细胞的生物电现象bioelectricphenomenonofcell掌握.pptx

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1、会计学1细胞的生物电现象细胞的生物电现象bioelectricphenomenonofcell掌握掌握一、组织的兴奋和兴奋性一、组织的兴奋和兴奋性一、组织的兴奋和兴奋性一、组织的兴奋和兴奋性一、组织的兴奋和兴奋性一、组织的兴奋和兴奋性(P33)(P33)(P33)(P33)(P33)(P33)Excitation&excitability of tissueExcitation&excitability of tissueExcitation&excitability of tissue (一一一一)刺激和反应刺激和反应刺激和反应刺激和反应 1.1.1.1.刺激刺激刺激刺激stimulatio

2、nstimulation：细胞和细胞和细胞和细胞和组织所处的组织所处的组织所处的组织所处的 内外环境的变化。内外环境的变化。内外环境的变化。内外环境的变化。刺激的刺激的刺激的刺激的形式形式形式形式：物理物理物理物理 化学化学化学化学 机械等机械等机械等机械等 刺激的刺激的刺激的刺激的三要素三要素三要素三要素：强度；持强度；持强度；持强度；持续时间；强续时间；强续时间；强续时间；强 度度度度-时间变化率时间变化率时间变化率时间变化率(方波刺激方波刺激方波刺激方波刺激时不变时不变时不变时不变)阈强度阈强度阈强度阈强度(阈值阈值阈值阈值)threshold threshold intensityin

3、tensity (valuevalue):刺激的刺激的刺激的刺激的持续时间持续时间持续时间持续时间固定固定固定固定,引起引起引起引起 细胞或组织发生反应细胞或组织发生反应细胞或组织发生反应细胞或组织发生反应(产生产生产生产生APAPAPAP)的最小的最小的最小的最小 刺激强度刺激强度刺激强度刺激强度 第1页/共38页 阈刺激阈刺激threshold stimulus:具有具有阈强阈强 度度的刺激的刺激 2.2.反应反应response:可兴奋组织可兴奋组织或细胞对刺或细胞对刺 激所发生的应答。激所发生的应答。兴奋兴奋excitation 抑制抑制inhibition(二二)可兴奋细胞或组织和兴

4、奋性可兴奋细胞或组织和兴奋性 1.1.可兴奋细胞或组织可兴奋细胞或组织excitable cell or tissue:受刺激后能产生反受刺激后能产生反应应(即即AP)的的 细胞或组织。神经、肌肉、细胞或组织。神经、肌肉、腺体的细腺体的细 胞或组织属于此类。胞或组织属于此类。第2页/共38页2.2.2.2.2.2.兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性 excitabilityexcitabilityexcitability:可兴奋组织、细胞对刺激发生可兴奋组织、细胞对刺激发生可兴奋组织、细胞对刺激发生可兴奋组织、细胞对刺激发生反应反应反应反应(即即即即产生产生产生产生 动作电位动作电位动作电位

5、动作电位)的能力。的能力。的能力。的能力。衡量兴奋性高低的指标衡量兴奋性高低的指标衡量兴奋性高低的指标衡量兴奋性高低的指标阈阈阈阈值值值值 ExcitabilityExcitability 阈上刺激阈上刺激阈上刺激阈上刺激 supraliminal supraliminal stimulusstimulus 阈下刺激阈下刺激阈下刺激阈下刺激 subthreshold subthreshold stimulusstimulus1 1 1 1threshold intensity threshold intensity 第3页/共38页二、细胞膜的被动电学特性二、细胞膜的被动电学特性1.平行板电容

6、器平行板电容器:细胞膜脂质双层将细胞内外细胞膜脂质双层将细胞内外 液隔开液隔开,类似于平行板电容器。类似于平行板电容器。2.细胞膜电学特性细胞膜电学特性:细胞膜细胞膜具有具有膜电容膜电容Cm:较大，约较大，约1F/cm2膜电阻膜电阻Rm:可变可变,与通道及转运体数目有关与通道及转运体数目有关；Rm倒数倒数即即膜电导膜电导Gm=带电离子通透性带电离子通透性细胞膜通道开放细胞膜通道开放带电离子跨膜移动带电离子跨膜移动相相 当于电容器充电或放电当于电容器充电或放电可产生电位差可产生电位差即即 跨膜电位跨膜电位 transmembrane potential,Em因此因此电学特性可用电学特性可用并联的

