神经元兴奋动力学课件第二章
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4
尤利乌斯 伯恩斯坦 Julius Bernstein (1839-1917)
Nowadays his name is primarily associated with two discoveries: (1) The first accurate description of the action potential in 1868. (2) His 'Membrane Theory of Electrical Potentials' in biological cells and tissues.
14
化，有反作用于膜电压，产生动作电位。
实验上对膜电压、电流的测量 —— 电压钳位
电压钳（voltage clamp）技术是通过插入细胞内的一根微电极向胞 内补充电流，补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子流，这样即 使膜通透性发生改变时，也能控制膜电位数值不变。
电压钳将细胞膜内的电位控 制在某一确定的值。这样不管 外界变化如何，膜电位不发生 变化，即 也必然有 这样电容下电流也就为零
神经元兴奋动力学
Dynamics of Neuronal Excitability
离子的跨膜输运（2）
离子、细胞膜、跨膜蛋白及其定量物理过程
2016/10/8
1
内容回顾 生物膜的离子运动 Cp（p中离子的浓度）和 （电位）共同作用 离子还受到空间电荷的影响，因而应用Nernst-Planck方程到生物 膜上式比较困难的 假设细胞膜足够的薄，可以近似的认为膜中的电位是线性变化的。 利用对Nernst-Planck方程进行积分的方法 得到：
静息态 膜电位
Goldma
n方程：
2
本节主要内容：
动作电位
对比静息电压和峰值电压 从物理上对动作电位进行解释
电压钳位实验
Hodgkin 和 Huxley 的工作
3
1860前后 指出指出活细胞能够维持 静息电位 1866年先后优质出了神经冲动能以
恒定速率沿着轴突传播
杜波依斯-雷蒙（E.H.DuboisReymo-nd，1849） 出生于德国柏林
静息膜对钾离子的选择渗透
5
伦· 劳埃德· 霍奇金爵士 (Sir
Alan Lloyd Hodgkin，1914—
1998) ，英国生理学家和细胞生 物学家，因对神经细胞电兴奋
的开创性研究而获诺贝尔生理
学或医学奖。
6
7
Goldman方程时
在推导Goldman方程 — 静息电位的定场方程时，主要的约束条件是存
只是由于钠的通透性很小而使得钠的流动很少
静息态也不足以平衡钾离子的向外扩散，造成钾离 海兔 子的向外流动，驱动力正比与83.9-48.8=35.1
12
几点说明：
稳态时候家的外流和钠的内流实质上是相等的。 非平衡态时候，膜上存在电流，膜电压随着时间变化。 实验上离子的流动方向可以根据放射性示踪的方法测定。 例如: 乌賊的神经细胞膜上钾离子外流的流量被测 定为3.5pmol/cm2s
偏离平衡电位越远，驱动力就越大 驱动力越大，产生电流就越大
19
钾离子电流： 如果说膜电位是Vm，那么钾的净驱动力正比于（Vm-Ek），也 就是说对钾离子平衡电位的偏离。驱动力越大，形成的电流 越大，因而钾离子电流正比于电压（Vm-Ek），比例系数就是 电导单位。把钾电导几位gk（其值依赖于Vm和t），则有：
在稳态，此时总的离子跨膜电流必须为零。
也可以这样来看待所得到的 Goldman方程，即把跨膜电位当作钠、钾 和氯的Nernst电位的加权和。
如果我们研究空“间钳定标本”上的动作电位，那么总的跨膜电流（离
子流加上电容性充放电流）必须为零。 因此，这种情形下也可应用定 动作电位峰值处，膜电压随时见的导数为零，此时电容性电流为零。此 场表达式，但是在动作电位峰值 时，总的离子电流也必须为零。 是的通透性和他在静息态的不同
这一表达式仅在
成立时候，即将定稳态条件下才正确
25
Nernst电位和导电性对跨膜电位的相对关系怎样？
算一算
乌賊的各个离子的Nernst电位？ 乌賊的神经细胞静息膜电位？
26
假定膜对各个离子静息态的电导为：
膜对各个离子静息态的nernst电位为：
根据
乌賊的神经细胞静息膜电位
27
