神经元兴奋动力学课件.ppt

1、Dynamics of Neuronal Excitability 离子的跨膜输运（2） 离子、细胞膜、跨膜蛋白及其定量物理过程,神经元兴奋动力学,知识回顾,Nernst-Planck方程,定量描述扩散,电场与流,要实现离子的跨膜，形成神经元的 兴奋，具体需要哪些条件？ 1. 细胞膜自身的条件 磷脂膜、离子通道、离子泵 离子浓度的不均匀分布 2. 环境的物理条件 扩散力、电场力,电场力和扩散力的平衡,Nernst电位,细胞膜中存在两种以上的离子：,如果存在两种以上的离子，那么吧上式可以推广。唐南平衡要求的所有可通透离子都处在能斯特电位，并且离子本身将重新分布，以达到平衡的能斯特电位。这样对于有

2、可通透性的K+，Na+，Cl-离子组成的系统：,K+e/K+i=Na+i/Na+e=Cl-e/Cl-i=r,有能斯特电位公式可得到：,Vm=(RT)/Fln(r),电中性假设,假设溶液满足电中性：如图所示K+和Cl-的最终分布可以由下述平衡条件决定：,K+e=Cl-e,而且有弱A-是一价的（虽然常见为多价，如硫酸根离子）：,K+i=Cl-i+A-,又因为：,K+e/K+i=Cl-i/Cl-e=r,可以消去Cl-,然后利用Nernst电位：,Ek=(RT)/Fln(K+e/K+i)=ECl=(RT)/Fln(Cl-e/Cl-i),可得：,可知，当A-=0时，电位为零。而当A-0时,电位为负值。,

3、我们还可以注意到下述关系：,Cl-i+A-i=K+iK+e=Cl-e,K+iK+e,推导可得：,K+i+Cl-i+A-iK+e+Cl-e,因此i室中的渗透浓度超过e室的。,如果转移是自由水，那么水的流动方向是怎样？会导致怎样的结果？,如果转移是自由水，水将从e留到i，改变i中的离子浓度，并打破杜楠平衡。水的流入引起A离子浓度的稀释，这种情况下，平衡朝着是细胞内外KCl浓度相等的方向进行。,Goldman方程：,对于生物膜，由于膜内无论是Cp（p中离子的浓度）还是 （电位）的变化都还不能确切知道。 离子还受到空间电荷的影响，因而应用Nernst-Planck方程到生物膜上式比较困难的 假设细胞膜

4、足够的薄，可以近似的认为膜中的电位是线性变化的。,上述假设被Goldman用以积分Nernst-Planck方程（J.Gen.Physiol. 27:37(1943)）。,现在我们也对处于稳态或者说处于静息态的膜进行这种处理 探讨一维情况下的静息态膜电位。,细胞膜足够的薄，厚度设为d，电场的微分可以表示为：,若膜电位差为Vm，那么：,几点说明：,仅仅局限于一价阳离子 仅仅讨论一维情况 鉴于膜非常薄，每一块膜基本上均可以当作平面，甚至宏观形状并不是平面的也可以做此处理,首先分析单离子系统：,由于 和 从Nernst-Planck方程可得通过单位面积的第P中离子的通量为：,对于钾离子来说：,结合恒

5、定电场假说：,可得：,浓度梯度与膜电位之间的关系,重排、化简可得：,现在我们在膜内从左端（x=0）到右端（x=d）进行积分， 考虑到处于稳定状态， jk是常数， 又倘若简单地假设Dk是常数 那么上面公式中左边唯一变化的是Ck（x）。 因此，,由上述关系，可以求解出钾离子的离子流密度jk：,处在大量介质中的钾离子浓度与膜表面附近的浓度关系可以用系数beta来表示。并且这里我们假设两个界面均适用这种关系。这样我们令膜与细胞内空间界面的坐标为0，与细胞外空间界面的坐标为d，那么：,K表示为大量介质中的 钾浓度,钾离子流动产生的电流密度Jk又如何表示？,首先定义钾离子的通透性为Pk,结合：,钾离子的离

