细胞4－生物电-中国医学科学院

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1、第四章第四章 细胞的生物电现象细胞的生物电现象n 生物电现象的发现，不仅极大促进了生物学及基 础医学的发展，而且使临床医学发生了革命性的变 革。n 人体各器官表现的电现象，是以细胞水平的生物 电现象为基础，细胞的电现象主要是跨膜离子流动 造成的。n 任何细胞跨膜电现象的明显改变都将影响细胞的 正常功能，导致严重的疾病。神经和骨骼肌细胞的生物电现象神经和骨骼肌细胞的生物电现象 非常容易观察到的生物电现象非常容易观察到的生物电现象-蛙神经肌肉标本蛙神经肌肉标本 刺激神经刺激神经 肌肉收缩；单独刺激肌肉肌肉收缩；单独刺激肌肉 肌肉收缩肌肉收缩 反应速度和可重复性分析提示只能是电信号反应速度和可重复性

2、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刺激强度不同，肌肉收缩强度也不同坐骨神经坐骨神经腓肠肌腓肠肌锌铜弓锌铜弓 兴奋性（兴奋性（excitability)：产生动作电位（产生动作电位（AP)的能力的能力 兴奋（兴奋（excitation)：宏观表现：宏观表现：活动增强；活动增强；电学角度：电学角度：产生产生AP 可兴奋细胞可兴奋细胞/组织（组织（excitable cell/tissue)：受到较小的刺激后即可出现某种形式的反应。神经细胞神经细胞-神经冲动；肌细胞肌细胞-收缩；腺细胞腺细胞-分泌活动 电电可兴奋细胞（可兴奋细胞（electrically excitable ce

3、ll)可兴奋细胞产生兴奋的标志可兴奋细胞产生兴奋的标志：产生动作电位 非可兴奋细胞非可兴奋细胞：有静息电位，但不能产生动作电位 阈强度（阈强度（threshold intensity)是细胞兴奋的指标是细胞兴奋的指标 组织在组织在兴奋后兴奋性的规律性变化：兴奋后兴奋性的规律性变化：绝对不应期（绝对不应期（absolute refractory period)相对不应期（相对不应期（relative refractory period)超常期（超常期（supranormal period)低常期（低常期（subnormal period)通道功能状态的改变是细胞兴奋性发生变化的基础通道功能状态的

4、改变是细胞兴奋性发生变化的基础q 一次兴奋后兴奋性的变化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、超常期、低常期绝对不应期、有效不应期、相对不应期、超常期、低常期细胞生物电现象的主要表现是什么？细胞生物电现象的主要表现是什么？1.1.静息电位静息电位 2.2.动作电位动作电位p 生物电现象的产生机制生物电现象的产生机制 兴奋和生物电现象机制的阐明是本世纪生命科学 的重大进展之一。由钠泵活动产生的膜内高K+和膜外高Na+状态是各种细胞生物电现象产生的基础。Na+和 K+通过各自的电压门控通道的易化扩散是形成神经和骨骼肌细胞静息电位和动作电位的直接原因。第一节第一节 静息电位静息

5、电位(resting potential)定义定义：细胞未受刺激时细胞膜内外的电位差。特点特点：膜内电位较膜外为负，具体数值为毫 伏级，不同细胞有差异。如规定膜外电位为0（接 地），则膜内电位在-10 100mV 之间。0 mV-90 mV+30 mVn 枪乌贼巨大神经轴突（枪乌贼巨大神经轴突（1000 m)在细胞在细胞 电生理学中的贡献电生理学中的贡献n 细胞跨膜电位的发现：细胞跨膜电位的发现：最早是利用枪乌贼 神经轴突作出的（凌宁凌宁&Gerard,1949）玻璃微电极细胞内记录技术玻璃微电极细胞内记录技术电电极极刺刺穿穿细细胞胞膜膜前前静息电位记录示意图静息电位记录示意图电电极极刺刺穿穿

