生理学细胞的生物电现象备课讲稿.ppt
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1、生理学细胞的生物电现象(二二)静息电位的产生机制静息电位的产生机制 (离子学说)(离子学说)细胞内外的主要离子浓度细胞内外的主要离子浓度1.相关基础:相关基础:(1)细胞膜两侧离子的细胞膜两侧离子的分布不均分布不均(细胞内(细胞内K+浓度高于细胞外,浓度高于细胞外,细胞外细胞外Na+浓度高于细胞内浓度高于细胞内)。)。(2)细胞膜上钾通道细胞膜上钾通道开放开放,细胞膜对,细胞膜对K+具通透性。具通透性。相关链接:相关链接:(二二)静息电位的产生机制静息电位的产生机制 (离子学说)(离子学说)离子的电离子的电-化学平衡电位化学平衡电位2.静息电位产生的主要机制:静息电位产生的主要机制:(1)K+
2、外流外流:K+顺浓度梯度经钾通道外流,细胞内有机负离子顺浓度梯度经钾通道外流,细胞内有机负离子不能外流而留在膜内侧,形成不能外流而留在膜内侧,形成内负外正内负外正的跨膜电位差;的跨膜电位差;(2)外流的外流的K+在细胞膜外侧建立起在细胞膜外侧建立起正电场正电场,阻碍阻碍K+外流;外流;(3)当促使当促使K+外流的化学驱动力与阻碍外流的化学驱动力与阻碍K+外流的电场驱动力外流的电场驱动力相相等时等时,K+跨膜净通量为跨膜净通量为零零,形成稳定的形成稳定的K+-平衡电位平衡电位(即静即静息电位息电位)(可由可由Nernst公式计算出)。公式计算出)。相关链接:相关链接:细胞静息时的跨膜离子流细胞静
3、息时的跨膜离子流:K+外流外流(主要离子流主要离子流):增大增大电位差电位差;少量的少量的Na+内流内流(明显小于明显小于K+外流外流):减小减小电位差电位差(去极化去极化);钠泵的活动钠泵的活动:生电性作用,生电性作用,增大增大电位差电位差(超极化超极化)。影响静息电位水平的因素影响静息电位水平的因素:膜两侧的膜两侧的K+差值及由此形成的电化学驱动力差值及由此形成的电化学驱动力 膜对膜对K+和和Na+相对通透性;相对通透性;钠泵的生电性作用增强。钠泵的生电性作用增强。二、二、动作电位及其产生机制动作电位及其产生机制(一一)细胞的细胞的动作电位动作电位 动作电位动作电位(Action Pote
4、ntial,AP)可兴奋细胞受可兴奋细胞受阈阈(阈上阈上)刺激刺激后,在静息电位基础上产生的短暂的、可扩布的后,在静息电位基础上产生的短暂的、可扩布的膜膜电位波动电位波动。动作电位是细胞动作电位是细胞兴奋兴奋的的过程过程和和标志标志。动作电位的过程:动作电位的过程:锋电位锋电位上升支上升支(去极相去极相)下降支下降支(复极相复极相)后电位(包括负后电位和正后电位)后电位(包括负后电位和正后电位)动作电位动作电位*其中锋电位是动作电位的主要部分。其中锋电位是动作电位的主要部分。(1)“全全或或无无(all or none)”特性:动作电位要就特性:动作电位要就不一点发生不一点发生,一旦发生即一旦
5、发生即最大幅值最大幅值。如:如:阈下刺激阈下刺激时,时,AP一点也不一点也不产生;产生;阈阈(上上)刺激刺激时,时,AP产生,一产生即达产生,一产生即达最大幅值最大幅值。(2)不衰减不衰减传导性:传导性:AP一旦产生及一旦产生及迅速传播迅速传播至整个细胞,动作至整个细胞,动作 电位的幅度电位的幅度不会不会随传导随传导距离距离增大增大而而衰减。衰减。(3)具有具有不应期:不应期:此期内不会发生新的动作电位,因此动作电此期内不会发生新的动作电位,因此动作电 位总是保持彼此分离而不融合。位总是保持彼此分离而不融合。(单一单一细胞)细胞)动作电位动作电位的的特征特征:绝对不应期绝对不应期相关链接:相关
6、链接:(二二)动作电位动作电位的的产生机制产生机制1.锋电位产生的锋电位产生的主要主要机制机制 (1)上升支上升支:细胞膜对细胞膜对Na+通透性通透性(钠钠电导电导)增大增大,Na+迅速迅速内内流,接近流,接近Na+平衡电位值平衡电位值。相关基础:细胞静息时,相关基础:细胞静息时,Na+具有很强的内向驱动力。具有很强的内向驱动力。细胞膜两侧细胞膜两侧Na+的的浓度梯度浓度梯度(细胞外细胞外K+浓度高于胞质浓度高于胞质);静息电位时,膜外正电场驱使静息电位时,膜外正电场驱使Na+内流。内流。(2)下降支下降支:K+快速快速外外流流,Na+内流内流停止停止。钠通道具有时间依赖性,开放瞬间后即失活关
7、闭;钠通道具有时间依赖性,开放瞬间后即失活关闭;因去极化而使膜电位变为内正外负,阻碍因去极化而使膜电位变为内正外负,阻碍K+外流的力量外流的力量减小,减小,K+外流增强。外流增强。细胞内外的主要离子浓度细胞内外的主要离子浓度相关链接:相关链接:2.动作电位的动作电位的产生过程产生过程 当刺激强度等于或大于阈强度时,引起细胞膜去极化当刺激强度等于或大于阈强度时,引起细胞膜去极化达达阈电位阈电位水平,此时细胞膜上较多钠通道开放,较多水平,此时细胞膜上较多钠通道开放,较多Na+内内流,大于同时发生的流,大于同时发生的K+外流而膜外流而膜去极化去极化,膜的去极化能进,膜的去极化能进一步加大膜中一步加大
8、膜中Na+通道开放的概率,结果使更多通道开放的概率,结果使更多Na+通道开通道开放,更多放,更多Na+内流而造成膜内流而造成膜进一步去极化进一步去极化,如此反复促进,如此反复促进,出现一个使膜上钠通道开放、出现一个使膜上钠通道开放、Na+快速内流与膜去极化之间快速内流与膜去极化之间的的正反馈正反馈过程(过程(Na+内流的再生性循环)内流的再生性循环),直至接近直至接近Na+平衡平衡电位电位,形成动作电位的,形成动作电位的上升支上升支。阈电位阈电位(threshold potential)能诱发膜去极化和钠通能诱发膜去极化和钠通道开放之间出现再生性循环,导致道开放之间出现再生性循环,导致Na+大
9、量迅速内流而爆发大量迅速内流而爆发AP的的膜电位膜电位临界值。临界值。(三三)动作电位的传导动作电位的传导 *细胞细胞任一部位任一部位膜产生的膜产生的AP,都将沿细胞膜都将沿细胞膜不衰减地不衰减地传导至传导至整整个细胞个细胞。传导机制为。传导机制为“局部电流局部电流(local current)”。*兴奋传导过程:已兴奋部位膜与未兴奋部位膜之间出现电兴奋传导过程:已兴奋部位膜与未兴奋部位膜之间出现电位差,引起电荷流动而形成位差,引起电荷流动而形成局部电流局部电流,结果造成未兴奋段膜去结果造成未兴奋段膜去极化,当膜去极化达到极化,当膜去极化达到阈电位水平阈电位水平时,大量激活该处的钠通时,大量激
10、活该处的钠通道而导致动作电位爆发。这样的过程在膜表面连续进行下去,道而导致动作电位爆发。这样的过程在膜表面连续进行下去,导致兴奋在整个细胞的传导。导致兴奋在整个细胞的传导。三、阈下刺激与三、阈下刺激与局部兴奋局部兴奋(local excitation)局部兴奋局部兴奋阈下阈下刺激引起受刺激局部膜的不达阈电位的微弱刺激引起受刺激局部膜的不达阈电位的微弱去极化。去极化。局部兴奋的局部兴奋的特性特性:(具具电紧张电位电紧张电位的特征的特征)(1)刺激依赖性:刺激依赖性:非非“全或无全或无”,随阈下刺激的增强而增大,随阈下刺激的增强而增大;(2)电紧张性扩布电紧张性扩布:仅:仅衰减性衰减性波及波及局部
