Nöron membran ve sekretuar proteinlerin dağılımı aksonal transport
advertisement
Nöron sitolojisi nöronal proteinlerin sentez ve trafiği (gidiş ve geliş) Sinir sistem hücreleri-konu başlıkları Nöron ve Glianın paylaştıkları Yapısal ve Moleküler Özellikler Hücre iskeleti hücrenin şeklini belirler Protein partikül ve organeller akson ve dendrit boyunca aktif şekilde transport edilir Diğer sekretuar hücrelerde olduğu gibi Proteinler Nöronlarda sentezlenmektedir Membran yüzeyi ve Ekstrasellüler maddeler hücre içinde yeniden geriye kazanılır Nöron ve Glia hücreleri genel olarak hücrede birçok özellikleri paylaşırlar, sinir sistemi bu hücrelerle bir araya toplanmıştır. Nöronlar spesifik olarak uzak yerlerde bulunan diğer hücreler arasında iletişimi sağlamakla görevlilerdir. Nöronlar iki özellikleri sayesinde bu yeteneğe gösterebilirler: a) bu hücreler yüksek derecede morfolojik ve fonsiyonel asimetriye sahipler, bu şekilde nöronlar bir uçtaki alıcı dendritleri vardır ve diğerinin aksonuna iletirler. Bu tip düzenlenme tek yöndeki nöronal iletinin temelini oluşturur. b)İkinci olarak nöronlar hem elektriksel hem kimyasal uyarılabilmekteler. Hücre membranında iyon kanalları ve reseptörler şeklinde özelleşmiş proteinler bulunmakta, Spesifik inorganik iyonların akışını kolaylaştırabilmekte bu sebeple yükün tekrar dağılımı ve elektriksel akım yaratarak membran boyunca voltajı değiştirir. Yükdeki bu değişiklikler akson boyunca aksiyon potansiyel formunda depolarizasyon dalgası oluşturur, nöronda bir sinyalin seyahat etmesi için olağan yoldur. Nöronların sitolojisi Nöronlar epitheliyal hücrelerin taşıdığı ana özellikleri taşımasına rağmen diğer organları oluşturan hücrelerden birçok bakımdan farklıdır. Oldukca polarizedirler Elekrik sinyallerini iletecek şekilde hücre organize olmuştur. Plazmalemma oldukca hidrofobiktir Sitozol, sitozol iskeleti matriksi ve membranlı organellerden oluşmaktadır. Glia daha az uyarılabilmekte, fakat membranlarında iyon alımını kolaylaştıran transportır proteinleri vardır, Bu transportır proteinler ekstrasellüler aralıktan nörotransmiter moleküllerin uzaklaştırılmasını sağlayarak nöronal fonksiyonun düzenlenmesi sağlanmış olur. Nöronların moleküler düzeyde de görülen sitolojik farklılıktan dolayı yaklaşık 100 farklı tipi bulunmaktadır. Nöronlar genlerin aynı komplementi kalıtılabilmesine rağmen herbiri sınırlı bir set eksprese eder, Böylece enzimler, yapısal proteinler, membran bileşenleri ve sekretuar ürünleri gibi belli molekülleri üretmektedirler. Bu ekspresyonun büyük bir kısmında hücrenin gelişimsel tarihçesine bağlı olmaktadır. Nöron ve glia birçok yapısal ve moleküler özellikleri paylaşmaktadırlar Nöron ve glia embriyonik sinir sisteminin ortak nöroepitelyal hücrelerinden gelişmektedir. Dolayısıyla birçok yapısal ve moleküler özellikleri paylaşmaktadırlar. Bu hücreler bütün biyolojik membran yapılarındaki gibi asimetrik çift katlı ve suda-eriyebilen maddelere karşı impermeabl özellikte hidrofobik bir bariyer özelliğinde hücre membranı veya plazmalemma ile kuşatılmıştır. Sitoplazma sitozol ve membranöz yapıda organellerden oluşmaktadır. Bir Nöronun yapısı Spinal bir motor nöronun hücre gövdesi ve nukleusu çift-katlı nukleer membranı ile kuşatılmıştır. İki membran tabakası arasındaki boşluk endoplazmik retikulumun lümeniyle devamlılık gösterir. Dendritler nöronun kaidesi yönünden, akson ise tepe kısmından ortaya çıkmaktadır. Sitozol sitoplazmanın aköz kısmını oluşturur. Bu kısımda az sayıda protein solüsyonda serbest halde olup metabolik reaksiyonları kataliz eden bazı enzimlerin haricinde çoğu protein fonksiyonel kompleksler için organize edilmişlerdir. Son proteomik çalışmaları bu komplekslerin hçbirinin diğerine kovalent şekilde bağlanmadığ birçok ayrı proteinden oluşmaktadırlar. N-metil-D-aspartat tip glutamat reseptörünün sitoplazmik kuyruğu merkezi sinir sisteminde eksitatuar sinaptik transmisyonu düzenlemektedir, 100 den fazla iskelet proteini ve protein-düzenleyici enzimden oluşan büyük bir komplekse sıkıca bağlıdır. mRNA’nın translasyon işleminin gerçekleştiği ribozomlar farklı protein altbirimlerinden meydana gelmiştir. Proteozomlar, Nöron ve glianın sitozolü boyunca ubikitinle işaretlenmiş proteinleri degrade eden büyük multienzim organelleridir. Sitoplazmanın ikinci ana bileşeni olan membranöz yapıda organelleri olan mitokondri ve peroksizomları içine alan tübül, vesikül ve vakuoler aparey şeklinde adlandırılan sisternayı da kapsamaktadır. Mitokondriler başlıca hücresel enerji molekülü olan ATP’nin transfer edildiği veya harcanıp sentezlendiği organeldir. Peroksizomlar güçlü okside edici ajan hidrojen peroksitin birikiminin engellenmesini sağlar. Vakuoler yapıdaki apareyler kaba yüzlü endoplazmik retikulum, düz yüzlü endoplazmik retikulum, golgi kompleksi, sekretuar vesiküller, endozomlar, lizozomlar ve çeşitli kompartmanların karşılıklı etkileştikleri transport vesiküllerini kapsarlar. Lümenleri hücrenin dış kısmına karşı