神經肌肉接頭

神經肌肉接頭

神經肌肉接頭是運動神經元軸突末梢在骨骼肌肌纖維上的接觸點。位于脊髓前角和腦幹一些神經核內的運動神經元,向被它們支配的肌肉各發出一根很長的軸突,即神經纖維。這些神經纖維在接近肌細胞,即肌纖維處,各自分出數十或百根以上的分支。一根分支通常隻終止于一根肌纖維上,形成1對1的神經肌肉接頭。從神經纖維傳來的信號即通過接頭傳給肌纖維。神經肌肉接頭是一種特化的化學突觸,其遞質是乙酰膽鹼(ACh)。無脊椎動物如螯蝦的神經肌肉接頭的遞質是谷氨酸(興奮性纖維的遞質)或γ-氨基丁酸(抑製性纖維的遞質)。

結構

運動神經纖維的分枝在與肌纖維形成接頭之前,先失去髓鞘,再分成少數長約數十或數百微米的更為細小的分支──神經末梢。末梢半嵌入肌纖維表面所形成的淺溝中,上面覆蓋著許旺氏細胞。在顯微鏡下觀察,溫血動物和變溫動物如爬行動物骨骼肌的神經肌肉接頭呈板片狀,所以又叫運動終板,簡稱終板。

神經肌肉接頭神經肌肉接頭

有些脊椎動物骨骼肌的運動終板不一定是板片狀,如蛙的神經肌肉接頭就是樹枝狀。一般如非特殊指出,終板膜專指屬于肌細胞側的接頭膜,即接頭後膜。神經末梢側的接頭膜叫接頭(或突觸)前膜。接頭前與後膜間存在寬約50納米的間隙──突觸間隙。突觸間隙與細胞外間隙相通,其中充滿細胞外液和散在一些纖維基質。在此纖維基質上附有乙酰膽鹼酯酶神經末梢的胞漿內含多數線粒體和大量的直徑約50納米的球形小泡──突觸小泡。突觸小泡內含乙酰膽鹼(ACh)(據計算約為1萬個乙酰膽鹼分子)。它們在神經末梢內不是平均分布的,而是沿神經末梢長軸每隔約1微米,並在靠近突觸前膜側匯聚成叢。根據突觸泡假說,突觸小泡是從此地把內含的遞質ACh釋放到突觸間隙,因而這些突觸泡匯聚的地方叫做活動區。用冰凍蝕刻術製成的接頭標本在電鏡下觀察,可見活動區有一與末梢方向垂直的電子致密帶,突觸泡在帶的兩側排成單行或雙行,它們可能即是待釋放的突觸泡。在突觸泡的近旁還可見到平行排列的跨膜粒子,有人認為可能是鈣離子通道。終板膜不是平坦的,而是相當有規律地形成許多長約0.7微米,寬約0.8微米的皺褶,叫突觸皺。突觸皺的存在使終板膜面積擴大了約4~5倍。皺褶的嵴部大致與活動區相對應,因而從活動區釋放出的乙酰膽鹼可通過較短距離到達終板膜,與位于其中的乙酰膽鹼受體(AChR)相遇。在突觸皺嵴部分布的乙酰膽鹼受體密度要比在谷底部的高兩個數量級。

神經肌肉接頭的結構與化學傳遞過程示意圖神經肌肉接頭的結構與化學傳遞過程示意圖

興奮傳遞過程

神經末梢的直徑很小(如人的運動神經末梢的直徑約2~3微米)故傳導動作電位的速度很慢;如在蛙測得的速度為0.4米每秒。當一個神經沖動傳導到神經末梢時,即由它引起去極化,使接頭前膜中的電壓依賴性鈣離子通道開放,鈣離子沿濃度差內流入神經末梢,觸發活動區處的突觸泡與接頭前膜融合並開口,將內含的乙酰膽鹼釋放到突觸間隙(此過程稱胞吐)。據計算一個神經沖動可觸發幾百個突觸泡同步地釋放乙酰膽鹼。釋放出的乙酰膽鹼迅速擴散、通過突觸間隙,到達終板膜,與乙酰膽鹼受體結合,導致終板膜對鈉離子與鉀離子的通透性瞬時升高。這種陽離子通透性變化,是由于受體與乙酰膽鹼分子結合後引起了受體分子構型變化,使其離子通道開放造成的。據計算一個突觸泡所釋放的乙酰膽鹼可開啟約2000條受體通道。乙酰膽鹼受體的離子通道既允許鈉離子,也允許鉀離子通過。因此,當乙酰膽鹼受體離子通道開放時鈉離子沿濃度差內流,鉀離子沿濃度差外流。由它們所攜帶的凈電流使終板膜瞬時去極化。這種去極化叫做終板電位(EPP)。中國神經生理學家馮德培(1939年)是最早發現終板電位的科學家之一。當終板電位超過肌細胞的閾值,出現肌細胞動作電位,通過肌細胞內的興奮-收縮耦聯機製,使得肌細胞收縮。釋放出的乙酰膽鹼不論是否與乙酰膽鹼受體結合,迅速被突觸間隙內的膽鹼酯酶分解,或通過擴散離開突觸間隙。于是乙酰膽鹼受體便為接受下次傳遞做好準備。乙酰膽鹼被水解後所生成的膽鹼大部為神經末梢吸收,用于乙酰膽鹼的再合成。這種合成在神經末梢的胞漿內進行。另一方面,多數突觸泡胞吐之後,接頭前膜面積增加,隨之出現前膜的微小內凹再閉合,在胞漿中形成囊泡(此過程稱胞吞)。在胞漿中合成的乙酰膽鹼再充填到囊泡中,又形成了可以釋放乙酰膽鹼的突觸泡。

