2章3节细胞电活动.ppt

Chapter2 Basic functions of cells Chapter2 Basic functions of cells 一、几个概念一、几个概念 平行板电容器：平行板可储存电量、彼此绝缘平行板电容器：平行板可储存电量、彼此绝缘 特点：电容器特点：电容器充电（离子电流跨膜扩散）充电（离子电流跨膜扩散）后使两板分别后使两板分别带带等等量量异异号的电量，它们之间形成电位差。号的电量，它们之间形成电位差。（一）（一）膜的电容器的特性和膜电位膜的电容器的特性和膜电位跨膜电位（膜电位）跨膜电位（膜电位）Chapter2 Basic functions of cells 1 1 膜电阻膜电阻 膜电导膜电导 膜电阻取决于膜电阻取决于离子通道离子通道等导体的数目等导体的数目 膜电导是膜对离子通透性的观测指标膜电导是膜对离子通透性的观测指标膜电阻膜电阻轴向电阻轴向电阻（二）电（二）电 阻阻Chapter2 Basic functions of cells 0 mV0 mV-70 mV-70 mV70 mV玻璃微电极玻璃微电极电位仪电位仪神经纤维神经纤维KCl细胞细胞内内记录：膜内、外两点间的电位差记录：膜内、外两点间的电位差0+接地接地（三）膜电位记录方法（三）膜电位记录方法细胞外为零电细胞外为零电位的膜内电位位的膜内电位Chapter2 Basic functions of cells Chapter2 Basic functions of cells 0 mV-60mVNerve fiberRPFigure Measurement of resting potential.ExperimentIntracellular recordingindifferentrecordingelectrodeelectrodeoutsideinsideVoltmeterstimulator0mVNerve fiberAPFigure Measurement of action potential.ExperimentIndifferent electrodeRecording electrodeVoltmeterRPChapter2 Basic functions of cells（四）膜电位形成（即（四）膜电位形成（即离子扩散离子扩散）的条件）的条件1.1.电化学驱动力电化学驱动力 =浓度差浓度差+电位差电位差2.2.细胞膜对离子的选择通透性细胞膜对离子的选择通透性Intracellular vs extracellular ion concentrations IonIntracellular Extracellular Na+5-15 mM 145 mM K+140 mM 5 mM Mg2+0.5 mM 1-2 mM Ca2+10-7 mM 1-2 mM H+10-7.2 M(pH 7.2)10-7.4 M(pH 7.4)Cl-5-15 mM 110 mMChapter2 Basic functions of cells 二、静息电位及其产生机制二、静息电位及其产生机制（一）静息电位（一）静息电位（resting potential RP）和数值和数值 1 1、定定义义：静静息息时时，质质膜膜两两侧侧存存在在外外正正内内负负的的电位差。电位差。+膜外膜外膜外膜外+膜内膜内膜内膜内-Chapter2 Basic functions of cells 绝大多数细胞的静息电位是稳定的、分绝大多数细胞的静息电位是稳定的、分布均匀的负电位，范围布均匀的负电位，范围-10100mv。骨骼肌细胞骨骼肌细胞 -90mv；神经细胞神经细胞 -70mv 平滑肌细胞平滑肌细胞 -55mv；红细胞红细胞 -10mv 2 2、数、数 值值静息电位的静息电位的负负值：值：负号负号是指膜内电位是指膜内电位低低于于膜外电位，膜外电位，数值大小数值大小是膜内外的电位差。是膜内外的电位差。