第6章 神经递质系统-彭聿平7.pdf

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1、Chapter 6 Neurotransmitter Systems 第6章 神经递质系统第6章 神经递质系统 Chapter 6 Neurotransmitter Systems 第6章 神经递质系统第6章 神经递质系统 Introduction 引言引言 Studying neurotransmitter systems 神经递质系统的研究神经递质系统的研究 Neurotransmitter chemistry 神经递质化学神经递质化学 Transmitter gated channels 递质门控通道递质门控通道 G protein coupled receptors and effec

2、tors G蛋白耦联受体和效应器G蛋白耦联受体和效应器 Divergence and convergence in neurotransmitter systems 神经递质系统内的辐射和聚合神经递质系统内的辐射和聚合 Concluding remarks 结语结语 IntroductionIntroduction Elements of neurotransmitter systems Elements of neurotransmitter systems 1 Neurotransmitters amino acids amines and peptides The known trans

3、mitters has over 20 molecules 2 Neurotransmitter system includes all the molecular machinery transmitter synthesis vesicular packaging reuptake and degradation and transmitter action 神经递质系统的组成 神经递质系统的组成 神经递质系统的组成 神经递质系统的组成 1 神经递质 1 神经递质 氨基酸类 胺类和肽 类 共 氨基酸类 胺类和肽 类 共2020多种递质分子 多种递质分子 2 神经递质作用的所有结构 2 神经

4、递质作用的所有结构 递质 合成 囊泡包装 递质重摄取 降解 递质与受体结合 产生效应 递质 合成 囊泡包装 递质重摄取 降解 递质与受体结合 产生效应 The first molecule positively identified as a neurotransmitter by Otto Loewi in the 1920s was acetylcholine ACh To describe the cells that produce and release ACh British pharmacologist Henry Dale introduced the term choline

5、rgic neurons Dale shared the 1936 Nobel Prize with Loewi in recognition of his neuropharmacological studies of synaptic transmission 19世纪20年代 Otto Loewi 发现了第一个真正被作为神经递质的 分子 19世纪20年代 Otto Loewi 发现了第一个真正被作为神经递质的 分子 乙酰胆碱 乙酰胆碱 为便于描述产生和释放乙酰胆碱的细胞 英国药理学家Henry Dale将此类细胞称为 为便于描述产生和释放乙酰胆碱的细胞 英国药理学家Henry Dale将

6、此类细胞称为胆碱能神经元 胆碱能神经元 基于对突触传递的神经药理学研究 Dale 与 Loewi分享了基于对突触传递的神经药理学研究 Dale 与 Loewi分享了1936年 的诺贝尔奖 1936年 的诺贝尔奖 Dale termed the neurons that use the amine neurotransmitter norepinephrine NE noradrenergic neurons The convention of using the suffix ergic continued when additional transmitters were identifie

7、d For example glutamatergic neurons GABAergic neurons peptidergic neurons and so on These adjectives are also used to identify the various neurotransmitter systems For example ACh and all the molecular machinery associated with it are collectively called the cholinergic system 去甲肾上腺素为神经递质的神经元称为去甲肾上腺

8、素为神经递质的神经元称为去甲肾上腺素能神经元 去甲肾上腺素能神经元 释放其它递质的神经元加上后缀释放其它递质的神经元加上后缀 能能 如谷氨酸能神经元 氨 基丁酸能神经元 肽能神经元等 如谷氨酸能神经元 氨 基丁酸能神经元 肽能神经元等 这些命名法也适用于神经递质系统 例如 乙酰胆碱以及所有与之 相关的结构统称为 这些命名法也适用于神经递质系统 例如 乙酰胆碱以及所有与之 相关的结构统称为胆碱能系统 胆碱能系统 This chapter focuses on exploring This chapter focuses on exploring Synthesis and metabolism

9、of specific neurotransmitters How do these molecules exert their postsynaptic effects Regulation of brain function and behavior by specific neurotransmitters 本章着重阐述 本章着重阐述 本章着重阐述 本章着重阐述 神经递质的合成与代谢神经递质的合成与代谢 神经递质如何执行其突触后效应神经递质如何执行其突触后效应 各类不同神经递质对脑功能和行为的调节各类不同神经递质对脑功能和行为的调节 Studying Neurotransmitter S

10、ystems 神经递质系统的研究神经递质系统的研究 Localization of Transmitters and Transmitter Synthesizing Enzymes 递质和递质合成酶的定位递质和递质合成酶的定位 Studying Transmitter Release 递质释放的研究递质释放的研究 Studying Synaptic Mimicry 模拟突触的研究模拟突触的研究 Studying Receptors 受体的研究受体的研究 Over the years neuroscientists have established certain criteria that

11、must be met for a molecule to be considered a neurotransmitter The molecule must be synthesized and stored in the presynaptic neuron The molecule must be released by the presynaptic axon terminal upon stimulation The molecule when experimentally applied must produce a response in the postsynaptic ce

12、ll that mimics the response produced by the release of neurotransmitter from the presynaptic neuron 多年来 神经生物学家已建立了判定一个分子作为神经递质必须 满足的 多年来 神经生物学家已建立了判定一个分子作为神经递质必须 满足的标准 标准 该分子必须在突触前神经元中合成并储存 在神经受到刺激后 该分子必须由突触前轴突末梢释放 该分子外加于突触 产生的效应与突触前释放该分子所引发 的效应相同 该分子必须在突触前神经元中合成并储存 在神经受到刺激后 该分子必须由突触前轴突末梢释放 该分子外加于突触

13、 产生的效应与突触前释放该分子所引发 的效应相同 Localization of Transmitters and Transmitter Synthesizing Enzymes 递质和递质合成酶的定位递质和递质合成酶的定位 If the particular molecule is concentrated in brain tissue or the application of the molecule to certain neurons alters their action potential firing rate the molecule may be a neurotran

14、smitter 如果某种分子在脑组织中浓度较高 或者将该分子施 加于一些神经元上 能改变这些神经元的动作电 位爆发速率 那么 它可能是一种神经递质 如果某种分子在脑组织中浓度较高 或者将该分子施 加于一些神经元上 能改变这些神经元的动作电 位爆发速率 那么 它可能是一种神经递质 The first step in confirming the hypothesis is to show that the molecule is localized in and synthesized by particular neurons Among many methods used to identi

15、fy different neurotransmitters two of the most important techniques are immunocytochemistry and in situ hybridization 要证明这一假设 首先要确定该分子的定位以及合 成该分子的特定神经元 在许多鉴定神经递质的技术中 最重要是 要证明这一假设 首先要确定该分子的定位以及合 成该分子的特定神经元 在许多鉴定神经递质的技术中 最重要是免疫细胞 化学 免疫细胞 化学和和原位杂交 原位杂交 Immunocytochemistry 免疫细胞化学免疫细胞化学 The method of imm

16、unocytochemistry is used to anatomically localize particular molecules to particular cells PrinciplePrinciple This method uses labeled antibodies to identify the location of molecules within cells 免疫细胞化学方法用于特定分子在特定细胞的免疫细胞化学方法用于特定分子在特定细胞的形 态学定位 形 态学定位 原理 原理 原理 原理 用标记的抗体鉴定分子在细胞内的定位 用标记的抗体鉴定分子在细胞内的定位 a

17、 a 将一种候选的神经递质注入动物体内 诱发 免疫反应产生抗体 将一种候选的神经递质注入动物体内 诱发 免疫反应产生抗体 b b 抽取动物血样 从血清中分离抗体 抽取动物血样 从血清中分离抗体 c c 将桥接了可视标记的抗体加于脑组织切片 上 将桥接了可视标记的抗体加于脑组织切片 上 该抗体仅标记含有候选神经递质的细胞 该抗体仅标记含有候选神经递质的细胞 d d 候选神经递质 抗体及其标记物共同组成紧 密的复合体 候选神经递质 抗体及其标记物共同组成紧 密的复合体 a A neurotransmitter candidate is injected into an animal causing

18、 an immune response and the generation of antibodies b Blood is withdrawn from the animal and the antibodies are isolated from the serum c The antibodies are tagged with a visible marker and applied to sections of brain tissue The antibodies label only cells that contain the neurotransmitter candida

19、te d A close up of the complex that includes the neurotransmitter candidates an antibody and its visible marker Function of the markerFunction of the marker The antibody molecules can be chemically tagged with a colorful marker that can be seen with a microscope When these labeled antibodies are app

20、lied to a section of brain tissue they will color just those cells that contain the transmitter candidate 标记物的作用 标记物的作用 标记物的作用 标记物的作用 给抗体添加在显微镜下可视的有色 标记 把这些标记的抗体加到脑组织切片上 就可使那 些含有递质的细胞着色 给抗体添加在显微镜下可视的有色 标记 把这些标记的抗体加到脑组织切片上 就可使那 些含有递质的细胞着色 Immunocytochemistry can be used to localize any molecule for w

