资源描述
兴奋性兴奋性(excitability)(excitability)： 机体的组织或细胞接受刺激机体的组织或细胞接受刺激(stimulus)(stimulus)后发生反应后发生反应的能力或特性，是生命活动的基本特征之一。的能力或特性，是生命活动的基本特征之一。 电生理学中电生理学中, , 指细胞受到剌激时产生动作电位的能力或特性。指细胞受到剌激时产生动作电位的能力或特性。兴奋：兴奋：细胞对剌激发生反应的过程。细胞对剌激发生反应的过程。 由相对静止转变为活动由相对静止转变为活动 由活动弱变为活动强的过程。由活动弱变为活动强的过程。可兴奋细胞：可兴奋细胞： 凡在受刺激后能产生动作电位的细胞。凡在受刺激后能产生动作电位的细胞。 -神经细胞、肌细胞、腺细胞神经细胞、肌细胞、腺细胞 特征：特征： 受刺激后受刺激后离子通道激活离子通道激活产生动作电位产生动作电位 中介过程中介过程细胞反应细胞反应 肌细胞肌细胞动作电位动作电位兴奋收缩耦联兴奋收缩耦联 腺细胞腺细胞动作电位动作电位兴奋分泌耦联兴奋分泌耦联概念：概念：机体和细胞所处环境的变化机体和细胞所处环境的变化类型类型: : 物理、化学、生物、社会心理性物理、化学、生物、社会心理性1 1）刺激强度）刺激强度2 2）刺激持续时间）刺激持续时间3 3）强度）强度- -时间变化率时间变化率刺激的三要素刺激的三要素 3个条件个条件：强度、持续时间、强度强度、持续时间、强度-时间变化率时间变化率强度强度时间时间t1p1t2p2t3p3在一定范围内，引起组织兴奋的刺激强度与持续时间呈反变关系在一定范围内，引起组织兴奋的刺激强度与持续时间呈反变关系概念概念 机体受刺激时其功能活动的改变机体受刺激时其功能活动的改变形式形式 1) 1) 兴奋：静止兴奋：静止 活动活动或或活动弱活动弱 强强 2) 2) 抑制：活动抑制：活动 静止静止或或活动强活动强 弱弱反反 应应 ： 能使细胞产生动作电位的最小刺激强度。能使细胞产生动作电位的最小刺激强度。意义：意义：衡量组织兴奋性高低的指标。衡量组织兴奋性高低的指标。阈刺激：相当于阈强度的刺激阈刺激：相当于阈强度的刺激( (阈上刺激、阈下刺激阈上刺激、阈下刺激) )可兴奋组织可兴奋组织: :神经、肌肉、腺体神经、肌肉、腺体阈值阈值1 兴奋性兴奋性 生物电生物电：细胞在进行生命活动时伴有的电现象，称为细胞生物电 表现：表现：跨膜电位（膜电位) 安静时安静时 静息电位静息电位 受刺激时受刺激时 动作电位动作电位一、静息电位一、静息电位电生理学研究方法电生理学研究方法(1) - 细胞内记录细胞内记录: 微电极微电极R0 mV-70 -90mV神经纤维神经纤维RP是一种能够记录膜是一种能够记录膜结构中结构中单一的离子单一的离子通道蛋白质分子的通道蛋白质分子的开放和关闭开放和关闭，亦即，亦即测量单通道离子电测量单通道离子电流和电导的技流和电导的技术术。电生理学研究方法电生理学研究方法(2) - ( (一一) ) 静息电位静息电位(resting potential)的概念和测定的概念和测定 1.概念：概念：是指安静情况下细胞膜两侧存在的是指安静情况下细胞膜两侧存在的外正内负外正内负 且且相对平稳相对平稳的电位差。的电位差。2. 测量方法：测量方法：细胞内电位记录细胞内电位记录1939年英国生理学家年英国生理学家Hodgkin 、Huxley将直径将直径0.1mm充满海水充满海水的毛细玻璃管纵向插入的毛细玻璃管纵向插入乌贼大神经轴突的断端。乌贼大神经轴突的断端。细胞外电极细胞外电极: : 置于浸泡细置于浸泡细胞的海水中胞的海水中. .实测膜内电实测膜内电位约位约-60-60mVmVR0 mV-70 -90mV神经纤维神经纤维RPventricular musclered blood cell nervous cell is about 特征：特征： ：静息电位在大多数细胞是一种静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流稳定的直流电位电位,但不同细胞的静息电位但不同细胞的静息电位数值可以不同数值可以不同; ：只要细胞未受刺激、生理条件不变只要细胞未受刺激、生理条件不变,这种电这种电位将位将持续存在。持续存在。 静息电位时膜两侧所保持的静息电位时膜两侧所保持的外正内负外正内负状态称状态称为膜的为膜的极化极化(polarization)； 膜内外电位差的数值向膜内膜内外电位差的数值向膜内负值加大负值加大的方向的方向变化时，称为膜的变化时，称为膜的超极化超极化(hyperpolarization)； 膜内电位向膜内电位向负值减小负值减小的方向变化，的方向变化，称为称为去极化或除极化去极化或除极化(depolarization)； 去极化至零电位后膜电位进一步变为正值，去极化至零电位后膜电位进一步变为正值，膜两侧电位的极性与原来的极化状态相反，膜两侧电位的极性与原来的极化状态相反，称为称为反极化反极化； 膜电位高于零电位的部位称为膜电位高于零电位的部位称为超射超射（overshoot）。 