神经元结构与功能

1、会计学1神经元结构与功能神经元结构与功能 人类行为的复杂性主要决定于大量神经元形成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。的精确神经环路。 神经元实现神经元实现调控功能的基础调控功能的基础是生物信息的传送是生物信息的传送，其间既包括细胞膜的电信息传导、跨膜信息转导，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。共同组成的调制环路。第2页/共109页 神经元构造与其它组织的细胞类似，其胞膜具有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。高度分

2、化的分子构成和独特的生理学功能。第3页/共109页 神经元胞体主要功能是进行合成代谢，是整个神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。经元的营养中心。w神经元胞体神经元胞体摄取葡萄糖、摄取葡萄糖、氨基酸和无机离子等，并氨基酸和无机离子等，并以这些物质作为原料和能以这些物质作为原料和能源，合成代谢和功能活动源，合成代谢和功能活动所需要的蛋白质和酶类、所需要的蛋白质和酶类、神经递质等信息物质，在神经递质等信息物质，在高尔基体内进行浓缩，成高尔基体内进行浓缩，成为分泌颗粒，由轴浆运输为分泌颗粒，由轴浆运输到神经末梢。到神经末梢。第4页/共109页第5页/共109页第6页/共109页

3、第7页/共109页第8页/共109页第9页/共109页第10页/共109页第11页/共109页第12页/共109页第13页/共109页第14页/共109页第15页/共109页第16页/共109页第17页/共109页二、神经元分类第18页/共109页 细胞膜基本结构在电镜下可见细胞膜由三层结构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。每层厚约明带。每层厚约2.5nm，是一种具有特殊结构和功能，是一种具有特殊结构和功能的膜性结构。的膜性结构。第19页/共109页第20页/共109页离子膜外膜内离子通道

4、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 第21页/共109页 分子克隆与结构研究揭示了凡具有相同门控性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。白质家族。 第22页/共109页 NaNa+ +和和CaCa2+2+通道的通道的亚亚单位都含有四个重复出现单位都含有四个重复出现的结构单元的结构单元(motifs),(motifs),每每个个motifmotif又都有六个跨膜又都有六个跨膜螺旋螺旋(S

5、(S1 1S S6 6) )；电压门控；电压门控K K通道的通道的亚单位则只含亚单位则只含一个一个motif,motif,不过，一个机不过，一个机能性能性K K通道则需由四个通道则需由四个亚单位构成亚单位构成。 Na+ 通道K+ 通道Ca2+ 通道 三种离子通道有较多同三种离子通道有较多同源氨基酸参与源氨基酸参与螺旋，每个螺旋，每个motif的的S4 4有一带正电荷的有一带正电荷的精氨酸精氨酸(Arg )或赖氨酸或赖氨酸(Lys )残基重复出现，它对膜电残基重复出现，它对膜电位的变化敏感，起着电压位的变化敏感，起着电压感受器的作用。感受器的作用。 第23页/共109页离子通道电压门控离子通道门

6、控离子通道非门控离子通道配体门控离子通道 离子通道的开放和关闭是实现神经元电信号产生离子通道的开放和关闭是实现神经元电信号产生和传导的物质基础，这一生理过程称为门控特性。和传导的物质基础，这一生理过程称为门控特性。根据通道门控机制的不同，将离子通道分为：根据通道门控机制的不同，将离子通道分为：第24页/共109页 Na+通道通道亚单位的亚单位的S4，其，其Arg与与Lys残基在膜两侧形成一种螺旋残基在膜两侧形成一种螺旋状正电荷条带或状正电荷条带或“楼梯楼梯”，与带负，与带负电荷的电荷的S1、S2、S3螺旋配对或中和螺旋配对或中和，形成一种螺旋形排列的离子对。，形成一种螺旋形排列的离子对。在静息

7、电位下，电切力将正电荷向在静息电位下，电切力将正电荷向内拉，负电荷向外推，藉以稳定离内拉，负电荷向外推，藉以稳定离子对的相互作用。子对的相互作用。 Na+通道的静息备用状态通道的静息备用状态第25页/共109页 膜的去极化，电切力消失，膜的去极化，电切力消失，S4螺旋发生一种向外的螺旋运动，螺旋发生一种向外的螺旋运动，4个个motifs螺旋形运动是构成门控电螺旋形运动是构成门控电流的基础。每一功能单元的流的基础。每一功能单元的S4运动运动均引起均引起motifs构象发生变化；构象发生变化；4个个单元的构象发生相似变化，导致一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。个通道开放，即

8、通道被激活。 Na+通道的激活状态通道的激活状态离子通道开放第26页/共109页 第第和第和第个个motif在在细胞内侧（胞浆侧）的连细胞内侧（胞浆侧）的连接袢与通道失活有关。在接袢与通道失活有关。在膜去极化和通道开放后，膜去极化和通道开放后，此细胞内袢向通道内口摆此细胞内袢向通道内口摆动，因此阻止了离子的流动，因此阻止了离子的流动，这就是通道失活的动，这就是通道失活的“球与链模型球与链模型” 。但是，不。但是，不同的电压门控离子通道的同的电压门控离子通道的失活机制可能不一样。失活机制可能不一样。 Na+通道的失活状态通道的失活状态第27页/共109页离子通道三种状态离子通道三种状态通道是关闭

9、的，但可被某种信号引起其通道是关闭的，但可被某种信号引起其开放。开放。通道被打开，离子能顺通道被打开，离子能顺电化学梯度跨膜流动。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通道处于关闭，且不为任何因素引起再开放。开放。备用状态：备用状态：激活状态：激活状态：失活状态：失活状态：复复活活第28页/共109页 配体门控离子通道具有相应受体及调节部位，当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配体与受体部位结合后,离子通道开放，引起跨膜离离子通道开放，引起跨膜离子电流。子电流。 质膜配体门控离子通道：质膜配体门控离子通道：胞内配体门控离子通道：胞内配体门控离子通道：

10、 分布于突触后膜和接头后膜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分布于质膜内侧或内质网膜等N-Ach受体受体,NMDA受体受体,非非NMDA受体受体,5-HT受体受体,GABA受体受体,Gly受体等。受体等。配体多为配体多为cAMP，cGMP，IP3和和Ca2+等第等第二信使。二信使。第29页/共109页N-Ach受体受体IP3受体受体第30页/共109页 离子通道电流对膜电位的依赖性称为离子通道电流对膜电位的依赖性称为整流特性整流特性，通常用反转电位附近的通常用反转电位附近的电流电流-电压关系电压关系判断。判断。I=V/RI=V/RI=gVI=gVg=1/Rg=1/RV=0V=0

11、I=0I=0? ?I=gVI=gVI=g(VI=g(Vm m-E-Eionion) )第31页/共109页I=g(VI=g(Vm m-E-Eionion) )第32页/共109页3.离子通道的选择性离子通道的选择性第33页/共109页 每一种离子都有自身的离子通道，如：每一种离子都有自身的离子通道，如：钠通道、钠通道、钾通道、钙通道、氯通道钾通道、钙通道、氯通道等，尽管具有选择性，但离等，尽管具有选择性，但离子通道的选择性是相对性属性。子通道的选择性是相对性属性。 第34页/共109页第35页/共109页 神经元在新陈代谢的过程中，会不断有各种物质进出细神经元在新陈代谢的过程中，会不断有各种物

12、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。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，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。有赖膜蛋白参与完成。 一、神经元的跨膜物质转运功能第36页/共109页第37页/共109页第38页/共109页第39页/共109页第40页/共109页 糖：以葡萄糖的形式，与糖：以葡萄糖

13、的形式，与Na+耦联，通过耦联，通过 继发性主动转运的方式吸收入血。继发性主动转运的方式吸收入血。小肠上皮细胞第41页/共109页第42页/共109页第43页/共109页第44页/共109页第45页/共109页第46页/共109页第47页/共109页第48页/共109页(3)生理意义生理意义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。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钠泵活动建立起一种细胞内高K+ ，细胞外高，细胞外高Na+的的势能贮备，为继发性主动转运物质提供了能量。势能贮备，为

14、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钠泵活动造成细胞内高K+是许多细胞代谢过程所是许多细胞代谢过程所必需的条件。必需的条件。f. 钠泵起着电流发生器的作用，是膜超极化。钠泵起着电流发生器的作用，是膜超极化。第49页/共109页第50页/共109页第51页/共109页第52页/共109页第53页/共109页第54页/共109页第55页/共109页第56页/共109页二、神经元的轴浆运输二、神经元的轴浆运输 顺向轴浆运输顺向轴浆运输 Anterograde axoplasmic trasportAnterograde axoplasmic trasport自胞体向轴突末梢的运输

15、。按运输速度分为两类：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，可达快速轴浆运输：运输速度较快，可达300-400mm/d300-400mm/d。 慢速轴浆运输：运输速度慢，为慢速轴浆运输：运输速度慢，为0.1-4mm/d 0.1-4mm/d 。如与。如与细胞骨架有关的微管、微丝蛋白随微管、微丝的延细胞骨架有关的微管、微丝蛋白随微管、微丝的延伸而延伸。伸而延伸。 逆向轴浆运输逆向轴浆运输(Retrograde axoplasmic trasport)(Retrograde axoplasmic trasport) 自末梢向胞体的运输。如狂犬病病毒、破伤风毒素等自

16、末梢向胞体的运输。如狂犬病病毒、破伤风毒素等的运输。的运输。第57页/共109页慢速轴突运输慢速轴突运输 快速轴突运输：快速轴突运输： 顺向轴突运输顺向轴突运输 逆向轴突运输逆向轴突运输 第58页/共109页 神经元在安静或活动时所具有的电的变化神经元在安静或活动时所具有的电的变化称为称为生物电现象生物电现象。 第59页/共109页近代电生理研究记录和测量神经干电位的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神经干的复合电位复合电位第60页/共109页神经元生物电的细胞内记录方法神经元生物电的细胞内记录方法第61页/共109页第62页/共109页条件：有通透性条件：有通透性 动力：电

