1、1,神經(jīng)生物學(xué),鄭州大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 生理教研室,2,物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式,3,單純擴(kuò)散 (simple diffusion),4,擴(kuò)散動(dòng)力：分子熱運(yùn)動(dòng) 必要條件：既溶于水，又溶于脂質(zhì)。 影響因素：電-化學(xué)梯度；膜的通透性；溫度。 轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)： O2、CO2 、乙醇、脂溶性維生素,5,易化擴(kuò)散（facilitated diffusion）,非脂溶性物質(zhì)，借助膜上蛋白質(zhì)的作用，由高濃度向低濃度通過(guò)細(xì)胞膜。如：K+、Na+、Ca2+等帶電離子的轉(zhuǎn)運(yùn)和葡萄糖、氨基酸等的轉(zhuǎn)運(yùn)。 經(jīng)載體易化擴(kuò)散 經(jīng)通道易化擴(kuò)散,6,經(jīng)載體易化擴(kuò)散,轉(zhuǎn)運(yùn)特征： 高度的結(jié)構(gòu)特異性 有飽和現(xiàn)象 存在競(jìng)爭(zhēng)性抑制 影響因素： 濃度差 可利

2、用載體數(shù) 被轉(zhuǎn)運(yùn)物和載體發(fā)生反應(yīng)的速率 轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)： 葡萄糖、氨基酸,7,飽 和 現(xiàn) 象,8,經(jīng)通道易化擴(kuò)散,轉(zhuǎn)運(yùn)特征： 相對(duì)特異性 無(wú)飽和現(xiàn)象 閘門(mén)時(shí)開(kāi)時(shí)閉 高速度 影響因素： 電-化學(xué)梯度 閘門(mén)狀態(tài) 轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)： 無(wú)機(jī)離子,9,離子通道的三種狀態(tài),10,離子通道的類(lèi)型,11,主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) （active transport）,物質(zhì)依靠細(xì)胞膜上生物泵的作用逆電-化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程。 原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) 繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),12,原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),Na+ - K+ 泵,13,繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),14,同向轉(zhuǎn)運(yùn)（Na/Glucose）,15,反向轉(zhuǎn)運(yùn)（Na/H）,16,出胞與入胞（exocytosis & endoc

3、ytosis）,大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊，通過(guò)復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)的功能改變進(jìn)出細(xì)胞的過(guò)程。 出胞:主要見(jiàn)于內(nèi)分泌細(xì)胞的激素分泌和神經(jīng)末梢的遞質(zhì)釋放 入胞:主要是細(xì)胞的吞噬作用,入胞（endocytosis）,18,出胞（exocytosis）,19,第2章 電生理學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 靜息電位 第二節(jié) 動(dòng)作電位 第三節(jié) 電壓門(mén)控離子通道,20,靜息膜電位,神經(jīng)元在靜息時(shí)，也就是在沒(méi)有受到刺激時(shí)，其膜內(nèi)外兩側(cè)存在的電位差，稱(chēng)為靜息膜電位(resting membrane potential)。 通常采用細(xì)胞內(nèi)記錄的方法進(jìn)行測(cè)量，將一根微電極插入細(xì)胞內(nèi)，參考電極置于細(xì)胞外液，兩個(gè)電極間顯示的電位差便是靜息膜電位的

4、數(shù)值。 以細(xì)胞外作為零點(diǎn)，細(xì)胞內(nèi)均顯示負(fù)電位，其絕對(duì)值越大，靜息膜電位也越大。神經(jīng)元的靜息膜電位一般在-40-90 mV的范圍。 神經(jīng)元處于靜息膜電位時(shí)，稱(chēng)為極化狀態(tài)(polarization)，當(dāng)該膜電位數(shù)值朝減小的方向變化時(shí)，稱(chēng)為去極化(depolarization)，若朝增大的方向變化時(shí)，稱(chēng)為超極化(hyperpolarization)。,靜息膜電位發(fā)生的機(jī)制,即電荷跨膜分布的不均勻狀態(tài) 膜兩側(cè)的離子濃度差,24,2. 離子通道的選擇通透性 當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞靜息時(shí)，非門(mén)控性K+通道通透性較大，而Na+、Cl-等通道通透性較小。,3. 離子跨膜擴(kuò)散平衡點(diǎn)位,26,Nernst方程,式中R是氣體通

