第四章 神经元间的信息传递

受体的基本特征 1）饱和性 2）特异性 3）可逆性 4）亲和性 5）区域分布性 受体的分类、命名及分子结构 环状受体 细胞膜受体
七次跨膜α螺旋受体
一次跨膜螺旋受体
细胞内受体
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1）环状受体, 配体门控离子通道 （ligand-gated ion channel） 特征
①由4～5个跨膜亚单位聚集，构成 中央水相孔洞 ②每个亚单位一般具有2～4个由疏 水氨基酸组成的跨膜α螺旋区段 ③每个亚单位都有一个较大的细胞 外N端，上面有特异性配体结合的部 位。
④融合、卸货
⑤胞饮、再填充
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量子释放的基础：一个囊泡，“最小包装”
融合方式
吻了就跑 （kiss-and-run） 全融合
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（5）参与胞吐作用的相关蛋白 ①突触囊泡膜蛋白
突触蛋白、突触小泡蛋白、突触结合 蛋白、囊泡整合蛋白家族等
Synapsin
②突触前膜蛋白质
突触融合蛋白、突触小体相关蛋白-25、 生长相关蛋白-43等
大脑皮层各种功能的正常发挥依赖于皮层中兴奋和抑制的动 态平衡。在皮层神经网络中，兴奋性的锥体神经元和抑制性的中 间神经元通过突触结构形成局部神经环路，这些环路是皮层中兴 奋-抑制平衡的结构基础。一般认为，兴奋性神经元发放的动作电 位（数码信号）沿轴突传导至突触前膜，通过突触传递在抑制性 神经元上产生兴奋性突触后电位（EPSP），如果达到特定的发放 阈值，抑制性神经元会产生动作电位并在其支配的兴奋性神经元 上产生抑制性突触后电位（IPSP），从而反馈抑制兴奋性神经元。 大脑皮层的电活动状态与行为息息相关，那么皮层又是如何在不 同的电活动状态下（即当神经元处于不同的膜电位水平时）维持 25 兴奋-抑制的动态平衡呢？
研究人员在离体脑薄片上应用膜片钳技术同时记录多个皮 层神经元，发现反馈性抑制受到突触前锥体神经元膜电位的调控： 锥体神经元的阈下膜电位去极化（兴奋性提高）可增强其动作电 位在突触后锥体神经元上引起的双突触 IPSP （抑制性增强）。 进一步实验证明，双突触 IPSP 的增强是由抑制性中间神经元所 介导：突触前去极化增大动作电位在抑制性中间神经元上诱发 EPSP（膜电位依赖的模拟信号），并使其发放动作电位的概率 和数目增加，从而介导IPSP的增强。这种膜电位依赖的EPSP和 IPSP的变化由轴突 D- 电流（一种快激活但缓慢失活的钾电流） 所介导。 该研究揭示了大脑皮层动态维持其网络中兴奋和抑制平衡 的新机制。由于皮层中这一平衡的破坏与癫痫、精神分裂症等神 经系统疾病有关，这项研究成果可为相关疾病的临床治疗提供新 思路。
突触抑制（synaptic depression）
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（2）长时程突触可塑性 可以持续数小时乃至数周的突触活动的增强 与抑制现象，分别被称为LTP和LTD 。 LTP(long term potentiation)：突触前末梢受到强 直刺激后，突触后神经元出现的一种突触后电位持 续性增强的现象。
LTP被普遍视为构成学习与记忆基础的主要分子机制之一
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特征：大量突触囊泡
（3）突触间隙 (synaptic cleft)
约 20 nm
含电子致密物质
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（4）突触后膜（postsynaptic membrane） 含多种特异的蛋白质，主要是受体蛋白、通道 蛋白，还有一些能分解神经递质使之失活的酶类。
特征：颗粒和细丝
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4. 突触传递
synaptic transmission
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• 在体内有较广泛的分布，发育期超过发育成熟后
• 神经系统中主要存在于胶质细胞之间 • 分子量低于1 KD或直径小于1.5 nm的物质可通过缝隙连接
（2）电突触的作用
功能意义：使神经元形成同步化活动
•不存在突触延搁
•传递信号可靠，不易受各种因素的影响 •传递速度快，易于形成同步化
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电突触
结构基础：缝隙连接（gap junction）
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特点
(1)单向传递
(2)突触延搁（0.5 ms）
(3)总和
(4)对内环境变化的敏感性
(5)对某些药物敏感
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（2）突触前膜去极化和Ca2＋的内流
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（3）突触前递质释放 以胞吐（exocytosis）的形式释放神经递质 以胞吞（endocytosis）的方式进行再生