gelmekte, sonuçta bu organellerin lipid çift tabakasının iç kısmı plazmalemmanın dış yaprağına karşı gelmektedir. Bu sistemin başlıca alt komponentleri anatomik olarak devamlılık göstermez, fakat membranöz ve lumenal materyal transport vesiküllerle bir kompartmandan diğerine hareket edebilmektedir. Örn protein ve fosfolipidler kaba yüzlü endoplazmik retikulumda sentez edilirler ve düz yüzlü endoplazmik retikuluma ve golgi kompleksine ve sekretuar vesiküle taşınırlar. Nöron yapısındaki organeller Elektron mikrografıyla nöron sitoplazmasının farklı bölgeleri Daha sonra vesikül membran plazmalemma ile kaynaşır. Bu işlem eksositoz olarak adlandırılır. Tersine plazmalemmal membran endositik vesikül formunda hücreye alınır (endositoz). Membranla birleşen içeriğinde reseptör gibi spesifik proteinler ya vesiküllerle plazmalemmaya geri döner veya endozomlara ve oradan da olgun lizozomlarda degradasyona uğrarlar. Kaba yüzlü endoplazmik retikulumun özelleşmiş kısmı nükleer kılıfı oluşturmaktadır. Küresel şekilde yassılaşmış sisterna kromozomal DNA’yı histon, transkripsiyon faktörleri, polimerazlar ve izomeraz gibi proteinleri kuşatmaktadır. Nükleer zar nükleer porlarla kesintiye uğramaktadır, iç ve dış membranın birleştiği bu kısımlar hidrofilik kanal biçimindedir, protein ve RNA’nın sitoplazmaya ve nükleer sitoplazmaya geçişi sağlanır. Çok büyük moleküller nükleer porlardan geçemezler, ancak özel nükleer lokalizasyon sinyalleri olan proteinler (arjinin ve lizin gibi aminoasitlerden oluşmuşlardır) tarafından tanınırlar ki bu proteinler : nükleer import reseptörleri Nükleoporinler şeklinde isimlendirilirler. Hücre gövdesinin sitoplazması fonksiyonel farklılık olmadan dendritik ağaca uzanmaktadır Genelde hücre gövdesinin sitoplazması dendritlerde de mevcuttur, Fakat kaba yüzlü endoplazmik retikulum, golgi kompleksi ve lizozomlar hücre gövdesinden uzaklaştıkça azalma gösterir. Dendritlerdeki düz yüzlü endoplazmik retikulum spine şeklinde adlandırılan ince çıkıntıların kaidesinde göze çarpmaktadır. Eksitatuar sinapsların alıcı kısmıdır. Dendritik spine’da poliribozom konsantrasyonu protein sentezine hizmet ettiğini düşündürmektedir. Golgi ve endoplazmik retikulum membranları hücre gövdesinden dendritlere uzanmaktadır. Hücre iskeleti hücrenin biçimini belirler Hücre iskeleti hücrenin biçiminden ve organellerin sitoplazma içinde asimetrik dağılımından sorumludur. Hücre iskeleti; 1-Mikrotübül 2-Nörofilament 3-Mikrofilament Bu filamentler ve ilişkili proteinler hücredeki total proteinin yaklaşık dörtte birinden sorumludur. Mikrotübüller nöron sonuna kadar uzanan uzun yapı iskelesi biçimindedirler, hücrenin biçim ve gelişiminde anahtar role sahipler. Tek bir mikrotübül 0.1 mm uzunluğunda, Mikrotübülün uzunluğunca yerleşmiş çok sayıda alfa ve beta tubulin monomer çiftlerinin oluşturduğu protofilamentlerden oluşmuşlardır. Mikrotübüller pozitif ucundaki GTP-bağlı tubulin dimerlerinin eklenmesiyle büyürler, Polimerizasyondan kısa süre sonra GTP hidroliz olarak GDP oluşur. Mikrotübül büyümesi durduğunda, pozitif ucu GDP-bağlı tubulin monomeriyle kapatılır. GDP-bağlı tubulin polimer için düşük afiniteli olduğundan mikrotübülün diğer proteinlerle ilişkisini stabilize edemediğinden katastrofik, yıkıcı depolimerizasyona yolaçar. Mikrotübüller bölünen hücrelerde polimerizasyon ve depolimerizasyon açısından hızlı siklüse uğrarlar. tubulin polimerlerinin bütünlüğü ve yönlendirilmiş polimerizasyonu mikrotübülle-ilişkili proteinler (MAPs) aracılığı ile stabil hale getirilmektedir. MAPs dendritlerde vardır, fakat aksonlarda yoktur. Halbuki tau ve MAP3 aksonda bulunmaktadır. Alzheimer ve diğer bazı nörodejeneratif hastalıklarda, tau proteini modifiye olmuş ve karakteritik nörofibriler tangle şeklinde isimlendirilen anormal yapıda polimerize olmuştur. Tubulinler bir multigen ailesi tarafından kodlanmaktadır. En az 6 gen alfa ve beta altbirimlerini kodlar. Farklı gen ekspresyonları ve posttranskripsiyonel modifikasyonlarla beyinde 20’den fazla tubulin izoformları vardır. Nörofilamentler 10 nm çapında hücre iskeletinin kemikleridirler. Aksonun en çok bulunan fibriler bileşenidir, Ortalama bir aksonda mikrotübülden daha fazla 3 ila 10 kez daha fazla nörofilament bulunur. Saç, tırnak gibi sitokeratinli epitel hücreleriyle ilişkilidirler, Astrositlerde fibriler asidik protein, kasda ise desmin gibi sitokeratinli epitel hücreleriyle ilişkilidirler Nörofilamentler, mikrotübüllerin aksine stabil yapıda ve hücrede neredeyse tamamen polimerizedir. 