细胞去极化后，再向静息电位恢复的过程，细胞去极化后，再向静息电位恢复的过程，称作称作复极化复极化(repolarization)1 1、细胞膜两侧的浓度差细胞膜两侧的浓度差与平衡电位与平衡电位2 2、安静时、安静时细胞膜对离子的相对通透性细胞膜对离子的相对通透性3 3、钠泵的生电作用钠泵的生电作用哺乳动物骨骼肌细胞内液与外液中主要离子浓度和平衡电位哺乳动物骨骼肌细胞内液与外液中主要离子浓度和平衡电位 细胞内细胞内 细胞外细胞外 平衡电位平衡电位 Na+ 5-15 mM 145 mM +67mV K+ 155 mM 5 mM -98mV Mg2+ 0.5 mM 1-2 mM Ca2+ 10-7 mM 1-2 mM H+ 10-7.2 M (pH 7.2) 10-7.4 M (pH 7.4) Cl- 4-15 mM 120 mM -90mV 有机负离子有机负离子 155mM1 1、细胞膜两侧离子的浓度差与平衡电位、细胞膜两侧离子的浓度差与平衡电位1 1）浓度差）浓度差30KCl半透膜半透膜 1KCl电势能电势能浓差势能浓差势能K+ i K+ o K+外流外流 促进促进K+外流的浓度势能外流的浓度势能 = 阻碍阻碍K+外流的电场力外流的电场力 K+净外流为零（净外流为零（ K+平衡电位）平衡电位） A：电：电化学驱动力：化学驱动力：某种离子在膜两侧的电位差和浓度差两个驱动力的代数和 B：平衡电位：平衡电位：当电化学驱动力为零，离子净扩散为零时的跨膜电位差为该离子的平衡电位。 EK = 60 log K+oK+i= -95mVEK= RT/ZF ln K+o / K+i K+离子外流离子外流: 扩散条件：扩散条件： 1） K+ 外流动力外流动力 细胞内外离子分布不均：细胞内外离子分布不均：K+ iK+ o 30倍倍 2） K+ 外流条件外流条件 静息时，细胞膜对静息时，细胞膜对K+ 的通透性高（的通透性高（ K+漏通道开放）漏通道开放）以钾离子为例以钾离子为例+K+K+K K+ +外流形成外流形成: : K K+ +平衡电位平衡电位( (接近接近RPRP）神经纤维神经纤维电势能电势能30K+1 K+ + + + + + +P -浓差势能浓差势能促进促进K K+ +外流的浓度势能外流的浓度势能 = = 阻碍阻碍K K+ +外流的电场力外流的电场力 EK = 60 log 1944年年 Hodgkin 在枪乌贼神经纤维上实测值为在枪乌贼神经纤维上实测值为-77mV. RP实测值略计算值实测值略计算值K+oK+i= -95mVwhy？EK= RT/ZF ln K+o / K+iEm-Ek: K+离子流动的驱动力离子流动的驱动力通透性通透性 NaNa+ +的通透性的通透性-90mV 安静时细胞膜对安静时细胞膜对NaNa+ +也有一定的通透性，少也有一定的通透性，少量的量的NaNa+ +内流：内流： 由于膜外由于膜外NaNa+ 浓度大于膜内，浓度大于膜内，少量的少量的NaNa+ 逸入膜内逸入膜内会抵消一部分会抵消一部分K K+ 外移造成的膜内负电位，外移造成的膜内负电位，使使静息静息电位电位Ek 。细胞膜对某一种离子的通透性越大细胞膜对某一种离子的通透性越大(权重），该离权重），该离子的平衡电位在膜电位的形成中所起的作用就越大，子的平衡电位在膜电位的形成中所起的作用就越大，膜电位就越接近于该离子的平衡电位。膜电位就越接近于该离子的平衡电位。静息时：静息时：IK + INa + ICl=0gk (Em-Ek) + gNa (Em-ENa）+ gCl (Em-ECl)=0Em= Ek+ ENa + EClgkggNagClggEm-Eion:离子流动的驱动力离子流动的驱动力静息电位的计算静息电位的计算3. Na+-K+泵生电作用泵生电作用外流外流K+和漏入的和漏入的Na+可激活钠泵，生电作用；可激活钠泵，生电作用；对静息电位影响不大；对静息电位影响不大；(5%)1.K+外流：外流： K+浓度梯度浓度梯度 :内高外低内高外低 基础条件：基础条件： K+通透性通透性K+外流外流 电位差驱动力阻碍电位差驱动力阻碍 K+净净外流为零外流为零, 相当于相当于Ek。2.少量的少量的Na+内流内流 一般静息时，膜对一般静息时，膜对K+的通透性比对的通透性比对 Na+的大的大100倍，倍，少量少量Na+通过通过K+ -Na+渗漏通道从膜外进入膜内，使渗漏通道从膜外进入膜内，使RP实测值小于计算值。实测值小于计算值。 3. Na+ 一一K+ 泵的生电作用泵的生电作用 外流外流K+和漏入的和漏入的Na+可激活钠泵，生电作用。可激活钠泵，生电作用。1）跨膜跨膜K+浓差浓差： Ek K+ o RP2）膜对膜对K+ 和和NaNa+ +的通透性的通透性： K+通透性通透性RP Na+ 通透性通透性，则静息电位，则静息电位3）钠泵活动水平：钠泵活动水平： 活动活动RP 二二. (一一)动作电位的概念和特点动作电位的概念和特点 概念：概念：细胞在静息电位的基础上接受有效刺激后产生的一细胞在静息电位的基础上接受有效刺激后产生的一个迅速的可向远处传播的膜电位波动。