高等教学大一下：细胞电活动的现象 PPT课件.ppt

1、膜电位（membrane potential, Vm) 静息电位（resting potential, RP) 动作电位（action potential, AP) 极化状态 去极化（depolarization) 超极化（hyperpolarization) 复极化（repolarization) If : Vm=-100 mV, thickness of plasma membrane=4nm Then: electric field250,000V/cm The plasma membrane mimics a miniature battery. Energy is used to:

2、1) drives transmembrane transport; 2) signaling：神经、肌肉、腺体等,一、细胞电活动的现象,(1) Unequal distribution of ions across the plasma membrane largely due to primary and secondary active transport,Plasma membrane,磷脂双层的 屏障作用,Gated,Non-gated,Plasma membrane,(2) Selective permeability of the the plasma membrane acco

3、unt for resting membrane potential,选择性通透膜,Intracellular,Extracellular,Extracellular,Intracellular,顺浓度梯度 逆电位梯度,顺浓度梯度,Scenario C: 平衡状态(equilibrium),静息状态下Na+的驱动力： VmENa=-70mV-(+60mV)=-130mV,静息状态下K+的驱动力： VmEK=70mV(90mV)=+20mV,电化学驱动力=Vm-E离子 *动力为负值时：推动正电荷流入胞(内向电流 inward current,如Na+,Ca2+内流) *动力为正值时：推动正电荷出

4、胞(外向电流outward current,如K+外流,Cl-内流),总结：静息电位的原理,离子在细胞膜两侧的不均匀分布： 离子有顺浓度和电位梯度（电化学梯度）流动的趋势 静息状态时，细胞膜对K+ 的通透性高（一些K+通道开放）细胞膜上有较多non-gated钾通道开放 K+顺浓度梯度外流，造成膜内负电位状态 钠泵维持离子在膜两侧的不均匀分布状态，同时钠泵活动可使膜一定程度的超极化 Consider: What if changes occur in K+ in a patients extracellular fluid? Hypokalemia or Hyperkalemia,三、动作电位

5、及其产生机制 1. 概 念：可兴奋细胞受到刺激，细胞膜在静息电位基础上发生一次短暂的、可逆的,并可向周围扩布的电位波动。,“全或无” (all-or-none) 锋电位（spike potential) 超射（overshoot) 传导不衰减 连续刺激不融合,特征,+20,0,-90,mV,0,200,Time (ms),Action potentials of a nerve fiber, a cardiomyocyte and a cardiac pace-maker cell,2. 动作电位的产生机制(1) 阈下刺激导致局部膜电位变化（局部反应）,AP上升支,AP下降支,(2)局部反应引

6、起Na+、K+ 通道状态改变引起快速去极化继而复极化,Hodgkin 激活：开放 失活：通道不仅关闭、而且受到刺激也不能开放。 * 钠通道从失活状态向备用状态的转变称复活 复活的条件：膜电位从去极化状态复极化 * 钠通道阻断剂：河豚毒（TTX）,1期（phase 1）复极化： * 瞬时外向离子流 (transient outward current，Ito)K+外流； * INa通道的失活和Ito通道的激活共同形成了1期。 * Ito通道也具有激活门和失活门，通道在激活后很快就失活关闭，故名“瞬时性”通道。,内向整流 inward rectification,2期 内向整流钾通道是工作心肌细胞

7、动作电位平台期的基础,“整流”的概念 “整流”（rectification）一词来源于电子学，如人们熟知的二极管的整流作用，可将交流电变为直流电。 欧姆定律：I = V/R。当电阻不变时，电流与电压呈正比（直线关系）。如果这种关系不成直线而呈曲线，即为整流。 内向整流（inward rectification）：随着电压的增大而电流的增加量比按直线关系的预期值减少（电流-电压关系曲线向下弯曲）。 外向整流（outward rectification）：随着电压的增大而电流的增加量比预期增大（电流-电压关系曲线向上弯曲）。,* 2期特点：膜电位变化很缓慢，形成平台（plateau），也称为平台期

8、（plateau phase）。 * 主要离子流： L型钙电流 (long-lasting Ca2+ current, L-type Ca2+ current, ICa-L): Ca2+内流 (意义？) IK1：由于IK1通道的内向整流特性 (胞内Mg2+、精胺等堵塞通道)，阻止K+外流，从而使动作电位2期内少量的Ca2+内流就使膜电位保持在去极化状态的平台，甚或向上隆起形成圆顶。随着动作电位复极化到接近静息电位时，内向整流现象解除，K+又可经IK1通道外流而加速最后的复极化过程。 延迟整流钾电流（delayed rectifier K+ current, IKr及Iks）：平台期激活逐步激活

