神經(jīng)肌肉興奮原理及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)

神經(jīng)肌肉興奮原理及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)第1頁(yè)/共74頁(yè)坐骨神經(jīng)-腓腸肌模型將分離的坐骨神經(jīng)-腓腸肌模型浸入任氏液（—種比較接近兩棲動(dòng)物內(nèi)環(huán)境的液體）備用；用沾有任氏液的鋅銅弓觸及一下坐骨神經(jīng)或用鑷子夾持坐骨神經(jīng)中樞端，腓腸肌發(fā)生迅速而明顯的收縮；然后再用食鹽（或1%H2SO4濾紙）刺激坐骨神經(jīng)中樞端（或肌肉），腓腸肌發(fā)生迅速而明顯的收縮。18世紀(jì)末期的發(fā)現(xiàn)——蛙腿論戰(zhàn)關(guān)鍵人物伽伐尼\伏打\諾伯里第2頁(yè)/共74頁(yè)觸發(fā)神經(jīng)——肌肉反射的物質(zhì)是什么？背景：人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電的基本原理電信號(hào)、離子？傳播方式？是離子在細(xì)胞中運(yùn)動(dòng)嗎？細(xì)胞是一個(gè)整體，離子怎樣進(jìn)入？第3頁(yè)/共74頁(yè)關(guān)于細(xì)胞膜的背景離子在細(xì)胞中流動(dòng)？細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)似乎不支持這種看法1895年Overton研究各種未受精的卵細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)容易通過細(xì)胞膜說明細(xì)胞膜是由脂類構(gòu)成的，離子很難通過細(xì)胞外表面是親水的說明……脂質(zhì)、膽固醇植物研究中的啟發(fā)你猜測(cè)細(xì)胞膜應(yīng)該是什么樣的構(gòu)造？第4頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)第5頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)人工制作的磷脂雙分子層小泡——脂質(zhì)體第6頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)1925年Gorter和Grendel用丙酮提取紅細(xì)胞膜脂，并將其在空氣/水界面上展開，萃取得到了物質(zhì)可以鋪展成兩倍紅細(xì)胞膜的面積第7頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)你們?cè)趺丛u(píng)價(jià)Gorter和Grendel的實(shí)驗(yàn)？有什么問題？丙酮萃取出的膜脂僅占總膜脂的70%單層油脂分子的間距是可變的他們用血圖片的辦法測(cè)量紅細(xì)胞表面積LangmuirTrough的使用方式后來的更有趣的實(shí)驗(yàn)(Zwall,etal.,1975)，脂膜對(duì)糖脂酶的耐受，給出更確切的估計(jì)第8頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)DanielliandDavson模型(1935)DanielliandDavson(1935)proposedamembranemodelincludingproteins.Theyusedtheirmodeltointerprettheobservationofdifferentmembranepermeabilitiesofionsandhydrocarbons.Inparticular,theyassumedthatthemembranehasbothalipophilicandahydrophiliccharacter.Watercontainingregionsinthemembranegiverisetoiontransportdependingonwatercontentofthemembraneanditscharge;lipophilicpartsareresponsibleforthetransportofwater-insolublemolecules.第9頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)Robertson電鏡照片(1958)Robertson(1959)collectedelectronmicroscopyimagesofmanycellsandorganelles.HispictureofabiologicalmembraneresemblesthatofDanielliandDavson(1935).However,itisnowbasedonmicroscopicevidence.第10頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)TheFluidMosaicModelofSingerandNicolson(1972)thestructuresofanumberofsolubleproteinsweresolvedbyX-raycrystallographymanymembraneproteinshaveahighα-helicalcontentthatlabeledproteinsformisolatedspotsinsomemembranesconsideredtheroleofhydrophobicaminoacidsinα-helices第11頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)DomainFormationandProteinClustersDuringlipidmeltingtransitionsthethicknessoflipidmembranesandthelaterallipiddistributionchanges.Thisisofextremeinterestforregulationandsignaltransductionpurposesinsuchmembranes第12頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代細(xì)胞膜模型第13頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)細(xì)胞膜由膜脂和蛋白質(zhì)構(gòu)成細(xì)胞有500-1000種不同的膜脂，是細(xì)胞膜基本結(jié)構(gòu)這些膜脂可以分為三大類：磷脂、膽固醇、糖脂它們的結(jié)構(gòu)和功能有各自的特點(diǎn)蛋白質(zhì)完成膜的主要功能，包括受體、酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白第14頁(yè)/共74頁(yè)磷脂細(xì)胞膜脂的主要成分其中最重要的成分是磷酸甘油脂（phosphoglycerides）第15頁(yè)/共74頁(yè)磷脂分類主要有四種：磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰膽堿（卵磷脂）、鞘磷脂第16頁(yè)/共74頁(yè)膽固醇第17頁(yè)/共74頁(yè)神經(jīng)節(jié)苷脂是一類重要的糖脂Gal:半乳糖Glc:葡萄糖GalNAc:乙酰半乳糖胺

糖脂位于細(xì)胞膜的外層

第18頁(yè)/共74頁(yè)第19頁(yè)/共74頁(yè)第20頁(yè)/共74頁(yè)膜脂的性質(zhì)脂膜是一種二維液體膜脂在脂膜中很容易側(cè)向運(yùn)動(dòng)（流動(dòng)）但是除膽固醇之外，所有其它膜脂都無法快速地從內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)到外側(cè)，反之亦然脂膜的流動(dòng)性受到膜脂成分的影響雙層膜的厚度受到膜脂特性的影響第21頁(yè)/共74頁(yè)(A)卵磷脂與鞘磷脂1:1混合制備的脂質(zhì)體中，兩種膜脂均勻分布；(B)卵磷脂、鞘磷脂、膽固醇1:1:1混合制備的脂質(zhì)體中，鞘磷脂與膽固醇形成脂筏人工脂膜上的脂筏——AFM顯微鏡觀測(cè)結(jié)果第22頁(yè)/共74頁(yè)膽固醇降低脂膜的側(cè)向形變特性，從而降低脂膜對(duì)水溶性分子的通透性膽固醇并不降低脂膜的流動(dòng)性，它還能降低細(xì)胞膜的熔點(diǎn)卵磷脂、膽固醇、鞘磷脂組成的脂質(zhì)體中，膽固醇、鞘磷脂形成島狀區(qū)域細(xì)胞膜中也有這樣的區(qū)域，稱為“脂筏”脂筏主要由卵磷脂和鞘磷脂形成脂筏比其它區(qū)域厚，因此蛋白質(zhì)不易從脂筏中側(cè)向擴(kuò)散到其它區(qū)域第23頁(yè)/共74頁(yè)質(zhì)膜的不對(duì)稱性第24頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞膜的不對(duì)稱性頭部含有膽堿基團(tuán)的在外側(cè)膜（卵磷脂、鞘磷脂）頭部含有氨基的在內(nèi)側(cè)膜（磷脂酰絲氨酸、磷脂酰乙醇胺）磷脂酰絲氨酸帶負(fù)電荷一些重要但是少量的磷脂在內(nèi)側(cè)膜參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，如：肌醇磷脂（inositolphospholipid）磷脂的不對(duì)稱性由磷脂泵調(diào)控細(xì)胞凋亡使磷脂泵失效，脂膜不對(duì)稱性消失第25頁(yè)/共74頁(yè)第26頁(yè)/共74頁(yè)第27頁(yè)/共74頁(yè)膜蛋白還記得我們的問題從哪里開始的嗎？神經(jīng)的電信號(hào)依賴于離子離子無法自由穿透脂膜脂膜上的蛋白質(zhì)具有多種功能，主要負(fù)擔(dān)起信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、酶催化、輸運(yùn)各種物質(zhì)的功能膜蛋白有如下幾種形式第28頁(yè)/共74頁(yè)第29頁(yè)/共74頁(yè)大部分跨膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)是α螺旋α螺旋可以互相發(fā)生作用第30頁(yè)/共74頁(yè)一些β折疊形成跨膜通道第31頁(yè)/共74頁(yè)參與跨膜輸運(yùn)的蛋白主要分為兩種：轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（載體）、通道蛋白

第32頁(yè)/共74頁(yè)第33頁(yè)/共74頁(yè)上述兩類蛋白參與神經(jīng)興奮電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)人類細(xì)胞不興奮時(shí)（靜息）質(zhì)膜內(nèi)外存在電位差稱為靜息電位骨骼肌-90mV神經(jīng)細(xì)胞-70mV平滑肌-55mV紅細(xì)胞-10mV平穩(wěn)的靜息電位下，細(xì)胞膜電位外正內(nèi)負(fù)擔(dān)狀態(tài)成為極化靜息電位數(shù)值減小為去極化，反之為超極化第34頁(yè)/共74頁(yè)靜息電位產(chǎn)生機(jī)制細(xì)胞膜內(nèi)外的離子濃度差鈉鉀泵將3個(gè)Na+泵出胞外，2個(gè)K+運(yùn)進(jìn)胞內(nèi)胞外Na+濃度遠(yuǎn)高于胞內(nèi)，胞內(nèi)K+濃度遠(yuǎn)高于胞外K+通道輔助K+自由擴(kuò)散到胞外，造成靜息電位差第35頁(yè)/共74頁(yè)鈉鉀泵第36頁(yè)/共74頁(yè)鉀通道第37頁(yè)/共74頁(yè)用電極插入槍烏賊的大神經(jīng)軸突，測(cè)量動(dòng)作電位；動(dòng)作電位向兩個(gè)方向均能傳播，并在某個(gè)觸發(fā)閾值之上便可發(fā)生——全或無特點(diǎn)超射將槍烏賊的軸突內(nèi)細(xì)胞液抽干，灌注人工配置的混有Na+，K+，Cl-的溶液，當(dāng)且僅當(dāng)軸突內(nèi)外的離子濃度與自然狀態(tài)下相當(dāng)時(shí)，動(dòng)作電位的工作模式不變——說明質(zhì)膜、離子是動(dòng)作電位的關(guān)鍵動(dòng)作電位第38頁(yè)/共74頁(yè)用電壓鉗技術(shù)保持軸突內(nèi)外電壓在+20mV左右，另外用一個(gè)電極檢測(cè)膜內(nèi)外電壓；在去激化或者膜內(nèi)正電壓的刺激下Na+通道迅速打開，使Na+內(nèi)流，其瞬間內(nèi)流量明顯大于K+外流（此時(shí)Na+電導(dǎo)率增加），膜內(nèi)電位升高；Na+通道迅速關(guān)閉，盡管刺激仍然存在段時(shí)期內(nèi)也不激活，進(jìn)入不應(yīng)期；K+在膜內(nèi)高電壓的驅(qū)動(dòng)下外流增加（稍有延后）。上述現(xiàn)象需要用河豚毒素特異性阻斷Na+通道，或者四乙胺特異性阻斷K+通道后方能觀測(cè)到。第39頁(yè)/共74頁(yè)Na+電壓門控通道示意圖第40頁(yè)/共74頁(yè)用膜片鉗記錄Na電壓門控通道的開、閉狀態(tài)第41頁(yè)/共74頁(yè)動(dòng)作電位產(chǎn)生機(jī)制電壓門控鈉通道打開，造成Na+內(nèi)流膜兩側(cè)的離子濃度差造成靜息電位降低，并超射隨著超射升高，電壓門控鈉通道關(guān)閉，鈉鉀泵繼續(xù)工作，K+繼續(xù)外流靜息電位恢復(fù)第42頁(yè)/共74頁(yè)動(dòng)作電位的傳播動(dòng)作電位帶來的離子濃度差別引起相鄰的電壓門控鈉通道的反應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)傳播第43頁(yè)/共74頁(yè)第44頁(yè)/共74頁(yè)郎飛節(jié)提高神經(jīng)傳導(dǎo)效率第45頁(yè)/共74頁(yè)神經(jīng)對(duì)肌肉的控制及肌肉運(yùn)動(dòng)肌肉的分類形態(tài)學(xué)特點(diǎn)：橫紋肌、平滑肌神經(jīng)支配的特點(diǎn)：隨意肌、非隨意肌功能特性：骨骼肌、心肌、平滑肌骨骼肌心肌平滑肌橫紋肌第46頁(yè)/共74頁(yè)骨骼肌神經(jīng)-肌接頭處興奮傳遞第47頁(yè)/共74頁(yè)終板的結(jié)構(gòu)和重要分子神經(jīng)末梢端——接頭前膜相對(duì)的肌肉端——終板膜二者之間間隙50nm——接頭間隙接頭前膜內(nèi)神經(jīng)末梢中含許多囊泡，囊泡中含有乙酰膽堿終板膜上有N2型ACh陽離子通道終板膜表面有乙酰膽堿酯酶第48頁(yè)/共74頁(yè)神經(jīng)遞質(zhì)導(dǎo)致終板電位Acetylcholine乙酰膽堿，ACh第49頁(yè)/共74頁(yè)神經(jīng)纖維動(dòng)作電位接頭前膜去極化電壓門控鈣通道開放Ca2+進(jìn)入神經(jīng)末梢突出囊泡與接頭前膜融合、ACh釋放Ach結(jié)合并激活A(yù)ch受體通道終板膜對(duì)Na+，K+通透性增高終板電位肌膜動(dòng)作電位Ach被膽堿酯酶分解第50頁(yè)/共74頁(yè)肌肉終板電位的特點(diǎn)Ach量子釋放；屬于局部反應(yīng)，不表現(xiàn)“全或無”；沒有不應(yīng)期；具有總和效應(yīng)；單向傳遞。興奮由運(yùn)動(dòng)神經(jīng)末梢傳向肌細(xì)胞；時(shí)間延擱。遞質(zhì)的釋放、擴(kuò)散及其與受體結(jié)合而發(fā)揮作用，均需要時(shí)間，興奮通過一個(gè)神經(jīng)-肌接頭頭至少需要0.5~1.0ms；易受藥物和其他環(huán)境因素的影響。第51頁(yè)/共74頁(yè)ACh受體是一個(gè)非常有歷史地位的受體第一個(gè)被純化的離子通道，第一個(gè)確知氨基酸序列，第一個(gè)人工嵌入在脂質(zhì)體膜中保佑活性，第一個(gè)記錄下單離子電流，第一個(gè)被基因測(cè)序并克隆，第一個(gè)確定三維結(jié)構(gòu)的離子通道在電魚、電鰻、電鰩的產(chǎn)電器官中大量存在與一些特定藥物如α-銀環(huán)蛇毒可以特異性結(jié)合——可以通過親和層析純化第52頁(yè)/共74頁(yè)ACh受體的分子特點(diǎn)第53頁(yè)/共74頁(yè)ACh受體分子由5條跨膜肽鏈組成其中兩條一樣；這些肽鏈具有高度同源性；當(dāng)ACh與受體結(jié)合后，受體構(gòu)象發(fā)生變化，即胞外端開始旋轉(zhuǎn)，破壞了封住通道口的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。該通道模式圖第54頁(yè)/共74頁(yè)Ach受體是多種藥物的作用靶點(diǎn)箭毒素和α-銀環(huán)蛇毒可特異性阻斷ACh受體通道；新斯的明為膽堿酯酶抑制劑，抑制膽堿酯酶增加ACh在接頭間隙的濃度；有機(jī)磷農(nóng)藥使膽堿酯酶磷?；瘑适Щ钚裕笰Ch大量蓄積，造成中毒；重癥肌無力：自身抗體致終板膜上ACh受體通道被破壞；肌無力綜合征：自身抗體破壞了軸突末梢鈣通道第55頁(yè)/共74頁(yè)終板膜上沒有電壓門控鈉通道，不產(chǎn)生動(dòng)作電位，但是終板電位可以刺激周圍具有電壓門控鈉通道的肌膜，產(chǎn)生動(dòng)作電位，并傳遞。第56頁(yè)/共74頁(yè)動(dòng)作電位如何觸發(fā)肌肉興奮？首先看橫紋肌的微細(xì)結(jié)構(gòu)，以骨骼肌為例第57頁(yè)/共74頁(yè)第58頁(yè)/共74頁(yè)粗肌絲：肌球蛋白（myosin）細(xì)肌絲：肌動(dòng)蛋白(actin)，原肌球蛋白(tropomyosin)，肌鈣蛋白(troponin,T,I,C)橫橋，頭部由myosin輕鏈構(gòu)成第59頁(yè)/共74頁(yè)第60頁(yè)/共74頁(yè)肌纖維的重要結(jié)構(gòu)幾個(gè)重要結(jié)構(gòu)明帶、暗帶、H帶Z線、M線肌節(jié)肌管系統(tǒng)橫管（T管），有L型鈣通道縱管（肌質(zhì)網(wǎng)，SR，LSR，JSR），有雷諾定受體（ryanodine受體）第61頁(yè)/共74頁(yè)ACh的到來使細(xì)胞內(nèi)鈣升高ACh受體觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)釋放Ca2+SR是細(xì)胞內(nèi)部的鈣庫(kù)心肌骨骼肌第62頁(yè)/共74頁(yè)細(xì)胞內(nèi)鈣濃度升高造成肌肉收縮第63頁(yè)/共74頁(yè)肌絲收縮過程第64頁(yè)/共74頁(yè)橫橋周期是肌纖維收縮的驅(qū)動(dòng)過程橫橋具有ATP酶活性，舒張狀態(tài)下將與其結(jié)合的ATP分解，部分能量用于豎起橫橋；Ca2+濃度升高導(dǎo)致actin位點(diǎn)暴露，myosin與actin結(jié)合；結(jié)合導(dǎo)致橫橋構(gòu)象改變，其頭部向桿部扭動(dòng)45°，ATP水解能量耗盡，ADP與磷酸解離；橫橋重新結(jié)合1個(gè)ATP分子，使其與actin親和力降低，與之解離，橫橋重新豎起。第65頁(yè)/共74頁(yè)肌絲滑移理論第66頁(yè)/共74頁(yè)肌肉的等長(zhǎng)收縮和等張收縮