Chapt2细胞的基本功能课件2.ppt

1、 静息电位的产生及机制静息电位的产生及机制;动作电位的产生及机制动作电位的产生及机制;一.静息电位(Resting potential)静息电位的引导方法；静息电位的引导方法；静息电位的概念；静息电位的概念；相关术语；相关术语；静息电位的产生机制；静息电位的产生机制；影响静息电位的因素。影响静息电位的因素。1.静息电位的引导方法静息电位的引导方法intracellular potential recordingMeasurement of the resting potential 1939,AL HodgKin and AF Huxley,two famous physiologists a

2、t University of Cambridge in England Winners of the Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963Intracellular potential recording2.静息电位的概念静息电位的概念定义（RP）：是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内、外两侧的电位差。特点：a：RP表现为膜内较膜外为负，即内负外正。b：RP在大多数细胞是一种稳定的直流电位。3.相关术语相关术语（）极化（）极化（polarization)：静息时，膜两侧的内静息时，膜两侧的内 负外正状态。负外正状态。（2）超极化）超极化（hyper

3、polarization）：）：膜内电位向负膜内电位向负 值变大的方向变化。值变大的方向变化。（3）去极化）去极化（depolarization）：）：膜内电位向负值减膜内电位向负值减小的方向变化。小的方向变化。（4）复极化）复极化（repolarization）：）：由去极化或超极化由去极化或超极化 向向RP值恢复。值恢复。4.静息电位产生的机制静息电位产生的机制:1902年，年，Bernstein提出提出膜学说膜学说（1）细胞内外各种离子的浓度分布不均；）细胞内外各种离子的浓度分布不均；（2）细胞膜对离子的通透性不一样；）细胞膜对离子的通透性不一样；（3）离子的通透性会发生改变。）离子的通

4、透性会发生改变。推测：推测：静息时，细胞膜对静息时，细胞膜对K+通透，对通透，对Na+不通透，不通透，K+外流形成外流形成K+平衡电位（平衡电位（K+equilibrium potential，EK）。）。静息电位就等于静息电位就等于K+平衡电位平衡电位Julius Bernstein 1839-1917（）化学现（）化学现象象 要在膜两侧形成电位要在膜两侧形成电位差，必须具备两个条件：差，必须具备两个条件：膜两侧的离子分布不均，膜两侧的离子分布不均，存在浓度差；存在浓度差；对离子有对离子有选择性通透的膜。选择性通透的膜。膜两侧膜两侧KK+差差是促使是促使K K+扩散的扩散的动力动力，但随着，

5、但随着K K+的不的不断扩散，膜两侧不断加大断扩散，膜两侧不断加大的的电位差电位差是是K K+继续扩散的继续扩散的阻阻力力，当动力和阻力达到动，当动力和阻力达到动态平衡时，态平衡时，K K+的净扩散通量的净扩散通量为零为零膜两侧的平衡电位膜两侧的平衡电位。通透膜通透膜选择性通透膜选择性通透膜（）静息电位的产生条件 静息状态下细胞膜内、外离子分布不均 Na+iNa+o1 10 K+iK+o30 1 Cl-iCl-o1 14 A-iA-o 4 1 静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性通透性：K+Cl-Na+A-静息时膜内外各离子的浓度静息时膜内外各离子的浓度离子膜内浓度膜外浓度平衡电位离子膜内

6、浓度膜外浓度平衡电位（mmol/L）（mmol/L）(mV)K+400 20 -75Na+50 440 +55Cl-52 560 -60A-385 -（）RP产生机制的膜学说:静息状态下细胞膜内外离子分布不均；细胞膜对离子的通透具有选择性:K+Cl-Na+A-KK i i顺浓度差向膜外扩散顺浓度差向膜外扩散 AA-i i不能向膜外扩散不能向膜外扩散K+iK+i、A-iA-i膜内电位膜内电位(负电场负电场)K+o K+o膜外电位膜外电位(正电场正电场)膜外为正、膜内为负的极化状态膜外为正、膜内为负的极化状态当扩散动力与阻力达到动态平衡时当扩散动力与阻力达到动态平衡时=RP=RP结论:RP的产生主

7、要是K向膜外扩散的结果。RP=K+的平衡电位膜在安静状态下，K+能以易化扩散的形式移向膜外：1)K+外移动力：浓度差。结构基础：膜在安静状态下只对K+有通透性2)K+外移阻力：移到膜外的K+所造成的外正内负的电场力3)当K+外移的动力与阻力相等时，膜内外不再有K+的净移动，而此时膜两侧的电位差稳定在某一数值，称为K+平衡电位（Ek）。也就是RP。4)K+平衡电位的数值，由膜两侧原初存在的K+浓度差的大小决定的Nernst Equation:K+Concentration gradient Ko/Ki Electrical gradient (potential)iKoKEklog58iKoKz

8、FRTEionlnfor K+at 29.2 C,the Nernst Equation become:Electrochemical driving force60Membrane potential and equilibrium potential of different ions 5.5.影响影响RPRP的因素的因素 （1）细胞外）细胞外K+浓度，浓度，（2）细胞膜对）细胞膜对Na+、K+的通透性；的通透性；（3）钠）钠-钾泵的作用。钾泵的作用。二、动作电位二、动作电位(Action potential)动作电位的模拟实验动作电位的模拟实验动作电位的概念动作电位的概念动作电位的特点动

9、作电位的特点动作电位的产生机制动作电位的产生机制动作电位的引起和传导动作电位的引起和传导1.1、定义：、定义：2、组成：、组成：去极相：去极化去极相：去极化超射锋电位超射锋电位复极相：复极化初期复极相：复极化初期后电位：负后电位后电位：负后电位正后电位正后电位AP是膜两侧电位是膜两侧电位在在RP基础上基础上发生的一次发生的一次可扩可扩布布的快速而可逆的倒转，是细胞兴奋的标志。的快速而可逆的倒转，是细胞兴奋的标志。2.动作电位的概念动作电位的概念 动作电位的图形动作电位的图形锋电位锋电位(Spike potential)AP的主要成分和标志超射：膜电位高于零的部分后电位后电位（after-pot

10、ential）“全或无全或无”（all or none)现象；现象；不衰减传导；不衰减传导；瞬时性；瞬时性；极化反转。极化反转。3.动作电位的特点动作电位的特点意义：意义：AP的产的产生是细胞兴生是细胞兴奋的标志奋的标志4.动作电位的产生机制动作电位的产生机制l推测：细胞受到刺激时，细胞膜对推测：细胞受到刺激时，细胞膜对Na+的通透性增加，的通透性增加，Na+内流。内流。l间接证据：等张葡萄糖代替间接证据：等张葡萄糖代替NaCl；l直接证据：直接证据：实验实验（作为了解）（作为了解）（1）电压钳技术）电压钳技术(voltage clamp)；（2）膜片钳技术）膜片钳技术(patch clamp

11、)。膜片钳技术膜片钳技术 消化细胞；消化细胞；拉制电极；拉制电极；钳制细胞；钳制细胞；记录电流。记录电流。AP产生机制产生机制（1）锋电位）锋电位 上升支：去极相上升支：去极相由由Na+内流形成，是内流形成，是Na+的平衡电位的平衡电位有效刺激有效刺激部分部分Na+通道开放通道开放少量少量Na+内流内流膜去膜去极化极化达到阈电位达到阈电位大量大量Na+通道开放通道开放大量大量Na+内内流流膜内负电位消失，出现正电位。膜内负电位消失，出现正电位。下降支：复极相下降支：复极相Na+通道失活通道失活K+通透性升高通透性升高 Na+内流停止，内流停止，K+外流外流膜内电位由正向负值变化膜内电位由正向负

12、值变化静息电位。静息电位。DepolarizationRepolarization（2）后电位：后电位：负后电位：快速负后电位：快速K+外流堆积，复极化减慢；外流堆积，复极化减慢；正后电位：钠泵活动。正后电位：钠泵活动。注：兴奋后的静息期：钠泵活动增强，使兴奋前原有的离子分布状态得以恢复。AP产生机制产生机制当细胞受到刺激当细胞受到刺激细胞膜上少量细胞膜上少量NaNa+通道激活而开放通道激活而开放NaNa+顺浓度差少量内流顺浓度差少量内流膜内外电位差膜内外电位差局部电位局部电位当膜内电位变化到阈电位时当膜内电位变化到阈电位时NaNa通道大量开放通道大量开放NaNa+顺电化学差和膜内负电位的吸引

