生理学细胞的基本功能第三节培训课件

本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。细胞的生物电活动第三节作者:祁金顺、封启龙单位:山西医科大学本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）当细胞外液为0电位时：细胞在安静状态下存在于细胞膜内、外两侧的电位差神经纤维静息电位测定示意图一、静息电位（restingpotential,RP）（一）静息电位的概念骨骼肌细胞内：约-90mV神经纤维内：-70-90mV平滑肌细胞内：-50-60mV红细胞内：-10mV静息电位大小表示：细胞内负值大小本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）几个与静息电位关联的名词极化（polarization）：安静状态下细胞膜两侧外正内负的稳定状态去极化(depolarization）：静息电位减小或细胞内负值减小的过程或状态超极化(hyperpolarization)：静息电位增大或细胞内负值增大的过程或状态复极化(repolarization)：细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程反极化（reversepolarization）：外负内正的状态超射（overshot）：膜电位超过零电位的部分静息电位模式图超射超射本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）假设安静时细胞膜仅对K+离子有通透性：K+浓度差，促进K+向外扩散K+向外扩散形成的电场力，阻止K+进一步向外扩散当电化学驱动力等于零时，K+净移动为零静息电位应该等于K+的平衡电位膜学说（1902年，Bernstein）：细胞内外离子分布不同：膜内高K+，膜外高Na+细胞膜对离子的通透性不同：安静时K+通透性远大于Na+（50100倍）（二）静息电位的产生机制钾钠离子扩散电位形成示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）离子的平衡电位（EX）可用Nernst公式计算:细胞内液和细胞外液中主要离子的浓度和电位本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）1.静息电位主要是K+外流形成的证实：测量的静息电位与计算的K+平衡电位接近枪乌贼巨轴突实验（1939，Hodgkin和Huxley）测得RP数值-60mV（计算的EK为-75mV)改变膜两侧K+浓度差，静息电位随之改变问题：为什么实际测得的静息电位不是等于而是接近于（略小于）EK？电极管静息电位图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）2.少量的Na+内流也参与了静息电位形成部分抵消了K+外流形成的膜内负电位3.Na+泵的生电作用增大细胞内的负值直接作用：生电性活动引起膜超极化，参与RP形成，但贡献不大（Na+i；K+iK+o2）电场力：静息电位内负外正，推动Na+，阻止K+膜对离子的通透性（膜电导）带电离子跨膜移动产生离子电流（二）动作电位的产生机制动作电位本质带电离子跨膜移动本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）1电化学驱动力决定离子流动的方向和速度概念：是浓度差和电位差两个驱动力的代数和，大小等于膜电位（Em）与离子平衡电位（Ex）的差值（Em-Ex）静息状态时：超射水平（去极化至+30mV）时：K+的驱动力+20mV（外向）Na+的驱动力-130mV（内向）K+的驱动力+120mV（外向）Na+的驱动力-30mV（内向）本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）Na+内流引起去极化K+外流引起复极化细胞膜受到有效刺激时Na+通透性一过性增强K+通透性随后进一步增强2动作电位期间膜通透性的变化动作电位产生的Na+学说神经纤维动作电位模式图K+外流Na+内流本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）（1）测定超射值（与ENa接近）（2）Na+离子取代（用葡萄糖或氯化胆碱替代胞外的NaCl）（3）放射性核素24Na+定量研究（4）直接测定细胞膜对离子的通透性（膜电导）如何证实Na+学说？本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）如何测定膜电导？IX=GX(Em-EX)（1）GX=IX/(Em-EX)（2）如何固定驱动力？电压钳（voltageclamp)基本原理：反馈电路向膜内注入电流，迫使膜电位始终与指令电位保持一致。