第二章静息电位第三章动作电位课件.ppt
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- 第二 章静息 电位 第三 章动 课件
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1、第二章神经元膜的电学特第二章神经元膜的电学特 征和静息电位征和静息电位Chapter 2 Bioelectrical phenomenon and Rest potential 第一节第一节 神经元膜的物质转运神经元膜的物质转运细胞膜的功能:细胞膜的功能:1.隔离细胞内外液隔离细胞内外液 2.跨膜物质转运,完成细胞内外细胞物质交换跨膜物质转运,完成细胞内外细胞物质交换 3.电离子跨膜运动,是神经元电活动的基础电离子跨膜运动,是神经元电活动的基础物质转运的基本原则:物质转运的基本原则:简单的可直接扩散简单的可直接扩散 小分子物质通过膜蛋白转运小分子物质通过膜蛋白转运 复杂的要通过膜运动复杂的要通
2、过膜运动 SectionMembrane Transport一、一、通过脂质双层的物质扩散通过脂质双层的物质扩散单纯扩散单纯扩散 Simple Diffusion条件:膜两侧浓度差的大小,条件:膜两侧浓度差的大小,膜通透性膜通透性膜通透性:膜通透性:物质的脂溶性物质的脂溶性分子的大小分子的大小带点状态带点状态O2 CO2 N2 NO 乙醇,尿素,乙醇,尿素,类固醇激素类固醇激素 Carrier-mediated二、通过膜蛋白介导的物质转运二、通过膜蛋白介导的物质转运膜蛋白包括:通道,载体,离子泵和转运体。膜蛋白包括:通道,载体,离子泵和转运体。被动转运:不耗能,顺浓度差被动转运:不耗能,顺浓度
3、差/电位差。电位差。包括包括载体载体和和通道通道介导的易化扩散。介导的易化扩散。主动转运:耗能,逆浓度差主动转运:耗能,逆浓度差/电位差电位差 包括包括离子泵离子泵介导的原发性主动转运介导的原发性主动转运 和和转运体转运体介导的继发性主动转运介导的继发性主动转运(一)载体(一)载体(carrier)介导的易化扩散介导的易化扩散载体:属贯穿脂质双层的整合蛋白,转运机制不清。载体:属贯穿脂质双层的整合蛋白,转运机制不清。在高浓度侧与被转运物质结合,载体结构蛋白变构,在高浓度侧与被转运物质结合,载体结构蛋白变构,低浓度侧解离,完成转运。低浓度侧解离,完成转运。转运特性:转运特性:1 顺浓度转运,不耗
4、能。顺浓度转运,不耗能。2 具有化学结构的特异性具有化学结构的特异性 3 载体数目有限,具有饱和性载体数目有限,具有饱和性 4 竞争性竞争性主要转运物质:葡萄糖,氨基酸等。主要转运物质:葡萄糖,氨基酸等。Characteristics of carrier-mediated diffusionnet movement always depends on the concentration gradient Specificity Saturation CompetitionGlucose Amino acid(二)通道(二)通道(channel)介导的易化扩散介导的易化扩散 通道主要转运通道主
5、要转运Na+K+,Ca2+,Cl-等带电离子,又称离子通道等带电离子,又称离子通道(ion channel)。结构特点:贯穿脂质双层,中央有亲水性孔道。结构特点:贯穿脂质双层,中央有亲水性孔道。转运特性:转运特性:1 顺浓度差转运,不耗能顺浓度差转运,不耗能 2 离子选择性离子选择性(孔道口径,内壁的带电状态)(孔道口径,内壁的带电状态)3 具有开和关的门控电性具有开和关的门控电性 4 4 产生跨膜离子电流产生跨膜离子电流(三)离子泵(三)离子泵(ion pump)介导的主动转运介导的主动转运原发性主动转运:膜蛋白离子泵介导的主动转运原发性主动转运:膜蛋白离子泵介导的主动转运特点:直接利用特点
6、:直接利用ATP功能,逆浓度差功能,逆浓度差/电位差进行离子跨膜转运。电位差进行离子跨膜转运。离子泵:钠泵,钙泵,质子泵。离子泵:钠泵,钙泵,质子泵。最重要的离子泵:钠泵最重要的离子泵:钠泵(钠钠-钾泵,钾泵,Na+K+-ATP酶)酶)(四)转运体介导的继发性主动转运(四)转运体介导的继发性主动转运由转运体(由转运体(transporter)来介导,逆浓度差或电位差转运时,来介导,逆浓度差或电位差转运时,并不直接消耗并不直接消耗ATP,能量来源于膜内外,能量来源于膜内外Na+浓度差。浓度差。转运的物质:转运的物质:葡萄糖,氨基酸葡萄糖,氨基酸离子交换离子交换神经递质神经递质symtranspo
7、rt(同向转运)同向转运)(e.g.Na+-glucose,Na+-amino acid cotransport)Countertransport(反向转运)反向转运)(e.g.Na+-Ca2+,Na+-H+exchange)三、通过膜三、通过膜“运动运动”的物质转运的物质转运大分子物质或物质团块,特定功能性物质转运。大分子物质或物质团块,特定功能性物质转运。出胞(出胞(exocytosis):将胞内的大分子物质通过分泌囊泡的将胞内的大分子物质通过分泌囊泡的胞吐胞吐 方式向胞外排出的过程。方式向胞外排出的过程。神经递质的释放,受体,通道蛋白镶神经递质的释放,受体,通道蛋白镶 嵌入膜嵌入膜入胞入
