谷氨酸受體神經(jīng)生物學

1、谷氨酸的神經(jīng)生物學谷氨酸的神經(jīng)生物學 作用作用 一、概況一、概況 谷氨酸谷氨酸(glutamate, Glu)是代謝中間物是代謝中間物 腦含量很高明顯高于肝臟腦含量很高明顯高于肝臟,且各腦區(qū)無差異且各腦區(qū)無差異 具有強烈興奮作用具有強烈興奮作用 呈現(xiàn)呈現(xiàn)Ca+依賴性釋放依賴性釋放 發(fā)現(xiàn)了高親合力轉(zhuǎn)運體發(fā)現(xiàn)了高親合力轉(zhuǎn)運體 (glutamate/aspartate, GLAST; glutamate transporter, GLAST-1) 二二 受體分類受體分類: 離子型受體離子型受體 激動劑激動劑 拮抗劑拮抗劑 AMPA GluR1 Glu CNQX GluR2 AMPA GluR3 Gl

2、uR4 Kainate GluR5 Glu CNQX GluR6 KA GluR7 KA1 KA2 NMDA NR1 Glu AP5 NR2A NMDA MK801 NR2B NR2C NR2D 代謝型受體代謝型受體 激動劑激動劑 拮抗劑拮抗劑 Group mGluR1 PLC DHPG CPCCOET mGluR5 MPEP Group mGluR2 cAMP ACPD EGLU mGluR3 Group mGluR4 cAMP L-AP4 CPPG mGluR6 PPG MAP4 mGluR7 L-SOP mGluR8 三、離子型受體三、離子型受體(Ionotropic Receptor,

3、 iGluR) ： （一）（一）NMDA受體：受體： 1受體亞單位受體亞單位 NMDA受體由兩種亞單位組成，受體由兩種亞單位組成，NR1和和NR2 NR1是組成是組成NMDA受體的基本單位，而受體的基本單位，而NR2是調(diào)是調(diào) 節(jié)亞單位。節(jié)亞單位。NR2又可分為又可分為NR2A、2B、2C、2D四種。四種。 功能性功能性NMDA受體由受體由NR1與與1個或多個個或多個NR2亞基亞基 組成四聚體。組成四聚體。 2受體與胞漿蛋白的相互作用受體與胞漿蛋白的相互作用 受體的受體的C末端在胞漿并與胞漿蛋白相互作用進行功末端在胞漿并與胞漿蛋白相互作用進行功 能調(diào)控，能與能調(diào)控，能與NMDA受體相互作用的主要

4、是被稱作突受體相互作用的主要是被稱作突 觸后致密區(qū)觸后致密區(qū)PSD-95等胞內(nèi)蛋白質(zhì)。等胞內(nèi)蛋白質(zhì)。 與胞漿蛋白相互作用的意義在于與胞漿蛋白相互作用的意義在于：（：（1）受體的定）受體的定 位，受體通過位，受體通過NR2與與PSD-95的結(jié)合共定位于興奮性突的結(jié)合共定位于興奮性突 觸區(qū)；（觸區(qū)；（2）形成信號傳導(dǎo)復(fù)合物參與信息傳遞；（）形成信號傳導(dǎo)復(fù)合物參與信息傳遞；（3） 以成簇聚集的方式在膜上存在；（以成簇聚集的方式在膜上存在；（4）與細胞骨架的錨）與細胞骨架的錨 定。與定。與NR2亞基結(jié)合的亞基結(jié)合的 PSD-95 通過與細胞骨架蛋白通過與細胞骨架蛋白 結(jié)合，將結(jié)合，將NMDA受體和其他

5、相關(guān)的信號分子結(jié)合在一受體和其他相關(guān)的信號分子結(jié)合在一 起。起。 3受體受體-通道功能特征通道功能特征 (1) Zn2+（一）（一） (2) H+（一）（一）PH6.0完全阻斷完全阻斷 (3)甘氨酸：甘氨酸：Co-agonist (4)多胺：甘氨酸依賴性多胺：甘氨酸依賴性 非甘氨酸依賴性非甘氨酸依賴性 (5)Mg2+電壓依賴性阻斷通道，電壓依賴性阻斷通道，-70mV基本不開放，基本不開放， 去極化后去極化后Mg2+與通道親和力降低并移出通道。意義與通道親和力降低并移出通道。意義: 使通道受化學，電壓雙重控制。使通道受化學，電壓雙重控制。 (6) 競爭性阻斷劑競爭性阻斷劑 AP5 ,受體阻斷劑，

6、受體阻斷劑，NMDA受體受體 antagonist; 非競爭性阻斷劑非競爭性阻斷劑MK801，通道阻斷劑，通道阻斷劑 blocker NMDA受體受體 模式圖模式圖 不同類型的細不同類型的細 胞受體的作用胞受體的作用 模式模式 Ca2+與 NMDA 反應(yīng)的 關(guān)系 NMDA受 體 -通道 被Mg2+ 抑制 甘氨酸甘氨酸 加強加強 NMDA 受體的受體的 電反應(yīng)電反應(yīng) 突觸后兩種電反應(yīng)突觸后兩種電反應(yīng),即快反應(yīng)和慢反應(yīng)即快反應(yīng)和慢反應(yīng)(4.2ms,81.8ms) 谷氨酸能突觸及膠質(zhì)細胞的作用模式圖谷氨酸能突觸及膠質(zhì)細胞的作用模式圖 3.生理作用生理作用 (1) 參與突觸傳遞參與突觸傳遞 (2) 參

7、與突觸傳遞可塑性參與突觸傳遞可塑性 刺激刺激schaffer側(cè)支引起側(cè)支引起CA1區(qū)興奮區(qū)興奮,若給高若給高 頻刺激（條件刺激）頻刺激（條件刺激）, 再給測試刺激將引起再給測試刺激將引起 強烈反應(yīng)，而且持續(xù)時間延長，即突觸遞長強烈反應(yīng)，而且持續(xù)時間延長，即突觸遞長 時程增強（時程增強（long-term potentiation, LTP）。）。 圖示海馬的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生圖示海馬的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生LTP的示意圖的示意圖 海馬分為三個區(qū)海馬分為三個區(qū),由顆粒細胞構(gòu)成的齒回由顆粒細胞構(gòu)成的齒回(DG),由錐由錐 體細胞構(gòu)成的體細胞構(gòu)成的CA3區(qū)和區(qū)和CA1區(qū)區(qū),以及三條通路以及三條通路,由嗅皮由嗅皮 層發(fā)出

8、到齒回的前穿質(zhì)纖維層發(fā)出到齒回的前穿質(zhì)纖維(perforant path, pp),由由 齒回發(fā)出到齒回發(fā)出到CA3區(qū)的苔狀纖維區(qū)的苔狀纖維(mossy fiber, mf)及由及由 CA3區(qū)發(fā)出到區(qū)發(fā)出到CA1去的去的Schaffer纖維纖維/側(cè)支側(cè)支.它們依次它們依次 形成突觸聯(lián)系形成突觸聯(lián)系,而且都是谷氨酸能突觸。而且都是谷氨酸能突觸。 刺激刺激Schaffer纖維可以在纖維可以在CA1區(qū)記錄到區(qū)記錄到EPSP(測測 試刺激試刺激),但在該刺激前給予一個短串高頻刺激但在該刺激前給予一個短串高頻刺激(強直強直 刺激刺激)后后,在在CA1區(qū)記錄到的區(qū)記錄到的EPSP增加增加,且持續(xù)時間延且持

9、續(xù)時間延 長即長即LTP。 NMDA 受體拮受體拮 抗劑抗劑AP5 阻斷阻斷LTP 的產(chǎn)生的產(chǎn)生 阻斷鈣離子可阻斷鈣離子可 以阻斷以阻斷LTP的的 產(chǎn)生產(chǎn)生(2.5ms) Ca+可以通過可以通過 激活激活CaMKII 使其自身磷酸使其自身磷酸 化化,因而持續(xù)因而持續(xù) 發(fā)揮作用發(fā)揮作用,即即 使使Ca+濃度已濃度已 降至正常。降至正常。 代謝型谷代謝型谷 氨酸受體氨酸受體 的激動加的激動加 強了強了LTP AMPA受體介受體介 導(dǎo)了導(dǎo)了LTP的持的持 續(xù)性作用續(xù)性作用,包包 括基因表達的括基因表達的 改變以及改變以及 AMPA受體親受體親 和力的增加。和力的增加。 (NO也參與也參與 LTP的產(chǎn)

10、生過的產(chǎn)生過 程程) LTP的意義的意義: 學習和記憶學習和記憶 的基礎(chǔ)的基礎(chǔ) 新近的資料新近的資料 表明表明LTP在在 痛覺形成中痛覺形成中 亦發(fā)揮重要亦發(fā)揮重要 作用作用 4.毒性作用毒性作用 谷氨酸過量釋放形成興奮性神經(jīng)毒，主要是谷氨酸過量釋放形成興奮性神經(jīng)毒，主要是 NMDA受體的過度激活通過增加細胞內(nèi)受體的過度激活通過增加細胞內(nèi)Ca2+發(fā)揮發(fā)揮 毒性作用毒性作用.腦內(nèi)的疾病造成的神經(jīng)元損傷大都與腦內(nèi)的疾病造成的神經(jīng)元損傷大都與 Ca2+超載有關(guān)超載有關(guān),如腦缺血如腦缺血,中風中風,癲癇癲癇,AD,PD等。等。 Ca2+超載的毒性機制主要是由于超載的毒性機制主要是由于Ca2+濃度增高激

