神经化学及其研究进展
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化学教育 ２００７年第９期 神经化学及其研究进展
贾 芳 彭蜀晋 （四川师范大学化学与材料科学学院成都６１００６６） 摘要 神经化学是一门新兴的交叉学科，这一学科将神经学与化学结合起来研究大脑的结构 和功能，意识活动和机理等。大脑和神经中含有多种化学物质，这些物质影响着人的神经活动和情 绪的变化以及健康。某些化学物质充当神经递质，它们是神经系统信息传递的介质。 关键词 神经化学 类脂 神经递质
人和动物体内分泌某些微量化学物质，会对其 神经活动、情绪的变化，甚至健康状态产生巨大的影 响，于是在１９世纪末出现了一门以此为研究对象的 新兴学科——神经化学（Ｎｅｕｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）。这门新 学科的一个重要特点就是从化学的角度来研究大脑 结构及其功能、意识活动变化的化学机理。其研究 成果不仅对于医学，而且也对研究人的学习行为有 着极为重要的价值。 １神经化学的兴起 神经化学（结合神经生理学和神经病理学）的研 究对象是神经行为、大脑行为和思想行为的潜在现 象，并且研究它们的疾病机理，也可以说神经化学是 大脑和神经的化学动力学。较早时期，神经化学被 叫做脑化学，第一位从事脑化学系统研究的人是德 国科学家Ｊ．Ｌ．Ｗ．Ｔｈｕｄｉｃｈｕｍ（１８２８～１９０１）博士。 １８８４年Ｔｈｕｄｉｃｈｕｍ博士首次发表题目为《大脑的 化学构造论》的研究文章后，研究者才开始有关神经 系统的多样化学构造的定量研究。由于他对脑化学 的杰出贡献，被尊称为脑化学之父。 此后许多科学家投身到这个引人人胜的新领 域。德国生理学家勒韦（Ｄ．Ｌｏｅｗｉ）在１９２１年进行 了用电刺激青蛙迷走神经的实验时，发现青蛙心跳 立即被抑制，证明迷走神经末梢能分泌出某种“迷 走物质”，抑制心脏活动，后来该物质被确认为乙酰 胆碱（一种重要的神经递质）。英国生理学家戴尔 （Ｈ．Ｈ．Ｄａｌｅ）在１９３０年证明副交感神经（包括迷走 神经）末梢能分泌出乙酰胆碱，而且证明交感神经 的节前纤维和运动神经的末梢也都能分泌乙酰胆 碱，这样就把神经化学研究方法与神经生理研究结 合起来，建立了突触的化学传递学说。这２位科学 家共同获得１９３６年诺贝尔生理学和医学奖。美国 科学家德尔伯里克（Ｍａｘ Ｄｅｌｂｒｆｉｃｋ）、赫尔西（Ｈｅｒ— ｓｈｅｙ）和卢里亚（Ｌｕｒｉａ）因为对噬菌体的研究（有利 于了解病毒的性质，对于了解高等生物体患的各种 病毒性疾病是必不可少的）揭示出生命过程遗传调 节的机制，而获得１９６９年诺贝尔奖。瑞典生理学 家奥伊勒（Ｕ．ｖｏｎ Ｅｕｌｅｒ）在ｌ９４６年发现前列腺素， 验明交感神经末梢释放的神经递质是去甲肾上腺 素（ＮＡ），并深入研究了ＮＡ的生成、储存、释放、重 摄取等整套的代谢过程。他是神经化学、神经药理 学奠基人之一Ｌ１］。美国生物化学家阿克塞尔罗德 （Ｊ．Ａｘｅｌｏｒｄ）从ｌ９４９年起集中研究儿茶酚胺在生 物体内的代谢过程，分离出参与代谢的酶，并发现 可卡因、苯丙胺等可以阻断儿茶酚胺的重摄取过 程，为研制治疗高血压、帕金森病的药物开创新途 径，他是分子药理学的创始人之一。德国科学家卡 茨（Ｂ．Ｋａｔｚ）主要研究神经和肌肉功能，发现神经传 递的化学介质Ｌ２］。他们３人一同获得１９７０年诺贝 尔奖。 在近２０年中神经化学迅速发展成为庞大的科 学分支。 ２神经化学的研究领域 ２．１大脑和神经中的化学成分 神经系统中的重要化学成分包括类脂、蛋白质、 矿物质、酶、新陈代谢物、维生素和可溶性磷酸化合 物等等。在这里主要介绍一下类脂的种类和它们的 功能。 类脂主要有２个功能，一是在脂肪中储存化学 能，二是构成细胞膜，维持细胞膜的完整性。类脂包 括磷脂、糖脂、甾醇也叫固醇、中性脂肪等。 磷脂不仅是生物膜的基本成分，也是许多代谢 途径的参与者。磷脂酰胆碱（ＰＣ，又叫卵磷脂）是胆 碱与某种磷脂酸的酯，是构成细胞膜的主要磷脂，同 时也是胆碱的主要来源，而胆碱又是重要的神经递 质——乙酰胆碱的主要合成原料。磷脂酰胆碱可以 减少脂肪沉积，能够提高记忆力，还可以预防 Ａｌｚｈｅｉｍｅｒ ｓ疾病。它的构成可表示如下：
维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第９期 化学教育 ＣＨ２一Ｕ Ｕ—Ｒ Ｒ 一Ｃ（）一０一Ｃ—Ｈ ｌ Ｈ２（、＿一０ Ｐ（） （）＿ＣＨ２一ＣＨ２一Ｎ（ＣＨ３）３ ｌ ｊ ０Ｈ ０Ｈ Ｉ一一ａ一磷脂酰胆碱 Ａｌｚｈｅｉｍｅｒ Ｓ疾病是一种进行性的大脑紊乱疾 病，会逐渐破坏人的记忆，影响学习、推理、判断、交 流等能力。磷脂酰丝氨酸（ＰＳ）可以帮助大脑中有 关记忆的通道顺利工作，它的含量随着年龄的增加 而减少，因此有研究表明它可以治疗精神疲劳和因 年龄增加而导致的痴呆。磷酸鞘氨醇酯，它也是细 胞膜的组成部分，大脑中所含类脂的１０ 都是磷酸 鞘氨醇酯，它可以促进细胞的新陈代谢，是合成某些 长链碱和含磷鞘氨醇的原料，是细胞内的信使。 还有研究称，在患有Ｎｉｅｍａｎｎ—Ｐｉｃｋ疾病 （ＮＰＤ）的人体内，许多组织中的磷酸鞘氨醇酯的浓 度都偏高。因为他们体内降解磷酸鞘氨醇酯所需的 酶不足，导致磷酸鞘氨醇酯过度的堆积。ＮＰＤ是一 种少见的遗传性的脂肪代谢紊乱引起的疾病，它的 症状主要是皮肤、眼睛或黏液膜发黄（黄疸病），咀嚼 困难，丧失学习能力，肝或脾脏肿大。 糖脂也是细胞膜的成分，它与细胞的识别功能和 表面抗原性有密切关系，包括脑苷脂、神经节苷脂等。 缺乏脑苷脂会导致Ｇａｕｃｈｅｒ疾病，这是一种遗传紊乱 疾病，症状在童年和青年时期比较明显，通常表现为 贫血、疲劳、皮肤易青肿、易骨折等等。神经节苷脂存 在于大脑的灰质中，有研究表明患有ＮＰＤ的人，大脑 内的磷酸鞘氨醇酯片段中存在大量的神经节苷脂。 神经节苷脂也存在于细胞的血浆外壁中，在细胞繁殖 过程中扮演重要角色。神经节苷脂是神经元质膜中 具有特征性的成分，儿童所患的家族性白痴症就是因 为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂 ＧＭ２加工成为ＧＭ３，结果大量的ＧＭ２累积在神经细 胞中，导致中枢神经系统退化。 在正常情况下，大脑和神经中的胆固醇几乎全 部以游离形式存在。胆固醇是细胞壁的组成部分， 具有绝缘作用，可以维持神经兴奋的正常传导，同时 它也是某些激素的成分。胆固醇仅存在于真核细胞 膜上，含量一般不超过膜脂的１／３，其功能是提高脂 双层的力学稳定性，调节脂双层的流动性，降低水溶 性物质的通透性。 身体的大多数组织中都含有中性脂肪（脂肪酸 和甘油酯），但大脑是个例外，它既没有胆固醇的酯 也不含脂肪酸和甘油的简单酯。末梢神经中没有胆 固醇的酯，却含有大量的甘油三酯，这可能是因为神 经纤维中不含中性脂肪。