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钙离子引爆神经突触囊泡的渗透压机理

投稿时间:2018-11-10 11:14 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

人体遍及各个器官都布满了神经纤维网络,其实它们都是由各自独立的神经细胞(又称神经元)构成。两神经元之间通过一种称为突触(Synapse)的边境口岸结构进行神经信号的交接和传递。突触又分为电突触和化学突触。电突触比较简单,神经脉冲电流可直接穿过突触。化学突触的传递机理至今仍显神秘,主要包括三个方面的研究热点:(i)突触前终端内的Ca2+如何引爆囊泡及协调突触前膜的外Ca2+同步内流;(ii)递质的释放怎样产生兴奋性突触后电流;(iii)抑制性化学递质的工作机理。

本文先讨论第一个问题,其它问题将后续专笔分别讨论。

一、突触及突触囊泡结构

据估计,成人大脑中有超过1011个神经元,每个神经元多者含有104个突触[1]。在电镜下观看突触时,前后两个神经元的纤维交界处都显示为膨大的花萼状,更像一对喷头,分属于前、后突触,有些文献中也将这种结构形象地称为突触扣 (bouton)。前、后突触在交界处各有约7 nm厚的双层脂质膜。两膜间有约为20 nm的突触间隙,与细胞外液空间相通,因此,所属两个神经元的原生质并不连续。

前突触终端内可见多个线粒体,线粒体能通过氧化磷酸化合成ATP,为行使突触功能提供能量。除线粒体外,还有顺轴突方向分布的肌动蛋白纤维和微管。在最靠近前突触膜处的纤维呈栅栏状,其中拦有直径为30到60 nm的突触小泡,也称为囊泡,一个巨轴突末梢内的突触小泡可多达数千个。小泡内具有远高于胞浆的高渗的递质浓度,每个约含有1万~20万个递质分子。

二、是胞内Ca2+而不是膜电位的去极化触爆突触前囊泡而释放化学递质

大脑神经元的突触可塑性是学习和记忆的结构基础。在学习和记忆时形成的特定刺激能持续数秒钟,形成一种短期可塑性的突触增强。通常认为突触增强与突触前的胞内残余Ca2+有关[2],当动作电位(AP)到达突触前神经终端时诱导电压门控的Ca2+通道开放,胞外Ca2+短暂流入突触前神经终端,随后发生囊泡与突触前质膜的融合及递质的释放[3]。生理条件下,动作电位实际上就是神经纤维内快速传播的钙波[4,5]。F.F.Li等[6]发现从最接近喷射流的细胞膜处进入的Ca2+流可引发胞内钙波,他们以类似损伤的实验模型测出胞内钙波的快的传播速度在33 μm / s至93 μm / s的范围内,生理条件下胞内钙波的慢传播速度在1.4 μm / s至12 μm / s的范围内。由膜电位的去极化(动作电位或钙波)引起的递质释放曾被称为Ca2+电压假说(DDIR),直接由胞内Ca2+诱导的递质释放称为( Ca2+假说)。H. Parnas等[7]的实验已经证明两种假说是相同的,递质释放都是由局部高浓度的细胞内Ca2+触发的。

Felmy等[3]通过解蔽胞内Ca2+的实验证明,囊泡融合位点的局部内Ca2+浓度是短时间尺度上递质释放概率的唯一决定因素,突触前膜去极化不影响胞内Ca2+依赖性的递质释放速率和释放的动力学特征。

以啮齿动物海马神经元为模型,Stevens等[8]进行的突触前细胞树突区的局部超灌注实验表明,含有NaCl (137 mM), KCl (3.5 mM), CaCl2 (1.0 mM)的高渗(600 mOsm)灌注液,与含有KCl (150 mM), CaCl2 (10 mM)的高钾/钙灌注液,同样能刺激产生兴奋性突触后电流。生理条件下大约10至20 μM的胞内Ca2+浓度就能触发成熟囊泡的破裂与融合,同时释放泡内化学递质[9]。通常细胞外液中的Ca2+浓度大致在2 mM,静息时细胞内液的Ca2+浓度大致在10-4 mM。使用钙荧光指示剂,在去极化时测到的胞内Ca2+浓度为0.2~0.4 mM。考虑荧光指示剂的延迟拉平效应,去极化电位在最大针峰时相应的胞内瞬时局部Ca2+浓度肯定会更大,我们的理论计算表明[10],最大值可能要达到或超过mM量级,与Stevens等的实验灌注液使用的Ca2+浓度基本一致。

由于早期人们对膜电位的片面理解而认为神经递质释放是突触前膜的去极化造成的[11]。近年来的实验已经证明:是胞内Ca2+而不是膜的去极化触爆突触前囊泡释放化学递质。

