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郎飞结的结构及其功能
2009-06-15 17:00   发布范围:公开

口腔医学系 七队 苏向伟

【摘  要】郎飞结(node of Ranvier)是有髓神经纤维轴索上结构及功能特化区,无髓鞘包裹,是最容易受外力影响的部位。且其轴索膜上存在有高密度的Na + 通道、K+通道、Ca2+通道、锚蛋白G(ankyrin G) 、神经束蛋白186(neurofascin186) 、细胞粘附分子NrCAM以及胞外基质细胞粘合素C、R( tenascinC ,tenascinR) [1]。是使动作电位有效传播的重要结构,是没有仔细研究的神经特化区[2],所以对朗飞结的研究日益受到重视。

【关键词】郎飞结;轴索;K+通道;Ca2+通道


 

1 郎飞结及其分子组成

神经元的轴突具有髓鞘(myelin)。在周围神经系统(PNS)中,髓鞘主要是由雪旺氏细胞( schwann cell)通过内折形成的双层质膜螺旋状缠绕轴突而形成。在中枢神经系统(CNS)中,髓鞘是由少突胶质细胞(oligodendrocyte)发出突起后, 分别包绕在几个或数十个不同的轴突上而形成的。髓鞘保证了轴突与周围环境的绝缘,同时也增加了轴膜的电阻、降低了其电容,从而促进了有髓纤维神经冲动的快速传导。髓鞘并不始终连续,每隔一定的长度便有间断,此间断处称朗飞结( ranvier node) [3] 

郎飞结区聚集着高密度的Na+通道、锚蛋白G(ankyrin G)、神经束蛋白186(neurofascin186)、细胞粘附分子NrCAM、胞外基质细胞粘合素C、R(tenascinC,tenascinR)。郎飞结处的膜上也存在有Ca2+泵。并且郎飞结HSP70免疫反应阳性,证实郎飞结上有HSP70受体存在[4]

哺乳动物的Na+通道由一个分子量为260kD的α亚单位和两个分子量为3336kD的辅助β亚单位组成。α亚单位形成通道的离子通路,由10个不同基因所编码,其中Nav1.1、Nav1.3主要在CNS神经元的胞体表达,Nav1.2在CNS未髓化轴突表达。在PNS中主要表达Nav1.7、Nav1.8、Nav1.9、Nav1.6在PNS的郎飞结和CNS的郎飞结及CNS未髓化轴突表达。在视神经发育的早期,少突胶质细胞分泌可溶性蛋白使Nav1.2及β2亚单位积聚于未来的朗飞结区,随着髓化的进行,Nav1.6逐渐代替Nav1.2并与β1或β2共存,β1或β2的存在阻止髓鞘的进一步发育。在这一过程中,正确的轴突和胶质细胞相互作用对Nav1.6的上调及取代Nav1.2是重要的。β亚单位包括β11A23,其中β1与α亚单位作用参与Na+通道在结区的定位。β2亚单位作为一种跨膜蛋白,其胞外氨基端有一免疫球蛋白超家族Ig样区,此Ig区与contactin的第三个Ig区相似,因此在转染contactin的CHL细胞形成的Nav1.21/contactin复合体,可促进Na+通道的表达,并增加Na+电流的峰值。同时β2可作为细胞粘附分子与分别由少突胶质细胞及星形胶质细胞分泌的细胞结合素C,R相互作用,从而调节通道的门控、通道在轴膜的表达水平。锚蛋白G是连接蛋白家族成员之一,其在结区的定位有赖于Na+通道亚单位β12的胞质区.锚蛋白G能够使Na+通道、Na+-K+-ATP酶、细胞粘附分子中的L1成员及神经束蛋白186与膜骨架相连接,与后两者的结合有助于Na+通道在结区的定位。在对视神经轴突的结区进行研究时发现锚蛋白G限制发育[5]