7、阻容耦合电路并联的阻容耦合电路来描述来描述第4页/共38页3.3.3.3.电紧张电位电紧张电位电紧张电位电紧张电位electrotonic potentialelectrotonic potential 随距刺激原点距离的增加而膜电随距刺激原点距离的增加而膜电随距刺激原点距离的增加而膜电随距刺激原点距离的增加而膜电位呈指数衰减的电位变化称位呈指数衰减的电位变化称位呈指数衰减的电位变化称位呈指数衰减的电位变化称电紧张电紧张电紧张电紧张电位。电位。电位。电位。该电位是由膜的固有电学特性决该电位是由膜的固有电学特性决该电位是由膜的固有电学特性决该电位是由膜的固有电学特性决定的定的定的定的,其产生过程

8、中没有离子通道的其产生过程中没有离子通道的其产生过程中没有离子通道的其产生过程中没有离子通道的激活激活激活激活,也无膜电导的改变。也无膜电导的改变。也无膜电导的改变。也无膜电导的改变。第5页/共38页三、静息电位及其产生机制三、静息电位及其产生机制(P24)(一一)静息电位静息电位Resting potential，RP 细胞在未受刺激时细胞在未受刺激时(静息状态下静息状态下),存在于细存在于细胞膜内外的电位差胞膜内外的电位差。第6页/共38页1.在微电极尖刚插入膜内的瞬间在微电极尖刚插入膜内的瞬间,记录仪器显记录仪器显 现一个突然的电位跃变；现一个突然的电位跃变；2.静息电位是一个稳定的直流

9、电位；静息电位是一个稳定的直流电位；3.范围范围:-10mV-100mV(随细胞种类而不同随细胞种类而不同);极化极化(polarization):):外正内负外正内负 去极化去极化(depolarization):):|RP|RP|值减小值减小 超极化超极化(hyperpolarization):):|RP|RP|值增大值增大 反极化反极化(reversepolarization):):去极到正值去极到正值 复极化复极化(repolarization):):去极后向去极后向RPRP恢复恢复 超射超射(overshoot):):膜电位高于膜电位高于0 0电位部分电位部分第7页/共38页(二二)

10、静息电位产生机制静息电位产生机制1.1.生物电活动的基础生物电活动的基础:钠泵活动造钠泵活动造成膜内外离子不均衡分布成膜内外离子不均衡分布:胞外胞外NaNa+胞内胞内NaNa+,胞内胞内KK+胞胞外外KK+2.2.离子扩散与离子平衡电位：离子扩散与离子平衡电位：扩散驱动力：浓度差和电位差扩散驱动力：浓度差和电位差 膜通透性：安静状态下膜通透性：安静状态下,膜主膜主要对要对K K+通透通透 扩散平衡：电位差扩散平衡：电位差=浓度差浓度差,驱驱动力动力=0 0 根据根据NernstNernst公式可计算出离子公式可计算出离子平衡电位平衡电位第8页/共38页 钠平衡电位钠平衡电位(+50+70mV)

11、离子平衡电位离子平衡电位 ion equilibrium potential 钾平衡电位钾平衡电位(-90-100mV)第9页/共38页离子平衡电位计算公式离子平衡电位计算公式NernstNernst方程：方程：(环境温度为环境温度为2727时，教材为时，教材为29.229.2)K+oEK=59.5 log(mV)K+i 第10页/共38页膜主要对膜主要对膜主要对膜主要对K K K K+通透通透通透通透细胞内外细胞内外细胞内外细胞内外K K K K+势能差势能差势能差势能差K K K K+经通道易化扩散经通道易化扩散经通道易化扩散经通道易化扩散扩散出的扩散出的扩散出的扩散出的K K K K+形

12、成阻形成阻形成阻形成阻碍碍碍碍K K K K+继续扩散的电继续扩散的电继续扩散的电继续扩散的电场力场力场力场力K K K K+的浓度差动力和的浓度差动力和的浓度差动力和的浓度差动力和电场力阻力平衡电场力阻力平衡电场力阻力平衡电场力阻力平衡静息电位静息电位静息电位静息电位Resting Potential:第11页/共38页NernstNernst公式公式公式公式(环境温度为环境温度为环境温度为环境温度为27272727时时时时)E EKK=59.5 log=59.5 log(mVmV)RPRP相当于相当于E EK K，但实测值总是小，但实测值总是小于于NernstNernst公式的计算值，原因

