2020-神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)

1、2020-神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)2020-神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)意大利解剖學(xué)和醫(yī)學(xué)教授伽伐尼（Luigi Galvani,17371789）一、生物電的發(fā)現(xiàn)及基本特征用兩種不同的金屬碰觸青蛙腿的兩端，可以引起它的收縮。2意大利解剖學(xué)和醫(yī)學(xué)教授伽伐尼（Luigi Galvani,11.2 神經(jīng)電信號(hào)的概念指神經(jīng)元在靜息電位基礎(chǔ)上所發(fā)生的膜電位變化。31.2 神經(jīng)電信號(hào)的概念指神經(jīng)元在靜息電位基礎(chǔ)上所發(fā)生的膜電1.3 神經(jīng)電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制離子濃度變化主要原因：離子通道的活動(dòng)所有的電信號(hào)都是通過(guò)膜兩側(cè)的離子濃度變化來(lái)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)。Cation: K+,Na+, Ca2+Anio

2、n: Cl-41.3 神經(jīng)電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制離子濃度變化主要原因：離子通道的二、靜息電位概念：靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜內(nèi)外具有的電勢(shì)差稱之為靜息膜電位。典型的神經(jīng)元的靜息膜電位大約為 -65mV。“內(nèi)負(fù)外正”靜息膜電位： Vm靜息膜電位的測(cè)量方法5二、靜息電位概念：靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜內(nèi)外具有的電勢(shì)差稱之為靜息2.2 靜息電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)離子平衡電位 Eion平衡某種離子濃度梯度的電位差，簡(jiǎn)稱為平衡電位，是針對(duì)某種特定離子的電位，Eion。a、當(dāng)膜不能通透離子時(shí)，雖然有濃度差，但沒(méi)有離子的流動(dòng)，故膜電位為零，Vm=0。b、膜上有鉀離子通道時(shí)，鉀離子可以順濃度梯度流出到胞外，則胞內(nèi)會(huì)有過(guò)多的A-，而細(xì)胞外就

3、會(huì)積聚過(guò)多的正電荷K+，則會(huì)出現(xiàn)跨膜電位。 c、隨著胞內(nèi)越來(lái)越多的負(fù)電荷積聚，負(fù)電荷就會(huì)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(shì)與擴(kuò)散力剛好相等，但方向相反，就會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)。字母大小代表濃度高低62.2 靜息電位產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)離子平衡電位 Eion字母大小2.3 Nernst 方程可以根據(jù)Nernst 方程計(jì)算其平衡電位： Eion= RT/zF lniono/ioniR 氣體常數(shù)，T 絕對(duì)溫度，z離子電荷，F(xiàn)法拉第常數(shù)，ion 內(nèi)外膜離子濃度72.3 Nernst 方程92.4 膜在靜息狀態(tài)下離子的相對(duì)通透性Alan Hodgkin, Bernard Katz

4、測(cè)定了幾種離子在靜息電位的通透能力 ：PK：PNa：PCl1.0 : 0.04 : 0.45在動(dòng)作電位峰值，其通透性為：PK：PNa：PCl1.0 : 20 : 0.45 神經(jīng)元在靜息時(shí)，對(duì)離子具有選擇通透性，假如僅對(duì)一種離子通透： K+， 則Vm= Ek+ =-80mV Na+, 則Vm= ENa+=62mV 實(shí)際上Vm 65mV，介于EK和ENa之間。82.4 膜在靜息狀態(tài)下離子的相對(duì)通透性102.5 調(diào)控細(xì)胞外鉀離子濃度的重要性1）膜電位對(duì)胞外鉀離子濃度變化特別敏感。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

5、離子的作用；4） 其它可興奮細(xì)胞沒(méi)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(dòng)。靜息膜電位受胞外鉀離子濃度影響92.5 調(diào)控細(xì)胞外鉀離子濃度的重要性1）膜電位對(duì)胞外鉀離子濃2.6 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(gè)亞單位所組成。Pore loop去作為選擇性濾器使得通道對(duì)鉀離子有最高的通透性。該區(qū)域一個(gè)氨基酸的突變就能嚴(yán)重破壞神經(jīng)元功能。102.6 多姿多彩的鉀離子通道Shaker 鉀通道鉀通道的選擇鉀通道可分為以下幾種：1、IK，delayed rectifier, 延時(shí)整

6、流鉀通道， 慢激活2、IA，A-type, 瞬時(shí)鉀電流，快激活，快失活3、Ica，Calcium activated，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-type channel, 小的去極化激活，Ach 失活。鉀通道孔道俯視圖中間紅球?yàn)镵+11鉀通道可分為以下幾種：鉀通道孔道俯視圖13三、局部電位給予神經(jīng)元膜電刺激引起的電緊張電位及少量Na+通道開(kāi)放，少量Na+內(nèi)流引起的閾電位以下的反應(yīng)，代表了神經(jīng)元膜的局部興奮性變化，又稱為局部反應(yīng)。去極化：神經(jīng)元膜極化狀態(tài)的減弱（激活）超極化：神經(jīng)元膜極化狀態(tài)的增強(qiáng)（抑制）12三、局部

7、電位給予神經(jīng)元膜電刺激引起的電緊張電位及少量Na+通3.2 局部電位的分類（1）電刺激引起的局部電位（2）感受器電位（4）突觸電位（5）自發(fā)膜電位振蕩（3）效應(yīng)器電位（6）局部電流引起的膜電位變化133.2 局部電位的分類（1）電刺激引起的局部電位（2）感受器3.3 局部電位的特征1、等級(jí)性：非“全或無(wú)”，最基本特性 反應(yīng)幅度隨刺激強(qiáng)度的增大而增大 2、在局部形成電緊張性擴(kuò)布 3、可以總和: 空間總和 spatial summation 時(shí)間總和 temporal summation 143.3 局部電位的特征1、等級(jí)性：非“全或無(wú)”，最基本特性 興奮性突觸電位（EPSP）3.4 突觸后電位1

8、5興奮性突觸電位（EPSP）3.4 突觸后電位17抑制性突觸電位（IPSP）16抑制性突觸電位（IPSP）18四、動(dòng)作電位 在靜息電位基礎(chǔ)上，細(xì)胞受到一個(gè)適當(dāng)(不小于閾值)刺激時(shí)，其膜電位所發(fā)生的一次可擴(kuò)布、迅速的、短暫的波動(dòng)。 “全或無(wú)” 現(xiàn)象 全幅式傳導(dǎo)型（不衰減性傳導(dǎo)） 不可疊加性 17四、動(dòng)作電位 在靜息電位基礎(chǔ)上，細(xì)胞受到一個(gè)適當(dāng)(不小18閾值(threshold): 足夠多的鈉通道的開(kāi)放使鈉離子通透性大于鉀離子上升相（rising phase)：鈉通道完全開(kāi)放，鈉離子迅速進(jìn)入胞內(nèi)超射（Overshoot）：趨向于鈉平衡電位下降相(falling phase)：鈉通道失活，鉀通道開(kāi)放

9、增加回射（后超級(jí)化，undershoot)：接近于鉀平衡電位絕對(duì)不應(yīng)期(absolute refractory period)：鈉通道失活，不能被激活 相對(duì)不應(yīng)期(relative refractory period)：超極化狀態(tài)，接近于Ek，需要大的去極化4.2 動(dòng)作電位特征波形的形成原因鋒電位：spike20閾值(threshold): 足夠多的鈉通道的開(kāi)放使動(dòng)作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制 （一）鋒電位產(chǎn)生的離子機(jī)制1、鋒電位產(chǎn)生的條件（1）神經(jīng)元的RP是鋒電位產(chǎn)生的基礎(chǔ)（2）細(xì)胞外鈉離子濃度遠(yuǎn)大于細(xì)胞內(nèi)鈉離子濃度（3）刺激引起鈉離子通道的大量開(kāi)放。動(dòng)作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制（一）鋒電位產(chǎn)生的離子機(jī)制

10、1、鋒電位產(chǎn)2、鋒電位產(chǎn)生ENa是Na+平衡電位 （1）去極化相 細(xì)胞受刺激 少量鈉通道開(kāi)放 靜息電位增加到閾電位水平 大量鈉通道開(kāi)放 細(xì)胞外Na+快速、大量?jī)?nèi)流 細(xì)胞內(nèi)電位急劇 上升 鋒電位的上升支（Na+內(nèi)流） Na+內(nèi)流 與K+外流達(dá)到平衡（鋒電位頂點(diǎn)-超射值）2、鋒電位產(chǎn)生ENa是Na+平衡電位 （鋒電位頂點(diǎn)的膜電位水平，主要由ENa決定：1、記錄值和計(jì)算值接近；2、降低Na+o可降低鋒電位的幅度，降低程度與計(jì) 算值基本一致；3、河豚毒素（TTX）特異阻斷Na+通道。鋒電位頂點(diǎn)的膜電位水平，主要由ENa決定：1、記錄值和計(jì)算值 復(fù)極化相 膜電位達(dá)到Na+平衡電位水平 鈉通道失活關(guān)閉，鉀

