

Bölüm 5


Doç Dr. Lütfiye Kanıt
SYNTHESİS AND TRAFFICKING OF NEURONAL PROTEIN
19. Yüzyılın ortalarında Augustus Waller, medulla spinalisin çeşitli sinir ve köklerini kesip sonuçta hangi liflerin dejenere olduğunu incelemiştir. Waller, dejenerasyon şeklinden arka kök ganglion hücrelerinin somalarının, aksonlar için hayati olduğu sonucuna varmıştır.
Çekirdek ribozom hedef organallere
mRNA protein sentezi gönderilmesi
Proteinlerin çoğu hücre gövdesinde sentezlenir.
Ø Tüm hücreler aynı genetik bilgiyi taşırlar. Fakat sadece seçilmiş bir kısmı transkripsiyona uğrayıp mRNAları ve sonunda proteinleri oluşturur. Hangi genin ekspresse edileceğini sitozolde sentezlenip nükleer porlardan nükleusa giren transkripsiyon faktörleri belirler.
Ø Beynin yaklaşık 200 000 farklı mRNA serisi ekspresse ettiği düşünülür. (kc ve böbreklerin 10-20katı) Bu gen çeşitliliği hücrelerinin sayılarının fazlalığı ve farklı tipte hücrelerin bolluğundan olabilir. Fakat yinede nörobiyolojistler bir nöron başına düşen gen ekspresyonunun diğer hücrelerden fazla olduğuna inanırlar.
Ø Nöronlarda kromozomların kompakt yapılar halinde bulunmadıkları bu yüzden gen ekspresyonunun hızlı olduğu görülür.
Ø Nukleolus belirgindir (protein sentezinin yoğunluğunun göstergesidir).
Ø Çekirdek dışında genetik bilgi mitakondride bulunur. İnsan mitakondri genomunda
o Mitakondrial transfer RNAsı
o Ribosomal RNA
o Az sayıda mitakondria proteini için gerekli bilgi kodlanmıştır.


(Şekil 5,1)


Ø Protein sentezinin hemen tamamı (akson için gerekenlerde dahil) hücre gövdesi ve dendritlerde yapılır. Az sayıda seçilmiş protein sinir sonlanmalarında da sentezlenebilir.


Şekil 5,2.
A. ribosomal RNA işaretlenerek yapılmış otoradyografi
B. Elektronmikrograf.dendrite bulunan polizomlar seçici olarak post sinaptik alanın altında yerleşmiştir.
Ø Nöronda sitoplazmik proteinler iki anagrup altında toplanırlar
o Fibriler elementler (hücre iskeletini oluşturanlar)
o Hücrenin metabolik reaksiyonlarını katalize eden çok sayıda enzim.
Ø Çekirdekte yapılan mRNA porlardan sitoplazmaya geçer. Ribozomlarla tutunarak polisomları oluşturur.
Ø Translasyon mRNAnın 5 ucundan başlar ki burası proteinin N terminalini kodlayan bölümdür. N terminalindeki aminoasit sırası sıklıkla özel bir fonksiyona (sinyal peptidi) sahiptir. Bu bölge bir billet gibi proteinin gideceği yeri gösterir (ER, mitakondri,peroksizom gibi).
o Molekülün içindeki özel bir bölüm nükleer lokalizasyon sinyalidir (proteinin hedefi nukleoplasmaya geçmektir)
o Başka bir kısım proteinleri posttranslasyonal modifikasyonlara uygun hale getirir.
Ø Hücre membranına, vakuolar yapılara ait proteinler ile sekresyon proteinleri sentezlenirken N terminal sinyal peptidi nedeniyle ER tutunurlar ve protein sentezi ER içine doğru gerçekleşir.
Ø Tüm diğer proteinler serbest ribozomlarda sentezlenirler.
Ø Proteinlerin özel fonksiyonunu tanımlayan sadece primer aminoasit sırası değil, protein zincirinin katlanması ile oluşan sekonder ve tersiyer yapılarıdır. Bu yapılar kendiliğinden oluşmayabilir.
Ø Pekçok protein için doğru katlanma, yeni sentezlenen polipeptidlerin dış bölgesine yapısal olmayan bir biçimde bağlanan proteinler olan CHAPERONES (şaperonlar) ile sağlanır. Sık görülen iki şaperon hsp60 ve hsp70dir.