个迅速的可向远处传播的膜电位波动。stimulator0mV0mV神经纤维神经纤维AP兴奋的共有标志兴奋的共有标志: 动作电位动作电位+30-70- 55mV：膜电位逐步去极化膜电位逐步去极化 达到阈电位水平达到阈电位水平-55+30mV：动作电位快速去极相动作电位快速去极相+30- 55mV：动作电位快速复极相动作电位快速复极相-55- 70mV：负后电位负后电位 （后去极化）（后去极化）负值大于负值大于-70 mV: 正后电位正后电位 （后超级化（后超级化） 峰电位峰电位后电位后电位 “全或无全或无”现象：现象： 一旦达到一旦达到阈电位阈电位水平，动作电位便迅速产生，并水平，动作电位便迅速产生，并达达到最大值到最大值，不会随刺激强度的继续增大而增大，不会随刺激强度的继续增大而增大，当刺激未达阈值时，动作电位不出现当刺激未达阈值时，动作电位不出现. .不衰减传播：不衰减传播： 动作电位能沿细胞膜动作电位能沿细胞膜迅速向四周迅速向四周传播，幅度和波形传播，幅度和波形不变。不变。脉冲式发放：脉冲式发放： 具有不应期具有不应期, ,不发生叠加。不发生叠加。 内向电流（内向电流（Inward current）: 细胞膜受到刺激时引起离子流动，膜外正电荷正电荷流入膜内流入膜内或负电荷由膜内流出膜外，称为。 去极化去极化 （Depolarization） : Na+、Ca2+内流内流 外向电流（外向电流（Outward current）: 离子流动使正电荷由膜内流出膜外内流出膜外或负电荷由膜外流入膜内，称为。 复极化复极化or or 超极化超极化（Repolorization or Hyperpolarization） K+外流、外流、Cl-内流内流 inward current outward current离子跨膜转运的两个必要因素离子跨膜转运的两个必要因素1、离子的电、离子的电-化学驱动力化学驱动力2、细胞膜对离子的通透性、细胞膜对离子的通透性1.电化学驱动力电化学驱动力 决定离子跨膜流动的决定离子跨膜流动的方向方向和和速度速度动力：电动力：电- -化学梯度化学梯度; ;基础条件：基础条件： 当膜电位等于某离子的平衡电位时，该离子当膜电位等于某离子的平衡电位时，该离子的电化学驱动力为零，因此，的电化学驱动力为零，因此，某离子的电化某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差差。电化学驱动力及其变化电化学驱动力及其变化某离子的电化学驱动力等于膜电位与该某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差：离子的平衡电位之差：Em - EX 若静息电位若静息电位Em 为为-70mV, ENa为为+60mV，EK为为-90mV：膜对膜对Na+驱动力驱动力: Em-ENa=-70mV-(+60mV)= -130mV膜对膜对K+驱动力驱动力: Em- EK =-70mV-(-90mV)= +20mV负负值代表值代表内向内向驱动力驱动力-产生内向电流产生内向电流- -去去极化极化正正值代表值代表外向外向驱动力驱动力-产生外向电流产生外向电流超超极化极化静息状态：静息状态： Na+ 内向驱动力较大内向驱动力较大 若膜去极化到若膜去极化到Em 为为+30mV : ENa为为+60mV，EK为为-90mV： 膜对膜对Na+驱动力驱动力: Em-ENa= +30mV -(+60mV)= -30mV 膜对膜对K+驱动力驱动力: Em- EK = +30mV -(-90mV)= +120mV静息电位条件下静息电位条件下: Na+内向内向驱动力驱动力- -产生内向电流产生内向电流 去去极化极化 膜电位去极化膜电位去极化至至+30mV峰电位水平峰电位水平时时 ， 膜对膜对K+外向外向驱驱动力动力-产生外向产生外向电流电流 复极化复极化动作电位产生原理的关键动作电位产生原理的关键 -直接测定膜对离子直接测定膜对离子通透性的通透性的动态变化。动态变化。膜受刺激后对膜受刺激后对Na+、K + 的通透性相继改变是的通透性相继改变是动作电位形成的离子基础。动作电位形成的离子基础。 直接电学测量的方法：直接电学测量的方法： 参数包括膜电容、参数包括膜电容、膜离子电流（膜离子电流（I），膜电位），膜电位（mV）、膜的电阻、膜的电阻 （R）或其倒数）或其倒数膜电导膜电导（G）。）。 离子作跨膜移动时形成了跨膜离子电流离子作跨膜移动时形成了跨膜离子电流（I），），膜对某种离子通透性增大时，实际是膜对该离膜对某种离子通透性增大时，实际是膜对该离子的电导加大；对于带电离子来说，子的电导加大；对于带电离子来说，膜电导就膜电导就是膜通透性的同义语。是膜通透性的同义语。 