細(xì)胞的生物電現(xiàn)象講解課件

1、第四章 細(xì)胞的生物電現(xiàn)象 生物電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，不僅極大促進(jìn)了生物學(xué)及基 礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，而且使臨床醫(yī)學(xué)發(fā)生了革命性的變 革。 人體各器官表現(xiàn)的電現(xiàn)象，是以細(xì)胞水平的生物 電現(xiàn)象為基礎(chǔ)，細(xì)胞的電現(xiàn)象主要是跨膜離子流動(dòng) 造成的。 任何細(xì)胞跨膜電現(xiàn)象的明顯改變都將影響細(xì)胞的 正常功能，導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病。 神經(jīng)和骨骼肌細(xì)胞的生物電現(xiàn)象 非常容易觀察到的生物電現(xiàn)象-蛙神經(jīng)肌肉標(biāo)本 刺激神經(jīng) 肌肉收縮；單獨(dú)刺激肌肉 肌肉收縮 反應(yīng)速度和可重復(fù)性分析提示只能是電信號(hào) 刺激強(qiáng)度不同，肌肉收縮強(qiáng)度也不同坐骨神經(jīng)腓腸肌鋅銅弓 興奮性（excitability)：產(chǎn)生動(dòng)作電位（AP)的能力 興奮（excitation)：

2、宏觀表現(xiàn)：活動(dòng)增強(qiáng)；電學(xué)角度：產(chǎn)生AP 可興奮細(xì)胞/組織（excitable cell/tissue)： 受到較小的刺激后即可出現(xiàn)某種形式的反應(yīng)。 神經(jīng)細(xì)胞-神經(jīng)沖動(dòng)；肌細(xì)胞-收縮； 腺細(xì)胞-分泌活動(dòng) 電可興奮細(xì)胞（electrically excitable cell) 可興奮細(xì)胞產(chǎn)生興奮的標(biāo)志：產(chǎn)生動(dòng)作電位 非可興奮細(xì)胞：有靜息電位，但不能產(chǎn)生動(dòng)作電位 閾強(qiáng)度（threshold intensity)是細(xì)胞興奮的指標(biāo) 組織在興奮后興奮性的規(guī)律性變化： 絕對(duì)不應(yīng)期（absolute refractory period) 相對(duì)不應(yīng)期（relative refractory period) 超常

3、期（supranormal period) 低常期（subnormal period) 通道功能狀態(tài)的改變是細(xì)胞興奮性發(fā)生變化的基礎(chǔ) 一次興奮后興奮性的變化 絕對(duì)不應(yīng)期、有效不應(yīng)期、相對(duì)不應(yīng)期、超常期、低常期細(xì)胞生物電現(xiàn)象的主要表現(xiàn)是什么？ 1. 靜息電位 2. 動(dòng)作電位 生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制 興奮和生物電現(xiàn)象機(jī)制的闡明是本世紀(jì)生命科學(xué) 的重大進(jìn)展之一。 由鈉泵活動(dòng)產(chǎn)生的膜內(nèi)高K+和膜外高Na+狀態(tài)是各種細(xì)胞生物電現(xiàn)象產(chǎn)生的基礎(chǔ)。 Na+ 和 K+ 通過各自的電壓門控通道的易化擴(kuò)散是形成神經(jīng)和骨骼肌細(xì)胞靜息電位和動(dòng)作電位的直接原因。第一節(jié) 靜息電位 (resting potential)定義：

4、細(xì)胞未受刺激時(shí)細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差。 特點(diǎn)：膜內(nèi)電位較膜外為負(fù)，具體數(shù)值為毫 伏級(jí)，不同細(xì)胞有差異。 如規(guī)定膜外電位為0（接 地），則膜內(nèi)電位在-10 100mV 之間。0 mV-90 mV+30 mV 槍烏賊巨大神經(jīng)軸突（1000m)在細(xì)胞 電生理學(xué)中的貢獻(xiàn) 細(xì)胞跨膜電位的發(fā)現(xiàn)：最早是利用槍烏賊 神經(jīng)軸突作出的（凌寧 & Gerard, 1949）玻璃微電極細(xì)胞內(nèi)記錄技術(shù)電極刺穿細(xì)胞膜前靜息電位記錄示意圖電極刺穿細(xì)胞膜后0 mV-90 mV0 mV1. 靜息電位產(chǎn)生原理：K+平衡電位 Bernstein首次提出，細(xì)胞內(nèi)外K+的不均勻分布和安 靜時(shí)膜主要對(duì)K+有通透性可能是細(xì)胞能保持內(nèi)負(fù)外 正極

5、化狀態(tài)的基礎(chǔ)。 K+i/K+o = 35, Na+o/Na+i = 14 濃度勢(shì)能使細(xì)胞內(nèi)K+有向細(xì)胞外擴(kuò)散的趨勢(shì)，細(xì) 胞外Na+有向細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散的趨勢(shì)。 如果沒有陽離子的不對(duì)等擴(kuò)散，細(xì)胞內(nèi)外是電中性 的（不帶電），因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外的正負(fù)離子 電荷數(shù)是相等的。細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液各種離子的濃度差要點(diǎn)： 在生理情況下，如果不存在細(xì)胞膜對(duì)某些帶電粒子的選擇性通透，則不論是細(xì)胞外液還是細(xì)胞內(nèi)液，陰、陽粒子的電荷數(shù)是相等的，細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液都是電中性的（即不帶電）。 如果細(xì)胞膜對(duì)某種離子有選擇性通透現(xiàn)象，則細(xì)胞膜兩側(cè)會(huì)有帶電現(xiàn)象。 細(xì)胞膜在靜息狀態(tài)下確實(shí)主要對(duì)K+有通透性（內(nèi)向 整流鉀通道，IK1）在

6、， K+向細(xì)胞外擴(kuò)散時(shí)不伴有 負(fù)離子的向外擴(kuò)散和Na+向內(nèi)擴(kuò)散。 由于K+帶正電荷， K+向細(xì)胞外擴(kuò)散時(shí)使細(xì)胞外帶 正電荷，每移出一個(gè)K+就使細(xì)胞外多帶一個(gè)正電 荷。 由于同性電荷相斥，當(dāng)K+移出足夠多時(shí)，電場力又 阻止K+的向外擴(kuò)散，最終達(dá)到平衡 K+平衡電位 K+向外擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)的細(xì)胞內(nèi)外電位差即是K+平 衡電位，用Nernst方程計(jì)算。靜息電位產(chǎn)生原理示意圖K+K+-20mV-30mV-40mV-50mV-60mV-70mV-80mV靜息電位水平不同靜息電位水平時(shí)IK1的大小比較 (IK1: inward rectifier K+ current)Nernst 方程：Ek K+平衡電位

7、（mV)R通用氣體常數(shù)T絕對(duì)溫度Z離子價(jià)FFaraday常數(shù)K+o細(xì)胞外K+濃度K+i細(xì)胞內(nèi)K+濃度將有關(guān)數(shù)值代入方程，T以27C計(jì)算，再把自然對(duì)數(shù)化為常用對(duì)數(shù)，則上述公式可簡化為：第二節(jié) 動(dòng)作電位超射 動(dòng)作電位（action potential)：細(xì)胞受到一定強(qiáng)度的刺激后跨膜電位由靜息電位（內(nèi)負(fù)外正）的狀態(tài)向內(nèi)正外負(fù)的方向轉(zhuǎn)變，繼之又恢復(fù)到靜息電位水平的過程，形狀如鋒，故稱鋒電位(spike potential)。其中膜內(nèi)電位值超過0電位的部分稱為超射（overshoot)。 后電位（afterpotential)：鋒電位之后的未恢復(fù)部分 “全或無”現(xiàn)象（“all or none” phen

8、omenon)：同一細(xì)胞上動(dòng)作電位大小不隨刺激強(qiáng)度和傳導(dǎo)距離改變的現(xiàn)象。 極化（polarization)：膜兩側(cè)電位所保持的內(nèi)負(fù)外正的狀 態(tài)。 超極化（hyperpolarization)：膜內(nèi)電位負(fù)值增大。 去極化（depolarization)：膜內(nèi)電位負(fù)值減小。 復(fù)極化（repolarization)：膜內(nèi)電位向靜息電位方 向變化。 反極化：外正內(nèi)負(fù)外負(fù)內(nèi)正。 動(dòng)作電位產(chǎn)生的兩種情況： 1. Spontaneous 2. Induced 不同細(xì)胞動(dòng)作電位形態(tài)的差異 神經(jīng)和骨骼?。菏堑湫偷匿h電位，動(dòng)作電位時(shí)程（APD）只有1到數(shù)毫秒。動(dòng)作電位振幅約為120mV. 心?。篈PD可長達(dá)數(shù)百毫

9、秒，復(fù)極相有明顯的平臺(tái)期。動(dòng)作電位振幅約為120mV. NeuronSkeletal muscle cellGland cellVentricular cell 動(dòng)作電位去極相（上升支）的產(chǎn)生原理： Na+平衡電位 Hodgkin等首次提出，動(dòng)作電位上升支細(xì)胞負(fù)電性消失并轉(zhuǎn)化為正電位是由于膜對(duì)Na+的通透性突然增大所致，現(xiàn)已得到證實(shí)。 在Na+通道開放的情況下，Na+的濃度勢(shì)能使細(xì)胞外Na+通過通道擴(kuò)散的方式進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，并很快達(dá)到電化學(xué)平衡，動(dòng)作電位的超射值相當(dāng)于計(jì)算所得的Na+平衡電位（ENa)。 與達(dá)到K+平衡電位所需的很小K+外流量相似，形成Na+平衡電位所需的Na+外流量亦很?。?/8

10、0000） 不同細(xì)胞動(dòng)作電位去極化離子通道機(jī)制的差別絕大多數(shù)細(xì)胞是Na+內(nèi)流心肌慢反應(yīng)細(xì)胞是Ca2+內(nèi)流神經(jīng)細(xì)胞樹突AP 動(dòng)作電位復(fù)極相（下降支）的產(chǎn)生原理： 1. 神經(jīng)細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、腺細(xì)胞：K+外流2. 心肌細(xì)胞：復(fù)雜，有K+外流、Ca2+內(nèi)流等 動(dòng)作電位復(fù)極完成后膜的活動(dòng)： 1. IK1活動(dòng)：維持靜息電位 2. 鈉泵活動(dòng)：驅(qū)出Na+、泵入K+ 生電性鈉泵：鈉泵活動(dòng)時(shí)由于兩種離子同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)，且出入的離子總數(shù)近似相等，故不伴有膜電位的改變。但當(dāng)膜內(nèi)蓄積過多Na+時(shí)，鈉泵泵出的Na+有可能超過泵入的K+（3：2），于是膜電位向超級(jí)化方向變化（正后電位），此時(shí)的鈉泵稱為生電性鈉泵。負(fù)后電位是由于

11、膜外蓄積較多的K+所致。 神經(jīng)干動(dòng)作電位的記錄 神經(jīng)干動(dòng)作電位是神經(jīng)干內(nèi)許多神經(jīng)纖維動(dòng)作電位的 復(fù)合 雙向和單向動(dòng)作電位 記錄電極：可分為單極記錄和雙極記錄 單極記錄：一極接地，一極接觸神經(jīng)干。記錄到的電 信號(hào)反映電極接觸部位與大地的電位差。 雙極記錄：兩極都與神經(jīng)干接觸，記錄到的電信號(hào)反 映兩電極接觸部位的電位差。單極記錄雙極記錄或兩電極間距很近時(shí)兩電極間距較遠(yuǎn)時(shí)記錄儀記錄儀陰極刺激原則興奮總是發(fā)生在陰極電極下方，陽極下方甚至出現(xiàn)超級(jí)化刺激器雙向動(dòng)作電位的形成機(jī)理神經(jīng)局部阻滯后單向動(dòng)作電位的形成機(jī)理 動(dòng)作電位的引起 刺激局部反應(yīng)（局部電位）閾電位動(dòng)作電位 膜電位必須去極化到某一閾值時(shí)Na+通

12、道才能大量開放，引起動(dòng)作電位的去極相。這一閾值稱為閾電位，一般細(xì)胞閾電位約較靜息電位負(fù)值少10-15mV。 閾強(qiáng)度（threshold intensity)：能夠使膜去極化達(dá)到閾電位的外加刺激強(qiáng)度。 閾下刺激：比閾強(qiáng)度低的刺激。 閾上刺激：比閾強(qiáng)度高的刺激。 去極化與Na+通道開放的關(guān)系 動(dòng)作電位上升支是由于Na+通道快速而大量開 放所致。 膜電位水平?jīng)Q定Na+通道開放概率。 單一Na+通道開放并不表現(xiàn)“閾”的特性，只有開放概 率的差異，越接近閾電位開放概率越高。 Na+通道開放的再生性循環(huán)（正反饋；瀑布效應(yīng)）：去極化先引起一部分Na+通道開放，繼而引起膜進(jìn)一步去極化，后者又引起Na+通道快速

13、大量開放，其結(jié)果是出現(xiàn)一個(gè)不依賴于原刺激的Na+通道開放正反饋過程。 局部反應(yīng)及其特性 閾下刺激雖然不能使膜電位達(dá)到閾電位，但可引起少量Na+通道開放，使膜電位發(fā)生程度較低的去極化，這種情況稱為局部反應(yīng)，此時(shí)的升高的膜電位稱為局部電位或電緊張電位，又稱為電緊張擴(kuò)布（electrotonic propagation)。 局部反應(yīng)的特征：1. 呈等級(jí)性，不是全或無2. 不能在膜上作遠(yuǎn)距離傳播3. 可以相互疊加：空間性總和，時(shí)間性總和 動(dòng)作電位在同一細(xì)胞上的傳導(dǎo)機(jī)制 （局部電流學(xué)說）細(xì)胞某一部位產(chǎn)生動(dòng)作電位已興奮段和臨近未興奮部分產(chǎn)生電位差局部電流局部電流刺激臨近未興奮段臨近未興奮段去極化動(dòng)作電位向

14、臨近未興奮段傳播 有髓神經(jīng)纖維動(dòng)作電位的跳躍式傳導(dǎo) （saltatory conduction) 髓鞘由于主要由脂質(zhì)構(gòu)成，導(dǎo)電性極差，不允許帶電離子通過，因此只有在髓鞘暫時(shí)中斷的朗飛氏結(jié)處，軸突膜才能和細(xì)胞外液接觸，使跨膜離子移動(dòng)得以進(jìn)行。這樣，動(dòng)作電位只能在鄰近刺激點(diǎn)的朗飛氏結(jié)處產(chǎn)生，而局部電流也只能發(fā)生在相鄰的朗飛氏結(jié)之間，因而傳導(dǎo)速度很快。 髓鞘是進(jìn)化的產(chǎn)物，無脊椎動(dòng)物通過增加神經(jīng)干的直徑增加神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)速度，脊椎動(dòng)物通過髓鞘增加神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)速度，既快速又節(jié)能。 動(dòng)作電位在細(xì)胞間的傳導(dǎo)機(jī)制 （細(xì)胞間的直接電傳遞）某一細(xì)胞膜產(chǎn)生動(dòng)作電位 離子流通過縫隙連接 （gap junction）

15、另一細(xì)胞去極化動(dòng)作電位如果細(xì)胞之間沒有縫隙連接，動(dòng)作電位就不能在細(xì)胞間傳播。第三節(jié) 膜的被動(dòng)電學(xué)特性 細(xì)胞膜作為一個(gè)靜態(tài)的電學(xué)元件時(shí)所表現(xiàn)的電學(xué)特 性，稱為膜的被動(dòng)電學(xué)特性，有膜電容、膜電阻和 軸向電阻等參數(shù)。 特點(diǎn)：膜內(nèi)電位較膜外為負(fù)，具體數(shù)值為毫 伏級(jí)，不同細(xì)胞有差異。 如規(guī)定膜外電位為0（接 地），則膜內(nèi)電位在-10 100mV 之間。 膜電阻和膜電導(dǎo)的概念 膜電阻（membrane resistance)：是反映膜阻止離 子通透能力的物理量，膜電阻越大，則通透性越低。 膜電導(dǎo)（membrane conductance)：是反映膜對(duì) 離子通透性的物理量，膜電導(dǎo)越大，則通透性越高。第四節(jié)

16、離子通道與細(xì)胞電活動(dòng)一. 離子通道存在多種功能狀態(tài)閘門（gate）和門控（gating）門控通道的H-H模型（Kodgkin & Huxley） 關(guān)閉（close）：m門（激活門）關(guān)閉，h門（失活 門）開放。 激活（activation）： m門和h門均開放。 失活（inactivation）：m門開放，h門關(guān)閉。 電壓箝和膜片箝技術(shù)及其在離子通道研究中的應(yīng)用 細(xì)胞膜電位固定技術(shù)（電壓箝, voltage clamp）技 術(shù)發(fā)明人: Hodgkin & Huxley，獲得 1963年Nobel prize 膜片箝（patch clamp）技術(shù)發(fā)明人: Erwin Neher & Bert Sa

17、kmann（德國人） 獲1991年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。主要貢獻(xiàn)：發(fā)明并利用膜片箝技術(shù)發(fā)現(xiàn)了單個(gè)離子通道的活動(dòng)特征。SIR JOHN CAREW ECCLES SIR ANDREW FIELDING HUXLEY SIR ALAN LLOYD HODGKIN 1963 Nobel Laureate in Physiology or Medicine for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane Erwin NeherBert Sakmann The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991 for their