6、子流密度jk：,下标e和i分别表示细胞外和细胞内的浓度。,几种离子的组合和流动：,在生物膜中与钾离子电流一起有着重要的作用的离子电流还包括钠离子电流JNa和氯离子电流JCl。它们有着相类似的表达式。,总离子电流为各个组成成分的离子电流之和：,J总=Jk+JNa+JCl,膜电压的Goldman方程：,一般将，生物膜并不能让所有的离子均处于平衡中。如果对常见的组分计算K，Na，Cl的Nernst电位，其数值都不相同。因此没有一个膜电位能同时平衡所有的离子。静息状态仅仅能用为态来表示，它是一个动态的平衡，即：膜电压和净电流密度为零，,或者,这就意味着,求解该方程可的跨膜静息电位,变形得：,两边取对数

7、，并结合下列等式关系：,可以得到：,Goldman方程：,静息态膜电位,Goldman方程是用细胞膜内外的离子浓度和膜对这些离子的通透常数来描述神经和肌肉等膜电位的方程式。 Goldman方程可以处理静息膜和活化膜的相关问题。,Goldman方程：,David E. Goldman 19101998 His doctorate work produced the well-known Goldman equation relating ion permeabilities to cell membrane potentials.,基于Goldman方程，Hodgkin、Katzs和Huxley

8、等人 研究了动作电位的形成机制，取得了巨大成就。,斜率电导和弦电导,在描述总离子电流关系式：,离子电流和跨膜电位之间的关系很显然是非线性的。因此增量电导dJ/dVm将不是常数。,在此情况下，可以定义两种电导：其一是前面曾经提及的电流-电压曲线斜率，它定出了斜率电导，即,其二是由于Vm对J是非线性的，所以可以直接定义弦电导：,离子通道电流 简介,一、离子通道电流分类,（一）携带内向电流的通道,1. 钠通道电流：心脏已发现两种，一是存在于心房肌、心室肌细胞和希浦系统的电压依赖性钠通道；另外一种是存在于窦房结和房室结中的非电压依赖性通道(INa-B),它所携带的背景内向电流具有起搏作用。 2. 钙通

9、道电流： 主要有两种，一是ICa-L ；另外一种是ICa-T 。 3. 其它内向电流：If 是由Na+携带的内向电流，属于起搏电流之一。,（二）携带外向电流的通道,IK1 ：内向整流钾电流 IK ：延迟整流钾电流(IKur, IKr, IKs) Ito ：瞬时外向钾电流 IKAch ：乙酰胆碱敏感钾电流 IKATP ：ATP敏感钾电流 IKCa：钙激活钾通道电流,（三） 其它电流,ICl ：氯离子电流，外流产生一种内向电流，在起搏细胞的自动除极化中起一定的作用； I Na/Kpump (I pump ) ：钠钾泵电流，每次运转时泵出3个Na+换进2个K+，因而产生一种微小的外向电流，称泵流。,

10、二、钠通道电流,INa 是神经和肌肉，包括心肌，兴奋或去极化的第一个离子流。在心肌细胞，去极化过程中有无INa参与是产生快反应电位与慢反应电位的根本原因。所以，它的变化对兴奋的发生及传播均有重要意义。,1. 钠通道的全细胞记录,人体心房肌细胞INa电流图及电流-电压曲线（I-V）,2.钠通道电流的单通道记录,与全细胞离子流不同，通道电流在某一电压下，只表现为一定大小的电流出现与消失，即单个通道的开放与关闭。单通道电导与电压呈线性相关，与全细胞钳制及多细胞标本上电压钳制所得的结果一致。,Vm(mV),g/gmax,3. 钠通道的激活与失活曲线,（1） 激活曲线,通常用激活曲线表示，反映通道开启的

