神经元的结构与功能.ppt

第二章神经元的结构与功能 第一节神经元的结构特点 神经元 Neuron 是神经系统的结构和功能单位 是指一个神经细胞的胞体及其所有突起 轴突和树突 一 神经元的基本结构 神经元功能 接受刺激 产生冲动 传递信息 人类行为的复杂性主要决定于大量神经元形成的精确神经环路 神经元实现调控功能的基础是生物信息的传送 其间既包括细胞膜的电信息传导 跨膜信息转导以及胞内信使分子介导的效应 还包括不同神经元共同组成的调制环路 一 神经元胞体 神经元构造与其它组织的细胞类似 其胞膜具有高度分化的分子构成和独特的生理学功能 一 神经元胞体 神经元胞体主要功能是进行合成代谢 是整个神经元的营养中心 神经元突起由胞体发出 包括轴突和树突 树突较短 分支多 粗细不均 一般是神经元的信息感应区 轴突粗细均匀 表面光滑而绝缘 很少分支 末梢分支与其他神经元构成突触联系 实现其信息传递 二 神经元突起 二 神经元分类 按神经元的功能 兴奋性神经元 按作用效应 传入神经元 按神经纤维的传导速度和动作电位的特点 抑制性神经元 按神经纤维的直径和来源 中间神经元 传出神经元 A C a b B 一 细胞膜与离子通道 细胞膜基本结构在电镜下可见细胞膜由三层结构组成 其内外两侧各有一层致密带 中间夹有一层透明带 每层厚约2 5nm 是一种具有特殊结构和功能的膜性结构 三 离子通道 细胞膜的基本结构 糖类受体蛋白膜外表面膜内表面通道蛋白 离子通道的化学本质是镶嵌在细胞膜上的一类蛋白质 离子 膜外 膜内 离子通道 电压门控离子通道 门控离子通道 非门控离子通道 化学门控离子通道 二 电压门控离子通道 分子克隆与结构研究揭示了凡具有相同门控性质的离子通道常常是一些一级和二级结构有一定同源氨基酸序列的蛋白质 因而把它们归类于同一蛋白质家族 1 电压门控阳离子通道的分子结构 阳离子通道的分子结构 Na 和Ca2 通道的 亚单位都含有四个重复出现的结构单元 motifs 每个motif又都有六个跨膜 螺旋 S1 S6 电压门控K 通道的 亚单位则只含一个motif 不过 一个机能性K 通道则需由四个 亚单位构成 Na 通道 K 通道 Ca2 通道 三种离子通道有较多同源氨基酸参与 螺旋 每个motif的S4有一带正电荷的精氨酸 Arg 或赖氨酸 Lys 残基重复出现 它对膜电位的变化敏感 起着电压感受器 voltagesensor 的作用 2 电压门控离子通道的开放与关闭 Na 通道 亚单位的S4 其Arg与Lys残基在膜两侧形成一种螺旋状正电荷条带或 楼梯 与带负电荷的S1 S2 S3螺旋配对或中和 形成一种螺旋形排列的离子对 在静息电位下 电切力将正电荷向内拉 负电荷向外推 藉以稳定离子对的相互作用 Na 通道的静息备用状态 膜的去极化 电切力消失 S4螺旋发生一种向外的螺旋运动 4个motifs螺旋形运动是构成门控电流 gatingcurrents 的基础 每一功能单元的S4运动均引起motifs构象发生变化 4个单元的构象发生相似变化 导致一个通道开放 即通道被激活 Na 通道的激活状态 离子通道开放 第 和第 个motif在细胞内侧 胞浆侧 的连接袢与通道失活有关 在膜去极化和通道开放后 此细胞内袢向通道内口摆动 因此阻止了离子的流动 这就是通道失活的 球与链模型 ballandchainmodel 但是 不同的电压门控离子通道的失活机制可能不一样 Na 通道的失活状态 3 离子通道的状态 