与有机磷杀虫剂毒理学相关的生理学

一、胆碱酯酶和胆碱能受体分类与分布

（一）体内胆碱酯酶的分类与分布

体内胆碱酯酶（ChE）分类与分布情况见表1－1。

表1－1 ChE的分类及体内分布

（二）胆碱能受体分类与分布

胆碱能受体分为毒蕈碱型（M）与烟碱型（N）两种类型，这两种胆碱能受体还可以进一步划分为不同的亚型。在中枢神经元与周围神经元及其突触前膜与后膜上分布着M受体与N受体，但是在神经肌肉接头的肌细胞膜上只分布N受体，而在呼吸道、消化道、唾液腺、心脏以及膀胱等效应器上则分布着M受体。

二、各型胆碱能受体基本结构与生理学特征

（一）M受体

M受体属于G蛋白耦联受体，G蛋白是GTP结合蛋白的简称，它是与受体耦联的功能蛋白，M受体功能是由G蛋白所介导（mediate），介导的含意是：通过一个或多个中间步骤的信息传递，使其功能变化得以实现。现已发现M受体有5种亚型，分别为M1、M2、M3、M4与M5，但其中最常见的有M1、M2与M3。M1分布在神经节与外分泌腺，M2主要分布在心脏，M3分布在平滑肌与内分泌腺。与M1及M3亚型受体结合的是Gq／11蛋白，Gq／11蛋白活化后激活磷脂酶C，使膜结构的化学成分磷脂酰胆碱发生磷酸化，形成肌酸磷脂，这就引起内质网内Ca2＋释放，从而导致平滑肌收缩与腺体分泌。与M2亚型受体结合的是Gi蛋白，Gi蛋白活化后抑制腺苷酸环化酶，并且激活受体控制的K＋通道，ACh引起心脏收缩力与心率变化就是抑制腺苷酸环化酶以及K＋通道开放的结果。当ACh与不同亚型M受体结合，受体被激活。由于受体及其所耦联的功能蛋白不同，M受体激活后，即可能产生兴奋效应，也可能产生抑制效应，结果所显示出的生理效应特征也就不一样。

（二）N受体

1．基本结构与亚型分类 神经元N受体至少由12种亚基（α2～α10，β2～β4）组成，它们之间通过不同组合，组成种类繁多的五聚体。根据N受体的理化特征及生理药理学特征不同，把N受体分为神经型（N1）与肌肉型（N2）两种亚型，N1受体分布在神经节与神经细胞膜上，N2受体分布在神经肌肉接头的骨骼肌细胞膜上。

2．目前对N受体生物学特征的认识

（1）N受体门控方式：神经细胞膜上N受体起到Na＋通道作用，离子通道的开放与关闭称为门控（gating），受体门控方式有多种，在生理情况下，神经细胞膜上N受体是通过递质与受体结合，使离子通道开启。然后通过膜电位变化，导致离子通道关闭，故这种门控方式称为配体与电压双重门控（ligand and voltage gate）。

（2）N受体3种基本功能态：在正常生理情况下，N受体有3种功能态：静息态、激活态与失活态。细胞兴奋前，N受体处于静息态。当ACh与N受体结合，受体发生变构，由静息（resting）态转变成激活（activation）态。一旦N受体处于激活态，离子通道显示出对Na＋高通透性，引起细胞膜外Na＋内流。在Na＋通道开放数毫秒后，通道关闭，对刺激就不再产生反应，关闭后的通道处于失活（inactivation）态。

（3）N受体工作原理（Na＋通道学说）N受体由5个亚基组成，5个亚基组合后，相互之间形成了狭窄的Na＋通道，每个通道功能由离子选择性滤器、活性闸门与失活闸门3部分所控制。在细胞兴奋过程中，细胞膜内外电场强度变化使N受体分子结构中的极性基团发生移位，引起通道局部构象改变，从而导致通道开放与关闭。

（4）N受体生物学特性与细胞除极电流变化特征之间的关系：根据微电极记录到的细胞除极电流变化特征，目前对N受体生物学特性的认识是：①微电极记录到细胞兴奋过程中电流变化特征是由单个Na＋通道开放而引起的，从除极开始到峰电流出现所需的耗时（即峰电流上升支时限）代表单个Na＋通道开放时限；②Na＋通道开放后就完全关闭，接着就不再对刺激产生反应。

3．对上述传统认识的讨论 以上内容中，有些认识是错误的，相关的内容及否定的理由如下：

（1）由单个N受体离子通道开放所形成的除极电流或细胞膜内外电位差变化都非常小，这种极微弱的电流或电位差变化是根本无法用仪器检测出来的。

（2）通过插入细胞内的探查电极，可检测到细胞兴奋过程所出现的电流变化，其变化特征是被探测区域细胞膜上所有激活态N受体Na＋通道开放所引起的。无论探查电极末端做得如何精细，其开口横切面通过光学显微镜就可以观察到，而细胞膜上蛋白质分布密度则需要通过电子显微镜才能分辨出来。由于在被探测区域细胞膜表面分布着一定数量的N受体，探测到的电流变化特征并不代表单个N受体通道开放与关闭所引起的电流变化特征。因此，无论把达到峰电流所需耗时，当做单个Na＋通道开放时限，或者把心肌动作电位的峰电位上升支时限，当做单个Na＋通道开放时限，这样的理解都是错误的。

