第二章 细胞的基本功能 第三节

第二章,细胞的基本功能,细胞的生物电活动,第三节,作者:祁金顺、封启龙,单位:山西医科大学,生理学（第9版）,当细胞外液为0电位时：,细胞在安静状态下存在于细胞膜内、外两侧的电位差,神经纤维静息电位测定示意图,一、静息电位（restingpotential,RP）,（一）静息电位的概念,骨骼肌细胞内：约-90mV神经纤维内：-70-90mV平滑肌细胞内：-50-60mV红细胞内：-10mV,静息电位大小表示：细胞内负值大小,生理学（第9版）,几个与静息电位关联的名词,极化（polarization）：安静状态下细胞膜两侧外正内负的稳定状态去极化(depolarization）：静息电位减小或细胞内负值减小的过程或状态,超极化(hyperpolarization)：静息电位增大或细胞内负值增大的过程或状态复极化(repolarization)：细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程反极化（reversepolarization）：外负内正的状态超射（overshot）：膜电位超过零电位的部分,静息电位模式图,超射,生理学（第9版）,假设安静时细胞膜仅对K+离子有通透性：K+浓度差，促进K+向外扩散K+向外扩散形成的电场力，阻止K+进一步向外扩散当电化学驱动力等于零时，K+净移动为零静息电位应该等于K+的平衡电位,膜学说（1902年，Bernstein）：细胞内外离子分布不同：膜内高K+，膜外高Na+细胞膜对离子的通透性不同：安静时K+通透性远大于Na+（50100倍）,（二）静息电位的产生机制,钾钠离子扩散电位形成示意图,生理学（第9版）,离子的平衡电位（EX）可用Nernst公式计算:,细胞内液和细胞外液中主要离子的浓度和电位,生理学（第9版）,1.静息电位主要是K+外流形成的证实：,测量的静息电位与计算的K+平衡电位接近,枪乌贼巨轴突实验（1939，Hodgkin和Huxley）测得RP数值-60mV（计算的EK为-75mV),改变膜两侧K+浓度差，静息电位随之改变,问题：为什么实际测得的静息电位不是等于而是接近于（略小于）EK？,电极管,静息电位图,生理学（第9版）,2.少量的Na+内流也参与了静息电位形成部分抵消了K+外流形成的膜内负电位,3.Na+泵的生电作用增大细胞内的负值,直接作用：生电性活动引起膜超极化，参与RP形成，但贡献不大（Na+i；K+iK+o2）电场力：静息电位内负外正，推动Na+，阻止K+膜对离子的通透性（膜电导）,带电离子跨膜移动产生离子电流,（二）动作电位的产生机制动作电位本质带电离子跨膜移动,生理学（第9版）,1电化学驱动力决定离子流动的方向和速度,概念：是浓度差和电位差两个驱动力的代数和，大小等于膜电位（Em）与离子平衡电位（Ex）的差值（Em-Ex）,静息状态时：,超射水平（去极化至+30mV）时：,K+的驱动力+20mV（外向）Na+的驱动力-130mV（内向）,K+的驱动力+120mV（外向）Na+的驱动力-30mV（内向）,生理学（第9版）,Na+内流引起去极化K+外流引起复极化,细胞膜受到有效刺激时Na+通透性一过性增强K+通透性随后进一步增强,2动作电位期间膜通透性的变化,动作电位产生的Na+学说,神经纤维动作电位模式图,K+外流,Na+内流,生理学（第9版）,（1）测定超射值（与ENa接近）（2）Na+离子取代（用葡萄糖或氯化胆碱替代胞外的NaCl）（3）放射性核素24Na+定量研究（4）直接测定细胞膜对离子的通透性（膜电导）,如何证实Na+学说？,生理学（第9版）,如何测定膜电导？,IX=GX(Em-EX)（1）GX=IX/(Em-EX)（2）,如何固定驱动力？电压钳（voltageclamp),基本原理：反馈电路向膜内注入电流，迫使膜电位始终与指令电位保持一致。