13、是静息公式的计算值，原因是静息时，细胞膜对时，细胞膜对NaNa+等离子也存在一定等离子也存在一定的通透性的通透性 K+o K+i第12页/共38页影响影响RPRP因素因素：胞内、外的胞内、外的 K+:K+o与与 K+i的差值决定的差值决定EK，K+o EK 膜对膜对K+、Na+通透性通透性:K+的通透性的通透性,则则RP,更趋向于更趋向于EK Na+的通透性的通透性,则则RP,更趋向于更趋向于ENa Na+-K+泵的活动水平泵的活动水平Resting Potential第13页/共38页四、动作电位及其产生机制四、动作电位及其产生机制(一一)动作电位动作电位Action potential,A

14、P 1.在在RP基础上，细胞受到一个适当基础上，细胞受到一个适当(不不 小于小于阈值阈值)刺激时，其膜电位所发生的刺激时，其膜电位所发生的 一次一次可扩布、可扩布、迅速的、短暂的波动。迅速的、短暂的波动。实质：实质：是膜电位在是膜电位在RP基础上发生的一基础上发生的一 次次可扩布、可扩布、快速的倒转和复原；是细胞快速的倒转和复原；是细胞 兴奋的本质表现。兴奋的本质表现。第14页/共38页2.动作电位的波形动作电位的波形:第15页/共38页升支升支(去极化相去极化相)降支降支(复极化相复极化相)锋电位锋电位 spike potential 后电位后电位 负后电位负后电位 negative aft

15、er-potential 正后电位正后电位 positive after-potential第16页/共38页 1.离子跨膜流动的电化学驱动力离子跨膜流动的电化学驱动力 电化学驱动力电化学驱动力=E Em-E E离子离子 =*动力动力为负值时为负值时：推动正电荷流入胞推动正电荷流入胞(内向内向 电流电流 inward current,如如Na+,Ca2+内流内流)*动力动力为正值时为正值时：推动正电荷出胞推动正电荷出胞(外向电外向电 流流outward current,如如K+外流外流,Cl-内流内流)RP条件下条件下，Na+受到很强的内向驱动力受到很强的内向驱动力(二二)动作电位的产生机制动

16、作电位的产生机制 Na+=-130mV K+=+20mV第17页/共38页2.2.2.2.动作电位期间动作电位期间动作电位期间动作电位期间GGmm的变化的变化的变化的变化 用电压钳用电压钳(voltage clamp,固定固定膜电位膜电位,测量膜电流测量膜电流)技术的研究技术的研究结果表明结果表明:动作电位期间动作电位期间,膜膜GNa首先增加首先增加,随即又衰减随即又衰减,在其衰减的同时在其衰减的同时GK增大。增大。第18页/共38页3.3.Gm变化的机制是离子通道的活动变化的机制是离子通道的活动 膜片钳膜片钳(patch clamp):钳制一小片膜，钳制一小片膜，记录单个通道离子电流的技术。

17、记录单个通道离子电流的技术。膜膜片片钳钳技技术术第19页/共38页用膜片钳技术研究的用膜片钳技术研究的结果说明结果说明：膜电导变膜电导变化的实质是实质是膜上化的实质是实质是膜上离子通离子通道随机开放道随机开放和关闭和关闭的总和效应的总和效应第20页/共38页AP期间的离子通道期间的离子通道ion channels活动：活动：膜片钳的实验研究表明，膜片钳的实验研究表明，AP期间有期间有两种离子通道活动：两种离子通道活动：NaNa+通道：通道特异性阻断剂通道：通道特异性阻断剂 河豚毒河豚毒(tetrodotoxin,TTX)K K+通道：通道特异性阻断剂通道：通道特异性阻断剂 四乙铵四乙铵(tet

18、raethylammonium,TEA)第21页/共38页刺激后刺激后刺激后刺激后,膜对膜对膜对膜对NaNaNaNa+通透通透通透通透 膜内外膜内外膜内外膜内外NaNaNaNa+势能势能势能势能贮备贮备贮备贮备 NaNaNaNa+经通道易化经通道易化经通道易化经通道易化扩散扩散扩散扩散扩散的扩散的扩散的扩散的NaNaNaNa+抵消膜抵消膜抵消膜抵消膜内内内内负电位负电位负电位负电位,形成正电形成正电形成正电形成正电位位位位直至正电位增加直至正电位增加直至正电位增加直至正电位增加到足以对抗由浓到足以对抗由浓到足以对抗由浓到足以对抗由浓度差所致的度差所致的度差所致的度差所致的NaNaNaNa+内内

19、内内流流流流Action Potential：APAP的超射值等于的超射值等于NaNa+平衡电位平衡电位(+50+70mV)第22页/共38页NaNaNaNa+通通通通道道道道去极去极去极去极化化化化激活激活激活激活失活失活失活失活恢复恢复恢复恢复Action Potential：升支升支NaNa+通道激活开放通道激活开放,Na,Na+内流形成内流形成APAP上升支上升支第23页/共38页Action Potential:降支降支K K+通道激活开放通道激活开放,K,K+外流形成外流形成APAP下降支下降支K K+通道通道关闭关闭激活激活第24页/共38页 小结小结小结小结APAP的形成的离子

20、基础的形成的离子基础的形成的离子基础的形成的离子基础：升支升支:Na+内流；内流；降支降支:K+外流；外流；静息水平静息水平:Na+-K+泵活动泵活动,离子离子恢复静息恢复静息 时的分布状态；时的分布状态；负后电位负后电位(后去极化后去极化后去极化后去极化,after depolarizationafter depolarization):复极复极 时时外流外流的的K+蓄积在膜外蓄积在膜外,阻碍了阻碍了K+外流；外流；正后电位正后电位(后超极化后超极化后超极化后超极化,after after hyperpolarizationhyperpolarization):生生 电性钠泵作用的结果电性钠

21、泵作用的结果第25页/共38页AP的特点的特点：“全或无全或无全或无全或无”all or noneall or none：幅度不随幅度不随幅度不随幅度不随 刺激强度增加而增大刺激强度增加而增大刺激强度增加而增大刺激强度增加而增大 可传播性可传播性可传播性可传播性:不减衰传导不减衰传导不减衰传导不减衰传导(幅度波形不变幅度波形不变幅度波形不变幅度波形不变)有不应期有不应期有不应期有不应期:因而因而因而因而锋电位之间不发生锋电位之间不发生锋电位之间不发生锋电位之间不发生 融合或叠加融合或叠加融合或叠加融合或叠加第26页/共38页4.动作电位的引起动作电位的引起(1)(1)(1)(1)局部兴奋及其向

22、锋电位的转变局部兴奋及其向锋电位的转变局部兴奋及其向锋电位的转变局部兴奋及其向锋电位的转变 阈下弱刺激阈下弱刺激阈下弱刺激阈下弱刺激电紧张电位电紧张电位电紧张电位电紧张电位刺激稍刺激稍刺激稍刺激稍加强加强加强加强去极化电紧张电位去极化电紧张电位去极化电紧张电位去极化电紧张电位少量少量少量少量NaNaNaNa+通通通通道开放道开放道开放道开放,少量少量少量少量NaNaNaNa+内流内流内流内流被被被被K K K K+外流抵消外流抵消外流抵消外流抵消 不能发展成不能发展成不能发展成不能发展成APAPAPAP只能与电紧张电位只能与电紧张电位只能与电紧张电位只能与电紧张电位叠加叠加叠加叠加局部反应局部

23、反应局部反应局部反应(local responselocal response)。因此，因此，因此，因此，局部反应是阈下刺激在受刺局部反应是阈下刺激在受刺局部反应是阈下刺激在受刺局部反应是阈下刺激在受刺激的膜的局部引起的一个较小的去极激的膜的局部引起的一个较小的去极激的膜的局部引起的一个较小的去极激的膜的局部引起的一个较小的去极化反应。又称局部兴奋或局部电位化反应。又称局部兴奋或局部电位化反应。又称局部兴奋或局部电位化反应。又称局部兴奋或局部电位 (local excitation or potentiallocal excitation or potential)第27页/共38页刺激强度增

24、加刺激强度增加刺激强度增加刺激强度增加较多较多较多较多NaNaNaNa+通道开放通道开放通道开放通道开放,较多较多较多较多NaNaNaNa+内流内流内流内流当刺激强度使膜去极当刺激强度使膜去极当刺激强度使膜去极当刺激强度使膜去极化程度达化程度达化程度达化程度达某一临界膜电位某一临界膜电位某一临界膜电位某一临界膜电位(阈电位阈电位阈电位阈电位)时时时时NaNaNaNa+内流内流内流内流 K K K K+外流外流外流外流膜发生更强膜发生更强膜发生更强膜发生更强的去极化的去极化的去极化的去极化从而使更多从而使更多从而使更多从而使更多NaNaNaNa+通道开放通道开放通道开放通道开放和和和和NaNaN

25、aNa+内流内流内流内流(形成形成形成形成NaNaNaNa+通道激活对膜去通道激活对膜去通道激活对膜去通道激活对膜去极化的正反馈极化的正反馈极化的正反馈极化的正反馈)直至接近直至接近直至接近直至接近E ENa Na APAPAPAP第28页/共38页局部电位局部电位及其向锋电位的转变及其向锋电位的转变第29页/共38页(2)(2)阈电位阈电位 threshold potential，TP 能引起大量能引起大量NaNa+通道开放和通道开放和NaNa+内流并形内流并形成成NaNa+通道激活对膜去极化的正反馈过程进通道激活对膜去极化的正反馈过程进而诱发动作电位的而诱发动作电位的临界膜电位临界膜电位值

26、。值。阈电位一般比阈电位一般比RP小小1020mV。如神经细胞如神经细胞RP=-70mV，TP-55mV 达到阈电位后达到阈电位后,APAP幅度幅度只取决于膜电位只取决于膜电位去极化程度、去极化程度、NaNa+通道和通道和NaNa+电流之间的正反电流之间的正反馈过程，而与外加刺激强度无关。馈过程，而与外加刺激强度无关。第30页/共38页(3)局部局部反应反应Local response 阈下阈下刺激因强度较弱而不能使膜的去极化达刺激因强度较弱而不能使膜的去极化达到阈电位，不能触发到阈电位，不能触发APAP，但可引起局部反应，但可引起局部反应。局部反应的特征：局部反应的特征：非非“全或无全或无”

27、：反应幅度随刺激强度的增大而：反应幅度随刺激强度的增大而 增大增大在在局部局部形成形成电紧张性扩布电紧张性扩布可以总和可以总和:空间总和空间总和 spatial summation 时间总和时间总和 temporal summation 第31页/共38页Local Potential：（1）肌细胞的终板电位肌细胞的终板电位EPPEPP（2）感受器细胞的感受器电位感受器细胞的感受器电位（3）N N元突触的突触后电位元突触的突触后电位第32页/共38页1.1.无髓鞘神经纤维无髓鞘神经纤维无髓鞘神经纤维无髓鞘神经纤维APAPAPAP传导机制传导机制传导机制传导机制 局部电流局部电流局部电流局部电流

28、local local currentcurrent 传导速度传导速度传导速度传导速度:轴突直径、电阻、钠轴突直径、电阻、钠轴突直径、电阻、钠轴突直径、电阻、钠通道密度通道密度通道密度通道密度2.2.有髓鞘神经纤维有髓鞘神经纤维有髓鞘神经纤维有髓鞘神经纤维APAPAPAP传导机制传导机制传导机制传导机制 局部电流发生在郎局部电流发生在郎局部电流发生在郎局部电流发生在郎飞结飞结飞结飞结 间的跳跃式传导间的跳跃式传导间的跳跃式传导间的跳跃式传导 saltatory saltatory conductionconduction(三三)动作电位在同一细胞上动作电位在同一细胞上的传导的传导的传导的传导第

29、33页/共38页无髓鞘神经纤维无髓鞘神经纤维APAP传导传导:第34页/共38页跳跃式传导：跳跃式传导：提速、节能提速、节能有髓鞘神经纤维有髓鞘神经纤维APAP传导：传导：第35页/共38页(四四)细胞一次兴奋后兴奋性的周期性变化细胞一次兴奋后兴奋性的周期性变化绝对不应期绝对不应期绝对不应期绝对不应期(相当于锋电位相当于锋电位相当于锋电位相当于锋电位)absolute refractory periodabsolute refractory period 兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性=0 Na0 Na0 Na0 Na+通道全部关闭通道全部关闭通道全部关闭通道全部关闭相对不应期相对不应期相对不应期相

30、对不应期(相当于负后电位相当于负后电位相当于负后电位相当于负后电位)relative refractory periodrelative refractory period 正常正常正常正常 兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性 0 Na0 Na0 Na0 Na+通道渐恢复通道渐恢复通道渐恢复通道渐恢复 超常期超常期超常期超常期(相当于负后电位相当于负后电位相当于负后电位相当于负后电位)supranormal periodsupranormal period 兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性 正常正常正常正常 NaNaNaNa+通道恢复通道恢复通道恢复通道恢复 低常期低常期低常期低常期(相当于正后电位相当于正后电位相当于正后电位相当于正后电位)subnormal periodsubnormal period 兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性 兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性0000超常期：超常期：超常期：超常期：兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性 正常正常正常正常 低常期：低常期：低常期：低常期：兴奋性兴奋性兴奋性兴奋性 正常正常正常正常 兴奋性的周期性变化兴奋性的周期性变化第37页/共38页