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教师发展中心名师示范课程听课记录（六）夏强：生物电之动作电位教学主题生物电之动作电位课堂性质专业导论课：基础医学导论授课对象医学专业本科生，观摩教师授课教师夏强教授职称医学院基础医学系副主任，博导上课时间2012年11月22日8:00-9:35上课地点紫金港校区西2-203内容提要：观察动作电位离子机制的方法原理，动作电位的离子机制以及传导，相关的概念，影响兴奋性的因素。教学片断纪实S：学生 导入上一次课我们讨论了细胞的两个功能，一个是细胞膜的复制转运，一个是生物电。生物电的部分我们讲的是静息电位和动作电位，所以等一下我重复了关于生物电或者膜电位的目的以后，我想请一位同学概括一下，我们上一节课讲了什么，你能把它串起来吗？关于膜电位这块的学习目标，不仅仅要知道动作电位的shape and form，它的形状和形式，还要理解它是怎么发生的，以及钾离子和钠离子是怎么参与的，那么这个是我们今天要讲的内容。还有一个就是要去探讨一下动作电位它是怎么传导的，了解有髓鞘没髓鞘是怎么传的。上一节课我们讨论了细胞内细胞外的记录方法，静息膜电位的定义和机制，动作电位的定义，局部反应或者说分级电位，最后一个是阈电位的概念。可以把动作电位放在一边，我们有哪位同学愿意自告奋勇花一分钟时间为我们概括一下上堂课学习的内容？有吗？没有我就请同学来讲。请你把上一节课我们讲的内容简单地理一理。S: 讲了细胞内电压是怎么样的（静息电位、动作电位、局部反应、阈电位）谢谢，非常清晰。那么这个也就是我们接着要往下讨论的，就是发生了局部反应，然后达到阈电位以后怎么产生动作电位，产生动作电位以后相关的离子机制是怎么样的。 1. 观察动作电位的方法学 动作电位是这么个形状，我们在上一节课已经讨论过了。这是静息电位，然后它有一个局部反应，或是分级反应，分级电位一步一步上去，随着刺激强度的增加，它的局部反应会慢慢增加，一旦达到了扳机点，就相当于军训时的操练一样，扣扳机的速度和子弹飞的速度是不相关的。所以只要达到这一点，这个动作电位就会自动产生。那么，相关的离子机制是怎么样子的呢？那么这里有一个方法学的问题，到底我们人是怎么了解到这么小的细胞？我们细胞的大小大概是多少？都学过了，我们需要回忆。你首先告诉我什么级的，米级的，还是厘米、毫米。纳米级？S：微米级。那么微米级，你可以给我一个可以比较的数字吗？比如说一根头发丝的粗细大约是多少微米？大约是100微米左右，然后你说细胞如果是微米级的，有没有100微米的细胞？有的。最长的细胞是几米？是哪个细胞？S：神经元。哪个神经元？就是脊髓的运动神经元可以这么长。从坐骨神经这里发出来，像姚明这样可能更长，对吧。所以如果是一个微米级的细胞，你要去了解细胞膜上离子的进出，你必须有手段。如果是大细胞，你比如说像鸵鸟蛋一样的，那比较简单一点。但是如果说真的是微米级的细胞，你要去看它膜电位的进出，那就必须要有比较专门的技术。所以关于研究细胞膜上离子进出的方法学，就产生过至少两个诺贝尔奖。大家看，这是1963年诺贝尔生理学或医学奖，是给了三位科学家，这位科学家是研究神经递质的，这两位，你如果还记得物理学上有HH公式的话，那么就是以他们这两个人的名字来命名的。他们发展了一个技术，这个技术叫电压钳制术，或者简称为电压钳。他就是用电极插到细胞里面，然后我们知道，活细胞它是有静息电位的，通常神经元细胞在静息电位时就-70个毫伏，然后电极插到细胞里，用计算机控制住在短的时间里面，比如说多少多少毫秒以内，把细胞跨膜的电位控制在多少多少毫伏，比如说-9毫伏的状态，固定在这个电位。那么在这个控制的时间当中，如果说细胞上存在离子通道，存在电压依存性离子通道的话，这些细胞就要怎样？就要活动，就要打开，所以打开的过程当中，计算机是知道的，它要维持这个电压，它要输入一定的电流，如果它出现离子电流，出现偏差了，它要补充电流。所以计算机知道它补充了多少电流进去，是正的还是负的。就是这么一个简单的原理，就使他们拿到了诺奖。