Neurobiology Chapter 2

第二章 电信号在神经元的产生和传导 第一节 生物电的研究史 1 生物电的发现 刺激神经肌肉标本的神经干，虽然肉眼看不出变化，但却可以引起肌肉收缩。这说明刺激神经引 起了神经的兴奋，而神经的兴奋是可传播的，传到肌肉引起肌肉兴奋而发生收缩。这种神经的兴奋， 生理学上称为神经的冲动（impulse）。肌肉收缩是神经冲动的间接表现。神经冲动的直接表现是动作 电位（action potential）。 生理学家研究神经肌肉标本的动作电位已有一百多年的历史。生物电的研究还可以追溯到更早 的时期。大约在 2000 年前就知道尼罗河中有一种鱼可以对在水中的动物或人施加震击，造成麻痹。 大约在 200 年前才逐步了解动物放电的情况。现在知道尼罗河中的那种鱼是电鳗，电鳗的放电器官 是由一个个肌肉细胞连接起来形成的。每个肌肉细胞是一个放电单位，叫做肌电板，所放出的电压 只有 0.14 伏。但一个放电器官有 5000-6000 个肌电板，所以串联起来总电压可达 600 伏，足以电击 水中的动物使之麻痹。 人类在对生物电认识的历史上有一场有意义的学术争 论。1786 年伽瓦尼（Galvani，1737-1798，意大利医生和物理 学家）发现，如用两种金属组成的回路把新制备的蛙的神经肌 肉连接起来，马上会使肌肉产生搐搦溺、抖动（图 2-1）。Galvani 根据这一现象认为，蛙的神经与肌肉组织象来顿瓶一样，带有 不同性质的电荷，可以放电，金属导线只起接通电路的作用。 电位差也不相等，所以产生电流。Galvani 认为存在肌肉电流。 而 Valta 认为存在金属电流，两种意见针锋相对。他们各自进 行实验来检验自己的意见。Valta 在 Galvani 实验的启发下，把 两片不同的金属插在酸液中，发现在联接两片金属的导线上有 持续的电流。从而发现了后人以他的名字命名的伏特电池。 图 2-1 Galvanie 用金属弓引起 Galvani 为了答复 Valta 的责难（在他使用的回路中有两种不同 肌肉收缩实验示意图 的金属，是两种金属而不是活组织产生的电流） ，在 1794 年设 计了一个不用任何金属的实验来证明生物电的存在。他和他的侄子 Aldini 把一条蛙肌直接与神经接 触，在接触时，肌肉产生收缩（图 2-2）。Valli（1794），Alexander V. Humboldt（1798）重复了他们 的工作，肯定了在一定条件下活组织可以产生电流，没有金属回路也可以引起肌肉收缩。Galvani 与 Volta 的学术争论促进了科学的发展，这是实验科学史上最值得注意的事件之一。我们可以从这一事 件获得教益。在科学 上意见不同要展开自 由的争论，真理要靠 科学实验来检验，只 有这样才能促进科学 的蓬勃发展。 图 2-1 Galvanie 用金属弓引起肌肉收缩实验示意图

1

四十多年之后，在 1842 年 Carlo Matteuci 向法国科学院报告他的发现，如将一条蛙腿的坐骨神 经搭在另一条蛙腿的腓肠肌上，当坐骨神经受到刺激引起肌肉产生原发性收缩时，没有直接受到刺 激的腿肌也会产生继发性收缩（图 2-3），这是第一次观察到肌肉活动产生的电现象。因为这是在肌 肉收缩时产生了电流，继发损伤电位、静息电位和动作电位性地刺激了搭在肌肉上的神经，再引起 这条神经所支配的肌肉继发性的收缩。Matteuci 虽然发现了这一重要的现象，但他不能正确地解释， Du Bois-Revmond (1818-1896)于 1843 年发 现肌肉的静止电流和负电变化之后才提出 动作电位的概念，给予了正确的解释。今天 由于有了阴极射线示波器一类的灵敏的电 子学仪器，才可以直接测量和准确记录神经 和肌肉的动作电位。