21、hich a specific antibody can be generated including the synthesizing enzymes for transmitter candidates Demonstration that the transmitter candidate and its synthesizing enzyme are contained in the same neuron or better yet in the same axon terminal can help satisfy the criterion that the molecule b

22、e localized in and synthesized by a particular neuron 免疫细胞化学可用于定位任意一个能产生特异性抗体的 递质候选分子及其合成酶 免疫细胞化学可用于定位任意一个能产生特异性抗体的 递质候选分子及其合成酶 如果递质候选物和它的合成酶位 于同一神经元 最好是在同一轴突末梢 如果递质候选物和它的合成酶位 于同一神经元 最好是在同一轴突末梢 则表明该分子定位 并合成于这一特定神经元 便可判定该候选分子符合第一条 标准 则表明该分子定位 并合成于这一特定神经元 便可判定该候选分子符合第一条 标准 In Situ Hybridization 原位杂交原位

23、杂交 In situ hybridization is often used to confirm that a cell synthesizes a particular protein or peptide 原位杂交常用于确定某一细胞是否合成 特定的蛋白质或多肽 原位杂交常用于确定某一细胞是否合成 特定的蛋白质或多肽 由神经元合成的每一种多肽都有一特定的 mRNA mRNA 是一条由四种核苷酸以不同顺序连接 而成的链 每条核苷酸链都能与其互补链紧密结 合 因而 只要知道mRNA 链的核苷酸序列 便可 以人工合成 mRNA 的互补链 由神经元合成的每一种多肽都有一特定的 mRNA mRNA

24、是一条由四种核苷酸以不同顺序连接 而成的链 每条核苷酸链都能与其互补链紧密结 合 因而 只要知道mRNA 链的核苷酸序列 便可 以人工合成 mRNA 的互补链 这条mRNA 互补链称 为探针 这条mRNA 互补链称 为探针 探针与mRNA 的结合过程称之为杂交 探针与mRNA 的结合过程称之为杂交 要检测某一神经元是否有合成某一特定多肽的 mRNA 存在 要检测某一神经元是否有合成某一特定多肽的 mRNA 存在 把化学标记的探针加到脑组织切片 上 使之与组织中的某些互补链结合 把化学标记的探针加到脑组织切片 上 使之与组织中的某些互补链结合 便可以观 察标记后的神经元 便可以观 察标记后的神经

25、元 There is a unique mRNA molecule for every polypeptide synthesized by a neuron The mRNA transcript consists of four different nucleic acids linked together in various sequences to form a strand Each nucleic acid can bind tightly to one other complementary nucleic acid Thus if the sequence of nuclei

26、c acids in a strand of mRNA is known it is possible to construct in the lab a complementary strand that will stick to the mRNA molecule The complementary strand is called a probe and the process by which the probe bonds to the mRNA molecule is called hybridization To see if the mRNA for a particular

27、 peptide is localized in a neuron we chemically label the appropriate probe apply it to a section of brain tissue allow time for the probes to stick to any complementary mRNA strands Finally we search for neurons that contain the label For in situ hybridization the probes are usually labeled by maki

28、ng them radioactive Since we cannot see radioactivity hybridized probes are detected by laying the brain tissue on a sheet of special film that is sensitive to radioactive emissions After exposure to the tissue the film is developed like a photograph and negative images of the radioactive cells are

29、visible as clusters of small dots This technique for viewing the distribution of radioactivity is called autoradiography 用于原位杂交的探针一般以放射性同位素标记 用于原位杂交的探针一般以放射性同位素标记 由于肉眼无法 观察同位素的放射性 需将脑组织切片铺在对放射性敏感的感光胶 片上 曝光后 胶片即如照片 放射性细胞的负图像便可显现为簇 状白小点 这种观察放射性分布的技术 即 由于肉眼无法 观察同位素的放射性 需将脑组织切片铺在对放射性敏感的感光胶 片上 曝光后 胶片即如照片

30、 放射性细胞的负图像便可显现为簇 状白小点 这种观察放射性分布的技术 即放射自显影 放射自显影 ImmunocytochemistryImmunocytochemistry is a method for viewing the location of specific molecules including proteins in sections of brain tissue In situIn situ hybridizationhybridization is a method for localizing specific mRNA transcripts for proteins