3-7 nm çapındaki mikrofilamentler iskelet yapıda fiberlerin üç ana yapısı içinde en ince olanıdır. Kasın ince filamentleri gibi mikrofilamentler polimerize globular aktin monomerlerinin iki zincirinden oluşurlar. Herbiri ATP veya ADP taşıyan çift-zincirli heliks yapıdadır. Aktin hücrenin başlıca komponenti ve doğada en çok bulunan hayvansal proteindir. Aktinin α-aktin türü iskelet kasında bulunmakta, Nöral aktin omurgalılarda beta ve gama türlerine göre daha fazladır, Herbiri farklı bir gen tarafından kodlanır. Mikrotübül ve nörofilamentlerden farklı olarak aktin filamentleri kısadır. Aktin filamentleri, hücre periferinde konsantre halde plazmalemmanın hemen altında Kortikal plazmada, spektrin-fodrin,ankirin,talinve aktinin gibi birçok aktin-bağlayan proteinlerle bulunur. Bu matriks gelişme sırasında, hücre yüzeyinin mikro-domenlerinin oluşumunda, pre- ve postsinaptik morfolojilerde , hücrenin dinamik fonksiyonunda önemli rolü vardır. Mikrotübüller gibi mikrofilamentler de polimerizasyon ve depolimerizasyona uğrar Mikrotübül ve mikrofilamentler sinaptik bağlantı ve etkinliğinde başlıca faktör olduğu ve bu yüzden uzun-dönem hafıza ve öğrenmede önemli oldukları düşünülmektedir. Fibriler yapının atlası A.Mikrotübüller heliks yapısında 13 protofilamentten oluşmuş en geniş fibriler yapıya sahiptir. Herbir protofilament alfa ve beta altbirimlerden meydana gelmiştir. B.Nörofilamentler ince sarmal yapıda heterodimerik monomerlerden oluşmuş.İki protofilament bir protofibrilden oluşur, üç protofibril birbirleri etrafında dönerek nörofilamentin 10nm’lik formunu oluşturur. C.Mikrofilamentler polimerize olmuş iki globular zincirden oluşmuş en küçük çapa sahip fibrildir.6 farklı aktin memelilerde vardır, globular monomerler asimetrik oldukları için polardırlar. Nöron membran ve sekretuar proteinlerin dağılımı aksonal transport tarafından kontrolu Nöronlardaki sekretuar işlemler diğer hücrelerdekine benzemesine rağmen sinir hücresinin polaritesinden dolayı oldukça farklılıklar göstermektedir. Nöron gövdesinin sinir sonlarından çok uzakta olması nedeniyle yeni oluşan membran ve golgideki sekretuar protein özel taşıma sistemi gerektirmektedir. Örneğin bir motor nöronda insan ayak kasının inerve edilebilmesinde hücre gövdesiden sinir terminaline olan mesafe hücre gövde büyüklüğünü 10.000 kez aşmaktadır. Membran ve sekretuar ürünler hücre gövdesinden akson ucuna aktif olarak taşınmakta olup vesikül, partikül ve büyük makromoleküllerin uzun mesafeyi aşmasında pasif difüzyon oldukça yavaş kalır. Nöronda membran trafiği 1948’de ilk defa Paul Weiss tarafından siyatik siniri bağladığında sinirde bağlanan yerin proksimal yönünde zamanla aksoplazmanın biriktiğini gözlemledi Hücre gövdesinden terminale doğru aksoplazmanın hareketi aksoplazmik akış adını alır, Weiss akışın biri hızlı diğeri yavaş olmak üzere iki ayrı mekanizma tanımlamıştır. Membranöz organeller sıcak-kanlı hayvanlarda, bir günde 40mm’den hızla transport şekli olan hızlı aksonal transport ile hücre gövdesine doğru retrograde ve terminale doğru hareket anterograde yönelme adını alır. Buna zıt, sitozolik ve hücre iskelet proteinleri sadece yavaş aksonal transport olan daha yavaş transport ile taşınırlar. Aksonal transport Hızlı ileriye (forward moving) transport ile membranöz organellerin taşınması Büyük membranöz organeller hızlı transportla aksona doğru taşınmaktadırlar. Bu organeller Sinaptik vesikül prekürsörlerini içermektedir, Bunlar RNA’ları taşıyan protein partikülleri gibi düz yüzlü endoplazmik retikulum elementleri, mitokondri, büyük yoğunçekirdek vesikülleridir. Aksonlardaki hızlı ileriye doğru transport duran ve giden tarzda (saltatory) aksonun ana aksisi doğrultusunda mikrotübüllerin lineer hareketiyle sağlanır. Dorsal kök gangliyon hücrelerinde ilk yapılan deneyler anterograde hızlı transportun kritik olarak ATP’ye bağlı olduğunu göstermiştir (işaretli aminoasit injekte edildiğinde). Mikrotübül fikri belli alkaloidlerin mikrotübülleri harapladığı, mitozu blokladığı bulgusundan ortaya çıkmıştır ki, bu şekilde hızlı transport interfere olur. Motor molekülleri için ileriye doğru hareketi alfa ve beta subunitlerinden oluşan kinesinin sağladığı düşünülmektedir. Türler arasında farklılık gösteren kinesin mikrotübüller boyunca çok az mesafeye sahip hareket etmekte olan membranlı organeller arasında çapraz köprüler oluşturmaktadır. Yıllar önce elektron mikroskobu çalışmaları mikrotübül ve vesikül molekülleri arasındaki çapraz köprülerin partiküllerin hareketinde önemli rol oynadığını göstermiştir. Nöron dışındaki diğer hücrelerde bu hareket aktin ve dyneine bağlıdır. Yavaş aksonal transport Sitoplazma iskelet elementleri ve sitoplazmik çözülebilir proteinler aksona doğru yavaş aksoplazmik akışla gerçekleşir. Bu iskeleti oluşturan fibriller element proteinleri bu yolla taşınır. Yavaş transport sadece anterograd yönde gerçekleşir ve farklı hızda farklı proteinleri taşımak için en az iki kinetik komponent içermektedir. Daha yavaş olan komponentinin hareketi günde 0.2-2.5mm olarak gerçekleşir, iskeletin fibriler elemenlerinden oluşan proteinleri taşır. Bunlar nörofilamentlerin altbirimleri ve alfa ve beta-tubulin altbirimleridir. Nörofilament monomerleri veya kısa polimerler (protein köprüleriyle çapraz bağlandıkları için) mikrotübüllerle pasif olarak birlikte hareket eder. Yavaş aksonal transportun diğer komponentinde ise transport iki kez daha yavaş