11、濃度增高激 活了細胞內(nèi)很多酶系統(tǒng)活了細胞內(nèi)很多酶系統(tǒng),如如NOS,蛋白水解酶蛋白水解酶,脂質(zhì)過脂質(zhì)過 氧化酶氧化酶,從而生成大量自由基從而生成大量自由基,NO,同時線粒體的功同時線粒體的功 能也發(fā)生紊亂能也發(fā)生紊亂,導(dǎo)致細胞的結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致細胞的結(jié)構(gòu)破壞,甚至壞死。甚至壞死。 (二二)AMPA&KA受體受體 AMPA受體激動可引起受體激動可引起Na+內(nèi)流內(nèi)流,主要參與正常的主要參與正常的 突觸傳遞突觸傳遞,形成突觸后反應(yīng)即形成突觸后反應(yīng)即EPSP。 NMDA受體激動后的主要作用是引起細胞內(nèi)受體激動后的主要作用是引起細胞內(nèi)Ca2+ 濃度的變化濃度的變化,即通過即通過Ca2+信號系統(tǒng)來發(fā)揮作用。信號

12、系統(tǒng)來發(fā)揮作用。 四四 代謝型受體代謝型受體(Metabatropic receptors, mGluRs) Group mGluR1 PLC DHPG CPCCOET mGluR5 MPEP Group mGluR2 cAMP ACPD EGLU mGluR3 Group mGluR4 cAMP L-AP4 CPPG mGluR6 PPG MAP4 mGluR7 L-SOP mGluR8 (一一)突觸定位突觸定位 mGluRs 的作用與它的突觸分布關(guān)系密的作用與它的突觸分布關(guān)系密 切，即切，即mGluRs若是在突觸前分布若是在突觸前分布,其作用其作用 主要是調(diào)節(jié)遞質(zhì)的釋放主要是調(diào)節(jié)遞質(zhì)的釋放

13、,而分布在突觸后則而分布在突觸后則 作用是產(chǎn)生突觸后效應(yīng)作用是產(chǎn)生突觸后效應(yīng),即即EPSP或或IPSP.多多 數(shù)情況來看數(shù)情況來看,I型型mGluRs分布在突觸后分布在突觸后,而而II 型和型和III型型mGluRs主要分布在突觸前主要分布在突觸前,一些一些 區(qū)域仍然有區(qū)域仍然有II型型mGluRs分布在突觸后分布在突觸后,但但III 型型mGluRs基本都分布在突觸前?；径挤植荚谕挥|前。 (二二)生物學作用生物學作用 1. 突觸后作用突觸后作用 抑制抑制K+電導(dǎo)電導(dǎo),降低降低K+電流電流 增加細胞內(nèi)增加細胞內(nèi)Ca2+濃度濃度 易化易化AMPA受體的作用受體的作用(PKC&Ca2+依賴性依賴

14、性) 易化易化NMDA受體的作用受體的作用(PKC依賴性依賴性) 最早發(fā)現(xiàn)的是最早發(fā)現(xiàn)的是AP4的突觸抑制作用的突觸抑制作用,之后發(fā)現(xiàn)了之后發(fā)現(xiàn)了 其它的其它的mGluRs激動劑同樣也有抑作用制激動劑同樣也有抑作用制,主要是主要是 II&III型型mGluRs 被激動后發(fā)揮的抑制作用。被激動后發(fā)揮的抑制作用。 2.突觸前作用突觸前作用 (1)作用特征作用特征 AP4發(fā)揮突觸前抑制時不改變突觸后神經(jīng)元的發(fā)揮突觸前抑制時不改變突觸后神經(jīng)元的 電學特征電學特征,如輸入阻抗如輸入阻抗,膜電位等。膜電位等。 AP4既能抑制既能抑制AMPA受體激動的作用受體激動的作用,同時也能抑同時也能抑 制制NMDA受

15、體激動的效應(yīng)受體激動的效應(yīng),意味著突觸前釋放的遞質(zhì)意味著突觸前釋放的遞質(zhì) 減少了減少了,而非突觸后效應(yīng)所致。而非突觸后效應(yīng)所致。 AP4發(fā)揮突觸抑制作用時發(fā)揮突觸抑制作用時,外源性谷氨酸對突觸后外源性谷氨酸對突觸后 受體的激動作用不受影響。受體的激動作用不受影響。 AP4可以加強雙脈沖刺激引起的突觸前抑制作用可以加強雙脈沖刺激引起的突觸前抑制作用, 后者是突觸前抑制的標志。后者是突觸前抑制的標志。 AP4引起的突觸前抑制引起的突觸前抑制,主要改變主要改變EPSP的頻率而不的頻率而不 是幅度。是幅度。 (2)突觸前作用機制突觸前作用機制 突觸前抑制主要通過激活突觸前抑制主要通過激活PTX敏感的敏感的G-蛋蛋 白實現(xiàn)其作用。白實現(xiàn)其作用。 具體機制可能涉及不同的途徑具體機制可能涉及不同的途徑,如抑制突如抑制突 觸前觸前Ca2+電導(dǎo)電導(dǎo), 激活激活K+通道而增加通道而增加K+電流電流. 增加增加K+電流可以降低突觸前膜的去極化電流可以降低突觸前膜的去極化,從從 而減少而減少Ca2+內(nèi)流量內(nèi)流量.另外另外,增加增加K+電流可以增電流可以增 加突觸前膜產(chǎn)生動作電位的閾值和降低動加突觸前膜產(chǎn)生動作電位的閾值和降低動 作電位的峰值作電位的峰值,從而減少遞質(zhì)的釋放。從而減少遞質(zhì)的釋放。