第02章 细胞的基本功能2.ppt

1、第三节 细胞的生物电现象,1. 兴奋性： 活组织或细胞对外界刺激发生 反应的能力 2. 兴奋： 组织或细胞对外界刺激发生反应 3. 可兴奋细胞： 神经细胞、肌细胞、腺细胞,4. 生物电： 生命活动时伴有的电现象，是带电离子流动产生的，表现为一定的跨膜电位。表现形式有两种：静息电位和动作电位。所有细胞都有静息电位，有些细胞无动作电位。心电图、脑电图、肌电图、视网膜电图是细胞生物电的总和。,一 、 静息电位及其产生机制,（一）静息电位 在静息状态下，存在于细胞膜内外两侧的电位差（膜内为负，膜外为正）。,1. 神经纤维细胞 -70 mV 2. 肌细胞 -70mV-90mV 3. 红细胞 -20mV,

2、几个相关概念： 极化：静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态。 去（除）极化：膜内负电位值减小，即膜内外电位差减小。 超极化：膜内负值增大，即膜内外电位差增大。 复极化：细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复。 超射：膜电位高于零电位的部分。 反极化：去极化到零电位后膜电位进一步变为正值，使电位极性与原来的极化状态相反。,（二）静息电位形成的机制 1. 静息状态下细胞膜内外Na+ 、K+分布不均衡,细胞膜外 细胞膜内 Na+ 142mEq/l 14mEq/l 10:1 K+ 4 mEq/l 140 mEq/l 1:35 Na+ 有从膜外向膜内扩散的趋势 K + 有从膜内向膜外

3、扩散的趋势,2.静息状态下细胞膜对K+的选择性通透 K +的通 透性 大 Na+ 的通 透性 极 小,K+,+,+,-,-,3.达到K+ 的平衡电位（ Nernst公式） Ek=RT/ZF lnK+o/ K+i,R：气体常数 T：绝对温度 F：法拉第常数 Z：原子价 lnK+o和lnK+i分：别为膜外侧和膜内侧浓度 平衡电位：离子净扩散为零时的跨膜电位差称为该离子的平衡电位。,4.生物电现象产生基础： 膜内外离子分布不均衡 膜对离子通透性的变化,5.静息电位和K+平衡电位,RP的形成机制：细胞内外K+的不均衡分布和安静状态下细胞膜主要对K+有通透性。 K+平衡电位：当K+外移所建立的电场力足以

4、对抗K+外移时，K+的跨膜净移动为0，这样形成的膜内外电位差即为K+平衡电位。,K+平衡电位的大小是由膜两侧存在的K+浓度差的大小决定的。它的数值可根据Nernst公式计算。,Company Logo,Company Logo,RP形成机制,K+顺浓度差从膜内向膜外扩散（带负电荷的物质不能外移，极少Na+内移）膜外侧形成一层正电荷（正电位）、膜内侧形成一层负电荷（负电位） 膜外侧的正电场力与K+差的动力达到平衡时，K+不再外移即净通量为零，此时即形成RP，相当于K+的平衡电位（EK）。,二、 动作电位及其产生机制,（一）动作电位（active potential) 膜受一定强度的刺激后, 在原

5、有静息电位的基础上发生的快速而短暂的可向周围扩布的电变化，不同细胞动作电位不同。,意义：兴奋的标志, 传播信息, 触发各种外部活动.,内向电流： 外向电流：,TP,RP,（二）动作电位过程 上升支 下降支 去极化后电位 (负后电位) 超极化后电位 (正后电位),锋电位,后电位,上升支：-70mv0mv+35mv 锋电位 超射 下降支：+35mv0mv-70mv 后电位：膜电位恢复至静息电位前所经历的缓慢微小的电位波动 负后电位（去极化后电位） 正后电位（超极化后电位）,超 射 值,阈电位,静息膜电位,局部电位,负 后 电 位,正后电位,峰 电 位,（三） 动作电位形成机制 1.锋电位和Na+平

6、衡电位,膜去极化达到一定数值 膜对Na+通透性突然增大 Na+内流至平衡为止 锋电位= Na+平衡电位,Na+平衡电位：是指当Na+内移所建立的电场力足以对抗Na+内移时建立的膜内为正膜外为负的电位差。它相当于锋电位的超射值。,2. Na+通道的失活和复极化 (1) Na+通道失活: 在去极化开始后的几个毫秒内开放（激活）, 随后就失活。 (2) K+通道的开放: 膜去极化时被激活, 在Na+ 通道失活 时开放，K+外流，膜电位复极 (3) Na+通道的失活和膜电位的复极构成锋电位的下降支,上升支： 膜对 Na+通透性增大 ，少量Na+内流，引起膜轻度去极化，当去极化达到一定程度时，电压门控性

7、Na+通道开放， Na+大量迅速内流，形成正反馈，相互促进，形成锋电位的上升支,下降支： Na+通道失活，K+通道开放，K+快速外流。 恢复： 细胞内外的浓度差改变，引起钠泵运转，逆浓度差将胞外多余的K+运入胞内，将胞内多余的Na+运至细胞外，使细胞内外的离子分布恢复到原来的静息水平。,动作电位产生机制 上升支： Na+ 内流 （Na+ 的平衡电位） 下降支： K+ 外流 负后电位: K+ 外流暂时性减弱 正后电位：Na+-K+泵的活动,3. Na+通道的状况和细胞兴奋性的变化,（1）Na+通道的状况： 激活失活功能恢复激活 激活是通道开放。失活是指通道处于关闭状态，离子不能通过，受新的刺激后

8、也不开放。,（2） Na+通道特性,1. Na+通道的开放是电压门控性的 静息电位 关闭 膜超极化 关闭 膜去极化 开放 (去极化达阈电位大量开放) 2. Na+通道的开放(激活)与关闭(失活)快速性 3. Na+通道的三种状态：关闭（备用）、激活、失活,（3）细胞兴奋过程中兴奋性的变化： 绝对不应期： 组织细胞在兴奋后的一个较短时期内不能再接受新的刺激而兴奋，即兴奋性降低为0。相当于锋电位期间，此时Na+通道失活。 相对不应期： 绝对不应期后细胞能在较强的刺激下再兴奋；即兴奋性开始恢复但仍低于正常。 超常期： 膜处于负后电位时（去极化）兴奋性高于正常，低于阈值的刺激就可引起组织兴奋。 低常期

9、： 膜电位处于正后电位时（超极化），兴奋性低于正常。,4. 电-化学驱动力及其变化,动作电位是在静息电位基础上离子的电-化学驱动力和离子的通透性发生改变的结果。 内向电流和外向电流,离子受到的电-化学驱动力 = 膜电位Em - 离子的平衡电位Ex 差值越大，受到的驱动力越大 数值前的正号为外向，负号为内向,神经细胞安静时， Em=-70mV，ENa=+60mV，EK=-90mV,动作电位期间ENa和EK基本不变 静息电位和超射值时驱动力不同,5. 动作电位期间通透性的改变,电压钳和膜片钳技术,a.电压钳技术与膜电导的测定,膜电导Gx：膜电阻的倒数，反映膜对离子的通透性，测定原理是欧姆定律,动作

10、电位期间，电化学驱动力不断变化，使用电压钳技术可以使Em被钳制在任意水平，以测定某离子的电流变化。,电压钳（voltage clamp）技术是通过一个反馈电路使膜电位保持在指定的水平，通过插入细胞内的一根微电极向胞内补充电流，补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子流，这样即使膜通透性发生改变时，也能控制膜电位数值不变。,经过离子通道的离子流与经微电极施加的电流方向相反，数量相等。因之可以定量测定细胞兴奋时的离子电流。膜通透性的改变是迅速的，但如使用一个高频响应的放大器，可以连续、快速、自动地调整注入电流，达到保持膜电位恒定的目的。,钠电导和钾电导的变化：,利用计算机程序施加一系列钳制电压，并持

11、续一定时间,都有电压依赖性：GNa为正反馈激活 都有时间依赖性：GNa表现为快速一过性激活,由以上实验可知动作电位产生机制为：,6. 膜电导改变的实质,膜电导的实质是离子通道的开放和关闭，在电压钳技术基础上发展出来的膜片钳技术可以很好的研究离子通道。膜片钳技术是将微电极下方的一小片膜（可能包含一个或几个离子通道）进行电压固定，观测单个离子通道的活动。,膜片钳技术是用尖端直径12m的玻璃微电极吸管与经蛋白酶处理干净的细胞膜接触，通过2030cm H2O的负压吸引造成电极尖端与细胞膜形成高阻封接（10100G），使电极尖端下的小块膜片与膜的其它部分在电学上绝缘，并在此基础上固定膜片电位，监测几个m

12、2膜片上13个离子通道活动的方法。 膜片钳技术可用一根玻璃微电极同时完成膜片（或全细胞）电位的监测、钳制及通道电流的记录。,膜片钳技术具有1pA的电流分辨率，10 s的时间分辨率和1 m2 的空间分辨率，使其成为在活体细胞上进行电生理学研究的重要手段。,膜片钳记录模式示意图,单通道的开放和关闭是全或无的 开放和关闭的转换速度快 开放或关闭持续时间是随机的 因此，单通道电流表现为一个个宽窄不同的矩形波。根据记录的单通道电流，可计算出单通道电导、通道开放概率、平均开放时间和平均关闭时间等指标。,Na+宏膜电流:全细胞或一段神经纤维记录的Na+电流。 宏膜电流（I）和单通道电流关系：,N:通道开放数

13、目 PO:通道开放概率 i：单通道电流,7. 离子通道的功能状态,静息、激活、失活,目前认为，通道有2个闸门：激活门和失活门，两个闸门具有不同特征，运动速度不等，只有两个闸门都开放，通道才会开放。钠通道有具有两个闸门，钾通道只有激活门。,（四）动作电位的特点 1、不衰减性传导 2、“全或无”现象 3、存在不应期,脉冲式传导 （绝对不应期和相对不应期）,二、动作电位的引起和传导（一）阈电位和锋电位的引起,阈电位（threshold membrane potential) 膜去极化到达爆发动作电位的临界膜电位。 阈电位的特性： 引起膜上电压门控性Na+通道大量开放。 引起锋电位的条件： 膜去极化达

14、到阈电位。,膜上电压门控Na+通道快速大量开放的原因,Na+ 再生性循环(正反馈) 阈强度刺激 膜去极化达阈电位 一定数量Na+通道开放 Na+内流 膜进一步去极化 大量的Na+通道开放（ Na+通道的激活）,+,阈强度（threshold intensity) ：能使膜去极化达到阈电位的外加刺激的强度 阈刺激：具有阈强度的刺激 阈下刺激：比阈强度弱的刺激 刺激三要素：强度、持续时间以及强度变化率。,1. 动作电位在同一细胞上的传导,无髓神经 有髓神经,（二）动作电位的传导,（1）传导机制： 已兴奋膜与邻近未兴奋膜之间形成的局部电流刺激了未兴奋膜，并诱发AP，从而使细胞膜各部分相继产生AP。,神经纤维兴奋传导机制模式图,Company Logo,（2）兴奋在神经纤维上的传导类型,无髓纤维：同前 有髓纤维：跳跃式传导,2. 动作电位细胞之间的传播,缝隙连接 突触,（三）电紧张电位和局部电位,1. 电紧张电位： 细胞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为电紧张电位。,2. 局部电位