1、办公室：科技大楼1203,E-mail: ,生理学教研室：周京军,第二章 细胞的基本生理过程,2008-11-12： 第一节 细胞膜的生理,2008-11-19： 第四节 骨骼肌的收缩,2008-11-14： 第二节 生物电现象和兴奋性,2008-11-18： 第三节 细胞间的信号传递,生物电现象,生物电信号的无创伤性采集,电鳐与电板器官示意图,（一）静息电位,静息电位（resting potential, RP）： 神经和肌（或其它组织）细胞在静止情况下（未受刺激时），存在于细胞膜内外两侧的电位差。,1. 概述,神经纤维静息电位的记录,静息电位数值：-70 mV 不同种类细胞的静息电位： 生
2、物电与物理电： 膜两侧分布着极性不同电荷的状态被称为膜处于极化状态（Polarization）,1. 概述,2. Na+、K+、Cl-在神经、肌肉细胞内外的分布,细胞内浓度,细胞外浓度,Na+、 K+、Cl-,Na+、 K+、Cl-,37 110 -,110 2.6 77,15 125 12,110 2.6 77,10 140 -,130 4.0 120,49 410 40,440 22 560,43 360 -,450 17 540,浓度单位：mmol/L,3. Bernstein 提出 RP 主要取决K+的平衡电位,K+ (4.0 mM),K+ (140 mM),Nernst 方程：,R,
3、 气体常数 Z, 离子价 T, 绝对温度 F, Farady常数,EK=,RT,ZF,In,K+o,K+i,= 61,lg,4,140,= -94 mV,= 61,lg,K+o,K+i,（37 C ）,枪乌贼巨神经纤维的静息电位记录,4. Hodgkin和Huxley 证实了上述假设,改变细胞外浸浴液K+浓度对蛙缝匠肌RP的影响,6. 钠离子和氯离子通透性对RP的影响,PK PNa & PCl,Vm= 61,log,K+o,K+i,GHK equation Goldman, Hodgkin, Katz,Vm= 61,log,pK K+o,pNa Na+o,+,pK K+i,pNa Na+i,+
4、,pCl Cl-i,+,pCl Cl-o,+,（环境温度为 37C）,静息电位小结：,静息膜电位主要是K+的平衡电位（理论值-94 mV） RP的基础 - 膜内外离子不均衡分布和膜选择性对K+的通透性 钠-钾泵、Na+和Cl-对静息电位也有一定贡献，与K+共同使神经元的 RP 值保持在 -70 mV左右,“for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve ce
5、ll membrane“,Hodgkin Huxley,Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963,复极化（Repolarization）：细胞发生去极化后，又向原先的极化方向恢复的过程，称为复极化,超射（Overshoot）：去极相中从膜内电位为零至膜内电位为正的一段,除/去极化（Depolarization）：由膜内为负转变为膜内为正的过程（即动作电位曲线的上升支）,1. 概述：,2. AP的形成机制,2.1 AP的上升支形成机制,细胞外液中Na+浓度改变对枪乌贼巨大神经纤维AP的影响,b. 依据二（实验）：,c. 依据三（实验）-Voltage
6、clamp（电压钳）,（电压钳实验结果 ）,电导（Conductance）：,指令电压由-65 mV跃节升到-9 mV，观察膜电流的变化,2.2 AP的降支形成机制,Na+电导减小 K+电导缓慢增大,动作电位过程中Na+、K+通透性的变化,Na+ 内流 K+ 外流,AP,Na+-K+泵,维持细胞内外Na+、K+浓度梯度,ATP,2.3 Na+-K+ 泵在AP后的作用：,膜片钳记录方法示意图，以及从骨骼肌细胞膜片上记录的Ach激活的单通道电流,膜片钳技术,3. 通透性改变的实质 - 离子通道：,1）玻璃微电极技术,2）电子学技术,3.1 Na+ 通道,特异性阻断剂： TTX,通道的两个闸门： 激
7、活门与失活门三种状态：备用/关闭、开放与失活,电压门控性和时间依赖性：电压感受器（-70 -55 mV）,b）膜发生去极化反应时（-55 mV），通道开放，Na+内流（activation）,a）细胞静息时通道的备用状态（closed）,d）复极化后期激活门与失活门重新恢复至备用状态,c）“链球”样结构嵌入孔道，使得通道处于失活状态（inactivation）,通道的两种状态：关闭：开放：缓慢激活,电压依赖性：,3.2 K+ 通道,阻断剂： 四乙胺（TEA）,离子通道的多样性（P15）,Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991,“for their
