细胞生物学课件：第三章细胞的基本功能－细胞的兴奋性和生物电

1、第三节 细胞的兴奋性excitability和生物电bioelectricity一组织的兴奋性1 刺激引起兴奋的条件一定的刺激强度一定的持续时间一定的刺激强度对时间的变化率生理实验时常使用电刺激，因为这种刺激方式的参数易控制。将频率固定（即将条件3固定）时间强度基强度时值时间强度曲线RCT特点: 1 刺激强度强，刺激时间较短也可兴奋，反之亦然。2上述反应关系只存在于两点之间的范围，超出范围的因变量为一最小恒定值，图中曲线不是渐进线。3 R点右侧的点表明，当刺激强度小于这点纵坐标所表示的强度时，无论刺激时间怎样延长，也不能兴奋，此刺激强度称为基强度rheobase。4 T点左侧的点表明，当刺激时

2、间小于这点横坐标所表示的时间值时，即使大大增加刺激强度也不能兴奋。时值chronaxie：取两倍基强度为刺激强度，此时所能引起组织兴奋所需要的最小刺激时间为时值，测定较难。阈值threshold value：固定刺激强度时间变化率和刺激时间，此时能引起组织兴奋的最小刺激强度称阈强度threshold intensity，或阈值，强度小于阈值时，称阈下刺激subthreshold stimulation。2 组织兴奋时兴奋性的变化（1） 绝对不应期absolute refractory period，任何强度刺激均不引起反 应的时间（2）相对不应期relative refractory peri

3、od：必须是高于阈值的刺激才能引起反应的时间（3）超常期supemormal period：阈下刺激即能引起反应的时间（4）低常期subnormal period：必须阈上刺激才能引起反应的时间。二生物电的产生机制可兴奋组织和细胞对刺激的任何反应形式，如肌肉收缩，腺体分泌，均以动作电位为先导，而动作电位须以静息电位为基础。1静息电位resting potential定义：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差值。经实验证实细胞内外存在电位差（跨膜电位transmembrane potential）膜电位外正内负 细胞外电位高于细胞内电位，称膜的极化polarization膜电位相对恒定

4、Measurement of resting potential (RP)除极depolarization：在某种因素影响下，使静息电位的数值向膜内负值减小的方向变化，成为除极超极化hyperpolarization：使膜内电位向负值增大的方向变化称为超极化复极repolarization：细胞膜先发生除极，然后向正常安静时膜内所处的负值恢复，称为复极 1902年Bernstein最先提出：RP的产生可能与K在C内外不均衡分布及安静时膜主要对K+通透有关1939年Hodgkin对此加以证实。RP的产生需满足三个条件： 安静时C内外离子分布不均：C内K+、P-多， C外Na+、Ca+、Cl-多。

5、 安静时C膜对K+的通透性高。 膜内带负电的蛋白质有随K+外流的倾向，但 不能出膜，形成与K+隔膜相吸的极化状态。 膜内外K浓度比约 301 (动力) 安静时K通道开放 ( 通透性) 膜内带负电的蛋白质有随K+外流的倾向，但不能出膜，形成与K+隔膜相吸的极化状态。 K+ 外流 电位差（阻力） K+ 平衡电位 = 静息电位产生机制： 浓度差（动力） 静息电位据 Nernst公式： EkRT/ZFk+o/k+i（mv） Ek60 log k+o/k+i （mv） R：通用气体常数 T：绝对温度 Z：离子价 F：法拉第常数产生机制：细胞内高钾和安静时膜主要对钾离子由通透性。正常时， 因为 细胞内高钾

6、，细胞外高钠，并且细胞膜只对钾离子有通透性。 所以，静息时只有钾离子外移，无钠离子内流。 钾离子外流导致膜内变负，膜外变正，即内负外正。 这种内负外正将阻碍钾离子外流，当促使钾离子外流的浓度差与阻止钾离子外流的电位差这两种力量平衡时，钾离子不再有净移时膜内外电位差即为静息电位。钠离子，氯离子，有机负离子通透性很小，或不通透，忽略不计钠泵生电性作用：3个钠移出胞外，2个钾移入胞内，一个净正电荷移出胞外，膜内负值增加，但一般贡献不大。2动作电位action potential定义：可兴奋细胞兴奋时，细胞膜在静息电位的基础上发生一次迅速而短暂，可向周围扩布的电位波动。去极化相：上升支（除极）超射ov

7、ershoot：0 mv以上正电位反极化状态：内正外负的膜电位，即超射复极化相：下降支恢复到静息前要经历波动：后电位（负后电位negative after-potential，正后电位positive after-potential）0mv-70mv-55mvAction potentialRelationship between excitation &AP除极相的产生机制： 上升支：细胞在安静时受到很强的内向驱动力，膜上的电压式门控式钠离子通道开放，膜对钠离子通透性突然增高，引起钠离子快速内流 下降支：随着膜去极化程度的增加，钾的外向驱动力越来越大，同时膜对钾离子通透性增高引起钾离子外流

8、静息时，细胞外高钠，膜上钠离子通道大多关闭。 受到阈上刺激时：电压门控式钠通道开放 膜对钠离子通透性最高 钠离子大量内流 “内负外正”迅速消失 当膜内正电位上升到足以阻止由浓度差引起的钠离子内流时，膜两侧电位叫钠离子平衡电位equilibrium potential，构成上升支 下降支的原因：钠离子通道开放时间短 膜对钠离子通透性很快又下降。 同时，电压门控式k+ 离子通道开放，膜内钾离子在浓度差和电位差推动下向细胞外扩散，导致膜内电位又变负，直至静息电位。 钠离子内流，钾离子外流均为易化扩散。 细胞每产生一次动作电位，导致细胞外钾离子浓度升高，细胞内钠离子浓度升高，从而激活钠泵，逆浓度将细胞

9、内钠离子运至细胞外，细胞外钾离子运入细胞内，从而使细胞膜内外的离子分布恢复到静息水平。动作电位的特点全或无现象：阈值为界，小于阈值不产生；达到阈值便达到动作电位最大值。不衰减传播：不局限于受刺激局部细胞膜，而是传遍整个细胞膜，幅度波形不变脉冲式发放：连续刺激产生的动作电位不会融合，而是分离的脉冲式发放三 动作电位的引起和它在同一细胞的传导1 阈电位threshold potential和动作电位action potential的引起 如将负极刺入膜内，正极置于细胞外，引起膜超极化，不会产生动作电位。反之引起膜除极，到某一临界值（阈电位），膜上钠离子通道大量激活，钠离子大量内流，膜进一步除极，更

10、多钠离子通道开放，更多钠离子内流（再生性循环），使膜自动迅速除极，直至到钠离子平衡电位。 阈强度threshold intensity是指膜的静息电位除极到阈电位的外加刺激的强度。 小于阈强度的刺激叫阈下刺激subthreshold stimulation，它不能产生 动作电位，但能引起部分除极。2局部兴奋及其特征局部兴奋local response：阈下刺激能使受到刺激的局部细胞膜上的钠离子通道少量激活，使膜对钠离子通透性轻度升高，少量钠离子内流，造成一定程度的除极，但达不到阈电位水平，这种局限在受刺激局部范围内而不能运传的局部反应叫局部兴奋。特点：不是“全或无”all or none ph

11、enomenon，随刺激增加而增加电紧张性扩布，兴奋随距离增加而下降可以总和（时间总和temporal summation，空间总和spatial summation）3 兴奋在同一细胞上的传导传导conduction：在单一细胞上动作电位的传播，在神经纤维上传导的动作电位也称神经冲动nerve impulse。传导机理：局部电流 速度慢 小于1米/秒 传导方向 无髓神经纤维有髓神经纤维 局部电流的传导机制在其他可兴奋组织上也基本相同，特殊情况脊椎动物有髓神经纤维上的传导方式为跳跃式传导saltatory conduction。因为髓鞘myelin sheath不能导电，所以动作电位只能在郎飞

12、氏结nodes of ranvier处产生和传导，呈跳跃式，速度块，可达100米每秒。传导的特点：双向性 “全或无”现象 不衰减性传导另：完整性（结构功能）、绝缘性、相对不疲劳Conduction of AP along an myelinated fiber四 肌细胞的收缩功能 肌肉组织可分为骨骼肌，心肌和平滑肌三种。骨骼肌是体内最多的组织，通过它的收缩作用，以关节为枢纽，以骨为杠杆，完成各种躯体动作，以骨骼肌为例，说明肌肉细胞的收缩机制。（一）骨骼肌细胞收缩的引起和收缩机制1肌原纤维myofibril 在骨骼肌纤维的肌桨中，其间有大量线粒体，糖原颗粒，与肌纤维长轴一致，数百至数千条，胶原纤

13、维彼此平行排列 肌小节sarcomere为收缩，舒张基本单位，暗带长度固定，明带长度随收缩舒张而变化。 肌小节长度变化范围1.53.5um，安静时长度为2.02.2um。2 肌管系统 包绕在肌原纤维周围的膜性囊管状结构由2种构成 横管系统transverse tubule（T管）：走行与肌原纤维长轴垂直，由细胞膜向内凹入形成，穿行于肌原纤维之间，上有小孔，使横管内腔与细胞外液相通。 作用：将肌细胞兴奋时出现在细胞膜上的电变化传到细胞内部。 纵管系统longitudinal tubule（L管）：走行与肌原纤维长轴平行，由肌桨网（内质网）形成，包绕肌小节的中间部分，在近肌小节2端T管形成膨大，叫

14、终末池。 作用：通过对钙离子的储存，释放和再聚集，触发对肌小节的收缩，舒张。 三联体结构triad：每一横管与来自2侧肌小节的纵管终末池。它是将细胞膜的电变化和细胞内的收缩过程连起来的关键部位。3 神经骨骼肌接头处的信息传递神经肌肉接头：接头前膜：失去髓鞘的轴突末梢的膜。接头后膜：（终板膜） 与接头前膜相对应的肌细胞膜向内凹陷形成许多皱褶，增加面积容纳更多数量的蛋白质分子。间隙：前，后膜之间有一50nm间隙，充满细胞外液。Neuromuscular transmission 神经冲动 轴突末梢 接头前膜上电压依从式钙离子通道开放 钙离子进入轴突末梢 触发轴桨中含乙酰胆碱的囊泡向接头前膜方向移动

15、 胞吐作用 乙酰胆碱进入接头间隙 与终板膜上受体结合 接头后膜上钠离子，钾离子通道开放（以钠离子为主） 钠离子内流 去极化（这一电位叫终板电位）。 终板电位与局部兴奋性质类似，无全或无，总和 乙酰胆碱发挥作用后，立即被存于间隙中，或被间隙和后膜上的胆碱酯酶水解失活 肌肉松弛剂：与乙酰胆碱竞争终板膜上乙酰胆碱受体，阻断传递，肌肉失去收缩能力，如美洲箭毒。 有机磷，新斯的明：抑制胆碱酯酶导致乙酰胆碱在接头处大量聚集。 神经肌肉接头兴奋传递的特征 化学性兴奋传递 单向传递 时间延搁 易受药物和其他环境因素影响4 骨骼肌的微细结构和收缩原理粗肌丝：主要由肌凝蛋白myosin（肌球蛋白）组成，一条粗肌丝

16、有200300各肌凝蛋白组成。肌凝蛋白 杆状部：均朝M线方向集合成束， 形成粗肌丝主干 。 球状膨大部：裸露在粗肌丝主干的 表面，成横桥，每一横 桥均有一细肌丝对应。横桥cross bridge 2个主要特征：可与细肌丝上肌纤蛋白action可逆性结合，同时横桥向M线扭动，使细向粗方向滑动，肌小节长度减小，肌肉收缩，反之横桥与肌纤蛋白分离，肌小节恢复长度，肌肉舒张。横桥有ATP酶作用，可分解ATP获能，作为其扭动和做功的能量来源，此作用只有与肌纤蛋白结合才被激活。细肌丝：肌纤蛋白action：（肌动蛋白）收缩蛋白 2列球形肌纤蛋白分子单体聚合而成扭缠为双螺旋，是细肌丝主干，占细肌丝60原肌凝蛋

17、白tropomyosin（原肌球蛋白）：双螺旋，与肌纤蛋白质的双螺旋并列，安静时，它的位置正好在横桥与肌纤蛋白之间，阻碍两者作用。肌钙蛋白troponin（原宁蛋白）：T,C,I三个亚单位，C带负电荷结合位点，对肌桨中钙离子有巨大亲和力。 原肌凝蛋白和肌钙蛋白为调节蛋白质，不直接参与肌丝滑行，但影响控制收缩蛋白之间的作用。Process of contractionfilament sliding（2）收缩原理 骨骼肌细胞的兴奋收缩耦联excitation-contraction coupling：骨骼肌发生收缩之前，总是在肌细胞上先有一个可传导的动作电位，然后才收缩，在以膜电位变化为特征的兴

18、奋过程中和以肌纤维机械变化为基础的收缩过程之间存在某一中介过程叫骨骼肌的兴奋收缩耦联。 安静时，钙离子在终末池。 兴奋时：动作电位沿横管传到肌细胞深处，到三联体处，引起肌桨网膜上钙离子通道开放 钙离子顺浓度由终末池向肌桨扩散 钙离子弥散到肌原纤维周围，可与肌钙蛋白结合，触发肌丝滑行。 收缩后，如何除去肌桨中钙离子？ 靠肌桨网膜上钙泵，本质为钙离子依赖式ATP酶。在肌桨中钙离子浓度升高后，它分解ATP获能，逆浓度桨钙离子从肌桨运到肌桨网储存后，肌桨中钙离子浓度下降，与肌钙蛋白分离后，肌肉舒张。所以，兴奋收缩耦联包括三过程：动作电位由横管系统向肌细胞深处传导三联体结构处信息传递肌桨网对钙离子储存，释放，再聚积。肌丝滑行学说sliding theory： 动作电位 肌桨中钙离子浓度升高 钙离子与肌钙蛋白结合构型改变 这种改变传给原肌凝蛋白，使原肌凝蛋白构型也改变双螺旋扭转 暴露了肌纤蛋白上结合位点 横桥与位点结合 横桥ATP酶激活放能 横线向M线方向扭动 细肌丝向粗肌丝中央方向拖动。 肌丝滑行学说sliding theory：随后，横桥与肌纤蛋白分离，复位，再结合下一个位点，新扭动，反复表现为肌肉收缩。 如肌桨中钙离子浓度下降，过程相反: