神经肌肉一般生理ppt课件

1、.,1,第二章,细胞膜的基本功能和神经肌肉的一般生理特性,绍兴文理学院生命科学学院潘伟槐,2020/7/9,.,2,要点,膜的物质转运 静息电位和动作电位及其形成机理 兴奋的传导(传递) 骨骼肌的超微结构及收缩,2020/7/9,.,3,细胞膜的结构 细胞膜的物质转动功能 细胞膜的跨膜信号传导 神经肌肉的兴奋和兴奋性 细胞生物电现象 骨骼肌细胞的兴奋和收缩功能,2020/7/9,.,4,细胞膜的结构Fundamental structure of Cell membrane,2020/7/9,.,5,细胞学说Cell theory,英国人Robert Hooke(1635-1703)于300多

2、年前用放大镜观察软木塞薄片，首次描述了细胞壁构成的小室，称为“cell”,2020/7/9,.,6,1838-1839年德国学者Schleiden(施来登1804-1881)和Schwann(施旺1810-1882)创立“细胞学说”,细胞是一切植物和动物的结构、功能和发生的基本单位,2020/7/9,.,7,细胞膜Cell membrane,细胞膜结构的研究 19世纪中叶，K.W.Nageli根据实验提出质膜的概念,1895年E.Overton发现脂溶性物质易透过细胞膜，证明细胞膜含质膜(磷脂或胆固醇),水溶性和脂溶性物质透过细胞膜的能力不同,2020/7/9,.,8,1925年E.Gorte

3、r和F.Grendel首先提出了膜结构模型，即脂双层模型(lipid-bilayer model),亲水性极性基团(磷酸和碱基),疏水性非极性基团(长烃链),Gorter Na+o Na+i7-10 所有这些使膜二侧带电性不同,2020/7/9,.,104,2020/7/9,.,105,2020/7/9,.,106,平衡电位(Equilibrium Potentials),假设仅一种离子（如K+ ）可通过膜扩散产生的理论电位值 电位差（Potential difference） 在膜二侧电荷的大小差异，也就是膜二侧电位高低,电位差抵消推动扩散的浓度梯度，使某种离子的跨膜净移动为零,2020/7

4、/9,.,107,假如K+是仅有的一种扩散离子，按照膜内比膜外高20-40倍计数，电位差Ex为-75 -93mv，即K+平衡电位(K+ Equilibrium Potentials) 可达到 90 mV,南斯特平衡(Nernst Equation),2020/7/9,.,108,2020/7/9,.,109,静息膜电位(RMP,Resting Membrane Potential),RMP比Ek小，因为其它离子尤其是Na+同时能进入细胞内 低速率的Na+内流和K+外流同时进行,膜电位 (Vm, Membrane Potential),2020/7/9,.,110,Resting Membran

5、e Potential(RP) - 65 mV.,2020/7/9,.,111,AP的形成,刺激引起去极化（depolarization ）到阈电位(TP,threshold Potential) 电压门控Na+打开 (VG,Voltage gated) 内向的电化学梯度(electrochemical gradients) 正反馈过程,2020/7/9,.,112,电压门控K+通道打开 外向的电化学梯度 负反馈过程 膜电位的变化就产生动作电位,2020/7/9,.,113,Hodgkin cycle 当细胞膜受到刺激后开始去极化(Depolarization)，引起Na+通道开放，钠电导增加

6、，Na+流入膜内，使膜内正电荷增加(去极化)，这一过程又能促进膜Na+通道开放，进一步加速膜去极化过程，如此循环使Na+流入膜内的速度增加，完成膜去极化。这是一种去极化，Na+通道开放增加(钠电导增加)，Na+内流，促进去极化的正反馈过程，也称Hodgkin cycle,2020/7/9,.,114,2020/7/9,.,115,Na+扩散增加产生AP 稍后K+扩散增加,2020/7/9,.,116,AP完成，Na+/K+泵排出Na+泵入 动作电位具有“全或无”（All or none）现象 当刺激达到阈电位时就产生 最大的电位变化 强度编码（Coding for Intensity） 通过增

