動作電位及其形成原理

1、動作電位及其形成原理1.動作電位（action potential, AP）指膜受刺激后在原有的靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生的一次膜兩側(cè)電位的快速而可逆的倒轉(zhuǎn)和復(fù)原。AP是由鋒電位和后電位組成的。鋒電位是AP的主要成分，因此通常說AP時主要指的是鋒電位。AP的幅度約為90130mV神經(jīng)和骨骼肌纖維的 AP的去極化上升支超過 OmV 電位水平約35mV這一段稱為超射。神經(jīng)纖維的AP一般歷時0.52.0ms，可沿膜擴布， 又稱神經(jīng)沖動（impulse ）。因此，興奮和神經(jīng)沖動是動作電位的同意語。2動作電位形成的原理由于AP的峰出現(xiàn)超射，即膜電位由靜息時的內(nèi)負外正轉(zhuǎn)變成內(nèi)正外負，Hodgkin認為：AP的形成

2、可能不是單純由于膜對K通透性發(fā)生改變（如僅對X不再通透，膜電位至多能達到零電位水平），而很可能是受刺激時膜對Na+產(chǎn)生通透的結(jié)果。他們降低細胞外液中的 Na+濃度時，觀察到AP峰電位的幅度和上升支的斜率均降低，說明AP確是由于膜對 Na的通透性增加而造成的。而 AP的復(fù)極化過程可能是由于膜重新對K通透造成的。(筆)單-fflpB70O -“*AP的組成（1）AP產(chǎn)生的離子學(xué)說：電壓鉗方法的研究關(guān)于細胞受刺激時膜對 Na+的通透性增加的原因，Hodgkin和Huxley認為，可能是電 刺激改變了膜的極化狀態(tài)（膜電位改變），導(dǎo)致膜的通透性改變而出現(xiàn)離子流的結(jié)果。要證 實這一猜想，只需人為改變膜電位

3、的大小并觀察其對離子流的影響。然而，由歐姆定律可知，電阻一定時，電流發(fā)生改變，必然引起膜電位隨之變化，這樣就無法觀察膜電位對離子流的影響。于是他們創(chuàng)造性地設(shè)計并進行了著名的電壓鉗實驗，通過將膜電位鉗制在不同水平，以避免離子流反過來影響電壓值。電壓鉗方法：通過電壓電極施加指令電壓，若該電壓變化引起了膜對 Na+或X的通透性發(fā)生改變，膜上將出現(xiàn)相應(yīng)的離子流。電流電極記錄到的膜電流值一方面作為實驗結(jié)果，一方面又作為電壓鉗放大器發(fā)出的對抗電流的參考值，該對抗電流的大小與膜離子流相等，但方向相反，因而可維持指令電壓。 如果要單獨觀察 Na電流，可用TEA（tetraethylammonium , 四乙基

4、胺）阻斷 K外流后得到；單獨觀察 K外流，則用TTX（ tetrodotoxin ，河豚毒）阻斷 Na內(nèi)流后得到。電壓鉗模式圖壓鉗方法得到的結(jié)果：圖表示膜去極化引起的電導(dǎo)（GNa和GK）的變化（是由鉗制在指令電壓V時，觀察到的離子電流I，用歐姆定律計算出的）。電導(dǎo)（G）： G是電阻的倒數(shù)。膜對某離子的電阻，是指膜對該離子通過的阻力大小，其倒數(shù)，G則是該離子通過的容易程度，換句話說，也就是指通透性的大小。因此GNa和GK表示了 Na+和K+的通透性?？梢钥闯觯?膜的GNa和GK都是電壓依賴性的。 去極化時，GNa和 GK都增加，而且增加的幅度隨 去極化增加而加大；(Jnv)電壓鉗記錄結(jié)果 去極化