17、化学梯度动力：电化学梯度 电化学电化学平衡电位：平衡电位： Na Na+扩散达到平衡，无净离子移动时，膜两侧达到电扩散达到平衡，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。化学平衡，此时的膜电位水平。 E ENaNa= = E EA A-E-EB B= = BAxxzFRTlnABxxzFRTln= = （NernstNernst公式）公式）第63页/共109页wIk=gk(Em-Ek)wINa=gNa(Em-ENa) wICl=gCl(Em-ECl)（二）离子电流与膜等效电路（二）离子电流与膜等效电路第64页/共109页稳态时，跨膜电位差是恒定的，各离子电流的总和应等于零。稳态时

18、，跨膜电位差是恒定的，各离子电流的总和应等于零。 Ik INa IC10 即即 gk(Em-Ek)+ gNa(Em-ENa)+gCl(Em-ECl)=0 Em=Ek+ENa+EC1 TKggTNaggTCgg1等效电路 离子的电导越大则作用越大，离子的电导越大则作用越大，Em越接近其离子平衡电位。在神经细胞越接近其离子平衡电位。在神经细胞静息状态时，膜对静息状态时，膜对Ca2+不通透，而不通透，而C1-的的ECl几乎等于几乎等于Em，gk又远远大于又远远大于gNa，所以，大多数细胞的，所以，大多数细胞的RP接近于接近于Ek ,即即RP的形成与的形成与K+的跨膜移动有关。的跨膜移动有关。 第65

19、页/共109页第66页/共109页细胞安静时，膜外为正、膜内为负的膜两侧电位差细胞安静时，膜外为正、膜内为负的膜两侧电位差 。第67页/共109页极化极化 : 细胞安静状态下，膜内带负电、膜外带正电的相细胞安静状态下，膜内带负电、膜外带正电的相对稳定状态。对稳定状态。第68页/共109页RP：-90mV第69页/共109页第70页/共109页 细胞外液细胞外液（mmol/Lmmol/L） 胞浆（胞浆（mmol/Lmmol/L） 平衡电位平衡电位（mVmV） 实际静息电位实际静息电位（mVmV）蛙骨骼肌蛙骨骼肌 Na+ K C1C1- - 乌贼巨大神经乌贼巨大神经 Na+ K C1C1- - 1

20、20.0120.0 2.5 2.5120.0120.0 4604600 0 10 100 05405400 0 9.29.2140.0140.03 34 4 50 500 04004000 0约约40.040.0+67+67-105-105-(89-(8996)96) 5858-96-96约约-68-68 -90-90 -70-70某离子的平衡电位（某离子的平衡电位（Eion）不等于）不等于Em（RP），这样离子必然），这样离子必然 会产生跨膜扩散，从而产生离子电流（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。各离子在膜两侧分布是不均匀的，

21、存在跨膜浓度差。 由此可知：由此可知：第71页/共109页第72页/共109页第73页/共109页第74页/共109页第75页/共109页第76页/共109页(2)复极相复极相: K+外流外流 由于由于gNa迅速降低，迅速降低，gk增大，增大，推动推动K+向膜外扩散，使膜电位向安向膜外扩散，使膜电位向安静时接近于静时接近于K+平衡电位的静息电位平衡电位的静息电位水平恢复。水平恢复。(3)复极后复极后:恢复正常膜内外离子分布恢复正常膜内外离子分布 每次动作电位的产生，使膜内每次动作电位的产生，使膜内Na+增多，膜外增多，膜外K+增多，这种状态增多，这种状态通过细胞膜上的离子泵，主动转运使膜内外的

22、离子分布恢复到安静时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。的水平。第77页/共109页第78页/共109页第79页/共109页第80页/共109页第81页/共109页第82页/共109页第83页/共109页一、刺激与兴奋一、刺激与兴奋第84页/共109页第85页/共109页 当刺激强度低于某一临界值时，即使刺激时间无限长，也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不能引起细胞兴奋(曲线的右下支与横座标平行曲线的右下支与横座标平行)；当作用时；当作用时间短于某一临界值时，即使刺激强度无限大，也不能引起细间短于某一临界值时，即使刺激强度无限大

23、，也不能引起细胞兴奋胞兴奋(曲线左上支与纵座标平行曲线左上支与纵座标平行)。第86页/共109页基强度基强度:在刺激作用时间足够长的条件下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引起兴奋的最小刺激强度.利用时利用时:用基强度作刺激要引起细胞兴奋所需的最短作用时间。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。用二倍基强度刺激时，引起组织细胞兴奋的最短作用时间。第87页/共109页第88页/共109页第89页/共109页第90页/共109页第91页/共109页第92页/共109页第93页/共109页第94页/共109页第95页/共109页第96页/共109页第97页/共109页第98页/共109页第99页/共109页第100页/共109页m m m h m m m h m m m h 失活失活激活激活1ms复活复活复极到RP去极去极自动自动备用状态备用状态失活失活状态状态 激活激活状态状态第101页/共109页第102页/共109页第103页/共109页第104页/共109页第105页/共109页第106页/共109页第107页/共109页第108页/共109页第109页/共109页第10页/共109页第14页/共109页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配体门控离子