山东大学医学院生理研究所ppt.ppt

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1、山东大学医学院生理研究所ppt Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 第二章第二章第二章第二章 细胞的基本功能细胞的基本功能细胞的基本功能细胞的基本功能 本章重点：本章重点：细胞膜的基本化学组成和结构细胞膜的基本化学组成和结构(复习）；复习）；物质跨膜转运的形式和原理；物质跨膜转运的形式和原理；细胞的跨膜信号转导功能；细胞的跨膜信号转导功能；细胞的生物电和有关现象；细胞的生物电和有关现象；肌细胞的收缩活动。肌细胞的收缩活动。第一节第一节细胞膜的基本结构和

2、物质转运功能细胞膜的基本结构和物质转运功能 一、细胞膜的结构概要一、细胞膜的结构概要组组 成：成：脂质，蛋白质，糖类脂质，蛋白质，糖类 基本结构：基本结构：流体镶嵌模型流体镶嵌模型（fluid mosaic model)（一）脂质双分子层（一）脂质双分子层组成：组成：7070磷脂，磷脂，30 30 胆固醇胆固醇存在形式：存在形式：双分子层双分子层特点：特点：具有流动性具有流动性功能功能：1.1.屏障作用屏障作用 2.2.传递信息传递信息 脂质双分子层脂质双分子层1.磷脂磷脂 动物细胞膜中主要的动物细胞膜中主要的 四种磷脂：四种磷脂：磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱(膜外侧膜外侧)、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰乙醇

3、胺、磷脂酰肌醇、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸。磷脂酰丝氨酸。2.2.鞘脂类鞘脂类 基本结构和磷脂类似，不基本结构和磷脂类似，不含甘油含甘油(膜外侧膜外侧)。3.3.胆固醇胆固醇 有一个甾体结构（环戊烷有一个甾体结构（环戊烷多氢菲）和一个多氢菲）和一个8 8碳支链。碳支链。(二二)细胞膜蛋白质细胞膜蛋白质功能：功能：酶蛋白酶蛋白 转运蛋白转运蛋白 受体蛋白受体蛋白 转运物质转运物质 传递信息传递信息 免疫标志免疫标志 结构：结构：主要以主要以-螺旋或球形蛋白质的形式存在。螺旋或球形蛋白质的形式存在。表面蛋白表面蛋白 存在形式存在形式 整合蛋白整合蛋白 特点：特点：流动性（横向移动）流动性（横向移动）

4、表面蛋白表面蛋白（Peripheral proteins）占占20%30%,以静电引力或离子键与整以静电引力或离子键与整 合蛋白结合合蛋白结合,附着于膜表面，主要在内表面。附着于膜表面，主要在内表面。argp.ser.-+-（三）（三）细胞膜糖类细胞膜糖类 细胞膜所含糖类细胞膜所含糖类2%10%，成分：成分：主要是一些寡糖和多糖链主要是一些寡糖和多糖链形式：形式：共价键的形式和膜脂质或蛋白质结共价键的形式和膜脂质或蛋白质结 合，形成糖脂或糖蛋白合，形成糖脂或糖蛋白部位：部位：糖链绝大多数是裸露在膜的外面一侧。糖链绝大多数是裸露在膜的外面一侧。功能：功能：免疫标志免疫标志 传递信息传递信息 （一

5、）单纯扩散（一）单纯扩散概念：概念：高浓度区域中的溶质分子将向低浓度高浓度区域中的溶质分子将向低浓度 区净移动，这种现象称为单纯扩散。区净移动，这种现象称为单纯扩散。物质的移动方向和速度：物质的移动方向和速度：决定于各该物质的决定于各该物质的浓度差浓度差，膜对该物，膜对该物 质的质的通透性通透性。扩散的物质：扩散的物质：脂溶性高、分子量小的物质。脂溶性高、分子量小的物质。O2、CO2、N2、乙醇、尿素、水等。、乙醇、尿素、水等。1.经载体易化扩散经载体易化扩散 特征：特征：（1 1）顺梯度）顺梯度 （2 2）饱和现象）饱和现象 （3 3）载体与溶质的结合有较高）载体与溶质的结合有较高 的化学结