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Endocytosis and exocytosis
电突触的突触间隙很窄，在突触小体内无突触小泡， 间隙两侧的膜是对称的，形成通道，带电离子可通过 通道传递电信号。 特点： 电突触多数是双向传导的，即缝隙连接，是以电流 （电讯号）传递信息。作为化学突触,其传递是单向性 的，化学物质（神经递质）作为通讯的媒介。
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3. 化学突触
• 经典突触传递，即突出前神经元产生的兴奋性电信号 （动作电位）诱发突触前膜释放神经递质，跨过突触 间隙而作用于突触后膜，进而改变突触后神经元的电 活动。 • 突触前神经元首先通过释放神经递质，将神经元电信 号转变为化学信号，然后携带信息的神经递质作用于 突触后膜，并将化学信号再转换为电信号，所以又称 为电——化学——电传递。
①突触前神经元：电信号－→化学信号 ②突触间隙：化学物质－→突触后神经元
③突触后神经元：化学信号－→电信号
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（1）化学突触的传递过程和特点
过程
①Ca2+内流进入突触前膜 ②囊泡释放递质到突触间隙 ③递质作用于突触后膜受体， 打开钠通道 ④递质激活突触后膜G蛋白 偶联受体 ⑤⑥⑦递质作用于突触前膜 受体或被突触前膜重摄入 ⑧递质被胶质细胞摄入 ⑨突触囊泡的形成 ⑩其它囊泡释放
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2）七次跨膜α螺旋受体 2）七次跨膜α螺旋受体, G蛋白偶联受体（G protein coupled receptor） 蛇型受体（serpentine receptor） 特征
①一条肽链，7次跨膜；N 端在膜外，糖修饰, 亲水性 氨基酸组成 ②跨膜部分为螺旋结构， 疏水
③ C端在胞内，为与效应
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2种过程
（7）慢传递与快传递 快信息传导 ：直接产生突触后电位，<1 mS
是突触传递的基本形式
慢信息传导 : 产生一系列生化反应，以秒计
是一种调制机制
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二、突触整合（synaptic integration）
突触整合: 神经元将各种传入冲动引 起的突触后反应进行空间 和时间的总和，最终决定 是否输出动作电位的过程。 兴奋性突触后电位 (EPSP) 抑制性突触后电位 (IPSP)
③胞液中的蛋白质
N 乙基马来酰亚胺敏感因子-可溶性NSF 附着蛋白
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GAP-43 (green)
（6）神经递质突触前释放的调制 内在过程: 由静息膜电位或动作电位发 放的变化所引起 外部过程: 其它神经元的突触输入 改变启闭钙通道 改变钙通道门控 4种调制靶点 改变K+或Na+内流 作用于Ca2+内流的下游机制
化学性突触 按结构和机制
电突触 按照传递性质
兴奋性突触 抑制性突触
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2. 电突触
（1）缝隙连接（gap junction）
• 细胞间惟一能直接进行信息和物质交换的通道。 • 由相邻细胞膜上的两个连接子（connexon）相互锚定而成。 •六个连接蛋白（connexin）排列成六角形，中央有一直径约1.5 nm 的孔形成了连接两细胞的亲水性孔道。
A typical mammalian neuron in the cortex may be in synaptic contact with24 100-1000 other neurons
中科院上海生命科学研究院神经研究所的研究人员发现了大 脑皮层维持兴奋和抑制动态平衡的新机制，并画出了一幅大脑皮 层“太极图”，这项研究有助于分析癫痫、精神分裂症等神经系 统 疾 病 。 这 一 研究成 果 公布在 《 公共科 学 图书馆 — 生物学 》 （PLoS Biology）杂志上。
器偶联的部位或本身的效 应部位
七次跨膜α螺旋受体结构
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受体和各种效应器 （酶、通道）之间 的通过G蛋白偶联
G蛋白: 能结合并水解三磷酸鸟苷，且其功能也受 GTP-GDP转化的调节
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3）一次跨膜螺旋受体 催化型受体（catalytic receptor） 酶偶联受体（enzyme coupled receptor）
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以轴突末梢释放特殊的化学物质 来完成突触传递的方式
（1）化学突触的解剖结构
① 突触前膜 7.5 nm，递质、受体 ② 突触间隙
