第二講神經(jīng)元的電活動演示文稿

第二講神經(jīng)元的電活動演示文稿當(dāng)前1頁，總共52頁。優(yōu)選第二講神經(jīng)元的電活動當(dāng)前2頁，總共52頁。靜息態(tài)的神經(jīng)元膜膜的化學(xué)特性膜上的離子流動靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)當(dāng)前3頁，總共52頁。神經(jīng)科學(xué)Neuroscience當(dāng)前4頁，總共52頁。神經(jīng)科學(xué)Neuroscience神經(jīng)系統(tǒng)信號的傳遞都通過電或者化學(xué)信號，其中電信號對于信息的快速及長距離傳播具有重要意義。所有的電信號（受體電位、突觸電位、動作電位）都是通過膜兩側(cè)的離子濃度變化來實(shí)現(xiàn)的，離子進(jìn)入或者流出細(xì)胞導(dǎo)致細(xì)胞偏離其靜息狀態(tài)。能夠產(chǎn)生和傳導(dǎo)興奮的細(xì)胞具有可興奮性膜（excitablemembrane）,其在靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜內(nèi)外具有的電勢差稱之為靜息膜電位。當(dāng)前5頁，總共52頁。一、膜的化學(xué)特性神經(jīng)科學(xué)Neuroscience1，膜兩邊的鹽溶液細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞外液水和離子水是一極性溶劑Cation:K+,Na+,Ca2+Anion:Cl-當(dāng)前6頁，總共52頁。一、膜的化學(xué)特性神經(jīng)科學(xué)Neuroscience2，磷脂膜當(dāng)前7頁，總共52頁。一、膜的化學(xué)特性神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，跨膜蛋白質(zhì)酶受體離子泵離子通道

離子選擇性（ionselectivity）

門控特性(gate)當(dāng)前8頁，總共52頁。二、膜上的離子流動神經(jīng)科學(xué)Neuroscience離子移動所需的外力：1、濃度梯度擴(kuò)散Diffusion

a.膜兩側(cè)具有濃度梯度

b.膜上具有離子通道當(dāng)前9頁，總共52頁。二、膜上的離子流動神經(jīng)科學(xué)Neuroscience離子移動所需的外力：2、電場作用Electricity

a.膜上具有離子通道

b.膜兩側(cè)具有電勢差

I＝gVI，電流；g，電導(dǎo)；V，電壓。當(dāng)前10頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience1、靜息膜電位：Vm

在任何狀態(tài)下跨神經(jīng)元膜的電壓稱為膜電位。典型的神經(jīng)元的靜息膜電位大約為-65mV。

靜息膜電位的測量方法當(dāng)前11頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience2、離子平衡電位Eion平衡某種離子濃度梯度的電位差，簡稱為平衡電位，是針對某種特定離子的電位，Eion。a、當(dāng)膜不能通透離子時，雖然有濃度差，但沒有離子的流動，故膜電位為零，Vm=0。b、膜上有鉀離子通道時，鉀離子可以順濃度梯度流出到胞外，則胞內(nèi)會有過多的A-，而細(xì)胞外就會積聚過多的正電荷K+，則會出現(xiàn)跨膜電位。c、隨著胞內(nèi)越來越多的負(fù)電荷積聚，負(fù)電荷就會吸引帶正電的鉀離子返回胞內(nèi)。當(dāng)達(dá)到一定的電位差后，吸引K＋回胞內(nèi)的電勢與擴(kuò)散力剛好相等，但方向相反，就會達(dá)到平衡狀態(tài)。字母大小代表濃度高低當(dāng)前12頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience2、離子平衡電位Eiona，膜電位的巨大改變是由離子濃度的小變化引起的b，凈電荷差發(fā)生在膜的內(nèi)和外表面c，離子被驅(qū)動跨膜運(yùn)動的速率與膜電位和平衡電位之差成正比；（Vm-Eion）被稱為離子驅(qū)動力d，如果已知某一離子的跨膜濃度差，可以計(jì)算其平衡電位跨膜電荷分布當(dāng)前13頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience計(jì)算離子平衡電位的Nernst方程

