高等教学大一下课件：细胞电活动(一)

Lugi Galvani(1737-1798)细胞的电活动细胞的电活动Electrical activity of living cells History 早期发现：电鲶早期发现：电鲶,电鳗电鳗,电鳐电鳐,有生有生电器官。电器官。18世纪末世纪末,1790-1791,Lugi Galvani 发现发现:金属金属蛙腿蛙腿M M收缩收缩;N,M发发电电内在电流内在电流同体损伤实验，确同体损伤实验，确认认N.M放电现象放电现象.Volta认为是金属电流，非生物电流认为是金属电流，非生物电流创立金属接触电动势理论创立金属接触电动势理论,发明发明Volta电池电池.Lugi Galvani(1737-1798)细胞的电活动膜电位（膜电位（membrane potential,Vm)静息电位（静息电位（resting potential,RP)动作电位（动作电位（action potential,AP)极化状态极化状态去极化（去极化（depolarization)超极化（超极化（hyperpolarization)复极化（复极化（repolarization)If:Vm=-100 mV,thickness of plasma membrane=4nmThen:electric field250,000V/cmThe plasma membrane mimics a miniature battery.Energy is used to:1)drives transmembrane transport;2)signaling：神经、肌肉、腺体等：神经、肌肉、腺体等一、细胞电活动的现象一、细胞电活动的现象膜电位（membrane potential,Vm)一、细Absorption of glucose and amino acids in the intestineAbsorption of glucose and amin脂脂质质双双分分子子层层细胞膜糖类细胞膜糖类细胞膜蛋白质细胞膜蛋白质疏水疏水基团基团亲水亲水基团基团脂细胞膜糖类细胞膜蛋白质疏水亲水离子通道离子通道-具有重要生物学功能的膜蛋白质具有重要生物学功能的膜蛋白质可兴奋细胞 or 非可兴奋细胞Gated channelNon-gated channel离子通道-具有重要生物学功能的膜蛋白质可兴奋细胞 or 非可细胞膜的被动电学特性细胞膜的被动电学特性细胞膜的电学特性细胞膜的电学特性并联的阻并联的阻-容耦合电路容耦合电路膜电容（膜电容（membrane capacitance,Cm）膜脂质双层（绝缘）膜脂质双层（绝缘）一个平行板电容器一个平行板电容器,膜电容膜电容大，约大，约1F/cm2膜电阻（膜电阻（membrane resistance,Rm）取决于离子通道密度与状态，约取决于离子通道密度与状态，约103/cm2，用，用膜膜电导电导（G=1/Rm）表示）表示.轴向电阻（轴向电阻（Ri）取决于胞质液及细胞直径，取决于胞质液及细胞直径，Ri=1/D 细胞膜的被动电学特性细胞膜的电学特性并联的阻-容耦合电路高等教学大一下课件：细胞电活动(一)二、静息电位及其产生机制二、静息电位及其产生机制Definition:transmembrane potential at rest Neurons-60mV Skeletal and cardiac muscles,-90 mV Erythrocytes-9 mVIonic basis of resting potential 1)Unequal distribution of ions across membrane 2)Selective permeability of membrane 3)Na+pump（一）静息电位（一）静息电位（The resting potential）二、静息电位及其产生机制Definition:transm(1)Unequal distribution of ions across the plasma membrane largely due to primary and secondary active transport(1)Unequal distribution of io(2)Selective permeability of plasma membrane account for resting membrane potentialIntracellularK+i=K+oExtracellular通透膜通透膜顺浓度梯度顺浓度梯度Scenario A化学势能化学势能(驱动力）驱动力）=RTlnK+iK+oR=gas constant;T=temperature(2)Selective permeability of 选择性通透膜选择性通透膜IntracellularExtracellularExtracellularIntracellular顺浓度梯度顺浓度梯度逆电位梯度逆电位梯度顺浓度梯度顺浓度梯度驱动力驱动力=浓度梯度浓度梯度+电位梯度电位梯度Scenario