第四章 神經(jīng)元間的信息傳遞

1第四章神經(jīng)元間的信息傳遞

2第一節(jié)

神經(jīng)元信息傳遞的生理學(xué)3一、

突觸結(jié)構(gòu)與傳遞1.概述突觸：一個(gè)神經(jīng)元與另一個(gè)神經(jīng)元、肌細(xì)胞、腺細(xì)胞以及其他效應(yīng)器細(xì)胞或感受器細(xì)胞等緊密接觸并形成特殊結(jié)構(gòu)的功能接觸部位。4分類(lèi)按接觸部位軸突?樹(shù)突型軸突?胞體型軸突?軸突型胞體胞體型樹(shù)突樹(shù)突型按結(jié)構(gòu)和機(jī)制化學(xué)性突觸電突觸

按照傳遞性質(zhì)興奮性突觸抑制性突觸52.電突觸（1）縫隙連接（gapjunction）

細(xì)胞間惟一能直接進(jìn)行信息和物質(zhì)交換的通道。由相鄰細(xì)胞膜上的兩個(gè)連接子（connexon）相互錨定而成。六個(gè)連接蛋白（connexin）排列成六角形，中央有一直徑約1.5nm的孔形成了連接兩細(xì)胞的親水性孔道。6

在體內(nèi)有較廣泛的分布，發(fā)育期超過(guò)發(fā)育成熟后神經(jīng)系統(tǒng)中主要存在于膠質(zhì)細(xì)胞之間分子量低于1KD或直徑小于1.5nm的物質(zhì)可通過(guò)縫隙連接（2）電突觸的作用

功能意義：使神經(jīng)元形成同步化活動(dòng)不存在突觸延擱傳遞信號(hào)可靠，不易受各種因素的影響傳遞速度快，易于形成同步化7電突觸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：縫隙連接（gapjunction）電突觸的突觸間隙很窄，在突觸小體內(nèi)無(wú)突觸小泡，間隙兩側(cè)的膜是對(duì)稱(chēng)的，形成通道，帶電離子可通過(guò)通道傳遞電信號(hào)。特點(diǎn)：電突觸多數(shù)是雙向傳導(dǎo)的，即縫隙連接，是以電流（電訊號(hào)）傳遞信息。作為化學(xué)突觸,其傳遞是單向性的，化學(xué)物質(zhì)（神經(jīng)遞質(zhì)）作為通訊的媒介。83.化學(xué)突觸經(jīng)典突觸傳遞，即突出前神經(jīng)元產(chǎn)生的興奮性電信號(hào)（動(dòng)作電位）誘發(fā)突觸前膜釋放神經(jīng)遞質(zhì)，跨過(guò)突觸間隙而作用于突觸后膜，進(jìn)而改變突觸后神經(jīng)元的電活動(dòng)。突觸前神經(jīng)元首先通過(guò)釋放神經(jīng)遞質(zhì)，將神經(jīng)元電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)信號(hào)，然后攜帶信息的神經(jīng)遞質(zhì)作用于突觸后膜，并將化學(xué)信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所以又稱(chēng)為電——化學(xué)——電傳遞。9（1）化學(xué)突觸的解剖結(jié)構(gòu)①突觸前膜

7.5nm，遞質(zhì)、受體②突觸間隙

20～30nm，粘多糖、糖蛋白、水解酶③突觸后膜

受體、離子通道以軸突末梢釋放特殊的化學(xué)物質(zhì)來(lái)完成突觸傳遞的方式10（2）突觸前膜（presynapticmembrane）

突觸終扣（synapticbutton）致密突起（denseprojection）網(wǎng)格（grid）突觸囊泡，突觸小泡（synapticvesicle）信號(hào)整合區(qū)特征：大量突觸囊泡11（3）突觸間隙(synapticcleft)