郎飞结的传导

有髓神经传导速度快的主要原因是雪旺细胞分段连续包绕髓鞘,使有髓神经纤维似由成串的结间体组成,结间体是有髓纤维的基本结构单位[6]。由于髓鞘是高阻低容的绝缘体,能阻止郎飞结间轴索电流的泄密。郎飞结处没有高阻抗的髓鞘包绕,加上轴索膜上存在高密度的Na+通道(郎飞节间轴索膜几乎不存在Na+通道),当有髓纤维被激动时引起郎飞节处轴索兴奋,Na+通道开放,郎飞节处轴索膜静息电位去极化达到阈值,与下一个郎飞节末兴奋的轴索膜形成局部电流,这样便形成了神经冲动从一个朗飞结向另一个朗飞结的跳跃式传导。而无鞘纤维神经冲动的传导则呈连续性传导方式。所谓结间传导时间指从一个郎飞结激活到下一个郎飞结新的动作电位产生所需的时间。传导安全因子指(外向)驱动电流(driving current)与阈电流(threshold current)之比,只有当安全因子大于1时,神经纤维才能形成有效传导,正常有髓纤维的安全因子大于或等于5[7]

Bostock发现神经轴索膜上还有快和慢两种钾离子通道存在。快通道分布在郎飞结和结旁;慢通道则分布在两个郎飞结之间和郎飞结处。正常情况下,结旁钾离子通道不起作用,只由郎飞结上的钠离子通道起启动和复极化的作用[7]

当一个冲动通过时,轴索膜会发生一系列的兴奋性改变,在动作电位产生后,轴索经过四个时期:绝对不应期、相对不应期、超常期和低常期。这种兴奋性反应在临床神经生理中可通过双刺激阈值跟踪技术检测得到证实。经研究证明,绝对不应期和相对不应期与轴索膜的Na+通道开放和失活有关,超常期和低常期与快、慢K+通道的激活有关。以往的研究认为,去极化后负电位与细胞外+浓度增加有关,但Barrett发现,细胞外+离子浓度并不影响去极化后电位,轴索膜的超极化显著的增加去极化后电位,轴索膜的去极化则减小去极化后电位,并由此推测,髓鞘并不完全绝缘,在结旁轴索周围、Schwann细胞胞浆或Schmitt-Lantermann裂隙中也存在着电活动通路,允许电流通过,这些通路的阻抗被称为Barrett-Barrett阻抗[7]。这些结旁通路,在跳跃性传导时使结电容限制到最小,以保证郎飞结快速去极化达到兴奋阈值。

郎飞结的损伤与变化

神经纤维在神经束内是迂曲走行,这就意味着神经干任何固定两点包含的神经纤维实际长度比两点间的直线距离要长。实验将单根神经纤维经剥离,使神经纤微失去了迂曲结构后,将单根神经延长后所测得的神经干延长率超出了神经纤维迂回所能解释的范围,证实神经延长后朗飞结间距变大。特别是当神经干延长到20%时,朗飞结已经有断裂,尽管外观仍完整,但内部已经发生严重的病理改变[8]。也有实验对神经一次性延长损伤后发现,当神经延长10%后,神经纤维变得顺直,髓鞘染色郎飞结及节间段清楚,在轴索染色标本上见郎飞结呈两明一暗的着色带,结缔组织仍占有一定的空间,没有明显的神经轴索及髓鞘的断裂像。而当延长20%后,神经纤维平直,纤维密度增加,结缔组织减少,髓鞘染色可见有些郎飞结处明显增宽,并有神经纤维从该点断开的组织像,轴索染色显示神经纤维着色不均,呈断续状或虫食状,结合髓鞘染色,提示有髓鞘内轴索断裂,但在这一范围内,急性期未见明显的神经纤维变细及髓鞘变薄的组织像。提示神经受到牵拉延长后首先受损的是轴索,有髓神经的组织学断裂先发生于郎飞结处[9]

对视神经轴索损伤的研究中发现,神经细胞损伤后15分钟,近一半郎飞结的轴膜发生局限性疝出,外突轴膜的特征性膜下致伤后早期郎飞结有明显的轴膜结构密层消失。微管在伤后各时相点均显著减少(P<0.01或P<0.05),伤后15分钟有75.7%的郎飞结完全丧失微管。横切面上,郎飞结呈椭圆或类圆形,轴膜轮廓清楚,其外表面相对光滑,内表面下附有一层致密物质,称为膜下致密层(subaxolemmal dense lay2er),这是郎飞结轴膜的特征性结构。轴浆内的主要结构是细胞骨架(cytoskeleton),由微管(microtubule,MT)和神经微丝(neurofilament,NF)组成,二者均平行于轴突纵轴走行。在横切面上,MT呈空心环状结构,NF为实心圆形结构。MT数量多于NF,NF散布于MT之间。郎飞结四周可见神经胶质细胞发出的指状突起。部分郎飞结变成杆状或不规则形。但最引人注目的形态异常是部分郎飞结的轴膜局限性疝出,形成所谓的郎飞结疱疹(nodalbleb)。外突轴膜的膜下致密层完全消失,使轴膜轮廓变浅,疱疹内的轴浆中有膜性结构沉积,使其电子密度增高[10]

