神经生物学2
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早期测量静息电位的方法之一是用一对电极和电位仪相连,一个电极 早期测量静息电位的方法之一是用一对电极和电位仪相连, 放置在细胞外,另一个玻璃毛细管电极刺入细胞内记录. 放置在细胞外,另一个玻璃毛细管电极刺入细胞内记录.
1.为了描述方便,通常我们将静息电位存在时,细胞膜 两侧所保持的内负外正的状态,称为极化 (polarization). 2.当膜电位向负值减小的方向变化时,称为去极化 (depolarization).去极化至零电位以上,称为超射. 3.相反的,膜电位向负值加大的方向变化时,称为超极化 (hyperpolarization). 4.细胞先发生去极化,然后再向安静时膜内所处负值 恢复,则为复极化(repolarization).
(suprathreshold stimulus)时,在静息电位基础上发生的 快速的,可逆的,可传播的细胞膜两侧的电变化. 关于阈电位:去极化触发动作
电位 产生所必须达到的临界膜
电位水平,称为阈电位 (threshold). 动作电位被认为是"all or none"的.
动作电位的构成
构成动作电位主要部分的脉冲 样变化,称为锋电位(spike potential) ,整个变化过程 一般历时0.5～2ms . 在锋电位下降支恢复到静息电 位以前,膜两侧还要经历一些 缓慢的波动,这称为后电位 (after potential),一般持 potential),一般持 续 5～30ms. 30ms. 负后电位: 复极后期,膜电位 有一个稍高于静息电位水平的 缓慢的复极过程,称之为负后 电位. 正后电位: 继负后电位之后, 膜电位有一个低于静息电位水 平的电位波动,称为正后电.
细胞兴奋后膜兴奋性的变化: 细胞兴奋后膜兴奋性的变化:
绝对不应期——没有兴奋性 绝对不应期——没有兴奋性
TP
相对不应期——兴奋性有所恢复 相对不应期——兴奋性有所恢复 超常期——兴奋性轻度升高 超常期——兴奋性轻度升高 低常期——兴奋性低于正常 低常期——兴奋性低于正常
来自百度文库
RP
1
Excitability Excitability
细胞膜两侧带电离子的不平衡分布是由离子泵( 钾泵) 细胞膜两侧带电离子的不平衡分布是由离子泵(钠-钾泵) 的作用形成的. 的作用形成的.
钠-钾泵:每分解一分子ATP,泵出3个Na+,泵入2个K+ ATP, 泵入2 钾泵:每分解一分子ATP 泵出3
枪乌贼巨大神经纤维膜电位的测量
action potential 概念:可兴奋组织或细胞受到阈上刺激
动作电位的传导速度
AP的传导速度取决与神经元膜的被动电学特性. AP的传导速度取决与神经元膜的被动电学特性. 的传导速度取决与神经元膜的被动电学特性 膜时间常数( 膜时间常数(τ)越短,则意味着由局部电流形成的 越短, 电紧张电位可以更快地使临近静息部位去极化达到 阈电位水平而产生新的AP,所以传导速度越快; 阈电位水平而产生新的AP,所以传导速度越快;而 AP 空间常数( 越长, 空间常数(λ) 越长,则意味着电紧张电位可以被 动传导至更远的距离,故传导速度越快. 动传导至更远的距离,故传导速度越快.
动作电位的产生动作电位的产生- Na+平衡电位
动作电位的性状
1.全或无式脉冲反应 动作电位可因为刺激过小而不产生,但一经达到 刺激阈,便不再依赖刺激电流,而且大小恒定,即" 刺激阈,便不再依赖刺激电流,而且大小恒定,即"all or none"现象. none" 2.不衰减传导 在神经元一处产生的动作电位,对相临近部位形成刺激,
K+平衡电位(equilibrium potential) 平衡电位( ) 与 Nernst 方程
R—通用气体常数(8.31) T— 绝对温度(237+摄氏温度) 通用气体常数( 绝对温度( 摄氏温度) 通用气体常数 ) 摄氏温度 Z — 离子价 F— Faraday常数 常数
实验证据
Hodgkin等,人为改变细胞膜内,外K 浓度,来观察K Hodgkin等 人为改变细胞膜内, 浓度,来观察K
膜片钳技术(patch clamp) clamp) 膜片钳技术(
用一个尖端光洁的玻璃微电极同神经或肌细胞的膜接触而不刺入,然后在微电极 另一端开口施加适当的负压,将与电极尖端接触的那一小片膜轻度吸入电极尖端 的纤细开口,在这一小片膜中只包含了一个或少数几个通道蛋白分子,通过此微 电极和检测设备就可测量出单一通道开放时的离子电流和电导.
