细胞的电活动

第二章细胞的电活动DepartmentofPhysiologyBengbumedicalcollege公元前三百多年亚里士多德观察到电鳐（TovPedo）在捕食时先对水中动物施加震击，使之麻痹。古希腊古罗马人曾用黑电鳐（TorRedonobiliana）的震击治疗头痛。但是，直到18世纪电学的一些基本规律被发现后，人们才逐步认识到动物放电的性质。1769年E.N.Boncroft指出电鳐和电鲇都能放电，并将它们的放电力与莱顿瓶组的放电力相比较。1772年J.Walsh发现了电鲇放电的部位。一、发展简史：1.LuigiGalvani---电生理学的奠基人,1786年“凉台实验”，“无金属实验”。

CarloMatteuci1842年首次记录到肌肉的动作电位，并用“二次收缩实验”证明，动作电位引起肌肉收缩。L.Galvani(1737-1798)animalelectricity当时没有任何测量电流的仪器，只是发现利用电容器（如雷顿瓶）的放电，或雷电发生时竖起一根长导线，引导大气中的电，都可以刺激蛙的神经肌肉标本，引起肌肉收缩，所以当时就用蛙的神经肌肉标本作为电流存在的标志。1791年意大利解剖学教授GalvaniL发现，如果将蛙腿的肌肉置于铁板上，再用铜钩钩住蛙的脊髓，当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收缩。他把这个现象归因于机体的“动物电”（animalelectricity）。同时代的意大利物理学家Volta不同意Galvani的见解，认为实验中发现的电现象，不是动物机体产生的动物电，而是由于实验中连接肌肉和神经的金属不同所致，是不同金属接触时产生的电流刺激了肌肉标本。Volta后来因此而发明了伏特电池；Galvani则继续进行了一个出色的实验,他将一个肌肉标本横断，又将另一个神经肌肉标本的神经干搭在横断肌肉上，并使之跨越肌肉的完好面和损伤面，结果该神经支配的肌肉产生收缩，证实了动物电的存在。CarloMattenci（1842）向法国科学院报告他的发现，如将一条蛙神经肌肉标本A搭在另一条蛙神经肌肉标本B的腓肠肌上，当B的坐骨神经受到刺激引起肌肉B收缩时，没有直接受到刺激的腓肠肌A也会产生继发性收缩，这是因为在肌肉B收缩时产生了电流，继发性地刺激了搭在肌肉B上的神经A。1963SIRJOHNCAREWECCLES,SIRALANLLOYDHODGKINandSIRANDREWFIELDINGHUXLEYNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1963"fortheirdiscoveriesconcerningtheionicmechanismsinvolvedinexcitationandinhibitionintheperipheralandcentralportionsofthenervecellmembrane"

Eccles Hodgkin HuxleyIntracellularRecording1.Restingpotential二、细胞的电活动VoltageClamp把细胞膜电位固定在某一水平时，称为保持电位（holdingpotential），如有离子跨膜移动，膜电位将偏离保持电压。电压电极测出这一膜电位的变化，反馈电路输入一反向电流，膜电位固定在保持电位水平，所输入电流量的数值反映了该指令电位下的膜电流的大小。河豚毒Tetrodotoxin四乙基铵Tetraethylammoniumn(TEA)Evidencethatsodiumisresponsibleforinwardcurrentduringdepolarizationphaseoftheactionpotential.Useofthevoltageclamptomeasurecurrent.Apotentialdifferenceacrossthemembranesofinactivecells,withtheinsideofthecellnegativerelativetotheoutsideofthecellK+equilibriumpotential(EK)NernstequationEK=60log([K+]o/([K+]i)(mV)chemicaldrivingforceelectricaldrivingforce++++++++++++++++-----------------electrochemicalbalance DifferencebetweenEKanddirectlymeasuredrestingmembranepotentialunequaliondistribution(chemicalgradient)acrossthemembrane

selectivemembranepermeability(cellmembraneismorepermeabletoK+)Na+-K+pumpGoldman-Hodgkin-KatzequationDuringrestinthesquidgiantaxon,thepermeabilitieshavetheratioPK:PNa:PCl=1:0.04:0.45EmRoleofNa+-K+pump:ElectrogenicHyperpolarizingToinitiateexcitationExcitablecells:nervecell,musclecell,endocrinecellStimulationIntensityDurationdV/dtLocalresponseNot“all-or-none”Electrotonicpropagation:spreadingwithdecrementSummation:spatial&temporal2.ActionpotentialNeuronsarecapabletorapidlyreversetheirrestingmembranepotentialfromnegativerestingvaluestoslightlypositivevalues.Thistransientandrapidchangeinmembranepotentialiscalledanactionpotential.Propertiesofactionpotential(AP)DepolarizationmustexceedthresholdvaluetotriggerAP.APisall-or-none.APpropagateswithoutdecrement.(1)depolarization(2)RepolarizationInactivationofNa+channelActivationofK+channel,Tetraethylammonium(TEA)ConductionofactionpotentialContinuouspropagationintheunmyelinatedaxonSaltatorypropagationinthemyelinatedaxon/abFiles/AniSalt.htmFactorsInfluencingConductionVelocityActionpotentialconductionvelocityincreaseswithincreasingaxonaldiameter

(轴突的直径)Axonalsizeandthenumberofvoltage-gatedchannelsinthemembranealsoaffectaxonalexcitability(轴突上钠离子通道的密度).Temperature

(温度)Thematurationofneuronalprogramming三、patch-clamp技术1976年ErwinNeher,Bert

Sakmann

建立了膜片钳（patchclamp）技术，使记录单离子通道的活动成为可能。获1991年诺贝尔生理学、医学奖。1991ERWINNEHERandBERTSAKMANNfortheirdiscoveriesconcerningthefunctionofsingleionchannelsincellsPatch-clamp(膜片钳)技术探头计算机模数转换膜片钳放大器样品池单细胞PatchClampApplications分型优点缺点细胞贴附式不干扰胞浆，调制系统完整不能改变细胞内介质，需用另一电极测量膜电位内面向外式细胞内离子或调节物质的浓度可变，可向膜内表面加酶实验中膜外介质不能改变，需低Ca2+液灌流以防囊泡形成外面向外式外部物质浓度可变实验中膜内介质不能改变，微管内需低钙以防囊泡形成全细胞式改变内部介质以分离电流内部介质需交换，直径大于30～40μm的细胞难以钳制

离子替换法药物阻断法控制钳位电压的电平或时程通常将三种方法结合起来观察测量单一离子流规律,排除其它各种离子通道的活动.离子流分离方法(1)离子通道分类钠通道INaIf钙通道电压门控钙通道：L,N,T,P,Q,R型；配体调控性钙通道：IP3Rs,RyRs钾通道电压依赖性钾通道：Ikr,Iks,Ito,等；钙依赖性钾通道：BKCa,IKCa,SKCa等；内向整流钾通道：KATP,KAch,IK1等；氯通道

γ-氨基丁酸受体（GABA-R)离子通道(2)离子通道结构

-电压依赖性钠通道、钙通道：outinIIIIIIIVNCNa+orCa2+channelPrimaryfunctionaldomains:

•Ploop:ionselectivity•S4:voltagedependenceNa+,Ca2+ABNC四结构域;两亚单位:αβ脑:

αβ1β2;电鳗:α骨骼肌及心肌:αβ1PloopS4Na+channelS4:含有带正电的氨基酸(电压感受器)P:ionselectivitySodiumchannelstructure

(Na+通道的结构)CreatedfromasinglelongpolypeptideHas4distinctdomains,numberedI-IV.ThefourdomainsarebelievedtoclumptogethertoformaporebetweenthemEachdomainconsistsof6transmembranealphahelices,numberedS1-S6Thechannelhasporeloopsthatareassembledintoaselectivityfilter60Structureofthevoltage-gatedsodiumchannel(a)Howthesodiumchannelpolypeptidechainisbelievedtobewovenintothemembrane.Themoleculeconsistsoffourdomains,I-IV.Eachdomainconsistsof6alphahelices,whichpassbackandforthacrossthemembrane(b)AnexpandedviewofonedomainshowingthevoltagesensorofalphahelixS4andtheporeloop(red),whichcontributestotheselectivityfilter(c)Aviewofthemoleculeshowinghowthedomainsmayarrangethemselvestoformaporebetweenthem.电压感受器1.电压依赖性钠电流（INa+）Na+Na+Na+Na+Na+Na+-+-+神经细胞（局部麻醉药和抗癫痫药）心肌细胞（抗心律失常药-钠通道阻滞药）AB四、几种主要的离子通道Functionalpropertiesofthesodiumchannel(c)Amodelforhowchangesintheconformationofthesodiumchannelproteinmightyielditsfunctionalproperties.Theclosed(关闭)channel;

Opens(开放)uponmembranedepolarization;

Inactivation(失活)occurswhenaglobularportionoftheproteinswingsupandoccludesthepore;

Deinactivation(去失活)occurswhentheglobularportionswingsawayandtheporeclosesbymovementofthetransmembranedomains关闭开放失活去失活Functionalpropertiesofthesodiumchannel

(Na+通道的功能)TheyopenwithlittledelayTheystayopenforabout1msandthenclose(inactivate)Theycannotbeopenedagainbydepolarizationuntilthemembranepotentialreturnsto–65mV关闭开放失活去失活Whenthemembraneisdepolarizedtothreshold,themoleculetwistsintoaconfigurationthatallowsthepassageofNa+throughthepore.

ThevoltagesensorresidesinsegmentS4ofthemolecule.Inthissegment,positivelychargedaminoacidresiduesareregularlyspacedalongthecoilsofthehelix.

Thus,theentiresegmentcanbeforcedtomovebychangingthemembranepotential.DepolarizationpushesS4awayfromtheinsideofthemembrane,andthisconformationalchangeinthemoleculecausesthegatetoopen.2.voltage-dependentcalciumchannels多个亚单位:α1,α2,β,γ,δ.

α1是主要亚单位,可用做通道分型多个类型:L,T,N,P,Q,R分布密度比Na通道低(3-5个/um2)失活曲线:S型膜电位:-60mv为1-25mv为0.510mv为0激活曲线:S型

-90mv为0-40mv激活-20mv½开放10mv全开放L-钙通道的稳态激活与失活曲线窗流在此电压范围内,有持续的Ca内流fTdTIca.L和Ica.T的激活与失活曲线A:I-V曲线B:激活与失活曲线IcaTIcaLCa2+channelsDurationofcurrent long-lasting transientActivationkinetics slower faster Inactivationkinetics slower fasterThreshold high(-35mV) Low(-60mV)cAMP/cGMP-regulated Yes NoPhosphorylation-regulated Yes NoOpeners Bay-K-8644 -Blockers varapamil Tetramethrin