图 2-3 Matteucci 的二次收缩实验示意图

2 静息电位和动作电位记录 本世纪三十年代未（1939），英国生理学家霍奇金和赫胥黎（Hodgkin 和 Huxley）利用一种海产无脊椎动物，枪乌贼（Squid）的巨大神经纤维（其 直径为 500～1000um）为材料，以一根玻璃管制的微电极（其尖端直径为 50－130um，电极内装海水），纵向插进神经纤维的内部以测量神经纤维内 部的电位。而以参考电极置于纤维外液，这里的电位为零。当将纤维内、外 两根电极连于阴极射线示波器时，即见纤维内的电位为负，其值约为 -50mV(图 2-4)。这是生理学史上首次以实验证明，在新鲜离体的神经纤维 的膜内、外之间，在没有任何外来刺激的情况下，确实存在着跨膜电位差 （transmembrane potential difference），简称膜电位（membrane potential）或 静息电位（resting potential）。神经纤维静息时所测出的膜内、外电位不等， 膜内较负、 膜外较正这一事实，为早期生理学家提出的细胞静息时细胞膜内、 外处于极化状态（polarized state）的设想有了实验依据。 在用纤维内电极测定神经纤维静息电位的基础上，如果以外来电流刺激 神经的远侧，则将记录到一个电位波，即从静息电位的负值，迅速上升到正 电位，然后回降。这是神经发生可传布兴奋的电信号，称为动作电位（action 图 2-4 测定可兴奋 potentia）。细胞兴奋时，膜内因去极化不仅出现负电位的消失，原来存在的 -90 毫伏反而变为＋20～＋40 毫伏（图 2-5），即处于极化倒转状态。这样， 细胞膜电位示意图. 银一氯化银电极通过灌 整个膜内外电位变化的幅度应为 90～130 毫伏，构成了动作电位变化曲线的 注电解质 KCl 的纤细玻 上升支，或称为去极相。动作电位上升支中零电位线以上的部位，在图中约 璃毛细管与巨轴突膜内 为 30 毫伏（图 2-5）。可见，动作电位实际上是膜受刺激后在原有静息电位 的基础上发生的一次膜两侧电位的快速而可逆的倒转和复原。在神经纤维， 相连，另一个电极置于 膜外，两极之问显示膜 动作电位一般在 0.5～2.0 毫秒内完成，它的图形表现为一次短促而尖锐的脉 内为负膜外为正的电位 冲样变化，所以称之为锋电位。又因为动作电位能象脉冲那样扩布下去，所 差。(陈守良，1996，仿 以又把它叫做神经冲动。所以说，动作电位是组织兴奋的客观标志。 Hodgkin＆Huxley) 通常在描记神经或肌肉动作电位时，并不采用微电极插进纤维内的方 法，而是用一对记录电极置之于神经（或肌肉纤维）的完好表面上，当神经 的一端受到电刺激或机械刺激时，所引起的神经动作电位即沿纤维的全长而向前传布，当传到第一 个记录电极所在处时，由于该处的极性倒转，就在阴极射线示波器上显示出一个动作电位波形。当 动作电位传到第二个电极处时，再显示出一个波形，其方向与前一个波形相反。如果在两个记录电 极之间有一段较长的距离，则可以清楚地记录出双相（biphasic）动作电位。双相动作电位乃是组织 兴奋在传布的标志。

2

为了特殊的目的（如分析动作电位的组成部分） ，可以把一个 记录电极置于纤维的完好表面，而另一个记录电极放在纤维的损 伤处，于是刺激纤维所引起的动作电位只在与完好表面相接触的 电极上记录出一个电位波。由于兴奋传到损伤处即不能再前进， 以致只能显示单相（monophasic）动作电位。

3 细胞膜两侧离子分布 膜两侧的主要离子的浓度各不相同，表 2-1 胞液和细胞外液内几 图 2-5 利用细胞内微电极在枪 种主要离子的实验测定值。蛙的肌细胞和枪乌贼的轴突是两种 乌贼巨轴突上获得的动作电位 大的可兴奋细胞，作细胞内测定比较容易。枪乌贼是海生动物， 记录 图下方为时间标记。两波峰之 蛙是淡水动物，虽然细胞内、外离子浓度的绝对值不同，但它 间的间隔为 2 ms。(Hodgkin,1945) 们的内外之比率几乎相同。在这两种动物，细胞内 K+比细胞外 － 多，而细胞外 Na+比细胞内多，Cl 浓度也是细胞外液高于细胞内液。细胞内高浓度的有机负离于是 细胞内 K+的对抗离子，以满足细胞内外正负离子浓度相等的需要。在哺乳类，细胞内阴离子主要来 自酸性的代谢中间产物，其中一些是磷酸类的。另外，负电荷蛋白也有作用。膜对有机负离子不通 透，这种不通透的有机负离子继发地影响其它离子的分布。 表 2-l 常量离子在乌贼巨轴突和脊椎动物 神经元的跨膜浓度差及其平衡电位