約20nm含電子致密物質(zhì)12（4）突觸后膜（postsynapticmembrane）

含多種特異的蛋白質(zhì)，主要是受體蛋白、通道蛋白，還有一些能分解神經(jīng)遞質(zhì)使之失活的酶類(lèi)。特征：顆粒和細(xì)絲134.突觸傳遞synaptictransmission①突觸前神經(jīng)元：電信號(hào)－→化學(xué)信號(hào)②突觸間隙：化學(xué)物質(zhì)－→突觸后神經(jīng)元③突觸后神經(jīng)元：化學(xué)信號(hào)－→電信號(hào)14過(guò)程①Ca2+內(nèi)流進(jìn)入突觸前膜②囊泡釋放遞質(zhì)到突觸間隙③遞質(zhì)作用于突觸后膜受體，打開(kāi)鈉通道④遞質(zhì)激活突觸后膜G蛋白偶聯(lián)受體⑤⑥⑦遞質(zhì)作用于突觸前膜受體或被突觸前膜重?cái)z入⑧遞質(zhì)被膠質(zhì)細(xì)胞攝入⑨突觸囊泡的形成⑩其它囊泡釋放（1）化學(xué)突觸的傳遞過(guò)程和特點(diǎn)15特點(diǎn)(1)單向傳遞(2)突觸延擱（0.5ms）(3)總和(4)對(duì)內(nèi)環(huán)境變化的敏感性(5)對(duì)某些藥物敏感16（2）突觸前膜去極化和Ca2＋的內(nèi)流17（3）突觸前遞質(zhì)釋放以胞吐（exocytosis）的形式釋放神經(jīng)遞質(zhì)以胞吞（endocytosis）的方式進(jìn)行再生Endocytosisandexocytosis18

神經(jīng)遞質(zhì)在突觸前細(xì)胞發(fā)生沖動(dòng)（動(dòng)作電位）時(shí)，鈣離子通道負(fù)責(zé)將去極化轉(zhuǎn)化成神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。

興奮-分泌耦合（excitation-secretioncoupling）19（4）量子釋放與胞吐作用量子釋放（quantalrelease）胞吐（exocytosis）①去極化②Ca2＋內(nèi)流③泊靠④融合、卸貨⑤胞飲、再填充量子釋放的基礎(chǔ)：一個(gè)囊泡，“最小包裝”20融合方式吻了就跑（kiss-and-run）全融合21（5）參與胞吐作用的相關(guān)蛋白①突觸囊泡膜蛋白②突觸前膜蛋白質(zhì)③胞液中的蛋白質(zhì)突觸蛋白、突觸小泡蛋白、突觸結(jié)合蛋白、囊泡整合蛋白家族等突觸融合蛋白、突觸小體相關(guān)蛋白-25、生長(zhǎng)相關(guān)蛋白-43等N乙基馬來(lái)酰亞胺敏感因子-可溶性NSF附著蛋白GAP-43(green)Synapsin22（6）神經(jīng)遞質(zhì)突觸前釋放的調(diào)制4種調(diào)制靶點(diǎn)內(nèi)在過(guò)程:

由靜息膜電位或動(dòng)作電位發(fā)放的變化所引起

2種過(guò)程外部過(guò)程:其它神經(jīng)元的突觸輸入

改變啟閉鈣通道改變鈣通道門(mén)控改變K+或Na+內(nèi)流作用于Ca2+內(nèi)流的下游機(jī)制23（7）慢傳遞與快傳遞快信息傳導(dǎo)：直接產(chǎn)生突觸后電位，<1mS是突觸傳遞的基本形式

