第二章第-神经毒剂的作用机理-2-&-3-load.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,Caffeine Crystals,The worlds most popular psychoactive drug,caffeine,is a crystal that grows in the seeds,fruit or leaves of many plants.This image was made in black and white using an electron microscope and then falsely colored in vibrant hues.The photograph won one of this years Wellcome Image Awards().,2,神经系统是杀虫药剂的主要靶标。,七、对神经膜的穿透,昆虫的,神经系统除脑以外,，主要由一系列神经节组成的,腹神经索,，属腹神经索型。昆虫的神经系统由,中枢神经系统,、,交感神经系统,和,外周神经系统,3,部分组成,。中枢神经系统是昆虫神经脉冲和内分泌的控制中心；交感神经系统主要包括控制消化道的口道交感神经和控制气门与背血管的中神经；外周神经系统是由感觉神经元和运动神经元的神经纤维组成的神经网络，主要分布在软体幼虫的体表。,昆虫有中枢神经系统吗？,3,神经系统是杀虫药剂的主要靶标。,七、对神经膜的穿透,神经元的结构,昆虫神经节的模式图，蜻蜓稚虫腹神经横切面,4,神经系统是杀虫药剂的主要靶标。,1,血脑屏障,（,blood brain barrier,BBB,）,及其保护作用：因为,(1),神经系统存在于血液与脑细胞外空隙之间,，但不在表面，限制了某些化合物进入神经细胞外的液体内；,(2),存在于,围绕细胞的毛血管的管内表皮细胞内；,(3),在血液与脊髓之间,，处于脉络丛中。,这三个屏障都允许脂溶性物质的通过，但穿透率不同。,七、对神经膜的穿透,5,可能在胶质细胞及其附近区域。类似生物膜的结构，非离子部分可以穿过，电解质的离子部分被阻挡在血,-,脑屏障的外面。,昆虫的血脑屏障和哺乳动物的在性质上是一致的，都是阻隔大分子及极性分子的进入，差别在于对某些化合物，,昆虫的血脑屏障层更为有效,，另一个重要差别在于哺乳动物的血脑屏障并不能保护其周围神经系统。,如胺吸磷，离子化合物，抑制乙酰胆碱酯酶。昆虫的胆碱能突触全部集中在中枢神经系统，胺吸磷不能越过屏障，因此，对昆虫的毒力很低。在哺乳动物中，外周神经系统有胆碱能突触，但没有膜屏障保护，所以胺吸磷对哺乳动物毒性很大。,2,昆虫的血脑屏障,七、对神经膜的穿透,6,Fick,扩散定律,在任何时间的穿透速率与该时间在体表上杀虫药剂的量成正比：,-dc/dt=KC,Where:C,：在体表上，杀虫药剂的量,K:,是穿透的速率常数。由上式可进一步推出：,C=C,0,e,-Kt,C,0,是药剂的使用剂量，,e,是自然对数。用穿透的剂量对数与穿透时间做图即可得到,1,条直线。如,DDT,对大鼠皮肤的穿透，乐果、和对硫磷穿透进入美洲蜚蠊的情况，完全符合这种规律。,八、穿透动力学,7,但是，有的药剂的穿透成双相型式，或更复杂，如拟除虫菊酯穿透进入辣根猿叶甲，六六六进入美洲蜚蠊等。这些穿透曲线表明，杀虫剂从体壁外层向内层的转移是很快的，但到达内层后则扩散速率逐渐趋于稳定。,药剂不同，昆虫不同，其穿透曲线都会有差异。,9,一般认为主要通过血淋巴转运，但也有学者认为通过血淋巴转运是次要的。,1,通过血淋巴的转运,一般认为，杀虫剂与血浆蛋白结合，并被带到其他器官。主要是清蛋白。,九、杀虫剂通过不同途径的转运,10,2,通过昆虫表皮中的侧向转运,转移机制：杀虫剂进行穿透的唯一动力是物理化学的作用：毒剂在表皮的穿透动向主要是侧向扩散，这是通过消化代谢的作用过程而加以控制的。,杀虫剂的侧向移动主要在内表皮和真皮细胞层的分界表面进行。,Greolt,认为，杀虫剂穿透进入原表皮后，一般不再穿过真皮细胞层，而是靠扩散作用以及真皮细胞顶膜的流动性，做侧向移动，并通过气管系统而转移到其他作用部位。,11,2,通过昆虫表皮中的侧向转运,Greolt,认为血淋巴在杀虫剂的转运过程中是次要的，而主要是在表皮中进行侧向运转，即沿表皮的腊层进入气管系统，然后由微气管到达作用部位。,（,1,）杀虫剂通过体壁进入虫体内的量很少,（,2,）血淋巴中所含有的杀虫剂所能产生的杀虫效果很小,（,3,）血淋巴携带杀虫剂运转的作用很小,另外，,Spiller,（,1955,）和,Colhoun,（,1960,）用联体昆虫进行了实验，结果表明，处理昆虫的血液对另一头相联的昆虫无毒性。,12,（,4,）放射性自显影实验,Greolt,用,14,C-,狄氏剂处理沙漠蝗幼虫腹部表皮的放射性自显影图谱显示，狄氏剂在整个蝗虫表皮搌布开来，而处理家蝇幼虫，则显示药剂积累在气管系统。,13,（,5,）杀虫剂的运转只能在活体部位进行，运转机制必然与体壁的真皮细胞层以及气管和消化道内的上皮层有关。,据以上实验，,Greolt,认为，,“,关于杀虫剂进行穿透的唯一动力是物理化学的作用,”,这一论点，应予以修正并解释为：,毒剂在表皮的穿透动向主要是侧向扩散，这是通过消耗代谢能的作用过程而加以控制的。,其依据为，缺氧和低温对于,14,C-,狄氏剂和,14,C-,敌虫畏转移的影响。若把家蝇置于,0,的空气中或者室温下无氧的氮气中，这样就可以阻止杀虫剂从腹部的点滴部位移动到胸部，而用乙醚麻醉的家蝇却不受此影响，这说明昆虫的活动能力与药剂在虫体内的转运无关，但在死亡的家蝇体内，杀虫剂的运转则受到限制。,14,由此，他提出杀虫剂的运转只能在活体部位进行，运转机制必然与体壁的真皮细胞层以及气管和消化道内的上皮层有关。,他认为杀虫剂在昆虫表皮内的穿透有两种动向：,药剂首先从接触部位进入体壁表皮，再借助扩散作用进入到真皮细胞层；另外借助于主动过程做侧向转移。,而侧向转移的药剂也可能自由地返回体壁表皮（图），这种现象可解释为什么施放一些吸收剂（例如蜡）在昆虫的表皮上，就能阻止杀虫剂的侧向移动现象。,（,5,）杀虫剂的运转只能在活体部位进行，运转机制必然与体壁的真皮细胞层以及气管和消化道内的上皮层有关。,15,其他实验：,狄氏剂点滴于沙漠蝗腹部的外侧，,2,天后出现击倒，而等量药剂点滴在胸气门，则,6,小时就可引起击倒。,放射自显影实验也表明，点滴马拉硫磷于蜚蠊的跗节后，但在气管组织内记录到的放射性最强。,电镜,:,昆虫的神经系统内分布有丰富的微器官。,故，,Greolt,认为，,杀虫剂是通过昆虫表皮内的侧向扩散再经过气管系统而进入虫体内部器官组织,。,2,通过昆虫表皮中的侧向转运,九、杀虫剂通过不同途径的转运,16,胆碱酯酶活性的组织化学：神经系统没有参与杀虫剂在虫体内运转作用。经气管组织进入虫体内是唯一的选择。,Greolt,提出了杀虫剂进入虫体的几种可能的途径（图）：,2,通过昆虫表皮中的侧向转运,17,实际上，杀虫剂在昆虫体内的分布情况非常复杂，涉及到很多因素，如杀虫剂的理化性质、昆虫的生理生化特点等，但最主要是代谢的影响。,十、杀虫剂在昆虫体内的分布,18,例：,3,H-738(3H-JHA-738),。,家蚕：脂肪体（,60%,）、体壁及性器官内，血淋巴中仅占,3%-4%,。,14,C,氰戊菊酯。,棉铃虫幼虫：消化道、马氏管内最高，而脂肪体、体壁等组织内较少。,14,C,敌百虫。,荔枝蝽体：头部、前胸背板等处最高，而脂肪体、消化道内的分布相对较少。,十、杀虫剂在昆虫体内的分布,19,杀虫剂发挥最大的毒力，要求：,（,1,）对表皮迅速的穿透而极少保留；,（,2,）很快被血淋巴液输送，并很快达到靶标部位；,（,3,）尽量减少进入脂肪体及其他器官，减少被保留、代谢及排出；,（,4,）对于神经系统，很快通过血脑屏障层。,矛盾！,一个理想的杀虫剂要求这些方面的矛盾因素有一个合适的平衡。,十、杀虫剂在昆虫体内的分布,20,放射性同位素标记：,常用的放射性同位素主要有,14,C,、,32,P,、,125,I,、,35,S,等。,放射性自显影技术：,观察同位素标记的杀虫剂在虫体组织内的分布情况。,十一、研究方法,21,第二节 杀虫剂在昆虫体内的代谢和排泄,农药代谢（,metabolism of pesticide,）,指农药在生物体内由酶催化或其他物质的作用而发生的化学反应。,农药在昆虫等动物体内的代谢主要包括,两个过程,:,初级代谢过程,次级代谢过程,22,初级代谢：,将一个极性基团加到杀虫剂上，或除去某些基团的生物转化作用，从而增强生成产物的亲水性，易于排出体外。涉及到氧化、水解、还原等酶促反应，是非合成过程。,氧化代谢：,氧化代谢是农药在动物体内酶系参与下最重要的代谢途径。其中微粒体多功能氧化酶（,MFO,）最重要；,水解代谢：,酯酶，包括磷酸酯酶、酰胺酶、羧酸酯酶等；有机磷中的很多品种、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯类等杀虫剂的代谢涉及到水解。