1、第三节 细胞的生物电现象与兴奋性,一、 细胞的生物电现象及其产生机制 二 、细胞的兴奋和兴奋性,一、细胞的生物电现象及其产生机制,生物电现象及历史（Galvani）。 细胞在安静或活动时，都有生物电现象。 采用微电极技术对细胞内电位变化进行研究。 方法：细胞水平研究。 材料：微电极、电位仪、枪乌贼大神经。,(一)两个重要的细胞生物电现象,0mV,神经纤维,微电极测量单一神经纤维的膜电位示意图,静息电位（resting potential, Rp）,指细胞在未受刺激时（静息状态下），存在于细胞膜内外两侧的电位差。,概念：,特点：,A 内负外正,（极化状态）,B 大小：有差异，均为m V级,C 稳
2、定的直流电位,微电极测量单一神经纤维的膜电位示意图,动作电位（Action potential, Ap),活体细胞在静息电位的基础上接受刺激时，受刺激处细胞膜两侧出现的快速可逆的电位逆转和复原。,概念：,是细胞兴奋的标志。,组成：,去极化：,由内负外正变为外负内正,反极化或超射：,膜内电位由零变为正值,复极化：,恢复至静息时内负外正的状态,0mV,神经纤维,AP,极化：RP时，细胞膜两侧保持的内负外正的状态,超极化：膜电位向负值加大的方向变化,时间（ms）,动作电位的波形及组成,去极化,复极化,超射,神经纤维的动作电位,锋电位,上升支,去极相,下降支,复极相,后电位,负后电位：15ms,正后电
3、位：80ms,0.5-2ms,阈电位：,细胞受刺激后，膜内去极化，达到某一临界值后产生快速的膜内电位上升变化，此临界值称为阈电位。 通常比原有静息电位小1020 mV。,后电位：,锋电位：,描记动作电位曲线，可见其快速的上升支（即去极相）和快速的下降支（即复极相）成一尖锐的脉冲，称为锋电位。,在锋电位下降支最后恢复到静息电位水平以前，膜两侧电位还有一些微小而缓慢的波动，称为后电位。,与电位相关的概念：,负后电位（去极化电位） 正后电位（超极化电位）,时间（ms）,动作电位的波形及组成,神经纤维动作电位示意图,动作电位的特点,“全”或“无”；不减衰；不重叠。,“全”,Ap的幅度不随有效刺激强度的
4、增强而增大,膜各部分的极化状态一致，则Ap在传导过程中不衰减,“无”,阈下刺激不产生动作电位,可传播性,全或无现象( All or None ),AP,刺激,指同一C上，AP的大小不随剌激强度和传导距离而改变的现象,阈刺激,30KCl,半透膜,1KCl,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,电势能,浓差势能,（二）细胞生物电现象的产生机制,1. 基本原理：半透膜只对K具有通透性,EK = 59.5 log,K+平衡电位可由Nernst 公式计算,K+o,K+i,（mV）,2. 静息电位的产生机制,（1）膜内、外的离子分布不均 膜外：Na+和Cl 浓度高膜内：K+和A浓度高由于存在离子
5、的浓度梯度（浓度差），因此离子有顺浓度梯度，向膜内外扩散的趋势。,（2）细胞膜的通透性：,安静时对 Na+和Cl 通透性小对A几乎不通透对K+的通透性较大 （K+通道开放）,K+外流,内负外正电位差 =K+的浓度差,K+净通量为0,静息电位=K+的平衡电位,+,K+,K+,K+外流形成 K+平衡电位,神经纤维,电势能,30K+,1 K+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,A -,浓差势能,EK = 59.5 log,K+平衡电位可由Nernst 公式计算,决定RP的因素：K的外流,RP实测值略计算值。,K+o,K+i,（mV）,why？,1）跨膜K+浓度差： 2）膜对K+的通透性,K+o
6、 RP,RP,*阈电位 (threshold potential ）,概念能诱发AP（钠通道大量激活）的临界膜电位值 数值：比RP的绝对值小 10 20 mV 意义：是AP产生的条件,3. 动作电位的产生,（1）动作电位的引起,AP,刺激,阈电位的产生,记录,刺激,阴极刺激原则 兴奋总是发生在阴极电极下方， 阳极下方甚至出现超级化,去极化：,Na+内流,阈电位,（高1020mv）,Na+通道开放,去极化,Na+的平衡电位=超射值,正反馈或自生性增加,去极化电位,（2）动作电位锋电位的形成,复极化：K+外流,动作电位后：Na+K+交换,过度去极化,Na+通道失活,电压门控K+通道开放,K+外流,
7、细胞内Na+,细胞外K+,Na+K+泵,恢复离子分布,（3）膜电导的分子基础,a. Na+通道的结构模式：双门控制,静息态,激活态,失活态,b. K+通道的结构模式：单门控制,激活态,失活态,-,-,+,Na+,Na+,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,细 胞 外,细 胞 内,1NaCl,Na+ 浓度差,12 NaCl,RP,AP产生的机制：,1）去极相,RP,K+,K+,细胞外,1NaCl,12 NaCl,细胞内,Na+,K+,3）静息期,2）复极相,4. 局部反应或局部兴奋,1. 局部兴奋（局部反应）:,2. 局部兴奋的特征：,阈下刺激,Na+通道少量开放,少量Na+内流,局部去
8、极化,无不应期,叠加,时间总和,空间总和,没有“全”或“无”现象,向周围电紧张性扩布,可以总合,例如：终板电位、突触后电位,Experiments:,-90,-70,-110,-90,-70,-110,阈下刺激,电紧张扩布,空间,时间,局部兴奋与AP的区别:,不衰减扩布,电紧张扩布,传播特点,无,有,总和现象,有,无,全或无特点,大,小,膜电位变化幅度,多,少,钠通道开放数,阈或阈上刺激,阈下刺激,刺激强度,AP,局部兴奋,区别,（三）动作电位的传导,1动作电位在同一细胞的传导,A. 无髓神经纤维,局部电流,未兴奋段去极化,兴奋,沿神经纤维传导,神经冲动,（1）传导机制,局部电流,神经纤维传导
9、机制模式图,传导机制局部电流,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,- +,- +,- +,神经纤维,无髓神经纤维,B. 有髓神经纤维：跳跃式传导,A,B,髓鞘不导电，不允许离子通过,局部电流在郎飞结间形成,跳跃式传导,有髓神经纤维跳跃式传导,（2） 影响兴奋传导的因素,1） C直径2） 髓鞘3） 去极化的幅度,（3）动作电位传导的特征,完整性：结构和生理功能的完整 双向性：向相反的两个反向传导 绝缘性：使神经的调节更为精确 相对不疲劳：耗能较少,2. 动作电位在不同细胞之间的传递,心肌和平滑肌的细胞间存在缝隙连接。 由6个称为
10、连接子的单体蛋白形成同源六聚体。,（1）动作电位通过缝隙连接的传递,（2）动作电位通过神经突触或神经肌接头的传递（化学性传递）,二、细胞的兴奋和兴奋性,(一)细胞的兴奋和可兴奋细胞,传统生理学将细胞或组织对刺激发生的反应称为兴奋（excitation）。 在现代生理学中，兴奋被看作是动作电位的同义语或动作电位产生的过程。,凡是受刺激后能产生动作电位的细胞，称为可兴奋细胞。神经细胞、肌细胞和腺细胞都属于可兴奋细胞。,(二) 细胞产生兴奋的条件,1. 兴奋性（excitability）,可兴奋细胞或组织对刺激发生反应的能力称兴奋性。 从生物电的角度看，可兴奋细胞受到刺激产生动作电位的能力，称为兴奋
11、性。,2. 反应：,刺激作用下，机体作出的应答。,反应的形式,机体由相对静止转变为活动状态或由活动弱转变为活动强的状态（动作电位）,兴奋：,抑制：,机体由活动转变为相对静止状态或由活动强转变为活动弱的状态（超极化）,有反应的刺激,3、刺激：,内、外环境变化,有效刺激：,无效刺激,刺激的三个条件：,一定的强度，一定的持续时间和一定的强度对时间的变化率。,方波刺激,强度对时间的变化率不变,强度,时间,强度时间曲线,4. 阈强度（threshold intensity）,强度时间变化率固定，刺激持续时间恒定和足够时，能引起组织或细胞发生兴奋或产生动作电位的最小刺激强度，又称阈值。,意义：,反映组织兴
12、奋性的高低。阈强度低，兴奋性高。,概念：,（三）细胞一次兴奋后兴奋性的周期性变化,动作电位的组成与兴奋性周期的对应关系,绝对不应期的意义：,其长短决定细胞兴奋的最高频率,例：绝对不应期 2 ms 兴奋的最高频率1000/2,使Ap不会重合,第四节 骨胳肌的收缩功能,运动单位：,一个运动神经元和所支配的所有肌纤维。,一、神经-肌接头的兴奋传递,神经肌接头：,神经末梢膜与肌膜相接触的部位。,接头前膜：,接头后膜（终板膜）：,接头间隙：,囊泡（Ach) 突触小泡,小皱褶，N2型Ach受体；胆碱脂酶,50nm,（一）神经-肌接头的结构,神经肌接头的结构,Ca2+进入末梢,运动N兴奋冲动传至N末梢，Ca
13、2通道开放,Ach释放到间隙,Ach与后膜N2受体结合,Na+内流*、K+外流,后膜去极化(终板电位,局部兴奋),总和,肌C膜AP,降低轴浆粘滞性,中和负电荷,（二）神经肌接头处的兴奋传递,（三）神经-肌接头兴奋传递的特征及影响因素,单向传递：接头前膜 终板膜 时间延搁 易受药物和其他环境因素的影响,1神经-肌接头兴奋的传递的特征,2. 某些药物对神经肌接头兴奋传递的影响,密胆碱：胆碱的类似物 干扰胆碱转运进而影响乙酰胆碱的合成 肉毒杆菌毒素：阻断乙酰胆碱的释放 箭毒类药物：作用于N受体 与Ach竞争N受体，无活性，称受体阻断剂。 有机磷农药：抑制胆碱酯酶 不可逆抑制胆碱酯酶，为神经毒剂。 新
14、斯的明：胆碱脂酶抑制剂 延长乙酰胆碱的作用时间，治疗重症肌无力,骨骼肌纤维,肌膜,肌浆,细胞核,肌原纤维,肌管系统,二、骨骼肌的机械收缩活动,1. 肌原纤维,粗肌丝,细肌丝,肌节：,1/2 明带+暗带+1/2 明带,相邻Z线间的一段肌原纤维。,（一）骨骼肌细胞超微结构及分子组成,肌原纤维超微结构模式图,肌丝的结构,肌肉收缩时肌细胞内肌丝并没缩短，只是细肌丝向粗肌丝之间的滑行，造成相邻Z线相互靠近，肌小节长度变短（暗带长度不变，明带长度缩短，H带也变短），从而导致肌原纤维以致整个肌细胞和整块肌肉的收缩,P26,（1）粗肌丝,分子组成：,肌凝（球）蛋白,杆状部,球状头,200300个,主干,横桥,