根据欧姆定律，根据欧姆定律，I=VG :膜两侧电位差膜两侧电位差（V）固定不变的条件下，固定不变的条件下， 测出跨膜电流测出跨膜电流（I）的变化，就可作为膜电导的变化，就可作为膜电导（G）变化的度量变化的度量。 （1 1）电压钳技术与）电压钳技术与 膜电导的测定膜电导的测定 The Nobel Prize in Physiology or Medicine (1963)因他们发现兴奋与抑制过程中在外周因他们发现兴奋与抑制过程中在外周与中枢部分的神经细胞膜的离子作用与中枢部分的神经细胞膜的离子作用机制机制Alan Lloyd HodgkinAndrew Fielding Huxley 电压钳技术装置电压钳技术装置 宏膜电流宏膜电流 （macroscopical current）负反馈电路负反馈电路使使膜电位钳制在一个设定的水平膜电位钳制在一个设定的水平. . （膜电（膜电位不变）位不变） 记录膜电流变化记录膜电流变化作为膜电导的观察指标。作为膜电导的观察指标。采用电压钳技术，可以直接测定动作电位期间膜对采用电压钳技术，可以直接测定动作电位期间膜对离子通透性的动态离子通透性的动态变化。变化。原理：原理：固定膜电位，固定膜电位，根据根据膜电流膜电流的大小和时间，可的大小和时间，可精确测定动作电位期间，各种离子流的大小、方精确测定动作电位期间，各种离子流的大小、方向和时程，利用欧姆定律来向和时程，利用欧姆定律来计算膜电导计算膜电导。优缺点：优缺点：适用于各种直径较大的细胞，只能观察适用于各种直径较大的细胞，只能观察膜电流的方向和幅度，膜电流的方向和幅度，不能区分哪种离子电流。不能区分哪种离子电流。根据欧姆定律根据欧姆定律 I = V G 固定固定V，测定，测定I，计算膜电导。，计算膜电导。（2 2）钠电导与钾电导）钠电导与钾电导 的变化的变化利用电压钳技术记录的枪乌鲗巨大神经轴突的膜电流及其离利用电压钳技术记录的枪乌鲗巨大神经轴突的膜电流及其离子成分的分析子成分的分析：钳制电压；：记录的：钳制电压；：记录的内向电流内向电流和和外向电流外向电流； Evidence for a Sodium CurrentRemove extracellular sodium RemovingNa+fromthebathingmedium,INabecomesnegligiblesoIK canbemeasureddirectly. SubtractingthiscurrentfromthetotalcurrentyieldedINa. ： Na+通道阻断剂河豚毒（通道阻断剂河豚毒（ TTX ）阻断了）阻断了内向内向电流；电流；： K+通道阻断剂四乙铵（通道阻断剂四乙铵（ TEA ）阻断了）阻断了外向外向电流电流Conductance of Na+ and K+ channels 不同程度去极化对膜钠电导和钾电导的影响不同程度去极化对膜钠电导和钾电导的影响上图实施电压钳的程序，膜电位从维持电位上图实施电压钳的程序，膜电位从维持电位60mV 起始，迅速钳制到起始，迅速钳制到40mV 、20mV 、 0mV 、和、和20mV ； 中、下图上述电压钳制期间记录的钠电流和钾电流计算出的钠电导（中、下图上述电压钳制期间记录的钠电流和钾电流计算出的钠电导（ gNa ）和）和钾电导（钾电导（ gK ） ； 电导及动作电位电导及动作电位GNa和和GK变化曲线的特点：变化曲线的特点：电压依从性，由电压依从性，由去极化激活，去极化激活， GNaGNa激活早，激活早，是是动作电动作电位位上升支基础上升支基础；GKGK激活晚，激活晚，是是动作电动作电位位下降支基础。下降支基础。 GNaGNa有失活状态有失活状态而而GKGK没有此特性没有此特性（3 3）膜电导改变的实质）膜电导改变的实质 70年代中期年代中期-Neher和和Sakmann等发展一等发展一种能记录膜结构中种能记录膜结构中单一单一离子通道离子通道蛋白质分子的蛋白质分子的开放和关闭、亦即测量开放和关闭、亦即测量单通道离子电流和电导单通道离子电流和电导的技术的技术，称为膜片钳实称为膜片钳实验验Patch clamp “Voltage clamp” technique 玻璃微电极拉制器玻璃微电极拉制器工作台工作台计算机计算机for their discoveries concerning the function of single ion channels in cellsThe Nobel Prize in Physiology or Medicine (1991)Erwin NeherBert Sakmann70年代的膜片钳实验技术年代的膜片钳实验技术Patch clamp 膜片钳记录方法和单通道电流膜片钳记录方法和单通道电流Single channel record膜片钳方法示意图和单通道电流膜片钳方法示意图和单通道电流A ：膜片钳记录方法示意图；：膜片钳记录方法示意图； B ：从培养的大鼠肌细胞膜片上记录的：从培养的大鼠肌细胞膜片上记录的 