细胞生物电现象PPT课件

第二节细胞生物电现象与兴奋性 第二节教学目标 一 掌握内容 1 静息电位和动作电位概念及其产生机制 2 极化 去极化 复极化 超极化 反极化 超射 阈值 阈电位 局部电位 局部电流 跳跃传导 二 熟悉内容 1 刺激引起兴奋的条件 膜电位的证明方法 全与无 含义 时值 阈下刺激 阈上刺激 掌握内容 1 静息电位和动作电位概念及其产生机制 2 极化 去极化 复极化 超极化 反极化 超射 阈值 阈电位 局部电位 局部电流 跳跃传导 熟悉内容 刺激引起兴奋的条件 膜电位的证明方法 全与无 含义 时值 阈下刺激 阈上刺激 兴奋性 机体对于刺激所具有的反应能力 表现形式 兴奋 由静动 弱强抑制 由动静 强弱 复习一 基本概念 刺激 内外环境一切变化的因素 反应 机体发生的相应改变 复习二 可兴奋细胞及其特点 共同特点 兴奋时均发生电位变化 可兴奋细胞 对于刺激反应明显的细胞 如 神经 骨骼肌 腺体等细胞 生物电的临床应用 心电图 脑电图 肌电图 胃肠电图 视网膜电图 脑干电位等 可兴奋细胞的生物电现象 产生形式 以细胞为单位 物质基础 细胞膜内外两侧带电离子跨膜移动的结果 生物电现象 细胞不论在安静或活动时 都具有电变化的现象 表现形式 安静状态下 静息电位 兴奋状态时 动作电位 一 神经和骨骼肌细胞的生物电现象 现代 膜片钳 单一离子通道 膜片钳 19世纪中叶 电位计 图 20世纪30年代 阴极射线示波器 图 40 50年代 微电极 电压钳技术 生物电现象的观察和记录方法 了解内容 阴极射线示波器观察生物电现象的实验装置 一 细胞的静息电位与动作电位 掌握 RP实验现象 1 静息电位 restingpotentialRP 细胞处于安静状态时 膜内外存在的电位差 RP现象的观察 了解 甲 当A B电极都位于细胞膜外 无电位改变 证明膜外无电位差 乙 当A电极位于细胞膜外 B电极插入膜内时 有电位改变 证明膜内 外之间有电位差 丙 当A B电极都位于细胞膜内 无电位改变 证明膜内无电位差 不同组织细胞的RP值 了解 复极化 去极化后再向极化状态恢复的过程 如由 50mv 70mV 与RP相关的概念 掌握 极化 以膜为界 膜电位呈内负外正状态 超极化 膜内电位绝对值大于RP电位 如由 70mv 100mV 去极化 膜内 外电位差的绝对值减小 如由 70mv 50mV 2 动作电位 actionpotentialAP AP实验现象 在RP基础上 细胞膜受到适宜刺激后 膜表面产生快速而可逆的电位变化 细胞膜内记录到的AP的波形 去极相 上升支 下降支 AP波形形成过程 刺激 去极化 零电位 反极化 超射 复极化 后电位 负 正 复极相 与AP相关的概念 反极化 膜电位由外正内负变为内正外负的反转过程 又称超射 锋电位 特指神经纤维AP波形 后电位 AP复极到RP水平前呈现时间较长 波动较小的电位变化过程 包括 负后电位和正后电位 二 生物电现象的产生机制 掌握 静息状态下膜内外离子分布不同 构成离子扩散动力 1 产生条件 静息状态下膜对离子通透性不同 决定何种离子扩散 1 静息电位 静息状态下膜内外主要离子分布及膜对离子的通透性 了解 2 静息电位 RP 的产生过程 熟悉 膜通透性的本质 通道的状态 K 通道处于开放 其他离子通道则处于关闭状态 静息电位 膜通透性的大小顺序 K Cl Na A K 易化扩散产生的平衡电位示意图 RP产生过程小结 熟悉 K i顺浓度差向膜外扩散 A i不能向膜外扩散 K i 膜内电位 负电荷增多 K o 膜外电位 正电荷增多 膜外为正 膜内为负的极化状态 当扩散动力与阻力达到动态平衡时 静息电位 RP 结论 掌握 静息电位 RP 产生机制 是K 易化外扩散的结果 RP K 平衡电位 3 RP的实验证明 1 Nernst公式计算法 2 改变细胞膜内外K 浓度 3 K 通道阻断法 R TZ F In K o K i EK 验证实验 1 根据Nernst公式 K 平衡电位值可由膜两侧的K 浓度算出 R 气体常数 T 绝对温度 Z 离子价数 F 法拉第常数 8 31 27 273 1 96500 2 3Iog K o K i EK V 59 5Iog K o K i mV 计算得出哺乳动物骨骼肌的K 平衡电位 EK 是 95mV 测量得到的静息电位数值为 90mV 改变膜内外K 浓度对RP值影响 验证实验 2 验证实验 3 K通道阻断剂四乙胺 可使RP消失 新进展 中药成分川芎嗪等能够影响细胞膜上K 通道状态 所以能够直接影响心肌细胞兴奋性 表现心率下降 细胞膜内外存在的K 浓度差和安静状态下细胞膜主要对K 有通透性 K 顺浓度差跨膜扩散达到平衡状态 是静息电位的产生机制 总结 膜受到刺激时 K 通道关闭 Na 通道开放 膜内外存在Na 浓度差 膜外高于膜内 Na O Na i 10 1 静息时Na 通道关闭 Na 通道开放 Na 进入膜内 1 产生条件 2 动作电位 AP产生与Na内流关系动作电位 Na 易化扩散产生的平衡电位示意图 Na Na 细胞外 细胞内 1Na Na 浓度差 12Na RP 去极相 RP Ap产生的机制 K K 细胞外 1Na 12Na 细胞内 Na K 静息期 复极相 Ap产生的机制 细胞受到刺激 细胞膜上少量Na 通道开放 Na 顺浓度差少量内流 膜内外电位差 当膜内电位达到某一水平时 Na 通道大量开放 Na 顺电 化学差 再生式内流 膜内负电位减小到零并变为正电位 AP上升支 Na 通道关闭 同时K 通道激活开放 K 顺浓度差 迅速外流 膜内电位迅速下降 恢复到RP水平 AP下降支 Na i K O 激活Na K 泵 Na 泵出 K 泵回 离子恢复到兴奋前水平 2 AP产生过程 复极化 降支 Na 通道失活K 通道开放K 外流 去极化 升支 Na 通道大量开放Na 内流 小结 AP产生机制 AP过程中膜对Na 与K 电导性在时间上相互关系 动作电位 AP Na 的平衡电位 可以用Nernst公式计算 结论 后电位是Na K 泵活动增强引起 意义 与细胞的兴奋性有关 刺激的时间 强度变化率 一 刺激引起兴奋的条件 刺激强度 刺激持续时间 二 兴奋的引起和兴奋在同一细胞上的传导 1 刺激强度 阈值 引起组织与细胞兴奋的最小刺激强度 阈刺激 阈值的刺激强度 意义 是衡量某一组织与细胞兴奋性高低的客观指标 阈上刺激 阈刺激 阈值 阈下刺激 阈刺激 阈值 时值 二倍基强度条件下的利用时 2 刺激时间 基强度 在刺激作用时间足够条件下 引起兴奋的最小刺激强度 利用时 基强度条件下引起细胞兴奋所需要的最短作用时间 可兴奋组织的强度 时间曲线 3 刺激时间 强度变化率 变化率快 以最短时间达到阈值 AP容易发生 变化率慢 以缓慢速度达到阈值 AP不容易发生 二 阈电位与动作电位 思考的问题 组织细胞兴奋即产生AP 为什么必须达到阈刺激 阈强度 水平 AP发生的实质是 离子通道的激活 Na的快速 大量内流 阈电位与AP发生AP Na 通道属于电压依赖性通道 引起细胞膜表面钠通道大量开放 进而产生动作电位的膜电位 阈电位值 比静息电位的绝对值小10 20mV 阈电位 thresholdpotential 掌握 阈刺激与阈电位的关系 阈刺激 是膜被动去极化到阈电位水平的外部条件 阈电位 膜自动去极化而爆发AP的膜环境条件 三 阈下刺激与局部反应 局部反应 阈下刺激引起的低于阈电位的去极化 即局部电位 也称局部兴奋 局部电位特点 1 可以是超极化或去极化 2 电位幅度随刺激量的增强而增大 3 电位以电紧张方式呈衰减性扩布 4 具有总和效应 包括时间性总和与空间性总和 5 由阈下刺激产生 细胞受到刺激 细胞膜上少量Na 通道激活而开放 Na 顺浓度差少量内流 膜内外电位差 局部电位 当膜内电位变化达到阈电位时 Na 通道大量开放 Na 顺电 化学差 再生式内流 膜内负电位减小到零并变为正电位 AP上升支 Na 通道关闭 同时K 通道激活开放 K 顺浓度差 迅速外流 膜内电位迅速下降 恢复到RP水平 AP下降支 Na i K O 激活Na K 泵 Na 泵出 K 泵回 离子恢复到兴奋前水平 动作电位 AP 的产生机制 动作电位与局部电位的区别 区别要点动作电位局部电位刺激强度阈值以上刺激阈下刺激电位波动阈电位上阈电位下总和现象无有 空间 时间 全与无有无扩布性质不减衰衰减性 四 细胞兴奋性周期变化与通道状态 在循环系统一起论述 五 兴奋在同一细胞上的传导传导形式无髓神经 局部电流式传导 有髓神经 跳跃式传导 有髓鞘N纤维为远距离 跳跃式 局部电流 兴奋部位膜内为正电位 膜外为负电位邻近静息部位膜内为负电位 膜外为正电位 在兴奋部位和静息部位之间存在着电位差 膜外的正电荷由静息部位向兴奋部位移动膜内的负电荷由兴奋部位向静息部位移动 形成局部电流 膜内 兴奋部位相邻的静息部位的电位上升膜外 兴奋部位相邻的静息部位的电位下降 去极化达到阈电位 触发邻近静息部位膜爆发AP 传导机制 动作电位产生部位 无髓鞘神经纤维 近距离局部电流 动作电位沿膜依次产生 2 有髓鞘神经纤维跳跃式局部电流 跳跃传导 动作电位只在朗飞氏结处产生 接头神经肌肉兴奋传导 exe肌丝滑行 exe 骨骼肌的收缩是神经冲动传到末梢时 兴奋经神经 骨骼肌接头传递给肌肉 引起肌肉的兴奋和收缩 第三节骨骼肌的收缩功能 躯体运动神经调控下的骨骼肌活动 一 骨骼肌的微细结构 一 肌原纤维与肌小节肌原纤维上每一段位于两条Z线之间的区域 称为肌小节 是肌细胞收缩的基本结构和功能单位 肌原纤维肌小节 1 2明带暗带1 2明带 粗肌丝雨细肌丝的结构关系 由肌球蛋白 肌凝蛋白 组成体部 横桥横桥 与细肌丝 肌纤蛋白 结合位点进行可逆结合 牵拉细肌丝向M线摆动 具ATP酶功能 分解ATP获得能量 M线 1 粗肌丝 二 肌丝分子结构 2 细肌丝 肌动蛋白 原肌球蛋白 细肌丝 肌动蛋白 肌纤蛋白 表面有与横桥结合的位点 静息时被原肌球蛋白掩盖 原肌球蛋白 原肌凝蛋白 静息时掩盖结合位点 肌钙蛋白 与Ca2 结合变构后 使原肌球蛋白位移 暴露出结合位点 骨骼肌舒张状态结构示意图 骨骼肌收缩状态结构示意图 三 肌管系统 横管系统 T管 肌膜凹入形成 将兴奋传导到深部 纵管系统 L管 肌浆网 有钙泵 终池 钙通道 钙库 三联管 肌浆网终末池与横管末端 三 骨骼肌的兴奋 收缩耦联概念 将细胞的电兴奋和机械收缩联系起来的中间机制 称为兴奋 收缩耦联 三个主要步骤 AP在肌膜上的扩布传导 三联管处的信息传递 肌浆网 纵管系统 中Ca2 的释放 IP 3 三联管信息传递 钙内流触发 第二信使IP3触发 四 骨骼肌收缩的分子机制 收缩机制 肌丝滑行理论 横桥摆动动画 肌小节缩短 肌细胞收缩 牵拉细肌丝向肌节中央滑行 横桥摆动横桥 横桥与结合位点结合 分解ATP释放能量 原肌球蛋白位移 暴露细肌丝上的结合位点 Ca2 与肌钙蛋白结合肌钙蛋白构型改变 终末池膜上的钙通道开放终末池内的Ca2 进入肌浆 肌丝滑行理论 肌膜AP沿横管膜传至三联管 终末池膜上的钙通道开放终末池内Ca2 进入肌浆 Ca2 与肌钙蛋白结合引起肌钙蛋白的构型改变 原肌凝蛋白发生位移暴露出细肌丝上与横桥结合位点 横桥与结合位点结合激活ATP酶作用 分解ATP 横桥摆动 牵拉细肌丝朝肌小节中央滑行 肌小节缩短 肌细胞收缩 小结 骨骼肌收缩全过程 兴奋 收缩耦联 肌丝滑行过程 肌丝滑行理论的几点说明 肌细胞收缩时肌原纤维的缩短 并不是肌丝本身缩短 而是细肌丝向肌小节中央 粗肌丝内 滑行 横桥的循环摆动 细肌丝向肌小节中央 粗肌丝内 滑行 滑行中由于肌肉的负荷而受阻 便产生张力 横桥的循环摆动在肌肉中是非同步的 从而肌肉产生恒定的张力和连续的缩短 横桥循环摆动的参入数目及摆动速率 是决定肌肉缩短程度 速度和肌张力的关键因素 骨骼肌的舒张机制 兴奋 收缩后 肌膜电位复极化 终池膜对Ca2 通透性 肌浆网膜Ca2 泵激活 肌浆网膜 Ca2 Ca2 与肌钙蛋白解离 原肌凝蛋白复盖的横桥结合位点 骨骼肌舒张 五 骨骼肌收缩的形式及力学分析 一 肌肉收缩的形式1 单收缩与强直收缩 单收缩 肌肉受到一次刺激 引起一次收缩和舒张的过程 强直收缩 肌肉受到连续刺激 前一次收缩和舒张尚未结束 新的收缩在此基础上出现的过程 可分为 不完全强直收缩 完全强直收缩 机制 强直收缩是各次单收缩的机械叠加现象 2 等长收缩与等张收缩 等长收缩 肌肉收缩时 只有张力增加而长度不变的收缩 称为等长收缩 等张收缩 肌肉收缩时 只有长度缩短而张力不变的收缩 称为等张收缩 说明 当负荷小于肌张力时 出现等张收缩 当负荷等于或大于肌张力时 出现等长收缩 正常人体骨骼肌的收缩大多是混合式的 而且总是等长收缩在前 当肌张力增加到超过后负荷时 才出现等张收缩 二 肌肉收缩的力学分析1 前负荷 前负荷是指肌肉收缩之前就加在肌肉上的负荷 前负荷决定肌小节的初长度 决定粗 细肌丝的重叠程度 影响肌张力 当某一前负荷使肌小节处于最适初长 2 0 2 2 m 时 粗 细肌丝的重叠最佳 肌缩速度 幅度和张力达到最大 此时的前负荷为最适前负荷 大于或小于最适前负荷 肌小节初长 或 肌张力都下降 2 后负荷 后负荷是指肌肉开始收缩时才遇到的负荷或阻力 在等张收缩条件下观察 后负荷 肌缩速度 和张力 后负荷 肌缩速度 和张力 后负荷为0时 肌缩速度为最大 V0或Vmax 张力为最小 后负荷增大到肌缩速度为0时 张力为最大 P0 曲线1 张力 速