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1、第三章 動作電位,1.動作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制 2.離子電流的分離方法 3.離子電導(dǎo)和Hodgkin-Huxley模型,3.1 動作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制,* 概 念 * 電緊張電位：當(dāng)用直流電刺激神經(jīng)時, 在陰極和陽 極處膜電位變化。 超極化：陽極膜電位升高。 去極化：陰極膜電位降低。 局部電位：若刺激電流增強, 只在陰極處產(chǎn)生一個 可衰減的電位變化。 動作電位：如果刺激電流增強達(dá)到閾值時, 在陰極 產(chǎn)生一個不衰減的“全或無”式的沿神經(jīng)纖維傳導(dǎo) 的神經(jīng)沖動時。,3.1 動作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制,一.離子學(xué)說及其實驗證據(jù) Bernstein的膜學(xué)說認(rèn)為動作電位應(yīng)等于靜息電位 的絕對值。后發(fā)現(xiàn)它不能解
2、釋動作電位的超射現(xiàn)象。用 毛細(xì)管微電極測量槍烏賊大神經(jīng)纖維興奮時電位變化發(fā) 現(xiàn)動作電位大于膜靜息電位。當(dāng)改變細(xì)胞外Na+濃度時動 作電位的時程和大小均發(fā)生變化（如圖）： Na+ 濃度稍減,動作電位上升緩慢，超射減少傳導(dǎo)速度變 慢(圖A曲線2)； 減少50%，超射幾乎減少一半，上升相更慢(圖B曲線2)； 減少33%，超射幾乎完全消失(圖A曲線3)。,3.1 動作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制,1950-1952年Hodgkin，Huxley和Katz提出著名的鈉學(xué)說， 即離子學(xué)說。認(rèn)為膜靜息時：PKPNa，PKPCl； 膜興奮時： PNaPK，PNaPCl，此時 RT Na+o
3、 ENa=ln =+53mV 與實驗測得的+55mV超射相近 F Na+i 鈉學(xué)說得到各方面實驗證實。每次動作電位期間Na+內(nèi)流量與K+外 流量大致相等，關(guān)鍵是兩種離子在動作電位期間流動的時相不同。,,一.離子學(xué)說及其實驗證據(jù),1. 靜息時細(xì)胞膜內(nèi)外存在各種離子的濃度差,而膜對這些 離子的通透性不同,所以維持-70mV的靜息電位； 2. 膜受到電刺激時產(chǎn)生去極化,膜對Na+、K+通透性發(fā)生變 化。首先Na+通透性增大，加速膜去極化，發(fā)生超射，構(gòu)成動作 電位上升相； 3. 接著Na+通道失活,而K+通道活化，K+外流，構(gòu)成動作電位 的下降相。由于鉀電導(dǎo)的變化沒有失活現(xiàn)象，只是
4、在膜電位的 恢復(fù)過程中逐漸降低，延時較長，產(chǎn)生正后電位； 4. 依靠膜上納泵完成排Na+攝K+，維持膜內(nèi)外離子濃度差， 恢復(fù)靜息水平。,3.1 動作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制,二.動作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制,,3.2 離子電流的分離方法,1. 電壓鉗原理 2. 分離方法,,藥理學(xué)方法,離子置換法,逆向電位法,,,,阻斷鈉通道活化的藥物,阻遏鈉通道失活化的藥物,激活鈉通道的藥物,,阻遏鉀通道的藥物,,3.2.1 電壓鉗原理,在測量快速興奮過程中離子電流的變化和分離單個離子電流時，常采用電壓鉗技術(shù)。 根據(jù)簡化電纜模型：一小片膜的等效電路（32）,因為Im=Iion +IC 令I(lǐng)C=0 得Im=Iion此即電