（3）根据罗玉倩等所做的细胞电生理实验，通过置于细胞膜内外电极，把膜电位钳制在－60mV，然后使用微量压力注射仪，向来自体外培养的小鼠颈交感神经α4β2亚型细胞表面喷射浓度分别为100μmol／L与1000μmol／L两种烟碱溶液，持续作用4s，可记录到持续时间略＞4s的内向电流，如图1所示。根据细胞生理学原理，在细胞兴奋过程中，可产生Na＋内流、K＋外流、Ca2＋内流与Cl－内流。由于细胞膜内外Ca2＋浓度差很小，Ca2＋内流所引起的内向电流很弱，而K＋外流与Cl－内流形成的都是外向电流，因此，这一实验现象说明：在激动药持续作用下，细胞膜上N受体Na＋通道在开放后并非迅速转入关闭状态，只要细胞膜极化程度维持在－60mV水平，Na＋通道显示出失活与激活这2种不同功能状态之间持续快速转换，而且瞬间Na＋内流速率始终都超过瞬间K＋外流与Cl－内流速率的总和。

（4）如果认为膜内外离子浓度差驱动Na＋穿过N受体分子内部结构间隙（这种结构被称为Na＋通道），那么Na＋内流速率由膜内外Na＋浓度差决定。然而，在峰电流出现的瞬间，形成的电流幅度最大，而这时膜内外Na＋浓度差却最小。这一细胞生理学特征说明：虽然膜内外Na＋浓度差可以为Na＋从细胞外转运到细胞内提供能量，但是，并非细胞膜内外之间离子浓度差直接驱动Na＋穿过N受体分子结构间隙进入细胞内。

（5）通道学说难以从分子水平解释：为何神经细胞兴奋性有绝对不应期、相对不应期与超常期。

（6）由于通道很长，而且其最宽处是最窄处数倍，而在Na＋穿过通道时，相互之间不可能出现较大间隙。因此，如果认为细胞膜外Na＋穿过N受体通道结构进入细胞内，那么，在通道中就会挤满大量Na＋。当这些带有大量正电荷的离子充斥分子内部结构，对N受体构型影响非常大。此外，如果在通道结构的多肽链上有天冬氨酸残基或谷氨酸残基，这两种氨基酸残基上都含有羧基（—COO－）。羧基属于负性基团，如果羧基与其相邻氨基酸残基所组成的位点对Na＋形成一定亲和力，在狭窄的通道，将会阻止Na＋通过。而且当Na＋结合到其位点上，还会改变N受体构型。如果在通道结构的多肽链上有碱性氨基酸（包括赖氨酸、精氨酸与组氨酸）残基，情况也一样。由于这3种氨基酸残基上含有正性基团，因此在一定的条件下，这种基团也同样有可能会阻止Na＋通过通道。

（7）如果N受体起到Na＋通道作用，那么，在对N受体进行化学成分分析时，就会发现其分子结构中含有大量Na元素，而这根本不符合事实。就凭这一点，就足以否定Na＋通道学说。

4．对N受体生物学原理的新认识（Na＋载体学说） N受体充当从细胞外往细胞内运载Na＋的载体，在细胞兴奋过程中，通过N受体分子变构与转向，把Na＋从细胞外转运到细胞内。

（1）N受体配体门控的形成机制

①N受体对ACh高亲和力：在激动药ACh的胆碱N原子上带有正电荷，在烟碱吡啶基N原子上也带有正电荷。而在N受体多肽链上可以连接天冬氨酸残基或谷氨酸残基，这两种氨基酸残基都含有羧基（－COO－），羧基为负性基团，这种负性功能基团是构成激动药结合位点的化学结构基础。当几个特定氨基酸残基的功能基团处于一定的空间位置，受到与相邻之间功能基团的影响，由这些功能基团所构成的位点与激动药之间就会形成较大的亲和力。当激动药靠近这一位点，在两者之间可形成3种结合力：正负电荷间的库伦引力，疏水性相互作用的力以及范德华引力。通过这3种结合力的作用，就会显示出N受体对激动药高亲和力。

②N受体在细胞膜上按一定的正负极性方向排列：当细胞处于静息期，受到膜内外之间电场的影响，N受体带负电荷多的极性端朝外，带正电荷多的极性端朝内。通过这种极性排列，N受体上的ACh结合位点暴露于细胞外，只有在这种条件下，激动药才可以激活N受体。

（2）Na＋载体的工作原理

①Na＋运载：当激动药（例如ACh或烟碱）与N受体结合，受体发生变构。经过变构后，在N受体分子结构中多个相邻氨基酸残基上的功能基团共同构成了与Na＋高亲和力的结合位点。现已证明：Na＋结合位点由4个氨基酸（谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸以及赖氨酸）残基所组成。通过Na＋结合位点与细胞外Na＋结合，N受体充当运载Na＋的载体。

