乙酰膽堿作為化學(xué)突觸遞質(zhì)的發(fā)現(xiàn)簡史

房芳　韓菲　魯亞平

化學(xué)突觸傳遞是神經(jīng)信號傳遞的主要形式。乙酰膽堿是人體內(nèi)分布最廣泛的神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)，通常由膽堿能神經(jīng)細胞利用膽堿和乙酸鹽在輔酶A和膽堿乙酰化酶作用下形成。合成后的乙酰膽堿最后儲存在神經(jīng)細胞突觸囊泡內(nèi)，當(dāng)神經(jīng)沖動傳播到神經(jīng)末梢時， 末梢以胞吐囊泡方式“量子釋放”乙酰膽堿，作用于突觸后膜相應(yīng)的受體，引起興奮或抑制性反應(yīng)。然而，乙酰膽堿作為化學(xué)突觸遞質(zhì)的發(fā)現(xiàn)卻有著曲折的過程。

1867年，乙酰膽堿首次合成成功，但人們并不清楚生物體內(nèi)天然含有該物質(zhì)。1904年，來自倫敦的亨利·哈雷·戴爾接受了一個為制藥廠商工作的機會。也正是這次機會，戴爾及其實驗室的科研人員充分地接觸和認識了麥角堿（寄生于大麥及其他谷類穗中的麥角菌菌核所含多種生物堿的總稱），并先后分離出了麥角毒堿（早期的腎上腺素受體阻滯劑）、組胺、酪胺和乙酰膽堿等物質(zhì)。乙酰膽堿的分離可謂是一次“幸運的事故”，因為它是在分離麥角堿時作為一種罕見的污染物被發(fā)現(xiàn)的。隨后，研究人員集中探究了乙酰膽堿的生物學(xué)效應(yīng)。經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，這一物質(zhì)具有兩種相反的生物學(xué)效應(yīng)：一種稱為“毒蕈堿”樣效應(yīng)，也就是該物質(zhì)在外周能夠模擬興奮副交感神經(jīng)的生物學(xué)效應(yīng)；另一種生物學(xué)效應(yīng)，即“煙堿”樣效應(yīng)，也就是類似與煙堿作用肌肉及植物性神經(jīng)節(jié)引起的肌肉興奮性效應(yīng)。

1909年，在德接受醫(yī)學(xué)教育的猶太人奧托·勒維被奧地利格拉茨大學(xué)聘為藥理學(xué)教授，主要利用青蛙離體心臟進行心臟藥理學(xué)領(lǐng)域的研究。奧托·勒維早年在英國留學(xué)期間受到一些前輩關(guān)于神經(jīng)傳遞物質(zhì)觀點的啟發(fā)，一直渴望能用試驗證明神經(jīng)傳遞是通過化學(xué)物質(zhì)實現(xiàn)的這個想法。1921年復(fù)活節(jié)前夜，奧托·勒維反復(fù)做一個夢，醒來他按照夢中提示開展實驗，結(jié)果就有了重大的發(fā)現(xiàn)。這個實驗就是著名的生理學(xué)經(jīng)典的雙蛙心灌流實驗。他取出兩只青蛙的心臟，一個連著迷走神經(jīng)，另一個切斷迷走神經(jīng)。用導(dǎo)管將動脈與靜脈連接起來，充“任氏液”進行灌流，形成體外循環(huán)。當(dāng)刺激迷走神經(jīng)時，與之相連的心臟跳動受到抑制；同時將流經(jīng)該心臟的“任氏液”灌流切斷迷走神經(jīng)的另一只青蛙心臟時，其跳動也受到明顯抑制。很明顯切斷迷走神經(jīng)的青蛙心臟受到的抑制效應(yīng)，應(yīng)該是來自溶于灌流溶液中的某種化學(xué)物質(zhì)。奧托·勒維推測這種化學(xué)物質(zhì)可能是迷走神經(jīng)末梢釋放的。這個實驗進一步支持迷走神經(jīng)不是通過“電傳遞”影響心臟，而是通過“化學(xué)傳遞”影響心臟功能的觀點。他的這個結(jié)論奠定了神經(jīng)興奮化學(xué)傳遞學(xué)說的實驗基礎(chǔ)。

