Chapter4- Action potential

1Chapter4TheActionPotential•动作电位特性•理论上的动作电位•实际中的动作电位•动作电位的传导•动作电位、轴突和树突12一、动作电位的特征1、动作电位的上升和下降相示波器记录及动作电位的上升和下降相2Risingphase,overshoot,fallingphase,undershoot32、动作电位的记录•胞内记录(Intracellularrecording)•胞外记录(Extracellularrecording)•复合动作电位记录(CompoundAPrecording)343、单个或多个动作电位的产生不同的神经元，去极化以不同的形式引发动作电位：①皮肤受刺激，通过牵张敏感的(stretch)钠离子通道；②神经递质引起的钠通道开放，如中间神经元；③胞内注射电流也可以产生动作电位。45动作电位发放频率依赖于去极化电流的强度，即刺激强度被编码为神经冲动频率。发放动作电位的速率是有限的，最大发放频率为？56二、动作电位产生的理论模型(APintheory)6欧姆定律I=V/R=gVI电流与流过通道的粒子数目和驱动力有关。g电导与细胞膜上开放的通道数目有关71、膜电流和膜电导1）.钠、钾通道关闭,Vm=0782）仅钾通道开放8通道开放，有电导，驱动力为Vm-Ek93）平衡状态，Vm=Ek驱动力(Drivingforce)Vm-EK，电流，电导三者之间关系：IK=gK(Vm-EK)Iion=gion(Vm-Eion)9102.动作电位过程中的离子进出(InsandOutsofAP)静息状态下，钠离子具有很大的驱动力Vm-ENa=-80-62=-142mV。膜对离子的通透性由钾离子变为钠离子，膜电位可以在极短的时间内逆转。1011动作电位可以看做是离子通道的通透性转变导致膜电位的翻转1112所以，动作电位上升相理论上可以解释为：细胞膜去极化超过阈值，钠通道便开放。钠离子进入神经元，会使膜进一步去极化，直至膜电位接近钠的平衡电位。动作电位的下降相：假如钠通道快速关闭，钾通道处于开放状态，膜对离子通透由钠离子变为钾离子。钾离子流出胞外，膜内变负，直至钾离子平衡电位。如果钾离子通道在动作电位下降相中钾电导增大，则动作电位的时程就会缩短。1213综上所述，动作电位理论上可以认为：膜电位去极化到阈值，gNa瞬时增大，钠离子进入膜内，神经元去极化；gNa增加时间短暂，在下降相中gK瞬时增加，钾离子快速外流，膜电位复极化。实际当中动作电位理论的检测？1314三、动作电位的产生(Actionpotentialinreality)要验证理论上的动作电位，可以通过测定在动作电位的不同时期各离子的电导，以期确定钾钠离子及其通道在动作电位产生过程中的作用。测电导的工具，电压钳，就是将膜电位钳制在某一预设数值的装置，由KennethC.Cole发明。50年代，Hodgkin&Huxley用电压箝方法把神经元轴突膜电位箝制在任意数值，然后通过测量在不同膜电位时流过膜的电流来推测膜电导变化。g=I/V---VoltageClamp,1963NobelPrize1415电压箝实验演示钠钾电压门控通道的激活A、10mV去极化B、60mV去极化，分别诱导出的漏电流Ileak和电容电流Ic，内向电流，外向电流C、去掉漏电流和电容电流后，在TTX和TEA分别作用下，得到钾电流和钠电流。1516电压门控钠通道(Voltage-gatedsodiumchannel)通道选择性地对钠离子开放，且通道的开放与关闭与膜电位的变化有关。1、钠通道结构一个完整的钠通道是由一条多肽长链组成。除了这个多肽长链组成的α单位以外，还有两个β亚单位(β1,β2）起修饰作用。1617多肽长链由四个结构域组成（I-IV），每个结构域含有6个alpha螺旋（S1-S6），III-IV之间可能调节失活。1718S4片段电压感受器S5-S6组成通道选择性滤过器。TTX作用位点18NavAbporemoduleNature475,P353-358,July,2011202、钠通道开放模式图S4段含有正电荷(每隔两个氨基酸残基就有一个带正电荷的赖氨酸或者精氨酸)，当膜电位发生变化的时候，S4片段便会被迫发生移动，这种构像变化可以引起钠通道开放。2021S4区静电荷的重新分布导致钠通道的静息和开放状态21223、钠通道的功能特征(FunctionalpropertyofSodiumchannel)3.1膜片箝技术简介3.2钠通道功能特性3.3作用于钠通道的毒素22233.1、膜片钳技术简介膜片钳技术(PatchClamp),单(多)通道离子电流记录技术，采用玻璃微电极接触细胞膜，以吉欧姆(GΩ)以上的阻抗使之封接，使与电极尖相接的细胞膜（膜片）与其周围在电学上绝缘，在此基础上改变电位，对此膜片上的离子电流（pA级）进行监测记录的方法。232424Patchclampmethod25ErwinNeherBertSakmann1991Nobellaureates膜片钳技术是在前人所发明的玻璃微电极以及电压钳技术基础上建立起来的。电压钳位与封接技术2526a.Membranepotential-65mVto-40mVb.Channelrespond1.channelclosed2.channelopen3.channelinactivation4.channeldeinactivationc.Model单通道不能形成动作电位2627Individualvoltage-gatedchannelsopeninanall-or-nonefashion.27283.2钠通道功能特征：☼开放延时很短暂；☼开放时间约1ms后失活(inactivation)；☼失活后继续去极化不能使钠通道再开放；☼去失活(deinactivation)需要恢复膜电位。