,23,1.,初级代谢：,还原代谢,：硝基还原酶（含硝基的还原成胺类化合物）等；如对硫磷、氟乐灵等。,脱卤化代谢：,脱去卤族，如脱氯化氢酶等；主要是含卤族农药，如,DDT,等。,24,2.,次级代谢：,将初级代谢的生成产物进一步代谢，与昆虫体内的一些葡葡萄糖、葡萄糖醛酸、磷酸、硫酸和氨基酸等化合物起轭合作用，生成水溶性更大的代谢产物排出体外。,是一个合成过程，主要包括葡糖醛酸和葡萄醛苷轭合、硫酸盐轭合、甘氨酸轭合、半胱氨酸轭合、组氨酸轭合、葡萄糖轭合、谷胱甘肽轭合、磷酸轭合等。,第二章 昆虫神经生理和神经毒剂,第一节 昆虫的神经生理,一、昆虫的神经构造,二、昆虫神经系统传导神经冲动的机制,三、脊椎动物的神经生理与昆虫的神经生理的比较,第二节神经毒剂的作用机理,一、电压门控离子通道及其毒剂,二、作用于电压门控离子通道的杀虫剂,三、乙酰胆碱酯酶抑制剂,一、昆虫的神经构造,轴突或侧支的端丛不是直接相连的，而是以突触,(synapse),的形式相联系；端丛与肌肉相连系，称为神经,-,肌肉联接部（突触）,端丛,27,神经系统是杀虫药剂的主要靶标。,昆虫的,神经系统除脑以外,，主要由一系列神经节组成的,腹神经索,，属腹神经索型。,昆虫的神经系统由,中枢神经系统,、,交感神经系统,和,外周神经系统,3,部分组成,。,中枢神经系统,是昆虫神经脉冲和内分泌的控制中心；,交感神经系统,主要包括控制消化道的口道交感神经和控制气门与背血管的中神经；,外周神经系统,是由感觉神经元和运动神经元的神经纤维组成的神经网络，主要分布在软体幼虫的体表。,昆虫有中枢神经系统吗？,28,神经元的结构,昆虫神经节的模式图，蜻蜓稚虫腹神经横切面,神经系统是杀虫药剂的主要靶标。,昆虫的神经系统从解剖学上可分为三类：,1,、中枢神经系统,Central nervous system,脑,食道下神经节,腹神经索,2,、交感神经系统,Visceral nervous system,（,1,）口道交感神经系统,（,2,）腹交感神经系统,（,3,）尾交感神经系统,3,、周缘神经系统,Peripheral nervous system,：,二、昆虫神经系统传导神经冲动的机制,感受器 传入神经元 中间神经元 运动神经元 肌肉,/,腺体,刺激,（物、化）,突触：介质（化）,1.,兴奋性细胞的电现象,电信号,动作电位,刺激：,引起机体或组织、细胞发生一定反应的内外环境变化，即使可兴奋细胞从静息状态转为活动状态而发生兴奋的各种适宜因素,。电、化学、物理等。,兴奋：,指机能活动由相对静止变为相对运动。兴奋则是可兴奋细胞受刺激后产生,动作电位,的过程。,抑制：,指机能活动由相对运动变为相对静止。,兴奋性：,可兴奋细胞接受,刺激产生兴奋（动作电位）的能力。,可兴奋细胞或兴奋细胞,:,神经、肌肉细胞及某些腺细胞都具有可以产生兴奋与传导的特征，故称,兴奋细胞。,1.,兴奋性细胞的电现象,膜电位,(membrane potential,，,Em),：,神经细胞膜内与膜外的电位差叫膜电位。膜内为负，膜外为正。,静息电位,(resting potential,RP),：,细胞未受刺激时，存在于细胞内外两侧的电位差叫做,静息电位,。,2.,膜电位 静息电位 平衡电位,在形成膜电位后，离子泵不断工作，利用,ATP,分解供应的能力不断将将钠送出，将钾运入。故,膜电位不是静止的电位而是处于动态的平衡中。,2.,膜电位 静息电位,平衡电位,轴突,(axon),：,神经细胞纤维，外覆神经膜,半通透性,膜内：,Na,+,少,K,+,多,Cl,-,少,A,-,多存在离子,膜外：,Na,+,多,K,+,少,Cl,-,多,A,-,少浓度级差,几乎,不通,自由,通透,完全,不通,膜,电,位,静息电位（,resting potential,）,静息状态下的膜电位（内负外正）,电位不处于零电位上，称,极化状态,静息时,电,势,差,膜电位的成因：,2.,膜电位 静息电位 平衡电位,Cl,的平衡电位,(equilibrium potential,，,E,cl,),：,化学浓度级差的力量引起,Cl,向内扩散，而电的阻力阻止,Cl,进一步向内扩散，势必最后达到一个平衡。这时候电位的阻力与扩散压力正好相等，这就是,Cl,的平衡电位,(E,cl,),。这个,平衡电位显然决定于浓度级差的大小,，以及温度等常数，,i.e.Nernst,方程式：,Where:,Ecl,是,Cl,的平衡电位，,R,是国际气体常数,(8.314,焦耳,/,度,/,克分子,),，,T,是绝对温度,(,。