電生理學(xué)基礎(chǔ)

電生理學(xué)基礎(chǔ)第1頁/共86頁2單純擴(kuò)散(simplediffusion)第2頁/共86頁3擴(kuò)散動力：分子熱運(yùn)動必要條件：既溶于水，又溶于脂質(zhì)。影響因素：電-化學(xué)梯度；膜的通透性；溫度。轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)：O2、CO2

、乙醇、脂溶性維生素第3頁/共86頁4易化擴(kuò)散（facilitateddiffusion）非脂溶性物質(zhì)，借助膜上蛋白質(zhì)的作用，由高濃度向低濃度通過細(xì)胞膜。如：K+、Na+、Ca2+等帶電離子的轉(zhuǎn)運(yùn)和葡萄糖、氨基酸等的轉(zhuǎn)運(yùn)。經(jīng)載體易化擴(kuò)散經(jīng)通道易化擴(kuò)散第4頁/共86頁5經(jīng)載體易化擴(kuò)散

轉(zhuǎn)運(yùn)特征：高度的結(jié)構(gòu)特異性有飽和現(xiàn)象存在競爭性抑制影響因素：濃度差可利用載體數(shù)被轉(zhuǎn)運(yùn)物和載體發(fā)生反應(yīng)的速率轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)：葡萄糖、氨基酸第5頁/共86頁6飽和現(xiàn)象第6頁/共86頁7經(jīng)通道易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)特征：相對特異性無飽和現(xiàn)象閘門時開時閉高速度影響因素：電-化學(xué)梯度閘門狀態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)：無機(jī)離子第7頁/共86頁8離子通道的三種狀態(tài)第8頁/共86頁9離子通道的類型第9頁/共86頁10主動轉(zhuǎn)運(yùn)（activetransport）物質(zhì)依靠細(xì)胞膜上生物泵的作用逆電-化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)的過程。原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)第10頁/共86頁11原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)Na+

-

K+

泵第11頁/共86頁12繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)

第12頁/共86頁13同向轉(zhuǎn)運(yùn)（Na/Glucose）第13頁/共86頁14反向轉(zhuǎn)運(yùn)（Na/H）第14頁/共86頁15出胞與入胞（exocytosis&endocytosis）大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊，通過復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)的功能改變進(jìn)出細(xì)胞的過程。出胞:主要見于內(nèi)分泌細(xì)胞的激素分泌和神經(jīng)末梢的遞質(zhì)釋放入胞:主要是細(xì)胞的吞噬作用第15頁/共86頁入胞（endocytosis）第16頁/共86頁17出胞（exocytosis）第17頁/共86頁18第2章電生理學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)靜息電位第二節(jié)動作電位第三節(jié)電壓門控離子通道第18頁/共86頁19靜息膜電位神經(jīng)元在靜息時，也就是在沒有受到刺激時，其膜內(nèi)外兩側(cè)存在的電位差，稱為靜息膜電位(restingmembranepotential)。通常采用細(xì)胞內(nèi)記錄的方法進(jìn)行測量，將一根微電極插入細(xì)胞內(nèi)，參考電極置于細(xì)胞外液，兩個電極間顯示的電位差便是靜息膜電位的數(shù)值。以細(xì)胞外作為零點，細(xì)胞內(nèi)均顯示負(fù)電位，其絕對值越大，靜息膜電位也越大。神經(jīng)元的靜息膜電位一般在-40~-90mV的范圍。神經(jīng)元處于靜息膜電位時，稱為極化狀態(tài)(polarization)，當(dāng)該膜電位數(shù)值朝減小的方向變化時，稱為去極化(depolarization)，若朝增大的方向變化時，稱為超極化(hyperpolarization)。第19頁/共86頁第20頁/共86頁第21頁/共86頁靜息膜電位發(fā)生的機(jī)制即電荷跨膜分布的不均勻狀態(tài)膜兩側(cè)的離子濃度差第22頁/共86頁232.離子通道的選擇通透性當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞靜息時，非門控性K+通道通透性較大，而Na+、Cl-等通道通透性較小。第23頁/共86頁3.離子跨膜擴(kuò)散平衡點位第24頁/共86頁25Nernst方程式中R是氣體通用常數(shù)，T是絕對溫度．Z是離子價，F(xiàn)是法拉弟常數(shù)。如將有關(guān)數(shù)值代入，體溫以37℃計算，上式可簡化為：Ek=RTzFln[K+]o[K+]iEk=61.54mVlog[K+]o[K+]i第25頁/共86頁26Membranepotentialandequilibriumpotentialofdifferentions第26頁/共86頁27推論：要維持靜息膜電位，必須維持離子的不均衡跨膜分布。Eion和Em總是有差距的。靜息狀態(tài)下總是存在離子的跨膜運(yùn)動。第27頁/共86頁28離子濃度梯度的維持—膜離子泵的作用在靜息電位的產(chǎn)生過程中、K+濃度梯度的穩(wěn)定至關(guān)重要。實際上，神經(jīng)元內(nèi)存在著改變離子濃度梯度的因素，這主要來自Na+的被動流入。盡管神經(jīng)元靜息時膜對Na+的通透性很低，但是Na+有一個從外到內(nèi)的強(qiáng)大濃度梯度，加上細(xì)胞存在吸引陽離子的負(fù)電位，便會促使Na+持續(xù)流向細(xì)胞內(nèi)。Na+的流人使得靜息膜電位小于K+的平衡電位(Ek)、進(jìn)而導(dǎo)致K’的向外擴(kuò)散。。在正常神經(jīng)元，這種離子濃度梯度的變化可以被膜上的一種Na-K+泵阻止。第28頁/共86頁Na-KPump第29頁/共86頁30第二節(jié)動作電位概念：動作電位(actionpotential)是指神經(jīng)細(xì)胞受到刺激時，產(chǎn)生的一種可傳播的特殊膜電位變化．或者說是一種可沿細(xì)胞表面?zhèn)鞑サ目缒る娢凰查g逆轉(zhuǎn)。第30頁/共86頁31一.AP的記錄及AP的特征細(xì)胞內(nèi)記錄細(xì)胞外記錄第31頁/共86頁32Intracellularpotentialrecording第32頁/共86頁33-++++----+-+-++-細(xì)胞外記錄第33頁/共86頁34組成：

去極相：去極化超射鋒電位復(fù)極相：復(fù)極化初期后電位：負(fù)后電位正后電位

AP是膜兩側(cè)電位在RP基礎(chǔ)上發(fā)生的一次可擴(kuò)布的快速而可逆的倒轉(zhuǎn)，是細(xì)胞興奮的標(biāo)志。AP的特征第34頁/共86頁35鋒電位(Spikepotential)第35頁/共86頁36后電位（after-potential）第36頁/共86頁37二.細(xì)胞膜的被動電學(xué)特征被動膜：跨膜電阻和跨膜電位差為常數(shù)主動膜：跨膜電阻和跨膜電位差可變；與膜離子通道狀態(tài)相關(guān)。膜電容和膜電阻膜離子電流和膜電容電流第37頁/共86頁38膜電阻（Rm）膜電導(dǎo)G=1/R膜電容C=Q/V膜兩側(cè)表面儲存相反的電荷各種神經(jīng)元的Cm相近，但Rm存在顯著差異。第38頁/共86頁39膜離子電流和膜電容電流帶電離子跨膜流動產(chǎn)生的電流，稱為膜離子電流（Ii）。離子電流的大小決定于細(xì)胞內(nèi)外的電位差和膜離子通道的密度。由于胞質(zhì)中正離子流動，中和膜內(nèi)側(cè)負(fù)電荷，膜外側(cè)正電荷因膜內(nèi)負(fù)電荷吸引力減少而離開細(xì)胞膜，產(chǎn)生電流稱膜電容電流（Ic）。Im=Ii+Ic第39頁/共86頁40三.動作電位的離子基礎(chǔ)早在1902年,Bernstein根據(jù)當(dāng)時觀察到的生物電現(xiàn)象，提出了著名的膜學(xué)說。他認(rèn)為神經(jīng)或肌肉細(xì)胞膜對K+有特殊的通透性，而對較大的陽離子或陰離子均無通透性。靜息時，由于膜內(nèi)外K+的濃度差而形成靜息膜電位；興奮過程的電位變化是由于興奮部位膜對離子選擇通透性的消失，因此動作電位的大小應(yīng)等于靜息電位的絕對值。這一學(xué)說不能解釋以后發(fā)現(xiàn)的動作電位的超射(overshoot)現(xiàn)象。第40頁/共86頁41