13、顺电化学差和膜内负电位的吸引再生式内流再生式内流 NaNa+ii、K+OK+O激活激活NaNa+K K+泵泵APAP的产生机制的产生机制:膜内负电位减小到零并变为正电位（膜内负电位减小到零并变为正电位（APAP上升支）上升支）NaNa+通道关通道关Na+Na+内流停内流停+同时同时K+K+通道激活而开放通道激活而开放K K顺浓度差和膜内正电位的吸引顺浓度差和膜内正电位的吸引K K迅速外流迅速外流膜内电位迅速下降，恢复到膜内电位迅速下降，恢复到RPRP水平（水平（APAP下降支）下降支）NaNa+泵出、泵出、K K+泵回，泵回，离子恢复到兴奋前水平离子恢复到兴奋前水平后电位后电位结论：结论：AP

14、AP的上升支由的上升支由NaNa内流内流形成，下降支是形成，下降支是K K外流外流形成的，后形成的，后电位是电位是NaNaK K 泵活动引起的。泵活动引起的。APAP的产生是不消耗能量的，的产生是不消耗能量的，APAP的恢复是消耗能量的（的恢复是消耗能量的（NaNaK K泵的活动）。泵的活动）。APAP幅值幅值=RP=RP值值+超射值超射值=E=EK K+E+ENaNa 证明：证明：NernstNernst公式的计算公式的计算:AP AP达到的达到的超射值超射值（正电位值）相当于计算所得的（正电位值）相当于计算所得的NaNa的平衡的平衡电位电位(E(ENaNa)值值 应用应用NaNa通道特异性

15、阻断剂河豚毒后，内向电流全部消失通道特异性阻断剂河豚毒后，内向电流全部消失（APAP消失）消失）离子通道的特性AP的产生实质上是受刺激后的产生实质上是受刺激后Na+、K+通道状态通道状态的改变。的改变。K+通道：是电压依赖式离子通道，有开、关通道：是电压依赖式离子通道，有开、关两种状态两种状态阻断剂：四乙基胺（阻断剂：四乙基胺（TEA）Na+通道通道:是电压及时间依赖式离子通道，是电压及时间依赖式离子通道，有备用、激活、失活三种状态有备用、激活、失活三种状态阻断剂：河豚毒素（阻断剂：河豚毒素（TTX）、局麻药）、局麻药Voltage-gated Ion ChannelsAP的产生与膜通透的产生

16、与膜通透性的关系性的关系5.动作电位的引起与传导动作电位的引起动作电位的引起细胞兴奋后兴奋性周期性变化细胞兴奋后兴奋性周期性变化局部反应局部反应动作电位的传导动作电位的传导I.动作电位的引起动作电位的引起1、刺激、刺激(Stimulation)：（1）刺激：）刺激：细胞所处环境因素的改变。细胞所处环境因素的改变。（2）刺激三要素：）刺激三要素：刺激强度、刺激作用刺激强度、刺激作用时间、强度时间、强度-时间变化率；时间变化率；(3)(3)阈强度阈强度(threshold intensity)(threshold intensity)：把刺激的作用时间：把刺激的作用时间和强度和强度-时间变化率都固

17、定在某一适当数值，时间变化率都固定在某一适当数值，能引起组织细胞兴奋所必需的最小刺激强度，能引起组织细胞兴奋所必需的最小刺激强度，简称阈值简称阈值(threshold)(threshold)阈值是衡量组织细胞兴奋性高低的指标阈值是衡量组织细胞兴奋性高低的指标。阈刺激：刺激强度等于阈强度的刺激 阈下刺激：刺激强度小于阈强度的刺激 阈上刺激：刺激强度大于阈强度的刺激 阈刺激和阈上刺激可以引起组织细胞兴奋，而阈下刺激则不能2.兴奋性及兴奋兴奋性及兴奋(Excitability&excitation)兴奋性：细胞受到刺激时产生动作电位的能力。兴奋性：细胞受到刺激时产生动作电位的能力。兴奋：动作电位的同

18、义词。兴奋：动作电位的同义词。可兴奋细胞：肌肉、神经、腺体。可兴奋细胞：肌肉、神经、腺体。阈强度是衡量细胞兴奋性高低的指标，阈强度高，阈强度是衡量细胞兴奋性高低的指标，阈强度高，则兴奋性低；阈强度低，则兴奋性高。则兴奋性低；阈强度低，则兴奋性高。3、阈电位、阈电位（Threshold potential）阈电位：能进一步诱发动作电位的去极阈电位：能进一步诱发动作电位的去极化临界膜电位值，称为阈电位；化临界膜电位值，称为阈电位；阈 电 位 一 般 较 静 息 电 位 的 负 值 少阈 电 位 一 般 较 静 息 电 位 的 负 值 少1020mV。衡量兴奋性高低的指标衡量兴奋性高低的指标 到达阈

