南通大学神经生物课件-神经化学与神经药理学基础

null神经生物学神经生物学第　5　章 　（一）第　5　章 神经化学与神经药理学基础 第　5　章 神经化学与神经药理学基础 共同基础： 　　突触和受体 　　药物作用的胞内信息传递 　　神经递质和调质的作用 　　 -------5.1 突触结构与传递 5.1 突触结构与传递 5.1.1 概述突触：一个神经元与另一个神经元、肌细胞、腺细胞以及其他效应器细胞或感受器细胞等紧密接触并形成特殊结构的功能接触部位。 null“沉默”突触 null分类 null电突触和化学突触的结构及传递机制比较 结构、机制、功能等null5.1.2 电突触1. 缝隙连接（gap junction） 细胞间惟一能直接进行信息和物质交换的通道。 由相邻细胞膜上的两个连接子（connexon）相互锚定而成。 六个连接蛋白（connexin）排列成六角形，中央有一直径约1.5 nm的孔形成了连接两细胞的亲水性孔道。 nullnull 在体内有较广泛的分布，发育期超过发育成熟后 神经系统中主要存在于胶质细胞之间 分子量低于1 KD或直径小于1.5 nm的物质可通过缝隙连接功能意义：提供细胞间物质、信息直接交流的通道null2. 电突触的作用 功能意义：使神经元形成同步化活动 低等动物防御反应 对脑发育和成熟 胶质细胞互换信息null5.1.3 化学突触1. 化学突触的解剖结构 ① 突触前膜 7.5 nm，递质、受体 ② 突触间隙 20～30 nm，粘多糖、糖蛋白、水解酶 ③ 突触后膜 受体、离子通道　　以轴突末梢释放特殊的化学物质来完成突触传递的方式null2. 突触前膜（presynaptic membrane） 信号整合区特征：大量突触囊泡null突触囊泡类型 具有均匀透明中心的小囊泡（SSV, 直径＜60 nm） 具有致密中心的小囊泡（直径40～60 nm） 具有致密中心的大囊泡（直径120～200 nm） 快速作用递质 圆型：兴奋 扁圆：抑制儿茶酚胺儿茶酚胺或肽类null3. 突触间隙 (synaptic cleft) 约 20 nm 含电子致密物质null4. 突触后膜（postsynaptic membrane） 　　含多种特异的蛋白质，主要是受体蛋白、通道蛋白，还有一些能分解神经递质使之失活的酶类。 特征：颗粒和细丝null5.1.4 突触传递synaptic transmission ①突触前神经元：电信号－→化学信号 ②突触间隙：化学物质－→突触后神经元 ③突触后神经元：化学信号－→电信号null过程①Ca2+内流进入突触前膜 ②囊泡释放递质到突触间隙 ③递质作用于突触后膜受体，打开钠通道 ④递质激活突触后膜G蛋白偶联受体 ⑤⑥⑦递质作用于突触前膜受体或被突触前膜重摄入 ⑧递质被胶质细胞摄入 ⑨突触囊泡的形成 ⑩其它囊泡释放 1. 化学突触的传递过程和特点null特点 (1)单向传递 (2)突触延搁（0.5 ms） (3)总和 (4)对内环境变化的敏感性 (5)对某些药物敏感 null2. 突触前膜去极化和Ca2＋的内流 null3. 突触前递质释放以胞吐（exocytosis）的形式释放神经递质 以胞吞（endocytosis）的方式进行再生 Endocytosis and exocytosis null 　神经递质在突触前细胞发生冲动（动作电位）时，钙离子通道负责将去极化转化成神经递质的释放。 兴奋-分泌耦合（excitation-secretion coupling）null4. 量子释放与胞吐作用量子释放（quantal release） 胞吐（exocytosis） ①去极化 ②Ca2＋内流 ③泊靠 ④融合、卸货 ⑤胞饮、再填充 量子释放的基础：一个囊泡，“最小包装”可释放的囊泡库 囊泡贮存库nullnullnull5. 参与胞吐作用的相关蛋白（1）突触囊泡膜蛋白（2）突触前膜蛋白质（3）胞液中的蛋白质突触蛋白、突触小泡蛋白、突触结合蛋白、囊泡整合蛋白家族等突触融合蛋白、突触小体相关蛋白-25、生长相关蛋白-43等n-SecⅠ、 N 乙基马来酰亚胺敏感因子、可溶性NSF附着蛋白GAP-43 (green)Synapsinnull6. 神经递质突触前释放的调制 4种调制靶点 改变启闭钙通道 改变钙通道门控 改变K+或Na+内流 作用于Ca2+内流的下游机制 null7. 