• 汇集公众科学智慧交流科学思想见解
  • 点燃科学智慧火花构建互动交流平台
科学智慧火花
发表评论  0                

兴奋性神经冲动传递过程中化学递质作用的渗透压机理

投稿时间:2018-10-23 18:05 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

突触传递是神经学科核心,它能使前后两个神经元保真性地、以全有和全无模式传递神经信号。现行理论认为,动作电位到达轴突终端→电压门控钙通道开放→钙内流→囊泡释放化学递质(胞吐)→递质进入间隙并与突触后膜上的受体结合→产生兴奋性突触后电流(EPSC)。

一、神经至今神秘的历史渊源

由于电生理学上人们对膜电位的错误理解,以及对最初神经刺激实验中半个初心的遗忘,使得突触传递中的每一步都充满了对实验结果的意想不到,和对其分子机理的神秘感。对膜电位的错误理解,我已在几篇文章[1-5]中有过详细论述。其实,生物电就是细胞膜电位的存在和变化,其变化的本质是细胞内外以钙离子为主导的金属离子流。机械刺激和电刺激,是1791年意大利科学家伽伐尼在解剖时,最初考虑使蛙腿发生抽搐的两种刺激方式。不过,由于人工电刺激时使用的电压、电流及频率的大小很易控制并容易建立数学模型,被电生理学家惯用,而将初心的另一半——机械刺激给逐渐遗忘了。至今无论实验还是从理论,人们仍然是着重于电刺激,而忽视了对机械刺激的研究。当然也有人在实验中注意到了这种机械效应。例如,H. Parnas等[6]就注意到了张力与囊泡递质释放之间的联系,他们提出当张力得到缓解后的去极化时递质释放开始,当膜复极时张力恢复而释放终止。

二、机械刺激与跨膜Ca2+/Na+交换之间的平衡

Ca2+与Na+或其它一价阳离子的跨质膜或跨细胞器膜的交换,是与产电效应及渗透压引起的机械效应相联系的。当Ca2+与Na+跨膜交换时,电荷平衡要求一个Ca2+与两个Na+交换,但这种交换却打破了原来的渗透平衡。根据渗透压的依数性,渗透压只依赖于溶液中渗透质的浓度或颗粒数。若保持原来的渗透平衡不变,一个Ca2+只能与一个Na+离子交换。实际生理情况下可能在电荷平衡与渗透平衡之间维持一种动态平衡,因此就出现了跨膜的电效应和机械效应。不过人们通常只注意到了电效应而忽视了与渗透平衡相联系的机械效应。

当动作电位(钙波)到达轴突终端时,构成钙波的少量钙离子,首先以电性吸引终端内最为成熟的囊泡表面蛋白分子中的两个或两个以上的酸根阴离子残基,破坏了最成熟囊泡表面的稳定性,使囊泡破裂从而释放内部高浓度的大量递质分子,导致突触前终端内的渗透浓度瞬时增加,紧接着快速吸水使前突触终端肿胀,这种肿胀是与短时突触可塑性相联系的,同时内压升高。

突触前终端的内压升高也是一种机械效应,它使下列跨膜Ca2+/Na+交换平衡向着压力减小的方向(Ca2+内流的方向)移动:

渗透浓度降低,压力减小:   Ca2+ ? 2Na+    :渗透浓度升高,压力增大  

由渗透压变化引起的机械效应,导致突触前终端膜上的所有钙通道同步开放,并且所有钙通道都发生了简并或退化(degeneracy)[7],使外Ca2+内流。内流的Ca2+又进一步引爆其余成熟囊泡的递质释放,伴随着终端内渗透浓度及渗透压的快速增大,前终端快速膨胀,压迫后突触膜使其内压增大。与上同理,在渗透和交换两个平衡的转化下导致后突触的大量Ca2+内流而形成EPSC,突触传递完成。

三、囊泡递质释放与内液渗透质浓度和渗透压的变化

由于在电镜观察中发现有突触囊泡与突触前膜融合的现象,因此而发展起来的模型认为:囊泡破裂时以胞吐的形式将化学递质释放到突触间隙中,并称为囊泡膜与质膜的融合。不过越来越多的证据表明事情并不这么简单,许多囊泡释放后并不与质膜融合。另外,融合说也不利于囊泡循环的机理解释,由此产生了两种假说:完全破裂融合(full collapse fusion)说和“吻了就跑”(kiss-and-run)说[8]。接下来,从递质进入间隙、与EPSC的产生,教材及文献中通常仅以:递质与突触后膜上的受体结合,打开离子通道使离子内流之说而一概而过。这种解释很无奈,分子机理仍显苍白。

现在已经知道,大脑的学习和记忆依赖于神经元间突触的短时可塑性和强直后增强(PTP),在特定刺激模式下能持续数秒钟[9]。N. Korogod等[10]由神经末梢大花萼的穿孔膜片钳全细胞记录发现, PTP不是由突触前动作电位波形的变化介导的;他们的Ca2+成像显示PTP过程中,突触前Ca2+瞬变(电压门控Ca2+电流)仅有约15 % 的略微增加,根本无法解释PTP的大部分,因为在突触前Ca2+去封闭实验中,增加囊泡融合的Ca2+敏感性大约增加3倍(约300 % )。我们认为很可能是连续刺激引发的递质的积累导致的渗透质浓度及渗透压的高位维持相关。为什么会增加突触前终端内的渗透浓度和渗透压呢?粗略计算如下。

从百度百科中查到,突触小泡内含有高浓度的化学递质;小泡的直径为30~60nm,每个内含1万~20万个递质分子。我们粗略估算囊泡内递质分子的渗透浓度。小泡可视为球形,其体积大致与内含递质分子数呈正相关。每nm3体积的小泡内液中含有的化学递质浓度的上、下限:

对半径15 nm的小泡:10000/(4π×153/3)= 0.71(分子/nm3

   [0.71/(6.02×1023) mol]/(10×10-24 L)= 1.2 mol/L;

半径为30 nm的小泡:200000/(4π×303/3)= 1.8(分子/nm3

   [1.8/(6.02×1023) mol]/(10×10-24 L)= 2.9 mol/L;

通常胞浆的渗透浓度大致为0.3 M,计算可知,突触小泡内递质分子的渗透浓度大致为胞浆渗透浓度的4~10倍。

根据渗透压的依数性,无论溶液中溶质颗粒的大小及性质如何,对渗透压的贡献都是相等的。也就是说,一个小小的钠离子或钙离子,甚或一个可溶性的球蛋白,甚至一个悬浮的囊泡能产生大致相同的渗透效应。当大批成熟小泡同时释放时,渗透浓度及渗透压将会迅速增大。实验上当发生PTP时,残余的渗透浓度及渗透压在维持着突触小体的膨胀,是它们增加了钙敏感性的大部分。

四、钙内流很可能是EPSC形成的主要原因

现行的理论通常认为EPSC是由于内流的钠电流形成的,对此我们从理论分析认为这可能仍是一种误解,其原因有六:一、现在的膜片钳技术只能测定跨膜电流的大小和方向,并不能确定构成电流的载流子是何种离子;二、历史上由于考虑外高内低的钠离子浓度,所以就把内向电流全部误认为是钠电流,因外低内高的钾离子浓度而误认为外向电流是钾电流,其实目前还没有找到能区别钾、钠离子的合适的荧光指示剂。三、胞外Na+浓度只是胞内的十几倍,静息时细胞外Ca2+浓度却是内Ca2+的几千乃至上万倍,从内、外离子浓度比来看,内向电流也应该是钙电流而不是钠电流;四、从渗透压和离子交换来分析,当后突触膜受到机械压迫时,内流的也应该是钙离子而非钠离子;五、生理条件下动作电位的本质是钙波而非钠波,突触后膜进入的也应该是钙离子;六、由实验证实的离子通道的退化(或简并)[7],可能在突触后膜上同样适用,原来测定的内向电流可能就是Ca2+流。

在前突触终端Ca2+内流时,钙通道的简并和同步开放是现行理论体系所无法解释的。现行理论通常认为动作电位使电压门控钙通道开放而导致外钙内流,这样的观点对解释通道的同步开放似乎有一定道理,但为什么带两个正电荷Ca2+离子没有在静息时胞内液非常负的情况下进入胞内,反而在动作电位到达的负几十毫伏转为正几十毫伏时才进入胞内?这是违犯正负电性相吸之常理的。当然人们可以把这种犯天条的使命指派给神秘的离子通道,使得上世纪80年代开始,对离子通道的研究进入热点。近年来对通道蛋白结构的重构技术的发展,已经达到了原子分辨率,然而,并没有发现离子通道的自主神秘性。Drion,G等[11]实验上发现的,前突触终端钙内流时离子通道的简并或退化也已经证明了不同离子通道的去专属性和去神秘性。

参考文献

1.  王孝恩,中科院科学智慧火花:2017-01-02.

2.  王孝恩,中科院科学智慧火花:2017-02-05.

3.  王孝恩,中科院科学智慧火花:2017-02-08.

4.  王孝恩,中科院科学智慧火花:2017-02-12.

5.  王孝恩,中科院科学智慧火花:2017-03-22.

6.  Parnas, H.等, PNAS (2002) 99 (26) : 17149-17154.

7.  Drion, G. 等,PNAS (2015) 112 (38): E5361–E5370.

8.  Breckenridge, L. J. 等, Nature. 328 (6133): 814–817.

9.  Xue, R. H. 等,PNAS (2018) 115 (24): E5605-E5613.

10. Korogod,N.等,PNAS (2007)104(40):15923-15928; 

11. Drion, G.等,PNAS (2015)112(38): E5361–E5370.