第十六章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，脑与脊髓构成中枢神经系统，脑神经、脊神经与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。构成神经细胞的各类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，包含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；神经生长因子与营养因子作用。 一、脑脊液的形成、功能与血脑屏障 中枢神经系统的化学构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类物质由血入脑的“屏障”，为血脑屏障。分析血液与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）要紧由脉络丛生成。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有关联。 脑脊液的蛋白质每100ml人腰椎穿刺液含31.3或者40mg。人脑脊液除含有较血浆多的镁与氯外，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。 另外脑脊液还是熟悉血脑屏障功能状况及脑部病变的“窗口”与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与离子的通过。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。要紧由血管内皮细胞与细胞间的紧密连接构成了血脑屏障，基膜与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，因此缺少血脑屏障。 2．血脑屏障的选择通透性 血液中物质进入脑组织务必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，同时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。水与气体很易扩散入脑。 （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，保证脑代谢与功能的正常运行。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 神经组织的化学构成与代谢特点如下： （一）糖代谢 葡萄糖是神经组织最重要与实际上唯一有效的能量来源。血中葡萄糖的正常水平与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。 糖代谢方式要紧为有氧氧化与无氧酵解（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与胆固醇。糖鞘脂为神经组织的特殊脂，要紧有脑苷脂与神经节苷脂。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。许多长链不饱与脂肪酸脑内不能合成，依靠外源。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%。神经组织的蛋白质通常包含一种清蛋白，几种球蛋白，核蛋白与神经角蛋白（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、钙调蛋白与神经白细胞素（neuroleukin, NLK）。 脑中氨基酸有血液及糖代谢转变两个来源。谷氨酸、天冬氨酸与有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。蛋白质的合成要紧在细胞体进行。 （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与区域分布而异。脑中RNA含量高说明脑的功能与代谢活跃。 （五）水与电解质代谢 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-通道与受细胞内ATP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ATP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与1分子AMP，增加利用的ATP，以应急需。脑内ATP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)为神经元间或者神经元与靶细胞(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，称之神经调质（neuromodulator）。它们多为肽类物质,又称神经肽（neuropeptide）。单胺递质通常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）,再通过酶切修饰成肽原（pro-peptide）与肽。当出现神经系统病变时，递质的产生，释放与受体及其相互作用会发生改变，导致各类疾病。 四、神经生长因子与神经营养因子 神经生长因子(nerve growing factors, NGF)是一种能诱发神经纤维从移植物（graft）伸延的因子。在携有轴突的交感神经细胞，NGF先同轴突终端的受体选择地结合，低亲与力受体即转变为高亲与力受体。NGF随即被内吞并沿轴突运送到胞体，以促进cAMP生成，诱导Na+的流入，蛋白质磷酸化与一系列酶促反应增强，最后轴突出现广泛的分枝与功能性突触形成。 NGF的生理功能可归纳为三方面： 1．对神经细胞的早期发育具有神经营养效应。 2． 促进神经细胞的分化。 3．对神经细胞突起分支的方向性影响。 除NGF外，还从神经组织分离出一系列生长因子。 神经营养因子(neurotrophic factors)或者神经细胞营养因子(neurotrophic factors,NTFs)是靶细胞产生的天然蛋白质，对神经细胞起营养作用，通过突触成分、胶质细胞与血流到达特定神经细胞，与特定受体结合而发挥作用。 NTFs是神经细胞发生中存活、分化的依靠因子，是发育成熟神经元功能的调控因子，也是神经元受损害或者病变中保护其存活与促进其再生的必需因子。应用NTFs来减缓与治疗神经元退变已获得了令人鼓舞的结果。 NTGs可分为若干族，NGF被归在神经营养素族。已初步熟悉神经营养素受体及其信号途径。如NGF首先结合于一种膜上的酪氨酸蛋白激酶受体（已知为癌基因家族的表达产物），并迅速诱发其酪氨酸磷酸化，启动了信号传递，同时为胞内信号蛋白提供了识别，对接位点；再通过磷脂酰肌醇（IP3）激酶活化胞内传导的信号蛋白（SHC、PIC-P1），将信号传播到达信号分子，并进一步传递到信号途径下游，活化Ras，丝/苏氨酸激酶，产生效应（细胞存活，分化等）。 第二节 神经与精神疾病的生物化学 神经系统疾病是指脑、脊髓及周围神经由于多种因素所致的疾病，简称神经病；精神疾病是以精神活动失调或者紊乱为要紧表现的一类疾病，简称精神病。神经元变性为各类神经病的基本病理改变，涉及多种分子及代谢的改变。分子遗传学研究揭示多种神经疾病的本质为遗传变异。 一、神经变性的生物化学基础 神经变性病(neurodegenerative disorder)是指以神经元变性(neuronal degeneration)为要紧病理改变的一大类疾病，其特点是中枢神经系统中某个或者某些特定的部位的进行性神经元的变性以至坏死，伴有胞质内结构紊乱，或者出现包含体等，但无炎症或者特殊物质的累积。与神经变性病理有关的重要生物化学环节及过程简介如下。 （一）基因突变 研究显示遗传物质的改变可能是部分神经变性病最根本的原因。 （二）能量代谢缺陷 在线粒体中进行的氧化磷酸化，由三羧循环获得还原型NADH与FADH2，通过呼吸链释放出能量，最终由ATP合成酶生成ATP，为细胞的功能活动提供能量。呼吸链中有各类蛋白,包含参与线粒体DNA复制、转录、翻译过程的蛋白，大部分由细胞核DNA编码少部分由线粒体DNA编码。上述过程的任何环节存在缺陷将导致线粒体的功能障碍。这种缺陷往往由蛋白编码基因突变引起，有两个来源，一是染色体DNA，另一个线粒体DNA(mitochondrial DNA)。线粒体DNA由母系遗传，为一环状双链DNA，约16kb（已测序），编码呼吸链上13个蛋白亚单位（呼吸链共有67个蛋白），分别是①7个NADH脱氢酶的亚单