8、胞 (endocytosis):将胞外的大分子物质甚至团块运入胞内将胞外的大分子物质甚至团块运入胞内内化(内化(internalization)入胞是固体称吞噬(入胞是固体称吞噬(phagocytosis),是是 液体称胞饮(液体称胞饮(pinocytosis),受体介导的,受体介导的 入胞(入胞(receptor-mediated endocytosis)细胞膜上的蛋白质如离子通道,受体细胞膜上的蛋白质如离子通道,受体 可内化。可内化。Endocytosis and ExocytosisEndocytosis第一阶段:离子机制学说第一阶段:离子机制学说生物电现象:生物电现象:18世纪末,世纪
9、末,Galvani 的凉台实验的凉台实验 1902年年Bernstain提出了生物电现象产生机制:提出了生物电现象产生机制:膜学说膜学说(membrane theory)第二阶段:离子机制的证明和离子通道学说第二阶段:离子机制的证明和离子通道学说1939年,年,Hodgin and Huxley 用枪乌鰂的神经轴突记录到了跨膜电位用枪乌鰂的神经轴突记录到了跨膜电位证实了静息电位产生机制的正确性的同时提出了动作电位的证实了静息电位产生机制的正确性的同时提出了动作电位的Na+学说学说第三阶段:离子通道机制的证明第三阶段:离子通道机制的证明1976年,成功建立膜片钳和单通道记录技术年,成功建立膜片钳
10、和单通道记录技术生物电记录的技术概述生物电记录的技术概述第三节第三节 静息电位静息电位 Resting potentials(RPRP)静息电位静息电位(resting potential,RP):指未受刺激时神经元末内外):指未受刺激时神经元末内外两侧的电位差。两侧的电位差。Measuring the resting membrane potential Microelectrode0.5um diameter第四节第四节 静息电位的离子机制静息电位的离子机制一、产生静息电位的条件一、产生静息电位的条件1.细胞内外细胞内外K K+的不均衡分布的不均衡分布2 2.细胞膜在静息状态时主要只对细胞
11、膜在静息状态时主要只对K+有通透性的有通透性的假设钠泵的活动,细胞内液的K+浓度较细胞外液高,而Na+和Cl-的浓度则细胞外液比细胞内液高,这是细胞生物电的产生基础。K+平衡电位形成的离子机制平衡电位形成的离子机制极化(极化(polarization):神经元膜内负外正的带电状态:神经元膜内负外正的带电状态去极化去极化(depolarization):膜电位的数值向负值减少的方向变化:膜电位的数值向负值减少的方向变化超极化超极化(hyperpolarization):向负值增大的方向变化:向负值增大的方向变化反极化:变成内正外负的状态反极化:变成内正外负的状态复极化复极化(repolariza
12、tion):当膜电位从去极化或反极化状态:当膜电位从去极化或反极化状态 恢复到极化状态恢复到极化状态2.K2.K+的平衡电位(的平衡电位(E Ek k)与)与NernstNernst方程方程equilibrium potentialequilibrium potential The Nernst equation:ERR TzFl nCo u t s i d eCi n s i d eR R 气体常数(气体常数(8.318.31)joules/Kelvin/mole joules/Kelvin/moleT T是绝对温度是绝对温度Z Z 是离子价数(是离子价数(K K+为为+1+1价)价)F F
13、 是法拉第常数(是法拉第常数(9650096500)KK+o o 和和 K K+i i 分别代表细胞内外分别代表细胞内外K K+的浓度的浓度ERRTzFlnCoutsideCinside=KKEK=61.5log+0iApproximate ion concentration on either side of a neuronal membrane 静息电位形成的机制静息电位形成的机制The mechanism underlying resting potential 静息状态时,膜上绝大多数K+通道开放,仅少量Na+通道开放,开放的K+通道比开放的Na+通道多约9倍;细胞内K+浓度比细胞外
14、高约30倍。导致细胞内的细胞内的K K+顺着浓度顺着浓度梯度扩散到膜外,梯度扩散到膜外,但细胞内带负电荷的蛋白质大分子物质不能通过细胞膜而留在细胞内,从而使膜内外出现电位差,即膜内带负电荷,膜外带正电荷,这种跨膜内带负电荷,膜外带正电荷,这种跨膜电位差阻碍了膜电位差阻碍了K K+的进一步外流的进一步外流。当跨膜的浓度差(K+外流的驱动力)和电位差(K+外流的阻力)达到平衡时,K+的净通量为零,膜内外电位差就相对地稳定在某一水平。特点特点产生原理产生原理记忆口诀记忆口诀稳定的直流电位,呈膜外为正、膜内为负的极化状态1、细胞内、外离子分布不均匀:细胞内K及带负电的蛋白质多,细胞外Na、Ca2+、C
15、l-多。2、膜的选择通透性:安静时对K的通透性大。3、K外流,而膜内带负电的蛋白不能随K外流,形成与K隔膜相吸的极化状态;4、其数值相当于K的平衡电位。外正内负原理三:一不均,二选择,三是生电钠泵。第三章第三章 神经电信号和动作电位神经电信号和动作电位Electrical signal and action potential局部电位局部电位动作电位动作电位神经元的兴奋性神经元的兴奋性神经电信号:神经元在静息电位基础上所发生的膜电位变化。神经电信号:神经元在静息电位基础上所发生的膜电位变化。静息电位变化按其表现和传播分为:静息电位变化按其表现和传播分为:局部变化产生局部电位:等级性和局限性局部
16、变化产生局部电位:等级性和局限性 传播性变化产生传播性变化产生 动作电位:大小形态固定,并可长距离传播动作电位:大小形态固定,并可长距离传播第一节第一节 神经电信号的概述神经电信号的概述第二节第二节 局部电位局部电位 localized potential 局部电位:是给与神经元膜去极化电刺激引起的电紧张电位局部电位:是给与神经元膜去极化电刺激引起的电紧张电位 及少量及少量Na+通道开放,少量通道开放,少量Na+内流引起的阈电位内流引起的阈电位 以下的去极化反应以下的去极化反应局部电位类型:局部电位类型:1.电刺激引起的局部电位电刺激引起的局部电位 2.感受器电位感受器电位 3.突触电位突触电
17、位(synaptic potential):指神经信号在神经元间进行传递过程中,指神经信号在神经元间进行传递过程中,由突触前神经元释放的神经递质,由突触前神经元释放的神经递质,作用于突触后神经元所引起的突触后膜作用于突触后神经元所引起的突触后膜 点位的变化,根据变化不同,可分为点位的变化,根据变化不同,可分为 兴奋性的去极化和抑制性的超极化。兴奋性的去极化和抑制性的超极化。4.效应器点位效应器点位 5.自发膜电位自发膜电位 6.局部电流引起的膜电位变化局部电流引起的膜电位变化二、二、局部电位的特性局部电位的特性1.等级性:又称作刺激强度依赖性等级性:又称作刺激强度依赖性2.电紧张扩布性:也称局
18、限性,随着扩布距离增大而衰减。电紧张扩布性:也称局限性,随着扩布距离增大而衰减。3.总和性:时间性总和、空间性总和总和性:时间性总和、空间性总和 第三节第三节 动作电位及产生机制动作电位及产生机制The mechanism underlying APThe mechanism underlying AP一、动作电位(一、动作电位(action potential,AP)的概念和特征的概念和特征 动作电位:是神经元在静息电位基础上,受到刺激后膜电位动作电位:是神经元在静息电位基础上,受到刺激后膜电位 所发生的快速翻转和复原的过程,是一种可传导所发生的快速翻转和复原的过程,是一种可传导 的电信号。
19、的电信号。特征:特征:1.全或无现象全或无现象 同一细胞内的同一细胞内的APAP的大小不随刺激强度的大小不随刺激强度 而改变而改变 2.2.全幅式传导性全幅式传导性 3.3.不可叠加性不可叠加性 二、动作电位的过程和成分二、动作电位的过程和成分动作电位由三部分组成:动作电位由三部分组成:局部电位局部电位锋电位:去极化相锋电位:去极化相 负极化相负极化相后电位:去极化后电位后电位:去极化后电位 超极化后电位超极化后电位 极化状态极化状态(polarization)polarization):将静息状态下细胞膜跨膜电位内负外正的状态;超极化超极化(hyperpolarization)hyperpo
20、larization):膜内负电位增大(例如从-70mv变为-90mv)去极化去极化(depolarization)(depolarization):膜内负电位减小(例如从-70mv变为-60mv)复极化复极化 (repolarization)(repolarization):细胞膜去极化后再向原来静息电位方向恢复 动作电位动作电位(action potential)action potential):在原有静息电位的基础上,膜电位发生的迅速的倒转和恢复 锋电位锋电位(spike)(spike):动作电位是细胞兴奋的表现,主要表现为一个尖锋形的电位波动相关概念相关概念三、动作电位产生的离子机制
21、三、动作电位产生的离子机制(一)锋电位的离子机制(一)锋电位的离子机制1 锋电位产生的条件:锋电位产生的条件:神经元的神经元的RP是锋电位产生的基础是锋电位产生的基础 细胞外的细胞外的Na+浓度远远大于细胞内浓度远远大于细胞内Na+浓度浓度Na+o Na+I 刺激引起刺激引起Na+通道开放通道开放2 锋电位幅度和锋电位幅度和Na+平衡电位(平衡电位(ENa)锋电位顶点的膜电位水平是由锋电位顶点的膜电位水平是由ENa决定的决定的 锋电位的上升支是由锋电位的上升支是由Na+内流所致内流所致 锋电位的下降支,是由上升支去极化导致大量电压门控锋电位的下降支,是由上升支去极化导致大量电压门控K+通道开放
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