31、 These methods enable us to see whether a neuron contains and synthesizes a transmitter candidate 免疫细胞化学 免疫细胞化学 免疫细胞化学 免疫细胞化学 用于观察特异性分子包括蛋白质在脑组 织切片上的定位 用于观察特异性分子包括蛋白质在脑组 织切片上的定位 原位杂交 原位杂交 原位杂交 原位杂交 用于定位特定蛋白质合成所需的用于定位特定蛋白质合成所需的 mRNA 这些方法使人们能够了解一个神经元是否贮存和合成某 种候选神经递质 这些方法使人们能够了解一个神经元是否贮存和合成某 种候选神经递质 St

32、udying Transmitter Release 递质释放的研究递质释放的研究 Once we are satisfied that a transmitter candidate is synthesized by a neuron and localized to the presynaptic terminal we must show that it is actually released upon stimulation 如果实验已证实候选递质由某种神经元合成 并定位于突触末梢 如果实验已证实候选递质由某种神经元合成 并定位于突触末梢 下一步需要确定神经冲动能 否引起该递质的释

33、放 下一步需要确定神经冲动能 否引起该递质的释放 In some cases In some cases a specific set of cells or axons can be stimulated while taking samples of the fluids bathing their synaptic targets The biological activity of the sample can then be tested to see if it mimics the effect of the intact synapses and then the sample

34、 can be chemically analyzed to reveal the structure of the active molecule This general approach helped Loewi and Dale identify ACh as a transmitter at many peripheral synapses 一般的做法是 一般的做法是 一般的做法是 一般的做法是 刺激特定的细胞或神经轴突末梢 收集浸浴该 神经所支配组织的液体样品 检测该样品的生物活性 判定其生物 活性能否模拟在完整突触上的作用 然后 对该活性分子的结构进 行化学分析 Loewi 和

35、Dale 正是利用此基本思路鉴定了乙酰胆碱 是许多外周突触的神经递质 刺激特定的细胞或神经轴突末梢 收集浸浴该 神经所支配组织的液体样品 检测该样品的生物活性 判定其生物 活性能否模拟在完整突触上的作用 然后 对该活性分子的结构进 行化学分析 Loewi 和 Dale 正是利用此基本思路鉴定了乙酰胆碱 是许多外周突触的神经递质 Studying Synaptic Mimicry 模拟突触的研究模拟突触的研究 Establishing that a molecule is localized in synthesized by and released from a neuron is stil

36、l not sufficient to qualify it as a neurotransmitter A third criterion must be met The molecule must evoke the same response as that produced by the release of naturally occurring neurotransmitter from the presynaptic neuron 前面已证实一种分子定位于某一种神经元 并由该神 经元合成和释放 但还不能确定此分子就是一种神经递 质 该分子还必须符合第三个标准 即 前面已证实一种分

37、子定位于某一种神经元 并由该神 经元合成和释放 但还不能确定此分子就是一种神经递 质 该分子还必须符合第三个标准 即该分子直接外加于 突触所产生的效应与突触前神经元天然释放该递质所产生 的效应是否相同 该分子直接外加于 突触所产生的效应与突触前神经元天然释放该递质所产生 的效应是否相同 To assess the postsynaptic actions of a transmitter candidate a method called microionophoresis is often used Most neurotransmitter candidates can be dissol

38、ved in solution that will cause them to acquire a net electrical charge A glass pipette with a very fine tip just a few micrometers across is filled with the ionized solution The tip of the pipette is carefully positioned next to the postsynaptic membrane of the neuron and the transmitter candidate

39、is ejected in very small amounts by passing electrical current through the pipette A microelectrode in the postsynaptic neuron can be used to measure the effects of the transmitter candidate on the membrane potential 微电泳微电泳可用来评估候选递质与突 触后膜的作用 大多数候选递质可在 溶液中溶解并获得净电荷 将一根尖 端仅几个微米的玻璃毛细管充满电解 液 然后将其尖端置于突触后神

40、经元 膜附近 当电流通过毛细管时 极少 量的候选递质从毛细管尖端释出 突 触后膜附近的微电极可检测到候选递 质对膜电位的影响 可用来评估候选递质与突 触后膜的作用 大多数候选递质可在 溶液中溶解并获得净电荷 将一根尖 端仅几个微米的玻璃毛细管充满电解 液 然后将其尖端置于突触后神经元 膜附近 当电流通过毛细管时 极少 量的候选递质从毛细管尖端释出 突 触后膜附近的微电极可检测到候选递 质对膜电位的影响 If ionophoretic application of the molecule causes electrophysiological changes that mimic the ef

