细胞4－生物电中国医学科学院

第四章细胞的生物电景象生物电景象的发现，不仅极大促进了生物学及基础医学的开展，而且使临床医学发生了革命性的变革。人体各器官表现的电景象，是以细胞程度的生物电景象为根底，细胞的电景象主要是跨膜离子流动呵斥的。任何细胞跨膜电景象的明显改动都将影响细胞的正常功能，导致严重的疾病。神经和骨骼肌细胞的生物电景象非常容易察看到的生物电景象----蛙神经肌肉标本刺激神经肌肉收缩；单独刺激肌肉肌肉收缩反响速度和可反复性分析提示只能是电信号刺激强度不同，肌肉收缩强度也不同坐骨神经腓肠肌锌铜弓兴奋性〔excitability)：产生动作电位〔AP)的才干兴奋〔excitation)： 宏观表现：活动加强；电学角度：产生AP可兴奋细胞/组织〔excitablecell/tissue)：遭到较小的刺激后即可出现某种方式的反响。神经细胞---神经激动；肌细胞---收缩；腺细胞---分泌活动电可兴奋细胞〔electricallyexcitablecell)可兴奋细胞产生兴奋的标志：产生动作电位非可兴奋细胞：有静息电位，但不能产生动作电位阈强度〔thresholdintensity)是细胞兴奋的目的组织在兴奋后兴奋性的规律性变化：绝对不应期〔absoluterefractoryperiod)相对不应期〔relativerefractoryperiod)超凡期〔supranormalperiod)低常期〔subnormalperiod)通道功能形状的改动是细胞兴奋性发生变化的根底一次兴奋后兴奋性的变化绝对不应期、有效不应期、相对不应期、超凡期、低常期细胞生物电景象的主要表现是什么？