慢传递与快传递 null5.1.5 突触整合（synaptic integration） A typical mammalian neuron in the cortex may be in synaptic contact with 100-1000 other neurons 突触整合: 神经元将各种传入冲动引起的突触后反应进行空间和时间的总和，最终决定是否输出动作电位的过程。null突触整合（synaptic integration）： 不是突触电位简单的代数和 是突触处被激活的电导和离子流的对抗作用 受突触电位在神经元树突分支上几何位置的影响 是脑最基本功能活动的本质 null1.突触整合的简单形式 2. 突触整合的关键部位轴突始段（axon initial segment） 即动作电位的触发区 轴突始段null5.1.6 突触可塑性 （synaptic plasticity）突触可塑性 指化学性突触传递效能的改变 ，包括突触传递增强和突触传递减弱两方面，现为突触后膜上电反应的增强或减弱。Typical LTP graph, obtained from the CA1 region of the hippocampus 根据电反应持续时间： 短时程突触可塑性 长时程突触可塑性nullnull1. 短时程突触可塑性 突触前神经末梢受到一连串有效电刺激后，在短时间内（数十毫秒到数十分钟）突触前或突触后反应的增强或减弱。 null2. 长时程突触可塑性 　　可以持续数小时乃至数周的突触活动的增强与抑制现象，分别被称为LTP和LTD 。LTP(long term potentiation)：突触前末梢受到强直刺激后，突触后神经元出现的一种突触后电位持续性增强的现象。null long-term synaptic potentiationnull海马 锥体细胞颗粒细胞三种突触联系： ①进入海马的穿通纤维与颗粒细胞的树突之间； ②颗粒细胞的轴突与CA3区锥体细胞的树突之间； ③CA3区锥体细胞的轴突与CA1区的树突之间。 nullLTD（long term depression ） 突触传递效应持续性下降的一种现象，小脑皮层是产生LTD的重要部位之一。 Sti: PF Rec: PC----EPSP Sti: PF and CF (1～4Hz) + PFRec: PC---EPSP ↓ ↓5.2 神经系统信号转导5.2 神经系统信号转导细胞信号转导（signal transduction） 　　外界环境刺激因子或胞间通讯分子等作用于细胞表面或细胞内受体，经过一系列生物化学的瀑布式级联反应，引起细胞生理反应和诱导基因表达的过程。 神经元信号转导 　　指神经递质、神经调质、激素、神经营养因子或细胞因子等细胞间信号转化为细胞内生物化学信号并产生后续神经细胞功能改变的过程。 null神经系统的基本功能就是信号传导或信息传递，包括细胞之间的细胞外信息传递和由细胞的某一部分传至另一部分的细胞内信号传导。null5.2.1 神经系统信号转导方式①直接激活离子通道受体 ②激活G蛋白偶联受体 ③激活酪氨酸激酶 ④作用于神经元胞质或核内受体 中枢神经系统的信号转导方式 null1. 直接激活的离子通道受体 　是介导靶神经元兴奋性变化最简单的方式 　是配体门控离子通道作用的共同机制 null特征 　　对离子通道特性的调制依赖于递质和受体的持续结合，介导突触传递的快速启动和快速恢复null表5-1　神经递质门控离子通道 null2. G蛋白偶联的受体/离子通道系统通过G蛋白的偶联可以直接作用于离子通道，也可以通过激活细胞内的酶而产生第二信使，通过这些可扩散的第二信使再影响离子通道。nullnullnull所有G蛋白都是膜蛋白，它们在结构上的共同特点是由一个α ，一个β和一个γ亚单位组成的异三聚体，其中α亚单位变化较大，不同G蛋白的结构上的差别主要表现在α亚单位上，α亚单位的多样化是实现G蛋白对多种功能进行调节的基础。β、γ亚单位通常组成紧密的二聚体，共同发挥作用。null表5-2　某些与G蛋白偶联的神经递质和神经肽 null3. 激活酪氨酸激酶 大多数神经营养因子和细胞因子采用直接激活酪氨酸激酶的信号转导方式 酪氨酸激酶活化可触发后续的一系列蛋白磷酸化 null酪氨酸激酶 null4. 作用于核内受体 亲脂性细胞外信号可直接穿过细胞膜作用于神经元胞质或核内受体 与DNA上相应基因调控区上的特定区域结合，发挥转录因子的功能 null5.2.2 受 体 识别与结合 信号转导 产生效应三个相关联的功能：受体（receptor）: 存在于细胞膜或细胞内的生物大分子（糖蛋白或脂蛋白），能够特异性地识别和结合有生物活性的化学信号物质，启动一系列信号转导，产生相应的生物效应。 null1. 受体学说的发展简况 最早是1878年由Langley提出 1913年，Ehrlich提出了“钥匙和锁”的互补关系 1933年Clark定量地阐明了药物与受体的相互作用 1950~1960年间Ariens和Stephenson等提出了备用受体学说和速率学说 70年代以后阐明了受体亚型、离子通道等的分布和功能 受体学说作为药效学的基本理论之一，从分子水平解释了生命的生理和病理过程、药物的药理作用机制、药物分子的结构效应关系。 null2. 受体的基本特征 1）饱和性 2）特异性 3）可逆性 4）亲和性 5）区域分布性 An electron micrograph shows acetylcholine receptors in a postsynaptic membrane. null3. 受体的分类、命名及分子结构 null1）环状受体, 配体门控离子通道（ligand-gated ion channel） 特征 ①由4～5个跨膜亚单位聚集，构成中央水相孔洞 ②每个亚单位一般具有2～4个由疏水氨基酸组成的跨膜α螺旋区段 ③每个亚单位都有一个较大的细胞外N端，上面有特异性配体结合的部位。 环状受体示意 nullnull2）七次跨膜α螺旋受体, 2）七次跨膜α螺旋受体 G蛋白偶联受体（G protein coupled receptor） 蛇型受体（serpentine receptor） 七次跨膜α螺旋受体结构 ①一条肽链，7次跨膜；N端在膜外，糖修饰, 亲水性氨基酸组成 ②跨膜部分为螺旋结构，疏水 ③ C端在胞内，为与效应器偶联的部位或本身的效应部位特征G蛋白: 能结合并水解三磷酸鸟苷，且其功能也受GTP-GDP转化的调节G蛋白: 能结合并水解三磷酸鸟苷，且其功能也受GTP-GDP转化的调节受体和各种效应器（酶、通道）之间的通过G蛋白偶联配体→受体→G蛋白→酶→第二信使→蛋白激酶→酶或功能蛋白→生物学效应 null3）一次跨膜螺旋受体一次跨膜螺旋受体结构 null 全部为糖蛋白且只有一个跨膜螺旋结构 配体与受体结合后改变酶的活性 催化型受体跨膜区由22～26个氨基酸残基构成一个α螺旋 由4部分组成： 识别部位、跨膜结构 催化部位、调节部位特征N端C端null细胞内受体多为反式作用因子（trans-acting factor） 特征 通常为400～1000个氨基酸残基 四个区域： 高度可变区，含25～603个氨基酸残基，具转录激活作用 DNA结合区，有66～68个氨基酸残基，富含半胱氨酸并有锌指结构 激素结合区，由220～250个氨基酸残基 铰链区，短序列null4. 受体活性调节 受体下调：数目减少和/或结合力降低与失敏 受体上调：数目增多和/或对配体的结合力增加 常见机制 磷酸化和脱磷酸化作用 G蛋白的调节 酶促水解作用 G蛋白: 能结合并水解三磷酸鸟苷，且其功能也受GTP-GDP转化的调节5.2.3 G蛋白与跨膜信号转导G蛋白: 能结合并水解三磷酸鸟苷，且其功能也受GTP-GDP转化的调节null1. G蛋白的特点及分类特点 都是膜蛋白（不跨膜） 都由三个不同的亚单位组成， βγ亚单位通常组成紧密的二聚体，共同发挥作用。 亚: 39—46kDa，有特异的GTP结合位点，有GTP酶活性，不同G蛋白的结构上的差别主要表现在亚单位。分类根据亚基的不同，有Gs、Gi、Gt、Go、Golf、Ggust、Gz、Gq和G11～16等 null表5-3 几种常见的G蛋白家族 null2. G蛋白的作用机制受体调节和G蛋白的调节null（1）当外环境中不存在受体的激动剂时，G蛋白的三个亚单位呈聚合状态，α亚单位与GDP结合,形成G蛋白－GDP复合体。（2）当外环境中存在受体的激动剂时，受体与之结合，同时释放GDP,形成配体－受体－G蛋白复合体。（3）在镁离子存在的条件下，GDP为GTP所取代，使整个复合体解离为三部分;即受体， βγ复合体及被激活的α亚单位与GTP复合体。