神經-骨骼肌接頭神經-骨骼肌接頭

興奮傳遞特點

神經肌肉接頭處興奮傳遞與在神經纖維上的興奮傳導不同,後者是在一個細胞上的電傳導,前者則是在兩種細胞間信號的傳遞。這個過程為"電-化學-電"的傳遞,即神經末梢的動作電位引起化學物質乙酞膽鹼的釋放,進而觸發骨骼肌的動作電位。

①單向性傳遞:即興奮隻能由接頭前膜傳遞到接頭後膜,而不能反向傳遞。

②時間延擱:這一過程大約需要0.5~1.0ms,這是因為化學傳遞速度比神經傳導速度慢。

③易受環境因素的影響:乙酰膽鹼在引起接頭後膜興奮後迅速被接頭間隙內的膽鹼酯酶清除,避免了終板膜的持續去極化。同時很多葯物會影響到這個過程,例如有機磷農葯能與膽鹼酯酶結合使其失效,造成乙酰膽鹼在終板膜處堆積,導致骨骼肌持續興奮和收縮,故有機磷農葯中毒時可出現肌肉震顫

乙酰膽鹼的量子釋放

在正常情況下終板電位的振幅明顯超過肌細胞的興奮閾,因此神經興奮引起的終板電位都迅速地過渡到肌細胞動作電位。在實驗中為了單獨記錄終板電位,往往在溶液中加一定濃度的箭毒,或改變其某種離子濃度(如提高鎂離子濃度或降低鈣離子濃度)等,便可把終板電位的振幅降低到肌細胞閾值以下。用細胞內電極從終板區記錄的終板電位可持續達30毫秒以上,迅速上升,緩慢下降的正向電位變化。由于終板電位是終板膜所產生的局部電位變化。因此,在終板區記錄的終板電位振幅最大,離開終板區迅速衰減。B·卡茨等發現,在終板區進行細胞內記錄時,即使在不受到刺激的安靜狀態,也可記錄到每秒約1次隨機出現的上升快下降慢,但振幅隻有約0.5毫伏,持續約20毫秒的正向電變化。除振幅小和"自發"發生之外,這種電變化在形狀、持續時間和對葯物反應等方面均與終板電位相似,因而被稱為小終板電位(mEPP)。它們的振幅波動在0.2至0.6毫伏之間,呈常態分配,因而小終板電位被認為,是由某固定數目的乙酰膽鹼分子為單元(稱"量子")從神經末梢隨機釋放所引起的。一個量子誘發一個小終板電位。這種以"量子"為單位的釋放方式叫做量子釋放。以後卡茨等又在對終板電位進行了一系列分析的基礎上,提出終板電位是在神經沖動的作用下,由多個量子同步釋放所引起的。後來又有工作表明,其他類型的化學突觸的遞質釋放也是量子式的。另一方面用電子顯微鏡觀察(1954年)發現,神經肌肉接頭的末梢中含大量直徑為50納米的球形小泡,E·D·P·德·羅伯蒂斯把它們叫做突觸小泡。在此基礎上卡茨又提出了突觸泡假說,認為一個突觸小泡內所含的乙酰膽鹼即為一個量子,因而小終板電位便是由單個突觸小泡"自發"釋放所引起的,而終板電位則是由多個(100個以上)突觸小泡同步釋放所引起的。量子釋放說雖已得到了較為普遍的承認,但關于突觸泡假說,則尚有分歧,特別是近有人發現了一些難以用該假說解釋的實驗結果,因而又提出乙酰膽鹼是直接由神經末梢胞漿以量子方式釋出的觀點。

歷史

關于神經肌肉接頭的傳遞是電,還是化學過程,有過很長時期的爭論。奧地利科學家O·勒維在蛙心灌流標本上,首次給突觸的化學傳遞學說以實驗證明,而把這一學說套用到神經肌肉接頭的,則是英國科學家H·H·戴爾等人(1936年)。但直到20世紀50年代初微電極技術套用于接頭研究之後,其化學傳遞學說才得到最終確立。

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