1.静息电位

2.动作电位生物电景象的产活力制兴奋和生物电景象机制的阐明是本世纪生命科学的艰苦进展之一。由钠泵活动产生的膜内高K+和膜外高Na+形状是各种细胞生物电景象产生的根底。 Na+和K+经过各自的电压门控通道的易化分散是构成神经和骨骼肌细胞静息电位和动作电位的直接缘由。第一节静息电位(restingpotential)定义：细胞未受刺激时细胞膜内外的电位差。特点：膜内电位较膜外为负，详细数值为毫伏级，不同细胞有差别。如规定膜外电位为0〔接地〕，那么膜内电位在-10–100mV之间。0mV-90mV+30mV枪乌贼宏大神经轴突〔1000m)在细胞电生理学中的奉献细胞跨膜电位的发现：最早是利用枪乌贼神经轴突作出的〔凌宁&Gerard,1949〕玻璃微电极细胞内记录技术电极刺穿细胞膜前静息电位记录表示图电极刺穿细胞膜后0mV-90mV0mV1.静息电位产生原理：K+平衡电位Bernstein初次提出，细胞内外K+的不均匀分布和安静时膜主要对K+有通透性能够是细胞能坚持内负外正极化形状的根底。[K+]i/[K+]o=35,[Na+]o/[Na+]i=14浓度势能使细胞内K+有向细胞外分散的趋势，细胞外Na+有向细胞内分散的趋势。假设没有阳离子的不对等分散，细胞内外是电中性的〔不带电〕，由于细胞内或细胞外的正负离子电荷数是相等的。细胞内液和细胞外液各种离子的浓度差要点：在生理情况下，假设不存在细胞膜对某些带电粒子的选择性通透，那么不论是细胞外液还是细胞内液，阴、阳粒子的电荷数是相等的，细胞内液和细胞外液都是电中性的〔即不带电〕。假设细胞膜对某种离子有选择性通透景象，那么细胞膜两侧会有带电景象。细胞膜在静息形状下确实主要对K+有通透性〔内向整流钾通道，IK1〕在，K+向细胞外分散时不伴有负离子的向外分散和Na+向内分散。由于K+带正电荷，K+向细胞外分散时使细胞外带正电荷，每移出一个K+就使细胞外多带一个正电荷。由于同性电荷相斥，当K+移出足够多时，电场力又阻止K+的向外分散，最终到达平衡K+平衡电位K+向外分散到达平衡时的细胞内外电位差即是K+平衡电位，用Nernst方程计算。静息电位产生原理表示图K+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++–++++++–––––++++++++–––––––––+++++++++++K+-20mV-30mV-40mV-50mV-60mV-70mV-80mV静息电位程度不同静息电位程度时IK1的大小比较(IK1:inwardrectifierK+current)Nernst方程：Ek K+平衡电位〔mV)R 通用气体常数T 绝对温度Z 离子价F Faraday常数[K+]o 细胞外K+浓度[K+]i 细胞内K+浓度将有关数值代入方程，T以27C计算，再把自然对数化为常用对数，那么上述公式可简化为：第二节动作电位超射动作电位〔actionpotential)：细胞遭到一定强度的刺激后跨膜电位由静息电位〔内负外正〕的形状向内正外负的方向转变，继之又恢复到静息电位程度的过程，外形如锋，故称锋电位(spikepotential)。其中膜内电位值超越0电位的部分称为超射〔overshoot)。后电位〔afterpotential)：锋电位之后的未恢复部分“全或无〞景象〔“allornone〞phenomenon)：同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导间隔改动的景象。极化〔polarization)：膜两侧电位所坚持的内负外正的状态。超极化〔hyperpolarization)：膜内电位负值增大。去极化〔depolarization)：膜内电位负值减小。复极化〔repolarization)：膜内电位向静息电位方向变化。反极化：外正内负外负内正。动作电位产生的两种情况：1.Spontaneous2.Induced不同细胞动作电位形状的差别神经和骨骼肌：是典型的锋电位，动作电位时程〔APD〕只需1到数毫秒。动作电位振幅约为120mV.心肌：APD可长达数百毫秒，复极相有明显的平台期。动作电位振幅约为120mV.NeuronSkeletalmusclecellGlandcellVentricularcell动作电位去极相〔上升支〕的产生原理：Na+平衡电位Hodgkin等初次提出，动作电位上升支细胞负电性消逝并转化为正电位是由于膜对Na+的通透性忽然增大所致，现已得到证明。在Na+通道开放的情况下，Na+的浓度势能使细胞外Na+经过通道分散的方式进入细胞内，并很快到达电化学平衡，动作电位的超射值相当于计算所得的Na+平衡电位〔ENa)。与到达K+平衡电位所需的很小K+外流量类似，构成Na+平衡电位所需的Na+外流量亦很小〔1/80000〕不同细胞动作电位去极化离子通道机制的差别 绝大多数细胞是Na+内流 心肌慢反响细胞是Ca2+内流 神经细胞树突AP动作电位复极相〔下降支〕的产生原理：

1.神经细胞、骨骼肌细胞、腺细胞：K+外流 2.心肌细胞：复杂，有K+外流、Ca2+内流等动作电位复极完成后膜的活动：

1.IK1活动：维持静息电位2.钠泵活动：驱出Na+、泵入K+生电性钠泵：钠泵活动时由于两种离子同时转运，且出入的离子总数近似相等，故不伴有膜电位的改动。但当膜内蓄积过多Na+时，钠泵泵出的Na+有能够超越泵入的K+〔3：2〕，于是膜电位向超级化方向变化〔正后电位〕，此时的钠泵称为生电性钠泵。负后电位是由于膜外蓄积较多的K+所致。神经干动作电位的记录神经干动作电位是神经干内许多神经纤维动作电位的复合双向和单向动作电位记录电极：可分为单极记录和双极记录单极记录：一极接地，一极接触神经干。记录到的电信号反映电极接触部位与大地的电位差。双极记录：两极都与神经干接触，记录到的电信号反映两电极接触部位的电位差。单极记录双极记录或两电极间距很近时两电极间距较远时记录仪记录仪阴极刺激原那么兴奋总是发生在阴极电极下方，阳极下方甚至出现超级化–