7、加的频率编码刺激强度,2020/7/9,.,117,AP形成的相关事件,阈电位 (TP,Threshold Potential),能使膜上Na+通道突然开放的临界膜电位值称为阈值膜电位，简称阈电位 阈电位的特性是引起膜上Na+通道的激活对膜去极化的正反馈 外加刺激使膜发生去极化，当静息电位值减少到某个临界值(阈电位)时，膜才会突然出现锋电位上升支(Hodgkin cycle)，它已不依赖于原来刺激的强度,2020/7/9,.,118,电压门控Na+和K+通道,膜片箝(patch clamp)方法的建立为这些通道研究提供了技术上的支撑 Na+通道是膜中的内在蛋白，中央为亲水性孔道，有m门和h门,

8、2020/7/9,.,119,离子通道的活动 静息状态resting state: m关h开 激活状态active state: 全开 失活状态inactive state: m开h关 复活Recovery: 离子通道从失活到静息状态的过程 未激活状态Deactive state: m关,2020/7/9,.,120,兴奋性与Na+通道活性状态的关系 绝对不应期与Na+通道的性状：Na+通道失活 相对不应期与Na+通道的性状：部分复活 超常期的机制：Na+通道备用，膜电位与阈电位较近 低常期的机制：Na+通道备用，膜电位与阈电位较远 静息期与Na+通道的性状：备用(关闭),2020/7/9,.

9、,121,Na+通道有电压感受器，能被去极化所激活(开放) Na+通道对离子有高度的选择通透性，但并不是只对Na+具通透性 河豚毒素(tetrodotoxin,TTX)可选择性地阻断Na+通道，一个TTX分子可阻断一个Na+通道,2020/7/9,.,122,2020/7/9,.,123,2020/7/9,.,124,K+通道在去极化时也被激活，其活性缓慢增加，所以是一种延迟激活，并且随复极化而失活，这个过程是负反馈。这种K+通道不同于膜上形成静息电位的K+通道,2020/7/9,.,125,K+通道可被四乙胺(tetraethyl ammonium, TEA)阻断 普鲁卡因是Na+、K+通道

10、二类通道的共同阻断剂,2020/7/9,.,126,2020/7/9,.,127,2020/7/9,.,128,局部反应(兴奋) (Local response),细胞受阈下刺激时，少量通道开放，少量Na+内流造成去极化和电刺激本身形成的去极化型电紧张电位叠加起来，在受刺激的局部膜上出现轻度的达不到阈电位水平的去极化 局部兴奋的特征 电紧张性扩布(electrotonic propagation) 无 “全或无”现象 可以叠加或总和，时间性总和、空间性总和,2020/7/9,.,129,2020/7/9,.,130,局部兴奋,动作电位的锋电位,2020/7/9,.,131,局部反应与AP的区别

11、,2020/7/9,.,132,神经干的复合动作电位(compound action potential),实验装置,神经屏蔽合,2020/7/9,.,133,实验中所测得的双相动作电位常见形态,不对称： 第一相历时短， 强度大 第二相历时长， 强度小,结果,2020/7/9,.,134,成因分析,2020/7/9,.,135,2020/7/9,.,136,神经干复合动作电位的多锋现象,神经干有很多种不同的神经纤维 不同的神经纤维数量、传导兴奋的速度均不同。,2020/7/9,.,137,传导的一般性质,动作电位的传导Conduction of AP (local circuit theory

12、),2020/7/9,.,138,一个动作电位不可能传遍整个轴突 每个动作电位作为一个刺激，刺激其相邻的下一个区域产生一个新的动作电位（通过电压门控通道）,2020/7/9,.,139,无髓鞘轴突的传导,兴奋和未兴奋区域膜内、膜外均存在电位差，局部电流 内流的Na+引起相邻膜去极化，传导动作电位 传导速度慢,2020/7/9,.,140,有髓鞘轴突（Myelinated Axon）的传导,髓鞘(Myelin)能阻断Na+和K+通过细胞膜 仅郎飞氏节(Nodes of Ranvier)部位有Na+和K+电压门控通道，这儿能发生去极化产生AP 踊跃式传导(Saltatory conduction,