三、囊泡表面蛋白结合物是内Ca2+触爆突触囊泡的结构基础

触爆囊泡释放递质时钙离子与囊泡之间究竟发生了什么?囊泡表面往往覆盖多种囊泡蛋白,这已经被文献所证实:关于突触类别的数据库已经鉴定了109个参与突触功能的结构域和5000多个突触蛋白[1]。通常人们把突触前终端内的囊泡分为两个群体:成熟囊泡池和游离囊泡池。

现在已经由实验证明的比较重要的囊泡表面结合蛋白有:α-突触核蛋白(α-synuclein)、突触素-1(Synaptophysin-1)、突触素-2(Synaptobrevin-2)、SNAP-25、突触融合蛋白-1(Syntaxin-1)及SNARE复合物 ,其中α-突触核蛋白仅在单体游离态的胞浆中及成熟囊泡池中有峰形分布。Murphy等发现α-突触核蛋白通过改变突触囊泡的稳定性而影响递质的释放。

四、突触前终端内钙离子引爆囊泡释放递质的分子机理

Ca2+EDTA等强配体结合时具有高达6的配位数,周围蛋白质的酸根残基与Ca2+具有中等强度的配位作用,能形成大于2而小于6的配位数。

在前突触终端内,通常囊泡有一个产生、生长和成熟的过程,在不同阶段,囊泡表面的结合蛋白的种类和数量也不相同。我们认为,各种囊泡表面蛋白与囊泡脂质表面的结合,使得蛋白残基与脂质之间,不同蛋白分子之间,及同一蛋白分子内邻近的相反极性的残基之间发生相互作用,从而改变了囊泡脂质层外表面的界面自由能。这种作用促进和稳定了囊泡的产生、生长和成熟,使成熟囊泡处于一种体积、内容递质分子数及渗透膨胀力等都已经处于一种最高极限的临界状态。这样的囊泡表面当遇到来自附近胞浆的游离Ca2+时,表面结合蛋白的酸根残基将被Ca2+吸引,打破原来的结合形式,使得原来与囊泡表面结合的蛋白片层结构从囊泡脂质表面上撕裂下来,破坏了囊泡表面的稳定平衡,引爆囊泡的破裂。

根据渗透压的依数性,一个漂浮的囊泡与一个可溶性蛋白分子或一个小的金属离子对溶液渗透压的贡献大致相当。当囊泡被Ca2+引爆后,突触前终端内的渗透度突然增大,胞外水必然快速渗入,引起内压增大。根据平衡移动原理,内压增大导致跨膜钙/钠(或钙/其它一价阳离子)交换平衡向减小压力的方向移动,也就是向钙进钠出的方向移动。这种外钙的内流是由内压引起的,所以所有突触前终端质膜上的内流的钙通道都是同步的。

钙内流又引起更多的囊泡释放递质,并产生更大的内压,这是一种连锁增益效应,直到成熟囊泡释放完为止,同时突触前终端的膨胀达到最大。这在形态上的表现就是突触的短时可塑性与增强。

应该注意的是,伴随着突触前终端的膨胀,突触前膜的面积增大,肯定需要一些囊泡脂质膜的融入和补充。同时也不可避免的出现某些囊泡与质膜融合时将内部的递质释放到胞外的突触间隙中的,也就是电镜下看到的胞吐现象[11]

五、囊泡的恢复和递质的回收

囊泡表面蛋白的阴离子残基与钙离子的结合是可逆的,不是专属性的。当一次神经冲动传递过后,以消耗ATP为代价,逐渐将胞内钙离子送出胞外。随着胞内钙离子的减少,各种囊泡表面蛋白又逐渐寻找破裂的囊泡脂质碎片,重新结合再生新的囊泡,同时从胞浆中隔离和回收递质。关于递质释放如何引发突触后电流的机理,将另文讨论。

 参考文献:

1、 Neural Plasticity. V. 2017: 4296075.

2、PNAS 2018. 115 (24) E5605-E5613.

3、PNAS 2003 100 (25) 15200-15205.

4、王孝恩,生物电与膜电位. 中科院科学智慧火花:2017-02-05.

5、王孝恩,生物电与膜电位的离子基础. 中科院科学智慧火花:2017-02-08.

6、PNAS 2018 Vol. 115 No. 3 E353-E362.

7、 PNAS 2002 Vol. 99 No. 26 17149-17154.

8、PNAS 1995 92 (3) 846-849.

9、PNAS 2007 107 (40) 15923-15928.

10、王孝恩,去极化瞬时膜电位的计算. 中科院科学智慧火花:2017-03-22.

11、王孝恩,生物电的本质(修改稿). 中科院科学智慧火花:2017-01-02.