②Na＋转移与释放：Na＋转移与释放是一系列电化学连锁反应，在这一连锁反应中，首先发生Na＋与N受体位点结合，接着出现Na＋与N受体分离。

如果把运载Na＋过程出现的各个电化学连锁反应步骤用“→”连接起来，首先激动药与N受体分离：Na＋与N受体位点结合导致受体变构，以及Na＋与N受体结合后，在细胞膜内外电场作用下，N受体发生转动，在其转动过程中，电场对极性基团的作用方向发生改变→构成激动药结合位点的氨基酸残基相互之间空间位置发生改变→N受体丧失了对激动药亲和力→激动药与N受体分离。其次，Na＋转移与释放：Na＋与N受体位点结合→形成带正电荷的化学结构区域→由于膜内为负电位，因此在电场作用下，Na＋与其结合位点转向细胞膜内侧面→N受体转向后，在相反方向电场作用下，构成Na＋结合位点的4个氨基酸残基相互空间位置发生改变→Na＋结合位点丧失与Na＋亲和力→Na＋与N受体分离→Na＋被释放到细胞内→与Na＋分离后的化学结构区域带负电荷→由于膜外为正电位，在电场作用下，Na＋结合位点重新转向细胞膜外侧面。在这种情况下，N受体处于待激活态。

③载体对Na＋选择性：现已证明，离子载体（目前称为离子通道）具有选择性运载离子的特性与其结合位点的氨基酸残基组成成分有关，如果结合位点4个氨基酸残基由谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸以及赖氨酸组成，当它们相互之间处于一定的空间位置，就会显示出与Na＋高亲和力。如果结合位点4个氨基酸残基都由谷氨酸组成，当它们相互之间处于一定的空间位置，就会显示出与Ca2＋高亲和力。

④驱动Na＋进入细胞的能量：驱动Na＋从细胞外转运到细胞内的能量是由细胞膜内外之间的Na＋与K＋浓度差共同提供的。

当N受体的激动药结合位点朝向细胞膜外侧面，N受体与Na＋结合。当激动药结合位点朝向细胞膜内侧面，N受体与Na＋分离，产生N受体化学特性转变的能量是由膜内外Na＋浓度差所提供的。引起N受体这种生物学特性转变的化学反应原理是：无论是ACh与N受体结合所形成的聚合体，或是Na＋与N受体结合所形成聚合体，都具有较高的化学能，而与ACh分离后的N受体化学能最低。在N受体激活后，每次变构都是从高能化学结构向低能化学结构的转变。可以这样认为：细胞膜内外之间的Na＋浓度差为Na＋在载体上装载（受体与Na＋结合）与卸载（受体与Na＋分离）提供能量。

Na＋与N受体结合后，结合位点转向细胞膜内侧面。然后，Na＋与N受体分离，结合位点转向细胞膜外侧面。引起N受体转向的能量由细胞膜内外电位差产生的电场提供。因为细胞膜内外电位差由细胞膜内外K＋浓度差决定，所以可以这样认为：细胞膜内外之间的K＋浓度差为Na＋转运提供能量。因为电压门控性载体转运离子的能量是由化学能与电势能双重提供的，而非电压门控性载体转运离子或非离子化合物的能量仅由化学能提供，所以实验结果显示：电压门控性载体对离子的转运速率，大约是非电压门控性载体对离子或非离子化合物的转运速度1 000倍。

（3）电压门控的形成机制：细胞膜内外之间的电场强度决定Na＋内流速率，如果细胞膜内外之间的电场越强，受体转运Na＋的速率也就越快。只有细胞膜内外维持一定的电场强度，才能为N受体转向提供足够的电势能。当细胞膜电场强度降到一定水平，不仅与Na＋结合的N受体位点无法转向细胞内，而且与Na＋分离后的N受体位点也无法转向细胞外。在这种情况下，存在于细胞外的激动药就无法激活N受体，N受体处于基本功能态。当N受体处于基本功能态，电刺激神经细胞只能起到进一步削弱其细胞膜电场强度作用，因此，这种实验方法也同样无法使N受体激活。

（4）基线形成机制：在峰电流出现后，随着K＋外流与Cl－内流，膜内外电场强度逐渐减弱，细胞膜上基本功能态N受体数量越来越多，而待激活态N受体数量越来越少，结果导致细胞除极电流变得越来越小，直至除极电流曲线完全恢复到基线。

（5）绝对不应期、相对不应期、细胞正常兴奋性与超常期的形成机制

①绝对不应期形成机制：如果细胞膜极化程度过低，导致大部分或全部N受体处于基本功能态。在这种情况下，由于细胞膜上待激活态N受体数量太少，结果神经细胞对任何强刺激都不反应，这种情况细胞处于绝对不应期。

②相对不应期形成机制：在待激活态N受体形成过程中，如果形成的数量相对较少，需要提高刺激强度，才能形成有效的阈上刺激，这就形成了细胞相对不应期。

③细胞正常兴奋性的形成机制：如果细胞膜上绝大部分N受体都已恢复成待激活态，只需要给予正常强度刺激，就可以形成有效的阈上刺激，神经细胞恢复正常兴奋性。

④超常期形成机制：如果细胞膜极化程度较低，只需低强度的电刺激，就可以诱发动作电位，实验显示出细胞兴奋性提高。

（6）在每次细胞兴奋过程中，每个Na＋载体都转运了大量Na＋，因此，Na＋载体激活态与待激活态之间相互转化速度极快，每个Na＋载体都反复进行了多次这两种功能态之间的相互转化。