1939年微電極發(fā)明以后，Curtis和Cole,Hodgkin和Huxley等人分別用毛細(xì)管微電極測量了鰂烏賊大神經(jīng)纖維興奮時的電位變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)動作電位大于膜靜息電位，出現(xiàn)了超射。1949年Hodgkin和Katz進(jìn)一步做了“鈉離子對鰂烏賊大纖維中產(chǎn)生的動作電位的作用”的實驗。第41頁/共86頁42①[Na+]稍微變小，即將細(xì)胞外液中的NaCl部分地被蔗糖或氯化膽堿所代替，則動作電位上升相變慢，超射減小，傳導(dǎo)速度變慢(圖A曲線3)；②當(dāng)[Na+]減少50％時,超射幾乎減少一半，動作電位上升相變得更慢(圖B曲線2)；③當(dāng)[Na+]減少33％時，超射兒乎完全消失(圖A曲線2）第42頁/共86頁43電壓鉗原理(voLtageclamp)只要固定膜電位不變，使膜電容電流為零，則膜總電流等于離子電流。在鰂烏賊大纖維內(nèi)插入兩根細(xì)鉑絲，一根記錄電壓E'，另一根記錄電流I'。記錄膜電位E'輸出(如-70mV)與調(diào)定電壓V(如-100mV)通過比較器進(jìn)行比較．其差值30mV經(jīng)放大后進(jìn)入一個快速電壓-電流轉(zhuǎn)換器(FBA)，使?V＝30mV的電壓轉(zhuǎn)換成電流I'，把這個反饋電流I'打人膜內(nèi)，使膜電位立即發(fā)生變化。這樣就能夠維持膜電壓不變。第43頁/共86頁44左圖表示在去極化作用時通過膜的離子電流。膜左極化56mV，圖中A為正常海水所記錄到的總離子電流，B為用氯化膽堿溶液代替海水中絕大部分NaCl(90％以上)以后所得到的曲線，主要是IK；C為A減去B所得到的曲線，應(yīng)為INa。離子置換法第44頁/共86頁45離子電流的大小和方向取決于驅(qū)動力。在電壓鉗位實驗中，不斷改變Vm，Na+電流的變化有以下三種情況：

Vm<ENa

內(nèi)向INaVm=ENaINa=0Vm>ENa

外向Ina反轉(zhuǎn)電位：+52mV第45頁/共86頁46第46頁/共86頁47Hodgkin和Huxely的結(jié)論：動作電位期間細(xì)胞膜對Na+和K+的通透性依次發(fā)生了變化：早期，Na+的膜電導(dǎo)增加，Na+內(nèi)流而產(chǎn)生了動作電位的去極化期；接著，Na+的膜電導(dǎo)降低，而K+的膜電導(dǎo)增加，K+外流使膜電位回到靜息水平。第47頁/共86頁48第48頁/共86頁49第49頁/共86頁50在大鼠胚胎骨骼肌細(xì)胞膜片上記錄到的由Ach激活的單通道離子電流第50頁/共86頁51第51頁/共86頁52膜片鉗發(fā)現(xiàn)離子通道的共同特性開放和關(guān)閉都是突然的只能有“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)，而沒有“半開”或“半關(guān)”。同一通道分子，開關(guān)持續(xù)時間具有隨機(jī)性（“擺動”）。在化學(xué)性門控通道結(jié)合了相應(yīng)的化學(xué)信號分子，或電壓門控通道所在膜兩側(cè)處于特定的電位差的情況下，“擺動”次數(shù)增多。第52頁/共86頁53四.動作電位的傳導(dǎo)動作電位的傳導(dǎo)機(jī)制動作電位的傳導(dǎo)速度影響動作電位傳導(dǎo)速度的因素神經(jīng)干的復(fù)合動作電位第53頁/共86頁54離子通道的基本特性:1.不同的離子通道是互相獨立的2.通道是孔洞而不是載體3.離子通道的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)4.通道對離子通透的特異性依賴于孔洞大小、離子形成氫鍵的能力及通道內(nèi)位點相互作用的強(qiáng)度第54頁/共86頁55電壓依賴性通道的S4段可能是一個電壓感受器S5和S6段之間的非螺旋區(qū)形成了通道的襯里：分子篩第55頁/共86頁56雙閘門控制Na離子通道m(xù)gatethatresponsetodepolarization

hgatethatresponsetorepolarizationThreestatesofNa+channelstatemh

grestingstateclosedopened0activestateopenedopenedhighinactivestateopenedclosed0第56頁/共86頁57第57頁/共86頁58

Restingactivation激活RecoveryActive

復(fù)活inactivation失活

Inactive第58頁/共86頁59第59頁/共86頁60第60頁/共86頁61動作電位的引起與傳導(dǎo)動作電位的引起細(xì)胞興奮后興奮性周期性變化局部電位動作電位的傳導(dǎo)第61頁/共86頁62動作電位的引起刺激興奮性及興奮閾電位第62頁/共86頁63刺激(Stimulus)刺激：細(xì)胞所處環(huán)境因素的任何改變。刺激三要素：刺激強(qiáng)度刺激作用時間強(qiáng)度-時間變化率閾強(qiáng)度：把刺激的作用時間和強(qiáng)度-時間變化率都固定在某一適當(dāng)數(shù)值，能引起組織細(xì)胞興奮所必需的最小刺激強(qiáng)度，稱為閾強(qiáng)度(thresholdintensity),或簡稱閾值(threshold)。閾值是衡量組織細(xì)胞興奮性高低的指標(biāo)。第63頁/共86頁64興奮性及興奮興奮性：細(xì)胞受到刺激時產(chǎn)生動作電位的能力和特性。興奮：動作電位的同義詞。第64頁/共86頁65閾電位(Thresholdpotential)閾電位：能進(jìn)一步誘發(fā)動作電位的去極化臨界膜電位值，稱為閾電位（thresholdmembranepotential）；它是所有可興奮細(xì)胞的一項重要功能指標(biāo)。閾電位一般較靜息電位的負(fù)值少10～15mV。去極化到達(dá)閾電位→一定數(shù)量的Na+通道的開放→Na+內(nèi)流→膜的進(jìn)一步去極化→更多Na+通道開放→“正反饋”或稱為再生性循環(huán)的過程→直至達(dá)到Na+的平衡電位。

第65頁/共86頁66細(xì)胞興奮后興奮性周期性變化Absoluterefractoryperiod絕對不應(yīng)期Relativerefractoryperiod相對不應(yīng)期Supernormalperiod超常期Subnormalperiod低常期第66頁/共86頁67第67頁/共86頁68第68頁/共86頁69局部電位細(xì)胞受到閾下刺激時，可引起受刺激的膜局部出現(xiàn)一個較小的去極化，稱為局部電位或局部興奮。閾下刺激也能引起該段膜中所含Na+通道的少量開放和少量Na+內(nèi)流，造成膜輕度去極化。第69頁/共86頁70局部興奮的特點：它不是“全或無”的：在閾下刺激的范圍內(nèi)，隨刺激強(qiáng)度的增大而增大；電緊張性擴(kuò)布：局部興奮可以使鄰近的膜也產(chǎn)生程度更低的去極化，隨距離加大而迅速減小以至消失，稱為電緊張性擴(kuò)布（electrotonicpropagation）；局部興奮可以總和：空間性總和與時間性總和。第70頁/共86頁71ExperimentstimulusRecordingelectrodesDistance(mm)10003637Voltageresponse(%)第71頁/共86頁72第72頁/共86頁73第73頁/共86頁74動作電位的傳導(dǎo)第74頁/共86頁75是以“局部電流”的形式傳導(dǎo)