11、难易程度。g/gmax= 1/1+exp(Vm-V1/2)/K ，gNa= INa/ (E-ENa), E为去极化钳制电位，ENa为钠通道的平衡电位。,（2） 失活曲线,失活曲线，又称膜反应曲线，代表膜在不同电位水平时对刺激发生反应的能力。 意义：通道开放需要在一定的静息电位水平。,（2） 失活曲线,失活曲线的测定，可用电压钳获得。也可通过改变K+浓度，以改变膜的静息电位，在不同静息电位水平进行刺激，以测定在动作电位发生过程中，最大去极化速率的值。若以所得到的最大值为1时，其它数值按最大值的百分数来表示，并以之为纵坐标，相应的电位为横坐标作图，即得出的INa失活曲线,采用Boltzmann方程

12、对失活曲线进行拟合I/Imax =1 / 1 +exp-(V-V1/2)/k。,（3）钠通道失活后的恢复,将后一脉冲刺激所得电流（P2）与前一脉冲刺激所得者（P1）之比值对应时间间隔作图, 采用单指数方程Y=A+Bexp(-X /)拟合 Y=P2峰电流与P1峰电流的比值；X=P1P2的间隔时间；（tau）=恢复时间常数,（4）通道闸门,快Na+电流是Na+通过通道时的离子电流。故其动力学取决于Na+通道的开放状态。根据Hodgkxin-Huxley的闸门学说来解释INa的激活与失活过程。设想，Na+通道有两组带电粒子起着门控作用。,一个是激活粒子（闸门），又称m门、A闸门 ，另一个是失活粒子（

13、闸门），又称h门、I闸门,Na+通道的HH工作模型,5. 钠通道的电流特点,（1）特点 膜去极化达阈电位（约70mV）时此电流出现； 膜去极化达Na+平衡电位时消失（约30mV）； 具有时间依赖性（1ms），即使膜电位维持在Na+通道开放所需的电位水平， Na+电流亦可作为时间的函数而消失； 在膜完全去极阶跃（full depolaring step）之前将膜维持在一低电压状态，则Na+电流失活，此时再经一去极化电流也不能激活Na+电流。,（2）心肌细胞钠电流的类型,快钠通道：激活需要的电压高，失活速度快，引起动作电位0期去极化，只对高浓度的TTX、利多卡因、奎尼丁等药物敏感。 慢钠通道：激活

14、需要的电压低，失活速度慢，参与维持动作电位2期平台，对低浓度的TTX、利多卡因、奎尼丁等药物敏感。,（3）钠电流的亚状态,INa还可以出现一种亚状态（substate)。它表现为在通道开放后，不回到完全关闭状态，而在一种新的“关闭”状态下重新开放。 INa的单通道电导为21pS，而亚状态的电导为3.1pS。目前对亚状态的意义尚不清楚。,6.毒素与药物对钠电流的影响,钠通道上毒素受体的位点,钠通道蛋白的提纯，就是利用它与毒素选择性的结合而进行的。TTX和STX为含胍基的水溶性毒素。作用的受体部位在通道外侧口。心肌对其敏感性低。心肌细胞的钠通道，由于对其敏感性不同，分为快钠通道与慢钠通道。,快钠通

15、道激活所需电压绝对值高，失活速度 快，引起0期去极，对高浓度TTX、奎尼丁、利多卡因敏感。 慢钠通道激活所需电压绝对值低，失活速度慢，参与2期平台，对低浓度TTX、奎尼丁、利多卡因敏感。,三 钙通道电流,豚鼠心室肌细胞I Ca,（1）它触发胞内钙储藏释放，从而促进兴奋收缩偶联； （2）它是维持心肌细胞动作电位有个较长平台的主要内向电流； （3）由于它维持较长时的去极化电位水平，从而为其它电流的活动提供适合的电位条件； （4）为心肌细胞动作电位有较长有效不应期提供电位条件。,钙离子流是在继钠离子流引发的心肌细胞膜去极化基础上，发生活动的第二个内向电流。它在心肌细胞动作电位中起重要作用。,心肌细胞

16、膜上有两种钙通道：L型钙通道及T型钙通道。 L型钙通道是最早在心肌细胞上发现的钙通道，也是首次在细胞膜上发现的除钠和钾以外的新通道。,豚鼠心室肌细胞I Ca 的I-V曲线,豚鼠心房肌细胞记录的L型与T型钙电流,（一）钙通道的激活与失活,与快钠通道相似，慢钙通道也有激活过程，其激活曲线呈S型，大约在0mV电位时，激活曲线达最大值。Ca2+通道的激活、失活以及再复活所需时间均比Na+通道要长，经Ca2+通道跨膜的Ca2+内向电流，起始慢，平均持续时间也长，因而称为慢通道和慢内向电流。,（二）通道的离子选择性和门控特性,Ca2+通道的离子选择性较差，Ca2+、Na+、 K+等可通过。动作电位平台期的

17、内向离子流，主要由Ca2+负载，也有Na+参与。慢Ca2+通道具有电压依赖性，由激活门（d门）和失活门（f门）双重控制。慢Ca2+通道也具有时间依赖性，其激活时间常数约比Na+通道的时间常数长20倍。,（三）L型Ca2+电流,1. 门控电流,与钠通道的门控电流的特点相似，在钙通道上也有关于门控电流的报道。一般使用Ca2+及La3+阻断钙通道以观察在去极化时细胞膜内电荷的运动。钙通道门控电流受有机钙通道阻断剂的抑制性影响。ICa-L的记录去极化时间为6ms，而门控电流的去极化时间为20ms。,2.L型钙通道的离子流,ICa-L各项参数的测定方法与INa完全相同，只是维持电压与试验电压略有差异。在

18、ICa-L的稳态激活与失活曲线之间，有一个明显的窗流区。在此区域的电压范围内，ICa-L是处于既激活而又未完全失活的状态。因此，在此电压范围内可以有持续的ICa-L内流。,ICa-L 通道的失活，一方面与INa相似属电压依赖性，但另一方面，它的失活又依赖于细胞内Ca2+浓度，因此，又是Ca2+依赖性的。, 当细胞外Ca2+浓度升高而ICa幅度增大时，去极化引起的失活也加快； 用其它离子如Ba2+代替Ca2+时，在去极化时，其失活变慢； Ca2+内流因细胞内注入EGTA而被螯合时，ICa失活变慢； 向细胞内注入Ca2+而使胞内Ca2+浓度增高时，失活变快。,3. 肾上腺素（或G蛋白）对I Ca.

19、L的调节作用,肾上腺素能激动剂对心脏的变时及变力效应是通过L型钙通道的反应而实现的。它通过肾上腺素能受体激动的cAMP的产生而实现的，G蛋白在这个过程中起重要作用。 cAMP蛋白激酶促使依赖于磷酸化而不依赖于电压的闸门g打开，通道处于可利用状态，在电压依赖性闸门也开着的情况下，使通道导通。,4. ICa.L的亚状态,L-型钙通道的亚状态，是在心肌细胞上发现最早的离子通道活动亚状态。在用（）-（s）-202-791作用下, L-型钙通道失活大为减慢，此时可用Cs+ K+或 Na+作为通透性离子观察通道活动。结果发现，在PH降低条件下，通道可在两种水平上关闭。,5 . L型钙通道的阻断剂及激动剂,

20、可被异博定（verapamil）、D-600（加络帕米）（一种异博定的衍生物）和Mn2+ 、Co2+ 、La2+等所阻断。 双氢吡啶类（nifedipine）等也可阻断。 酸中毒、缺血、缺O2、代谢抑制剂、局麻药也可阻断ICa。当PH为6.6时，慢内向电流降低50，而PH为6.1时，则慢通道被完全阻断。,（四）T型Ca2+通道及其电流, 其激活阈值较低，一般在-50到-60mV; 它的失活也快，整个动态过程与INa相似，而与ICa.L不同。其激活及失活曲线也呈Boltzmann分布; 它在0相去极化时起作用; 它没有Ca2依赖性，并对L-型钙通道阻断剂及肾上腺素能受体激动剂不敏感； 它的单通道