根据以上分析，虽然在N受体亚基之间存在着分子结构缝隙，但是细胞外Na＋不是通过这种通道结构进入细胞内，而是N受体充当结合与转运Na＋的载体，当N受体被激活后，通过受体分子变构与极性转向，把Na＋从细胞外转移到细胞内。

（三）N受体6种功能态

受到各种因素对N受体的影响，在不同情况下，N受体可以显示出6种功能态：激活态、基本功能态、待激活态、失敏态、抑制态与失活态。

（1）当ACh与待激活态N受体结合，N受体被激活，受体处于激活态。

（2）当Na＋转运到细胞内，Na＋与受体分离。如果细胞膜内外仍维持足够高的电场强度，N受体可持续保持待激活态与激活态之间相互转化。当细胞膜内外电位差降到一定水平，N受体转入基本功能态。当细胞膜复极化达到一定水平，N受体重新恢复成待激活态。

（3）如果来自细胞内环境的因素经过复杂的中间环节，导致N受体生物学活性受抑制，无法被激动药激活，这种现象称为N受体失敏，或称为N受体处于失敏态。

（4）如果来自体外的因素（例如药物或毒物）导致被结合N受体生物学活性受抑制，无法被激动药激活，这种情况N受体处于抑制态。N受体由5个亚基组成，由于亚基多肽链结构不同，结果显示出由不同亚基所组成的N受体对不同药物或毒物存在亲和力差异。

（5）如果N受体发生蛋白质变性，其生物活性将永久性丧失，这种情况称为N受体失活。

（四）除极电流变化对细胞兴奋性的影响

突触后膜经过多次除极，最终诱发动作电位，引起细胞兴奋，神经细胞兴奋性由动作电位频率决定。影响动作电位频率的因素包括：除极频率、每次除极持续时间以及除极电流。如果除极频率越高，或每次除极持续时间越长，或除极电流越强，细胞兴奋性也越高。

（五）细胞膜超极化对心肌自律细胞兴奋性的影响

心肌自律细胞除极过程存在3种门控方式：①通过慢通道Ca2＋缓慢内流，引起心肌自律细胞自动除极。②通过心肌除极波的扩散，启动电压门控机制，诱发心肌自律细胞动作电位。③通过神经递质（例如肾上腺素）与受体结合，启动配体门控机制，诱发心肌自律细胞动作电位。

在正常情况下，心房或心室心肌自律细胞的自动除极过程较缓慢，自主节律较低，通过高节律点窦房结兴奋所产生的除极波，诱发心肌自律细胞动作电位。但是，在心肌自律细胞膜超极化时，细胞膜内外高强度电场导致细胞膜上出现了大量待激活态N受体，结果在细胞自动除极电位尚未达到阈值时，细胞膜上形成的激活态N受体数量就足以导致细胞兴奋，这是心肌自律细胞膜超极化诱发心律失常的发生机制。

（六）细胞N受体失敏

1．基本概念 如果把细胞膜电位钳制在能够维持N受体处于待激活态水平，用激动药反复刺激神经细胞，通过微电极插入细胞内，实验仪器就会记录到一定强度的持续除极电流。但是，经过数次刺激后，所记录到的细胞持续除极电流幅度明显降低，目前把这种现象称为N受体失敏。但是，仔细分析起来，把这种现象称为“细胞N受体失敏”，会更妥当些。严格地讲，“N受体失敏”与“细胞N受体失敏”代表两个不同概念，“N受体失敏”代表受体由激活态转入失敏态，其本质是细胞内环境因素介导N受体变构，当受体处于失敏态，其生物学活性受抑制，无法被激动药所激活。而“细胞N受体失敏”则是细胞对N受体激动药连续刺激表现出兴奋性降低，其本质是由于细胞内环境改变介导细胞膜上失敏态N受体数量增多，结果显示出激活态N受体数量减少引起的细胞电生理特征变化。简单地说：N受体失敏属于单受体的生物学特性，而细胞N受体失敏属于被探测区域细胞膜上多受体综合效应所介导的细胞电生理特征变化。

2．N受体失敏机制 N受体失敏机制很复杂，具体细节还未完全弄清楚。根据目前的研究结果，介导N受体失敏机制的因素可以归纳为两个方面。

（1）细胞内高浓度Ca2＋介导的N受体失敏：通过细胞电生理学方法进行研究，实验发现：提高细胞内Ca2＋浓度，会降低烟碱所诱发的内向电流幅度。而提高细胞外Ca2＋浓度，会增加ACh所诱发的内向电流幅度，但是，同时也加速了细胞N受体失敏，使持续除极电流幅度降低。这一现象的形成机制可能是：在N受体上有两个Ca2＋结合位点，一个位于细胞膜内侧面，另一个位于细胞膜外侧面。当Ca2＋与膜外侧面位点结合，通过增加局部区域正电荷，加速激活态N受体的Na＋结合位点转向膜内侧面。当细胞内Ca2＋大量蓄积，通过Ca2＋与膜内侧面位点结合，增加局部区域受体正电荷，抑制与Na＋分离后的Na＋结合位点转向膜外侧面。