11、通道激活開(kāi)放 Na+停止內(nèi)流、K+快速外流 細(xì)胞內(nèi)電位下降，恢復(fù)到負(fù)電位水平 鋒電位的下降支。 (K+外流) 復(fù)極化相 膜電位達(dá)到Na+平衡電位水平3、鋒電位的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)（1）上升支：電壓門控Na+通道的激活與膜去極 化是正反饋過(guò)程；（2）下降支：膜電位復(fù)極化與K+通道開(kāi)放是負(fù)反 饋過(guò)程。3、鋒電位的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)（1）上升支：電壓門控Na+通道的激活24膜片鉗方法Erwin NeherBert Sakmann1991 Nobel Prize26膜片鉗方法Erwin NeherBert Sakmann25電壓鉗方法要驗(yàn)證理論上的動(dòng)作電位，可以通過(guò)測(cè)定在動(dòng)作電位的不同時(shí)期各離子的電導(dǎo)，以期確定鉀鈉離

12、子及其通道在動(dòng)作電位產(chǎn)生過(guò)程中的作用。測(cè)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Kenneth C. 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(guò)測(cè)量在不同膜電位時(shí)流過(guò)膜的電流來(lái)推測(cè)膜電導(dǎo)變化。g= I/V4.3 動(dòng)作電位的記錄27電壓鉗方法要驗(yàn)證理論上的動(dòng)作電位，可以通過(guò)測(cè)定在動(dòng)作電位2020-神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)27動(dòng)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(dòng)頻率。發(fā)放動(dòng)作電位的速率是有上限的，最大發(fā)放頻率大約為1000Hz。29動(dòng)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2

13、8通道選擇性地對(duì)鈉離子開(kāi)放，且通道的開(kāi)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(gè)完整的鈉通道是由一條多肽長(zhǎng)鏈組成。除了這個(gè)多肽長(zhǎng)鏈組成的單位以外，還有兩個(gè)亞單位(1,2）起修飾作用。多肽長(zhǎng)鏈由四個(gè)結(jié)構(gòu)域(I-IV)組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)域含6個(gè)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(guò)器。TTX作用位點(diǎn)4.4 電壓門控鈉通道30通道選擇性地對(duì)鈉離子開(kāi)放，且通道的開(kāi)放與關(guān)閉與膜電位的變29鈉通道開(kāi)放模式圖S4段含有正電荷(每隔兩個(gè)氨基酸殘基就有一個(gè)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(shí)候，S4片段便會(huì)被迫發(fā)生移

14、動(dòng)，這種構(gòu)像變化可以引起鈉通道開(kāi)放。31鈉通道開(kāi)放模式圖S4段含有正電荷(每隔兩個(gè)氨基酸殘基就有30鈉通道的功能特性 開(kāi)放延時(shí)很短暫； 開(kāi)放時(shí)間約1ms后失活(inactivation)； 失活后繼續(xù)去極化不能使鈉通道再開(kāi)放； 只有當(dāng)膜電位復(fù)極化到閾值附近時(shí)，通道才能被去極化再次打開(kāi)。32鈉通道的功能特性 開(kāi)放延時(shí)很短暫；31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(duì)TTX不敏感的鈉通道。在蛤蜊、蚌類及其它海洋殼類動(dòng)物中常常會(huì)因?yàn)橐栽孱悶槭扯e

15、聚STX，食用會(huì)致命。b. 失活化阻斷劑（延長(zhǎng)動(dòng)作電位）?？舅?Sea anemone venom), 使開(kāi)放的鈉通道不能立即關(guān)閉，繼續(xù)開(kāi)放下去，從而使Na離子繼續(xù)內(nèi)流，峰值時(shí)間延長(zhǎng)，形成平臺(tái)。蝎毒素(Scorpion toxin), 阻止鈉通道失活化，動(dòng)作電位延長(zhǎng)。c. 鈉通道激動(dòng)劑（異常開(kāi)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(kāi)放，開(kāi)放時(shí)間長(zhǎng)于正常開(kāi)放時(shí)間。 百合科藜蘆定（veratridine)或者毛茛科烏頭堿(aconitine)與箭毒作用類似。 活化阻斷劑（阻斷鈉電流）河豚毒素(Tetrodotoxin, TTX), 特點(diǎn)：

16、 作用迅速， 可逆 石房蛤毒素(Saxitoxin, STX), 赤潮中的旋溝藻，專用于對(duì)TTX不敏感的鈉通道。在蛤蜊、蚌類及其它海洋殼類動(dòng)物中常常會(huì)因?yàn)橐栽孱悶槭扯e聚STX，食用會(huì)致命。33作用于鈉通道的毒素 活化阻斷劑（阻斷鈉電流）b. 失活化32局部麻醉劑 局部麻醉劑是能夠暫時(shí)阻斷軸突上動(dòng)作電位的藥物，被直接注射到需要局部感覺(jué)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S6 alpha螺旋區(qū)。 小軸突要求更多的電壓門控鈉通道參與，因此較細(xì)的軸突對(duì)局麻藥更敏感，這在臨床上非常有意義。34局部麻醉劑33 傳導(dǎo) ：在同一細(xì)胞上動(dòng)作電位的傳播 。 傳遞 ：

