神经肌肉兴奋原理及细胞膜结构

1、第四讲 神经肌肉的兴奋原理及细胞膜结构,坐骨神经-腓肠肌模型,将分离的坐骨神经-腓肠肌模型浸入任氏液（ 种比较接近两栖动物内环境的液体）备用； 用沾有任氏液的锌铜弓触及一下坐骨神经或用鑷子夹持坐骨神经中枢端，腓肠肌发生迅速而明显的收缩； 然后再用食盐（或1% H2SO4滤纸）刺激坐骨神经中枢端（或肌肉），腓肠肌发生迅速而明显的收缩。 18世纪末期的发现蛙腿论战 关键人物伽伐尼伏打诺伯里,触发神经肌肉反射的物质是什么？,背景：人们已经发现了电的基本原理 电信号、离子？ 传播方式？ 是离子在细胞中运动吗？ 细胞是一个整体，离子怎样进入？,关于细胞膜的背景,离子在细胞中流动？ 细胞膜的发现似乎不支持

2、这种看法 1895年Overton研究各种未受精的卵细胞，发现脂溶性物质容易通过细胞膜 说明细胞膜是由脂类构成的，离子很难通过 细胞外表面是亲水的 说明 脂质、胆固醇 植物研究中的启发 你猜测细胞膜应该是什么样的构造？,细胞膜的发现,细胞膜的发现,人工制作的磷脂双分子层小泡脂质体,细胞膜的发现,1925年Gorter 和Grendel用丙酮提取红细胞膜脂，并将其在空气/水界面上展开，萃取得到了物质可以铺展成两倍红细胞膜的面积,细胞膜的发现,你们怎么评价Gorter 和Grendel的实验？ 有什么问题？ 丙酮萃取出的膜脂仅占总膜脂的70% 单层油脂分子的间距是可变的 他们用血图片的办法测量红细

3、胞表面积 Langmuir Trough的使用方式 后来的更有趣的实验(Zwall, et al., 1975)，脂膜对糖脂酶的耐受，给出更确切的估计,细胞膜的发现,Danielli and Davson 模型(1935),Danielli and Davson (1935) proposed a membrane model including proteins. They used their model to interpret the observation of different membrane permeabilities of ions and hydrocarbons. I

4、n particular, they assumed that the membrane has both a lipophilic and a hydrophilic character. Watercontaining regions in the membrane give rise to ion transport depending on water content of the membrane and its charge; lipophilic parts are responsible for the transport of water-insoluble molecule

5、s.,细胞膜的发现,Robertson 电镜照片(1958),Robertson (1959) collected electron microscopy images of many cells and organelles. His picture of a biological membrane resembles that of Danielli and Davson (1935). However, it is now based on microscopic evidence.,细胞膜的发现,The Fluid Mosaic Model of Singer and Nicolson

6、 (1972) the structures of a number of soluble proteins were solved by X-ray crystallography many membrane proteins have a high -helical content that labeled proteins form isolated spots in some membranes considered the role of hydrophobic amino acids in -helices,细胞膜的发现,Domain Formation and Protein C

7、lusters,During lipid melting transitions the thickness of lipid membranes and the lateral lipid distribution changes. This is of extreme interest for regulation and signal transduction purposes in such membranes,细胞膜的发现,现代细胞膜模型,细胞膜的基本结构特点,细胞膜由膜脂和蛋白质构成 细胞有500-1000种不同的膜脂，是细胞膜基本结构 这些膜脂可以分为三大类： 磷脂、胆固醇、糖脂

8、 它们的结构和功能有各自的特点 蛋白质完成膜的主要功能，包括 受体、酶、转运蛋白,磷脂,细胞膜脂的主要成分 其中最重要的成分是磷酸甘油脂（phosphoglycerides）,磷脂分类,主要有四种： 磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰丝氨酸、 磷脂酰胆碱（卵磷脂）、 鞘磷脂,胆固醇,神经节苷脂是一类重要的糖脂,Gal: 半乳糖 Glc: 葡萄糖 GalNAc: 乙酰半乳糖胺,糖脂位于细胞膜的外层,膜脂的性质,脂膜是一种二维液体 膜脂在脂膜中很容易侧向运动（流动） 但是除胆固醇之外，所有其它膜脂都无法快速地从内侧翻转到外侧，反之亦然 脂膜的流动性受到膜脂成分的影响 双层膜的厚度受到膜脂特性的影响,(A) 卵