甘油脂是能源物质，氧化 时比糖或蛋白质释放出高２倍的能量。 ２．２神经递质 神经递质是将信息由一个神经元传递到另一神 经元的介导物质。神经系统的信息传递有２种类 型：电传递和化学传递，大多数神经元之间的信息传 递是通过化学性突触传递的，在这些突触中，突触前 膜释放递质，通过２０～４０ ｎｍ左右的间隙作用于突 触后受体引起突触后膜对某些离子的通透性改变， 产生局部电位 ＿３ｊ。 神经系统的信息是以神经冲动表现出来的，神 经冲动是沿着神经，高速传导到它们末梢的电位改 变，在末梢处引起其他神经的冲动或肌肉、腺体或身 体其他器官的活动。上世纪２Ｏ年代，德国生理学家 洛伊（Ｏ．Ｌｏｅｗｉ，１８７３～１９６１）和英国生理学家戴尔 （Ｈ．Ｈ Ｄａｌｅ，１８７５￣１９６８）证明神经冲动的传递是在 神经末梢处的冲动引起生物活性物质的释放，这些 物质再引起下一个神经或神经所支配的结构的电活 动，神经末梢及其支配的结构之间的功能间断就这 样被弥合起来。自此，神经生理学又与生物化学相 结合，在神经元之间和神经与肌肉连接处展开化学 递质的研究。 目前已有３０多种分子被确定为递质，从大小来 分大致有２类：一类是神经肽，相对分子质量数百至 数千。另一类小分子递质，或称经典递质，相对分子 质量１００或数百，如和氨基酸类（谷氨酸、门冬氨酸、 ｒ－氨基丁酸、甘氨酸）、乙酰胆碱和单胺类递质。每 一类神经递质中又包括了许多种递质，并且每一种 递质还分为多个亚型 ］。 从对神经元的作用上看，神经递质大体上可以 分为兴奋性和抑制性２类，各种神经递质可以通过 与受体结合，或在神经突触中发挥作用，从而影响神 经元的兴奋性，起到抑制或促进的作用。大量实验 表明，乙酰胆碱是神经末稍释放到内脏、肌肉以及神 经元之间传递刺激的化学物质，在运动神经和肌肉 终板之间的信使物质乙酰胆碱是以小的分子形式从 神经末梢释放。美国生理学家坎农（Ｗ．Ｂ．Ｃａｎｎｏｎ， １８７７￣１９４５）等一批科学家的研究表明，交感神经纤 维末梢与心脏、平滑肌和腺体之间的化学递质是去 甲肾上腺素。神经中的去甲肾上腺素是在直径大约 为万分之一毫米的颗粒中合成和贮存的。神经递质 是以囊泡的形式储存于神经末梢的，递质物质的释
放是过量的，一旦需要的量已经达到它的目的并引 维普资讯 http://www.cqvip.com 化学教育 ２００７年第９期 起效应时，余下的则大多数被重新摄取到神经末梢 的贮存点，这是限制神经冲动作用间的迅速、有效和 经济的途径。这一过程可如图１所示： ④融合＠
圈１ 和所有的基础发现一样，神经递质的发现已经 促进了实践的发展，并且广泛地应用于医学领域：服 用毒品所产生的快感完全是毒物在大脑中扰乱了神 经冲动的化学传递的后果；我们的精神和心理过程 也可以通过化学手段加以干预；对神经和精神疾病， 已经能够用药物进行治疗。正是由于有了对儿茶酚 胺类神经递质的代谢过程的了解，才研制出治疗高 血压和帕金森病的新药物。 神经递质传递过程的性质的重要研究，不仅丰 富了医学理论知识，而且对于了解和治疗外周和中 枢起源的神经疾病也极为重要。随着研究的深入， 将会开辟治疗的新途径。 ３神经化学的研究方法 近２０年许多无创性新技术被引入神经化学的 研究中。脑内微透析（ＭＤ）是一种测定活体脑细胞 间液中内源性物质变化的新技术。ＭＤ作为一种新 兴的神经化学监测方法，现在常用来测定可能导致 脑损伤和脑缺血的神经递质的变化。 在神经影像学技术方面，出现了电子计算机扫 描（ＣＴ），ＣＴ血管造影（ＣＴＡ），磁共振成像（ＭＲＩ）， 磁共振血管造影（ＭＲＡ）和数字减影血管造影 （ＤＳＡ）等新技术［５］。这些新技术可以为研究者提供 详细的有关脑及其功能的图像，被广泛用于大脑病 变区域和肿瘤的定位。神经化学脑影像研究方法主 要用于阐明精神分裂症的神经生化基础。神经化学 脑影像研究包括直接测量神经生化指标如受体密 度、递质浓度等，或利用相对特异的神经生化探针测 定局部脑神经活动［６］。 一些用于脑科学研究的脑成像技术也被引入神 经化学研究领域。如：正电子发射断层扫描（ＰＥＴ）， 主要用于检测受体结合力和神经递质代谢；功能磁 共振成像（ｆＭＲＩ）不仅能清楚显示脑结构，还能描述 神经活动，它不需要向身体注射放射性物质，比起 ＰＥＴ更少损伤；脑电图通过测量神经元活动所导致 的电活动模式（我们常说的脑电波）来捕捉神经元的 瞬间变化Ｌ７］。 ４神经化学的发展前景 ４．１病理、神经递质领域 进入２０世纪８０年代后，神经化学的研究主要 集中到对疾病的病理、神经递质和神经功能活动的 研究领域。运用神经化学机制来研究疾病的病理， 有助于从本质上掌握疾病的产生机制，从而研发出 新的治疗药物和治疗方法。未来的神经化学可能在 神经细胞间的通讯，如神经递质、调质和受体以及多 种神经肽的作用机制方面取得突破性的进展。 ４．２神经生化标志物研究领域 神经化学的另一主要研究领域是运用神经化学 方法对神经生化标志物进行精确测定。某些疾病可 以通过检测相应的神经生化标志物来确诊，如Ｄｏ－ ｐａｍｉｎｅ递质（ＤＡＴ）和￣－ｓｙｎｕｃｌｅｉｎ蛋白是确认帕金 森疾病的２种主要的神经生化标志物［８］。这一领域 中神经化学技术与其他测量神经生物学状态——神 经行为试验和电生理——的方法相结合是其发展方 向。 ４．３人类认知机理研究领域 在人类的认知学习的机理研究领域中，神经化 学也将扮演重要的角色。神经化学的检测方法可以 帮助研究者集中检验脑发育与特殊的认知能力或过 程发展间的实质性联系；神经化学的诊断技术可以 帮助研究者直观的了解记忆和学习的神经机制，如 认知任务与脑电技术的结合能够更精确地探索记忆 发展的神经基础。 神经化学将更多的与神经生物学、神经解剖学、 神经科学、脑科学、认知神经科学等神经类科学结 合，在揭示神经和大脑的结构、病变、功能的同时，也 为人类学习的研究提供技术和研究方法的支持。 参考文献 ［１］韩济生．生理科学进展，２００１，（２）：１８９ ［２］祁爱群，陈宜张．中国神经科学杂志，２０００，（４）：３９０ ［３］关新民．医学神经生物学．北京：人民卫生出版社，２００２：９３ ［４］钱若兵．立体定向和功能性神经外科杂志，２００４，（４）：２５０ ［５］王拥军．广西医学，２００５，（５）：６１７ ［６３王筱兰，张志琚．国外医学精神病学分册，２００２，（４）：２３５ ［７］沃尔夫（Ｗｏｌｆｅ．Ｐ）著．脑的功能：将研究结果应用于课堂实践． 北京师范大学“认知神经科学与学习”国家重点实验室，脑科学 与教育应用研究中 １１＇译．北京：中国轻工业出版社，２００５：４ ［８］Ｖａｒｕｎ ＲＡＣＨＡＫＯＮＤＡ，Ｔｉａｎ Ｈｏｎｇ ＰＡＮ，Ｗｅｉ Ｄｏｎｇ Ｉ卫Ｃｅｌｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００４，（１４）：３５３ （下转第１Ｏ页）