21、电导小于L-型钙通道; 对低浓度及阿米洛利（amiloride ）比较敏感。,T-型钙通道与L-型钙通道有许多相似之处，但也有不同。,四. 钾通道电流,钾通道电流是引起心肌细胞动作电位复极的主要电流。除了动作电位开始时的0相去极化外，它在其它各相中均起重要作用。目前已知至少有10种钾电流。根据它们的不同特性，大致可以分为3种类型（1）延迟整流（delayed rectifier）；（2）瞬时外向电流（transient outward current）以及（3）即时发生而无失活。,（一）延迟整流钾电流（IK）,最初，这一外向电流是在狗浦氏纤维上发现的。它属于无失活的离子流类型，是心肌细胞动作电

22、位复极的重要电流，它的抑制就使动作电位时程延长。这在抗心律失常及心律失常的发生上有重要意义。其去激活则在窦房结的起搏中起着关键性作用。,1. 缓慢延迟整流钾电流（IKs),IKs的特性即为通常所认为的IK，它在去极化经数秒钟才达到稳态，在复极时其去激活也很慢，在-80mV时需数百毫秒。IKs的密度在不同动物心肌细胞上是不同的，豚鼠及狗的心室肌较多，而在大鼠、猫及兔心室肌上则较少。,2. 快速延迟整流钾电流（IKr),IKr存在于豚鼠心房肌及心室肌、兔心室肌及纤维以及猫心室肌上。在豚鼠心房肌上，IKr与IKs同时存在，当IKs充分激活时，其幅度远大于IKr， IKr的激活电位比IKs为低，而且激

23、活时程远快于IKs。豚鼠的IKr有明显的内向整流性质，而人与大鼠心肌细胞的IKr的内向整流性质较弱。,3. 超快速延迟整流钾电流（IKur),在人心房肌上，发现另一种不同于IKr及IKs的延迟整流电流。其激活更快（激活时间常数在25时为218ms）。它在-30mV时激活，几乎不失活。它的活动呈电压依赖性，具有外向整流性质。它对TEA、Ba2+、atropine均不敏感，而对4-AP高度敏感。,组成IK的三种电流及各相关基因表达的电流,4.影响IK的各种因素,-受体激动剂能明显增强IK的幅度并使其激活曲线向复极的方向偏移，即更易于被激活。因此-受体激动剂可使动作电位缩短。细胞内Ca2浓度的增高及

24、蛋白激酶C均能增强IK。 IK的阻断剂是临床上重要的抗心律失常药。业已证明以下物质是IK的选择性阻断剂： dofetilide,E-4031,UK-68798,UK-66914,Way123,398,sematilide,d-sotalol, CK3579及clofilium。至于IKS的阻断剂，则不如IKr那样具有特异性，如： tedisamil 、quinidine、 amiodarone及 clofilium。,（二）瞬时外向钾电流,它是具有失活特性的外向钾电流。包含两种成分：ILo及IBo或Ito1及Ito2 。它们的发生机制有所不同，前者是4-AP敏感的（SH族），而后者是Ca2+依

25、赖性的（SLO族）。但在分子结构上，均由4个含有6个螺旋的亚单位组成。,由于Ito2情况比较复杂，目前研究较少，一般Ito2均指Ito1。 Ito在去极化条件下激活，是属于有失活过程的钾通道，其稳态激活与失活曲线的测定方法基本相同，只是Ito是外向电流。它对动作电位的1相复极起重要作用，4-AP是Ito的选择性阻断剂。,（三）心肌细胞内向整流钾电流（IK1）,IK1的分子结构与Sh族不同，在负于反转电位时的内向部分与电压呈线性关系，而正于反转电位时不呈线性关系，而呈整流现象。如果钳制电压很负时如-120mV以上， IK1则仍然有激活现象而呈时间依赖性。细胞内Mg2+能抑制细胞内K+外流，若降低细胞内Mg2+，则可消除IK1的内向整流而呈