,K),，,N,是每一离子的单位电荷数，,F,是法拉第常数,(9650O,库仑,),，,CI,o,是膜外的,CI,浓度，,Cl,l,;,是膜内的,Cl,浓度，因此,Cl,o,/Cl,l,是通过膜的,Cl,浓浓度级差。,K,的平衡电位,(E,K,),；,Na,的平衡电位,(E,Na,),实际上膜电位是钾电位、钠电位及氯电位的综合。,Goldman,的定场公式：,RT P,K,K,+,i,+P,Na,Na,+,i,+P,Cl,Cl,-,o,Em=ln,NF P,K,K,+,o,+P,Na,Na,+,o,+P,Cl,Cl,-,i,Where:P,K,是,K,的相对通透性，,P,Na,，,P,cl,，,R,是国际气体常数,(8.314,焦耳,/,度,/,克分子,),，,T,是绝对温度,(,。,K),，,N,是每一离子的单位电荷数。,膜电位是由钾的浓度级差及相对通透性，加上钠的浓度级差及相对通透性，加上氯的浓度级差及相对通透性所共同决定。,K,的平衡电位,(E,K,),；,Na,的平衡电位,(E,Na,),实际上膜电位是钾电位、钠电位及氯电位的综合。,Goldman,的定场公式：,RT P,K,K,+,i,+P,Na,Na,+,i,+P,Cl,Cl,-,o,Em=ln,NF P,K,K,+,o,+P,Na,Na,+,o,+P,Cl,Cl,-,i,Calculations:P,app,(apparent permeability),Where:dQ/dt-the permeability rate,C0-the initial concentration in the donor compartment,A-the surface area of the filter.,Irvine et al 1999,J.Pharm.Sci.,88(1),28-33.,E,Na,E,K,E,m,t,0,+,_,图,1,膜电位（,E,m,），零电位（,0,），钾的平衡电位（,E,k,）,钠的平衡电位（,E,Na,），及钠限阈,3.,动作电位（,action potential,）的产生,电生成过程,(electrogenesis):,膜的电位差的改变。,活化：,刺激引起的离子通导性的增加。反之为失活。,膜的超极化,(hyperpolarization),：,因为膜本身是外正内负，离子的流动使得外部更正，内部更负。即原来的极化状态加强了。,如,K,外流，,Cl,内流。,膜的去极化,(depolarization),：,由于离子通导性的改变使得膜外部的正电减少，内部的负电也减少。如,Na,内流、,K,失活、,Cl,失活。,钠限阈,(t),：,在轴突膜上，有一个钠限阈,(t),，当活化达到这一限阈时，不论刺激的强度有多大，它都发展到最大值,。,由静止电位,产生动作电位时,，主要为,钠及钾离子通导性的改变,，氯离子通导性基本不变。,在一个,刺激,加在神经膜上时，钠通导性首先有一个暂时的、突然的改变，,钠极度活化，大量的,Na,进入膜内,，引起膜的,去极化,。膜电位向钠的平衡电位靠近，电位有一个,上升阶段,。,钠的活化只是暂时的，立即发生,钠的失活,，同时，在膜电位发生去极化的时候，立即接着发生了,钾的活化,，钾的通导性增加，这使,钾离子流出,，钠的失活及钾的活化这二者合起来，导致接着发生一个,下降阶段,。,由静止电位产生动作电位时，主要为钠及钾离子通导性的改变，氯离子通导性基本不变,。,在一个刺激加在神经膜上时，钠通导性首先有一个暂时的、突然的改变，钠极度活化，大量的,Na,进入膜内，引起膜的,去极化,。膜电位向钠的平衡电位靠近，电位有一个,上升阶段,。但是，必须指出，要使这一去极化达到最高值，必须首先达到,钠限阈,又称阈值膜电位,(,约,12,一,15mV),，一旦达到后，即形成一个不分级性的钠活化。这个上升阶段又称为,暂时流或暂时锋,(transient peak),。因为钠的活化只是暂时的，立即发生钠的失活，同时，在膜电位发生去极化的时候，立即接着发生了钾的活化，钾的通导性增加，这使钾离子流出，钠的失活及钾的活化这二者合起来，导致接着发生一个,下降阶段,。,这个下降阶段又称为,稳态电流,(steady state current,）,，在这个阶段，极化又恢复，因此，是,恢复极化阶段,。这个上升与下降，不论刺激是什么，或其力量如何，只要达到限阈，就一定连着发生。膜电位恢复极化时，钾的通导性下降，逐渐变回正常。