神经生物学郑州大学 基础医学院 生理教研室1 1物质转运形式2 2单纯扩散 (simple diffusion)3 3扩散动力：分子热运动必要条件：既溶于水，又溶于脂质。影响因素：电-化学梯度；膜的通透性；温度 。转运物质： O2、CO2 、乙醇、脂溶性维生 素4 4易化扩散（facilitated diffusion）非脂溶性物质，借助膜上蛋白质的 作用，由高浓度向低浓度通过细 胞膜。如：K+、Na+、Ca2+等带电 离子的转运和葡萄糖、氨基酸等的 转运。n经载 体易化扩散n经通道易化扩散5 5经载体易化扩散 转运特征：u 高度的结构特异性u 有饱和现象u 存在竞争性抑制 影响因素：u浓度差u可利用载体数u被转运物和载体发生 反应的速率 转运物质：u葡萄糖、氨基酸6 6饱 和 现 象 7 7经通道易化扩散转运特征：u 相对特异性u 无饱和现象u 闸门时 开时闭u 高速度 影响因素：u电-化学梯度u闸门状态 转运物质：u无机离子8 8离子通道的三种状态9 9离子通道的类型1010主动转运 （ active transport）物质依靠细胞膜上生物泵的作用逆电 -化学梯度转运的过程。n原发性主动转 运n继发 性主动转 运1111原发性主动转运Na+ - K+ 泵1212继发性主动转运 1313同向转运（Na/Glucose）1414反向转运（Na/H）1515出胞与入胞（exocytosis & endocytosis）大分子物质或物质团块 ，通过复杂的膜结 构的功能改变进出细胞的过程。n出胞:主要见于内分泌细胞的激素分泌和神 经末梢的递质释 放n入胞:主要是细胞的吞噬作用1616入胞（endocytosis） 1717出胞（exocytosis）1818第2章 电生理学基础第一节 静息电位 第二节 动作电位 第三节 电压门 控离子通道1919静息膜电位n神经元在静息时，也就是在没有受到刺激时，其 膜内外两侧存在的电位差，称为静息膜电电位 (resting membrane potential)。n通常采用细细胞内记录记录 的方法进行测量，将一根微 电极插入细胞内，参考电极置于细胞外液，两个 电极间显示的电位差便是静息膜电位的数值。n以细胞外作为零点，细胞内均显示负电位，其绝 对值越大，静息膜电位也越大。神经元的静息膜 电位一般在-40-90 mV的范围。n神经元处于静息膜电位时，称为极化状态态 (polarization)，当该膜电位数值朝减小的方向变 化时，称为去极化(depolarization)，若朝增大的方 向变化时，称为超极化(hyperpolarization)。202021212222静息膜电位发生的 机制即电荷跨膜分布的 不均匀状态n膜两侧的离子浓 度差23232. 离子通道的选择 通透性当神经细 胞静息时，非门控性K+ 通道通透性较大，而Na+、Cl-等通道 通透性较小。24243. 离子跨膜扩散平衡点位2525Nernst方程式中R是气体通用常数，T是绝对温度Z是离子 价，F是法拉弟常数。如将有关数值代入，体温以 37计算，上式可简化为：Ek=RT zFlnK+o K+iEk= 61.54 mVlogK+o K+i2626Membrane potential and equilibrium potential of different ions2727推论：要维持静息膜电位，必须维 持离子的不均衡跨膜分布。nEion和Em总是有差距的。n静息状态下总是存在离子的跨膜运动。2828离子浓度梯度的维持膜离子泵的作用n在静息电位的产生过程中、K+浓度梯度的稳定至 关重要。n实际上，神经元内存在着改变离子浓度梯度的因 素，这主要来自Na+的被动流入。n尽管神经元静息时膜对Na+的通透性很低，但是 Na+有一个从外到内的强大浓度梯度，加上细胞 存在吸引阳离子的负电位，便会促使Na+持续流 向细胞内。Na+的流人使得静息膜电位小于K+的 平衡电位(Ek)、进而导致K的向外扩散。n在正常神经元，这种离子浓度梯度的变化可以被 膜上的一种Na-K+泵阻止。2929Na-K Pump3030第二节节 动动作电电位概念：动动作电电位(action potential)是指神经 细胞受到刺激时，产生的一种可传 播的特殊膜电位变化或者说是一种 可沿细胞表面传播的跨膜电位瞬间 逆转。3131一. AP的记录 及AP的特征细胞内记录细胞外记录3232Intracellular potential recording3333-+ +- +- +- + -细细细细胞外胞外记录记录记录记录3434组组成： 去极相： 去极化 超射 锋电锋电 位复极相： 复极化初期后电电位： 负负后电电位正后电电位 AP是膜两侧电侧电 位在RP基础础上发发生的一次可 扩扩布的快速而可逆的倒转转，是细细胞兴奋兴奋 的 标标志。AP的特征3535锋电锋电 位(Spike potential)3636后电电位（after-potential）3737二.细细胞膜的被动电动电 学特征n被动膜：跨膜电阻和跨膜电位差为 常数n主动膜：跨膜电阻和跨膜电位差可 变；与膜离子通道状态相关。n膜电容和膜电阻n膜离子电流和膜电容电流3838n膜电阻（Rm）n膜电导 G=1/Rn膜电容 C=Q/Vl膜两侧表面储存相反的电荷各种神经经元的Cm相近，但Rm存 在显显著差异。3939膜离子电流和膜电容电流n带电 离子跨膜流动产 生的电流，称 为膜离子电电流（Ii）。l离子电流的大小决定于细胞内外的电位 差和膜离子通道的密度。n由于胞质中正离子流动，中和膜内侧 负电 荷，膜外侧正电荷因膜内负电 荷吸引力减少而离开细胞膜，产生电 流称膜电电容电电流（Ic）。 Im=Ii+Ic4040三.动作电位的离子基础n早在1902年,Bernstein根据当时观察到的生 物电现象，提出了著名的膜学说说。他认为 神经或肌肉细胞膜对K+有特殊的通透性， 而对较大的阳离子或阴离子均无通透性。 静息时，由于膜内外K+的浓度差而形成静 息膜电位；兴奋过 程的电位变化是由于 兴奋部位膜对离子选择通透性的消失，因 此动作电位的大小应等于静息电位的绝对 值。 这一学说不能解释以后发现的动作电位的 超射(overshoot)现象。4141n 1939年微电极发明以后，Curtis和Cole, Hodgkin和Huxley等人分别用毛细管微电 极测量了鰂乌贼大神经纤维兴奋时 的电 位变化。n结果发现动 作电位大于膜静息电位，出 现了超射。1949年Hodgkin和Katz进一步做 了“钠离子对鰂乌贼大纤维中产生的动作 电位的作用”的实验。4242Na+稍微变小，即将 细胞外液中的NaCl部分 地被蔗糖或氯化胆碱所 代替，则动作电位上升 相变慢，超射减小，传 导速度变慢(图A曲线3) ； 当Na+减少50时, 超射几乎减少一半，动 作电位上升相变得更慢( 图B曲线2)； 当Na+减少33时， 超射儿乎完全消失(图A 曲线2）4343电压钳 原理(voLtage clamp)n只要固定膜电位不变，使膜电容电流为零 ，则膜总电流等于离子电流。在鰂鰂乌贼大纤维内插入两根细铂丝 ，一根记录电压 E，另一根记录电 流 I。记录膜电位E输出(如-70 mV)与调定电压V(如-100 mV)通过比较器进 行比较其差值30 mV经放大后进入一个快速电压-电流转换器(FBA)， 使V30 mV的电压转换 成电流I，把这个反馈电流I打人膜内，使膜电 位立即发生变化。这样就能够维持膜电压不变。4444左图表示在去极化作用时通过膜的离子电流。膜左极化56 mV，图中A为正常海水所记录到的总离子电流，B为用氯化胆碱溶液代替海水中绝大部分NaCl (90以上)以后所得到的曲线，主要是IK；C为A减去B所得到的曲线，应为INa。离子置换换法4545离子电流的大小和方向 取决于驱动力。 在电压钳 位实验中，不 断改变Vm，Na+电流的 变化有以下三种情况：VmENa 外向Ina 反转电转电 位：+52mV46464747Hodgkin和Huxely的结论 ：n动作电位期间细 胞膜对Na+和K+的 通透性依次发生了变化：早期，Na+的膜电导 增加，Na+内 流而产生了动作电位的去极化期；接着，Na+的膜电导 降低，而K+ 的膜电导 增加，K+外流使膜电位回 到静息水平。484849495050在大鼠胚胎骨骼肌细胞膜片上记录 到的由Ach激活的单通道离 子电流51515252膜片钳发现 离子通道的共同特性n开放和关闭都是突然的n只能有“开”或“关”两种状态，而没有“ 半开”或“半关”。n同一通道分子，开关持续时间 具有随 机性（“摆动 ”）。n在化学性门控通道结合了相应的化学 信号分子，或电压门 控通道所在膜两 侧处 于特定的电位差的情况下，“摆 动”次数增多。5353四. 动作电位的传导n动作电位的传导 机制n动作电位的传导 速度n影响动作电位传导 速度的因素n神经干的复合动作电位5454离子通道的基本特性:1.不同的离子通道是互相独立的 2.通道是孔洞而不是载体 3.离子通道的化学本质是蛋白质结 构 4.通道对离子通透的特异性依赖于孔洞 大小、离子形成氢键 的能力及通道内 位点相互作用的强度5555电压依赖性通道的S4段可能是一个电压感 受器 S5和S6段之间的非螺旋区形成了通道的衬 里：分子筛筛5656双闸门控制Na离子通道nm gate that response to depolarizationn h gate that response to repolarizationn Three states of Na+ channelstate m h gresting state closed opened 0active state opened opened highinactive state opened closed 057575858Resting activation 激活 Recovery Active复活 inactivation 失活Inactive595960606161动作电位的引起与传导n动作电位的引起n细胞兴奋 后兴奋 性周期性变化n局部电位n动作电位的传导6262动作电位的引起n 刺激n 兴奋 性及兴奋n 阈电 位6363刺 激 (Stimulus)刺激：细胞所处环境因素的任何改变。刺激三要素：u刺激强度u刺激作用时间u强度-时间变 化率阈强度：把刺激的作用时间和强度-时间变 化率都 固定在某一适当数值，能引起组织细 胞兴奋所必 需的最小刺激强度，称为阈强度(threshold intensity),或简称阈值(threshold)。 阈值是衡量组 织细胞兴奋性高低的指标。 6464兴奋性及兴奋n兴奋 性：细胞受到刺激时产 生动作 电位的能力和特性。n兴奋 ：动作电位的同义词 。6565阈电位(Threshold potential)n阈电位：能进一步诱发动 作电位的去极化临界膜 电位值，称为阈电 位（threshold membrane potential）；n它是所有可兴奋细 胞的一项重要功能指标。n阈电位一般较静息电位的负值少1015mV。n去极化到达阈电位 一定数量的Na+通道的开放 Na+内流 膜的进一步去极化 更多Na+通道 开放 “正反馈”或称为再生性循环的过程 直至达到Na+的平衡电位。 6666细胞兴奋后兴奋性周期性变化nAbsolute refractory period 绝对 不应期nRelative refr