离子通道三种状态 通道是关闭的 但可被某种信号引起其开放 通道被打开 离子能顺电化学梯度跨膜流动 通道处于关闭 且不为任何因素引起再开放 备用状态 激活状态 失活状态 复活 三 配体门控离子通道 配体门控离子通道具有相应受体及调节部位 当配体与受体部位结合后 离子通道开放 引起跨膜离子电流 质膜配体门控离子通道 胞内配体门控离子通道 分布于突触后膜和接头后膜 分布于质膜内侧或内质网膜等 N Ach受体 NMDA受体 非NMDA受体 5 HT受体 GABA受体 Gly受体等 配体多为cAMP cGMP IP3和Ca2 等第二信使 配体门控离子通道 N Ach受体 IP3受体 第二节神经元的跨膜物质转运和轴突运输 神经元在新陈代谢的过程中 会不断有各种物质进出细胞 物质进出细胞时的跨膜转运功能 是神经元赖以维持新陈代谢 维持细胞稳态和信号转导的基础 由于细胞膜结构自身的特殊性和各种物质不同的特性 不同物质跨膜转运的机制各有不同 其中多种物质的转运过程有赖膜蛋白参与完成 一 神经元的跨膜物质转运功能 一 单纯扩散 概念在生物体中 细胞外液和细胞内液中的脂溶性溶质 根据扩散原理顺浓度差跨膜转运 转运机制膜两侧的O2 CO2 NO 脂肪酸 类固醇等脂溶性物质通过扩散的方式进行 呼吸气体O2 CO2跨膜转运过程 二 载体介导的易化扩散 转运对象 葡萄糖 氨基酸的跨膜转运动力 膜两侧该物质的浓度差 与转运速率有关 条件 膜上存在充分有效 数量足够的载体蛋白载体蛋白转运的特点 载体蛋白的结构特异性高 具有饱和现象 竞争性抑制 葡萄糖的易化扩散机制示意图 糖 以葡萄糖的形式 与Na 耦联 通过继发性主动转运的方式吸收入血 小肠上皮细胞 概念 带电的离子如Na K Ca2 CI 等借助于通道蛋白的介导 由膜的顺浓度梯度或电位梯度的跨膜扩散 中介膜蛋白称为离子通道 离子选择性 Na K Ca2 CI 非选择性阳离子通道等 同一种离子 在不同细胞或同一细胞可存在结构和功能上不同的通道蛋白质 1 离子通道的扩散 三 离子的跨膜转运 通道运输的特点 转运离子等 通道开闭取决于膜电位或化学信号 结构特异性体内至少已发现有三种以上的Ca2 通道七种以上的K 通道与细胞在功能活动和调控的复杂化和精密化相一致 离子通道活动表现 离子选择性每一种通道都对一种或几种离子有较高的通透能力 其他离子则不易或不能通过 钾通道对K Na 通透性之比为100 1乙酰胆碱受体阳离子通道对小的阳离子K Na 高度通透 不通透CI 电压门控Na K 通道转运示意图 离子通道功能状态的调控 通道蛋白质有别于载体的重要特点之一 结构和功能状态可以因细胞内外各种理化因素膜电位 化学信号 机械刺激的影响而迅速改变 通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门 gate 一类的基团 由它决定通道的功能状态 门控电压门控通道 膜两侧电位差化学门控通道 化学物质 Ach 机械门控通道 机械刺激 2 离子泵的主动转运 概念主动转运 细胞膜通过本身的某种耗能过程将某种物质分子或离子作逆浓度差或电位差的转运过程 特点a 依靠膜上特殊蛋白质分子实现跨膜转运 b 逆浓度差或电位差的转运过程 c 细胞膜通过本身的某种耗能过程 钠泵 钠 钾泵 Na K 依赖式ATP酶 1 结构钠泵膜的脂质双分子层中镶嵌着的一种特殊蛋白质它是由 和 亚单位组成的二聚体蛋白质 肽链多次穿越脂质双分子层 是一种结合蛋白质 2个 