5、壓鉗技術(shù)的原理。 固定膜電位不變，膜電容電流為零，則總電流等于離子電流(33)。,3.2.1 電壓鉗原理,在槍烏賊大纖維內(nèi)縱向插入兩根細(xì)鉑絲，一根記錄電壓E，另一根記錄電流I。記錄膜電位E與調(diào)定電壓差值經(jīng)放大進(jìn)入快速電壓-電流轉(zhuǎn)換器(FBA), 加入反饋電流I, 直至膜電位與調(diào)定電壓相等為止, 維持膜電壓不變。 當(dāng)一個神經(jīng)沖動到達(dá)時，出現(xiàn)膜離子電流，為了維持膜電位不變，就必須輸入一個與膜離子電流大小相等，方向相反的補償電流,記錄下這個補償電流就是膜電流的鏡像。,,*1.離子置換法*,如圖：膜去極化56mV，A為正常海水中記錄總離子電流，B為用氯化膽堿溶液代替NaCl后IK，C為A減B后得到的
6、INa，這里就是利用了離子獨立的原則。,,*2.逆向電位法*,在電壓鉗實驗中不斷改變Vm ， Na+的變化：當(dāng) VmENa，外向INa。 右圖為Hodgkin等1952年的實驗結(jié)果。另外，也可直接將膜電位調(diào)到某一離子的平衡電位， 這樣可消除該離子的影響，測得一電流，用總電流減去測得電流，即該離子電流。,,阻斷鈉通道活化的藥物,石房蚶(蛤)毒素(STX): 來源于旋溝藻,專一性阻斷鈉通道,能阻斷對TTX不敏感的鈉通道。 河豚毒素(TTX): 專一性地阻斷鈉通道，作用可逆。（見圖：TTX對槍烏賊軸突離子電流的影響）,阻遏鈉通道失活化的藥物,?？舅兀浩渥饔檬鞘箘幼麟娢幌陆迪嘌娱L，形成平臺。它不
7、影響鈉、鉀通道的開放，只是使已開放的鈉通道不能立即關(guān)閉，繼續(xù)開放，Na+大量內(nèi)進(jìn)，超射的下降相變慢，形成平臺。 蝎毒素：其作用與海葵毒素相似。,激活鈉通道的藥物,箭毒的作用：靜息時增加軸突膜對Na+的通 透性, 不影響動作電位鈉通道的活化。,阻遏鉀通道的藥物,四乙二胺(TEA) 4-氨基吡啶(4-AP),,一.離子電導(dǎo) 二.鉀 電 導(dǎo) 三.鈉電導(dǎo) 四.Hodgkin-Huxley模型,3.3 離子電導(dǎo)和Hodgkin-Huxley模型,一.離子電導(dǎo),分出離子電流后將測定離子通透性或通道開放的 數(shù)目。Hodgkin和Huxley使槍烏賊大纖維長時間去 極化，使一些離子通道開放，然后讓電壓突升到第
8、 二數(shù)值，這個時間很短，新通道來不及打開，已開 放的通道來不及關(guān)閉，在膜通透性不變時測量電壓 -電流關(guān)系。第一次測鈉通道開放，第二次測鉀通 道開放。,此時離子電導(dǎo)為：gNa=INa/(E-ENa) g K=IK/(E-EK) 此為弦電導(dǎo)，適于線性關(guān)系；而 G=I/E 為斜率電 導(dǎo)（不論電壓與電流呈什么關(guān)系均成立）。,鉀離子電導(dǎo)gK是時間t和膜電位Vm的函數(shù): gK=(t,Vm) 在動作電位期間，實驗結(jié)果得到gK(t)曲線，在一定Vm下，去極化時gK(t)沿S型曲線上升; 在復(fù)極 化時gK(t)呈指數(shù)曲線下降。 Hodgkin等作了一系列假定后用一組方程式來擬合這條實驗曲線：
9、dn gK = Kn4 = n(1-n)-nn dt,二.鉀 電 導(dǎo),三.鈉電導(dǎo),鈉離子電導(dǎo)在膜靜息狀態(tài)時近似等于零，在動作電位期間鈉通道有一個快速的激活和慢速的失活化過程，用藥物TTX和ATX可證實這是兩個獨立的過程。 為了能用數(shù)學(xué)方程式描述上述變化過程，Hodgkin和Huxley用兩個參數(shù)m和h分別描述鈉電導(dǎo)的增加和減少過程，根據(jù)實驗曲線得到擬合方程為：,dm dh gNa=Nam3h =m(1 m) mm = h(1h)hh dt dt,根據(jù)每種離子電導(dǎo)方程, 在大纖維和電壓鉗位條件下每種離子的電流方程為: INa
10、 =gNa(VENa) gNa = Nam3h IK = gK(V EK) gK = Kn4 IL = gL(V EL) 根據(jù)膜的電纜模型等效電路, 膜總電流為: Im = INa+IK+IL+IC =Nam3h (VENa)+Kn4(V EK)+gL(V EL)+Cm,四.Hodgkin-Huxley模型,E,t,Hodgkin假設(shè)電纜性質(zhì)在空間上是均一的，動作電位以恒速傳播，則可得出下列普遍的電流方程： Im = . = Cm + INa+IK+IL (R軸漿電阻,纖維半徑,傳導(dǎo)速度) 以上即H-H方程。,,, E, t,,2R, 2E, t 2,四.Hodgkin-Huxley模型,
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