزیکولی و اگزوسیتوز دخالت دارد. پروتئین
های VAMP در آزادسازی وزیکول های سیناپسی از غشاء
پلاسمایی نورون های پیش سیناپسی دخالت دارند. سم تتانوس و بوتولینوم، یک
اندوپروتئاز وابسته به روی، به VAMPs متصل شده و آن را
تجزیه می کند، در نتیجه به آهستگی موجب مهار برگشت ناپذیر آزادسازی میانجی عصبی می
گردند.

Rab3: متعلق به خانواده بزرگ rab
از پروتئین های اتصالی به GTP می باشد و در
لنگراندازی و ادغام وزیکول ها برای اگزوسیتوز دخالت دارد.

SV-2: یک گلیکوپروتئین با 12دومن گذرنده
غشایی می باشد.

CSPs: پروتئین رشته ای سیستئینی و عضوی از
خانواده چاپرون ها هستند که در مراحل پایانی اگزوسیتوز تنظیم شونده با Ca++ عمل می کنند.

پمپ پروتونی واکوئولی: عملکرد آن
برگرداندن میانجی های عصبی به داخل وزیکول های سیناپسی، پس از ارزیابی و ورود آن
ها به درون غشای سلول پیش سیناپسی است.