如果膜兩側(cè)存在濃度梯度，且膜只對某種離子通透，則可以得到穩(wěn)態(tài)電位。可以根據(jù)Nernst方程計(jì)算其平衡電位：

Eion=RT/zF×ln[ion]o/[ion]iR氣體常數(shù)，T絕對溫度，z離子電荷，F(xiàn)法拉第常數(shù)，[ion]內(nèi)外膜離子濃度當(dāng)前14頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3、離子的跨膜分布鉀離子膜內(nèi)多，鈉鈣氯離子膜外多當(dāng)前15頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3、離子的跨膜分布離子濃度梯度的建立是因?yàn)殡x子泵的作用。1)Na-Kpump，將鉀離子泵進(jìn)胞內(nèi)，鈉離子泵出胞外。2)Calciumpump，將鈣離子泵出到胞外，此外內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、鈣結(jié)合蛋白等也可以降低胞內(nèi)鈣離子濃度。當(dāng)前16頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience4、膜在靜息狀態(tài)下離子的相對通透性神經(jīng)元在靜息時，對離子具有選擇通透性，假如僅對一種離子通透：

K+，則Vm=Ek+=-80mVNa+,則Vm=ENa+=62mV

實(shí)際上Vm～－65mV，介于EK和ENa之間。對鉀離子的通透遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對鈉離子的通透性。當(dāng)前17頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience4、膜在靜息狀態(tài)下離子的相對通透性C、去極化使鉀離子平衡狀態(tài)被打破，鉀離子濃度梯度大于電場作用力，使鉀離子流出，與流入的鈉電流方向相反，最終達(dá)到平衡。此為新的靜息膜電位。B、膜上有少部分鈉通道開放，鈉離子在濃度梯度和電場作用下進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)部，細(xì)胞開始去極化。A、只對鉀離子通透，Vm=Ek神經(jīng)元靜息膜電位的形成當(dāng)前18頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience4、膜在靜息狀態(tài)下離子的相對通透性當(dāng)膜電位受幾種離子影響的時候，每一種離子對膜電位的影響不僅取決于膜內(nèi)外的離子濃度，而且也取決于該離子對膜的通透性(permeability,P)。G-H-K

Equation:方程表明：離子濃度越大，通透能力越強(qiáng)，其在維持靜息膜電位中就具有更大的作用。*Goldman-Hodgkin-Katz當(dāng)前19頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience4、膜在靜息狀態(tài)下離子的相對通透性如果某一種離子的通透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它離子，Goldman方程等同于Nernst方程。如膠質(zhì)細(xì)胞中PK>>PCl,PNa.AlanHodgkin,BernardKatz測定了幾種離子在靜息電位的通透能力：PK：PNa：PCl＝1.0:0.04:0.45在動作電位峰值，其通透性為：PK：PNa：PCl＝1.0:20:0.45當(dāng)前20頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience5、調(diào)控細(xì)胞外鉀離子濃度的重要性靜息膜電位受胞外鉀離子濃度影響因?yàn)樯窠?jīng)元膜在靜息狀態(tài)下對鉀離子有更高的通透性，使得靜息膜電位接近于鉀離子平衡電位膜電位對胞外鉀離子濃度變化特別敏感。提高胞外鉀離子濃度可以使膜電位去極化。當(dāng)前21頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience5、調(diào)控細(xì)胞外鉀離子濃度的重要性1）胞外鉀離子濃度升高將造成細(xì)胞去極化，細(xì)胞興奮；2）血腦屏障限制鉀離子進(jìn)入腦部胞外液；3）星形膠質(zhì)細(xì)胞具有空間緩沖胞外鉀離子的作用；4）其它可興奮細(xì)胞沒有這種保護(hù)機(jī)制，則鉀離子濃度升高可導(dǎo)致心臟停止跳動。當(dāng)前22頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience5、調(diào)控細(xì)胞外鉀離子濃度的重要性星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)節(jié)胞外鉀離子濃度的機(jī)理：鉀離子立體緩沖(Potassiumspatialbuffering)當(dāng)胞外鉀離子濃度升高時，鉀離子進(jìn)入星形膠質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致膠質(zhì)細(xì)胞去極化。鉀離子的進(jìn)入增加胞內(nèi)鉀離子濃度，繼而被延伸的星星膠質(zhì)細(xì)胞突起的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分散到一個很大的區(qū)域。當(dāng)前23頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience5、調(diào)控細(xì)胞外鉀離子濃度的重要性JackKevorkianDr.Death致死注射：1990年4月，JackKevorkian幫助了患有AD的54歲的JanetAdkins結(jié)束她的生命。Adkins夫人首先滴注了一種含有麻醉劑的溶液，然后自動轉(zhuǎn)換為氯化鉀溶液。麻醉劑可以使Adkins夫人喪失知覺。心臟停止跳動以及死亡是由于氯化鉀注射導(dǎo)致的。可興奮細(xì)胞（包括心?。┑墓δ苄枰?xì)胞膜在不產(chǎn)生動作電位是維持在靜息膜電位水平。由于胞外鉀離子濃度大量升高，細(xì)胞去極化，沒有負(fù)的靜息膜電位，心肌細(xì)胞不再能夠產(chǎn)生導(dǎo)致收縮的沖動，心臟就立刻停止了跳動。當(dāng)前24頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience6、離子通道定義：可以傳導(dǎo)離子；識別和選擇性傳導(dǎo)離子；對特定的電、化學(xué)和機(jī)械信號作出反應(yīng)而開放或者關(guān)閉通道可被一些藥物和毒素等阻斷；離子通道的功能失調(diào)可導(dǎo)致疾病的發(fā)生；當(dāng)前25頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience6、離子通道結(jié)構(gòu)：離子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白質(zhì)組成，由兩個或者多個相同或者不同的亞基組成的，某些通道還有調(diào)節(jié)其功能的附屬亞基。根據(jù)相似的氨基酸序列和跨膜結(jié)構(gòu)，離子通道被分為以下三類：配體門控通道(Ligand-gated)、縫隙連接通道(Gap-junction)、電壓門控通道(Voltage-gated)。離子通道的結(jié)構(gòu)功能可以通過PatchClamp、Genecloning、X-raycrystallography、NMR、EPR等方法研究。當(dāng)前26頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道Shaker鉀通道鉀通道的選擇性通透是決定靜息膜電位的重要因素，其選擇性的分子基礎(chǔ)主要是在通道內(nèi)氨基酸殘基的排列。鉀通道由四個亞單位所組成。Poreloop去作為選擇性濾器使得通道對鉀離子有最高的通透性。該區(qū)域一個氨基酸的突變就能嚴(yán)重破壞神經(jīng)元功能。當(dāng)前27頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道LilyJan&YuhNungJan果蠅中有一種突變體Shaker，對乙醚的反應(yīng)是晃動腿、翅膀和腹部。電生理研究揭示Shaker突變體的鉀通道功能異常。利用分子生物學(xué)技術(shù)，Jan等人繪出了Shaker體內(nèi)突變的基因。這個Shaker基因編碼一種鉀通道。當(dāng)前28頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道鉀通道可分為以下幾種：1、IK，delayedrectifier,延時整流鉀通道，慢激活2、IA，A-type,瞬時鉀電流，快激活，快失活3、Ica，Calciumactivated，鈣激活鉀電流，去極化+鈣4、Iir，inward-retifier,內(nèi)向整流，超極化激活5.IM，M-typechannel,小的去極化激活，Ach失活。當(dāng)前29頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道鉀通道孔道俯視圖中間紅球?yàn)镵+當(dāng)前30頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道三種鉀離子通道電壓門控內(nèi)向整流Twoporedomain當(dāng)前31頁，總共52頁。