神經(jīng)生物學(xué)-4神經(jīng)元之間的信息傳遞-電突觸傳遞

1、遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 第四講第四講 神經(jīng)元之間的信息傳遞神經(jīng)元之間的信息傳遞遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命

2、科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院一、一、縫隙連接與電傳遞縫隙連接與電傳遞Gap Junction & Electrical Synaptic Transmission遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1.1.電傳遞和電突觸電傳遞和電突觸遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院電突觸傳遞特點(diǎn)電突觸傳遞特點(diǎn)（1 1）雙向性傳遞（但有些具有整流作用的電突觸，如螯蝦腹神）雙向性傳遞（但有些具有整流作用的電突觸，如螯蝦腹神經(jīng)索、海兔和水蛭的神經(jīng)系統(tǒng)、魚腦干中的毛特納氏細(xì)胞等經(jīng)索、海兔和水蛭的神經(jīng)系統(tǒng)、魚腦干中的毛特納氏細(xì)胞等只

3、允許興奮以電緊張的形式從突觸前傳到突觸后，為單向電只允許興奮以電緊張的形式從突觸前傳到突觸后，為單向電傳遞傳遞) )（2 2）電突觸兩側(cè)細(xì)胞膜可同時(shí)去極化，離子直接通過突觸后膜；）電突觸兩側(cè)細(xì)胞膜可同時(shí)去極化，離子直接通過突觸后膜；（3 3）由于其低電阻的特性，因而傳遞速度非?？?，幾乎不存在）由于其低電阻的特性，因而傳遞速度非?？?，幾乎不存在潛伏期；潛伏期；遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2.縫隙連接縫隙連接 縫隙連接（縫隙連接（gap

4、 junctiongap junction）是上皮組織、平滑）是上皮組織、平滑肌、心肌、神經(jīng)組織以及許多胚胎組織的細(xì)胞之間肌、心肌、神經(jīng)組織以及許多胚胎組織的細(xì)胞之間連接的主要方式之一。分布非常廣泛，有多種功能，連接的主要方式之一。分布非常廣泛，有多種功能，它與細(xì)胞的代謝和分化、物質(zhì)的運(yùn)輸?shù)扔忻芮嘘P(guān)系，它與細(xì)胞的代謝和分化、物質(zhì)的運(yùn)輸?shù)扔忻芮嘘P(guān)系，是細(xì)胞間電傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。是細(xì)胞間電傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院結(jié)構(gòu)和分子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和分子基礎(chǔ)l 一種圓盤樣（plaque-like）結(jié)構(gòu)，連接處相鄰細(xì)胞間有24nm的

5、縫隙。l 在間隙與兩層質(zhì)膜中有大量蛋白質(zhì)顆粒，膜內(nèi)顆粒由六個(gè)相同或相似的跨膜蛋白亞單位組成，是構(gòu)成縫隙連接的基本單位，稱連接子（connexon）。l 每個(gè)亞單位都是一個(gè)單一的蛋白（一條多肽鏈），稱為連接蛋白（connexin），分子量為25,000D。l 在縫隙連接中，相聯(lián)細(xì)胞的連接子相互銜接形成連接子通道（connexon channel）。遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)

6、生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院Cx Cx 基因家族基因家族l 編碼一大類膜蛋白編碼一大類膜蛋白, ,由許多成員組成。由許多成員組成。l 其中至少有其中至少有12 12 種種Cx Cx 在成年或發(fā)育的神經(jīng)系統(tǒng)中有在成年或發(fā)育的神經(jīng)系統(tǒng)中有不同程度的表達(dá)：不同程度的表達(dá)： Cx26 ,Cx30 ,Cx33 ,Cx36 ,Cx37 ,Cx39 ,Cx40 ,Cx43 Cx26 ,Cx30 ,Cx33 ,Cx36 ,Cx37 ,Cx39 ,Cx40 ,Cx43 Cx45 ,Cx46 ,Cx47Cx45 ,Cx46 ,Cx47l 各家族成員有大約各家族成員有大約50 %50 %氨基酸序列相同氨基酸

