生物电现象和兴奋性(Cell-2).ppt

1、生物电现象和兴奋性Bioelectrical phenomenon and excitability,一、细胞膜的被动电学特性 （一）膜电容和膜电阻 细胞膜的电缆学说 细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作为两个导体，有一定的电阻； 膜电容：细胞膜脂质双层类似于一个平板电容器，相对地视作绝缘体，因此细胞膜具有显著的电容特性。,跨膜电位：当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。包括细胞安静时存在的静息电位和受刺激后出现的动作电位 膜电阻：通常用它的倒数膜电导G来表示。对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的通透性

2、。,细胞膜相当于一条电缆一点给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜电位变化： 在电流注入点附近电位上升 快，达到的最高电位也较大； 离开电流注入点越远，则不但 电位上升的慢，而且最终的最 高电位也较低。 电位改变变慢，是膜电容引 起的后果；电位依距离变 小，是膜外电阻、膜电阻及 膜内电阻引起的后果。,细胞膜的被动电学特性与电学特性,相同点： 欧姆定律 电阻、电容、电流、电紧张 异同点：膜离子通道-离子流 泵电流-生电性Na+泵,（二）电紧张电位 概念： 细胞膜的电学特性相当于并联的阻容耦合电路，跨膜电流随着距原点距离的增加而逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规律的膜电位分布，这种由膜的被动电学

3、特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。,产生： 向神经纤维的某一点注入不同方向的电流； 用正、负电极从膜外侧施加电刺激，胞质内的 负电荷流向正极下方，正电荷流向负极的下方， 因而在正、负电极下分别产生一个彼此方向相反 的电紧张电位。,细胞生物电的产生机制The mechanism underlying bioelectricity,细胞生物电的测量,静息电位（resting potential）：在静息状态下(即细胞未受刺激的情况下)，细胞膜内外两侧的电位差。,极化状态( polarization )：在生理学中，将静息状态下细胞膜跨膜电位内负外正的状态； 超极化( hyperpolari

4、zation )：膜内负电位增大(例如从-70mv变为-90mv) 去极化(depolarization)：膜内负电位减小(例如从-70mv变为-60mv) 复极化 (repolarization)：细胞膜去极化后再向原来静息电位方向恢复 动作电位( action potential)：在原有静息电位的基础上，膜电位发生的迅速的倒转和恢复 锋电位(spike )：动作电位是细胞兴奋的表现，主要表现为一个尖锋形的电位波动,相关概念,动作电位的时相示意图,膜电位超过0电位的部分称为超射（overshot） 在恢复到静息电位之前，膜电位还有一些微小的波动，称为后电位(afterpotential)。

5、 去极化后电位(负后电位) 超极化负后电位(正后电位),细胞的生物电现象与离子的跨膜分布与运动有关,由于钠泵的活动，细胞内液的K+浓度较细胞外液高，而Na+和Cl-的浓度则细胞外液比细胞内液高，这是细胞生物电的产生基础。,细胞内外的离子分布（mmol/L）,（一）静息电位形成的机制The mechanism underlying resting potential,在静息状态时，细胞膜上绝大多数的K+通道是开放的，而仅有少量Na+通道处于开放状态，开放的K+通道比开放的Na+通道多约9倍；而且细胞内的K+浓度比细胞外高约30倍。因此，导致了细胞内的K+顺着浓度梯度扩散到膜外。,但细胞内带负电荷

6、的蛋白质大分子物质不能通过细胞膜而留在细胞内，从而使膜内外出现电位差，即膜内带负电荷，膜外带正电荷，这种跨膜电位差阻碍了K+的进一步外流。当跨膜的浓度差（K+外流的驱动力）和电位差（K+外流的阻力）达到平衡时，K+的净通量为零，膜内外电位差就相对地稳定在某一水平。,K+的平衡电位（Ek）,Nernst公式 ：,R is the ideal gas constant 8.32 joules/Kelvin/mole F is Faradays constant 96,485 Coulombs per mole,某离子的电化学驱动力(F)=Em-Ex Em:膜电位 Ex：某离子的平衡电位 如：RP=

7、-70mV, ENa=+60mV, EK=-90mV FK+ =-70-(-90)=+20(mV) 外向F 外向电流 FNa+=-70-(+60)=-130(mV) 内向F 内向电流 静息电位条件下，Na+受到很大的内向驱动力 锋电位时，K+受到很强的外向驱动力,把细胞内、外液的K+浓度代入上式，Ek的值为-91mV 膜电位实际测定值（-70mV左右）相近，但并不完全相等,为何膜电位的实际测定值比Ek值要小？,这可能是由于在静息状态下细胞膜对其他离子(Na+、Cl-等)也有一定的通透性而造成的。,神经纤维静息电位(RP)产生的原理,（二）动作电位形成的机制The mechanism under

8、lying action potential,（1）定义：细胞接受刺激后，膜电位在原有静息电位的基础上出现迅速的倒转和恢复的电位波动。 （2）过程： 上升支：-90 0 +35 mv 锋电位 超射（overshoot） 下降支：+35 0 -90 mv,电流的方向：正离子的移动方向 细胞受刺激时引起离子流动，造成膜外的正电荷流入膜内，称为内向电流（inward current） 外向电流（outward current） 离子的跨膜流动的必备条件： 1. 膜两侧的电化学驱动力 2. 膜对离子的通透性,静息时膜电位,去极化刺激,膜去极化达阈电位水平，电压门控Na+通道开放。Na+进入细胞。电压门

9、控K+通道开始缓慢开放,Na+迅速进入细胞，使细胞去极化,Na+通道关闭，K+通道开放,K+从细胞转移到细胞外液使细胞复极化,去极化后电位（负后电位），此时Na+通道基本恢复，膜电位仍小于正常静息电位，与阈电位差距小，故兴奋性高于正常。,超极化后电位（正后电），此时K+通道仍然开放，使较多的K+扩散到膜外，引起超极化,细胞膜电位恢复到静息电位水平,膜电阻通常用它的倒数膜电导G来表示。 G的单位是S。对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的通透性。,（二）产生机制：研究方法,间接法： 1949. Hodgkin和Huxley葡萄糖溶液替代海水。 同位素24 Na+定量研究计算每次动作电位进入膜内Na

10、+ 21000个/m2 膜电容算出Na+流量使去极化达100mV以上。 直接法： 电压钳,1.电化学驱动力： 它决定离子跨膜流动的方向和速度。 动力：电-化学梯度 基础条件： 膜对离子的通透性增大，当膜电位等于某离子的平衡电位时，该离子的电化学驱动力为零，因此，某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差。,某离子的电化学驱动力(F)=Em-Ex Em:膜电位 Ex：某离子的平衡电位 如：RP=-70mV, ENa=+60mV, EK=-90mV FK+ =-70-(-90)=+20(mV) 外向F 外向电流 FNa+=-70-(+60)=-130(mV) 内向F 内向电流 静息电位条

11、件下，Na+受到很大的内向驱动力 膜电位上升到30mV，ENa=+60mV, EK=-90mV FK+ =30-(-90)=+120(mV) 外向F 外向电流 FNa+=30-(+60)=-30(mV) 内向F 内向电流 锋电位时，K+受到很强的外向驱动力,2.动作电位期间膜电导的变化 电压钳（voltage clamp）技术 直接测定动作电位期间膜对离子通透性动态变化。 原理： 根据通道膜电流的大小和时间，可精确测定细胞 生物电过程中，各种离子流的大小、方向和时程、方向和时程利用欧姆定律来计算膜电导。 优缺点： 适用于各种直径较大的细胞，只能观察膜电流的方向和幅度，不能区分那种离子电流。,电

12、压钳技术装置,方法： 负反馈电路使膜电位钳制在一个设定的水平. 记录膜电流变化作为膜电导的观察指标。,实验设计根据： 离子跨膜移动时形成跨膜离子电流（I）， 膜对离子通透性（难易程度）是膜的电阻 （R）或其倒数电导（G）， 膜电导是通透性同义词。 根据欧姆定律 I = V G 固定V，测定I，作为膜电导变化的度量。 记录膜电位Vm高阻抗前极放大,电导及动作电位,GNa和GK变化曲线的特点：,电压依从性，由去极化激活， GNa激活早，是动作电位上升支基础；GK激活晚，是动作电位下降支基础。 GNa有失活状态而GK没有此特性,记录膜电流变化作为膜电导的观察指标： 记录膜电位(Vm) 高阻抗前极放大

13、（x1） 反馈放大器（FBA） 电极与FBA 输出端连接，向细胞内注入电流（指令电位）， FBA两者电位相等 I = 0 FBA两者出现差异 FBA经电极输出端向细胞内注入电流，在膜两侧产 生趋向于指令电位变化，构成一个使膜电位 = 指令电位反馈电 路，此时记录电流反映膜电导G的变化。,（三）研究离子通道的技术,电压固定技术，又称电压钳（Voltage clamp）技术，用于研究动作电位过程中膜电流的变化。,把细胞膜电位固定在某一水平时，称为保持电位（holding potential），如有离子跨膜移动，膜电位将偏离保持电压。 电压电极测出这一膜电位的变化，反馈电路输入一反向电流，膜电位固定

14、在保持电位水平，所输入电流量的数值反映了该指令电位下的膜电流的大小。,膜片钳（patch clamp）是在电压钳制技术基础上发展而来的一种研究离子通道电流的技术。,A: 膜片钳实验 装置示意图,B: 大鼠肌肉单通道离子电流记录曲线,利用药理学分析膜电流的实验结果 应用Na+通道阻断剂TTX（河豚毒）,内向电流消失。 应用K+通道阻断剂TEA（四乙胺），外向电流消失。,膜电流的记录和分析,3.膜电导与离子通道 膜片钳实验技术(Neder和Sakmann等) （1）直接观察单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透活动的特征. （2）记录单个离子通道开放后的电流. （3）计算出通道的开放概率和单通道电

15、导。 （4）证明在完整细胞上记录到的膜电流 是许多单通道电流总和的结果，单通道的开放概率或单通道电导增加，或离子通道的数目增加，都会使膜电导增大。,阈电位 当剌激引起膜内去极化达到引起正反馈Na+ 内流的临界膜电位称为阈电位(threshold potential)。它一般比静息电位小1020mV。,动作电位上升支： 细胞受剌激时，迅速增加Na+电导， 动力：Na+在很强的电化学驱动力作用下，形成Na+内向电流，膜内负电位的迅速消失； 超射:膜外Na+较高的浓度势能，Na+在膜内负电位减小到零时仍可继续内移，出现超射。 阻力:内移的Na+在膜内形成的正电位足以阻止Na+的净移动为止；这时膜内所

16、具有的电位值，理论上应相当于根据膜内、外Na+浓度差代入Nernst公式时所得出的Na+平衡电位值。,动作电位降支： Na+通道失活，Na+电导减小形成峰电位降支，同时K+电压门控性通道的开放。在膜内电-化学梯度的作用下,出现了K+外向电流，使膜内电位变负，加速了膜的复极，参与峰电位降支的形成。 后电位：正后电位一般认为是生电性钠泵作用的结果。,Characteristics of the voltage-gated sodium (top) and potassium (bottom) channels,激活门,失活门,神经纤维动作电位产生的原理,刺激与兴奋Stimulus and exci

17、tation,概念 刺激 (stimulus) 兴奋（excitation） 兴奋性（excitability）,在现代生理学中，兴奋可看作是动作电位及其产生的过程，兴奋性可认为是细胞受到刺激后产生动作电位的能力。,刺激引起兴奋的条件,1、刺激强度： 引起组织发生兴奋的最小刺激强度称为阈强度（threshold intensity）或阈值（threshold） 阈下刺激（subthreshold stimulus） 阈上刺激（suprathreshold stimulus） 最大刺激（maximal stimulus） 阈刺激和阈上刺激在单细胞上引起同样幅值的动作电位，这就是生理学上所称的全或

