1、1第第4 4章章 神经生理学基础神经生理学基础2本章主要内容：本章主要内容：1 1、生物电研究简史；、生物电研究简史；2 2、静息电位及其形成机制；、静息电位及其形成机制；3 3、动作电位：、动作电位：形成机制；特征；兴奋的产生及传导。形成机制；特征；兴奋的产生及传导。4 4、离子通道与门控电流、离子通道与门控电流 离子通道；膜片钳及门控电流。离子通道；膜片钳及门控电流。3Galvani在18世纪末进行的所谓“凉台实验”是生物电研究的开端。4.1 生物电研究简史生物电现象：4 1827年物理学家Nobeli首次实现了对生物电(损伤电位)的直接测量。德国生理学家Du Bois Reymond首次
2、提出了关于生物电产生机制的学说，即极化分子说。Bernstein提出了经典的膜学说。20世纪20年代，Gasser和Erlanger将阴极射线示波器等近代电子学设备引入神经生理学研究，促进了生物电研究的较快发展。标志着现代电生理学的开始。5在微电极记录技术的推动下，英国生理学家A.L.Hodgkin和Huxley首次实现了静息电位和动作电位的胞内记录，并在对这两种电位的精确定量分析的基础上，证实并发展了Bernstein关于静息电位膜学说的同时，又提出了动作电位的钠学说。64.2 静息电位静息电位 静息电位(resting potential,RP)是指神经元及其他可兴奋性细胞未受刺激时，存在
3、于细胞膜内外两侧的电位差。细胞膜电位为10100mV的直流电位，膜内为负、膜外为正。通常把 膜 外 电位规定为0，则膜内电位-10-100mV。生物电中“”、“”只表示膜内电位与膜外电位的关系，“”表示膜外电位高于膜内电位，“”表示膜内电位低于膜外电位。4.2.2 静息电位形成的机制静息电位形成的机制离子学说细胞膜内外离子分布的浓度差异1.离子运动2.膜电位2022-10-48磷脂双分子层头端-极性磷酸盐-亲水尾端-非极性碳氢化合物-疏水9静息状态下神经细胞膜内外离子分布不均衡 细胞膜外 细胞膜内 Na+150 mmol/L 15 mmol/LK+5 mmol/L 100 mmol/LCl-1
4、50 mmol/L 13 mmol/L10神经元离子通道离子通道是蛋白质在脂质双分子层中形成水性通道的大分子，大多具有传递离子与识别并选择离子种类等重要特性，根据通道开放和关闭状态分为门控性和非门控性通道。11扩散的两个基本条件:存在跨膜的离子浓度梯度；膜上有相应的离子通道。1）扩散1.离子运动12电场驱使离子跨膜移动的条件：膜拥有通透离子的通道；有跨膜电位差的存在。2）电场132.膜电位1）扩散电位2）平衡电位静息电位形成的基础3）离子的跨膜分布141）扩散电位K胞内胞外K扩散电位扩散电位只是当离子移动速度不同时产生的电位，并不能被稳定地维持。152）平衡电位）平衡电位20:1K离子的平衡电
5、位：K离子外流使膜外聚集较多的正离子，膜内侧较多负离子，造成膜两侧的电位差，膜外为正，膜内为负，这样的电位差能阻止K离子进一步外流，离子的移动就达到动态平衡。Vm=-80 mVK离子外流:细胞内有机负离子一般不能透出膜外，K离子 直径小，膜内外浓度差大，很容易顺浓度差流向膜外。163）离子的跨膜分布 细胞膜外 细胞膜内 平衡电位Na+150mmol/L 15mmol/L ENa=62mvK+5 mmol/L 100mmol/L Ek=-80mvCa2+2mmol/L 0.0002mmol/L ECa=123mvCl-150 mmol/L 13mmol/L ECl=-65mvNa+有从膜外向膜内
