生理學(xué)細胞生物電現(xiàn)象(七制)

生物電現(xiàn)象生物電是指生物的器官、組織和細胞在生命活動過程中發(fā)生的電位變化。早在100多年前恩格斯就指出：“地球上幾乎沒有一種變化發(fā)生而不同時顯示出電的變化”。臨床上廣泛應(yīng)用的心電圖、腦電圖、肌電圖及視網(wǎng)膜電圖等就是這些器官組織的細胞電變化的總和表現(xiàn)。目前一頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點目前二頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點電位：在靜電學(xué)里，電勢又稱為電位，是指處于電場中某個位置的單位電荷所具有的電勢能。電勢只有大小，沒有方向，是標量，其數(shù)值不具有絕對意義，只具有相對意義。（1）單位正電荷由電場中某點A移到參考點O（即零勢能點，一般取無限遠處或者大地為零勢能點）時電場力做的功與其所帶電量的比值。（2）電場中某點相對參考點O電勢的差，叫該點的電勢。目前三頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點跨膜電位：在細胞膜內(nèi)外的電解質(zhì)中，K+離子比Na+和Cl-離子更容易透過細胞膜，因此細胞膜兩側(cè)K+離子的濃度差最大。靜止神經(jīng)細胞內(nèi)液體中K+離子的濃度是細胞外的35倍左右。為簡單起見，不考慮Na+、Cl-和H2O透過細胞膜的情況，只考慮K+離子透過細胞膜。膜電勢是膜兩邊離子有選擇性地穿透膜而使兩邊濃度不等而引起的電位差。它是指膜兩側(cè)的平衡電勢差。目前四頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點細胞生物電現(xiàn)象的主要表現(xiàn)：靜息電位和動作電位目前五頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生機制由鈉泵活動產(chǎn)生的膜內(nèi)高K+和膜外高Na+狀態(tài)是各種細胞生物電現(xiàn)象產(chǎn)生的基礎(chǔ)。Na+和K+通過各自的電壓門控通道的易化擴散是形成神經(jīng)和骨骼肌細胞靜息電位和動作電位的直接原因。目前六頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點第一節(jié)靜息電位（RestingPotential，RP）一、靜息電位的定義和測量定義：細胞未受刺激時細胞膜內(nèi)外的電位差。目前七頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點特點：膜內(nèi)電位較膜外為負，具體數(shù)值為毫伏級，不同細胞有差異。如規(guī)定膜外電位為0（接地），則膜內(nèi)電位在-10–100mV之間。0mV-90mV+30mV目前八頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點

槍烏賊巨大神經(jīng)軸突（1000m)在細胞電生理學(xué)中的貢獻細胞跨膜電位的發(fā)現(xiàn)：最早是利用槍烏賊神經(jīng)軸突作出的（凌寧&Gerard,1949）目前九頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點目前十頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點玻璃微電極細胞內(nèi)記錄技術(shù)目前十一頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點電極刺穿細胞膜前靜息電位記錄示意圖電極刺穿細胞膜后0mV-90mV0mV目前十二頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點二.靜息電位產(chǎn)生原理：K+平衡電位Bernstein首次提出（1902年），細胞內(nèi)外K+的不均勻分布和安靜時膜主要對K+有通透性可能是細胞能保持內(nèi)負外正極化狀態(tài)的基礎(chǔ)。[K+]i/[K+]o=35,[Na+]o/[Na+]i=14濃度勢能使細胞內(nèi)K+有向細胞外擴散的趨勢，細胞外Na+有向細胞內(nèi)擴散的趨勢。如果沒有陽離子的不對等擴散，細胞內(nèi)外是電中性的（不帶電），因為細胞內(nèi)或細胞外的正負離子電荷數(shù)是相等的。目前十三頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點細胞內(nèi)液和細胞外液各種離子的濃度目前十四頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點

要點：在生理情況下，如果不存在細胞膜對某些帶電粒子的選擇性通透，則不論是細胞外液還是細胞內(nèi)液，陰、陽粒子的電荷數(shù)是相等的，細胞內(nèi)液和細胞外液都是電中性的（即不帶電）。如果細胞膜對某種離子有選擇性通透現(xiàn)象，則細胞膜兩側(cè)會有帶電現(xiàn)象。目前十五頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點細胞膜在靜息狀態(tài)下確實主要對K+有通透性（內(nèi)向整流鉀通道，IK1），在K+向細胞外擴散時不伴有負離子的向外擴散和Na+向內(nèi)擴散。由于K+帶正電荷，K+向細胞外擴散時使細胞外帶正電荷，每移出一個K+就使細胞外多帶一個正電荷。由于同性電荷相斥，當(dāng)K+移出足夠多時，電場力又阻止K+的向外擴散，最終達到平衡K+平衡電位K+向外擴散達到平衡時的細胞內(nèi)外電位差即是K+平衡電位，可用Nernst方程計算。目前十六頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點靜息電位產(chǎn)生原理示意圖目前十七頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點-20mV-30mV-40mV-50mV-60mV-70mV-80mV靜息電位水平不同靜息電位水平時IK1的大小比較(IK1:inwardrectifierK+current)目前十八頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點問題1：怎么證明靜息電位是K+平衡電位？實驗證明：細胞外液中K＋濃度會影響神經(jīng)纖維靜息電位的大小，而細胞外液中Na＋濃度幾乎不影響；目前十九頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點Nernst方程能斯特方程是用以定量描述離子ri在A、B兩體系間形成的擴散電位的方程表達式。目前二十頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點濃度對電極電勢的影響影響電極電勢的因素很多。對特定的電極來說，溫度、溶液濃度(或氣體分壓)是主要的影響因素。德國化學(xué)家Nernst提出了電極電勢與溶液濃度之間的關(guān)系式即Nernst方程式（Nernstequation）。

