生理學(xué)課件：1-1 細(xì)胞的生物電現(xiàn)象-1

1、細(xì)胞的生物電現(xiàn)象細(xì)胞的生物電現(xiàn)象 生物的電現(xiàn)象生物的電現(xiàn)象 Glass life fish (Eigermarnia) 400V Chocolate life fish (Gymnotus carapo) 80V Elephant nose fish (Mormyrid) 1000V Black ghost fish (Sternarchus) 1V Fresh water catfish 400V 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 脂脂 溶溶 性性 膜包被體膜包被體 大分子物大分子物 小分子物小分子物 水水 溶溶 性性 有機(jī)物有機(jī)物 無(wú)機(jī)離子無(wú)機(jī)離子 水分子水分子 配體配體 單純擴(kuò)散單純擴(kuò)散 載體擴(kuò)散載體

2、擴(kuò)散 繼發(fā)轉(zhuǎn)運(yùn)繼發(fā)轉(zhuǎn)運(yùn) 滲透滲透 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 通道擴(kuò)散通道擴(kuò)散 原發(fā)轉(zhuǎn)運(yùn)原發(fā)轉(zhuǎn)運(yùn) 信信 號(hào)號(hào) 傳傳 遞遞 高濃度高濃度低濃度低濃度 出胞出胞 入胞入胞 膜膜 蛋蛋 白白 質(zhì)質(zhì) 跨跨 膜膜 物物 質(zhì)質(zhì) 運(yùn)運(yùn) 動(dòng)動(dòng) 生物電生物電 一、膜電位一、膜電位(membrane potential MP)(membrane potential MP) 1 1、概概 念念 ：細(xì)胞膜內(nèi)外存在的電勢(shì)差。：細(xì)胞膜內(nèi)外存在的電勢(shì)差。 通透膜通透膜選擇性通透膜選擇性通透膜 NernstNernst方程與平衡電位方程與平衡電位 EK=RT/ZFEK=RT/ZFlnKlnK+ +O/KO/K+ + i i =59.5

3、 logK =59.5 logK+ +O/KO/K+ + i i 細(xì)胞膜內(nèi)、外離子分布不勻細(xì)胞膜內(nèi)、外離子分布不勻 Na+iNa+o1 10K+iK+o30 1 Cl-iCl-o1 14A-iA-o 4 1 2 2、膜電位的產(chǎn)生機(jī)制、膜電位的產(chǎn)生機(jī)制 細(xì)胞膜選擇性通透細(xì)胞膜選擇性通透 外外 內(nèi)內(nèi) 電緊張性作用電緊張性作用 （作為介質(zhì)）（作為介質(zhì)） 細(xì)胞膜的電阻性細(xì)胞膜的電阻性 細(xì)胞膜的電容性細(xì)胞膜的電容性 3 3、生物膜的、生物膜的 電學(xué)特性電學(xué)特性 A、膜電阻性：、膜電阻性： 純脂質(zhì)膜純脂質(zhì)膜106109 生物膜生物膜103 阻礙離子的流動(dòng)性阻礙離子的流動(dòng)性 膜電阻膜電阻 R 膜電導(dǎo)膜電導(dǎo)

4、G=1/R 膜離子通透性膜離子通透性 P=G B 、膜電容性：、膜電容性： 介電常數(shù)介電常數(shù)35，6nm厚相當(dāng)于厚相當(dāng)于 1F/cm2 表現(xiàn)為膜表面的離子吸附性表現(xiàn)為膜表面的離子吸附性 細(xì)胞膜上不同特性的離子通道不同時(shí)間活動(dòng)，細(xì)胞膜上不同特性的離子通道不同時(shí)間活動(dòng)， 造就了膜不同狀態(tài)下，具有不同的跨膜電特性造就了膜不同狀態(tài)下，具有不同的跨膜電特性 靜息狀態(tài)靜息狀態(tài) 重度刺激重度刺激 受刺激狀態(tài)受刺激狀態(tài) 輕度刺激輕度刺激 二、靜息電位（二、靜息電位（resting potentialresting potential） 1、靜息電位的概念、靜息電位的概念 取決于靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜對(duì)離子選擇性通透

5、取決于靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜對(duì)離子選擇性通透 通透性：通透性：K+ Cl- Na+ A- 細(xì)胞膜對(duì)的離子選擇性通透和離子的吸附作用細(xì)胞膜對(duì)的離子選擇性通透和離子的吸附作用 : :K K+ +ClCl- -NaNa+ +A A- - 靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜內(nèi)、外離子分布不勻靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜內(nèi)、外離子分布不勻 2 2、靜息電位的產(chǎn)生模式、靜息電位的產(chǎn)生模式 3、靜息電位的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)證明、靜息電位的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)證明 Hodgkin Hodgkin 和和 KatzKatz的實(shí)驗(yàn)公式源自的實(shí)驗(yàn)公式源自NernstNernst方程方程 RPRP=RT/F=RT/Fln(pkKln(pkK+ + o o +pNaNa +

6、pNaNa+ + o o +pClCl +pClCl- - o o)/)/ (pkK(pkK+ + i i +pNaNa +pNaNa+ + i i +pClCl +pClCl- - i i) ) RP=EK ENa + ECl - EAEK K K+ +的通透性大于的通透性大于NaNa+ +近近100100倍倍, ,故故RPRP非常接近于非常接近于EKEK 在槍賊巨大神經(jīng)纖維測(cè)得在槍賊巨大神經(jīng)纖維測(cè)得RPRP值為值為-77mv,-77mv,與與N N Hodgkin Hodgkin 和和 KatzKatz的計(jì)算值（的計(jì)算值（-87mv-87mv）基本符合。）基本符合。 人工改變?nèi)斯じ淖僈K+

7、 + O O/K/K+ + i i，RPRP也發(fā)生相應(yīng)改變也發(fā)生相應(yīng)改變 極化狀態(tài)極化狀態(tài) 極化極化 反極化反極化 超極化超極化 去極化去極化 復(fù)極化復(fù)極化 4 4、與、與RPRP相關(guān)的概念：相關(guān)的概念： 1 1、特點(diǎn)：、特點(diǎn)： 具有刺激相關(guān)性，非具有刺激相關(guān)性，非“全或無(wú)全或無(wú)”現(xiàn)象現(xiàn)象 三、局部電位三、局部電位 物理式電物理式電 緊張擴(kuò)布緊張擴(kuò)布 具有總具有總 和效應(yīng)和效應(yīng) 2 2、原理：、原理： 局部通道變化局部通道變化 配體性配體性 電壓性電壓性 機(jī)械性機(jī)械性 局部電位的方向性局部電位的方向性 去極化性去極化性 超極化性超極化性 離子極性離子極性 陽(yáng)離子陽(yáng)離子 陰離子陰離子 強(qiáng)的局部刺

8、激強(qiáng)的局部刺激 四、動(dòng)作電位四、動(dòng)作電位(action potential AP)(action potential AP) 1 1、概概 念念：可興奮細(xì)胞受到刺激，細(xì)胞膜在可興奮細(xì)胞受到刺激，細(xì)胞膜在 靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生一次短暫的、可逆的靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生一次短暫的、可逆的, ,并并 可向周圍擴(kuò)布的電位波動(dòng)稱為動(dòng)作電位?？上蛑車鷶U(kuò)布的電位波動(dòng)稱為動(dòng)作電位。 APAP實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 特征：特征： A：是非衰減（疲勞）式傳導(dǎo)的電位。：是非衰減（疲勞）式傳導(dǎo)的電位。 B：具有：具有“全或無(wú)全或無(wú)”的現(xiàn)象：即同一細(xì)的現(xiàn)象：即同一細(xì) 胞上的胞上的AP大小不隨刺激強(qiáng)度和傳導(dǎo)距離而大小不隨刺激強(qiáng)度和傳導(dǎo)