B化学化学(浓度浓度)势能势能=RTlnK+iK+o电位势能电位势能=zF(Ei-Eo)Z,离子化合价；离子化合价；F，法拉弟常数，法拉弟常数电化学驱动力电化学驱动力=RTlnK+iK+o+zF(Ei-Eo)选择性通透膜IntracellularExtracellul选择性通透膜选择性通透膜IntracellularExtracellularExtracellularIntracellular顺浓度梯度顺浓度梯度逆电位梯度逆电位梯度顺浓度梯度顺浓度梯度Scenario C:平衡状态平衡状态(equilibrium)电化学驱动力电化学驱动力=RTlnK+iK+o+zF(Ei-Eo)=0(Ei-Eo)=-RTzFK+iK+oln=-60K+iK+ologNernst equationEK选择性通透膜IntracellularExtracellulThe Nernst equation predicts the electrical potential difference required to balance the concentration potential difference of an ion across the membraneEquilibrium potential of X+(离子的平衡电位离子的平衡电位)Ex=-60X+iX+ologThe Nernst equation predicts t静息状态下静息状态下Na+的驱动力：的驱动力：VmENa=-70mV-(+60mV)=-130mV 静息状态下静息状态下K+的驱动力：的驱动力：VmEK=70mV(90mV)=+20mV电化学驱动力电化学驱动力=Vm-E离子离子 *动力为负值时：推动正电荷流入胞动力为负值时：推动正电荷流入胞(内向电内向电流流 inward current,如如Na+,Ca2+内流内流)*动力为正值时：推动正电荷出胞动力为正值时：推动正电荷出胞(外向电流外向电流outward current,如如K+外流外流,Cl-内流内流)静息状态下Na+的驱动力：静息状态下K+的驱动力：电化学驱动Ex=-60X+iX+olog在典型细胞，几种离子的平衡电位在典型细胞，几种离子的平衡电位Ex=-60X+iX+olog在典型细胞，几种离子Experimental evidence that“selective permeability of the plasma membrane to K+account for resting membrane potential”Paul HorowizAlan HodgkinIon substitution experiments in frog muscle preparation:SO42-Cl-Vm unalteredNa+K+Vm altered Vm altered proportionally with changes in extracellular K+Experimental evidence that“seHowever,resting membrane potential is close but not equal to EK,due to permeability to other channels However,resting membrane pote事实上，细胞膜对事实上，细胞膜对Na+、K+、Cl-都是可通透的，膜电位都是可通透的，膜电位取决于膜对这些离子的相对通透性；膜对取决于膜对这些离子的相对通透性；膜对K+和和Na+的的相对通透性成为膜电位的主要决定因素。相对通透性成为膜电位的主要决定因素。因因PNaPK，所以膜电位接近，所以膜电位接近EK细胞未受刺激（安静）时：细胞未受刺激（安静）时：Conductance(g)=permeability事实上，细胞膜对Na+、K+、Cl-都是可通透的，膜电位取决(3)Na+-K+-ATPase contributes to resting membrane potential The activity of Na+-K+-ATPase maintains ion gradients across the membrane;The work of Na+-K+-ATPase is electrogenic,which hyperpolarizes the membrane.smooth muscles up to 20 mV;skeletal muscles and nerves,5 mV(3)Na+-K+-ATPase contributes 高等教学大一下课件：细胞电活动(一)总结：静息电位的原理总结：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）流离子有顺浓度和电位梯度（电化学梯度）流动的趋势动的趋势静息状态时，细胞膜对静息状态时，细胞膜对K+的通透性高（一些的通透性高（一些K+通通道开放）道开放）细胞膜上有较多细胞膜上有较多non-gated钾通道开放钾通道开放 K+顺浓度梯度外流，造成膜内负电位状态顺浓度梯度外流，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总结：静息电位的原理离子在细胞膜两侧的不均匀分布：高等教学大一下课件：细胞电活动(一)三、动作电位及其产生机制三、动作电位及其产生机制1.