在这一时候，钠已完全失活，而钾还有一些增加的通导性，钾离子的继续不断流出，使膜变成,超极化,，也即膜电位比静止时期更负，这就是,正相,(positive phase),。这时的膜电位又上升，因为在钾的通导性增加时，有过多的钾离子流到膜外，膜外钾离子的积累，降低了钾原来的浓度级差，当浓度级差小于电位压力时，钾离子又向内流入，这个向内的钾电流造成了膜极短时的去极化。,这个去极化的上升阶段，称为负后电位,(negative after potential),。,静息电位 动作电位,上升阶段膜外,Na,+,进入膜内（去极化）,下降阶段,Na,+,门关闭，,K,+,流出去,(,复极化）,正相过多,K,+,流出,负后电位,K,+,内流,动作电位,刺激（物理、化学）,在兴奋之后，也即,动作电位完成之后，离子泵就开始工作，利用能量将进入的,Na,及流出的,K,分别送出及吸入，使膜内外的离子分布恢复到原来状态,。因此，在神经兴奋后的恢复期，需要能量开动钠钾离子泵，但是，在动作电位发生时，以及在冲动传导时，完全用不着离子泵。这就是说，在兴奋时，离子泵是没有作用的，它只在离子分布在动作电位产生中发生了改变后才起作用，恢复原来的离子分布及维持原来的浓度级差。,4,动作电位的传播,动作电位的传播电流具有“全或无”的性质（有就是最大，无就是没有），故动作电位的传播强度不变。,在产生动作电位中，膜的通导性、电流与电压相互作用，根据欧姆定律这三者的关系表示为：,E=IR,。,电压箝（钳）位法,：把电压固定，观察电流与通导性之间的关系（实际上固定的是膜电位）。,特殊离子通导性抑制剂法,。例如，河豚毒素（,TTX,）专门抑制钠的通导性，而对于钾的通导性完全没有影响，而,蛤蚌毒素,(saxitoxin),和,蟾毒素,(batrachotoxin),是增加钠的通导性的。,3,，,4,二氨基吡啶,是专门抑制钾的通导性的抑制剂，而对于钠的通导性完全没有影响。,采用这两种方法得到三种信息：电流的振幅；电流的方向，是向内还是向外；是 哪种离子携带的电流。,5.,电流分析,6.,突触传递与神经传递物质,突触：,神经原与神经原、神经与肌肉、神经与腺体。,突触的结构：,前一个神经原的轴突分出许多小分支，接触到后一个神经原的分支的树突上，或直接接触到细胞体上。前一个神经原的铀突分支末端是,突触前膜,，后一个神经原的树突,(,或细胞体,),是,突触后膜,，两个膜中间是突触间隙，约,200-500,宽。小泡是神经传递物质的储存器。,6.,突触传递与神经传递物质,神经递质（,neurotransmitter,）：,由神经末梢释放的传送信息的化学物质。,乙酰胆碱,(ACh),、去甲肾上腺素、多巴胺、,-,氨基丁酸、谷氨酸、章鱼胺等。,突触的类型：,根据突触与后一神经元的机能活动的影响可分为,兴奋性突触,，即引起后一神经元兴奋；,抑制性突触,，即引起后一神经元抑制。,突触的传递过程和原理：,神经冲动,突触间隙中的,Ca2,进入,突触前膜内,小泡与突触前膜愈合,神经传递物质释放,神经传递物质是对突触后膜上的受体起作用。,突触的传递过程和原理：,神经递质的类型不同,所传递的信号有兴奋性的、抑制性的：,突触前膜释放的是兴奋性递质,(,如谷氨酸,),，则,经突触传递后会提高突触后膜对,Na,+,的通透性,，由于,Na+,内流，引起后膜去极化，产生,兴奋性突触后电位,(EPSP),；,突触的传递过程和原理：,若突触前膜释放的是抑制性递质,(,如,-,氨基丁酸,),，则,经突触传递后会提高后膜对,Cl,-,的通透性,，由于,Cl,-,的内流，引起后膜超极化,(,膜内更负,),，产生,抑制性突触后电位,(IPSP),。,递质与受体结合后会很快脱离，经历一个吸收或失活过程，以保证不断准确有效地传递信息。,神经纤维之间靠突触连接,副交感,神经,运动神经,-,肌纤维突触兴奋性神经递质,胆碱能突触,神经组织学和形态学,髓鞘,神经,-,肌肉联结部,神经细胞供氧,昆虫,无单独，,交感神经具一定副交感功能,谷氨酸盐,全部在中央神经系统内,无，是神经鞘,轴突分出几个小枝刺激单个肌纤维,气管系统（扩散作用）,脊椎动物,有,乙酰胆碱,中央,外周,有,(,保护作用,),“,终板”来支配,血液,三、脊椎动物的神经生理与昆虫的神经生理的比较,第三节 神经毒剂的作用机理,神经毒剂，均是阻断神经传导，而不是直接杀死神经细胞。