8、discoveries concerning the function of single ion channels in cells”,Erwin Neher Bert Sakmann,3.3. 离子通道病,基 因,疾病,长QT综合征,SCN5A KCNQ1 KCNJ2,通道类别,Na+通道,Na+通道,组织/器官,心脏,骨骼肌,高血钾性周期性麻痹 低血钾性周期性麻痹,与人类遗传性疾病相关的离子通道,Cl-通道,先天性肌强直,神经系统,SCN4A,CLC1,Na+通道,SCN1A,癫痫,K+通道,K+通道,KCNQ2,动作电位小结：,动作电位由除极相（上升支）和复极相（下降支）组成；Na+内
9、流形成动作电位上升支，Na+内流减弱，而对K+外流形成动作电位下降支 动作电位之后，依靠Na+ -K+泵完成排Na+摄K+的任务 参与动作电位的Na+ 和K+通道均为电压门控性 Na+通道存在三种状态，TTX是其特异性阻断剂；电压门控性K+只有两种状态，四乙胺是其特异性阻断剂 膜电位的概念不同于静息电位或动作电位,4. 组织的兴奋和兴奋性,a. 兴奋：细胞对刺激发生反应（动作电位的产生）的过程,c. 可兴奋细胞：凡在刺激后能产生动作电位的细胞（神经细胞、肌细胞和腺细胞）,b. 兴奋性：组织或细胞能产生兴奋的能力,5. 刺激引起组织兴奋的条件,人工刺激：物理电刺激（刺激方波）,刺激强度变率：单位
10、时间内电流强度的变化比值 V/ t。,刺激引起兴奋的条件：,5.1. 刺激的强度,5.2. 刺激的持续时间,5.3. 刺激强度对时间的变化率,5.1. 刺激的强度,不同刺激强度对神经纤维兴奋性的影响,阈强度：在刺激持续时间和强度时间变化率都固定的条件下，能使组织发生兴奋的最小刺激强度,5.1.- 问题之一：,阈刺激：相当于阈强度的刺激阈上刺激阈下刺激,如何比较不同组织的兴奋性？- 阈强度,不同刺激强度对神经纤维兴奋性的影响,5.1.-问题之二：,在阈上刺激，增大刺激强度对可兴奋细胞的动作电位幅度有何影响？,动作电位的两个重要特性：,1） “全或无”性质： all or none princip
11、le，动作电位一经出现，其幅度就达到一定的数值，不因刺激的强度而随之增大。,2） 可传播性（不衰减性扩布）：动作电位产生后，并不局限于刺激部位，而是迅速向周围传播，直至整个细胞的细胞膜都依次产生动作电位,5.1.-问题之三：,一个阈下刺激对可兴奋细胞会产生何种影响？,局部电位：阈下刺激时，膜对阴极电紧张所做出的一种去极化反应,膜上作远距离的传播 以电紧张扩部的形式传播,局部电位与动作电位特性有哪些不同？,5.1.-问题之四：,局部电位达到何种强度才能引起细胞产生动作电位？,阈电位（Threshold Potential）：是一个临界膜电位，去极化达到此点，Na+通道转化为再生性激活，即形成正反
12、馈,Na+通道的再生性激活,阈强度：能使膜的静息电位去极化到阈电位的外加刺激的强度。,小结（组织兴奋及其产生条件）：,动作电位（膜电位的变化）是可兴奋细胞兴奋的标志 刺激具有多样性，刺激量包括强度、持续时间以及强度对时间的变化率；阈强度是衡量细胞兴奋性的常用指标 阈刺激以及阈上刺激将使神经元产生动作电位（“全或无”特性、传播的不衰减性）；阈下刺激使神经元产生局部电位（总和现象、电紧张性扩布）；阈电位是局部电位转变为动作电位的临界电位（Na+通道的再生性激活）,6. 组织兴奋后兴奋性的变化,锋电位：动作电位的除极和复极过程的前半部分， 后电位：在锋电位下降支后，膜电位的缓慢和微小变化 后除极化：
13、后电位的前半部分，膜仍处于轻度的除极状态 后超极化：后电位的后半部分，膜电位进入了一个轻度超极化状态,6.1 动作电位的时相,动作电位的组成及其兴奋性周期的对应关系,变化周期 时 程 兴奋性变化,绝对不应期 锋电位 兴奋性 = 0ARP Na+ channel inactivated,相对不应期 后除极化早期 兴奋性 正常，RRP Na+ channel,超常期 后除极化晚期 兴奋性 正常， MP接近阈电位,低常期 后超极化期 兴奋性 正常， MP远离阈电位,AP时相与细胞的兴奋性的关系,7. 兴奋在神经纤维上的传导,Propagation of AP,7.1. 神经纤维传导的一般特性,绝缘性 双向传导 不衰减性 不融合性 不疲劳性,7.2. 神经传导的机制,局部电流,动作电位在无髓鞘神经纤维的传导,本次课学习内容回顾：,一、静息电位及其离子机制,二、动作电位,1. 基本概念,2. 离子机制,3. 离子通道,4. 兴奋与兴奋性,5. 刺激引起兴奋的条件,6. 细胞兴奋后兴奋性的变化,7. 兴奋在神经纤维上的传导,思考题：,1） 怎样证明可兴奋细胞动作电位的锋电位与Na+有关？,2） 根据物理学知识，能否画出膜的等效电路图，以及考虑膜电容对离子通道的影响？,