经典理论认为无论何种原因导致髓鞘破坏,由于其绝缘性的破坏,其电容增大,阻抗减小,局部电流泄漏至结间轴索,从郎飞结间段传出,此时下一个郎飞结达到兴奋阈值时间延长,使结间传导时间延长,临床表现为脱髓鞘神经纤维传导减慢,随着髓鞘脱失加重,外向驱动电流不足以使郎飞结处电流去极化达到兴奋阈值,安全因子小于1,出现传导阻滞[11]

有研究发现,轴突损伤后轴突朗飞节轴膜有结构异常和Ca2+泵活性降低,轴浆内Ca2+增多[10,12]。体外实验证实,Ca2+能使微管迅速解离[13]。当轴浆内Ca2+上升到一定浓度,激活钙调蛋白(calmodulin)导致微管解聚、丢失[14];激活μm神经蛋白酶(calpain)或蛋白激酶(protein kinase)导致神经丝侧臂发生蛋白分解或发生脱磷酸化而分解,使神经丝空间结构塌陷,引起整个细胞骨架解构[15]。Mitani等[16]发现,亚低温能显著抑制缺氧所造成的Ca2+内流,降低神经细胞内Ca2+浓度。亚低温还能有效地使脑损伤动物脑组织内微管相关蛋白2(MAP2)含量恢复至正常水平[17],而MAP2是微管蛋白组装成微管所必须的。亚低温可能通过稳定轴膜结构,保护Ca2+泵活性,维持了细胞内外Ca2+的平衡;同时通过促使神经元表达和合成细胞结构蛋白而发挥神经保护作用[18]。说明朗飞节上Ca2+泵的变化对于延长所造成的神经损伤的形成有重要作用,朗飞节的损伤对神经损伤的形成有重要意义。

4  展望

郎飞结是有髓神经轴突上的特化区域,对于郎飞结的研究并不十分深入,对于郎飞结的作用我们并不十分明确,但相信随着对神经系统研究的逐步深入,对郎飞结的认识将进一步加深,对于郎飞结的机能与在神经传导中的地位也将更加明晰。

参  考  文  献

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3.  李继硕主编.神经科学基础[M].北京:高等教育出版社,2002:186-187.

4.  张顺利,魏纪东,陈晓虹,张文学等.小鼠不同组织器官热休克蛋白70表达的研究[J].解剖学报,2002,4(33):391-394.

5.  李 芳, 张 建.朗飞结和结侧区分子结构[M] .国外医学•生理、病理科学与临床分册,2003,23(4):413-415.

6.   成令忠主编.组织学.第2版[M].北京:人民卫生出版社,1992:514-519.

7.  汪仁斌,刘兴洲,神经传导阻滞及其发生机制[M].脑与神经疾病杂志,2006,14(3): 239-241.

8.  闫家智,姜保国,徐海林等.周围神经延长后单根神经纤维的组织学观察[M].中华手外科杂志,2004,20(1):58-60.

9. 姜保国.周围神经一次性延长的病理学变化[M].北京医科大学学报,1997,2(29),155-156.

10. 孙晓川,W.L.Maxwell,D. I. Graham,郑 平等. 视神经轴索损伤早期郎飞结超微结构研究[M]. 中华创伤杂志,1999,15(6):422-425.

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15. Maxwell W L, Povlishock JT, GrahamDI.A mechanic analysis of nondisruptive axonal injury: a review. J Neurotrauma, 1997,14 : 419-440.

16. Mitani A, Kadoya F, Kataoka K. Temperature dependence of hypoxia -induced calcium accumulation in gerbil hippocampal slices. Brain Res, 1991,35:159-162.  

17. Widmann R, Miyazaawa T, Hossmann KA. Protective effect of hypothermia on hippocampal injury after30 minutes of forebrain ischemia in rats is mediated by post ischemic recovery of protein synthesis.J Neurochem, 1993,61:200-204.


 

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