神经元的电活动和神经元间信息的传递 生物电研究简史 刺激 (stimulus), 兴奋性 (excitability), 兴奋 (excitation) 伽伐尼（Galvani,L. 1737-1798）的实验 无金属收缩实验 二次收缩实验 20年代Gasser和Erlanger将阴极线示波器等近代电子学设备引人神经生理学研究，获1944年诺贝尔奖。 Hodgkin、Huxley 和Eccles三人分享了1963的生理学或医学诺贝尔奖。（胞内记录） Katz用微电极技术开展了神经肌肉接头突触的研究，为此于1970年也获得了诺贝尔奖。

第一节 神经元的静息膜电位和动作电位 一. 静息电位 2·2·1 测定方法 胞外记录法 胞内记录法 光电测定法 刺激

形成机制 1902年Bemstein提出的关于静息电位的学说所以被称为膜学说，是因为它明确地指出了该电位差来自胞膜对K+的选择通透性和跨膜的K+浓度差。 神经元膜的跨膜离子浓度差 K+ 400/ 20 神经元膜是离子扩散障碍物 膜中的离子通道为离子跨膜流动提供孔道 离子跨膜浓度差与膜电位

(2)平衡电位 该电位差阻止离子的进一步移动，二者形成平衡。 (1)扩散电位 带电荷的离子跨膜移动，形成膜两侧电位差。 (2)平衡电位 该电位差阻止离子的进一步移动，二者形成平衡。 只需汇聚极少量正、负离子于胞膜两侧，则它们所携带的电荷便足以抵消离子浓度对离子跨膜移动的趋动力。

离子泵作功 以平衡K+与Na+的被动跨膜流动 为了维持稳定的静息膜电位就要求跨膜的电荷分离必须维持恒定，即在该静息膜电位条件下正与负电荷的内流与外流必须是平衡的。 在胞膜中存在着被称为Na+ -K+泵 (Na+ -K+ pump) 的实体，由它们不断地逆着电化学梯度作功将Na +泵到胞外，再将K +带人胞内。 Na+ 分解ATP K+

神经元膜的电学性质 膜的等效电路 膜电阻、 膜电容和时间常数

膜空间常数

神经元膜的 整流作用与局部电位

二. 动 作 电 位 相对应于静息膜电位，动作电位是在活动时产生故又称动作电位(action potential)。动作电位的上升枝称去极化相 (depolarizing phase)下降枝称复极化相(repolarizing phase)。期间膜电位发生倒转，即膜电位变成内正外负部分称超射(overshoot)。动作电位下降相在有些可兴奋细胞还越过静息膜电位水平，形成超极化相(hyperpolaring phase)坯动 方回到静息膜电位水平。

性状与功能 全或无式脉冲反应 局部电位是随刺激的增强而变大，但动作电位则在阈下刺激时根本不出现 (无)，而当刺激一旦达阈值以及超过阈值、便立刻产生并达到最大值(全) 。这种反应方式称全或无反应。 不减衰传导 动作电位发生的部位 （内正外负）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。因此相邻部位因受到阈上刺激而进人兴奋状态，并且也随之产生全或无式动作电位。这样，在神经元一处产生的动作电位便以这种局部电流机制依次诱发相邻部位产生动作电位，又由于动作电位是全或无式反应，所以它可不减衰地向远距离传导。

兴奋性后变化 在神经元膜的某处一且发生了动作电位，则该处的兴奋性便将发生一系列变化。 大致在动作电位的超射时相，无论用如何强的刺激电流在该处都不能引起动作电位，此时相称为绝对不应期，随后，用较强的阈上刺激方可以在该处引起动作电位，并且其振幅还要小一些，此时相称为相对不应期。

动作电位主要生理功能 (1)作为快速而长距离地传导的电信号 (2)调控神经递质的释放、肌肉的收缩和腺体到分泌等 动作电位属数字信号，可进行远距离通讯 动作电流与膜的Na＋、K＋通透性