6、细细胞胞膜膜后后0 mV-90 mV0 mV1.静息电位产生原理：静息电位产生原理：K+平衡电位平衡电位 Bernstein首次提出，细胞内外K+的不均匀分布和安 静时膜主要对K+有通透性可能是细胞能保持内负外 正极化状态的基础。K+i/K+o=35,Na+o/Na+i=14 浓度势能使细胞内K+有向细胞外扩散的趋势，细 胞外Na+有向细胞内扩散的趋势。如果没有阳离子的不对等扩散，细胞内外是电中性 的（不带电），因为细胞内或细胞外的正负离子 电荷数是相等的。细胞内液和细胞内液和细胞外液各细胞外液各种离子的浓种离子的浓度差度差要点：要点：p 在生理情况下，如果不存在细胞膜对某些带电在生理情况下，

7、如果不存在细胞膜对某些带电粒子的选择性通透，则不论是细胞外液还是细胞粒子的选择性通透，则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）。和细胞外液都是电中性的（即不带电）。p 如果细胞膜对某种离子有选择性通透现象，则如果细胞膜对某种离子有选择性通透现象，则细胞膜两侧会有带电现象。细胞膜两侧会有带电现象。细胞膜在静息状态下确实主要对K+有通透性（内向内向 整流钾通道，整流钾通道，IK1）在，K+向细胞外扩散时不伴有 负离子的向外扩散和Na+向内扩散。由于K+带正电荷，K+向细胞外扩散时使细胞外带 正电荷

8、，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+的向外扩散，最终达到平衡 K+平衡电位平衡电位 K+向外扩散达到平衡时的细胞内外电位差即是K+平 衡电位，用Nernst方程方程计算。静息电位产生原理示意图静息电位产生原理示意图K+K+-20mV-30mV-40mV-50mV-60mV-70mV-80mV静息电位水平不同静息电位水平时不同静息电位水平时IK1的大小比较的大小比较 (IK1:inward rectifier K+current)Nernst 方程：方程：Ek K+平衡电位（平衡电位（mV)R通用气体常数通用气体常数T绝对温度绝对温

9、度Z离子价离子价FFaraday常数常数K+o细胞外细胞外K+浓度浓度K+i细胞内细胞内K+浓度浓度将有关数值代入方程，将有关数值代入方程，T以以27C计算，再把自然计算，再把自然对数化为常用对数，则上述公式可简化为：对数化为常用对数，则上述公式可简化为：第二节第二节 动作电位动作电位超射 动作电位（动作电位（action potential)：细胞受到一定强度的刺激后跨膜电位由静息电位（内负外正）的状态向内正外负的方向转变，继之又恢复到静息电位水平的过程，形状如锋，故称锋电位锋电位(spike potential)。其中膜内电位值超过0电位的部分称为超射（超射（overshoot)。后电位（

10、后电位（afterpotential)：锋电位之后的未恢复部分“全或无全或无”现象（现象（“all or none”phenomenon)：同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导距离改变的现象。极化（极化（polarization)：膜两侧电位所保持的内负外正的状 态。超极化（超极化（hyperpolarization)：膜内电位负值增大。去极化（去极化（depolarization)：膜内电位负值减小。复极化（复极化（repolarization)：膜内电位向静息电位方 向变化。反极化反极化：外正内负外负内正。动作电位产生的两种情况：动作电位产生的两种情况：1.Spontaneous1.S

11、pontaneous 2.Induced 2.Inducedq 不同细胞动作电位形态的差异不同细胞动作电位形态的差异 神经和骨骼肌：神经和骨骼肌：是典型的锋电位，动作电位时程（APD）只有1到数毫秒。动作电位振幅约为120mV.心肌心肌：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.NeuronSkeletal muscle cellGland cellVentricular cellp 动作电位去极相（上升支）的产生原理：动作电位去极相（上升支）的产生原理：Na+平衡电位平衡电位 Hodgkin等首次提出，动作电位上升支细胞负电性消失并转化为正电位是由于膜对Na+的

