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谷氨酸受体 1 目录 谷氨酸受体的有关研究 谷氨酸受体的种类 谷氨酸受体 2 谷氨酸谷氨酸 glutamate Glu 是代谢中间物是脊椎动物和无脊椎动物中枢神经系统中一种最重要的兴奋性神经递质 主要分布于大脑皮质 海马 小脑和纹状体 在学习 记忆 神经元可塑性及大脑发育等方面均起重要作用 3 研究证实 Glu的神经递质作用是通过兴奋性氨基酸受体而实现的 受体活性的变化 受体数目的增减都会对突触效能产生明显的影响 在生理状态下 谷氨酸是神经细胞间信息传导的重要媒介 但在病理条件下 谷氨酸通过兴奋谷氨酸受体介导神经毒性作用 4 谷氨酸受体的分类 代谢型谷氨酸受体 通过信号转导机制改变细胞内生化进程 介导多种细胞功能 亲离子型谷氨酸受体 能引起细胞膜对特定离子通透性的改变进而改变膜电位 谷氨酸受体 5 结构GluRs与乙酰胆碱 ACh r 氨基丁酸 GABAa GABAc 甘氨酸 Gly 受体 5 羟色胺 5 HT 3受体和组氨酸门控离子通道同属于半胱氨酸环配体门控离子通道超家族 其结构如下图所示 6 图1 半胱氨酸环受体的共同特征Fig 1 Generalfeaturesofcys loopreceptors 9 A 受体的侧面图 两个C表示高度保守的二硫键桥 NT表示传递介质的结合位点 1 2 3和4表示4个跨膜区 B 主要由M2跨膜区形成孔道的内腔 7 一 代谢型谷氨酸受体 mGluRs mGluRs没有离子通道 但能通过G蛋白与一系列第二信使的级联反应来介导谷氨酸兴奋性毒性 mGluRs可分为3个亚型8个亚单位 型包括mGluR1和mGluR5 型包括mGluR2和mGluR3 型包括mGluR4 mGluR6 mGluR7 GluR8 8 代谢型受体激动剂拮抗剂Group mGluR1PLC1 DHPGCPCOETmGluR5MPEPGroup mGluR2cAMP ACPDEGLUmGluR3Group mGluR4cAMP L AP4CPPGmGluR6PPGMAP4mGluR7L SOPmGluR8 9 其中 型mGluRs能激活磷脂酶C 产生三磷酸肌醇 使Ca2 从胞内钙库释放 引起神经细胞兴奋和增加神经细胞的敏感性 型mGluRs能抑制腺苷酸环化酶 减少cAMP的生成 从而抑制谷氨酸的释放 目前谷氨酸受体系统与药物作用的靶点的研究主要集中在两个方面 谷氨酸神经递质的拮抗剂 目前还在动物实验阶段 尚未获得与临床的相关性 型mGluRs的激动剂 在动物实验中被证明具有神经保护 抗惊厥 抗焦虑作用 推测可能和它们能减少谷氨酸能神经递质的释放有关 10 一 代谢型谷氨酸受体作用特点 Metabatropicreceptors mGluRs Group mGluR1PLC1 DHPGCPCCOETmGluR5MPEPGroup mGluR2cAMP ACPDEGLUmGluR3Group mGluR4cAMP L AP4CPPGmGluR6PPGMAP4mGluR7L SOPmGluR8 11 一 代谢型谷氨酸受体作用特点 一 突触定位mGluRs的作用与它的突触分布关系密切 即mGluRs若是在突触前分布 其作用主要是调节递质的释放 而分布在突触后则作用是产生突触后效应 即EPSP或IPSP 多数情况来看 I型mGluRs分布在突触后 而II型和III型mGluRs主要分布在突触前 一些区域仍然有II型mGluRs分布在突触后 但III型mGluRs基本都分布在突触前 12 13 一 代谢型谷氨酸受体作用特点 二 生物学作用1 突触后作用抑制K 电导 降低K 电流 增加细胞内Ca2 浓度易化AMPA受体的作用 PKC Ca2 依赖性 易化NMDA受体的作用 PKC依赖性 2 突触前作用最早发现的是AP4的突触抑制作用 之后发现了其它的mGluRs激动剂同样也有抑作用制 主要是II III型mGluRs被激动后发挥的抑制作用 14 1 作用特征AP4发挥突触前抑制时不改变突触后神经元的电学特征 如输入阻抗 膜电位等 AP4既能抑制AMPA受体激动的作用 同时也能抑制NMDA受体激动的效应 意味着突触前释放的递质减少了 而非突触后效应所致 AP4发挥突触抑制作用时 外源性谷氨酸对突触后受体的激动作用不受影响 AP4可以加强双脉冲刺激引起的突触前抑制作用 后者是突触前抑制的标志 AP4引起的突触前抑制 主要改变EPSP的频率而不是幅度 15 2 突触前作用机制突触前抑制主要通过激活PTX敏感的G 蛋白实现其作用 具体机制可能涉及不同的途径 如抑制突触前Ca2 电导 激活K 通道而增加K 电流 增加K 电流可以降低突触前膜的去极化 从而减少Ca2 内流量 另外 增加K 电流可以增加突触前膜产生动作电位的阈值和降低动作电位的峰值 从而减少递质的释放 16 3 两种不同类型的突触前受体presynapticreceptors主要是III型mGluRs 包括mGluR7 4 8 它们位于突触前膜的活性区 perisynapticreceptors主要是II型mGluRs 包括mGluR2 3 它们不是位于突触前膜的活性区 而是在突触前膜的周边区域 只有强刺激时才能被激活 17 18 19 二 亲离子型谷氨酸受体根据对激动剂的亲和力不同 亲离子型谷氨酸受体可分为三个亚型 NMDA受体AMPA受体Kainate受体 20 离子型受体激动剂拮抗剂AMPAGluR1GluCNQXGluR2AMPAGluR3GluR4KainateGluR5GluCNQXGluR6KAGluR7KA1KA2NMDANR1GluAP5NR2ANMDAMK801NR2BNR2CNR2D 21 AMPA与Kainate受体一般只允许单价离子通过 而NMDA受体允许Na 和Ca2 的通过 AMPA与Kainate受体都与几个不同的亚单位 共同形成一个离子通道 当这两个受体兴奋时 Na 和K 快速内流 产生迅速的兴奋性神经传导 这个过程使神经元细胞膜去极化 但Kainate受体的生理功能目前还不清楚 而AMPA受体的功能己比较清楚 22 AMPA受体有3个结合位点第一个是谷氨酸结合位点 AM PA的拮抗剂如托吡酯和YM9OK结合于此位点 第二个为非竞争性结合位点 如吡拉西坦结合于此 使谷氨酸的兴奋性上调 这在记忆和认知功能方面有重要的生理作用 第三个结合位点是在离子通道上 能介导多种昆虫毒素 23 NMDA受体是在所有已知的神经递质受体中最独特的一种 因为它必须在两种激动剂谷氨酸和甘氨酸同时存在 并且细胞膜去极化时才能被激活 在NMDA受体上另外还有Mg2 PCP Zn2 H 等调节结合位点 Mg2 PCP的结合位点位于离子通道内部 24 PCP MK801 氯胶酮或美金刚在NMDA受体激动剂使离子通道开放时很易通过离子通道 使离子通道阻塞 所以是NMDA受体的非竞争性拮抗剂 在静息电位时 约 70mv NMDA受体的离子通道被Mg2 阻断 即使有谷氨酸与甘氨酸在结合位点上 也能阻止离子流动 只有细胞膜去极化时 Mg2 的阻断作用才消失 使Ca2 流入细胞内 在细胞膜轻微去极化至约 5Omv时 Mg2 的阻断作用减少 离子通道部分开放 25 二 离子型受体 IonotropicReceptor iGluR 二 离子型谷氨酸受体作用特点 一 NMDA受体 1 一般特征 1 通道耦联的离子型受体 Ca2 通道 2 通道被Mg2 以电压依赖性方式阻断 该通道受电压 化学因素双重控制 3 缓慢的通道动力学特征 26 2 受体 通道特征 1 Zn2 一 2 H 一 PH6 0完全阻断 3 甘氨酸 Co agonist 4 多胺 甘氨酸依赖性非甘氨酸依赖性 5 Mg2 电压依赖性阻断通道 70mV基本不开放 去极化后Mg2 与通道亲和力降低并移出通道 意义 使通道受化学 电压双重控制 6 特异性阻断剂AP5 受体阻断剂 NMDA受体antagonist 非特异性阻断剂MK801 通道阻断剂blocker 27 28 Ca2 与NMDA反应的关系 29 NMDA受体 通道被Mg2 抑制 30 甘氨酸加强NMDA受体的电反应 31 突触后两种电反应 即快反应和慢反应 4 2ms 81 8ms 32 谷氨酸能突触及胶质细胞的作用模式图 33 34 3 生理作用 1 参与突触传递 2 参与突触传递可塑性刺激schaffer侧支引起CA3区兴奋 若给高频刺激 条件刺激 再给测试刺激将引起强烈反应 而且持续时间延长 即突触递长时程增强 long termpotentiation LTP 35 4 毒性作用谷氨酸的过量释放以及NMDA受体的过度激活主要通过增加细胞内Ca2 发挥毒性作用 脑内的疾病造成的神经元损伤大都与Ca2 超载有关 如脑缺血 中风 癫痫 AD PD等 Ca2 超载的毒性机制主要是由于Ca2 浓度增高激活了细胞内很多酶系统 如NOS 蛋白水解酶 脂质过氧化酶 从而生成大量自由基 NO 同时线粒体的功能也发生紊乱 导致细胞的结构破坏 甚至坏死 36 二 AMPA KA受体AMPA受体激动可引起Na 内流 主要参与正常的突触传递 形成突触后反应即EPSP KA受体激动后的主要作用是引起细胞内Ca2 浓度的变化 即通过Ca2 信号系统来发挥作用 37 谷氨酸受体在昆虫方面的有关研究 超高效和高选择性是未来农药发展的主要方向 由于离子通道和神经受体的复杂性和其在不同生物体内表现的药理性质的差异 为活性高 选择性强的新农药的创制提供了可能 而目前全球最畅销杀虫剂的3大作用靶标就是IGluRs 烟碱型乙酰胆碱受体 nAChRs 和GABARs 其中IGluRs通道目前仅在无脊椎动物的神经和肌肉细胞中被发现 在脊椎动物中尚未发现 因此 IGluRs是研发高选择性杀虫剂的理想靶标 38 IGluRs最初是从蝗虫Schistocercagregaria的腿部肌肉中发现的 被确定为接头外谷氨酸受体 H 受体 所打开的通道主要对氯离子具有通透性 调节神经细胞内快速的突触抑制作用 除肌纤维外 IGluRs也是胸神经节和头部神经的重要组成部分 最近 Janssen等首次从东亚飞蝗Locustamigratoria背侧不成对中间 DUM 神经细胞中检测到了功能性的IGluRs 通过电压钳测定谷氨酸激活电流的动力学特征 发现用谷氨酸连续灌流 其诱导的电流快速并且脱敏彻底 进一步采用全细胞膜片钳技术证实 谷氨酸诱导的DUM神经细胞电流主要是载氯离子流 39 IGluRs主要分布在无脊椎动物的中枢神经和神经肌肉的连接处 对控制吞咽 运动 感知等可能起着关键作用 但目前人们对IGluRs的生理功能了解还甚少 Liu等在蜚蠊Diplopterapunctata的咽侧体内发现了IGluRs新的功能 即调控保幼激素的合成 研究发现 经谷氨酸处理后的咽侧体细胞膜电位出现去极化和超极化 药理学研究表明 经鹅膏蕈氨酸 ibotenicacid 诱导的膜超极化可以被木防己苦毒素 picrotoxin 所抑制 激动剂激活的IGluRs通道能够抑制保幼激素的合成速度 40 而且这种抑制作用与浓度相关 100 mol L的伊维菌素 ivermectin 可导致保幼激素的合成速度下降61 5 但低浓度伊维菌素 0 1和1 0 mol L 对保幼激素的合成没有影响 10 mol L的鹅膏蕈氨酸能使保幼激素的合成速度下降23 4 高浓度 30 100 mol L 则没有影响 而高浓度的木防己苦毒素能够促进保幼激素的合成 41 在蜚蠊内分泌组织中发现的IGluRs通道的这一全新功能 可以通过激活昆虫特异的IGluRs通道而抑制保幼激素的合成 从而推动新一代高选择性杀虫剂的研发 IGluRs通道的分子特性目前IGluRs在线虫 昆虫 甲壳类动物和软体动物中均有发现 人们对IGluRs的了解大多来自于对线虫和模式昆虫的研究 I