17、動(dòng)作電位是在兩個(gè)細(xì)胞之間進(jìn)行傳播 。 傳播 ：在神經(jīng)元任一部位產(chǎn)生的動(dòng)作電位，在 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的擴(kuò)散過(guò)程 。五、動(dòng)作電位的傳導(dǎo)35 傳導(dǎo) ：在同一細(xì)胞上動(dòng)作電位的傳播34動(dòng)作電位的傳導(dǎo)速度是不相同的，10m/s是比較典型的速率。3635影響傳導(dǎo)速度的因素 軸突直徑 v= d1/2 有無(wú)髓鞘， 髓鞘厚度 myelin 溫度的高低髓鞘和跳躍傳導(dǎo)朗飛氏結(jié)37影響傳導(dǎo)速度的因素髓鞘和跳躍傳導(dǎo)朗飛氏結(jié)一、離子通道的相關(guān)特征 可以傳導(dǎo)離子； 識(shí)別和選擇性傳導(dǎo)離子； 對(duì)特定的電、化學(xué)和機(jī)械信號(hào)作出反應(yīng)而開(kāi)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；36一、離子通道的相關(guān)特征

18、38二、離子通道的本質(zhì) 離子通道是插入細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)組成的，但不是載體(transporter)。 不是由蛋白質(zhì)組成的簡(jiǎn)單的插入脂質(zhì)膜中的孔洞，載體蛋白的運(yùn)輸沒(méi)有那么快的傳輸速率。 離子通道的選擇性原因：與離子和水分子、膜脂質(zhì)雙分子層以及通道之間的相互作用有關(guān)。 鉀離子和鈉離子互相不能通過(guò)對(duì)方的通道。37二、離子通道的本質(zhì)39離子通道對(duì)鉀離子和鈉離子的選擇性38離子通道對(duì)鉀離子和鈉離子的選擇性40三、離子通道的相關(guān)特性 離子通過(guò)離子通道是被動(dòng)的(passive)，驅(qū)動(dòng)力Vm-Eion，電流隨著驅(qū)動(dòng)力的增強(qiáng)可以是線性(linear)的或者非線性的(nonlinear)。離子通道通過(guò)構(gòu)象的變化的

19、而使通道開(kāi)放或者關(guān)閉。電壓門控通道在激活后可以進(jìn)入失活化狀態(tài)（不應(yīng)期）的機(jī)制。外源性因子對(duì)配體門控離子通道的影響通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性位點(diǎn)和非競(jìng)爭(zhēng)性位點(diǎn)作用。39三、離子通道的相關(guān)特性41離子通道通過(guò)構(gòu)象變化而使通道開(kāi)放或者關(guān)閉40離子通道通過(guò)構(gòu)象變化而使通道開(kāi)放或者關(guān)閉42通道開(kāi)放關(guān)閉的幾種調(diào)節(jié)機(jī)制，通過(guò)不同的刺激而獲得能量使通道構(gòu)象發(fā)生變化配體門控通道通過(guò)配體結(jié)合通過(guò)蛋白磷酸化和脫磷酸化電壓門控通道通過(guò)電壓感受器感知膜兩側(cè)的電壓變化通過(guò)細(xì)胞骨架感知壓力或者牽張等機(jī)械力41通道開(kāi)放關(guān)閉的幾種調(diào)節(jié)機(jī)制，通過(guò)不同的刺激而獲得能量使通道構(gòu)電壓門控離子通道失活的幾種機(jī)制電壓門控鈣離子通道鈉通道通過(guò)調(diào)節(jié)亞基或者片

20、斷而使構(gòu)象發(fā)生變化42電壓門控離子通道失活的幾種機(jī)制電壓門控鈣離子通道鈉通道通過(guò)調(diào)外源性因子對(duì)配體門控離子通道影響的機(jī)制Curare箭毒 nAchRReversibleBungarotoxin金環(huán)蛇毒 nAchRNonreversibleValium安定GABAa Rnoncompetitive43外源性因子對(duì)配體門控離子通道影響的機(jī)制Curare45四、離子通道的結(jié)構(gòu)1、離子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白質(zhì)組成，由兩個(gè)或者多個(gè)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。2、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：化學(xué)（配體）門控通道、機(jī)械門控通道、電壓門控通道。 3、離子通道的結(jié)構(gòu)功能可以通過(guò)Patch Clamp、Gene cloning、X-ray crystallography等方法研究。44四、離子通道的結(jié)構(gòu)1、離子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白質(zhì)組離子通道由亞基組成45離子通道由亞基組成47離子通道的分類Ach,GABA,Gly五個(gè)亞基，每個(gè)亞基有四