谷氨酸循环及谷氨酸兴奋性毒性.doc

谷氨酸循环及谷氨酸兴奋性毒性众所周知，谷氨酸是中枢神经系统最重要的兴奋性神经递质谷氨酸不能通过血脑屏障在脑内合成 Glu 的途径有 4 条[1]：(1)α-酮戊二酸接受氨基产生 Glu；(2)γ-氨基丁酸(γ-amino-bu-tyric acid，GABA)经 GABA 转氨酶形成 Glu；(3)鸟氨酸在鸟氨酸转氨酶的作用下产生谷氨酸半醛，后者进一步生成 Glu；(4)谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下水解成Glu而其中只有第 4 条途径来源的 Glu 发挥神经递质的作用一． 谷氨酸—谷氨酰胺循环神经系统中，神经胶质细胞（主要是星型胶质细胞，AC）与神经元的比例约为 10：1AC介于神经元与毛细血管之间，是血脑屏障的重要组成部分正常状态下,神经元胞浆的 Glu浓度在 10mM/L,AC 胞浆的 Glu 浓度在 50 至几百 μM/L，胞外则为 0.6,突触间隙为 1μM/L,而突触终端囊泡可达 100mM/L,胞内外 Glu 的浓度相差万倍以上突触传递过程中，神经冲动传导至神经突触，神经末梢去极化，突触小泡通过突触囊泡和质膜融合而从神经元释放(即胞吐作用)囊泡释放的 Glu 可使突触间隙的浓度由静息的 1μM/L 升高到 1.1 mM/L，维持在此峰值的时间约为 1.2ms。

[2]作用于突触后膜的各型 Glu 受体，传递神经冲动，发挥生理作用，同时，触发负反馈调节，并由 AC 膜上的谷氨酸转运体摄取，神经胶质细胞具有很强的 Glu 摄取能力，并含有谷氨酰胺合成酶，能将 Glu 转变成谷氨酰胺，再转运至突触前神经末梢胞质中，经谷氨酰胺酶脱氨生成 Glu同时，一部分经谷氨酸脱羧酶催化生成具有抑制作用的 GABA接着，Glu 通过位于囊泡上的谷氨酸转运体将其转位进入囊泡内腔，并储存于囊泡中在静息神经元(resting neuron)中，Glu 在神经末梢的突触囊泡内以很小的膜结合细胞器形式储存由此形成神经元和胶质细胞之间的“谷氨酸-谷氨酰胺循环”(如图)二．谷氨酸受体GluR 分为亲离子型受体和代谢型受体(mGluR)离子型受体包括:使君子酸受体(Quisqatate,QA)、海人藻酸受体(Kainate,KA)和 N -甲基-D -天门冬氨酸受体(N -M ethy1-D -A spartate,NMDA)等共有十四种亚基,是与通道相连的受体一通道复合物，介导快速兴奋性突触传递过程，与神经系统发育过程中神经网络的形成、学习和记忆过程中的突触传递、可塑性改变等生理过程有密切关系;同时还介导脑缺血、颅脑损伤、神经变性疾病所致的神经元死亡的神经毒作用。

后来又发现 d-氨基-3 -羟基-5-甲基-4 异恶唑呤(AMPA)作用于 QA 受体,较 QA 受体本身是更有效的激动剂,所以又称 QA受体为 AMPA 受体代谢型谷氨酸受体(mGluRs)是一个与 G 一蛋白偶联的受体家族，通过激活 G 一蛋白产生第二信使而发挥其生物学效应根据 mGluRs 氨基酸序列的同源性、胞内信号转导机制以及药理学特性，分为三型共计八种亚型 (表 1)即Ⅰ型：mGluR1，mGluR5Ⅱ型：mGluR2，mGluR3Ⅲ型：mGluR4，mGluR6，mGluR7，mGluR8研究证实，多数 mG1uRs 位于突触前膜，对谷氨酸(及其它神经递质)的释放发挥负反馈调节，通过突触前机制对谷氨酸的释放产生抑制作用而 I 型 mGluRs 主要位于突触后〔2〕 ，被激活后可加强离子型受体的效应mGluR1,5 激活细胞内磷酸脂酶 C,该酶使磷酸肌醇脂分解为磷酸肌醇(IP23)和二脂肪酰甘油脂(DAG),IP23 诱导细胞内 Ca2+释放;II 型 mG1uRs 位于突触前而不是突触后[3〕 Shigemot 等〔4〕利用免疫组化及电镜技术详尽观察了 mG1uRs 在海马的分布及突触定位。

结果显示，mGluR2，3 位于突触前而不是突触后电镜观察证实了 mGluR2，3 的突触前定位，但同时发现它们并不是位于释放递质的活性区，而是在远离活性区的外突触区Yokoi [ 5〕利用 mG1uR2 基因敲除的小鼠明确显示了该受体在海马的突触前定位有报道认为，mG1uR:基因敲除的小鼠并不显示功能异常，这意味着 mG1uR2 对正常的兴奋性突触传递可能不发挥重要作用[6]mGluR4，mGluR6， ，mGluR8 同样位于外突触区 mG1uR4 , mG1uR8 对谷氨酸具有很高的亲和力(分别为 0. 3 一 20 , 0. 04 一 5,3 一 38,3 一 11μM/L)[7]，这符合它们的突触定位，因为这四种受体均位于远离活性区的外突触区，不大可能获得与活性区相同的谷氨酸浓度，只有亲和力很高才有可能被激活 与其它 mG1uRs 相比，mG1uR7 在脑内分布最广，且研究最充分，积累资料也最多〔1,4,7,8]mG1uR7 的突触前定位，恰好位于轴突末梢的活性区，与其他 mG1uRs 相比，mGluR7 与内源性配体谷氨酸的亲和力(EC50 > lmmol/L)远低于任何一种突触前受体。

实验发现，谷氨酸浓度需达到毫摩尔级水平，才能激活 mG1uR7，从而观察到该受体激活后产生的对 CAMP 的抑制〔4)正常突出传递中，突触间隙谷氨酸浓度峰值约为 1.1 mM/L，非常符合位于活性区且作为突触前自身受体的 mG1uR:对谷氨酸的亲和力，即它对谷氨酸的亲和力很低，需很高浓度的谷氨酸才能被激活有可能被激活mG1uR7 非常符合突触前自身受体的条件因而当递质由囊泡释放至突触间隙，激活突触后受体产生突触后效应时，在一定条件下也使作为突触前自身受体的 mGluR7 兴奋，发挥对递质释放的负反馈调节，从而使突触间隙的递质浓度维持在生理水平;而其它位于突触前的 mG1uRs 都是在远离活性区的外突触区，生理条件下突触传递所释放的递质量不可能激活这些受体只有在异常情况下，递质过量释放才能使其由活性区溢出(spillover)至外突触区，激活这些受体，抑制递质的再释放这样看来，对突触传递过程中递质释放的调控至少存在两种机制，即正常突触传递的情况下，由mG1uR7 作为自身受体发挥的负反馈调节;以及在异常情况下，由于递质过量释放激活的mG1uR2 , mGluR3 , mG1uR4 ,mGluR8 发挥的对递质释放的负反馈调节。

另外，还存在着突触前 mGluRs 对其它递质如 GABA 释放过程的调节机制因此，突触前 mGluRs，对突触传递过程递质的释放，存在一整套复杂而完善的调控机制三．谷氨酸转运体和谷氨酸 胱氨酸转运体（一）谷氨酸转运体现在已知的谷氨酸转运体有两种：高亲和力转运体(也称为兴奋性氨基酸转运体，excitatory amino acid transporters，EAATs)和低亲和力转运体(也称为囊泡膜谷氨酸转运体，ve-sicular glutamate transporters，VGLUTs)1 高亲和力转运体位于细胞膜共有 5 种，分别为：GLAST(EAAT1)、GLT-1 (EAAT2)[9,10]、EAAC1(EAAT3)、EAAT4[11,12]和 EAAT5[13]其中 GLAST、GLT-1 主要在星型胶质细胞表达，在终止谷氨酸能神经传递、维持细胞外液Glu 浓度处于低水平、防止其兴奋性毒性作用以及对过量 Glu 的转运中发挥着主要作用[14]脑内谷氨酸的清除主要由这二者承担，并以 GLT-1 为主高亲和力转运体对 Glu 的转运功能具有 Na+依赖性,胞内外的 Na+浓度差为其提供势能[15]。