刺激器双向动作电位的构成机理神经部分阻滞后单向动作电位的构成机理动作电位的引起刺激部分反响〔部分电位〕阈电位动作电位膜电位必需去极化到某一阈值时Na+通道才干大量开放，引起动作电位的去极相。这一阈值称为阈电位，普通细胞阈电位约较静息电位负值少10-15mV。阈强度〔thresholdintensity)：可以使膜去极化到达阈电位的外加刺激强度。阈下刺激：比阈强度低的刺激。阈上刺激：比阈强度高的刺激。去极化与Na+通道开放的关系动作电位上升支是由于Na+通道快速而大量开放所致。膜电位程度决议Na+通道开放概率。单一Na+通道开放并不表现“阈〞的特性，只需开放概率的差别，越接近阈电位开放概率越高。Na+通道开放的再生性循环〔正反响；瀑布效应〕：去极化先引起一部分Na+通道开放，继而引起膜进一步去极化，后者又引起Na+通道快速大量开放，其结果是出现一个不依赖于原刺激的Na+通道开放正反响过程。部分反响及其特性阈下刺激虽然不能使膜电位到达阈电位，但可引起少量Na+通道开放，使膜电位发生程度较低的去极化，这种情况称为部分反响，此时的升高的膜电位称为部分电位或电紧张电位，又称为电紧张扩布〔electrotonicpropagation)。部分反响的特征： 1.呈等级性，不是全或无 2.不能在膜上作远间隔传播 3.可以相互叠加：空间性总和，时间性总和动作电位在同一细胞上的传导机制〔部分电流学说〕细胞某一部位产生动作电位

已兴奋段和临近未兴奋部分产生电位差

部分电流

部分电流刺激临近未兴奋段

临近未兴奋段去极化

动作电位向临近未兴奋段传播有髓神经纤维动作电位的腾跃式传导〔saltatoryconduction)髓鞘由于主要由脂质构成，导电性极差，不允许带电离子经过，因此只需在髓鞘暂时中断的朗飞氏结处，轴突膜才干和细胞外液接触，使跨膜离子挪动得以进展。这样，动作电位只能在临近刺激点的朗飞氏结处产生，而部分电流也只能发生在相邻的朗飞氏结之间，因此传导速度很快。髓鞘是进化的产物，无脊椎动物经过添加神经干的直径添加神经激动的传导速度，脊椎动物经过髓鞘添加神经激动的传导速度，既快速又节能。动作电位在细胞间的传导机制〔细胞间的直接电传送〕某一细胞膜产生动作电位

离子流经过缝隙衔接〔gapjunction〕

另一细胞去极化

动作电位假设细胞之间没有缝隙衔接，动作电位就不能在细胞间传播。第三节膜的被动电学特性细胞膜作为一个静态的电学元件时所表现的电学特性，称为膜的被动电学特性，有膜电容、膜电阻和轴向电阻等参数。特点：膜内电位较膜外为负，详细数值为毫伏级，不同细胞有差别。如规定膜外电位为0〔接地〕，那么膜内电位在-10–100mV之间。膜电阻和膜电导的概念膜电阻〔membraneresistance)：是反映膜阻止离子通透才干的物理量，膜电阻越大，那么通透性越低。

膜电导〔membraneconductance)：是反映膜对离子通透性的物理量，膜电导越大，那么通透性越高。第四节离子通道与细胞电活动一.离子通道存在多种功能形状闸门〔gate〕和门控〔gating〕门控通道的H-H模型〔Kodgkin&Huxley〕封锁〔close〕：m门〔激活门〕封锁，h门〔失活门〕开放。激活〔activation〕：m门和h门均开放。失活〔inactivation〕：m门开放，h门封锁。电压箝和膜片箝技术及其在离子通道研讨中的运用细胞膜电位固定技术〔电压箝,voltageclamp〕技术发明人:Hodgkin&Huxley，获得1963年Nobelprize膜片箝〔patchclamp〕技术发明人:ErwinNeher&BertSakmann〔德国人〕获1991年诺贝尔生理学和医学奖。主要奉献：发明并利用膜片箝技术发现了单个离子通道的活动特征。SIRJOHNCAREWECCLESSIRANDREWFIELDINGHUXLEYSI