生理学——细胞的功能.ppt

第三节 细胞的生物电现象,心电图 脑电图 肌电图 胃肠电图 视网膜电图,许多细胞生物电总和,Bioelectrical phenomena of the cell,跨膜电位（transmembrane potential）= 膜电位 (membrane potential),1.膜电容（membrane capacitance, Cm） 脂质双层 = 平板电容器,一、细胞膜的电学特征,当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。,The Lipid Bilayer Acts Like a Capacitor,2. 膜电阻 (membrane resistance) = 1/膜电导(membrane conductance),3. 轴向电阻 取决于胞质溶液本身的电阻/细胞直径,膜蛋白 = 导体,对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的通透性(permeability)。,一点给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜电位变化： 在电流注入处达到的电位最大； 离开电流注入处越远，膜电位越小； 电位依距离变小，是膜电阻及轴向电阻引起的后果。,二、电紧张电位 (Electrotonic potential),概念： 细胞膜的电学特性相当于并联的阻容耦合电路，跨膜电流随着距原点距离的增加而逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规律的膜电位分布，这种由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。,用正、负电极从膜外侧施加电刺激，胞质内的负电荷流向正极下方，正电荷流向负极的下方，因而在正、负电极下分别产生一个彼此方向相反的电紧张电位。,静息时，质膜两侧存在着外正内负的电位差，称为静息电位(resting potential, RP)。,三、静息电位,Relative constant potential difference,1939年，英国 Hodgkin & Huxley 记录枪乌鲗巨大神经轴突的RP,静息电位时膜两侧所保持的外正内负状态称为膜的极化(polarization)； 静息电位增大的过程，称为膜的超极化(hyperpolarization)； 静息电位减小的过程，称为去极化或除极化(depolarization)；,去极化至零电位后膜电位进一步变为正值称为反极化，膜电位高于零电位的部位称为超射(overshoot); 细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称作复极化(repolarization)。,四、静息电位的产生机制： 1.离子跨膜扩散的驱动力： 电化学驱动力(electrochemical driving force) net force =Concentration force + Electric force,静息电位和K+平衡电位：,平衡电位(Equilibrium potential) Concentration force = -Electric force Net force =0 无离子净移动，但有离子通透性,1902年，Berstein提出：细胞内外的K+不均衡分布和安静状态下，细胞膜主要对K+有通透性，据此推测静息电位应当等于K+的平衡电位。,R：气体常数 T：绝对温度 Z：离子化合价 F：Faraday常数,平衡电位的计算 Nernst Equation,EK = -97 - -102 mv ENa = +56 - +70 mv,2. 膜对离子的通透性：,（1）静息状态下，K+ 的通透性 是Na+的10-100倍 非门控性K+通道 神经细胞：钾漏通道 心肌细胞：内向整流钾通道,（2）静息状态下， 膜对Na+亦有一定的通透性,ECl: -70 - -90 mv, RP并不取决于ECl Cl-在膜两侧的分布是被动的， 膜电位的大小可以决定 Cl-在膜内的浓度,静息电位更接近于EK,静息电位并不完全等于EK,3. 钠泵的生电作用：,影响静息电位增大（超极化）,影响RP的因素：,（1）细胞外K+的浓度： K+ 轻度 EK 的负值 RP （去极化）,（2）离子通透性： K+ permeability RP （超极化） Na+ permeability RP （去极化）,（3）Na泵活动性： Na泵活动性 RP （超极化）,五、动作电位（action potential, AP）,1. 