在不同N受体亚基，由于Ca2＋结合位点不同，Ca2＋与结合位点的亲和力受到其功能基团的空间构型影响，这就导致Ca2＋对不同N受体亚基具有不同的亲和力。这一理论认识解答了这样一个问题：为什么不同亚型交感神经细胞所显示出的细胞N受体失敏特征会不一样。

此外，细胞内Ca2＋浓度升高，可激活蛋白激酶C（PKC），通过受体磷酸化途径，进一步引起N受体磷酸化变构所介导的受体失敏。

（2）其他因素介导的N受体失敏：PKC、蛋白激酶A（PKA）与酪氨酸激酶（TK）催化受体氨基酸残基磷酸化，引起N受体磷酸化变构所介导的受体失敏。此外，实验研究还发现，神经肽、花生四烯酸、前列腺素D2以及磷脂酶（PLC）等也都参与对N受体失敏过程的调节。

在以上失敏机制中，细胞内环境中Ca2＋浓度对N受体失敏具有直接的调节作用，而其他因素所介导的N受体失敏则起到间接的调节作用。在高浓度ACh作用下，究竟是引起除极电流变大，或是导致除极电流变小，这取决于ACh对N受体激活作用以及细胞内环境变化所介导的细胞N受体失敏程度这两者之间的关系。如果前者的作用超过后者，则提高除极电流。如果后者的作用超过前者，则降低除极电流。

（七）N受体失敏的生理学意义

如果细胞持续去极化，将会导致细胞无法复极。因此，N受体失敏的生理学意义在于：通过N受体失敏机制，保证一旦细胞膜大量N受体被激活，由于同时也有部分N受体转入失敏态，就不会引起细胞膜过度去极化。这样就不仅保证了器官在高度兴奋后能够迅速转入抑制，从而避免出现器官疲劳或引起器官功能衰竭。同时也保证了细胞除极后能进行复极，而这是细胞能继续形成除极的先决条件。此外，如果来自体外的因素（例如有机磷杀虫剂中毒）导致细胞持续处于高浓度内源性ACh环境中，通过N受体失敏机制，这样可以防止发生细胞膜持续去极化而无法复极。在这种情况下，虽然细胞膜上部分或大量N受体失敏后，神经细胞兴奋性降低，但是，细胞仍然可以保留一定的兴奋性。

（八）细胞N样效应与M样效应相互之间的关系

1．N样效应对M样效应的影响 当细胞质出现可导致N受体失敏的内环境，这种内环境变化也同样会影响到M受体的生物学特性。实验证明：当M受体磷酸化，可使其激活。而在形成N受体失敏的细胞内环境中，PKC、PKA与TK等磷酸化酶活性增高，这些酶可催化M受体磷酸化，由于M受体磷酸化后发生了分子构象改变，激活了M受体，结果不仅实验显示出细胞对ACh所介导的M样毒性反应敏感性增加，而且也同样显示出拮抗药阿托品对M受体阻断作用的敏感性降低。这种现象目前称为：在发生N受体失敏后，细胞显示出M受体对ACh作用的超敏感性（supersensitivity）。在中枢与外周神经系统，都存在着这一现象。但是，这种现象是细胞内环境变化所介导，而不是N受体变构所诱导。除此之外，引起M受体增敏的机制还包括：减慢G蛋白结合GTP速度、增进M受体与G蛋白之间的耦联、增进M受体与腺苷酸环化酶及磷脂酰肌醇之间的耦联等。

2．M样效应对N样效应的影响 有人通过实验证明：激活M受体会降低N受体对激动药的反应。这一实验现象说明：激活M受体后，由于细胞内环境发生变化，结果发生细胞内环境变化所介导的N受体失敏。例如，目前研究证明：在神经细胞膜上分布M1受体，当M1受体激活后，激活磷脂酶C，使膜结构的化学成分磷脂酰胆碱发生磷酸化，形成肌酸磷脂，接着引起内质网释放出Ca2＋，在这种情况下，就会出现细胞内源性高浓度Ca2＋所介导的N受体失敏。

（九）根据Na＋载体工作原理来理解细胞电生理现象

根据以上讨论内容，对使用烟碱持续刺激神经细胞所引起的电流变化特征形成机制分析如下：

1．峰电流出现时间 从除极开始到形成最大电流的耗时是细胞膜上激活态N受体形成速率决定的，而影响激活态N受体形成速率的主要因素是激动药浓度，激动药浓度越高，被激动药结合N受体数量就会越多，Na＋转运速率也越快，如果达到相同的峰电流，所需的时间缩短。

2．峰电流 在细胞兴奋过程中，当细胞膜上激活态N受体数量达到最大，出现峰电流。峰电流由最大激活态N受体数量决定，最大激活态N受体数量由激动药浓度与待激活态N受体数量共同决定。而待激活态N受体数量与细胞膜内外电场强度有关，如果细胞膜内外电场强度越高，进入待激活态与激活态功能转换的N受体数量也越多。

3．N受体失敏对初始持续除极电流的影响 由于给予首次刺激时，N受体处于正常细胞内环境中，因此，在使用激动药连续刺激神经细胞过程中，首次刺激神经细胞所形成的峰电流并不降低，而是随着给药浓度增加而增加。然而，由于随后继续刺激神经细胞引起的除极电流是在异常细胞内环境中所产生的，因此，随着刺激次数增加，细胞除极产生的电流明显降低，并且这种电流变化随着给药浓度增加而变得越来越明显。如果给予的烟碱浓度很高，由于激动药作用于N受体时间延长，在细胞兴奋过程中，细胞内环境将会发生较大改变，导致在细胞兴奋过程中细胞膜上大量N受体失敏，在这种情况下，延续在峰电流之后的持续除极电流幅度变小。如果激动药（烟碱）浓度足够高，达到1000μmol／L，持续除极电流曲线可降到接近于基线水平，如图1A所示。如果把持续作用于细胞的激动药浓度控制在一定范围内，例如把烟碱浓度控制在1～100μmol／L，由于这种情况作用于细胞膜的激动药浓度较低，在每次给药后，激动药浓度会迅速降到很低水平，激动药与N受体持续作用时间较短。细胞兴奋过程中细胞内环境变化较小，细胞膜出现较多的激活态N受体，通过实验仪器可记录到较高的持续除极电流。

初始持续除极电流曲线的变化特征与细胞内环境改变程度有关，如果在最初几次刺激过程中，细胞内环境发生了较大程度的变化，则持续除极电流曲线b斜率较大（即曲线较陡直），如图1A所示。如果在最初几次刺激过程中，细胞内环境发生了较小程度的变化，则持续除极电流曲线b斜率较小，如图1B所示。这种曲线变化反映细胞N受体失敏特征，即曲线b最低点或曲线c的起点反映发生N受体失敏后，细胞膜上失敏态N受体所占的比例。这种曲线变化并不代表单个N受体失敏的生物学特征，也不代表K＋通道与Cl－通道开放引起的复极电流变化。尤其需要特别指出：细胞N受体失敏实验条件与心肌动作电位实验条件完全不一样，前者是连续刺激神经细胞而引起的除极电流变化，后者是心肌细胞正常激动过程所出现的膜内外电位差变化，因此，不可以用心肌动作电位特征的产生原理，来解释细胞N受体失敏实验中所出现的除极电流曲线变化特征。

4．稳态电流形成原理 经过连续数次刺激后，细胞就会形成相对稳定的内环境。在这种相对稳定的细胞内环境中，持续除极电流曲线c特征类似于心肌动作电位平台期特征，这种平台期特征电流又称为稳态电流，稳态电流由相对稳定细胞内环境中激活态N受体数量所决定，稳态电流／峰电流比值主要反映：在相对稳定细胞内环境中，细胞膜上激活态N受体数量与在正常细胞内环境中可形成的最大激活态N受体数量之间的比值。

5．基线的形成原理 一旦取消了激动药对细胞的刺激，当细胞膜表面激动药降低到一定浓度，所有N受体最终又都重新转化成基本功能态或待激活态，这就形成基线d，如图1B所示。

6．停止刺激后再次除极电流曲线的形成原理 如果作用于细胞的烟碱浓度较高，达到1000μmol／L，在停止给予烟碱刺激后，接着还会出现波幅较小的再次除极波e。再次除极波的形成原理是：e波起始点代表在停止给予烟碱后，细胞内环境开始向正常情况转变，然而，由于这时细胞膜上仍残留一定浓度的烟碱，结果在细胞内环境逐渐恢复正常的过程中，细胞膜上已恢复成待激活态的部分N受体再次被激活，这就导致了e波的前半部分。当e波的除极电流达到峰值时，细胞内环境已恢复到接近于正常。通过对照烟碱浓度分别为1μmol／L与10μmol／L所做的细胞电生理学实验，可以近似地判断出：当e波峰值出现时，细胞膜上残留的烟碱浓度大约在5μmol／L。接着，由于残留在细胞膜上的烟碱浓度继续降低，细胞膜上激活态N受体数量也随之不断减少，结果导致e波的后半部分，如图1A所示。

图1 细胞膜电位钳制在－60mV条件下，通过微量压力注射器，向α4β2亚型交感神经细胞表面喷射浓度分别为100μmol／L与1000μmol／L烟碱溶液，持续作用时间为4s，所记录到的内向电流曲线

注：本图像资料来自罗玉倩等提供的实验资料，相关资料刊登在中国临床药理学与治疗学2008年第13期

（十）有机磷杀虫药中毒时神经细胞兴奋性降低的发生原理

当发生有机磷杀虫剂中毒，在过度蓄积内源性ACh持续作用下，由于细胞膜内环境发生了变化，如果中毒严重，无论是在静息期或在细胞兴奋过程中，细胞膜内环境都无法恢复正常，结果，在细胞兴奋过程中，细胞膜上有相当数量N受体处于失敏态。这就使得在细胞兴奋过程中细胞膜Na＋内流速率减慢，引起较低的除极电流。由于每次神经冲动所激发的除极峰电流减弱，结果就导致细胞兴奋性降低。如果内源性ACh蓄积量越大，细胞膜内环境变化也越大，结果在细胞兴奋过程中，细胞膜上失敏态N受体所占的比例就会越大，细胞兴奋性降低也就越明显。