13、leaps) 传导速度快,2020/7/9,.,141,2020/7/9,.,142,2020/7/9,.,143,神经传导的一般特征,生理完整性 包括结构和功能的完整性 绝缘性 神经干中有许多纤维，有传入、传出，互相不干扰 双向性和单向性 刺激纤维可双向传导，在体内单向传导 相对不易皮劳性 与突触比较很不易皮劳 非衰减性,2020/7/9,.,144,神经肌肉接点(neuromuscular junction)的结构 接点是神经肌肉发生接触的部位，能将神经纤维的冲动传递到肌纤维上的特殊结构 主要结构包括终板(或突触)前膜、终(板)膜(突触后膜)及突触间隙三个部分组成,兴奋的传递transmi

14、ssion of excitation,2020/7/9,.,145,2020/7/9,.,146,2020/7/9,.,147,2020/7/9,.,148,Synaptic cleft (100-500),2020/7/9,.,149,(100-500 ),2020/7/9,.,150,接点的传递过程,AP传导到末梢，末梢去极化引起末梢膜上Ca2+通道开放,Ca2+进入末梢，降低轴浆的粘度，消除前膜内的负电性，突触小泡向前膜移动并与前膜融合，突触小泡释放Ach到间隙(兴奋-分泌耦联excitation-secretion coupling),Ach在间隙扩散,2020/7/9,.,151,

15、Ach与终板膜上受体通道结合，通道开放，Na+、K+的通透性增加，正离子循电化学梯度流经通道，产生突触后电流，终板膜静息电位减小，即去极化，产生EPP(End plate potential，终板电位),EPP超过阈电位，引发肌膜AP,间隙内有胆碱酯酶(AchE)能很快分解Ach，使其失活，解除对受体通道的结合，保证一次冲动使肌肉收缩一次(1:1)，同时也为下一次冲动的传递作好准备,2020/7/9,.,152,传递过程相关因素探讨,兴奋-分泌耦联(excitation-secretion coupling) 神经末梢的兴奋从动作电位，经过一定的机制转换为物质分泌的过程 Ca2+：胞外低Ca2

16、+浓度可阻碍Ach释放，Mg2+对Ca2+有拮抗作用可减少Ach释放,2020/7/9,.,153,量子释放(quantum release)：突触小泡释放Ach是以囊泡为单位(称一个量子)释放，每冲动约释放有200-300个。在神经纤维无冲动传到末梢时，突触小泡自发地随机释放Ach,2020/7/9,.,154,受体通道分子 Ach的受体和通道是膜上的同一蛋白质分子(属N2)，由四个亚单位(、)构成的五聚体。每个分子上有二个Ach受体位点，位于上 竞争性阻滞：箭毒、三碘季胺酚、-银环蛇毒素具争夺受体的作用，为阻断剂，可阻滞接头传递,2020/7/9,.,155,2020/7/9,.,156,

17、这种通道是一种化学门控通道，当结合了Ach后即能使通道打开，打开后对Na+、K+具有相同的通透性，但膜电位的不同使对Na+、K+有不同的流量，在静息电位水平(Vm=Vk)Na+内流大于K+外流膜去极化，去极化后，当Vm=VNa时，K+外流大于Na+内流，在某一中间水平时(约-15mv)膜净电流=0，这时的膜电位称为逆转电位(reversal potential),2020/7/9,.,157,Ligand-Operated ACh Channels,2020/7/9,.,158,2020/7/9,.,159,终板电位(End plate potential，EPP) 在冲动的作用下，突触小泡释

