第二章 電生理學(xué)基礎(chǔ)

1、1,神經(jīng)生物學(xué),鄭州大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理教研室,2,物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式,3,單純擴散 (simple diffusion),4,,擴散動力：分子熱運動必要條件：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)運物質(zhì)： O2、CO2 、乙醇、脂溶性維生素,5,易化擴散（facilitated diffusion）,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

2、的轉(zhuǎn)運和葡萄糖、氨基酸等的轉(zhuǎn)運。經(jīng)載體易化擴散經(jīng)通道易化擴散,6,經(jīng)載體易化擴散,轉(zhuǎn)運特征： 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)運物和載體發(fā)生反應(yīng)的速率轉(zhuǎn)運物質(zhì)：葡萄糖、氨基酸,7,飽 和 現(xiàn) 象,8,經(jīng)通道易化擴散,轉(zhuǎn)運特征： 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)運物質(zhì)：無機離子,9,離子通道的三種狀態(tài),10,離子

3、通道的類型,11,主動轉(zhuǎn)運 （active transport）,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)運的過程。原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運,12,原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運,Na+ - K+ 泵,13,繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運,14,同向轉(zhuǎn)運（Na/Glucose）,15,反向轉(zhuǎn)運（Na/H）,16,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。

4、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,入胞（endocytosis）,18,出胞（exocytosis）,19,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,20,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(resting membrane potential)。通常采用細(xì)胞內(nèi)記錄的方法進(jìn)行測量，將一

5、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~-90 mV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)。,靜息膜電位

6、發(fā)生的機制,即電荷跨膜分布的不均勻狀態(tài)膜兩側(cè)的離子濃度差,24,2. 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。,3. 離子跨膜擴散平衡點位,26,Nernst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：,27,Membrane potential and equilibrium pot

7、ential of different ions,28,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動。,29,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)的強大濃度梯度，加上細(xì)胞存

8、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。,Na-K Pump,31,第二節(jié) 動作電位,概念： 動作電位(action potential)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)。,32,一. AP的記錄及

9、AP的特征,細(xì)胞內(nèi)記錄細(xì)胞外記錄,33,Intracellular potential recording,34,,-,+,+,+,+,-,-,-,,,,,,-,+,,-,+,,-,+,,+,-,,細(xì)胞外記錄,35,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)生的一次可擴布

10、的快速而可逆的倒轉(zhuǎn)，是細(xì)胞興奮的標(biāo)志。,,,,,AP的特征,36,鋒電位(Spike potential),37,后電位（after-potential）,38,二.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,39,,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

11、種神經(jīng)元的Cm相近，但Rm存在顯著差異。,40,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,41,三.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

12、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。,42,,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

13、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。,43,①[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）,

14、44,電壓鉗原理(voLtage clamp),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-70 mV)與調(diào)定電壓V(如-100 mV)通過比較器進(jìn)行比較．其差值30 mV經(jīng)放大后進(jìn)入一個快速電壓-電流轉(zhuǎn)換器(FBA)，使?V＝30 mV的電壓轉(zhuǎn)換成電流I'，把這個反饋電流I'打人膜內(nèi)

15、，使膜電位立即發(fā)生變化。這樣就能夠維持膜電壓不變。,45,左圖表示在去極化作用時通過膜的離子電流。膜左極化56 mV，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,46,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： VmENa 外向In

16、a反轉(zhuǎn)電位：+52mV,47,,,48,Hodgkin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。,49,,50,51,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,52,53,膜片鉗發(fā)現(xiàn)離子通道的共同特性,

17、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。,54,四. 動作電位的傳導(dǎo),動作電位的傳導(dǎo)機制動作電位的傳導(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,55,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

18、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)位點相互作用的強度,56,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,57,雙閘門控制Na離子通道,m gate that response to depolarization h gate that response to repolarization Three st

19、ates of Na+ channel state m h g resting state closed opened 0 active state opened opened high inactive state opened close

20、d 0,58,59,Resting activation 激活Recovery Active 復(fù)活 inactivation 失活 Inactive,,,,,60,61,,62,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

21、動作電位的傳導(dǎo),63,動作電位的引起,刺激 興奮性及興奮 閾電位,64,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：刺激強度刺激作用時間強度-時間變化率閾強度：把刺激的作用時間和強度-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度，稱為閾強度(threshold intensity),或簡稱閾值(threshold)。 閾值是衡量組織細(xì)胞興奮性高低的

22、指標(biāo)。,65,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。,66,閾電位(Threshold potential),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（threshold membrane potential）；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→

23、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。,67,細(xì)胞興奮后興奮性周期性變化,Absolute refractory period 絕對不應(yīng)期Relative refractory period 相對不應(yīng)期Supernormal period 超常期 Subnormal period 低常期,68,,69,,70,局部電

24、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。,71,局部興奮的特點：它不是“全或無”的：在閾下刺激的范圍內(nèi)，隨刺激強度的增大而增大；電緊張性擴布：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，稱為電緊張性擴布 （electrotonic propagation）；

25、局部興奮可以總和：空間性總和與時間性總和。,72,Experiment,,Voltage response (%),73,,74,,75,動作電位的傳導(dǎo),76,是以“局部電流”的形式傳導(dǎo)的。局部電流：在已興奮的細(xì)胞膜和與它相鄰的未興奮的細(xì)胞膜之間，由于電位差的出現(xiàn)而發(fā)生電荷移動，稱為局部電流（local current）。運動方向是：在膜外的正電荷由未興奮段移向已興奮段，而膜內(nèi)的正電荷由已興奮段移向未興奮段。結(jié)果：造成鄰近未興奮

26、的細(xì)胞膜去極化達(dá)閾電位，出現(xiàn)它自己的動作電位。,77,78,79,80,動作電位在有髓神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo),81,有髓纖維受到外來刺激時，動作電位只能在鄰近刺激點的郎飛結(jié)處產(chǎn)生，因而局部電流也只能發(fā)生在相鄰的郎飛結(jié)之間，其外電路要通過髓鞘外面的組織液。使動作電位的傳導(dǎo)表現(xiàn)為跨過每一段髓鞘而在相鄰的郎飛結(jié)處相繼出現(xiàn)，這稱為興奮的跳躍式傳導(dǎo)（saltatory conduction）。跳躍式傳導(dǎo)時的興奮傳導(dǎo)速度快得多；還是一種更“節(jié)能”的傳

27、導(dǎo)方式。,82,83,84,影響動作電位傳導(dǎo)速度的因素,動作電位去極化的速度和幅度細(xì)胞膜的被動電學(xué)性質(zhì)膜電容越小，膜電阻越大，則傳導(dǎo)速度越快。（如有髓神經(jīng)纖維）纖維直徑直徑大，則傳導(dǎo)速度大。,85,動作電位沿神經(jīng)干傳導(dǎo)的特性：,雙向性絕緣性不衰減傳播相對不疲勞性生理完整性,86,總結(jié),靜息電位與哪些離子的跨膜移動有關(guān)？Hodgkin和Huxely用電壓鉗實驗，如何證明了動作電位的產(chǎn)生與Na+和K+有關(guān)？Na+通道的結(jié)