膜片钳技术(patch clamp) 膜片钳技术(patch clamp)
动作电位的传导
关于兴奋传导的局部电流 关于兴奋传导的局部电流 学说( 学说(local current theory), theory), 在兴奋部位产 生的电位差刺激临近部位, 两者之间产生局部电流, 使临近部位去极化,达到 临近部位去极化,达到 阈值后,便在相临的部位 阈值后,便在相临的部位 产生兴奋.兴奋就是以此 机制快速扩布.
当细胞内微电极在神经纤维某 处通以微小电流,用另一根微 电极在该点附近记录到的电紧 张电位最大.随着记录电极与 刺激电极之间距离的加大,记 录到的电紧张电位也逐渐变小. 我们将电紧张电位从最大值下 降到0.37Vmax 处的距离定为膜 空间常数(λ) .与膜电阻成正比, 与轴浆电阻成反比.
1879年 1879年 Hermann 提出了
★ 动作电位形成的机制
包括去极相, 包括去极相,复极相和后电位三个时相
平衡电位——即上升相,由Na+内流引起,当Na+内流 即上升相, 内流引起, ◆去极相与Na+平衡电位 去极相与 即上升相 形成的膜内正电位足以阻止Na 进一步内流时,则达到Na 平衡电位. 形成的膜内正电位足以阻止 +进一步内流时,则达到 +平衡电位. 当达到Na 平衡电位后,细胞膜上Na 通道失活, ◆复极相——当达到 +平衡电位后,细胞膜上 +通道失活, K+通道 复极相——当达到 打开, 外流 造成动作电位的复极相. 外流, 打开,K+外流,造成动作电位的复极相. ◆负后电位机制:钾电导随膜电位的恢复而逐步减低, 因此延时. 负后电位机制:钾电导随膜电位的恢复而逐步减低, 因此延时. 机制 泵活动,将向细胞内泵入2K ◆正后电位机制:由于Na+—K+泵活动,将向细胞内泵入 +,而向细胞 正后电位机制:由于 机制 外泵出3Na+ . 外泵出
根据计算,使膜电位从0mv 到-80mv 需要的K+离子浓度变化约0.00001mmol/L, 也就是说,静息电位时的净K+改变是从细胞内的100mmol/L 降低到 99.99999mmol/L.一个可以忽略不计的浓度改变.
净电荷差发生在膜的内外表面. 净电荷差发生在膜的内外表面.
由于膜磷脂很薄<10nm,神经元内的负电荷和细胞外的正电荷因相互 吸引而分布在细胞膜的两侧,因此,膜被认为具有电容性.
电化学家们早已经测出细胞膜内外的离子浓度是不同的. 电化学家们早已经测出细胞膜内外的离子浓度是不同的.
神经和肌肉细胞内外一些离子浓度的比较:
细胞类型
细胞内液浓度/mmolL-1 Na+ K+
400 120 140 140
细胞外液浓度/mmolL-1 Na+
460 120 130 150
Cl100 3 4
(2)膜电容 神经元膜均有磷脂构成,厚度相近,细胞浆成分也
相似,因而各神经元膜的Cm相近,约3f/cm2. Cm 3f/cm
(3)时间常数 time constant (τ) 指电压上升到最终值的63%所需要的时间. τ 越小,信号扩散速度越快.
以上三个参数均反映了神经元膜本身的特性.