Şekil 5.3


Şekil 5.4


Ø Proteinlerde ya sentez sırasında (kotranslasyonal) yada sonrasında (posttranslasyonal) sitozolik enzimler aracılığı ile bazı modifikasyonlar oluşabilir.
Ø Sıradan bir kotranslasyonal modifikasyon N açilasyondur. Büyüyen polipeptid zincirinin N terminaline bir açil grubunun transferidir. Hücre proteinlerinin yaklaşık %80i açillenmiştir.
o 14 karbonlu doymuş bir yağ asidi olan miristoil grubu ile açilasyon fonksiyonel olarak önemlidir. Çünkü protein modifikasyonu lipit zincirler boyunca membranla ilişkilidir.
o N ucu miristollenmiş zincirlerde başlangıçtaki metionin uzaklaştırılır.böylece ikinci amino asit N termineline gelir.
Ø 16 karbonlu doymamış yağ asidi olan palmitik asit proteinlerin içindeki sistin rezidülerinde bulunan sülfidril gruplarını konjuge edebilir.
Ø Tioaçilasyon da membranın sitozolik yaprağına proteini tutturur. Bu modifikasyon
o GAD (GABA sentezleyen enzim)
o TSNARE SNAP 25 (veziküllerin membrana füzyonunun protein)
o GAP43 (hem aktini hemde kalmudulini bağlayabilen akson büyümesi ile ilişkili bir protein)
o Trimerik G proteinlerin bazı a alt ünitelerinde oluşur.
Ø İsoprenilasyon proteinleri membranın sitozolik tarafında tutturan diğer bir posttranslasyonal modifikasyondur.
Ø Bazı posttranslasyonal modifikasyonlar geri dönüşümlüdür. Böylece fonksiyonu düzenlemekte kullanılır. Ser., Thr., Tir. rezidülerindeki hidroksil gruplarının protein kinazlarla fosforilasyonudur. Protein fosfatazlar defosforilasyonu katalizlerler. En alışılmış mekanizmalardır: iyon kanallarının kinetik düzenlenmesi, transkripsiyon faktörlerinin ve enzimlerin aktivitesi, hücre iskeletinin toplanması gibi.
Ø Diğer bir posttranslasyonal modifikasyon ubiquitin eklenmesidir. 76 amino asitli proteinlerde lizin rezidülerinin e- amino grubuna ubiqutin eklenmesidir.
Ø Ubiqulasyon ile pekçok protein molekülü birbirlerine bağlanabilirler. Bu mekanizma sitozolik proteinlerin seçici proteolizinde önemlidir.