三、靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)Neuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道內(nèi)向整流鉀通道的X-ray衍射結(jié)構(gòu)當(dāng)前32頁，總共52頁。動作電位動作電位特性理論上的動作電位實(shí)際中的動作電位動作電位的傳導(dǎo)動作電位、軸突和樹突當(dāng)前33頁，總共52頁。一、動作電位特性神經(jīng)科學(xué)Neuroscience1，動作電位的上升相和下降相示波器記錄及動作電位的上升和下降相上升相risingphase超射 overshoot下降相fallingphase回射 undershootNa+內(nèi)流引起去極化K+外流引起復(fù)極化當(dāng)前34頁，總共52頁。一、動作電位特性神經(jīng)科學(xué)Neuroscience2，動作電位的記錄方法胞內(nèi)記錄(Intracellularrecording)胞外記錄(Extracellularrecording)復(fù)合動作電位記錄(CompoundAPrecording)當(dāng)前35頁，總共52頁。一、動作電位特性神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，單個或多個動作電位的產(chǎn)生不同的神經(jīng)元，去極化以不同的形式引發(fā)動作電位：皮膚受刺激，通過牽張敏感的(stretch)鈉離子通道；神經(jīng)遞質(zhì)引起的鈉通道開放，如中間神經(jīng)元；胞內(nèi)注射電流也可以產(chǎn)生動作電位?！伴撝怠碑?dāng)前36頁，總共52頁。一、動作電位特性神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，單個或多個動作電位的產(chǎn)生動作電位發(fā)放頻率依賴于去極化電流的強(qiáng)度，即刺激強(qiáng)度被編碼為神經(jīng)沖動頻率。發(fā)放動作電位的速率是有上限的，最大發(fā)放頻率大約為1000Hz。當(dāng)前37頁，總共52頁。二、理論上的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience1，膜電流和膜電導(dǎo)鈉、鉀通道關(guān)閉Vm=0僅鉀通道開放通道開放，有電導(dǎo)，驅(qū)動力為Vm-Ek平衡狀態(tài)Vm=Ek驅(qū)動力(Vm-EK)，電流，電導(dǎo)三者之間關(guān)系：IK=gK(Vm-EK)Iion=gion(Vm-Eion)當(dāng)前38頁，總共52頁。二、理論上的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience2，動作電位過程中離子的進(jìn)出動作電位可以看做是離子通道的通透性轉(zhuǎn)變導(dǎo)致膜電位的翻轉(zhuǎn)靜息狀態(tài)下，鈉離子具有很大的驅(qū)動力Vm-ENa=-80-62=-142mV。膜對離子的通透性由鉀離子變?yōu)殁c離子，膜電位可以在極短的時間內(nèi)逆轉(zhuǎn)。當(dāng)前39頁，總共52頁。三、實(shí)際的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience1，電壓鉗方法1963NobelPrize要驗(yàn)證理論上的動作電位，可以通過測定在動作電位的不同時期各離子的電導(dǎo)，以期確定鉀鈉離子及其通道在動作電位產(chǎn)生過程中的作用。測電導(dǎo)的工具，電壓鉗，就是將膜電位鉗制在某一預(yù)設(shè)數(shù)值的裝置，由KennethC.Cole發(fā)明。50年代，Hodgkin&Huxley用電壓鉗方法把神經(jīng)元軸突膜電位鉗制在任意數(shù)值，然后通過測量在不同膜電位時流過膜的電流來推測膜電導(dǎo)變化。g=I/VAlanHodgkinAndrewHuxley當(dāng)前40頁，總共52頁。三、實(shí)際的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience2，膜片鉗方法ErwinNeherBertSakmann1991NobelPrize當(dāng)前41頁，總共52頁。三、實(shí)際的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，電壓門控鈉通道通道選擇性地對鈉離子開放，且通道的開放與關(guān)閉與膜電位的變化有關(guān)。1）鈉通道結(jié)構(gòu)一個完整的鈉通道是由一條多肽長鏈組成。除了這個多肽長鏈組成的α單位以外，還有兩個β亞單位(β1,β2）起修飾作用。多肽長鏈由四個結(jié)構(gòu)域(I-IV)組成，每個結(jié)構(gòu)域含6個跨膜alpha螺旋(S1-S6)。III-IV之間可能調(diào)節(jié)失活。S4片段上有電壓感受器；S5-S6組成通道選擇性濾過器。TTX作用位點(diǎn)當(dāng)前42頁，總共52頁。三、實(shí)際的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，電壓門控鈉通道2）鈉通道開放模式圖S4段含有正電荷(每隔兩個氨基酸殘基就有一個帶正電荷的賴氨酸或者精氨酸)，當(dāng)膜電位發(fā)生變化的時候，S4片段便會被迫發(fā)生移動，這種構(gòu)像變化可以引起鈉通道開放。當(dāng)前43頁，總共52頁。三、實(shí)際的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，電壓門控鈉通道3）鈉通道的功能特性開放延時很短暫；開放時間約1ms后失活(inactivation)；失活后繼續(xù)去極化不能使鈉通道再開放；只有當(dāng)膜電位復(fù)極化到閾值附近時，通道才能被去極化再次打開。當(dāng)前44頁，總共52頁。三、實(shí)際的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，電壓門控鈉通道4）作用于鈉通道的毒素活化阻斷劑（阻斷鈉電流）河豚毒素(Tetrodotoxin,TTX),特點(diǎn)：作用迅速，可逆石房蛤毒素(Saxitoxin,STX),赤潮中的旋溝藻，專用于對TTX不敏感的鈉通道?！诟蝌?、蚌類及其它海洋殼類動物中常常會因?yàn)橐栽孱悶槭扯e聚STX，食用會致命。b.