.膜空间常数(λ) (space constant)
0
SBNP SBNP SPNP SPNP RRP RRP
ARP ARP
局部兴奋的特点: 局部兴奋的特点:
1 随阈下刺激增大而增大 2 电紧张性扩布 graded
electrotonic propagation
3 总和现象 summation 时间性 temporal,空间性 spatial ,
几种描述神经元膜局部兴奋的参数
分 离 单 个 离 子 电 流
Neher,Sakmann在七十年代中期发明了膜片钳技术(Patch Neher,Sakmann在七十年代中期发明了膜片钳技术( 在七十年代中期发明了膜片钳技术 Clamp),并证实了离子通道的存在. ),并证实了离子通道的存在 Clamp),并证实了离子通道的存在.由于他们的重大成就 —细胞膜上单离子通道的发现,1991年10月7日在诺贝尔奖 细胞膜上单离子通道的发现, 细胞膜上单离子通道的发现 1991年10月 金颁奖大会上,诺贝尔生理学奖授给了他们. 金颁奖大会上,诺贝尔生理学奖授给了他们.
有髓神经纤维: 有髓神经纤维:
跳跃式传导
myelin
Node of Ranvier
传导的特征: 传导的特征:
双向传导 安全 不衰减
关于离子通道的研究历程 1,1909年诺贝尔化学奖得主Wilhelm Ostwald 在1890年时便 推测:生物组织中的电流是由进出细胞膜的离子所引起. 2,1963年诺贝尔生理医学奖得主Hodgkin与Huxley 于50年代 对枪乌贼巨大轴突膜上的离子电流,电导进行研究. 3,70年代,Patch Clamp技术证实了 Patch Clamp技术证实了 技术证实了离子通道的存在,关于通道 的离子选择性,开关及失活特性等概念也发展齐备,但其分子 机制依然不明(Neher,Sakmann Neher,Sakmann). Neher,Sakmann 4,1987年Lily 和Yuh Nung Jan 成功克隆了来自Shaker 果蝇的 K+离子通道. 5,石破天惊的发展出现在1998年,Roderick MacKinnon 成功解 出第一个高分辨率的K+通道三度空间结构——源自链霉菌 Streptomyces lividans.2002年,该研究小组又成功解出了 钙离子活化型钾离子通道的三度空间结构.
如图所示,将两根微电极 插入神经细胞内,一根作 为刺激电极,另一根作为 记录用电极.向刺激电极 施加较小的阈下刺激 电 流,便可记录到如图所示 电紧张电位变化过程.
(1)膜电阻 总体上来讲,神经元膜是不良导体,具有一定的膜电
阻,膜脂质结构赋予细胞膜绝缘性,镶嵌在膜上的离子 通道的适时开放才赋予细胞膜一定的离子通透性.
并且强度明显超过阈值.因此相临部位随因受到阈上刺激而进入兴奋状 态,即产生动作电位.从而依次诱发临近部位产生动作电位. 3.兴奋后变化 (1)绝对不应期 大致在动作电位的超射时相,无论用如何强的刺激电流 在该处都不能引起动作电位,此时相称为绝对不应期. (2)相对不应期 在超射时相之后的短时间内,,用较强的阈上刺激方可 在该处引起动作电位,并且振幅还要小一些,此时相称为相对不应期.
+ +
浓度变化对膜静息电位的影响.结果发现, 浓度变化对膜静息电位的影响.结果发现,测出的静息 电位变化同Nernst公式计算出的预期值基本相一致. 电位变化同Nernst公式计算出的预期值基本相一致. Nernst公式计算出的预期值基本相一致
需要说明的三个重要问题: 需要说明的三个重要问题: 膜电位的巨大改变是由离子浓度的较小变化引起的. 膜电位的巨大改变是由离子浓度的较小变化引起的.
K+
10 2.5 5 4
Cl540 120 120 140
枪乌贼巨大神经 蛙的神经和肌肉 哺乳动物的神经 哺乳动物的肌肉
50 15 10 10
静息电位的产生 ( Bernstein 的K+平衡电位 ) 当神经细胞处于静息状态时,由于细胞内高〖 K+ 〗 和K+通道开放,这时,K +离子会顺浓度梯度从浓度高的膜内 向浓度低的膜外运动.由于K+带有正电荷,所以K+的大量外 流会导致膜内正电荷减少而带负电(膜内主要的带负电的有 机离子不能透出膜),膜外则相应带正电,从而在膜内外形 成电位差.电位差的产生阻止了K+继续的外流,当这两种力 量相等时,即细胞膜内外两侧电-化学势为零,于是不再有 跨膜K+净移动,膜电位不再发生变化,即维持在静息电位水 平.(此电位差亦称为 K+平衡电位)
1.为了描述方便,通常我们将静息电位存在时,细胞膜 两侧所保持的内负外正的状态,称为极化 (polarization). 2.当膜电位向负值减小的方向变化时,称为去极化 (depolarization).去极化至零电位以上,称为超射. 3.相反的,膜电位向负值加大的方向变化时,称为超极化 (hyperpolarization). 4.细胞先发生去极化,然后再向安静时膜内所处负值 恢复,则为复极化(repolarization).