,Interference with signal transduction in the nerves,1.,离子通道（,ion channel,）：,指在脂双层膜中形成含水孔道的大分子复合物，也即贯穿于细胞膜，为膜内外离子提供交换途径的,水性孔道（,water-filled pore,）,。,一类转运离子的跨膜转运蛋白，由相似的几个亚基或结构域围筑而成。,离子通道使钠、钾、钙等顺电化学梯度扩散。,一、电压门控离子通道及其毒剂,结构域,:,介于二级和三级结构之间的另一种结构层次,指蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球状结构区域，又称为辖区，为具有特定功能的独立单元，多个结构域共同构成蛋白质的功能。,1.,离子通道功能,:,参与细胞各种电信号的形成,;,调控信使,Ca,流,;,控制细胞体积,;,调节通过分泌细胞和重吸收组织上表皮细胞的离子体量等。,存在于所有的细胞膜，多种亚细胞结构膜上。,一、电压门控离子通道及其毒剂,一、电压门控离子通道及其毒剂,2.,离子通道的特性,主要功能特性为：,选择性过滤器（,selectivity sensor,）：,通道的孔道相当窄，对离子起选择性过滤作用，可区分,Na,、,K,、,Ca,、,Cl,等；,电压传感器（,voltage sensor,）,：感受膜内的电场，促使通道的构象改变，在效应上开放和关闭通道。,门控（,gating,）,：,由电压引起的离子通道孔开启和关闭时通道蛋白构象的变化。,从,化学结构,来看细胞信号分子包括：,短肽、蛋白质、气体分子（,NO,、,CO,）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等。,共同特点是：,特异性，只能与特定的受体结合；,高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；,可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。,细胞电信号？,从,产生和作用方式,来看可分为,内分泌激素,、,神经递质,、,局部化学介导因子,和,气体分子,等四类。,从,溶解性,又可分为：,脂溶性信号分子,，如,甾类激素和甲状腺素,，可直接,穿膜进入靶细胞,，与胞内受体结合形成激素,-,受体复合物，调节基因表达。,水溶性信号分子,，如神经递质、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，,只能与膜受体结合,，经信号转换机制，通过胞内信使（如,cAMP,）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。,细胞电信号？,3.,离子通道的活性：,来自机体和细胞内外环境的控制，对某些,特殊的刺激,如,膜电位的变化、化学物质、机械变形,等。,产生的,化学信号转变为电反应,离子通道是,神经系统中信号传递的基本单位,。,通道的反应称为,门控,（,gating,），表现为通道的开启和关闭，,其实质是通道蛋白构象的变化,。开放的通道对不同种离子具有选择通透性，,10,6,个,/,秒,一、电压门控离子通道及其毒剂,3.,离子通道的活性：,离子通道作为可兴奋性组织的基本兴奋元件，在介导神经、肌肉和突触的电信号形成、传导和传递种的作用，与酶在代谢中所处地位相似。,实际信号的发生、传播和调节，神经递质释放的控制，以及作用于细胞内外环境电化学、机械的刺激转换为电反应等，都是不同离子通道开、关和协同作用的结果。,一、电压门控离子通道及其毒剂,4.,通道是如何识别不同的离子的呢？,最简单的方式是孔径、孔道和离子的大小。,如,Ach,受体通道的孔径为,6.5,Na,通道为,4,，,K,通道为,2.66,。,一、电压门控离子通道及其毒剂,根据通道开关的调控机制（门控机制）的不同，,可分为,：,(1),配体门控离子通道（受体控制性通道）,将化学信息转变为电信号,Ach,受体、,GABA,受体等；,(2),电压门控离子通道（电压依赖性通道）,开、关一方面由膜电位决定，另一方面与电位变化的时间有关,(,时间依赖性,),。,钠通道、钾通道等；,离子通道,（,ion channel,）,一、电压门控离子通道及其毒剂,根据通道开关的调控机制（门控机制）的不同，,可分为,：,(3),环核苷酸门控,(CNG),通道,这类通道在视觉和嗅觉方面的信号传导中相当重要,(4),机械力敏感的离子通道,当细胞受各种各样的机械力刺激时开启的离子通道,离子通道,（,ion channel,）,一、电压门控离子通道及其毒剂,一、电压门控离子通道及其毒剂,（一）电压门控离子通道,1.,电压门控离子通道的特性,Na,、,K,、,Ca,通道的一级结构具有明显的同源性。