11、局部膜膜;(3)可总和:可总和:发生发生空间总和空间总和或或时间总和时间总和。动作电位与局部兴奋的主要区别动作电位与局部兴奋的主要区别 动作电位动作电位 局部兴奋局部兴奋 所受刺激所受刺激阈阈或或阈上刺激阈上刺激 阈下刺激阈下刺激膜去极化程度膜去极化程度达阈电位达阈电位 不不达阈电位达阈电位与刺激强度关系与刺激强度关系全或无全或无 正比正比 传播范围传播范围不不衰减性衰减性,可远距传导可远距传导 衰减性扩布局部膜衰减性扩布局部膜可否叠加总和可否叠加总和否否,总保持分离,总保持分离 可空间可空间/时间总和时间总和 五、组织的兴奋和五、组织的兴奋和兴奋性兴奋性(一一)兴奋性和可兴奋组织兴奋性和可兴
12、奋组织兴奋性兴奋性可兴奋细胞对可兴奋细胞对刺激刺激发生发生兴奋兴奋(即即产生产生动作电位动作电位)的的能力能力或特性。或特性。可兴奋细胞可兴奋细胞(组织组织)受刺激后能爆发动作电位的组织细胞,包受刺激后能爆发动作电位的组织细胞,包括神经细胞括神经细胞、肌细胞和、肌细胞和(一些一些)腺细胞。腺细胞。五、组织的兴奋和五、组织的兴奋和兴奋性兴奋性(二二)细胞兴奋过程兴奋性的变化细胞兴奋过程兴奋性的变化 绝对不应期绝对不应期相对不应相对不应期期超常超常期期低常低常期期完全恢复正常。完全恢复正常。*绝对不应期绝对不应期(absolute refractory period,ARP)*定义定义:兴奋性兴奋
13、性消失消失或或极低极低,无论受无论受多强多强刺激刺激,都都不能不能使细胞使细胞兴奋兴奋。*产生机制:大多数产生机制:大多数Na通道处于通道处于失活失活状态。状态。*意义意义:绝对不应期绝对不应期大致大致相当于相当于锋电位锋电位发生的时间;使两次锋电发生的时间;使两次锋电 位位不会叠加不会叠加而分离。而分离。第四节第四节 肌细胞的收缩功能肌细胞的收缩功能学习学习要求要求:1.1.掌握掌握神经神经-肌接头的兴奋传递过程;肌接头的兴奋传递过程;2.2.熟悉熟悉骨骼肌收缩机制及兴奋骨骼肌收缩机制及兴奋-收缩耦联;收缩耦联;3.3.熟悉熟悉骨骼肌收缩形式及影响收缩的因素。骨骼肌收缩形式及影响收缩的因素。
14、骨骼肌的神经骨骼肌的神经-肌接头肌接头骨骼肌的神经骨骼肌的神经-肌接头的结构肌接头的结构相关链接:相关链接:(一)(一)神经神经-肌接头处的兴奋传递肌接头处的兴奋传递动作电位动作电位传到轴突末梢传到轴突末梢轴突膜上钙通道开放,轴突膜上钙通道开放,Ca2+进入轴进入轴突末梢突末梢轴突末梢内轴突末梢内乙酰胆碱乙酰胆碱(ACh)囊泡向接头前膜靠近)囊泡向接头前膜靠近通过通过出胞出胞释放入接头间隙释放入接头间隙ACh通过接头间隙与终板膜通过接头间隙与终板膜上的上的N-型型ACh门控通道门控通道结合结合该门控通道开放该门控通道开放Na+内流内流(为主为主)和和(少量少量)K+外流外流终板膜去极化终板膜去
15、极化,形成形成终板电位终板电位扩扩布形式使邻接的肌细胞膜去极化达阈电位水平布形式使邻接的肌细胞膜去极化达阈电位水平引发肌细引发肌细胞爆发胞爆发动作电位动作电位。ACh发挥作用后立即被接头间隙中和终板膜上的发挥作用后立即被接头间隙中和终板膜上的胆碱酯胆碱酯酶酶水解而迅速清除。水解而迅速清除。相关链接:相关链接:肌肉松弛剂肌肉松弛剂有机磷对肌肉收缩的影响有机磷对肌肉收缩的影响(二)骨骼肌的收缩机制(二)骨骼肌的收缩机制 滑行学说滑行学说(sliding theory)肌肉的缩短是通过肌小节中肌肉的缩短是通过肌小节中细肌丝与粗肌丝相互细肌丝与粗肌丝相互滑行滑行的结果的结果 (其间肌丝本身的长度不变)
16、。其间肌丝本身的长度不变)。骨骼肌细胞的微细结构骨骼肌细胞的微细结构相关链接:相关链接:粗肌丝粗肌丝 由肌球蛋白组成,上由肌球蛋白组成,上有横桥有横桥 细肌丝细肌丝 由原肌球蛋白、肌动由原肌球蛋白、肌动蛋白、肌钙蛋白组成蛋白、肌钙蛋白组成 横桥周期:横桥周期:横桥头部横桥头部处于垂直于细肌丝的处于垂直于细肌丝的高势能高势能状态状态,受受原肌球蛋白原肌球蛋白阻碍阻碍,不能不能与与肌动蛋白肌动蛋白结合。结合。胞质胞质Ca2+升高时升高时,肌钙蛋白与肌钙蛋白与Ca2+结合结合变构变构原肌球原肌球蛋白变构蛋白变构移位移位肌动蛋白肌动蛋白活化位点活化位点暴露暴露与横桥与横桥结合结合。横桥头部摆动横桥头部
17、摆动利用原贮存的能量利用原贮存的能量拖动细肌丝向拖动细肌丝向M线线滑行滑行肌节肌节缩短缩短肌肉收缩。肌肉收缩。横桥头部结合横桥头部结合ATP 与肌动蛋白与肌动蛋白解离解离横桥头部迅速将横桥头部迅速将ATP分解分解横桥横桥恢复恢复垂直于细肌丝的垂直于细肌丝的高势能高势能状态状态(即恢复至即恢复至)。(三)骨骼肌的(三)骨骼肌的兴奋兴奋-收缩收缩耦联耦联 兴奋兴奋-收缩耦联收缩耦联(excitationexcitation-contraction contraction coupling)coupling)将将电兴奋电兴奋和和机械收缩机械收缩联系起来的联系起来的中介中介过程。过程。兴奋兴奋-收缩耦
18、联的三个步骤:收缩耦联的三个步骤:(1)(1)肌细胞兴奋,肌膜肌细胞兴奋,肌膜去极化去极化,APAP沿横管膜传至肌细胞内部。沿横管膜传至肌细胞内部。(2)(2)横管膜去极化引起横管膜去极化引起L L型钙通道型钙通道位移,导致变构,使终末池膜位移,导致变构,使终末池膜上上Ca2+通道通道开放开放,CaCa2+2+流入胞质流入胞质,胞质胞质CaCa2+2+升高。升高。(胞质胞质CaCa2+2+升高,导致升高,导致肌肉收缩肌肉收缩)。(3)(3)肌质网膜肌质网膜钙泵被激活钙泵被激活,将胞质中的,将胞质中的CaCa2+2+回收入肌质网,胞质回收入肌质网,胞质CaCa2+2+下降。下降。(胞质胞质CaC
19、a2+2+下降,导致下降,导致肌肉舒张肌肉舒张)。肌丝滑行运动运动N元元兴奋兴奋NM接头兴奋接头兴奋传递传递兴奋-收缩耦联肌肉收缩轴突末梢轴突末梢Ca2+内流内流AP传至轴突末梢传至轴突末梢轴突末梢以出胞方式释放轴突末梢以出胞方式释放ACh终板膜终板膜Na+内流内流ACh与终板膜上与终板膜上受体受体结合结合骨骼肌细胞膜爆发骨骼肌细胞膜爆发AP(兴奋兴奋)终板膜终板膜去极化去极化(终板电位终板电位)肌膜肌膜Na+通道开放通道开放,钠内流钠内流肌丝滑行运动运动N元元兴奋兴奋NM接头兴奋接头兴奋传递传递兴奋-收缩耦联肌肉收缩AP沿肌膜和沿肌膜和横管膜横管膜传播传播骨骼肌细胞膜爆发骨骼肌细胞膜爆发AP
20、(兴奋兴奋)三联管结构处信息传递三联管结构处信息传递肌质网内肌质网内Ca2+扩散入胞质扩散入胞质,胞质胞质Ca2+肌质网膜上肌质网膜上RYR(钙通道钙通道)开放开放肌丝滑行运动运动N元元兴奋兴奋NM接头兴奋接头兴奋传递传递兴奋-收缩耦联肌肉收缩 Ca2+与肌钙蛋白结合与肌钙蛋白结合原肌球蛋白变构、移位原肌球蛋白变构、移位 胞质胞质Ca2+横桥与肌动蛋白结合而被激活横桥与肌动蛋白结合而被激活 横桥摆动,拖动细肌丝滑行横桥摆动,拖动细肌丝滑行 肌小节缩短肌小节缩短二、骨骼肌收缩的形式和影响骨骼肌二、骨骼肌收缩的形式和影响骨骼肌收缩收缩的因素的因素 (一)骨骼肌收缩的形式(一)骨骼肌收缩的形式 1.
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