生物物理學(xué)：第四章 細(xì)胞電活動

1、1 第四章第四章 細(xì)胞電活動細(xì)胞電活動 興奮：興奮： 生物組織可以對外界刺激（機(jī)械，溫度，生物組織可以對外界刺激（機(jī)械，溫度， 電，化學(xué)）發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)刺激達(dá)到一定閾值時(shí)，電，化學(xué)）發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)刺激達(dá)到一定閾值時(shí)， 生物組織發(fā)生反應(yīng)，這一過程稱為興奮。生物組織發(fā)生反應(yīng)，這一過程稱為興奮。 2 在神經(jīng)，肌肉等細(xì)胞中，這種能力高度發(fā)展，在神經(jīng)，肌肉等細(xì)胞中，這種能力高度發(fā)展， 所以稱為可興奮細(xì)胞。主要表現(xiàn)是對外界刺激的所以稱為可興奮細(xì)胞。主要表現(xiàn)是對外界刺激的 反應(yīng)是細(xì)胞膜的電位發(fā)生快速的改變。反應(yīng)是細(xì)胞膜的電位發(fā)生快速的改變。 其它組織細(xì)胞也可以對外界刺激發(fā)生反應(yīng)，其它組織細(xì)胞也可以對外界刺激發(fā)生

2、反應(yīng)， 但主要表現(xiàn)不是細(xì)胞膜電位的變化，一般稱為非但主要表現(xiàn)不是細(xì)胞膜電位的變化，一般稱為非 興奮性細(xì)胞。興奮性細(xì)胞。 區(qū)別：膜電位的變化區(qū)別：膜電位的變化 如如: :神經(jīng)，肌肉，感受器等可興奮細(xì)胞。神經(jīng)，肌肉，感受器等可興奮細(xì)胞。 3 4.1 膜的電學(xué)特性膜的電學(xué)特性 膜是由脂類物質(zhì)構(gòu)成的，脂類物質(zhì)在電學(xué)膜是由脂類物質(zhì)構(gòu)成的，脂類物質(zhì)在電學(xué) 上近乎絕緣；但蛋白質(zhì)組分特性、構(gòu)象及膜上上近乎絕緣；但蛋白質(zhì)組分特性、構(gòu)象及膜上 位置變化，造成膜兩側(cè)某種特定導(dǎo)電狀態(tài)。位置變化，造成膜兩側(cè)某種特定導(dǎo)電狀態(tài)。 對于生物膜組織有跨膜的電阻對于生物膜組織有跨膜的電阻Rm和跨膜和跨膜 的電容的電容Cm。 。

3、4 可興奮細(xì)胞可興奮細(xì)胞Rm隨膜興奮狀態(tài)隨膜興奮狀態(tài)(通道蛋白狀態(tài)通道蛋白狀態(tài)) 而變化，而而變化，而Cm則變化不明顯。則變化不明顯。 一一. . 一小段膜的等效電路圖一小段膜的等效電路圖： Rm Cm 5 rororo ririri rmrmrmrm CmCmCmCm 長柱形細(xì)胞，如神經(jīng)軸突和肌纖維細(xì)胞，長柱形細(xì)胞，如神經(jīng)軸突和肌纖維細(xì)胞， 其長度遠(yuǎn)大于細(xì)胞直徑，可用電纜模型描述其長度遠(yuǎn)大于細(xì)胞直徑，可用電纜模型描述。 6 Cm gK EK gClgNa ECl ENa 胞外胞外 胞內(nèi)胞內(nèi) 7 4.2 靜息電位靜息電位 （Resting Potential, RP） 細(xì)胞在沒有受到刺激（靜息

4、）細(xì)胞在沒有受到刺激（靜息） 的狀態(tài)下，跨細(xì)胞膜的電位。的狀態(tài)下，跨細(xì)胞膜的電位。 8 一一. . 檢測靜息電位的實(shí)驗(yàn)檢測靜息電位的實(shí)驗(yàn) 來源：來源：槍烏賊的巨軸突，直徑為槍烏賊的巨軸突，直徑為1mm1mm， 可在肉眼下觀察和操作?？稍谌庋巯掠^察和操作。 采用微電極技術(shù)采用微電極技術(shù) 9 10 高阻抗前高阻抗前 置放大器置放大器 示波器示波器 3M KCl3M KCl Ag-AgClAg-AgCl 2 3 m 細(xì)胞微電極記錄細(xì)胞微電極記錄： 11 靜息電位：靜息電位： 細(xì)胞在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在電位差，外細(xì)胞在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在電位差，外 側(cè)為側(cè)為+ +，內(nèi)側(cè)為，內(nèi)側(cè)為-