失活化阻斷劑（延長動作電位）?？舅?Seaanemonevenom),使開放的鈉通道不能立即關(guān)閉，繼續(xù)開放下去，從而使Na離子繼續(xù)內(nèi)流，峰值時間延長，形成平臺。蝎毒素(Scorpiontoxin),阻止鈉通道失活化，動作電位延長。c.

鈉通道激動劑（異常開放）

箭毒(Batrachotoxin),哥倫比亞產(chǎn)小蛙皮膚分泌物提取物。使鈉通道在更負(fù)的水平上開放，開放時間長于正常開放時間。百合科藜蘆定（veratridine)或者毛茛科烏頭堿(aconitine)與箭毒作用類似。當(dāng)前45頁，總共52頁。三、實(shí)際的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，電壓門控鈉通道d.

毒素的作用特點(diǎn)及功能不同的毒素結(jié)合于通道蛋白的不同位點(diǎn)，故不同的毒素結(jié)合位點(diǎn)可以幫助我們推斷鈉通道的三維結(jié)構(gòu)；鈉通道毒素可以阻斷動作電位的產(chǎn)生，可以用來分離不同的離子電流毒理學(xué)研究，當(dāng)心吃入嘴中的東西。4）作用于鈉通道的毒素當(dāng)前46頁，總共52頁。三、實(shí)際的動作電位神經(jīng)科學(xué)Neuroscience3，電壓門控鈉通道局部麻醉劑局部麻醉劑是能夠暫時阻斷軸突上動作電位的藥物，被直接注射到需要局部感覺缺失的組織中。利多卡因是現(xiàn)在最廣泛應(yīng)用的局麻藥。它位于通道蛋白質(zhì)的IV區(qū)中的S6alpha螺旋區(qū)。小軸突要求更多的電壓門