慢信息傳導(dǎo):產(chǎn)生一系列生化反應(yīng)，以秒計(jì)是一種調(diào)制機(jī)制

24二、突觸整合（synapticintegration）

Atypicalmammalianneuroninthecortexmaybeinsynapticcontactwith100-1000otherneurons興奮性突觸后電位(EPSP)抑制性突觸后電位(IPSP)突觸整合:神經(jīng)元將各種傳入沖動(dòng)引起的突觸后反應(yīng)進(jìn)行空間和時(shí)間的總和，最終決定是否輸出動(dòng)作電位的過(guò)程。25中科院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了大腦皮層維持興奮和抑制動(dòng)態(tài)平衡的新機(jī)制，并畫(huà)出了一幅大腦皮層“太極圖”，這項(xiàng)研究有助于分析癲癇、精神分裂癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病。這一研究成果公布在《公共科學(xué)圖書(shū)館—生物學(xué)》（PLoSBiology）雜志上。大腦皮層各種功能的正常發(fā)揮依賴(lài)于皮層中興奮和抑制的動(dòng)態(tài)平衡。在皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，興奮性的錐體神經(jīng)元和抑制性的中間神經(jīng)元通過(guò)突觸結(jié)構(gòu)形成局部神經(jīng)環(huán)路，這些環(huán)路是皮層中興奮-抑制平衡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。一般認(rèn)為，興奮性神經(jīng)元發(fā)放的動(dòng)作電位（數(shù)碼信號(hào)）沿軸突傳導(dǎo)至突觸前膜，通過(guò)突觸傳遞在抑制性神經(jīng)元上產(chǎn)生興奮性突觸后電位（EPSP），如果達(dá)到特定的發(fā)放閾值，抑制性神經(jīng)元會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作電位并在其支配的興奮性神經(jīng)元上產(chǎn)生抑制性突觸后電位（IPSP），從而反饋抑制興奮性神經(jīng)元。大腦皮層的電活動(dòng)狀態(tài)與行為息息相關(guān)，那么皮層又是如何在不同的電活動(dòng)狀態(tài)下（即當(dāng)神經(jīng)元處于不同的膜電位水平時(shí)）維持興奮-抑制的動(dòng)態(tài)平衡呢？26研究人員在離體腦薄片上應(yīng)用膜片鉗技術(shù)同時(shí)記錄多個(gè)皮層神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)反饋性抑制受到突觸前錐體神經(jīng)元膜電位的調(diào)控：錐體神經(jīng)元的閾下膜電位去極化（興奮性提高）可增強(qiáng)其動(dòng)作電位在突觸后錐體神經(jīng)元上引起的雙突觸IPSP（抑制性增強(qiáng)）。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，雙突觸IPSP的增強(qiáng)是由抑制性中間神經(jīng)元所介導(dǎo)：突觸前去極化增大動(dòng)作電位在抑制性中間神經(jīng)元上誘發(fā)EPSP（膜電位依賴(lài)的模擬信號(hào)），并使其發(fā)放動(dòng)作電位的概率和數(shù)目增加，從而介導(dǎo)IPSP的增強(qiáng)。這種膜電位依賴(lài)的EPSP和IPSP的變化由軸突D-電流（一種快激活但緩慢失活的鉀電流）所介導(dǎo)。該研究揭示了大腦皮層動(dòng)態(tài)維持其網(wǎng)絡(luò)中興奮和抑制平衡的新機(jī)制。由于皮層中這一平衡的破壞與癲癇、精神分裂癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)，這項(xiàng)研究成果可為相關(guān)疾病的臨床治療提供新思路。27突觸整合（synapticintegration）：

不是突觸電位簡(jiǎn)單的代數(shù)和是突觸處被激活的電導(dǎo)和離子流的對(duì)抗作用受突觸電位在神經(jīng)元樹(shù)突分支上幾何位置的影響是腦最基本功能活動(dòng)的本質(zhì)28（1）突觸整合的簡(jiǎn)單形式總和時(shí)間總和空間總和（2）突觸整合的關(guān)鍵部位軸突始段（axoninitialsegment）即動(dòng)作電位的觸發(fā)區(qū)

軸突始段29三、突觸可塑性（synapticplasticity）突觸可塑性指化學(xué)性突觸傳遞效能的改變

，包括突觸傳遞增強(qiáng)和突觸傳遞減弱兩方面，表現(xiàn)為突觸后膜上電反應(yīng)的增強(qiáng)或減弱。TypicalLTPgraph,obtainedfromtheCA1regionofthehippocampus根據(jù)電反應(yīng)持續(xù)時(shí)間：短時(shí)程突觸可塑性長(zhǎng)時(shí)程突觸可塑性30突觸可塑性（廣義）突觸傳遞可塑性突觸發(fā)育可塑性突觸形態(tài)的可塑性31（1）短時(shí)程突觸可塑性

