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人体生物化学与疾病 神经、精神疾病的临床生物化学 生物化学与分子生物学教研室 胡 澍 生物医学实验教学中心；神经遗传实验室 2 大学教育的意义 关于学习： 使青年们主动学习，通过发现问题并解决问题，养成独立思考 能力和判断能力。抛弃“听话”，追求“创造” 关于成长： 使青年们在独立生活中，学习维护自己的利益，同时维护他人 利益，求得共赢。由此爱己亦爱人，做一个有良知、有良好文 明素质的人。 关于未来（事业，生计）： 使青年们在历史与现实的比对中，探寻内心，确定人生方向， 并为之努力（选择：1，最喜欢的, 2，最擅长的, 3，社会最需 要的, 4，最有条件的为方向）。 3 commander 4 神经系统 是由神经组织相互联系构筑的一个错综 复杂的电及化学信号网络,借此协调控制人 的运动、感觉、语言、记忆、思维和情绪。 第一节 概述 以人的大脑为例： 神经元总数1000亿；神经胶质细胞50X（1000亿） ；mRNA表达量比其他器官高35倍（结构复杂，功能活跃 ） 任何时间空间点，大脑结构或功能的的紊乱都可能引发 神经系统疾病或精神疾病。 5 神经系统 中枢神经系统 脑 脊髓 周围神经系统 颅神经(12对 ) 脊神经(31对 ) 内脏神经 （宏观） 6 神经组织 （微观） 神经元（神经细胞） 神经胶质细胞及间质 小胶质细胞 星形胶质细胞少突胶质细胞 7 神经元的结构 8 维持神经系统正常功能所需条件： 神经组织的正常生长 能量,营养及神经生长(营养)因子 神经细胞的外在环境 （脑脊液） 神经细胞间的信号传递 （神经递质及其受体） 9 一、脑脊液与血脑屏障 1、形成： 主要由侧脑室脉络丛生成 。 （一）脑脊液的形成与功能 经室间孔流至第三脑室，与第三脑室脉络丛产生的脑脊 液一道，经中脑水管流入第四脑室，再汇合该室脉络丛 产生的脑脊液经第四脑室正中孔和外侧孔流入蛛网膜下 隙，再流向大脑背面，经蛛网膜颗粒渗透到硬脑膜窦内 ，回流入血液中 脑脊液的循环 10 11 (cerebrospinal fluid) 12 2、脑脊液的主要功能： 运送营养物质，带走代谢产物 保护作用，避免震荡冲击 脑内接触脑脊液神经元感受内环境变 化的窗口及其分泌激素的运输通道 调整颅内压 脑脊液的成分特点： 微量的蛋白质 较少的葡萄糖 较多的电解质 13 14 血-脑之间选择性阻止各种物质由血入脑的“ 屏障”，使脑组织处于相对稳定的内环境。 2、血脑屏障 毛细血管内皮细胞 基膜 星形胶质突起形成的血 管鞘 （1）结构 15 （2）血脑屏障的选择通透性 1）通过血脑屏障的方式 扩散 水、气体和高脂溶性物质 载体转运 葡萄糖、氨基酸和各种离子成分 2）蛋白质不易通过 16 二、神经组织的生物化学特点 （一）糖代谢 正常条件下，神经组织最重要和唯一 有效的能量来源。 糖原含量少。 糖代谢方式： 主要是有氧氧化，其次是糖酵解。 17 （二）脂类代谢 除脂肪组织外，神经系统是含脂质最多 的组织。 脑组织以类脂为主，包括甘油磷脂、鞘 脂、胆固醇等。 饥饿时酮体可部分代替葡萄糖供能。 18 （三）蛋白质代谢 神经组织蛋白质含量丰富,包括清蛋白、 球蛋白、核蛋白和神经角蛋白等。 氨基酸脑(g/ml)血浆(g/ml) 谷氨酸10.60.05 谷氨酰胺4.30.7 -氨基丁酸2.3- 色氨酸0.050.05 氨基酸代谢 19 （四）核酸代谢 脑中RNA含量特别高。 （五）水和电解质代谢 脑和脊髓含水量丰富。 神经元含多种离子通道，功能活跃。 20 （六）能量代谢 脑耗氧量明显高于其他组织的耗氧量，主要由 葡萄糖有氧氧化提供。（对缺氧和缺糖极敏感 ） 脑内ATP处于高水平，迅速生成和利用。 21 三、神经递质的生物化学 神经递质（neurotransmitter）： 神经元间或神经元与靶细胞（肌肉、腺 细胞）间起作用的化学物质。 分类主要神经递质 胆碱类 乙酰胆碱 单胺类 儿茶酚胺、肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺 吲哚胺 5-羟色胺 氨基酸类 兴奋性氨基酸：谷氨酸、门冬氨酸 抑制性氨基酸：-氨基丁酸、甘氨酸 神经肽类 下丘脑释放激素、神经垂体激素、阿片肽、 垂体肽、脑肠肽等 气体类 一氧化碳、一氧化氮 22 23 几种重要的神经递质： 乙酰胆碱 甘氨酸 谷氨酸 多巴胺 去甲肾上腺素 肾上腺素 5-羟色胺 组胺 -氨基丁酸 24 四、神经生长因子、营养因子、抑制因子 生长因子 是一类影响神经元生存和发育、诱导神经元分化的 生物活性物质（多肽），对神经元在发育时的生长、分 化，以及成年神经元的维持具有重要作用。 营养因子 是一组能促进神经细胞生长、增殖、延长其生存时 间并调节神经细胞分化和形态重塑的特异性内源性信号 蛋白。 