测定原理欧姆定律电压钳实验示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）去极化内向电流外向电流说明：去极化引起了膜电导变化电压钳测定电流的结果离子电流分离（药理学）河豚毒（TTX）：阻断电压门控Na+通道四乙胺（TEA）：阻断电压门控K+通道去极化引起Na+电导（GNa）首先一过性增大K+电导GK随后逐渐增大以上结果表明利用电压钳技术结合药理学手段记录到的全细胞膜电流本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）电压依赖性GNa和GK随着去极化幅度的增大而增大意义：GNa和去极化呈现正反馈，快速去极化达到峰值；GK促使快速复极化；从而形成锋电位GNa和GK的电压依赖性及时间依赖性时间依赖性GNa快速、一过性增大GK缓慢、持续性增大意义：保证了先去极化，后复极化的顺序GNa和GK的电压及时间依赖性示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）去极化过程（锋电位升支）有效的去极化刺激GNa迅速增加Na+内流膜迅速去极化复极化过程（锋电位降支）GNa减小，GK增大K+外流膜复极化3.动作电位（锋电位）产生过程动作电位、GNa、GK峰电位图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）4.膜电导变化的实质离子通道开闭膜片钳（patchclamp）技术原理同电压钳，记录的仅是电极尖端的一小片膜，有可能记录到单个离子通道电流Hodgkin提出离子通道的概念Neher和Sakmann证实，获1991年诺贝尔奖单通道电流与全细胞电流关系I=iPoNI：宏膜电流；i：单通道电流；Po：开放概率；N：开放数目改变单通道电流记录装置及所记录到的单通道电流A.单通道电流记录装置示意图，FBA:反馈放大器B.连续记录的去极化激活的单通道K电流本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）5.离子通道的功能状态Na+通道K+通道两个闸门：激活门和失活门三种状态：静息、激活、失活一个闸门：激活门两种状态：静息、激活本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）指刚刚能够引起Na+通道大量开放、产生动作电位的膜电位临界值，也称为燃点（通常较RP小1020mV)1.阈强度（阈值）概念：引起动作电位的最小刺激强度几个相关概念阈刺激：指刺激强度相当于阈强度的刺激；阈下刺激：小于阈强度的刺激；阈上刺激：大于阈强度的刺激2.阈电位（三）动作电位的触发本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）（四）动作电位的传播1.动作电位在同一细胞上的传播传导原理：局部电流学说安全性：局部电流的刺激强度远大于膜的阈强度，因而能可靠地引起动作电位胞外记录：兴奋部位的胞外是负电位动作电位在神经纤维上的双向传导示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）髓鞘区特征有髓鞘神经纤维AP的传导跳跃式传导郎飞结特征有髓纤维跳跃式传导的意义减少能量消耗提高传导速度（空间常数大）只有一层轴突膜，局部电流引起的去极化容易达到阈电位电压门控Na+通道密集，阈电位低多层膜包裹，电位差平均分散电压门控Na+通道稀疏，阈电位高动作电位在有髓神经纤维上的双向传导示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）2.AP在细胞之间的传播缝隙连接缝隙连接意义缝隙连接组成六个连接蛋白形成一个连接子，每侧膜上的连接子端端相连，形成缝隙连接（细胞间通道）细胞之间兴奋直接传播，实现多细胞的同步活动，如神经元之间（电突触）。心肌、部分平滑肌、神经胶质细胞及肝组织也有动作电位通过缝隙连接在细胞之间传播本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）1.兴奋性（五）兴奋性及其变化衡量组织兴奋性高低的指标阈强度（阈值）兴奋性=1/阈值兴奋性（excitability）：机体的组织或细胞接受刺激后发生反应的能力或特性。对于可兴奋细胞即为产生动作电位的能力兴奋（excitation）：细胞接受刺激后，功能活动由弱变强或由静止变为活动的过程。在现代生理学中，兴奋就是指动作电位或动作电位的产生过程可兴奋细胞（excitablecell）：神经细胞、肌细胞和腺细胞受刺激后能产生明显的兴奋反应（收缩或分泌等），并首先产生动作电位（具有电压门控Na+或Ca2+通道），故生理学将其称为可兴奋细胞本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）2.细胞兴奋后兴奋性的变化超常期：阈下刺激可引起兴奋（Na+通道基本复活，膜电位距阈电位近）低常期：阈上刺激可兴奋（Na+通道完全复活，但膜电位距离阈电位较远）绝对不应期：多大刺激强度也不能再次兴奋（Na+通道处于失活状态）意义：（1）锋电位不叠加（2）限制锋电位发生最大频率相对不应期：阈刺激不能、但阈上刺激可引起动作电位（Na+通道少量复活）兴奋性变化与动作电位的时间关系示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）三、电紧张电位和局部电位（一）细胞膜和胞质的被动电学特性1.