12、通透性突然增大所致，现已得到证实。在Na+通道开放的情况下，Na+的浓度势能使细胞外Na+通过通道扩散的方式进入细胞内，并很快达到电化学平衡，动作电位的超射值相当于计算所得的Na+平衡电位（平衡电位（ENa)。与达到K+平衡电位所需的很小K+外流量相似，形成Na+平衡电位所需的Na+外流量亦很小（1/80000）q 不同细胞动作电位去极化离子通道机制的差别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绝大多数细胞是Na+内流内流心肌慢反应细胞是心肌慢反应细胞是Ca2+内流内流神经细胞树突神经细胞树突APp 动作电位复极相（下降支）的产生原理：动作电位复极相（下降支）的产生原理：1.神经

13、细胞、骨骼肌细胞、腺细胞：神经细胞、骨骼肌细胞、腺细胞：K+外流外流2.心肌细胞：心肌细胞：复杂，有复杂，有K+外流、外流、Ca2+内流等内流等p 动作电位复极完成后膜的活动：动作电位复极完成后膜的活动：1.IK1活动：维持静息电位活动：维持静息电位 2.钠泵活动：驱出钠泵活动：驱出Na+、泵入、泵入K+q 生电性钠泵生电性钠泵：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变。但当膜内蓄积过多Na+时，钠泵泵出的Na+有可能超过泵入的K+（3：2），于是膜电位向超级化方向变化（正后电位正后电位），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。q

14、 神经干动作电位的记录神经干动作电位的记录 神经干动作电位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双向和单向动作电位 记录电极记录电极：可分为单极记录和双极记录 单极记录单极记录：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。单极记录单极记录双极记录双极记录或或两电极间距很近时两电极间距很近时两电极间距较远时两电极间距较远时记录仪记录仪记录仪记录仪阴极刺激原则阴极刺激原则兴奋总是发生在阴极电极下方，兴奋总是发生在阴极电极下方，阳极下方甚至出现超级化阳极下

15、方甚至出现超级化 刺激器刺激器双向动作电位双向动作电位的形成机理的形成机理神经局部阻滞后单向神经局部阻滞后单向动作电位的形成机理动作电位的形成机理p 动作电位的引起动作电位的引起 刺激局部反应局部反应（局部电位）阈电位动作电位 膜电位必须去极化到某一阈值时Na+通道才能大量开放，引起动作电位的去极相。这一阈值称为阈电位阈电位，一般细胞阈电位约较静息电位负值少10-15mV。阈强度（阈强度（threshold intensity)：能够使膜去极化达到阈电位的外加刺激强度。阈下刺激阈下刺激：比阈强度低的刺激。阈上刺激阈上刺激：比阈强度高的刺激。q 去极化与去极化与NaNa+通道开放的关系通道开放的

16、关系 动作电位上升支是由于Na+通道快速而大量开 放所致。膜电位水平决定Na+通道开放概率。单一Na+通道开放并不表现“阈”的特性，只有开放概 率的差异，越接近阈电位开放概率越高。q Na+通道开放的再生性循环再生性循环（正反馈；瀑布（正反馈；瀑布效应）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+通道开放正反馈过程。u 局部反应及其特性局部反应及其特性 阈下刺激虽然不能使膜电位达到阈电位，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，这种情况称为局部反应局部反应，此时的升高的膜电位称为局局

17、部电位部电位或电紧张电位，电紧张电位，又称为电紧张扩布电紧张扩布（electrotonic propagation)。局部反应局部反应的特征：1.呈等级性，不是全或无2.不能在膜上作远距离传播3.可以相互叠加：空间性总和，时间性总和p 动作电位在同一细胞上的传导机制动作电位在同一细胞上的传导机制 （局部电流学说）（局部电流学说）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局部电流局部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q 有髓神经纤维动作电位的跳跃式传导有髓神经纤维动作电位的跳跃式传导 （saltatory conduction)髓鞘由于主要由脂质构成

