2020-神经生理学基础

1、2020-神经生理学基础2020-神经生理学基础意大利解剖学和医学教授伽伐尼（Luigi Galvani,17371789）一、生物电的发现及基本特征用两种不同的金属碰触青蛙腿的两端，可以引起它的收缩。2意大利解剖学和医学教授伽伐尼（Luigi Galvani,11.2 神经电信号的概念指神经元在静息电位基础上所发生的膜电位变化。31.2 神经电信号的概念指神经元在静息电位基础上所发生的膜电1.3 神经电信号的产生机制离子浓度变化主要原因：离子通道的活动所有的电信号都是通过膜两侧的离子浓度变化来实现的，离子进入或者流出细胞导致细胞偏离其静息状态。Cation: K+,Na+, Ca2+Anio

2、n: Cl-41.3 神经电信号的产生机制离子浓度变化主要原因：离子通道的二、静息电位概念：静息状态下细胞膜内外具有的电势差称之为静息膜电位。典型的神经元的静息膜电位大约为 -65mV。“内负外正”静息膜电位： Vm静息膜电位的测量方法5二、静息电位概念：静息状态下细胞膜内外具有的电势差称之为静息2.2 静息电位产生的离子基础离子平衡电位 Eion平衡某种离子浓度梯度的电位差，简称为平衡电位，是针对某种特定离子的电位，Eion。a、当膜不能通透离子时，虽然有浓度差，但没有离子的流动，故膜电位为零，Vm=0。b、膜上有钾离子通道时，钾离子可以顺浓度梯度流出到胞外，则胞内会有过多的A-，而细胞外就

3、会积聚过多的正电荷K+，则会出现跨膜电位。 c、随着胞内越来越多的负电荷积聚，负电荷就会吸引带正电的钾离子返回胞内。当达到一定的电位差后，吸引K回胞内的电势与扩散力刚好相等，但方向相反，就会达到平衡状态。字母大小代表浓度高低62.2 静息电位产生的离子基础离子平衡电位 Eion字母大小2.3 Nernst 方程可以根据Nernst 方程计算其平衡电位： Eion= RT/zF lniono/ioniR 气体常数，T 绝对温度，z离子电荷，F法拉第常数，ion 内外膜离子浓度72.3 Nernst 方程92.4 膜在静息状态下离子的相对通透性Alan Hodgkin, Bernard Katz

4、测定了几种离子在静息电位的通透能力 ：PK：PNa：PCl1.0 : 0.04 : 0.45在动作电位峰值，其通透性为：PK：PNa：PCl1.0 : 20 : 0.45 神经元在静息时，对离子具有选择通透性，假如仅对一种离子通透： K+， 则Vm= Ek+ =-80mV Na+, 则Vm= ENa+=62mV 实际上Vm 65mV，介于EK和ENa之间。82.4 膜在静息状态下离子的相对通透性102.5 调控细胞外钾离子浓度的重要性1）膜电位对胞外钾离子浓度变化特别敏感。胞外钾离子浓度升高将造成细胞去极化，细胞兴奋；2） 血脑屏障限制钾离子进入脑部胞外液；3） 星形胶质细胞具有空间缓冲胞外钾

5、离子的作用；4） 其它可兴奋细胞没有这种保护机制，则钾离子浓度升高可导致心脏停止跳动。静息膜电位受胞外钾离子浓度影响92.5 调控细胞外钾离子浓度的重要性1）膜电位对胞外钾离子浓2.6 多姿多彩的钾离子通道Shaker 钾通道钾通道的选择性通透是决定静息膜电位的重要因素，其选择性的分子基础主要是在通道内氨基酸残基的排列。钾通道由四个亚单位所组成。Pore loop去作为选择性滤器使得通道对钾离子有最高的通透性。该区域一个氨基酸的突变就能严重破坏神经元功能。102.6 多姿多彩的钾离子通道Shaker 钾通道钾通道的选择钾通道可分为以下几种：1、IK，delayed rectifier, 延时整

6、流钾通道， 慢激活2、IA，A-type, 瞬时钾电流，快激活，快失活3、Ica，Calcium activated，钙激活钾电流，去极化+钙4、Iir，inward-retifier, 内向整流，超极化激活5. IM，M-type channel, 小的去极化激活，Ach 失活。钾通道孔道俯视图中间红球为K+11钾通道可分为以下几种：钾通道孔道俯视图13三、局部电位给予神经元膜电刺激引起的电紧张电位及少量Na+通道开放，少量Na+内流引起的阈电位以下的反应，代表了神经元膜的局部兴奋性变化，又称为局部反应。去极化：神经元膜极化状态的减弱（激活）超极化：神经元膜极化状态的增强（抑制）12三、局部

7、电位给予神经元膜电刺激引起的电紧张电位及少量Na+通3.2 局部电位的分类（1）电刺激引起的局部电位（2）感受器电位（4）突触电位（5）自发膜电位振荡（3）效应器电位（6）局部电流引起的膜电位变化133.2 局部电位的分类（1）电刺激引起的局部电位（2）感受器3.3 局部电位的特征1、等级性：非“全或无”，最基本特性 反应幅度随刺激强度的增大而增大 2、在局部形成电紧张性扩布 3、可以总和: 空间总和 spatial summation 时间总和 temporal summation 143.3 局部电位的特征1、等级性：非“全或无”，最基本特性 兴奋性突触电位（EPSP）3.4 突触后电位1

8、5兴奋性突触电位（EPSP）3.4 突触后电位17抑制性突触电位（IPSP）16抑制性突触电位（IPSP）18四、动作电位 在静息电位基础上，细胞受到一个适当(不小于阈值)刺激时，其膜电位所发生的一次可扩布、迅速的、短暂的波动。 “全或无” 现象 全幅式传导型（不衰减性传导） 不可叠加性 17四、动作电位 在静息电位基础上，细胞受到一个适当(不小18阈值(threshold): 足够多的钠通道的开放使钠离子通透性大于钾离子上升相（rising phase)：钠通道完全开放，钠离子迅速进入胞内超射（Overshoot）：趋向于钠平衡电位下降相(falling phase)：钠通道失活，钾通道开放

9、增加回射（后超级化，undershoot)：接近于钾平衡电位绝对不应期(absolute refractory period)：钠通道失活，不能被激活 相对不应期(relative refractory period)：超极化状态，接近于Ek，需要大的去极化4.2 动作电位特征波形的形成原因锋电位：spike20阈值(threshold): 足够多的钠通道的开放使动作电位产生的离子机制 （一）锋电位产生的离子机制1、锋电位产生的条件（1）神经元的RP是锋电位产生的基础（2）细胞外钠离子浓度远大于细胞内钠离子浓度（3）刺激引起钠离子通道的大量开放。动作电位产生的离子机制（一）锋电位产生的离子机制

10、1、锋电位产2、锋电位产生ENa是Na+平衡电位 （1）去极化相 细胞受刺激 少量钠通道开放 静息电位增加到阈电位水平 大量钠通道开放 细胞外Na+快速、大量内流 细胞内电位急剧 上升 锋电位的上升支（Na+内流） Na+内流 与K+外流达到平衡（锋电位顶点-超射值）2、锋电位产生ENa是Na+平衡电位 （锋电位顶点的膜电位水平，主要由ENa决定：1、记录值和计算值接近；2、降低Na+o可降低锋电位的幅度，降低程度与计 算值基本一致；3、河豚毒素（TTX）特异阻断Na+通道。锋电位顶点的膜电位水平，主要由ENa决定：1、记录值和计算值 复极化相 膜电位达到Na+平衡电位水平 钠通道失活关闭，钾

11、通道激活开放 Na+停止内流、K+快速外流 细胞内电位下降，恢复到负电位水平 锋电位的下降支。 (K+外流) 复极化相 膜电位达到Na+平衡电位水平3、锋电位的动力学特点（1）上升支：电压门控Na+通道的激活与膜去极 化是正反馈过程；（2）下降支：膜电位复极化与K+通道开放是负反 馈过程。3、锋电位的动力学特点（1）上升支：电压门控Na+通道的激活24膜片钳方法Erwin NeherBert Sakmann1991 Nobel Prize26膜片钳方法Erwin NeherBert Sakmann25电压钳方法要验证理论上的动作电位，可以通过测定在动作电位的不同时期各离子的电导，以期确定钾钠离

12、子及其通道在动作电位产生过程中的作用。测电导的工具，电压钳，就是将膜电位钳制在某一预设数值的装置，由Kenneth C. Cole发明。50年代，Hodgkin & Huxley 用电压钳方法把神经元轴突膜电位钳制在任意数值，然后通过测量在不同膜电位时流过膜的电流来推测膜电导变化。g= I/V4.3 动作电位的记录27电压钳方法要验证理论上的动作电位，可以通过测定在动作电位2020-神经生理学基础27动作电位发放频率依赖于去极化电流的强度，即刺激强度被编码为神经冲动频率。发放动作电位的速率是有上限的，最大发放频率大约为1000Hz。29动作电位发放频率依赖于去极化电流的强度，即刺激强度被编码2

13、8通道选择性地对钠离子开放，且通道的开放与关闭与膜电位的变化有关。1） 钠通道结构 一个完整的钠通道是由一条多肽长链组成。除了这个多肽长链组成的单位以外，还有两个亚单位(1,2）起修饰作用。多肽长链由四个结构域(I-IV)组成，每个结构域含6个跨膜alpha螺旋(S1-S6)。III-IV之间可能调节失活。S4片段上有电压感受器；S5-S6组成通道选择性滤过器。TTX作用位点4.4 电压门控钠通道30通道选择性地对钠离子开放，且通道的开放与关闭与膜电位的变29钠通道开放模式图S4段含有正电荷(每隔两个氨基酸残基就有一个带正电荷的赖氨酸或者精氨酸)，当膜电位发生变化的时候，S4片段便会被迫发生移

14、动，这种构像变化可以引起钠通道开放。31钠通道开放模式图S4段含有正电荷(每隔两个氨基酸残基就有30钠通道的功能特性 开放延时很短暂； 开放时间约1ms后失活(inactivation)； 失活后继续去极化不能使钠通道再开放； 只有当膜电位复极化到阈值附近时，通道才能被去极化再次打开。32钠通道的功能特性 开放延时很短暂；31作用于钠通道的毒素 活化阻断剂（阻断钠电流）河豚毒素(Tetrodotoxin, TTX), 特点： 作用迅速， 可逆 石房蛤毒素(Saxitoxin, STX), 赤潮中的旋沟藻，专用于对TTX不敏感的钠通道。在蛤蜊、蚌类及其它海洋壳类动物中常常会因为以原生藻类为食而积

15、聚STX，食用会致命。b. 失活化阻断剂（延长动作电位）海葵毒素(Sea anemone venom), 使开放的钠通道不能立即关闭，继续开放下去，从而使Na离子继续内流，峰值时间延长，形成平台。蝎毒素(Scorpion toxin), 阻止钠通道失活化，动作电位延长。c. 钠通道激动剂（异常开放） 箭毒(Batrachotoxin),哥伦比亚产小蛙皮肤分泌物提取物。使钠通道在更负的水平上开放，开放时间长于正常开放时间。 百合科藜芦定（veratridine)或者毛茛科乌头碱(aconitine)与箭毒作用类似。 活化阻断剂（阻断钠电流）河豚毒素(Tetrodotoxin, TTX), 特点：

