Chapt2细胞的基本功能.ppt

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1、第三节细胞的生物电变化,静息电位的产生及机制;动作电位的产生及机制;,一.静息电位(Resting potential),静息电位的引导方法；静息电位的概念；相关术语；静息电位的产生机制；影响静息电位的因素。,1.静息电位的引导方法,intracellular potential recording,Measurement of the resting potential,1939,AL HodgKin and AF Huxley,two famous physiologists at University of Cambridge in England,Winners of the Nobe

2、l Prize in Physiology or Medicine 1963,Intracellular potential recording,2.静息电位的概念,定义（RP）：是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内、外两侧的电位差。特点：a：RP表现为膜内较膜外为负，即内负外正。b：RP在大多数细胞是一种稳定的直流电位。,3.相关术语,（）极化（polarization)：静息时，膜两侧的内 负外正状态。（2）超极化（hyperpolarization）：膜内电位向负 值变大的方向变化。（3）去极化（depolarization）：膜内电位向负值减小的方向变化。（4）复极化（repolariza

3、tion）：由去极化或超极化 向RP值恢复。,4.静息电位产生的机制:,1902年，Bernstein提出膜学说（1）细胞内外各种离子的浓度分布不均；（2）细胞膜对离子的通透性不一样；（3）离子的通透性会发生改变。推测：静息时，细胞膜对K+通透，对Na+不通透，K+外流形成K+平衡电位（K+equilibrium potential，EK）。静息电位就等于K+平衡电位,Julius Bernstein 1839-1917,（）化学现象,要在膜两侧形成电位差，必须具备两个条件：膜两侧的离子分布不均，存在浓度差；对离子有选择性通透的膜。膜两侧K+差是促使K+扩散的动力，但随着K+的不断扩散，膜两侧

4、不断加大的电位差是K+继续扩散的阻力，当动力和阻力达到动态平衡时，K+的净扩散通量为零膜两侧的平衡电位。,通透膜,选择性通透膜,（）静息电位的产生条件,静息状态下细胞膜内、外离子分布不均 Na+iNa+o110 K+iK+o301 Cl-iCl-o114 A-iA-o 41静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性通透性：K+Cl-Na+A-,静息时膜内外各离子的浓度,离子膜内浓度膜外浓度平衡电位（mmol/L）（mmol/L）(mV)K+400 20-75Na+50 440+55Cl-52 560-60A-385-,（）RP产生机制的膜学说:静息状态下细胞膜内外离子分布不均；细胞膜对离子的通透

5、具有选择性:K+Cl-Na+A-,Ki顺浓度差向膜外扩散 A-i不能向膜外扩散,K+i、A-i膜内电位(负电场)K+o膜外电位(正电场),膜外为正、膜内为负的极化状态,当扩散动力与阻力达到动态平衡时=RP,结论:RP的产生主要是K向膜外扩散的结果。RP=K+的平衡电位,膜在安静状态下，K+能以易化扩散的形式移向膜外：1)K+外移动力：浓度差。结构基础：膜在安静状态下只对K+有通透性2)K+外移阻力：移到膜外的K+所造成的外正内负的电场力3)当K+外移的动力与阻力相等时，膜内外不再有K+的净移动，而此时膜两侧的电位差稳定在某一数值，称为K+平衡电位（Ek）。也就是RP。4)K+平衡电位的数值，由

6、膜两侧原初存在的K+浓度差的大小决定的,Nernst Equation:,K+,Concentration gradient Ko/Ki Electrical gradient(potential),for K+at 29.2C,the Nernst Equation become:,Electrochemical driving force,60,Membrane potential and equilibrium potential of different ions,5.影响RP的因素（1）细胞外K+浓度，（2）细胞膜对Na+、K+的通透性；（3）钠-钾泵的作用。,二、动作电位(Acti

7、on potential),动作电位的模拟实验动作电位的概念动作电位的特点动作电位的产生机制动作电位的引起和传导,1.,1、定义：2、组成：去极相：去极化超射锋电位复极相：复极化初期后电位：负后电位正后电位AP是膜两侧电位在RP基础上发生的一次可扩布的快速而可逆的倒转，是细胞兴奋的标志。,2.动作电位的概念,动作电位的图形,锋电位(Spike potential),AP的主要成分和标志,超射：膜电位高于零的部分,后电位（after-potential）,“全或无”（all or none)现象；不衰减传导；瞬时性；极化反转。,3.动作电位的特点,意义：AP的产生是细胞兴奋的标志,4.动作电位的

8、产生机制,推测：细胞受到刺激时，细胞膜对Na+的通透性增加，Na+内流。间接证据：等张葡萄糖代替NaCl；直接证据：实验（作为了解）（1）电压钳技术(voltage clamp)；（2）膜片钳技术(patch clamp)。,膜片钳技术,消化细胞；拉制电极；钳制细胞；记录电流。,心室肌细胞,AP产生机制（1）锋电位 上升支：去极相由Na+内流形成，是Na+的平衡电位有效刺激部分Na+通道开放少量Na+内流膜去极化达到阈电位大量Na+通道开放大量Na+内流膜内负电位消失，出现正电位。下降支：复极相Na+通道失活K+通透性升高 Na+内流停止，K+外流膜内电位由正向负值变化静息电位。,Depola

