(生物科技行业类)神经精神疾病的生物化学

第十六章神经、精神疾病的生物化学

神经系统是由神经元相互联系构筑的电及化学信号网络。解剖上，脑和脊髓构成中枢神经系统，脑神经、脊神经和植物神经构成周围神经系统。微观，由神经元（细胞）、胶质细胞及其间质构成神经组织。组成神经细胞的各种分子及其动态的生物化学过程为神经系统网络运行的分子基础。

第一节概述

神经系统功能的正常运转需要若干条件，包括神经细胞的外在环境及该环境的恒定；神经细胞间的信号传递；神经生长因子和营养因子作用。

一、脑脊液的形成、功能与血脑屏障

中枢神经系统的化学组成与血液成分保持动态平衡。在血-脑之间有一种选择性地阻止各种物质由血入脑的“屏障”，为血脑屏障。分析血液和脑脊液中成分的差异，可推知屏障的功能状况。

（一）脑脊液的形成及功能

1．脑脊液的形成脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）主要由脉络丛生成。供应大脑的血管在软脑膜层中分支，广泛伸入到脑实质中去，血脑屏障功能的实现与这些毛细血管相关联。

脑脊液的蛋白质每100ml人腰椎穿刺液含31.3或40mg。人脑脊液除含有较血浆多的镁和氯外，其他成分均比血浆低。脑脊液是一种特殊的分泌，由溶质跨越脑室脉络丛（choroid plexus）的上皮细胞进行主动转运并配合水的被动扩散而生成。正常人的脑脊液分泌速度为0.3～0.4ml/min。脑脊液也有脉络丛外的来源，如脑毛细血管的离子载体介导的转运，使血浆中各生物化学组分的波动很少能影响脑脊液中相应组分的浓度。

2．脑脊液的功能脑脊液是透明清亮的液体，可视为广义的脑细胞外液。

脑脊液具有重要的功能：①可运送营养物质至脑细胞，并带走其代谢产物。②可避免震荡时对脑的冲击；分散压力，③是脑内触脑脊液神经元感受内环境变化的窗口, 亦是其分泌激素的运输通道。④通过脑脊液循环，对调整颅内压有一定的作用。

另外脑脊液还是了解血脑屏障功能状况及脑部病变的“窗口”和中枢神经系统治疗用药的一个途径。

（二）血脑屏障

1．血脑屏障的结构血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）由脑毛细血管内皮细胞、基膜及星形胶质细胞突起形成的血管鞘构成。内皮细胞带负电荷，薄，无窗孔，细胞之间存在着紧密连接，很大程度上限制了蛋白质和离子的通过。内皮细胞内含有大量的线粒体，为细胞转运物质提供能量。毛细血管内皮外有一层基膜，脑毛细血管外壁有星型胶质伸出的突起贴附，星型胶质有主动运输某些物质的功能。主要由血管内皮细胞和细胞间的紧密连接构成了血脑屏障，基膜和星型胶质对屏障起辅助作用。在脑室旁器官内，毛细血管内皮有窗孔，所以缺少血脑屏障。

2．血脑屏障的选择通透性血液中物质进入脑组织必须通过脑毛细血管内皮细胞。由于细胞膜为脂质双层，表面带负电荷，并且存在细胞间紧密联接，故具有选择通透性。

（1）蛋白质不易通过：与血浆蛋白结合的物质亦不能直接通过。游离的这些分子可通过特定方式进入脑组织。脑脊液中的蛋白多为小分子的清蛋白。

（2）高脂溶性物质可自由通透：方式为被动扩散。水和气体很易扩散入脑。

（3）低脂溶性分子转运由载体介导：脑毛细血管内皮细胞膜上存在多种物质转运的载体蛋白。

（4）金属离子交换缓慢：脑毛细血管中Na+，K+-ATP酶定位于内皮细胞的背腔膜面上，它介导了Na+的移除，也参与将间液中的K+从脑排除。

（5）内皮中代谢调控转运。

血脑屏障通过对物质的选择性通透，完成血液与脑组织之间的物质交换，保证脑代谢和功能的正常运行。脑内缺氧、创伤、出血、梗死、炎症、肿瘤可使屏障破坏，通透性增高,其变化可通过脑脊液的成分改变反映出来。