gerçekleşir. Diğer protein ve çeşitteki enzimler gibi Klatrin, aktin ve aktin-bağlayan proteinleri taşırlar. Hızlı geriye transport Parçalanacak, restore edilecek veya yeniden kullanılacak materyal hızlı transportla sinir uçlarından nöron hücresinin gövdesine doğru olmaktadır. Bu materyaller lizozom sisteminin parçası olan büyük membrana bağlı organeller içinden paketlenir. İleriye doğru transportta olduğu gibi hareket mikrotübüller boyunca olmaktadır. Hızlı geriye doğru transport için motor molekülü mikrotübülle ilişkili ATPaz (MAP1C) olan dyneindir. Hızlı geriye transport-2 Genellikle geriye doğru fonksiyonu daha çok çöp temizlemek için görünse de, sinir uçlarından nöron gövdesine doğru materyalin klinik önemi de bulunmaktadır. Nöronların büyümesini sağlayan sinir büyüme faktörü bu yolla olmaktadır. Geriye doğru transportun hücre gövdesini bilgilendirdiğine (makromoleküllerin sentezi) dair çok bilgi bulunmaktadır. Aksondan taşınan her şey hücre için faydalı değildir. Bazı nörotrofik virüsler ve toksinlerde bu yolla merkezi sinir sistemine ulaşır. Bu herpes simpleks, polio virus ve tetanus toksini için de ispatlanmıştır. Endoplazmik retikulumda protein sentezi Serbest ve membrana bağlı polizomlar mRNA’yı protein kodlanması için farklı yollara gönderirler. Nukleusda transkribe edilen mRNA nükleer porlardan geçerek sitoplazmada polizomları oluşturur. Sekretuar ve membran proteinleri kaba yüzlü endoplazmik retikulum membranına transportlanır. Proteinler diğer sekretuar hücrelerdeki gibi nöronlarda sentezlenmektedirler Sekretuar ve membran proteinleri endoplazmik retikulumda sentez edilmekte ve modifiye edilmektedirler. Sekretuar ve membran proteinlerinin mRNA’ları kaba yüzlü endoplazmik retikulum memranıyla bağlantılı olarak polipeptid zincirlerine çevrilirler. Protein sentez yeri ribozomlar olduğu için endoplazmik retikulumun sitozolik yüzeyine eklenmesi transferi mümkün kılar. Polipeptid zincirinin tamamının retikulum lümenine transferi sekretuar bir proteinin üretimini sağlar. Bunun önemli örneği nöroaktif peptidlerdir. Transfer tamamlanamaz ise integral membran proteini oluşumu ile sonuçlanır. Polipeptid zincir sentez sırasında membranı birçok kereler geçtiği için membranda-uzanmış konfigürasyonları proteinin primer aminoasit dizisine bağlıdır. Bunun önemli örnekleri ise nörotransmiter reseptör ve iyon kanallarıdır. Bazı proteinler transport edildiği endoplazmik retikulumda kalır, Diğerleri vakuoler apareylerin kompartmanlarına veya plazmalemmaya geçer veya ekstrasellüler aralığa sekrete edilir. Sitozol içinde redükleyici çevrede gerçekleşemeyen serbest sülfidril yan zincirlerinin oksidasyonunun neden olduğu molekül içi disülfid köprüsünün oluşumu önemli bir modifikasyondur. Disülfid köprüsü proteinlerin tersiyer yapılarının oluşumunda çok önemlidir. Proteinler sitozolik enzimlerle ya sentez sırasında (kotranslasyonel modifikasyon) veya daha sonra ( post-translasyonel modifikasyon) modifiye edilirler. N-açilasyonun bir örneği büyümekte olan polipeptid zincirine N-terminal ucuna bir açil grubunun transferidir. Sekretuar proteinler golgi kompleksinde modifiye edilmektedirler Proteinler endoplazmik retikulumdan transport vesikülleri içinde golgi kompleksine taşınır, Golgi kompleksinde modifiye edilip sinaptik terminallere ve plazmalemmanın diğer kısımlarına hareket ederler. Vesiküller Endoplazmik retikulumdan golgi kompleksinin cis kısmına (golginin nukleusa bakan yüzü) ulaşırlar, membranları golgi membranıyla birleşir ve içerikleri golgi kompleksine geçer. Buradan golginin bir seri enzimatik reaksiyona uğrayacakları trans tarafına geçerler. Protein modifikasyonlarının bazıları endoplazmik retikulumda başlar. Bu modifikasyonlar N-linked ve O-linked oligosakkaridlerin eklenmesi, glikozilasyon, fosforilasyon ve sülfatlanmadır. Hem çözünebilen hem de membrana-bağlı proteinler trans-golgiden farklı moleküler kompozisyonlara ve yollara hareket ederler. Trans-golgiden transport edilen proteinler sekretuar ürünler olup plazmalemmanın yeni sentezlenen bileşenleri (devamlı şekilde sekrete edildiklerinden constitutive devamlı sekresyondurlar), endozomlardır. Yüzey membran ve ekstarsellüler maddeler hücrede yeniden kazanılmaktadır Vesiküler trafik hücre yüzeyine doğru plazmalemmadan internal organellere doğru endositik trafik ile dengelenmektedir. Endositik trafiğin önemli bir fraksiyonu klatrinlekaplanmış vesiküllerle gerçekleştirilir. Klatrin kılıf seçici olarak transmembran reseptörlerle interaksiyon kurar, Bu şekilde ekstrasellüler moleküllerin hücreye alınması sağlanır. Klatrinle-düzenlenen hücre içine alım reseptörle-düzenlenen endositoz adını alır. Kutu 4-1 anormal protein bikimi birçok nörolojik bozuklukların özelliğidir Tau bir mikrotübül-bağlayıcı proteinidir ve normal şartlarda sinir hücresinde mevcuttur. Alzheimer hastalığında ekstrasellüler aralıkda olduğu gibi nöron ve gliada ışık mikroskobuyla görünebilen anormal tau agragatları bulunmaktadır. Fazla miktarda