第十六章神经、精神疾病的生物化学.doc

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，脑和脊髓构成中枢神经系统，脑神经、脊神经和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。组成神经细胞的各种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，包括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；神经生长因子和营养因子作用。一、脑脊液的形成、功能与血脑屏障 中枢神经系统的化学组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种物质由血入脑的“屏障”，为血脑屏障。分析血液和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）主要由脉络丛生成。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相关联。脑脊液的蛋白质每100ml人腰椎穿刺液含31.3或40mg。人脑脊液除含有较血浆多的镁和氯外，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0.30.4ml/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：可运送营养物质至脑细胞，并带走其代谢产物。可避免震荡时对脑的冲击；分散压力，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。通过脑脊液循环，对调整颅内压有一定的作用。另外脑脊液还是了解血脑屏障功能状况及脑部病变的“窗口”和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和离子的通过。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。主要由血管内皮细胞和细胞间的紧密连接构成了血脑屏障，基膜和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，所以缺少血脑屏障。2血脑屏障的选择通透性 血液中物质进入脑组织必须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，并且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。水和气体很易扩散入脑。（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，保证脑代谢和功能的正常运行。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 神经组织的化学组成和代谢特点如下：（一）糖代谢葡萄糖是神经组织最重要和实际上唯一有效的能量来源。血中葡萄糖的正常水平和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。糖代谢方式主要为有氧氧化和无氧酵解（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和胆固醇。糖鞘脂为神经组织的特殊脂，主要有脑苷脂和神经节苷脂。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。许多长链不饱和脂肪酸脑内不能合成，依赖外源。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%。神经组织的蛋白质一般包括一种清蛋白，几种球蛋白，核蛋白和神经角蛋白（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、钙调蛋白和神经白细胞素（neuroleukin, NLK）。脑中氨基酸有血液及糖代谢转变两个来源。谷氨酸、天冬氨酸和相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。蛋白质的合成主要在细胞体进行。（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和区域分布而异。脑中RNA含量高说明脑的功能和代谢活跃。（五）水和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-通道和受细胞内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1020，低于此比值，脑内腺苷激酶催化2分子ADP生成1分子ATP和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，称为神经调质（neuromodulator）。它们多为肽类物质,又称神经肽（neuropeptide）。单胺递质一般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）,再经过酶切修饰成肽原（pro-peptide）和肽。当出现神经系统病变时，递质的产生，释放和受体及其相互作用会发生改变，导致各种疾病。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，低亲和力受体即转变为高亲和力受体。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，蛋白质磷酸化以及一系列酶促反应增强，最后轴突出现广泛的分枝和功能性突触形成。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、胶质细胞和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、分化的依赖因子，是发育成熟神经元功能的调控因子，也是神经元受损害或病变中保护其存活和促进其再生的必需因子。