在正常情况下，胞外 Glu 与EAAT 结合后，顺着 Na+的浓度梯度共同转运至胞内，EAAT 每摄取 1 个 Glu-同时摄入 2 个Na+和 1 个 H+，并排出 1 个 K+和 1 个 OH-(或 HCO3-)，从而产生内向电流，因此转运是生电过程Na+-K+泵来维持细胞内外 Na+、K+的正常浓度，因此 EAAT 转运 Glu 是一种离子依赖性的耗能过程，整个转运过程是可逆的，当跨膜浓度差逆转时，EAAT 可变摄取为释放Glu2 低亲和力转运体 VGLUTs 有 3 种：Ⅰ型囊泡谷氨酸转运体(VGLUT1)、Ⅱ型囊泡谷氨酸转运体(VGLUT2)和Ⅲ型囊泡谷氨酸转运体(VGLUT3)VGLUTs 分布于囊泡膜上，它能够特异地将突触囊泡外的 Glu 转运进入突触囊泡内[16，17，18]VGLUTs 与 EAATs 生理作用不同，其 Glu 的摄取由横跨囊泡膜并由空泡型三磷酸腺苷酶(vacuolar-typeATPase)产生的质子依赖的电化学梯度(protondependentelectrochemicalgradient)所驱动，并具有严格的底物特异性(对 L-Glu 高度特异)和相对低的亲和性(Km=1－3mmol/L)，主要依赖于囊泡膜电位梯度的存在，而不是 pH 梯度。

对于它的最大活性来说，低浓度的氯化物(2－5mmol/L)是必要的[19]（二）谷氨酸-胱氨酸转运体谷氨酸-胱氨酸转运体在脑内主要分布于星形细胞与神经元生理状态下释放 1 分子的谷氨酸,摄取 1 分子胱氨酸入胞,两者藕联转运胱氨酸在胞内迅速被还原成半胱氨酸,一部分参与胞内重要自由基清除剂谷胱甘肽的合成,另一部分则出胞氧化成胱氨酸,重新参与谷氨酸-胱氨酸系统循环谷氨酸-胱氨酸转运体转运功能依赖于谷氨酸及胱氨酸跨膜浓度差高低,而非 Na+依赖性,提高突触间隙谷氨酸浓度可抑制胱氨酸的摄入,提高胞内胱氨酸浓度也可抑制谷氨酸的释放,两者相互抑制[20]高浓度谷氨酸情况下,胞内外的谷氨酸浓度倒置将出现反方向转运,胱氨酸摄取被阻滞由于 Xc-系统的胱氨酸摄取是谷胱甘肽合成的限速步骤[21],因此胱氨酸的摄取阻滞导致胞内谷胱甘肽合成减少,造成氧自由基的堆积,广泛攻击细胞超微结构,尤其是线粒体,介导后续反应,导致细胞损伤乃至死亡四 谷氨酸的兴奋性毒性当脑出血，脑外伤，或其他理化因素导致脑神经细胞外液 Glu 剧增时，过度刺激谷氨酸受体会引起引起神经兴奋性毒性Glu 与突触后非 NMDAR(QA/KA 受体,现称 AM PA、KA 受体)结合,Na+通道开放,大量的 Na+向细胞内移动,可以在伤后 1～2 小时内出现急性细胞肿胀,甚至溶解,造成立即性神经元死亡,是第一阶段;另外,大量 Glu 与 NMDAR 结合,使 Ca2+通道反复开放,且 NMDAR 结合时间较长,导致大量 Ca2+内流、超载,可从伤后 24 小时延长到 5～7 天,成为延迟性细胞死亡,是第二阶段。

此两阶段变化因非 NMDAR 和 NMDAR 分布重叠,反应交错,加上代谢型 GluR 激活使细胞内钙池大量释放 Ca2+,出现致死性的 Ca2+超载,细胞膜的自溶进入独立过程,导致一系列严重后果线粒体功能不全是 Glu 神经毒性的主要步骤,过量 Ca2+沉积粒体,干扰线粒体呼吸链功能,氧自由基生成增多氧自由基攻击膜结构,通透性增加,Ca2+内流加剧,Na+—Ca2+交换加强Ca2+也可激活细胞内信号传导系统调节细胞功能或加速死亡另外线粒体释放细胞色素 C 也介导细胞死亡NMDAR 过度激活还通过对 GluR 依赖性离子通道的开放作用引起 Ca2+内流,继而引起 Cl-和水的转移以上过程引起细胞器的肿胀和胞膜的渗漏与细胞坏死过程相符GluR 的过度激活在一定条件下也可以引起细胞的凋亡,而且越来越多的证据表明凋亡在脑损伤病理生理中也发挥重要作用[22]Zhivotovsky[23]等将细胞色素 C 注入细胞内,发现细胞色素 C 可诱导细胞凋亡Ca2+激活核酸内切酶,凋亡基因的表达促进细胞死亡NMDAR的激活与线粒体形成活性氧自由基(ROS)有关[24],而许多研究证实氧化性损伤可独立引起神经元的凋亡,因而 ROS 的形成是神经元凋亡的早期标志之一。

当损伤较温和时,也可通过凋亡方。