突觸前神經(jīng)末梢受到一連串有效電刺激后，在短時(shí)間內(nèi)（數(shù)十毫秒到數(shù)十分鐘）突觸前或突觸后反應(yīng)的增強(qiáng)或減弱。三種形式突觸易化（synapticfacilitation）強(qiáng)直后增強(qiáng)（posttetanicpotentiation,PTP）突觸抑制（synapticdepression）

32（2）長(zhǎng)時(shí)程突觸可塑性可以持續(xù)數(shù)小時(shí)乃至數(shù)周的突觸活動(dòng)的增強(qiáng)與抑制現(xiàn)象，分別被稱(chēng)為L(zhǎng)TP和LTD。LTP(longtermpotentiation)：突觸前末梢受到強(qiáng)直刺激后，突觸后神經(jīng)元出現(xiàn)的一種突觸后電位持續(xù)性增強(qiáng)的現(xiàn)象。LTP被普遍視為構(gòu)成學(xué)習(xí)與記憶基礎(chǔ)的主要分子機(jī)制之一33long-termsynapticpotentiation34LTD（longtermdepression

）突觸傳遞效應(yīng)持續(xù)性下降的一種現(xiàn)象，小腦皮層是產(chǎn)生LTD的重要部位之一。Sti:PFRec:PC----EPSPSti:PFandCF(1～4Hz)+PFRec:PC---EPSP↓↓PCCFPF35第二節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)指神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)調(diào)質(zhì)、激素、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子或細(xì)胞因子等細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)信號(hào)并產(chǎn)生后續(xù)神經(jīng)細(xì)胞功能改變的過(guò)程。受體（receptor）:存在于細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)的生物大分子（糖蛋白或脂蛋白），能夠特異性地識(shí)別和結(jié)合有生物活性的化學(xué)信號(hào)物質(zhì)，啟動(dòng)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，產(chǎn)生相應(yīng)的生物效應(yīng)。36受體的分類(lèi)、命名及分子結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜受體環(huán)狀受體七次跨膜α螺旋受體一次跨膜螺旋受體細(xì)胞內(nèi)受體

受體的基本特征1）飽和性2）特異性3）可逆性4）親和性5）區(qū)域分布性371）環(huán)狀受體,配體門(mén)控離子通道（ligand-gatedionchannel）特征①由4～5個(gè)跨膜亞單位聚集，構(gòu)成中央水相孔洞②每個(gè)亞單位一般具有2～4個(gè)由疏水氨基酸組成的跨膜α螺旋區(qū)段③每個(gè)亞單位都有一個(gè)較大的細(xì)胞外N端，上面有特異性配體結(jié)合的部位。382）七次跨膜α螺旋受體,2）七次跨膜α螺旋受體G蛋白偶聯(lián)受體（Gproteincoupledreceptor）蛇型受體（serpentinereceptor）七次跨膜α螺旋受體結(jié)構(gòu)①一條肽鏈，7次跨膜；N端在膜外，糖修飾,親水性氨基酸組成②跨膜部分為

螺旋結(jié)構(gòu)，疏水③

C端在胞內(nèi)，為與效應(yīng)器偶聯(lián)的部位或本身的效應(yīng)部位特征39G蛋白:能結(jié)合并水解三磷酸鳥(niǎo)苷，且其功能也受GTP-GDP轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)受體和各種效應(yīng)器（酶、通道）之間的通過(guò)G蛋白偶聯(lián)403）一次跨膜螺旋受體催化型受體（catalyticreceptor）酶偶聯(lián)受體（enzymecoupledreceptor）一次跨膜螺旋受體結(jié)構(gòu)

全部為糖蛋白且只有一個(gè)跨膜螺旋結(jié)構(gòu)配體與受體結(jié)合后改變酶的活性由4部分組成：識(shí)別部位、跨膜結(jié)構(gòu)催化部位、調(diào)節(jié)部位41細(xì)胞內(nèi)受體多為反式作用因子（trans-actingfactor）特征

通常為400～1000個(gè)氨基酸殘基四個(gè)區(qū)域：高度可變區(qū)，含25～603個(gè)氨基酸殘基，具轉(zhuǎn)錄激活作用

DNA結(jié)合區(qū)，有66～68個(gè)氨基酸殘基，富含半胱氨酸并有鋅指結(jié)構(gòu)