9、rization,Repolarization,（2）后电位：负后电位：快速K+外流堆积，复极化减慢；正后电位：钠泵活动。注：兴奋后的静息期：钠泵活动增强，使兴奋前原有的离子分布状态得以恢复。,AP产生机制,当细胞受到刺激,细胞膜上少量Na+通道激活而开放,Na+顺浓度差少量内流膜内外电位差局部电位,当膜内电位变化到阈电位时Na通道大量开放,Na+顺电化学差和膜内负电位的吸引再生式内流,Na+i、K+O激活Na+K+泵,AP的产生机制:,膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支）,Na+通道关Na+内流停+同时K+通道激活而开放,K顺浓度差和膜内正电位的吸引K迅速外流,膜内电位迅速下降，恢复

10、到RP水平（AP下降支）,Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平后电位,结论：AP的上升支由Na内流形成，下降支是K外流形成的，后电位是NaK 泵活动引起的。AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（NaK泵的活动）。AP幅值=RP值+超射值=EK+ENa 证明：Nernst公式的计算:AP达到的超射值（正电位值）相当于计算所得的Na的平衡电位(ENa)值 应用Na通道特异性阻断剂河豚毒后，内向电流全部消失（AP消失）,离子通道的特性,AP的产生实质上是受刺激后Na+、K+通道状态的改变。K+通道：是电压依赖式离子通道，有开、关两种状态阻断剂：四乙基胺（TEA）Na+通道:是电压及

11、时间依赖式离子通道，有备用、激活、失活三种状态阻断剂：河豚毒素（TTX）、局麻药,Voltage-gated Ion Channels,AP的产生与膜通透性的关系,5.动作电位的引起与传导,动作电位的引起细胞兴奋后兴奋性周期性变化局部反应动作电位的传导,动作电位的引起,1、刺激(Stimulation)：（1）刺激：细胞所处环境因素的改变。（2）刺激三要素：刺激强度、刺激作用时间、强度-时间变化率；,(3)阈强度(threshold intensity)：把刺激的作用时间和强度-时间变化率都固定在某一适当数值，能引起组织细胞兴奋所必需的最小刺激强度，简称阈值(threshold)阈值是衡量组织

12、细胞兴奋性高低的指标。,阈刺激：刺激强度等于阈强度的刺激 阈下刺激：刺激强度小于阈强度的刺激 阈上刺激：刺激强度大于阈强度的刺激 阈刺激和阈上刺激可以引起组织细胞兴奋，而阈下刺激则不能,2.兴奋性及兴奋(Excitability&excitation),兴奋性：细胞受到刺激时产生动作电位的能力。兴奋：动作电位的同义词。可兴奋细胞：肌肉、神经、腺体。阈强度是衡量细胞兴奋性高低的指标，阈强度高，则兴奋性低；阈强度低，则兴奋性高。,3、阈电位（Threshold potential）,阈电位：能进一步诱发动作电位的去极化临界膜电位值，称为阈电位；阈电位一般较静息电位的负值少1020mV。衡量兴奋性高

13、低的指标,到达阈电位值的去极化 一定数量的Na+通道的开放 Na+内流 膜的进一步去极化 更多Na+通道开放“正反馈”或称为再生性循环的过程 直至达到Na+的平衡电位,细胞兴奋后兴奋性的周期性变化,实验方法：先后两次刺激 1)阈刺激，细胞兴奋 2)改变频率和刺激强度，观察细胞的兴奋,细胞兴奋后兴奋性周期性变化,对阈下刺激反应,对阈上刺激反应,产生机制,绝对不应期（absolute refractory period）：Na+通道完全失活；相对不应期（relative refractory period）：Na+通道部分复活；超常期（supranormal period）：Na+通道大部分复活，

14、膜电位小于RP；低常期（subnormal period）：膜电位处于超极化状态；,Action Potential Stages:Overview,.局部反应（local response),概念：细胞受到阈下刺激时，可引起受刺激的膜局部出现一个较小的去极化，称为局部反应或局部兴奋阈下刺激该段膜中Na+通道的少量开放少量Na+内流 膜轻度去极化,特点:（1）电紧张传播(electrotonic propagation),呈衰减性传导；（2）等级性，非“全或无”式；（3）可以总和：时间总和(temporal summation)空间总和(spatial summation),局部兴奋的特点,G

15、raded potentials decrease in strength as they spread out from the point of origin,Stimulus,.动作电位的传导,局部电流学说 局部电流：已兴奋膜与未兴奋膜之间存在电位差，而发生的电荷移动。,1.兴奋在无髓神经纤维上的传导,局部电流（local current）：在已兴奋的细胞膜和与它相邻的未兴奋的细胞膜之间，由于电位差的出现而发生电荷移动。运动方向：在膜外的正电荷由未兴奋段移向已兴奋段，而膜内的正电荷由已兴奋段移向未兴奋段。结果：是造成邻近未兴奋的细胞膜去极化达阈电位，出现它自己的动作电位。,Conduct

16、ion of Action Potentials,Conduction of Action Potentials,Conduction of Action Potentials,所谓动作电位（兴奋）的传导：实际是已兴奋的膜部分通过局部电流“刺激”了未兴奋的膜部分使之出现动作电位；这样的过程在膜表面连续进行下去，就表现为兴奋在整个细胞的传导。所以,AP呈不衰减性传导,2.兴奋在有髓神经纤维上的传导,跳跃式传导（saltatory conduction）,跳跃式传导的优点：传导速度快；耗能少。,影响传导速度的因素,轴突直径是否有髓鞘,3 神经纤维兴奋传导的特征,不衰减性传导双向传导绝缘性相对不疲劳性生理完整性,summary,1.resting potential:2.action potential:3.local response:4.threshold potential:5.conduction of the AP:,