6、构特异性。的化学结构特异性。（4 4）竞争性抑制）竞争性抑制（二）膜蛋白介导的跨膜转运：膜蛋白介导的跨膜转运：根据转运方式的不同，根据转运方式的不同，通道通道 膜蛋白分为膜蛋白分为 载体载体 离子泵离子泵 转运体转运体 被动转运：通道、载体被动转运：通道、载体膜蛋白介导的跨膜转运膜蛋白介导的跨膜转运 （不耗能、顺梯度）（不耗能、顺梯度）原发性原发性 主动转运：泵主动转运：泵 继发性继发性 （耗能、逆梯度）（耗能、逆梯度）2经通道易化扩散经通道易化扩散 概念概念:带电的离子如带电的离子如NaNa+、K K+、Ca Ca2+2+、CI CI-等借等借 助于助于通道蛋白的介导通道蛋白的介导,由膜的顺

7、浓度梯度由膜的顺浓度梯度 或电位梯度的跨膜扩散。或电位梯度的跨膜扩散。特点特点:a.a.通道具有开放和关闭状态通道具有开放和关闭状态;b.b.对转运物质有选择性对转运物质有选择性,但无载体蛋白那么严格但无载体蛋白那么严格 分类分类:化学门控通道：化学门控通道：膜两则（外测）出现膜两则（外测）出现 化学信号时开放。化学信号时开放。电压门控通道电压门控通道：膜两则电位差改变决定膜两则电位差改变决定其开放或关门。其开放或关门。离子通道功能状态：离子通道功能状态：静息状态静息状态-通道关闭通道关闭：(备用状态备用状态)刺激能开放刺激能开放激活状态激活状态-通道开放通道开放：离子扩散离子扩散失活状态失活

8、状态-通道关闭通道关闭:刺激不能开放刺激不能开放离子通道功能状态的调控：离子通道功能状态的调控：通道蛋白质有别于载体的重要特点之一，通道蛋白质有别于载体的重要特点之一，结构和功能状态可以结构和功能状态可以因细胞内外各种理化因素因细胞内外各种理化因素膜电位、化学信号、机械刺激膜电位、化学信号、机械刺激的影响而迅速改变。的影响而迅速改变。通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门（gategate）一类的基团，由它决定通道的功能状态。）一类的基团，由它决定通道的功能状态。-门控门控 电压门控通道电压门控通道-膜两侧电位差膜两侧电位差 化学门控通道化学门控通道-化学物质（化

9、学物质（AchAch）机械门控通道机械门控通道机械刺激机械刺激3.原发性主动转运原发性主动转运概念概念:指细胞通过直接利用代谢产生的能量将物指细胞通过直接利用代谢产生的能量将物 质质(离子离子)逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜 转运的过程。转运的过程。化学本质化学本质：钠泵是钠泵是NaNa+-K-K+依赖式酶的蛋白质。依赖式酶的蛋白质。也称也称NaNa+-K-K+-酶。酶。启动机制启动机制：启动和活动强度与膜内多启动和活动强度与膜内多NaNa+和膜外多和膜外多K K+有关。有关。钠泵活动时钠泵活动时 泵出泵出Na+和泵入和泵入K+同时进行或同时进行或“耦联耦联”在一起在

10、一起 细胞膜上的钠泵活动的意义：细胞膜上的钠泵活动的意义：（1 1）由钠泵活动造成的细胞内高）由钠泵活动造成的细胞内高K K+，是许多代谢，是许多代谢 反应进行的必需条件；反应进行的必需条件；（2 2）NaNa+和和K K+浓度梯度使细胞生物电活动产生的浓度梯度使细胞生物电活动产生的 前提条件。前提条件。（3 3）维持胞质渗透压和细胞容积相对稳定。）维持胞质渗透压和细胞容积相对稳定。Na Na+和和ClCl-漏入漏入K K+漏出。漏出。哇巴因抑制钠泵活哇巴因抑制钠泵活 动动大量细胞外大量细胞外NaNa+、ClCl-漏入膜内，胞质渗透漏入膜内，胞质渗透 压升高，过多水进入膜内，引起细胞的肿压升高

11、，过多水进入膜内，引起细胞的肿 胀，进而破坏细胞的结构；胀，进而破坏细胞的结构；（4 4）维持细胞内）维持细胞内pHpH相对稳定。相对稳定。NaNa+-H-H+交换交换（5 5）维持细胞内）维持细胞内CaCa2+2+浓度的稳定。浓度的稳定。Na Na+和和K K+浓度梯度是浓度梯度是NaNa+-Ca-Ca2+2+交换动力。交换动力。（6 6）生电性。个）生电性。个NaNa+移到膜外同时个移到膜外同时个K K+移移 入膜内。入膜内。（7 7）NaNa+浓度梯度是其他物质继发转运的动浓度梯度是其他物质继发转运的动 力。力。通道转运与钠通道转运与钠-钾泵转运模式图钾泵转运模式图4.继发性主动转运概念