对于这样的静息电位就会有稳定的钾离子外流。这个外流的钾 离子流正比于Vm和Ek的差值6.7V. 这时也会有钠的内流，它为Vm偏离开它的平衡Nernst电位的 差值122.2mV所驱动。 这个驱动力作用在比较低的导电性上，因此钾的外流和钠的内 流大致平衡而维持较为稳定的稳态行为。
有何 差异？
均为时间的函数 相差一个常数，即，静息膜电位Vrest
对时间求导是相等的
相当与把静息态设为电位零点
18
并联电导模型： 左下图给出了一小块膜的简单电学表Hale Waihona Puke Baidu，这个表示被称为并联电导模型。
每一支路表示某特定种类的离子对整个扩膜电流的贡献
Cm表示膜电容 对于各种离子来说，膜电位相对离子各 自的平衡电位有所偏离，因此就有一股 强大的驱动力，驱动着离子跨膜流动。
15
卵母细胞双电极电压钳记录分析系统
16
电压钳消除了电流和电位空间上的差异
进一步研究膜被同步激活的各离子电流的细
节信息，应该怎样做？
发挥想象
Na、K、CL等
离子电流。
离子阻断剂 结合电压钳、离子阻 断剂，单独分析目标 河豚 离子电流的特性。
17
跨膜电位所用的记号
跨膜电位 膜内电位 跨膜电位另一种表示： 表示跨膜电位和静息电位之间差值。 膜外电位
算一算
相对静息态通透性：
海兔神经细胞膜的静息电位是多少？ 海兔是科学家发现的第一
种可生成植物色素叶绿素
海兔 的动物。
11
海兔神经细胞静息态膜电位： 海兔神经细胞内外可流动离子成分组成及其Nernst电位:
对于钠离子来说：静息态电位偏离平衡值107mV 因此就有一股强大的驱动力，驱动钠离子向内流动，
22
电容性电流：
要想列出对跨膜电流的所有贡献，我们还要加上电容性电流
静息态，膜电位均为不随时间变化，电容电流Ic也为零。
23
Vm和总电流
在稳态条件下，
又因为：
那么：
既可以得到：
静息态膜电位与 平衡电位和电导 之间关系
24
即，关联电导方程 他描述了Vm怎样作为与相对导电性有关的Ek和ENa的某种加权
28
29
8
改变通透性 实验上可以看到动作电位峰值接近于钠的能斯特电位，但决不会超 过 这一电位。 这个结果和钠的通透性提高是一致的。 例如，Hodgkin和Katz发现乌賊的巨轴突的静 息态和动作电位 活动时期的钠、钾、氯的通透性有以下关系：
此时理论与实验符合的很好。
注意钠的通透性改变了近乎三个数量级 ！！！
这里Ik就是钾离子电流。
如果Vm>Ek，那么外向的
扩散力不足与为电场力所平 衡，形成了外向的钾电流。
20
同样：
氯离子电流：
如果Vm>ECl，向内的氯扩散没有完全被平衡掉，于是就发生了净 流动。因为这个内流的离子带有负电荷，这就造成了外向的电流 ICl。这时ICl应该是正的。
21
钠离子电流：
如果Vm>ENa，这里ENa是正的，Vm也就必须是正的，而且更大一 些时候才能有正的INa。
13
有关动作电位起源的解释：
在静息时候，细胞膜主要是对钾的通透性，Vm接近于钾的Nernst 电位。在动作电位峰值时候，膜主要对钠通透，Vm接近于钠的 Nernst电位。在非平衡时候，膜上存在净离子电流，而离子电流 的种类取决于此刻膜对何种离子的通透性强。由于膜对不同离子 的通透依赖于膜电压，因而当膜电压变化时候，离子的通透性变 怎样给出膜 电压、电流的 时间函数关系 示踪物可以检测离子跨膜运动，但是不够灵敏。 ？ 测量跨膜电流虽然能给出瞬时图景，但在离子电流外又 引入了电容下成分，使问题复杂化。 人们引入了电压钳位来消除电容性电流。
9
需要指出的是：氯在膜行为过程中气得作用可以忽略。
氯的Nernst电位接近与膜静息时候的平衡电位
动作电位峰值时候，氯的通透性相对说来太小，起到的作用不 大。 出于一级近似考虑，忽略氯的作用。
膜静息和动作电位峰值时候的膜电压均可以利用Goldman方程求解。
10
静息态时候：
动作电位峰值时候：
尤利乌斯 伯恩斯坦 Julius Bernstein (1839-1917)
Nowadays his name is primarily associated with two discoveries: (1) The first accurate description of the action potential in 1868. (2) His 'Membrane Theory of Electrical Potentials' in biological cells and tissues.