9、距離而 改變的現(xiàn)象。改變的現(xiàn)象。 C：動(dòng)作電位的產(chǎn)生是細(xì)胞自身的特點(diǎn)，：動(dòng)作電位的產(chǎn)生是細(xì)胞自身的特點(diǎn)， 與刺激無(wú)關(guān)與刺激無(wú)關(guān) 意義：意義： AP的產(chǎn)生是為了將信息傳遞遠(yuǎn)處，標(biāo)志的產(chǎn)生是為了將信息傳遞遠(yuǎn)處，標(biāo)志 細(xì)胞的興奮細(xì)胞的興奮 可興奮性組織與興奮性可興奮性組織與興奮性 去去 極極 化化 上上 升升 支支下降支下降支 2 2、動(dòng)作電位的形狀與相關(guān)概念、動(dòng)作電位的形狀與相關(guān)概念 刺激刺激 局部電位局部電位 閾電位閾電位 去極化去極化 零電位零電位 反極化（超射）反極化（超射） 復(fù)極化復(fù)極化 超極化超極化 細(xì)胞內(nèi)記錄細(xì)胞內(nèi)記錄 極極 化化: :以膜為界，外正內(nèi)負(fù)的狀態(tài)。以膜為界，外正內(nèi)負(fù)的狀態(tài)

10、。 去極化去極化: :膜內(nèi)外電位差向小于膜內(nèi)外電位差向小于RPRP值的方向變化的過(guò)程。值的方向變化的過(guò)程。 超極化超極化: :膜內(nèi)外電位差向大于膜內(nèi)外電位差向大于RPRP值的方向變化的過(guò)程。值的方向變化的過(guò)程。 復(fù)極化復(fù)極化: :去極化后再向極化狀態(tài)恢復(fù)的過(guò)程。去極化后再向極化狀態(tài)恢復(fù)的過(guò)程。 反極化反極化: :細(xì)胞膜由外正內(nèi)負(fù)的極化狀態(tài)變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)細(xì)胞膜由外正內(nèi)負(fù)的極化狀態(tài)變?yōu)閮?nèi)正外負(fù) 的極性反轉(zhuǎn)過(guò)程。的極性反轉(zhuǎn)過(guò)程。 閾電位閾電位: :引發(fā)引發(fā)APAP的臨界膜電位數(shù)值。的臨界膜電位數(shù)值。 局部電位局部電位: :低于閾電位的去極化電位。低于閾電位的去極化電位。 細(xì)胞外記錄細(xì)胞外記錄 鋒電位鋒

11、電位 后電位：后電位：鋒電位下降支最后恢復(fù)到鋒電位下降支最后恢復(fù)到RPRP水平以前，水平以前， 一種時(shí)間較長(zhǎng)、波動(dòng)較小的電位變化過(guò)程。一種時(shí)間較長(zhǎng)、波動(dòng)較小的電位變化過(guò)程。 負(fù)后電位負(fù)后電位= =去極化后電位，去極化后電位， 正后電位正后電位= =超極化后電位。超極化后電位。 1） AP產(chǎn)生的產(chǎn)生的基本條件基本條件: : 膜內(nèi)外存在離子濃度差膜內(nèi)外存在離子濃度差 3 3、動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制及其特性、動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制及其特性 離子濃度 （mmol/L） 主要 離子 膜內(nèi)膜外 膜 內(nèi) 與 膜 外 離 子 比 例 膜對(duì)離子通 透性 N Na a+ + 1 14 41 14 42 21 1: :1

12、10 0 通通透透性性很很小小 K K+ + 1 15 55 55 53 31 1: :1 1 通通透透性性大大 C Cl l- - 8 81 11 10 01 1: :1 14 4 通通透透性性次次之之 A A- - 6 60 01 15 54 4: :1 1 無(wú)無(wú)通通透透性性 膜內(nèi)外的電極化現(xiàn)象膜內(nèi)外的電極化現(xiàn)象:RP:RP 膜在受到刺激時(shí)膜在受到刺激時(shí)，對(duì)離子的通透性改變：，對(duì)離子的通透性改變： 即電壓門控性即電壓門控性NaNa+ +、K K+ +通道激活而開放和通道激活而開放和Na+-K+ Na+-K+ 泵被激活泵被激活 APAP上升支上升支APAP下降支下降支 超極化部分超極化部分