膜两侧 Na+ 和 K+ 的不对称分布来自两个原因：Na+／K+ 转运子的作用和胞内不通透的阴离子 的存在。Na+／K+ 转运子是一种离子泵，它利用 ATP 水解的能量，把 Na+泵出细胞，把 K+ 泵入细 － 胞。Cl 浓度梯度主要来源于跨膜的被动分布。在一些细胞，氯也可主动转运入或转运出细胞，从而 减少或增加由它被动分布所产生的梯度。

第二节 静息电位、动作电位的离子学基础 1 静息电位 1.1 静息的神经元对 K+的通透性大于 Na+的通透性 正如我们在前一节所述，膜电位取决于膜对不同离子的相对通透性，并且其值非常接近于通透 性最大的离子的平衡电位。蛙的肌纤维和枪乌贼巨轴突的静息电位均接近钾离子平衡电位（EK） （表 + 2-1）。肌细胞内 K 浓度高这一发现，第一次（1902 年）由物理化学家 Bernstein 提出，静止的肌细 胞膜对 K+ 有选择性通透。 Bernstein 设想的证实来自改变细胞外 K+ 浓度的实验。细胞内记录显示，改变 K+ 的浓度梯度就 可改变由 Nernst 方程预示的静息电位。改变的幅度比 Nernst 方程计算的结果要小些，因为膜不只对 K+ 通透。对枪乌贼巨轴突，可用同时变动细胞内 K+ 浓度和细胞外 K+ 浓度的方法，以改变 K+ 的浓 度梯度。当轴突内灌流的 K+ 浓度同细胞外的 K+ 浓度相同时，静息电位接近 0。当枪乌贼轴突内用

3

+

相似于正常细胞外液 K+ 浓度灌注，而把轴突悬浮在类似于枪乌贼轴浆的 K 浓度溶液内。这时静息 电位极性被翻转。 静息电位是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差，故称为跨膜静息电位，简称静 息电位或膜电位。具体来说，这种电位差表现为膜外较正，膜内较负。如规定膜外电位为 0, 则膜内 电位多半在-10～-100 毫伏之间。细胞在静息状态时，所 保持的膜外为正，膜内为负的状态，叫做极化状态，如 果把与示波器相连的两个探测电极部放在神经纤维的 表面，便看不到电位差。而如果有一个探测电极放在细 胞的外表面，另一个微电极刺穿膜而进入膜内的瞬间， 在示波器上将显示出突然的电位跃变（哺乳类动物的神 图 2-6 膜电位的记录 经和肌肉细胞为-70～-90 毫伏，如图 2-6 所示）。这表明 细胞膜内外存在着电位差，这就是静息电位。静息电位的产生原理，简单说来是由于细胞内液中 K+ 的浓度比细胞外液中的大 30 倍左右。而且在安静条件下细胞膜对 K+有一定的通透性，允许 K+由细 胞内向细胞外扩散，因而就有一些带正电荷的 K+ 扩散到细胞外。而细胞膜不允许细胞内带负电荷的 有机物（多是大分子，如蛋白质）透出细胞膜。这样就使细胞膜外表面的正离子相对较多，而细胞 膜内表面则负离子较多，于是就产主了外正内负的跨膜静息电位。但是，K+ 透出的越多，膜两侧阻 止 K+ 外移的电势差就越大，以至最后会达到一个平衡点。也就是说，K+ 的外移不能无限制的进行。 所以，静息电位就是 K+ 的扩散电位，或者说是 K+ 化学平衡电位。当静息电位的数值向膜内负值加 大的方向变化时，叫做膜的超极化。相反，如果膜内电位向负值减少的方向变化时，叫做去极化或 除极化。细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内为负的方向恢复时，则叫做复极化。