5、 -，這一外正內(nèi)負(fù)的電位差稱為靜息電位。，這一外正內(nèi)負(fù)的電位差稱為靜息電位。 幾乎所有的細(xì)胞（可興奮和非興奮細(xì)胞）都存在靜息幾乎所有的細(xì)胞（可興奮和非興奮細(xì)胞）都存在靜息 電位，但不同細(xì)胞的靜息電位的大小有差別。電位，但不同細(xì)胞的靜息電位的大小有差別。 神經(jīng)細(xì)胞：神經(jīng)細(xì)胞：-60 -70mV 心肌細(xì)胞：心肌細(xì)胞：-90mV 紅細(xì)胞紅細(xì)胞 ： -10mV 一般來說，可興奮細(xì)胞靜息電位較大，非興奮細(xì)胞靜息一般來說，可興奮細(xì)胞靜息電位較大，非興奮細(xì)胞靜息 電位較小。電位較小。 12 1. 離子在膜的內(nèi)外兩側(cè)分布不平衡離子在膜的內(nèi)外兩側(cè)分布不平衡 在細(xì)胞內(nèi)液和外液中，有在細(xì)胞內(nèi)液和外液中，有Na+、K

6、+、Cl-、 Ca+等各種離子和一些帶電荷的蛋白質(zhì)分子，等各種離子和一些帶電荷的蛋白質(zhì)分子， 一般細(xì)胞內(nèi)液和外液中各自正負(fù)電荷是相等一般細(xì)胞內(nèi)液和外液中各自正負(fù)電荷是相等 的，但同一離子在細(xì)胞內(nèi)外液中濃度卻相差的，但同一離子在細(xì)胞內(nèi)外液中濃度卻相差 很大。很大。 細(xì)胞整體表現(xiàn)為電中性的。細(xì)胞整體表現(xiàn)為電中性的。 二二. .靜息電位的離子基礎(chǔ)靜息電位的離子基礎(chǔ) 13 細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外細(xì)胞外 K+Na+ClCl- -K+Na+ClCl- - 人紅細(xì)胞人紅細(xì)胞1361383835164154154 胃腸平滑肌細(xì)胞胃腸平滑肌細(xì)胞1622240405.9137134134 蛙骨骼及細(xì)胞蛙骨骼及細(xì)胞15

7、5124 44145120120 槍烏賊軸突槍烏賊軸突36944393913498520520 2.三種主要離子的跨膜分布三種主要離子的跨膜分布 K+ Na+ Cl- 14 3.形成跨膜離子分布不平衡的成因形成跨膜離子分布不平衡的成因 15 三三.離子平衡電位離子平衡電位 1.在簡單理想的狀態(tài)下的離子平衡電位在簡單理想的狀態(tài)下的離子平衡電位 分析分析K+ 假設(shè)胞內(nèi)有兩種離子假設(shè)胞內(nèi)有兩種離子K+、P-組成，組成， K+可可 透過細(xì)胞膜，透過細(xì)胞膜， P-不能透過細(xì)胞膜。不能透過細(xì)胞膜。 16 P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+

8、K+K+ K+ P- P- P- P- P- P- P- P- P- P- K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ E 17 化學(xué)梯度的存在，化學(xué)梯度的存在， K K+ +可細(xì)胞外流動可細(xì)胞外流動。 當(dāng)當(dāng)K K+ +出去后，形成電場，電場方向出去后，形成電場，電場方向，阻止，阻止K K+ +出來。出來。 K K+ +移動受到兩個(gè)作用移動受到兩個(gè)作用: : 化學(xué)勢和電位勢。化學(xué)勢和電位勢。 當(dāng)化學(xué)勢和電位勢平衡后，當(dāng)化學(xué)勢和電位勢平衡后， K K+ +停止流動，停止流動， 此時(shí)為此時(shí)為K K的平衡電位。的平衡電位。 18 2. 離子的電化學(xué)勢計(jì)算：離子的電化學(xué)勢計(jì)算： = =

9、 0 0 + RTlnC + RTlnCK+ K+ + ZF + ZF 電位勢電位勢 化學(xué)濃度勢化學(xué)濃度勢 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 的化學(xué)勢的化學(xué)勢 R:R:氣體常數(shù)；氣體常數(shù)；T T：溫度；：溫度；CCK+ K+ ：離子濃度 ：離子濃度 Z Z：電荷數(shù)，價(jià)；：電荷數(shù)，價(jià)；F F：法拉第常數(shù)；：法拉第常數(shù)；：電位：電位 19 i= 0 0+RTlnK+i+ZFi= 0+RTlnK+o+ZFo = i -o=(RT/ZF)ln(K+o/ K+i) 計(jì)算離子跨膜電位差計(jì)算離子跨膜電位差( (離子平衡電位）的離子平衡電位）的 NernstNernst方程：方程： = (RT/ZF)ln(K+o/ K+

10、i) 離子跨膜運(yùn)輸達(dá)到平衡時(shí)，兩側(cè)的電化學(xué)勢相等離子跨膜運(yùn)輸達(dá)到平衡時(shí)，兩側(cè)的電化學(xué)勢相等： 20 對鉀離子：對鉀離子： = (RT/ZF)ln(K+o/ K+i) =2.303 (RT/ZF)log (K+o/ K+i) =(58/Z) log (K+o/ K+i) = -58 log (K+i/ K+o) K+: about 70 mV； Na+: 40-60 mV Cl-: -20 mV； Ca2+: more than 100mV 21 3.建立這一電位需要多少離子跨膜？建立這一電位需要多少離子跨膜？ 建立建立-70mv的跨膜電位需多少的跨膜電位需多少K+流出？流出？ K+的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是

11、否會影響細(xì)胞內(nèi)外的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是否會影響細(xì)胞內(nèi)外K+的濃的濃度？度？ 22 根據(jù)根據(jù)Faraday定律定律 n=Q/(ZF)=CV/(ZF) 槍烏賊巨軸突，直徑槍烏賊巨軸突，直徑1mm， 膜電容膜電容1F/cm2， K+的平的平 衡電位是衡電位是-70mV， n=10-6 0.07/96500=7.25 10-13mol/cm2 7.25 10-13mol/cm2的的K+ 跨膜移動，形成跨膜移動，形成-70mV 的膜電位，的膜電位，1cm2內(nèi)內(nèi)K+的數(shù)量為的數(shù)量為3 10-5mol，所以基，所以基 上不影響離子的濃度。上不影響離子的濃度。 23 細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外細(xì)胞外 K+Na+Cl-K+Na+

12、Cl- 人紅細(xì)胞人紅細(xì)胞13613835164154 胃腸平滑肌細(xì)胞胃腸平滑肌細(xì)胞16222405.9137134 蛙骨骼及細(xì)胞蛙骨骼及細(xì)胞1551244145120 槍烏賊軸突槍烏賊軸突369443913498520 四四. . 在實(shí)際條件下的細(xì)胞靜息電位在實(shí)際條件下的細(xì)胞靜息電位 細(xì)胞內(nèi)外各種離子的濃度細(xì)胞內(nèi)外各種離子的濃度 24 不同離子的平衡電位是不同的，而細(xì)胞的靜不同離子的平衡電位是不同的，而細(xì)胞的靜 息電位由跨膜分布的各種離子共同決定的（幾種息電位由跨膜分布的各種離子共同決定的（幾種 離子的加合作用），并與細(xì)胞膜對各種不同離子離子的加合作用），并與細(xì)胞膜對各種不同離子 通透性有關(guān)。

13、通透性有關(guān)。 K+: about 70 mV； Na+: 40-60 mV Cl-: -20 mV； Ca2+: more than 100mV 通透性大的離子對細(xì)胞通透性大的離子對細(xì)胞 靜息電位的貢獻(xiàn)大。靜息電位的貢獻(xiàn)大。 25 細(xì)胞膜對各種離子滲透能力不同：細(xì)胞膜對各種離子滲透能力不同： PK : Pna : PCl=1.0 : 0.04 : 0.45 細(xì)胞靜息電位由跨膜分布的離子共細(xì)胞靜息電位由跨膜分布的離子共 同決定，并與其通透性有關(guān)系，通透性同決定，并與其通透性有關(guān)系，通透性 大的離子對靜息電位的貢獻(xiàn)大。大的離子對靜息電位的貢獻(xiàn)大。 26 對某一離子是平衡電位，對細(xì)對某一離子是平衡電

14、位，對細(xì) 胞是靜息電位。胞是靜息電位。 27 五五. .Goldman-Hodgkin-Kalz方程方程 計(jì)算細(xì)胞靜息電位的方程計(jì)算細(xì)胞靜息電位的方程 1.問題的提出：問題的提出： K+平衡電位約平衡電位約70mV，細(xì)胞靜息電位，細(xì)胞靜息電位-70mV左右左右, K+平衡電位是否決定細(xì)胞靜息電位？平衡電位是否決定細(xì)胞靜息電位？ （ K+的通透性最高）的通透性最高） PK : Pna : PCl=1.0 : 0.04 : 0.45 28 K+平衡電位平衡電位 細(xì)胞外細(xì)胞外 K K+ + 濃度濃度 膜靜息膜靜息 電位電位 證實(shí)：證實(shí)： 實(shí)驗(yàn)：改變細(xì)胞外實(shí)驗(yàn)：改變細(xì)胞外 K+濃度，觀察跨膜電位差濃度

15、，觀察跨膜電位差 的變化。的變化。 29 當(dāng)當(dāng)K+o高時(shí)，實(shí)測膜電位與高時(shí)，實(shí)測膜電位與Nernst公式計(jì)算值近似。公式計(jì)算值近似。 當(dāng)當(dāng)K+o低時(shí)，實(shí)測膜電位與低時(shí)，實(shí)測膜電位與Nernst公式計(jì)算值相差公式計(jì)算值相差 較大，原因是忽略了較大，原因是忽略了Na+、Cl-對膜電位的影響。對膜電位的影響。 30 2. 所有離子的流動達(dá)到平衡，形成靜息電位。所有離子的流動達(dá)到平衡，形成靜息電位。 將可擴(kuò)散的離子將可擴(kuò)散的離子K K+ +、NaNa+ +、ClCl- - 的電化學(xué)勢和通 的電化學(xué)勢和通 透性考慮在內(nèi)，經(jīng)過繁瑣的推導(dǎo)，得到透性考慮在內(nèi)，經(jīng)過繁瑣的推導(dǎo)，得到 Goldman-Hodgki

16、n-Kalz方程：方程： （用于計(jì)算細(xì)胞的跨膜電位（用于計(jì)算細(xì)胞的跨膜電位, ,即靜息電位）即靜息電位） ln 58log KiNaiClo KoNaoCli KiNaiClo KoNaoCli P KPNaP ClRT FP KPNaP Cl P KPNaP Cl P KPNaP Cl 31 六六. .靜息電位的生理意義靜息電位的生理意義 1.1.與膜的興奮性有關(guān)與膜的興奮性有關(guān), , 膜的興奮性與靜息電位與閾電位的差值有關(guān)。膜的興奮性與靜息電位與閾電位的差值有關(guān)。 2.2.是一種能量儲備形式是一種能量儲備形式 通過鈉泵的活動，維持膜內(nèi)外鉀、鈉、氯離子的不對通過鈉泵的活動，維持膜內(nèi)外鉀、鈉、

17、氯離子的不對 稱分布，形成膜電位，是一種勢能儲備。在此基礎(chǔ)上爆稱分布，形成膜電位，是一種勢能儲備。在此基礎(chǔ)上爆 發(fā)的動作電位，鈉離子擴(kuò)散的能量來源于勢能的儲備。發(fā)的動作電位，鈉離子擴(kuò)散的能量來源于勢能的儲備。 3.3.維持興奮的不衰減性維持興奮的不衰減性 興奮由局部電流激發(fā)興奮由局部電流激發(fā), ,但興奮發(fā)生的能量來自儲備但興奮發(fā)生的能量來自儲備 的勢能。只要膜電位相等，興奮的傳導(dǎo)就不會率減。的勢能。只要膜電位相等，興奮的傳導(dǎo)就不會率減。 32 七七. .考慮膜電位，膜上不同離子的電導(dǎo)，修正考慮膜電位，膜上不同離子的電導(dǎo)，修正 后膜的等效電路后膜的等效電路 C m gK EK gClgNa EC

18、 EN a 胞外胞外 胞內(nèi)胞內(nèi) 1.加入離子的平衡電位加入離子的平衡電位E 2.電導(dǎo)電導(dǎo)g表示各種離子的通透表示各種離子的通透性性 33 4.3 動作電位動作電位（ActionPotential,AP） 細(xì)胞在受到刺激后，產(chǎn)生的細(xì)胞膜細(xì)胞在受到刺激后，產(chǎn)生的細(xì)胞膜 的電位的變化。的電位的變化。 34 高阻抗前高阻抗前 置放大器置放大器 示波器示波器 微分器微分器 記錄儀記錄儀 刺激器刺激器隔離器隔離器 一一. . 動作電位的檢測動作電位的檢測 35 脈沖電刺激脈沖電刺激 36 二二. . 動作電位動作電位 1.1.動作電位各部分的名稱：動作電位各部分的名稱： 去極化去極化 復(fù)極化復(fù)極化 超極化

19、超極化 超射超射 閾電壓閾電壓 閾強(qiáng)度閾強(qiáng)度 37 38 “全全” 或或 “無無” 要么有要么有AP，要么無，要么無AP。 不衰減性傳導(dǎo)不衰減性傳導(dǎo) 同一細(xì)胞，同一細(xì)胞，AP的形狀和幅值是固定的、不變的形狀和幅值是固定的、不變 的，不隨刺激強(qiáng)度和傳導(dǎo)距離而變，即的，不隨刺激強(qiáng)度和傳導(dǎo)距離而變，即AP與細(xì)胞與細(xì)胞 本身和狀態(tài)有關(guān)，與刺激無關(guān)本身和狀態(tài)有關(guān)，與刺激無關(guān)。 脈沖式脈沖式 由于不應(yīng)期的存在，使連續(xù)多個(gè)動作電位不由于不應(yīng)期的存在，使連續(xù)多個(gè)動作電位不 會融合，兩個(gè)動作電位間總有一定間隔。會融合，兩個(gè)動作電位間總有一定間隔。 2. 動作電位的特點(diǎn)動作電位的特點(diǎn) 39 三三. .動作電位的成

20、因動作電位的成因-Na-Na學(xué)說學(xué)說 1.第一個(gè)問題提出：第一個(gè)問題提出：動作電位是怎樣產(chǎn)生的動作電位是怎樣產(chǎn)生的? 2.第二個(gè)問題提出：第二個(gè)問題提出：膜對離子的通道性是增加膜對離子的通道性是增加? 減少減少? 3.第三個(gè)問題提出：第三個(gè)問題提出：對哪種離子的通透性增加對哪種離子的通透性增加? 40 問：問：動作電位是動作電位是 怎樣產(chǎn)生的怎樣產(chǎn)生的? 答：答：動作電位是動作電位是 細(xì)胞受到刺激時(shí)產(chǎn)細(xì)胞受到刺激時(shí)產(chǎn) 生的電位變化。生的電位變化。 問：問：電位的變電位的變 化是怎樣形成的？化是怎樣形成的？ 答：答：電位的變化必電位的變化必 然有電流的形成，由于然有電流的形成，由于 電流的存在導(dǎo)

21、致電位的電流的存在導(dǎo)致電位的 變化。變化。 問：問：跨膜電流怎樣形跨膜電流怎樣形 成的？成的？ 答：答：靜息時(shí)，離子跨靜息時(shí)，離子跨 膜流動達(dá)到平衡，動作膜流動達(dá)到平衡，動作 電位時(shí)，膜對離子的通電位時(shí)，膜對離子的通 透性不同于靜息狀態(tài)。透性不同于靜息狀態(tài)。 41 問：問：對哪種離子的通透性增加對哪種離子的通透性增加? K+ ? Na+ ? Cl- ? 問：問：膜對離子的通道性是增加膜對離子的通道性是增加?減少減少? 答：答：測量膜電阻，動作電位時(shí)，膜測量膜電阻，動作電位時(shí)，膜 電阻降低，對離子的通透性增加。電阻降低，對離子的通透性增加。 42 Cm gK EK gClgNa ECl ENa

22、胞外胞外 胞內(nèi)胞內(nèi) 43 根據(jù)根據(jù)Goldman-Hodgkin-Kalz方程：方程： ln KiNaiClo KoNaoCli P KPNaP ClRT FP KPNaP Cl 跨膜電位與離子的通透性關(guān)系，通透性最大的離子對跨膜電位與離子的通透性關(guān)系，通透性最大的離子對 膜電位的決定性最大。膜電位的決定性最大。 （膜電位趨向通透性最大的那種離子的平衡電位）（膜電位趨向通透性最大的那種離子的平衡電位） 44 若若PK ，則，則K； ； K = -70mv-80mv 若若PNa ，則，則Na； Na = 40mv 50mv 若若PCl ，則，則Cl； ； Cl = -20mv 動作電位形成超射時(shí)

23、，動作電位形成超射時(shí)，0mV, 而只有而只有Na0， 故去極化極有可能是故去極化極有可能是Na+通透性增加引起的。通透性增加引起的。 這種觀點(diǎn)叫動作電位的這種觀點(diǎn)叫動作電位的Na+學(xué)說學(xué)說。 45 4.4.如何通過實(shí)驗(yàn)來證明動作電位的如何通過實(shí)驗(yàn)來證明動作電位的NaNa+ +學(xué)說學(xué)說？ 實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)： 改變骨骼肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等內(nèi)、外改變骨骼肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等內(nèi)、外 的的 NaNa+ + 濃度，觀察動作電位變化。濃度，觀察動作電位變化。 46 改變細(xì)胞內(nèi)外的改變細(xì)胞內(nèi)外的Na+濃度濃度 （1）去除胞外去除胞外Na+ (用其他物質(zhì)來維持滲透壓）用其他物質(zhì)來維持滲透壓） （2）逐漸增加細(xì)胞外的）逐漸

24、增加細(xì)胞外的Na+濃度，但低于正常值濃度，但低于正常值 （3）細(xì)胞外的）細(xì)胞外的Na+，高于正常值，高于正常值 （4）增加胞內(nèi)）增加胞內(nèi)Na+ （直接注入（直接注入Na+） 胞外胞外Na+ 0 正常水平正常水平 （1） （2） （3 3） 47 改變細(xì)胞內(nèi)外的改變細(xì)胞內(nèi)外的NaNa+ + 濃度濃度 （1 1）去除胞外去除胞外NaNa+ + ( (用其他物質(zhì)來維持滲透壓）用其他物質(zhì)來維持滲透壓） 可維持細(xì)胞的靜息電位，卻形不成動作電位可維持細(xì)胞的靜息電位，卻形不成動作電位 （2 2）逐漸增加細(xì)胞外的）逐漸增加細(xì)胞外的NaNa+ +濃度，但低于正常值濃度，但低于正常值 動作電位逐漸產(chǎn)生，但幅值低于

25、正常水平動作電位逐漸產(chǎn)生，但幅值低于正常水平 （3 3）細(xì)胞外的）細(xì)胞外的NaNa+ +濃度，高于正常值濃度，高于正常值 動作電位高于正常水平動作電位高于正常水平 （4 4）增加胞內(nèi)）增加胞內(nèi)NaNa+ +濃度濃度( (細(xì)胞內(nèi)外濃度梯度下降）細(xì)胞內(nèi)外濃度梯度下降） 動作電位幅值降低動作電位幅值降低 48 1. control, 2. low Na+ concentration, 3. Return to control Na+ concentration 49 從以上實(shí)驗(yàn)說明：細(xì)胞內(nèi)外從以上實(shí)驗(yàn)說明：細(xì)胞內(nèi)外NaNa+ + 變化時(shí)，對動作電位影響極大，所以變化時(shí)，對動作電位影響極大，所以 動作

26、電位時(shí)，動作電位時(shí)，NaNa+ +通透性增加。通透性增加。 K K決定細(xì)胞膜的靜息電位，決定細(xì)胞膜的靜息電位，NaNa+ +變變 化影響動作電位的變化。化影響動作電位的變化。 50 靜息時(shí)，靜息時(shí)，PK:PNa:PCl=1.0 : 0.04 : 0.45 去極化時(shí)，去極化時(shí)，PK:PNa:PCl=1.0 : 20 : 0.45 膜對膜對NaNa+ +的通透性明顯增加，所以一次的通透性明顯增加，所以一次 動作電位時(shí)，膜電位動作電位時(shí)，膜電位Na Na （膜電位趨于通透性最大的那種離子的平衡電位）（膜電位趨于通透性最大的那種離子的平衡電位） 測量靜息電位和動作電位時(shí)離子的通透性：測量靜息電位和動作

27、電位時(shí)離子的通透性： 51 5.動作電位的形成過程動作電位的形成過程: 外界刺激外界刺激細(xì)胞膜的細(xì)胞膜的gNa，實(shí)際上是，實(shí)際上是Na+開開 放的過程。開始時(shí)放的過程。開始時(shí)Na+內(nèi)流內(nèi)流膜去極化，膜電位膜去極化，膜電位 從從-70mV-60mV，到一定程度，觸發(fā)，到一定程度，觸發(fā)gNa迅速迅速， 使使Na+快速內(nèi)流，形成去極化?？焖賰?nèi)流，形成去極化。 動作電位的形成是正反饋的過程，所以計(jì)算動作電位的形成是正反饋的過程，所以計(jì)算 某一電位下某一電位下Na+內(nèi)流情況很難。內(nèi)流情況很難。 52 4.4 電壓鉗技術(shù)和膜片鉗技術(shù)電壓鉗技術(shù)和膜片鉗技術(shù) voltage clamp and patch c

28、lamp techniques 53 一一. .背景背景 n 生物科學(xué)的發(fā)展常常是技術(shù)方法的進(jìn)步所推動的生物科學(xué)的發(fā)展常常是技術(shù)方法的進(jìn)步所推動的 n 19761976年德國馬普生物物理化學(xué)研究所年德國馬普生物物理化學(xué)研究所NeherNeher和和 SakmannSakmann發(fā)明膜片鉗技術(shù)發(fā)明膜片鉗技術(shù) Patch clamp techniques n 給電生理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展乃至整個(gè)生物學(xué)帶給電生理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展乃至整個(gè)生物學(xué)帶 來一場革命來一場革命 n 對離子通道的功能及細(xì)胞功能的調(diào)控研究起巨大推對離子通道的功能及細(xì)胞功能的調(diào)控研究起巨大推 動作用動作用 54 Patch cl

29、amp Erwin NeherBert Sakmann nNeher和和Sakmann獲得獲得1991年度的諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎年度的諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎 55 二二.電壓鉗電壓鉗(voltage clamp)技術(shù)技術(shù) n電壓鉗技術(shù)是通過向細(xì)胞內(nèi)注射一定的電壓鉗技術(shù)是通過向細(xì)胞內(nèi)注射一定的 電流電流，抵消離子通道開放時(shí)所產(chǎn)生的離子，抵消離子通道開放時(shí)所產(chǎn)生的離子 流，從而將流，從而將? ?在某一數(shù)值。在某一數(shù)值。 n由于注射電流的大小與離子流的大小相由于注射電流的大小與離子流的大小相 等、方向相反，因而它可以反映等、方向相反，因而它可以反映? ?的大小的大小 和方向。和方向。 56 比較器比較

30、器 放大放大器器 指令電壓指令電壓 測量 電流發(fā)生器電流發(fā)生器 57 Voltage Clamp 電壓鉗技術(shù)電壓鉗技術(shù) 58 4鉗住電壓測電流鉗住電壓測電流 4負(fù)反饋系統(tǒng)負(fù)反饋系統(tǒng) 4在雙電極電壓鉗記錄中，一根電極用于監(jiān)測細(xì)胞膜電位，在雙電極電壓鉗記錄中，一根電極用于監(jiān)測細(xì)胞膜電位， 另外一根電極用于注射電流另外一根電極用于注射電流; 4在單電極電壓鉗記錄中，監(jiān)測電壓與注射電流都采用同一在單電極電壓鉗記錄中，監(jiān)測電壓與注射電流都采用同一 根電極。根電極。 41950年，年，Hodgkin(霍奇金霍奇金 )、Huxley(赫胥黎赫胥黎 )等人創(chuàng)造性等人創(chuàng)造性 地運(yùn)用了電壓鉗位技術(shù)，研究了槍烏賊軸

31、突膜上的鈉、鉀地運(yùn)用了電壓鉗位技術(shù)，研究了槍烏賊軸突膜上的鈉、鉀 電流，并提出了電流，并提出了H-H方程。方程。 1963年度諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎年度諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎 59 雙電極電壓鉗雙電極電壓鉗 60 三三. 膜片鉗技術(shù)膜片鉗技術(shù) Patch clamp techniques 1.原理原理 n膜片鉗技術(shù)鉗制的是膜片鉗技術(shù)鉗制的是“膜片膜片” n采用尖端經(jīng)過處理的微電極與細(xì)胞膜發(fā)生緊密采用尖端經(jīng)過處理的微電極與細(xì)胞膜發(fā)生緊密 接觸，使尖端下的這片細(xì)胞膜在電學(xué)上與其他接觸，使尖端下的這片細(xì)胞膜在電學(xué)上與其他 細(xì)胞膜分離細(xì)胞膜分離 大大降低了背景噪聲；大大降低了背景噪聲； 使單通道微弱的電流得以

32、分辨出來使單通道微弱的電流得以分辨出來 n得益于特殊設(shè)計(jì)的低噪聲膜片鉗放大器得益于特殊設(shè)計(jì)的低噪聲膜片鉗放大器 61 三三. .膜片鉗技術(shù)膜片鉗技術(shù) 1.1.膜片鉗膜片鉗 62 Inside Cell Extracellular 63 一種記錄通過離子通道一種記錄通過離子通道 微小電流的技術(shù)。用微電極微小電流的技術(shù)。用微電極 來接觸細(xì)胞膜。用來接觸細(xì)胞膜。用101010 10 以以 上的大阻抗使電極的尖端開上的大阻抗使電極的尖端開 口處和細(xì)胞膜口處和細(xì)胞膜“封接封接”（與（與 周圍絕緣）。在此基礎(chǔ)上，周圍絕緣）。在此基礎(chǔ)上， 固定膜電位，測量該膜片上固定膜電位，測量該膜片上 離子通道的離子電流

33、離子通道的離子電流(pA(pA級級) ) 。 64 65 2.膜片鉗技術(shù)的基本操作過程膜片鉗技術(shù)的基本操作過程 n將玻璃微電極將玻璃微電極(直徑通常為直徑通常為1-5m) 輕輕地接觸在細(xì)胞膜表面輕輕地接觸在細(xì)胞膜表面 n給尖端施加負(fù)壓，在玻璃電極壁給尖端施加負(fù)壓，在玻璃電極壁 與膜之間形成緊密接觸與膜之間形成緊密接觸 高阻封接高阻封接 Gigaohm seal 電阻達(dá)電阻達(dá)1010 66 n離子不能從玻璃電極尖端與膜離子不能從玻璃電極尖端與膜 之間通過，只能從膜上的離子通之間通過，只能從膜上的離子通 道進(jìn)出道進(jìn)出 n回撤電極，細(xì)胞膜被撕下一回撤電極，細(xì)胞膜被撕下一 片片記錄小片膜的跨膜離子電流

34、記錄小片膜的跨膜離子電流 n若膜上只有一個(gè)離子通道若膜上只有一個(gè)離子通道單單 通道電流通道電流 n一般：一至幾個(gè)通道不等一般：一至幾個(gè)通道不等 67 68 3. .膜片鉗技術(shù)的基本記錄模式膜片鉗技術(shù)的基本記錄模式 n細(xì)胞吸附記錄模式細(xì)胞吸附記錄模式(cell-attached patch) n內(nèi)面向外記錄模式內(nèi)面向外記錄模式(inside-out patch) n外面向外記錄模式外面向外記錄模式(outside-out patch) n全細(xì)胞記錄模式全細(xì)胞記錄模式(whole-cell recording) 前三種為單通道記錄模式前三種為單通道記錄模式 69 70 內(nèi)面向外記錄模式內(nèi)面向外記錄

35、模式 外面向外記錄模式外面向外記錄模式全細(xì)胞記錄模式全細(xì)胞記錄模式 細(xì)胞吸附記錄模式細(xì)胞吸附記錄模式 71 72 73 74 75 四四. .膜片鉗實(shí)驗(yàn)所記錄到的電流膜片鉗實(shí)驗(yàn)所記錄到的電流 單通道電流單通道電流 76 全細(xì)胞電流全細(xì)胞電流 77 78 79 80 81 82 83 Cm gK EK gClgNa EC ENa 胞外胞外 胞內(nèi)胞內(nèi) 從膜的等效電路考慮：從膜的等效電路考慮： 84 膜電壓從膜電壓從65mV65mV（靜息電位）突然去極化到（靜息電位）突然去極化到 10mV10mV，得到總電流，得到總電流 I I。 膜電壓從膜電壓從65mV65mV（靜息電位）去極化到（靜息電位）去極化到10mV10mV， 溶液中去除了溶液中去除了Na+Na+，記錄，記錄I IK K。 膜電壓從膜電壓從65mV65mV（靜息電位）去極化到（靜息電位）去極化到10mV10mV， 阻斷阻斷K+K+，記錄，記錄I Ina na。 分析總電流的組成成分：分析總電流的組成成分： 記錄總電流：記錄總電流： 85 結(jié)果：結(jié)果： 65mV 10mV I IK INa 0 電容放電的電流電容放電的電流 86 電壓鉗實(shí)驗(yàn)所記錄到的電流：電壓