第三章神經(jīng)元興奮和傳導(dǎo)-人體與動(dòng)物生理學(xué)

第一節(jié)細(xì)胞膜的電生理細(xì)胞膜電位：脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成絕緣層，細(xì)胞膜內(nèi)、外帶電離子的不均等分布，使細(xì)胞膜兩側(cè)產(chǎn)生了一定的電位差。

細(xì)胞膜的生物電現(xiàn)象：細(xì)胞膜受刺激后產(chǎn)生的電化學(xué)性質(zhì)的變化。

第一頁(yè)，共49頁(yè)。靜息電位和動(dòng)作電位的離子基礎(chǔ)

(生物電現(xiàn)象的離子學(xué)說(shuō))靜息狀態(tài)靜息電位

興奮狀態(tài)動(dòng)作電位第二頁(yè)，共49頁(yè)。細(xì)胞生物電活動(dòng)的產(chǎn)生主要是由于

帶電離子跨膜分布的不均衡性[Na+]o＞[Na+]i≈10∶1,[K+]i＞[K+]o≈30∶1細(xì)胞膜在不同條件下對(duì)離子通透性的變化

Twocharacteristicsofcellscontributetotheirabilitytomaintainthiselectricalpotential.First,differenttypesofionsareunequallydistributedacrossthecellmembrane.Second,thecellmembraneisdifferentiallypermeabletoions.

第三頁(yè)，共49頁(yè)。靜息電位(RestingPotential,RP)概念：細(xì)胞未受刺激時(shí)，即處于“靜息”狀態(tài)下存在于細(xì)胞膜兩側(cè)的電位差。膜內(nèi)較負(fù)，哺乳動(dòng)物神經(jīng)和肌肉細(xì)胞為-50~-100mVIntherestingstateandwithoutstimulation,cellsmaintainanegativeelectricalpotentialinsideinrelativetotheoutside.一、靜息膜電位的形成和維持第四頁(yè)，共49頁(yè)。0+

-BA細(xì)胞細(xì)胞膜微電極電位計(jì)第五頁(yè)，共49頁(yè)。0+

-BA++++++++--------+++---+++---++++++++--------++++++++---------90mV0mV0mV本實(shí)驗(yàn)提示:1.跨膜有電位差2.膜內(nèi)低于膜外3.穩(wěn)定直流電位第六頁(yè)，共49頁(yè)。極化：活細(xì)胞的細(xì)胞膜膜內(nèi)外存在電位差的現(xiàn)象。生理學(xué)中將細(xì)胞膜外側(cè)的電位定為0電位，大多動(dòng)物神經(jīng)纖維、各種肌細(xì)胞的膜電位-50—-100mV的直流電位，表現(xiàn)為膜內(nèi)為負(fù)，膜外為正。第七頁(yè)，共49頁(yè)。靜息膜電位形成的基礎(chǔ)：Na+、K+等關(guān)鍵離子在細(xì)胞膜內(nèi)外的不均等分布及選擇性透膜移動(dòng)。電擴(kuò)散：離子的跨膜滲透，與①膜內(nèi)外離子的濃度、②跨膜電勢(shì)差、③某離子的滲透系數(shù)等因素有關(guān)。離子運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性法則——每種離子的跨膜運(yùn)動(dòng)都是相互獨(dú)立的靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制:第八頁(yè)，共49頁(yè)。表3-1哺乳動(dòng)物骨骼肌細(xì)胞內(nèi)外離子濃度和電位————————————————————————離子細(xì)胞外液胞質(zhì)平衡電位(mmol/L)(mmol/L)(mV)————————————————————————Na+14512+65

K+4155-95Cl-120.3.8-90A-0155________________________________________________A-代表帶負(fù)電荷的有機(jī)大分子第九頁(yè)，共49頁(yè)。（一）K+的擴(kuò)散對(duì)膜電位的作用：K+平衡電位

條件：

①靜息狀態(tài)下膜內(nèi)、外離子分布不均衡[Na+]o＞[Na+]i≈10∶1,[K+]i＞[K+]o≈30∶1②靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜對(duì)離子的通透性具有選擇性:K+

