[医学]第4章 神经生理学基础

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1、第4章 神经生理学基础1本章主要内容：v1、生物电研究简史；v2、静息电位及其形成机制；v3、动作电位：形成机制；特征；兴奋的产生及传导。v4、离子通道与门控电流离子通道；膜片钳及门控电流。2Galvani在18世纪末进行的所谓“凉台实验”是生物电研究的开端。4.1 生物电研究简史生物电 现象：3v1827年物理学家Nobeli首次实现了对生物电(损伤电 位)的直接测量。v德国生理学家Du Bois Reymond首次提出了关于生物 电产生机制的学说，即极化分子说。vBernstein提出了经典的膜学说。v20世纪20年代，Gasser和Erlanger将阴极射线示波 器等近代电子学设备引入神

2、经生理学研究，促进了 生物电研究的较快发展。标志着现代电生理学的开 始。 4在微电极记录技术的推动下，英国生 理学家A.L. Hodgkin和Huxley首次实 现了静息电位和动作电位的胞内记录 ，并在对这两种电位的精确定量分析 的基础上，证实并发展了Bernstein 关于静息电位膜学说的同时，又提出 了动作电位的钠学说。54.2 静息电位静息电位(resting potential, RP)是指神经元及其他可兴奋性细胞 未受刺激时，存在于细胞膜内外两 侧的电位差。 细胞膜电位为10100mV的直流 电位，膜内为负、膜外为正。通常 把 膜 外 电位规定为0，则膜内电 位-10-100mV。生

3、物电中“”、“”只表 示膜内电位与膜外电位的关系， “ ”表示膜外电位高于膜内电位， “”表示膜内电位低于膜外电位 。64.2.2 静息电位形成的机制离子学说细胞膜内外离子分布的浓度差异1. 离子运动2. 膜电位磷脂双分子层头端-极性磷酸盐-亲水尾端-非极性碳氢化合物 -疏水82018/7/30静息状态下神经细胞膜内外离子分布不均衡细胞膜外 细胞膜内 Na+ 150 mmol/L 15 mmol/LK+ 5 mmol/L 100 mmol/LCl- 150 mmol/L 13 mmol/L9神经元离子通道离子通道是蛋白质在脂质双 分子层中形成水性通道的大 分子，大多具有传递离子与 识别并选择离

4、子种类等重要 特性，根据通道开放和关闭 状态分为门控性和非门控性 通道。10扩散的两个基本条件:存在跨膜的离子浓度梯度；膜上有相应的离子通道。1）扩散1. 离子运动11电场驱使离子跨膜移动的条件：膜拥有通透离子的通道；有跨膜电位差的存在。2）电场122. 膜电位1）扩散电位2）平衡电位静息电位形成的基础3）离子的跨膜分布131）扩散电位K胞内胞外K扩散电位扩散电位只是当离子移动速度不同时产生 的电位，并不能被稳定地维持。142）平衡电位20:1K离子的平衡电位：K离子外流使膜外聚集较多的正离子， 膜内侧较多负离子，造成膜两侧的电位差，膜外为正，膜 内为负，这样的电位差能阻止K离子进一步外流，离

5、子的 移动就达到动态平衡。Vm = - 80 mVK离子外流: 细胞内有机负离子一般不能透出膜外，K离子 直径小，膜内外浓度差大，很容易顺浓度差流向膜外。153）离子的跨膜分布细胞膜外 细胞膜内 平衡电位Na+ 150mmol/L 15mmol/L ENa=62mvK+ 5 mmol/L 100mmol/L Ek=-80mvCa2+ 2mmol/L 0.0002mmol/L ECa=123mvCl- 150 mmol/L 13mmol/L ECl=-65mvNa+ 有从膜外向膜内扩散的趋势 K + 有从膜内向膜外扩散的趋势16离子的主动转运钠泵：钠钾依赖式ATP酶钙泵：钙镁ATP酶17Na+

6、K+ -ATP酶维持细胞内Na+和 K+ 的浓度钠-钾泵的生电性作用 ，使细胞膜 轻度超极化 ，对膜电位 的增加一般 不超过5mV。18Ca2+-ATP酶维持细胞内Ca2+的低浓度19静息状态下细胞膜对K+的选择性通透K +的通透性大；Na+ 的通透性极小 20214.3 动作电位细胞受刺激时，产生的 膜两侧的快速、可逆， 并能扩布的电位，称为 动作电位（action potential，AP）。22概述v动作电位主要生理功能为：作为快速而长距离传导的电信号，调控 神经递质释放、肌肉收缩和腺体分泌等v各种可兴奋细胞的动作电位虽有共同性， 但它们的振幅、形状和甚至产生的离子基 础却有一定程度的差

7、异23膜电位状态极 化 静息电位存在时膜两侧保持的内负外正的状态 去极化 静息电位减小甚至消失的过程 反极化 膜内电位由零变为正值的过程 超射值 膜内电位由零到反极化顶点的数值 复极化 去极化、反极化后恢复到极化的过程 超极化 静息电位增大的过程244.3.2 形成机制钠学说25Hodgkin experimentv改变细胞外液NaCl浓度，AP的幅度、 去极化速度和AP传导速度都下降，下 降程度与细胞外液NaCl浓度减小成比例v说明细胞外液NaCl与AP形成有关26AP形成的原理v细胞受刺激静息电位减小膜钠通道打开 Na+通透性增大 Na+内流膜内电位增 高去极化反极化形成锋电位的上升相 膜

8、钠通道关闭复极化锋电位的下降相 静息电位。v Na内流27AP形成的原理28v阈电位（能引起钠通道大量开放而爆发动作电位的临界膜 电位水平）v有效刺激本身可以引起膜部分去极化，当膜电位水平达到 阈电位时，便通过再生性循环机制而正反馈地使钠通道大 量开放Na+内流的再生性循环29动作电位的发生静息电位 K+的平衡电位静息状态下细胞膜对K+选择性通透对K +的通透性大，对Na+ 的通透性极小 304.3.3 动作电位的特征1.“全或无”现象2.不衰减性扩布3.脉冲式发放311.“全或无”现象阈下刺激无阈上刺激固定的最大值322.不衰减性扩布v不衰减传导 动作电位作为电脉冲，它一旦在神经元的 一处发

9、生，则该处的膜电位便爆发式变为 内正外负，于是该处便成为电池，对仍处 于静息膜电位 (内负外正)的相邻部位形成 刺激，并且其强度明显超过阈值。因此相 邻部位随因受到阈上刺激而进入兴奋状态 ，并且也随之产生全或无式动作电位。33不衰减性扩布343. 脉冲式发放动作电位的持续时间较短，神经纤维一般在 0.52.0 ms的时间内完成，表现为一次短促而尖锐的脉冲样变 化由于不应期的存在使连续的多个动作电位不可能融合， 故两个动作电位之间总有一定间隔，而呈脉冲式波形10mV 10ms-65mV35v1、绝对不应期 在神经接受前一个刺激而兴奋时的一个短暂时期内， 神经的兴奋性下降至零。此时任何刺激均归于“

10、无效”。v2、相对不应期 在绝对不应期之后，神经的兴奋性有所恢复，但要引起组 织的再次兴奋，所用的刺激强度必须大于该神经的阈强度 。v3、超常期 经过绝对不应期、相对不应期，神经的兴奋性继续上升 ，可超过正常水平。用低于正常阈强度的检测刺激就可引 起神经第二次兴奋v4、低常期 继超常期之后神经的兴奋性又下降到低于正常水平，在 持续较长时间后，兴奋性恢复到正常。4. 兴奋性的变化36兴奋性的变化绝对不应期0.3ms相对不应期3ms超常期12ms低常期70ms374.3.4 兴奋的产生1、刺激的概念 凡能引起细胞、组织或机体发生反应的环境变化称为 刺激。物理性刺激化学性刺激生物性刺激 生理学上把能

11、引起组织发生反应 的最小刺激强度称为阈强度。 达到阈强度的刺激称为阈刺激； 低于阈强度的刺激称为阈下刺激； 高于阈强度的刺激称为阈上刺激。38阈电位：膜去极化到达爆发动作电位的临界膜电位。阈电位的特性：引起膜上Na+通道的激活 对膜去极化的正反馈。引起动作电位的条件：膜去极化达到阈电位。392）局部兴奋40（1）不是“全或无”（2）衰减性传导（3）无不应期（4）具有总和效应局部兴奋的特性414.3.5 兴奋的传导 无髓神经 有髓神经42已经兴奋的膜部分通过局部电流“刺激”了未兴奋的膜部分，使之出现动作电位。无髓神经纤维上的兴奋传导43无髓神经纤维上的兴奋传导局部电流44有髓神经纤维上的兴奋传导

12、45有髓神经纤维上的兴奋传导跳跃式4647动作电位在传导过程中的特点信号不衰减：因电荷的流动会构成新的 刺激，使电流强度在整个传导过程中不 衰减，亦即“全或无”式的。484.4 离子通道与门控电流494.4.1 离子通道离子通道是蛋白质在脂质双分子 层中形成水性通道的大分子，大 多具有传递离子与识别并选择离 子种类等重要特性，根据通道开 放和关闭状态分为门控性和非门 控性通道。50门控性和非门控性离子通道非门控性电压 门控性配体 门控性机械门 控通道51配体门控通道与离子通道直接耦联的 受体通常称为配体门控 性离子通道。受体本身 由配体结合部位与离子 通道两部分构成，配体 与受体结合后改变离子

13、 通道活性。52机械门控通道电压门控通道53- 40 mV654.4.2 膜片钳在一小片膜上 可能存在一个 或几个离子通 道，有可能记 录到单一离子 通道的电流。Nobel Prize 54关闭开放失活去失活55膜片钳的 记录模式56Cell-attached recordingCellPatch-pipetteCell membraneExternal lipidInternal lipid57Whole-cell recordingCellPatch-pipetteCell membrane研究第二信使58Inside-out recordingPatch-pipetteThe inter

14、nal face of the lipid bi-layer faces the bath solution59Outside-out recordingPatch-pipetteThe external face of the lipid bi-layer faces the bath solution60单通道电流与宏观电流4.4.3 门控电流614.4.4 常见电压门控离子通道62电压门控 钠通道电压门控 钙通道电压门控 钾通道63电压门控性通道1.电压门控钠通道关闭开放失活去失活64钠通道的亚型TTX 敏感性和TTX不敏感性钠通道钠通道疾病综合症基因突变常染色体显性遗传病652.电压门控钙通道Ca2+66VDCC的分子结构67VDCC的分类及通道特性低电压激活型: T型高电压激活型: L型，N型，P/Q型，R型钙通道疾病综合症研究已证实至少有7 种疾病（包括癫痫、 偏瘫性偏头痛等）与钙通道基因突变有关683.电压门控钾通道69思考题1.名词解释：静息电位、动作电位、离子通道、 阈电位；2.静息电位及其形成机制；3.动作电位的形成机制和特征；3.兴奋的传导方式和特点；4.离子通道的概念和分类；70