应用NTFs来减缓和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。已初步了解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 神经和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紊乱为主要表现的一类疾病，简称精神病。神经元变性为各种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)为主要病理改变的一大类疾病，其特点是中枢神经系统中某个或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，或出现包含体等，但无炎症或异常物质的累积。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和FADH2，经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。呼吸链中有各种蛋白,包括参与线粒体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7个NADH脱氢酶的亚单位（复合体）；复合体的细胞色素b;3个细胞色素氧化酶的亚单位（复合体）；2个ATP合成酶的亚单位。还编码两种线粒体核糖体RNA（16s，12s）及22个线粒体tRNA。线粒体DNA具有高突变率，约为核基因的510倍。由线粒体DNA突变所致的疾病见表16-3。高度依赖氧化代谢的组织、器官更易于患线粒体疾病。（三）自由基分子代谢自由基(free radical)是指在原子核外层轨道上带有不配对的电子。常见的自由基有02-、OH-、H2O2等称为氧自由基。自由基增多，一方面，可导致细胞膜上脂质过氧化物的作用增强，引起线粒体等膜结构的改变和损害。另一方面，可促进兴奋性氨基酸释放，对神经细胞具有毒性作用。在多种神经变性病当中存在自由基增多。SOD-1基因突变所致的家族性肌萎缩侧索硬化，是对自由基清除障碍导致神经变性病的直接证明。近年发现了另一类活性氮氧自由基一氧化氮（NO）对神经元有广泛作用。高浓度的NO存在能抑制线粒体中电子传递链复合酶、和三羧酸循环中酶的活性，产生大量自由基。如果NO的生成（精氨酸前体与NO合成酶）或灭活（氧自由基、氢醌、血红蛋白的作用）过程中发生故障而NO释放增多，经一系列连锁反应，可致使神经元变性甚至坏死。（四）兴奋性氨基酸释放过度兴奋性氨基酸（excitatory amino acid, EAA）包括了经典的谷氨酸（glutaminic acid,GA）、天冬氨酸（aspartic acid,Asp）和衍生的红藻氨酸（kainic acid, KA）、使君子氨酸（QA）、鹅膏蕈氨酸（ibotenic acid，IA）、N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate,NMDA）等，浓度过高对神经细胞具有毒性作用。它们作用于相应受体，诱使离子通道开放，通过离子（如Ca2+）触发一系列的反应，产生毒性效应。（五）异常钙离子通道开放与Ca2+效应兴奋性氨基酸释放过多时，相应受体（NMDA受体和非NMDA受体）门控通道开放，Ca2+内流增加，胞浆内Ca2+浓度异常升高。受其调节的磷脂酶、蛋白酶、核酸内切酶等被激活导致膜磷脂分解细胞骨架破坏，细胞变性，死亡。Ca2+还可通过激活NO合成酶(NO synthase, NOs)，使NO大量产生，触发一系列对细胞造成损害的反应。兴奋性氨基酸，钙通道开放途径也是致脑缺血后神经元迟发性坏死的一个重要机制。其大量释放是脑组织缺血后，神经元能量供应不足，使细胞膜长期处于去极化状态所致。（六）异常蛋白磷酸化和蛋白糖基化作用磷酸化(phosphorylation)和糖基化(glycosylation)是常见的蛋白质修饰形式。在部分神经变性病的神经元内，存在异常磷酸化和糖基化的病理结构，研究和解释这些病理标志结构的形成，是探寻神经元变性，死亡发生机制的关键。（七）神经细胞凋亡调亡（apoptosis）是指经一定途径启动细胞内固有程序而发生的死亡，是一个主动的耗能的自杀过程。其主要特征有细胞皱缩，膜泡状化，染色质浓缩形成小体和DNA片段化，用形态学和生物化学电泳的方法可对凋亡进行鉴定。一般由细胞外因子作用于受体并通过第二信使将信号传入胞内而启动凋亡程序。调控凋亡程序的基因主要有bax 、p53 (促进)和pcl-2、pRb(对抗)。研究表明脑缺血引起的迟发性死亡以凋亡为主。（八）神经营养因子缺乏神经元变性可能是起因于发育期中靶器官释放的营养因子缺乏或不足。二、帕金森病帕金森病（Parkinson Disease,PD）临床表现为静息时震颤，肌强直，随意运动减慢，姿式不稳定等。病理主要由于黑质等部位的多巴胺能神经元受损，致使黑质文状体通路多巴胺水平下降。光镜下见黑质及其他区域存在特定类型的神经元变性，并伴有胞质内嗜伊红的包涵体（Lewy body），由神经纤维和其他不定型物质组成，其中糖蛋白，泛素（ubiquitin）和-synuclein 呈阳性。病因与多种因素有关。（一）诊断和试验家族性帕金森病1型（Parkinson Disease Familial Type 1）：常在46岁发病（/13），病理检查神经元胞质中有嗜伊红包涵体，突变基因为PARK1，定位于4号染色体（4q21），该病为常染色体显性遗传。遗传型帕金型青年帕金森病（Parkin Type of Juvenile Parkinson Disease）：发病年龄常在2040岁之间，病程缓慢（可达50年），神经病理检查神经元胞质中无包涵体。由位于6号染色体（6q25.2-q27）的PARK2基因突变所致，为常染色体隐性遗传。该型具有与其他PD相似的临床表现，诊断主要依靠家族史，临床表现和基因检测试验。（二）分子遗传病理PARK1基因编码产物为- synuclein蛋白，起着整合突触前信号和膜囊泡转运的作用，与神经元的可塑性有关。用- synuclein抗体染色法检查可见Lewy小体呈强阳性。