18、放Ach后在终板膜上的电位降低，这种电位仅限于终板膜区，而随传播距离而很快衰减，不具“All or None”现象 在神经纤维无冲动传到末梢时，突触小泡自发地随机释放Ach，引起终板膜电位改变，这种电位称小终板电位(miniature endplate potential, MEPP)，但不能引发肌膜AP,2020/7/9,.,160,2020/7/9,.,161,2020/7/9,.,162,乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase，AchE) Ach在传递冲动后应及时清除才能保证正常不断传递，间隙内有胆碱酯酶(AchE)能在2ms内将其水解掉 毒扁豆碱可增强兴奋传递，因为其可

19、阻止Ach被水解(是AchE的抑制剂),2020/7/9,.,163,AChE:失活Ach，防止持续刺激,2020/7/9,.,164,依色林、新斯的明等使胆碱酯酶不能分解Ach，有机磷农药如敌百虫、乐果、敌敌畏对该酶有抑制作用，从而引起中毒症状，造成肌肉挛缩。解毒药物有解磷定等，可恢复胆碱酯酶活性。尼古丁(nicotine)也有增加兴奋作用 滕西隆能专一保护Ach不被胆碱酯酶水解,2020/7/9,.,165,传递的特点 单向性传递 时间延搁0.5-1.0ms 易感性 易受化学物质或其它因素的影响 易疲劳性,2020/7/9,.,166,骨骼肌细胞的兴奋和收缩Excitation and c

20、ontraction of skeletal muscle Cells(SMC),2020/7/9,.,167,2020/7/9,.,168,肌原纤维(myofibril)与肌小节(sarcomere) 肌细胞即肌纤维内有大量的肌原纤维 肌纤维和肌原纤维上均可见明带和暗带（light and Dark band）,肌纤维的亚显微结构,2020/7/9,.,169,肌原纤维由肌丝(myofilament)构成，肌丝分粗肌丝(thick filament)和细肌丝(thin filament)，粗肌丝由肌球蛋白(myosin)、细肌丝由肌动蛋白(actin)等构成。肌丝规则排列可见I带、A带、H区

21、、Z线等结构 肌原纤维上相邻二条Z线间的一段肌原纤维为一个肌小节(sarcomere)，肌小节是肌细胞的基本功能单位,2020/7/9,.,170,2020/7/9,.,171,2020/7/9,.,172,肌(小)节,2020/7/9,.,173,头具有ATP酶活性，能与肌动蛋白结合,A myosin molecule is elongated with an enlarged head at the end.,2020/7/9,.,174,许多肌球蛋白分子构成粗肌丝，头暴露在外,2020/7/9,.,175,细丝由三类蛋白构成:肌动蛋白(actin)、原肌球蛋白(tropomyosin)和

22、肌钙蛋白(troponin) 7个肌动蛋白单体分子(G actin)的长度相当于一个原肌球蛋白分子的长度，每条原肌球蛋白分子上结合一组肌钙蛋白 肌钙蛋白由三个亚单位组成，TnT结合在原肌球蛋白上；TnC结合Ca2+；TnI是抑制肌动蛋白和肌球蛋白相互作用的亚单位,2020/7/9,.,176,2020/7/9,.,177,2020/7/9,.,178,2020/7/9,.,179,2020/7/9,.,180,肌管系统(内膜系统internal membrane system)指包绕在每一条肌原纤维周围的膜性束管状结构。由来源和功能都不同的两组独立的系统所组成 横管系统(transverse

23、tubule，T管)：由肌细胞的表面膜向内凹入形成的 纵管系统(longitudinal tubule，L管)：包绕在肌原纤维周围的肌管系统，是肌质网(sarcoplasmic reticulum),肌管系统(Sarcotubular system),2020/7/9,.,181,(L tubule),终(末)池,三联管,2020/7/9,.,182,2020/7/9,.,183,2020/7/9,.,184,T,L,AP沿膜和T管传导 终末池释放和储存 Ca2+,2020/7/9,.,185,肌肉收缩的机理 Mechanisms of Contraction,肌丝滑行(Sliding Fil

