




版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、 第四章 细胞电活动 兴奋: 生物组织可以对外界刺激(机械,温度,电,化学)发生反应,当刺激达到一定阈值时,生物组织发生反应,这一过程称为兴奋。 1 在神经,肌肉等细胞中,这种能力高度发展,所以称为可兴奋细胞。主要表现是对外界刺激的反应是细胞膜的电位发生快速的改变。 其它组织细胞也可以对外界刺激发生反应,但主要表现不是细胞膜电位的变化,一般称为非兴奋性细胞。 区别:膜电位的变化如:神经,肌肉,感受器等可兴奋细胞。2 4.1 膜的电学特性 膜是由脂类物质构成的,脂类物质在电学上近乎绝缘;但蛋白质组分特性、构象及膜上位置变化,造成膜两侧某种特定导电状态。 对于生物膜组织有跨膜的电阻Rm和跨膜的电容
2、Cm。3 可兴奋细胞Rm随膜兴奋状态(通道蛋白状态)而变化,而Cm则变化不明显。一. 一小段膜的等效电路图:RmCm4rorororiririrmrmrmrmCmCmCmCm 长柱形细胞,如神经轴突和肌纤维细胞,其长度远大于细胞直径,可用电缆模型描述。5CmgKEKgClgNaEClENa胞外胞内6 4.2 静息电位 (Resting Potential, RP) 细胞在没有受到刺激(静息)的状态下,跨细胞膜的电位。7一. 检测静息电位的实验来源:枪乌贼的巨轴突,直径为1mm, 可在肉眼下观察和操作。采用微电极技术89高阻抗前置放大器示波器3M KClAg-AgCl2 3 m细胞微电极记录:1
3、0静息电位: 细胞在静息状态下,细胞膜内外两侧存在电位差,外侧为+,内侧为-,这一外正内负的电位差称为静息电位。 几乎所有的细胞(可兴奋和非兴奋细胞)都存在静息电位,但不同细胞的静息电位的大小有差别。 神经细胞:-60 -70mV 心肌细胞:-90mV 红细胞 : -10mV 一般来说,可兴奋细胞静息电位较大,非兴奋细胞静息电位较小。11 1. 离子在膜的内外两侧分布不平衡 在细胞内液和外液中,有Na+、K+、Cl-、Ca+等各种离子和一些带电荷的蛋白质分子,一般细胞内液和外液中各自正负电荷是相等的,但同一离子在细胞内外液中浓度却相差很大。 细胞整体表现为电中性的。二.静息电位的离子基础12细
4、胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞13613835164154胃肠平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突3694439134985202.三种主要离子的跨膜分布 K+ Na+ Cl-133.形成跨膜离子分布不平衡的成因14三.离子平衡电位1.在简单理想的状态下的离子平衡电位分析K+ 假设胞内有两种离子K+、P-组成, K+可透过细胞膜, P-不能透过细胞膜。15P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+E16
5、化学梯度的存在, K+可细胞外流动。当K+出去后,形成电场,电场方向,阻止K+出来。 K+移动受到两个作用: 化学势和电位势。 当化学势和电位势平衡后, K+停止流动,此时为K的平衡电位。172. 离子的电化学势计算: = 0 + RTlnCK+ + ZF电位势化学浓度势标准状态下 的化学势R:气体常数;T:温度;CK+:离子浓度 Z:电荷数,价;F:法拉第常数;:电位18i= 00+RTlnK+i+ZFi= 0+RTlnK+o+ZFo = i -o=(RT/ZF)ln(K+o/ K+i) 计算离子跨膜电位差(离子平衡电位)的Nernst方程: = (RT/ZF)ln(K+o/ K+i)离子跨
6、膜运输达到平衡时,两侧的电化学势相等:19对钾离子: = (RT/ZF)ln(K+o/ K+i) =2.303 (RT/ZF)log (K+o/ K+i) =(58/Z) log (K+o/ K+i) = -58 log (K+i/ K+o)K+: about 70 mV; Na+: 40-60 mVCl-: -20 mV; Ca2+: more than 100mV20 3.建立这一电位需要多少离子跨膜?建立-70mv的跨膜电位需多少K+流出?K+的跨膜转运是否会影响细胞内外K+的浓度? 21根据Faraday定律 n=Q/(ZF)=CV/(ZF) 枪乌贼巨轴突,直径1mm, 膜电容1F/c
7、m2, K+的平衡电位是-70mV, n=10-60.07/96500=7.25 10-13mol/cm2 7.25 10-13mol/cm2的K+ 跨膜移动,形成-70mV的膜电位,1cm2内K+的数量为3 10-5mol,所以基上不影响离子的浓度。22细胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞13613835164154胃肠平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突369443913498520四. 在实际条件下的细胞静息电位 细胞内外各种离子的浓度23 不同离子的平衡电位是不同的,而细胞的静息电位由跨膜分布的各种离子共同决定的(几
8、种离子的加合作用),并与细胞膜对各种不同离子通透性有关。K+: about 70 mV; Na+: 40-60 mVCl-: -20 mV; Ca2+: more than 100mV 通透性大的离子对细胞 静息电位的贡献大。24细胞膜对各种离子渗透能力不同: PK : Pna : PCl=1.0 : 0.04 : 0.45 细胞静息电位由跨膜分布的离子共同决定,并与其通透性有关系,通透性大的离子对静息电位的贡献大。25 对某一离子是平衡电位,对细胞是静息电位。26五.Goldman-Hodgkin-Kalz方程 计算细胞静息电位的方程 1.问题的提出: K+平衡电位约70mV,细胞静息电位-
9、70mV左右,K+平衡电位是否决定细胞静息电位? ( K+的通透性最高)PK : Pna : PCl=1.0 : 0.04 : 0.4527K+平衡电位细胞外K+浓度膜静息电位证实:实验:改变细胞外K+浓度,观察跨膜电位差 的变化。28当K+o高时,实测膜电位与Nernst公式计算值近似。当K+o低时,实测膜电位与Nernst公式计算值相差 较大,原因是忽略了Na+、Cl-对膜电位的影响。29 2. 所有离子的流动达到平衡,形成静息电位。 将可扩散的离子K+、Na+、Cl- 的电化学势和通 透性考虑在内,经过繁琐的推导,得到 Goldman-Hodgkin-Kalz方程: (用于计算细胞的跨膜
10、电位,即静息电位)30六.静息电位的生理意义1.与膜的兴奋性有关, 膜的兴奋性与静息电位与阈电位的差值有关。2.是一种能量储备形式 通过钠泵的活动,维持膜内外钾、钠、氯离子的不对称分布,形成膜电位,是一种势能储备。在此基础上爆发的动作电位,钠离子扩散的能量来源于势能的储备。3.维持兴奋的不衰减性 兴奋由局部电流激发,但兴奋发生的能量来自储备的势能。只要膜电位相等,兴奋的传导就不会率减。31七.考虑膜电位,膜上不同离子的电导,修正 后膜的等效电路CmgKEKgClgNaECENa胞外胞内1.加入离子的平衡电位E2.电导g表示各种离子的通透性32 4.3 动作电位(ActionPotential,
11、AP) 细胞在受到刺激后,产生的细胞膜的电位的变化。33高阻抗前置放大器示波器微分器记录仪刺激器隔离器一. 动作电位的检测34脉冲电刺激35二. 动作电位1.动作电位各部分的名称: 去极化 复极化 超极化 超射 阈电压 阈强度3637“全” 或 “无” 要么有AP,要么无AP。不衰减性传导 同一细胞,AP的形状和幅值是固定的、不变的,不随刺激强度和传导距离而变,即AP与细胞本身和状态有关,与刺激无关。脉冲式 由于不应期的存在,使连续多个动作电位不会融合,两个动作电位间总有一定间隔。2. 动作电位的特点38三.动作电位的成因-Na学说1.第一个问题提出:动作电位是怎样产生的?2.第二个问题提出:
12、膜对离子的通道性是增加? 减少?3.第三个问题提出:对哪种离子的通透性增加?39问:动作电位是怎样产生的?答:动作电位是细胞受到刺激时产生的电位变化。问:电位的变化是怎样形成的?答:电位的变化必然有电流的形成,由于电流的存在导致电位的变化。问:跨膜电流怎样形成的?答:静息时,离子跨膜流动达到平衡,动作电位时,膜对离子的通透性不同于静息状态。40问:对哪种离子的通透性增加? K+ ? Na+ ? Cl- ?问:膜对离子的通道性是增加?减少?答:测量膜电阻,动作电位时,膜电阻降低,对离子的通透性增加。41 CmgKEKgClgNaEClENa胞外胞内42根据Goldman-Hodgkin-Kalz
13、方程: 跨膜电位与离子的通透性关系,通透性最大的离子对膜电位的决定性最大。(膜电位趋向通透性最大的那种离子的平衡电位)43 若PK,则K; K = -70mv-80mv 若PNa,则Na; Na = 40mv 50mv 若PCl,则Cl; Cl = -20mv 动作电位形成超射时,0mV, 而只有Na0,故去极化极有可能是Na+通透性增加引起的。 这种观点叫动作电位的Na+学说。444.如何通过实验来证明动作电位的Na+学说?实验: 改变骨骼肌细胞、神经细胞等内、外的Na+浓度,观察动作电位变化。45改变细胞内外的Na+浓度 (1)去除胞外Na+ (用其他物质来维持渗透压) (2)逐渐增加细胞
14、外的Na+浓度,但低于正常值 (3)细胞外的Na+,高于正常值 (4)增加胞内Na+ (直接注入Na+)胞外Na+0正常水平(1) (2)(3)46改变细胞内外的Na+ 浓度 (1)去除胞外Na+ (用其他物质来维持渗透压) 可维持细胞的静息电位,却形不成动作电位 (2)逐渐增加细胞外的Na+浓度,但低于正常值 动作电位逐渐产生,但幅值低于正常水平 (3)细胞外的Na+浓度,高于正常值 动作电位高于正常水平 (4)增加胞内Na+浓度(细胞内外浓度梯度下降) 动作电位幅值降低47control, 2. low Na+ concentration, 3. Return to control Na+
15、 concentration48 从以上实验说明:细胞内外Na+变化时,对动作电位影响极大,所以动作电位时,Na+通透性增加。 K决定细胞膜的静息电位,Na+变化影响动作电位的变化。49 静息时,PK:PNa:PCl=1.0 : 0.04 : 0.45 去极化时,PK:PNa:PCl=1.0 : 20 : 0.45 膜对Na+的通透性明显增加,所以一次动作电位时,膜电位Na(膜电位趋于通透性最大的那种离子的平衡电位)测量静息电位和动作电位时离子的通透性:505.动作电位的形成过程: 外界刺激细胞膜的gNa,实际上是Na+开放的过程。开始时Na+内流膜去极化,膜电位从-70mV-60mV,到一定
16、程度,触发gNa迅速,使Na+快速内流,形成去极化。 动作电位的形成是正反馈的过程,所以计算某一电位下Na+内流情况很难。514.4 电压钳技术和膜片钳技术voltage clamp and patch clamp techniques52一.背景 生物科学的发展常常是技术方法的进步所推动的 1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和 Sakmann发明膜片钳技术 Patch clamp techniques 给电生理学、细胞生物学的发展乃至整个生物学带 来一场革命 对离子通道的功能及细胞功能的调控研究起巨大推 动作用53Patch clampErwin NeherBert Sakman
17、n Neher和Sakmann获得1991年度的诺贝尔生理学与医学奖 54二.电压钳(voltage clamp)技术电压钳技术是通过向细胞内注射一定的电流,抵消离子通道开放时所产生的离子流,从而将?在某一数值。 由于注射电流的大小与离子流的大小相等、方向相反,因而它可以反映?的大小和方向。55比较器放大器指令电压测量电流发生器56Voltage Clamp 电压钳技术57钳住电压测电流 负反馈系统 在双电极电压钳记录中,一根电极用于监测细胞膜电位,另外一根电极用于注射电流;在单电极电压钳记录中,监测电压与注射电流都采用同一根电极。1950年,Hodgkin(霍奇金 )、Huxley(赫胥黎
18、)等人创造性地运用了电压钳位技术,研究了枪乌贼轴突膜上的钠、钾电流,并提出了H-H方程。 1963年度诺贝尔医学生理学奖 58双电极电压钳 59三. 膜片钳技术 Patch clamp techniques 1.原理膜片钳技术钳制的是“膜片”采用尖端经过处理的微电极与细胞膜发生紧密接触,使尖端下的这片细胞膜在电学上与其他细胞膜分离大大降低了背景噪声;使单通道微弱的电流得以分辨出来得益于特殊设计的低噪声膜片钳放大器60三.膜片钳技术1.膜片钳61Inside CellExtracellular62 一种记录通过离子通道微小电流的技术。用微电极来接触细胞膜。用1010 以上的大阻抗使电极的尖端开口
19、处和细胞膜“封接”(与周围绝缘)。在此基础上,固定膜电位,测量该膜片上离子通道的离子电流(pA级) 。63642.膜片钳技术的基本操作过程将玻璃微电极(直径通常为1-5m) 轻轻地接触在细胞膜表面给尖端施加负压,在玻璃电极壁 与膜之间形成紧密接触高阻封接 Gigaohm seal 电阻达101065离子不能从玻璃电极尖端与膜 之间通过,只能从膜上的离子通道进出回撤电极,细胞膜被撕下一片记录小片膜的跨膜离子电流若膜上只有一个离子通道单通道电流一般:一至几个通道不等66673.膜片钳技术的基本记录模式细胞吸附记录模式(cell-attached patch) 内面向外记录模式(inside-out
20、 patch) 外面向外记录模式(outside-out patch) 全细胞记录模式(whole-cell recording) 前三种为单通道记录模式 6869内面向外记录模式外面向外记录模式全细胞记录模式细胞吸附记录模式7071727374四.膜片钳实验所记录到的电流 单通道电流75 全细胞电流76777879808182CmgKEKgClgNaECENa胞外胞内从膜的等效电路考虑:83 膜电压从65mV(静息电位)突然去极化到 10mV,得到总电流 I。 膜电压从65mV(静息电位)去极化到10mV, 溶液中去除了Na+,记录IK。 膜电压从65mV(静息电位)去极化到10mV, 阻断K+,记录Ina。 分析总电流的组成成分:记录总电流:84结果:65mV10mVIIKINa0电容放电的电流85电压钳实验所记录到的电流: 电容放电电流 内向电流:流入细胞 外向电
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 江苏省淮安市本年度(2025)小学一年级数学统编版阶段练习(下学期)试卷及答案
- 2025-2030年中国散热排风机市场运行新形势与投资前景报告
- 大学生要如何网络安全防范论文
- 英语中国文化阅读教学设计
- 2025届江苏省徐州一中高三六校第一次联考英语试卷含解析
- 湖南省长沙市岳麓区湖南师范大学附中2025届高三(最后冲刺)英语试卷含解析
- 职业技能鉴定初级光纤通信模拟题及参考答案
- 【9道 一模】2025年4月邯郸市邯山区七校联考中考一模道法试卷含答案
- 北京市第五十七中学2024-2025学年高二下学期期中考试英语试题(原卷版+解析版)
- 稀有金属矿选矿厂安全生产标准化实施指南考核试卷
- 完整版高中古诗文必背72篇【原文+注音+翻译】
- 财务英文词汇大全
- 实际控制人股东会决议
- 中考物理“极值”与“取值范围”问题专题训练
- 2009年安徽省中考化学试卷【含答案可编辑】
- 越南工业到2025年发展战略及到2035发展展望(提到钢铁)
- 电梯曳引机减速箱的设计、建模与运动仿真分析机械
- PV-1200-(中文版)气候交变稳定性试验(共4页)
- 淮北市基准地价
- 《给教师的100条建议》电子书
- 老视的机制及治疗的研究进展
评论
0/150
提交评论