那时候的技术还没有现在好，他们两个找到了一个非常好的样本，是什么呢？枪乌贼，它的一个神经纤维的直径可以达到几个毫米。他找到了一个非常好的标本，如果说几个毫米就是一个细胞，那么他就可以用这个比较简单的技术看到内向的电流，外向的电流，可以记录到总电流。光光这样还不行，他还没有办法知道到底是钾电流，还是钠电流，所以他们用了一种特定的阻断剂，河豚毒素，把这个钠通道阻断掉，看看上面留下来的电流是什么。然后如果TTX不用，用了钾离子的阻断剂，看看钠离子的电流是什么。两个都用上，看看有没有电流。所以，他是用这个办法判断是什么电流，这个办法也蛮巧妙的，所以会拿到1963年生理学或医学奖。 第二个技术，那更先进一些，1991年两位德国科学家，在电压钳制术的技术上做了改良，之前用的是整个细胞，这个是用一片细胞膜，那你要知道它的控制就很精致。这里一片膜，这是一个微电极，把这片膜吸住，然后吸住的可能是一个通道，或几个离子通道，可以把这一个或几个离子通道的活动记录下来。记下来后再用相应的通道阻断剂来判断记下来的是什么离子。他们一个非常大的贡献就是这个技术知道了离子通道的开关状态是0和1的状态，它不会有0.5，就是离子通道不会有半开半闭的状态，要么0要么1。就像这条记录曲线，向下的就是表明它开放，时间代表着它开放持续的时间，向上的代表它关闭，然后这里都没开，而这里开的次数就很多。然后可能会发现有些幅度比较小，有些幅度比较大，准确地量一量，它们都是呈倍数关系，代表着什么？这个小的那么小，这个长的那么长，代表着什么？是离子通道的？数量。如果是一个单位的话，就是钳住了1个离子通道，如果有这种（大幅度）情况的话，同时被钳住的有几个离子通道。所以他们的贡献也是非常大，对人类认识离子通道的活动机制、状态做出了非常的贡献。现在，voltage clamp（电压钳制），current clamp（电流钳）在我们医学院的院子里很多，你们有空可以去看，特别是在段树民院士、罗建红院长他们的神经生物系的实验室，他们用的是这个技术。找了一篇文章给你们看一看，这是一个钾电流，它是一个IV曲线，电压电流曲线，其实不复杂，欧姆定律大家都学过。然后这里就是说跨膜的电压电流相互的一个关系，这个有机会有兴趣可以再深入探讨。2. 动作电位的离子机制好了，下面我们要看这个动作电位，这个离子机制是怎么参与的。我们在这里讨论的离子通道实际上都是Hodgkin和Huxley他们两个人所作出的贡献。这里有三条曲线，左边的纵坐标是膜电位，右边的纵坐标是每平方微米细胞膜所打开的通道数，下面是时间段。这个过程叫去极化，Depolarization，这个过程的发生是由于到达阈电位以后，把电压依从性钠通道打开了，也就是电压门控性的钠通道被激活了。这才会引起钠离子大量地内流以后，细胞内电压变正，所以这条线迅速上升。那么电压门控性钠通道的阻断剂是Tetrodotoxin，当时也打过比喻，就是如果你真的是吃了这个东西，后果大家已经知道了。然后复极化，电压门控性的钠通道是电压依从性的，也就是当膜电位达到阈电位数值的时候，这个通道就打开，同时这个通道也是时间依从性的，就是说它打开一段时间以后就自动关闭了。在这个阶段，打开了2-3毫秒以后就自动关闭了。关掉，钠离子不再内流了，这是一个方面，第二个方面，在去极化的过程中会激活一个电压门控性的钾通道，这个通道打开大概是在-20毫伏的地方打开，是在去极化的过程中打开的。所以钾通道打开，钾离子从细胞内跑到细胞外面，对吗？然后膜电位怎样？所以在复极化的过程当中，实际上有两大离子通道的贡献，第一，钠通道关掉，第二，钾通道打开，严格说来，去极化的过程有没有钾离子的事情？有还是没有？S: 有。有的，但是很多教科书都不讲这个事，其实，有，特别是-25毫伏钾离子通道打开的时候，它对于去极化的后半段是有贡献的。其实，动作电位去极化也涉及到钾离子，所以如果考试的时候出这个题目，动作电位去极化是哪个离子流动引起的，钾钠钙氯叫你选，这样的题目是有问题的。那么关于钾通道的阻断剂，就是TEA，它可以把这个电压门控性的通道阻断。