9、,图9-9. 心室肌细胞动作电位时程中ICa-L幅值的变化,3期复极化 * Ca2+内流逐渐停止和K+外流逐渐增加所致 * 延迟整流钾通道（delayed rectifier K+ channel）是3期K+外流的主要通道 ，包括： 快速延迟整流钾通道（rapid delayed rectifier K+ channel，IKr通道）：IKr通道蛋白中组成通道孔洞的亚基（a亚基）由HERG（human ether-a-go-go)基因编码，HERG基因突变可导致型长QT综合征。 缓慢延迟整流钾通道（slow delayed rectifier K+ channel，IKs通道）：人类IKs通道

10、的a亚基由KvLQT1基因编码，而辅助亚基由Mink基因编码；KvLQT1基因的某种突变会导致I型长QT综合征；Mink基因突变可导致V型长QT综合征。,4期（静息期） * 离子泵（特别是钠-钾泵和钙泵） * 离子交换体（如钠-钾交换体，钠-钙交换体等） 将Na+移出，并将流至膜外的K+移入，将胞质内升高的Ca2+移出细胞或/和移入肌质网的钙池，使胞质内的离子水平恢复到高钾、低钠和低钙的静息正常水平。,膜电位,兴奋性,阈电位,神经、骨骼肌细胞兴奋后兴奋性的变化,主要与钠通道的功能状态有关,思考： 心肌细胞？,心肌细胞兴奋性的周期性变化,1)有效不应期（Effective refractory

11、period): 从动作电位的0期开始到3期复极至-60mV，即使给予很强的刺激，心肌也不会产生新的动作电位; 2)相对不应期(relative refractory peiod); 3)超常期(supranormal period)：膜电位由-80mV恢复到静息电位,兴奋性周期性变化与收缩的关系 心肌收缩是在肌膜AP触发下,发生兴奋-收缩耦联,引起肌丝滑行实现的。 （1）不发生强直收缩 心肌的有效不应期特别长,相当于整个收缩期加舒张早期，任何刺激落在此期内，心肌都不会发生兴奋反应。 当刺激频率多数刺激落在有效不应期内，最多引起期前收缩，不会发生强直收缩。,（2）期前收缩与代偿间歇 期前收缩(

12、premature systole)：心脏受到窦性节律之外的刺激，产生的收缩在窦性节律收缩之前,也称期外收缩（extrasystole)。 代偿间歇(compensatory pause)：一次期前收缩之后所出现的一段较长的舒张期称为代偿性间歇。 因窦性节律的兴奋是规律下传的，当窦性兴奋落在期前收缩的有效不应期内,就不能引起心室的兴奋和收缩,而出现一次窦律“脱失”，需等待下次窦律刺激引起兴奋才产生收缩，此等待期间为代偿性间歇。,）特征： 静息电位不稳定，当膜电位复极化到最大值时能自动去极化 (pace-maker)。 动作电位分三个时相（0,3,4）,无1期和2期; 0相去极化幅度低; 4相自

13、动去极化速度较快(与快反应自律细胞相比，意义？）。,0,3,4,4,（三）自律心肌细胞电活动的原理,慢反应自律性细胞窦房结、房室结细胞,2）慢反应自律细胞的舒张期自动去极化机制 至少与三种离子流有关： IK电流衰减 If离子流的激活： Na+内流为主，K+外流为辅。 P细胞的If电流幅值远小于普肯耶细胞 ICa-T离子流（transient Ca2+ current，T-type Ca2+ current，ICa-T） ：ICa-T通道的激活电位约为-50 mV，ICa-T通道开放后形成一个短暂、微弱的内向Ca2+电流，可能参与P细胞的起搏活动。,图9-14 窦房结P细胞舒张期去极化和动作电位

14、发生原理示意图,小结：慢反应自律细胞的AP形成机制,复极化至-60mV时 If 通道递增性激活,3期末Ik通道 递增性失活,自动去极后1/3期 Ca2+通道（T型）开放,K+递减性外流,Na+递增性内流,Ca2+内流,自 动 去 极 达 阈 电 位（-40mV）,慢 Ca2+ 通 道（L型）开 放,Ca2+ 内 流 ,产 生 AP 的 0 期,注：Ik 失活If 激活61，故4期自动去极If作用不大； 但若在超极化时，4期自动去极中If的作用增大。,快反应自律性细胞,Purkinje fibers 、Bundle of His 特点： 0期去极化速度快，幅度大; 4期自动去极化，但速度慢。 机

15、制： 0、1、2、3期：与心室肌细胞基本相似。 4期：为递增性Na+为主的内向离子流（If）+ 外向K+电流递减所引起的自动去极化。,If,IK,0,0,最大复极化电位 (最大舒张电位),小结：快反应自律细胞的AP形成机制,3 期 末 K+ 通 道 的 递 增 性 失 活,电 位 复 极 至 -60mV 时 If 通 道 的 递 增 性 激 活,K+ 递 减 性 外 流,Na+ 递 增 性 内 流,自 动 去 极 达 阈 电 位,快 N+ 通 道 开 放,Na+ 再 生 式 内 流,去 极 化产 生 AP 的 0 期,当去极化电位至-50mV时If 通道失活，自动去极化终止,电生理特性 快反应

16、 慢反应 - RP（最大复极） -90mV -70mV 阈电位 -70mV -40mV AP除极幅值 120mV 70mV AP最大除极速度 200-1000 V/s 约10V/s AP除极主要离子 Na+ Ca2+ AP除极时程 1-2ms 7ms （4期除极速度 ） 0.02V/s 0.1 V/s 阻断剂 TTX 异搏定、Mn2+,快、慢反应心肌细胞电生理特性的比较,Relationship between action potential of cardiacmyocytes and ECG,tetrodotoxin,肌细胞的收缩Contraction of Muscle Cell,一、

17、骨骼肌神经-肌接头处兴奋的传递 ,（一）神经-肌接头微细结构 Neuromuscular junction 接头前膜 （prejunctional membrane） 接头后膜或终板膜 （endplate membrane） 接头间隙 （junctional cleft）,（二）兴奋传递的过程 Activation of ACh-gated ion channel (nAChR) results in End-Plate Potential(EPP),传递过程（电-化学-电过程）：,神经冲动到达末梢，接头前膜去极化,电压门控Ca2通道开放、Ca2内流,囊泡向接头前膜移动、融合、破裂，ACh释放

18、至接头间隙,ACh与终板膜N2受体结合、 膜对Na和K通透性,Na内流使终板膜去极化EPP,EPP电紧张性扩布至周围肌膜 使其达到阈电位、爆发动作电位,AChE,N-M接头处的兴奋传递特征: （1）是电-化学-电的过程： N末梢APACh受体EPP肌膜AP （2）具1对1的关系： 接头前膜传来一个AP，便能引起肌细胞兴奋和收缩一次（因每次ACh释放的量，产生的EPP是引起肌膜AP所需阈值的3-4倍）。 神经末梢的一次AP只能引起一次肌细胞兴奋和收缩（因终板膜上含有丰富的胆碱酯酶，能迅速水解ACh）。,（三）影响N-M接头处兴奋传递的因素 （1）阻断ACh受体：箭毒(curare)和银环蛇毒，肌

19、松剂如驰肌碘（Flexadil，三碘季胺酚）。 （2）抑制胆碱酯酶活性：有机磷农药，新斯的明。 （3）自身免疫性疾病：Myasthenia Gravis（抗体破坏ACh受体),Lambert-Eaton syndrome（抗体破坏N末梢Ca2+通道）。 （4）接头前膜ACh释放：肉毒杆菌中毒。,（一）兴奋-收缩耦联的结构基础,二、横纹肌细胞的兴奋-收缩耦联（Excitation-Contraction Coupling of Striated Muscle Cell）,Transverse tubular system：T管（肌膜在明暗交界处或Z线附近向内凹陷而成。肌膜动作电位可沿T管传导，有

20、L型Ca2+通道）。 Longitudinal tubular system：L管（也称肌浆网，Sarcoplasmic Reticulum；肌节两端的L管称终末池，富含Ca2+，膜上有Ryanodine受体，是Ca2+释放通道)。 Triad：T管+终池,（二）兴奋-收缩耦联的关键离子Ca2+,L型钙通道和钙释放通道 骨骼肌细胞和心肌细胞的钙释放 骨骼肌细胞和心肌细胞的钙回收,肌细胞动作电位、钙瞬变与收缩的关系,（三）兴奋收缩耦联的过程 肌膜电兴奋的传导; 肌膜和T管上L型Ca2+通道激活; 肌浆网上Ryanodine受体激活，肌浆网Ca2+释放(引起钙瞬变，calcium transien

21、t); 触发肌丝滑行，肌细胞收缩。,粗肌丝（thick filament） 肌球蛋白（myosin） 横桥（cross-bridge）,细肌丝（thin filament）,肌动蛋白（actin) 原肌球蛋白（tropomyosin） 肌钙蛋白（troponin ）,三、 横纹肌收缩的机制,(一)横纹肌细胞的微细结构,M line,(二)横纹肌的收缩机制-肌丝滑行学说,肌细胞收缩时： 相邻Z线靠近,即肌节缩短； 暗带长度不变,即粗肌丝长度不变； 从Z线到H带边缘的距离不变,即细肌丝长度不变; 明带和H带变窄。 所以肌细胞收缩是肌原纤维的缩短,并不是粗、细肌丝本身缩短,而是细肌丝向肌节中央(粗肌

22、丝内、M线)滑行。,与肌动蛋白结合,与原肌球蛋白结合,与Ca2+结合，启动收缩,troponin,(三）肌肉收缩的过程,Cross-bridge cycle 指横桥激活、与肌动蛋白结合、耗能摆动、获能解离、复位及再结合的周期性活动过程。20200ms,肌节缩短,肌细胞收缩,横桥向M线方向摆动将细肌丝牵拉到粗肌丝内,横桥与结合位点结合，头部分解ATP贮存的能量释放,原肌球蛋白位移， 暴露细肌丝上的结合位点,Ca2+与肌钙蛋白结合 肌钙蛋白构型改变,终池膜上的钙通道开放 终池内的Ca2+进入肌质,Sources of ATP,Muscle relaxationmechanisms that res

23、tore sarcoplamic Ca2+,Back to calcium store: Ca2+ pump in sarcoplasmic reticulum membrane; 100% in skeletal muscle; 70% in cardiac muscle Out of the cell: Na+-Ca2+ exchanger in cell membrane; Ca2+ pump in cell membrane;,Excitation The sarcolemma is depolarized and the action potential (AP) propagate

24、s; The action potential spreads inside along the T-tubules; AP is transmitted from T-tubule to terminal sacs of sarcoplasmic reticulum; Calcium is released from sarcoplasmic reticulum into sarcoplasm; Contraction Calcium binds to troponin leading to cooperative conformational changes in troponin-tro

25、pomyosin system; The inhibition of actin and myosin interaction is released; Crossbridges of myosin filaments are attached to actin filaments; Tension is exerted and/or the muscle shortens by the sliding filament mechanism; Relaxation Calcium is pumped back into sarcoplasmic reticulum; Crossbridges

26、are detached from the thin filaments; Troponin-tropomyosin regulated inhibition of actin and myosin interaction is restored; Active tension disappears and the rest length is restored;,Summary: Sequential events of muscle contraction and relaxation,四、影响横纹肌收缩效能的因素,(一）收缩的形式,Muscle contraction implies t

27、hat movement occurs between myosin cross bridges and actin. However, this movement does not necessarily result in shortening of the muscle. As a result, two kinds of muscle contractions are defined. Isotonic contractions occur when muscles change length during a contraction. Isometric contractions o

28、ccur when muscles do not change length during a contraction.,Force transducer,Isotonic contraction （等张收缩）,Isometric contraction （等长收缩）,Pivot,(treppe),Single twitch, fused twitch After-load: determines length of cross-bridge cycles and hence total number of cross-bridges interacting with thin filamen

29、ts; Contractility: intrinsic properties of muscles and neurohumoral factors affecting those properties,1)前负荷（Preload)：肌肉收缩前所承受的负荷,决定了肌肉的初长度。 肌节最适初长（2.0-2.2m）时，粗细肌丝重叠佳，肌缩速度、幅度和张力最大； 大于最适初长时，粗细肌丝重叠，肌缩速度、幅度和张力； 小于最适初长时，细肌丝可缩短距离 效能 。 人体大部分骨骼肌的静态长度即是其最适初长，故Optimal initial length也称Resting length.,Z线,M线,Z线,肌节,Optimal ini