(神经生物学课件)3、动作电位

动作电位产生的离子机制
膜相对离子通透性 的改变是动作电位 产生的原因
AP上升相的离子机制
细胞受刺激
少量钠通道开放 静息电位
增加到阈电位水平 大量钠通道开放
细胞
外Na+快速大量内流
细胞内电位急剧上升
AP的上升支（Na+内流） 达到Na+平衡电位
（锋电位顶点-超射值）
锋电位顶点的膜电位水平，主要由ENa决定：
inactivation.
离子通道家族
离子通道亚单位的结构
离子选择性
Voltage-dependent Na+ channels
Voltage-dependent Na+ channels
Single channel I-V curve
The open probability of Na+ Channels is Voltage- and time-dependent
Macroscopic current:
Activation and inactivation of INa
Ion selectivity of Na+ channels
S4 involved in activation of Na+ channels
局部麻醉剂
III-IV Linker: inactivation
Hodgkin and Huxley’s equation
C d d V t g L ( E L V ) g K n 4 ( E K V ) g N a m 3 h ( E N a V ) I a p p x n,m,h
(V
)
dx dt
x
(V
)
teady State
a. Promotes movement of current down the axon b. Equivalent to increasing the thickness of the axonal
membrane 100 fold c. Reduces membrane capacitance d. Rate of passive spread is inversely proportionate to
AP的下降支
AP后电位的离子机制
1、 去极化后电位： ① 复极化相大量K+外流，导致暂时性细胞 外K+ 蓄积，延缓了复极化的过程 ② Ca2+内流
2、 超极化后电位： ① K+继续外流 ② 生电性钠泵作用
AP的电压钳分析
电压钳技术
主要是通过保持细胞跨 膜电位不变，并迅速控制 其数值，以观察在不同膜 电位条件下膜电流变化， 分析离子跨膜移动的情况。
membrane capacitance e. Distance that the current spreads down the inside of the
axon and causes an AP is enhanced by myelin
Produced by glia
a. Schwann cells in the periphery b. Oligodendrocytes in the CNS
Propagation of AP in a passive axon
Propagation of AP in an active axon
动作电位传导的过程
动作电位传导的过程
产生的动作电位能沿神经元轴突进行传导。
局部去极化，使邻近的电压门控钠通道开放，钠离 子内流，邻近局部去极化，去极化又引起邻近的电 压门控钠通道开放，钠离子内流。就这样依次向前 推进。平均速度一般10米/秒。
局部电流
已产生AP的部位，与邻近的静息部位之间，存在电位 差，进而形成在膜内侧由已兴奋部位指向静息部位，而 在膜外侧则由静息部位指向已兴奋部位的局部电流环路。
动作电位只能从起始位点往外传播
影响动作电位传导速度的因素
Axon diameter Direct relationship：Increase diameter, increase velocity Physiologically limiting
动作电位产生过程中钠通道的开放
Patch Clamp Technique（膜片钳技术）
Erwin Neher and Bert Sakmann
钠通道的开放与关闭
动作电位的单通道分析
动作电位的传导
传导（conduction）：同一细胞上动作电位的传播
传递（transmission）：动作电位在两个细胞之间 的传播
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AP is initiated at the axon initial segment
The refractory period（不应期）
绝对不应期（absolute refractory period）：在接受第 一个刺激产生兴奋的一段极短的时间内，无论再给予多么 强大的刺激，也不能使组织细胞产生第二次兴奋。此时组 织的兴奋性为零。超射期和复极化前期 相对不应期：下降支晚期
Spike Generation: Iapp ↑ → V ↑ → m ↑ (quickly) while n ↑ and h ↓ (slowly)
Thus V goes up quickly toward ENa until h shuts off Na channels and K inhibition dominates
Nodes of Ranvier
a. Intermittent breaks in the myelin b. Site of action potential regeneration
脱髓鞘疾病
1、多发性硬化（multiple sclerosis): 病人经常抱怨 无力，协调性差，视力以及言语能力受损。主要是中 枢白质包括神经纤维的髓鞘的减少甚至消失引起神经 传导减慢。该病反复发作，迁延不愈。
Saltatory conduction
动作电位的跳跃式传导
出现在有髓神经纤维 某一朗飞结的动作电 位，可跨越一段有髓 鞘的纤维而呈跳跃式 传导。传导速度要比 无髓神经纤维快得多。
传导过程中AP的形成 是AP传导的关键限速 因素，跳跃传导仅在 朗飞结生成AP。
髓鞘
Function as insulation
钾通道
Delayed rectifier K+ channel
Current-voltage curves of the delayed rectifier
Single channel i/V relation
Macroscopic I/V relation
参考书目
1. Neuroscience: Exploring the Brain 2. Foundations of Cellular Neurophysiology
(神经生物学课件）3、动作电位
动作电位的产生
1. 动作电位的特点 2. 动作电位产生的离子机制 3. 动作电位的传导 4. 离子通道简介
动作电位： 是神经元兴奋和活动的标志，是神经信
息编码的基本单元，在极为复杂的神经系 统中，是信息赖以产生、编码、传输、加 工和整合的载体。
动作电位（action potential）
2、格林—巴利综合症（Guilain-Barre syndrome):损 坏外周神经中支配肌肉和皮肤的神经髓鞘。使支配肌肉 和皮肤的轴突动作电位传导变慢或无效。患者伴有感染 史，1～2周后患者出现双手和/或双足的无力，并逐渐 向双上肢及双下肢发展，可伴有麻木感，病情严重时可 以累及呼吸肌而导致呼吸困难，此时患者感到咳痰无力 、气憋，若治疗不及时可危及生命。
Different types of APs recorded in excitable cells
离子通道分类的依据
• Ion selectivity and direction of ion
movement,
• gating mechanism, • topology and assembly plan, • time course of activation and inactivation, • reversal potentials for activation and
去极化 (depolarization) 超射 (overshoot ) 复极化 (repolarization) 超极化 (hyperpolarization)
动作电位的特征
“全或无” 阈值 不衰减性传导 不可叠加性
胞内注射正电荷诱发动作电位
动作电位发放频率与去极化程度正相关
1、记录值和计算值接近； 2、降低[Na+]o可降低锋电位的幅度，降低程度与计
算值基本一致； 3、河豚毒素（TTX）特异阻断Na+通道。
AP下降相的离子机制
膜电位达到Na+平衡电位水平
钠通道失活关
闭，钾通道大量开放 (在上升相已经少量开放)
Na+停止内流、K+快速外流
细胞内电位下
降，恢复到负电位水平