6、扩散的趋势 K+有从膜内向膜外扩散的趋势17离子的主动转运钠泵：钠钾依赖式ATP酶钙泵：钙镁ATP酶18Na+K+-ATP酶维持细胞内Na+和 K+的浓度钠-钾泵的生电性作用，使细胞膜轻度超极化，对膜电位的增加一般不超过5mV。19Ca2+-ATP酶维持细胞内Ca2+的低浓度20 静息状态下细胞膜对K+的选择性通透 K+的通透性大；Na+的通透性极小 21224.3 动作电位细胞受刺激时，产生的膜两侧的快速、可逆，并能扩布的电位，称为动作电位（action potential，AP）。23概述概述 动作电位主要生理功能为：作为快速而长距离传导的电信号，调控作为快速而长距离传导的电信号，调控神经
7、递质释放、肌肉收缩和腺体分泌等神经递质释放、肌肉收缩和腺体分泌等 各种可兴奋细胞的动作电位虽有共同性，但它们的振幅、形状和甚至产生的离子基础却有一定程度的差异24膜电位状态膜电位状态极极 化化 静息电位存在时膜两侧保持的内负外正的状态静息电位存在时膜两侧保持的内负外正的状态去极化去极化 静息电位减小甚至消失的过程静息电位减小甚至消失的过程反极化反极化 膜内电位由零变为正值的过程膜内电位由零变为正值的过程超射值超射值 膜内电位由零到反极化顶点的数值膜内电位由零到反极化顶点的数值复极化复极化 去极化、反极化后恢复到极化的过程去极化、反极化后恢复到极化的过程超极化超极化 静息电位增大的过程静息电位增
8、大的过程254.3.2 形成机制钠学说26Hodgkin experiment 改变细胞外液NaCl浓度，AP的幅度、去极化速度和AP传导速度都下降，下降程度与细胞外液NaCl浓度减小成比例 说明细胞外液NaCl与AP形成有关27AP形成的原理v细胞受刺激静息电位减小膜钠通道打开 Na+通透性增大 Na+内流膜内电位增高去极化反极化形成锋电位的上升相膜钠通道关闭复极化锋电位的下降相 静息电位。v Na内流28AP形成的原理29 阈电位（能引起钠通道大量开放而爆发动作电位的临界膜电位水平）有效刺激本身可以引起膜部分去极化，当膜电位水平达到阈电位时，便通过再生性循环机制而正反馈地使钠通道大量开放N
9、a+内流的再生性循环30动作电位的发生动作电位的发生静息电位 K+的平衡电位 静息状态下细胞膜对K+选择性通透 对K+的通透性大，对Na+的通透性极小 314.3.3 4.3.3 动作电位的特征动作电位的特征1.“全或无”现象2.不衰减性扩布3.脉冲式发放321.“1.“全或无全或无”现象现象阈下刺激无阈上刺激固定的最大值332.2.不衰减性扩布不衰减性扩布 不衰减传导动作电位作为电脉冲，它一旦在神经元的一处发生，则该处的膜电位便爆发式变为内正外负，于是该处便成为电池，对仍处于静息膜电位(内负外正)的相邻部位形成刺激，并且其强度明显超过阈值。因此相邻部位随因受到阈上刺激而进入兴奋状态，并且也随
10、之产生全或无式动作电位。34不衰减性扩布353.脉冲式发放动作电位的持续时间较短，神经纤维一般在 0.52.0 ms的时间内完成，表现为一次短促而尖锐的脉冲样变化由于不应期的存在使连续的多个动作电位不可能融合，故两个动作电位之间总有一定间隔，而呈脉冲式波形10mV10ms-65mV36 1 1、绝对不应期绝对不应期 在神经接受前一个刺激而兴奋时的一个短暂时期内，在神经接受前一个刺激而兴奋时的一个短暂时期内，神经的兴奋性下降至零。此时任何刺激均归于神经的兴奋性下降至零。此时任何刺激均归于“无效无效”。2 2、相对不应期相对不应期 在绝对不应期之后，神经的兴奋性有所恢复，但要引起组在绝对不应期之后
11、，神经的兴奋性有所恢复，但要引起组织的再次兴奋，所用的刺激强度必须大于该神经的阈强度。织的再次兴奋，所用的刺激强度必须大于该神经的阈强度。3 3、超常期超常期 经过绝对不应期、相对不应期，神经的兴奋性继续上升经过绝对不应期、相对不应期，神经的兴奋性继续上升，可超过正常水平。用低于正常阈强度的检测刺激就可引起，可超过正常水平。用低于正常阈强度的检测刺激就可引起神经第二次兴奋神经第二次兴奋 4 4、低常期低常期 继超常期之后神经的兴奋性又下降到低于正常水平，在继超常期之后神经的兴奋性又下降到低于正常水平，在持续较长时间后，兴奋性恢复到正常。持续较长时间后，兴奋性恢复到正常。4.兴奋性的变化37兴奋