9、磷脂与鞘磷脂1:1混合制备的脂质体中，两种膜脂均匀分布；(B) 卵磷脂、鞘磷脂、胆固醇1:1:1混合制备的脂质体中，鞘磷脂与胆固醇形成脂筏,人工脂膜上的脂筏AFM显微镜观测结果,胆固醇降低脂膜的侧向形变特性，从而降低脂膜对水溶性分子的通透性 胆固醇并不降低脂膜的流动性，它还能降低细胞膜的熔点 卵磷脂、胆固醇、鞘磷脂组成的脂质体中，胆固醇、鞘磷脂形成岛状区域 细胞膜中也有这样的区域，称为“脂筏” 脂筏主要由卵磷脂和鞘磷脂形成 脂筏比其它区域厚，因此蛋白质不易从脂筏中侧向扩散到其它区域,质膜的不对称性,细胞膜的不对称性 头部含有胆碱基团的在外侧膜（卵磷脂、鞘磷脂） 头部含有氨基的在内侧膜（磷脂酰丝

10、氨酸、磷脂酰乙醇胺） 磷脂酰丝氨酸带负电荷 一些重要但是少量的磷脂在内侧膜参与信号转导，如：肌醇磷脂 （inositol phospholipid） 磷脂的不对称性由磷脂泵调控 细胞凋亡使磷脂泵失效，脂膜不对称性消失,膜蛋白,还记得我们的问题从哪里开始的吗？ 神经的电信号依赖于离子 离子无法自由穿透脂膜 脂膜上的蛋白质具有多种功能，主要负担起信号转导、酶催化、输运各种物质的功能 膜蛋白有如下几种形式,大部分跨膜蛋白的跨膜结构是螺旋 螺旋可以互相发生作用,一些折叠形成跨膜通道,参与跨膜输运的蛋白主要分为两种：转运蛋白（载体）、通道蛋白,上述两类蛋白参与神经兴奋电信号转导,人类细胞不兴奋时（静息）

11、质膜内外存在电位差称为静息电位 骨骼肌 -90mV 神经细胞 -70mV 平滑肌 -55mV 红细胞 -10mV 平稳的静息电位下，细胞膜电位外正内负担状态成为极化 静息电位数值减小为去极化，反之为超极化,静息电位产生机制,细胞膜内外的离子浓度差 钠钾泵将3个Na+泵出胞外，2个K+运进胞内 胞外Na+浓度远高于胞内，胞内K+浓度远高于胞外 K+通道辅助K+自由扩散到胞外，造成静息电位差,钠钾泵,钾通道,用电极插入枪乌贼的大神经轴突，测量动作电位； 动作电位向两个方向均能传播，并在某个触发阈值之上便可发生全或无特点,超射,将枪乌贼的轴突内细胞液抽干，灌注人工配置的混有Na+，K+，Cl-的溶液

12、，当且仅当轴突内外的离子浓度与自然状态下相当时，动作电位的工作模式不变说明质膜、离子是动作电位的关键,动作电位,用电压钳技术保持轴突内外电压在+20mV左右，另外用一个电极检测膜内外电压；在去激化或者膜内正电压的刺激下Na+通道迅速打开，使Na+内流，其瞬间内流量明显大于K+外流（此时Na+电导率增加），膜内电位升高；Na+通道迅速关闭，尽管刺激仍然存在段时期内也不激活，进入不应期；K+在膜内高电压的驱动下外流增加（稍有延后）。 上述现象需要用河豚毒素特异性阻断Na+通道，或者四乙胺特异性阻断K+通道后方能观测到。,Na+电压门控通道示意图,用膜片钳记录Na电压门控通道的开、闭状态,动作电位产

13、生机制,电压门控钠通道打开，造成Na+内流 膜两侧的离子浓度差造成静息电位降低，并超射 随着超射升高，电压门控钠通道关闭，钠钾泵继续工作，K+继续外流 静息电位恢复,动作电位的传播,动作电位带来的离子浓度差别引起相邻的电压门控钠通道的反应，导致信号传播,郎飞节提高神经传导效率,神经对肌肉的控制及肌肉运动,肌肉的分类 形态学特点：横纹肌、平滑肌 神经支配的特点：随意肌、非随意肌 功能特性：骨骼肌、心肌、平滑肌,骨骼肌,心肌,平滑肌,横纹肌,骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递,终板的结构和重要分子,神经末梢端接头前膜 相对的肌肉端终板膜 二者之间间隙50nm接头间隙 接头前膜内神经末梢中含许多囊泡，囊泡

