电信号传导——动作电位

基础篇之三第四讲电信号传导—动作电位肖飞(暨南大学神经药理室广州510632)引言神经元如何实现信息的电传导呢？神经元通过产生动作电位来传导电信号的。静息状态下胞内电位相对于胞外为负（-65mV)，动作电位是这一电位的快速翻转，即在瞬间使胞内电位为正。第四讲电信号传导—动作电位一、动作电位的特性二、动作电位的机制—离子跨膜运动三、动作电位的传导动作电位：神经元膜传递电信号神经元静息状态下，即不产生动作电位时，通过插入胞内微电极可以测定细胞膜内电位（Vm,膜电位）。此时电压表的读数稳定在-65mV，也就是静息电位。动作电位产生程中，膜内电位短暂地变为正电位。这个过程非常之快，比眨眼快100倍。用示波器（一种特殊的电压计）可以记录到膜电位随时间的变化。动作电位形状象一个陡峭的山峰，可分为两部分，即上升相和下降相。图片1图片2动作电位的产生静息时，神经元膜内为负，膜外为正，即静息电位，约为-65mV,这种电荷不对称状态称为极化状态。膜内的负电位减小,膜内与膜外电位差值减小,称为去极化。1、物理因素。如牵张刺激导致钠离子进入胞内，引起去极化；2、化学因素。如化学物质释放导致钠离子进入胞内，引起去极化；3、人为的用微电极向胞内注入电流直接使神经元去极化。只有负电位减小到阈值（threshold，触发动作电位的膜电位水平，-40mv）时，即去极化达到或超过阈值时,才触发动作电位。图片1图片2向细胞内注入电流导致动作电位的产生注入电流返回注入电流引起膜内负值变小——去极化达到或超过阈值才会引发动作电位返回动作电位产生机制A：静息时：钾通道开放，钠通道关闭，达到钾平衡电位B：上升相，钠通道开放，钠离子内流，膜电位上升细胞膜内离子状态:高钾低钠钠内流动作电位产生机制C：下降相：钠通道关闭，钾离子外流，膜电位下降D：恢复静息电位：钾通道重新开放，钾平衡电位钾外流细胞膜内离子状态:高钾低钠动作电位产生的关键——钠通道短暂开放动作电位的上升相是由于钠通道打开，钠离子内流引起的膜电位上升。而下降相是由于钾离子在电压梯度驱动下外流，而使膜电位恢复，从而形成了一个脉冲峰。前面讲到去极化能引起动作电位产生，而动作电位的产生是首先钠离子内流引起的。换句话说，去极化先导致了钠通道的开放，引起钠离子内流。这种随着电压改变而开放关闭的钠通道，称之为电压门控钠通道。当去极化达到阈值时，电压门控钠通道就打开，钠离子内流引发动作电位。现在的问题是：通道的打开为什么能受电压的控制？电压门控钠通道由多个氨基酸组成的蛋白质长链。链反复穿过细胞膜，开成四个部分，每个部分又由6个α螺旋组成，分别为S1-S6。电压门控钠通道打开关闭机制膜去极化，由-65mV到达-40mV时，膜内正电荷增加，电荷排斥作用，使蛋白结构发生变化，钠通道打开。而当电位恢复时，则使钠通道关闭。电鳗为什么能放电？人人都能放电，只是电太弱了（动作电位从-65mV到+40mV之间)。电鳗形成了特殊的放电器官。器官的细胞膜上含有大量钠通道，单个细胞产生的动作电位高，再加上细胞成串联排列，同时启动，可将电压差升到300V。为了吃美味不要命！河豚（puffer):在受到干扰后能充气或充水发生鼓胀如球，分布于暖水及温带海区，也见于半咸水或淡水。脏器有毒。河豚被认为是一道美味佳肴，采用特殊方法烹制，以避免中毒，尽管如此，但仍导致嘴唇周围麻木，每年都有中毒事件发生！