1、神经生理学基础神经生理学基础神经生物学系2020年10月13日意大利解剖学和医学教授伽伐尼（Luigi Galvani,17371789）一、生物电一、生物电的的发现及基本特征发现及基本特征n用两种不同的金属碰触青蛙腿的两端，可以引起它的收缩。21.2 神经神经电信号的电信号的概念概念指指神经元在静息电位基础上所神经元在静息电位基础上所发生发生的膜电的膜电位变化。位变化。31.3 神经神经电信号的产生机制电信号的产生机制离子浓度变化主要原因：离子通道离子通道的活动的活动所有的电信号都是通过膜两侧的离子浓度变化来实现的，离子进入或者流出细胞导致细胞偏离其静息状态。Cation:K+,Na+,Ca
2、2+Anion:Cl-4二、静息电位二、静息电位概念：静息状态下细胞膜内外具有的电势差称之为静息膜电位。典型的神经元的静息膜电位大约为-65mV。“内负外正”静息膜电位：Vm静息膜电位的测量方法52.2 静息电位产生的离子基础离子平衡离子平衡电位电位 Eion平衡某种离子浓度梯度的电位差，简称为平衡电位，是针对某种特定离子的电位，Eion。a、当膜不能通透离子时，虽然有浓度差，但没有离子的流动，故膜电位为零，Vm=0。b、膜上有钾离子通道时，钾离子可以顺浓度梯度流出到胞外，则胞内会有过多的A-，而细胞外就会积聚过多的正电荷K+，则会出现跨膜电位。c、随着胞内越来越多的负电荷积聚，负电荷就会吸引
3、带正电的钾离子返回胞内。当达到一定的电位差后，吸引K回胞内的电势与扩散力刚好相等，但方向相反，就会达到平衡状态。字母大小代表浓度高低62.3 Nernst 方程方程可以根据Nernst 方程计算其平衡电位：Eion=RT/zF lniono/ioniR 气体常数，T 绝对温度，z离子电荷，F法拉第常数，ion 内外膜离子浓度72.4 膜在静息状态下离子的相对通透性Alan Hodgkin,Bernard Katz 测定了几种离子在静息电位的通透能力：PK：PNa：PCl1.0:0.04:0.45在动作电位峰值，其通透性为：PK：PNa：PCl1.0:20:0.45 神经元在静息时，对离子具有选
4、择通透性，假如仅对一种离子通透：K+，则Vm=Ek+=-80mV Na+,则Vm=ENa+=62mV 实际上Vm 65mV，介于EK和ENa之间。82.5 调控细胞外钾离子浓度的重要性1）膜电位对胞外钾离子浓度变化特别敏感。胞外钾离子浓度升高将造成细胞去极化，细胞兴奋；2）血脑屏障限制钾离子进入脑部胞外液；3）星形胶质细胞具有空间缓冲胞外钾离子的作用；4）其它可兴奋细胞没有这种保护机制，则钾离子浓度升高可导致心脏停止跳动。静息膜电位受胞外钾离子浓度影响92.6 多姿多彩的钾离子通道Shaker 钾通道钾通道的选择性通透是决定静息膜电位的重要因素，其选择性的分子基础主要是在通道内氨基酸残基的排列
5、。钾通道由四个亚单位所组成。Pore loop去作为选择性滤器使得通道对钾离子有最高的通透性。该区域一个氨基酸的突变就能严重破坏神经元功能。10钾通道可分为以下几种：1、IK，delayed rectifier,延时整流钾通道，慢激活2、IA，A-type,瞬时钾电流，快激活，快失活3、Ica，Calcium activated，钙激活钾电流，去极化+钙4、Iir，inward-retifier,内向整流，超极化激活5.IM，M-type channel,小的去极化激活，Ach 失活。钾通道孔道俯视图中间红球为K+11三、局部电位三、局部电位给予神经元给予神经元膜电刺激膜电刺激引起的电紧张电位
6、及少量引起的电紧张电位及少量Na+通道开通道开放，少量放，少量Na+内流引起的内流引起的阈电位以下阈电位以下的反应的反应，代表了神经，代表了神经元膜的局部兴奋性变化，又称为局部反应。元膜的局部兴奋性变化，又称为局部反应。去极化：神经元膜极化状态的减弱去极化：神经元膜极化状态的减弱（激活）（激活）超极化：神经元膜极化状态的增强超极化：神经元膜极化状态的增强（抑制）（抑制）123.2 局部电位的分类局部电位的分类（1）电刺激引起的局部电位）电刺激引起的局部电位（2）感受器电位）感受器电位（4）突触电位）突触电位（5）自发膜电位振荡）自发膜电位振荡（3）效应器电位）效应器电位（6）局部电流引起的膜电