16、 作用迅速， 可逆 石房蛤毒素(Saxitoxin, STX), 赤潮中的旋沟藻，专用于对TTX不敏感的钠通道。在蛤蜊、蚌类及其它海洋壳类动物中常常会因为以原生藻类为食而积聚STX，食用会致命。33作用于钠通道的毒素 活化阻断剂（阻断钠电流）b. 失活化32局部麻醉剂 局部麻醉剂是能够暂时阻断轴突上动作电位的药物，被直接注射到需要局部感觉缺失的组织中。 利多卡因是现在最广泛应用的局麻药。它位于通道蛋白质的IV区中的S6 alpha螺旋区。 小轴突要求更多的电压门控钠通道参与，因此较细的轴突对局麻药更敏感，这在临床上非常有意义。34局部麻醉剂33 传导 ：在同一细胞上动作电位的传播 。 传递 ：

17、动作电位是在两个细胞之间进行传播 。 传播 ：在神经元任一部位产生的动作电位，在 神经网络上的扩散过程 。五、动作电位的传导35 传导 ：在同一细胞上动作电位的传播34动作电位的传导速度是不相同的，10m/s是比较典型的速率。3635影响传导速度的因素 轴突直径 v= d1/2 有无髓鞘， 髓鞘厚度 myelin 温度的高低髓鞘和跳跃传导朗飞氏结37影响传导速度的因素髓鞘和跳跃传导朗飞氏结一、离子通道的相关特征 可以传导离子； 识别和选择性传导离子； 对特定的电、化学和机械信号作出反应而开放或者关闭通道 可被一些药物和毒素等阻断； 离子通道的功能失调可导致疾病的发生；36一、离子通道的相关特征

18、38二、离子通道的本质 离子通道是插入细胞膜中的蛋白质组成的，但不是载体(transporter)。 不是由蛋白质组成的简单的插入脂质膜中的孔洞，载体蛋白的运输没有那么快的传输速率。 离子通道的选择性原因：与离子和水分子、膜脂质双分子层以及通道之间的相互作用有关。 钾离子和钠离子互相不能通过对方的通道。37二、离子通道的本质39离子通道对钾离子和钠离子的选择性38离子通道对钾离子和钠离子的选择性40三、离子通道的相关特性 离子通过离子通道是被动的(passive)，驱动力Vm-Eion，电流随着驱动力的增强可以是线性(linear)的或者非线性的(nonlinear)。离子通道通过构象的变化的

19、而使通道开放或者关闭。电压门控通道在激活后可以进入失活化状态（不应期）的机制。外源性因子对配体门控离子通道的影响通过竞争性位点和非竞争性位点作用。39三、离子通道的相关特性41离子通道通过构象变化而使通道开放或者关闭40离子通道通过构象变化而使通道开放或者关闭42通道开放关闭的几种调节机制，通过不同的刺激而获得能量使通道构象发生变化配体门控通道通过配体结合通过蛋白磷酸化和脱磷酸化电压门控通道通过电压感受器感知膜两侧的电压变化通过细胞骨架感知压力或者牵张等机械力41通道开放关闭的几种调节机制，通过不同的刺激而获得能量使通道构电压门控离子通道失活的几种机制电压门控钙离子通道钠通道通过调节亚基或者片

20、断而使构象发生变化42电压门控离子通道失活的几种机制电压门控钙离子通道钠通道通过调外源性因子对配体门控离子通道影响的机制Curare箭毒 nAchRReversibleBungarotoxin金环蛇毒 nAchRNonreversibleValium安定GABAa Rnoncompetitive43外源性因子对配体门控离子通道影响的机制Curare45四、离子通道的结构1、离子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白质组成，由两个或者多个相同或者不同的亚基组成的，某些通道还有调节其功能的附属亚基。2、根据相似的氨基酸序列和跨膜结构，离子通道被分为以下三类：化学（配体）门控通道、机械门控通道、电压门控通道。 3、离子通道的结构功能可以通过Patch Clamp、Gene cloning、X-ray crystallography等方法研究。44四、离子通道的结构1、离子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白质组离子通道由亚基组成45离子通道由亚基组成47离子通道的分类Ach,GABA,Gly五个亚基，每个亚基有四