Şekil 5,5


Bazı proteinler sitozolde sentezlenir ve aktif bir biçimde nükleus, mitakondri ve peroksizomların içine alınırlar.
Ø Nükleer porlar 10 nmnin altındaki moleküllerin geçişine izin verirler. DNA transkripsiyonu için gerekli proteinlerin çoğu (DNA polimeraz, RNA polimeraz ve kesici enzimler) bu ölçüden büyüktür. Nükleusa geçmeleri hem nükler bir sinyal hemde enerji gerektirir.
Ø Mitakondri yada peroksizoma geçecek proteinlerin fosfolipit bariyeri geçmeye ihtiyaçları vardır.
Ø Mitakondrial import sinyali N terminalinde 20-80 aalik amfipatik bir helixten oluşur. Pozitif şarjlı (hidrofilik) rezidüler bir yüzde ve nonpolar (hidrofobik) rezidüler diğer yüzde yer alır.
Ø Proteinlerin mitakondriye girişi iç ve dış membranların birbirlerine deydiği özel bölgelerden oluşur ve bu yüzden proteinler direkt olarak mitakondrial matrikse geçerler. Bu geçiş ve mitakondri içinde katlanma şaperonlar ve enerji kullanımı gerektirir.
Sekresyon proteinleri, plasma membranı ve vakuolar aygıtların proteinleri endoplazmik retikulumda sentezlenir ve düzenlenir.
Ø Translasyonu başlamış proteinin N terminalindeki sinyal kısmı ribozomlarla endoplazmik retikulumun tutunmasını sağlar. Bu tutunmaya sinyal tanıma partikülü adı verilen makromolekül aracılık eder. Bundan sonraki bölüm ER içine doğru transfer edilir (enerji kullanılarak).
Ø Hidrofobik tarnsfer durdurucu (şarjsız aalerden oluşan hidrofobiki 20 aalik kısım) bölüm yoksa protein ER matrikse serbestlenir, varsa integral protein oluşur.
Ø ER içinde proteinler yoğun modifikasyona uğrarlar. Önemli bir modifikasyon intramoleküler disülfit bağlarının oluşumudur.
Ø Bir diğer önemli modifikasyon asparajin rezidülerinin aminogruplarında oluşan glikozilasyondur ve kompleks polisakkarit zincirinin en bloc eklenmesi ile sonuçlanır.
o Oluşan bu kompleks zincir şaperonlarla (klneksin ve kalretikulin) kesilip düzenlenir ve hücrelerin birbirlerini tanıma gibi fonksiyonlarına aracılık ederler.
Ø ER membrana tutunmuş proteinlerin bazıları bir glikolipit ile konjuge olabilir ve bu lipit bölüm membrana tutunmayı sağlar. Bu modifikasyon için C terminalinde 20-30 aalik bir kısmın tanınması gerekir. Bu tanınma bölesi kesilip temizlenerek yeni C terminali oluşturulur. (örn: NCAM asetilkolin esteraz)
Sekresyon proteinleri golgi kompleksinde daha ileri işlemlendikten sonra salınır.
Ø ERde sentezlenen proteinler bir vezikül ile golgiye ulaştırılırlar.
Ø Transport vezikülünün oluşumunu protein bir örtü kolaylaştırır. Bu örtünün 2 fonksiyonu vardır:
Ø Klatrin (hücre zarı ve golgi), COPI ve COP II (ER-golgi arası) adlı örtüler vardır.
Ø vSNARE ve tSNARE gibi proteinler vezikülün doğru membrana tutunmasını sağlarlar.
Ø ERden gelen vezikül golginin cis bölgesine içeriğini boşaltır. İçerik golginin trans bölgesine doğru hareket eder. Her sisterna bir enzimatik reaksiyon için özelleşmiştir. Bu modifikasyonlar:
o N-bağlı oligosakkaridlerin eklenmesi
o Glikozilasyon
o Fosforilasyon
o Sülfasyon
Ø Bu değişiklikler: proteinin hidrofilikliğini arttırmayı, yıkımlarını geciktirmeyi ve makromoleküler eşlikçilere bağlanma yeteneklerini arttırmayı amaçlar. Ayrıca proteinlerin küçültülmeleride sağlanır.
Ø Olgunlaşan proteinler golgiyi trans bölgesinden terk ederler.
Ø Hücre içindeki veziküller farklı şekillerde salgılanırlar.
o Yapısal salgılama (membran proteinleri devamlı salınır, aksonlar ve dendritler için farklı tipte veziküller bulunur)
o Düzenlenmiş salgılanma ekstrasellüler bir uyaranla gerçekleşir. (büyük yoğun çekirdekli veziküller-pepetid hormonlar)
Membran yüzeyi ve ekstrasellüler maddeler hücre içine endositozla alınır.
Nöronda endositoz ve ekzositoz dengelenmelidir.
Endositoz, plazma membranı uygun durumda tutmayı sağlar, yüzey moleküllerinin aktivitesini düzenler yaşlanmış membran proteinlerinin yıkıma gitmesini sağlar ve sinaptik veziküllerin geri dönüşümü (klatrin ve dinamin) için gereklidir.
Kaplı vezikül®vezikül ®lizozomal vakuollerle birleşme® erken endozom
Kapsız vezikül ® erken endozom ® geç endozom
Aksonal transportla hücre gövdesine dönerler ve lizozomla birleşirler.
Ø Nöronlarda diğer sekresyon hücrelerine benzer. Salgılar akson terminalinden serbestlenir. Bu alan hücre gövdesinden uzaktır. Bacağa giden bir motor nöronda terminalin somaya uzaklığı çapının 10 000 katıdır.


Şekil 5,7


Ø 1948de Paul Weiss siyatik siniri bağladı ve gözledi. Sinir lifinde aksoplazmanın bağın proksimalinde toplandığını gördü. Aksoplazmanın yavaşça hücre gövdesinden terminale doğru hareket ettiği sonucuna vardı ve bu sürece akzoplazmik akım adını verdi.
Ø Membranlı organellersinir terminaline doğru (anterograt) ve geriye hücre gövdesine doğru (retrograt) hızlı aksonal transportla (400 mm/ gün) hareket ederler. Hücre iskeleti ve sitozolik proteinler daha yavaş ve sadece anterograt yönde hareket ederler.
Kutu1 Aksonal transportun nöroanatomik olarak izlenmesi
Önceleri aksonlar kesilip dejenerasyonlar izlenerek aksonlar ve hücre gövdleri haritalanırdı. Son 20 yılda çeşitli işaretleyiciler ile nöral projeksiyonların gösterilmesi nöroanaotomide devrim yaratmıştır.
Aksonal transport işaretli materyali nöron boyunca dağıtabilir. Floroanlı yada radyoaktif boyalarla yapılan mikro enjeksiyonlarla hücre gövdeleri, aksonlar ve terminaller gösterilebilir.
Bilinen bir terminalin hücre gövdesini bulmak için sıklıkla HRP kullanılır. Boya terminalin bulunduğu alana konulur, endositoz ve aksonal transportla hücre gövdesine taşınır.


