神經(jīng)肌肉興奮原理及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)

神經(jīng)肌肉興奮原理及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)第1頁/共74頁坐骨神經(jīng)-腓腸肌模型將分離的坐骨神經(jīng)-腓腸肌模型浸入任氏液（—種比較接近兩棲動物內(nèi)環(huán)境的液體）備用；用沾有任氏液的鋅銅弓觸及一下坐骨神經(jīng)或用鑷子夾持坐骨神經(jīng)中樞端，腓腸肌發(fā)生迅速而明顯的收縮；然后再用食鹽（或1%H2SO4濾紙）刺激坐骨神經(jīng)中樞端（或肌肉），腓腸肌發(fā)生迅速而明顯的收縮。18世紀(jì)末期的發(fā)現(xiàn)——蛙腿論戰(zhàn)關(guān)鍵人物伽伐尼\伏打\諾伯里第2頁/共74頁觸發(fā)神經(jīng)——肌肉反射的物質(zhì)是什么？背景：人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電的基本原理電信號、離子？傳播方式？是離子在細(xì)胞中運動嗎？細(xì)胞是一個整體，離子怎樣進入？第3頁/共74頁關(guān)于細(xì)胞膜的背景離子在細(xì)胞中流動？細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)似乎不支持這種看法1895年Overton研究各種未受精的卵細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)容易通過細(xì)胞膜說明細(xì)胞膜是由脂類構(gòu)成的，離子很難通過細(xì)胞外表面是親水的說明……脂質(zhì)、膽固醇植物研究中的啟發(fā)你猜測細(xì)胞膜應(yīng)該是什么樣的構(gòu)造？第4頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)第5頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)人工制作的磷脂雙分子層小泡——脂質(zhì)體第6頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)1925年Gorter和Grendel用丙酮提取紅細(xì)胞膜脂，并將其在空氣/水界面上展開，萃取得到了物質(zhì)可以鋪展成兩倍紅細(xì)胞膜的面積第7頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)你們怎么評價Gorter和Grendel的實驗？有什么問題？丙酮萃取出的膜脂僅占總膜脂的70%單層油脂分子的間距是可變的他們用血圖片的辦法測量紅細(xì)胞表面積LangmuirTrough的使用方式后來的更有趣的實驗(Zwall,etal.,1975)，脂膜對糖脂酶的耐受，給出更確切的估計第8頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)DanielliandDavson模型(1935)DanielliandDavson(1935)proposedamembranemodelincludingproteins.Theyusedtheirmodeltointerprettheobservationofdifferentmembranepermeabilitiesofionsandhydrocarbons.Inparticular,theyassumedthatthemembranehasbothalipophilicandahydrophiliccharacter.Watercontainingregionsinthemembranegiverisetoiontransportdependingonwatercontentofthemembraneanditscharge;lipophilicpartsareresponsibleforthetransportofwater-insolublemolecules.