概概 念：念：可兴奋细胞受到刺激，细胞膜在静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、可逆的息电位基础上发生一次短暂的、可逆的,并可并可向周围扩布的电位波动。向周围扩布的电位波动。三、动作电位及其产生机制+200-90mV0200Time(ms)Action potentials of a nerve fiber,a cardiomyocyte and a cardiac pace-maker cell+200-90mV0200Time(ms)Action p2.动作电位的产生机制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）阈下刺激导致局部膜电位变化（局部反应）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局部反应概念概念：刺激引起的低刺激引起的低于阈电位的去于阈电位的去极化（即局部极化（即局部电位），引起电位），引起少量钠通道激少量钠通道激活，称局部反活，称局部反应或局部兴奋。应或局部兴奋。局部反应概念：局部反应的局部反应的特征特征:不具有不具有“全或无全或无”现象。其幅值可现象。其幅值可随刺激强度的增加随刺激强度的增加而增大。而增大。电紧张方式扩布电紧张方式扩布,其幅值随着传播距其幅值随着传播距离的增加而减小。离的增加而减小。具有总和效应：具有总和效应：时间性和空间性总时间性和空间性总和。和。局部反应的特征:AP上升支上升支AP下降支下降支(2)局部反应引起局部反应引起Na+、K+通道状态改变引起快通道状态改变引起快速去极化继而复极化速去极化继而复极化AP上升支AP下降支(2)局部反应引起Na+、K+通道状态（1）离子替换实验）离子替换实验枪乌贼巨轴突（枪乌贼巨轴突（Squid giant axon)；玻璃电极作记录：玻璃电极作记录：1950s,Hodgkin&Huxley对对AP产产生机制的证明生机制的证明动作电位的幅度、去极化的速度随细胞外动作电位的幅度、去极化的速度随细胞外Na+浓度的降低而减小、减慢浓度的降低而减小、减慢逐步降低细胞外逐步降低细胞外Na+浓度浓度（2）Voltage clamp（电压钳）（电压钳）（1）离子替换实验1950s,Hodgkin&Huxl电压钳电压钳(voltage clamp)原理原理细胞受去极化刺激时，引起哪种离子跨膜流动？细胞受去极化刺激时，引起哪种离子跨膜流动？电压钳(voltage clamp)原理内向电流内向电流(Na+电流电流)外向电流外向电流(K+电流电流)电压钳记录到的两种电压钳记录到的两种电压依赖性电压依赖性离子通道电流离子通道电流内向电流(Na+电流)外向电流(K+电流)电压钳记录到的两种高等教学大一下课件：细胞电活动(一)Hodgkin&Huxley(H-H)model(m-gate)(h-gate)Hodgkin&Huxley(H-H)model(mErwin NeherBert Sakmann 1976-1981 开创膜片钳技术开创膜片钳技术 1991 诺贝尔生理或医学奖诺贝尔生理或医学奖 Patch clamp（膜片钳）（膜片钳）Erwin NeherBert Sakmann Patch A pipette patching onto a pyramidal cell somaA pipette patching onto a cell soma whilst another pumps something(!?)onto a dendriteA pipette patching onto a pyra高等教学大一下课件：细胞电活动(一)钠通道由钠通道由、1和和2亚基组成亚基组成每个亚基都由每个亚基都由4个结构域组成个结构域组成每个结构域内的多肽链跨膜每个结构域内的多肽链跨膜6次，其中的第四个跨膜段次，其中的第四个跨膜段(S4)为电压感受器为电压感受器Na+通道通道钠通道由、1和2亚基组成Na+通道当细胞受到去化极刺激当细胞受到去化极刺激细胞膜上少量细胞膜上少量Na+通道激活而开放通道激活而开放Na+顺浓度差少量内流顺浓度差少量内流膜内外电位差膜内外电位差当膜内电位变化到阈电位时当膜内电位变化到阈电位时Na通道大量开放通道大量开放Na+顺电化学梯度大量内流顺电化学梯度大量内流（再生式内流）（再生式内流）Na+i、K+O激活激活Na+K+泵泵膜内负电位减小到零并变为正电位（膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支上升支）Na+通道关通道关Na+内流停内流停+同时同时K+通道激活而开放通道激活而开放K顺电化学梯度顺电化学梯度迅速外流迅速外流膜内电位迅速下降，恢复到膜内电位迅速下降，恢复到RP水平（水平（AP下降支下降支）Na+泵出、泵出、K+泵回，泵回，离子恢复到兴奋前水平离子恢复到兴奋前水平后电位后电位局部反应局部反应电紧张电位电紧张电位动作电位动作电位（全或无、不衰减）（全或无、不衰减）总结总结当细胞受到去化极刺激细胞膜上少量Na+通道激活而开放Na+顺3.3.