第二讲 神经元的电活动

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四、离子通道
2，电压门控的钠离子通道 2） 钠通道开放模式图
去极化
S4段含有正电荷(每隔两个氨基酸残基就有一个带正电荷的赖氨酸或者精 氨酸)，当膜电位发生变化的时候，S4片段便会被迫发生移动，这种构像 变化可以引起钠通道开放。
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四、离子通道
I，电流；g，电导；V，电压。
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三、静息膜电位产生的离子基础
1、静息膜电位： Vm 在任何状态下跨神经元
膜的电压称为膜电位。
典型的神经元的静息膜
电位大约为 -65mV。
静息膜电位的测量方法
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三、静息膜电位产生的离子基础
2、离子平衡电位 Eion———— 平衡某种离子浓度梯度的电位差，
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性 如果某一种离子的通透性远远大于其它离子，Goldman方程 等同于Nernst 方程 。如胶质细胞中PK>>PCl, PNa.
在静息电位，几种离子的通透能力 ：
PK：PNa：PCl＝1.0 : 0.04 : 0.45
在动作电位峰值，几种离子的通透能力：
氯化钾有毒么？
——神经元的电活动告诉你
主讲人：张隆华
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临床常用的两种药物溶媒：
糖水：葡萄糖注射液，
果糖注射液 盐水：氯化钠注射液
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1% KCl
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Jack Kevorkian Dr. Death 致死注射：1990年，Jack Kevorkian帮助了患 有AD的54岁的Janet Adkins结束她的生命。Adkins 夫人首先滴注了一种含有麻醉剂的溶液，然后自动 转换为氯化钾溶液。
五、动作电位
2，动作电位的记录方法
• 胞内记录 (Intracellular recording) • 胞外记录 (Extracellular recording) • 复合动作电位记录 (Compound AP recording)
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五、动作电位
3，单个或多个动作电位的产生
三、静息膜电位产生的离子基础
3、离子的跨膜分布
离子浓度梯度的建立是因为离子泵的作用。
1) Na- K pump， 将钾离子泵进胞内，钠离子泵出胞外。 2) Calcium pump，将钙离子泵出到胞外，此外内质网、线粒体、钙结 合蛋白等也可以降低胞内钙离子浓度。
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三、静息膜电位产生的离子基础
1） 胞外钾离子浓度升高将造成细胞去极化，细胞兴奋；
2） 血脑屏障限制钾离子进入脑部胞外液；
3） 星形胶质细胞具有空间缓冲胞外钾离子的作用；
4） 其它可兴奋细胞没有这种保护机制，则钾离子浓度升高 可导致心脏停止跳动。
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为何升高钾浓度，心脏会停跳
当胞外钾离子浓度升高时，
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五、动作电位
1，动作电位的上升相和下降相
上升相 rising phase 超射 overshoot 下降相 falling phase 回射 undershoot
Na+内流引起去极化
K+外流引起复极化 示波器记录及动作电位的上升和下降相
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由四个亚单位所组成。 Pore loop去作为选择性滤器使得通 道对钾离子有最高的通透性。 该区域一个氨基酸的突变就能严重 破坏神经元功能。
Shaker 钾通道
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四、离子通道
2，电压门控的钠离子通道
通道选择性地对钠离子开放，且通道的开放与关闭与膜电位的 变化有关。
TTX作用位点
2，电压门控的钠离子通道
3） 钠通道的失活特性
•钠通道开放约 1ms后失活 (inactivation)； •当膜电位复极化 到阈值附近时， 通道才能被去极 化再次打开。
失活
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四、离子通道
a. 活化阻断剂（阻断钠电流）
作用于钠通道的毒素
b. 失活化阻断剂（延长动作电位）
可被一些药物和毒素等阻断； 离子通道的功能失调可导致疾病的发生；
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四、离子通道
1、电压门控的钾离子通道
通道选择性地对钾离子开放，且通道的开放与关闭与膜电位的 变化有关。 果蝇中有一种突变体Shaker， 对乙醚的反应是晃动腿、翅膀 和腹部。电生理研究揭示 Shaker突变体的钾通道功能异 常。利用分子生物学技术， Jan等人绘出了Shaker体内突 变的基因。这个Shaker基因编 码一种钾通道。
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七、动作电位、轴突和树突
动作电位产生部位：
轴丘(axon hillock)- 锋电位起始区 感觉神经元：锋电位起始区靠近感觉神经末梢
一般轴丘上含有较多 的电压门控钠通道。
4、膜在静息状态下离子的相对通透性
神经元在静息时，对离子具有选 择通透性，假如仅对一种离子通透：
K+， 则Vm= Ek+ =-80mV Na+, 则Vm= ENa+=62mV
实际上Vm～ －65mV，介于EK 和ENa之间。
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三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性 当膜电位受几种离子影响的时候，每一种离子对膜电位的影 响不仅取决于膜内外的离子浓度，而且也取决于该离子对膜 的通透性(permeability, P)。 G-H-K Equation:
•麻醉剂可以使Adkins夫人丧失知觉。
•心脏停止跳动以及死亡是由于氯化钾注射导致的。
为何升高钾浓度，心脏会停跳
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离子的跨膜分布不同
钾离子胞内多， 钠钙氯离子胞外多
为何离子跨膜分布浓度差可以维持
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一、膜的化学特性
1，膜两边的盐溶液 细胞质和细胞外液 水和离子
RT PK K 0 PNa Na0 PCl Cl i E ln F PK K i PNa Nai PCl Cl 0
方程表明：离子浓度越大，通透能力越强，其在维持静息膜 电位中就具有更大的作用。
*Goldman-Hodgkin-Katz
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四、离子通道
2，电压门控的钠离子通道 局部麻醉剂
• • •
局部麻醉剂是能够暂时阻断轴突上 动作电位的药物，被直接注射到需要局 部感觉缺失的组织中。 利多卡因是现在最广泛应用的局麻 药。它位于通道蛋白质的IV区中的S6 alpha螺旋区。 小轴突要求更多的电压门控钠通道 参与，因此较细的轴突对局麻药更敏感 ，这在临床上非常有意义。
为何升高钾浓度，心脏会停跳
可兴奋细胞（包括心肌）的功能需要细胞膜在 不产生动作电位时维持在静息膜电位水平。由 于胞外钾离子浓度大量升高，细胞去极化，没 有负的静息膜电位，心肌细胞不再能够产生导 致收缩的冲动，心脏就立刻停止了跳动。
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为何升高钾浓度，心脏会停跳
调控细胞外钾离子浓度的重要性
Cation: K+,Na+, Ca2+ Anion: Cl-
水是一极性溶剂
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一、膜的化学特性
2，磷脂膜
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一、膜的化学特性
3，跨膜蛋白质
酶
受体 离子泵
离子通道
• 离子选择性（ion selectivity） • 门控特性 (gate)
河豚毒素 (Tetrodotoxin, TTX)
石房蛤毒素(Saxitoxin, STX),赤潮中的旋沟藻
海葵毒素(Sea anemone venom)
蝎毒素(Scorpion toxin)
c. 钠通道激动剂（异常开放）
箭毒(Batrachotoxin)
毛茛科乌头碱(aconitine)
百合科藜芦定(veratridine)
膜对离子的通透性由钾离子变为
钠离子，膜电位可以在极短的时 间内逆转。
动作电位可以看做是离子通道的 通透性转变导致膜电位的翻转
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五、动作电位
5，小结：动作电位特征的形成原因： • 阈值(threshold): 足够多的钠通道的开放使钠离子
通透性大于钾离子
• 上升相（rising phase)：钠通道完全开放，钠离子迅速进入胞内 • 超射（Overshoot）：趋向于钠平衡电位 • 下降相(falling phase)：钠通道失活，钾通道开放增加 • 回射（后超级化，undershoot)：接近于钾平衡电位 • • 绝对不应期(absolute refractory period)：钠通道失活，不能被激活 相对不应期(relative refractory period)：超极化状态，接近于Ek，需要大
简称为平衡电位，是针对某种特定 离子的电位，Eion。
字母大小代表浓度高低
跨膜电荷分布
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三、静息膜电位产生的离子基础
2、离子平衡电位 Eion的计算——Nernst方程
如果膜两侧存在浓度梯度，且膜只 对某种离子通透，则可以得到稳态 电位。
可以根据Nernst 方程计算其平衡电 位：
钾离子进入星形胶质细胞，
导致胶质细胞去极化。钾离 子的进入增加胞内钾离子浓 度，继而被延伸的星形胶质
细胞突起的网络系统分散到
一个很大的区域。
星形胶质细胞调节胞外钾离子浓度的机理： 钾离子立体缓冲 (Potassium spatial buffering)
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六、动作电位的传导
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二、膜上的离子流动
离子移动所需的外力： 1、浓度梯度扩散 Diffusion a. 膜两侧具有浓度梯度 b. 膜上具有离子通道
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二、膜上的离子流动
离子移动所需的外力： 2、电场作用 Electricity a. 膜上具有离子通道 b. 膜两侧具有电势差 I＝gV
Lily Jan & Yuh Nung Jan
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四、离子通道
1、电压门控的钾离子通道
钾通道孔道俯视图 中间红球为K+
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四、离子通道
1、电压门控的钾离子通道 钾通道的选择性通透是决定 静息膜电位的重要因素，其 选择性的分子基础主要是在 通道内氨基酸残基的排列。
动作电位发放 频率依赖于去 极化电流的强 度，即刺激强 度被编码为神 经冲动频率。
发放动作电位的速率是有上限的， 最大发放频率大约为1000Hz。
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五、动作电位
4，动作电位过程中离子的进出
静息状态下，钠离子具有很大的 驱动力 Vm-ENa=-80 -62=-142mV。
的去极化
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为何升高钾浓度，心脏会停跳

神经元膜在静息状态下 对钾离子有更高的通透 性，使得静息膜电位接 近于钾离子平衡电位
膜电位对胞外钾离子浓 度变化特别敏感。 提高胞外钾离子浓度可 以使膜电位去极化。


静息膜电位受胞外钾离子浓度影响
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Eion= RT/zF × ln[ion]o/[ion]i
R 气体常数，T 绝对温度，z离子电荷， F法拉第常数，[ion] 内外膜离子浓度
字母大小代表浓度高低
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三、静息膜电位产生的离子基础
3、离子的跨膜分布
钾离子膜内多， 钠钙氯离子膜外多
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PK：PNa：PCl＝1.0 : 20 : 0.45
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三、静息膜电位产生的离子基础
离子通道
• 离子选择性（ion selectivity）
• 门控特性 (gate)
定义：
• • 可以传导离子； 识别和选择性传导离子；
•
• •
对特定的电、化学和机械信号作出反应而开放或者关闭通道
动作电位产生 动作电位传导 动作电位的传导速度 是不相同的，10m/s 是比较典型的速率。
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六、动作电位的传导
影响传导速度的因素 轴突直径 v= κd1/2 v(m/s)=6d(um) 有无髓鞘，髓鞘厚度 myelin 温度的高低
朗飞氏结
髓鞘和跳跃传导
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