第二章 电生理学基础.ppt

1、1,神经生物学,郑州大学 基础医学院 生理教研室,2,物质转运形式,3,单纯扩散 (simple diffusion),4,扩散动力：分子热运动 必要条件：既溶于水，又溶于脂质。 影响因素：电-化学梯度；膜的通透性；温度。 转运物质： O2、CO2 、乙醇、脂溶性维生素,5,易化扩散（facilitated diffusion）,非脂溶性物质，借助膜上蛋白质的作用，由高浓度向低浓度通过细胞膜。如：K+、Na+、Ca2+等带电离子的转运和葡萄糖、氨基酸等的转运。 经载体易化扩散 经通道易化扩散,6,经载体易化扩散,转运特征： 高度的结构特异性 有饱和现象 存在竞争性抑制 影响因素： 浓度差 可利

2、用载体数 被转运物和载体发生反应的速率 转运物质： 葡萄糖、氨基酸,7,饱 和 现 象,8,经通道易化扩散,转运特征： 相对特异性 无饱和现象 闸门时开时闭 高速度 影响因素： 电-化学梯度 闸门状态 转运物质： 无机离子,9,离子通道的三种状态,10,离子通道的类型,11,主动转运 （active transport）,物质依靠细胞膜上生物泵的作用逆电-化学梯度转运的过程。 原发性主动转运 继发性主动转运,12,原发性主动转运,Na+ - K+ 泵,13,继发性主动转运,14,同向转运（Na/Glucose）,15,反向转运（Na/H）,16,出胞与入胞（exocytosis & endoc

3、ytosis）,大分子物质或物质团块，通过复杂的膜结构的功能改变进出细胞的过程。 出胞:主要见于内分泌细胞的激素分泌和神经末梢的递质释放 入胞:主要是细胞的吞噬作用,入胞（endocytosis）,18,出胞（exocytosis）,19,第2章 电生理学基础,第一节 静息电位 第二节 动作电位 第三节 电压门控离子通道,20,静息膜电位,神经元在静息时，也就是在没有受到刺激时，其膜内外两侧存在的电位差，称为静息膜电位(resting membrane potential)。 通常采用细胞内记录的方法进行测量，将一根微电极插入细胞内，参考电极置于细胞外液，两个电极间显示的电位差便是静息膜电位的

4、数值。 以细胞外作为零点，细胞内均显示负电位，其绝对值越大，静息膜电位也越大。神经元的静息膜电位一般在-40-90 mV的范围。 神经元处于静息膜电位时，称为极化状态(polarization)，当该膜电位数值朝减小的方向变化时，称为去极化(depolarization)，若朝增大的方向变化时，称为超极化(hyperpolarization)。,静息膜电位发生的机制,即电荷跨膜分布的不均匀状态 膜两侧的离子浓度差,24,2. 离子通道的选择通透性 当神经细胞静息时，非门控性K+通道通透性较大，而Na+、Cl-等通道通透性较小。,3. 离子跨膜扩散平衡点位,26,Nernst方程,式中R是气体通

5、用常数，T是绝对温度Z是离子价，F是法拉弟常数。如将有关数值代入，体温以37计算，上式可简化为：,27,Membrane potential and equilibrium potential of different ions,28,推论：要维持静息膜电位，必须维持离子的不均衡跨膜分布。,Eion和Em总是有差距的。 静息状态下总是存在离子的跨膜运动。,29,离子浓度梯度的维持膜离子泵的作用,在静息电位的产生过程中、K+浓度梯度的稳定至关重要。 实际上，神经元内存在着改变离子浓度梯度的因素，这主要来自Na+的被动流入。 尽管神经元静息时膜对Na+的通透性很低，但是Na+有一个从外到内的强大浓

6、度梯度，加上细胞存在吸引阳离子的负电位，便会促使Na+持续流向细胞内。Na+的流人使得静息膜电位小于K+的平衡电位(Ek)、进而导致K的向外扩散。 在正常神经元，这种离子浓度梯度的变化可以被膜上的一种Na-K+泵阻止。,Na-K Pump,31,第二节 动作电位,概念： 动作电位(action potential)是指神经细胞受到刺激时，产生的一种可传播的特殊膜电位变化或者说是一种可沿细胞表面传播的跨膜电位瞬间逆转。,32,一. AP的记录及AP的特征,细胞内记录 细胞外记录,33,Intracellular potential recording,34,-,+,+,+,+,-,-,-,-,+

7、,-,+,-,+,+,-,细胞外记录,35,组成： 去极相： 去极化 超射锋电位 复极相： 复极化初期 后电位： 负后电位 正后电位 AP是膜两侧电位在RP基础上发生的一次可扩布的快速而可逆的倒转，是细胞兴奋的标志。,AP的特征,36,锋电位(Spike potential),37,后电位（after-potential）,38,二.细胞膜的被动电学特征,被动膜：跨膜电阻和跨膜电位差为常数 主动膜：跨膜电阻和跨膜电位差可变；与膜离子通道状态相关。 膜电容和膜电阻 膜离子电流和膜电容电流,39,膜电阻（Rm） 膜电导 G=1/R 膜电容 C=Q/V 膜两侧表面储存相反的电荷 各种神经元的Cm相近

8、，但Rm存在显著差异。,40,膜离子电流和膜电容电流,带电离子跨膜流动产生的电流，称为膜离子电流（Ii）。 离子电流的大小决定于细胞内外的电位差和膜离子通道的密度。 由于胞质中正离子流动，中和膜内侧负电荷，膜外侧正电荷因膜内负电荷吸引力减少而离开细胞膜，产生电流称膜电容电流（Ic）。 Im=Ii+Ic,41,三.动作电位的离子基础,早在1902年,Bernstein根据当时观察到的生物电现象，提出了著名的膜学说。他认为神经或肌肉细胞膜对K+有特殊的通透性，而对较大的阳离子或阴离子均无通透性。静息时，由于膜内外K+的浓度差而形成静息膜电位；兴奋过程的电位变化是由于兴奋部位膜对离子选择通透性的消失

9、，因此动作电位的大小应等于静息电位的绝对值。 这一学说不能解释以后发现的动作电位的超射(overshoot)现象。,42,1939年微电极发明以后，Curtis和Cole, Hodgkin和Huxley等人分别用毛细管微电极测量了鰂乌贼大神经纤维兴奋时的电位变化。 结果发现动作电位大于膜静息电位，出现了超射。1949年Hodgkin和Katz进一步做了“钠离子对鰂乌贼大纤维中产生的动作电位的作用”的实验。,43,Na+稍微变小，即将细胞外液中的NaCl部分地被蔗糖或氯化胆碱所代替，则动作电位上升相变慢，超射减小，传导速度变慢(图A曲线3)； 当Na+减少50时,超射几乎减少一半，动作电位上升相

10、变得更慢(图B曲线2)； 当Na+减少33时，超射儿乎完全消失(图A曲线2）,44,电压钳原理(voLtage clamp),只要固定膜电位不变，使膜电容电流为零，则膜总电流等于离子电流。,在鰂乌贼大纤维内插入两根细铂丝，一根记录电压E，另一根记录电流I。记录膜电位E输出(如-70 mV)与调定电压V(如-100 mV)通过比较器进行比较其差值30 mV经放大后进入一个快速电压-电流转换器(FBA)，使V30 mV的电压转换成电流I，把这个反馈电流I打人膜内，使膜电位立即发生变化。这样就能够维持膜电压不变。,45,左图表示在去极化作用时通过膜的离子电流。膜左极化56 mV，图中A为正常海水所记

11、录到的总离子电流，B为用氯化胆碱溶液代替海水中绝大部分NaCl (90以上)以后所得到的曲线，主要是IK；C为A减去B所得到的曲线，应为INa。,离子置换法,46,离子电流的大小和方向取决于驱动力。 在电压钳位实验中，不断改变Vm，Na+电流的变化有以下三种情况： VmENa 外向Ina 反转电位：+52mV,47,48,Hodgkin和Huxely的结论：,动作电位期间细胞膜对Na+和K+的通透性依次发生了变化： 早期，Na+的膜电导增加，Na+内流而产生了动作电位的去极化期； 接着，Na+的膜电导降低，而K+的膜电导增加，K+外流使膜电位回到静息水平。,49,50,51,在大鼠胚胎骨骼肌细

12、胞膜片上记录到的由Ach激活的单通道离子电流,52,53,膜片钳发现离子通道的共同特性,开放和关闭都是突然的 只能有“开”或“关”两种状态，而没有“半开”或“半关”。 同一通道分子，开关持续时间具有随机性（“摆动”）。 在化学性门控通道结合了相应的化学信号分子，或电压门控通道所在膜两侧处于特定的电位差的情况下，“摆动”次数增多。,54,四. 动作电位的传导,动作电位的传导机制 动作电位的传导速度 影响动作电位传导速度的因素 神经干的复合动作电位,55,离子通道的基本特性:,1.不同的离子通道是互相独立的 2.通道是孔洞而不是载体 3.离子通道的化学本质是蛋白质结构 4.通道对离子通透的特异性依

13、赖于孔洞大小、离子形成氢键的能力及通道内位点相互作用的强度,56,电压依赖性通道的S4段可能是一个电压感受器 S5和S6段之间的非螺旋区形成了通道的衬里：分子筛,57,双闸门控制Na离子通道,m gate that response to depolarization h gate that response to repolarization Three states of Na+ channel state m h g resting state closed opened 0 active state opened opened high inactive state opened cl

14、osed 0,58,59,Resting activation 激活 Recovery Active 复活 inactivation 失活 Inactive,60,61,62,动作电位的引起与传导,动作电位的引起 细胞兴奋后兴奋性周期性变化 局部电位 动作电位的传导,63,动作电位的引起,刺激 兴奋性及兴奋 阈电位,64,刺 激 (Stimulus),刺激：细胞所处环境因素的任何改变。 刺激三要素： 刺激强度 刺激作用时间 强度-时间变化率 阈强度：把刺激的作用时间和强度-时间变化率都固定在某一适当数值，能引起组织细胞兴奋所必需的最小刺激强度，称为阈强度(threshold intensity

15、),或简称阈值(threshold)。 阈值是衡量组织细胞兴奋性高低的指标。,65,兴奋性及兴奋,兴奋性：细胞受到刺激时产生动作电位的能力和特性。 兴奋：动作电位的同义词。,66,阈电位(Threshold potential),阈电位：能进一步诱发动作电位的去极化临界膜电位值，称为阈电位（threshold membrane potential）； 它是所有可兴奋细胞的一项重要功能指标。 阈电位一般较静息电位的负值少1015mV。 去极化到达阈电位 一定数量的Na+通道的开放 Na+内流 膜的进一步去极化 更多Na+通道开放 “正反馈”或称为再生性循环的过程 直至达到Na+的平衡电位。,67

16、,细胞兴奋后兴奋性周期性变化,Absolute refractory period 绝对不应期 Relative refractory period 相对不应期 Supernormal period 超常期 Subnormal period 低常期,68,69,70,局部电位,细胞受到阈下刺激时，可引起受刺激的膜局部出现一个较小的去极化，称为局部电位或局部兴奋。 阈下刺激也能引起该段膜中所含Na+通道的少量开放和少量Na+内流，造成膜轻度去极化。,71,局部兴奋的特点： 它不是“全或无”的：在阈下刺激的范围内，随刺激强度的增大而增大； 电紧张性扩布：局部兴奋可以使邻近的膜也产生程度更低的去极化

17、，随距离加大而迅速减小以至消失，称为电紧张性扩布 （electrotonic propagation）； 局部兴奋可以总和：空间性总和与时间性总和。,72,Experiment,Voltage response (%),73,74,75,动作电位的传导,76,是以“局部电流”的形式传导的。 局部电流：在已兴奋的细胞膜和与它相邻的未兴奋的细胞膜之间，由于电位差的出现而发生电荷移动，称为局部电流（local current）。 运动方向是：在膜外的正电荷由未兴奋段移向已兴奋段，而膜内的正电荷由已兴奋段移向未兴奋段。 结果：造成邻近未兴奋的细胞膜去极化达阈电位，出现它自己的动作电位。,77,78,79,80,动作电位在有髓神经纤维上的传导,81,有髓纤维受到外来刺激时，动作电位只能在邻近刺激点的郎飞结处产生，因而局部电流也只能发生在相邻的郎飞结之间，其外电路要通过髓鞘外面的组织液。 使动作电位的传导表现为跨过每一段髓鞘而在相邻的郎飞结处相继出现，这称为兴奋的跳跃式传导（s