,测定原理欧姆定律,电压钳实验示意图,生理学（第9版）,去极化内向电流外向电流说明：去极化引起了膜电导变化,电压钳测定电流的结果,离子电流分离（药理学）河豚毒（TTX）：阻断电压门控Na+通道四乙胺（TEA）：阻断电压门控K+通道,去极化引起Na+电导（GNa）首先一过性增大K+电导GK随后逐渐增大,以上结果表明,利用电压钳技术结合药理学手段记录到的全细胞膜电流,生理学（第9版）,电压依赖性GNa和GK随着去极化幅度的增大而增大意义：GNa和去极化呈现正反馈，快速去极化达到峰值；GK促使快速复极化；从而形成锋电位,GNa和GK的电压依赖性及时间依赖性,时间依赖性GNa快速、一过性增大GK缓慢、持续性增大意义：保证了先去极化，后复极化的顺序,GNa和GK的电压及时间依赖性示意图,生理学（第9版）,去极化过程（锋电位升支）有效的去极化刺激GNa迅速增加Na+内流膜迅速去极化复极化过程（锋电位降支）GNa减小，GK增大K+外流膜复极化,3.动作电位（锋电位）产生过程,动作电位、GNa、GK峰电位图,生理学（第9版）,4.膜电导变化的实质离子通道开闭,膜片钳（patchclamp）技术原理同电压钳，记录的仅是电极尖端的一小片膜，有可能记录到单个离子通道电流,Hodgkin提出离子通道的概念Neher和Sakmann证实，获1991年诺贝尔奖,单通道电流与全细胞电流关系,I=iPoN,I：宏膜电流；i：单通道电流；Po：开放概率；N：开放数目改变,单通道电流记录装置及所记录到的单通道电流,A.单通道电流记录装置示意图，FBA:反馈放大器B.连续记录的去极化激活的单通道K电流,生理学（第9版）,5.离子通道的功能状态,Na+通道,K+通道,两个闸门：激活门和失活门三种状态：静息、激活、失活,一个闸门：激活门两种状态：静息、激活,生理学（第9版）,指刚刚能够引起Na+通道大量开放、产生动作电位的膜电位临界值，也称为燃点（通常较RP小1020mV),1.阈强度（阈值）概念：引起动作电位的最小刺激强度几个相关概念阈刺激：指刺激强度相当于阈强度的刺激；阈下刺激：小于阈强度的刺激；阈上刺激：大于阈强度的刺激,2.阈电位,（三）动作电位的触发,生理学（第9版）,（四）动作电位的传播,1.动作电位在同一细胞上的传播传导原理：局部电流学说,安全性：局部电流的刺激强度远大于膜的阈强度，因而能可靠地引起动作电位胞外记录：兴奋部位的胞外是负电位,动作电位在神经纤维上的双向传导示意图,生理学（第9版）,髓鞘区特征,有髓鞘神经纤维AP的传导跳跃式传导,郎飞结特征,有髓纤维跳跃式传导的意义,减少能量消耗提高传导速度（空间常数大）,只有一层轴突膜，局部电流引起的去极化容易达到阈电位电压门控Na+通道密集，阈电位低,多层膜包裹，电位差平均分散电压门控Na+通道稀疏，阈电位高,动作电位在有髓神经纤维上的双向传导示意图,生理学（第9版）,2.AP在细胞之间的传播缝隙连接,缝隙连接意义,缝隙连接组成,六个连接蛋白形成一个连接子，每侧膜上的连接子端端相连，形成缝隙连接（细胞间通道）,细胞之间兴奋直接传播，实现多细胞的同步活动，如神经元之间（电突触）。心肌、部分平滑肌、神经胶质细胞及肝组织也有,动作电位通过缝隙连接在细胞之间传播,生理学（第9版）,1.兴奋性,（五）兴奋性及其变化,衡量组织兴奋性高低的指标阈强度（阈值）,兴奋性=1/阈值,兴奋性（excitability）：机体的组织或细胞接受刺激后发生反应的能力或特性。对于可兴奋细胞即为产生动作电位的能力兴奋（excitation）：细胞接受刺激后，功能活动由弱变强或由静止变为活动的过程。在现代生理学中，兴奋就是指动作电位或动作电位的产生过程可兴奋细胞（excitablecell）：神经细胞、肌细胞和腺细胞受刺激后能产生明显的兴奋反应（收缩或分泌等），并首先产生动作电位（具有电压门控Na+或Ca2+通道），故生理学将其称为可兴奋细胞,生理学（第9版）,2.