Şekil 5,8


Aksonal transport nöronlar arasında değiştirilebilen maddelerin işaretlenmesinde de kullanılabilir, bu da nöronal net workleri tanımlamayı mümkün kılar. (şekil 5,9) Herpes simplex virüsü kullanarak maymunda kortikal yolların izlenmesi.Motor korteks enfekte edilir. Virüs anterograt iletilerek (A) pontin nükleuslara oradanda (B ) serebellar kortekse ulaşır.


Şekil 5,9


Hızlı aksonal transport membranlı organelleri taşır.
Yapısal salgı yolu, sinaptik vezikül prekürsörleri, geniş yoğun-çekirdekli veziküller, mitakondria ve düz ER hızlı aksonal transportla taşınır.
Video mikroskobi tekniklerinin gelişmesi ile bu sürecin görselleştirilmesi mümkün olabilmiştir. Saltator bir şekilde aktif transport edildikleri görülmüştür.
Erken deneylerde arka kök ganglionlarına radyoaktif işaretli aa enjeksiyonu yapılıp işaretli proteinlerin gösterilmesi şeklinde yapılmıştır.


Şekil 5,10


Ø Anterograt transport ATPye bağımlıdır,protein sentez inhibitörlerinden etkilenmez, hareketten mikrotübüller sorumludur(kolşisin ve vinblastin transportu bozar).
Ø Mikrotübül ile organeller arasında çapraz köprüler vardır. Bu çapraz köprüler kinezin ve kinezin ile ilişkili proteinlerin çeşitleridir.
Ø Kinezin, 2 hafif (C terminali organale tuttunur) 2 ağır zincirden (globüler başlar ATPase) oluşur. Mikrotübüle tutununca motor görevi görür ve organeli mikrotübül boyunca yürütür.
Ø Retrograt hızlı transportla lziozama ulaştırılacak endozomlar (bunlar aynı zaman da hücre gövdesi için sinyal özelliğidedirler) taşınır.
Ø Hızlı transportta motor molekül MAP-1Cadlı mikrotübül bağlantılı ATPasedır. Yapısal olarak dyneine benzer. Hareket özellikleri kinezine benzer.


Şekil 5,11


Yavaş aksonal transport, sitozolik proteinleri ve hücre iskeletinin öğelerini taşır.
Ø Sadece anterograt yönde taşıma olur.
Ø Farklı maddelerin farklı hızlarda taşındığı en az iki komponenti vardır.
o Yavaş komponent 02-2,5 mm/gün hızda hücre iskeletinin fibriler elemanları taşınır. (%75)
o Hızlı komponent en az 2 kat daha hızlıdır. Klatrin, aktin, aktin bağlayan protein, çeşitli sitozolik enzimler gibi kompleks proteinler bu şekilde taşınırlar.


Şekil 5,12


Genel bir bakış
Nöronal proteinlerin çoğu hücre gövdesinde yapılırlar. Proteinlerin fonksiyonlarında katlanma özellikleride önemlidir. Şaperonlar uygun katlanma oluşmasına yardımcı olurlar. Son şekilleri, sıklıkla proteinin hem fonksiyonunu hemde dağılımını etkileyen geçici yada kalıcı posttranslasyonel modifikasyonla değiştirlir.
Hücre iskeleti ve sitozolik proteinler serbest ribozomlarda yapılır ve kasonal transportla yada diffüzyonla yerlerine taşınırlar. Nükleer proteinler, peroksizomlar, diğer vakuoler organel proteinlerinin bazılarıda sitozelde yapılır ve yapılarında bulunan bir sinyalş peptidi ile hedeflerine ulaşırlar.
Çoğu sekresyon proteinleri, membran proteinleri ve vakuoler organel proteinleri ERda yapılırlar. Sentez ER içine doğru gerçekleşir. Yerlerine ulaşmaları veziküler trafikle oluşur.
Hücre zarından veziküler trafik yıkılacak yada yeniden kullanılacak bölümleri taşır.Hücre içi membranlar arasında veziküler transportsa büyük özgünlüğe sahiptir.Veziküler tarfiğin dengesi çok iyi ayarlanmıştır. Membranlar her zaman en uygun durumlarında tutulurlar.
Çeşitli moleküler motorlar hücre içi taşımada önemli rol oynarlar.