二、神经组织的生物化学特点

神经组织的化学组成和代谢特点如下：

（一）糖代谢

葡萄糖是神经组织最重要和实际上唯一有效的能量来源。血中葡萄糖的正常水平和通过扩散进入神经组织的少量磷酸已糖，是维持脑的日常功能运转所必需。

糖代谢方式主要为有氧氧化和无氧酵解（占90%~95%），其次有磷酸戊糖途径（占5%~10%）。

（二）脂类代谢

脂类的构成以磷脂为主，并含有较多的糖鞘脂和胆固醇。糖鞘脂为神经组织的特殊脂，主要有脑苷脂和神经节苷脂。脑脂类中大多数代谢缓慢。脑脂肪酸大部分在脑内合成，仅少量来自膳食。许多长链不饱和脂肪酸脑内不能合成，依赖外源。脑内存在氧化酮体的酶系，饥饿时酮体可部分替代葡萄糖供能。

（三）蛋白质代谢

脑的蛋白总量达37%。神经组织的蛋白质一般包括一种清蛋白，几种球蛋白，核蛋白和神经角蛋白（neurokeratin）等。最近从中枢神经系统分离出几种特有蛋白质：酸性蛋白质、钙调蛋白和神经白细胞素（neuroleukin, NLK）。

脑中氨基酸有血液及糖代谢转变两个来源。谷氨酸、天冬氨酸和相关的氨基酸含量较高（与氨基酸衍生为神经递质的代谢有关）。进入脑中的氨基酸可迅速被利用合成蛋白质。蛋白质的合成主要在细胞体进行。

（四）核酸代谢

脑中RNA的代谢速度随神经的功能活动程度而变化：在短期的强烈刺激之后RNA含量升高，但长期刺激后却趋于降低。脑中RNA含量随脑的特定功能细胞和区域分布而异。脑中RNA含量高说明脑的功能和代谢活跃。

（五）水和电解质代谢

中枢神经系统，Na+，K+-ATP酶（即Na+，K+泵）集中分布在伴有高离子流的膜区。神经元也含有Ca2+通道，多种Cl-通道和受细胞内A TP调节的K+通道。神经元的泵（Ca2+，-ATP酶）与Na+：Ca2+交换系统及Na+：-K+泵协同作用，参与突触功能的调控。

（六）能量代谢

正常情况下，脑的耗氧量为3.5ml/（100g脑组织·min），明显高于机体其他组织。脑对缺氧耐受力极差。脑内A TP迅速生成及迅速利用。在基础状况下，ATP/ADP比值为10~20，低于此比值，脑内腺苷激酶催化2分子ADP生成1分子ATP和1分子AMP，增加利用的ATP，以应急需。脑内A TP丰富时肌酸激酶活跃，可生成磷酸肌酸而贮存能量，脑内肌酸激酶为BB型同工酶。

三、神经递质的生物化学

神经递质(neurotransmitter)为神经元间或神经元与靶细胞(肌肉、腺细胞)间起信号传递作用的化学物质。部分递质在突触处无传递信号的功能，只对其他递质引发的效应起调制作用，称为神经调质（neuromodulator）。它们多为肽类物质,又称神经肽（neuropeptide）。单胺递质一般由相应的氨基酸代谢演生而成。神经肽则先由基因表达生成前肽原（pre-peptide）,再经过酶切修饰成肽原（pro-peptide）和肽。当出现神经系统病变时，递质的产生，释放和受体及其相互作用会发生改变，导致各种疾病。