细胞的基本功能教案讲义课件

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,细胞的基本功能教案,细胞的基本功能教案,1,第二章,细胞的基本功能,第二章 细胞的基本功能,2,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,细胞的生物电活动第三节 作者:祁金顺、封启龙单位:山西,3,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,（,resting potential,RP,）,（一）静息电位的概念,骨骼肌细胞内：约,-90 mV,神经纤维内：,-70,-90 mV,平滑肌细胞内：,-50,-60 mV,红细胞内：,-10 mV,静息电位大小表示：细胞内负值大小,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,4,细胞的基本功能教案讲义课件,5,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,+,（,50,100,倍）,（二）静息电位的产生机制,钾钠离子扩散电位形成示意图,生理学（第9版）假设安静时细胞膜仅对K+离子有通透性：膜学说,6,生理学（第9版）,离子的平衡电位（,E,X,）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,生理学（第9版）离子的平衡电位（EX）可用Nernst公式计,7,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,E,K,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）,E,K,？,电极管,静息电位图,生理学（第9版）1.静息电位主要是K+外流形成的测量的静息电,8,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,+,i,K,+,o,2,）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,生理学（第9版）阳离子内流（如Na+、Ca2+内流）称内向电,13,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（,E,m,）与离子平衡电位（,E,x,）的差值（,E,m,-E,x,）,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）,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,14,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,生理学（第9版）Na+内流引起去极化细胞膜受到有效刺激时2,15,生理学（第9版）,（,1,）测定超射值（与,E,Na,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,24,Na,+,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？,生理学（第9版）（1）测定超射值（与ENa接近）如何证实Na,16,生理学（第9版）,如何测定膜电导？,I,X,=G,X,(E,m,-E,X,),（,1,）,G,X,=I,X,/(E,m,-E,X,),（,2,）,如何固定驱动力？,电压钳（,voltage clamp),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,生理学（第9版）如何测定膜电导？IX=GX (Em,17,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（,G,Na,）首先一过性增大,K,+,电导,G,K,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,生理学（第9版）去极化内向电流外向电流 电压钳测定电流的,18,生理学（第9版）,电压依赖性,G,Na,和,G,K,随着去极化幅度的增大而增大,意义：,G,Na,和去极化呈现正反馈，快速去极化达到峰值；,G,K,促使快速复极化；从而形成锋电位,G,Na,和,G,K,的电压依赖性及时间依赖性,时间依赖性,G,Na,快速、一过性增大,G,K,缓慢、持续性增大,意义：,保证了先去极化，后复极化的顺序,G,Na,和,G,K,的电压及时间依赖性示意图,生理学（第9版）电压依赖性 GNa和GK的电压依赖性及时间,19,生理学（第9版）,去极化过程（锋电位升支）,有效的去极化刺激,G,Na,迅速增加,Na,+,内流 膜迅速去极化,复极化过程（锋电位降支）,G,Na,减小，,G,K,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、,G,Na,、,G,K,峰电位图,生理学（第9版）去极化过程（锋电位升支）3.动作电位（锋电位,20,生理学（第9版）,4.,膜电导变化的实质,离子通道开闭,膜片钳（,patch clamp,）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=i,P,o,N,I,：宏膜电流；,i,：单通道电流；,P,o,：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,生理学（第9版）4.膜电导变化的实质离子通道开闭 膜片钳,21,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,生理学（第9版）5.离子通道的功能状态 Na+通道 K+通道,22,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,10,20mV),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,生理学（第9版）指刚刚能够引起Na+通道大量开,23,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,生理学（第9版）（四）动作电位的传播 1.动作电位在同一细胞,24,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,生理学（第9版）髓鞘区特征有髓鞘神经纤维AP的传导跳跃,25,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,生理学（第9版）2.AP在细胞之间的传播缝隙连接 缝,26,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（,excitable cell,）：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,Ca,2+,通道），故生理学将其称为可兴奋细胞,生理学（第9版）1.兴奋性（五）兴奋性及其变化 衡量组织兴,27,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,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,28,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（,C,m,）,膜电位示意图,1F/cm,2,Vm,：膜电位,C,total,=2C,膜电容示意图,生理学（第9版）三、电紧张电位和局部电位（一）细胞膜和胞质,29,生理学（第9版）,2.,膜电阻（,R,m,）或膜电导（,G,）,3.,轴向电阻（,R,i,）,膜电阻：膜对电流流过的屏障或阻碍特性,单纯脂质：,10,6,10,9,ohm/cm,2,（几乎绝缘）,生物膜：,10,3,ohm/cm,2,（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,生理学（第9版）2.膜电阻（Rm）或膜电导（G）3.轴向电,30,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,生理学（第9版）细胞膜等效电路细胞膜等效电路示意图,31,生理学（第9版）,（二）电紧张电位,(electrotonic potential),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