抑制因子 神经纤维的生长受其环境中起营养作用的信号因子 和抑制性信号因子的共同调控。 名称靶细胞生理作用 神经生长因子神经元调节神经元前体细胞增殖和分化 脑源性神经营养因子神经元 维持和促进多种神经元的发育分化和生长再 生、挽救损伤的脊髓运动神经元和感觉神经 元 神经营养因子-3少突胶质细胞、神经元 对三叉神经节部分神经原和交感神经节有生 物学效应 神经营养因子-4/5少突胶质细胞、神经元促进神经元的生长、分化 胶质细胞系源性神经营 养因子 星形细胞、施万细胞 保护和修复各种原因造成损伤的神经细胞、 促进正常神经元发育 睫状神经营养因子神经元支持多种类型神经元存活 胰岛素样生长因子少突胶质细胞、神经元 参与调节中枢神经系统和周围神经系统神经 元的生长和发育 成纤维细胞生长因子 星状细胞神经元、少突 神经胶质细胞 促进损伤神经元的修复与再生 血小板源性生长因子 星形细胞、少突神经胶 质细胞 与神经系统的发育及成熟有关 转化生长因子神经元对多种原因引起的神经损害有保护作用 Collapsin-1神经元引起背根神经节（DRG）的生长冠萎缩 Neuropilin神经元具有轴突定向和控制神经元在中枢神经系统 迁移的作用 25 26 第二节 神经、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感染、 血管病变、外伤、肿瘤、中毒、免疫障碍 、变性、遗传、营养缺陷和代谢障碍等因 素所致的疾病。 基本病理改变 神经元变性 27 精神疾病： 是以精神活动失调或紊乱为主要表 现的一类疾病。 28 神经变性的生物化学基础 神经变性病： 以神经元变性为主要病理改变。 特点： 中枢神经系统中某个或某些特定的 部位的神经元进行性变性以至坏死，伴 有胞质内结构紊乱，或出现包涵体等， 但无炎症或异常物质的累积。 29 （一）基因突变 30 （二）能量代谢缺陷 线粒体DNA缺陷 线粒体功能障碍 16569bp 31 32 在人体各个细胞都存有线粒体, 单个细胞包含200 2000个线粒 体, 但是不同组织的细胞内线粒体的数量是不同的, 而在相同组 织的细胞内线粒体数量是接近的 缺少组蛋白的保护与有效的校读系统, mtDNA 极易受到氧化磷 酸化过程中产生的活性氧簇( reactive oxygen species, ROS)的损害 而突变, 其突变率较核DNA 高10 100 倍 线粒体DNA 的修复机制不完善, 效率低下, 线粒体DNA 的突变 可导致线粒体功能缺陷, 线粒体DNA 只有过度复制产生数量惊人 的拷贝才能补偿此缺陷 2004年发现mtDNA也能发生重组。 线粒体基因的特点 33 （三）自由基分子代谢 自由基增多： 线粒体损伤 神经细胞DNA损伤 可促进兴奋性氨基 酸释放 自由基（free radical） 指在原子核外层轨道上带有不配对的 电子。 SOD等 清除 superoxide dismutase 34 （四）兴奋性氨基酸释放过度 作用于相应的受体诱使离子通道 开放通过离子触发一系列对细胞造成 损害的反应，产生毒性效应。 谷氨酸、天冬氨酸、红藻氨酸等 35 （五）异常钙离子通道开放与Ca2+效应 （六）异常蛋白磷酸化和蛋白糖基化作用 （七）神经营养因子缺乏 （八）神经细胞凋亡（apoptosis） 36 第三节 神经和精神疾病生物化学诊断 主要检测对象： 脑脊液 （CSF，cerebrospinal fluid） u一般性检查 u神经递质的测定 u脑脊液蛋白质的测定 u酶的测定 37 （一）一般性检查 38 Ach、DA及HVA、5-HT及5-HTAA、 GABA、谷氨酸、神经肽等。 神经递质对中枢神经系统功能和精神 活动起重要作用，某些神经系统的疾病 及精神病可表现相应递质的变化。 （二）神经递质的测定 脑脊液中常用神经递质的检测及临床意义 递质名称常用方法参考值临床意义 5-HT(5-羟色胺) 高效液相色谱法、 酶学分析法、荧光 法等 20ng/ml 增高：颅脑外伤与脑血管疾病 降低：精神发育迟滞、PD患 者及抑郁型精神病等 5-HIAA(羟吲哚 乙酸) 17.16.5ng/ml 谷氨酸 高效液相色谱法、 荧光分光光度法、 高压电泳法等 0.41 22.75mol/dl 增高：精神分裂症等 降低：PA患者 GABA(-氨基丁 酸) 00.1mol/dl 降低：癫痫病 P物质 放射免疫法 增高：精神抑郁性患者 降低：帕金森病患者，但病 情严重时升高 -内啡肽 增高：躁狂症、精神分裂症 降低：AD患者 脑啡肽增高：癫痫患者 CCK（胆囊收缩 素） 降低：精神分裂症 生长抑素降低：Alzheimer型老年痴呆患者 39 40 n 总蛋白质 CSF中蛋白质一部分是血浆中小分子量蛋白质经 血脑屏障的毛细血管内皮细胞孔隙进入，以清蛋白 为主，另部分为中枢神经系统本身合成，含量甚微 。 