fosforillenmiş tau molekülü uzunca bir şekilde düzenlenmiş, ince polimerler biri diğerinin etrafında dönerek çiftleşmiş helikal formda filamentleri oluşturmuştur. Nörofibriler tangle şeklinde isimlendirilen polimer demetleri hücre gövdesi, dendrit ve aksonlarda birikmektedir. Kutu 4-1--2 Normal nöronlarda tau ya mikrotübüle bağlıdır veya sitozolde serbest halde bulunur. Tangıllarda, mikrotübüllere bağlanma yoktur fakat yüksek derecede çözünmez özelliktedir. Kısmen tangıl şekli vardır, çünkü tau proteolitik olarak degrade edilmez. Birikimler tubulin polimerizasyonunu bozar, bu şekilde aksonal transporta engel olmaktadır. Sonuçta nöron şekli korunamaz. Kutu 4-1--3 Birikimler hareket bozukluğu olan progresif supranükleer palsili hastaların nöronlarında, fronto-temporal demanslı hastaların frontal ve temporal lobları etkileyen bir grup nörodejeneratif bozuklukda görülmektedir. fronto-temporal demansların ailesel formlarında tau geninde mutasyonlara neden olmaktadır. Kutu 4-1--4 Anormal agregatlar glial hücrelerde de bulunur. Progresif supranükleer palsi, kortikobazogangliyonik dejenerasyon ve fronto-temporal demanslarda hem astrosit hem de oligodendrositlerde de anormal agregat yapısı görülmektedir. Kutu 4-1--5 Alzheimer hastalığında, β-amiloid peptidin ekstrasellüler aralıkda biriktiği görülür. Çok geniş integral membran proteini olan Amiloid prekürsör proteininin küçük bir proteolitik ürünü olarak normal şartlarda hücreiçi membranlarla ilişkili proteolitik enzimlerle işlem görmektedir. Kutu 4-1--6 β -sekretaz enzimini gerektiren proteolitik yolak β-amiloidi oluşturur. Bilinmeyen sebeplerle, Alzheimer hastalığında amiloid prekürsördeki anormal miktarları β sekretaz enzimiyle işlem görmektedir. Erken-başlangıçlı ailesel Alzheimer hastalığı olan bazı hastalarda ya amiloid prekürsör geninde ya da membran proteinleri presenilin 1 ve 2’yi kodlayan genlerde mutasyonlar meydana gelir. Parkinson hastalığında nöronun hücre gövdesinde α-synucleinin anormal agregatları birikir. Kutu 4-1--7 Tau gibi α-synuclein hücrenin normal çözünebilen bir bileşenidir. Fakat Parkinson hastalığında çözünmez hale gelir ve Lewy cisimcikleri şeklinde spherik çözünmeyen inklüzyonlar oluşturur. Bu inklüzyonlar ayrıca ubikitinde içermektedir. Ubikitin proteinlerin proteozomal yıkılımı için gereklidir. Kutu 4-1--8 Bu anormal protein birikimleri nöron ve glianın fizyolojisini etkiler mi Diğer taraftan bu birikimler proteinlerin değişikliğe uğramış posttranslasyonel işlenmesine cevap olarak meydana gelebilir ve anormal proteinleri izole etmekte görev yapıp normal hücre aktivitelerine izin verir. Kutu 4-1--9 Birikimler membran trafiği gibi aksonal ve dendritik transportu bozabilir. Alzheimer ve Parkinson hastalıklarında nöron içinde anormal protein agregatları Kutu 4-2 Aksonal transportta nöroanatomik izlemenin kullanılması Nöroanatomistler spesifik sinir hücre gövdelerinin akson ve terminallerini boya mikroinjeksiyonu ile lokalize ederler radyoaktif işaretli aminoasitlerin verilmesinden hemen sonra spesifik proteinleri otoradyografik olarak izlerler, fluoresan proteinlerin ekspresyonu, glukoz, amino şekerler, glikoprotein gibi işaretli şekerler veya spesifik transmiter maddeler verilerek izlenebilmektedirler. Kutu 4-2--2 Benzer şekilde proteinler, partiküller veya boyalar endositozla sinir terminalinden kendiliğinden alınır ve hücre gövdesine transport edilerek hücre gövdesinin tanınmasında kullanılır. Bu tip çalışmalarda Horse Radish Peroksidaz en yaygın kullanılan enzimdir. Çünkü bu enzim kendiğinden retrograde transporta uğrar ve oluşan reaksiyon ürünü histokimyasal olarak görüntülenir. Kutu 4-3 Miyelin proteininde meydana gelen hatalar sinir sinyallerini iletimini bozar Sinir impulsunun miyelinli aksonlarda normal iletisi olduğu için miyelin kılıfın hatalı miyelinin yalıtımsal özelliğinden dolayı motor ve sensör fonksiyonda ciddi bozulmalara neden olur. Miyelini etkileyen birçok hastalıkdaki demiyelinizan hastalıkların hayvan modellerinde genetik bir temeli olduğu gösterilmiştir. Ürperen (shiverer) mutant fare de titremeler ve sıklıkla kasılmalar olmakta ve genç dönemde kaybedilmektedir. Kutu 4-3--2 Bu farelerde santral sinir sisteminin akson miyelinizasyonu büyük ölçüde hasarlıdır ve miyelinizasyon anormal şekildedir. Bu hastalığa neden olan mutasyon farede 18. kromozomda yerleşmiş miyelin basic proteinini kodlayan genin 5 veya 6 ekzonunun delesyonudur. Kutu 4-3--3 Mutasyon resesifdir, her iki parentten defektif geni aldığında hastalık ortaya çıkmaktadır. Her iki defektif geni kalıtımla almış olan Shiverer faresi normal farede bulunan miyelin basic proteininin %10’ununu taşımaktadır. Shiverer mutantın fertilize olmuş yumurtasına mutantı kurtarmak amacıyla yabani tip genin injekte edildiğinde transgenik fare yabani tip geni eksprese eder fakat MBP’lerin normal miktarının ancak %20’sini üretebilir. Kutu 4-3--4 Transgenik fareler bazı zamanlarda titremeleri olmasına rağmen konvülsiyonları