5、用常數(shù)，T是絕對(duì)溫度Z是離子價(jià)，F(xiàn)是法拉弟常數(shù)。如將有關(guān)數(shù)值代入，體溫以37計(jì)算，上式可簡(jiǎn)化為：,27,Membrane potential and equilibrium potential of different ions,28,推論：要維持靜息膜電位，必須維持離子的不均衡跨膜分布。,Eion和Em總是有差距的。 靜息狀態(tài)下總是存在離子的跨膜運(yùn)動(dòng)。,29,離子濃度梯度的維持膜離子泵的作用,在靜息電位的產(chǎn)生過(guò)程中、K+濃度梯度的穩(wěn)定至關(guān)重要。 實(shí)際上，神經(jīng)元內(nèi)存在著改變離子濃度梯度的因素，這主要來(lái)自Na+的被動(dòng)流入。 盡管神經(jīng)元靜息時(shí)膜對(duì)Na+的通透性很低，但是Na+有一個(gè)從外到內(nèi)的強(qiáng)大濃

6、度梯度，加上細(xì)胞存在吸引陽(yáng)離子的負(fù)電位，便會(huì)促使Na+持續(xù)流向細(xì)胞內(nèi)。Na+的流人使得靜息膜電位小于K+的平衡電位(Ek)、進(jìn)而導(dǎo)致K的向外擴(kuò)散。 在正常神經(jīng)元，這種離子濃度梯度的變化可以被膜上的一種Na-K+泵阻止。,Na-K Pump,31,第二節(jié) 動(dòng)作電位,概念： 動(dòng)作電位(action potential)是指神經(jīng)細(xì)胞受到刺激時(shí)，產(chǎn)生的一種可傳播的特殊膜電位變化或者說(shuō)是一種可沿細(xì)胞表面?zhèn)鞑サ目缒る娢凰查g逆轉(zhuǎn)。,32,一. AP的記錄及AP的特征,細(xì)胞內(nèi)記錄 細(xì)胞外記錄,33,Intracellular potential recording,34,-,+,+,+,+,-,-,-,-,+

7、,-,+,-,+,+,-,細(xì)胞外記錄,35,組成： 去極相： 去極化 超射鋒電位 復(fù)極相： 復(fù)極化初期 后電位： 負(fù)后電位 正后電位 AP是膜兩側(cè)電位在RP基礎(chǔ)上發(fā)生的一次可擴(kuò)布的快速而可逆的倒轉(zhuǎn)，是細(xì)胞興奮的標(biāo)志。,AP的特征,36,鋒電位(Spike potential),37,后電位（after-potential）,38,二.細(xì)胞膜的被動(dòng)電學(xué)特征,被動(dòng)膜：跨膜電阻和跨膜電位差為常數(shù) 主動(dòng)膜：跨膜電阻和跨膜電位差可變；與膜離子通道狀態(tài)相關(guān)。 膜電容和膜電阻 膜離子電流和膜電容電流,39,膜電阻（Rm） 膜電導(dǎo) G=1/R 膜電容 C=Q/V 膜兩側(cè)表面儲(chǔ)存相反的電荷 各種神經(jīng)元的Cm相近

8、，但Rm存在顯著差異。,40,膜離子電流和膜電容電流,帶電離子跨膜流動(dòng)產(chǎn)生的電流，稱(chēng)為膜離子電流（Ii）。 離子電流的大小決定于細(xì)胞內(nèi)外的電位差和膜離子通道的密度。 由于胞質(zhì)中正離子流動(dòng)，中和膜內(nèi)側(cè)負(fù)電荷，膜外側(cè)正電荷因膜內(nèi)負(fù)電荷吸引力減少而離開(kāi)細(xì)胞膜，產(chǎn)生電流稱(chēng)膜電容電流（Ic）。 Im=Ii+Ic,41,三.動(dòng)作電位的離子基礎(chǔ),早在1902年,Bernstein根據(jù)當(dāng)時(shí)觀察到的生物電現(xiàn)象，提出了著名的膜學(xué)說(shuō)。他認(rèn)為神經(jīng)或肌肉細(xì)胞膜對(duì)K+有特殊的通透性，而對(duì)較大的陽(yáng)離子或陰離子均無(wú)通透性。靜息時(shí)，由于膜內(nèi)外K+的濃度差而形成靜息膜電位；興奮過(guò)程的電位變化是由于興奮部位膜對(duì)離子選擇通透性的消失

