生理第三章生命基本特征与神经肌肉一般特性

1、生理第三章生命基本特征与神经肌肉一般特性内容：第一节 生命活动的基本特征 Metabolism Excitability Propagation第二节 细胞的生物电现象及其产生机制 Resting potential(RP) Action potential(AP)三、兴奋在同一细胞上的传导 （二）兴奋性(Excitability)概念:一切活细胞、组织或机体对刺激发生反应的特性(或能力)。特征:兴奋性也是生命活动的一种基本表现特征。可兴奋性细胞（excitable cell）非可兴奋性细胞（non-excitable cell）。一、生命活动的基本特征（一）新陈代谢(Metabolism)

2、刺激(Stimulation)1.概念:能引起一切活细胞、组织或机体发生反应的各种环境变化。2.分类:声、光、电、机械、化学、生物刺激等,实验室最常用的是电刺激。3.组成:强度(intensity)、作用时间(duration)和强度-时间变化率三个要素。4.几个概念:阈强度(阈值threshold intensity):能引起组织发生反应的最小刺激强度。阈 刺 激(threshold stimulus):刺激强度等于阈值的刺激称阈刺激。阈下刺激:刺激强度小于阈值的刺激。阈上刺激:刺激强度大于阈值的刺激。5、刺激强度与组织的兴奋性关系 兴奋性与刺激阈值呈反变关系，即阈值愈小说明组织的兴奋性愈高

3、,反之,阈值愈大说明组织的兴奋性愈低。6、反应 由各种刺激所引起的机体功能活动或代谢过程变化。 反应形式:兴奋、抑制二、细胞的生物电现象及其产生机制（一）细胞的静息电位(Resting Potential, RP)1、静息电位现象定 义：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。膜电位：因电位差存在于膜的两侧所以称为膜电位。习惯叫法：膜内电位低于膜外。当膜外电位为零时，膜内为负电位，习惯上说RP是负电位。RP 值：-10 -100mV。 哺乳动物的神经、骨骼肌和心肌细胞为-70-90mV， 平滑肌-50 -60mV， 红细胞约为-10mV左右。RP记录：RP记录：证明RP的实验：（甲）当

4、A、B电极都位于细胞膜外，无电位改变，证明膜外无电位差。（乙）当A电极位于细胞膜外，B电极插入膜内时，有电位改变，证明膜内和膜外之间有电位差。（丙）当A、B电极都位于细胞膜内，无电位改变，证明膜内无电位差。(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀 Na+iNa+o110, K+iK+o301 Cl-iCl-o114, A-iA-o 412、静息电位的产生机制膜内： 静息状态下细胞膜内外主要离子分布 及膜对离子通透性(2)静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性 通透性：K+ Cl-Na+ A-。即静息状态下,细胞膜主要对K离子有通透性.RP产生机制的膜学说（1902年，Bernstein）:

5、细胞膜内外离子分布不均；细胞膜对离子的 通透具有选择性:K+Cl-Na+A-Ki顺浓度差向膜外扩散A- i不能向膜外扩散K+i（A-i）膜内电位(负电场) K+o膜外电位(正电场)膜外为正、膜内为负的极化状态当扩散动力与阻力达到动态平衡时=RP结论:RP的产生主要是K向膜外扩散的结果。 RP=K+的平衡电位证明：Nernst方程的计算 EK=RT/ZFlnK+O/K+i R-gas constant(8.31) T-absolute temperature(29.2+273) Z-the valance of the ion F-Farady constant(96500) K+o-the c

6、oncentration of K+ in the extracellular fluid K+i-the concentration of K+ in the intracellular (cytosolic) fluid EK-is the membrane potential for ion K in millivolts EK =59.5 logK+O/K+i 同理可算出ENa（Na+ Equilibrium potential）。Em= (Gk/(Gk+GNa)xEk+(GNa/(Gk+GNa)xENa由于在安静状态下，膜对K+的通透性远大于对Na+通透性，约相差50-100倍，EK

7、的权重明显大于ENa,故RP是权重后的EK和ENa的代数和,非常接近于EK。 Hodgkin 和 Katz的实验(1939年) 在枪乌贼巨大神经纤维测得RP值为-77mv,与Nernst公式的计算值（-87mv）基本符合。 人工改变K+O/K+i，RP也发生相应改变，如：轴突管内置换等张NaCl,RP消失（即K+iRP）。（二）细胞的动作电位 （Action Potential, AP）1、动作电位现象 可兴奋细胞受到一次有效刺激后，细胞膜电位在静息电位基础上发生一次短暂的、可逆的并可向周围扩布的电位波动称为动作电位。AP记录去 极 化上 升 支下降支动作电位的图形刺激局部电位阈电位去极化零电

8、位反极化（超射）复极化（负、正）后电位与AP相关的概念:极 化:(polarization)静息状态时细胞膜外正内负的状态。 去 极 化:(de)膜内外电位差向小于RP值方向的变化过程超 极 化:(hyper)膜内外电位差向大于RP值方向变化的 过程。复 极 化:(re) 膜去极化后再向极化状态恢复的过程。阈 电 位:(threshold)引发AP的临界膜电位数值。局部兴奋:(local excitation)低于阈电位的去极化电位。后 电 位:(after-potantial)锋电位下降支最后恢复到RP水 平以前，一种时间较长、波动较小的电位变化过程。 包括:负后电位(negative af

9、ter-potantial)去极化后电位 正后电位(positive after-potantial)超极化后电位。膜内外存在Na+差:Na+iNa+O 110；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Na+、K+通道激活而开放。2、动作电位的产生机制AP上升支AP下降支当细胞受到刺激细胞膜上少量Na+通道激活而开放Na+顺浓差少量内流膜内外电位差局部去极当膜内电位变化到阈电位时Na通道大量开放Na+顺电化学差和膜内负电位的吸引再生式内流 Na+i、K+O激活Na+K+泵膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支）Na+通道关Na+内流停+同时K+通道激活而开放K顺浓度差和电

10、位差K迅速外流膜内电位迅速下降，恢复到RP水平（AP下降支）Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平后电位结论：AP的上升支由Na内流形成，下降支是K外流形成的，后电位是NaK泵活动引起的。 AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（NaK泵的活动）。 AP是Na的平衡电位。证明： Nernst公式的计算：AP达到的超射值（正电位值）相当于计算所得的ENa值。 应用Na通道特异性阻断剂河豚毒后，内向电流全部消失（AP消失）。 用等张葡萄糖溶液代替灌流液中NaCl，AP幅度、传导速度和去极化程度与Na被替代程度呈比例。 1.刺激：在细胞膜内施加负向电流（或膜外施加正相电流）刺激时，会引

11、起超极化，不会引发AP；相反，会引起去极化，引发AP； 刺激分：阈刺激、阈上刺激、阈下刺激，前二者能使细胞膜去极化达到阈电位引发AP；后者只能引起低于阈电位的去极化（即局部电位）不会引发AP。 2.阈电位：是激活电压门控性Na+通道的临界值。即阈电位先引发一定数量的Na+通道开放，Na+迅速大量内流后，再引发更多数量的Na+通道开放，爆发AP。 因此，当膜电位达到阈电位后，导致Na+通道开放与Na+内流之间出现再生性循环。3、动作电位的特征： 是非衰减式传导的电位。 具有“全或无”的现象：即同一细胞上的AP大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。 4、细胞兴奋一次过程中兴奋性的变化 绝对不应期

12、(absolute refractory period)：无论多强的刺激也不能再次引起兴奋的期间。 相对不应期(relative refractory period)：大于阈强度的刺激才能再次引起兴奋期间。 超常期(supranormal period)：小于阈强度的刺激便能再次引起兴奋的期间。 低常期(snbnormal period)：大于原先的刺激强度才能再次兴奋的期间。 组织兴奋后兴奋性变化的对应关系 分 期 兴奋性 与AP对应关系 机 制绝对不应期 降至零 锋电位 钠通道失活相对不应期 渐恢复 负后电位前期 钠通道部分恢复超常期 正常 负后电位后期 钠通道大部恢复低常期 正常 正后电

13、位 膜内电位呈超极化 绝对不应期大约相当于锋电位发生的时间，所以锋电位不会发生叠加，而且锋电位可能发生的最大频率受到绝对不应期的限制。（？如何通过实验证实上述兴奋性的变化呢？）1.静息电位（RP）水平2.阈电位（threshold potential）-Na+通道性状3.细胞膜外Ca2+浓度电压门控Na+通道稳态激活和失活曲线 H&: 稳态激活曲线 M&:稳态失活曲线影响细胞兴奋性的因素：（三）局部兴奋（Local Excitation）概念：阈下刺激引起的低于阈电位的去极化（即局部电位），称局部反应或局部兴奋。特点：不具有“全或无”现象(no all or non)。其幅值可随刺激强度的增加

14、而增大。 电紧张扩播（electrotonic propagation）。其幅值随着传播距离的增加而减小。 具有总和效应：时间性和空间性总和(temporal summation and spatial summation)。 temporal summationspatial summation三、兴奋在同一细胞上的传导（一）传导机制：局部电流学说(local current theory)静息部位膜内为负电位，膜外为正电位兴奋部位膜内为正电位，膜外为负电位在兴奋部位和静息部位之间存在着电位差膜外的正电荷由静息部位向兴奋部位移动膜内的正电荷由兴奋部位向静息部位移动形成局部电流膜内：兴奋部位相

15、邻的静息部位的电位上升膜外：兴奋部位相邻的静息部位的电位下降去极化达到阈电位，触发邻近静息部位膜爆发新的AP局部电流(二)传导方式：无髓鞘N纤维的兴奋传导:近距离局部电流；有髓鞘N纤维的兴奋传导为:远距离局部电流(跳跃式传导:saltatory conduction)。(Node of Ranvier)（三）神经纤维的传导速度和分类根据功能分 A：有髓鞘的躯体传入和传出， B：有髓自主神经的节前纤维，无负后电位 而正后电位明显。 C：无髓躯体传入（无负后电位，正后明显） 自主神经的节后纤维（负后明显）根据直径和来源分：I、II、IV、IV（用于传入）。区别： D为600um的无髓神经和D为4u

16、m的有髓神经都以25m/s的速度传导兴奋。 有髓和无髓神经的最大传导速度分别为100、1m/s。（四）兴奋传导特点 1、结构和生理完整性 2、双向性传导 3、相对不疲劳性 4、绝缘性（五）兴奋传导的影响因素 1、细胞膜大小与直径 2、AP的幅度与去极化速度（Na通道性状）电生理学研究方法：1.细胞外记录法： 神经干动作电位：biphase action potential monophase action potential2.细胞内记录法： 常规电生理技术 电压钳制技术(voltage clamp technique) 膜片钳技术（patch clamp technique)Patch Cl

17、ampingThe technique of patch clamping is used to study ion channel activity.A narrow bore micropipet may be pushed up against a cell or vesicle, and then pulled back, capturing a fragment of membrane across the pipet tip. Patch ClampingA voltage is imposed between an electrode inside the patch pipet

18、 and a reference electrode in contact with surrounding solution. Current is carried by ions flowing through the membrane. If a membrane patch contains a single channel with 2 conformational states, the current will fluctuate between 2 levels as the channel opens and closes.The increment in current b

19、etween open & closed states reflects the rate of ion flux through one channel.Patch clamp recording at -60 mV. Consecutive traces are shown. Note that at a negative voltage, increased current is a downward deflection.Current Amplitude Histogram Occupancy of different current levels during the time period of a recording is plotted against current in picoAmperes (10-12 Amp). Peaks represent open & closed states (note scale). Baseline current, w