生理學(xué)細(xì)胞的基本功能第三節(jié)培訓(xùn)課件

細(xì)胞的生物電活動(dòng)第三節(jié)作者:祁金順、封啟龍單位:山西醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)（第9版）當(dāng)細(xì)胞外液為0電位時(shí)：細(xì)胞在安靜狀態(tài)下存在于細(xì)胞膜內(nèi)、外兩側(cè)的電位差神經(jīng)纖維靜息電位測(cè)定示意圖一、靜息電位（restingpotential,RP）（一）靜息電位的概念骨骼肌細(xì)胞內(nèi)：約-90mV神經(jīng)纖維內(nèi)：-70～-90mV平滑肌細(xì)胞內(nèi)：-50～-60mV紅細(xì)胞內(nèi)：-10mV靜息電位大小表示：細(xì)胞內(nèi)負(fù)值大小生理學(xué)（第9版）幾個(gè)與靜息電位關(guān)聯(lián)的名詞極化（polarization）：安靜狀態(tài)下細(xì)胞膜兩側(cè)外正內(nèi)負(fù)的穩(wěn)定狀態(tài)去極化(depolarization）：靜息電位減小或細(xì)胞內(nèi)負(fù)值減小的過程或狀態(tài)超極化(hyperpolarization)：靜息電位增大或細(xì)胞內(nèi)負(fù)值增大的過程或狀態(tài)復(fù)極化(repolarization)：細(xì)胞膜去極化后再向靜息電位方向恢復(fù)的過程反極化（reversepolarization）：外負(fù)內(nèi)正的狀態(tài)超射（overshot）：膜電位超過零電位的部分靜息電位模式圖超射生理學(xué)（第9版）假設(shè)安靜時(shí)細(xì)胞膜僅對(duì)K+離子有通透性：K+濃度差，促進(jìn)K+向外擴(kuò)散K+向外擴(kuò)散形成的電場(chǎng)力，阻止K+進(jìn)一步向外擴(kuò)散當(dāng)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力等于零時(shí)，K+凈移動(dòng)為零靜息電位應(yīng)該等于K+的平衡電位膜學(xué)說(shuō)（1902年，Bernstein）：細(xì)胞內(nèi)外離子分布不同：膜內(nèi)高K+，膜外高Na+

細(xì)胞膜對(duì)離子的通透性不同：安靜時(shí)K+通透性遠(yuǎn)大于Na+（50～100倍）（二）靜息電位的產(chǎn)生機(jī)制鉀鈉離子擴(kuò)散電位形成示意圖生理學(xué)（第9版）離子的平衡電位（EX）可用Nernst公式計(jì)算:細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中主要離子的濃度和電位生理學(xué)（第9版）1.靜息電位主要是K+外流形成的證實(shí)：測(cè)量的靜息電位與計(jì)算的K+平衡電位接近槍烏賊巨軸突實(shí)驗(yàn)（1939，Hodgkin和Huxley）測(cè)得RP數(shù)值-60mV（計(jì)算的EK為-75mV)改變膜兩側(cè)K+濃度差，靜息電位隨之改變問題：為什么實(shí)際測(cè)得的靜息電位不是等于而是接近于（略小于）EK？電極管靜息電位圖生理學(xué)（第9版）2.少量的Na+內(nèi)流也參與了靜息電位形成——部分抵消了K+外流形成的膜內(nèi)負(fù)電位3.Na+泵的生電作用——增大細(xì)胞內(nèi)的負(fù)值直接作用：生電性活動(dòng)引起膜超極化，參與RP形成，但貢獻(xiàn)不大（<5%）間接作用：維持膜兩側(cè)離子濃度差隨Na+通透性增加，RP減?。喝绻趋兰〖?xì)胞-90mV；視桿細(xì)胞-30mV）細(xì)胞膜中的鉀漏通道和鈉泵參與靜息電位形成的示意圖生理學(xué)（第9版）（三）影響靜息電位水平的因素細(xì)胞外K+濃度：細(xì)胞外K+增高，靜息電位降低（如高血鉀）膜對(duì)K+和Na+的通透性：

K+通透性增大，靜息電位增大Na+通透性增大，靜息電位減小鈉-鉀泵的活動(dòng)：鈉-鉀泵活動(dòng)增強(qiáng)，細(xì)胞膜發(fā)生超極化生理學(xué)（第9版）二、動(dòng)作電位（actionpotential，AP）（一）動(dòng)作電位的概念及其特征1.概念在靜息電位基礎(chǔ)上，細(xì)胞受到一個(gè)適當(dāng)?shù)拇碳ず竽る娢话l(fā)生的迅速、可逆、可以向遠(yuǎn)距離傳播的電位波動(dòng)動(dòng)作電位變化過程：鋒電位（spikepotential）后電位（afterpotential）動(dòng)作電位模式圖生理學(xué)（第9版）2.動(dòng)作電位的特征產(chǎn)生“全或無(wú)”(allornone)

連續(xù)刺激不融合-脈沖式發(fā)放傳導(dǎo)不衰減生理學(xué)（第9版）陽(yáng)離子內(nèi)流（如Na+、Ca2+內(nèi)流）稱內(nèi)向電流，引起去極化陽(yáng)離子外流或陰離子內(nèi)流（如K+外流、Cl-內(nèi)流）稱為外向電流，引起復(fù)極化或超極化帶電離子跨膜擴(kuò)散需具備兩個(gè)條件離子受到的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力

1）濃度差：[Na+]o>[Na+]i；[K+]i>[K+]o

2）電場(chǎng)力：靜息電位內(nèi)負(fù)外正，推動(dòng)Na+，阻止K+膜對(duì)離子的通透性（膜電導(dǎo)）帶電離子跨膜移動(dòng)產(chǎn)生離子電流（二）動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制動(dòng)作電位本質(zhì)—帶電離子跨膜移動(dòng)生理學(xué)（第9版）1．電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力——決定離子流動(dòng)的方向和速度概念：是濃度差和電位差兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力的代數(shù)和，大小等于膜電位（Em）與離子平衡電位（Ex）的差值（Em-Ex）靜息狀態(tài)時(shí)：超射水平（去極化至+30mV）時(shí)：K+的驅(qū)動(dòng)力＝+20mV（外向）Na+的驅(qū)動(dòng)力＝-130mV（內(nèi)向）K+的驅(qū)動(dòng)力＝+120mV（外向）

Na+的驅(qū)動(dòng)力＝-30mV（內(nèi)向）生理學(xué)（第9版）Na+內(nèi)流引起去極化K+外流引起復(fù)極化細(xì)胞膜受到有效刺激時(shí)Na+通透性一過性增強(qiáng)

K+通透性隨后進(jìn)一步增強(qiáng)2．動(dòng)作電位期間膜通透性的變化動(dòng)作電位產(chǎn)生的Na+學(xué)說(shuō)神經(jīng)纖維動(dòng)作電位模式圖K+外流Na+內(nèi)流生理學(xué)（第9版）（1）測(cè)定超射值（與ENa接近）（2）Na+離子取代

（用葡萄糖或氯化膽堿替代胞外的NaCl）（3）放射性核素24Na+定量研究（4）直接測(cè)定細(xì)胞膜對(duì)離子的通透性（膜電導(dǎo)）如何證實(shí)Na+學(xué)說(shuō)？生理學(xué)（第9版）如何測(cè)定膜電導(dǎo)？IX=GX·(Em--EX)

（1）GX=IX/(Em--EX)（2）如何固定驅(qū)動(dòng)力？——電壓鉗（voltageclamp)

基本原理：反饋電路向膜內(nèi)注入電流，迫使膜電位始終與指令電位保持一致。測(cè)定原理——?dú)W姆定律電壓鉗實(shí)驗(yàn)示意圖生理學(xué)（第9版）去極化→內(nèi)向電流→外向電流說(shuō)明：去極化引起了膜電導(dǎo)變化電壓鉗測(cè)定電流的結(jié)果

離子電流分離（藥理學(xué)）

河豚毒（TTX）：阻斷電壓門控Na+通道四乙胺（TEA）：阻斷電壓門控K+通道去極化引起Na+電導(dǎo)（GNa）首先一過性增大K+電導(dǎo)GK隨后逐漸增大以上結(jié)果表明利用電壓鉗技術(shù)結(jié)合藥理學(xué)手段記錄到的全細(xì)胞膜電流生理學(xué)（第9版）電壓依賴性GNa和GK隨著去極化幅度的增大而增大意義：GNa和去極化呈現(xiàn)正反饋，快速去極化達(dá)到峰值；GK促使快速?gòu)?fù)極化；從而形成鋒電位

GNa和GK的電壓依賴性及時(shí)間依賴性時(shí)間依賴性GNa快速、一過性增大GK緩慢、持續(xù)性增大意義：保證了先去極化，后復(fù)極化的順序GNa和GK的電壓及時(shí)間依賴性示意圖生理學(xué)（第9版）去極化過程（鋒電位升支）有效的去極化刺激→GNa迅速增加→Na+內(nèi)流→膜迅速去極化復(fù)極化過程（鋒電位降支）GNa減小，GK增大→K+外流→膜復(fù)極化3.動(dòng)作電位（鋒電位）產(chǎn)生過程動(dòng)作電位、GNa、GK峰電位圖生理學(xué)（第9版）4.膜電導(dǎo)變化的實(shí)質(zhì)——離子通道開閉膜片鉗（patchclamp）技術(shù)原理同電壓鉗，記錄的僅是電極尖端的一小片膜，有可能記錄到單個(gè)離子通道電流Hodgkin提出離子通道的概念Neher和Sakmann證實(shí)，獲1991年諾貝爾獎(jiǎng)單通道電流與全細(xì)胞電流關(guān)系

I=i×Po×NI：宏膜電流；i：?jiǎn)瓮ǖ离娏鳎籔o：開放概率；N：開放數(shù)目改變單通道電流記錄裝置及所記錄到的單通道電流A.單通道電流記錄裝置示意圖，F(xiàn)BA:反饋放大器B.連續(xù)記錄的去極化激活的單通道K＋電流生理學(xué)（第9版）5.離子通道的功能狀態(tài)Na+通道K+通道兩個(gè)閘門：激活門和失活門三種狀態(tài)：靜息、激活、失活一個(gè)閘門：激活門兩種狀態(tài)：靜息、激活生理學(xué)（第9版）指剛剛能夠引起Na+通道大量開放、產(chǎn)生動(dòng)作電位的膜電位臨界值，也稱為燃點(diǎn)（通常較RP小10～20mV)1.閾強(qiáng)度（閾值）概念：引起動(dòng)作電位的最小刺激強(qiáng)度幾個(gè)相關(guān)概念閾刺激：指刺激強(qiáng)度相當(dāng)于閾強(qiáng)度的刺激；閾下刺激：小于閾強(qiáng)度的刺激；閾上刺激：大于閾強(qiáng)度的刺激2.閾電位（三）動(dòng)作電位的觸發(fā)生理學(xué)（第9版）（四）動(dòng)作電位的傳播1.動(dòng)作電位在同一細(xì)胞上的傳播傳導(dǎo)原理：局部電流學(xué)說(shuō)安全性：局部電流的刺激強(qiáng)度遠(yuǎn)大于膜的閾強(qiáng)度，因而能可靠地引起動(dòng)作電位胞外記錄：興奮部位的胞外是負(fù)電位動(dòng)作電位在神經(jīng)纖維上的雙向傳導(dǎo)示意圖生理學(xué)（第9版）髓鞘區(qū)特征有髓鞘神經(jīng)纖維AP的傳導(dǎo)——跳躍式傳導(dǎo)郎飛結(jié)特征有髓纖維跳躍式傳導(dǎo)的意義減少能量消耗提高傳導(dǎo)速度（空間常數(shù)大）只有一層軸突膜，局部電流引起的去極化容易達(dá)到閾電位電壓門控Na+通道密集，閾電位低多層膜包裹，電位差平均分散電壓門控Na+

通道稀疏，閾電位高動(dòng)作電位在有髓神經(jīng)纖維上的雙向傳導(dǎo)示意圖生理學(xué)（第9版）2.AP在細(xì)胞之間的傳播——縫隙連接縫隙連接意義縫隙連接組成六個(gè)連接蛋白形成一個(gè)連接子，每側(cè)膜上的連接子端端相連，形成縫隙連接（細(xì)胞間通道）細(xì)胞之間興奮直接傳播，實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞的同步活動(dòng)，如神經(jīng)元之間（電突觸）。心肌、部分平滑肌、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞及肝組織也有動(dòng)作電位通過縫隙連接在細(xì)胞之間傳播生理學(xué)（第9版）1.興奮性（五）興奮性及其變化

衡量組織興奮性高低的指標(biāo)——閾強(qiáng)度（閾值）興奮性=1/閾值興奮性（excitability）：機(jī)體的組織或細(xì)胞接受刺激后發(fā)生反應(yīng)的能力或特性。對(duì)于可興奮細(xì)胞即為產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力興奮（excitation）：細(xì)胞接受刺激后，功能活動(dòng)由弱變強(qiáng)或由靜止變?yōu)榛顒?dòng)的過程。在現(xiàn)代生理學(xué)中，興奮就是指動(dòng)作電位或動(dòng)作電位的產(chǎn)生過程可興奮細(xì)胞（excitablecell）：神經(jīng)細(xì)胞、肌細(xì)胞和腺細(xì)胞受刺激后能產(chǎn)生明顯的興奮反應(yīng)（收縮或分泌等），并首先產(chǎn)生動(dòng)作電位（具有電壓門控Na+或Ca2+通道），故生理學(xué)將其稱為可興奮細(xì)胞生理學(xué)（第9版）2.細(xì)胞興奮后興奮性的變化超常期：閾下刺激可引起興奮（Na+通道基本復(fù)活，膜電位距閾電位近）低常期：閾上刺激可興奮（Na+通道完全復(fù)活，但膜電位距離閾電位較遠(yuǎn)）絕對(duì)不應(yīng)期：多大刺激強(qiáng)度也不能再次興奮（Na+通道處于失活狀態(tài)）意義：（1）鋒電位不疊加

（2）限制鋒電位發(fā)生最大頻率相對(duì)不應(yīng)期：閾刺激不能、但閾上刺激可引起動(dòng)作電位（Na+通道少量復(fù)活）興奮性變化與動(dòng)作電位的時(shí)間關(guān)系示意圖生理學(xué)（第9版）三、電緊張電位和局部電位

（一）細(xì)胞膜和胞質(zhì)的被動(dòng)電學(xué)特性1.膜電容（Cm）膜電位示意圖1μF/cm2Vm：膜電位Ctotal=2C膜電容示意圖生理學(xué)（第9版）2.膜電阻（Rm）或膜電導(dǎo)（G）3.軸向電阻（Ri）膜電阻：膜對(duì)電流流過的屏障或阻礙特性單純脂質(zhì)：106～109ohm/cm2（幾乎絕緣）生物膜：103ohm/cm2（靜息時(shí)離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體活動(dòng)）膜電導(dǎo)：膜對(duì)電流流過的通行或?qū)ǖ奶匦訥=1/R細(xì)長(zhǎng)的神經(jīng)纖維或肌纖維要考慮，取決于纖維直徑和長(zhǎng)度軸向電阻示意圖膜電導(dǎo)示意圖生理學(xué)（第9版）細(xì)胞膜等效電路相當(dāng)于并聯(lián)的阻容耦合電路細(xì)胞膜等效電路示意圖生理學(xué)（第9版）（二）電緊張電位(electrotonicpotential)注射電流觀察跨膜電位變化軸向電阻使跨膜電流隨距離延長(zhǎng)而指數(shù)性衰減，相應(yīng)的膜電位隨距離延長(zhǎng)也呈指數(shù)性衰減電緊張電位的概念由膜的被動(dòng)電學(xué)特性決定其空間分布（隨傳播距離而衰減）和時(shí)間變化（隨時(shí)間逐漸增大）的膜電位稱為電緊張電位細(xì)胞膜的被動(dòng)電學(xué)特性與電緊張電位示意圖生理學(xué)（第9版）1.電緊張電位的兩個(gè)重要參數(shù)及其意義有髓纖維：膜電阻大，故空間常數(shù)大；膜電容小，故時(shí)間常數(shù)小。因此，AP傳導(dǎo)速度也愈快空間常數(shù)（l）時(shí)間常數(shù)（t）指膜電位衰減至最大值的37%時(shí)所擴(kuò)布的空間距離l愈大（增大膜電阻或減小軸向電阻），電緊張電位擴(kuò)布范圍愈大，AP傳導(dǎo)速度也愈快。（l一般為0.1～1mm）指膜電位上升或下降到穩(wěn)態(tài)值63%所需的時(shí)間t愈小（如減小膜電容），電緊張電位發(fā)生速度愈快，AP傳導(dǎo)速度也愈快。（

t一般為1～20ms）細(xì)胞膜的被動(dòng)電學(xué)特性與電緊張電位示意圖生理學(xué)（第9版）2.電緊張電位的極性去極化電緊張電位：產(chǎn)生于細(xì)胞外負(fù)電極部位（相當(dāng)于細(xì)胞內(nèi)注入正電荷）意義：興奮性增高，可誘發(fā)動(dòng)作電位3.電緊張電位的特征隨刺激強(qiáng)度增大而增大（等級(jí)性）隨擴(kuò)布距離延長(zhǎng)而指數(shù)性衰減（衰減性）反應(yīng)大小可融合疊加，去極化電緊張電位達(dá)到一定程度可引起局部電位（膜的主動(dòng)特性）超極化電緊張電位：產(chǎn)生于細(xì)胞外正電極部位（相當(dāng)于細(xì)胞內(nèi)注入負(fù)電荷）意義：興奮性降低刺激和記錄實(shí)驗(yàn)裝置生理學(xué)（第9版）1.局部興奮的概念少量Na+通道激活產(chǎn)生的去極化膜電位波動(dòng)生物體內(nèi)的局部興奮細(xì)胞膜被動(dòng)特性（無(wú)通道激活）→電緊張電位

細(xì)胞膜主動(dòng)特性（部分通道激活）→局部電位（去極化和超極化）（