yoktur ve normal yaşam süresine sahiptirler. Santral ve periferik sinir sistemi miyelinleilişkili glikoproteini (MAG) taşımaktadırlar. MAG immünglobulin süperailesine ait bir glikoproteindir. Antijenlerin major hücre histokompatibilite kompleksi, T-hücre yüzey antijeni ve nöral hücre adezyon molekülü gibi hücre-hücre tanınmasında ilişkili olduğu düşünülmektedir. Kutu 4-3--5 MAG Shwann hücrelerinde miyelin üretimi sırasında erken eksprese edilir ve olgun (kompakt) miyelinin bir bileşeni olur. Erken ekspresyonda, subsellüler lokasyonu ve diğer yüzey tanıma proteinlerine yapısal benzerliği olması önemli bir adezyon molekülü olduğunu düşündürmektedir. Santral aksonlarda miyelinde proteinin yarısından çoğunu proteolipid proteini (PLP) oluşturur, membran boyunca uzanmış 5 domenden oluşmuştur. Kutu 4-3--6 Proteolipidler lipoproteinlerden farklıdırlar, suda çözünmezler, ancak organik çözücüde çözünürler. İnsanda PLP’deki birçok mutasyon Jimpy fare örneğindeki olduğu gibi diğer memelilerde de bilinmektedir. Bir örneği insanda X’e bağlı heterojen Pelizaeus-Merzbacher hastalığıdır. Kutu 4-3--7 Neredeyse tüm PLP mutasyonları molekülün membran boyunca uzanan domeninde meydana gelir. Mutant hayvanlar azalmış miktarda PLP yani hipomiyelinizasyon ve dejenerasyon, oligodendrosit ölümü görülür. Bu gözlemler PLP’nin miyelin kompaktlaşmasıyla ilgili olduğunu düşündürür. Kutu 4-3--8 Olgun periferal miyelinin başlıca proteinin miyelin protein zero (MPZ veya Po) Schwann hücrelerinin plazmalemmasında uzanır. MAG gibi basic hücreiçi domeni vardır ve immünglobulin süperailesinin bir üyesidir. Genetik olarak oluşturulmuş farede Po Fonksiyonu zayıf motor koordinasyonu, titreme ve bazen ortaya çıkan kasılmaları elimine etmektedir. Kutu 4-3--9 Trembler fare mutantlarındaki gözlemlerde periferal miyelin proteini 22 (PMP 22) nin tanınmasına yol açmıştır. PMP 22 mutasyonları 17.kromozomda gen duplikasyonuyla herediter periferal nöropatilerden biri olan Charcot-Marie-Tooth hastalığına yolaçar. Charcot-Marie-Tooth hastalığında periferal miyelin protein 22’nin artmış üretiminden dolayı miyelinizasyon bozulması Glial hücrelerin Nöral Fonksiyon üzerine çeşitli rolleri vardır Glia Aksonların yalıtım kılıfını şekillendirir Oligodendrosit ve Schwann hücrelerinin başlıca fonksiyonu; Elektrik sinyalinin akson boyunca hızlı bir şekilde iletimine olanak tanıyan yalıtımı sağlayıcı materyali sağlamaktır. Bu hücreler akson boyunca birçok kez konsentrik şekilde sarılarak ince miyelin kılıfı oluştururlar. Merkezi sinir sisteminin miyelini oligodendrositler tarafından yapılır Schwann hücrelerince yapılan periferik sinir sistemininkine benzer fakat identik değildirler. Glianın heriki tipi aksonun sadece segmentlerinde miyelin oluşturur. Aksiyon potansiyelinin ilerlemesini kolaylaştırmak için bu sebepten dolayı akson miyelinle devamlı şekilde sargılanmamıştır. Bir Schwann hücresi bir aksonun bir segmenti için tek miyelin kılıf oluşturmaktadır Halbuki bir oligodendrosit 30 akson kadar çok segment için miyelin kılıfı oluşturur. Santral ve periferik nöronlar için aksonları Miyelini yalıtımcı görevi yapar C.Bir periferal sinir lifinin bir Schwann hücresiyle birkaç evrede myelinlenmesi. Evre 1:Schwann hücresi aksonu çepeçevre kuşatır.Evre 2: plazma membranının dış yönü diğer bölgeyle sıkıca birleşir, bu birleşme myelin membran oluşumunun ilk oluşumunu gösterir. Evre 3:myelinin birkaç tabakası Schwann hücre sitoplazmasının akson çevresinde sürekli şekilde dönüşüyle oluşmaktadır. Evre 4: Schwann hücre sitoplazmasının çoğunun en içteki döngünün sıkışarak dışarı çıkmasıyla olgun myelin oluşur. A.merkezi sinir sistemindeki aksonlar oligodendrositler tarafından birkaç tabaka halinde sarmalanırlar. Herbir oligodendrosit birçok miyelini yaparlar. B.elektron mikrografında farenin siyatik sinirindeki bir aksondan çapraz kesitte iç mesakson olarak adlandırılan yapıda miyelin kılıfın orijini görülmektedir. Dış mesaksonda devamlılık gösteren Schwann hücresinde yüzey membranından kılıf oluşmaktadır. Schwann hücre sitoplazması hala çevrelemektedir, sonunda dışta sıkışır ve miyelin tabakalar kompakt hale gelir. Bir aksondaki miyelin tabaka sayısı akson çapına orantılı olarak daha geniş aksonlarda daha ince kılıf bulunmaktadır. Çapı çok daha küçük olan aksonlar miyelinli değildir, bu aksonlar çaplarınınn küçüklüğü ve miyelin yalıtımı olmadığından miyelinli olanlara göre aksiyon potansiyelini çok daha yavaş iletirler. Kılıfın lamellar yapı ve biyokimyasal kompozisyonu miyelinin nasıl glial plazma membranından oluştuğunun sonucudur. Periferik sinir sisteminin gelişiminde, miyelinizasyon olmadan önce akson Schwann hücreleri tarafından oluşturulan bir kanal, oluk içinde uzanmaktadır. Schwann hücreleri akson boyunca düzenli aralıklarla dizilerek miyelinlenmiş akson segmentlerini oluşturmaktadır. Herbir Schwann hücresinin dış membranı mesakson olarak isimlendirilen çift membran yapısı şeklini oluşturarak aksonu çepeçevre kuşatarak akson etrafında konsentrik tabakalar spiraller oluşturur ve devam eder. Akson kılıflandıkça Schwann hücre sitoplazması sıkıştırılır ve kompakt lamellar yapıyı meydana getirir. Miyelin kılıfın düzenli şekilde boşluklu segmentleri miyelinlenmemiş boşluklarla ayrılır, Ranvier düğümleri olarak isimlendirilerler, Aksonun plazma membranı yaklaşık 1µm aralıklarla ekstrasellüler aralığa maruz kalır. Bu düzenlenme sinir impulslarının iletimini insanda 100m/s’ ye kadar arttırır, Sinyal bir düğümden diğerine atladığı için bu mekanizma saltatuar ileti olarak adlandırılır. Akson myelin kılfının Ranvier düğümü olarak adlandırılan düzenli boşlukları vardır A. Elektron mikrografı periferik sinir sisteminde ve spinal korddan aksonların düğüm bölgelerini göstermektedir. Düğümlerde myelin katmanın olmadığı görülüyor. B. Ranvier düğümünün heriki tarafındaki bölgelerde akson ve miyelinleme yapan hücre arasında stabilleştirilmesi sağlamak için ilişkinin zengin olduğu görülüyor. Aksonda K+ ve Na+ kanallarının lokalizasyonunu kısıtlamak için düğümlerin yerinin değişmemesi de sağlanmış olur. Potasyuma geçirgen kanallar ve Caspr2 adezyon proteini jukstaparanod bölgede konsantre olmuştur. Paranod bölgesi Caspr2, contactin ve neurofascin gibi adezyon proteinlerince zengindir. Membran-hücre iskeleti bağlayıcı ankyrin G ve hücre adezyon molekülleri NrCAM ve NF186 düğümlerde konsantredir. Düğümler düşük eşik değerine sahip olduklarından kolaylıkla uyarılırlar. Düğümdeki akson membranında Na+ kanal yoğunluğu membranın miyelin kılıflı bölgelerine göre yaklaşık 50 kez daha büyük aksiyon potansiyeli oluşturur. Düğümler arası bölgelerdeki bazı hücre adezyon molekülleri miyelin sınırının stabil tutulmasını sağlar. İnsan femoral siniri primer sensör aksonu yaklaşık 0,5m uzunlukta ve düğümler arası mesafe 1-1,5mm, Böylece dorsal kök gangliyonun hücre gövdesi ve uyluk kası arasında bir afferent lif boyunca yaklaşık 300-500 Ranvier düğümü bulunmaktadır. Herbir düğümler arası segment tek Schwann hücresi tarafından oluşturulduğu için herbir periferik sensör aksonunda 500 Schwann hücresi kadar çok hücre miyelinizasyona katılmaktadır. Miyelinin bileşimi plazmalemmanınkine benzer şekilde yüksek konsantrasyonda kolesterol ve fosfolipid bulunduran %70 lipid ve %30 proteinden oluşan lipid çift tabakaya proteinlerin serpiştirilmesiyle oluşmuştur. Merkezi sinir sistem miyelininde başlıca iki protein bulunmaktadır: a) Miyelin basic protein b) Proteolipid protein Miyelin basic protein kompakt halde sitoplazmik yüzeyde yerleşmiş pozitif olarak yüklü küçük bir proteindir. Proteolipid protein ise hidrofobik integral membran proteinidir. Bu iki proteinin kılıfın yapısal stabilitesini sağlamakla görevli oldukları zannedilmektedir. Ayrıca multipl skleroz gibi demiyelinizan hastalıklarda immün sisteme karşı önemli otoantijenler oldukları gösterilmiştir. Guillian-Barre sendromu gibi demiyelinizan periferal nöropatide bu proteinlere karşı otoimmün reaksiyonlar meydana gelmektedir. Astrositler sinaptik sinyali desteklemektedir Astrositler beyinde bütün bölgelerde yıldız biçimli gliadırlar. Beyin hücrelerinin yaklaşık yarısını oluştururlar. Nöronları beslemede ve ekstrasellüler aralıktaki iyon ve nörotransmiterlerin konsantrasyonlarının düzenlenmesinde önemli rolleri vardır. Astrosit ve nöronlar sinaptik sinyalin modüle edilmesinde birbirleriyle ilişki içindedirler, fakat tam olarak hala anlaşılamamıştır. Astrosit prosesi sinapsla yakından ilişkilidir astrosit prosesi presinaptik ve postsinaptik elemanlarla yakından ilişki içindedir. presinaptik nörondan serbestlenen Glutamat sadece postsinaptik nörondaki reseptörleri aktive etmez ayrıca astrositlerde AMPA reseptörlerini de aktive eder. Astrositler yüksek afiniteli transportır proteinleriyle sinaptik boşluktan glutamatı uzaklaştırır. Astrositler beyinde nörotransmiter konsantrasyonunu da düzenlemektedirler. Örnek olarak, astrosit plazma membranında yerleşmiş yüksek-afiniteli transpoterlar sinaptik boşluktan nörotransmiter glutamatı hızlı bir şekilde temizlerler. Glutamat glial hücreye girdiğinde glutamin sentaz enzimiyle glutamine çevrilir. Glutamin daha sonra nöronlara transfer edilir, glutamatın ara prekürsörü olarak hizmet eder. Alınma mekanizmalarıyla karışma olduğunda ekstrasellüler glutamatın yüksek konsantrasyonlara çıkmasına neden olur, Bu durumda eksitotoksisite olarak adlandırılan bir olaya ve nöronun ölümüne yolaçar. Astrositler dopamin, norepinefrin, epinefrin ve serotonin de degrade edebilmektedir. Astrositler nöronlarınkine benzer şekilde nörotransmiter reseptörlere sahipler ve nöronlar tarafından serbestlenen K+ ile depolarize edildikleri için nöronlar aktive olduklarında duyarlı hale gelirler. Örneğin serebellumda Bergman glia glutamat reseptörlerini eksprese etmektedir. Böylece, serebellar sinapsta serbestlenen glutamat sadece postsinaptik nöronda serebellar sinapsı etkilemekle kalmaz ayrıca sinaps yakınındaki astrositleri de etkiler. Glial reseptörlere