三、生命器官胆碱能受体分布及其生理学特征

（一）呼吸中枢

1．呼吸中枢的功能区域胆碱能受体分布及其对呼吸的影响

呼吸中枢包括大脑皮质、脑干和脊髓。在延髓有调控呼吸肌收缩力与呼吸基本频率的中枢。新近呼吸生理学研究发现：在中枢神经系统内存在着神经元节律性放电现象，其放电节律性具有类似于呼吸周期性特征，这些神经元称为呼吸神经元（respiratory neuron）。延髓呼吸中枢由背侧呼吸细胞群（dorsal respiratory group）与腹侧呼吸细胞群（ventral respiratory group）组成。背侧呼吸细胞群主要由吸气神经元（inspiratory neuron）组成，腹侧呼吸细胞群主要由呼气神经元（exspiratory neuron）组成。因此，背侧呼吸细胞群支配吸气运动，其对呼吸影响最大。而腹侧呼吸细胞群主要支配呼气运动，但其中也有部分细胞群支配吸气运动。M受体主要分布在背侧呼吸细胞群，而N受体在这两组呼吸细胞群分布无差别。由于决定肺通气的是吸气运动，因此，呼吸中枢M受体的生理效应对通气影响最大。

2．呼吸频率的生理调控 控制呼吸频率的原理较复杂，具体细节尚未完全了解清楚。在桥脑部位则有调控呼吸频率的呼吸调整中枢，呼吸节律的形成有赖于中枢神经系统不同部位（包括大脑皮质与脑干）神经细胞与周围感受器组成的神经网络对其进行调控。简单地说，延髓呼吸细胞兴奋性主要决定参与每次呼吸运动的呼吸肌细胞数以及决定基本呼吸频率，而延髓呼吸细胞最终所形成的节律性放电频率接受由中枢神经系统不同部位神经细胞以及外周感受器所构成的复杂神经网络系统的调控。

3．呼吸肌收缩力与呼吸频率之间的关系 当各种病因抑制了延髓呼吸细胞兴奋性，将会导致呼吸肌收缩力减弱。在这种情况下，由于通气不足导致缺氧，通过控制呼吸活动神经网络中神经细胞对呼吸频率调控作用，结果引起呼吸频率增快。这就形成了临床上常见到的一个重要现象：当呼吸衰竭刚开始发生时，由于膈肌收缩力减弱，每次通气量减少。但是，受到缺氧刺激，通过控制呼吸活动神经网络中神经细胞对呼吸频率反馈调节，引起呼吸频率增快。如果发生呼吸衰竭时，呼吸频率变慢，则表示调控呼吸频率网络系统中神经细胞的兴奋性也受到抑制。

（二）心血管中枢

控制心血管活动的神经中枢称为心血管中枢，心血管中枢分布范围从脊髓、脑干到大脑皮质，但是最基本的心血管中枢位于延髓。延髓心血管中枢至少有4个重要功能性区域：缩血管区、舒血管区、传入神经接替区以及心抑制区。缩血管区与舒血管区参与构成交感神经系统，在交感神经细胞膜上既分布有M受体，也有N受体。心抑制区由迷走神经细胞所组成，但是，其细胞膜上仅分布N受体。

交感中枢N受体生理学特征与中枢其他部位神经细胞N受体生理学特征基本相同，N受体对交感神经系统兴奋性的影响包括两个方面：

1．无论是延髓交感中枢或是交感神经节，当N受体被激活，可提高交感神经细胞兴奋性。在细胞兴奋过程中，如果细胞膜上激活态N受体所占的比例越大，交感神经兴奋性越高。当神经细胞膜上N受体失敏，其兴奋性降低。在细胞兴奋过程中，细胞膜上失敏态N受体所占的比例越大，交感神经兴奋性越低。

2．在交感神经系统中，延髓交感中枢对交感神经系统的兴奋性起主导作用。理由是：

（1）代表细胞兴奋性受抑制的电生理变化是受体激活后在细胞引起一外向电流，这种电流引起细胞跨膜电位提高，使细胞膜处于超极化，结果抑制了细胞兴奋性。而目前尚无实验证据证明：脑组织神经细胞N受体被激活后，会引起外向电流。相反地，实验发现：在脑组织分布最广泛的神经细胞有两种N受体亚型α7与α4 β2，这些细胞兴奋时都会出现一内向电流，这种电流引起细胞跨膜电位下降，结果提高细胞兴奋性。

（2）交感神经节与延髓交感中枢同属交感神经系统，在体外培养的小鼠颈上交感神经节细胞上也分布N受体。然而，用微量压力注射器向细胞喷射N受体激动药烟碱后，显示器上可记录到具有提高细胞兴奋性作用的内向电流。