2 动作电位 2.1 动作电位过程中，钠电流使膜去极化，而钾电流使膜复极化 动作电位有一个特征的形状。膜去极化超过阈值后发生一个形式固定的变化，膜迅速去极化， 使膜内很快变正电位，然后迅速复极化，回复到接近静息电位。在许多细胞，复极化继续超越起始 的静息电位。以致膜短暂地变成超极化，然后慢慢地回到起始的静息电位。最后一相被称作后超极 化。 膜快速的去极化是由钠导的突然增加引起的 Na+ 流造成的，在动作电位上升期间，钠导超过钾 导，Na+ 着浓度梯度和电位梯度内流，驱动膜电位去极化。当去极化至膜内外零电位后，Na+ 续在 浓度梯度的趋使下外流而反极化。但是这时电位梯度阻碍 Na+ 的内流，当外流的力量与阻碍的力量 平衡的时候，Na+ 静移动为零，达到 Na+ 动平衡电位，即达到动作电位的峰值。而后，钠导衰减， 而钾导增加，外向 K+流不久超过内向 Na+ 流，膜电位开始复极化至静息电位。所以，在动作电位期 间，膜经历着从主要对 K+ 透转变到主要对 Na+ 透，然后又回到主要对 K+ 透的过程。动作电位期间 Cl 的通透性不改变。

2.2 去极化优先增加钠电导，而后减小钠电导 动作电位发生的电导改变可用钠、钾通道的分工特性来解释，这是理解动作电位的关键。钠通 道是电压调节的通道，通道的开和关受膜电位影响（图 2-7）。每一个通道随机的在开和关状态之间 来回运动。静息时，通道开放机率很小，许多通道处于关闭状态，膜的去极化增加通道开放的机率。 初期的去极化引起少数钠通道开放，Na+ 入细胞，细胞进一步去极化。而进一步去极化又引起更多 钠通道开放，导致更多的 Na+ 流。Na+ 流使膜更去极化。因此初期的去极化是发动了正反馈系统的 运动，引起爆发性，再生性的事件。由于这个正反馈作用，动作电位的去极化相是自我维持的，一 旦开始，它就不需要另加刺激参它的过程。

4

当动作电位达到它的峰值时，膜对钠的通透性 开始减小，这是由于钠通道的失活。开放的通过很 快失活，于是它们对去极化不再反应，不管去极化 幅度有多大。失活本身不是电压依赖性的，但去极 化会增加通道开放的可能性，也增加造成失活的可 能性（图 2-7）。膜复极化后，失活慢慢翻转。去极 化对钠导有两种作用：由于钠通道激活而开放，钠 导迅速增加；而后由于失活，钠导减小。

2.3 动作电位期间钾电导缓馒地增加 钾通道也是电压调节的通道，开放的机率随去 图 2-7 乌贼巨轴突 Na 与 K 电流的灭活过程(引 极化而增加。与钠通道相反，钾通道对电压的反应 自霍奇金。1965) 比较慢。在动作电位期间，动作电位接近它的峰值 时，钾电导才开始增加；在下降相，它仍保持高的水平（图 2-7）。复极化引起钾导减小，但伴有一 个延搁。钾通道的延迟激活，与钠通道的失活相配合，造成了动作电位的下降相和后超极化相。通 过钾通道的净外向流，使膜电位回到休止值。在后超极化期间，钾导高于正常、钠导低于正常，膜 电位更接近 K+ 的平衡电位。 电压门控钾通道对动作电位的产生不是必需的，即使没有电压依赖的钾通道，钠通道的失活仍 将导致膜的复极化。因为通过氯通道，甚至在静息期也开放的那种钾通道均可引起外向流。然而， 当电压依赖性钾通道存在时，复极化就快得多，缩短了动作电位时程，使波形尖锐。根据其动力学 特征，钾通道决定了动作电位时程，允许神经元产生较高频率的动作电位。一些电压依赖性钾通道 甚至在静息状态时也是开放的，也对静息电位作出贡献。

2.4 不应期是由钠通通的失活和残存的钾通道的邀活引起的 紧随动作电位后有一个不应期，此时另一个动作电位发生的阈值要高于正常值。不应期的原因 是同后超极化相同的：钠通道残存的失活和钾通道残存的激活（图 2-8） 。在动作电位下降相后保持 失活状态的钠通道不能被去极化所开放。当有少量钠通道可供开放时，去极化仅能引起小量的通道 很快失活，于是它们对去极化不再反应，不管去极化幅度有多大。失活本身不是电压依赖性的，但 去极化会增加通道开放的可能性，也增加造成失活的可能性。膜复极化后，失活慢慢翻转。去极化 对钠导有两种作用：由于钠通道激活而开放，钠导迅速增加，而后由于失活，钠导减小。钠通道开 放，因而只有很少一点内向电流流动，在此种情况下，就需要较大的去极化才能引起一个动作电位。 失 活的去 除依 赖于时 间和 电 压，在膜电位复极化时可能化 几毫秒。在不应期不仅需要大 的去极化才能产主动作电位， 而且需要更多的内向流才能达 到所需的去极化，这是因为通 过残存激活钾通道的外向电流 比较有效地对抗了内向电流。 不应期限制了一个可兴奋细胞 维持动作电位频率的能力。在 图 2-8 电压依赖性钠通道的模式图 一些细胞，上限可能低到 100 去极化导致活动“闸门”的开放，一旦通道被激活．它就受失活“闸 次/s，而其它一些细胞可能高 门”的作用而关闭，或者它又回到关闭状态 达 1000 次/s。