亚单位 催化亚单位 2个 亚单位 2 功能Na 将细胞内的Na 转运到膜外K 将细胞外的K 转运到膜内 3 生理意义a 钠泵参与维持神经细胞容积与渗透压的现对稳定 b 钠泵活动维持细胞的正常兴奋性 c 钠泵活动建立起一种细胞内高K 细胞外高Na 的势能贮备 为继发性主动转运物质提供了能量 e 钠泵活动造成细胞内高K 是许多细胞代谢过程所必需的条件 f 钠泵起着电流发生器的作用 是膜超极化 钙泵 分布 细胞膜 肌浆网 SR 膜 内质网膜 ER 功能 逆浓差将胞浆Ca2 转运至胞内钙库或胞外 保持细胞内钙稳态 意义 calciumpump功能障碍 造成细胞内calciumoverload 是导致细胞损伤的直接原因 Ca2 泵转运过程 3 离子交换体 膜上一类能在帮助某种离子顺电化学梯度转运的同时也能带动另一类离子作反方向跨膜转运的蛋白质 即离子交换体 NCX Na Ca2 交换器的转运 四 水的跨膜转运 动力 水分子的浓度差 渗透压差 条件 膜对水分子通透性的大小转运机制 水通道的特殊膜蛋白结构实现 五 胞纳与胞吐 大分子物质或物质团块 可通过膜的更为复杂的结构和功能变化 实现它们的跨膜转运 此转运过程也需要耗能 所以 也是一种主动转运 可分为胞纳与胞吐二种过程 1 胞纳 概念胞纳 细胞外的某些物质团块 如细菌 病毒 异物 血浆中的脂蛋白颗粒 大分子营养物质等 进入细胞的过程 转运过程如示意图 2 胞吐 概念胞吐 细胞内的某些大分子物质 如神经末梢释放神经递质 内分泌腺分泌激素 外分泌腺分泌酶原颗粒和粘液等 由细胞排出的过程 转运过程如示意图 二 神经元的轴浆运输 顺向轴浆运输Anterogradeaxoplasmictrasport自胞体向轴突末梢的运输 按运输速度分为两类 快速轴浆运输 运输速度较快 可达300 400mm d 慢速轴浆运输 运输速度慢 为0 1 4mm d 如与细胞骨架有关的微管 微丝蛋白随微管 微丝的延伸而延伸 逆向轴浆运输 Retrogradeaxoplasmictrasport 自末梢向胞体的运输 如狂犬病病毒 破伤风毒素等的运输 慢速轴突运输快速轴突运输 顺向轴突运输逆向轴突运输 第三节神经元的生物电现象 神经元 肌细胞和腺细胞对刺激的反应表现特别明显 这三种组织细胞称为可兴奋细胞 可兴奋细胞在受到刺激时可产生兴奋 它们在兴奋时虽然有不同的外部表现 但在受刺激时有一个共同的 最先出现的 可传导的生物电活动变化 即在静息电位的基础上产生动作电位的过程 神经元在安静或活动时所具有的电的变化称为生物电现象 一 神经元生物电现象的观察和记录方法 近代电生理研究记录和测量神经干电位的方法 神经干的复合电位 神经元生物电的细胞内记录方法 二 神经元膜的电学特性 神经元的生物电现象的有其独特的复杂性 并与物理学中的诸多电学特性具有密切的关系 如膜电池 膜电阻 膜电导 膜电容 膜电位等 这些特性对神经元生物电的产生过程和信号传递产生一定的影响 一 电化学平衡与Nernst公式 Na 扩散的决定因素 条件 有通透性 动力 电化学梯度 电化学平衡电位 Na 扩散达到平衡 无净离子移动时 膜两侧达到电化学平衡 此时的膜电位水平 ENa EA EB Nernst公式 离子浓度差 E内 E外 作为倾向等于各离子平衡电位 Eion 的电池 即离子浓度电池 跨膜电位与离子平衡电位之间的差值 Em Eion 则认为是该离子跨膜扩散的驱动力 每一串联电阻代表该离子的膜电阻 R 电阻的倒数为离子的膜电导 