动作电位的特点与产生条件动作电位的特点与产生条件(1)特点特点 全或无全或无“All-or-None”;不衰减性传导：不衰减性传导：局部电流与跳跃式传导局部电流与跳跃式传导 不应期不应期(2)产生条件产生条件 刺激强度刺激强度 Na+通道状态通道状态3.动作电位的特点与产生条件(1)特点动作电位传导动作电位传导(conduction)传导机制传导机制 局部电流学说局部电流学说 (local current)有髓纤维的跳跃式传导有髓纤维的跳跃式传导 （saltatory conduction）意义：意义：1）提高传导速度）提高传导速度 2）减少能量消耗）减少能量消耗动作电位传导(conduction)传导机制1.兴奋和可兴奋细胞兴奋和可兴奋细胞 兴奋（兴奋（excitation）：在现代生理学中，兴奋就是）：在现代生理学中，兴奋就是动作电位或动作电位的产生过程。动作电位或动作电位的产生过程。可兴奋细胞（可兴奋细胞（excitable cell）：生理学将神经细胞、）：生理学将神经细胞、肌细胞和部分腺细胞，称为可兴奋细胞。肌细胞和部分腺细胞，称为可兴奋细胞。*可兴奋细胞的共同特征：产生动作电位。可兴奋细胞的共同特征：产生动作电位。四、组织的兴奋和兴奋性四、组织的兴奋和兴奋性1.兴奋和可兴奋细胞四、组织的兴奋和兴奋性2.细胞（或组织）的兴奋性细胞（或组织）的兴奋性 兴奋性（兴奋性（excitability）：可兴奋细胞接受刺）：可兴奋细胞接受刺激产生动作电位的能力或特性。激产生动作电位的能力或特性。衡量组织兴奋性高低的指标衡量组织兴奋性高低的指标-阈强度（阈值）阈强度（阈值）阈强度（阈强度（threshold intensity）：将刺激时间）：将刺激时间和强度和强度/时间变化率固定后，能使组织发生兴时间变化率固定后，能使组织发生兴奋的最小刺激强度，也称阈值（奋的最小刺激强度，也称阈值（threshold value）。兴奋性兴奋性=1/阈值阈值2.细胞（或组织）的兴奋性组织兴奋后兴奋性的变化：组织兴奋后兴奋性的变化：1）绝对不应期）绝对不应期(absolute refractory period,ARP）2）相对不应期（）相对不应期（relative refractory period,RRP）3）超常期（）超常期（supranormal period，SP）4）低常期）低常期（subnormal period）记录记录组织兴奋后兴奋性的变化：3）超常期（supranormal膜电位膜电位兴奋性兴奋性绝对不应期绝对不应期（钠通道失活）（钠通道失活）相对不应期相对不应期（钠通道部分恢复）（钠通道部分恢复）超常期超常期（钠通道大部恢复、膜电位接近阈电位）（钠通道大部恢复、膜电位接近阈电位）低常期低常期（膜内电位呈超极化膜内电位呈超极化）阈电位阈电位记录记录细胞兴奋后兴奋性发生变化的机制细胞兴奋后兴奋性发生变化的机制 主要与钠通道的功能状态有关主要与钠通道的功能状态有关膜电位兴奋性绝对不应期（钠通道失活）相对不应期（钠通道部分恢影响细胞兴奋性的因素影响细胞兴奋性的因素 任何能影响静息电位与阈电位之间距离的因素任何能影响静息电位与阈电位之间距离的因素Resting potential RP（去极化）（去极化）兴奋性兴奋性；RP（超极化）（超极化）兴奋性兴奋性 eg:K+o RP（去极化）（去极化）兴奋性兴奋性；GABA GABAA受体受体 Cl-内流内流超极化超极化兴奋性兴奋性 Threshold:主要决定于钠通道的密度和状态。主要决定于钠通道的密度和状态。eg:外周神经损伤外周神经损伤感觉神经上钠感觉神经上钠通道通道，被疑与神经痛有关，被疑与神经痛有关Extracellular Ca2+:Ca2+o兴奋性兴奋性；Ca2+o兴奋性兴奋性；影响细胞兴奋性的因素 任何能影响静息电位与阈电电紧张电位和局部电位电紧张电位和局部电位膜的被动电学特性膜的被动电学特性 膜电容和膜电阻膜电容和膜电阻膜电容（膜电容（Cm)膜电位（膜电位（Vm）膜电阻（膜电阻（Rm）轴向电阻（轴向电阻（Ri）膜电导（膜电导（Gm）*细胞膜等效电路细胞膜等效电路电紧张电位电紧张电位概念；意义；生成速度概念；意义；生成速度（Electrotonic Potential and Local Potential）电紧张电位和局部电位膜的被动电学特性 膜电容和膜电阻膜电容局部电位局部电位(local potential)特点：特点：1)幅度呈幅度呈“等级等级”性性2)传导呈衰减式传导呈衰减式3)反应可以总和反应可以总和类型：类型：l 终板电位终板电位(EPP)l 兴奋性突触后电位兴奋性突触后电位(EPSP)l 慢波电位慢波电位l 发生器电位发生器电位局部电位(local potential)特点：类型：