24、ament Theory) Huxley于1954年提出，在肌肉收缩时，肌小节的缩短是细肌丝在粗肌丝之间向粗肌丝中心主动滑行的结果，而粗、细肌细的长度不变,2020/7/9,.,186,肌丝滑行的过程,细肌丝肌动蛋白上有肌球蛋白头的结合位点 在肌肉舒张期，结合位点被原肌球蛋白覆盖，原肌球蛋白上有肌钙蛋白分子 Ca+结合到肌钙蛋白上 肌钙蛋白-原肌球蛋白复合物移动 肌动蛋白上活化的结合位点暴露,Ca+结合到肌钙蛋白(Ca+binds to troponin),2020/7/9,.,187,横桥是肌球蛋白头与肌动蛋白位点结合形成的 肌球蛋白头有一个ATP结合位点 肌动蛋白头具ATP酶功能 横桥的摆

25、动作功产生肌丝滑行,横桥(cross bridges)的摆动,2020/7/9,.,188,2020/7/9,.,189,2020/7/9,.,190,2020/7/9,.,191,第一步，肌球蛋白头结合到肌动蛋白纤维形成横桥 肌球蛋白分解ATP 为 ADP 和Pi ADP 和 Pi保持结合在肌球蛋白直至 头与肌蛋白结合 Pi释放，摆动作功,2020/7/9,.,192,第二步，肌球蛋白头弯曲拉动肌动蛋白丝。头消耗能量产生位移，这是一个作功过程（power stroke or working stroke） 横桥作功摆动拉动肌动蛋白向A带中央滑行 作功摆动末，肌动蛋白结合新的ATP，释放出AD

26、P,2020/7/9,.,193,第三步，ATP使肌球蛋白头脱离结合位点 结合新ATP，ADP释放，引起横桥断开,2020/7/9,.,194,第四步，肌球蛋白头回位“翘起”，准备结合肌动蛋白位点，进行下一次摆动 横桥分离准备再一次结合,2020/7/9,.,195,肌肉收缩的调节(Regulation of Contraction),调节横桥 原肌球蛋白 肌钙蛋白,2020/7/9,.,196,肌肉舒张期 肌浆内Ca+ 低 (10-7mol.L-1)，原肌球蛋白阻碍结合形成横桥 Ca+被泵回肌质网终末池(terminal cisternae)内 肌肉舒张 Ca+在肌肉收缩中的作用 刺激: C

27、a+从肌质网(终末池)释放到肌浆中(10-5mol.L-1). Ca+结合到肌钙蛋白 原肌球蛋白-肌钙蛋白构型改变,Ca2+和原肌球蛋白质的作用,2020/7/9,.,197,2020/7/9,.,198,肌肉收缩过程小结,A带 靠拢 不缩短 I带 二相邻肌小节A带间的部分 长度变小 原因是细肌丝在粗肌丝间滑行 H带 仅含粗肌丝 缩短,2020/7/9,.,199,2020/7/9,.,200,Sarcomere Relaxed,2020/7/9,.,201,Sarcomere Partially Contracted,2020/7/9,.,202,Sarcomere Completely C

28、ontracted,2020/7/9,.,203,2020/7/9,.,204,在同一时间仅形成50%的横桥 异步活动 AChE分解ACh 胆碱(Choline)再利用重新合成 Ca+泵回肌质网内,2020/7/9,.,205,长度-张力曲线(Length-Tension),理想的静息长度: 产生最大的力 重叠少: 形成少量横桥 无重叠: 无横桥可形成,2020/7/9,.,206,粗肌丝中央无突起区,2020/7/9,.,207,兴奋收缩耦联 (excitation-contraction coupling),兴奋收缩耦联概念 以膜的电变化为特征的兴奋过程转化以肌丝滑行为基础的收缩过程。 主要步骤 电兴奋通过横管系统传向肌细胞深部 三联管结