bu ligandların bağlanması serbest hücreiçi Ca+2 konsantrasyonunu arttırır; Bunun da önemli sonuçları vardır. Bir astrositin komşu astrositlerle gap junctionlar vasıtasıyla ilişkiye geçer ve böylece birçok hücre arasında küçük moleküllerin ve iyonların transferine olanak sağlanmış olur. Bir astrosit içinde sebest Ca+2 daki artış komşu astrositlerde Ca+2 konsantrasyonunu arttırmaktadır. Astrosit networku yoluyla Ca+2 iyonunun bu yayılımı yüzlerce mikrometreyi aşmaktadır. Olasıdır ki, bu Ca+2 dalgası nütrientlerin serbestlenmesini tetikleyerek nöronal aktiviteyi düzenler ve kan akımını regüle eder. Astrositlerde Ca+2 artışı sinaptik fonksiyonu arttıran sinyal sekresyonuna neden olur. Fakat bu sinyallerin spesifik moleküler komponentleri anlaşılamamış. Astrositler sinapsların gelişiminde de önemlidirler. Nöronun yüzeyini sinaps oluşumu için hazırlarlar, yeni oluşan sinapsları stabilize ederler. Örneğin, astrositler trombospondin adı verilen maddeleri sekrete ederek yeni sinaps oluşumunu teşvik ederler. Aksonal hasarla oluşan kromatolizis gibi patolojik durumlarda, astrositler ve presinaptik terminaller geçici olarak hasarlanmış postsinaptik hücre gövdelerini içlerine alırlar. Astrositler nöron ve oligodendrositlerin gelişim ve hayatta kalmasını teşvik eden nörotrofik ve gliotrofik faktörleri serbestlerler. Ayrıca diğer hücreleri oksidatif stresin etkilerinden korurlar. örneğin, astrositlerde glutatyon peroksidaz hipoksi, inflamasyon ve nöral dejenerasyon sırasında açığa çıkan toksik serbest oksijen radikallerini detoksifiye eder. Sonuç olarak, astrositler küçük arterioller ve kapillerle kılıflanır, bu şekilde beynin her tarafında astrosit proses sonları ve endotel hücreleri çevresindeki bazal lamina arasında temas oluşumunu sağlar. Koroid pleksus ve ependimal hücreler serebrospinal sıvıyı üretmektedir Ependima ve koroid pleksus hücreleri olgunlaşmamış nöroepitelden oluşmaktadırlar. Siliyer yapıda küboidal hücrelerin tek tabakası olan ependima beyin ventriküllerinde uzanmaktadır, ventriküler sistem boyunca serebrospinal sıvının hareketine yardımcı olur. Ependima lateral ve dördüncü ventriküllerin bazı bölgelerinde ventriküllere doğru çıkıntı yapan ince kan damarlarını örten koroid pleksus hücreleriyle devamlılık gösterir. Bu koroid pleksus epitel hücreleri kandan plazmayı filtre eder ve serebrospinal sıvı olarak bu ultrafiltratı sekrete eder. Beyindeki Mikroglia kemik iliğinden oluşmaktadır Nöron, astrosit ve oligodendrositlerden farklı olarak mikroglia nöroektodermel kökene ait değildir. Gelişmenin erken döneminde sinir sistemine girer, yaşam boyunca beyinde tüm bölgelerde kalır. Büyük ihtimalle santral sinir sisteminde dışarıdan yabancı istilacılara karşı immünolojik olarak hayatta kalmada harekete hazır şekilde önemli rolleri olmasına rağmen Fonksiyonları tam olarak anlaşılamamış. Santral sinir sistemindeki hücrelerin tümü içinde microglia inflamasyon sırasında lenfositlere antijen sunan ve işleyen sitokin, kemokin sekrete eden en iyi hücre tipidir. Böylece lenfosit, nötrofil ve monositleri santral sinir sistemine getirmede hizmet etmektedir, İnfeksiyon, strok ve immün-olarak düzenlenen demyelinizan hastalıklarda önemli immünolojik aktiviteleri bulunmaktadır. Mikroglia ayrıca makrofajlara dönüşmekte ve strokdan veya diğer dejeneratif nöronal bozukluklardan sonraki hücresel kalıntıları temizlemektedir. Nöronun kısımları Nöron gövdesi Dendritler Aksonlar Terminaller Membranlı organeller Mitokondri Peroksizom Endoplazmik retikulum Golgi cisimciği Lizozom Transport ve secretuar vezikül Nöron içi membran sistemi 1-Nukleustan plazma membranına kadar uzanan membran 2-Mitokondri 3-Peroksizom Bu üç membran sistemi nöronun farklı kompartmanlarında bulunmakta, farklı proteinlerlerden oluşmakta ve farklı görevler yapmaktadırlar. Protein sentezi aşamaları 1-amino asitlerin aktivasyonu 2-başlama (initiation) 3-uzama (elongation ) 4-sonlanma ve salınma (termination and release) 5- katlanma ve translasyon sonrası işlemler ( folding and posttranslational processing) 1-Hücre membran sistemiyle ilişkili olarak sentezlenen proteinler 2-Sitozolde sentezlenen proteinler ve orada kalanlar 2-Sitozolde sentezlenen fakat daha sonra nukleus, mitokondri ve peroksizoma katılan proteinler Sitozolik Proteinler Sitoplazmanın iskelet yapısını oluşturan fibriler elementler (nörofilamentler,tubulinler,aktinler) Birçok metabolik reaksiyonu katalizleyen enzimler. Bu enzimlerden bazıları nörona spesifiktir. (Spinal motor nöronlarında asetilkolini katalizleyen kolin asetiltransferaz) Sitozolik proteinlerin sentezi 1-mRNA sentezi 2-translasyon 3-Modifikasyonlar a) komodifikayon (N-asetilasyon) b) posttranslasyonal modifikasyon ( serin, tirozin, treonin fosforilasyonu; ubikitin) Sitozolik proteinler Golgi aygıtı ve endoplazmik retikulumla ilişkili olarak yapılan proteinlere göre daha az modifikasyona uğrarlar. Nöronun hücre gövdesinde sentezlenen proteinler dendrit ve aksonlara giderler.
