生理學(xué)——細(xì)胞的功能知識

1、生理學(xué)細(xì)胞的功能知識 跨膜電位（transmembrane potential）= 膜電位 (membrane potential)1.膜電容（membrane capacitance, Cm） 脂質(zhì)雙層 = 平板電容器一、細(xì)胞膜的電學(xué)特征當(dāng)膜上的離子通道開放而引起帶電離子的跨膜流動(dòng)時(shí)，就相當(dāng)于在電容器上充電或放電而產(chǎn)生的電位差，稱為跨膜電位或簡稱為膜電位。The Lipid Bilayer Acts Like a Capacitor2. 膜電阻 (membrane resistance) = 1/膜電導(dǎo)(membrane conductance)3. 軸向電阻 取決于胞質(zhì)溶液本身的電阻/細(xì)胞

2、直徑膜蛋白 = 導(dǎo)體對帶電離子而言，膜電導(dǎo)就是膜對離子的通透性(permeability)。一點(diǎn)給予膜一個(gè)突然的電流，從另一點(diǎn)記錄膜電位變化：在電流注入處達(dá)到的電位最大；離開電流注入處越遠(yuǎn)，膜電位越?。?電位依距離變小，是膜電阻及軸向電阻引起的后果。 二、電緊張電位 (Electrotonic potential)概念： 細(xì)胞膜的電學(xué)特性相當(dāng)于并聯(lián)的阻容耦合電路，跨膜電流隨著距原點(diǎn)距離的增加而逐漸衰減，膜電位也逐漸衰減，形成一個(gè)規(guī)律的膜電位分布，這種由膜的被動(dòng)電學(xué)特性決定其空間分布的膜電位稱為電緊張電位。用正、負(fù)電極從膜外側(cè)施加電刺激，胞質(zhì)內(nèi)的負(fù)電荷流向正極下方，正電荷流向負(fù)極的下方，因而在正

3、、負(fù)電極下分別產(chǎn)生一個(gè)彼此方向相反的電緊張電位。 靜息時(shí)，質(zhì)膜兩側(cè)存在著外正內(nèi)負(fù)的電位差，稱為靜息電位(resting potential, RP)。三、靜息電位Relative constant potential difference1939年，英國 Hodgkin & Huxley 記錄槍烏鲗巨大神經(jīng)軸突的RP靜息電位時(shí)膜兩側(cè)所保持的外正內(nèi)負(fù)狀態(tài)稱為膜的極化(polarization)；靜息電位增大的過程，稱為膜的超極化(hyperpolarization)；靜息電位減小的過程，稱為去極化或除極化(depolarization)；去極化至零電位后膜電位進(jìn)一步變?yōu)檎捣Q為反極化，膜電位高于

4、零電位的部位稱為超射(overshoot);細(xì)胞先發(fā)生去極化，然后再向正常安靜時(shí)膜內(nèi)所處的負(fù)值恢復(fù)，則稱作復(fù)極化(repolarization)。 四、靜息電位的產(chǎn)生機(jī)制： 1.離子跨膜擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力： 電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力(electrochemical driving force) net force =Concentration force + Electric force 靜息電位和K+平衡電位：平衡電位(Equilibrium potential) Concentration force = -Electric force Net force =0 無離子凈移動(dòng)，但有離子通透性 1902年，B

5、erstein提出：細(xì)胞內(nèi)外的K+不均衡分布和安靜狀態(tài)下，細(xì)胞膜主要對K+有通透性，據(jù)此推測靜息電位應(yīng)當(dāng)?shù)扔贙+的平衡電位。RT X+oZF X+i EX ln R：氣體常數(shù) T：絕對溫度Z：離子化合價(jià) F：Faraday常數(shù)平衡電位的計(jì)算 Nernst EquationEK = -97 - -102 mvENa = +56 - +70 mv X+o X+iEX= log Z60 2. 膜對離子的通透性：（1）靜息狀態(tài)下，K+ 的通透性 是Na+的10-100倍 非門控性K+通道 神經(jīng)細(xì)胞：鉀漏通道 心肌細(xì)胞：內(nèi)向整流鉀通道（2）靜息狀態(tài)下， 膜對Na+亦有一定的通透性 ECl: -70 -

6、-90 mv, RP并不取決于ECl Cl-在膜兩側(cè)的分布是被動(dòng)的， 膜電位的大小可以決定 Cl-在膜內(nèi)的濃度 靜息電位更接近于EK靜息電位并不完全等于EK 3. 鈉泵的生電作用：影響靜息電位增大（超極化） 影響RP的因素：（1）細(xì)胞外K+的濃度： K+ 輕度 EK 的負(fù)值 RP （去極化） （2）離子通透性： K+ permeability RP （超極化） Na+ permeability RP （去極化） （3）Na泵活動(dòng)性： Na泵活動(dòng)性 RP （超極化） 五、動(dòng)作電位（action potential, AP）1. 定義：在靜息電位的基礎(chǔ)上，給細(xì)胞一個(gè)適當(dāng)?shù)拇碳?，可觸發(fā)其產(chǎn)生短暫、可

7、逆、可傳播的膜電位的波動(dòng)，稱為動(dòng)作電位(action potential, AP)。2. 測定值： 由-70-90mV到2050mV，變化幅度為90130mV（一）概述不同細(xì)胞的動(dòng)作電位 上升支 去極化 （-70 到+50 mV） 峰電位 超射 （0到+50 mV ） 動(dòng)作電位 下降支 復(fù)極化 （+50到-70 mV ） 負(fù)后電位-后去極化 后電位 正后電位-后超極化 （大于-70 mV） 3. 動(dòng)作電位的組成4. 特點(diǎn)：“全或無”現(xiàn)象（“all or none”)動(dòng)作電位大小與刺激強(qiáng)度無關(guān) 閾值：能引發(fā)動(dòng)作電位的最小刺激強(qiáng)度 當(dāng)刺激未達(dá)閾值時(shí)，動(dòng)作電位不會(huì)出現(xiàn)，一旦達(dá)到閾電位水平 ，動(dòng)作電位

8、便迅速產(chǎn)生，并達(dá)到最大值，其幅度和波形不隨刺激的強(qiáng)度增強(qiáng)而增大。B. 動(dòng)作電位大小與傳導(dǎo)距離無關(guān)傳播是不衰減的（二） 產(chǎn)生機(jī)制膜內(nèi)外Na+的濃度差靜息時(shí)內(nèi)負(fù)外正的電勢能差膜對Na+的通透性突然增加Na+的平衡電位 ENa =60log (mV) Na+o Na+I （1）電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力 動(dòng)力：電-化學(xué)梯度 基礎(chǔ)條件： 當(dāng)膜對某離子的通透性增大，膜電位發(fā)生改變； Em = Ex , net force = 0假定靜息電位Em = -70mV，ENa = +60mV，EK = -90mV： Na+驅(qū)動(dòng)力: Em- ENa=-70mV-(+60mV)=-130mV K+驅(qū)動(dòng)力: Em- EK=-70m

9、V-(-90mV)=+20mVNet force = Em - Ex （2）離子的通透性 (膜電導(dǎo)的變化）GX =IX Em - EX 測定公式測定方法 電壓鉗（voltage cl） 原理： Em被鉗制（固定），測定出IX，利用歐姆定律計(jì)算GX。 優(yōu)缺點(diǎn)： 適用于各種直徑較大的細(xì)胞，只能觀察膜電流的方向和幅度，不能區(qū)分哪種離子電流。1939年， Hodgkin & Hukley 應(yīng)用Na+通道阻斷劑TTX（河豚毒）,內(nèi)向電流消失。 應(yīng)用K+通道阻斷劑TEA（四乙胺），外向電流消失。利用藥理學(xué)分析膜電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同程度去極化對GNa 和GK的影響Hodgkin和 Katz提出離子假說。他們獲

10、得了1963年生理學(xué)或醫(yī)學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。他們也開創(chuàng)了細(xì)胞內(nèi)記錄（intracellular recording）生物電時(shí)代。（3）動(dòng)作電位產(chǎn)生的過程電導(dǎo)是電壓依從性，由去極化激活， GNa激活早，是動(dòng)作電位上升支基礎(chǔ)；GK激活晚，是動(dòng)作電位下降支基礎(chǔ)。去極化：Na+內(nèi)流復(fù)極化：K+外流再生性循環(huán)：Na+電流與膜去極化之間的正反饋（4）離子通透性變化的機(jī)制-10mV-80mV負(fù)壓吸引牢固封接關(guān)閉開放0 5 10 15 ms膜片鉗實(shí)驗(yàn)和單通道離子電流的記錄 1976年，Neher & Sakmann 1991年， 諾貝爾獎(jiǎng)Na+通道的激活、失活和復(fù)活過程N(yùn)a+通道的激活是瞬間的Na+通道失活時(shí)，不因膜

11、有去極化再開放Na+通道的狀態(tài)與蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即蛋白質(zhì)的構(gòu)型和構(gòu)象有關(guān)Na+通道的特點(diǎn)1. 動(dòng)作電位在無髓鞘纖維上的傳導(dǎo) （三）動(dòng)作電位的傳播2. 傳導(dǎo)機(jī)制動(dòng)作電位（閾上刺激）局部電流（local current) 鄰近膜去極化到達(dá)閾電位水平鄰近膜產(chǎn)生動(dòng)作電位興奮在同一細(xì)胞上傳導(dǎo)3. 動(dòng)作電位在有髓鞘纖維上的傳導(dǎo) 跳躍式傳導(dǎo)(saltatory conduction)部位：有髓神經(jīng)纖維的朗飛氏結(jié)處 特點(diǎn)：快速而又節(jié)能 四、局部電位2. 局部電位（loal potential）： 細(xì)胞膜在受到閾下刺激時(shí)，在受刺激的局部出現(xiàn)一個(gè)較小的去極化，而后恢復(fù)到靜息電位，這一電位波動(dòng)稱為局部電位。1. 閾

12、電位（threshold potential） 是指膜電位的一個(gè)臨界值，即細(xì)胞膜在受到刺激時(shí)去極化達(dá)到閾電位時(shí)，就能產(chǎn)生動(dòng)作電位。沒有“全或無”特性，與刺激成正比不能遠(yuǎn)距傳播 電緊張性擴(kuò)布(electrotonic propagation)可以疊加 空間性總和 (spatial summation) 時(shí)間性總和 (temporal summation) 無不應(yīng)期 (refractory period)3.局部電位特征五、可興奮細(xì)胞及其興奮性1. 興奮 是指動(dòng)作電位或動(dòng)作電位的產(chǎn)生過程2. 可興奮性組織或細(xì)胞 在受到刺激時(shí)，能夠產(chǎn)生動(dòng)作電位的組織或細(xì)胞 3. 興奮性 組織或細(xì)胞對外界刺激后產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力（一）興奮和可興奮細(xì)胞 （二）刺激與興奮性（excitability）刺激概念三要素刺激時(shí)間刺激強(qiáng)度強(qiáng)度時(shí)間變化率閾刺激概念tqt/q 刺激與興奮的關(guān)系 刺激可興奮組織動(dòng)作電位骨骼肌收縮神經(jīng)釋放遞質(zhì)腺細(xì)胞分泌興奮 動(dòng)作電位excitation action potential絕對不應(yīng)期（absolute refractory period） 興奮性為0