生物医学工程_人体解剖生理和生物电现象课件

生物医学工程生物医学工程人体解剖生理和生物电现象人体解剖生理和生物电现象1生物医学工程人体解剖生理和生物电现象1Anatomy and physiology（解剖-生理）Bioelectric ponomena（生物电现象）2Anatomy and physiology（解剖-生理）2第二节第二节 细胞生物电现象细胞生物电现象生物电现象：生命活动中表现的电生物电现象：生命活动中表现的电现象。现象。心脏心脏 心电图心电图脑脑 生物电总和生物电总和 脑电图脑电图骨骼肌骨骼肌 肌电图肌电图胃肠平滑肌胃肠平滑肌 胃肠电图胃肠电图3第二节 细胞生物电现象3电压钳技术（voltage clamp technique）Hodgkin 和Huxley 离子学说 检测含大量离子通道行为膜片钳技术（patch clamp technique）Neher 和Sakmann 生物电分子机制 检测单一离子电流和电导一、生物电现象的观察及记录方法一、生物电现象的观察及记录方法4电压钳技术（voltage clamp technique）静息电位（resting potential）细胞安静状态下存在细胞膜内外两侧的电位差。膜内为负电位，膜外为正电位。维持在某一特定水平：肌细胞-70-90mV 腺细胞-40-70mV 红细胞-10mV二、静息电位及其产生原理二、静息电位及其产生原理5静息电位（resting potential）二、静息电位及 K+K+外流形成的外流形成的k+k+平衡平衡电电位位 膜内膜内K+K+浓浓度高，膜外度高，膜外Na+Na+浓浓度高。膜度高。膜对对K+K+通通透性好而透性好而对对Na+Na+差，故差，故K+K+顺浓顺浓度梯度向外流，度梯度向外流，Na+Na+则则很少内流，膜很少内流，膜对负电对负电大分子几乎不通透，大分子几乎不通透，随着随着K+K+外流外流扩扩散，形成膜内散，形成膜内负电负电膜外正膜外正电电的的电电位差。由于同种位差。由于同种电电荷相斥，当荷相斥，当电电位差加大后，开位差加大后，开始阻止始阻止K+K+外流，最后外流，最后K+K+外流外流动动力和阻力平衡，力和阻力平衡，K+K+跨膜跨膜净净通量通量为为零，于是，膜两零，于是，膜两侧电侧电位差位差稳稳定不定不变变，形成，形成K+K+平衡平衡电电位。位。Na+Na+、Cl-Cl-少量内流少量内流静息电位产生机制静息电位产生机制6K+外流形成的k+平衡电位静息电位产生机制6Nernst公式Ek=RTln K+o=59.5log K+o (mV)ZF K+I K+IE=59.5log PkK+o+PNaNa+o+PClCl-o PkK+i+PNaNa+i+PClCl-i7Nernst公式7动作电位：指可兴奋细胞受到阈值以上的刺 激后，在静息电位基础上产生的 一个连续的膜电位瞬态变化。极化：指处于静息电位状态 心肌细胞：-90mV 去极化：在静息电位基础上，膜电位减小 -70mV 超极化：在静息电位基础上，膜电位增大 -100mV 复极化：去极化 极化 反极化：在去极化过程中，膜电位倒转为正 +20mV三、动作电位及其产生原理三、动作电位及其产生原理8动作电位：指可兴奋细胞受到阈值以上的刺三、动作电位及其产生原各种可兴奋细胞动作电位波形的形状、幅度和持续时间各不相同，但基本特征是均由去极相和复极相两部分组成。去极相：先慢后快 复极相：先快后慢动作电位波形的基本特征动作电位波形的基本特征9各种可兴奋细胞动作电位波形的形状、幅度和持续时间各不相同，但“全或无”定律 刺激强度太小，不能引发动作电位 刺激达到阈值时引发最大动作电位，并不因刺激 强度增加而改变幅度。可扩散性不衰减性：不因距离的增加而减弱。动作电位的共同特性动作电位的共同特性10“全或无”定律动作电位的共同特性10 去极相（上升支）：当去极化使膜电位达到阈电位时，激去极相（上升支）：当去极化使膜电位达到阈电位时，激活膜上的电压门控性活膜上的电压门控性Na+Na+通道，使其快速内流，由于钠离通道，使其快速内流，由于钠离子通道有正反馈式开放的特点，可产生再生性子通道有正反馈式开放的特点，可产生再生性Na+Na+内流，内流，使膜迅速去极化，产生峰电位的陡峭上升支直至峰值。使膜迅速去极化，产生峰电位的陡峭上升支直至峰值。