Nernst方程式較好的揭示了電極電勢與溶液濃度之間的關(guān)系。目前二十一頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點（二）實際測量靜息電位

槍烏賊巨軸突實驗（1939，Hodgkin和Huxley）發(fā)現(xiàn)：測得的RP數(shù)值（-60mV）和計算的EK(-75mV)非常接近（一）用Nernst方程式計算K+的平衡電位目前二十二頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點將有關(guān)數(shù)值代入方程，T以27℃計算，再把自然對數(shù)化為常用對數(shù)，則上述公式可簡化為：目前二十三頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點問題2：為什么實際測得的靜息電位接近于但并不等于EK？目前二十四頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點影響靜息電位水平的因素1）膜內(nèi)外K+濃度差2）膜對K+和Na+的相對通透性3）鈉-鉀泵生電作用目前二十五頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點第二節(jié)動作電位（Actionpotential，AP）

一、動作電位的概念細胞受刺激而興奮時，細胞膜在靜息電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一次迅速短暫、可擴布的電位變化,是細胞興奮的標志?？膳d奮細胞:神經(jīng)細胞、肌細胞、部分腺細胞目前二十六頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點超射負后電位正后電位動作電位由鋒電位和后電位兩部分組成。目前二十七頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點鋒電位(spikepotential)

：細胞受到一定強度的刺激后跨膜電位由靜息電位（內(nèi)負外正）的狀態(tài)向內(nèi)正外負的方向轉(zhuǎn)變，繼之又恢復(fù)到靜息電位水平的過程，形狀如鋒，故稱鋒電位(spikepotential)。后電位（afterpotential)：鋒電位之后的未恢復(fù)部分目前二十八頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點動作電位的主要特征:產(chǎn)生“全或無”(all-or-none)同一細胞上動作電位大小不隨刺激強度和傳導(dǎo)距離改變的現(xiàn)象。

不衰減性傳導(dǎo)不會發(fā)生融合疊加（脈沖式）目前二十九頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點與動作電位相關(guān)的幾個概念：極化（polarization)：膜兩側(cè)電位所保持的內(nèi)負外正的狀態(tài)。超極化（hyperpolarization)：膜內(nèi)電位負值增大。去極化（depolarization)：膜內(nèi)電位負值減小。復(fù)極化（repolarization)：膜內(nèi)電位向靜息電位方向變化反極化：外正內(nèi)負外負內(nèi)正目前三十頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點0目前三十一頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點不同細胞動作電位形態(tài)的差異神經(jīng)和骨骼肌：是典型的鋒電位，動作電位時程只有1到數(shù)毫秒。動作電位振幅約為120mV.

心?。篈PD可長達數(shù)百毫秒，復(fù)極相有明顯的平臺期。動作電位振幅約為120mV.NeuronSkeletalmusclecellGlandcellVentricularcell目前三十二頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點二、動作電位的產(chǎn)生機制（鋒電位）

離子跨膜擴散需具備的兩個條件：離子的電化學(xué)驅(qū)動力（electrochemicaldrivingforce）膜對離子的通透性即膜電導(dǎo)（membraneconductance,G）目前三十三頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點

動作電位去極相（上升支）的產(chǎn)生原理：Na+平衡電位Hodgkin等首次提出，動作電位上升支細胞負電性消失并轉(zhuǎn)化為正電位是由于膜對Na+的通透性突然增大所致，現(xiàn)已得到證實。在Na+通道開放的情況下，Na+的濃度勢能使細胞外Na+通過通道擴散的方式進入細胞內(nèi)，并很快達到電化學(xué)平衡，動作電位的超射值相當(dāng)于計算所得的Na+平衡電位（ENa)。與達到K+平衡電位所需的很小K+外流量相似，形成Na+平衡電位所需的Na+外流量亦很?。?/80000）目前三十四頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點動作電位復(fù)極相（下降支）的產(chǎn)生原理：

1.神經(jīng)細胞、骨骼肌細胞、腺細胞：K+外流 2.心肌細胞：復(fù)雜，有K+外流、Ca2+內(nèi)流等目前三十五頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點目前三十六頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點Na+和K+轉(zhuǎn)運的電化學(xué)驅(qū)動力靜息狀態(tài)下Na+的驅(qū)動力：Em–ENa=-70mV-(+60mV)=-130mV靜息狀態(tài)下K+的驅(qū)動力：Em–EK=–70mV–(–90mV)=+20mV目前三十七頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點細胞電活動與離子通道Hodgkin提出離子通道的概念；Neher和Sakmann證實！1991年NobelPrize膜片鉗（patchclamp）技術(shù)原理單通道電流特征單通道電流指標與全細胞電流關(guān)系目前三十八頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點離子通道的功能狀態(tài)目前三十九頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點動作電位過程中膜電導(dǎo)的變化Hodgkin和Huxley提出鈉學(xué)說：Na+通透性一過性增強證明：（1）測定超射值（2）離子取代（3）放射性核素24Na+（4）直接測定膜電導(dǎo)

目前四十頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點測定膜電導(dǎo)的根據(jù)：INa=GNa×（Em-ENa）電壓鉗（voltageclamp）及其測定膜電導(dǎo)的基本原理：目前四十一頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點電壓鉗測定全細胞膜電流的結(jié)果：去極化可引起GNa一過性增大和GK的逐漸增大。目前四十二頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點膜電導(dǎo)的電壓依賴性和時間依賴性：目前四十三頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點動作電位的成因：

GNa和GK依次增大，相應(yīng)離子發(fā)生跨膜擴散

復(fù)極化的因素：主要是GNa減小GK增大可加速復(fù)極目前四十四頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點

不同細胞動作電位去極化離子通道機制的差別

絕大多數(shù)細胞是Na+內(nèi)流 心肌慢反應(yīng)細胞是Ca2+內(nèi)流 神經(jīng)細胞樹突AP目前四十五頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點目前四十六頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點動作電位復(fù)極完成后膜的活動：

1.IK1活動：維持靜息電位2.鈉泵活動：驅(qū)出Na+、泵入K+目前四十七頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點生電性鈉泵：鈉泵活動時由于兩種離子同時轉(zhuǎn)運，且出入的離子總數(shù)近似相等，故不伴有膜電位的改變。但當(dāng)膜內(nèi)蓄積過多Na+時，鈉泵泵出的Na+有可能超過泵入的K+（3：2），于是膜電位向超級化方向變化（正后電位），此時的鈉泵稱為生電性鈉泵。負后電位是由于膜外蓄積較多的K+所致。目前四十八頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點

神經(jīng)干動作電位的記錄

神經(jīng)干動作電位是神經(jīng)干內(nèi)許多神經(jīng)纖維動作電位的復(fù)合

雙向和單向動作電位

記錄電極：可分為單極記錄和雙極記錄

單極記錄：一極接地，一極接觸神經(jīng)干。記錄到的電信號反映電極接觸部位與大地的電位差。

雙極記錄：兩極都與神經(jīng)干接觸，記錄到的電信號反映兩電極接觸部位的電位差。目前四十九頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點目前五十頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點目前五十一頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點單極記錄雙極記錄或兩電極間距很近時兩電極間距較遠時記錄儀記錄儀目前五十二頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點陰極刺激原則興奮總是發(fā)生在陰極電極下方，陽極下方甚至出現(xiàn)超級化–刺激器目前五十三頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點目前五十四頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點雙向動作電位的形成機理神經(jīng)局部阻滯后單向動作電位的形成機理目前五十五頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點四、動作電位的引發(fā)（一）閾刺激（thresholdstimulus）

*刺激（stimulation）*刺激三要素：1）強度2）持續(xù)時間3）強度/時間變化率*閾刺激*強度-時間曲線目前五十六頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點概念：剛剛能夠引起Na+通道大量開放、產(chǎn)生動作電位的膜電位臨界值，也稱為燃點（firepoint）。（通常較RP小10～20mV)*決定因素*意義問題：動作電位“全或無”特征的原因？（二）閾電位（thresholdpotential）18目前五十七頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點四、興奮的傳導(dǎo)（conductionofexcitation）

*傳導(dǎo)機制：局部電流(localcurrent)學(xué)說*有髓纖維的跳躍式傳導(dǎo)（saltatoryconduction）

意義：提高傳導(dǎo)速度減少能量消耗目前五十八頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點*細胞之間興奮的直接傳播——縫隙連接（gapjunction）

縫隙連接的組成：連接蛋白（connexin）、連接子（connexon）、縫隙連接通道（gapjunctionchannel）

縫隙連接的意義：快速同步化活動目前五十九頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點（一)興奮和可興奮細胞

興奮（excitation）：在現(xiàn)代生理學(xué)中，興奮就是動作電位或動作電位的產(chǎn)生過程?？膳d奮細胞（excitablecell）：生理學(xué)將神經(jīng)細胞、肌細胞和部分腺細胞，稱為可興奮細胞。*可興奮細胞的共同的反應(yīng)：產(chǎn)生動作電位（具有電壓門控Na+通道）。五、組織的興奮和興奮性目前六十頁\總數(shù)六十四頁\編于二十點（二）組織的興奮