9、，因此動(dòng)作電位的大小應(yīng)等于靜息電位的絕對(duì)值。 這一學(xué)說(shuō)不能解釋以后發(fā)現(xiàn)的動(dòng)作電位的超射(overshoot)現(xiàn)象。,42,1939年微電極發(fā)明以后，Curtis和Cole, Hodgkin和Huxley等人分別用毛細(xì)管微電極測(cè)量了鰂烏賊大神經(jīng)纖維興奮時(shí)的電位變化。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)動(dòng)作電位大于膜靜息電位，出現(xiàn)了超射。1949年Hodgkin和Katz進(jìn)一步做了“鈉離子對(duì)鰂烏賊大纖維中產(chǎn)生的動(dòng)作電位的作用”的實(shí)驗(yàn)。,43,Na+稍微變小，即將細(xì)胞外液中的NaCl部分地被蔗糖或氯化膽堿所代替，則動(dòng)作電位上升相變慢，超射減小，傳導(dǎo)速度變慢(圖A曲線(xiàn)3)； 當(dāng)Na+減少50時(shí),超射幾乎減少一半，動(dòng)作電位上升相

10、變得更慢(圖B曲線(xiàn)2)； 當(dāng)Na+減少33時(shí)，超射兒乎完全消失(圖A曲線(xiàn)2）,44,電壓鉗原理(voLtage clamp),只要固定膜電位不變，使膜電容電流為零，則膜總電流等于離子電流。,在鰂烏賊大纖維內(nèi)插入兩根細(xì)鉑絲，一根記錄電壓E，另一根記錄電流I。記錄膜電位E輸出(如-70 mV)與調(diào)定電壓V(如-100 mV)通過(guò)比較器進(jìn)行比較其差值30 mV經(jīng)放大后進(jìn)入一個(gè)快速電壓-電流轉(zhuǎn)換器(FBA)，使V30 mV的電壓轉(zhuǎn)換成電流I，把這個(gè)反饋電流I打人膜內(nèi)，使膜電位立即發(fā)生變化。這樣就能夠維持膜電壓不變。,45,左圖表示在去極化作用時(shí)通過(guò)膜的離子電流。膜左極化56 mV，圖中A為正常海水所記

11、錄到的總離子電流，B為用氯化膽堿溶液代替海水中絕大部分NaCl (90以上)以后所得到的曲線(xiàn)，主要是IK；C為A減去B所得到的曲線(xiàn)，應(yīng)為INa。,離子置換法,46,離子電流的大小和方向取決于驅(qū)動(dòng)力。 在電壓鉗位實(shí)驗(yàn)中，不斷改變Vm，Na+電流的變化有以下三種情況： VmENa 外向Ina 反轉(zhuǎn)電位：+52mV,47,48,Hodgkin和Huxely的結(jié)論：,動(dòng)作電位期間細(xì)胞膜對(duì)Na+和K+的通透性依次發(fā)生了變化： 早期，Na+的膜電導(dǎo)增加，Na+內(nèi)流而產(chǎn)生了動(dòng)作電位的去極化期； 接著，Na+的膜電導(dǎo)降低，而K+的膜電導(dǎo)增加，K+外流使膜電位回到靜息水平。,49,50,51,在大鼠胚胎骨骼肌細(xì)

12、胞膜片上記錄到的由Ach激活的單通道離子電流,52,53,膜片鉗發(fā)現(xiàn)離子通道的共同特性,開(kāi)放和關(guān)閉都是突然的 只能有“開(kāi)”或“關(guān)”兩種狀態(tài)，而沒(méi)有“半開(kāi)”或“半關(guān)”。 同一通道分子，開(kāi)關(guān)持續(xù)時(shí)間具有隨機(jī)性（“擺動(dòng)”）。 在化學(xué)性門(mén)控通道結(jié)合了相應(yīng)的化學(xué)信號(hào)分子，或電壓門(mén)控通道所在膜兩側(cè)處于特定的電位差的情況下，“擺動(dòng)”次數(shù)增多。,54,四. 動(dòng)作電位的傳導(dǎo),動(dòng)作電位的傳導(dǎo)機(jī)制 動(dòng)作電位的傳導(dǎo)速度 影響動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度的因素 神經(jīng)干的復(fù)合動(dòng)作電位,55,離子通道的基本特性:,1.不同的離子通道是互相獨(dú)立的 2.通道是孔洞而不是載體 3.離子通道的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 4.通道對(duì)離子通透的特異性依

13、賴(lài)于孔洞大小、離子形成氫鍵的能力及通道內(nèi)位點(diǎn)相互作用的強(qiáng)度,56,電壓依賴(lài)性通道的S4段可能是一個(gè)電壓感受器 S5和S6段之間的非螺旋區(qū)形成了通道的襯里：分子篩,57,雙閘門(mén)控制Na離子通道,m gate that response to depolarization h gate that response to repolarization Three states of Na+ channel state m h g resting state closed opened 0 active state opened opened high inactive state opened cl