19、电位值的去极化 一定数量的Na+通道的开放 Na+内流 膜的进一步去极化 更多Na+通道开放“正反馈”或称为再生性循环的过程 直至达到Na+的平衡电位 II.细胞兴奋后兴奋性的周期性细胞兴奋后兴奋性的周期性变化变化 实验方法：实验方法：先后两次刺激先后两次刺激 1)阈刺激，细胞兴奋阈刺激，细胞兴奋 2)改变频率和刺激强改变频率和刺激强度，观察细胞的兴奋度，观察细胞的兴奋细胞兴奋后兴奋性周期性变化细胞兴奋后兴奋性周期性变化对阈下刺激反应对阈下刺激反应对阈上刺激反应对阈上刺激反应产生机制产生机制 绝对不应期绝对不应期（absolute refractory period）：Na+通道完全失活；通道

20、完全失活；相对不应期相对不应期（relative refractory period）：Na+通道部分复活；通道部分复活；超常期超常期（supranormal period）：Na+通道大部分复活，膜电位小于通道大部分复活，膜电位小于RP；低常期低常期（subnormal period）：膜电位处于超极化状态；膜电位处于超极化状态；Action Potential Stages:Overview.局部反应局部反应（local response)l 概念：细胞受到概念：细胞受到阈下刺激阈下刺激时，可引起受刺激的膜时，可引起受刺激的膜局部出现一个局部出现一个较小的去极化较小的去极化，称为局部反应或

21、局，称为局部反应或局部兴奋部兴奋l 阈下刺激阈下刺激该段膜中该段膜中NaNa+通道的少量开放通道的少量开放少量少量NaNa+内流内流 膜轻度去极化膜轻度去极化特点特点:（1）电紧张传播）电紧张传播(electrotonic propagation),呈衰减性传导；呈衰减性传导；（2）等级性，非）等级性，非“全或无全或无”式；式；（3）可以总和：时间总和）可以总和：时间总和(temporal summation)空间总和空间总和(spatial summation)局部兴奋的特点局部兴奋的特点Graded potentials decrease in strength as they sprea

22、d out from the point of originStimulus.动作电位的传导动作电位的传导局部电流学说局部电流学说 局部电流：已兴奋膜与未兴奋膜之局部电流：已兴奋膜与未兴奋膜之间存在电位差，而发生的电荷移动。间存在电位差，而发生的电荷移动。局部电流（local current）：在已兴奋的细胞膜和与它相邻的未兴奋的细胞膜之间，由于电位差的出现而发生电荷移动。运动方向：在膜外的正电荷由未兴奋段移向已兴奋段，而膜内的正电荷由已兴奋段移向未兴奋段。结果：是造成邻近未兴奋的细胞膜去极化达阈电位，出现它自己的动作电位。Conduction of Action PotentialsCond

23、uction of Action PotentialsConduction of Action Potentials 所谓动作电位（兴奋）的传导：所谓动作电位（兴奋）的传导：实际是实际是已兴奋的膜部分已兴奋的膜部分通过局部电流通过局部电流“刺激刺激”了了未未兴奋的膜部分兴奋的膜部分 使之出现动作电位；使之出现动作电位；这样的过程在膜表面连续进行下去，就表现为兴奋这样的过程在膜表面连续进行下去，就表现为兴奋在整个细胞的传导。在整个细胞的传导。所以所以,AP,AP呈不衰减性传导呈不衰减性传导 2.2.兴奋在有髓神经纤维上的传导兴奋在有髓神经纤维上的传导跳跃式传导（saltatory conduction）跳跃式传导的优点：传导速度快；耗能少跳跃式传导的优点：传导速度快；耗能少。影响传导速度的因素影响传导速度的因素轴突直径轴突直径是否有髓鞘是否有髓鞘3 神经纤维兴奋传导的特征 不衰减性传导 双向传导 绝缘性 相对不疲劳性 生理完整性summary1.resting potential:2.action potential:3.local response:4.threshold potential:5.conduction of the AP: