第三章神经元兴奋和传导人体及动物生理学

1、 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l细胞生物电活动的产生主要是由于细胞生物电活动的产生主要是由于 带电离子跨膜分布的不均衡性带电离子跨膜分布的不均衡性 Na+o Na+i 10 1, K+i K+o 30 1 细胞膜在不同条件下对离子通透性的变化细胞膜在不同条件下对离子通透性的变化 Two characteristics of cells contribute to their ability to maintain this electrical potential. First, different types of ions are unequally distributed

2、across the cell membrane. Second, the cell membrane is differentially permeable to ions. l概念：细胞未受刺激时，即处于概念：细胞未受刺激时，即处于“静息静息”状态下存状态下存 在于细胞膜两侧的电位差。在于细胞膜两侧的电位差。 l膜内较负，哺乳动物神经和肌肉细胞为膜内较负，哺乳动物神经和肌肉细胞为-50 -100mV lIn the resting state and without stimulation, cells maintain a negative electrical potential in

3、side in relative to the outside. 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 0 + + - - B BA A 细胞细胞 细胞膜细胞膜 微电极微电极 电位计电位计 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 0 + + - - B BA A + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + - - - - - - + + + + + + - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - -

4、 - + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - -90mV-90mV 0mV0mV0mV0mV 本实验提示本实验提示: : 1.1.跨膜有电位差跨膜有电位差 2.2.膜内低于膜外膜内低于膜外 3.3.稳定直流电位稳定直流电位 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l极化：活细胞的细胞膜膜内外存在电位极化：活细胞的细胞膜膜内外存在电位 差的现象。差的现象。 生理学中将细胞膜外侧的电位定为0电位， 大多动物神经纤维、各种肌细胞的膜电 位-50-100mV的直流电位，表现为膜内 为负，膜外为正。 第三章神经元兴奋和传导

5、人体及动 物生理学 l静息膜电位形成的基础：静息膜电位形成的基础：Na+、K+等关键离子等关键离子 在细胞膜内外的不均等分布及选择性透膜移动。在细胞膜内外的不均等分布及选择性透膜移动。 l电扩散：离子的跨膜渗透，与膜内外离子的电扩散：离子的跨膜渗透，与膜内外离子的 浓度、跨膜电势差、某离子的渗透系数等浓度、跨膜电势差、某离子的渗透系数等 因素有关。因素有关。 l离子运动的独立性法则离子运动的独立性法则每种离子的跨膜运每种离子的跨膜运 动都是相互独立的动都是相互独立的 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 离子离子 细胞外液细胞外液 胞胞 质质 平衡电位平衡电位 (mmol/L) (mmol

6、/L) (mV) Na+ 145 12 +65 K+ 4 155 -95 Cl- - 120 . 3.8 -90 A- 0 155 _ A-代表带负电荷的有机大分子代表带负电荷的有机大分子 条件：条件： 静息状态下膜内、外离子分布不均衡静息状态下膜内、外离子分布不均衡 Na+o Na+i 10 1, K+iK+o30 1 静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性: K+ 通透性大而通透性大而Na+基本不通透基本不通透 机制：机制： 膜内膜内K K+ +浓度高于膜外，安静时膜对浓度高于膜外，安静时膜对K K+ +通透性大，通透性大， K K+ +顺浓度差外

7、流，而细胞内的有机负离子不能顺浓度差外流，而细胞内的有机负离子不能 透出细胞，便产生了内负外正的电位差。当促透出细胞，便产生了内负外正的电位差。当促 进进K K+ +向外移动的化学力（向外移动的化学力（K K+ +的扩膜浓度梯度）与的扩膜浓度梯度）与 阻止阻止K K+ +向外移动的电场力（跨膜电位梯度）达向外移动的电场力（跨膜电位梯度）达 到平衡时，则到平衡时，则K K+ +的净通透量等于零，此时的电的净通透量等于零，此时的电 位差称为位差称为K K+ +的平衡电位，等于静息电位。的平衡电位，等于静息电位。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 + + + + + + A A- - A A

8、- - A A- - A A- - A A- - + + + + + + + + A A- - A A- - + + + + + + + + + + + + + + A A- - A A- - + + + + + + + K+顺浓度差顺浓度差(化学驱动力化学驱动力)跨膜外流跨膜外流, 建立起内负外正的跨膜电位。建立起内负外正的跨膜电位。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 + + + + + + A A- - A A- - A A- - A A- - A A- - + + + + + + + + A A- - A A- - + + + + + + + + + + + + + + A A-

9、 - A A- - + + + + + + + 当促使当促使K+外流力与阻止外流力与阻止K+外流力平衡时外流力平衡时, 即即,K+的电化学驱动力为零时的电化学驱动力为零时, K+的净通量为零的净通量为零 K+平衡电位平衡电位(RP) 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l大量实验证明：当细胞外的大量实验证明：当细胞外的K K+ +浓度降低时，静浓度降低时，静 息电位增大；膜外息电位增大；膜外K K+ +浓度增高时，静息电位减浓度增高时，静息电位减 小，而改变小，而改变Na+Na+浓度对其无明显影响，说明静浓度对其无明显影响，说明静 息电位主要是由息电位主要是由K K+ +的平衡电位决定的

10、。的平衡电位决定的。 l若知道若知道K K+ +在胞内外分布的浓度，可以利用在胞内外分布的浓度，可以利用 NernstNernst方程来计算静息膜电位。方程来计算静息膜电位。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 Nernst公式公式(1889): RT EX= log ZFX+i X+o 简化公式：简化公式： EX= 61 log (mV) X+i X+o 如哺乳动物骨骼肌细胞如哺乳动物骨骼肌细胞: K+i : 155mmol/L, K+o: 4mmol/L, 则则 0.026, log = -1.59 Ek=61 -1.59-95 (mV) K+i K+o K+i K+o 第三章神经元

11、兴奋和传导人体及动 物生理学 l假定膜仅对假定膜仅对NaNa+ +通透，膜外通透，膜外NaNa+ +流向膜内，建立流向膜内，建立 起膜内为正、膜外为负的平衡电位，其值为起膜内为正、膜外为负的平衡电位，其值为 +60mV+60mV，幅度小于，幅度小于K K+ +的平衡电位。的平衡电位。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l在活细胞中，在活细胞中， K K+ +、NaNa+ +是共同对膜电位的形成是共同对膜电位的形成 发挥作用的。发挥作用的。 l但在静息状态下，但在静息状态下， K K+ +通透性是通透性是NaNa+ + 50-75 50-75倍。倍。 相对较大量相对较大量K K+ +的净

12、外流建立了一个的净外流建立了一个-90mV-90mV的膜的膜 电位，相对少的电位，相对少的NaNa+ +内流部分消除或中和了内流部分消除或中和了K K+ +的的 平衡电位，这时的静息膜电位为平衡电位，这时的静息膜电位为-70mV-70mV。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l静息状态下，静息状态下， K K+ +和和NaNa+ +的扩散时刻在进行，的扩散时刻在进行， 但胞内但胞内K K+ +浓度没有持续下降，浓度没有持续下降， NaNa+ +浓度也没浓度也没 有持续增加，为什么？有持续增加，为什么？ lK K+ +-Na-Na+ +泵的作用：将胞内泵的作用：将胞内NaNa+ +泵出，

13、将胞外泵出，将胞外K K+ + 泵入，从而抵消了两种离子的膜渗漏通量。泵入，从而抵消了两种离子的膜渗漏通量。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 总结总结: 由于膜内外存在不同的离子浓度，膜对这由于膜内外存在不同的离子浓度，膜对这 些离子具有不同的通透性，导致了静息电位的些离子具有不同的通透性，导致了静息电位的 形成；形成； 静息状态时，所有被动通透力与主动转静息状态时，所有被动通透力与主动转 运的力平衡，使膜电位保持恒定不变。运的力平衡，使膜电位保持恒定不变。 l概念：指各种可兴奋细胞受到刺激时，细胞膜概念：指各种可兴奋细胞受到刺激时，细胞膜 在静息电位的基础上产生的快速、可逆的在静息

14、电位的基础上产生的快速、可逆的 电位变化，包括去极化、复极化等环节。电位变化，包括去极化、复极化等环节。 lThe action potential is a rapid depolarization of the membrane potential, which can be propagated over the surface of the cell. l刺激：能引起生物机体活动状态发生变化的刺激：能引起生物机体活动状态发生变化的 各种环境因子。各种环境因子。 l反应：由刺激而引起的机体活动状态的改变。反应：由刺激而引起的机体活动状态的改变。 兴奋和抑制兴奋和抑制 u兴奋：活组织因刺激

15、而产生动作电位的过程兴奋：活组织因刺激而产生动作电位的过程 u兴奋性：可兴奋组织受到有效刺激时，具有发生兴奋性：可兴奋组织受到有效刺激时，具有发生 兴奋即产生动作电位的能力。兴奋即产生动作电位的能力。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 3、引起兴奋的主要条件、引起兴奋的主要条件 l 一定的刺激强度一定的刺激强度 l 一定的刺激作用时间一定的刺激作用时间 l 强度强度-时间变化率时间变化率 (dV/dt) l 阈强度阈强度刚能引起组织兴奋的刺激强度刚能引起组织兴奋的刺激强度 l 阈刺激阈刺激达到阈强度的有效刺激达到阈强度的有效刺激 l 阈上刺激阈上刺激高于阈强度的刺激高于阈强度的刺激 l

16、 阈下刺激阈下刺激低于阈强度的刺激低于阈强度的刺激 注：注： 阈值可以作为衡量细胞和组织兴奋性阈值可以作为衡量细胞和组织兴奋性 的指标，但并非固定参数的指标，但并非固定参数 l阈值（阈强度）阈值（阈强度） 阈强度高，兴奋性低；阈强度高，兴奋性低； 阈强度低，兴奋性高。阈强度低，兴奋性高。 l极化极化 (polarization)：膜内外两侧电位维持内负外：膜内外两侧电位维持内负外 正的稳定状态。正的稳定状态。 l去极化或除极化去极化或除极化 (depolarization)：膜内负电位减：膜内负电位减 小甚至由负转正的过程。小甚至由负转正的过程。 反极化反极化 超射超射 (overshoot)

17、：膜电位发生反转的部分。：膜电位发生反转的部分。 l复极化复极化 (repolarization)：去极化后，再向静息电：去极化后，再向静息电 位水平恢复的过程。位水平恢复的过程。 l超极化超极化 (hyperpolarization)：膜内负电位增大的：膜内负电位增大的 过程。过程。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l首先给细胞一个较小的刺激，然后不首先给细胞一个较小的刺激，然后不 断增大刺激强度，所形成的电位幅值断增大刺激强度，所形成的电位幅值 也会逐步由小变大，将这种具有不同也会逐步由小变大，将这种具有不同 幅值的电位称为分级电位。幅值的电位称为分级电位。 l分级电位特征：振幅

18、随扩散距离的增分级电位特征：振幅随扩散距离的增 大而减小，故只能在较小的范围内作大而减小，故只能在较小的范围内作 短距离的扩散。短距离的扩散。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l给细胞膜一个较强的刺激，胞膜将产生给细胞膜一个较强的刺激，胞膜将产生 一个短暂、快速的膜电位变化，将其称一个短暂、快速的膜电位变化，将其称 为动作电位。为动作电位。 l动作电位特征：传导的幅度不随距离的动作电位特征：传导的幅度不随距离的 增加而衰减。增加而衰减。 l神经纤维动作电位的时相神经纤维动作电位的时相 静息相静息相, 去极相去极相 (上升相上升相), 复极相复极相 (下降相下降相) 条件条件: 膜内外

19、存在膜内外存在Na+差差: Na+o Na+i 10 1 ； 膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加： 即电压门控性即电压门控性Na+、K+通道先后激活而开放。通道先后激活而开放。 l动作电位的峰值接近于动作电位的峰值接近于Na+平衡电位平衡电位 。 (Na+ equilibrium potential ) At the peak of action potential, the membrane potential becomes positive, quite close to the equilibrium potential for EN

20、a. lNa+通道迅速开放，通道迅速开放， Na+迅速内流，迅速内流，膜内电位升高，膜内电位升高， lNa+的平衡电位的平衡电位E Na l Na+通道迅速失活（不应期）通道迅速失活（不应期） l K+通道缓慢开放通道缓慢开放 lNa+通道复活通道复活, K+通道关闭通道关闭 l钠钠-钾泵活动增强，重建静息电位钾泵活动增强，重建静息电位 证据：证据： 将神经浸浴于无将神经浸浴于无Na+ 的溶液时，的溶液时，AP不复不复 出现。出现。 用等渗溶液加入使用等渗溶液加入使 Na+浓度减小，可见浓度减小，可见 AP幅度或其超射值幅度或其超射值 减小。减小。 利用药理学分析膜电流利用药理学分析膜电流 的

21、实验结果的实验结果 应用应用Na+通道阻断剂通道阻断剂TTX, 内向电流消失。内向电流消失。 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。 河豚毒素河豚毒素( tetrodotoxin，TTX) 四乙铵四乙铵 (tetraethylammonium，TEA) 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 细胞受刺激细胞受刺激静息电位降低静息电位降低膜膜NaNa通道打开通道打开 NaNa通透性增通透性增 大大 NaNa内流内流膜内电位增高膜内电位增高去极化去极化反极化反极化形成锋电形成锋电 位的上升相位的上升相膜膜NaNa通道关闭通道关闭复极化复极化锋电位的下降相锋电位的

22、下降相 静息电位。静息电位。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 1 1、电压门控、电压门控NaNa+ +通道和通道和K K+ +通道通道 l电压门控通道由带电蛋白质围绕形成的通道组成，通电压门控通道由带电蛋白质围绕形成的通道组成，通 道蛋白对膜电压的变化具有高度敏感性；道蛋白对膜电压的变化具有高度敏感性； lNaNa+ +通道有两种状态通道有两种状态: :激活态门和失活态门，使得激活态门和失活态门，使得NaNa+ +通通 道存在三种状态：门关闭但有能力开放状态；开放或道存在三种状态：门关闭但有能力开放状态；开放或 激活状态；门关闭且无能力开放状态。激活状态；门关闭且无能力开放状态。 l

23、K K+ +通道只有一个门控状态：或开放或关闭通道只有一个门控状态：或开放或关闭 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l静息状态时，静息状态时，NaNa+ +和和K K+ +通道都是关闭的，通道都是关闭的，NaNa+ +通道的激活通道的激活 态门是关闭的，而失活态门是开放的，由于漏态门是关闭的，而失活态门是开放的，由于漏K K+ +通道通道 的大量存在，静息状态的大量存在，静息状态K+K+膜通透能力是膜通透能力是NaNa+ + 50-75 50-75倍；倍； l由于受到刺激，膜除极化，部分由于受到刺激，膜除极化，部分NaNa+ +通道开放，通道开

24、放， NaNa+ +浓浓 度梯度和电压梯度两种力驱使度梯度和电压梯度两种力驱使NaNa+ +迅速向细胞内流动迅速向细胞内流动 进一步除极化进一步除极化更多更多NaNa+ +通道开放，更多通道开放，更多NaNa+ +内流（正反内流（正反 馈）馈） 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 lNa+Na+通道开放的同时，也启动了通道关闭过程：在激活通道开放的同时，也启动了通道关闭过程：在激活 态门开放之后、失活态门关闭之前的一段时间（约态门开放之后、失活态门关闭之前的一段时间（约 0.5ms0.5ms），两种门处于开放状态），两种门处于开放状态 Na+Na+迅速内流迅速内流动作动作 电位达到峰值，

25、之后失活态门关闭，直至细胞膜恢复电位达到峰值，之后失活态门关闭，直至细胞膜恢复 到它静息电位值的水平；到它静息电位值的水平； lNa+Na+通道失活的同时，电压门控通道失活的同时，电压门控K+K+通道开放，动作电位通道开放，动作电位 从峰值返回静息状态水平。从峰值返回静息状态水平。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l膜电位恢复到静息状态，膜电位恢复到静息状态，Na+Na+通道的失活态门开放，激通道的失活态门开放，激 活态门关闭（具有重新开放的能力），电压门控活态门关闭（具有重新开放的能力），电压门控K+K+通通 道也关闭，但速度缓慢，持续增加了细胞膜对道也关闭，但速度缓慢，持续增加了

26、细胞膜对K+K+的渗的渗 透性透性形成一个超极化电位。形成一个超极化电位。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 1 1、兴奋细胞的不应期、兴奋细胞的不应期 l在可兴奋细胞受刺激产生兴奋期间施加第二次在可兴奋细胞受刺激产生兴奋期间施加第二次 刺激，第二次刺激所产生的效应会受到此兴奋刺激，第二次刺激所产生的效应会受到此兴奋 的影响，细胞兴奋后的兴奋性状态由绝对不应的影响，细胞兴奋后的兴奋性状态由绝对不应 期（期（absolute refractory period）和相对不应期）和相对不应期 （ relative refractory period ）所组成。）所组成。 第三章神经元兴奋和传导人体及动 物生理学 l绝对不应期：组织兴奋后，在绝对不应期：组织兴奋后，在 去极化之后到复极化达到一定去