12、性的变化兴奋性的变化绝对不应期0.3ms相对不应期3ms超常期12ms低常期70ms384.3.4 兴奋的产生兴奋的产生1、刺激的概念凡能引起细胞、组织或机体发生反应的环境变化称为刺激。物理性刺激 化学性刺激 生物性刺激 生理学上把能引起组织发生反应的最小刺激强度称为阈强度。达到阈强度的刺激称为阈刺激；低于阈强度的刺激称为阈下刺激；高于阈强度的刺激称为阈上刺激。39阈电位：膜去极化到达爆发动作电位的临界膜电位。阈电位的特性：引起膜上Na+通道的激活对膜去极化的正反馈。引起动作电位的条件：膜去极化达到阈电位。402）局部兴奋41（1）不是“全或无”（2）衰减性传导（3）无不应期（4）具有总和效应
13、局部兴奋的特性424.3.5 兴奋的传导 无髓神经 有髓神经43 已经兴奋的膜部分已经兴奋的膜部分通过通过局部电流局部电流“刺刺激激”了未兴奋的膜了未兴奋的膜部分，使之出现动部分，使之出现动作电位。作电位。无髓神经纤维上的兴奋传导44无髓神经纤维上的兴奋传导局部电流45有髓神经纤维上的兴奋传导46有髓神经纤维上的兴奋传导跳跃式4748动作电位在传导过程中的特点信号不衰减：因电荷的流动会构成新的刺激，使电流强度在整个传导过程中不衰减，亦即“全或无”式的。494.4 离子通道与门控电流504.4.1 离子通道离子通道是蛋白质在脂质双分子层中形成水性通道的大分子，大多具有传递离子与识别并选择离子种类
14、等重要特性，根据通道开放和关闭状态分为门控性和非门控性通道。51门控性和非门控性离子通道非门控性电压门控性配体门控性机械门控通道52配体门控通道与离子通道直接耦联的受体通常称为配体门控性离子通道。受体本身由配体结合部位与离子通道两部分构成，配体与受体结合后改变离子通道活性。53机械门控通道电压门控通道54-40 mV654.4.2 膜片钳在一小片膜上可能存在一个或几个离子通道，有可能记录到单一离子通道的电流。Nobel Prize 55关闭开放失活去失活56膜片钳的记录模式57Cell-attached recordingCellPatch-pipetteCell membraneExtern
15、al lipidInternal lipid58Whole-cell recordingCellPatch-pipetteCell membrane研究第二信使59Inside-out recordingPatch-pipetteThe internal face of the lipidbi-layer faces the bath solution60Outside-out recordingPatch-pipetteThe external face of the lipidbi-layer faces the bath solution61单通道电流与宏观电流4.4.3 门控电流624
16、.4.4 常见电压门控离子通道63电压门控钠通道电压门控钙通道电压门控钾通道64电压门控性通道1.电压门控钠通道关闭开放失活去失活65钠通道的亚型TTX 敏感性和TTX不敏感性钠通道钠通道疾病综合症基因突变常染色体显性遗传病662.电压门控钙通道Ca2+67VDCC的分子结构68VDCC的分类及通道特性低电压激活型:T型高电压激活型:L型，N型，P/Q型，R型钙通道疾病综合症研究已证实至少有7 种疾病（包括癫痫、偏瘫性偏头痛等）与钙通道基因突变有关693.电压门控钾通道70思考题1.名词解释：静息电位、动作电位、离子通道、阈电位；2.静息电位及其形成机制；3.动作电位的形成机制和特征；3.兴奋的传导方式和特点；4.离子通道的概念和分类；