复极相（下降支）：钠离子通道失活，复极相（下降支）：钠离子通道失活，K+K+离子通透性增加，离子通透性增加，K+K+顺浓度差和电位差迅速外流。产生下降支。顺浓度差和电位差迅速外流。产生下降支。后电位的产生：后电位的产生：负后电位：膜外负后电位：膜外K+K+蓄积，阻碍蓄积，阻碍K+K+外流，复极缓慢。外流，复极缓慢。正后电位：钠钾泵活动增强，泵出钠离子比泵入钾正后电位：钠钾泵活动增强，泵出钠离子比泵入钾离子多而出现轻度超极化。离子多而出现轻度超极化。动作电位产生机制动作电位产生机制11去极相（上升支）：当去极化使膜电位达到阈电位时，激活膜上的电细胞兴奋性传导细胞兴奋性传导兴奋性（excitability）是指具有对刺激产生兴奋的能力或特性，兴奋性的高低可用阈值作为衡量指标。阈值大表示兴奋性低，阈值小表示兴奋性高。兴奋性在同一细胞上的传导细胞膜任何一处发生兴奋而产生动作电位，都可沿着细胞膜迅速向周围传导，使整个细胞产生及原先刺激部位同样的动作电位。神经冲动传导机制12细胞兴奋性传导兴奋性（excitability）是指具有对刺经典的神经细胞突触传递突触传递的过程及原理突触前过程 突触前神经元兴奋 前膜去极化 Ca2+通道开放 小泡外排到突触间隙 及前膜接触、融合 突触小泡前移突触后过程 递质作用后膜特异受体 后膜离子通道开/关 神经元兴奋 后膜动作电位 跨膜离子活动 13经典的神经细胞突触传递13心脏的生物电活动心脏的主要功能是泵血。及骨骼肌一样，细胞膜的兴奋是触发心肌收缩的始动因素。心肌的动作电位也及骨骼肌动作电位有明显差异，使得心脏的收缩也具有自身特点。因此，掌握心肌生物电活动规律，对于理解心肌的生理特性、心脏收缩活动规律及心律失常的发生机制都有重要意义。一、心肌细胞的分类14心脏的生物电活动14（一）工作细胞1.静息电位（resting potential）心室肌细胞的静息电位约为-90mV，普形成机制 主要是Ek，K+经IK1通道外流但Ek 为-94 mV，而RP为-90mV，表明还有其它因素参及（如Na+的内流）2.动作电位（action potential）15（一）工作细胞1.静息电位（resting potent1616机制（1）去极化过程：又称为0期（phase0）从-90mV+30mV，约1ms去极化到阈电位（-70mV）快Na+通道开放，出现再生性Na+内流Na+顺电-化学梯度进入细胞内去极化快通道（fastchannel）快反应细胞（fastresponsecell）快反应动作电位（fastresponseactionpotential）（2）复极过程：从0期去极化静息电位1期（phase1）从+30mV0mV约10ms，由短暂的一过性外向电流（transientoutwardcurrent,Ito）引起Ito通道在去极化到约-20mV时激活，为K+外流2期（Phase2）：又称缓慢复极期。膜内电位停滞于0mV左右，常称平台期（plateau），持续约100150ms平台期初期，内向Ca2+电流及外向K+电流处于相对平衡状态，膜电位稳定在0mV左右。平台期晚期，内向Ca2+电流逐渐减弱，外向K+电流逐渐增强，出现一种随时间推移而逐渐增强的微弱的净外向电流，导致膜电位缓慢地复极化。17机制（1）去极化过程：又称为0期（phase 0）从-93期（phase3）：又称快速复极末期。0mV左右-90mV，约100150ms。机制：L型Ca2+通道关闭，Ca+内流停止，而K+外流进行性增加所致。参及3期复极的K+通道*IK在平台期逐渐增大的IK电流导致平台期的终止和触发3期复极，直至3期复极到-50mV左右才关闭。*IK1去极化关闭，复极化恢复开放，膜对K+通透性进行性增大，K+外流不断增强，为再生性正反馈过程，导致膜快速复极化。4期（phase 4）：又称恢复期。膜电位稳定于-90mV，恢复细胞内外离子的正常分布Na+-K+泵 排Na+,摄K+，恢复Na+、K+的分布Na+-Ca2+交换体（Na+-Ca2+exchanger）Na+顺浓度梯度入，Ca2+逆浓度梯度外排。Na+-Ca2+交换是以跨膜Na+内向性浓度梯度为动力，最终也依赖于Na+-K+泵提供能量。183期（phase 3）：又称快速复极末期。0mV左右-9