5

3 动作电位的传导 动作电位，即神经冲动（impulse）一旦在神经 元（细的树突除外）一处产生，便以恒定的速度和 振幅（直径变细的轴突末梢除外）传到其余部分。

3.1 阈膜电位 动作电位爆发式出现时，即由局部电位发展为 动作电位时的膜电位称阈（膜）电位（threshold membrane potential）。从静息膜电位至阈电位的去极 化通常称为临界去极化（critical depolanzation）（图 2-8）。此临界去极化约为 32 mV。一般说来，阈值 是和静息膜电位与阈电位之差，即临界去极化成正 比，所以阈值随这两个电位的相对变化而变化，如 细胞外液[K+]增高时，虽静息膜电位与阈电位都降 低，但后者的降低很少，故阈值降低；当增加胞外 液中的[ Ca2+] 时，静息膜电位几乎不变，但阈电位 上升，故阈值将升高，所谓阈电位乃是由去极化引 起的 Na+ 通透性的升高达到 Na+ 的内流量恰好与 K+ 的外流量相等时的膜电位，至于局部电位的出现 乃是 gNa 开始上升，但在去极化未达阈电位水平时， gK 仍大于 gNa ，而 gk 是导致膜向超极化方向变化的 因素，故膜电位终将恢复至静息膜电位水平，所以 仅以出现局部反应而告终。当去极化达阈电位时， gNa 一旦增加至等于和大于 gk 时，因 gNa 是导致去极 化的因素，而去极化的增大，又会进一步导致 gNa 的上升，gNa 上升更加促进去极化，如此自我再生地 发展，直至 Na+ 的平衡电位时为止。这过程称即是 Na 电流的活化（activation of sodium curent），从 Na 电流的变化曲线（图 2-9C）可看出，当它达顶峰时， 即使膜电位仍被钳在该水平不变，也立即迅速变小， 直至恢复到静息水平，此过程即是 Na 电流的灭活 （inactivation of sodium current）。

图 2-8

电刺激引起的膜电位变化

A．阈下刺激：B．稍强的阈下刺激引起局部电位；C．阈 和阈上刺激引起动作电位。

3.2 无髓鞘纤维的兴奋传导 1850 年著名德国生理学家 Helmholtz 用自己设 计的仪器，后来又以肌肉收缩为指标，首次对蛙神 经的传导速度进行了测量，结果为每秒 27～30m。 这在当时是神经生理学中的一件大事，因为在这之 前，人们普遍地认为，神经传导的速度极快，以至 无法对之进行测量，接着 1879 年 Hermann 又提出了 现在看来仍属正确的关于兴奋传导的局部电流学说 （local current theory），即认为在兴奋部位产生的电 位差又刺激相邻部位，在两者之间产生的局部电流，

图 2-9 用 电 压 箝 法 将 乌 贼 巨 轴 突 去 极 化 56mV(从-65 至-9mV)(A 上)时，记录到的总电 流变化(A 下)。B 为总电流变化中的电容电流，C +

+

为瞬时性内向流(Na 流)和 D 为迟出的外向流(K 电 流)。

6

使相邻部位去极化，达到阈值便在相邻部位产生兴奋。兴奋便是以此机制快速扩布。 根据局部电流学说，如图 2-10A 所示，应在兴奋点有电流从轴浆中流向相邻的未兴奋点，在该 点穿出轴突膜，再从纤维外流回兴奋点形成局部电流回路，如果这种设想是正确的，那么增大或降 低纤维外电阻势必影响兴奋的传导速度。于 1937 年 Hedgkin 对此进行了实验证明。他将单根蟹神经 纤维放在油里以增加外电阻便明显地降低了兴奋传导速度。