通透性大而Na+基本不通透

第十頁(yè)，共49頁(yè)。機(jī)制：

膜內(nèi)K+濃度高于膜外，安靜時(shí)膜對(duì)K+通透性大，K+順濃度差外流，而細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)負(fù)離子不能透出細(xì)胞，便產(chǎn)生了內(nèi)負(fù)外正的電位差。當(dāng)促進(jìn)K+向外移動(dòng)的化學(xué)力（K+的擴(kuò)膜濃度梯度）與阻止K+向外移動(dòng)的電場(chǎng)力（跨膜電位梯度）達(dá)到平衡時(shí)，則K+的凈通透量等于零，此時(shí)的電位差稱為K+的平衡電位，等于靜息電位。

第十一頁(yè)，共49頁(yè)。++++++A-A-A-A-A-++++++++A-A-+++++++++++++++A-A-＋+++++++－K+順濃度差(化學(xué)驅(qū)動(dòng)力)跨膜外流,

建立起內(nèi)負(fù)外正的跨膜電位。第十二頁(yè)，共49頁(yè)。++++++A-A-A-A-A-++++++++A-A-+++++++++++++++A-A-＋+++++++

當(dāng)促使K+外流力與阻止K+外流力平衡時(shí),

即,K+的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力為零時(shí),K+的凈通量為零

→K+平衡電位(RP)第十三頁(yè)，共49頁(yè)。大量實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)細(xì)胞外的K+濃度降低時(shí)，靜息電位增大；膜外K+濃度增高時(shí)，靜息電位減小，而改變Na+濃度對(duì)其無(wú)明顯影響，說(shuō)明靜息電位主要是由K+的平衡電位決定的。若知道K+在胞內(nèi)外分布的濃度，可以利用Nernst方程來(lái)計(jì)算靜息膜電位。第十四頁(yè)，共49頁(yè)。Nernst公式(1889):RTEX=——log——ZF[X+]i[X+]o簡(jiǎn)化公式：EX=61

log——(mV)[X+]i[X+]o如哺乳動(dòng)物骨骼肌細(xì)胞:[K+]i

:155mmol/L,[K+]o:4mmol/L,則——≈0.026,log——=-1.59Ek=61-1.59≈-95(mV)

[K+]i[K+]o[K+]i[K+]o第十五頁(yè)，共49頁(yè)。假定膜僅對(duì)Na+通透，膜外Na+流向膜內(nèi)，建立起膜內(nèi)為正、膜外為負(fù)的平衡電位，其值為+60mV，幅度小于K+的平衡電位。（二）、Na+的擴(kuò)散對(duì)膜電位的作用第十六頁(yè)，共49頁(yè)。在活細(xì)胞中，K+、Na+是共同對(duì)膜電位的形成發(fā)揮作用的。但在靜息狀態(tài)下，K+通透性是Na+50-75倍。相對(duì)較大量K+的凈外流建立了一個(gè)-90mV的膜電位，相對(duì)少的Na+內(nèi)流部分消除或中和了K+的平衡電位，這時(shí)的靜息膜電位為-70mV。（三）、K+和Na+對(duì)膜電位的協(xié)同作用第十七頁(yè)，共49頁(yè)。靜息狀態(tài)下，K+和Na+的擴(kuò)散時(shí)刻在進(jìn)行，但胞內(nèi)K+濃度沒(méi)有持續(xù)下降，

Na+濃度也沒(méi)有持續(xù)增加，為什么？K+-Na+泵的作用：將胞內(nèi)Na+泵出，將胞外K+泵入，從而抵消了兩種離子的膜滲漏通量。（四）、K+-Na+泵和靜息膜電位的維持第十八頁(yè)，共49頁(yè)。

總結(jié):

①由于膜內(nèi)外存在不同的離子濃度，膜對(duì)這些離子具有不同的通透性，導(dǎo)致了靜息電位的形成；②靜息狀態(tài)時(shí)，所有被動(dòng)通透力與主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的力平衡，使膜電位保持恒定不變。

第十九頁(yè)，共49頁(yè)。二、細(xì)胞膜動(dòng)作電位(ActionPotential,AP)概念：指各種可興奮細(xì)胞受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜在靜息電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的快速、可逆的電位變化，包括去極化、復(fù)極化等環(huán)節(jié)。Theactionpotentialisarapiddepolarizationofthemembranepotential,whichcanbepropagatedoverthesurfaceofthecell.第二十頁(yè)，共49頁(yè)。刺激：能引起生物機(jī)體活動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的各種環(huán)境因子。反應(yīng)：由刺激而引起的機(jī)體活動(dòng)狀態(tài)的改變。興奮和抑制1.刺激與反應(yīng)(stimulusandresponse)（一）細(xì)胞的興奮和閾刺激第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。2.興奮和興奮性(excitationandexcitability)興奮：活組織因刺激而產(chǎn)生動(dòng)作電位的過(guò)程興奮性：可興奮組織受到有效刺激時(shí)，具有發(fā)生興奮即產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力。第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。3、引起興奮的主要條件

一定的刺激強(qiáng)度一定的刺激作用時(shí)間強(qiáng)度-時(shí)間變化率(dV/dt)

閾強(qiáng)度——?jiǎng)偰芤鸾M織興奮的刺激強(qiáng)度閾刺激——達(dá)到閾強(qiáng)度的有效刺激閾上刺激——高于閾強(qiáng)度的刺激閾下刺激——低于閾強(qiáng)度的刺激注：閾值可以作為衡量細(xì)胞和組織興奮性的指標(biāo)，但并非固定參數(shù)第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。衡量興奮性的指標(biāo)閾值（閾強(qiáng)度）閾強(qiáng)度高，興奮性低；閾強(qiáng)度低，興奮性高。第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。極化(polarization)：膜內(nèi)外兩側(cè)電位維持內(nèi)負(fù)外正的穩(wěn)定狀態(tài)。去極化或除極化(depolarization)：膜內(nèi)負(fù)電位減小甚至由負(fù)轉(zhuǎn)正的過(guò)程。

反極化超射(overshoot)：膜電位發(fā)生反轉(zhuǎn)的部分。復(fù)極化(repolarization)：去極化后，再向靜息電位水平恢復(fù)的過(guò)程。超極化(hyperpolarization)：膜內(nèi)負(fù)電位增大的過(guò)程。（二）分級(jí)電位和動(dòng)作電位1、幾個(gè)概念第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。2、分級(jí)電位首先給細(xì)胞一個(gè)較小的刺激，然后不斷增大刺激強(qiáng)度，所形成的電位幅值也會(huì)逐步由小變大，將這種具有不同幅值的電位稱為分級(jí)電位。分級(jí)電位特征：振幅隨擴(kuò)散距離的增大而減小，故只能在較小的范圍內(nèi)作短距離的擴(kuò)散。第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。3.動(dòng)作電位給細(xì)胞膜一個(gè)較強(qiáng)的刺激，胞膜將產(chǎn)生一個(gè)短暫、快速的膜電位變化，將其稱為動(dòng)作電位。動(dòng)作電位特征：傳導(dǎo)的幅度不隨距離的增加而衰減。第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。神經(jīng)纖維動(dòng)作電位的時(shí)相

①靜息相,②去極相(上升相),③復(fù)極相(下降相)第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。（三）動(dòng)作電位形成的離子機(jī)制

Mechanismofactionpotential

條件:

①膜內(nèi)外存在[Na+]差:[Na+]o＞[Na+]i≈10∶1；

②膜在受到閾刺激而興奮時(shí)，對(duì)離子的通透性增加：

即電壓門控性Na+、K+通道先后激活而開(kāi)放。第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。動(dòng)作電位的峰值接近于Na+平衡電位。(Na+equilibriumpotential)Atthepeakofactionpotential,themembranepotentialbecomespositive,quiteclosetotheequilibriumpotentialforENa.

第三十頁(yè)，共49頁(yè)。1.去極相Na+通道迅速開(kāi)放，Na+迅速內(nèi)流，→膜內(nèi)電位升高，Na+的平衡電位ENa2.復(fù)極相Na+通道迅速失活（不應(yīng)期）K+通道緩慢開(kāi)放3.恢復(fù)期Na+通道復(fù)活,K+通道關(guān)閉鈉-鉀泵活動(dòng)增強(qiáng)，重建靜息電位機(jī)制：第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。證據(jù)：將神經(jīng)浸浴于無(wú)Na+的溶液時(shí)，AP不復(fù)出現(xiàn)。

用等滲溶液加入使Na+濃度減小，可見(jiàn)AP幅度或其超射值減小。

第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。利用藥理學(xué)分析膜電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用Na+通道阻斷劑TTX,

內(nèi)向電流消失。

應(yīng)用K+通道阻斷劑TEA，

外向電流消失。

河豚毒素(tetrodotoxin，TTX)四乙銨(tetraethylammonium，TEA)第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。細(xì)胞受刺激→靜息電位降低→膜Na通道打開(kāi)→Na通透性增大→Na內(nèi)流→膜內(nèi)電位增高→去極化→反極化→形成鋒電位的上升相→膜Na通道關(guān)閉→復(fù)極化→鋒電位的下降相→靜息電位。第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。（四）離子通道的門控機(jī)制1、電壓門控Na+通道和K+通道電壓門控通道由帶電蛋白質(zhì)圍繞形成的通道組成，通道蛋白對(duì)膜電壓的變化具有高度敏感性；Na+通道有兩種狀態(tài):激活態(tài)門和失活態(tài)門，使得Na+通道存在三種狀態(tài)：門關(guān)閉但有能力開(kāi)放狀態(tài)；開(kāi)放或激活狀態(tài)；門關(guān)閉且無(wú)能力開(kāi)放狀態(tài)。K+通道只有一個(gè)門控狀態(tài)：或開(kāi)放或關(guān)閉第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。2、離子通道在不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換靜息狀態(tài)時(shí)，Na+和K+通道都是關(guān)閉的，Na+通道的激活態(tài)門是關(guān)閉的，而失活態(tài)門是開(kāi)放的，由于漏K+通道的大量存在，靜息狀態(tài)K+膜通透能力是Na+50-75倍；由于受到刺激，膜除極化，部分Na+通道開(kāi)放，Na+濃度梯度和電壓梯度兩種力驅(qū)使Na+迅速向細(xì)胞內(nèi)流動(dòng)→進(jìn)一步除極化→更多Na+通道開(kāi)放，更多Na+內(nèi)流（正反饋）第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。Na+通道開(kāi)放的同時(shí)，也啟動(dòng)了通道關(guān)閉過(guò)程：在激活態(tài)門開(kāi)放之后、失活態(tài)門關(guān)閉之前的一段時(shí)間（約0.5ms），兩種門處于開(kāi)放狀態(tài)→Na+迅速內(nèi)流→動(dòng)作電位達(dá)到峰值，之后失活態(tài)門關(guān)閉，直至細(xì)胞膜恢復(fù)到它靜息電位值的水平；Na+通道失活的同時(shí)，電壓門控K+通道開(kāi)放，動(dòng)作電位從峰值返回靜息狀態(tài)水平。第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。膜電位恢復(fù)到靜息狀態(tài)，Na+通道的失活態(tài)門開(kāi)放，激活態(tài)門關(guān)閉（具有重新開(kāi)放的能力），電壓門控K+通道也關(guān)閉，但速度緩慢，持續(xù)增加了細(xì)胞膜對(duì)K+的滲透性→形成一個(gè)超極化電位。第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。第四十頁(yè)，共49頁(yè)。（五）不應(yīng)期和動(dòng)作電位的“全或無(wú)”特性1、興奮細(xì)胞的不應(yīng)期在可興奮細(xì)胞受刺激產(chǎn)生興奮期間施加第二次刺激，第二次刺激所產(chǎn)生的效應(yīng)會(huì)受到此興奮的影響，細(xì)胞興奮后的興奮性狀態(tài)由絕對(duì)不應(yīng)期（absoluterefractoryperiod）和相對(duì)不應(yīng)期（rel