电生理学基础PPT讲稿.ppt

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1、电生理学基础第1页，共86页，编辑于2022年，星期一1 1物质转运形式第2页，共86页，编辑于2022年，星期一2 2单纯扩散(simple diffusion)第3页，共86页，编辑于2022年，星期一3 3扩散动力：分子热运动必要条件：既溶于水，又溶于脂质。影响因素：电-化学梯度；膜的通透性；温度。转转运运物物质质：O O2 2、CO2 2 、乙醇、脂溶性维生素第4页，共86页，编辑于2022年，星期一4 4易化扩散（facilitated diffusion）非脂溶性物质，借助膜上蛋白质的作用，由高浓度向低浓度通过细胞膜。如：K+、Na+、Ca2+等带电离子的转运和葡萄糖、氨基酸等的转

2、运。n n经载体易化扩散n n经通道易化扩散第5页，共86页，编辑于2022年，星期一5 5经载体易化扩散 转运特征：uu 高度的高度的结结构构特特异异性性uu 有有饱饱和和现现象象uu 存在存在竞竞争争性抑制性抑制影响因素：uu浓浓度差度差uu可利用可利用载载体体数数uu被被转转运运物物和和载载体体发发生生反反应应的速率的速率转运物质：uu葡萄糖、葡萄糖、氨氨基酸基酸第6页，共86页，编辑于2022年，星期一6 6饱 和 现 象 第7页，共86页，编辑于2022年，星期一7 7经通道易化扩散经通道易化扩散转运特征：uu 相对特异性uu 无饱和现象uu 闸门时开时闭uu 高速度影响因素：uu电

3、-化学梯度uu闸门状态转运物质：uu无机离子第8页，共86页，编辑于2022年，星期一8 8离子通道的三种状态第9页，共86页，编辑于2022年，星期一9 9离子通道的类型第10页，共86页，编辑于2022年，星期一1010主动转运（active transport）物质依靠细胞膜上生物泵的作用逆电-化学梯度转运的过程。n n原发性主动转运n n继发性主动转运第11页，共86页，编辑于2022年，星期一1111原发性主动转运原发性主动转运Na+-K+泵第12页，共86页，编辑于2022年，星期一1212继发性主动转运继发性主动转运 第13页，共86页，编辑于2022年，星期一1313同向转运（

4、Na/Glucose）第14页，共86页，编辑于2022年，星期一1414反向转运（Na/H）第15页，共86页，编辑于2022年，星期一1515出胞与入胞（出胞与入胞（exocytosis&endocytosisexocytosis&endocytosis）大分子物质或物质团块，通过复杂的膜结构的功能改变进出细胞的过程。n n出胞:主要主要见见于于内内分泌分泌细细胞的激素分泌和神胞的激素分泌和神经经末梢末梢的的递质释递质释放放n n入胞入胞:主要是细胞的吞噬作用第16页，共86页，编辑于2022年，星期一1616入胞（endocytosis）第17页，共86页，编辑于2022年，星期一171

5、7出胞（exocytosis）第18页，共86页，编辑于2022年，星期一1818第2章 电生理学基础第一节 静息电位第二节 动作电位第三节 电压门控离子通道第19页，共86页，编辑于2022年，星期一1919静息膜电位n n神神经经元在元在静静息息时时，也就是在，也就是在没没有受到刺激有受到刺激时时，其膜，其膜内内外外两两侧侧存在的存在的电电位差，位差，称称为为静静静静息膜息膜息膜息膜电电电电位位位位(resting(resting membrane potential)membrane potential)。n n通常采用通常采用细细细细胞胞胞胞内内内内记录记录记录记录的方法的方法进进行行

6、测测量，量，将将一根微一根微电电极插极插入入细细胞胞内内，参参考考电电极极置于置于细细胞外液，胞外液，两个两个电电极极间显间显示的示的电电位差位差便是便是静静息膜息膜电电位的位的数数值值。n n以以细细胞外作胞外作为为零点，零点，细细胞胞内内均均显显示示负电负电位，其位，其绝对值绝对值越大，越大，静静息膜息膜电电位也越大。神位也越大。神经经元的元的静静息膜息膜电电位一般在位一般在-40-90-40-90 mVmV的范的范围围。n n神神经经元元处处于于静静息膜息膜电电位位时时，称称为为极极极极化化化化状状状状态态态态(polarization)(polarization)，当当该该膜膜电电位位

7、数数值值朝朝减减小的方向小的方向变变化化时时，称称为为去去去去极极极极化化化化(depolarization)(depolarization)，若朝增大的方向，若朝增大的方向变变化化时时，称称为为超超超超极极极极化化化化(hyperpolarization)(hyperpolarization)。第20页，共86页，编辑于2022年，星期一2020第21页，共86页，编辑于2022年，星期一2121第22页，共86页，编辑于2022年，星期一2222静息膜电位发生的机制即电荷跨膜分布的不均匀状态1.1.膜两侧的离子浓度差第23页，共86页，编辑于2022年，星期一23232.离子通道的选择通透

8、性 当神经细胞静息时，非门控性K+通道通透性较大，而Na+、Cl-等通道通透性较小。第24页，共86页，编辑于2022年，星期一24243.离子跨膜扩散平衡点位第25页，共86页，编辑于2022年，星期一2525Nernst方程式中R是气体通用常数，T是绝对温度Z是离子价，F是法拉弟常数。如将有关数值代入，体温以37计算，上式可简化为：Ek=RTzFlnK+oK+iEk=61.54 mVlogK+oK+i第26页，共86页，编辑于2022年，星期一2626Membrane potential and equilibrium potential of Membrane potential and

9、 equilibrium potential of Membrane potential and equilibrium potential of Membrane potential and equilibrium potential of different ionsdifferent ionsdifferent ionsdifferent ions第27页，共86页，编辑于2022年，星期一2727推论：要维持静息膜电位，必须维持离子的不均衡跨膜分布。1.1.Eionion和Emm总是有差距的。2.2.静息状态下总是存在离子的跨膜运动。第28页，共86页，编辑于2022年，星期一2828

10、离子离子浓浓度梯度的度梯度的维维持持膜离子膜离子泵泵的作用的作用n n在在静静息息电电位的位的产产生生过过程中、程中、K+K+浓浓度梯度的度梯度的稳稳定至定至关关重要。重要。n n实际实际上，神上，神经经元元内内存在着改存在着改变变离子离子浓浓度梯度的因素，度梯度的因素，这这主要主要来来自自Na+Na+的被的被动动流入。流入。n n尽尽管神管神经经元元静静息息时时膜膜对对Na+Na+的通透性很低，但是的通透性很低，但是Na+Na+有有一一个从个从外到外到内内的强大的强大浓浓度梯度，加上度梯度，加上细细胞存在吸引胞存在吸引阳阳离离子的子的负电负电位，便位，便会会促使促使Na+Na+持持续续流向流

11、向细细胞胞内内。Na+Na+的流的流人使得人使得静静息膜息膜电电位小于位小于K+K+的平衡的平衡电电位位(Ek)(Ek)、进进而而导导致致KK的向外的向外扩扩散。散。n n在正常神在正常神经经元，元，这这种种离子离子浓浓度梯度的度梯度的变变化可以被膜上的化可以被膜上的一一种种Na-K+Na-K+泵泵阻止。阻止。第29页，共86页，编辑于2022年，星期一2929Na-K PumpNa-K Pump第30页，共86页，编辑于2022年，星期一3030第二第二节节 动动作作电电位位概念：动动作作电电位位(action potential)(action potential)是指神经细胞受到刺激时，

12、产生的一种可传播的特殊膜电位变化或者说是一种可沿细胞表面传播的跨膜电位瞬间逆转。第31页，共86页，编辑于2022年，星期一3131一.AP的记录及AP的特征细胞内记录细细胞外胞外记录记录第32页，共86页，编辑于2022年，星期一3232Intracellular potential recordingIntracellular potential recordingIntracellular potential recordingIntracellular potential recording第33页，共86页，编辑于2022年，星期一3333-+-+-+-+-细细细细胞外胞外胞外胞外记

13、录记录记录记录第34页，共86页，编辑于2022年，星期一3434 组成：组成：去极相：去极相：去极化去极化 超射锋电位超射锋电位超射锋电位超射锋电位 复极相：复极相：复极相：复极相：复极化初期复极化初期复极化初期复极化初期 后电位：后电位：后电位：后电位：负后电位负后电位负后电位负后电位正后电位正后电位正后电位正后电位APAP是是膜膜两两侧侧电电位位在在在在RPRPRPRP基基基基础础础础上上上上发发生生的的一一次次可可可可扩扩扩扩布布布布的快速而可逆的倒转，是细胞兴奋的标志。的快速而可逆的倒转，是细胞兴奋的标志。AP的特征第35页，共86页，编辑于2022年，星期一3535锋电位锋电位(S

14、pike potential)(Spike potential)第36页，共86页，编辑于2022年，星期一3636后电位后电位（after-potentialafter-potential）第37页，共86页，编辑于2022年，星期一3737二二.细细胞膜的被胞膜的被动电动电学学特征特征n n被动膜：跨膜电阻和跨膜电位差为常数n n主动膜：跨膜电阻和跨膜电位差可变；与膜离子通道状态相关。1.1.膜电容和膜电阻2.2.膜离子电流和膜电容电流第38页，共86页，编辑于2022年，星期一3838n n膜电阻（Rm）n n膜电导 G=1/Rn n膜电容 C=Q/Vl l膜两侧表面储存相反的电荷 各种

15、神经元的各种神经元的CmCm相近，但相近，但RmRm存存在在显显著差著差异异。第39页，共86页，编辑于2022年，星期一3939膜离子电流和膜电容电流n n带电离子跨膜流动产生的电流，称为膜膜离子离子电电流（流（Ii Ii）。l l离子电流的大小决定于细胞内外的电位差和膜离子通道的密度。n n由于胞质中正离子流动，中和膜内侧负电荷，膜外侧正电荷因膜内负电荷吸引力减少而离开细胞膜，产生电流称膜电膜电容电流（容电流（IcIc）。Im=Ii+IcIm=Ii+Ic第40页，共86页，编辑于2022年，星期一4040三.动作电位的离子基础n n早在早在19021902年年,Bernstein,Bern

16、stein根据根据当当时观时观察到的生物察到的生物电电现现象，提出了著名的象，提出了著名的膜膜膜膜学学学学说说说说。他认为神经或肌肉细胞膜对K+有特殊的通透性，而对较大的阳离子或阴离子均无通透性。静息时，由于膜内外K+的浓度差而形成静息膜电位；兴奋过程的电位变化是由于兴奋部位膜对离子选择通透性的消失，因此动作电位的大小应等于静息电位的绝对值。这一学说不能解释以后发现的动作电位的超射(overshoot)现象。第41页，共86页，编辑于2022年，星期一4141n n 1939 1939年微年微电电极极发发明以后，明以后，CurtisCurtis和和Cole,Cole,HodgkinHodgki

17、n和和HuxleyHuxley等人分等人分别别用毛用毛细细管微管微电电极极测测量量了了鰂鰂乌贼乌贼大神大神经纤维兴奋时经纤维兴奋时的的电电位位变变化。化。n n结结果果发现动发现动作作电电位大于膜位大于膜静静息息电电位，出位，出现现了超射。了超射。19491949年年HodgkinHodgkin和和KatzKatz进进一步做了一步做了“钠钠离子离子对对鰂鰂乌贼乌贼大大纤维纤维中中产产生的生的动动作作电电位的作用位的作用”的的实验实验。第42页，共86页，编辑于2022年，星期一4242Na+稍微变小，即将细胞外液中的NaCl部分地被蔗糖或氯化胆碱所代替，则动作电位上升相变慢，超射减小，传导速度

18、变慢(图A曲线3)；当Na+减少50时,超射几乎减少一半，动作电位上升相变得更慢(图B曲线2)；当Na+减少33时，超射儿乎完全消失(图A曲线2）第43页，共86页，编辑于2022年，星期一4343电压钳原理(voLtage clamp)n n只要固定膜只要固定膜电电位不位不变变，使膜，使膜电电容容电电流流为为零，零，则则膜膜总电总电流等于离子流等于离子电电流。流。在鰂鰂乌贼大纤维内插入两根细铂丝，一根记录电压E，另一根记录电流I。记录膜电位E输出(如-70 mV)与调定电压V(如-100 mV)通过比较器进行比较其差值30 mV经放大后进入一个快速电压-电流转换器(FBA)，使V30 mV的

19、电压转换成电流I，把这个反馈电流I打人膜内，使膜电位立即发生变化。这样就能够维持膜电压不变。第44页，共86页，编辑于2022年，星期一4444左图表示在去极化作用时通过膜的离子电流。膜左极化56 mV，图中A为正常海水所记录到的总离子电流，B为用氯化胆碱溶液代替海水中绝大部分NaCl(90以上)以后所得到的曲线，主要是IK；C为A减去B所得到的曲线，应为INa。离子置离子置换换法法第45页，共86页，编辑于2022年，星期一4545离子电流的大小和方向取决于驱动力。在电压钳位实验中，不断改变Vm，Na+电流的变化有以下三种情况：V VmmEEENa Na 外向外向I Inana反反转电转电位

20、：位：+52mV+52mV第46页，共86页，编辑于2022年，星期一4646第47页，共86页，编辑于2022年，星期一4747Hodgkin和Huxely的结论：n n动作电位期间细胞膜对Na+和K+的通透性依次发生了变化：早期，Na+的膜电导增加，Na+内流而产生了动作电位的去极化期；接着，Na+的膜电导降低，而K+的膜电导增加，K+外流使膜电位回到静息水平。第48页，共86页，编辑于2022年，星期一4848第49页，共86页，编辑于2022年，星期一4949第50页，共86页，编辑于2022年，星期一5050在大鼠胚胎骨骼肌细胞膜片上记录到的由Ach激活的单通道离子电流第51页，共8

21、6页，编辑于2022年，星期一5151第52页，共86页，编辑于2022年，星期一5252膜片钳发现离子通道的共同特性1.1.开放和关闭都是突然的2.2.只能有“开”或“关”两种状态，而没有“半开”或“半关”。3.3.同一通道分子，开关持续时间具有随机性（“摆动”）。4.4.在化学性门控通道结合了相应的化学信号分子，或电压门控通道所在膜两侧处于特定的电位差的情况下，“摆动”次数增多。第53页，共86页，编辑于2022年，星期一5353四.动作电位的传导1.1.动作电位的传导机制2.2.动作电位的传导速度3.3.影响动作电位传导速度的因素4.4.神经干的复合动作电位第54页，共86页，编辑于20

22、22年，星期一5454离子通道的基本特性:1.不同的离子通道是互相独立的2.通道是孔洞而不是载体3.离子通道的化学本质是蛋白质结构4.通道对离子通透的特异性依赖于孔洞大小、离子形成氢键的能力及通道内位点相互作用的强度第55页，共86页，编辑于2022年，星期一5555电压依赖性通道的S4段可能是一个电压感受器S5和S6段之间的非螺旋区形成了通道的衬里：分分子子筛筛第56页，共86页，编辑于2022年，星期一5656双闸门控制Na离子通道n nm gate that response to depolarizationn n h gate that response to repolarizat

23、ionn n Three states of Na+channel state m h g resting state closed opened 0 active state opened opened high inactive state opened closed 0第57页，共86页，编辑于2022年，星期一5757第58页，共86页，编辑于2022年，星期一5858 Resting activation 激活Recovery Active 复活 inactivation 失活 Inactive第59页，共86页，编辑于2022年，星期一5959第60页，共86页，编辑于2022年，

24、星期一6060第61页，共86页，编辑于2022年，星期一6161动作电位的引起与传导n n动作电位的引起n n细胞兴奋后兴奋性周期性变化n n局部电位n n动作电位的传导第62页，共86页，编辑于2022年，星期一6262动作电位的引起n n 刺激n n 兴奋性及兴奋n n 阈电位第63页，共86页，编辑于2022年，星期一6363刺刺 激激 (Stimulus)(Stimulus)刺激：刺激：细胞所处环境因素的任何改变。细胞所处环境因素的任何改变。刺激三要素：uu刺激强度uu刺激作用时间uu强度-时间变化率阈强度：阈强度：把刺激的作用时间和强度把刺激的作用时间和强度-时间变时间变化率都固定

25、在某一化率都固定在某一适适当数当数值值，能引起，能引起组织细组织细胞胞兴奋兴奋所必需的最小刺激强度，所必需的最小刺激强度，称称为阈为阈强度强度(threshold intensity),(threshold intensity),或或简简称称阈值阈值(threshold)(threshold)。阈值是衡量组织细胞兴奋性高低的指标。第64页，共86页，编辑于2022年，星期一6464兴奋性及兴奋兴奋性及兴奋n n兴奋性：细胞受到刺激时产生动作电位的能力和特性。n n兴奋：动作电位的同义词。第65页，共86页，编辑于2022年，星期一6565阈阈电位电位(Threshold(Threshold p

26、otential)potential)n n阈阈电电位位：能能进进一一步步诱诱发发动动作作电电位位的的去去极极化化临临界界膜膜电电位位值值，称称为阈电为阈电位（位（threshold membrane potentialthreshold membrane potential）；）；n n它它是所有可是所有可兴奋细兴奋细胞的一胞的一项项重要功能指重要功能指标标。n n阈电阈电位一般位一般较较静静息息电电位的位的负值负值少少101015mV15mV。n n去去极极化化到到达达阈阈电电位位 一一定定数数量量的的NaNa+通道的开放 Na+内内流流 膜膜的的进进一一步步去去极极化化 更更多多NaNa

27、+通道开放“正反馈”或称为再生性循环的过程 直至达到Na+的平衡电位。第66页，共86页，编辑于2022年，星期一6666细胞兴奋后兴奋性周期性变化n nAbsolute refractory period 绝对不应期n nRelative refractory period 相对不应期n nSupernormal period 超常期 n nSubnormal period 低常期第67页，共86页，编辑于2022年，星期一6767第68页，共86页，编辑于2022年，星期一6868第69页，共86页，编辑于2022年，星期一6969局部电位局部电位 细胞受到阈下刺激时，可引起受刺激的膜局部

28、出现一个较小的去极化，称为局部电位或局部兴奋。阈下刺激也能引起该段膜中所含Na+通道的少量开放和少量Na+内流，造成膜轻度去极化。第70页，共86页，编辑于2022年，星期一7070局部局部兴奋兴奋的特点：的特点：n n它不是“全或无”的：在阈下刺激的范围内，随刺激强度的增大而增大；n n电紧张性扩布：局部兴奋可以使邻近的膜也产生程度更低的去极化，随距离加大而迅速减小以至消失，称为电紧张性扩布 （electrotonic propagation）；n n局部兴奋可以总和：空间性总和与时间性总和。第71页，共86页，编辑于2022年，星期一7171ExperimentstimulusRecord

29、ing electrodesRecording electrodesDistance(mm)10003637Voltage response(%)Voltage response(%)第72页，共86页，编辑于2022年，星期一7272第73页，共86页，编辑于2022年，星期一7373第74页，共86页，编辑于2022年，星期一7474动作电位的传导第75页，共86页，编辑于2022年，星期一7575n n是以“局部电流”的形式传导的。n n局部电流：在已兴奋的细胞膜和与它相邻的未兴奋的细胞膜之间，由于电位差的出现而发生电荷移动，称为局部电流（local current）。n n运动方向是：

30、在膜外的正电荷由未兴奋段移向已兴奋段，而膜内的正电荷由已兴奋段移向未兴奋段。n n结果：造成邻近未兴奋的细胞膜去极化达阈电位，出现它自己的动作电位。第76页，共86页，编辑于2022年，星期一7676第77页，共86页，编辑于2022年，星期一7777第78页，共86页，编辑于2022年，星期一7878第79页，共86页，编辑于2022年，星期一7979动作电位在有髓神经纤维上的传导动作电位在有髓神经纤维上的传导第80页，共86页，编辑于2022年，星期一8080n n有髓纤维受到外来刺激时，动作电位只能在邻近刺激点的郎飞结处产生，因而局部电流也只能发生在相邻的郎飞结之间，其外电路要通过髓鞘外

31、面的组织液。n n使动作电位的传导表现为跨过每一段髓鞘而在相邻的郎飞结处相继出现，这称为兴奋的跳跃式传导（saltatory conduction）。n n跳跃式传导时的兴奋传导速度快得多；还是一种更“节能”的传导方式。第81页，共86页，编辑于2022年，星期一8181第82页，共86页，编辑于2022年，星期一8282第83页，共86页，编辑于2022年，星期一8383影响动作电位传导速度的因素n n动作电位去极化的速度和幅度n n细胞膜的被动电学性质l l膜电容越小，膜电阻越大，则传导速度越快。（如有髓神经纤维）n n纤维直径l l直径大，则传导速度大。第84页，共86页，编辑于2022年，星期一8484动作电位沿神经干传导的特性：uu双向性uu绝缘性uu不衰减传播uu相对不疲劳性uu生理完整性第85页，共86页，编辑于2022年，星期一8585总结n n静息电位与哪些离子的跨膜移动有关？n nHodgkin和Huxely用电压钳实验，如何证明了动作电位的产生与Na+和K+有关？n nNa+通道的结构特征。第86页，共86页，编辑于2022年，星期一8686