14
化，有反作用于膜电压，产生动作电位。
实验上对膜电压、电流的测量 —— 电压钳位
电压钳（voltage clamp）技术是通过插入细胞内的一根微电极向胞 内补充电流，补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子流，这样即 使膜通透性发生改变时，也能控制膜电位数值不变。
电压钳将细胞膜内的电位控 制在某一确定的值。这样不管 外界变化如何，膜电位不发生 变化，即 也必然有 这样电容下电流也就为零
神经元兴奋动力学
Dynamics of Neuronal Excitability
离子的跨膜输运（2）
离子、细胞膜、跨膜蛋白及其定量物理过程
2016/10/8
1
内容回顾 生物膜的离子运动 Cp（p中离子的浓度）和 （电位）共同作用 离子还受到空间电荷的影响，因而应用Nernst-Planck方程到生物 膜上式比较困难的 假设细胞膜足够的薄，可以近似的认为膜中的电位是线性变化的。 利用对Nernst-Planck方程进行积分的方法 得到：
静息态 膜电位
Goldma
n方程：
2
本节主要内容：
动作电位
对比静息电压和峰值电压 从物理上对动作电位进行解释
电压钳位实验
Hodgkin 和 Huxley 的工作
3
1860前后 指出指出活细胞能够维持 静息电位 1866年先后优质出了神经冲动能以
恒定速率沿着轴突传播
杜波依斯-雷蒙（E.H.DuboisReymo-nd，1849） 出生于德国柏林
静息膜对钾离子的选择渗透
5
伦· 劳埃德· 霍奇金爵士 (Sir
Alan Lloyd Hodgkin，1914—
1998) ，英国生理学家和细胞生 物学家，因对神经细胞电兴奋
的开创性研究而获诺贝尔生理
学或医学奖。
6
7
Goldman方程时
在推导Goldman方程 — 静息电位的定场方程时，主要的约束条件是存
只是由于钠的通透性很小而使得钠的流动很少
静息态也不足以平衡钾离子的向外扩散，造成钾离 海兔 子的向外流动，驱动力正比与83.9-48.8=35.1
12
几点说明：
稳态时候家的外流和钠的内流实质上是相等的。 非平衡态时候，膜上存在电流，膜电压随着时间变化。 实验上离子的流动方向可以根据放射性示踪的方法测定。 例如: 乌賊的神经细胞膜上钾离子外流的流量被测 定为3.5pmol/cm2s
偏离平衡电位越远，驱动力就越大 驱动力越大，产生电流就越大
19
钾离子电流： 如果说膜电位是Vm，那么钾的净驱动力正比于（Vm-Ek），也 就是说对钾离子平衡电位的偏离。驱动力越大，形成的电流 越大，因而钾离子电流正比于电压（Vm-Ek），比例系数就是 电导单位。把钾电导几位gk（其值依赖于Vm和t），则有：
在稳态，此时总的离子跨膜电流必须为零。
也可以这样来看待所得到的 Goldman方程，即把跨膜电位当作钠、钾 和氯的Nernst电位的加权和。
如果我们研究空“间钳定标本”上的动作电位，那么总的跨膜电流（离
子流加上电容性充放电流）必须为零。 因此，这种情形下也可应用定 动作电位峰值处，膜电压随时见的导数为零，此时电容性电流为零。此 场表达式，但是在动作电位峰值 时，总的离子电流也必须为零。 是的通透性和他在静息态的不同
这一表达式仅在
成立时候，即将定稳态条件下才正确
25
Nernst电位和导电性对跨膜电位的相对关系怎样？
算一算
乌賊的各个离子的Nernst电位？ 乌賊的神经细胞静息膜电位？
26
假定膜对各个离子静息态的电导为：
膜对各个离子静息态的nernst电位为：
根据
乌賊的神经细胞静息膜电位
27
