第1讲 电压门控通道与离子通道

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静息电位（RP）：细胞在安静状态下， 存在 于膜内外的电位差, 又称跨膜静息电位。
RP为膜内较膜外为负，且长时稳定在此相对 固定水平，此种内负外正的状 态又称极化 （polarization）状态。
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静息电位的产生机制
1902年，Bernstein就提出
膜学说：由膜结构中钠泵在 消耗ATP的情况下形成的膜 内高K+和膜外高Na+状态， 是产生各种细胞生物电现象 的基础。 静息电位的产生是由于K+进 行跨膜扩散，外移达到其电 -化学平衡电位的结果
Julius Bernstein 1839-1917
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一、膜内外离子的不平衡分布
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二、细胞膜对离子的选择性通透
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三、生电性钠钾泵维持浓度差
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膜在安静状态下，K+以易化扩散的形式外移： K+外移动力： 浓度差。 结构基础：膜在安静状态下只对K+有通透 性。 K+外移阻力：移到膜外的K+所造成的外正内负 的电场力。 当K+外移的动力与阻力相等时，膜内外不再 有K+的净移动，而此时膜两侧的电位差稳定 在某一数值，称为K+平衡电位。也是RP。 K+平衡电位的数值，由膜两侧初始存在的K+浓 度差的大小决定的。 14
Nernst方程
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动作电位（action potential)
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动作电位：是指细胞受到有效刺激后，在原 有的静息电位基础上发生的一次膜两侧电位 快速的倒转和复原。
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Properties of the AP
“全或无”（最重要）
是可以沿细胞膜向周围迅速传播，直至整个
细胞的质膜都依次发生动作电位，而且在传 播的过程中是不衰减的，其幅度和波形始终 保持不变 发生后的一段时间内，对任何强度的刺激都 不再发生反应，这段时间称为不应期，大致 与锋电位持续的时间相当。
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离子通道
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History
In 1955, Alan Hodgkin and Richard Keynes of Cambridge University first proposed that cell membranes contain ion channels.
Hodgkin
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History
电压钳技术
药理学实验
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动作电位的传导
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是以“局部电流”的形式传导的。 局部电流：在已兴奋的细胞膜和与它相邻的
未兴奋的细胞膜之间，由于电位差的出现而 发生电荷移动，称为局部电流（local current）。 运动方向是：在膜外的正电荷由未兴奋段移 向已兴奋段，而膜内的正电荷由已兴奋段移 向未兴奋段。 结果：造成邻近未兴奋的细胞膜去极化达阈 电位，出现它自己的动作电位。
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动作电位在有髓神经纤维上的传导
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有髓纤维受到外来刺激时，动作电位只能在 邻近刺激点的郎飞结处产生，因而局部电流 也只能发生在相邻的郎飞结之间，其外电路 要通过髓鞘外面的组织液。 使动作电位的传导表现为跨过每一段髓鞘而 在相邻的郎飞结处相继出现，这称为兴奋的 跳跃式传导（saltatory conduction）。 跳跃式传导时的兴奋传导速度快得多；还是 一种更“节能”的传导方式。
Contains positive charged amino acids (lysine and/or arginine) "Senses" voltage across membrane: Regulates pore opening

P loop（S5和S6之间的环，构成通道内衬，分子筛）
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Hille
Armstrong
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History
The final “proof” emerged through the work of Bert Sakmann and Erwin Neher at the Max Planck Institute in the late 1970s and 1980s who developed techniques to monitor the ion current passing through a single ion channel.
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4 domains
Na+ & Ca+ channels: In single polypeptide chain + K channel: Tetramer of 4 similar subunits

Each domain has 6 membrane spanning regions S4 sequence（电压传感装置，起开关作用）
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动作电位的产生机制
Na+的不均匀分布 电压门控性Na+通道
安静时内负外正的电场引起Na+快速、大量内
流 Na+的平衡电位（全或无）
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Experiments from Hodgkin & Kats
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Experiments from Hodgkin & Huxley
外向电流 内向电流
神 经 生 物 学
郑州大学基础医学院 生理学教研室 主讲人：司金超
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本节的主要内容
静息电位(resting potential) 动作电位(action potential) 电压门控性离子通道（重点：Na+通道）
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细胞的生物电现象
静息电位(resting potential) 动作电位(action potential)
During the late 1960s and 1970s, Bertil Hille of the University of Washington and Clay Armstrnog of the University of Pennsylvania began to obtain evidence for the existence of such channels.
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静息电位(resting potential)
AL HodgKin and AF Huxley, two famous physiologists at University of Cambridge in England
Winners of the Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963

Ion selectivity
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Voltage-gated Na+ channels





In 1978, these channels were first purified (Agnew et al.) from electric eel electric organs. Sodium channels were the first voltage-gated ion channels to be cloned (Noda et al. 1984). It has been shown that the sodium channel from rat brain is a heterotrimeric protein containing subunits α, β1 and β2. Whereas heart and skeletal muscle contain just α and β1 subunits. TTX can block it and inhibit the transport of Na+ . 38
Neher
Sakmann 30
离子通道的基本特性
不同的离子通道是相互独立的。
通道是孔洞而不是载体。
离子通道的化学本质是蛋白质结构。
通道对离子通透的特异性依赖于孔洞大小、
离பைடு நூலகம்形成氢键的能力及通道内位点相互作用 的强度。
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电压门控性离子通道
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a-亚单位（Na+、Ca2+、K+通道)