Na+ 单通道电流：单通道电流： ：去极化：去极化 10mV 的电压钳制；的电压钳制； ：连续次钳制记录得到的：连续次钳制记录得到的 Na+ 单通道电流，通道开放产生向下的内向电流；单通道电流，通道开放产生向下的内向电流； ：连续：连续 300 次钳制记录的单通道电流叠加平均得到的总和（次钳制记录的单通道电流叠加平均得到的总和（ ensemble ）电流，）电流， 与钠通道的宏膜电流相似与钠通道的宏膜电流相似 （1 1）不论是化学门控或电压门控通道，它）不论是化学门控或电压门控通道，它们的们的开放和关闭都是突然的开放和关闭都是突然的，使描绘出的电，使描绘出的电流曲线呈流曲线呈方波状方波状，说明相应的蛋白质分子可，说明相应的蛋白质分子可以从一种构象以从一种构象快速地跃变快速地跃变到另一种构象；到另一种构象； （2 2）每种通道开放时具有恒定的电导，即）每种通道开放时具有恒定的电导，即在恒定的情况下，只能看到在恒定的情况下，只能看到“开开”或或“关关”两种状态，很少看到两种状态，很少看到“半开半开”或或“部分开部分开”的情况；的情况； （3 3）即使是同一通道分子，每次开放的持）即使是同一通道分子，每次开放的持续时间长短也不一致，停留在续时间长短也不一致，停留在某种状态的长某种状态的长短具有随机的性质；短具有随机的性质； （4 4）在化学门控通道结合了相应的化学信）在化学门控通道结合了相应的化学信号分子，或电压门控通道所在膜两侧处于特号分子，或电压门控通道所在膜两侧处于特定的电位差的情况下，定的电位差的情况下，“摆动摆动”的次数增多，的次数增多，开放的机率增大开放的机率增大，而，而“失活失活”时开放的机率时开放的机率减小。减小。膜片钳实验技术膜片钳实验技术(Neder和和Sakmann等等):（1 1）直接观察）直接观察单一的离子通道单一的离子通道蛋白质分子对蛋白质分子对相应离子通透活动的特征相应离子通透活动的特征. .（2 2）记录）记录单个离子通道开放后的电流单个离子通道开放后的电流. .（3 3）计算出通道的）计算出通道的开放概率开放概率和和单通道电导单通道电导。（4 4）证明在完整细胞上记录到的膜电流）证明在完整细胞上记录到的膜电流 是许多是许多单通道电流总和单通道电流总和的结果，单通道的的结果，单通道的开开放概率或单通道电导增加，或离子通道的数放概率或单通道电导增加，或离子通道的数目增加目增加，都会使膜电导增大。，都会使膜电导增大。（4 4）离子通道的功能状态）离子通道的功能状态 关闭状态关闭状态- -通道关闭：通道关闭： ( (备用状态备用状态) )刺激能开放刺激能开放激活状态激活状态- -通道开放：通道开放： 离子扩散离子扩散失活状态失活状态- -通道关闭通道关闭: : 刺激不能开放刺激不能开放- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + +- - - - - - - - - - -静息态静息态激活态激活态失活态失活态去极化过程中钠通道状态的变化去极化过程中钠通道状态的变化Vm ：膜电位；：膜电位； Im ：膜电流；：膜电流； m 和和 h 分别示意钠通道的激活分别示意钠通道的激活门和失活门门和失活门 静息态（备用）：静息态（备用）：关闭（关闭（ m gate closes）m gate open Na+失活态失活态 inactivated gate closes（h gate ） 失活失活 复活复活 静息静息 h gate closes m gate closes （迅速）（迅速） h gate open （缓慢）（缓慢）voltage-gated ionchannel通道的开放、关闭受通道的开放、关闭受跨膜电位跨膜电位的控制的控制Na+,Ca2+K+钠通道钠通道亚单位的分子结构示意图亚单位的分子结构示意图A ：推衍的：推衍的亚单位二级结构，亚单位二级结构， I, II, III, IV 代表代表 4 个同源结构域，个同源结构域， 圆圈中的字母圆圈中的字母 M 、 F 、 I 是氨基酸的一字符号；是氨基酸的一字符号； B ：显示由：显示由 4 个同源结构域形成分子的孔道；个同源结构域形成分子的孔道； C ：失活机制的示意图：失活机制的示意图 CO2HOutsideNH2+Inside Na+ Channel a a-Subunit StructureIIIIIIIVRVIRLARIGRILRLIKGAKGIR+ + + + + + + +IFMIFM-Inactivation “Gate”-异亮、苯丙、甲硫氨酸IVS4 Voltage Sensor 精氨酸、赖氨酸精氨酸、赖氨酸NH2CO2Hb b1 1n部位部位:神经神经, 心脏心脏, 骨骼肌骨骼肌n作用作用:产生动作电位产生动作电位 n通道分子结构通道分子结构: 骨骼肌骨骼肌Na+ Channel: a and 亚单位亚单位 神经神经Na+ Channel: a, 1, 2亚单位亚单位nThree types of conformational states (close, open or activation, inactivation) - each controlled by membrane voltage GNa和和Gk都具时间、电压依从性，由跨膜电位的去极化都具时间、电压依从性，由跨膜电位的去极化激活，激活， GNa激活早，是动作电位上升支基础激活早，是动作电位上升支基础；GK激活激活晚，是动作电位下降支基础。