15、球状部横桥,长杆状主干,粗肌丝中肌凝蛋白分子的排列示意图,每个肌凝蛋白分子的杆状部向M线集合成束，构成粗肌丝的主干，球状的头由粗肌丝的主干向四周伸出，形成横桥,横桥的特点：,具有ATP酶活性，可水解ATP供能,B.,A.,与细肌丝中的肌纤蛋白可逆性地结合。,结合一个位点,头向M线方向扭动，拖拉细肌丝,分离,再结合下一个位点,横桥扭动与细肌丝滑行图解,原肌凝蛋白（tropomyosin）,肌纤蛋白（actin）,肌钙蛋白（troponin）, 肌纤蛋白：每一个单体上有一个与肌凝蛋白的结合位点, 原肌凝蛋白：安静时，覆盖肌纤蛋白上各结合位点, 肌钙蛋白：与Ca2结合后，导致肌纤蛋白结合位点暴露,（
16、2）细肌丝,肌钙蛋白,T：把整个肌钙蛋白结合至原肌凝蛋白,C：与肌浆中的Ca2+亲和力强,I：当C亚单位与Ca2+结合时，将信息传递给原肌凝蛋白，使后者分子构型发生改变，导致肌纤蛋白上结合位点暴露，以利于肌纤蛋白与肌凝蛋白的结合。,收缩蛋白：肌凝蛋白,非收缩蛋白（调节蛋白）： 原肌凝蛋白,肌钙蛋白,细肌丝的分子组成,（肌动蛋白）,（原肌凝蛋白）,肌钙蛋白,2. 肌管系统,横管系统,纵管系统,凹入细胞内的肌膜,肌质网,（SR）,（T管）,（L管）,传导动作电位、信息,Ca2+泵,Ryanodine受体,储Ca2+,释放Ca2+,L型Ca2+通道,P22,（二） 骨骼肌收缩的机制,1. 肌浆中Ca
17、2+浓度增加到阈值，肌钙蛋白和原肌 凝蛋白发生构型改变，肌纤蛋白上结合位点暴露。,2. 横桥头部与结合位点接触并结合 横桥周期,3. 头向M线扭动，细肌丝随之拖向M线方向。,4. 解离 恢复 与新位点结合 扭动 肌小节,5. 肌浆中Ca2+浓度降低到另一阈值，肌钙蛋白与Ca2+分离，结合位点被覆盖，细肌丝退回原位。,Ca2+与肌钙蛋白的结合和分离是触发和终止肌丝滑行的关键因素。,肌浆Ca2+浓度增加导致肌纤蛋白上的结合点暴露图解,（三）骨骼肌的兴奋收缩耦联,概念：,兴奋（动作电位）与收缩过程间的中介过程。,结构基础：,三联管,骨骼肌兴奋,Ap沿T管传向肌C内部,JRS膜Ca2+通道开放,肌浆中
18、Ca2浓度,肌丝滑行，肌肉收缩,骨骼肌兴奋后,肌浆中Ca2,肌浆中Ca2浓度,终末池,Ca2与肌钙蛋白解离,钙泵,肌肉舒张,Ca2与肌钙蛋白结合,T管膜的L型Ca2+通道的分子构象变化,钙泵,横桥循环,L型Ca2通道作为信号分子发挥作用,L型Ca2通道开放，产生钙触发的钙释放,（四）骨骼肌的收缩形式及影响收缩的因素,1. 等张收缩和等长收缩,肌肉收缩时的外在表现：缩短；张力变化,等张收缩（动力性收缩）：,等长收缩（静力性收缩）：,长度缩短，张力不变,长度不变，张力升高,（1）前负荷（preload）：肌肉收缩前的负荷（初长度）。,影响因素,最适前负荷（最适初长）,机制：,肌节 2.02.2 M
19、,粗细肌丝重叠状态最佳,（2）后负荷（afterload）：肌肉开始收缩时所承受的阻力。,（3）肌肉的收缩能力：指肌肉收缩效能的内在特性。,负荷（张力）,缩短速度,最大缩短速度,最大收缩张力,决定因素：胞质内Ca2的水平；肌球蛋白ATP酶的活性,2. 单收缩和收缩的总和,（1） 单收缩：单次刺激所引起的肌肉一次快速的收缩,与刺激强度的关系：运动单位的总和,阈下刺激：无反应。,阈刺激：小强度收缩。,少量兴奋性高的N兴奋,阈上刺激：较大的收缩。,最适刺激：收缩强度最大。,支配骨骼肌的全部N纤维兴奋,肌肉收缩的单收缩曲线,ab潜伏期；bc收缩期；cd舒张期；每小格为0.01秒,（2）肌肉收缩的总和,不完全强直收缩,完全强直收缩（强直收缩）,连续刺激，改变刺激频率：频率效应的总和,刺激间隔单收缩时程,各自分离的单收缩,刺激间隔单收缩时程,刺激间隔收缩期,刺激间隔收缩期,运动单位的总和；频率效应的总和,强直收缩示意图,