这张图，显示了钠离子通道和钾离子通道，钠离子门控通道和钾离子门控通道关掉和开放都很快，这三个状态closed/available，activity，inactivity，失活状态有个特点，就是这个状态下你再电压怎么变，这个通道不能打开了。所以它必须变回到这个状态才可以。对于电压门控性的钾通道来说，它只有两个状态，它的开放和关闭都比较慢。你可以看到，这个方向是repolarization，这个方向是polarization。讲解去极化和复极化钠钾离子通道的状态图。那么在去极化和复极化的过程中有两个feedback，有科学家去研究为什么这个上升这么快。去极化中，给它一个电刺激，钠离子通透性增加，然后钠离子内流，然后更去极化，对吗？这个过程持续，在短时间内持续，互相促进的过程我们叫positive feedback，也有人叫做sodium regeneration cycle，钠离子的再生性循环。然后在复极化的过程中，你们可以看到，去极化钠离子内流，导致-25毫伏的电压门控性的钾通道开放，钾离子通透性增加，钾离子外流引起复极化。但是这个复极化可以让钾通道开放的情况减少，所以这个过程是个negative feedback。促进为positive，阻碍则是negative。那么动作电位它是一个all or none的情况，也就是说要么不发生，一旦达到那个扳机点trigger，就可以产生动作电位，并且一旦到产生动作电位，在这个细胞上的幅度都一样。注意这一点，到底动作电位的顶端会是什么情况。上节课我们提到过平衡电位，对吗？这个顶端比较接近钠离子平衡点，一定不会等于钠离子的平衡电位，为什么？因为钾离子的参与。而钾通道的开放，最后自然是接近钾离子的平衡点。这个不再提了。给出复习总结用图。好，那么一串动作电位以后，细胞会不会有问题啊？有问题吗？比如说一个人清醒，我们眼睛能够看到东西，眼睛能看到东西意味着什么？你有光的信息进入视网膜，然后激活了那些相应的视觉细胞，然后有神经冲动传到大脑皮层，才能看到东西对不对？有人打游戏，打了150几个小时，也就是说150几个小时视神经细胞上的动作电位没断过。那么问题来了。老是这样消耗的结果是什么？细胞内的钾离子会怎么样？S:会少。细胞内的钠离子会怎么样？S:会多。那么会怎么样？怎么恢复到原先的状态。靠谁呀？靠钠钾泵。好了，这个东西不用说了。给出额外的可供复习的图。 动作电位讲过了，动作电位的机制也讨论过了。看看，觉得可以答了举手。主动举手2个巧克力。选择题情境题 3. 动作电位的传导刚才我举得这个打游戏的例子，是视神经细胞上的动作电位传导，那么在无髓鞘细胞上的动作电位传导是怎么样的？动作电位从发生的这一点传到细胞的另外地方，这个叫动作电位的传导。那么我们假设这个动作电位发生在细胞的中点，四大基本组织已经知道了啊。向两边传。所以静息的时候是外正内负，发生动作电位，从-70毫伏到+10、+20、+30毫伏的幅度，那么外面就变成正的，里面就变成负的，正好翻转。这样的情况下面，两边就会产生局部的电流，这个局部电流就慢慢扩散，然后传到。局部电流的产生过程就是接连不断地产生动作电位的过程。对吗？然后就完成了把动作电位从这边传到另一边。如果是在神经的一端，那么动作电位是从这边传到另一边。在传导的过程当中，动作电位的幅度不会有大的变化。那么根据我们已经学过的组织学知识，我们知道一个比较重要的结构，神经纤维上面，叫郎飞氏结。也就是对于有髓鞘的神经纤维来说，髓鞘盖住的神经纤维跟外界有沟通有交流吗？封掉了，离子能进出吗？这里是，不会。所以呢，在这个整个一个神经纤维上面，离子进出的只有在郎飞氏结这里，这里的细胞膜跟外界有交流，所以离子能进出。图示讲解传导过程。这样的传导我们叫做saltatory conduction，叫做跳跃性传导。这种传导，相对来说，比无髓神经纤维传导要快。4. 一些概念还有几个概念性的东西我们需要了解。在学到生物电的时候，有两个概念很重要，叫excitation，兴奋，跟它相对应的一个词叫inhibition，叫抑制。这个人很兴奋，那是整个的一个状态。原来你比如说静止的，突然变成很明显的活跃，这个过程我们叫excitation；原来是静息的电位，后来就变成有一个动作电位，我们叫excitation。那么这个呢，excitability，兴奋性，那么就是它产生兴奋的能力。如果兴奋指的是产生动作电位的话，那么这个兴奋性也可以理解成为产生动作电位的能力。所以如果要在细胞上产生动作电位必须符合几个要求：第一，首先这个细胞必须属于能产生动作电位的细胞，excitable cells（可兴奋细胞）三大类是哪三类？肌肉细胞、神经细胞、腺细胞；第二，你必须给它一个刺激，这个刺激必须足够大，大到能够引起它的局部反应，引起它的分级电位慢慢增加，达到一个threshold（阈值）。你可以用物理刺激、化学刺激，也可以用电磁刺激。大家听说过电磁刺激现在已经应用于临床了吗？帕金森斯症现在都可以，但是对我们来说最简单最方便的是什么呢？用电刺激。所以这个是刺激强度，这个是刺激持续时间，中间是刺激随时间的变化，只有当三个达到某一定程度，才能够构成有效刺激。所以这三个要素，通常我们称为刺激三要素。这个就是刺激强度和刺激持续时间相互的一个关系。这里有两个概念，一个是rheobase，一个是chronaxie，这个好像是法语过来的。什么叫rheobase（基强度），比如说我刺激持续的时间足够长，比如说100秒，引起细胞能够兴奋的最低强度，持续时间足够长。然后chronaxie（时值）就是rheobase double，两倍的rheobase所需要的最小的刺激的持续时间。这两个都是判断一个细胞兴奋性的指标。好，那么像这样的情况，这里是动作电位，这里是刺激的强度，其他都固定，持续时间固定，强度变化率固定，只改变它的强度。如果我们的刺激强度逐步增加，你可以看到我们这个膜电位的改变，先有局部反应，这个分级电位graduate potential随着刺激强度的增加慢慢增加。当它这个刺激达到某一个程度，使得膜电位达到某一个阈值的时候，产生动作电位。再增加刺激强度，还是会产生动作电位，但是再大的刺激强度，最后的动作电位幅度一样。所以这个刺激我们叫做阈刺激，threshold stimulus，这个刺激强度，叫threshold intensity。所以每次动作电位都有一个什么呢？都有一个离子通道的变化。我们刚刚已经讨论个电压门控性的钠离子有几个状态？Closed and available，第二，open或者activity，第三个状态inactivity比较关键，它有个很重要的特点就是在这个时间，你电压再怎么变，这个通道能不能再打开？它是not available。所以在一个动作电位产生了以后，因为钠通道有一个时间依从性的特点，从失活状态恢复到备用状态的过程，你会发现如果用额外刺激法来做的话，在动作电位发生后的有一段时间你给它刺激，它的幅度会变小。也就是说在这一状态下，有部分钠通道是处于失活状态。然后在有一段时间里，再怎么刺激下去，不能够产生动作电位。那么也就是说在这个阶段，差不多几乎所有的钠通道都处于失活的状态，我们叫它absolute refractory period，后面这个时期叫做relative refractory period。这是相关的一些跟绝对不应期和相对不应期相关的一些离子机制。思考题：在一条神经纤维上的不应期是怎么变化的？ 5. 影响兴奋性的因素最后一个内容，有哪些因素会影响到兴奋性？首先，要产生动作电位，这个膜电位受到刺激以后，要从静息电位增大到这个水平（阈电位），才能够产生。那么这个两者之间的距离是不是一个影响因素，靠得近兴奋性怎么样？高，是吧。如果拉得远，低。换句话说如果静息电位掉下来，兴奋性高还是低啊？低。静息电位上去，兴奋性高。如果静息电位在这里呢？兴奋性很高，会怎么样？细胞是一直处于产生动作电位状态，还是不产生？思考一下啊。再一个，通道的状态，刚刚我们讲到钠通道有个特殊的状态，就是失活状态，没有办法再引发兴奋。思考题：大三医学生误给病人静脉注射了氯化钾，细胞外的钾离子增加，你想会发生什么呢？应该是哪个？给我一个答案。动作电位变大变小还是不变？S: 变小。动作电位会变小。小结我们稍微总结一下。这一节课我们讲了动作电位去极化、