gion 即该离子的膜通透性 IionR Em Eion Iion gion Em Eion Ik gk Em Ek INa gNa Em ENa ICl gCl Em ECl 二 离子电流与膜等效电路 离子电流 稳态时 跨膜电位差是恒定的 各离子电流的总和应等于零 Ik INa IC1 0即gk Em Ek gNa Em ENa gCl Em ECl 0 Em Ek ENa EC1 等效电路 离子的电导越大则作用越大 Em越接近其离子平衡电位 在神经细胞静息状态时 膜对Ca2 不通透 而C1 的ECl几乎等于Em gk又远远大于gNa 所以 大多数细胞的RP接近于Ek 即RP的形成与K 的跨膜移动有关 三 神经元的静息电位 细胞膜内 外两侧表面分布有一层薄的正 负电荷云 这种电荷分布产生跨膜电位差 生物细胞以膜为界 膜内外的跨膜电位差 一 膜电位及其形式 表现形式静息电位 安静状态下的膜电位动作电位 兴奋时膜电位的变化过程 概念膜电位 二 静息电位及其表现 1 静息电位 restingmembranepotential RMP或RP 的概念 细胞安静时 膜外为正 膜内为负的膜两侧电位差 2 表现 极化 细胞安静状态下 膜内带负电 膜外带正电的相对稳定状态 通常规定 膜外电位为零 膜内电位为负值 即为静息电位 不同的细胞都有相对稳定的静息电位值 大都在 10 100mV之间 3 表示方法 RP 90mV 1 决定因素a 在安静情况下 细胞膜内外离子分布不相同 各种离子的不均衡分布为离子被动跨膜移动提供了势能储备 b 在安静情况下 细胞膜对不同离子的通透性不同 膜对K 的通透性最大 对Cl 次之 对Na 的通透性很小 对带负电的大分子有机物则几乎不通透 4 静息电位的形成机制 蛙骨骼肌和乌贼巨大神经的Na K 和Cl 跨浆膜分布 某离子的平衡电位 Eion 不等于Em RP 这样离子必然会产生跨膜扩散 从而产生离子电流 Iion 各离子在膜两侧分布是不均匀的 存在跨膜浓度差 由此可知 安静情况下 细胞膜对不同离子的通透性 在安静情况下 膜对K 的通透性最大 对Cl 次之 对Na 的通透性很小 对带负电的大分子有机物则几乎不通透 静息电位的产生过程示意图 三 神经元的动作电位 动作电位 actionpotential AP 是细胞膜在原有静息电位的基础上发生一次连续的膜电位的瞬态电位波动 细胞兴奋时发生的这种短暂的膜电位变化过程 1 AP的形状与组成 1 上升支 去极相 去极化 在动作电位发生和发展过程中 膜内 外电位差从静息值逐步减小直至消失的过程 反极化 超射 膜两侧电位倒转 成为膜外带负电 膜内带正电 局部电位 去极至阈电位水平之前的膜电位 2 下降支 复极相 复极化 膜电位恢复到膜外带正电 膜内带负电的静息状态 后电位 膜电位在恢复到静息电位水平以前的一段微小而缓慢的波动 包括负后电位 去极化后电位 和正后电位 超极化后电位 一 钠依赖性动作电位 2 AP的特征 超射 overshoot 现象 动作电位的反应大 膜电位的极性可反转 即细胞膜内侧面可相对于膜外侧面为正 动作电位超出RMP幅值部分 全或无 allornone 定律 当给予细胞的刺激强度太小时 动作电位不会出现 刺激强度达到阈值就可引发动作电位 且动作电位一旦产生 其幅度不再随刺激强度的增大而增大 不衰减传导 动作电位在扩播过程中其幅度和波形不因传导距离的加大而改变 3 AP的产生机制 1 去极相 Na 