细胞兴奋后兴奋性的变化,超常期：阈下刺激可引起兴奋（Na+通道基本复活，膜电位距阈电位近）,低常期：阈上刺激可兴奋（Na+通道完全复活，但膜电位距离阈电位较远）,绝对不应期：,多大刺激强度也不能再次兴奋（Na+通道处于失活状态）意义：（1）锋电位不叠加（2）限制锋电位发生最大频率,相对不应期：,阈刺激不能、但阈上刺激可引起动作电位（Na+通道少量复活）,兴奋性变化与动作电位的时间关系示意图,生理学（第9版）,三、电紧张电位和局部电位,（一）细胞膜和胞质的被动电学特性,1.膜电容（Cm）,膜电位示意图,1F/cm2,Vm：膜电位,Ctotal=2C,膜电容示意图,生理学（第9版）,2.膜电阻（Rm）或膜电导（G）,3.轴向电阻（Ri）,膜电阻：膜对电流流过的屏障或阻碍特性,单纯脂质：106109ohm/cm2（几乎绝缘）生物膜：103ohm/cm2（静息时离子通道和转运体活动）,膜电导：膜对电流流过的通行或导通的特性G=1/R,细长的神经纤维或肌纤维要考虑，取决于纤维直径和长度,轴向电阻示意图,膜电导示意图,生理学（第9版）,细胞膜等效电路相当于并联的阻容耦合电路,细胞膜等效电路示意图,生理学（第9版）,（二）电紧张电位(electrotonicpotential),注射电流观察跨膜电位变化轴向电阻使跨膜电流随距离延长而指数性衰减，相应的膜电位随距离延长也呈指数性衰减,电紧张电位的概念由膜的被动电学特性决定其空间分布（随传播距离而衰减）和时间变化（随时间逐渐增大）的膜电位称为电紧张电位,细胞膜的被动电学特性与电紧张电位示意图,生理学（第9版）,1.电紧张电位的两个重要参数及其意义,有髓纤维：膜电阻大，故空间常数大；膜电容小，故时间常数小。因此，AP传导速度也愈快,空间常数（l）,时间常数（t）,指膜电位衰减至最大值的37%时所扩布的空间距离l愈大（增大膜电阻或减小轴向电阻），电紧张电位扩布范围愈大，AP传导速度也愈快。（l一般为0.11mm）,指膜电位上升或下降到稳态值63%所需的时间t愈小（如减小膜电容），电紧张电位发生速度愈快，AP传导速度也愈快。（t一般为120ms）,细胞膜的被动电学特性与电紧张电位示意图,生理学（第9版）,2.电紧张电位的极性去极化电紧张电位：产生于细胞外负电极部位（相当于细胞内注入正电荷）意义：兴奋性增高，可诱发动作电位,3.电紧张电位的特征随刺激强度增大而增大（等级性）随扩布距离延长而指数性衰减（衰减性）反应大小可融合叠加，去极化电紧张电位达到一定程度可引起局部电位（膜的主动特性）,超极化电紧张电位：产生于细胞外正电极部位（相当于细胞内注入负电荷）意义：兴奋性降低,刺激和记录实验装置,生理学（第9版）,1.局部兴奋的概念,少量Na+通道激活产生的去极化膜电位波动生物体内的局部兴奋,细胞膜被动特性（无通道激活）电紧张电位细胞膜主动特性（部分通道激活）局部电位（去极化和超极化）,（三）局部电位（localpotential）,骨骼肌终板膜上的终板电位,生理学（第9版）,局部兴奋可叠加在去极化电紧张电位基础上,局部兴奋的实验装置和实验结果示意图,A.刺激和记录实验装置。刺激采用细胞外双极刺激，记录电位1置于细胞内靠近刺激电极负极处，记录电极2置于细胞内靠近刺激电极正极处。B.细胞内记录的膜电位变化。静息电位水平以上为记录电极1记录到的去极化电紧张电位和局部兴奋（阴影部分），静息电位水平以下为记录电极2记录到的超极化电紧张电位,生理学（第9版）,2.局部电位的特征（同电紧张电位）：,3.局部电位的意义,时间总和（temporalsummation）：多个局部兴奋先后叠加空间总和（spatialsummation）：多个局部兴奋同时叠加,反应幅度呈“等级”性，没有“