(suprathreshold stimulus)时,在静息电位基础上发生的 快速的,可逆的,可传播的细胞膜两侧的电变化. 关于阈电位:去极化触发动作
电位 产生所必须达到的临界膜
电位水平,称为阈电位 (threshold). 动作电位被认为是"all or none"的.
动作电位的构成
构成动作电位主要部分的脉冲 样变化,称为锋电位(spike potential) ,整个变化过程 一般历时0.5～2ms . 在锋电位下降支恢复到静息电 位以前,膜两侧还要经历一些 缓慢的波动,这称为后电位 (after potential),一般持 potential),一般持 续 5～30ms. 30ms. 负后电位: 复极后期,膜电位 有一个稍高于静息电位水平的 缓慢的复极过程,称之为负后 电位. 正后电位: 继负后电位之后, 膜电位有一个低于静息电位水 平的电位波动,称为正后电.
细胞兴奋后膜兴奋性的变化: 细胞兴奋后膜兴奋性的变化:
绝对不应期——没有兴奋性 绝对不应期——没有兴奋性
TP
相对不应期——兴奋性有所恢复 相对不应期——兴奋性有所恢复 超常期——兴奋性轻度升高 超常期——兴奋性轻度升高 低常期——兴奋性低于正常 低常期——兴奋性低于正常
来自百度文库
RP
1
Excitability Excitability
细胞膜两侧带电离子的不平衡分布是由离子泵( 钾泵) 细胞膜两侧带电离子的不平衡分布是由离子泵(钠-钾泵) 的作用形成的. 的作用形成的.
钠-钾泵:每分解一分子ATP,泵出3个Na+,泵入2个K+ ATP, 泵入2 钾泵:每分解一分子ATP 泵出3
枪乌贼巨大神经纤维膜电位的测量
action potential 概念:可兴奋组织或细胞受到阈上刺激
动作电位的传导速度
AP的传导速度取决与神经元膜的被动电学特性. AP的传导速度取决与神经元膜的被动电学特性. 的传导速度取决与神经元膜的被动电学特性 膜时间常数( 膜时间常数(τ)越短,则意味着由局部电流形成的 越短, 电紧张电位可以更快地使临近静息部位去极化达到 阈电位水平而产生新的AP,所以传导速度越快; 阈电位水平而产生新的AP,所以传导速度越快;而 AP 空间常数( 越长, 空间常数(λ) 越长,则意味着电紧张电位可以被 动传导至更远的距离,故传导速度越快. 动传导至更远的距离,故传导速度越快.
动作电位的产生动作电位的产生- Na+平衡电位
动作电位的性状
1.全或无式脉冲反应 动作电位可因为刺激过小而不产生,但一经达到 刺激阈,便不再依赖刺激电流,而且大小恒定,即" 刺激阈,便不再依赖刺激电流,而且大小恒定,即"all or none"现象. none" 2.不衰减传导 在神经元一处产生的动作电位,对相临近部位形成刺激,
K+平衡电位(equilibrium potential) 平衡电位( ) 与 Nernst 方程
R—通用气体常数(8.31) T— 绝对温度(237+摄氏温度) 通用气体常数( 绝对温度( 摄氏温度) 通用气体常数 ) 摄氏温度 Z — 离子价 F— Faraday常数 常数
实验证据
Hodgkin等,人为改变细胞膜内,外K 浓度,来观察K Hodgkin等 人为改变细胞膜内, 浓度,来观察K
膜片钳技术(patch clamp) clamp) 膜片钳技术(
用一个尖端光洁的玻璃微电极同神经或肌细胞的膜接触而不刺入,然后在微电极 另一端开口施加适当的负压,将与电极尖端接触的那一小片膜轻度吸入电极尖端 的纤细开口,在这一小片膜中只包含了一个或少数几个通道蛋白分子,通过此微 电极和检测设备就可测量出单一通道开放时的离子电流和电导.
膜片钳技术(patch clamp) 膜片钳技术(patch clamp)
动作电位的传导
关于兴奋传导的局部电流 关于兴奋传导的局部电流 学说( 学说(local current theory), theory), 在兴奋部位产 生的电位差刺激临近部位, 两者之间产生局部电流, 使临近部位去极化,达到 临近部位去极化,达到 阈值后,便在相临的部位 阈值后,便在相临的部位 产生兴奋.兴奋就是以此 机制快速扩布.
当细胞内微电极在神经纤维某 处通以微小电流,用另一根微 电极在该点附近记录到的电紧 张电位最大.随着记录电极与 刺激电极之间距离的加大,记 录到的电紧张电位也逐渐变小. 我们将电紧张电位从最大值下 降到0.37Vmax 处的距离定为膜 空间常数(λ) .与膜电阻成正比, 与轴浆电阻成反比.
1879年 1879年 Hermann 提出了
★ 动作电位形成的机制
包括去极相, 包括去极相,复极相和后电位三个时相
平衡电位——即上升相,由Na+内流引起,当Na+内流 即上升相, 内流引起, ◆去极相与Na+平衡电位 去极相与 即上升相 形成的膜内正电位足以阻止Na 进一步内流时,则达到Na 平衡电位. 形成的膜内正电位足以阻止 +进一步内流时,则达到 +平衡电位. 当达到Na 平衡电位后,细胞膜上Na 通道失活, ◆复极相——当达到 +平衡电位后,细胞膜上 +通道失活, K+通道 复极相——当达到 打开, 外流 造成动作电位的复极相. 外流, 打开,K+外流,造成动作电位的复极相. ◆负后电位机制:钾电导随膜电位的恢复而逐步减低, 因此延时. 负后电位机制:钾电导随膜电位的恢复而逐步减低, 因此延时. 机制 泵活动,将向细胞内泵入2K ◆正后电位机制:由于Na+—K+泵活动,将向细胞内泵入 +,而向细胞 正后电位机制:由于 机制 外泵出3Na+ . 外泵出
根据计算,使膜电位从0mv 到-80mv 需要的K+离子浓度变化约0.00001mmol/L, 也就是说,静息电位时的净K+改变是从细胞内的100mmol/L 降低到 99.99999mmol/L.一个可以忽略不计的浓度改变.
净电荷差发生在膜的内外表面. 净电荷差发生在膜的内外表面.
由于膜磷脂很薄<10nm,神经元内的负电荷和细胞外的正电荷因相互 吸引而分布在细胞膜的两侧,因此,膜被认为具有电容性.
电化学家们早已经测出细胞膜内外的离子浓度是不同的. 电化学家们早已经测出细胞膜内外的离子浓度是不同的.
神经和肌肉细胞内外一些离子浓度的比较:
细胞类型
细胞内液浓度/mmolL-1 Na+ K+
400 120 140 140
细胞外液浓度/mmolL-1 Na+
460 120 130 150
Cl100 3 4
(2)膜电容 神经元膜均有磷脂构成,厚度相近,细胞浆成分也
相似,因而各神经元膜的Cm相近,约3f/cm2. Cm 3f/cm
(3)时间常数 time constant (τ) 指电压上升到最终值的63%所需要的时间. τ 越小,信号扩散速度越快.
以上三个参数均反映了神经元膜本身的特性.
