动作电位形成的机制.pdf

生物学通报?挑拓年第!卷第期动作电位形成的机制左明雪?北京师范大学生命科学学 院北京!?#%&动作电位是 短暂、快速 的膜 电位的变 化?!(),在 此期间,细 胞膜 内外的 极 性 发 生 反 转,即 细胞 膜 由静息状态 时 的膜内为负、膜外为 正转变为膜 内为正而膜 外 为负的状态。一个单个 动作电位仅包括全部兴奋细胞膜的一 小部分。与分级动作电位不同的是,动作电位 从动作电位的起点 沿整个 细胞膜传导,传导 的 强度 不随距离的变 化 而衰减。下 面介绍动作电位发 生期间 细 胞膜电位和离子 通 透 性 变化的 一 系 列事件是 如何发 生 的。!动 作 电位期 间细 胞膜电位 的迅 速反转如果给细胞膜一个 较小的不能使其产生动作电位 的 电刺 激,细 胞 膜将产 生 一个分级 电 位?+,./.0123/4 35 6。不 断 增加刺激强度,则分级电位的幅值也 逐渐增大,分 级 电位产生 的是一 种 去极化的局部电位。当给细 胞 膜 一个 能使其产生动作电 位 的阑刺激时,就会 观察到首先出现 一个缓慢的去 极化过程,当去 极化达到约一(7 一)的临界水平时,即 阂 电位时,立 即产生了一个爆发 的 去极 化 过程。我们首先记录到一个 尖 锐的向上偏 转 的电位 波 形,达 到()后 膜电位的极 性 翻转。与细 胞 膜 外 相比,此 时 细 胞膜 内的电位为正,然后膜又迅 速复极 化回到静息电位水平。由于复极 化 的驱 动 力 通 常 较 大,使得 膜 电位 的恢复超过 了静息电位值,产生 了一 个比静息电位还负的电位?如,一%(),即负后电位,然后才回到静息膜电位水平?图!动作电位期间膜电位的变化,本文附图见封三。从阑电位到峰值,然后回到静息水平这 段迅速的电位变 化称之为动作电位?83 51 401 3/43 5 6。动作电位的膜极性 翻转部分?9一:;()之间称为超射?11 13。在一个给定的 细胞中,动作电位的波形永远是相同的。神经细胞的动作电位一般仅持续!)=的时间。?细胞膜的 渗透 性和离 子 移动 的显著变 化 导 致 动 作电位 的发生细胞膜是 如何从一 个相对平衡和稳定的静息状态转 变 成 动作电位 的 呢?我们知道是 维持静息膜电位 的 最 重要 的离子,在静息状态时,细胞膜 对十的渗透性 要 远远 超 过:。然 而在动作电位期间,细胞膜对十和:的通 透 性 发 生了极大的变化,这些 离 子 按其电化 学 梯 度迅 速跨膜 流动,由于这 些 是带电离子,因此这 种 流动 形 成了跨膜 电流。动作电位期 间 的离子 的 流动主 要 与?种离子 的通道 有关即电压依赖 性:门控 通道和门控通道。可以将通道看作一 所门,它 选择性地 开放充许离子通过,或关闭阻挡离子 通 过。组成通道 蛋白的三 维结构的变化决定通 道 是处 于 开放还 是 处于关闭状态。已知存在;种类型的门控通道即 电压 门控通 道、化 学 门控通 道 和机械门控通 道。?,电压 门控:通 道和十通 道电 压 门控 通 道 由带 电蛋 白质包绕组 成。通 道周 围 的 电 场 能对处 于 细胞膜通 道中的带电荷部位施加使其结 构发生 变化的力。一 般来说,许多 细胞 膜 蛋白相当稳定,不受 膜 电压的波动而发生变化,然 而 通道 蛋白对膜电压 的变化具有高度特殊敏感性,一个极小的通 道 形态的改变将会激起 电位 的变化,继 而 引起通 道形 态 的转换。:通 道有?种门控状态激 活 态 和失 活 态?图?电压门控十通 道。激 活 态 的 门 就象一 个带合页 的门,或者处于开放状态,或者处 于关闭状态。失活态的门由一 段氨基酸 残基组成,犹 如 将 一 个球用链 条连接在一起。当球 自由悬垂在链条的下方时,门是 开放 的当球 与位于 通 道口的受体结合时,门将处 于关闭状态。只有激活 态 和失活 态?个门都处于开 放状态 时,通 道才能允许 离子通 过,?个门 中 只要有任何一 个 处于关闭状态,离子将不能 从 通 道通 过。按此种模型,电压 门控:通 道 门将在;种状态之间转换?虽 然 是关闭的但有能力 开放?激活 态门关闭,失活态门开放 !开放 或 激活状态?#个门都处 于 开放状态 !关 闭态,无开放 的能力?激活 态 门开放,失 活态%关闭。电 压门控&通 道门与()通 道 门 的 工作原 理类似,但它仅存在一 种 门控状 态,或是 处于开 放 态,或是处于关闭态?图电压门控&十通道。#+#动作电位期 间离子 通 透性 的变化在膜的静息状态,所 有 的()通 道和&通 道 均处 于关闭状态,此时()通 道 的激活 态门是关闭 的 而失活 态门是 开放的,这表明门控()通道此时虽 然关 闭但却处于有能力 开放的状 态。在静息状态 时没 有()或&通 过 电压门控通 道 流动,然 而,由于存在许多漏&通 道 和 极 少量 的漏()通 道,静息状态 时&通 过膜渗透能力 较()大,./,倍,仍然存在()和&的 透膜渗漏。随 着 细 胞膜向 闭 电位方向 发 展,膜去 极 化,一 些()通道的激 活 态门开放,也就是说此时()通 道 的#种 状 态 的 门都处 于开放状态,()的浓度梯度?膜外高于膜内 和电 压梯度?膜 外 为 正膜内为负 都驱使()迅?(年第!卷第期生物学通报速 向细 胞 内流 动,携 带 正 电 荷 的:的 流动使膜进 一步去 极 化,越 来 越 多 的:通 道 开 放,导 致 越来越 多 的:内流,形 成了一个正 反 馈 过 程。去 极 化 达 到 阂 电位 时,膜 对:的通透 性 突 然显著增 大,超 过了:通 透性的(倍。此时不管是 处于开 放 还 是处于关闭状态 的通 道都不再能 开 放。在 去极化 早 期 时 相 时,随着 越 来 越 多 的:通 道 的 开放,膜 电位 开 始 减 小,当达 到 阂 电位 时,:通 道 开 放 的数量已经足以启动 一个 动作 电 位产生 的 正 反馈进 程,使余下的大 量 的:通 道 也相 继 开 放。与的 通 透性相比,此 时 细 胞 膜 对:的通 透 性占据了绝 对 的优 势,大量的:进入 细 胞内,膜内电位迅 速 由负变正并接近:的平衡电位?约:()。此 时 电 位已达 到:;(),但并 未 真正 达 到:的 平衡电位水平,这 是 由于此 时:通道 开 始关闭进 人失活 态,:的 通 透 性 下降到静息状 态水 平。是 什么事件引起:通 道 进 人关闭状态呢?当膜达 到阑电位值的 时候,每个:通 道门控变化与存在两个紧 密相关的事件有关,首 先 激 活 态 门迅 速 开 放 引起 膜 的 去极化,使通 道 转 换 成 开 放 的构型?图 动作电位期间离子流动和膜电位变化的关系。然 而令 人 不可思议 的 是,通 道开放的 同 时也启动了通 道 的 关 闭 过 程,通 道 构型的 变 化打开了通 道,同时也使失 活 态 门 小球 与 开放态 门 的 受体相结合,阻 塞了离子 通 道 的孔 道。与 迅 速 开 放 的 通 道 相比,失 活 态门关闭 的速 度 较慢。在 激活 态 门开放之 后,失 活 态 门关 闭之 前 的一 段 时 间,大 约存在()=的延 迟 时 间,?种状 态 的 门都处于开放状态,:快速流人细胞 内,导致动 作 电位 达 到峰值。之后,失 活 态 门 开 始关闭,膜 对:的通透性垂直降至 静 息 膜电位 的水平,十通 道 维持着这种失活 的构型直至膜恢复到它 的静息值。在 动作电位 达 到 峰值,也 就 是:通 道 失活的 同时,电 压 门控十通 道 开始开 放。:通 道 门对去 极化的阑刺 激产 生 的是 延 迟性电 压 反 应,在 阂刺 激时,产 生了;个相互 联 系 的事件?()激活态 门 的 迅 速 开 放,使()进 人 到 细胞内,使膜从阑 电位 水平 迅 速 升 至 动作电位 的峰值!()失 活态 门缓 慢关闭,在 经 历 一个短暂的 时 间延迟 后,阻 止()的进 一 步 内流,使电位值不 能 继续 上升!&通道门缓慢开放,导致了动作电位从峰值返回到 静 息状 态 水 平。当()通 道关闭 而&继 续 从 膜内向 膜外渗漏 时,由于没 有()继续进 人 细胞内,膜电位必 然会逐渐缓慢恢复到静息 电位 水 平。然而在 动作电位 达 到 峰值的时 候,由于&通道 在 此 时 的开 放,加 速了膜 电位向静息电位 水 平恢复 的速 度,电压 门控&通 道 的开放 极 大地增 加了&的渗透 性,是静息 状 态 时()通透 性 的 倍,大量携带正 电荷的&从细胞 内流 出,导致&浓 度 梯 度和电位梯 度 在 膜 内下降。值得 注 意 的是,在动作电位 峰值时,由于细胞 内的正电位 对 胞 内&的排斥作用,此 时&的 电 势 梯 度 是 从 膜 内指 向膜外 的,与静息 电位 时膜的 电势 梯 度 的方 向正好相反。随 着 动 作 电位恢复 到它 的静息 状 态,变 化 的 膜 电压使()通 道 完 全关闭,此 时()通 道 的激活态 门处于关闭,失 活 态门处于开放状 态,这 是 一 种 有能力重新开 放 的 构型状态,它 时刻 准备对 到 来 的 另 一 次 新 刺 激产 生 反应。动作电位期间开 放 的电 压 门控&通道 门也已关闭,只有 少 量 漏&十通道 开 放 充许少 量&十从 细 胞 内漏 出。由于 电压 门 控&通 道关闭 的 速度 较 缓 慢,它持续增 加了细胞膜对&的渗透 性,稍 微 过 量 的&的 外流使细胞 内电位较静 息状 态 时 更 负,形 成 一 个 超 极 化电位?图01。&十通 道 对 静 息膜 电 位 的 特 殊 作用2调节 电兴奋和终止 动 作 电位&十通道 是 迄今所 知分 布最 为 广 泛 的 最 大 的 电 压门控 离 子通 道 家族。脊椎动 物至少 有%/个 不 同 基因编码的具有 3 4一3 5不 同形 态 的&通 道。从&通道通过 的离 子 一般有 非 常高的选 择 性,通 透 能力 有 较 大 差别,其中&6786(906 6:;6?()?&和()通透率的比值 的通 透比率大于 ,而且()能阻断&通道。在 完 全缺&的情况 下,一些&通 道可允许()通过,这 种 特性 与:)#通道类似,:)#通 道 在 完全缺:)#时,也 能充许()电流和&十电流通过。根 据&通道 的高 度 特 异 选 择 性 及 平 衡电位 接近一 的特 点,&通 道 的 最基 本的作用 应 是使兴 奋的细 胞 受 到 抑 制。&十通 道 对抗()和:)#通 道 的兴 奋性 活 动,起 着 稳 定 静 息 电位使细胞保持非 兴 奋状态。尽管一些&十通 道对静息电位起 着 决定性 的作用,然 而&通 道 在可兴 奋细胞中 的 电压依赖 性和动 力 学 特 性使它们还具有其他一 些 特 殊 的 功 能,如 调 节复极化过程、修饰 动作电 位 时程、控 制冲动 的发 放 频率、决 定 节律性 脉冲发 放 的特性等。&通 道 的这 些 特 点使其 在 调节所有类型肌肉收缩的 强 度和频率 中,在神经终末终止神经 递 质 的释 放 中,在弱化 突触 连 接 强度 的事件中,均发挥极 为广泛和重要 的作用。?9