定义：在静息电位的基础上，给细胞一个适当的刺激，可触发其产生短暂、可逆、可传播的膜电位的波动，称为动作电位(action potential, AP)。,2. 测定值： 由-70-90mV到2050mV，变化幅度为90130mV,（一）概述,不同细胞的动作电位,3. 动作电位的组成,4. 特点：“全或无”现象（“all or none”),动作电位大小与刺激强度无关 阈值：能引发动作电位的最小刺激强度 当刺激未达阈值时，动作电位不会出现，一旦达到阈电位水平 ，动作电位便迅速产生，并达到最大值，其幅度和波形不随刺激的强度增强而增大。,B. 动作电位大小与传导距离无关,传播是不衰减的,（二） 产生机制,膜内外Na+的浓度差 静息时内负外正的电势能差 膜对Na+的通透性突然增加 Na+的平衡电位 ENa =60log (mV),（1）电化学驱动力,动力：电-化学梯度 基础条件： 当膜对某离子的通透性增大，膜电位发生改变； Em = Ex , net force = 0,假定静息电位Em = -70mV，ENa = +60mV，EK = -90mV： Na+驱动力: Em- ENa=-70mV-(+60mV)=-130mV K+驱动力: Em- EK=-70mV-(-90mV)=+20mV,Net force = Em - Ex,（2）离子的通透性 (膜电导的变化）,测定公式,测定方法 电压钳（voltage clamp）,原理： Em被钳制（固定），测定出IX，利用欧姆定律计算GX。 优缺点： 适用于各种直径较大的细胞，只能观察膜电流的方向和幅度，不能区分哪种离子电流。,1939年， Hodgkin & Hukley,应用Na+通道阻断剂TTX（河豚毒）,内向电流消失。 应用K+通道阻断剂TEA（四乙胺），外向电流消失。,利用药理学分析膜电流的实验结果,不同程度去极化对GNa 和GK的影响,Hodgkin和 Katz提出离子假说。他们获得了1963年生理学或医学诺贝尔奖。他们也开创了细胞内记录（intracellular recording）生物电时代。,（3）动作电位产生的过程,电导是电压依从性，由去极化激活， GNa激活早，是动作电位上升支基础；GK激活晚，是动作电位下降支基础。 去极化：Na+内流 复极化：K+外流,再生性循环：Na+电流与膜去极化之间的正反馈,（4）离子通透性变化的机制,膜片钳实验和单通道离子电流的记录 1976年，Neher & Sakmann 1991年， 诺贝尔奖,Na+通道的激活、失活和复活过程 Na+通道的激活是瞬间的 Na+通道失活时，不因膜有去极化再开放 Na+通道的状态与蛋白质内部结构，即蛋白质的构型和构象有关,Na+通道的特点,1. 动作电位在无髓鞘纤维上的传导,（三）动作电位的传播,2. 传导机制 动作电位（阈上刺激）局部电流（local current) 邻近膜去极化到达阈电位水平邻近膜产生动作电位兴奋在同一细胞上传导,3. 动作电位在有髓鞘纤维上的传导 跳跃式传导(saltatory conduction) 部位：有髓神经纤维的朗飞氏结处 特点：快速而又节能,四、局部电位,2. 局部电位（loal potential）： 细胞膜在受到阈下刺激时，在受刺激的局部出现一个较小的去极化，而后恢复到静息电位，这一电位波动称为局部电位。,1. 阈电位（threshold potential） 是指膜电位的一个临界值，即细胞膜在受到刺激时去极化达到阈电位时，就能产生动作电位。,没有“全或无”特性，与刺激成正比 不能远距传播 电紧张性扩布(electrotonic propagation) 可以叠加 空间性总和 (spatial summation) 时间性总和 (temporal summation) 无不应期 (refractory period),3.局部电位特征,五、可兴奋细胞及其兴奋性,1. 兴奋 是指动作电位或动作电位的产生过程,2. 可兴奋性组织或细胞 在受到刺激时，能够产生动作电位的组织或细胞,3. 兴奋性 组织或细胞对外界刺激后产生动作电位的能力,（一）兴奋和可兴奋细胞,（二）刺激与兴奋性（excitability）,刺激,概念,三要素,刺激时间,刺激强度,强度时间变化率,阈刺激概念,t,q,t/q,刺激与兴奋的关系,刺 激,可兴奋组织,动作电位,骨骼肌收缩 神经释放递质 腺细胞分泌,兴奋 动作电位 excitation action potential,绝对不应期（absolute refractory perio