激素結(jié)合區(qū)，由220～250個(gè)氨基酸殘基鉸鏈區(qū)，短序列42受體活性調(diào)節(jié)受體下調(diào)：數(shù)目減少和/或結(jié)合力降低與失敏

受體上調(diào)：數(shù)目增多和/或?qū)ε潴w的結(jié)合力增加

常見(jiàn)機(jī)制磷酸化和脫磷酸化作用G蛋白的調(diào)節(jié)酶促水解作用43神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式①直接激活離子通道受體②激活G蛋白偶聯(lián)受體③激活酪氨酸激酶④作用于神經(jīng)元胞質(zhì)或核內(nèi)受體44一、G蛋白與跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)G蛋白:能結(jié)合并水解三磷酸鳥(niǎo)苷，且其功能也受GTP-GDP轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)451.G蛋白的特點(diǎn)及分類(lèi)特點(diǎn)

都是膜蛋白（不跨膜）都由三個(gè)不同的亞單位組成，βγ亞單位通常組成緊密的二聚體，共同發(fā)揮作用。

亞:39—46kDa，有特異的GTP結(jié)合位點(diǎn)，有GTP酶活性，不同G蛋白的結(jié)構(gòu)上的差別主要表現(xiàn)在

亞單位。46（1）當(dāng)外環(huán)境中不存在受體的激動(dòng)劑時(shí)，G蛋白的三個(gè)亞單位呈聚合狀態(tài)，α亞單位與GDP結(jié)合,形成G蛋白－GDP復(fù)合體。（2）當(dāng)外環(huán)境中存在受體的激動(dòng)劑時(shí)，受體與之結(jié)合，同時(shí)釋放GDP,形成配體－受體－G蛋白復(fù)合體。（3）在鎂離子存在的條件下，GDP為GTP所取代，使整個(gè)復(fù)合體解離為三部分;即受體，βγ復(fù)合體及被激活的α亞單位與GTP復(fù)合體。激活的α亞單位與GTP復(fù)合體可激活效應(yīng)器，例如腺苷酸環(huán)化酶。由于激活的α亞單位本身具有GTP酶活性，因而GTP被水解為GDP,后者再和βγ亞單位形成G蛋白三聚體，完成G蛋白的循環(huán)。2.G蛋白的作用機(jī)制47483.G蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用直接調(diào)節(jié)的離子通道：鉀通道、鈣通道及內(nèi)向整流鉀通道激活細(xì)胞內(nèi)的酶而產(chǎn)生第二信使再影響離子通道或其他啟動(dòng)慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)49二、

第二信使介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

通常以細(xì)胞膜為界，將胞外信號(hào)分子（神經(jīng)遞質(zhì)和激素等）第一信使，而膜內(nèi)的小分子化合物被稱(chēng)為第二信使（胞內(nèi)信使）。1第一信使：激素、遞質(zhì)等2效應(yīng)器酶：腺苷酸環(huán)化酶、磷酯酶C等3第二信使：環(huán)腺苷酸（cAMP）,環(huán)鳥(niǎo)苷酸（cGMP）,Ca2＋,一氧化氮（NO）,IP3，前列腺素等。

501.腺苷酸環(huán)化酶/cAMP-依賴(lài)性蛋白激酶系統(tǒng)

該系統(tǒng)含有質(zhì)膜中的三種組分：受體，G蛋白,AC

胞外信號(hào)通過(guò)控制AC來(lái)控制cAMP濃度51激活cAMP依賴(lài)的蛋白激酶A調(diào)節(jié)亞基，催化亞基52CREB反應(yīng)元件蛋白絲氨酸殘基磷酸化53神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的AC-cAMP-PKA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑腎上腺素（

型）、促腎上腺皮質(zhì)激素等刺激AC,激活cAMP阿片肽、腎上腺素（α型）等抑制AC,降低cAMP542.鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶/cGMP-依賴(lài)性蛋白激酶系統(tǒng)

鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（GC)催化GTP生成cGMP,激活cGMP依賴(lài)的蛋白激酶（PKG）。cGMP與GC一起構(gòu)成細(xì)胞信息傳遞中另一重要的第二信使系統(tǒng)。

雖然