5、時，膜的 GNa和GK變化的時程不同，GNa增加出現(xiàn)快，短時間內(nèi)達到高峰, 又很快下降；而 GK則在去極化開始后延遲一段時間才緩慢增加，逐漸達到最大，只要去極 化持續(xù)，就不會減弱，去極化結(jié)束后，再緩慢恢復(fù)。從多次實驗中，Huxley等得出了完滿的數(shù)學(xué)模型。右下圖的下圖是他們用一次短暫的 去極化刺激后引起的 GNa和GK變化，和以其為基礎(chǔ)重建（計算）的動作電位（虛線）。這 種計算的動作電位與實驗中記錄到的幾乎完全相同。結(jié)論：動作電位的上升支（去極相）是因為膜對Na+的通透性增加導(dǎo)致的 Na+內(nèi)流引起的，而下降支（復(fù)極相）則是膜對K+的通透性增加導(dǎo)致的 K+外流引起的。（2）AP與電壓門控離子通道

6、：膜片鉗方法的研究膜片鉗（patch clamp）技術(shù)：是將微電極尖端細胞膜上的單個離子通道的電流經(jīng)高分 辨放大后記錄的技術(shù)。單個離子通道的電流（簡稱為單通道電流）是全或無的，電流很小， 是pA級的。河豚毒和四乙基胺能單獨阻斷GNa和GK而不影響對方，同位素標(biāo)記的兩種毒素顯示它們分別與細胞膜上不同的“點”特異結(jié)合。這使人們推斷細胞膜中有特殊的蛋白質(zhì)離子通道的存在。而所謂膜對離子的通透性的 改變，實際上是決定于這些離子通道蛋白質(zhì)分子的功能狀態(tài)。因此有必要對單個通道的特性進行研究。膜片鉗技術(shù)在這樣的研究背景下被催生出來。它通過與細胞膜接觸的微電極尖端將一小片膜吸入尖端開口， 并形成高阻封接，從而使

7、這一小片膜與其余的細胞膜在電學(xué)上完 全隔離開，這樣就可對這一小片膜上的單個離子通道的電學(xué)特征進行研究。膜片鉗的研究結(jié)果：從圖中可以看出，膜片鉗實驗結(jié)果（左圖為單通道電流，右圖為總和結(jié)果） 通道的開放和關(guān)閉都是突然的 ，說明通道蛋白可以從一種構(gòu)象快速躍變到另一種構(gòu) 象。 通道開放時具有恒定的電導(dǎo)，即通道只有開”或 關(guān)”兩種狀態(tài)，沒有中間狀態(tài)。 同一個通道每次開放持續(xù)時間不一致，即通道開放的長短具有隨機性。 若化學(xué)門控通道結(jié)合了相應(yīng)的信號分子，或電壓門控通道處于特定的膜電位水平時，通道的開放幾率增大。膜片鉗實驗證明：不論是單個 N才通道電流或 X通道電流（B）,將多次單個通道的電 流總和后（C）,

8、與電壓鉗記錄的全細胞膜（許多個）通道的電流（ D）結(jié)果一致，進一步證 明了細胞生物電現(xiàn)象的離子學(xué)說是正確的。（3 ）電壓門控離子通道的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：分子生物學(xué)方法的研究離子通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究路線：用毒素(例如放射標(biāo)記的 TTX)與電壓門控 Nh通道結(jié)合t分離純化并進行結(jié)構(gòu)分析t得出分子結(jié)構(gòu)t進行人工構(gòu)建t膜片鉗方法研究其功能特 點t如構(gòu)建的通道與毒素結(jié)合的通道功能相同，則證明結(jié)構(gòu)分析是正確的。通過上述方法準確揭示了電壓門控Na+通道的分子結(jié)構(gòu)：它由 2個a、3 1和B 2共4個亞基組成。a亞基上具有四個相似的結(jié)構(gòu)域I , II , HI , IV ,它們可以圍出一個中間孔道。每一個結(jié)構(gòu)域又由六個