而导致中毒原因是误食！河豚毒素的化学结构河豚毒素（tetrodotoxin,TTX)最初是从日本河豚卵巢中分离出来的，是一种毒性很强的神经毒素，只要食入豚毒0.5mg-3mg就能致死。它能在纳摩尔浓度与钠通道结合，能完全阻断钠离子的内流,导致神经元无法传递电信号，严重引起神经元的信号不能传到呼吸肌，引起呼吸麻痹，导致死亡。除了TTX外还有许多其它的毒素能如石房蛤毒素从一种甲藻中提取。而以这些海藻为食的蚌、蚝等体内会富集这种毒素。有时，甲藻爆长会导致“赤潮”，此时食用将是致命的。返回动作电位的传导产生的动作电位能沿神经元轴突进行传导。局部去极化，使邻近的电压门控钠通道开放，钠离子内流，邻近局部去极化，去极化又引起邻近的电压门控钠通道开放，钠离子内流。就这样依次向前推进。平均速度为120米/秒。钾外流钠内流局部麻醉药（localanesthesia）为什么让你不感到痛？局部注射利多卡因（lidocaine)是如何使你的嘴变得麻木，在拔牙时不感到痛疼？利多卡因是一种局部麻醉药，被直接注射到需要的局部组织中，引起局部感觉（皮肤感觉、痛觉、温觉）缺失。第一个药用的局部麻醉药是由德国医生Niemann在1860年从古柯树叶中提取出来的可卡因（cocaine)。在寻找可卡因的替代物过程中，得到了利多卡因。它已成为应用最为广泛的局麻药。将利多卡因溶于液体中，然后涂于粘膜麻醉神经末梢（表面麻醉）；也可注入组织（浸润麻醉）或神经（神经封闭）。甚至可将其注入脊髓段脑脊液中（脊麻），能使身体大部区域麻醉。脊麻:作用于脊髓一段引起下半身被麻醉麻醉机制：利多卡因等局麻药物暂时阻断轴突上动作电位的产生及传导。药物穿过神经元的轴突膜，通过开放钠通道门，在孔道中找到结合位点（S6α螺旋区），将钠通道的孔堵塞，钠离子无法流入膜内，阻断了动作电位的产生和传导。来自外周的感觉（皮肤感觉、痛觉、温觉）信息无法传递到大脑，自然也就感觉不到疼痛。S6α螺旋区Lidocaine结合位点髓鞘和跳跃传导少突胶质细胞包裹轴突形成一个个髓鞘，迫使电流顺轴突流动，增加了动作电位的传导速度，称为跳跃传导。去髓鞘疾病1、多发性硬化（multiplesclerosis):病人经常抱怨无力，协调性差，视力以及言语能力受损。主要是中枢白质包括神经纤维的髓鞘的减少甚至消失引起神经传导减慢。该病反复发作，迁延不愈。2、格林—巴利综合征（Guilain-Barresyndrome):损坏外周神经中支配肌肉和皮肤的神经髓鞘。使支配肌肉和皮肤的轴突动作电位传导变慢或无效。患者伴有感染史，1～2周后患者出现双手和/或双足的无力，并逐渐向双上肢及双下肢发展，可伴有麻木感，病情严重时可以累及呼吸肌而导致呼吸困难，此时患者感到咳痰无力、气憋，若治疗不及时可危及生命，此病具有自愈性，只要控熬过此期，便能恢复。结语本节介绍了神经的电信息传递——动作电位的产生及传导。回顾一下踩图钉的起始过程。图钉划破皮肤，牵张感觉神经末梢，对牵张敏感的钠离子通道开放，带正电荷的钠离子进入神经末梢，内流的正电荷使起始区的神经元膜去极化达到阈值，产生动作电位。动作电位沿神经纤维传导，到达神经元终末，也就是与下一个神经元连接点即突触。信息如何从一个神经元终末到达另一个神经元的起点的，即如何通过突触？这是下一节要绍的内容。问题：简述临床上使用局麻药利多卡因的作用机制。