晚，是动作电位下降支基础。 (1)膜内外存在膜内外存在Na+差差: Na+i/Na+O 1 10；(2)(2)膜受到膜受到阈刺激阈刺激时，对离子通透性增加：即时，对离子通透性增加：即电压门控电压门控性性Na+通通 道激活道激活而开放而开放, Na+电导增加，电导增加，Na+顺电顺电-化化学梯度呈学梯度呈再生性内流再生性内流（超过（超过K+ 外流外流)，直至膜内正电，直至膜内正电位接近位接近Na+平衡电位。平衡电位。Positive feedback loopReach“threshold”?IfYES,then.Stimulation 剌激引起膜内去极化剌激引起膜内去极化达到达到引起正反馈性引起正反馈性Na+内流的临界膜电位内流的临界膜电位称为阈电位。称为阈电位。 能引起电压门控性的所有能引起电压门控性的所有Na+通道开放通道开放（正（正反馈反馈Na+ 内流内流) 。 阈电位一般比静息电位小阈电位一般比静息电位小1020mV。 膜对某种离子通透性的改变，实际上决定膜对某种离子通透性的改变，实际上决定于膜结构中有关于膜结构中有关离子通道蛋白质分子的功离子通道蛋白质分子的功能状态；能状态； Hodgkin等测出的等测出的GNa的变化，实际是那一的变化，实际是那一段轴突膜上众多的电压门控式段轴突膜上众多的电压门控式Na+通道因膜通道因膜的的去极化而开放去极化而开放的结果。的结果。-70-70-55-55-85-85膜电位膜电位（mVmV）记录记录刺激刺激AP阈电位水平阈电位水平局部兴奋局部兴奋RP水平水平(2) 复极化产生机制复极化产生机制 Na+通道失活，通道失活，Na+电导减小电导减小，同时，同时K+电导电导增大，增大，K+电压门控性通道的开放。电压门控性通道的开放。是动作是动作电位复极化的主要原因。电位复极化的主要原因。 在膜内电在膜内电-化学驱动力的作用下化学驱动力的作用下,出现了出现了K+外外向电流，向电流，使使膜内电位变负膜内电位变负，加速了膜的，加速了膜的复复极极，参与峰电位降支的形成。，参与峰电位降支的形成。(3)(3)后电位：后电位： 正后电位一般认为是正后电位一般认为是生电性钠泵生电性钠泵作用的结作用的结果。果。Na Na Na+ - K+泵泵的活动，使的活动，使Na+、 K+重新重新回到回到原来的分布状态。原来的分布状态。AP 连续性过程连续性过程Successive Stages:(1) Resting Stage(2) Depolarization stage(3) Repolarization stage(4) After-potential stage(1)(2)(3)(4)刺激刺激膜上膜上少量少量NaNa+ +通道开放通道开放NaNa+ +顺浓度差少量内流顺浓度差少量内流局部电位局部电位 阈电位阈电位NaNa通道大量开放通道大量开放再生式再生式Na内流内流NaNa+ + i i、KK+ + OO 激活激活NaNa+ +K K+ +泵泵APAP上升支上升支NaNa+ +内流停内流停+ +同时同时K K+ +通道激活通道激活K K迅速外流迅速外流（APAP下降支下降支）离子恢复到兴奋前水平离子恢复到兴奋前水平结论：结论： AP上升支主要由上升支主要由Na内流内流形成，形成， 近于近于Na的平衡电位。的平衡电位。 下降支主要是下降支主要是K外外 流流形成形成 后电位与后电位与NaK泵活动有关泵活动有关 Nernst公式的计算公式的计算 AP达到的超射值相当于计算所得的达到的超射值相当于计算所得的ENa值。值。应用应用Na通道阻断剂河豚毒，内向电流全部消失。通道阻断剂河豚毒，内向电流全部消失。 应用应用K+通道阻断剂通道阻断剂TEA，外向电流消失。，外向电流消失。 微电极插入膜内直接记录膜电位微电极插入膜内直接记录膜电位证明证明 The toxin tetrodotoxin (TTX) can bind to the Na+ channels and block them. 6. IFMIFMNa+ channels block For example: Na+ channel blocker, tetrodotoxin (TTX 河豚毒河豚毒). L-type Ca2+ channel blocker, verapamil (维拉帕米维拉帕米 异搏定异搏定) nifedipine (硝苯地平硝苯地平).K+ channel blocker, tetraethylammonium ,TEA一、细胞膜和胞质的被动电学特性一、细胞膜和胞质的被动电学特性1.膜电容膜电容 细胞膜的电缆学说细胞膜的电缆学说: 细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作为两个导体，有一定的电阻；为两个导体，有一定的电阻； 膜电容：膜电容：细胞细胞膜脂质双层膜脂质双层类似于一个平板电容类似于一个平板电容器，相对地视作器，相对地视作绝缘体绝缘体，因此细胞膜具有显著，因此细胞膜具有显著的电容特性。的电容特性。 跨膜电位：跨膜电位： 当膜上的当膜上的离子通道开放离子通道开放而引起带而引起带电离子的电离子的跨膜流动跨膜流动时，就相当于在时，就相当于在电容器上电容器上充电或放电，充电或放电，产生的电位差，称为跨膜电位产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。或简称为膜电位。Vm=Q/C2. 膜电阻：膜电阻： 通常用它的通常用它的倒数膜电导倒数膜电导G来表示。来表示。对带电离子而言，对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的膜电导就是膜对离子的通通透性透性。3.轴向电阻：轴向电阻： 胞质溶液电阻；细胞直径胞质溶液电阻；细胞直径（二）电紧张电位（二）电紧张电位 概念：概念： 跨膜电流随着距原点距离的增加而逐跨膜电流随着距原点距离的增加而逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规律的膜电位分布律的膜电位分布，这种由膜的被动电学特，这种由膜的被动电学特性决定其空间分布和时间变化的膜电位称性决定其空间分布和时间变化的膜电位称为电紧张电位。为电紧张电位。电紧张电位电紧张电位-细胞膜相当于一条电细胞膜相当于一条电缆一点给予膜一个突然缆一点给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜的电流，从另一点记录膜电位变化：电位变化：在电源附近电位上升快，在电源附近电位上升快，达到的最高电位也较大；达到的最高电位也较大；离开电源越远，则不但离开电源越远，则不但电位上升的慢，而且最终电位上升的慢，而且最终的最高电位也较低。的最高电位也较低。电位改变变慢，是膜电电位改变变慢，是膜电容引起的后果；电位依距容引起的后果；电位依距离变小，是膜外电阻、膜离变小，是膜外电阻、膜电阻及膜内电阻引起的后电阻及膜内电阻引起的后果。果。 1.电紧张电位的扩布范围和生成速度电紧张电位的扩布范围和生成速度空间常数：空间常数：是指膜电位衰减至是指膜电位衰减至最大值的最大值的37%时所扩布的空间时所扩布的空间距离，常用距离，常用表示。表示。影响因素：影响因素：膜电阻和轴向电阻时间常数：时间常数：是指膜电位上升或下降至稳定值的63%所需的时间，常用表示。影响因素：影响因素：膜电阻和膜电容正电极下方会产生超级化电紧张电位，正电极下方会产生超级化电紧张电位，负电极下方会产生去极化电紧张电位负电极下方会产生去极化电紧张电位+2.电紧张电位的极性电紧张电位的极性-70-70-55-55-85-85膜电位膜电位（mVmV）记录记录刺激刺激AP阈电位水平阈电位水平局部兴奋局部兴奋RP水平水平(1) 等级性等级性 (graded)：电紧张电位：电紧张电位不是不是“全或全或无无”的的 (2) 衰减性传导：电紧张性电位的幅度随距离衰减性传导：电紧张性电位的幅度随距离的延长呈的延长呈指数性递减指数性递减.(3) 可以融合：无不应期可以融合：无不应期3.电紧张电位的特征电紧张电位的特征 定义定义: : 由由阈下刺激阈下刺激或化学门控通道开放引起的细胞或化学门控通道开放引起的细胞膜膜轻度局部去极化（有少量钠通道激活），轻度局部去极化（有少量钠通道激活），不能向远距离传播不能向远距离传播, , 称为局部电位、局部去称为局部电位、局部去极化或局部兴奋。极化或局部兴奋。-70-70-55-55-85-85膜电位膜电位（mVmV）记录记录刺激刺激AP阈电位水平阈电位水平局部兴奋局部兴奋RP水平水平 空间总和空间总和: 多个阈下刺激在多个阈下刺激在相邻胞膜部位同时发生相邻胞膜部位同时发生，局部电位叠加起来。局部电位叠加起来。abcdExcitatoryExcitatoryInhibitory时间总和时间总和: 阈下剌激在阈下剌激在同一部位连续发生同一部位连续发生，后一次反应，后一次反应可在前一次反应可在前一次反应 未完全消失的基础上发生，未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。多个局部反应在时间上叠加。局部电位特征局部电位特征(1) 等级性等级性 (graded)电位电位(2) 衰减性传导衰减性传导(3) 局部电位没有不应期局部电位没有不应期, 可以总和可以总和, 空间总和空间总和 时间总和时间总和2. 作用：作用： 提高细胞兴奋性提高细胞兴奋性，易于接受刺激。，易于接受刺激。 一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位引发动作电位, , 可叠加或总和后导致膜去极可叠加或总和后导致膜去极化到化到阈电位阈电位, ,从而爆发动作电位。从而爆发动作电位。 局部兴奋与动作电位的区别局部兴奋与动作电位的区别: :不衰减扩布不衰减扩布电紧张扩布电紧张扩布传播特点传播特点无无有有总和现象总和现象有有无无全或无全或无特点特点大大小小膜电位变化幅度膜电位变化幅度多多少少钠通道开放数钠通道开放数阈或阈上刺激阈或阈上刺激阈下刺激阈下刺激刺激强度刺激强度动作电位动作电位局部兴奋局部兴奋区别区别 传导机制传导机制局部电流学说局部电流学说 同一细胞同一细胞上兴奋的传导是以上兴奋的传导是以局部电流局部电流（local current）为基础的传导过程，为基础的传导过程，具有安全性。具有安全性。1. 1.动作电位在同一细胞上的传播动作电位在同一细胞上的传播传导机制传导机制局部电流局部电流+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+神经冲动：神经冲动：神经纤维上传导神经纤维上传导神经纤维神经纤维（saltatory conduction） 跳跃式传导时跳跃式传导时, 传导传导速度快速度快, 而且而且节能节能.myelinated nerve fibersaltatory conductionmyelinated nerve fibersaltatory conduction+-+-+刺激刺激有髓鞘神经纤维上的传导方式有髓鞘神经纤维上的传导方式 跳跃式传导跳跃式传导（saltatory conduction）有髓神经纤维有髓神经纤维跳跃式传导跳跃式传导2. 影响兴奋传导的因素影响兴奋传导的因素 1） 直径直径 2） 髓鞘髓鞘 3） 温度温度+-+-+刺激刺激2.动作电位在细胞间传播动作电位在细胞间传播缝隙连接（缝隙连接（Gap junction） 缝隙连接模式图缝隙连接模式图 缝隙连接通道开放缝隙连接通道开放-水溶性分子、离子通过；水溶性分子、离子通过； 动作电位直接扩布；动作电位直接扩布； 细胞在产生一次动作电位后经历一系列兴奋性的变化细胞在产生一次动作电位后经历一系列兴奋性的变化 绝对不应期：绝对不应期： (absolute refractory period)当出现锋电位的时期内，无论当出现锋电位的时期内，无论施加多强的的刺激，不能使细施加多强的的刺激，不能使细胞再次兴奋胞再次兴奋, ,这一时期称为绝对这一时期称为绝对不应期不应期。处在绝对不应期的细。处在绝对不应期的细胞，胞，Na+通道是失活通道是失活状态状态，细胞细胞兴奋性降低到零。兴奋性降低到零。相对不应期相对不应期 (relative refractory period)：绝对不应期之后的一定时间绝对不应期之后的一定时间内，内，细胞对细胞对阈上剌激阈上剌激可发生可发生兴奋。兴奋。标志着一些失活的标志着一些失活的NaNa+ +通道已开始逐渐复活通道已开始逐渐复活，细胞兴奋性从无到有逐渐向细胞兴奋性从无到有逐渐向正常恢复的时期。相当于正常恢复的时期。相当于APAP负后电位的前半段负后电位的前半段相对不应期之后，相对不应期之后，阈下阈下剌激剌激就可引起细胞再兴就可引起细胞再兴奋，奋，表明此时的兴奋性表明此时的兴奋性轻度的高于正常。膜电轻度的高于正常。膜电位接近静息电位，相当位接近静息电位，相当于动作电位的负后电位于动作电位的负后电位后半段。后半段。需用需用阈上剌激阈上剌激才能引起细胞产生动才能引起细胞产生动作电位，作电位，兴奋性低于正常。兴奋性低于正常。 膜电位处于膜电位处于超极化状态超极化状态，与阈电位，与阈电位距离加大。距离加大。正后电位时段正后电位时段Subnormal period:0mV-70-9020absolute refractory periodRelative refractory periodSupranormal period0100兴奋性兴奋性Subnormal period 分 期 兴 奋 性 原 因 时 间 绝对不应期绝对不应期 钠通道均失活钠通道均失活 0 -60 mV 相对不应期相对不应期 正常正常 少数钠通道复活少数钠通道复活 -60 -80 mV 超常期超常期 正常正常 多数钠通道复活多数钠通道复活 -80 -90 mV 低常期低常期 正常正常 超极化超极化 -90 mV 1. 1.兴奋性变化分期：兴奋性变化分期：2. 2.绝对不应期的意义：绝对不应期的意义： 其长短决定细胞兴奋的最高频率其长短决定细胞兴奋的最高频率例：绝对不应期例：绝对不应期 2 ms 兴奋的最高频率兴奋的最高频率?1000/2 =500 Hz使动作电位不会重合使动作电位不会重合
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