另一个相关的基因PARK2正常基因产物为Parkin,是一种465个氨基酸的蛋白，在N未端含有泛素样（ubiquitin-like）结构域。Parkin基因的突变致使非泛素化的- synuclein在神经元内不能有效清除而堆积，其毒性作用致使黑质多巴能神经元选择的丢失。三、亨廷顿病亨廷顿病（Huntington Disease, HD ）是以进行性的运动，认知和精神障碍为特征的疾病。具有家族遗传性，突变基因定位于4号染色体。基因正常编码产物为Huntingtin（蛋白）。突变为基因5端存在CAG（编码谷氨酸）三核苷酸的重复扩展异常增多。组织病理改变有新纹状体神经元受损严重，以中型的中间神经元和纹状体向苍白球或黑质投射的棘状神经元损害最为严重。（一）诊断和试验HD的诊断依赖阳性家族史，特征性的临床表现和对位于4号染色体（4p16）的HD基因出现CAG（多聚谷氨酸）的重复扩展进行测定。HD病人重复数达36121，如重复数在2741需重复该试验，并根据家族史进行判断。重复数与发病年龄呈相反的关系。（二）分子遗传病理HD基因定位于染色体4p16，包含67个外显子，全长度超过200kb 。异常CAG（聚谷氨酸）重复扩展发生在第一个外显子。正常基因的产物为Huntingtin，编码的蛋白（Huntingtin）为3144个氨基酸，预计分子量为348KDa。Huntingtin广泛表达。突变与野生型蛋白在分布区域上无明显差异。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。四、其他神经系统疾病书中表164归纳了部分神经系统疾病的特征、分子遗传病理、常规和基因检测所见。五、阿尔茨海默病阿尔茨海默病（Alzheimer disease, AD）是以成年发作,慢性进行性的痴呆，并伴有弥漫性脑萎缩为特征的疾病。（一）基本特征1AD的典型症状 初为轻微的记忆认知障碍，而后缓慢加剧，最终丧失。常死于摄入不足，营养不良和肺炎。典型临床病程为8年10年（范围1年25年）。2临床诊断 依赖临床病理检查。神经病理尸检是诊断的金指标。临床表现：慢性进行性痴呆 ；神经影像：全脑萎缩；神经病理：镜检可见-淀粉样（-amyloid）轴突斑块，神经细胞内的神经纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFT）和淀粉样血管病变（尸检）。3实验诊断 ApoE的e4等位基因的检测可协助痴呆病人的AD诊断，对有家族史的无症状个体进行患病危险评价有一定意义。（二）阿尔茨海默病分类阿尔茨海默病分类及各类的比率和诊断要点见表16-5。 1散发型AD 多无家族史，符合AD的诊断标准。 2唐氏综合征相关的AD 基本上21号染体三体症（唐氏综合征特征性的染色体数目异常）的个体均在40岁后出现AD的神经病理标志淀粉样斑块和神经纤维缠结，一半以上的该个体显示认识能力下降。 3家族性AD 临床表现及病理与散发型相同，仅能依据家族史和基因诊断试验区分。（1）迟发型（Late-onset Familial AD，LOFAD）：与19号e4等位基因染色体ApoE的有关。ApoE e4基因通过未知的机制使该病提前约20年。（2）早发型家族性AD（Early-Onset Familial AD, EOFAD）：致病基因：AD1、AD3和AD4，为常染色体显性遗传。三种亚型的比例为AD3：20%70%，AD1：10%15% ，AD4罕见。诊断主要依靠家族史和基因诊断试验。（三）分子遗传病理AD相关基因的染色体定位见书中表16-6，这些基因在家族性AD存在突变。1ApoE e4基因与神经纤维缠结。2基因与淀粉样变 早发型家族性AD常携有PSEN1，PSEN2，或APP的突变。这些基因正常编码早老素1 (presenilin1,)，早老素2（ presenilin2，）和淀粉样蛋白前体（见表166）。突变基因的编码产物参与了淀粉样变的形成。淀粉级联（Cascade）假说认为淀粉样肽沉积是AD病理改变的主要原因。3AD发生机理 可能由于21号染色体APP基因的突变，致表达异常的APP经-分泌酶裂解能产生加长型的淀粉样变肽；或由于14（1）号染色体PSEN1（2）的基因突变，表达早老蛋白异常，致使对-分泌酶调节异常（或直接）从而产生异常A片段，A沉积于神经细胞表面，其毒性作用致细胞内Ca2+浓度升高，Ca2+经过Ca2+依赖的蛋白激酶途径，使tau蛋白磷酸化，A的沉积及tau的磷酸化，逐步形成淀粉样变斑块和神经纤维缠结。最终导致神经元的变性，死亡，产生AD的各种临床表现。六、精神分裂症精神分裂症（schizophrenia）是以精神活动，即思维、情感、行为之间的互不协调，以及精神活动脱离现实环境为特征的疾病。按行为特征可分两类：阳性行为和阴性行为。阳性行为有幻觉，错觉和怪异行为等；阴性行为有社交回避和情绪迟钝等。病因不清。1.多巴胺功能亢进假说 认为精神分裂症主要为中枢多巴胺功能亢进或异常。其依据来源为： （1）药理作用研究： 1）中枢多巴胺促进剂的致精神病作用。2）抗精神病药物的药理机制：推测抗精神病药物通过阻断多巴胺受体使精神分裂症过高的多巴胺功能减低，而发挥治疗作用。 （2）多巴胺及其代谢产物的检测：部分病人的脑标本、脑脊液、血浆检测，多巴胺及其代谢产物高香草酸（HVA）升高。 （3）多巴胺受体的研究：应用正电子扫描技术（PET）对精神分裂病人脑内多巴胺受体功能进行直观分析，指出具有阳性症状者D2受体密度增高，阴性症状者D2受体密度减低或不变。2.遗传因素 根据系统家谱调查和血缘分析，证明精神分裂症有显著的遗传倾向。第三节 神经和精神疾病生物化学诊断实验室生物化学检查对某些神经或精神性疾病诊断可提供有价值的依据，但大多为辅助检查，为诊断提供信息。测定的标本常采用CSF。一、蛋白质检查（一）总蛋白质CSF蛋白质总量随年龄增长而增高。正常成人超过450mg/L，一般是病理性的增高，可见于感染、出血、占位性病变及蛛网膜粘连等。多次电休克治疗后可见CSF总蛋白质增高。CSF蛋白电泳呈现前清蛋白含量异常增高时，多见于脑积水、脑外伤、脑萎缩及中枢神经系统退行性变等疾病。含量下降见于脑内炎性疾病。CSF免疫电泳可提示血脑屏障渗透性改变的严重程度。（二）蛋白指数包括以下指标：清蛋