18、，导电性极差，不允许髓鞘由于主要由脂质构成，导电性极差，不允许带电离子通过，因此只有在髓鞘暂时中断的朗飞氏结带电离子通过，因此只有在髓鞘暂时中断的朗飞氏结处，轴突膜才能和细胞外液接触，使跨膜离子移动得处，轴突膜才能和细胞外液接触，使跨膜离子移动得以进行。这样，动作电位只能在邻近刺激点的朗飞氏以进行。这样，动作电位只能在邻近刺激点的朗飞氏结处产生，而局部电流也只能发生在相邻的朗飞氏结结处产生，而局部电流也只能发生在相邻的朗飞氏结之间，因而传导速度很快。之间，因而传导速度很快。q 髓鞘髓鞘是进化的产物，无脊椎动物通过增加神经干的直径增加神经冲动的传导速度，脊椎动物通过髓鞘增加神经冲动的传导速度，既

19、快速又节能。p 动作电位在细胞间的传导机制动作电位在细胞间的传导机制 （细胞间的直接电传递）（细胞间的直接电传递）某一细胞膜产生动作电位 离子流通过缝隙连接（gap junction）另一细胞去极化动作电位p如果细胞之间没有缝隙连接，动作电位就不能在细胞间传播。如果细胞之间没有缝隙连接，动作电位就不能在细胞间传播。第三节第三节 膜的被动电学特性膜的被动电学特性 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，称为性，称为膜的被动电学特性，有膜电容、膜电阻和膜的被动电学特性，有膜电容、膜电阻和 轴向电阻等参数轴向电阻等参数。特点特点：膜内电位较膜外为

20、负，具体数值为毫 伏级，不同细胞有差异。如规定膜外电位为0（接 地），则膜内电位在-10 100mV 之间。n 膜电阻和膜电导的概念膜电阻和膜电导的概念 膜电阻（膜电阻（membrane resistance)：是反映膜阻止离 子通透能力的物理量，膜电阻越大，则通透性越低。膜电导（膜电导（membrane conductance)：是反映膜对 离子通透性的物理量，膜电导越大，则通透性越高。第四节第四节 离子通道与细胞电活动离子通道与细胞电活动一.离子通道存在多种功能状态闸门（闸门（gate）和门控（）和门控（gating）门控通道的门控通道的H-H模型（模型（Kodgkin&Huxley）关闭

21、（关闭（close）：）：m门（激活门）关闭，h门（失活 门）开放。激活（激活（activation）：）：m门和h门均开放。失活（失活（inactivation）：）：m门开放，h门关闭。q 电压箝和电压箝和膜片箝技术及其在离子通道研究中的应用膜片箝技术及其在离子通道研究中的应用 细胞膜电位固定技术（电压箝细胞膜电位固定技术（电压箝,voltage clamp）技）技 术发明人术发明人:Hodgkin&Huxley，获得 1963年Nobel prize 膜片箝（膜片箝（patch clamp）技术发明人）技术发明人:Erwin Neher&Bert Sakmann（德国人）获1991年诺贝

22、尔生理学和医学奖。主要贡献：发明并利用膜片箝技术发现了单个离子通道的活动特征。SIR JOHN CAREW ECCLES SIR ANDREW FIELDING HUXLEY SIR ALAN LLOYD HODGKIN 1963 Nobel Laureate in Physiology or Medicine for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve

23、 cell membrane Erwin NeherBert Sakmann The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991 for their discoveries concerning the function of single ion channels in cellsp Na+通道的失活和膜电位的复极通道的失活和膜电位的复极 通道的三种状态：激活激活（开放）、失活失活、关闭关闭（备用状态）。三种状态的形成机制：通道蛋白构型或构象的变化 Na+通道失活 去极化结束；K+通道开放 复极化 Na+通道失活 绝对不应期绝对不应期；部分失活 相对不应期相对不应期 动作电位复极化完成后离子分布的恢复：钠泵钠泵。千兆欧封结千兆欧封结玻璃微电极玻璃微电极细胞内记录细胞内记录-20mV-30mV-40mV-50mV-60mV-70mV-80mV静息电位水平IK1单通道活动特征单通道活动特征谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH