《生理學：第二章 3節(jié)細胞的電活動》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《生理學：第二章 3節(jié)細胞的電活動（145頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 興奮性興奮性(excitability)(excitability)： 機體的組織或細胞接受刺激機體的組織或細胞接受刺激(stimulus)(stimulus)后發(fā)生反應后發(fā)生反應的能力或特性，是生命活動的基本特征之一。的能力或特性，是生命活動的基本特征之一。 電生理學中電生理學中, , 指細胞受到剌激時產生動作電位的能力或特性。指細胞受到剌激時產生動作電位的能力或特性。興奮：興奮：細胞對剌激發(fā)生反應的過程。細胞對剌激發(fā)生反應的過程。 由相對靜止轉變?yōu)榛顒佑上鄬o止轉變?yōu)榛顒?由活動弱變?yōu)榛顒訌姷倪^程。由活動弱變?yōu)榛顒訌姷倪^程?？膳d奮細胞：可興奮細胞： 凡在受刺激后能產生動作電位的細胞。凡在

2、受刺激后能產生動作電位的細胞。 -神經細胞、肌細胞、腺細胞神經細胞、肌細胞、腺細胞 特征：特征： 受刺激后受刺激后離子通道激活離子通道激活產生動作電位產生動作電位 中介過程中介過程細胞反應細胞反應 肌細胞肌細胞動作電位動作電位興奮收縮耦聯興奮收縮耦聯 腺細胞腺細胞動作電位動作電位興奮分泌耦聯興奮分泌耦聯概念：概念：機體和細胞所處環(huán)境的變化機體和細胞所處環(huán)境的變化類型類型: : 物理、化學、生物、社會心理性物理、化學、生物、社會心理性1 1）刺激強度）刺激強度2 2）刺激持續(xù)時間）刺激持續(xù)時間3 3）強度）強度- -時間變化率時間變化率刺激的三要素刺激的三要素 3個條件個條件：強度、持續(xù)時間、強

3、度強度、持續(xù)時間、強度-時間變化率時間變化率強度強度時間時間t1p1t2p2t3p3在一定范圍內，引起組織興奮的刺激強度與持續(xù)時間呈反變關系在一定范圍內，引起組織興奮的刺激強度與持續(xù)時間呈反變關系概念概念 機體受刺激時其功能活動的改變機體受刺激時其功能活動的改變形式形式 1) 1) 興奮：靜止興奮：靜止 活動活動或或活動弱活動弱 強強 2) 2) 抑制：活動抑制：活動 靜止靜止或或活動強活動強 弱弱反反 應應 ： 能使細胞產生動作電位的最小刺激強度。能使細胞產生動作電位的最小刺激強度。意義：意義：衡量組織興奮性高低的指標。衡量組織興奮性高低的指標。閾刺激：相當于閾強度的刺激閾刺激：相當于閾強度

4、的刺激( (閾上刺激、閾下刺激閾上刺激、閾下刺激) )可興奮組織可興奮組織: :神經、肌肉、腺體神經、肌肉、腺體閾值閾值1 興奮性興奮性 生物電生物電：細胞在進行生命活動時伴有的電現象，稱為細胞生物電 表現：表現：跨膜電位（膜電位) 安靜時安靜時 靜息電位靜息電位 受刺激時受刺激時 動作電位動作電位一、靜息電位一、靜息電位電生理學研究方法電生理學研究方法(1) - 細胞內記錄細胞內記錄: 微電極微電極R0 mV-70 -90mV神經纖維神經纖維RP是一種能夠記錄膜是一種能夠記錄膜結構中結構中單一的離子單一的離子通道蛋白質分子的通道蛋白質分子的開放和關閉開放和關閉，亦即，亦即測量單通道離子電測量

5、單通道離子電流和電導的技流和電導的技術術。電生理學研究方法電生理學研究方法(2) - ( (一一) ) 靜息電位靜息電位(resting potential)的概念和測定的概念和測定 1.概念：概念：是指安靜情況下細胞膜兩側存在的是指安靜情況下細胞膜兩側存在的外正內負外正內負 且且相對平穩(wěn)相對平穩(wěn)的電位差。的電位差。2. 測量方法：測量方法：細胞內電位記錄細胞內電位記錄1939年英國生理學家年英國生理學家Hodgkin 、Huxley將直徑將直徑0.1mm充滿海水充滿海水的毛細玻璃管縱向插入的毛細玻璃管縱向插入烏賊大神經軸突的斷端。烏賊大神經軸突的斷端。細胞外電極細胞外電極: : 置于浸泡細置

6、于浸泡細胞的海水中胞的海水中. .實測膜內電實測膜內電位約位約-60-60mVmVR0 mV-70 -90mV神經纖維神經纖維RPventricular musclered blood cell nervous cell is about 特征：特征： ：靜息電位在大多數細胞是一種靜息電位在大多數細胞是一種穩(wěn)定的直流穩(wěn)定的直流電位電位,但不同細胞的靜息電位但不同細胞的靜息電位數值可以不同數值可以不同; ：只要細胞未受刺激、生理條件不變只要細胞未受刺激、生理條件不變,這種電這種電位將位將持續(xù)存在。持續(xù)存在。 靜息電位時膜兩側所保持的靜息電位時膜兩側所保持的外正內負外正內負狀態(tài)稱狀態(tài)稱為膜的為膜的

7、極化極化(polarization)； 膜內外電位差的數值向膜內膜內外電位差的數值向膜內負值加大負值加大的方向的方向變化時，稱為膜的變化時，稱為膜的超極化超極化(hyperpolarization)； 膜內電位向膜內電位向負值減小負值減小的方向變化，的方向變化，稱為稱為去極化或除極化去極化或除極化(depolarization)； 去極化至零電位后膜電位進一步變?yōu)檎?，去極化至零電位后膜電位進一步變?yōu)檎?，膜兩側電位的極性與原來的極化狀態(tài)相反，膜兩側電位的極性與原來的極化狀態(tài)相反，稱為稱為反極化反極化； 膜電位高于零電位的部位稱為膜電位高于零電位的部位稱為超射超射（overshoot）。 細胞

8、去極化后，再向靜息電位恢復的過程，細胞去極化后，再向靜息電位恢復的過程，稱作稱作復極化復極化(repolarization)1 1、細胞膜兩側的濃度差細胞膜兩側的濃度差與平衡電位與平衡電位2 2、安靜時、安靜時細胞膜對離子的相對通透性細胞膜對離子的相對通透性3 3、鈉泵的生電作用鈉泵的生電作用哺乳動物骨骼肌細胞內液與外液中主要離子濃度和平衡電位哺乳動物骨骼肌細胞內液與外液中主要離子濃度和平衡電位 細胞內細胞內 細胞外細胞外 平衡電位平衡電位 Na+ 5-15 mM 145 mM +67mV K+ 155 mM 5 mM -98mV Mg2+ 0.5 mM 1-2 mM Ca2+ 10-7 mM

9、 1-2 mM H+ 10-7.2 M (pH 7.2) 10-7.4 M (pH 7.4) Cl- 4-15 mM 120 mM -90mV 有機負離子有機負離子 155mM1 1、細胞膜兩側離子的濃度差與平衡電位、細胞膜兩側離子的濃度差與平衡電位1 1）濃度差）濃度差30KCl半透膜半透膜 1KCl電勢能電勢能濃差勢能濃差勢能K+ i K+ o K+外流外流 促進促進K+外流的濃度勢能外流的濃度勢能 = 阻礙阻礙K+外流的電場力外流的電場力 K+凈外流為零（凈外流為零（ K+平衡電位）平衡電位） A：電：電化學驅動力：化學驅動力：某種離子在膜兩側的電位差和濃度差兩個驅動力的代數和 B：平衡

10、電位：平衡電位：當電化學驅動力為零，離子凈擴散為零時的跨膜電位差為該離子的平衡電位。 EK = 60 log K+oK+i= -95mVEK= RT/ZF ln K+o / K+i K+離子外流離子外流: 擴散條件：擴散條件： 1） K+ 外流動力外流動力 細胞內外離子分布不均：細胞內外離子分布不均：K+ iK+ o 30倍倍 2） K+ 外流條件外流條件 靜息時，細胞膜對靜息時，細胞膜對K+ 的通透性高（的通透性高（ K+漏通道開放）漏通道開放）以鉀離子為例以鉀離子為例+K+K+K K+ +外流形成外流形成: : K K+ +平衡電位平衡電位( (接近接近RPRP）神經纖維神經纖維電勢能電勢

11、能30K+1 K+ + + + + + +P -濃差勢能濃差勢能促進促進K K+ +外流的濃度勢能外流的濃度勢能 = = 阻礙阻礙K K+ +外流的電場力外流的電場力 EK = 60 log 1944年年 Hodgkin 在槍烏賊神經纖維上實測值為在槍烏賊神經纖維上實測值為-77mV. RP實測值略計算值實測值略計算值K+oK+i= -95mVwhy？EK= RT/ZF ln K+o / K+iEm-Ek: K+離子流動的驅動力離子流動的驅動力通透性通透性 NaNa+ +的通透性的通透性-90mV 安靜時細胞膜對安靜時細胞膜對NaNa+ +也有一定的通透性，少也有一定的通透性，少量的量的NaN

12、a+ +內流：內流： 由于膜外由于膜外NaNa+ 濃度大于膜內，濃度大于膜內，少量的少量的NaNa+ 逸入膜內逸入膜內會抵消一部分會抵消一部分K K+ 外移造成的膜內負電位，外移造成的膜內負電位，使使靜息靜息電位電位Ek 。細胞膜對某一種離子的通透性越大細胞膜對某一種離子的通透性越大(權重），該離權重），該離子的平衡電位在膜電位的形成中所起的作用就越大，子的平衡電位在膜電位的形成中所起的作用就越大，膜電位就越接近于該離子的平衡電位。膜電位就越接近于該離子的平衡電位。靜息時：靜息時：IK + INa + ICl=0gk (Em-Ek) + gNa (Em-ENa）+ gCl (Em-ECl)=0

13、Em= Ek+ ENa + EClgkggNagClggEm-Eion:離子流動的驅動力離子流動的驅動力靜息電位的計算靜息電位的計算3. Na+-K+泵生電作用泵生電作用外流外流K+和漏入的和漏入的Na+可激活鈉泵，生電作用；可激活鈉泵，生電作用；對靜息電位影響不大；對靜息電位影響不大；(5%)1.K+外流：外流： K+濃度梯度濃度梯度 :內高外低內高外低 基礎條件：基礎條件： K+通透性通透性K+外流外流 電位差驅動力阻礙電位差驅動力阻礙 K+凈凈外流為零外流為零, 相當于相當于Ek。2.少量的少量的Na+內流內流 一般靜息時，膜對一般靜息時，膜對K+的通透性比對的通透性比對 Na+的大的大

14、100倍，倍，少量少量Na+通過通過K+ -Na+滲漏通道從膜外進入膜內，使?jié)B漏通道從膜外進入膜內，使RP實測值小于計算值。實測值小于計算值。 3. Na+ 一一K+ 泵的生電作用泵的生電作用 外流外流K+和漏入的和漏入的Na+可激活鈉泵，生電作用?？杉せ钼c泵，生電作用。1）跨膜跨膜K+濃差濃差： Ek K+ o RP2）膜對膜對K+ 和和NaNa+ +的通透性的通透性： K+通透性通透性RP Na+ 通透性通透性，則靜息電位，則靜息電位3）鈉泵活動水平：鈉泵活動水平： 活動活動RP 二二. (一一)動作電位的概念和特點動作電位的概念和特點 概念：概念：細胞在靜息電位的基礎上接受有效刺激后產生

15、的一細胞在靜息電位的基礎上接受有效刺激后產生的一個迅速的可向遠處傳播的膜電位波動。個迅速的可向遠處傳播的膜電位波動。stimulator0mV0mV神經纖維神經纖維AP興奮的共有標志興奮的共有標志: 動作電位動作電位+30-70- 55mV：膜電位逐步去極化膜電位逐步去極化 達到閾電位水平達到閾電位水平-55+30mV：動作電位快速去極相動作電位快速去極相+30- 55mV：動作電位快速復極相動作電位快速復極相-55- 70mV：負后電位負后電位 （后去極化）（后去極化）負值大于負值大于-70 mV: 正后電位正后電位 （后超級化（后超級化） 峰電位峰電位后電位后電位 “全或無全或無”現象：現

16、象： 一旦達到一旦達到閾電位閾電位水平，動作電位便迅速產生，并水平，動作電位便迅速產生，并達達到最大值到最大值，不會隨刺激強度的繼續(xù)增大而增大，不會隨刺激強度的繼續(xù)增大而增大，當刺激未達閾值時，動作電位不出現當刺激未達閾值時，動作電位不出現. .不衰減傳播：不衰減傳播： 動作電位能沿細胞膜動作電位能沿細胞膜迅速向四周迅速向四周傳播，幅度和波形傳播，幅度和波形不變。不變。脈沖式發(fā)放：脈沖式發(fā)放： 具有不應期具有不應期, ,不發(fā)生疊加。不發(fā)生疊加。 內向電流（內向電流（Inward current）: 細胞膜受到刺激時引起離子流動，膜外正電荷正電荷流入膜內流入膜內或負電荷由膜內流出膜外，稱為。 去

17、極化去極化 （Depolarization） : Na+、Ca2+內流內流 外向電流（外向電流（Outward current）: 離子流動使正電荷由膜內流出膜外內流出膜外或負電荷由膜外流入膜內，稱為。 復極化復極化or or 超極化超極化（Repolorization or Hyperpolarization） K+外流、外流、Cl-內流內流 inward current outward current離子跨膜轉運的兩個必要因素離子跨膜轉運的兩個必要因素1、離子的電、離子的電-化學驅動力化學驅動力2、細胞膜對離子的通透性、細胞膜對離子的通透性1.電化學驅動力電化學驅動力 決定離子跨膜流動的決

18、定離子跨膜流動的方向方向和和速度速度動力：電動力：電- -化學梯度化學梯度; ;基礎條件：基礎條件： 當膜電位等于某離子的平衡電位時，該離子當膜電位等于某離子的平衡電位時，該離子的電化學驅動力為零，因此，的電化學驅動力為零，因此，某離子的電化某離子的電化學驅動力等于膜電位與該離子的平衡電位之學驅動力等于膜電位與該離子的平衡電位之差差。電化學驅動力及其變化電化學驅動力及其變化某離子的電化學驅動力等于膜電位與該某離子的電化學驅動力等于膜電位與該離子的平衡電位之差：離子的平衡電位之差：Em - EX 若靜息電位若靜息電位Em 為為-70mV, ENa為為+60mV，EK為為-90mV：膜對膜對Na+

19、驅動力驅動力: Em-ENa=-70mV-(+60mV)= -130mV膜對膜對K+驅動力驅動力: Em- EK =-70mV-(-90mV)= +20mV負負值代表值代表內向內向驅動力驅動力-產生內向電流產生內向電流- -去去極化極化正正值代表值代表外向外向驅動力驅動力-產生外向電流產生外向電流超超極化極化靜息狀態(tài)：靜息狀態(tài)： Na+ 內向驅動力較大內向驅動力較大 若膜去極化到若膜去極化到Em 為為+30mV : ENa為為+60mV，EK為為-90mV： 膜對膜對Na+驅動力驅動力: Em-ENa= +30mV -(+60mV)= -30mV 膜對膜對K+驅動力驅動力: Em- EK =

20、+30mV -(-90mV)= +120mV靜息電位條件下靜息電位條件下: Na+內向內向驅動力驅動力- -產生內向電流產生內向電流 去去極化極化 膜電位去極化膜電位去極化至至+30mV峰電位水平峰電位水平時時 ， 膜對膜對K+外向外向驅驅動力動力-產生外向產生外向電流電流 復極化復極化動作電位產生原理的關鍵動作電位產生原理的關鍵 -直接測定膜對離子直接測定膜對離子通透性的通透性的動態(tài)變化。動態(tài)變化。膜受刺激后對膜受刺激后對Na+、K + 的通透性相繼改變是的通透性相繼改變是動作電位形成的離子基礎。動作電位形成的離子基礎。 直接電學測量的方法：直接電學測量的方法： 參數包括膜電容、參數包括膜電

21、容、膜離子電流（膜離子電流（I），膜電位），膜電位（mV）、膜的電阻、膜的電阻 （R）或其倒數）或其倒數膜電導膜電導（G）。）。 離子作跨膜移動時形成了跨膜離子電流離子作跨膜移動時形成了跨膜離子電流（I），），膜對某種離子通透性增大時，實際是膜對該離膜對某種離子通透性增大時，實際是膜對該離子的電導加大；對于帶電離子來說，子的電導加大；對于帶電離子來說，膜電導就膜電導就是膜通透性的同義語。是膜通透性的同義語。 根據歐姆定律，根據歐姆定律，I=VG :膜兩側電位差膜兩側電位差（V）固定不變的條件下，固定不變的條件下， 測出跨膜電流測出跨膜電流（I）的變化，就可作為膜電導的變化，就可作為膜電導（G）

22、變化的度量變化的度量。 （1 1）電壓鉗技術與）電壓鉗技術與 膜電導的測定膜電導的測定 The Nobel Prize in Physiology or Medicine (1963)因他們發(fā)現興奮與抑制過程中在外周因他們發(fā)現興奮與抑制過程中在外周與中樞部分的神經細胞膜的離子作用與中樞部分的神經細胞膜的離子作用機制機制Alan Lloyd HodgkinAndrew Fielding Huxley 電壓鉗技術裝置電壓鉗技術裝置 宏膜電流宏膜電流 （macroscopical current）負反饋電路負反饋電路使使膜電位鉗制在一個設定的水平膜電位鉗制在一個設定的水平. . （膜電（膜電位不變）

23、位不變） 記錄膜電流變化記錄膜電流變化作為膜電導的觀察指標。作為膜電導的觀察指標。采用電壓鉗技術，可以直接測定動作電位期間膜對采用電壓鉗技術，可以直接測定動作電位期間膜對離子通透性的動態(tài)離子通透性的動態(tài)變化。變化。原理：原理：固定膜電位，固定膜電位，根據根據膜電流膜電流的大小和時間，可的大小和時間，可精確測定動作電位期間，各種離子流的大小、方精確測定動作電位期間，各種離子流的大小、方向和時程，利用歐姆定律來向和時程，利用歐姆定律來計算膜電導計算膜電導。優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：適用于各種直徑較大的細胞，只能觀察適用于各種直徑較大的細胞，只能觀察膜電流的方向和幅度，膜電流的方向和幅度，不能區(qū)分哪種離子電流

24、。不能區(qū)分哪種離子電流。根據歐姆定律根據歐姆定律 I = V G 固定固定V，測定，測定I，計算膜電導。，計算膜電導。（2 2）鈉電導與鉀電導）鈉電導與鉀電導 的變化的變化利用電壓鉗技術記錄的槍烏鲗巨大神經軸突的膜電流及其離利用電壓鉗技術記錄的槍烏鲗巨大神經軸突的膜電流及其離子成分的分析子成分的分析：鉗制電壓；：記錄的：鉗制電壓；：記錄的內向電流內向電流和和外向電流外向電流； Evidence for a Sodium CurrentRemove extracellular sodium RemovingNa+fromthebathingmedium,INabecomesnegligibles

25、oIK canbemeasureddirectly. SubtractingthiscurrentfromthetotalcurrentyieldedINa. ： Na+通道阻斷劑河豚毒（通道阻斷劑河豚毒（ TTX ）阻斷了）阻斷了內向內向電流；電流；： K+通道阻斷劑四乙銨（通道阻斷劑四乙銨（ TEA ）阻斷了）阻斷了外向外向電流電流Conductance of Na+ and K+ channels 不同程度去極化對膜鈉電導和鉀電導的影響不同程度去極化對膜鈉電導和鉀電導的影響上圖實施電壓鉗的程序，膜電位從維持電位上圖實施電壓鉗的程序，膜電位從維持電位60mV 起始，迅速鉗制到起始，迅速鉗制

26、到40mV 、20mV 、 0mV 、和、和20mV ； 中、下圖上述電壓鉗制期間記錄的鈉電流和鉀電流計算出的鈉電導（中、下圖上述電壓鉗制期間記錄的鈉電流和鉀電流計算出的鈉電導（ gNa ）和）和鉀電導（鉀電導（ gK ） ； 電導及動作電位電導及動作電位GNa和和GK變化曲線的特點：變化曲線的特點：電壓依從性，由電壓依從性，由去極化激活，去極化激活， GNaGNa激活早，激活早，是是動作電動作電位位上升支基礎上升支基礎；GKGK激活晚，激活晚，是是動作電動作電位位下降支基礎。下降支基礎。 GNaGNa有失活狀態(tài)有失活狀態(tài)而而GKGK沒有此特性沒有此特性（3 3）膜電導改變的實質）膜電導改變的

27、實質 70年代中期年代中期-Neher和和Sakmann等發(fā)展一等發(fā)展一種能記錄膜結構中種能記錄膜結構中單一單一離子通道離子通道蛋白質分子的蛋白質分子的開放和關閉、亦即測量開放和關閉、亦即測量單通道離子電流和電導單通道離子電流和電導的技術的技術，稱為膜片鉗實稱為膜片鉗實驗驗Patch clamp “Voltage clamp” technique 玻璃微電極拉制器玻璃微電極拉制器工作臺工作臺計算機計算機for their discoveries concerning the function of single ion channels in cellsThe Nobel Prize in P

28、hysiology or Medicine (1991)Erwin NeherBert Sakmann70年代的膜片鉗實驗技術年代的膜片鉗實驗技術Patch clamp 膜片鉗記錄方法和單通道電流膜片鉗記錄方法和單通道電流Single channel record膜片鉗方法示意圖和單通道電流膜片鉗方法示意圖和單通道電流A ：膜片鉗記錄方法示意圖；：膜片鉗記錄方法示意圖； B ：從培養(yǎng)的大鼠肌細胞膜片上記錄的：從培養(yǎng)的大鼠肌細胞膜片上記錄的 Na+ 單通道電流：單通道電流： ：去極化：去極化 10mV 的電壓鉗制；的電壓鉗制； ：連續(xù)次鉗制記錄得到的：連續(xù)次鉗制記錄得到的 Na+ 單通道電流，通

29、道開放產生向下的內向電流；單通道電流，通道開放產生向下的內向電流； ：連續(xù)：連續(xù) 300 次鉗制記錄的單通道電流疊加平均得到的總和（次鉗制記錄的單通道電流疊加平均得到的總和（ ensemble ）電流，）電流， 與鈉通道的宏膜電流相似與鈉通道的宏膜電流相似 （1 1）不論是化學門控或電壓門控通道，它）不論是化學門控或電壓門控通道，它們的們的開放和關閉都是突然的開放和關閉都是突然的，使描繪出的電，使描繪出的電流曲線呈流曲線呈方波狀方波狀，說明相應的蛋白質分子可，說明相應的蛋白質分子可以從一種構象以從一種構象快速地躍變快速地躍變到另一種構象；到另一種構象； （2 2）每種通道開放時具有恒定的電導，

30、即）每種通道開放時具有恒定的電導，即在恒定的情況下，只能看到在恒定的情況下，只能看到“開開”或或“關關”兩種狀態(tài)，很少看到兩種狀態(tài)，很少看到“半開半開”或或“部分開部分開”的情況；的情況； （3 3）即使是同一通道分子，每次開放的持）即使是同一通道分子，每次開放的持續(xù)時間長短也不一致，停留在續(xù)時間長短也不一致，停留在某種狀態(tài)的長某種狀態(tài)的長短具有隨機的性質；短具有隨機的性質； （4 4）在化學門控通道結合了相應的化學信）在化學門控通道結合了相應的化學信號分子，或電壓門控通道所在膜兩側處于特號分子，或電壓門控通道所在膜兩側處于特定的電位差的情況下，定的電位差的情況下，“擺動擺動”的次數增多，的次

31、數增多，開放的機率增大開放的機率增大，而，而“失活失活”時開放的機率時開放的機率減小。減小。膜片鉗實驗技術膜片鉗實驗技術(Neder和和Sakmann等等):（1 1）直接觀察）直接觀察單一的離子通道單一的離子通道蛋白質分子對蛋白質分子對相應離子通透活動的特征相應離子通透活動的特征. .（2 2）記錄）記錄單個離子通道開放后的電流單個離子通道開放后的電流. .（3 3）計算出通道的）計算出通道的開放概率開放概率和和單通道電導單通道電導。（4 4）證明在完整細胞上記錄到的膜電流）證明在完整細胞上記錄到的膜電流 是許多是許多單通道電流總和單通道電流總和的結果，單通道的的結果，單通道的開開放概率或單

32、通道電導增加，或離子通道的數放概率或單通道電導增加，或離子通道的數目增加目增加，都會使膜電導增大。，都會使膜電導增大。（4 4）離子通道的功能狀態(tài)）離子通道的功能狀態(tài) 關閉狀態(tài)關閉狀態(tài)- -通道關閉：通道關閉： ( (備用狀態(tài)備用狀態(tài)) )刺激能開放刺激能開放激活狀態(tài)激活狀態(tài)- -通道開放：通道開放： 離子擴散離子擴散失活狀態(tài)失活狀態(tài)- -通道關閉通道關閉: : 刺激不能開放刺激不能開放- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + +- - - - - - - - - - -靜息態(tài)靜息態(tài)激活態(tài)激活態(tài)失活態(tài)失活態(tài)去極化過程中鈉通道狀

33、態(tài)的變化去極化過程中鈉通道狀態(tài)的變化Vm ：膜電位；：膜電位； Im ：膜電流；：膜電流； m 和和 h 分別示意鈉通道的激活分別示意鈉通道的激活門和失活門門和失活門 靜息態(tài)（備用）：靜息態(tài)（備用）：關閉（關閉（ m gate closes）m gate open Na+失活態(tài)失活態(tài) inactivated gate closes（h gate ） 失活失活 復活復活 靜息靜息 h gate closes m gate closes （迅速）（迅速） h gate open （緩慢）（緩慢）voltage-gated ionchannel通道的開放、關閉受通道的開放、關閉受跨膜電位跨膜電位的控

34、制的控制Na+,Ca2+K+鈉通道鈉通道亞單位的分子結構示意圖亞單位的分子結構示意圖A ：推衍的：推衍的亞單位二級結構，亞單位二級結構， I, II, III, IV 代表代表 4 個同源結構域，個同源結構域， 圓圈中的字母圓圈中的字母 M 、 F 、 I 是氨基酸的一字符號；是氨基酸的一字符號； B ：顯示由：顯示由 4 個同源結構域形成分子的孔道；個同源結構域形成分子的孔道； C ：失活機制的示意圖：失活機制的示意圖 CO2HOutsideNH2+Inside Na+ Channel a a-Subunit StructureIIIIIIIVRVIRLARIGRILRLIKGAKGIR+

35、+ + + + + + +IFMIFM-Inactivation “Gate”-異亮、苯丙、甲硫氨酸IVS4 Voltage Sensor 精氨酸、賴氨酸精氨酸、賴氨酸NH2CO2Hb b1 1n部位部位:神經神經, 心臟心臟, 骨骼肌骨骼肌n作用作用:產生動作電位產生動作電位 n通道分子結構通道分子結構: 骨骼肌骨骼肌Na+ Channel: a and 亞單位亞單位 神經神經Na+ Channel: a, 1, 2亞單位亞單位nThree types of conformational states (close, open or activation, inactivation) - e

36、ach controlled by membrane voltage GNa和和Gk都具時間、電壓依從性，由跨膜電位的去極化都具時間、電壓依從性，由跨膜電位的去極化激活，激活， GNa激活早，是動作電位上升支基礎激活早，是動作電位上升支基礎；GK激活激活晚，是動作電位下降支基礎。晚，是動作電位下降支基礎。 (1)膜內外存在膜內外存在Na+差差: Na+i/Na+O 1 10；(2)(2)膜受到膜受到閾刺激閾刺激時，對離子通透性增加：即時，對離子通透性增加：即電壓門控電壓門控性性Na+通通 道激活道激活而開放而開放, Na+電導增加，電導增加，Na+順電順電-化化學梯度呈學梯度呈再生性內流再生性

37、內流（超過（超過K+ 外流外流)，直至膜內正電，直至膜內正電位接近位接近Na+平衡電位。平衡電位。Positive feedback loopReach“threshold”?IfYES,then.Stimulation 剌激引起膜內去極化剌激引起膜內去極化達到達到引起正反饋性引起正反饋性Na+內流的臨界膜電位內流的臨界膜電位稱為閾電位。稱為閾電位。 能引起電壓門控性的所有能引起電壓門控性的所有Na+通道開放通道開放（正（正反饋反饋Na+ 內流內流) 。 閾電位一般比靜息電位小閾電位一般比靜息電位小1020mV。 膜對某種離子通透性的改變，實際上決定膜對某種離子通透性的改變，實際上決定于膜結構

38、中有關于膜結構中有關離子通道蛋白質分子的功離子通道蛋白質分子的功能狀態(tài)；能狀態(tài)； Hodgkin等測出的等測出的GNa的變化，實際是那一的變化，實際是那一段軸突膜上眾多的電壓門控式段軸突膜上眾多的電壓門控式Na+通道因膜通道因膜的的去極化而開放去極化而開放的結果。的結果。-70-70-55-55-85-85膜電位膜電位（mVmV）記錄記錄刺激刺激AP閾電位水平閾電位水平局部興奮局部興奮RP水平水平(2) 復極化產生機制復極化產生機制 Na+通道失活，通道失活，Na+電導減小電導減小，同時，同時K+電導電導增大，增大，K+電壓門控性通道的開放。電壓門控性通道的開放。是動作是動作電位復極化的主要原

39、因。電位復極化的主要原因。 在膜內電在膜內電-化學驅動力的作用下化學驅動力的作用下,出現了出現了K+外外向電流，向電流，使使膜內電位變負膜內電位變負，加速了膜的，加速了膜的復復極極，參與峰電位降支的形成。，參與峰電位降支的形成。(3)(3)后電位：后電位： 正后電位一般認為是正后電位一般認為是生電性鈉泵生電性鈉泵作用的結作用的結果。果。Na Na Na+ - K+泵泵的活動，使的活動，使Na+、 K+重新重新回到回到原來的分布狀態(tài)。原來的分布狀態(tài)。AP 連續(xù)性過程連續(xù)性過程Successive Stages:(1) Resting Stage(2) Depolarization stage(3

40、) Repolarization stage(4) After-potential stage(1)(2)(3)(4)刺激刺激膜上膜上少量少量NaNa+ +通道開放通道開放NaNa+ +順濃度差少量內流順濃度差少量內流局部電位局部電位 閾電位閾電位NaNa通道大量開放通道大量開放再生式再生式Na內流內流NaNa+ + i i、KK+ + OO 激活激活NaNa+ +K K+ +泵泵APAP上升支上升支NaNa+ +內流停內流停+ +同時同時K K+ +通道激活通道激活K K迅速外流迅速外流（APAP下降支下降支）離子恢復到興奮前水平離子恢復到興奮前水平結論：結論： AP上升支主要由上升支主要由

41、Na內流內流形成，形成， 近于近于Na的平衡電位。的平衡電位。 下降支主要是下降支主要是K外外 流流形成形成 后電位與后電位與NaK泵活動有關泵活動有關 Nernst公式的計算公式的計算 AP達到的超射值相當于計算所得的達到的超射值相當于計算所得的ENa值。值。應用應用Na通道阻斷劑河豚毒，內向電流全部消失。通道阻斷劑河豚毒，內向電流全部消失。 應用應用K+通道阻斷劑通道阻斷劑TEA，外向電流消失。，外向電流消失。 微電極插入膜內直接記錄膜電位微電極插入膜內直接記錄膜電位證明證明 The toxin tetrodotoxin (TTX) can bind to the Na+ channels

42、 and block them. 6. IFMIFMNa+ channels block For example: Na+ channel blocker, tetrodotoxin (TTX 河豚毒河豚毒). L-type Ca2+ channel blocker, verapamil (維拉帕米維拉帕米 異搏定異搏定) nifedipine (硝苯地平硝苯地平).K+ channel blocker, tetraethylammonium ,TEA一、細胞膜和胞質的被動電學特性一、細胞膜和胞質的被動電學特性1.膜電容膜電容 細胞膜的電纜學說細胞膜的電纜學說: 細胞外液和細胞內液均為含電解質

43、的液體，可以看作細胞外液和細胞內液均為含電解質的液體，可以看作為兩個導體，有一定的電阻；為兩個導體，有一定的電阻； 膜電容：膜電容：細胞細胞膜脂質雙層膜脂質雙層類似于一個平板電容類似于一個平板電容器，相對地視作器，相對地視作絕緣體絕緣體，因此細胞膜具有顯著，因此細胞膜具有顯著的電容特性。的電容特性。 跨膜電位：跨膜電位： 當膜上的當膜上的離子通道開放離子通道開放而引起帶而引起帶電離子的電離子的跨膜流動跨膜流動時，就相當于在時，就相當于在電容器上電容器上充電或放電，充電或放電，產生的電位差，稱為跨膜電位產生的電位差，稱為跨膜電位或簡稱為膜電位?；蚝喎Q為膜電位。Vm=Q/C2. 膜電阻：膜電阻：

44、通常用它的通常用它的倒數膜電導倒數膜電導G來表示。來表示。對帶電離子而言，對帶電離子而言，膜電導就是膜對離子的膜電導就是膜對離子的通通透性透性。3.軸向電阻：軸向電阻： 胞質溶液電阻；細胞直徑胞質溶液電阻；細胞直徑（二）電緊張電位（二）電緊張電位 概念：概念： 跨膜電流隨著距原點距離的增加而逐跨膜電流隨著距原點距離的增加而逐漸衰減，膜電位也逐漸衰減，形成一個規(guī)漸衰減，膜電位也逐漸衰減，形成一個規(guī)律的膜電位分布律的膜電位分布，這種由膜的被動電學特，這種由膜的被動電學特性決定其空間分布和時間變化的膜電位稱性決定其空間分布和時間變化的膜電位稱為電緊張電位。為電緊張電位。電緊張電位電緊張電位-細胞膜相

45、當于一條電細胞膜相當于一條電纜一點給予膜一個突然纜一點給予膜一個突然的電流，從另一點記錄膜的電流，從另一點記錄膜電位變化：電位變化：在電源附近電位上升快，在電源附近電位上升快，達到的最高電位也較大；達到的最高電位也較大；離開電源越遠，則不但離開電源越遠，則不但電位上升的慢，而且最終電位上升的慢，而且最終的最高電位也較低。的最高電位也較低。電位改變變慢，是膜電電位改變變慢，是膜電容引起的后果；電位依距容引起的后果；電位依距離變小，是膜外電阻、膜離變小，是膜外電阻、膜電阻及膜內電阻引起的后電阻及膜內電阻引起的后果。果。 1.電緊張電位的擴布范圍和生成速度電緊張電位的擴布范圍和生成速度空間常數：空間

46、常數：是指膜電位衰減至是指膜電位衰減至最大值的最大值的37%時所擴布的空間時所擴布的空間距離，常用距離，常用表示。表示。影響因素：影響因素：膜電阻和軸向電阻時間常數：時間常數：是指膜電位上升或下降至穩(wěn)定值的63%所需的時間，常用表示。影響因素：影響因素：膜電阻和膜電容正電極下方會產生超級化電緊張電位，正電極下方會產生超級化電緊張電位，負電極下方會產生去極化電緊張電位負電極下方會產生去極化電緊張電位+2.電緊張電位的極性電緊張電位的極性-70-70-55-55-85-85膜電位膜電位（mVmV）記錄記錄刺激刺激AP閾電位水平閾電位水平局部興奮局部興奮RP水平水平(1) 等級性等級性 (grade

47、d)：電緊張電位：電緊張電位不是不是“全或全或無無”的的 (2) 衰減性傳導：電緊張性電位的幅度隨距離衰減性傳導：電緊張性電位的幅度隨距離的延長呈的延長呈指數性遞減指數性遞減.(3) 可以融合：無不應期可以融合：無不應期3.電緊張電位的特征電緊張電位的特征 定義定義: : 由由閾下刺激閾下刺激或化學門控通道開放引起的細胞或化學門控通道開放引起的細胞膜膜輕度局部去極化（有少量鈉通道激活），輕度局部去極化（有少量鈉通道激活），不能向遠距離傳播不能向遠距離傳播, , 稱為局部電位、局部去稱為局部電位、局部去極化或局部興奮。極化或局部興奮。-70-70-55-55-85-85膜電位膜電位（mVmV）記

48、錄記錄刺激刺激AP閾電位水平閾電位水平局部興奮局部興奮RP水平水平 空間總和空間總和: 多個閾下刺激在多個閾下刺激在相鄰胞膜部位同時發(fā)生相鄰胞膜部位同時發(fā)生，局部電位疊加起來。局部電位疊加起來。abcdExcitatoryExcitatoryInhibitory時間總和時間總和: 閾下剌激在閾下剌激在同一部位連續(xù)發(fā)生同一部位連續(xù)發(fā)生，后一次反應，后一次反應可在前一次反應可在前一次反應 未完全消失的基礎上發(fā)生，未完全消失的基礎上發(fā)生，多個局部反應在時間上疊加。多個局部反應在時間上疊加。局部電位特征局部電位特征(1) 等級性等級性 (graded)電位電位(2) 衰減性傳導衰減性傳導(3) 局部電

49、位沒有不應期局部電位沒有不應期, 可以總和可以總和, 空間總和空間總和 時間總和時間總和2. 作用：作用： 提高細胞興奮性提高細胞興奮性，易于接受刺激。，易于接受刺激。 一次閾下剌激引起一個局部反應雖然不能一次閾下剌激引起一個局部反應雖然不能引發(fā)動作電位引發(fā)動作電位, , 可疊加或總和后導致膜去極可疊加或總和后導致膜去極化到化到閾電位閾電位, ,從而爆發(fā)動作電位。從而爆發(fā)動作電位。 局部興奮與動作電位的區(qū)別局部興奮與動作電位的區(qū)別: :不衰減擴布不衰減擴布電緊張擴布電緊張擴布傳播特點傳播特點無無有有總和現象總和現象有有無無全或無全或無特點特點大大小小膜電位變化幅度膜電位變化幅度多多少少鈉通道開

50、放數鈉通道開放數閾或閾上刺激閾或閾上刺激閾下刺激閾下刺激刺激強度刺激強度動作電位動作電位局部興奮局部興奮區(qū)別區(qū)別 傳導機制傳導機制局部電流學說局部電流學說 同一細胞同一細胞上興奮的傳導是以上興奮的傳導是以局部電流局部電流（local current）為基礎的傳導過程，為基礎的傳導過程，具有安全性。具有安全性。1. 1.動作電位在同一細胞上的傳播動作電位在同一細胞上的傳播傳導機制傳導機制局部電流局部電流+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+神經沖動：神經沖動：神經纖維上傳導神經纖維上傳導神經纖維神經纖維（saltatory conduction） 跳躍式傳導時跳躍式傳導時, 傳導

51、傳導速度快速度快, 而且而且節(jié)能節(jié)能.myelinated nerve fibersaltatory conductionmyelinated nerve fibersaltatory conduction+-+-+刺激刺激有髓鞘神經纖維上的傳導方式有髓鞘神經纖維上的傳導方式 跳躍式傳導跳躍式傳導（saltatory conduction）有髓神經纖維有髓神經纖維跳躍式傳導跳躍式傳導2. 影響興奮傳導的因素影響興奮傳導的因素 1） 直徑直徑 2） 髓鞘髓鞘 3） 溫度溫度+-+-+刺激刺激2.動作電位在細胞間傳播動作電位在細胞間傳播縫隙連接（縫隙連接（Gap junction） 縫隙連接模式圖

52、縫隙連接模式圖 縫隙連接通道開放縫隙連接通道開放-水溶性分子、離子通過；水溶性分子、離子通過； 動作電位直接擴布；動作電位直接擴布； 細胞在產生一次動作電位后經歷一系列興奮性的變化細胞在產生一次動作電位后經歷一系列興奮性的變化 絕對不應期：絕對不應期： (absolute refractory period)當出現鋒電位的時期內，無論當出現鋒電位的時期內，無論施加多強的的刺激，不能使細施加多強的的刺激，不能使細胞再次興奮胞再次興奮, ,這一時期稱為絕對這一時期稱為絕對不應期不應期。處在絕對不應期的細。處在絕對不應期的細胞，胞，Na+通道是失活通道是失活狀態(tài)狀態(tài)，細胞細胞興奮性降低到零。興奮性降

53、低到零。相對不應期相對不應期 (relative refractory period)：絕對不應期之后的一定時間絕對不應期之后的一定時間內，內，細胞對細胞對閾上剌激閾上剌激可發(fā)生可發(fā)生興奮。興奮。標志著一些失活的標志著一些失活的NaNa+ +通道已開始逐漸復活通道已開始逐漸復活，細胞興奮性從無到有逐漸向細胞興奮性從無到有逐漸向正?；謴偷臅r期。相當于正常恢復的時期。相當于APAP負后電位的前半段負后電位的前半段相對不應期之后，相對不應期之后，閾下閾下剌激剌激就可引起細胞再興就可引起細胞再興奮，奮，表明此時的興奮性表明此時的興奮性輕度的高于正常。膜電輕度的高于正常。膜電位接近靜息電位，相當位接近靜

54、息電位，相當于動作電位的負后電位于動作電位的負后電位后半段。后半段。需用需用閾上剌激閾上剌激才能引起細胞產生動才能引起細胞產生動作電位，作電位，興奮性低于正常。興奮性低于正常。 膜電位處于膜電位處于超極化狀態(tài)超極化狀態(tài)，與閾電位，與閾電位距離加大。距離加大。正后電位時段正后電位時段Subnormal period:0mV-70-9020absolute refractory periodRelative refractory periodSupranormal period0100興奮性興奮性Subnormal period 分 期 興 奮 性 原 因 時 間 絕對不應期絕對不應期 鈉通道均失活鈉通道均失活 0 -60 mV 相對不應期相對不應期 正常正常 少數鈉通道復活少數鈉通道復活 -60 -80 mV 超常期超常期 正常正常 多數鈉通道復活多數鈉通道復活 -80 -90 mV 低常期低常期 正常正常 超極化超極化 -90 mV 1. 1.興奮性變化分期：興奮性變化分期：2. 2.絕對不應期的意義：絕對不應期的意義： 其長短決定細胞興奮的最高頻率其長短決定細胞興奮的最高頻率例：絕對不應期例：絕對不應期 2 ms 興奮的最高頻率興奮的最高頻率?1000/2 =500 Hz使動作電位不會重合使動作電位不會重合