Chapter2 Basic functions of cells 3 3、几个概念、几个概念Chapter2 Basic functions of cells 静息电位减小静息电位减小的过程或状态的过程或状态Chapter2 Basic functions of cells 去极化至零电去极化至零电位后膜电位如进位后膜电位如进一步变为正值，一步变为正值，则称为反极化，则称为反极化，膜电位高于零电膜电位高于零电位的部分称为超位的部分称为超射射Chapter2 Basic functions of cells 质膜去极化后质膜去极化后再向静息电位方再向静息电位方向恢复的过程向恢复的过程Chapter2 Basic functions of cells Time（ms）-70-550+35depolarizationrepolarizationovershoothyperpolarizationMembrane potential(mV)polarizationChapter2 Basic functions of cells 细胞膜离子通道开放细胞膜离子通道开放带电离子跨膜移动带电离子跨膜移动相当于电容器充电相当于电容器充电可产生外正内负电位差可产生外正内负电位差即静息电位即静息电位 （二）静息电位产生的机制（二）静息电位产生的机制Chapter2 Basic functions of cells 细胞膜细胞膜内侧内侧外侧外侧NaNa+i i/NaNa+o o=10/130=10/130 ClCl-i i/ClCl-o o=4/120=4/120 A-A-A-A-A-膜内有大量的氨基酸负离子膜内有大量的氨基酸负离子膜内有大量的氨基酸负离子膜内有大量的氨基酸负离子K K+K K+K K+K K+K K+KK+i i /KK+o o=140/5=140/5 2 2）细胞膜对离子有通透性（）细胞膜对离子有通透性（P P）静息时，细胞膜对静息时，细胞膜对静息时，细胞膜对静息时，细胞膜对P PK+K+比对比对比对比对P PNaNa+大大大大50100 50100 倍，对氨基酸等有机负离子基本不通透。倍，对氨基酸等有机负离子基本不通透。倍，对氨基酸等有机负离子基本不通透。倍，对氨基酸等有机负离子基本不通透。K+K+A-A-1、产生离子扩散的条件、产生离子扩散的条件 1 1）细胞膜内外离子分布不均）细胞膜内外离子分布不均钠泵的活动钠泵的活动Chapter2 Basic functions of cells K+A-A-A-A-A-A-K+K+K+K+0-+K+K+K+A-A-A-A-A-A-K+K+K+K+0Ek+A-K+K+K+A-A-A-A-A-A-K+K+K+K+0-+A-K+K+细胞膜细胞膜内侧内侧外侧外侧K+A-A-A-A-A-A-K+K+K+K+0-+A-K+2 2、静息电位的形成过程、静息电位的形成过程Chapter2 Basic functions of cells 膜膜内内高高 K+K+通通透透 K+外外流流 浓浓度度差差 电电位差位差 K+继继续续外外流流 电电位位差差 浓浓度度差差=电电位位差差 进进出出细细胞胞K+量量相相等等，K+跨跨膜膜净净移移动动停停止止 膜膜两两侧侧的的电电位位差差稳稳定定于于某某一一数数值值 K+平衡电位平衡电位(Ek)扩散平衡：浓度差电位差扩散平衡：浓度差电位差 电化学驱动力电化学驱动力0 0离子平衡电位离子平衡电位 ：扩散扩散平衡平衡时的跨膜电位时的跨膜电位Chapter2 Basic functions of cells 离子的平衡电位可以用离子的平衡电位可以用Nernst公式计算：公式计算：Ex=ln RT x+o nF x+i R R 气体常数气体常数气体常数气体常数 T T 绝对温度绝对温度绝对温度绝对温度n n 离子价数离子价数离子价数离子价数 F F 法拉第常数法拉第常数法拉第常数法拉第常数K+K+平衡电位（平衡电位（E Ek k）90mv90mv100mv100mvNa+Na+平衡电位（平衡电位（E ENaNa ）50mv50mv70mv70mvChapter2 Basic functions of cells 原因：原因：原因：原因：膜在静息时对钠离子也有通透性膜在静息时对钠离子也有通透性膜在静息时对钠离子也有通透性膜在静息时对钠离子也有通透性 P24 图图29RP K+外流外流膜发生进一步去极化膜发生进一步去极化从而引起从而引起更大的更大的NaNa+电导（更多电导（更多Na+通道激活开放）和通道激活开放）和Na+内流内流(Na+再生性循环再生性循环)直至接近直至接近ENa AP上升支上升支AP形成机制形成机制Chapter2 Basic functions of cells 动作电位达峰值动作电位达峰值Na+的通透性迅速下降的通透性迅速下降（Na+通道失活）通道失活）对对K+的外向驱动力很的外向驱动力很强，再加上对强，再加上对K+的通透性即的通透性即K+电导也增加电导也增加很强的很强的K+外流外流膜迅速复极化膜迅速复极化 AP降降支支升支和降支共同构成锋电位升支和降支共同构成锋电位Chapter2 Basic functions of cells 刺激强度小刺激强度小 电紧张电位电紧张电位阈下刺激阈下刺激 刺激强度稍增大刺激强度稍增大 去极化局部反去极化局部反应应 去极化阈刺激去极化阈刺激 达阈电位，达阈电位，爆发爆发AP或阈上刺激或阈上刺激 刺激与电位变化的关系：刺激与电位变化的关系：Chapter2 Basic functions of cells 电压钳技术电压钳技术:使膜电位钳制在使膜电位钳制在固定固定水平，记录水平，记录膜膜电流电流的大小，利用欧姆定律推算出的大小，利用欧姆定律推算出膜电导膜电导（膜对离子的膜对离子的通透性通透性）电压钳电压钳 x Gx=Em-Ex 固定固定固定固定Chapter2 Basic functions of cells Chapter2 Basic functions of cells The Nobel Prize in Physiology or Medicine(1963)“for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane”Alan Lloyd HodgkinAndrew Fielding Huxley霍奇金和霍奇金和赫胥黎赫胥黎 Chapter2 Basic functions of cells Chapter2 Basic functions of cells Chapter2 Basic functions of cells Chapter2 Basic functions of cells 膜膜电电导导的的时时间间依依赖赖性性结论结论:内内向电流为向电流为Na+电流电流(Na+);延迟出现的延迟出现的外外向向电流为电流为K+电流电流(K+)。即先出现即先出现GNa+增增加后出现加后出现G K+增增加加P27图图210动作电位期间膜电导的变化动作电位期间膜电导的变化 (过程过程)Chapter2 Basic functions of cells 膜膜电电导导的的电电压压依依赖赖性性结论结论:GNa+和和GK+随去随去极化程度的极化程度的增加而增加增加而增加Chapter2 Basic functions of cells Chapter2 Basic functions of cells 离子通透性（膜电导）变化的实质离子通透性（膜电导）变化的实质：膜上离子通道随机开放和关闭的总和效应膜上离子通道随机开放和关闭的总和效应。电压钳技术：电压钳技术：记录宏膜电流，即细胞膜上大量记录宏膜电流，即细胞膜上大量离子通道的单通道电流叠加形成的电流。离子通道的单通道电流叠加形成的电流。Chapter2 Basic functions of cells 膜片钳膜片钳（patch clamp）Chapter2 Basic functions of cells for their discoveries concerning the function of single ion channels in cellsThe Nobel Prize in Physiology or Medicine(1991)Erwin NeherBert Sakmann德国细胞生理学家内尔与德国细胞生理学家内尔与Sakmann萨克曼萨克曼 Chapter2 Basic functions of cells NaNa通道的功能状态通道的功能状态关闭关闭 复复激活激活 活活失活失活Chapter2 Basic functions of cells 电化学驱动力电化学驱动力 不断变化不断变化 时间依赖性时间依赖性 膜对离子的通透性膜对离子的通透性 改变改变 （膜电导）（膜电导）电压依赖性电压依赖性 (电压钳电压钳)单个离子通道行为改变总和的结果单个离子通道行为改变总和的结果 （膜片钳）（膜片钳）通道状态（通道状态（Na+,K+）AP产产生条生条件件 总总 结结：Chapter2 Basic functions of cells（三）动作电位的传播（三）动作电位的传播未兴奋未兴奋部分部分已兴奋已兴奋部分部分(AP)已兴奋已兴奋部分部分AP传播方向Chapter2 Basic functions of cells 刺刺激激去去极极化化AP AP 兴兴奋奋与与未未兴兴奋奋处处电电位位差差局局部部电电流流 刺刺激激邻邻近近膜膜电电紧紧张张电电位位去去极极化化阈阈电电位位APAP重重复复传播传播Chapter2 Basic functions of cells 1.无髓鞘神经纤维无髓鞘神经纤维局部电流局部电流已兴奋部分已兴奋部分Chapter2 Basic functions of cells 2.有髓鞘神经纤维有髓鞘神经纤维-跳跃式传导跳跃式传导:Chapter2 Basic functions of cells 局局 部部 电电 流流 跨跨 越越 郎郎 飞飞 结结-速速 度度 快快（100m/s）耗能少耗能少Chapter2 Basic functions of cells 影响传导的因素影响传导的因素 （1）细胞直径的粗细）细胞直径的粗细 （2）是否有髓鞘（）是否有髓鞘（N.f而言）而言）Chapter2 Basic functions of cells（四）缝隙连接（四）缝隙连接存在于某些组织，如神经组织、心肌存在于某些组织，如神经组织、心肌组织等。组织等。意义：细胞群的活动同步化。意义：细胞群的活动同步化。连接子连接子缝隙连接通道缝隙连接通道（亲水性）（亲水性）Chapter2 Basic functions of cells 五、可兴奋细胞和兴奋性五、可兴奋细胞和兴奋性(一)兴奋和可兴奋细胞兴奋和可兴奋细胞 （1 1）兴奋）兴奋（excitation）：）：细胞对刺激发生反应的过程。细胞对刺激发生反应的过程。APAP是细是细 胞胞兴奋兴奋的标志。的标志。（2 2）可兴奋细胞）可兴奋细胞（excitable cell）：）：在受刺激后能产生在受刺激后能产生APAP的细胞。的细胞。如：神经细胞、肌细胞、腺细胞等如：神经细胞、肌细胞、腺细胞等 Chapter2 Basic functions of cells 刺激刺激可兴奋细胞可兴奋细胞 电压门控性电压门控性钠钠/钙钙通道激活通道激活 中介过程中介过程 肌肌肉收缩肉收缩 AP 特有的反应特有的反应 腺体分泌腺体分泌Chapter2 Basic functions of cells（1 1）兴奋性兴奋性（excitability）：）：可兴奋细胞受可兴奋细胞受 刺激后产生刺激后产生APAP的的能力能力。（2 2）刺激刺激（stimulation）：）：指细胞所处环境指细胞所处环境 因素的变化。因素的变化。包括三个要素：包括三个要素：刺激的时间、强度、强度刺激的时间、强度、强度-时间变化率时间变化率（二）（二）组织的兴奋性和阈刺激组织的兴奋性和阈刺激Chapter2 Basic functions of cells 时间 强度-时间 变化率 强 度 方波刺激 锯齿波刺激 刺激三要素刺激三要素 Chapter2 Basic functions of cells（3）阈强度阈强度(threshold intensity)或阈值或阈值（threshold）：）：固定刺激持续的时间固定刺激持续的时间,能使组织发生兴奋的能使组织发生兴奋的最小最小刺激强度刺激强度.（4）阈刺激阈刺激(threshold stimulus):相当于阈强度的刺激相当于阈强度的刺激.即恰好使膜电位去极化即恰好使膜电位去极化 到阈电位水平的刺激到阈电位水平的刺激 可兴奋细胞受到阈刺激时，膜电位可兴奋细胞受到阈刺激时，膜电位=阈电位阈电位 “阈上刺激阈上刺激 阈下刺激阈下刺激”Chapter2 Basic functions of cells 阈刺激或阈强度阈刺激或阈强度可作为衡量细胞兴奋性的常可作为衡量细胞兴奋性的常用指标用指标 1 兴奋性兴奋性 -阈强度阈强度Chapter2 Basic functions of cells 绝绝对对不不应应期期低低常常期期阈阈电位电位100%0相对不应期相对不应期超常期超常期（三）细（三）细胞兴奋后胞兴奋后兴奋性的兴奋性的变化变化