.膜空间常数(λ) (space constant)
0
SBNP SBNP SPNP SPNP RRP RRP
ARP ARP
局部兴奋的特点: 局部兴奋的特点:
1 随阈下刺激增大而增大 2 电紧张性扩布 graded
electrotonic propagation
3 总和现象 summation 时间性 temporal,空间性 spatial ,
几种描述神经元膜局部兴奋的参数
分 离 单 个 离 子 电 流
Neher,Sakmann在七十年代中期发明了膜片钳技术(Patch Neher,Sakmann在七十年代中期发明了膜片钳技术( 在七十年代中期发明了膜片钳技术 Clamp),并证实了离子通道的存在. ),并证实了离子通道的存在 Clamp),并证实了离子通道的存在.由于他们的重大成就 —细胞膜上单离子通道的发现,1991年10月7日在诺贝尔奖 细胞膜上单离子通道的发现, 细胞膜上单离子通道的发现 1991年10月 金颁奖大会上,诺贝尔生理学奖授给了他们. 金颁奖大会上,诺贝尔生理学奖授给了他们.
有髓神经纤维: 有髓神经纤维:
跳跃式传导
myelin
Node of Ranvier
传导的特征: 传导的特征:
双向传导 安全 不衰减
关于离子通道的研究历程 1,1909年诺贝尔化学奖得主Wilhelm Ostwald 在1890年时便 推测:生物组织中的电流是由进出细胞膜的离子所引起. 2,1963年诺贝尔生理医学奖得主Hodgkin与Huxley 于50年代 对枪乌贼巨大轴突膜上的离子电流,电导进行研究. 3,70年代,Patch Clamp技术证实了 Patch Clamp技术证实了 技术证实了离子通道的存在,关于通道 的离子选择性,开关及失活特性等概念也发展齐备,但其分子 机制依然不明(Neher,Sakmann Neher,Sakmann). Neher,Sakmann 4,1987年Lily 和Yuh Nung Jan 成功克隆了来自Shaker 果蝇的 K+离子通道. 5,石破天惊的发展出现在1998年,Roderick MacKinnon 成功解 出第一个高分辨率的K+通道三度空间结构——源自链霉菌 Streptomyces lividans.2002年,该研究小组又成功解出了 钙离子活化型钾离子通道的三度空间结构.
如图所示,将两根微电极 插入神经细胞内,一根作 为刺激电极,另一根作为 记录用电极.向刺激电极 施加较小的阈下刺激 电 流,便可记录到如图所示 电紧张电位变化过程.
(1)膜电阻 总体上来讲,神经元膜是不良导体,具有一定的膜电
阻,膜脂质结构赋予细胞膜绝缘性,镶嵌在膜上的离子 通道的适时开放才赋予细胞膜一定的离子通透性.
并且强度明显超过阈值.因此相临部位随因受到阈上刺激而进入兴奋状 态,即产生动作电位.从而依次诱发临近部位产生动作电位. 3.兴奋后变化 (1)绝对不应期 大致在动作电位的超射时相,无论用如何强的刺激电流 在该处都不能引起动作电位,此时相称为绝对不应期. (2)相对不应期 在超射时相之后的短时间内,,用较强的阈上刺激方可 在该处引起动作电位,并且振幅还要小一些,此时相称为相对不应期.
+ +
浓度变化对膜静息电位的影响.结果发现, 浓度变化对膜静息电位的影响.结果发现,测出的静息 电位变化同Nernst公式计算出的预期值基本相一致. 电位变化同Nernst公式计算出的预期值基本相一致. Nernst公式计算出的预期值基本相一致
需要说明的三个重要问题: 需要说明的三个重要问题: 膜电位的巨大改变是由离子浓度的较小变化引起的. 膜电位的巨大改变是由离子浓度的较小变化引起的.
K+
10 2.5 5 4
Cl540 120 120 140
枪乌贼巨大神经 蛙的神经和肌肉 哺乳动物的神经 哺乳动物的肌肉
50 15 10 10
静息电位的产生 ( Bernstein 的K+平衡电位 ) 当神经细胞处于静息状态时,由于细胞内高〖 K+ 〗 和K+通道开放,这时,K +离子会顺浓度梯度从浓度高的膜内 向浓度低的膜外运动.由于K+带有正电荷,所以K+的大量外 流会导致膜内正电荷减少而带负电(膜内主要的带负电的有 机离子不能透出膜),膜外则相应带正电,从而在膜内外形 成电位差.电位差的产生阻止了K+继续的外流,当这两种力 量相等时,即细胞膜内外两侧电-化学势为零,于是不再有 跨膜K+净移动,膜电位不再发生变化,即维持在静息电位水 平.(此电位差亦称为 K+平衡电位)