7、位变化）局部电流引起的膜电位变化133.3 局部电位的特征局部电位的特征1 1、等级性：非等级性：非“全或无全或无”，最基本特性最基本特性 反应幅度随刺激强度的增大而反应幅度随刺激强度的增大而增大增大 2 2、在局部形成、在局部形成电紧张性扩电紧张性扩布布 3 3、可以总和可以总和:空间总和空间总和 spatial summationspatial summation 时间总和时间总和 temporal summation temporal summation 14兴奋性突触电位（兴奋性突触电位（EPSP）3.4 突触后电位突触后电位15抑制性突触电位（抑制性突触电位（IPSP）16四、动作电
8、位四、动作电位 在静息电位基础在静息电位基础上，细胞受到一个适当上，细胞受到一个适当(不小于阈值不小于阈值)刺激刺激时，其膜电位所发生的一次时，其膜电位所发生的一次可扩布、可扩布、迅速的、短暂的波动。迅速的、短暂的波动。“全或无全或无”现象现象 全幅式传导型（不衰减性传导）全幅式传导型（不衰减性传导）不可叠加性不可叠加性 1718阈值(threshold):足够多的钠通道的开放使钠离子通透性大于钾离子上升相（rising phase)：钠通道完全开放，钠离子迅速进入胞内超射（Overshoot）：趋向于钠平衡电位下降相(falling phase)：钠通道失活，钾通道开放增加回射（后超级化，u
9、ndershoot)：接近于钾平衡电位绝对不应期(absolute refractory period)：钠通道失活，不能被激活 相对不应期(relative refractory period)：超极化状态，接近于Ek，需要大的去极化4.2 动作电位特征波形的形成原因动作电位特征波形的形成原因锋电位：锋电位：spike （一）锋电位产生的离子机制（一）锋电位产生的离子机制1、锋电位产生的条件、锋电位产生的条件（1）神经元的）神经元的RP是锋电位产生的基础是锋电位产生的基础（2）细胞外钠离子浓度远大于细胞内钠离子浓度）细胞外钠离子浓度远大于细胞内钠离子浓度（3）刺激引起钠离子通道的大量开放。）
10、刺激引起钠离子通道的大量开放。2、锋电位产生、锋电位产生ENa是是Na+平衡电位平衡电位 （1）去极化相去极化相 细胞受刺激细胞受刺激 少量钠通道开放少量钠通道开放 静息电位增加到阈电位水平静息电位增加到阈电位水平 大量钠通道开放大量钠通道开放 细胞外细胞外Na+快速、大量内流快速、大量内流 细胞内电位急剧细胞内电位急剧 上升上升 锋电位的上升支（锋电位的上升支（Na+内流）内流）Na+内流内流 与与K+外流达到平衡（锋电位顶点外流达到平衡（锋电位顶点-超射值）超射值）锋电位顶点的膜电位水平，主要由锋电位顶点的膜电位水平，主要由ENa决定：决定：1、记录值和计算值接近；、记录值和计算值接近；2
11、、降低、降低Na+o可降低锋电位的幅度，降低程度与计可降低锋电位的幅度，降低程度与计 算值基本一致；算值基本一致；3、河豚毒素（、河豚毒素（TTX）特异阻断）特异阻断Na+通道。通道。复极化相复极化相 膜电位达到膜电位达到Na+平衡电位水平平衡电位水平 钠通道失活关闭，钾通道激活开放钠通道失活关闭，钾通道激活开放 Na+停止停止内流、内流、K+快速外流快速外流 细胞内电位下降，恢复细胞内电位下降，恢复到负电位水平到负电位水平 锋电位的下降支。锋电位的下降支。(K+外流外流)3、锋电位的动力学特点、锋电位的动力学特点（1）上升支：电压门控）上升支：电压门控Na+通道的激活与膜去极通道的激活与膜去
12、极 化是正反馈过程；化是正反馈过程；（2）下降支：膜电位复极化与）下降支：膜电位复极化与K+通道开放是负反通道开放是负反 馈过程。馈过程。24膜片钳方法Erwin NeherBert Sakmann1991 Nobel Prize25电压钳方法l要验证理论上的动作电位，可以通过测定在动作电位的不同时期各离子的电导，以期确定钾钠离子及其通道在动作电位产生过程中的作用。l测电导的工具，电压钳，就是将膜电位钳制在某一预设数值的装置，由Kenneth C.Cole发明。l50年代，Hodgkin&Huxley 用电压钳方法把神经元轴突膜电位钳制在任意数值，然后通过测量在不同膜电位时流过膜的电流来推测膜