3.2 有髓鞘纤维的跳跃传导 根据髓鞘的有无，脊椎动物神经纤维分为有髓鞘纤维 与无髓鞘纤维，早在 1871 年 Ranviar 就发现周边有髓鞘纤 维的髓鞘不是连续地包在轴突外面，而是有规律地每隔 1-2mm 便中断一次。后人便将髓鞘中断处称为朗氏结 （Ranvier's node）。关于它的生理功能长期末被阐明，只 是 1925 年 Lillie 曾根据在以金属丝模拟神经纤维传导的实 验基础上提出设想，认为神经兴奋可能是从朗氏结到朗氏 结进行跳跃式传导， Tasaki（1941-1942；见霍奇金，1965） 方 以 实 验 显 示 了 有 髓 鞘 纤 维 的 跳 跃 传 导 （ saltatory conduction） 。所谓跳跃传导，即兴奋时的膜电位瞬时倒转 图 2-10 兴奋在无髓鞘纤维(A)、 只发生在朗氏结处的轴突膜，长期以来，一般认为有髓鞘 脊椎动物有髓鞘纤维(B) 和无脊椎动 纤维和跳跃传导只见于脊推动物。无脊椎动物没有有髓鞘 物(对虾)有髓鞘纤维的传导(c)示意图 纤维，也无跳跃传导，这种描述也见于我国的生理学教科 书（生理学，1996，38 页）。但于 1964 年在中国对虾（Penaeus orientalis，现为 Penaeus chinensis） 的一对内侧巨纤维上首先发现了跳跃传导，并于近年来又在数种对虾科虾的众多中、小纤维上既发 现了片层致密（周期为 8-9nm）的厚髓鞘和规律分布的兴奋结，又证明了它们即是跳跃传导的结构 基础。由于这种兴奋结是椭圆形无髓鞘覆盖窗，而被称为可兴奋窗（excitable fenestra）。一般说来， 纤维越粗，窗间距越长，最长者达 1cm 以上，从而得出结论：在无脊推动物神经系统的进化中也出 现了有髓鞘纤维和跳跃传导（见 Hsu and Terakaw, 1966）。 无论脊椎动物或无脊椎动物的有髓鞘神经纤维的轴突膜中的 Na 与 K 通道的分布都是不均匀的， 即 Na 通道集中在朗氏结或兴奋窗处的轴突膜中，至于 K 通道则主要集中在被髓鞘覆盖的，兴奋结 间的轴突膜中，还有认为，在进化中神经纤维为获得快速传导冲动的性能采取了两种策略，即增加 轴突直径和髓鞘化而跳跃传导，但值得提到的是对虾神经纤维除髓鞘化外，又采用了在髓鞘与轴突 间形成宽大间隙以代替增加轴突直径的策略（见图 2-10B），从而显著地加快了传导速度，如中国对 虾的直径仅约 20μm 的内侧巨纤维轴突（纤维直径约 200 μm）的传导速度竟高达 200 m/s。

第三节 与膜电位相关的离子通道 静息膜电位是由神经元膜处于静息状态时的 离子通透性和离子的跨膜浓度梯度决定的，而其 中的离子通透性又是由膜中那些在静息状态下持 续开放的。被称为静息离子通道或无闸门通道所 控制的。关于这种离子通道的功能与结构的研究 资料尚少，至于在静息膜电位的基础上产生的电 信号，即局部电位和动作电位，则是由带有闸门 的离子通道调控的，换句话说，离子通道是调控 神经电信号的产生与传导的实体，另一方面，近

图 2-11 电压门控离子通道结构模式图 7

年来关于离子通道分子生物学的研究又有了迅速发展，已积累了大量资料，从而方对神经电信号的 产生机制有了深一层的了解。因此本节中先简述离子通学说的提出，证明及其共同的特征，再分别 讨论各主要离子通道的结构与功能。 离子通道不仅应存在于所有细胞的胞膜中，并且在胞内膜结构，如线粒体膜，内质网膜和肌浆 网膜中也有分布，迄今虽尚未发现可兴奋细胞膜的离子通道与其他细胞的有何本质上的不同，但可 兴奋细胞膜中的离于通道不但类型多，密度也高，以至唯可兴奋细胞可以发出可向远距离传导的电 信号。