,通道是具有横穿其中心的一个洞孔的跨膜大分子，分子外表面被糖基化。,一、电压门控离子通道及其毒剂,（一）电压门控离子通道,1.,电压门控离子通道的特性,基本特性：,选择性的离子电导；,依赖电压的活化，使洞孔开启；,依赖电压的失活终止离子流动。,Na,+,通道是一个结合在神经轴突膜上的大型糖基化蛋白质，存在,关闭,、,开启,和,失活三种空间构型,，其构型之间的转变受神经膜电位变化的控制，也受到药物的影响。钠通道功能包括,选择性滤孔,（,selectivity filter,）（位于细胞外膜，允许适当大小和适当电荷的离子通过，钠离子最容易通过）、,闸门,（,gate,）（位于内膜，是通道的内侧口）、和,电压感受器,（,sensor,）,（位于内外膜之间，对膜电位的变化很敏感，控制闸门的开闭），通道内侧有控制激活的,m,闸门,和控制失活的,h,闸门,。去极化时，,m,闸门打开，使钠离子通过，持续去极化则,h,闸门关闭，极化时,m,闸门重新关闭，,h,闸门重新打开，钠通道才会对去极化再次做反应。,h,m,5.,钠离子通道的结构与功能,5.,钠离子通道的结构与功能,化学上各有特点，但都包含一个由,1800-2O00,个氨基酸组成分子量约为,240-280Kd,的,糖蛋白亚单位,。,例如：大鼠脑神经中的,I,、,、,型钠离子通道都是由,a,亚单位,(260KDa),、,1,亚单位,(36KDa),和,2,亚单位,(33KDa),组成的复合体。电鳗中钠通道仅有一个,a,亚单位构成。,化学上各有特点，但都包含一个由,1800-2O00,个氨基酸组成分子量约为,240-280Kd,的,糖蛋白亚单位,。,果蝇钠通道的结构与脊椎动物钠通道的结构基本相似。,昆虫的钠通道在几个方面不同于脊椎动物的：,与大鼠脑,钠通道相比，,昆虫钠通道对,TTX,阻断的敏感性大,10,倍以上，,对拟除虫菊酯类氯菊酯的敏感性大,100,倍以上,，这是首次证明拟除虫菊酯类杀虫剂的选择毒性的部分原因是由于最佳靶标部位亲和性所致。,5.,钠离子通道的结构与功能,亚基是钠通道的,功能性亚单元,，它由,4,个高度相似的同源结构域,(D,1,-D,4,),围成一个中心孔道，每一结构域有,6,个,螺旋跨膜片段,(S,1,-S,6,),。,每个结构域中,S4,片段的氨基酸序列高度保守，是通道的电压感受器,。该片段含有重复的结构特征：每隔,2,个疏水残基即有一个带正电的,Arg,或,Lys,残基。该段氨基酸残基的,点突变或化学修饰会影响通道的激活功能。,5.,钠离子通道的结构与功能,钠离子通道的结构,S4,片段是通道的电压感受器,同源结构域,联结,S5,和,S6,片段的发夹样,折叠,SS1,和,SS2,(,亦称,P,区,),被嵌入膜内，构成孔道衬里，,与通道的离子选择性有关,。它的氨基酸残基点突变会降低通道的离子选择性以及诸如,TTX,类阻断剂对通道的选择性。钠通道,结构域,III,和,IV,的细胞内连接环,充当通道,失活化门控襻,，它可电压依赖性地进入钠通道的孔道内口，进而堵塞孔道，致使通道失活。,5.,钠离子通道的结构与功能,一、电压门控离子通道及其毒剂,（一）电压门控离子通道,钠离子通道的结构,S5,和,S6,片段的发夹样,折叠,SS1,和,SS2(,亦称,P,区,),被嵌入膜内，构成孔道衬里，与通道的离子选择性有关。,1,和,2,亚单元则对,亚单元在膜上的定位以及稳定性起着重要的辅助作用，并参与调节,亚单元的电压敏感性和失活过程。,一、电压门控离子通道及其毒剂,3.,钠离子通道的结构与功能,在电压门控钠通道上至少存在,9,个不同的神经毒素靶结合受体位点。按其在钠通道的作用方式和受体位点的结构，它们可被分为三大类：,阻滞钠电导的毒素；,作用于跨膜区域内并影响电压依赖性的毒素；,通过作用于胞外影响钠通道电压依赖性的毒素。,5.,钠离子通道的结构与功能,神经毒素有两种类型：阻断性的和调节性的。使通道处于开放状态，并延长通道的开放时间。,阻断性的药物,:,蛤蚌毒素（,STX,）和河豚毒素（,TTX,）均是带胍基的水溶性神经毒素，带正电荷的胍基部分伸入到钠通道的狭窄部分,选择性滤孔，与钠通道壁的游离羟基相结合，毒素分子的其他部分因太大而堵塞了通道口，从而阻断,Na+,离子流。对钠通道的激活或失活状态没有影响，也不影响闸门的开放和关闭。