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1、第三章 動(dòng)作電位,1.動(dòng)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(dòng)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(shí), 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(qiáng), 只在陰極處產(chǎn)生一個(gè) 可衰減的電位變化。 動(dòng)作電位：如果刺激電流增強(qiáng)達(dá)到閾值時(shí), 在陰極 產(chǎn)生一個(gè)不衰減的“全或無”式的沿神經(jīng)纖維傳導(dǎo) 的神經(jīng)沖動(dòng)時(shí)。,3.1 動(dòng)作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制,一.離子學(xué)說及其實(shí)驗(yàn)證據(jù) Bernstein的膜學(xué)說認(rèn)為動(dòng)作電位應(yīng)等于靜息電位 的絕對(duì)值。后發(fā)現(xiàn)它不能解釋
2、動(dòng)作電位的超射現(xiàn)象。用 毛細(xì)管微電極測(cè)量槍烏賊大神經(jīng)纖維興奮時(shí)電位變化發(fā) 現(xiàn)動(dòng)作電位大于膜靜息電位。當(dāng)改變細(xì)胞外Na+濃度時(shí)動(dòng) 作電位的時(shí)程和大小均發(fā)生變化（如圖）： Na+ 濃度稍減,動(dòng)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(dòng)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(shí)：PKPNa，PKPCl； 膜興奮時(shí)： PNaPK，PNaPCl，此時(shí) RT Na+o ENa=ln =+53mV 與
3、實(shí)驗(yàn)測(cè)得的+55mV超射相近 F Na+i 鈉學(xué)說得到各方面實(shí)驗(yàn)證實(shí)。每次動(dòng)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(dòng)作電位期間流動(dòng)的時(shí)相不同。,一.離子學(xué)說及其實(shí)驗(yàn)證據(jù),1. 靜息時(shí)細(xì)胞膜內(nèi)外存在各種離子的濃度差,而膜對(duì)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(shí)產(chǎn)生去極化,膜對(duì)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(dòng)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(dòng)作電位 的下降相。由于鉀電導(dǎo)的變化沒有失活現(xiàn)象，只是在膜電位的 恢復(fù)過程中逐漸降低，延時(shí)較長(zhǎng)，產(chǎn)生正后電位
4、； 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(dòng)作電位產(chǎn)生的離子機(jī)制,二.動(dòng)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(cè)量快速興奮過程中離子電流的變化和分離單個(gè)離子電流時(shí)，常采用電壓鉗技術(shù)。 根據(jù)簡(jiǎn)化電纜模型：一小片膜的等效電路（32）,因?yàn)镮m=Iion +IC 令I(lǐng)C=0 得Im=Iion此即電壓鉗技術(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
5、(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(gè)神經(jīng)沖動(dòng)到達(dá)時(shí)，出現(xiàn)膜離子電流，為了維持膜電位不變，就必須輸入一個(gè)與膜離子電流大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流,記錄下這個(gè)補(bǔ)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INa，這里就是利用了離子獨(dú)立的原則。,*2.逆向電位法*,在電壓鉗實(shí)驗(yàn)中
6、不斷改變Vm ， Na+的變化：當(dāng) VmENa，外向INa。 右圖為Hodgkin等1952年的實(shí)驗(yàn)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(cè)得一電流，用總電流減去測(cè)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(duì)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(duì)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?dòng)作電位下降相延長(zhǎng)，形成平臺(tái)。它不影響鈉、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?jī)?nèi)進(jìn)，
7、超射的下降相變慢，形成平臺(tái)。 蝎毒素：其作用與?？舅叵嗨?。,激活鈉通道的藥物,箭毒的作用：靜息時(shí)增加軸突膜對(duì)Na+的通 透性, 不影響動(dòng)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(cè)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(zhǎng)時(shí)間去 極化，使一些離子通道開放，然后讓電壓突升到第 二數(shù)值，這個(gè)時(shí)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(shí)
8、測(cè)量電壓 -電流關(guān)系。第一次測(cè)鈉通道開放，第二次測(cè)鉀通 道開放。,此時(shí)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(shí)間t和膜電位Vm的函數(shù): gK=(t,Vm) 在動(dòng)作電位期間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到gK(t)曲線，在一定Vm下，去極化時(shí)gK(t)沿S型曲線上升; 在復(fù)極 化時(shí)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(shí)驗(yàn)曲線： 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
9、態(tài)時(shí)近似等于零，在動(dòng)作電位期間鈉通道有一個(gè)快速的激活和慢速的失活化過程，用藥物TTX和ATX可證實(shí)這是兩個(gè)獨(dú)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(gè)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(shí)驗(yàn)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 =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(dòng)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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