1 离子通道模型的提出及其实验证明 如前所述，Hodgkin 和 Huxley 在分析乌贼巨轴突动作电流的基础上建立了 Na 与 K 离子双通道 模型。依此模型，轴突膜中分别存在着容许 Na+或 K+ 被动跨膜流动的微孔道，即 Na 与 K 通道，两 种通道都有接收电压变化的感受点（sensor），在微孔道内具有可在开放态和关闭态间转换的闸门 （gate）和司识别与选择可通过离子的滤过器（filter） （图 2-11） 。 l972 年 Katz 通过对在神经肌肉接头后膜记录到的乙酰胆碱（Ach）噪声进行的实验分析，得出 了 n 型 Ach 受体（nAchR）离子通道的电导，平均开放时间和开放频率等数据。但这尚不是离子通 道的直接实验证明。直到 1976 年 Neher 和 Sakman 用新建立的膜片钳技术成功地记录了 nAchR 单离 子通道电流，方开创了直接实验研究离子通道功能的先河。他们为此获得 1991 年度的诺贝尔奖金， 随后，英国的 Miledi（1981）研究室将生物合成 nAchR 的 cRNA 注射到处于一定发育阶段（阶段 V） 的非洲爪赡（Xenopus）卵细胞中，成功地在其膜中表达了该离子通道型受体，在 1983 至 1984 年日 本的 Numa 研究室又利用重组 DNA 克隆技术首次确定了分子量达 20 余万的电鱼器官的 nAchR 和 Na 通道的全一级结构。上述三项工作不仅从功能和结构上直接证明了离子通道的存在，并为分析离 子通道的功能与结构提供了有效的研究方法。

2 记录单离子通道电流的膜片钳技术 用尖端直径稍大(0.5～3.0um)的玻璃微电极 （必要时可用热处理电极尖端使之光滑些），电极 内灌充相应的溶液。实验时先将电极尖端抵在胞 膜上（表面应平滑） ，向电极内加少许负压，使电 极尖端亦着在胞膜上，这时的电极电阻必须达 G Ω（109Ω）水平（称 GΩ封接） ，否则达不到记录 单离子通道电流的要求。如图 2-13 所示，用膜片 钳技术记录单离子通道电流的方式有 4 种： （1）细胞密着（cell，attached）式：将电极尖 端以 GΩ封接在细胞表面，用以记录被封在电极尖 端口下的膜片中的离子通道（图 2-13A）。Neher 和 sakman 便是用这种方法首次记到了 nAchR 单通 道电流。 （2）膜内面向外（inside-out）式：按细胞密 着式将电极封接好之后，再将电极拉开，使之与 胞体脱离即可，也是用以记录封在电极尖端口下 的膜片中的离子通道电流（图 2-13B）。 （3）全细胞记录（Whole-cell recording）式：按 细胞密着式封接电极后再向电极管内稍加负压， 使被封在电极尖端口下的膜片破裂，用以记录全

图 2-12 膜片钳技术记录单离子通道电流的 几种方式 8

细胞离子通道电流（图 2-13C） 。 （4）膜外面向外（outside-out）式：在全细胞记录 式的基础上，拉开电极使之与胞体脱离，这时附在电 极尖端的膜片又可自动地将电极尖端口封住。此膜片 的外侧面向外（图 2-13D） 。这 4 种方式可用于不同实 验目的。

3 离子通道蛋白在蟾蜍卵母细胞膜中 的表达 将希望表达的离子通道的 cRNA（用重组 DNA 技 术克隆制备；用含有合成该离子通道的 po1yA RNA 或总 RNA 也可以，但表达率低）注入到处于一定发育 阶段（阶段 V）的非洲爪赡（我国学者开发了中华蟾） 的卵母细胞，经一段时间的培养，注入胞内的 cRNA 开始合成离子通道蛋白，并将它们组装到胞膜中去， 这样便可用膜片钳技术鉴定及研究所表达的离子通道 （图 2-13）。