一般成人超过450mg/L为病理性升高。 CSF免疫电泳可提示血脑屏障渗透性改变的严重 程度。 （三）脑脊液蛋白质的测定 脑脊液蛋白质定量: 正常不同部位脑脊液蛋白质总量为：脑室液50150mg/L； 脑池液150250mg/L；腰池液150450mg/L。 蛋白质电泳 : 蛋白组分 脑脊液 血清 临床意义 前白蛋白 2%6% 0 增高：脑积水、脑外伤、脑萎缩及中枢神经系统退行性变 降低：脑内炎性疾病 白蛋白 44%62%56% 增高：椎管阻塞、脑血管疾病及脑肿瘤 降低：脑外伤 1球蛋白 4%8%4.5%增加：中枢神经系统感染 2球蛋白 5%11%9.5% 球蛋白 13%26%12% 增加：肌萎缩及退行性病变 球蛋白 6%13% 18 % 增高：脱髓鞘疾病及感染 41 蛋白质指数 蛋白质指数 白蛋白指数 = CSF白蛋白mg/L 血清白蛋白g/dL IgG和白蛋白比率 = 免疫球蛋白指数= CSFIgG mg/dL血清白蛋白g/dL CSF中白蛋白mg/dL血清IgG g/dL CSF中IgGmg/dL CSF中白蛋白mg/dL 反映血脑屏障功能 诊断脱髓鞘疾病 反映鞘内IgG合成 42 43 n 特异性蛋白质 淀粉样蛋白 淀粉样蛋白前体 C反应蛋白 微球蛋白 免疫球蛋白 神经组织特异蛋白 脑脊液中其他蛋白质的测定 l 髓鞘碱性蛋白：含量增高是急性脑实质损伤和脱髓鞘改变的 特异性生化指标。脑白质损害，尤其是多发性硬化病人增高。 l 胶质纤维酸性蛋白：含量升高可见于脑星形细胞病、 Alzheimer型痴呆、神经胶质瘤及海绵状脑病等。 l S100蛋白：脑出血、脊髓压迫症、Alzheimers疾病、缺血 性脑血管病、经肿瘤、病毒性脑炎及多发性硬化病人该蛋白增 高。 l 寡克隆区带：是检测中枢神经系统亚急性、慢性炎性病变鞘 内免疫球蛋白合成的最可靠指标。 l -淀粉样蛋白：升高对Alzheimer病诊断有重要价值，颅脑 外伤亦可升高。 44 45 （四）酶活力测定 LDH及其同工酶、AST、CPK、 酸性磷酸酶、核糖核酸梅、多巴胺羟化 酶、蛋白酶和鸟嘌呤酶、乙酰胆碱酯酶 、葡萄糖苷酶等 CSF中酶浓度一般不受中枢神经系统 以外疾病的影响，活力测定可反映中枢 神经系统病变。 脑脊液中酶的测定 l 神经元特异性烯醇化酶（NSE） 脑脊液中NSE含量的改变 是神经元损伤的特异性生化标志。在脑梗死、癫痫、颅内高 压、脑外伤、脑肿瘤等各种原因导致的中枢神经损害时，NSE 含量均增加。 l 脑型肌酸激酶（CKMB） CKMB主要分布在脑内神经元，是 神经损伤的特异性生化标志。在脑肿瘤、假肥大型肌营养不 良症、癫痫、脑膜炎、脑损伤及脑血管性疾病时可增高。 l 其它酶类 46 分子生物检查方法 l PCR l RFLP l分子杂交 目前，采用基因诊断的神经性 疾病有苯丙酮尿症、Alzheimer病、 亨迋顿病、线粒体肌病和脑肌病、 神经肌肉病、遗传性共济失调、癫 痫、神经纤维瘤病、X连锁智力低下 及肝豆状核变性等。 （五）分子生物学诊断 47 48 PCR （ Polymerase Chain Reaction） 49 RFLP （restriction fragment length polymorphism ） 50 分子杂交（ molecular hybridization） 51 帕金森病（PD: Parkinsons disease） 亨廷顿病（HD: Huntingtons disease） 阿尔茨海默病（AD: Alzheimers disease） 精神分裂症（ schizophrenia） 肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS: Amyotrophic lateral sclerosis） 第四节 常见神经系统疾病 52 Parkinsons disease 53 诊断和试验： 家族史 临床表现 病理检查 基因检测 10% 静息震颤 肌强直 随意运动减慢 姿势不稳 54 黑质残存神经元胞质内出现嗜酸性包 涵体，即路易小体 病理检查 端脑 中脑 脑干 55 无帕金森者DNA和氨基酸序列 帕金森患者DNA和氨基酸序列 基因检测 56 PARK1(SNCA)基因编码-synuclein 蛋白 PARK2基因编码Parkin蛋白 致病机制 家族性帕金森1型 遗传性帕金型青年帕金森病 56 57 中脑黑质多巴胺能神经元变性死亡 纹状体DA含量显著性减少 58 PD病因及发病机制尚未明确，可能与社会因素、药 物因素、患者因素等有关。PD病理改变为：中脑黑 质致密部、蓝斑神经元色素脱失，黑质色素变淡及 出现路易小体。PD神经生化改变为：中脑黑质致密 部、蓝斑神经元脱失致上述部位及其神经末梢处多 巴胺（DA）减少，（DA减少70%时产生PD临床表 现），而黑质纹状体系统中与DA功能拮抗的乙酰胆 碱（ACH）作用相对亢进，DA与ACH平衡失调。 59 Huntingtons Disease 一种常染色体显性遗传病，其发病率为1/10000。 60 临床表现： 进行性舞蹈样徐动症 强直，痴呆 通常伴有癫痫 61 诊断和试验： 阳性家族史 特征性临床表现 HD基因的检测 62 分子遗传病理 异常基因产物为：HD基因中的CAG 被转译为一段聚谷氨酸，该段在聚谷氨酸 重复扩展时可致蛋白质的结构和生物化学 特性改变。可能具有细胞毒性作用，致使 神经元损伤。 62 63 Alzheimer disease 是一种进行性发展的致死性神经退行性疾病。 History of Alzheimers Disease In November 1906, at a German psychiatrists meeting, Alois Alzheimer presented the pathological findings on a brain of a 56 y.o. woman who died after a progressive dementia 64 The Case Auguste Deter This 51 y.o. woman was admitted to Frankfort hospital in 1901 for progressive dementia. She was under the care of Dr. Alzheimer until her death in 1906. He did an autopsy, examined her brain it then begins to pair with other threads, creating neurofibrillary tangles and disintegrating the neurons transport system. 73 Changes in Tau protein lead to microtubule desintegration 74 Genetics The majority of Alzheimers Disease cases are sporadic 1/1000 cases are hereditary (autosomal dominant) and have usually an early onset These are related to 3 genes: Amyloid Precusor Protein (APP) and Preseniline 1 however, where individuals have lived 10 or more years Diagnosing ALS 5,600 people in the US are diagnosed with ALS each year ALS is a very difficult disease to diagnose Blood tests, Urine tests, Spinal taps, x-rays, muscle or nerve biopsies, or a neurological examinations are administered Picture from Medication for ALS Rilutek (brand name) / riluzole (generic) slows progression of ALS It is the only prescription drug for ALS Approved in December 1995 From the MDA PublicationsFrom the MDA Publications Picture from Hypothesis The mechanisms that cause mutations in SOD1 that lead to ALS are unknown Hypothesis #1 An increase or a decrease in the activity of SOD1 may cause ALS We theorized that a decrease, rather than an increase, may be the cause of ALS. Theory: decrease = produces more harmful free radicals We searched NCBI in support for both an increase and a decrease in SOD1 activity Support from NCBI One study cond