（3）当N受体通道被激活，细胞膜出现了电生理学特征方面的变化，其中峰电流是由Na＋通道开放引起的，在细胞膜内外所有离子（包括Na＋、K＋、Ca2＋与Cl－）移动过程中，只有Na＋内流产生内向除极电流，而其他离子移动则产生外向复极电流。内向除极电流导致细胞膜表面电位降低，引起细胞膜去极化，从而导致神经细胞兴奋性增高。由此可见，N受体激活起到提高交感神经兴奋性的作用。

在动物实验中，同时给予美卡拉明与QNB后，再从椎动脉注射ChE抑制药梭曼，不引起血压下降。对这一现象发生原理的正确理解应该是：经过动物椎动脉注射梭曼后，由于这种毒物对ChE活性抑制作用迅速而持久，结果随着内源性ACh浓度不断增高，在交感中枢神经细胞兴奋过程中，细胞膜上出现了大量激活态N受体，导致除极电流变大。但是，如果内源性ACh浓度更高，在细胞兴奋过程中，就会出现了高浓度Ca2＋所介导的N受体失敏。当美卡拉明与N受体结合时，可以起到两种不同的作用：一是在中毒早期，由于细胞膜上出现了大量激活态N受体，细胞膜除极过程加速，引起突触后膜持续去极化，这将导致细胞膜无法正常复极，结果就会影响到突触对神经冲动的传递，因此，当药物与N受体结合时，如果给药量控制适当，使部分N受体转入功能抑制态，这就降低了神经细胞除极电流，这样可以防止因除极速度过快而导致神经突触后膜持续去极化。二是当中毒更严重，细胞膜上出现了大量失敏N受体。给药后，通过中间环节的细胞生理效应，使细胞内Ca2＋浓度降低，消除了高浓度Ca2＋所介导的N受体失敏。这样不仅保证了在细胞兴奋过程中细胞膜上能够维持足够数量的激活态N受体，而且也抑制了在严重中毒情况下细胞内环境变化所诱导的M受体增敏。由于交感神经兴奋性受到N受体与M受体双重调节，而且N受体对交感神经兴奋性起主导作用，当交感神经细胞膜上出现大量失效态N受体，会引起交感神经兴奋性降低。通过药物抗N受体失敏型毒性反应，以及通过二苯羟乙酸奎宁酯（QNB）的抗M样作用，进一步阻断神经细胞膜上部分M受体，最终出现的结果是：在一定中毒程度范围内，交感神经兴奋性仍然可以维持正常。但不能把这种情况直接说成是“无论是交感中枢N受体被激活或M受体被激活，都会引起交感神经系统兴奋性降低”。

（三）交感神经节

在交感神经节细胞上分布M受体与N受体。当细胞膜大量N受体处于激活态，细胞产生的除极电流较大，突触后膜去极化过程加快，使神经冲动在交感神经节的传导过程加速。当细胞膜上大量N受体处于失敏态，由ACh诱发的细胞膜除极电流变小，突触后膜去极化过程减慢，导致神经冲动在交感神经节的传导速度减慢。而M受体激活则引起突触后膜超极化，由于神经细胞跨膜电位提高，抑制神经冲动在交感神经节的传导。

（四）心脏

心脏分布的M受体激活后，窦房结与传导系统细胞的细胞膜对K＋通透性增加，细胞膜超极化，引起心率变慢与房室传导阻滞。此外，由于细胞膜内外电场强度增大，使心肌自律细胞膜上待激活态N受体数量增多，由细胞自动除极过程所形成的阈下刺激就有可能导致细胞兴奋，结果心肌自律细胞节律性超过窦房结细胞，这是导致严重心律失常的最重要原因。虽然ACh对心室肌直接负性肌力作用不明显，但是，通过激活M受体，抑制腺苷酸环化酶活性，可以降低心肌对儿茶酚胺的反应，表现出心肌收缩力减弱。此外，ACh还可以反馈抑制交感神经末梢释放去甲肾上腺素与肾上腺素，这也抑制了心肌收缩力。

（五）神经肌肉接头受体分布及其生理

在神经肌肉接头突触前膜上既分布N受体，也分布M受体，而在骨骼肌细胞膜上只分布N受体。在不同实验条件下，ACh与N受体结合后，突触后膜可出现两种特征不同的电位变化：一种情况表现出接头电位降低，最大降幅可达到80%，这种电位变化称为Ⅰ类反应。Ⅰ类反应是接头大量N受体失敏情况下，骨骼肌细胞所表现出的膜电位变化特征。另一种情况则表现出突触后膜持续去极化，同时终板电位消失，这种电位变化称为Ⅱ类反应。Ⅱ类反应是在大量N受体被激活情况下骨骼肌细胞所表现出的膜电位变化。

（六）消化道与呼吸道的胆碱能受体分布及其对器官的影响

在消化道与呼吸道腺体以及平滑肌细胞膜上分布有M受体，当大量ACh蓄积导致M受体过度激活，腺体细胞显示出分泌亢进，而平滑肌细胞则显示出收缩活动增强。

（七）汗腺的受体分布及其生理功能

在汗腺细胞膜上分布M受体与肾上腺素能β受体，这两种受体激活都会促进汗液分泌。