7、序列相同, ,而且這些相而且這些相同的序列大多為跨膜區(qū)和細(xì)胞外環(huán)。同的序列大多為跨膜區(qū)和細(xì)胞外環(huán)。遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院l GJ GJ 通道蛋白由通道蛋白由4 4 個(gè)個(gè)螺旋跨膜親水片段螺旋跨膜親水片段M1M14 ,2 4 ,2 個(gè)胞外環(huán)個(gè)胞外環(huán)( extracellular( extracellular loop) E1loop) E12 ,2 ,一個(gè)胞質(zhì)一個(gè)胞質(zhì)環(huán)環(huán)(cytoplastic loop) (cytoplastic loop) 組成。組成。l 連接蛋白的氨基連接蛋白的氨基(N (N 端端) ) 和羧基和羧基(C (C 端端) ) 末端位于胞末端位于胞漿內(nèi)

8、漿內(nèi), ,氨基末端相對(duì)比較保守氨基末端相對(duì)比較保守, ,而羧基末端則差異較而羧基末端則差異較大。大。l 氨基末端的絲氨基末端的絲/ / 蘇及酪氨酸殘基的磷酸化水平影響蘇及酪氨酸殘基的磷酸化水平影響 GJ GJ 的功能狀態(tài)的功能狀態(tài) 。遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院縫隙連接通透性縫隙連接通透性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：l 昆蟲唾液腺表皮細(xì)胞注射熒光染料，昆蟲唾液腺表皮細(xì)胞注射熒光染料，可見染料可見染料相繼擴(kuò)散到鄰近相繼擴(kuò)散到鄰近的細(xì)胞，但卻不能離開細(xì)胞的細(xì)胞，但卻不能離開細(xì)胞。 - -表明

9、這些細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)有直接的聯(lián)系表明這些細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)有直接的聯(lián)系l 注射不同分子量的染料注射不同分子量的染料，發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)一般只允許分子量小于一般只允許分子量小于1.5kD1.5kD和和直徑小于直徑小于1.5nm1.5nm的無機(jī)鹽離子、糖、氨基酸、核苷酸和維生素的無機(jī)鹽離子、糖、氨基酸、核苷酸和維生素等化學(xué)物質(zhì)通過。等化學(xué)物質(zhì)通過。 縫隙連接對(duì)通透分子的大小具有選擇性縫隙連接對(duì)通透分子的大小具有選擇性l 降低細(xì)胞降低細(xì)胞PHPH值或升高鈣離子濃度均可降低縫隙連接的通透性。值或升高鈣離子濃度均可降低縫隙連接的通透性。當(dāng)細(xì)胞破損時(shí)，大量鈣離子進(jìn)入，導(dǎo)致縫隙連接關(guān)閉，以免正當(dāng)細(xì)胞破損時(shí)，大量鈣離子進(jìn)入，導(dǎo)

10、致縫隙連接關(guān)閉，以免正常細(xì)胞受到傷害。常細(xì)胞受到傷害。遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（4 4）對(duì)缺氧、離子或化學(xué)環(huán)境的變化不敏感；）對(duì)缺氧、離子或化學(xué)環(huán)境的變化不敏感；（5 5）包含的步驟較少，在傳遞過程中實(shí)行控制、改）包含的步驟較少，在傳遞過程中實(shí)行控制、改造的機(jī)會(huì)也比較少，但某些神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)電突觸的造的機(jī)會(huì)也比較少，但某些神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)電突觸的導(dǎo)電特性具有調(diào)制作用；導(dǎo)電特性具有調(diào)制作用；（6 6）在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視網(wǎng)膜上，電傳遞主要發(fā)生）在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視網(wǎng)膜上，電傳遞主要發(fā)生在同類神經(jīng)元之間，具有促進(jìn)神經(jīng)元同步化活動(dòng)在同類神經(jīng)元之間，具有促進(jìn)神經(jīng)元同步化活動(dòng)的功能。的功能。遼

11、寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院l 20 Angstrom in diameterl Molecules 1000 daltons (750 daltons=1 angstrom= 1.0E-10 meter) Low ResistanceResistance: Ca+2 pH Electric Fields Sodium concentration 遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院l Electrical coupling via gap junctions is extremely important in the brain and for function