Na与K电导的变化分别来自Na+与K+通道的活动 电导：电学导通性，电阻的倒数

动作电位的传导 动作电位，(即神经冲动impulse)一旦在神经元的一处产生，便以恒定的速度和振幅传遍整个细胞。 阈膜电位 除极化过程中，由局部电位发展为动作电位时的临界膜电位称阈电位 (threshold membrane potential)。也就是由去极化引起的Na+通透性的升高，达到Na+的内流量恰好超出K+外流时的膜电位。 局部电位的出现提示gNa开始上升，但gK仍大于gNa ，故膜电位终将恢复至静息膜电位水平。而当去极化达阈电位时， gNa大于等于gK时，膜将向去极化方向发展，这又会进一步导致gNa的上升， gNa上升更加促进去极化，如此自我再生地发展，直至Na+的平衡电位时为止。这过程称即是Na电流的活化(activation of sodium current)。

从Na电流的变化曲线可看出，当它达顶峰时，即便膜电位仍被钳在该水平不变，也立即迅速变小，直至恢复到静息水平。此过程即是Na电流的失活(inactivation of sodium current)。不难看出从局部电位至动作电位虽似经历了突变，但膜Na与K电导的变化却是连续的，只是以gNa＝gK为界，一侧为被动的局部电位，另侧为自我再生的动作电位。

无髓鞘纤维的兴奋传导 1850年著名德国生理学家Helmholtz首次对蛙神经的传导速度进行了测量，结果为每秒27～30m/s。 1879年Hermann又提出了现在看来仍属正确的关于兴奋传导的局部电流学说 (local current theory)，即认为在兴奋部位产生的电位差又刺激相邻部位，在两者之间产生的局部电流，使相邻部位去极化，达到阈值便在相邻部位产生兴奋。兴奋便是以此机制快速扩布的。 根据局部电流学说，应在兴奋点有电流从轴浆中流向相邻的末兴奋点，在该点穿出轴突膜，再从纤维外流回兴奋点形成局部电流回路。如果这种设想是正确的，那么增大或降低纤维外电阻势必影响兴奋的传导速度。 于1937年Hodgkin对此进行了实验证明。他将单根蟹神经纤维放在油里以增加外电阻便明显地降低了兴奋传导速度。

局部电流学说

有髓鞘纤维的跳跃传导 1871年Ranviar就发现外周有髓鞘纤维的髓鞘不是连续地包在轴突外面，而是有规律地每隔1-2mm便中断一次。后人便将髓鞘中断处称为朗氏结 (Ranviar’s node)。1925年Lillie提出设想，认为神经兴奋可能是从朗氏结到期氏结进行跳跃式传导，后被Tasaki以实验证实。

离 子 通 道 离子通道模型的提出及其实验证明 在静息膜电位的基础上产生的电信号，即局部电位和动作电位，是由带有闸门的离子通道调控的。 离子通道是调控神经电信号的产生与传导的实体。 离子通通不仅存在于所有细胞的胞膜中，而且也存在于胞内膜结构，如线粒体膜、内质网膜和肌浆网膜等。 可兴奋细胞膜中的离子通道类型多，密度也高，使之可以发出能够向远距离传导的电信号。 离子通道模型的提出及其实验证明 轴突膜中分别存在着容许Na+或K+被动跨膜流动的微孔道，即Na与K通道。两种通道都有: A.接收电压变化的感受点 (sensor)， B.在微孔道内具有可在开放态和关闭态间转换的闸门(gate), C.司识别与选择可通过离子的滤过器 (filter)。

通道模型 感受点 、闸门、滤过器

记录单离子通道电流的膜片钳技术 用尖端直径稍大(0.5-3.0μm)的玻璃微电极 (必要时可用热处理电极尖端使之光滑些)。电极内充灌相应的溶液。实验时先将电极尖端抵细胞膜上(表面应平滑)，向电极内加少许负压，使电极尖端紧密附着在胞膜上。这时的电极电阻必须达GΩ(109Ω) 水平 (称GΩ封接)，否则达不到记录单离子通道电流的要求。

Patch clamp (Voltage clamp ) 电压钳、膜片钳 Voltage clamp (2-Electrode) Patch clamp (Voltage clamp ) 给定指令电压，测定通道电流

(1)细胞密着(cell-attached)式 将电极尖端以GΩ 封接在细胞表面，用以记录被封在电极尖端口下的膜片中的离子通道 。Neher和Sakman便是用这种方法首次记到了nAchR(N型Ach受体)单通道电流。 (2)膜内面向外(inside-out)式 按细胞密着式将电极封接好之后，再将电极拉开，使之与胞体脱离即可，也是用以记录封在电极尖端口下的膜片中的离子通道电流 。 (3)全细胞记录(whole-cell recording)式 按细胞密着式封接电极后再向电极管内稍加负压，使被封在电极尖端口下的膜片破裂，用以记录全细胞离子通道电流。 (4)膜外面向外(outside-out)式 在全细胞记录式的基础上，拉开电极使之与胞体脱离，这时附在电极尖端的膜片又可自动地融合将电极尖端口封住。此膜片的外侧面向外。这4种方式可用于不同实验目的。

离子通道蛋白在蟾蜍卵母细胞膜中的表达 将希望表达的离子通道的mRNA (用重组DNA技术克隆制备)注入到处于一定发育阶段 (阶段V)的非洲爪蟾(我国学者开发了中华蟾)的卵母细胞，经一段时间的培养，注人胞内的目的mRNA开始合成离子通道蛋白，并将它们组装到胞膜中去，这样便可用膜片钳技术鉴定及研究所表达的离子通道。进而找出通道的结构（一级）与功能的关系。

测定离子通道等大蛋白分子结构的重组DNA技术 基本做法： 首先从细胞或组织提取总mRNA。再以它们为模板，在逆转录酶的作用下，以脱氧三磷酸核苷为原料(dNTP)合成cDNA(互补)，用RNA酶消化掉产物中的mRNA，用 DNA聚合酶合成双链DNA。将合成的这些双链DNA片殷，重组到噬菌体的DNA内(靠近启动子) 。使噬菌体在菌体内增殖，并获得大量DNA副本。在限制性内切酶的作用下，切下各克隆中的cDNA片段。此片段在RNA聚合酶的作用下，重新复制mRNA。用DNA酶消化掉cDNA，得到 mRNA。用于蟾蜍卵母细胞鉴定法找出目的离子通道的mRNA。这样便可依核苷酸顺序推出离子通道的一级结构。

离子通道的功能特征 离子通道的闸控 离子通道可在多种构象 (conformation)之间转换，对离子的通透性只表现为开放(Open)和关闭(Close)二种状态。离子通道在C和O之间的转换是由其微孔道的闸门控制的。这一机制被称为闸控 (gating)。实际上在多种离子通道，如Na+通道除C和O之外，起码尚有一个被称为失活 (inactivation ，I) 的状态。 去极化使Na+通道开放，若在2-4ms以内复极化，则通道从O转为C;如去极化持续时间长，则通道进而转入 I 状态，I 状态表现为关闭且不能被去极化所激活。 只有当膜电位复极化后，通道方从失活 中恢复进入备用状态，此过程称为复活 (或去失活deinactivation) 。 激活 失活 备用

闸控的机制 设想的三种方式: 1、孔道内的一处被闸住(如电压门控Na通道和K通道) 2、全孔道发生结构变化封住孔道 (如缝隙连接通道) 3、由特殊的抑制粒子将通道口塞住 (如电压门控K通道)。

通道开关的模型

分类： 有电压、机械牵拉和化学配基这三类动因可调控通道闸门的活动，相应的离子通道便被分别称为电压门控 (voltage- gated)，机械门控 (mechanic-gated)和配基门控(ligand-gated)离子通道。 离子通道分子的结构特征 可将编码它们的基因分为三个家族，因为每个家族成员都有极为相似的氨基酸序列，从而它们被认为是由共同先祖基因演化而来: 1、编码电压门控Na、K和Ca通道基因家族; 2、编码配基门控离子通道基因家族，此族成员中有由Ach、GABA、甘氨酸或谷氨酸激活的离子通道; 3、编码缝隙连接通道的基因家族。

几种电压门控通道 1.电压门控Na+通道 电压门控Na通道 (voltage- gated sodium channel)是首先被确定了氨基酸全序列的通道，哺乳动物的脑和心肌的Na通道分子是由 l 个大亚基(α亚基) 和两个小亚基构成。Na通道的α亚基的分子量约26万，是由约1820个氨基酸残基构成的单肽链，含4个疏水重复区 (MI-W)，每区中有6条疏水的穿膜α螺旋 (S1-S6)，S1与S2岛螺旋的一侧多为带电荷残基，微孔道便认为是由4个重复区中的S1与S2螺旋围成

关于Na+通道的感受点 (sensor) 膜的去极化或复极化时所发生的电场变化可趋使离子通道中的荷正电的粒子分别向膜外和内侧方向移动，从而使通道开放和关闭。这种记电荷在膜内的移动应能给出小的电容电流，即闸电流(gating current)。后来，在20世纪70年代借助精密的电压钳装置，记录到了这种闸电流。 并发现当去极化持续时间较短时，在去极化开始和结束时分别记到了形状相同，但方向相反的闸电流;而当去极化持续时间较长足以使Na通道转入灭活关闭态时，则闸电荷的归位便被推迟。即待膜电位复极化，Na+通道从灭活态脱出，闸电荷移动归位时方出现。 认为Na通道中的S4是电压感受点，当膜去极化时便向膜外侧旋出60º，于是便有1个正电荷露出膜外。4个S4同时行动，通道闸门便开放。

去活化 去活化(失活)是离子通道的另一种关闭态。去灭活的机制应与K+通道的相同，由联接重复区Ⅲ和Ⅳ的胞内环形成的“球”堵住通道内口而实现的。至于慢去沾机制目前尚不清楚。 实验还表明，Na+通道的开放概率不只与膜去极化持续时间，也与其腐度大小密切相关，即Na通道开放概率是去极化持续时间和水平依赖的。一般说来，在一定范围内去极化幅度越大，开放概率也越高，并且以去极化持续2爬时的机率为最高。 离子滤过器 每个重复区中夹在S5和S6之间的P段构成微孔道的离子滤过器。

2.电压门控K+通道 已发现的K通道的种类最多，其中电压门控K通道有: (1)延时整流K+通道(delayed rectifier) 乌贼巨轴突发现的K通道属此类型。由去极化激活，与电压门控Na通道相比活化速度较慢，并且不易去活。它的功能为限制Na+内流，以缩短动作电位持续时间。由于去极化时的外向电流明显大于超极化时出现的内向流，故又称外向整流K通道(outward rectifier)可被四乙胺阻断。 (2)异常整流K+通道 (anomalous rectifier) 整流方向与前者相反，即由超极化激活，去极化时去活。故又称内向整流K通道 (inward rectifier)。 (3)A型K+通道 去极化至-65mV时即被激活，去活很快，至-45mV时便完全去活。由于活化后约1ms其去活闸便启动，故又称快瞬时K通道 (fast,transient K channel)。去极化而兴奋时，此通道被激活，以延迟去极化的达潮电位时间。很显然，依此机制可控制神经元的发放频率并缩短冲动持续时间。

(4)Ca2+激活K+通道 (Ca-activated K channel) 由去极化激活，但还受到胞内 [Ca2+]的调控，即在胞内Ca2+ 达umol/L数量级方可被激活，并且随胞内[Ca2+]的上升，其激活电压向超极化方向移动，无明显的去活过程。它的功能也是调控冲动的发放频率。此通道的阻滞剂为TEA和蝎神经毒素等。 电压门控K一个重复区构成，整个通道，则被认为是由4种相似分子围成。通道的活化闸门也是由4个S4构成。如将通道分子的N末端除去，则去活过程消失，提示去活闸门在N末端，可用由Armstrong提出的"球与链"模型说明(见图)。

3.电压门控Ca2+通道 电压门控Ca2+通道 分为T、L、N和P四种类型。其中L型的资料最多，它由α1、α2、β和γ亚基构成，其中α1为通道实体，分子量约21万，微孔道由此亚基围成。它与Na通道α亚基的结构基本相同，S4也被认为是电压感受器的所在地。至于灭活化机制可能与重复区 I 的S6和其他胞内外连接环有关。

通道结构图形鉴赏

转运体 在脂质双层上为物质转运提供道路的跨膜大蛋白分子大致可分为两类，即离子通道蛋白分子和被称为转运体 (transporter )的蛋白分子。两种分子中都有容许物质通过的微孔道，但前者开放对其微孔道是贯通的，且多有开关特性；后者活动对其微孔道的内口与外口轮流开放，在转运体中顺浓度差转运物质者称载体，逆浓度差物转运质者称为泵 离子泵 胞膜中的Na+ -K+ +ATP酶 载体 原发主动转运 (primary active transport )。 继发性主动转(secondary active transport ) 如葡萄糖的转运是逆浓度梯度进行的，但它们是从钠离子的顺电化学梯度流动中获能而转运的。

载体与通道