第一节　氨基酸

一、谷氨酸

谷氨酸(glutamic acid,Glu),即α-氨基戊二酸,是由糖代谢三羧酸循环的中间产物α-酮戊二酸在转氨酶的作用下加氨基而生成,也可由谷氨酰胺经谷氨酰胺酶脱氨基产生。Glu在中枢神经系统中分布广泛。作为重要的代谢中间产物,Glu在兴奋性神经元和抑制性神经元中都有分布,且含量几乎相等。但是,兴奋性神经元的轴突末梢中含有Glu囊泡,囊泡中Glu的浓度是胞浆浓度的10倍。1954年,Hayashi首次报道了Glu对大脑皮层具有兴奋作用,此后,人们逐渐认识到Glu是中枢神经系统中最主要的兴奋性神经递质,参与神经系统的发育和感觉、运动等几乎所有功能的实施。Glu也是痛觉环路中最主要的兴奋性神经递质。当机体受到伤害性刺激时,在脊髓背角等痛觉传递相关中枢内,突触前膜囊泡中的Glu释放,与突触后膜上的谷氨酸受体相结合,兴奋突触后神经元,在痛觉环路中传递伤害性信息。

谷氨酸受体有两种类型:离子型受体(ionotropic glutamate receptors,iGluRs)和代谢型受体(metabotropic glutamate receptors,mGluRs)。离子型受体根据激动剂的不同又分为NMDA(N-methyl-D-aspartate)受体,AMPA(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid)受体,海人藻酸(kainic acid,KA)受体,它们都是由谷氨酸门控的阳离子通道。这三种离子型谷氨酸为4聚体或5聚体,其构成亚基各不相同(图3-1)。

iGluRs不仅在中枢内传递信号,而且在一定条件下引起可塑性变化,导致慢性疼痛的发生。它们的拮抗剂虽然都能发挥镇痛作用,但是因为副作用严重,不适合临床应用。代谢型谷氨酸受体已经克隆出8种(mGluR1～8),它们都是7次跨膜的G蛋白偶联受体。根据胞内信号转导机制的不同 mGluRs分为三组:mGluRⅠ(mGluR1,mGluR5)、mGluRⅡ　(mGluR2,mGluR3)、　mGluR　　Ⅲ　(mGluR4,　mGluR6,mGluR7,mGluR8)。mGluRⅠ主要分布于突触活性带以外的突触后膜上,提示mGluRⅠ的激活主要发生在突触间隙内有高浓度Glu时。mGluRⅠ激活后,激活PLC,产生IP3,细胞内Ca²⁺释放增多,产生 DAG并激活 PKC。在脊髓水平,mGluRⅠ激动剂能导致疼痛,而其拮抗剂发挥镇痛作用。mGluRⅡ和mGluRⅢ分布在突触前,作为自受体发挥作用。mGluRⅡ分布在突触外围或突触以外,在胶质细胞也有分布。mGluRⅢ分布在突触活性带。mGluRⅡ和mGluRⅢ激活后,能下调腺苷酸活化酶(adenylyl cyclase,AC)活性,并减少突触终末谷氨酸释放,一般介导镇痛作用。

图3-1　离子型谷氨酸受体及其亚基

二、γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)是中枢神经系统内主要的抑制性神经递质,广泛参与神经系统的各种功能。GABA主要存在于神经元内,由谷氨酸脱羧而成,释放后被降解成琥珀酸进入三羧酸循环,或被转运体重摄取。在痛觉环路中,GABA能降低神经元的兴奋性,减少神经递质释放,抑制痛觉信息的传递。当痛觉环路中GABA的抑制效应减低时,即脱抑制时,就会导致痛敏的发生。脱抑制可由GABA能神经元凋亡引起,也可由表达GABA受体的神经元胞浆内Cl^-浓度发生变化而引起。GABA的抑制作用是由GABA_A受体和GABA_B受体共同介导的。其中GABA_A受体是离子型受体,是配体门控的氯离子通道;而GABA_B受体是代谢型受体,从属于G蛋白偶联受体家族,主要介导GABA的神经调质作用。GABA_A受体和GABA_B受体都参与GABA在痛觉环路中抑制痛信息传递的作用。

GABA_A受体的亚单位有8种亚型19种,即α1～6亚型,β1～3亚型,γ1～3亚型,δ亚型,ε亚型,π亚型,θ亚型和ρ1～3亚型。不同亚单位构成不同的GABA_A受体,但最为常见的是由2个α、2个β和1个γ五个亚单位构成的5聚体。在脑内,GABA_A受体以α1β2γ2亚单位构成为主;而在脊髓,GABA_A受体的α2和α3亚单位的含量比α1高;β亚单位以β3亚单位为主。GABA_A受体主要分布在突触后膜,其激活能开启氯离子通道,导致胞外氯离子内流,引起胞膜超极化,介导突触后抑制效应。GABA_A受体的GABA识别位点一般有两个,都是由α和β亚单位共同构成。除此之外,多数GABA_A受体还有调节位点,能结合神经甾体等内源性神经调质或苯二氮(benzodiazepine,BD)、巴比妥类、醇类以及麻醉类药物。以BD为例,BD识别位点由γ亚单位和与γ亚单位相邻的α亚单位构成。当GABA不存在时,BD等药物本身不能激活GABA_A受体,但 BD与GABA_A受体结合后,能通过增加氯离子通道开启的频率,增强GABA的抑制效应。

含有δ亚单位或ε亚单位而不含有γ亚单位的GABA_A受体没有BD识别位点,主要分布在突触外位点。此类受体比含有γ2亚单位的受体对GABA有更高的亲和性,介导紧张性抑制电流,在中枢内分布具有特异性。δ亚单位主要分布在小脑,在大脑的一些区域也有分布,例如齿状回、纹状体和皮层。ε亚单位分布在脊髓,下丘脑等区域。θ亚单位的分布与ε亚单位类似,而π亚型主要分布于肺、胸腺、前列腺、子宫、胰腺和呼吸道上皮等外周组织。由ρ1～3亚单位构成的5聚体氯离子通道,不能被GABA_A受体拮抗剂荷包牡丹碱(bicuculline)拮抗,因此,从前称为GABA_C受体,现在国际药理学联合会(IUPHAR)建议其命名为GABA_A0r受体。ρ亚单位在视网膜最丰富,但是ρ2亚单位在全脑都有分布,ρ1亚单位在脊髓也有分布。

GABA_B受体是G蛋白(G_i/o)偶联的受体,主要分布在突触前膜。其激活能抑制Ca²⁺内流,减少突触前神经递质的释放,介导突触前抑制效应。GABA_B受体是由GABA_BR1和GABA_BR2两个亚单位构成的二聚体,两者都含有较长的胞外氨基端、七次跨膜结构和较短的胞内羧基端;它们在胞内的羧基断将两个亚单位结合在一起。GABA_BR1亚单位又可分为 GABA_BR1a、GABA_BR1b和GABA_BR1c三种类型,突触前GABA_B受体主要由GABA_BR1a和 GABA_BR2构成,而突触后 GABA_B受体主要由GABA_BR1b和GABA_BR2构成,GABA_BR1c的功能尚不清楚。GABA_B受体通过调节AC活性,调节电压门控Ca²⁺通道和内向整流钾离子通道

而发挥作用。突触前膜的GABA受体通过抑_B制Ca²⁺通道和抑制AC发挥作用,减少突触前神经递质的释放。在不同的突触前膜,GABA_B受体可以作为自受体减少GABA释放,也可以作为异受体抑制Glu,去甲肾上腺素和乙酰胆碱等不同神经递质的释放。突触后膜的GABA_B受体通过G_βγ亚单位激活,产生抑制性突触后电位,抑制突触后神经元的兴奋性。

三、甘氨酸

甘氨酸(glycine,Gly)是氨基乙酸,在中枢神经系统内分布于脊髓、脑干和视网膜等部位,在脊髓含量最高。神经系统中的Gly是由丝氨酸经丝氨酸羟甲基转移酶催化生成,而其降解发生在线粒体内膜上,由Gly裂解系统完成。Gly也是痛觉环路中一种重要的抑制性神经递质,同时,Gly对痛觉环路中兴奋性突触传递也有调节作用。

Gly的抑制作用主要是通过激活Gly受体实现的。Gly受体也是由5个亚基共同构成的氯离子通道,其构成亚基有两类,即α1-4亚型和β亚型。Gly受体α亚单位能构成同聚体离子通道,但是在成人神经系统内,大多数Gly受体都是由2个α亚单位和3个β亚单位构成的异聚体。在脊髓和脑干中,甘氨酸受体主要由α1和β亚单位构成。Gly受体能被士的宁(strychnine,Stry)选择性阻断。鞘内注射Stry能拮抗Gly的抑制效应,引起疼痛;而Gly转运体抑制剂能增强Gly的抑制效应,具有镇痛作用。

甘氨酸也可以作为内源性共激动剂(coagonist)与NMDA受体结合,正性变构调节NMDA受体,促进NMDA受体开放。NMDA受体上有Gly结合位点,微摩尔浓度的Gly和丝氨酸作为内源性共激动剂,与Glu一起,使NMDA受体完全开放,增强Glu的兴奋作用。临床上,可通过阻断Gly对NMDA受体的易化作用来防治过多的兴奋性氨基酸引起的神经毒性作用。