13、电导变化。g=I/V4.3 动作电位的记录动作电位的记录27动作电位发放频率依赖于去极化电流的强度，即刺激强度被编码为神经冲动频率。发放动作电位的速率是有上限的，最大发放频率大约为1000Hz。28通道选择性地对钠离子开放，且通道的开放与关闭与膜电位的变化有关。1）钠通道结构 一个完整的钠通道是由一条多肽长链组成。除了这个多肽长链组成的单位以外，还有两个亚单位(1,2）起修饰作用。多肽长链由四个结构域(I-IV)组成，每个结构域含6个跨膜alpha螺旋(S1-S6)。III-IV之间可能调节失活。S4片段上有电压感受器；S5-S6组成通道选择性滤过器。TTX作用位点4.4 电压门控钠通道电压门
14、控钠通道29钠通道开放模式图S4段含有正电荷(每隔两个氨基酸残基就有一个带正电荷的赖氨酸或者精氨酸)，当膜电位发生变化的时候，S4片段便会被迫发生移动，这种构像变化可以引起钠通道开放。30钠通道的功能特性 开放延时很短暂；开放时间约1ms后失活(inactivation)；失活后继续去极化不能使钠通道再开放；只有当膜电位复极化到阈值附近时，通道才能被去极化再次打开。31作用于钠通道的毒素a.活化阻断剂（阻断钠电流）河豚毒素(Tetrodotoxin,TTX),特点：作用迅速，可逆 石房蛤毒素(Saxitoxin,STX),赤潮中的旋沟藻，专用于对TTX不敏感的钠通道。在蛤蜊、蚌类及其它海洋壳类
15、动物中常常会因为以原生藻类为食而积聚STX，食用会致命。b.失活化阻断剂（延长动作电位）海葵毒素(Sea anemone venom),使开放的钠通道不能立即关闭，继续开放下去，从而使Na离子继续内流，峰值时间延长，形成平台。蝎毒素(Scorpion toxin),阻止钠通道失活化，动作电位延长。c.钠通道激动剂（异常开放）箭毒(Batrachotoxin),哥伦比亚产小蛙皮肤分泌物提取物。使钠通道在更负的水平上开放，开放时间长于正常开放时间。百合科藜芦定（veratridine)或者毛茛科乌头碱(aconitine)与箭毒作用类似。a.活化阻断剂（阻断钠电流）河豚毒素(Tetrodotoxi
16、n,TTX),特点：作用迅速，可逆 石房蛤毒素(Saxitoxin,STX),赤潮中的旋沟藻，专用于对TTX不敏感的钠通道。在蛤蜊、蚌类及其它海洋壳类动物中常常会因为以原生藻类为食而积聚STX，食用会致命。32局部麻醉剂 局部麻醉剂是能够暂时阻断轴突上动作电位的药物，被直接注射到需要局部感觉缺失的组织中。利多卡因是现在最广泛应用的局麻药。它位于通道蛋白质的IV区中的S6 alpha螺旋区。小轴突要求更多的电压门控钠通道参与，因此较细的轴突对局麻药更敏感，这在临床上非常有意义。33 传导传导：在同一细胞上动作电位的传播：在同一细胞上动作电位的传播。传递传递：动作电位是在两个细胞之间进行传播：动作
17、电位是在两个细胞之间进行传播。传播传播：在神经元任一部位产生的动作电位，在：在神经元任一部位产生的动作电位，在 神经网络上的扩散过程神经网络上的扩散过程。五、动作电位的传导五、动作电位的传导34动作电位的传导速度是不相同的，10m/s是比较典型的速率。35影响传导速度的因素p 轴突直径 v=d1/2 有无髓鞘，p 髓鞘厚度 myelinp 温度的高低髓鞘和跳跃传导朗飞氏结一、离子通道的相关特征一、离子通道的相关特征1.可以传导离子；可以传导离子；2.识别和选择性传导离子；识别和选择性传导离子；3.对特定的电、化学和机械信号作出反应而开放或者关闭通道对特定的电、化学和机械信号作出反应而开放或者关
18、闭通道4.可被一些药物和毒素等阻断；可被一些药物和毒素等阻断；5.离子通道的功能失调可导致疾病的发生；离子通道的功能失调可导致疾病的发生；二、离子通道的本质二、离子通道的本质1.离子通道是插入细胞膜中的蛋白质组成的，但不是载体离子通道是插入细胞膜中的蛋白质组成的，但不是载体(transporter)。不是由蛋白质组成的简单的插入脂质膜中的孔洞，载体蛋白的运输没有那不是由蛋白质组成的简单的插入脂质膜中的孔洞，载体蛋白的运输没有那么快的传输速率。么快的传输速率。2.离子通道的选择性原因：与离子和水分子、膜脂质双分子层以及通道之离子通道的选择性原因：与离子和水分子、膜脂质双分子层以及通道之间的相互作
19、用有关。间的相互作用有关。钾离子和钠离子互相不能通过对方的通道。钾离子和钠离子互相不能通过对方的通道。三、离子通道的相关特性三、离子通道的相关特性1.离子通过离子通道是被动的离子通过离子通道是被动的(passive)，驱动力，驱动力Vm-Eion，电流随，电流随着驱动力的增强可以是线性着驱动力的增强可以是线性(linear)的或者非线性的的或者非线性的(nonlinear)。2.离子通道通过构象的变化的而使通道开放或者关闭。离子通道通过构象的变化的而使通道开放或者关闭。3.电压门控通道在激活后可以进入失活化状态（不应期）的机制。电压门控通道在激活后可以进入失活化状态（不应期）的机制。4.外源性
20、因子对配体门控离子通道的影响通过竞争性位点和非竞争性外源性因子对配体门控离子通道的影响通过竞争性位点和非竞争性位点作用。位点作用。通道开放关闭的几种调节机制，通过不同的刺激而获得能量使通道通道开放关闭的几种调节机制，通过不同的刺激而获得能量使通道构象发生变化构象发生变化外源性因子对配体门控离子通道影响的机制外源性因子对配体门控离子通道影响的机制Curare箭毒箭毒 nAchRReversibleBungarotoxin金环蛇毒金环蛇毒 nAchRNonreversibleValium安定安定GABAa Rnoncompetitive1、离子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白质组成，由两个或、离子通
21、道是由插入膜中形成孔洞的蛋白质组成，由两个或者多个相同或者不同的亚基组成的，某些通道还有调节其功者多个相同或者不同的亚基组成的，某些通道还有调节其功能的附属亚基。能的附属亚基。2、根据相似的氨基酸序列和跨膜结构，离子通道被分为以下、根据相似的氨基酸序列和跨膜结构，离子通道被分为以下三类：化学（配体）门控通道、机械门控通道、电压门控通三类：化学（配体）门控通道、机械门控通道、电压门控通道。道。3、离子通道的结构功能可以通过、离子通道的结构功能可以通过Patch Clamp、Gene cloning、X-ray crystallography等方法研究。等方法研究。离子通道的分类离子通道的分类五个
22、亚基，每个亚基五个亚基，每个亚基有四个跨膜有四个跨膜alpha螺旋螺旋M1M4。谷氨酸的谷氨酸的略有不同。略有不同。十二个一样的亚基十二个一样的亚基，每个亚基有四个，每个亚基有四个跨膜区域。跨膜区域。钠、钙通道由四个重钠、钙通道由四个重复片断组成，每个片复片断组成，每个片断有断有6个跨膜区域个跨膜区域(S1-S6),S5-S6离子选择性离子选择性。钾通道是由四个单。钾通道是由四个单独的亚单位组成。独的亚单位组成。三种钾离子通道三种钾离子通道Ca2作为细胞信使的基础是胞浆作为细胞信使的基础是胞浆Ca2与胞内钙库或胞外与胞内钙库或胞外Ca2之间存在浓度梯之间存在浓度梯度。当某种刺激使胞内度。当某种
23、刺激使胞内Ca2浓度大幅度浓度大幅度增加时，就起到传递信号的作用。增加时，就起到传递信号的作用。Ca2本身的特性更有利于和靶蛋白本身的特性更有利于和靶蛋白结合，从而传递信息。结合，从而传递信息。一、细胞总钙一、细胞总钙（一）细胞钙的分布（一）细胞钙的分布结合钙：与储钙蛋白结合的钙。占结合钙：与储钙蛋白结合的钙。占99.9%，主要分布在细胞核、线粒体、内，主要分布在细胞核、线粒体、内质网质网/肌质网和质膜；肌质网和质膜；游离钙：游离钙：0.1 mol/L。储钙蛋白：储钙蛋白：肌细胞中主要有集钙蛋白（肌细胞中主要有集钙蛋白（CSQ），还），还有小清蛋白（有小清蛋白（parvalbumin）和钙结合蛋白（）和钙结合蛋白（calbindin）；）；非肌细胞中主要是钙网蛋白（非肌细胞中主要是钙网蛋白（calreticulin），还有二硫异构酶、免疫球蛋），还有二硫异构酶、免疫球蛋白重链结合蛋白（白重链结合蛋白（BIP）和内质网素（）和内质网素（endoplasmin）等。）等。细胞钙的分布及平衡细胞钙的分布及平衡1.静息电位的形成机制是什么？2.动作电位的特征波形可分为哪几个阶段？各阶段的形成机制是什么？