第9頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)Robertson電鏡照片(1958)Robertson(1959)collectedelectronmicroscopyimagesofmanycellsandorganelles.HispictureofabiologicalmembraneresemblesthatofDanielliandDavson(1935).However,itisnowbasedonmicroscopicevidence.第10頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)TheFluidMosaicModelofSingerandNicolson(1972)thestructuresofanumberofsolubleproteinsweresolvedbyX-raycrystallographymanymembraneproteinshaveahighα-helicalcontentthatlabeledproteinsformisolatedspotsinsomemembranesconsideredtheroleofhydrophobicaminoacidsinα-helices第11頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)DomainFormationandProteinClustersDuringlipidmeltingtransitionsthethicknessoflipidmembranesandthelaterallipiddistributionchanges.Thisisofextremeinterestforregulationandsignaltransductionpurposesinsuchmembranes第12頁/共74頁細(xì)胞膜的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代細(xì)胞膜模型第13頁/共74頁細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)特點細(xì)胞膜由膜脂和蛋白質(zhì)構(gòu)成細(xì)胞有500-1000種不同的膜脂，是細(xì)胞膜基本結(jié)構(gòu)這些膜脂可以分為三大類：磷脂、膽固醇、糖脂它們的結(jié)構(gòu)和功能有各自的特點蛋白質(zhì)完成膜的主要功能，包括受體、酶、轉(zhuǎn)運蛋白第14頁/共74頁磷脂細(xì)胞膜脂的主要成分其中最重要的成分是磷酸甘油脂（phosphoglycerides）第15頁/共74頁磷脂分類主要有四種：磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰膽堿（卵磷脂）、鞘磷脂第16頁/共74頁膽固醇第17頁/共74頁神經(jīng)節(jié)苷脂是一類重要的糖脂Gal:半乳糖Glc:葡萄糖GalNAc:乙酰半乳糖胺

糖脂位于細(xì)胞膜的外層

第18頁/共74頁第19頁/共74頁第20頁/共74頁膜脂的性質(zhì)脂膜是一種二維液體膜脂在脂膜中很容易側(cè)向運動（流動）但是除膽固醇之外，所有其它膜脂都無法快速地從內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)到外側(cè)，反之亦然脂膜的流動性受到膜脂成分的影響雙層膜的厚度受到膜脂特性的影響第21頁/共74頁(A)卵磷脂與鞘磷脂1:1混合制備的脂質(zhì)體中，兩種膜脂均勻分布；(B)卵磷脂、鞘磷脂、膽固醇1:1:1混合制備的脂質(zhì)體中，鞘磷脂與膽固醇形成脂筏人工脂膜上的脂筏——AFM顯微鏡觀測結(jié)果第22頁/共74頁膽固醇降低脂膜的側(cè)向形變特性，從而降低脂膜對水溶性分子的通透性膽固醇并不降低脂膜的流動性，它還能降低細(xì)胞膜的熔點卵磷脂、膽固醇、鞘磷脂組成的脂質(zhì)體中，膽固醇、鞘磷脂形成島狀區(qū)域細(xì)胞膜中也有這樣的區(qū)域，稱為“脂筏”脂筏主要由卵磷脂和鞘磷脂形成脂筏比其它區(qū)域厚，因此蛋白質(zhì)不易從脂筏中側(cè)向擴散到其它區(qū)域第23頁/共74頁質(zhì)膜的不對稱性第24頁/共74頁細(xì)胞膜的不對稱性頭部含有膽堿基團的在外側(cè)膜（卵磷脂、鞘磷脂）頭部含有氨基的在內(nèi)側(cè)膜（磷脂酰絲氨酸、磷脂酰乙醇胺）磷脂酰絲氨酸帶負(fù)電荷一些重要但是少量的磷脂在內(nèi)側(cè)膜參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，如：肌醇磷脂（inositolphospholipid）磷脂的不對稱性由磷脂泵調(diào)控細(xì)胞凋亡使磷脂泵失效，脂膜不對稱性消失第25頁/共74頁第26頁/共74頁第27頁/共74頁膜蛋白還記得我們的問題從哪里開始的嗎？