41、fects of transmitter released at the synapse and if the other criteria of localization synthesis and release have been met then the molecule and the transmitter usually are considered to be the same chemical 如果微电泳该分子产生的电生理变化 类似递质 释放引发的突触效应 并且该分子符合定位 合成 和释放的标准 即可确认该分子为一种神经递质 如果微电泳该分子产生的电生理变化 类似递质 释放引

42、发的突触效应 并且该分子符合定位 合成 和释放的标准 即可确认该分子为一种神经递质 Studying Receptors 受体的研究受体的研究 Each neurotransmitter exerts its postsynaptic effects by binding to specific receptors As a rule no two neurotransmitters bind to the same receptor however one neurotransmitter can bind to many different receptors Each of the di

43、fferent receptors that a neurotransmitter binds to is called a receptor subtype For example ACh acts on two different cholinergic receptor subtypes One type is present in skeletal muscle and the other is present in heart muscle Both subtypes are also present in many other organs and within the CNS 神

44、经递质通过与突触后膜上特异性受体结合而发挥作用 通 常 不同的神经递质不可能与同一受体结合 但一种神经递质却可以 与不同的受体结合 神经递质通过与突触后膜上特异性受体结合而发挥作用 通 常 不同的神经递质不可能与同一受体结合 但一种神经递质却可以 与不同的受体结合 把能与同种神经递质结合的不同受体称之为受体 亚型 把能与同种神经递质结合的不同受体称之为受体 亚型 例如 乙酰胆碱可作用于两种不同的胆碱能受体亚型 一种存 在于骨骼肌 另一种存在于心肌细胞 这两种亚型在其它器官及中枢 神经系统内也有分布 例如 乙酰胆碱可作用于两种不同的胆碱能受体亚型 一种存 在于骨骼肌 另一种存在于心肌细胞 这两种

45、亚型在其它器官及中枢 神经系统内也有分布 Researchers have tried almost every method of biological and chemical analysis to study the different receptor subtypes of the various neurotransmitter systems Three approaches have proved to be particularly useful neuropharmacological analysis of synaptic transmission ligand bi

46、nding methods and most recently molecular analysis of receptor proteins 科学家几乎尝试了所有的生物学和化学分析方法来 研究各种递质系统的不同受体亚型 科学家几乎尝试了所有的生物学和化学分析方法来 研究各种递质系统的不同受体亚型 发现3种方法最适 合神经递质受体亚型的研究 发现3种方法最适 合神经递质受体亚型的研究 突触传递的神经药理 学分析 配体结合法 受体蛋白的分子分析 突触传递的神经药理 学分析 配体结合法 受体蛋白的分子分析 Neuropharmacological Analysis 神经药理学分析神经药理学分析 M

47、uch of what we know about receptor subtypes was first learned using neuropharmacological analysis For instance skeletal muscle and heart muscle respond differently to various cholinergic drugs Nicotine derived from the tobacco plant is a receptor agonist in skeletal muscle but has no effect in the h

48、eart On the other hand muscarine derived from a poisonous species of mushroom has no effect on skeletal muscle but is an agonist at the cholinergic receptor subtype in the heart 有关受体亚型的资料最早多来源于神经药理学分析 例如 骨骼肌和心肌对不同的胆碱类药物反应不同 从烟草植物中分离 的 有关受体亚型的资料最早多来源于神经药理学分析 例如 骨骼肌和心肌对不同的胆碱类药物反应不同 从烟草植物中分离 的烟碱是骨骼肌胆碱能

49、受体的激动剂 烟碱是骨骼肌胆碱能受体的激动剂 对心肌无作用 从毒蕈中 提取的 对心肌无作用 从毒蕈中 提取的毒蕈碱是心肌胆碱能受体的激动剂 毒蕈碱是心肌胆碱能受体的激动剂 对骨骼肌无作用 对骨骼肌无作用 The receptors were given the names of their agonists nicotinic receptors in skeletal muscle and muscarinic receptors in the heart Nicotinic and muscarinic receptors also exist in the brain 受体是根据其激动剂

50、加以命名 受体是根据其激动剂加以命名 如骨骼肌的 烟碱受体 N型 和心肌的毒蕈碱受体 M型 这两种受体亚型在脑内也有分布 如骨骼肌的 烟碱受体 N型 和心肌的毒蕈碱受体 M型 这两种受体亚型在脑内也有分布 Another way to distinguish receptor subtypes is to use selective antagonists The arrow tip poison curare inhibits the action of ACh at nicotinic receptors therefore causing paralysis and atropine d