激活的α亚单位与GTP复合体可激活效应器，例如腺苷酸环化酶。由于激活的α亚单位本身具有GTP酶活性，因而GTP被水解为GDP,后者再和βγ亚单位形成G蛋白三聚体，完成G蛋白的循环。G蛋白偶联的受体/离子通道系统的作用机制nullnullnullnull3. G蛋白在中枢神经系统的作用 启动慢，持续时间长null5.2.4 第二信使介导的信号转导途径 大多数神经递质、调质和激素均通过G蛋白偶联受体的第二信使系统传递信息，在神经系统中发挥作用。 null1. 腺苷酸环化酶/cAMP-依赖性蛋白激酶系统 cAMP在神经系统中比较肯定的功能之一是介导儿茶酚胺类神经递质的作用。 质膜中的三种组分：受体，G蛋白, AC 胞外信号通过控制AC来控制cAMP浓度null腺苷酸环化酶/cAMP-依赖性蛋白激酶系统null腺苷酸环化酶null升高抑制null激活cAMP依赖的蛋白激酶AnullnullcAMP浓度的调节null级联反应和放大效应null神经递质通过G蛋白偶联受体介导的AC-cAMP-PKA信号转导途径 肾上腺素（型）、促肾上腺皮质激素等刺激AC, 激活cAMP 阿片肽、肾上腺素（α型）等抑制AC,降低cAMPnull2. 鸟苷酸环化酶/cGMP-依赖性蛋白激酶系统 神经递质可通过两种机制调节cGMP水平 少数情况下，膜受体含GC，神经递质激活该类受体 多数情况下， NO激活胞内可溶性GC，NO由激活NOS催化精氨酸而产生。 nullThe role of NOnull3. 膜磷脂代谢产物介导的不同的第二信使系统IP3-Ca2＋信号传递途径 DG-PKC信号传递途径 nullnull4. 胞内钙信号途径 神经细胞的功能大都与Ca2＋密切相关 胞浆内游离Ca2＋浓度在0.01～1 mol/L，大多数神经元为100 nmol/L 细胞外液中Ca2＋浓度约2.5 mmol/L 胞内Ca 2＋主要反应： 激活钙调蛋白（calmodulin，CaM） ，PKCnull（1）引起神经元Ca2+升高的主要方式 Ca 2＋内流 胞浆内的钙库：内质网、核等 （2）神经元Ca2+外排 Ca2＋-ATP酶，即 Ca2＋泵 Na＋/Ca2＋交换体null电压敏感性Ca2＋通道 配体门控性Ca2＋通道（1）引起神经元Ca2+升高的主要方式null（二）神经元Ca2＋外排Na2+/Ca2+交换体 Ca2+-ATPasenull神经元常见的Ca2＋升高和外排的主要途径 null（3）神经元Ca2+信号的区域性null（4）神经元Ca2＋信号的传递 胞内钙离子浓度升高，导致： 钙敏感性的AC激活 CaMK激活 Ras信号通路激活 ……null（5）神经胶质细胞的Ca2+信号 胶质细胞的Ca2＋信号产生是以细胞内Ca2＋释放为主导地位 Ca2＋信号多通过缝隙连接传播，表现为Ca2＋波 Ca2+信号是胶质细胞相互联系的手段，也是神经元与胶质细胞相互作用的重要介质 nullnull5.2.5 胞内其它信号转导途径 酪氨酸蛋白激酶（tyrosine protein kinase，TPK）在细胞的生长、增殖、分化等过程中发挥重要的调节作用。细胞质膜上的受体型TPK，催化型受体 胞浆中的非受体型TPK ，酶偶联受体 null1. 酪氨酸激酶受体的信号转导途径 本身既是受体又具有酪氨酸激酶的活性 对蛋白的磷酸化作用只限于酪氨酸残基 其活性不受细胞内第二信使分子的调节 酶的活性部分即为位于细胞内的一个催化结构域，是某些生长因子膜受体的一部分。 受体酪氨酸蛋白激酶 （receptor tyrosine protein kinase, RTPK）null酪氨酸激酶 MAPK（mitogen-activated protein kinase, 有丝分裂原激活的蛋白激酶) 受体型TPK-Ras-MAPK途径 催化型受体与配体结合后，发生自身磷酸化并磷酸化中介分子——Grb2和SOS，使其活化，进而激活Ras蛋白，开启为多种生长因子信息传递过程所共有的Ras通路。MAPK（mitogen-activated protein kinase, 有丝分裂原激活的蛋白激酶)ERK1/2 JNK P38 ERK5 ……MAPK超家族 nullnullTPK-Ras-MAPK通路nullNGF介导的神经元存活和分化的信号转导机制 null2. 