14、中含有乙酰胆碱 终板膜上有N2型ACh阳离子通道 终板膜表面有乙酰胆碱酯酶,神经递质导致终板电位,Acetylcholine 乙酰胆碱，ACh,神经纤维动作电位,接头前膜去极化,电压门控钙通道开放,Ca2+进入神经末梢,突出囊泡与接头前膜融合、ACh释放,Ach结合并激活Ach受体通道,终板膜对Na+，K+通透性增高,终板电位,肌膜动作电位,Ach被胆碱酯酶分解,肌肉终板电位的特点,Ach量子释放； 属于局部反应，不表现“全或无”； 没有不应期； 具有总和效应； 单向传递。兴奋由运动神经末梢传向肌细胞； 时间延搁。递质的释放、扩散及其与受体结合而发挥作用，均需要时间，兴奋通过一个神经-肌接头头

15、至少需要0.51.0ms； 易受药物和其他环境因素的影响。,ACh受体是一个非常有历史地位的受体,第一个被纯化的离子通道，第一个确知氨基酸序列，第一个人工嵌入在脂质体膜中保佑活性，第一个记录下单离子电流，第一个被基因测序并克隆，第一个确定三维结构的离子通道 在电鱼、电鳗、电鳐的产电器官中大量存在 与一些特定药物如-银环蛇毒可以特异性结合可以通过亲和层析纯化,ACh受体的分子特点,ACh受体分子由5条跨膜肽链组成其中两条一样； 这些肽链具有高度同源性； 当ACh与受体结合后，受体构象发生变化，即胞外端开始旋转，破坏了封住通道口的环状结构。 该通道模式图,Ach受体是多种药物的作用靶点,箭毒素和-

16、银环蛇毒可特异性阻断ACh受体通道； 新斯的明为胆碱酯酶抑制剂，抑制胆碱酯酶增加ACh在接头间隙的浓度； 有机磷农药使胆碱酯酶磷酰化丧失活性，使ACh大量蓄积，造成中毒； 重症肌无力：自身抗体致终板膜上ACh受体通道被破坏； 肌无力综合征：自身抗体破坏了轴突末梢钙通道,终板膜上没有电压门控钠通道，不产生动作电位，但是终板电位可以刺激周围具有电压门控钠通道的肌膜，产生动作电位，并传递。,动作电位如何触发肌肉兴奋？,首先看横纹肌的微细结构，以骨骼肌为例,粗肌丝：肌球蛋白（myosin）,细肌丝：肌动蛋白(actin)， 原肌球蛋白(tropomyosin)， 肌钙蛋白(troponin, T,I,

17、C),横桥，头部由myosin轻链构成,肌纤维的重要结构,几个重要结构 明带、暗带、H带 Z线、M线 肌节 肌管系统 横管（T管），有L型钙通道 纵管（肌质网，SR，LSR，JSR），有雷诺定受体（ryanodine受体）,ACh的到来使细胞内钙升高,ACh受体触发细胞内钙库释放Ca2+ SR是细胞内部的钙库,心肌,骨骼肌,细胞内钙浓度升高造成肌肉收缩,肌丝收缩过程,横桥周期是肌纤维收缩的驱动过程,横桥具有ATP酶活性，舒张状态下将与其结合的ATP分解，部分能量用于竖起横桥； Ca2+浓度升高导致actin位点暴露，myosin与actin结合； 结合导致横桥构象改变，其头部向杆部扭动45，A

18、TP水解能量耗尽，ADP与磷酸解离； 横桥重新结合1个ATP分子，使其与actin亲和力降低，与之解离，横桥重新竖起。,肌丝滑移理论,肌肉的等长收缩和等张收缩,等长收缩： 收缩时肌肉长度固定，只有张力增加 横桥桥臂等蛋白纤维的形变与粗、细肌丝滑移相当 等张收缩： 收缩时肌肉缩短而张力保持不变 明带与暗带相对位移，至肌肉产生最大形变时蛋白纤维方产生明显的形变。 肌肉收缩效能：等长收缩和等张收缩 平滑肌工作原理 平滑肌结构特点 平滑肌的分类：单单位和多单位 平滑肌自律性 平滑肌收缩机制,初长度的测量： 等长收缩中肌肉初长度与张力的关系； 肌肉主动收缩力为依靠ATP水解驱动的； 被动收缩力则不需要ATP水解，在测量时，去除刺激肌肉纤维的电流即可测量得到。,后负荷的测量：等张收缩中肌肉收缩速度和载荷的关系；当收缩速度为零时，肌肉的主动张力达