靜息電位和動(dòng)作電位的離子基礎(chǔ)生物電現(xiàn)象的離子學(xué)說課件

第三章

神經(jīng)元的興奮和傳導(dǎo)靜息電位和動(dòng)作電位的離子基礎(chǔ)

(生物電現(xiàn)象的離子學(xué)說)離子學(xué)說生物電的產(chǎn)生依賴于細(xì)胞膜對(duì)化學(xué)離子嚴(yán)格的選擇通透性及其在不同條件下的變化。第一節(jié)細(xì)胞膜的電生理靜息狀態(tài)靜息電位

興奮狀態(tài)動(dòng)作電位細(xì)胞生物電活動(dòng)的產(chǎn)生主要是由于

帶電離子跨膜分布的不均衡性

[Na+]o

＞[Na+]i≈10∶1,[K+]i

＞[K+]o≈30∶1

細(xì)胞膜在不同條件下對(duì)離子通透性的變化

Twocharacteristicsofcellscontributetotheirabilitytomaintainthiselectricalpotential.First,differenttypesofionsareunequallydistributedacrossthecellmembrane.Second,thecellmembraneisdifferentiallypermeabletoions.

靜息電位(RestingPotential,RP)概念：細(xì)胞未受刺激時(shí)，即處于“靜息”狀態(tài)下存在于細(xì)胞膜兩側(cè)的電位差。膜內(nèi)較負(fù)，哺乳動(dòng)物神經(jīng)和肌肉細(xì)胞為-70~-90mV極化(polarization)：膜內(nèi)外兩側(cè)電位維持內(nèi)負(fù)外正的穩(wěn)定狀態(tài)。Intherestingstateandwithoutstimulation,cellsmaintainanegativeelectricalpotentialinsideinrelativetotheoutside.一、靜息膜電位的形成和維持（一）K+的擴(kuò)散對(duì)膜電位的作用：K+平衡電位

條件：

①靜息狀態(tài)下膜內(nèi)、外離子分布不均衡

[Na+]o

＞[Na+]i

≈10∶1,[K+]i＞[K+]o≈30∶1②靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜對(duì)離子的通透性具有選擇性:K+

通透性大而

Na+基本不通透

Ek=60log[K+]o/[K+]i(mV)證據(jù)：改變細(xì)胞內(nèi)外的K+濃度，膜電位也隨之改變。改變細(xì)胞內(nèi)外Na+

的濃度，對(duì)靜息電位沒有影響。機(jī)制：膜兩側(cè)[K+]差是促使K+擴(kuò)散的動(dòng)力，但隨著K+的不斷擴(kuò)散，膜兩側(cè)不斷加大的電位差是K+繼續(xù)擴(kuò)散的阻力，當(dāng)動(dòng)力和阻力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，K+的凈擴(kuò)散通量為零→膜兩側(cè)的平衡電位。

（三）K+

和Na+對(duì)膜電位的作用（二）Na+的擴(kuò)散對(duì)膜電位的作用：

Na+平衡電位Na+平衡電位的幅度比K+平衡電位的小

（四）Na+-

K+和靜息電位的維持RP是在離子濃度梯度、電位梯度及離子泵的作用下，K+通過膜轉(zhuǎn)運(yùn)達(dá)到平衡的

K+平衡電位

(Equilibriumpotential,EK)。

二、細(xì)胞膜動(dòng)作電位(ActionPotential,AP)概念：指各種可興奮細(xì)胞受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜在靜息電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的快速、可逆的電位變化，包括去極化、復(fù)極化等環(huán)節(jié)。Theactionpotentialisarapiddepolarizationofthemembranepotential,whichcanbepropagatedoverthesurfaceofthecell.刺激：能引起生物機(jī)體活動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的各種環(huán)境因子。直接刺激(directstimulus)

間接刺激(indirectstimulus)反應(yīng)：由刺激而引起的機(jī)體活動(dòng)狀態(tài)的改變。興奮和抑制1.刺激與反應(yīng)(stimulusandresponse)（一）細(xì)胞的興奮和閾刺激2.興奮和興奮性(excitationandexcitability)興奮：活組織因刺激而產(chǎn)生沖動(dòng)的反應(yīng)沖動(dòng)(impulse)：可傳導(dǎo)的快速生物電變化可興奮組織(excitabletissue)

興奮性：可興奮組織受到有效刺激時(shí)，具有發(fā)生興奮即產(chǎn)生沖動(dòng)的能力。3.引起興奮的主要條件

Factorsforstimulusinducingexcitation組織的機(jī)能狀態(tài)刺激的特征強(qiáng)度(strength)時(shí)間(duration)強(qiáng)度-時(shí)間變化率(dV/dt)閾強(qiáng)度(thresholdintensity)

或閾值

(threshold)：

當(dāng)固定刺激持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度-時(shí)間變化率不變時(shí)，剛能引起組織興奮的最小刺激強(qiáng)度。閾下刺激(subthresholdstimulus)閾上刺激(superthresholdstimulus)衡量興奮性的指標(biāo)閾值（閾強(qiáng)度）

閾強(qiáng)度高，興奮性低；閾強(qiáng)度低，興奮性高。極化

(polarization)：膜內(nèi)外兩側(cè)電位維持內(nèi)負(fù)外正的穩(wěn)定狀態(tài)。去極化或除極化(depolarization)：膜內(nèi)負(fù)電位減小甚至由負(fù)轉(zhuǎn)正的過程。

反極化

超射(overshoot)復(fù)極化(repolarization)：去極化后，再向靜息電位水平恢復(fù)的過程。超極化(hyperpolarization)：膜內(nèi)負(fù)電位增大的過程。（二）分級(jí)電位和動(dòng)作電位

閾電位(Thresholdpotential)能夠?qū)е履?duì)Na+通透性突然增大的臨界膜電位數(shù)值。（能觸發(fā)AP產(chǎn)生的臨界膜電位數(shù)值）閾刺激就是剛能使膜電位降低到閾電位水平的最低刺激強(qiáng)度。神經(jīng)纖維動(dòng)作電位的時(shí)相

①靜息相,②去極相(上升相),③復(fù)極相(下降相)（三）動(dòng)作電位的形成機(jī)制

Mechanismofactionpotential

條件:

①膜內(nèi)外存在[Na+]差:[Na+]o

＞[Na+]i

≈10∶1

；

②膜在受到閾刺激而興奮時(shí)，對(duì)離子的通透性增加：

即電壓門控性Na+、K+通道先后激活而開放。動(dòng)作電位的峰值接近于Na+平衡電位。

(Na+equilibriumpotential)Atthepeakofactionpotential,themembranepotentialbecomespositive,quiteclosetotheequilibriumpotentialforENa.

去極化鈉通道激活鈉電導(dǎo)增加1.去極相Na+通道迅速開放，與regenerativecycle(正反饋)Na+的平衡電位ENa2.復(fù)極相

Na+通道迅速失活（不應(yīng)期）

K+通道緩慢開放負(fù)后電位和正后電位的形成3.恢復(fù)期Na+通道復(fù)活,K+通道關(guān)閉鈉-鉀泵活動(dòng)增強(qiáng)，重建靜息電位機(jī)制：證據(jù)：將神經(jīng)浸浴于無Na+的溶液時(shí)，AP不復(fù)出現(xiàn)。

用等滲溶液加入使Na+濃度減小，可見AP幅度或其超射值減小。

利用藥理學(xué)分析膜電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用Na+通道阻斷劑TTX,

內(nèi)向電流消失。

應(yīng)用K+通道阻斷劑TEA，

外向電流消失。

河豚毒素(tetrodotoxin，TTX)四乙銨(tetraethylammonium，TEA)附：電導(dǎo)電導(dǎo)G：電阻的倒數(shù)，衡量離子通透性電導(dǎo)大，離子通透性高電導(dǎo)小，離子通透性低GNa、GK電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力：決定離子跨膜流動(dòng)的方向和速度。動(dòng)力：電-化學(xué)梯度;基礎(chǔ)條件：膜對(duì)離子的通透性增大，當(dāng)膜電位等于某離子的平衡電位時(shí)，該離子的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力為零，因此，某離子的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力等于膜電位與該離子的平衡電位之差。假定靜息電位Em

為-70mV，

ENa為+60mV，EK為-90mV：

Na+驅(qū)動(dòng)力:Em-ENa=-70mV-(+60mV)=-130mVK+驅(qū)動(dòng)力:Em-EK=-70mV-(-90mV)=+20mV離子通道(ionicchannel)大多數(shù)通道受閥門(gate)控制以決定通道的開閉（gatingorgated）離子通道的種類

電壓門控通道(voltage-gatedchannel)

化學(xué)門控通道(chemical-gatedchannel)（四）離子通道的門控機(jī)制離子通道的狀態(tài)靜息(resting)備用狀態(tài)激活(activation)：通道開放，允許某種離子選擇性通透。失活(inactivation)：通道關(guān)閉，不允許離子通過，且此時(shí)不能再開放。恢復(fù)(recovery)或復(fù)活(reactivation)：通道處于關(guān)閉狀態(tài)受到適當(dāng)刺激可再開放。備用狀態(tài)動(dòng)作電位的波形與形成原理

波形時(shí)相形成原理去極相（上升支）Na+通道開放，大量Na+內(nèi)流形成超射值（最高點(diǎn)）Na+電-化學(xué)平衡復(fù)極相（下降支）K+通道開放，K+大量外流形成負(fù)后電位（去極化后電位）K+外流蓄積，K+外流減慢正后電位（超極化后電位）K+外流過度或Na+泵作用過度鋒電位和后電位

(spikepotential,afterpotential)“全或無”（allornone）：同一細(xì)胞上動(dòng)作電位大小不隨刺激強(qiáng)度和傳導(dǎo)距離而改變的現(xiàn)象。鋒電位：遵循“全或無”原則，代表沖動(dòng)，是細(xì)胞興奮的標(biāo)志。后電位：鋒電位下降支最后恢復(fù)到RP水平以前，一種時(shí)間較長(zhǎng)、波動(dòng)較小的電位變化過程。先出現(xiàn)負(fù)后電位（去極化后電位）后出現(xiàn)正后電位（超極化后電位）負(fù)后電位

(negativeafterpotential):

在復(fù)極化曲線后段，下降速度突然明顯減慢。正后電位

(positiveafterpotential)：

負(fù)后電位后出現(xiàn)的緩慢而持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的超極化電位。（五）不應(yīng)期和動(dòng)作電位的“全或無”特性1.

興奮細(xì)胞的不應(yīng)期興奮后興奮性的變化絕對(duì)不應(yīng)期absoluterefractoryperiod相對(duì)不應(yīng)期relativerefractoryperiod超常期supranormalperiod低常期subnormalperiod閾下總和

(subliminalsummation)電緊張

(electrotonus)2.

動(dòng)作電位的“全或無”特性動(dòng)作電位特點(diǎn)：具有全或無性質(zhì)；

非遞減性傳導(dǎo)。

1.

電壓鉗(voltageclamp)Hodgkin等，20世紀(jì)50年代電壓電極、電流電極反饋放大器(feedbackamplifer)結(jié)合藥理學(xué)方法（TTX、TEA）專欄2.膜片鉗(patchclamp)Neher