,调节性的药物,:,碱性水溶性毒素和脂溶性神经毒素，如,蝎毒素（,LqTX,）、海葵毒素（,ATX,），其作用特点是使失活过程变慢并不影响钠通道的激活过程，它们和钠通道的结合有明显的电压依赖性，受体位点位于通道外口处。,5.,钠离子通道的结构与功能,钙离子与许多细胞功能有关。在兴奋性细胞中，初始涉及的功能有细胞分泌、细胞内移动、神经递质释放、肌肉收缩、酶活性、膜电位、控制其他离子通道，最后涉及细胞毒性和死亡。,细胞内钙离子浓度的调控使极为重要的。,6.,钙离子通道的结构与功能,Ca,从胞外内流透过质膜钙离子通道。,钙通道是一种膜结合蛋白，它通过构象变化呈开放和关闭状态，从而控制,Ca,流动。,根据控制启闭的因素主要分为电压门控及激动剂受体门控通道。,一般由,1,、,2,、,、,、,5,个亚基组成。,6.,钙离子通道的结构与功能,K,通道蛋白类同于,Na,或,Ca,通道中的一个同源结构，它是以类同于,Na,或,Ca,通道结构中的,4,个亚基的四聚体起作用。,7.,钾离子通道的结构与功能,Questions?,4.,通道是如何识别不同的离子的呢？,最简单的方式是孔径、孔道和离子的大小。,如,Ach,受体通道的孔径为,6.5,Na,通道为,4,，,K,通道为,2.66,。,一、电压门控离子通道及其毒剂,Ionic radii in units:picometers(pm)or angstroms(),1 =100 pm,1.,作用于钠离子通道的杀虫剂,二、作用于电压门控离子通道的杀虫剂,4,大类：,DDT,及其类似物、,拟除虫菊酯类、,二氢吡啶类（,dihydropyrasoles,）,烷基胺类（,alkylamides,）。,*,别够偶联是指一个受体位点被相应的神经毒素占据后诱导其他神经毒素在指定受体位点上的结合。正调节（,+,）指促进毒素在其他指定受体位点的结合,/,或刺激,Na,+,内流；（,-,）指削弱毒素在指定受体位点的结合。,（,1,）滴滴涕的作用机理,该药剂中毒的鱼尸花蝇出现的症状为：,兴奋,性提高，身体及运动平衡被破坏，当运动量达到最大后，体躯强烈,痉挛,、颤栗，最后试虫,麻痹,，缓慢地,死亡,。解剖虫尸发现，昆虫组织非常干燥，几乎完全丧失了血淋巴。,DDT,中毒后，一些昆虫还具有,足自断现象,，且断裂下的足仍长时间收缩。几丁虫还能咬掉中毒的跗足，而保护自己免于失死亡。,1.,作用于钠离子通道的杀虫剂,二、作用于电压门控离子通道的杀虫剂,图,1 DDT,对家蝇和粘虫的致毒症状,A,麻痹；,B,死亡；,C,死亡；,D,兴奋；,E,痉挛；,F,死亡,A,B,C,D,E,F,DDT,的中毒症状,可以明显地分为兴奋、痉挛、麻痹、死亡共四个阶段，且伴随有体表失水、呕吐、足和触角颤抖等症状；,（,1,）滴滴涕的作用机理,1.,作用于钠离子通道的杀虫剂,二、作用于电压门控离子通道的杀虫剂,DDT,受体学说,酪胺 反应（,Tyramine,）,：,食品中毒的发作和某些毒理学特性与组胺和酪胺有密切联系。,钠离子通道学说,DDT,主要是作用于昆虫神经膜上的钠离子通道。,Tyramine,DDT,的作用是,使钠离子通道打开,，延迟,h,门的关闭，钠不断内流，从而使得负后电位加强，当负后电位超过了钠阈值，就会引起电位的又一次上升，,引起动作电位的重复后放,。动作电位重复后放使神经持续兴奋，昆虫就表现出急速爬动等兴奋症状。在重复后放之后就是不规则的后放，有时产生一连串动作电位，有时停止，这时乃是进入痉挛及麻痹阶段，到重复后放变弱时乃进入完全麻痹，而传导的停止既是死亡的来临。,（,1,）滴滴涕的作用机理,滴滴涕主要抑制外,Ca,2+,-ATP,酶。,外,Ca,2+,-ATP,酶的作用是调节膜外,Ca,2+,的浓度，在浓度高时，酶不起作用，在浓度低时，它的作用是使膜外的钙的浓度增加。因此抑制此酶，膜外钙的浓度就降低而不能恢复。,膜外部,Ca,2+,的浓度与轴突膜的兴奋性有关,。外部,Ca,2+,减少时，膜的限阈降低，因而易受刺激（即不稳定化）。这是由于,Ca,2+,的减少造成了膜外面正电荷的降低，这样膜内对膜外的相对电位差也减小了，因此外部缺少,Ca,2+,的轴突膜更容易去极化，也即更容易发生一系列的动作电位。,滴滴涕的作用是抑制了,“,外,Ca,2+,-ATP,酶,”,导致轴突膜外表的,Ca,2+,减少，从而使得刺激更容易引起超负后电位的加强，引起重复后放。另外，在神经膜受到刺激时，膜外的钙离子浓度略有减少。加强膜外的,Ca,2+,浓度，有抑制钠闸门被打开的作用。