12、ing of the heart (myocardium心肌). l Connexin-43 (Cx43) knock-out mice （基因敲除）die early from heart misformations.l Cell-cell channel connectivity is crucial for normal hearing, and mutations in Cx26 course non-syndromic deafness. 縫隙連接的生理意義縫隙連接的生理意義1.參與細(xì)胞分化參與細(xì)胞分化2.協(xié)調(diào)代謝協(xié)調(diào)代謝3.構(gòu)成電突觸構(gòu)成電突觸遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生

13、命科學(xué)學(xué)院2008 paper on SeizurelA key role for electrical communication between cortical bursting interneurons during ictal seizures was hypothesized in the 4-aminopyridine (4-AP) in vivo epilepsy modellThe blockade of GJ communication has been shown to reduce seizure activity in a number of epilepsy mod

14、els in vitro遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院GJ 在在CNS 的主要功能：的主要功能： 參與細(xì)胞間信息傳遞和神經(jīng)脈沖的傳導(dǎo)及神經(jīng)功能活動(dòng)的協(xié)調(diào)。 GJ 具有傳導(dǎo)快,阻抗低,延擱時(shí)間短的特點(diǎn)

15、。如某一細(xì)胞受到刺激,或接受到外界某種信息,其離子電位改變并通過GJ 迅速將離子或其他調(diào)節(jié)信號(hào)傳遞給相鄰細(xì)胞,完成機(jī)體的整體功能。 GJ 允許細(xì)胞間直接交換離子,是神經(jīng)元的電突觸;這種電緊張突觸聯(lián)絡(luò)是CNS 重要的同步化機(jī)制,在呼吸節(jié)律、晝夜節(jié)律、脊髓前角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元持續(xù)運(yùn)動(dòng)形式的產(chǎn)生與維持,甚至對(duì)于固定記憶的形成起重要作用。遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院l 電耦聯(lián)是發(fā)育中神經(jīng)環(huán)路一種普遍存在的特性,出現(xiàn)在化學(xué)突觸分化形成之前。l 腦內(nèi)神經(jīng)環(huán)路形成和皮層發(fā)生過程中,GJ 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)使準(zhǔn)備遷移至皮層的細(xì)胞集合起來,使電生物學(xué)活動(dòng)一致,從而形成一個(gè)個(gè)腦功能區(qū)。l 神經(jīng)系統(tǒng)成熟后,神經(jīng)

16、元間的GJ明顯減少,但仍有一些特定神經(jīng)元細(xì)胞間仍保持GJ電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。l 脊髓神經(jīng)損傷后,運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元重新耦聯(lián),參與神經(jīng)再生與功能重塑。參與細(xì)胞的分化生長與發(fā)育參與細(xì)胞的分化生長與發(fā)育遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院緩沖毒性化學(xué)物質(zhì)的毒害作用或滋養(yǎng)受損細(xì)胞緩沖毒性化學(xué)物質(zhì)的毒害作用或滋養(yǎng)受損細(xì)胞l 受損害部分細(xì)胞可通過GJ 向周圍細(xì)胞排出毒物,減少毒物對(duì)細(xì)胞的損害。周圍細(xì)胞通過GJ 向該部分細(xì)胞提供其所需的營養(yǎng)物質(zhì),協(xié)助其功能恢復(fù)。l 如果細(xì)胞受損害太嚴(yán)重或其毒物濃度太高,則其GJ 通道關(guān)閉而限制毒物擴(kuò)散。受損細(xì)胞的有害物質(zhì)也可能通過GJ 迅速進(jìn)入正常細(xì)胞內(nèi),引起受損范圍擴(kuò)大。l 有研究證實(shí)應(yīng)用GJ 失耦聯(lián)劑可減少缺血受損面積。星形膠質(zhì)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)就可以從血液循環(huán)中攝取能源物質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)就可以從血液循環(huán)中攝取能源物質(zhì)并通過并通過GJ GJ 再傳遞、分發(fā)給神經(jīng)元再傳遞、分發(fā)給神經(jīng)元, ,對(duì)整個(gè)腦代謝起調(diào)對(duì)整個(gè)腦代謝起調(diào)節(jié)作用。節(jié)作用。遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院Figure 1Multiple levels of gap junction channel structure. Individual transmembrane connexins (coloured blue