12、：概念：许多物质在进行逆浓度梯度或电位梯度的许多物质在进行逆浓度梯度或电位梯度的跨膜转运时，所需的跨膜转运时，所需的能量并不直接来自能量并不直接来自ATPATP的分解，而是来自的分解，而是来自NaNa+在膜两侧的浓度势能在膜两侧的浓度势能差差，后者是钠泵利用分解后者是钠泵利用分解ATPATP释放的能量建释放的能量建立的。立的。这种间接利用这种间接利用ATPATP能量的主动过程称为继发能量的主动过程称为继发性主动转运性主动转运。机制：机制：转运体（膜蛋白）利用膜两侧膜两侧NaNa+浓浓度梯度或电位梯度度梯度或电位梯度跨膜转运。没有NaNa+由高浓度的膜外顺浓度差进入膜内，就不会出现葡萄糖、氨基酸

13、等分子逆浓度差进入膜内。转运体：转运体：膜蛋白同向转运：同向转运：被转运的物质与Na+移动的方向相同。相应的转运体称为同向转运体同向转运体。反向转运：反向转运：被转运的物质彼此与Na+移动的方向相反。相应的转运体称为反向转运体或反向转运体或交换体。交换体。被动转运被动转运 主动转运主动转运 比较比较单纯扩散、单纯扩散、易化扩易化扩 泵泵 异同点异同点转运物质转运物质 脂溶性、小分脂溶性、小分 水溶性、小分子、离子水溶性、小分子、离子 水溶性、小分子、离子水溶性、小分子、离子动力动力 浓度差浓度差 浓度差、浓度差、电压电压差差 ATPATP 顺梯度顺梯度 顺梯度顺梯度 逆梯度逆梯度特点特点 扩散

14、速度取决于扩散速度取决于 膜蛋白介导膜蛋白介导 膜蛋白介导膜蛋白介导 浓度差浓度差 通道通道 载体载体 原发性、继发性原发性、继发性 膜通透性膜通透性 浓度差浓度差 饱和饱和 膜通透性膜通透性 特异性特异性 电压电压差差 竞争抑制竞争抑制 不耗能不耗能 不耗能不耗能 耗能耗能 主动转运与被动转运的区别主动转运与被动转运的区别主动转运主动转运被动转运被动转运需由细胞提供能量需由细胞提供能量不需外部能量不需外部能量逆电逆电-化学势差化学势差顺电顺电-化学势差化学势差使膜两侧浓度差更大使膜两侧浓度差更大使膜两侧浓度差更小使膜两侧浓度差更小第二节第二节 细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导一、一、G蛋

15、白耦联受体介导的信号转导蛋白耦联受体介导的信号转导 主要途径：1.受体受体-G蛋白蛋白-AC途径途径:物质 膜表面的特异受体 Gs-(兴奋性G蛋白)激活腺苷酸环化酶 胞浆中的ATP分解 膜内侧胞浆中cAMP (有时是减少),实现激素对细胞内功能的调节2.受体受体-G蛋白蛋白-PLC途径途径外界剌激信号 膜受体 Go的G蛋白 激活磷脂酶C磷脂酰肌醇 三磷酸肌醇(IP3)二酰甘油 第二信使 影响细胞内过程,完成跨膜信号转导。二、离子通道受体介导的信号转导二、离子通道受体介导的信号转导 1.离子通道受体离子通道受体-促离子型受体（化学门控通道）促离子型受体（化学门控通道）因化学门控通道具有受体功能，

16、也称为通道型受体；因化学门控通道具有受体功能，也称为通道型受体；激活时直接引起跨膜离子流动，也称促离子型受体。激活时直接引起跨膜离子流动，也称促离子型受体。控制通道开、关的因素控制通道开、关的因素-化学物质。化学物质。主要分布主要分布：肌细胞终板膜、神经细胞突触后膜、嗅、味感受细胞膜中,使所在膜产生终板电位、突触后电位以及感受器电位等局部电反应。2.电压门控通道：电压门控通道：主要分布主要分布:神经轴突、骨骼肌、心肌细胞的一般质膜 中,控制这类通道开、关的因素是通道所在 膜两侧的跨膜电位的变化膜两侧的跨膜电位的变化。3.机械门控通道：机械门控通道：细胞表面膜存在能感受机械性刺激感受机械性刺激并

17、引起 细胞功能改变的通道样结构。特点：特点：速度快、对外界刺激反应的位点局限。三、酶耦联受体介导的信号转导三、酶耦联受体介导的信号转导特点：特点：受体分子的胞质侧自身具有酶的活性，可受体分子的胞质侧自身具有酶的活性，可直接激活胞质中酶。直接激活胞质中酶。受体只有一跨膜-螺旋和一个较短的膜内肽段。酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶受体 重要的受体有重要的受体有 鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶受体（一）酪氨酸激酶受体（一）酪氨酸激酶受体特点：特点：膜外侧膜外侧-配位体结合点配位体结合点 深入胞质端深入胞质端-酪氨酸激酶结构域酪氨酸激酶结构域 受体与酶是同一蛋白分子受体与酶是同一蛋白分子肽类激素如胰岛素和细胞因

18、子 相应的靶细胞时,激活细胞膜酪氨酸激酶细胞膜酪氨酸激酶受体 胞质侧酶活性部位活化 胞质酪氨酪氨酸激酶结合、激活酸激酶结合、激活 完成跨膜信号转导 一系列细胞内信号分子 细胞核内基因转录改变。（二）鸟苷酸环化酶受体（二）鸟苷酸环化酶受体 膜外侧膜外侧-螺旋分子分子N端端-配位体结合点配位体结合点 膜内侧膜内侧-螺旋分子分子C端端-鸟苷酸环化酶鸟苷酸环化酶 （GC）结构域）结构域,与配位体结合活化。与配位体结合活化。机制机制 GTP CG CGMP 蛋白激酶G（PKG）PKG活化活化 底物磷酸化底物磷酸化第三节第三节 细胞的生物电现象细胞的生物电现象一、细胞膜的被动电学特性一、细胞膜的被动电学特

19、性（一）膜电容和膜电阻（一）膜电容和膜电阻细胞膜的电缆学说细胞膜的电缆学说 细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作为两个导体，有一定的电阻；作为两个导体，有一定的电阻；膜电容：膜电容：细胞膜脂质双层类似于一个平板电容器，相对地视作绝缘体，因此细胞膜具有显著的电容特性。跨膜电位：跨膜电位：当膜上的离子通道开放离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容电容器上充电或放电器上充电或放电而产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。膜电阻：膜电阻：通常用它的倒数膜电导G来表示。对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的膜电导就是膜对离子的通透性。

20、通透性。细胞膜相当于一条电缆一点细胞膜相当于一条电缆一点给予膜一个突然的电流，从另一给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜电位变化：点记录膜电位变化：在电源附近电位上升快，达在电源附近电位上升快，达 到的最高电位也较大；到的最高电位也较大；离开电源越远，则不但电位离开电源越远，则不但电位 上升的慢，而且最终的最高上升的慢，而且最终的最高 电位也较低。电位也较低。电位改变变慢，是膜电容引电位改变变慢，是膜电容引 起的后果；电位依距离变起的后果；电位依距离变 小，是膜外电阻、膜电阻及小，是膜外电阻、膜电阻及 膜内电阻引起的后果。膜内电阻引起的后果。细胞膜的被动电学特性与电学特性细胞膜的被动电学特性与

21、电学特性相同点：欧姆定律 电阻、电容、电流、电紧张 异同点：膜离子通道-离子流 泵电流-生电性Na+-K+泵泵（二）电紧张电位（二）电紧张电位概念：概念：细胞膜的电学特性相当于并联的阻容耦合电路，跨膜电流随着距原点距离的增加而逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规律的膜电位分布，这种由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。产生：产生：向神经纤维的某一点注入不同方向的电流；用正、负电极从膜外侧施加电刺激，胞质内的负电荷流向正极下方，正电荷流向负极的下方，因而在正、负电极下分别产生一个彼此方向相反的电紧张电位。二、细胞的静息电位二、细胞的静息电位 安静时安静时 静息电位静息电位 受

22、刺激时受刺激时 动作电位动作电位（一）电生理学研究方法：（一）电生理学研究方法：1.细胞内记录：微电极细胞内记录：微电极细胞内记录：微电极细胞内记录：微电极2.膜片钳实验技术膜片钳实验技术 是一种能够记录膜结构是一种能够记录膜结构是一种能够记录膜结构是一种能够记录膜结构中中中中单一的离子通道蛋单一的离子通道蛋单一的离子通道蛋单一的离子通道蛋白质分子的开放和关白质分子的开放和关白质分子的开放和关白质分子的开放和关闭闭闭闭，亦即测量单通道，亦即测量单通道，亦即测量单通道，亦即测量单通道离子电流和电导的技离子电流和电导的技离子电流和电导的技离子电流和电导的技术。术。术。术。(二二)静息电位静息电位(

23、resting potential)1.概念：概念：是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两 侧的电位差。2.测量方法：测量方法：细胞内电位记录方法细胞内电位记录方法 静息电位表现为膜内较膜外为负。记录装置记录装置 记录仪器记录仪器:电极电极:一对测量电极一对测量电极一个放在细胞的外表面，一个放在细胞的外表面，另一个连接玻璃微电极。另一个连接玻璃微电极。当微电极刺入膜内时，记当微电极刺入膜内时，记录仪器上显示一个突然录仪器上显示一个突然的电位跃变，表明细胞的电位跃变，表明细胞膜内外两侧存在着电位膜内外两侧存在着电位差。差。存在于安静细胞的存在于安静细胞的表面膜两侧的，故称为表面膜两侧的，故称为跨膜

24、静息电位，简称静跨膜静息电位，简称静息电位。息电位。特征：特征：静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位,但不同细胞的静息电位数值可以不同;只要细胞未受刺激、生理条件不变,这种电位将持续存在。静息电位时膜两侧所保持的外正内负状态称为膜的极化极化(polarization)；膜内外电位差的数值向膜内负值加大的方向变化时，称为膜的超极化超极化(hyperpolarization)；膜内电位向负值减小的方向变化，称为去极化去极化或除极化除极化(depolarization)；去极化至零电位后膜电位进一步变为正值去极化至零电位后膜电位进一步变为正值称为反极化反极化，膜电位高于零电位的部位称膜电位高于零

25、电位的部位称为为超射（超射（overshoot）。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，则称作复极化复极化(repolarization)研究方法研究方法1902年年-Bernstein膜学说膜学说 安静状态下膜只对安静状态下膜只对K K+有通透性，静息电位相当于有通透性，静息电位相当于K K+平衡电位平衡电位。1936年年-Young 发现直径发现直径1mm1mm头足类软体动物枪乌贼的巨大神经轴突头足类软体动物枪乌贼的巨大神经轴突1939年英国生理学家年英国生理学家Hodgkin、Huxley 将直径将直径0.1mV0.1mV充满海水的毛细玻璃管纵向插入乌贼大神经轴充满海水

26、的毛细玻璃管纵向插入乌贼大神经轴 突的断端。突的断端。细胞外电极细胞外电极:置于浸泡细胞的海水中置于浸泡细胞的海水中.实测膜内电位约实测膜内电位约-60-60mVmV(二二)静息电位的产生机制：静息电位的产生机制：1.K1.K+驱动力驱动力：K K+浓度、电位势能。浓度、电位势能。2.2.基础条件：基础条件：安静状态下膜对安静状态下膜对K K+有通透性，有通透性，K K+外外流流 钾外流，带负电的蛋白不能外流，使膜外带正电荷钾外流，带负电的蛋白不能外流，使膜外带正电荷 ，膜内，膜内带负电荷。带负电荷。当促使钾外流的浓度势能差同阻碍钾外流的电势能差相等时，当促使钾外流的浓度势能差同阻碍钾外流的电

27、势能差相等时，钾跨膜净移动量为零，相当于钾跨膜净移动量为零，相当于EkEk。膜两侧的电位差也稳定于。膜两侧的电位差也稳定于某一数值不变，这个电位差称为某一数值不变，这个电位差称为K K+的电化学平衡。的电化学平衡。3.3.少量的少量的NaNa+和和ClCl-内流内流 抵消一部分由抵消一部分由K K+外流引起的膜内电位外流引起的膜内电位 。4.Na4.Na+一一K K+泵泵 外流外流K K+和漏入的和漏入的NaNa+可激活钠泵，生电作用。可激活钠泵，生电作用。三、动作电位及其产生机制三、动作电位及其产生机制(一一)细胞的动作电位细胞的动作电位 概念：概念：在静息电位的基础上，可兴奋组织或细胞受在

28、静息电位的基础上，可兴奋组织或细胞受到一个适当刺激时，其膜电位发生迅速的一到一个适当刺激时，其膜电位发生迅速的一过性的波动，这种短暂可逆的、扩布性电变过性的波动，这种短暂可逆的、扩布性电变化称为动作电位化称为动作电位(action potential)(action potential)。特征：特征：“全或无全或无”性质。当刺激未达阈值时，动作电位性质。当刺激未达阈值时，动作电位不会出现，一旦达到阈电位水平不会出现，一旦达到阈电位水平 ，动作电位便迅，动作电位便迅速产生，并达到最大值，其幅度和波形不随刺激速产生，并达到最大值，其幅度和波形不随刺激的强度增强而增大。的强度增强而增大。动作电位能沿

29、细胞膜向周围不衰减性传导，其幅动作电位能沿细胞膜向周围不衰减性传导，其幅度和波形始终保持不变。度和波形始终保持不变。具有不应期，峰电位不可融合叠加。具有不应期，峰电位不可融合叠加。stimulatr0mV0mV神经纤维神经纤维AP兴奋的共有标志兴奋的共有标志:动作电位动作电位 上升支 去极化 （-70 到0 mV）峰电位 超射 （0到+30 mV）动作电位 下降支 复极化 （+30到-70 mV）负后电位-后去极化 后电位 正后电位-后超极化 （负值大于-70 mV）（二）产生机制：（二）产生机制：研究方法研究方法间接法：间接法：1949.Hodgkin1949.Hodgkin和和Huxley

30、Huxley葡葡萄糖溶液替代海水。萄糖溶液替代海水。同位素同位素24 24 Na+定量研究计算定量研究计算每次动作电位进入膜内每次动作电位进入膜内Na+2100021000个个/m/m2 2膜电容算出膜电容算出Na+流量使去极流量使去极化达化达100mV100mV以上。以上。直接法：直接法：电压钳电压钳1.电化学驱动力电化学驱动力：它决定离子跨膜流动的方向和速度。它决定离子跨膜流动的方向和速度。动力：电动力：电-化学梯度化学梯度;基础条件：基础条件：膜对离子的通透性增大，当膜电位等于某离子膜对离子的通透性增大，当膜电位等于某离子的平衡电位时，该离子的电化学驱动力为零，因的平衡电位时，该离子的电

31、化学驱动力为零，因此，某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子此，某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差。的平衡电位之差。假定静息电位假定静息电位E Em m 为为-70mV-70mV，E ENaNa为为+60mV+60mV，E EK K为为-90mV-90mV：Na Na+驱动力驱动力:E:Em m-E-ENaNa=-70mV-(+60mV)=-130mV=-70mV-(+60mV)=-130mV K K+驱动力驱动力:E:Em m-E-ENaNa=-70mV-(-90mV)=+20mV=-70mV-(-90mV)=+20mV2.动作电位期间膜电导的变化动作电位期间膜电导的变化电

32、压钳（电压钳（voltage clamp）技术）技术 直接测定动作电位期间膜对离子通透性动态变化。直接测定动作电位期间膜对离子通透性动态变化。原理：原理：根据通道膜电流的大小和时间，可精确测定细胞根据通道膜电流的大小和时间，可精确测定细胞 生物电过生物电过程中，各种离子流的大小、方向和时程、方向和时程利用程中，各种离子流的大小、方向和时程、方向和时程利用欧姆定律来计算膜电导。欧姆定律来计算膜电导。优缺点：优缺点：适用于各种直径较大的细胞，只能观察膜电流的方向和幅适用于各种直径较大的细胞，只能观察膜电流的方向和幅度，不能区分那种离子电流。度，不能区分那种离子电流。电压钳技术装置方法：方法：负反馈

33、电路使膜负反馈电路使膜电位钳制在一个设电位钳制在一个设定的水平定的水平.记录记录膜电流膜电流变化变化作为作为膜电导膜电导的观察的观察指标。指标。实验设计根据：实验设计根据：离子跨膜移动时形成跨膜离子电流（I），膜对离子通透性（难易程度）是膜的电阻 （R）或其倒数电导（G），膜电导是通透性同义词。根据欧姆定律根据欧姆定律 I=V G 固定V，测定I，作为作为膜电导变化的度量。膜电导变化的度量。记录膜电位记录膜电位Vm高阻抗前极放大 电导及动作电位电导及动作电位GNa和和GK变化曲线的特点：变化曲线的特点：电压依从性，由电压依从性，由去极化激活，去极化激活，GNa GNa激活早，是激活早，是动作电

34、动作电位位上升支基础；上升支基础；GKGK激活晚，是激活晚，是动作电动作电位位下降支基础。下降支基础。G GNaNa有失活状态而有失活状态而G GK K没有此特性没有此特性 记录膜电流变化作为膜电导的观察指标：记录膜电流变化作为膜电导的观察指标：记录膜电位记录膜电位(Vm)(Vm)高阻抗前极放大（高阻抗前极放大（x1x1）反馈放大器（反馈放大器（FBAFBA）电极与电极与FBAFBA 输出端连接输出端连接，向细胞内注入电流（指令电位），向细胞内注入电流（指令电位），FBA FBA两者电位相等两者电位相等 I=0 I=0 FBAFBA两者出现差异两者出现差异 FBA FBA经电极输出端向细胞内注

35、入电流，在膜两侧产经电极输出端向细胞内注入电流，在膜两侧产 生趋向于指令电位变化，构成一个使膜电位生趋向于指令电位变化，构成一个使膜电位=指令电位反馈电指令电位反馈电 路，路，此时记录电流反映膜电导此时记录电流反映膜电导G G的变化。的变化。利用药理学分析膜电流利用药理学分析膜电流的实验结果的实验结果应用应用Na+通道阻断剂通道阻断剂TTXTTX（河（河豚毒）豚毒）,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TEATEA（四乙（四乙胺），外向电流消失。胺），外向电流消失。膜电流的记录和分析膜电流的记录和分析3.膜电导与离子通道膜电导与离子通道膜片钳实验技术膜片钳实验技术(Ne

36、der和和Sakmann等等)（1 1）直接观察单一的离子通道蛋白质分子对）直接观察单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透活动的特征相应离子通透活动的特征.（2 2）记录单个离子通道开放后的电流）记录单个离子通道开放后的电流.（3 3）计算出通道的开放概率和单通道电导。）计算出通道的开放概率和单通道电导。（4 4）证明在完整细胞上记录到的膜电流）证明在完整细胞上记录到的膜电流是许多单通道电流总和的结果，单通道的开是许多单通道电流总和的结果，单通道的开放概率或单通道电导增加，或离子通道的放概率或单通道电导增加，或离子通道的数目增加，都会使膜电导增大。数目增加，都会使膜电导增大。70年代的膜片钳实

37、验技术年代的膜片钳实验技术 膜片钳记录方法和单通道电流膜片钳记录方法和单通道电流 钠钠 电电 流流阈电位阈电位当剌激引起膜内去极化达到引起正反馈Na+内流的临界膜电位称为阈电位(threshold potential)。它一般比静息电位小1020mV。动作电位上升支：动作电位上升支：1.细胞受剌激剌激时，迅速增加Na+电导电导，2.动力：动力：Na+在很强的电化学驱动力作用下，形成Na+内向电流，膜内负电位的迅速消失；3.超射超射:膜外Na+较高的浓度势能，Na+在膜内负电位减小到零时仍可继续内移，出现超射。4.阻力阻力:内移的Na+在膜内形成的正电位足以阻止的Na+静移动为止；这时膜内所具有

38、的电位值，理论上应相当于根据膜内、外Na+浓度差代入Nernst公式时所得出的Na+平衡电位值平衡电位值。动作电位降支：动作电位降支：Na+通道失活，Na+电导减小形成峰电位降支，同时K+电压门控性通道的开放。在膜内电-化学梯度的作用下,出现了K+外向电流，使膜内电位变负，加速了膜的复极，参与峰电位降支的形成。后电位后电位：正后电位一般认为是生电性钠泵作用的结果。局部反应或局部兴奋特征局部反应或局部兴奋特征：1.1.不表现不表现“全或无全或无”特征；特征；2.2.不能向远处传播不能向远处传播,只能以电紧张的方式只能以电紧张的方式,使邻近的膜也产生类使邻近的膜也产生类似的去极化。电紧张扩布随扩布

39、距离增加而衰减；似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；3.3.电紧张电位电紧张电位(局部兴奋局部兴奋)没有不应期没有不应期,一次阈下剌激引起一个局一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位部反应虽然不能引发动作电位,可叠加或总和后导致膜去极化可叠加或总和后导致膜去极化到阈电位到阈电位,从而爆发动作电位。从而爆发动作电位。空间性总和：空间性总和：多个阈下刺激在相邻部位同时多个阈下刺激在相邻部位同时发生，发生，叠加起来。叠加起来。时间总和：时间总和：阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应 尚未完全消失的基础上发生，多个局

40、部反应在时间上叠加。尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。局部反应或局部兴奋特征局部反应或局部兴奋特征：1.1.不表现不表现“全或无全或无”特征；特征；2.2.不能向远处传播不能向远处传播,只能以电紧张的方式只能以电紧张的方式,使邻近的膜也产生类使邻近的膜也产生类似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；3.3.电紧张电位电紧张电位(局部兴奋局部兴奋)没有不应期没有不应期,一次阈下剌激引起一个一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位局部反应虽然不能引发动作电位,可叠加或总和后导致膜去极可叠加或总和后导致膜去极化到阈电位化到阈电

41、位,从而爆发动作电位。从而爆发动作电位。空间性总和：空间性总和：多个阈下刺激在相邻部位同时多个阈下刺激在相邻部位同时发生，发生，叠加起来。叠加起来。时间总和：时间总和：阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应 尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。电紧张扩布电紧张扩布 局部兴奋与动作电位的区别局部兴奋与动作电位的区别:不衰减扩布不衰减扩布电紧张扩布电紧张扩布传播特点传播特点无无有有总和现象总和现象有有无无全或无全或无特点特点大大小小膜电位变化幅度膜电位变化幅度多多少

42、少钠通道开放数钠通道开放数阈或阈上刺激阈或阈上刺激阈下刺激阈下刺激刺激强度刺激强度动作电位动作电位局部兴奋局部兴奋区别区别（三）动作电位的传导（三）动作电位的传导 无髓鞘神经纤维上的传导方式无髓鞘神经纤维上的传导方式 1.1.某一小段纤维受到足够强的外加剌激；某一小段纤维受到足够强的外加剌激；2.2.局部出现膜两侧电位的暂时性倒转；局部出现膜两侧电位的暂时性倒转；3.3.在已兴奋的神经段和相邻的未兴奋神经段之间，电位差的在已兴奋的神经段和相邻的未兴奋神经段之间，电位差的出现而发生电荷移动，称为局部电流出现而发生电荷移动，称为局部电流(local current)(local current)，

43、4.4.方向：巳兴奋的膜部分向未兴奋的膜部分。方向：巳兴奋的膜部分向未兴奋的膜部分。特点特点:直径大的细胞电阻较小传导的速度快。直径大的细胞电阻较小传导的速度快。传导机制传导机制局部电流局部电流+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+神经冲动：神经冲动：神经纤维上传导神经纤维上传导神经纤维神经纤维有髓鞘神经纤维上的传导方式有髓鞘神经纤维上的传导方式 跳跃式传导（跳跃式传导（saltatory conduction）（三）细胞兴奋后兴奋性的变化（三）细胞兴奋后兴奋性的变化细胞在发生一次兴奋后，将经历一系列兴奋性的变化。细胞在发生一次兴奋后，将经历一系列兴奋性的变化。绝对不应

44、期绝对不应期：当出现锋电位的时期内，不能再接受任何强大的刺激而出现新的锋电位，因而也不可能发生两次锋电位的叠加。这一时期称为绝对不应期(absolute refractory period)。处在绝对不应期的细胞，Na+通道是失活状态，细胞兴奋性降低到零。绝对不应期之后的一定时间内，细胞对阈上剌激可发生兴奋。标志着一些失活的Na+通道已开始逐渐复活，细胞兴奋性从无到有逐渐向正常恢复的时期。相对不应期相对不应期(relative refractory period)：超常期：超常期：相对不应期之后，阈下剌激就可引起细胞再兴奋，表明此时的兴奋性轻度的高于正常。膜电位接近静息电位，相当于动作电位的负

45、后电位后期。低常期：低常期：需用阈上剌激才能引起细胞产生动作电位，细胞的兴奋性轻度的低于正常。膜电位处于超极化状态，与阈电位距离加大。动作电位与兴奋性各时期的对应关系是动作电位与兴奋性各时期的对应关系是:峰电位-绝对不应期，负后电位-相对不应期和超常期;正后电位-低常期。分 期 兴 奋 性 原 因 时 间 绝对不应期绝对不应期 钠通道均失活钠通道均失活 0 -60 mV 相对不应期相对不应期 正常正常 少数钠通道复活少数钠通道复活 -60-80 mV 超常期超常期 正常正常 多数钠通道复活多数钠通道复活 -80-90 mV 低常期低常期 正常正常 超极化超极化 -90 mV 1.1.兴奋性变化分期：兴奋性变化分期：2.2.绝对不应期的意义：绝对不应期的意义：其长短决定细胞兴奋的最高频率其长短决定细胞兴奋的最高频率例：绝对不应期例：绝对不应期 2 ms 兴奋的最高频率兴奋的最高频率?1000/2=500 Hz使动作电位不会重合使动作电位不会重合0mV-70-9020绝对不应期绝对不应期相对不应期相对不应期超常期超常期0100兴奋性兴奋性低常期低常期组织组织兴奋后兴奋后其其兴奋性周期性的变化兴奋性周期性的变化