18、无现象（all or none phenomenon）。,阈值是衡量组织兴奋性最常用的客观指标,2、刺激强度-时间变化率：如果以达到阈强度的直流电来刺激，一般只是在直流电接通和切断的二个瞬间有刺激作用，而在直流电整个接通期间并无刺激效果。因此，要引起组织兴奋，刺激的强度-时间变化率必须达到一定的速率。兴奋性较低的组织，刺激的强度-时间变化率必须较大，才能引起兴奋，否则将因组织的适应而不产生刺激的效果。,3、刺激作用的时间：任何强度的刺激，必须作用一定的时间，才能引起细胞兴奋。一定强度的刺激引起兴奋所需的最短时间，称为时间阈值或阈时间（threshold time）。,基强度（rheobase）

19、:在曲线上自A点向右与横座标相平行，表示当刺激强度低于这一点的强度时，无论怎样延长刺激时间，都不能引起组织兴奋 利用时（utilization time）：以基强度刺激作用于组织时，引起兴奋所需的最短时间 法国生理学家Lapicque提出了时值（chronaxie）的概念，就是用两倍于基强度的刺激作用于组织时，引起组织发生兴奋所需的最短时间。,（四）局部兴奋和动作电位The local excitation and action potential,局部兴奋（local excitation）：少量的Na+内流引起的去极化和电刺激引起的去极化叠加起来，使受刺激的细胞膜产生局部的轻微的去极化。

20、阈电位（threshold potential）：能引起Na+通道大量开放并引发动作电位的临界膜电位。一般可兴奋细胞的阈电位大约比静息电位的绝对值小1020mv。,局部兴奋的特征： 1、反应幅度随刺激强度的 增强而增大，呈等级性。 2、局部兴奋不能作远距离的不衰减传递。离刺激部位越远，局部兴奋的幅度越小，呈指数式衰减，称为电紧张性扩布。 3、没有不应期。 4、有总和现象。空间总和（spatial summation）；时间总和（temporal summation）。,总和 阈电位水平 AP爆发,RP、局部兴奋和可扩布性兴奋的关系,空间总和与时间总和（Spatial and Temporal

21、summation）,空间总和,时间总和,AP在神经纤维上的传导,AP在无髓纤维上是通过局部电流（local current）进行传导 AP在有髓鞘神经纤维上呈跳跃式传导（saltatory conduction）,无髓鞘神经纤维上的传导方式 1.某一小段纤维受到足够强的外加剌激； 2.局部出现膜两侧电位的暂时性倒转； 3.在已兴奋的神经段和相邻的未兴奋神经段之间，电位差的出现而发生电荷移动，称为局部电流(local current)， 4.方向：巳兴奋的膜部分向未兴奋的膜部分。 特点: 直径大的细胞电阻较小传导的速度快。,传导机制局部电流,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+

22、-,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,- +,- +,- +,神经冲动：神经纤维上传导,神经纤维,1、静息状态下的神经纤维； 2、在神经纤维的某部位发生兴奋。箭头示局部电流的方向； 3、4、局部电流循序扩布,动作电位的传导，实际是已兴奋的膜部分通过局部电流刺激了未兴奋的膜部分，使之出现动作电位，这样的过程在膜表面连续进行下去，就表现为兴奋在整个细胞的传导。 由于锋电位产生期间电位变化的幅度和陡度相当大，因此在单一细胞局部电流的强度超过了引起邻近膜兴奋所必须的阈强度数倍以上，因而以局部电流为基础的传导过程是相当安全的，不会出现传导阻滞。,有髓鞘神经纤维上的传导方式 跳跃式传导（sa

23、ltatory conduction）,有髓神经纤维的髓鞘是不导电或不允许带电离子通过，只有在郎飞结处，轴突膜才能和细胞外液接触，进行跨膜离子移动。 受到刺激时，AP只能在邻近刺激点的郎飞结处产生，而局部电流也只发生在相邻郎飞结之间，其外电路要通过髓鞘外的组织间液 兴奋的跳跃式传导:动作电位表现为跨过每一段髓鞘而在相邻的郎飞结处相继出现。 跳跃式传导的兴奋传导速度，比无髓纤维或一般细胞传导速度快，一种节能的传导方式。,细胞兴奋后兴奋性的周期性变化The changes in excitability of the cell during the excitation and its recovery,兴奋性的变化一般可依次分为下列几个时期： （一）绝对不应期（absolute refractory period） （二）相对不应期（relative refrac