9、 a螺旋組成。目前認為，所有的電壓門控離子通道可能屬于同一 個基因家族，因此在結(jié)構(gòu)上是相似的。3興奮性、動作電位與電壓門控離子通道的內(nèi)在聯(lián)系(1 )槍烏賊巨軸突膜上至少有兩種電壓門控的離子通道，即Na+通道和X通道。它們各具有不同的功能狀態(tài)。電壓門控Na+通道有兩道門，三種功能狀態(tài)。 關(guān)閉時，是備用狀態(tài)，激活門關(guān)著，失活門開著； 激活時，是開放狀態(tài)，兩道門都開著； 失活時，是不能被激活的關(guān)閉狀態(tài)，激活門開著，失活門關(guān)著。Na+通道被激活后必須首先進入失活狀態(tài)，然后才能逐漸恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)以備下次被激活。Na+通道不可能直接由激活狀態(tài)進入關(guān)閉狀態(tài)。 由于AP的產(chǎn)生是因Na+通道被激活導(dǎo)致 Na+內(nèi)

10、流，所以Na+通道的狀態(tài)必 然影響細胞膜對新的刺激的反應(yīng)性。當(dāng)N扌通道進入失活狀態(tài)時，無論給與細胞膜多么強的刺激，也不能誘發(fā)新的 AP的產(chǎn)生，這就是絕對不應(yīng)期。N”通道K+通人失活門關(guān)詡 澈活 失活關(guān)閉 激活電壓門控Na+通道有兩道門，三種功能狀態(tài)電壓門控K+通道只有一道門，兩種功能狀態(tài)。安靜時，是關(guān)閉狀態(tài)，門是關(guān)著的；激 活時，是開放狀態(tài)，門是開著的（2）AP的產(chǎn)生與離子通道的狀態(tài)（AP產(chǎn)生原理的現(xiàn)代認識）靜息時，電壓門控Ns+通道和K+通道均處于關(guān)閉狀態(tài)，而只有非門控K+通道開放并產(chǎn)生 靜息電位。AP上升支的產(chǎn)生是因膜受刺激后，電壓門控Na+通道開放，Na+迅速大量的內(nèi)流導(dǎo)致膜發(fā)生去極化直

11、至反極化。上升支的頂點接近于Na+平衡電位。AP下降支的產(chǎn)生是因 Na+通道開放后迅速失活，而 K+通道延遲開放導(dǎo)致 K外流，細胞 膜發(fā)生復(fù)極化。后超極化期膜電位比 RP值更負，這是因為細胞膜復(fù)極化到 RP水平后，X通道還未完全 恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)，因而仍有少量的K外流。（3）AP （興奮）后興奮性變化的原理鋒電位期間細胞處于絕對不應(yīng)期，此時任何強度的刺激均不能引起新的AP產(chǎn)生。這是因為在AP的去極化相，Na通道已全部打開。AP復(fù)極化相早期，即下降支的大部分時間內(nèi)， Na通道處于失活狀態(tài)，此時 Na+通道不可能再次被激活。AP復(fù)極化的后期和后超極化期時，細胞處于相對不應(yīng)期內(nèi)，此時閾上刺激有可能引起 AP的產(chǎn)生。原因是這時 Na+通道部分恢復(fù)或完全恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)，可以接受刺激再次開放。 但因X通道仍然處于開放狀態(tài)，K+外流可對抗Na+內(nèi)流引起的去極化，所以必須有比閾刺激更強的刺激才能使膜電位去極化達到閾電位水平，而觸發(fā)AP的產(chǎn)生。此時膜的興奮性較正常時低。（4） 細胞內(nèi)外的離子濃度不會因 AP產(chǎn)生而改變AP雖然是由N6內(nèi)流和K+外流產(chǎn)生的，但每次動作電位發(fā)生時跨膜的Ns+、K+的量與細胞內(nèi)外原有離子的量相比是很小的。槍烏賊巨軸突產(chǎn)生一次動作電 位，膜內(nèi)喪失的K僅是原有