膜电容（Cm）膜电位示意图1F/cm2Vm：膜电位Ctotal=2C膜电容示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）2.膜电阻（Rm）或膜电导（G）3.轴向电阻（Ri）膜电阻：膜对电流流过的屏障或阻碍特性单纯脂质：106109ohm/cm2（几乎绝缘）生物膜：103ohm/cm2（静息时离子通道和转运体活动）膜电导：膜对电流流过的通行或导通的特性G=1/R细长的神经纤维或肌纤维要考虑，取决于纤维直径和长度轴向电阻示意图膜电导示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）细胞膜等效电路相当于并联的阻容耦合电路细胞膜等效电路示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）（二）电紧张电位(electrotonicpotential)注射电流观察跨膜电位变化轴向电阻使跨膜电流随距离延长而指数性衰减，相应的膜电位随距离延长也呈指数性衰减电紧张电位的概念由膜的被动电学特性决定其空间分布（随传播距离而衰减）和时间变化（随时间逐渐增大）的膜电位称为电紧张电位细胞膜的被动电学特性与电紧张电位示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）1.电紧张电位的两个重要参数及其意义有髓纤维：膜电阻大，故空间常数大；膜电容小，故时间常数小。因此，AP传导速度也愈快空间常数（l l）时间常数（t t）指膜电位衰减至最大值的37%时所扩布的空间距离l l愈大（增大膜电阻或减小轴向电阻），电紧张电位扩布范围愈大，AP传导速度也愈快。（l l一般为0.11mm）指膜电位上升或下降到稳态值63%所需的时间t t 愈小（如减小膜电容），电紧张电位发生速度愈快，AP传导速度也愈快。（t t 一般为120ms）细胞膜的被动电学特性与电紧张电位示意图本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）2.电紧张电位的极性去极化电紧张电位：产生于细胞外负电极部位（相当于细胞内注入正电荷）意义：兴奋性增高，可诱发动作电位3.电紧张电位的特征随刺激强度增大而增大（等级性）随扩布距离延长而指数性衰减（衰减性）反应大小可融合叠加，去极化电紧张电位达到一定程度可引起局部电位（膜的主动特性）超极化电紧张电位：产生于细胞外正电极部位（相当于细胞内注入负电荷）意义：兴奋性降低刺激和记录实验装置本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）1.局部兴奋的概念少量Na+通道激活产生的去极化膜电位波动生物体内的局部兴奋细胞膜被动特性（无通道激活）电紧张电位细胞膜主动特性（部分通道激活）局部电位（去极化和超极化）（三）局部电位（localpotential）骨骼肌终板膜上的终板电位本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）局部兴奋可叠加在去极化电紧张电位基础上局部兴奋的实验装置和实验结果示意图A.刺激和记录实验装置。刺激采用细胞外双极刺激，记录电位1置于细胞内靠近刺激电极负极处，记录电极2置于细胞内靠近刺激电极正极处。B.细胞内记录的膜电位变化。静息电位水平以上为记录电极1记录到的去极化电紧张电位和局部兴奋（阴影部分），静息电位水平以下为记录电极2记录到的超极化电紧张电位本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生理学（第9版）2.局部电位的特征（同电紧张电位）：3.局部电位的意义时间总和（temporalsummation）：多个局部兴奋先后叠加空间总和（spatialsummation）：多个局部兴奋同时叠加反应幅度呈“等级”性，没有“全或无”特征传导呈衰减式即电紧张扩布（不超过1mm）反应可以总和达到阈电位后，引发动作电位信息整合、编码本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。1.细胞的生物电活动有三种表现形式，即:安静状态下相对平稳的静息电位和受刺激时发生的局部电位以及动作电位2.静息电位是由于膜在安静情况下主要对K+具有通透性、对Na+较小通透和Na+-K+泵的生电活动共同形成的3.动作电位是由于膜受到有效刺激后，膜相继对Na+、K+通透性增大的缘故，而Na+通道、K+通道的开放则是膜对离子通透性增大的根本原因4.局部电位的形成与某些情况下少量Na+通道开放有关本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。