神經(jīng)的電信號依賴于離子離子無法自由穿透脂膜脂膜上的蛋白質(zhì)具有多種功能，主要負(fù)擔(dān)起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、酶催化、輸運各種物質(zhì)的功能膜蛋白有如下幾種形式第28頁/共74頁第29頁/共74頁大部分跨膜蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)是α螺旋α螺旋可以互相發(fā)生作用第30頁/共74頁一些β折疊形成跨膜通道第31頁/共74頁參與跨膜輸運的蛋白主要分為兩種：轉(zhuǎn)運蛋白（載體）、通道蛋白

第32頁/共74頁第33頁/共74頁上述兩類蛋白參與神經(jīng)興奮電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)人類細(xì)胞不興奮時（靜息）質(zhì)膜內(nèi)外存在電位差稱為靜息電位骨骼肌-90mV神經(jīng)細(xì)胞-70mV平滑肌-55mV紅細(xì)胞-10mV平穩(wěn)的靜息電位下，細(xì)胞膜電位外正內(nèi)負(fù)擔(dān)狀態(tài)成為極化靜息電位數(shù)值減小為去極化，反之為超極化第34頁/共74頁靜息電位產(chǎn)生機制細(xì)胞膜內(nèi)外的離子濃度差鈉鉀泵將3個Na+泵出胞外，2個K+運進胞內(nèi)胞外Na+濃度遠(yuǎn)高于胞內(nèi)，胞內(nèi)K+濃度遠(yuǎn)高于胞外K+通道輔助K+自由擴散到胞外，造成靜息電位差第35頁/共74頁鈉鉀泵第36頁/共74頁鉀通道第37頁/共74頁用電極插入槍烏賊的大神經(jīng)軸突，測量動作電位；動作電位向兩個方向均能傳播，并在某個觸發(fā)閾值之上便可發(fā)生——全或無特點超射將槍烏賊的軸突內(nèi)細(xì)胞液抽干，灌注人工配置的混有Na+，K+，Cl-的溶液，當(dāng)且僅當(dāng)軸突內(nèi)外的離子濃度與自然狀態(tài)下相當(dāng)時，動作電位的工作模式不變——說明質(zhì)膜、離子是動作電位的關(guān)鍵動作電位第38頁/共74頁用電壓鉗技術(shù)保持軸突內(nèi)外電壓在+20mV左右，另外用一個電極檢測膜內(nèi)外電壓；在去激化或者膜內(nèi)正電壓的刺激下Na+通道迅速打開，使Na+內(nèi)流，其瞬間內(nèi)流量明顯大于K+外流（此時Na+電導(dǎo)率增加），膜內(nèi)電位升高；Na+通道迅速關(guān)閉，盡管刺激仍然存在段時期內(nèi)也不激活，進入不應(yīng)期；K+在膜內(nèi)高電壓的驅(qū)動下外流增加（稍有延后）。上述現(xiàn)象需要用河豚毒素特異性阻斷Na+通道，或者四乙胺特異性阻斷K+通道后方能觀測到。第39頁/共74頁Na+電壓門控通道示意圖第40頁/共74頁用膜片鉗記錄Na電壓門控通道的開、閉狀態(tài)第41頁/共74頁動作電位產(chǎn)生機制電壓門控鈉通道打開，造成Na+內(nèi)流膜兩側(cè)的離子濃度差造成靜息電位降低，并超射隨著超射升高，電壓門控鈉通道關(guān)閉，鈉鉀泵繼續(xù)工作，K+繼續(xù)外流靜息電位恢復(fù)第42頁/共74頁動作電位的傳播動作電位帶來的離子濃度差別引起相鄰的電壓門控鈉通道的反應(yīng)，導(dǎo)致信號傳播第43頁/共74頁第44頁/共74頁郎飛節(jié)提高神經(jīng)傳導(dǎo)效率第45頁/共74頁神經(jīng)對肌肉的控制及肌肉運動肌肉的分類形態(tài)學(xué)特點：橫紋肌、平滑肌神經(jīng)支配的特點：隨意肌、非隨意肌功能特性：骨骼肌、心肌、平滑肌骨骼肌心肌平滑肌橫紋肌第46頁/共74頁骨骼肌神經(jīng)-肌接頭處興奮傳遞第47頁/共74頁終板的結(jié)構(gòu)和重要分子神經(jīng)末梢端——接頭前膜相對的肌肉端——終板膜二者之間間隙50nm——接頭間隙接頭前膜內(nèi)神經(jīng)末梢中含許多囊泡，囊泡中含有乙酰膽堿終板膜上有N2型ACh陽離子通道終板膜表面有乙酰膽堿酯酶第48頁/共74頁神經(jīng)遞質(zhì)導(dǎo)致終板電位Acetylcholine乙酰膽堿，ACh第49頁/共74頁神經(jīng)纖維動作電位接頭前膜去極化電壓門控鈣通道開放Ca2+進入神經(jīng)末梢突出囊泡與接頭前膜融合、ACh釋放Ach結(jié)合并激活A(yù)ch受體通道終板膜對Na+，K+通透性增高終板電位肌膜動作電位Ach被膽堿酯酶分解第50頁/共74頁肌肉終板電位的特點Ach量子釋放；屬于局部反應(yīng)，不表現(xiàn)“全或無”；沒有不應(yīng)期；具有總和效應(yīng)；單向傳遞。興奮由運動神經(jīng)末梢傳向肌細(xì)胞；時間延擱。遞質(zhì)的釋放、擴散及其與受體結(jié)合而發(fā)揮作用，均需要時間，興奮通過一個神經(jīng)-肌接頭頭至少需要0.5~1.0ms；易受藥物和其他環(huán)境因素的影響。第51頁/共74頁ACh受體是一個非常有歷史地位的受體第一個被純化的離子通道，第一個確知氨基酸序列，第一個人工嵌入在脂質(zhì)體膜中保佑活性，第一個記錄下單離子電流，第一個被基因測序并克隆，第一個確定三維結(jié)構(gòu)的離子通道在電魚、電鰻、電鰩的產(chǎn)電器官中大量存在與一些特定藥物如α-銀環(huán)蛇毒可以特異性結(jié)合——可以通過親和層析純化第52頁/共74頁ACh受體的分子特點第53頁/共74頁ACh受體分子由5條跨膜肽鏈組成其中兩條一樣；這些肽鏈具有高度同源性；當(dāng)ACh與受體結(jié)合后，受體構(gòu)象發(fā)生變化，即胞外端開始旋轉(zhuǎn)，破壞了封住通道口的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。該通道模式圖第54頁/共74頁Ach受體是多種藥物的作用靶點箭毒素和α-銀環(huán)蛇毒可特異性阻斷ACh受體通道；新斯的明為膽堿酯酶抑制劑，抑制膽堿酯酶增加ACh在接頭間隙的濃度；有機磷農(nóng)藥使膽堿酯酶磷?；瘑适Щ钚裕笰Ch大量蓄積，造成中毒；重癥肌無力：自身抗體致終板膜上ACh受體通道被破壞；肌無力綜合征：自身抗體破壞了軸突末梢鈣通道第55頁/共74頁終板膜上沒有電壓門控鈉通道，不產(chǎn)生動作電位，但是終板電位可以刺激周圍具有電壓門控鈉通道的肌膜，產(chǎn)生動作電位，并傳遞。第56頁/共74頁動作電位如何觸發(fā)肌肉興奮？首先看橫紋肌的微細(xì)結(jié)構(gòu)，以骨骼肌為例第57頁/共74頁第58頁/共74頁粗肌絲：肌球蛋白（myosin）細(xì)肌絲：肌動蛋白(actin)，原肌球蛋白(tropomyosin)，肌鈣蛋白(troponin,T,I,C)橫橋，頭部由myosin輕鏈構(gòu)成第59頁/共74頁第60頁/共74頁肌纖維的重要結(jié)構(gòu)幾個重要結(jié)構(gòu)明帶、暗帶、H帶Z線、M線肌節(jié)肌管系統(tǒng)橫管（T管），有L型鈣通道縱管（肌質(zhì)網(wǎng)，SR，LSR，JSR），有雷諾定受體（ryanodine受體）第61頁/共74頁ACh的到來使細(xì)胞內(nèi)鈣升高ACh受體觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)鈣庫釋放Ca2+SR是細(xì)胞內(nèi)部的鈣庫心肌骨骼肌第62頁/共74頁細(xì)胞內(nèi)鈣濃度升高造成肌肉收縮第63頁/共74頁肌絲收縮過程第64頁/共74頁橫橋周期是肌纖維收縮的驅(qū)動過程橫橋具有ATP酶活性，舒張狀態(tài)下將與其結(jié)合的ATP分解，部分能量用于豎起橫橋；Ca2+濃度升高導(dǎo)致actin位點暴露，myosin與actin結(jié)合；結(jié)合導(dǎo)致橫橋構(gòu)象改變，其頭部向桿部扭動45°，ATP水解能量耗盡，ADP與磷酸解離；橫橋重新結(jié)合1個ATP分子，使其與actin親和力降低，與之解離，橫橋重新豎起。第65頁/共74頁肌絲滑移理論第66頁/共74頁肌肉的等長收縮和等張收縮