4 测定离子通道等大蛋白分子结构的

图 2-13 在蟾蜍卵母细胞表达离子通道示

重组 DNA 技术 离子通道大蛋白分子在组织中含量甚微，难 以用传统的生化方法纯化，即使能纯化，又由于 分子量大，用经典方法也不可能测得它们的一级 结构，自从建立了重组 DNA 克隆技术以来，有 关研究才成为可能，并开始了蓬勃的发展。如图 2-15 所示，重组 DNA 克隆技术基本作法是首先 从细胞或组织提取总 mRNA 再以它们为模板， 在逆转录酶的作用下，以核苷酸（dNTPs）合成 cDNA，用 RNase 消化掉产物中的 mRNA， 用 DNA 聚合酶合成双链 cDNA。将合成的这些双链 DNA 片段，重组到噬菌体的 DNA（靠近启动子）内， 使噬菌体在菌体内增殖，由于 l 个噬菌体的 DNA 只组装 1 个 cDNA 片段由此将噬菌体充分稀释， 由它们增殖成克隆，在限制性内切酶的作用下， 图 2-14 重组 cDNA 克隆法示意图 切下各克隆中的 cDNA 片段。此片段在 RNA 聚合 酶的作用，复制 cRNA。用 DNase 消化掉 cDNA，得到 cRNA。用上述蟾蜍卵母细胞鉴定法找出目 的离子通道的 mRNA，这样便可依核苷酸顺序推出离子通道的一级结构。

5 离子通道的功能特征 在神经元膜中虽已发现了约 1 打以上基本类型的离子通道，每种类型又有一些相近的异构体， 但在它们之间存在着一些共同的功能特征： 9

5.1 离子通道的闸控 离子通道可在多种构象（conformation）之间转换，但 从是否容许离子通过其微孔道的现象看，只有开放（open， O）和关闭（close，C） 二种状态，离子通道在 C 和 O 之 间的转换是由其微孔道的闸门控制的。这一机制被称为闸控 （gatting）。实际上在多种离子通道，如 Na 通道除 C 和 O 之外，起码尚有一个被称为灭活（inactivation，I）的关闭 态。 去极化使 Na 通道开放，若在 2-4 ms 内复极化，则通道 从 O 转为 C; 如去极化持续时间长，则通道进而转入 I。这 时必须在膜电位复极化数 ms 后，通道方能再度由去极化而 开放。 关于闸控的机制尚不十分清楚，曾设想了如图 2-15 所 示的三种方式：①孔道内的一处被闸住（如电压门控 Na 通 道和 K 通道）; ②全孔道发生结构变化封住孔道(如缝隙连 接通道)；③由特殊的抑制粒子将通道口塞住（如电压门控 K 通道）。已知有电压、机械牵拉和化学配基这三类动因可 调控通道闸门的活动，相应的离子通道便被分别称为电压门 控(voltage-gated)，机械门控（mechanic gated）和配基门控 (ligand-gated)离子通道。至于这些动因调控闸门的机制待讨 论具体离子通道时叙述。

图 2-15 通道的三种不同的闸门关闭 机制

5.2 离子通道分子的结构特征 离子通道是胞膜的结构蛋白中的一类，它们贯穿胞膜并分散地存在于膜中。自从 Numa 研究室 首次以 DNA 克隆技术确定了电鱼电器官的 nAchR 和 Na 通道的全氨基酸序列以来，已阐明了多种离 子通道的一级结构，再加上由调光衍射、电子衍射和电镜技术等所得资料，已有可能对它们的二级 结构、分子中的功能基团及其进化与遗传等进行判断与分析。 根据已有关于离子通道一级结构的资料，可将编码它们的基因分为三个家族，因为每个家族成 员都有极为相似的氨基酸序列，从而它们被认为是由共同先祖基因演化而来：①编码电压门控 Na、 K 和 Ca 通道基因家族；②编码配基门控离子通道基因家族，此族成员中有由 Ach、GABA，甘氨酸 或谷氨酸激活的离子通道；③编码缝隙连接通道的基因家族。

5.3 离子通道的分类 首先可按离子通道的滤过器的离子选择性将它们总的分为阳离子通道和阴离子通道，并且两类 通道都容许水分子通过，通常按感受点所接受的动因的性质，即闸门的调控方式又将离子通道分为： ①接受膜电位变化的电压门控通道（voltage-gated channel，VGC），这类离子通道的闸门是由电压 变化控制的，属此类型的有电压门控 Na、K、Ca 和 Cl 通道，②配基门控通道(ligand-gated channel)， 这是一类由递质，激素或其它胞内外化学物质激活或阻遏的通道，其中也发现有 Ca2+激活的通道。 如 Ca2+ 激活 Ca、K 或 Cl 通道，以及 Na+ 激活 K 通道等。这类通道中可分为其接受配基作用的受 点与微孔结构均在一个蛋白分子内的离子调控型受体（ionotopic receptor）和两者分离，由 G 蛋白实 现功能联系的代谢调节型受体（metabotropic receptor）。③机械门控通道（mechnical-gated channel）， 即由机械牵拉激活的通道，如内耳毛细胞膜中和虾类牵张感受器细胞膜中的通道。

10