对于这样的静息电位就会有稳定的钾离子外流。这个外流的钾 离子流正比于Vm和Ek的差值6.7V. 这时也会有钠的内流，它为Vm偏离开它的平衡Nernst电位的 差值122.2mV所驱动。 这个驱动力作用在比较低的导电性上，因此钾的外流和钠的内 流大致平衡而维持较为稳定的稳态行为。
有何 差异？
均为时间的函数 相差一个常数，即，静息膜电位Vrest
对时间求导是相等的
相当与把静息态设为电位零点
18
并联电导模型： 左下图给出了一小块膜的简单电学表Hale Waihona Puke Baidu，这个表示被称为并联电导模型。
每一支路表示某特定种类的离子对整个扩膜电流的贡献
Cm表示膜电容 对于各种离子来说，膜电位相对离子各 自的平衡电位有所偏离，因此就有一股 强大的驱动力，驱动着离子跨膜流动。
15
卵母细胞双电极电压钳记录分析系统
16
电压钳消除了电流和电位空间上的差异
进一步研究膜被同步激活的各离子电流的细
节信息，应该怎样做？
发挥想象
Na、K、CL等
离子电流。
离子阻断剂 结合电压钳、离子阻 断剂，单独分析目标 河豚 离子电流的特性。
17
跨膜电位所用的记号
跨膜电位 膜内电位 跨膜电位另一种表示： 表示跨膜电位和静息电位之间差值。 膜外电位
算一算
相对静息态通透性：
海兔神经细胞膜的静息电位是多少？ 海兔是科学家发现的第一
种可生成植物色素叶绿素
海兔 的动物。
11
海兔神经细胞静息态膜电位： 海兔神经细胞内外可流动离子成分组成及其Nernst电位:
对于钠离子来说：静息态电位偏离平衡值107mV 因此就有一股强大的驱动力，驱动钠离子向内流动，
22
电容性电流：
要想列出对跨膜电流的所有贡献，我们还要加上电容性电流
静息态，膜电位均为不随时间变化，电容电流Ic也为零。
23
Vm和总电流
在稳态条件下，
又因为：
那么：
既可以得到：
静息态膜电位与 平衡电位和电导 之间关系
24
即，关联电导方程 他描述了Vm怎样作为与相对导电性有关的Ek和ENa的某种加权
28
29
8
改变通透性 实验上可以看到动作电位峰值接近于钠的能斯特电位，但决不会超 过 这一电位。 这个结果和钠的通透性提高是一致的。 例如，Hodgkin和Katz发现乌賊的巨轴突的静 息态和动作电位 活动时期的钠、钾、氯的通透性有以下关系：
此时理论与实验符合的很好。
注意钠的通透性改变了近乎三个数量级 ！！！
这里Ik就是钾离子电流。
如果Vm>Ek，那么外向的
扩散力不足与为电场力所平 衡，形成了外向的钾电流。
20
同样：
氯离子电流：
如果Vm>ECl，向内的氯扩散没有完全被平衡掉，于是就发生了净 流动。因为这个内流的离子带有负电荷，这就造成了外向的电流 ICl。这时ICl应该是正的。
21
钠离子电流：
如果Vm>ENa，这里ENa是正的，Vm也就必须是正的，而且更大一 些时候才能有正的INa。
13
有关动作电位起源的解释：
在静息时候，细胞膜主要是对钾的通透性，Vm接近于钾的Nernst 电位。在动作电位峰值时候，膜主要对钠通透，Vm接近于钠的 Nernst电位。在非平衡时候，膜上存在净离子电流，而离子电流 的种类取决于此刻膜对何种离子的通透性强。由于膜对不同离子 的通透依赖于膜电压，因而当膜电压变化时候，离子的通透性变 怎样给出膜 电压、电流的 时间函数关系 示踪物可以检测离子跨膜运动，但是不够灵敏。 ？ 测量跨膜电流虽然能给出瞬时图景，但在离子电流外又 引入了电容下成分，使问题复杂化。 人们引入了电压钳位来消除电容性电流。
9
需要指出的是：氯在膜行为过程中气得作用可以忽略。
氯的Nernst电位接近与膜静息时候的平衡电位
动作电位峰值时候，氯的通透性相对说来太小，起到的作用不 大。 出于一级近似考虑，忽略氯的作用。
膜静息和动作电位峰值时候的膜电压均可以利用Goldman方程求解。
10
静息态时候：
动作电位峰值时候：