Generalizedepilepsywithfebrileseizure(全面性癫痫伴热性惊厥，GEFS):channelopathy，Seizureresponsetofever,whereaminoacidmutationintheextracellularregionsofsodiumchannel,slowtheinactivationofthesodiumchannel,prolongingtheactionpotential.28293.3作用于钠通道的毒素a.活化阻断剂•河豚毒素(Tetrodotoxin,TTX),pufferfish,肉味鲜美，肝脏，卵巢，皮肤，肠管。C11H17O8N3,特点：作用迅速，可逆对TTX不敏感的钠通道。•石房蛤毒素(Saxitoxin,STX),赤潮中的旋沟藻，专用于对TTX不敏感的钠通道。在蛤蜊、蚌类及其它海洋壳类动物中常常会因为以原生藻类为食而积聚STX，食用会致命。2930b.失活化阻断剂•海葵毒素(Seaanemonevenom),使动作电位延长。原因是使开放的钠通道不能立即关闭，继续开放下去，从而使Na离子继续内流，峰值时间延长，形成平台。•蝎毒素(Scorpiontoxin),阻止钠通道失活化，动作电位延长。3031c.钠通道激动剂（异常开放）•箭毒(Batrachotoxin),哥伦比亚产小蛙皮肤分泌物提取物。使钠通道在更负的水平上开放，开放时间长于正常开放时间。•百合科藜芦定（veratridine)或者毛茛科乌头碱(aconitine)与箭毒作用类似。使动作电位的信息编码紊乱。3132d.毒素的作用特点及功能•不同的毒素结合于通道蛋白的不同位点，故不同的毒素结合位点可以帮助我们推断钠通道的三维结构；•钠通道毒素可以阻断动作电位的产生，可以用来分离不同的离子电流•毒理学研究，当心吃入嘴中的东西。323333344.电压门控钾通道1）在去极化时，钾通道开放比钠通道稍晚。2）钾通道是由四个独立的多肽亚基组成，4个亚基聚合成一个通道；3）对于钾通道的认识主要来源于Shaker钾通道，多种电压门控钾离子通道34355、解释以下动作电位特征的形成原因：1.阈值(threshold):足够多的钠通道的开放使钠离子通透性大于钾离子2.上升相（risingphase)：钠通道完全开放，钠离子迅速进入胞内3.超射（Overshoot）：趋向于钠平衡电位4.下降相(fallingphase)：钠通道失活，钾通道开放增加5.低射（后超级化，undershoot)：接近于钾平衡电位6.绝对不应期(absoluterefractoryperiod)：钠通道失活，不能被激活7.相对不应期(relativerefractoryperiod)：超极化状态，接近于Ek，需要大的去极化3536动作电位的发放形式不同与神经元的离子通道种类和数量有关。3637A.膜电位维持在不同阈值，注射电流引起的动作电位发放不同；1）-55mV;2）-75mV超极化，A型钾通道激活。B.膜电位维持在不同阈值，注射电流引起的点位表现形式不同；1）,小的去极化引起电紧张电位；2）超极化使钙通道去失活，注射电流导致产生AP。虚线表示膜电位。C.上升相h-type，动作电位：Ca流入导致去极化产生AP；钙诱发的钾电流导致复极化。丘脑神经元D.M通道，左侧：电流注入引发一个AP，是因为慢激活的M型钾电流阻止进一步的AP发放；右图：Ach存在可以阻断M电流，使AP继续发放373838上图详细说明A.Injectionofadepolarizingcurrentpulseintoaneuronfromthenucleustractussolitariusnormallytriggersanimmediatetrainofactionpotentials(1).Ifthecellisfirstheldatahyper-polarizedmembranepotential,thedepolarizingpulsetriggersaspiketrainafteradelay(2).ThedelayiscausedbytheA-typeK+channels,whichareactivatedbydepolarizingsynapticinput.TheopeningofthesechannelsgeneratesatransientoutwardK+currentthatbrieflydrivesVmawayfromthreshold.Thesechannelstypicallyareinactivatedattherestingpotential(-55mV),butsteadyhyperpolarizationremovestheinactivation,allowingthechannelstobeactivatedbydepolarization.B.Whenasmalldepolarizingcurrentpulseisinjectedintoathalamicneuronatrest,onlyanelectrotonic,subthresholddepolarizationisgenerated(1).Ifthecellisheldatahyperpolarizedlevel,thesamecurrentpulsetriggersaburstofactionpotentials(2).Theeffectivenessofthecurrentpulseisenhancedbecausethehyperpolarizationcausesatypeofvoltage-gatedCa2+channeltorecoverfrominactivation.Thedashedlineindicatestheleveloftherestingpotential.ThedatainAandBdemonstratethatsteadyhyperpolarization,suchasmightbeproducedbyinhibitorysyna