13、當(dāng)細(xì)胞受到當(dāng)細(xì)胞受到刺激刺激 細(xì)胞膜上細(xì)胞膜上少量少量NaNa+ +通道激活而開放通道激活而開放 NaNa+ +順濃度差少量?jī)?nèi)流順濃度差少量?jī)?nèi)流膜內(nèi)外電位差膜內(nèi)外電位差局部電位局部電位 當(dāng)膜內(nèi)電位變化到閾電位時(shí)當(dāng)膜內(nèi)電位變化到閾電位時(shí)NaNa 通道大量開放 通道大量開放 NaNa+ +順電化學(xué)差和膜內(nèi)負(fù)電位的吸引順電化學(xué)差和膜內(nèi)負(fù)電位的吸引再生式內(nèi)流再生式內(nèi)流 Na Na+ + i i、KK+ + O O激活激活NaNa+ +K K+ +泵泵 2 2）APAP產(chǎn)生的離子機(jī)制與過(guò)程：產(chǎn)生的離子機(jī)制與過(guò)程： 膜內(nèi)負(fù)電位減小到零并變?yōu)檎娢唬?nèi)負(fù)電位減小到零并變?yōu)檎娢唬ˋPAP上升支上升支） N

14、aNa+ +通道關(guān)通道關(guān)NaNa+ +內(nèi)流停內(nèi)流停+ +同時(shí)同時(shí)K K+ +通道激活而開放通道激活而開放 K K 順濃度差和膜內(nèi)正電位的吸引 順濃度差和膜內(nèi)正電位的吸引K K 迅速外流 迅速外流 膜內(nèi)電位迅速下降，恢復(fù)到膜內(nèi)電位迅速下降，恢復(fù)到RPRP水平（水平（APAP下降支下降支） NaNa+ +泵出、泵出、K K+ +泵回，離子恢復(fù)到興奮前水平泵回，離子恢復(fù)到興奮前水平后電位后電位 3）刺激參數(shù)與閾電位）刺激參數(shù)與閾電位 閾電位基本維持恒閾電位基本維持恒 定：定： 系數(shù)系數(shù)X刺激強(qiáng)度刺激強(qiáng)度X 刺激時(shí)間刺激時(shí)間 閾刺激、閾上刺激、閾下刺激閾刺激、閾上刺激、閾下刺激 時(shí)間閾、強(qiáng)度閾、面積閾

15、時(shí)間閾、強(qiáng)度閾、面積閾 A 絕對(duì)不應(yīng)期絕對(duì)不應(yīng)期 B 相對(duì)為應(yīng)期相對(duì)為應(yīng)期 C 超常期超常期 D 低常期低常期 細(xì)胞興奮性取決于膜上的部分特異蛋白，興奮性細(xì)胞興奮性取決于膜上的部分特異蛋白，興奮性 即表現(xiàn)為形成動(dòng)作電位的主要離子通道再激活的即表現(xiàn)為形成動(dòng)作電位的主要離子通道再激活的 可能性可能性 4、動(dòng)作電位時(shí)相與細(xì)胞的興奮性、動(dòng)作電位時(shí)相與細(xì)胞的興奮性 AB CD 1 1）傳導(dǎo)機(jī)制：局部電流？）傳導(dǎo)機(jī)制：局部電流？ 5 5、動(dòng)作電位在細(xì)胞上的傳導(dǎo)、動(dòng)作電位在細(xì)胞上的傳導(dǎo) 靜息部位膜內(nèi)為負(fù)電位，膜外為正電位靜息部位膜內(nèi)為負(fù)電位，膜外為正電位 興奮部位膜內(nèi)為正電位，膜外為負(fù)電位興奮部位膜內(nèi)為正電位，膜外為負(fù)電位 在興奮部位和靜息部位之間存在著電位差在興奮部位和靜息部位之間存在著電位差 膜外的正電荷由靜息部位向興奮部位移動(dòng)膜外的正電荷由靜息部位向興奮部位移動(dòng) 膜內(nèi)的負(fù)電荷由興奮部位向靜息部位移動(dòng)膜內(nèi)的負(fù)電荷由興奮部位向靜息部位移動(dòng) 形成局部電流形成局部電流 膜內(nèi)：興奮部位相鄰的靜息部位的電位上升膜內(nèi)：興奮部位相鄰的靜息部位的電位上升 膜外：興奮部位相鄰的靜息部位的電位下降膜外：興奮部位相鄰的靜息部位的電位下降 去極化達(dá)到閾電位，觸發(fā)鄰近靜息部位膜爆發(fā)新的去極化達(dá)到閾電位，觸發(fā)鄰近靜息部位膜爆發(fā)新的APAP 局局 部部 電電 流流 2 2）傳導(dǎo)方式