第3章神经元的兴奋和传导New.ppt

第2章 细胞膜动力学和跨膜信号通讯请复习请复习“细胞生物学细胞生物学”学过的相关内学过的相关内容容第3章 神经元的兴 奋和传导第一节第一节 神经肌肉的兴奋和兴奋性神经肌肉的兴奋和兴奋性什么是可兴奋和不可兴奋的组织细什么是可兴奋和不可兴奋的组织细胞胞(excitable & unexcitable cells) ？一、神经和肌肉的兴奋性（？）1、刺激与反应、刺激与反应刺激（刺激（stimulus）: 引起机体活动状态发生变化的引起机体活动状态发生变化的任何环境变化因子。任何环境变化因子。反应（反应（response）: 刺激引起的机体活动状态的刺激引起的机体活动状态的改变。改变。2、兴奋与兴奋性、兴奋与兴奋性兴奋（兴奋（excitation）: 机体对外界环境变化做出的机体对外界环境变化做出的反应；或反应；或可兴奋细胞产生动作电位的过程。可兴奋细胞产生动作电位的过程。兴奋性（兴奋性（excitability）: 机体对外界环境变化做机体对外界环境变化做出的反应的能力；或出的反应的能力；或可兴奋细胞产生动作电位的可兴奋细胞产生动作电位的能力。能力。3、引起兴奋的主要条件、引起兴奋的主要条件 一定的刺激强度一定的刺激强度 一定的刺激作用时间一定的刺激作用时间 刺激强度的变化率刺激强度的变化率阈强度阈强度刚能引起组织兴刚能引起组织兴奋的刺激强度奋的刺激强度阈刺激阈刺激达到阈强度的有达到阈强度的有效刺激效刺激阈上刺激阈上刺激高于阈强度的高于阈强度的刺激刺激阈下刺激阈下刺激低于阈强度的低于阈强度的刺激刺激强度不能无限降低强度不能无限降低限度；限度；时间时间不能无限缩短不能无限缩短限度。限度。方法：条件刺激方法：条件刺激+测试刺激测试刺激绝对不应期（绝对不应期（absolute refractory period）组织兴奋后，在去极之组织兴奋后，在去极之后到复极达到一定程度之前对任何强后到复极达到一定程度之前对任何强度的刺激均不产生反应度的刺激均不产生反应相对不应期（相对不应期（ relative refractory period）绝对不应期之后，随着绝对不应期之后，随着复极化的继续，组织的兴奋性有所恢复极化的继续，组织的兴奋性有所恢复，只对阈上刺激产生兴奋复，只对阈上刺激产生兴奋超常期（超常期（super normal period）相对不应期之后，兴奋恢复高于原有相对不应期之后，兴奋恢复高于原有水平，用阈下刺激就可引起兴奋水平，用阈下刺激就可引起兴奋低常期（低常期（subnormal period）超超常期之后，组织进入兴奋性较低时期，常期之后，组织进入兴奋性较低时期，只有阈上刺激才能引起兴奋只有阈上刺激才能引起兴奋4、组织兴奋后兴奋性变化的测定方法、组织兴奋后兴奋性变化的测定方法5、阈下总和、阈下总和2个阈下刺激个阈下刺激单独作用时均不能引起兴奋，但当二单独作用时均不能引起兴奋，但当二者者同时或相继作用同时或相继作用时，则可引起一次兴奋，称之为时，则可引起一次兴奋，称之为阈下阈下总和总和，前者为，前者为空间总和空间总和，后者为，后者为时间总和时间总和。6、电紧张、电紧张直流电通电过程中及断电后的短时间内组织的兴奋直流电通电过程中及断电后的短时间内组织的兴奋性发生变化的现象为性发生变化的现象为电紧张电紧张。通电过程中阴极部位的组通电过程中阴极部位的组织兴奋性增高为阴极电紧张织兴奋性增高为阴极电紧张，而阳极部位的组织兴奋性，而阳极部位的组织兴奋性降低为阳极电紧张；降低为阳极电紧张；断电后即刻阳极部位的组织兴奋性断电后即刻阳极部位的组织兴奋性升高为阳极后加强，升高为阳极后加强，阴极部位的组织兴奋性降低为阴极阴极部位的组织兴奋性降低为阴极后压抑。后压抑。二、神经肌肉的跨膜电位（？）（一）细胞的跨膜物质转运（一）细胞的跨膜物质转运 (请大家复习细胞生物学学过的内容) 1. 单纯扩散单纯扩散 2. 膜蛋白介导的跨膜转转运膜蛋白介导的跨膜转转运 2.1 载体介导的易化扩散载体介导的易化扩散 特点：特异性、饱和现象、竞争性抑制特点：特异性、饱和现象、竞争性抑制 2.2 通道介导的易化扩散通道介导的易化扩散 按转运离子而命名按转运离子而命名 2.3 原发性主动转运原发性主动转运 细胞直接利用代谢产生的能量细胞直接利用代谢产生的能量(ATP)，借助离子泵而将物质逆浓，借助离子泵而将物质逆浓度梯度或电势的跨膜转运过程。度梯度或电势的跨膜转运过程。 2.4 继发性主动转运继发性主动转运 使用某种离子浓度梯度作为能量来源使用某种离子浓度梯度作为能量来源, 而非代谢产生的而非代谢产生的ATP： 同向转运同向转运-如肾小管中葡萄糖、氨基酸、如肾小管中葡萄糖、氨基酸、Cl-等与等与Na+的同向转的同向转运相偶联。运相偶联。 逆向转运逆向转运-如肾小管细胞分泌如肾小管细胞分泌H+、K+与与Na+的反向转运相偶联。的反向转运相偶联。 3. 胞吞和胞吐胞吞和胞吐Galvani发现生物电现象（偶然、发现生物电现象（偶然、必然、机遇，科学证明）必然、机遇，科学证明）1、损伤电位、损伤电位（lesion potential）将电位计一端将电位计一端置于神经置于神经肌肉的表面，另一肌肉的表面，另一端置于损伤部位，测得损伤部端置于损伤部位，测得损伤部位为负，完整部位为正的电位。位为负，完整部位为正的电位。（为什么？）（为什么？）2、静息电位（、静息电位（resting potential）细胞在静息状细胞在静息状态下，存在于细胞膜两侧的态下，存在于细胞膜两侧的内内负外正负外正的电荷状态的电荷状态（极化）（极化）（二）静息电位和动作电位（二）静息电位和动作电位Approximate ion concentrations on either side of a neuronal membrane.Eion is the membrane potential that would be achieved at body temperature if the membrane were selectively permeable to that ion.RP形成的机制：形成的机制：膜的的选择性通透膜的的选择性通透性；性；K+的外流和的外流和K+的平衡电位的平衡电位K+的跨膜流动受到两种力的跨膜流动受到两种力的作用：的作用：驱动驱动K+流动的浓流动的浓度差的作用力与相反方向度差的作用力与相反方向的跨膜电位差驱动力。的跨膜电位差驱动力。当浓度差的驱动力与电位当浓度差的驱动力与电位差的驱动力大小相等时，差的驱动力大小相等时，由于它们作用的方向相反，由于它们作用的方向相反，对离子作用的合力为对离子作用的合力为0，达到平衡状态，此时测定达到平衡状态，此时测定跨膜电位差成为该离子的跨膜电位差成为该离子的平衡电位平衡电位(equilibrium potential)德国物理化学家德国物理化学家Nernst提出：提出：Diffusion. (a) NaCl has been dissolved on the left side of an impermeable membrane. The sizes of the letters Na+ and Cl- indicate the relative concentrations of these ions. (b) Channels inserted in the membrane allow passage of Na+ and Cl-. Because there is a large concentration gradient across the membrane, there will be a net movement of Na+ and Cl- from the region of high concentration to the region of low concentration, from left to right. (c) In the absence of any other factors, the net movement of Na+ and Cl- across the membrane ceases when they are equally distributed on the two sides of the permeable membrane.The movement of ions influenced by an electrical field.Electrical current flow across a membrane.(a) Voltage applied across a phospholipid bilayer causes no electrical current because there are no channels to allow the passage of electrically charged ions from one side to the other; the conductance of the membrane is zero. (b) Inserting channels in the membrane allows ions to cross. Electrical current flows in the direction of cation movement (from left to right in this example).3、动作电位、动作电位（action potential）细胞受刺激而兴奋细胞受刺激而兴奋后，细胞膜的后，细胞膜的Na+通道打开，通道打开， Na+内流，膜电位有内负外正转内流，膜电位有内负外正转变为内正外负变为内正外负（去极化、反极化）（去极化、反极化）。