内流膜在受刺激时对Na 的通透性增大 gNa增加 细胞外Na 快速内流 膜内外电位差逐渐减小 发生去极化 随后gNa迅速降低 gk增大 出现复极过程 2 复极相 K 外流由于gNa迅速降低 gk增大 推动K 向膜外扩散 使膜电位向安静时接近于K 平衡电位的静息电位水平恢复 3 复极后 恢复正常膜内外离子分布每次动作电位的产生 使膜内Na 增多 膜外K 增多 这种状态通过细胞膜上的离子泵 主动转运使膜内外的离子分布恢复到安静时的水平 动作电位的产生机制示意图 动作电位与离子通道通透性改变的关系 该类AP发生在神经元树突处 其功能主要引起胞内钙离子浓度增加 触发钙介导的胞内过程 1 波形特点 AP的振幅低 持续时间较长 2 形成机制 高阈值的Ca2 通道的激活引起 二 钙依赖性动作电位 该类AP发生在神经元轴突末梢处 其功能主要引起胞内钙离子浓度增加 触发末稍释放神经递质 1 波形特点 AP的去极振幅大 复极化速度慢 2 形成机制 去极化是Na 通道的激活所致 复极由K 和高阈值的Ca2 通道开放引起 二 钠 钙依赖性动作电位 第四节神经纤维的兴奋和兴奋性 兴奋是可兴奋细胞在受到一定的刺激时 产生动作电位的过程或产生动作电位 动作电位是可兴奋细胞受刺激而产生兴奋时的标志和共同的特征性表现 动作电位产生后迅速向周围扩散 呈不衰减性传导的特征 直至整个细胞的细胞膜都依次产生兴奋 引起细胞兴奋的刺激应具备哪些条件 刺激怎么会引起兴奋 细胞在发生一次兴奋后 其兴奋性会发生怎样的变化 兴奋是如何向同一细胞的其他部位传导 一 刺激引起兴奋的条件 1 刺激概念 能引起细胞 组织或机体发生反应的环境变化 种类 化学 机械 温度以及声 光 电等 电刺激的应用 操作方便 各种刺激参数易于控制 组织损伤小 可重复使用 2 兴奋概念 可兴奋细胞在受到一定的刺激时 产生动作电位的过程或产生动作电位 标志 动作电位 一 刺激与兴奋 3 引起兴奋的刺激条件三个条件 一定的强度一定的持续时间一定的时间 强度变化率研究方法 一个参数值固定 观察其余两个参数的相互影响 强度 时间曲线 使用方波电脉冲作为刺激 强度 时间变化率固定不变 刺激强度与刺激的持续时间之间的相互关系 曲线的意义 在一定范围内 刺激作用的持续时间越短 引起组织兴奋所需的刺激强度就越大 刺激作用的持续时间越短 则引起组织兴奋所需的刺激强度值就越小 曲线上任何一点代表一个具有一定强度和一定时程的能引起组织发生兴奋反应的最小刺激量 当刺激强度低于某一临界值时 即使刺激时间无限长 也不能引起细胞兴奋 曲线的右下支与横座标平行 当作用时间短于某一临界值时 即使刺激强度无限大 也不能引起细胞兴奋 曲线左上支与纵座标平行 阈值 强度阈值 在刺激作用时间和强度 时间变化率固定不变的条件下 能引起组织细胞兴奋所需的最小刺激强度 它是反应细胞兴奋性高低的指标 阈刺激 刺激强度等于阈值的刺激 阈上刺激 强度大于阈值的刺激 阈下刺激 强度小于阈值的刺激 基强度 在刺激作用时间足够长的条件下 引起兴奋的最小刺激强度 利用时 用基强度作刺激要引起细胞兴奋所需的最短作用时间 时值 用二倍基强度刺激时 引起组织细胞兴奋的最短作用时间 二 阈电位与动作电位 1 直流电刺激与组织发生兴奋部位的关系阴极下 细胞膜产生出膜电流 电流的方向是由膜内流向膜外 能够发生兴奋反应 爆发出动作电位 阳极下 细胞膜产生入膜电流 电流的方向是由膜外流向膜内 不出现动作电位 不能产生兴奋反应 2 刺激引起动作电位的发生过程两个过程外部条件 刺激使细胞膜上的Na 通道开放 Na 内流 膜电位去极化 膜环境条件 当膜电位去极达到某个临界值 即阈电位 膜上的电压门控性Na 通道快速激活 大量Na 通道开放 膜对Na 的通透性突然增大 Na 大量内流 形成动作电位的上升支 3 阈电位概念阈电位 当膜电位去极化到某一临界值 出现膜上的Na 通道大量开放 Na 大量内流而产生动作电位 膜电位的这个临界值称为阈电位 阈电位与动作电位的关系 凡能引起细胞产生动作电位的刺激 必定是使膜电位去极化达到阈电位的那些刺激 即阈刺激或阈上刺激 刺激使细胞的膜电位到达阈电位水平后 就以其自身特性和速度进一步去极 爆发动作电位 一旦动作电位产生 其时程和波形都非常恒定 阈电位与阈刺激的关系 阈刺激是外部加给细胞的刺激强度 阈电位是细胞膜本身膜电位的数值 两者都可导致细胞产生动作电位 两者都能反映细胞的兴奋性 并与细胞的兴奋性成反比变关系 三 电紧张电位 局部反应和动作电位 1 概念阈下刺激 刺激强度小于阈值的刺激 局部反应 由阈下刺激引起膜电位去极化 使静息电位有所减小 这种膜电位变化较小 只限于受刺激局部的细胞膜而不能向远处传播 故被称为局部反应或局部兴奋 2 局部反应的特点 它不是 全或无 的 它随刺激的增强而增大 不能在膜上作远距离传播 只能向邻近细胞膜以电紧张方式扩布 而且随着距离的增大电变化逐渐减小以至消失 具有总和现象 局部反应没有不应期 而且能持续短暂时间 若干毫秒 因此 几个阈下刺激所引起的局部反应可以叠加起来 局部反应的特点 3 局部反应的总和形式 时间总和 在细胞膜的同一部位先后给予多个阈下刺激 前一个阈下刺激引起的局部反应尚未消失前 紧接着给予下一个阈下刺激 所引起的局部反应可与前一个局部反应叠加而总和起来 空间总和 在细胞膜相邻的不同部位同时给予多个阈下刺激 相邻的局部反应也可以叠加而总和起来 4 局部反应的生理意义 阈下刺激引起的局部反应虽然未能使膜电位去极化达到阈电位水平 不能爆发动作电位 但它使膜电位距阈电位的差值减小 这时膜如果再受到别的适当刺激 就比较容易到达阈电位而发生兴奋 因此 局部反应可以提高细胞膜的兴奋性 多个阈下刺激引起的局部反应发生总和 使静息电位去极达到阈电位水平 同样可以导致动作电位的爆发 因而 局部兴奋也可能转化为可远距离传导的动作电位 二 神经纤维兴奋后兴奋性的周期性变化 1 神经纤维或骨骼肌细胞兴奋性的规律变化细胞受到刺激发生兴奋 其本身在兴奋及其恢复过程中兴奋性发生的一系列的变化 绝对不应期 在兴奋后的较短时期内 细胞对任何刺激都不发生反应 不能再发生兴奋 即兴奋性为零 相对不应期 细胞用阈上刺激 能产生新的兴奋 这时细胞的兴奋性正在逐渐恢复 但仍然低于正常 超常期 给予一个阈下刺激也可以发生兴奋 这一时期细胞的兴奋性稍高于正常 低常期 这一时期细胞的兴奋性又转入低于正常 兴奋性的变化与动作电位的对应关系 绝对不应期的长短决定了组织细胞在单位时间内所能接受刺激产生兴奋的次数 神经纤维或骨骼肌细胞 绝对不应期为0 5 2 0ms 心肌细胞绝对不应期可达200 400ms 2 离子通道的特性细胞膜上不同的离子通道在不同的功能状态下 对离子的通透性有所不同 离子通道的功能状态在一定的条件下可发生改变 Na 离子通道有三种功能状态 备用状态 静息时所处的状态 Na 离子通道是关闭的 但受刺激时通道可打开 激活状态 动作电位发生时Na 离子通道处于开放的状态 开放的时间快 时程短 失