酪氨酸激酶偶联受体的信号转导途径 受体本身不具有酶催化活性，胞内部分含非受体酪氨酸蛋白激酶的结合位点 受体为多亚基的复合物 有两个家族：JAK PKT家族 Src PKT家族JAK-STAT信号转导途径JAK-STAT信号转导途径1、  配体与受体结合导致受体二聚化 2、  二聚化受体激活JAK 3、  JAK将STAT磷酸化 4、  STAT形成二聚体，暴露出入核信号 5、  STAT进入核内，调节基因表达。null5.2.6 信息传导通路中的蛋白质磷酸化磷酸化与脱磷酸化是生物体最基本和最重要的调节反应 磷酸化和脱磷酸化能够以很快的速度进行 信号转导级联反应的终末几乎都是蛋白质的磷酸化概念和意义nullPhosphorylation cascadenull1. 神经系统主要的第二信使依赖性蛋白激酶（1）PKA 脑内的蛋白激酶主要是PKA 四聚体（C2R2）组成的别构酶null（2）PKG 神经系统另一主要类型的蛋白激酶 PKG与PKA同源 cGMP与PKG的调节区结合 null（3）Ca2＋依赖性蛋白激酶CaMPK：被Ca2+结合钙调蛋白所活化 PKC ：在Ca2+结合DG或其它脂类所活化 分类在神经系统均存在 CaM-kinasePKCnull2. 受磷酸化调控的神经系统蛋白质蛋白磷酸化参与调控神经元各种各样的功能： 离子通道活性的调节 神经递质受体的敏感性 神经递质的合成、释放和再摄取 轴突内物质的转运 树突和轴突的形成过程 神经元的特异性 多种形式的神经可塑性和学习记忆null表5-4　受磷酸化调控的部分神经元蛋白分类null5.2.7 细胞外信号对基因转录的调控短时程反应：对具体生理过程的调节，终止于胞浆，对功能蛋白进行磷酸化反应而实现。 长时程反应：对基因表达的调控，包括转录和翻译，其中转录是基因表达过程中主要受细胞外信号调节的步骤。 真核细胞的基因转录必需依赖各种转录因子的参与 null1. cAMP反应元件结合蛋白－－CREBcAMP诱导的神经肽基因的调节区有一段特殊回文结构的碱基序列5′-TGACGTCA-3′，是cAMP产生调节所必需的，被称为cAMP反应元件（cAMP response element, CRE） 能与CRE结合的转录因子被称为CRE结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）。 nullCREB可作为神经递质、神经营养因子以及即早基因c-fos的转录因子，广泛参与神经系统中多种递质的转录激活作用 。null2. 活化蛋白（activator protein-1，AP-1）原癌基因c-fos、c-jun的表达产物Fos蛋白、Jun蛋白的二聚体，非常重要的转录因子 。 与AP-1结合的DNA启动区称AP-1位点，共享序列为5′-TGACTCA-3′ 脑内已发现多个AP-1的靶基因，如前强啡肽、神经降压素、神经生长因子等。null3. 核因子家族核因子κB（nuclear factor-kappa B, NF-κB）： 　一种具有多向转录调节作用的蛋白质，广泛存在于真核细胞 　以同源或异源二聚体的非激活形式存在于胞浆 　在中枢神经系统则与神经发育、变性及可塑性变化等 null4. 神经系统特异表达基因的转录因子1）神经限制性沉默因子 (neuron restrictive silencer factor，NRSF） 一种多锌指蛋白，在未分化的神经系统和非神经系统中高水平表达，在分化后的神经元中不表达 null2）HES因子 Hairy and E(spl) homolog 该蛋白在神经系统发育中有广泛表达，而在神经分化过程中表达降低. null5. 核内受体家族①甾体激素受体 ②甲状腺素受体 ③维甲酸受体 糖皮质激素 盐皮质激素 孕激素 雌激素 维生素D受体激素反应元件（HRE） nullnull思考题1、比较电突触和化学性突触的异同（结构和传递方式）。 2、突触传递的过程和特点 3、突触可塑性的概念和分类 4、根据受体性质不同对神经系统信号转导方式的分类 5、受体的概念、分类和特性 6、常见的第二信使和信号传导通路的名称？ 7、简述G蛋白偶联的受体/离子通道系统的作用机制简述神经递质通过G蛋白偶联受体介导的AC-cAMP-PKA信号转导途径 蛋白磷酸化参与调控神经元的功能有哪些