然而，這種化學(xué)物質(zhì)到底是什么卻并不清楚，奧托·勒維稱之為迷走神經(jīng)素。為探究迷走神經(jīng)素，奧托·勒維和他的同事做了大量的研究工作。他們發(fā)現(xiàn)非常低濃度的乙酰膽堿可極大地抑制心跳；向心臟內(nèi)加入可抑制酯酶活性的毒扁豆堿，可明顯加強外源乙酰膽堿對心臟的抑制效應(yīng)。這一結(jié)果提示心臟可能擁有內(nèi)源性的水解乙酰膽堿的酯酶，后來他們稱之為膽堿酯酶。于是他們推測：迷走神經(jīng)素應(yīng)該是一種膽堿，能被酯酶快速水解，但并不能確認是乙酰膽堿，因為當(dāng)時還不知道動物體內(nèi)含有天然的乙酰膽堿。

當(dāng)時，戴爾也一直在孜孜不倦探究從動物體內(nèi)分離天然的乙酰膽堿，但一直苦于沒有找到有效的辦法。經(jīng)過多年的摸索，他認為，乙酰膽堿之所以不能被分離，可能就是因為其“短命”，一旦分泌很快就被酯酶分解。1929年，這項工作終于有了突破，戴爾和化學(xué)家Dudley發(fā)現(xiàn)在馬和牛的脾臟內(nèi)有著很高濃度的乙酰膽堿，說明它是動物體內(nèi)天然的組成成分。

1930年，戴爾實驗室的Mathes證明血液中的乙酰膽堿是被酯酶分解的，但這種酶的作用可以被毒扁豆堿抑制。1934年，戴爾與從德國逃難來的Fedberg一起首次對用毒扁豆堿處理的水蛭肌肉標(biāo)本進行實驗，刺激支配胃的迷走神經(jīng)，在靜脈血中檢測到乙酰膽堿。同樣，刺激內(nèi)臟神經(jīng)，乙酰膽堿也出現(xiàn)在腎上腺髓質(zhì)。后來，他們刺激貓的坐骨神經(jīng)，在其支配的腓腸肌靜脈血管中也收集到了乙酰膽堿；直接刺激肌肉可獲得同樣的結(jié)果，剪斷神經(jīng)支配則不行，但注射乙酰膽堿可模擬刺激效應(yīng)。這說明乙酰膽堿是由神經(jīng)末梢釋放并傳遞給肌肉。實驗期間，戴爾及其同事還陸續(xù)證明乙酰膽堿是自主神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的信號傳遞分子，并引進“膽堿能”和“腎上腺素能”等概念，為后來多種多樣的神經(jīng)遞質(zhì)的發(fā)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

1936年，奧托·勒維和戴爾因證明乙酰膽堿是神經(jīng)沖動的化學(xué)遞質(zhì)而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

1937年，布朗發(fā)現(xiàn)給去神經(jīng)支配的肌肉動脈注射乙酰膽堿，可引起肌肉快速收縮，并可在肌肉上記錄到動作電位的發(fā)放。20世紀(jì)50年代以后，隨著乙酰膽堿受體的發(fā)現(xiàn)與克隆以及有關(guān)離子學(xué)說得到科學(xué)實驗的驗證，化學(xué)突觸傳遞的分子機制得到了完美的解釋。

隨著研究的深入，乙酰膽堿的生理功能愈來愈多地被揭示。除了作為重要的神經(jīng)遞質(zhì)，乙酰膽堿對植物的代謝、生長、發(fā)育都有著重要的調(diào)控作用。在人體，乙酰膽堿更是廣泛參與了骨骼肌運動、內(nèi)臟活動、腺體分泌、感覺、學(xué)習(xí)記憶與思維等活動的控制和調(diào)節(jié)。人體內(nèi)乙酰膽堿分泌不足或作用受阻，將引起多種疾病。阿爾茲海默病（老年癡呆）大腦基底前腦膽堿能神經(jīng)元退化損傷，導(dǎo)致乙酰膽堿分泌不足，是引起相應(yīng)病癥的重要原因。目前治療該疾病的臨床藥物多是乙酰膽堿酯酶的抑制劑或前膜攝取乙酰膽堿轉(zhuǎn)運蛋白的抑制劑，目的是延長乙酰膽堿的作用時效，以緩解疾病的臨床表現(xiàn)。

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