14、osed 0,58,59,Resting activation 激活 Recovery Active 復(fù)活 inactivation 失活 Inactive,60,61,62,動(dòng)作電位的引起與傳導(dǎo),動(dòng)作電位的引起 細(xì)胞興奮后興奮性周期性變化 局部電位 動(dòng)作電位的傳導(dǎo),63,動(dòng)作電位的引起,刺激 興奮性及興奮 閾電位,64,刺 激 (Stimulus),刺激：細(xì)胞所處環(huán)境因素的任何改變。 刺激三要素： 刺激強(qiáng)度 刺激作用時(shí)間 強(qiáng)度-時(shí)間變化率 閾強(qiáng)度：把刺激的作用時(shí)間和強(qiáng)度-時(shí)間變化率都固定在某一適當(dāng)數(shù)值，能引起組織細(xì)胞興奮所必需的最小刺激強(qiáng)度，稱(chēng)為閾強(qiáng)度(threshold intensity

15、),或簡(jiǎn)稱(chēng)閾值(threshold)。 閾值是衡量組織細(xì)胞興奮性高低的指標(biāo)。,65,興奮性及興奮,興奮性：細(xì)胞受到刺激時(shí)產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力和特性。 興奮：動(dòng)作電位的同義詞。,66,閾電位(Threshold potential),閾電位：能進(jìn)一步誘發(fā)動(dòng)作電位的去極化臨界膜電位值，稱(chēng)為閾電位（threshold membrane potential）； 它是所有可興奮細(xì)胞的一項(xiàng)重要功能指標(biāo)。 閾電位一般較靜息電位的負(fù)值少1015mV。 去極化到達(dá)閾電位 一定數(shù)量的Na+通道的開(kāi)放 Na+內(nèi)流 膜的進(jìn)一步去極化 更多Na+通道開(kāi)放 “正反饋”或稱(chēng)為再生性循環(huán)的過(guò)程 直至達(dá)到Na+的平衡電位。,67

16、,細(xì)胞興奮后興奮性周期性變化,Absolute refractory period 絕對(duì)不應(yīng)期 Relative refractory period 相對(duì)不應(yīng)期 Supernormal period 超常期 Subnormal period 低常期,68,69,70,局部電位,細(xì)胞受到閾下刺激時(shí)，可引起受刺激的膜局部出現(xiàn)一個(gè)較小的去極化，稱(chēng)為局部電位或局部興奮。 閾下刺激也能引起該段膜中所含Na+通道的少量開(kāi)放和少量Na+內(nèi)流，造成膜輕度去極化。,71,局部興奮的特點(diǎn)： 它不是“全或無(wú)”的：在閾下刺激的范圍內(nèi)，隨刺激強(qiáng)度的增大而增大； 電緊張性擴(kuò)布：局部興奮可以使鄰近的膜也產(chǎn)生程度更低的去極化

17、，隨距離加大而迅速減小以至消失，稱(chēng)為電緊張性擴(kuò)布 （electrotonic propagation）； 局部興奮可以總和：空間性總和與時(shí)間性總和。,72,Experiment,Voltage response (%),73,74,75,動(dòng)作電位的傳導(dǎo),76,是以“局部電流”的形式傳導(dǎo)的。 局部電流：在已興奮的細(xì)胞膜和與它相鄰的未興奮的細(xì)胞膜之間，由于電位差的出現(xiàn)而發(fā)生電荷移動(dòng)，稱(chēng)為局部電流（local current）。 運(yùn)動(dòng)方向是：在膜外的正電荷由未興奮段移向已興奮段，而膜內(nèi)的正電荷由已興奮段移向未興奮段。 結(jié)果：造成鄰近未興奮的細(xì)胞膜去極化達(dá)閾電位，出現(xiàn)它自己的動(dòng)作電位。,77,78,79,80,動(dòng)作電位在有髓神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo),81,有髓纖維受到外來(lái)刺激時(shí)，動(dòng)作電位只能在鄰近刺激點(diǎn)的郎飛結(jié)處產(chǎn)生，因而局部電流也只能發(fā)生在相鄰的郎飛結(jié)之間，其外電路要通過(guò)髓鞘外面的組織液。 使動(dòng)作電位的傳導(dǎo)表現(xiàn)為跨過(guò)每一段髓鞘而在相鄰的郎飛結(jié)處相繼出現(xiàn)，這稱(chēng)為興奮的跳躍式傳導(dǎo)（s