神经生物学-4 神经元之间的信息传递-电突触传递

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Hale Waihona Puke Baidu
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Cx 基因家族
编码一大类膜蛋白,由许多成员组成。
其中至少有12 种Cx 在成年或发育的神经系统中有 不同程度的表达： Cx26 ,Cx30 ,Cx33 ,Cx36 ,Cx37 ,Cx39 ,Cx40 ,Cx43 Cx45 ,Cx46 ,Cx47 各家族成员有大约50 %氨基酸序列相同,而且这些相 同的序列大多为跨膜区和细胞外环。
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结构和分子基础
一种圆盘样（plaque-like）结构，连接处相邻细胞 间有2～4nm的缝隙。 在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，膜内颗粒 由六个相同或相似的跨膜蛋白亚单位组成，是构成 缝隙连接的基本单位，称连接子（connexon）。 每个亚单位都是一个单一的蛋白（一条多肽链）， 称为连接蛋白（connexin），分子量为25,000D。 在缝隙连接中，相联细胞的连接子相互衔接形成连 接子通道（connexon channel）。
20 Angstrom in diameter Molecules < 1000 daltons
(750 daltons=1 angstrom= 1.0E-10
meter)
Low Resistance Resistance:
• • • • Ca+2 pH Electric Fields Sodium concentration
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1.参与细胞分化 2.协调代谢 缝隙连接的生理意义 3.构成电突触
Electrical coupling via gap junctions is extremely important in the brain and for functioning of the heart (myocardium心肌).
Connexin-43 (Cx43) knock-out mice （基因敲除） die early from heart misformations. Cell-cell channel connectivity is crucial for normal hearing, and mutations in Cx26 course non-syndromic deafness.
第四讲 神经元之间的信息传递
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一、缝隙连接与电传递
Gap Junction & Electrical Synaptic Transmission
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1.电传递和电突触
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电突触传递特点
（1）双向性传递（但有些具有整流作用的电突触，如螯虾腹神 经索、海兔和水蛭的神经系统、鱼脑干中的毛特纳氏细胞等 只允许兴奋以电紧张的形式从突触前传到突触后，为单向电 传递)
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2008 paper on Seizure
A key role for electrical communication between cortical bursting interneurons during ictal seizures was hypothesized in the 4-aminopyridine (4-AP) in vivo epilepsy model The blockade of GJ communication has been shown to reduce seizure activity in a number of epilepsy models in vitro
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GJ 通道蛋白由4 个α螺旋跨膜亲水片段M1～4 ,2 个胞外环( extracellular loop) E1～2 ,一个胞质 环(cytoplastic loop) 组成。
连接蛋白的氨基(N 端) 和羧基(C 端) 末端位于胞 浆内,氨基末端相对比较保守,而羧基末端则差异较 大。
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Figure 1 Multiple levels of gap junction channel structure. Individual transmembrane connexins (coloured blue and orange) assemble into hexamers called “connexon hemichannels.” Connexons from two adjacent cells join to make a channel across two plasma membranes (green), forming a “gap junction channel.”
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GJ 在CNS 的主要功能：
①参与细胞间信息传递和神经脉冲的传导及神经功能 活动的协调。 GJ 具有传导快,阻抗低,延搁时间短的特点。如某 一细胞受到刺激,或接受到外界某种信息,其离子电 位改变并通过GJ 迅速将离子或其他调节信号传递给 相邻细胞,完成机体的整体功能。
③缓冲毒性化学物质的毒害作用或滋养受损细胞
受损害部分细胞可通过GJ 向周围细胞排出毒物,减少 毒物对细胞的损害。周围细胞通过GJ 向该部分细胞 提供其所需的营养物质,协助其功能恢复。 如果细胞受损害太严重或其毒物浓度太高,则其GJ 通 道关闭而限制毒物扩散。受损细胞的有害物质也可能 通过GJ 迅速进入正常细胞内,引起受损范围扩大。 有研究证实应用GJ 失耦联剂可减少缺血受损面积。 ④星形胶质细胞网络就可以从血液循环中摄取能源物质 并通过GJ 再传递、分发给神经元,对整个脑代谢起调 节作用。
氨基末端的丝/ 苏及酪氨酸残基的磷酸化水平影响 GJ 的功能状态 。
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缝隙连接通透性
实验现象： 昆虫唾液腺表皮细胞注射荧光染料，可见染料相继扩散到邻近 的细胞，但却不能离开细胞。 ---表明这些细胞的细胞质有直接的联系 注射不同分子量的染料，发现一般只允许分子量小于1.5kD和 直径小于1.5nm的无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素 等化学物质通过。 ——缝隙连接对通透分子的大小具有选择性 降低细胞PH值或升高钙离子浓度均可降低缝隙连接的通透性。 当细胞破损时，大量钙离子进入，导致缝隙连接关闭，以免正 常细胞受到伤害。
GJ 允许细胞间直接交换离子,是神经元的电突触; 这种电紧张突触联络是CNS 重要的同步化机制,在呼 吸节律、昼夜节律、脊髓前角运动神经元持续运动 形式的产生与维持,甚至对于固定记忆的形成起重要 作用。
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②参与细胞的分化生长与发育
电耦联是发育中神经环路一种普遍存在的特性,出现在 化学突触分化形成之前。
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（4）对缺氧、离子或化学环境的变化不敏感；
（5）包含的步骤较少，在传递过程中实行控制、改 造的机会也比较少，但某些神经递质对电突触的 导电特性具有调制作用； （6）在中枢神经系统和视网膜上，电传递主要发生 在同类神经元之间，具有促进神经元同步化活动 的功能。
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（2）电突触两侧细胞膜可同时去极化，离子直接通过突触后膜；
（3）由于其低电阻的特性，因而传递速度非常快，几乎不存在 潜伏期；
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2.缝隙连接
缝隙连接（gap junction）是上皮组织、平滑 肌、心肌、神经组织以及许多胚胎组织的细胞之间 连接的主要方式之一。分布非常广泛，有多种功能， 它与细胞的代谢和分化、物质的运输等有密切关系， 是细胞间电传递的结构基础。
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脑内神经环路形成和皮层发生过程中,GJ 信号转导使 准备迁移至皮层的细胞集合起来,使电生物学活动一致, 从而形成一个个脑功能区。 神经系统成熟后,神经元间的GJ明显减少,但仍有一些 特定神经元细胞间仍保持GJ电信号转导。 脊髓神经损伤后,运动神经元重新耦联,参与神经再生 与功能重塑。
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