(医实医检生理)细胞的生物电现象课件

Cellphysiology(2)祝世功北京大学医学部生理学与病理生理学系Bioelectricphenomenaofcell细胞的生物电现象1Content细胞的生物电现象静息电位及其形成原理动作电位及其形成原理动作电位的传导局部电位与膜的兴奋性兴奋性和刺激引起兴奋的条件2一、静息电位及其形成原理(restingpotentialandformationprinciple)**3RestingPotential(RP)电位：细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。RecordingRP：记录细胞内电位，外正,内负将细胞外电位定为0时，多数细胞的静息电位在-10mV-100mV。

骨骼肌、心肌-90mV神经纤维-70~-90mV平滑肌细胞-55mV红细胞-10mV膜电位几种变化状态极化(polarization)：细胞安静时，膜内负外正状态(极化状态)超极化(hyperpolarization)：膜内负值增大。去极化(depolarization):极化基础上，膜内电位负值减小反极化(reversepolarization)：膜内电位由负转正，膜外电位由正转负复极化(repolarization):去极化后，向极化（静息电位）方向恢复4平衡电位(equilibrium)K＋平衡电位其他影响形成静息电位的因素静息电位的形成原理和机制5细胞膜上有K+–Na+渗漏通道(K+–Na+leakchannel),属非门控性离子通道,处于常开状态。相对不受外界影响,对K+通透性远大于Na+。（K+:Na+=100:1）

膜静息电位最接近K＋的平衡电位（EK）。因此，静息电位主要由K+外流形成。也有其它因素参与和影响(如Na+、Cl-等)。

（Nernst方程计算的EK负值略小于实测静息电位）。

Na+和Na+-K+泵也参与静息电位的形成和维持。其他影响形成静息电位的因素

研究表明：静息状态时，虽以K+外流为主，形成静息电位，但仍有小量的Na+持续内流。后者不利于细胞内外离子分布平衡及对正常静息电位的维持。需要一个将流入的Na+不断排出机制（Na+-K+泵），以维持离子分布平衡。6二、动作电位及形成原理

（actionpotentialandformationprinciple)**7动作电位(actionpotential，AP)AP指细胞受一次刺激（阈刺激或阈上刺激）时，细胞膜电位在静息电位基础上发生一次迅速的、可逆的、可传导的电位变化。AP是由锋电位和后电位组成的峰电位(spike):相当于绝对不应期上升支:去极化下降支:复极化后电位(afterpotential):负后电位或去极化后电位：相当于超常期正后电位或超极化后电位：相当于低常期8

膜片钳技术(patchclamp)的应用I=V/R,G(膜电导)=1/R

膜电导：膜运送离子，形成离子电流的能力。膜电位固定时，膜电导反映膜对离子的通透性能力。工具药：

Na+通道阻断剂:河豚毒(tetrodotoxin,TTX)K+通道阻断剂:四乙铵(tetraethylammonium,TEA)

Hodgkin和Huxley的结论（AP原理)：1949年

APdepoleration→Na+内流(Na+ionchannel)repolarization→K+外流(K+ionchannel)

Actionpotential(AP)形成的离子基础9

弱刺激少量Na+通道开小量Na+入膜轻度极化膜电位变减小阈电位大量电压门控Na+通道开大量Na+进入细胞内（易化扩散）。随Na+内流增加膜进一步去极化本身又促进更多的Na+通道开放。膜对Na+通透性进一步加大Na+内流增多。如此反复促进Na+内流（Na+内流的再生性循环）。

Na+内流与膜去极化之间的正反馈

Na+内流的再生性循环(regenerativecycle)10

Na+内流形成内向离子流（inwardcurrent),使膜去极化。

内流的Na+在膜内形成的正电位足以阻止Na+净移入时

Em值≈Na+平衡电位（ENa）值。AP的幅度=静息电位绝对值与超射值之和。

而K+出或Cl-入则为外向离子流（outwardcurrent)使膜复极化或超极化。Na+平衡电位（ENa）SodiumEquilibrium11APSummary:膜去极化→Na+通道开放→Na+小量内流→去极化→

Na+大量内流→达到Na+平衡电位→Na+通道关闭K+通道延迟开放复极化锋电位发生后，产生持续时间长，幅度微小的后电位。

负后电位：持续约5-30ms，复极时迅速外流的K+蓄积在膜外附近，暂时性阻碍K+外流所至（K外流减慢）。

正后电位（超极化）持续约50ms，前半部（K+继续外流形成）。后半部（Na+泵活动，Na+过多流出所致）。后电位完结后，静息电位恢复。K+大量外流静息（膜内电位由正转向负）形成AP的下降支后电位12动作电位的传导及其原理细胞膜上的某一位点产生AP，沿膜向周围传播，直至整个细胞膜都经历一次类似电导变化，表现为动作电位（AP）沿整个细胞膜的传导。影响AP传导速度的因素轴突直径：电阻与直径的平方成反比髓鞘：有髓比无髓传导快跳跃式传导（saltatoryconduction)13动作电位的特点“全或无”(all-or-none)现象：膜发生去极化并达到阈电位水平，就可以产生AP。不同强度的刺激（阈刺激和阈上刺激）引起的AP的幅度相等不衰减性传导脉冲幅度（峰电位高度）不变脉冲式电流而多数细胞的静息电位为直流电位14局部电位与膜的兴奋性阈下刺激引起的膜局部去极化电位（未达到阈电位的膜电位）称为局部电位（localcurrent）。阈下刺激引起膜的去极化，膜上少量Na+通道开放，Na+内流形成局部电位。

局部电位不能远距离传导，只能在局部范围内短距离扩布15局部电位的特点

是等级性的：局部电位值随刺激强度增强而增大，非“全或无”的。只局限在局部，不能进行远距离传播：局部电位可以电紧张性扩布的方式向周围传播，但随距离的增加而衰减。可以总和：同一膜位点上的连续局部电位可总和，称为时间总和；同时产生在膜上相距较近的X点和Y点的局部电位可总和，称为空间总和。总和后的局部电位，如能达阈电位时，可引起AP。16兴奋性和刺激引起兴奋的条件刺激引起反应必备三个条件

1.刺激强度(intensity)2.刺激的持续时间(duration)3.强度对时间的变化率(intensity-duration)阈值(threshold)阈强度(thresholdintensity)阈下刺激阈上刺激**组织的excitability与threshold呈反比衡量组织兴奋性高低的指标gogo17细胞兴奋性的变化规律

细胞兴奋过程可看作是AP的产生过程.这一过程中其兴奋性将发生一系列有规律的周期性变化,然后恢复正常.细胞兴奋性变化过程可分为以下四个期(有些细胞可缺少其中某一期).

绝对不应期(absoluterefractoryperiod，ARP)：兴奋性为零

相对不应期(relativerefractoryperiod，RRP）：阈上刺激产生反应

超常期(supernormalperiod)：阈下刺激

低常期(subnormalperiod)：阈上刺激产生反应

如心肌：去极化至复极-60mV（ARP）复极到-60mV至-80mV（RRP）复极-80mV至-90mV（超常期）ARP+RRP=有效不应期18绝对不应期存在的意义：

绝对不应期的长短决定了两次兴奋间的最小时间间隔。细胞在单位时间产生兴奋的最高次数要小于绝对不应期的倒数（<1/ARP）。比较ARP（ms）每秒最多兴奋次数（理论值）神经纤维0.5ms2000/s骨骼肌1-2ms500-1000/s心肌>200ms*5/s*心肌有效不应期特别长，可达250ms,END19静息电位及其形成原理动作电位及其形成原理电压门控离子通道动作电位的传导

电导，AP特点，与局部电位的区别局部电位与膜的兴奋性

特点：电紧张扩布、总和兴奋性和刺激引起兴奋的条件三个条件、兴奋性过程变化规律、绝对不应期意义名词概念20Seeyounexttime21K+Cl־-+-1MKCl10MKCl+------++++++++--3-122浓度梯度离子跨膜扩散驱动力电位梯度离子跨膜扩散驱动力平衡电位-+-1MKCl10MKCl------+++++++++--二者代数和称为：电化学驱动力（electrochemicaldrivingforce）3-2半透膜23平衡电位-+-1MKCl10MKCl------+++++++++--影响平衡电位的因素:

温度37C离子化合价1价离子的浓度Co/Ci••••••••

3-3Nernst方程(1889)

RT[Co]E＝lnZF[Ci]R：气体常数，Z：化合价，F：farady常数，T：绝对温度24Nernst公式简化为:E=61.5log(C)o/(C)I1、平衡电位依赖于细胞膜对离子的通透性2、离子在细胞膜两侧的浓度之比(C)O/(C)I。常数=61.5(K平衡电位)EK=61.5log(K)o/(K)I=mV温度37C离子化合价1价

离子的数目1个25ConcentrationofionsIonIntracellularExtracellularRatioNernstE(mV)Na+30mM140mM1:4.6+41K+140mM4mM35:1-94Cl¯30mM104mM1:3.5-32膜内外K平衡电位26ConcentrationofIonsIonIntracellularExtracellularRatioNernstE(mV)Na+30mM140mM1:4.6+41K+140mM4mM35:1-94Cl¯30mM104mM1:3.5-3227PotassiumchannelSodiumchannelOutsideofcellInsideofcell[K+]↑28[K+]↑[K+]↑OutsideofcellInsideofcell+++++++++++++++++++-------------------[Na+]↑安静状态少量通透29Amplifier0-30-60-90mVChangingK+

concentration实验研究（１）30EK=61.5log[K+]o139Measuredvalue31时间－强度曲线

说明刺激三个参数的相互关系。固定其中一个,观察另外两个的关系。

使用一定的方波刺激,固定了刺激强度对时间的变化率(刺激强度对时间变化率最高，组织不易发生适应）。

记录每个刺激持续时间下能引起组织兴奋的最小强度,得到时间-强度曲线(如图)。无论刺激时间怎样延长,引起组织兴奋的刺激强度都不能低某一最小刺激强度.该强度称为基强度两倍基强度刺激,引起组织兴奋的最短刺激持续时间,称时值.阈强度或阈值32电刺激的三种波形的刺激强度对时间变化率33Amplifier0-30-60-90mVReferenceelectrodeRecordingelectrode<0.1mmicroelectrodeZeropotentialdifferencewhentwoelectrodesareinthebath.34Amplifier0-30-60-90mVReferenceelectrodeRecordingelectrodeZeropotentialdifferencewhentwoelectrodesareinthebath.35Amplifier0-30-60-90mV----++++----++++InsideaxonWhentherecordingelectrodeenterstheaxon,anegativepotentialdifferenceisseen.36TimeMembranepotential(mV)600-70-90RestingpotentialDepolarizationHyperpolarizationRepolarization

Overshoot3738394041通道的门控机制大多数通道的开放和关闭受闸门控制。闸门指通道蛋白的带电分子或基团（如羟基或磷酸基等）。有激活门和失活门。在适当刺激下，带电分子或基团发生定向移动，开通道或关通道。

Na通道有三种状态：静息关闭：开放：失活关闭：经复活后，转为静息关闭4243＋－＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋－－＋＋－＋＋＋＋＋－＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋－－＋＋－＋＋＋＋＋－＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋－－＋＋－＋＋＋＋