* 锋电位（持续时间相当锋电位（持续时间相当于绝对不应期）于绝对不应期） 动作电位形成的机制动作电位形成的机制包括包括:去极相（化）、复极相（化）和后电位去极相（化）、复极相（化）和后电位三个时相三个时相 去极相去极相 与与Na+平衡电位平衡电位即上升相，由即上升相，由Na+内流引起，当内流引起，当Na+内流形成的膜内正电位足以阻止内流形成的膜内正电位足以阻止Na+进一步内流时，则达到进一步内流时，则达到Na+平衡电位。平衡电位。 复极相复极相（复极化）（复极化）当达到当达到Na+平衡电位后，平衡电位后，细胞膜上细胞膜上Na+通道失活，通道失活， K+通道打开，通道打开，K+外流，造外流，造成动作电位的复极相成动作电位的复极相. 后电位后电位动作电位在复极后期发生的一些微动作电位在复极后期发生的一些微小而缓慢的电位波动，为后电位，包括小而缓慢的电位波动，为后电位，包括负后电位负后电位和和正正后电位。后电位。 负后电位负后电位: 复极后期，膜电位恢复极后期，膜电位恢复到静息电位水平之前的缓慢的复到静息电位水平之前的缓慢的复极过程，称之为复极过程，称之为负后电位。负后电位。 机制机制：K+蓄积于膜外而进一步蓄积于膜外而进一步阻止阻止K+的外流所致。的外流所致。（膜内电位（膜内电位较高，即绝对值较小，基本相当较高，即绝对值较小，基本相当于于超常期超常期）正后电位正后电位: 继负后电位之后，膜继负后电位之后，膜电位有一个低于静息电位水平的电位有一个低于静息电位水平的电位波动，称之为正后电位。电位波动，称之为正后电位。 机制：机制：由于由于Na+K+泵活动，泵活动，将向细胞内泵入将向细胞内泵入2K+，而向细胞，而向细胞外泵出外泵出3Na+ ，导致膜电位迅速导致膜电位迅速下降。下降。此时尽管细胞复极已达静此时尽管细胞复极已达静息水平，但膜两侧的离子尚为恢息水平，但膜两侧的离子尚为恢复到原来的水平。复到原来的水平。（此时相当于（此时相当于低常期）低常期）膜两侧离子浓度差重新建立膜两侧离子浓度差重新建立（Na+-K+泵），泵），恢复静息电位。恢复静息电位。（后去极化）（后去极化）（后超极化，下射（后超极化，下射, undershoot）4、离子通道的门控机制、离子通道的门控机制电压门控通道受膜去极化水平的影响电压门控通道受膜去极化水平的影响：当膜去极：当膜去极化达到一定水平时，载体分子的构象发生变化，化达到一定水平时，载体分子的构象发生变化，通道被打开。通道被打开。目前发现的至少有目前发现的至少有3种种Na+通道通道、5种种K+通道、通道、3种种Ca2+通道通道。如如Na+通道由质量大的通道由质量大的 亚单位、两个较小的亚单位、两个较小的 1、 2亚单位组成，其中亚单位组成，其中 亚单位包括亚单位包括4个结构类似的个结构类似的结构域，在膜中以结构域，在膜中以 螺旋形式存在，包绕成一个螺旋形式存在，包绕成一个通道样结构。通道样结构。Structure of the voltage-gated sodium channel. (a) How the sodium channel polypeptide chain is believed to be woven into the membrane. The molecule consists of four domains, . Each domain consists of six alpha helices (represented by the blue cylinders), which pass back and forth across the membrane. (b) An expanded view of one domain showing the voltage sensor of alpha helix S4 and the pore loop (red), which contributes to the selectivity filter. (c) A view of the molecule showing may arrange themselves to form a pore between them. (Source: Adapted from Armstrong and Hille, 1998, Fig.1.)4.1 电压门控电压门控Na+通道和通道和k+通道通道在记录动作电位的同时，测定不同离子的电导，在记录动作电位的同时，测定不同离子的电导，可见在不同电位和时相，不同离子的电导亦可见在不同电位和时相，不同离子的电导亦不同，不同，见教材见教材p32p32图图3-33-3Na+通道有通道有2种门控状态：种门控状态：激活态和失活态激活态和失活态K+通道只有一种门控状态：通道只有一种门控状态：开放或关闭状态开放或关闭状态A hypothetical model for changing the configuration of the sodium channel by depolarizing the membrane.（阻断剂：（阻断剂：tetrodotoxin，TTX）(1) sodium channelThe opening and closing of sodium channels upon membrane depolarization.(a) This trace shows the electrical potential across a patch of membrane. When the membrane potential is charged from -65 to -40 mV, the sodium channels pop open.(b) These traces show how three different channels respond to the voltage step. Each line is a record of the electrical current that flows through a single channel. At -65 mV, the channels are closed, so there is no current. When the membrane is depolarized to -40 mV, the channels briefly open and current flows inward, represented by the downward deflection in the current traces. Although there is some variation from channel to channel, all of them open with little delay and stay open for less than 1msec. After they open once, they close and stay closed as long as the membrane is maintained at a depolarized Vm. The closure of the sodium channel by steady depolarization is called inactivation. To deinactivate the channels, the membrane must be returned to -65mV. (c) A model for how changes in the conformation of the sodium channel protein might yield its functional properties. The closed channel opens upon membrane depolarization. Inactivation occurs when a globular portion of the protein swings up and occludes the pore. Deinactivation occurs when the globular portion swings away and the pore closes by movement of the transmembrane domains.(2) Structure of a potassium channel.The shaker potassium channel has four subunits arranged like staves of a barrel to form a pore. Enlargement: The tertiary structure of the protein subunit contains a pore loop, a part of the polypeptide chain that makes a hairpin turn within the membrane. The pore loop is a critical part of the filter that makes the channel selectively permeable to K+ ions.阻断剂：阻断剂：tetraethylammonium, TEA4.2 离子通道门在不同状态间的转换离子通道门在不同状态间的转换去极化时：去极化时：Na+通道处于备用状态（失活态门开放，通道处于备用状态（失活态门开放，激活态门关闭）激活态门关闭）去极化达到阈电位时：去极化达到阈电位时：Na+通道开放通道开放AP达到峰值：达到峰值： Na+通道关闭，通道关闭， K+通道开始开放，直通道开始开放，直至膜电位回到至膜电位回到RP水平水平详见详见p34图图3-5参照图解释参照图解释4.3 电压钳和膜片钳电压钳和膜片钳电压钳：电压钳：膜片钳：膜片钳：要求掌握几个概念要求掌握几个概念 极化极化: : 在静息状态下，细胞膜两侧存在的内负外正的电在静息状态下，细胞膜两侧存在的内负外正的电荷状态，为极化荷状态，为极化 去极化去极化: : 细胞受刺激而兴奋后，细胞膜两侧存在的内负细胞受刺激而兴奋后，细胞膜两侧存在的内负外正的电荷状态转变为内正外负的电荷状态，为去极化外正的电荷状态转变为内正外负的电荷状态，为去极化 复极化复极化: : 细胞兴奋后，细胞膜两侧的电荷由内正外负向细胞兴奋后，细胞膜两侧的电荷由内正外负向内负外正转化，为复极化内负外正转化，为复极化 超极化超极化: : 细胞膜内负电荷向负值减小的方向转化，为超细胞膜内负电荷向负值减小的方向转化，为超极化极化第二节第二节 神经冲动的产生与传导神经冲动的产生与传导1、神经冲动的产生、神经冲动的产生1 1）外向电流与电紧张电位（图）外向电流与电紧张电位（图） 内向电流与超级化：内向电流与超级化：内向电流与细胞膜的内向电流与细胞膜的外正内负方向一致，超级化。外正内负方向一致，超级化。 外向电流与去极化：外向电流与去极化：外向电流与细胞膜的外向电流与细胞膜的静细电位方向相反，去极化。静细电位方向相反，去极化。 电紧张电位：电紧张电位：阈下刺激下所引起的膜电位阈下刺激下所引起的膜电位变化（图）变化（图） 特点：特点：随扩布距离的增加而减小随扩布距离的增加而减小一、神经冲动的产生与传导一、神经冲动的产生与传导 过程和原理？过程和原理？在直流电刺激电极正、负在直流电刺激电极正、负极处记录到的膜电位变化极处记录到的膜电位变化 2 2）局部电流）局部电流当刺激强度增至当刺激强度增至阈值的阈值的60%60%左左右，右，由阴极部位的外向电流由阴极部位的外向电流引起的一种特殊的电变化。引起的一种特殊的电变化。缓慢回到基线。（图）缓慢回到基线。（图）3 3）阈电位与动作电位）阈电位与动作电位阈电位：阈电位：能产生动作电位的能产生动作电位的临界膜电位临界膜电位阈刺激：阈刺激：使膜电位达到阈电使膜电位达到阈电位的临界刺激强度位的临界刺激强度动作电位特点：动作电位特点：全或无，非全或无，非递减性传导递减性传导2 2、神经冲动的传导、神经冲动的传导1 1）神经冲动传导的一般特点）神经冲动传导的一般特点 生理完整性生理完整性 双向性双向性 非递减性，非递减性，“全或无全或无”特性特性 绝缘性绝缘性 相对不疲劳性相对不疲劳性 冲动传导的局部电流与两种纤维的传导特点冲动传导的局部电流与两种纤维的传导特点 局部电流：局部电流：兴奋部位与非兴奋部位之间构成局部电流兴奋部位与非兴奋部位之间构成局部电流 有髓神经纤维：有髓神经纤维：跳跃式传导跳跃式传导，速度快，速度快 无髓神经纤维：无髓神经纤维：连续传递连续传递，速度慢，速度慢二、神经干复合动作电位二、神经干复合动作电位1 1、神经干复合动作电位的定义与特点、神经干复合动作电位的定义与特点1 1）定义：）定义：神经干所包含的许多神经纤维的生物电变神经干所包含的许多神经纤维的生物电变化的总和化的总和2 2）特点：）特点： 兴奋快慢与阈值有关：兴奋快慢与阈值有关：阈值低的先兴奋，阈值高的阈值低的先兴奋，阈值高的后兴奋后兴奋 兴奋的传导速度与纤维直径成正相关系兴奋的传导速度与纤维直径成正相关系2、双相动作、双相动作电位和单电位和单相动作电相动作电位位-细胞细胞外记录外记录见实验课见实验课