20～30 nm，粘多糖、糖蛋白、 水解酶
③ 突触后膜
受体、离子通道
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（2）突触前膜（presynaptic membrane）
信号整合区
突触终扣（synaptic button） 致密突起（dense projection） 网格（grid） 突触囊泡，突触小泡（synaptic vesicle）
兴奋-分泌耦合（excitation-secretion coupling） 神经递质在突触前细胞发生冲动（动作电位） 时，钙离子通道负责将去极化转化成神经递质的释 放。
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源自文库
（4）量子释放与胞吐作用
量子释放（quantal release）
胞吐（exocytosis）
①去极化 ②Ca2＋内流 ③泊靠
↓
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第二节 神经系统信号转导
指神经递质、神经调质、激素、神经营养因子或细胞因子 等细胞间信号转化为细胞内生物化学信号并产生后续神经细胞 功能改变的过程。
受体（receptor）: 存在于细胞膜或细胞内的生物大分子（糖 蛋白或脂蛋白），能够特异性地识别和结合有生物活性的化学 35 信号物质，启动一系列信号转导，产生相应的生物效应。
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突触整合（synaptic integration）：
• 不是突触电位简单的代数和 • 是突触处被激活的电导和离子流的对抗作用 • 受突触电位在神经元树突分支上几何位置的影响 • 是脑最基本功能活动的本质
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（1）突触整合的简单形式 时间总和 总和 空间总和 （2）突触整合的关键部位 轴突始段（axon initial segment） 即动作电位的触发区
轴突始段
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三、突触可塑性 （synaptic plasticity）
突触可塑性 指化学性突触传递效能的改变 ，包括突触传递 增强和突触传递减弱两方面，表现为突触后膜上电 反应的增强或减弱。
根据电反应持续时间： • 短时程突触可塑性
• 长时程突触可塑性
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Typical LTP graph, obtained from the CA1 region of the hippocampus
第四章 神经元间的信息传递
1
第一节 神经元信息传递的生理学
2
一、 突触结构与传递
1. 概述
突触：一个神经元与另一个神经元、肌细胞、腺 细胞以及其他效应器细胞或感受器细胞等紧密接 触并形成特殊结构的功能接触部位。
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分类
轴突-树突型 轴突-胞体型 轴突-轴突型 胞体 胞体型 树突 树突型
按接触部位
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long-term synaptic potentiation
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LTD（long term depression ）
突触传递效应持续性 下降的一种现象，小 脑皮层是产生LTD的 重要部位之一。
Sti: PF
PC CF PF
Rec: PC----EPSP
Sti: PF and CF (1～4Hz) + PF Rec: PC---EPSP ↓
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受体活性调节
受体下调：数目减少和/或结合力降低与失敏
受体上调：数目增多和/或对配体的结合力增加 常见机制 磷酸化和脱磷酸化作用 G蛋白的调节 酶促水解作用
• 全部为糖蛋白且只有一个跨膜螺 旋结构 • 配体与受体结合后改变酶的活性 •由4部分组成： 识别部位、跨膜结构
催化部位、调节部位
40 一次跨膜螺旋受体结构
细胞内受体 多为反式作用因子（trans-acting factor） 特征
• 通常为400～1000个氨基酸残基
• 四个区域：
高度可变区，含25～603个氨基酸残基，具转录激活作用 DNA结合区，有66～68个氨基酸残基，富含半胱氨酸并有 锌指结构 激素结合区，由220～250个氨基酸残基 铰链区，短序列
突触传递可塑性 突触可塑性 （广义） 突触发育可塑性
突触形态的可塑性
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（1）短时程突触可塑性 突触前神经末梢受到一连串有效电刺激后， 在短时间内（数十毫秒到数十分钟）突触前或突 触后反应的增强或减弱。
三 种 形 式
突触易化（synaptic facilitation）
强直后增强（posttetanic potentiation, PTP）