1、第二章第二章 细胞的基本功能细胞的基本功能 (General functions of tissue cells) 授课教师：郭瑞鲜授课教师：郭瑞鲜 副教授副教授 中山医学院生理教研室中山医学院生理教研室 Email: guorx66 Tel: 15302243616 了解：膜的化学组成和分子结构，骨骼肌细胞的了解：膜的化学组成和分子结构，骨骼肌细胞的 微细结构微细结构 掌握：细胞膜的跨膜物质转运功能掌握：细胞膜的跨膜物质转运功能 几种主要的跨膜信号转导方式几种主要的跨膜信号转导方式 神经和骨骼肌的生物电现象及产生机制神经和骨骼肌的生物电现象及产生机制 神经神经- -骨骼肌接头处的兴奋传递骨骼
2、肌接头处的兴奋传递 熟悉：可兴奋组织在接受刺激后兴奋性的改变，熟悉：可兴奋组织在接受刺激后兴奋性的改变， 平滑肌的结构和生理特性平滑肌的结构和生理特性 一、本章要求一、本章要求 第一节第一节 细胞膜的结构和物质转运功能细胞膜的结构和物质转运功能 第二节第二节 细胞的信号转导细胞的信号转导 第三节第三节 细胞的生物电现象细胞的生物电现象 第四节第四节 肌细胞的收缩功能肌细胞的收缩功能 第一节第一节 细胞膜的结构和物质转运功能细胞膜的结构和物质转运功能 一、膜的化学组成和结构模型一、膜的化学组成和结构模型 （一）化学组成（一）化学组成 （二）膜的结构模型（二）膜的结构模型 二、细胞膜的物质转运功能
3、二、细胞膜的物质转运功能 （一）单纯扩散（一）单纯扩散 （二）易化扩散（二）易化扩散 （三）主动转运（三）主动转运 （四）出胞和入胞（四）出胞和入胞 2 第一节第一节 细胞膜的结构和物质转运功能细胞膜的结构和物质转运功能 一、膜的化学组成和结构模型一、膜的化学组成和结构模型 （一）化学组成（一）化学组成 由脂质，蛋白质和少量糖类物质组成由脂质，蛋白质和少量糖类物质组成 1. 膜脂质膜脂质 磷脂（磷脂（phospholipid）70 胆固醇（胆固醇（cholesterol）30 鞘脂（鞘脂（sphingolipid） 少量少量 磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱(卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷卵磷脂）、磷脂酰乙
4、醇胺（脑磷 脂）、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇脂）、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇 膜脂质的结构特征膜脂质的结构特征 1925，Gorter 和和 Grendel：红细胞脂质实验：红细胞脂质实验 由双嗜性脂质分子两两相对排列成双分子层由双嗜性脂质分子两两相对排列成双分子层 亲水性极性基团亲水性极性基团 （磷酸和碱基）（磷酸和碱基） 疏水性非极性基团疏水性非极性基团 （长烃链）（长烃链） 脂质双分子层特点：脂质双分子层特点： （1）液态（同层横向移动的）液态（同层横向移动的流动性流动性） （2）稳定性）稳定性 意义：细胞可以承受相当大的张力和外形改变而意义：细胞可以承受相当大的张力和外形改变而 不破裂；而
5、且即使膜结构有时发生一些较小不破裂；而且即使膜结构有时发生一些较小 的断裂，也可以自动融合而修复，仍保持膜的断裂，也可以自动融合而修复，仍保持膜 的完整性。的完整性。 1. 屏障功能屏障功能 2. 信息传递信息传递 脂质双分子层的功能：脂质双分子层的功能： 2.膜蛋白（膜蛋白（membrane protein） 表面蛋白（表面蛋白（peripheral protein） 整合蛋白（整合蛋白（integrated protein） 载体载体(carrier), 通道通道(channel), 离子泵离子泵(ion pump)等等 功能：转运物质功能：转运物质 通道通道、载体载体 传递信息传递信息
6、免疫标志免疫标志 3.糖类（糖类（210） 与膜蛋白结合生成糖蛋白与膜蛋白结合生成糖蛋白 与膜脂质结合生成糖脂与膜脂质结合生成糖脂 膜糖链的功能：作为抗原决定簇，表达免疫信膜糖链的功能：作为抗原决定簇，表达免疫信 息，与某些激素、递质等化学信号结合息，与某些激素、递质等化学信号结合 （二）膜的结构模型（二）膜的结构模型 1972，Singer和和 Nicholson: 液态镶嵌模型（液态镶嵌模型（fluid mosaic model）学说）学说 二、细胞膜的物质转运功能二、细胞膜的物质转运功能 单纯扩散单纯扩散 异化扩散异化扩散 主动转运主动转运 出胞和入胞出胞和入胞 （一）（一）单纯扩散单纯
7、扩散(simple diffusion) 概念概念 脂溶性脂溶性小分子物质直接通过膜脂质双层小分子物质直接通过膜脂质双层顺浓度顺浓度 差差的跨膜转运。的跨膜转运。 如：如：O2 、CO2、NO、 CO、N2等气体，乙醇、等气体，乙醇、 类固醇类激素、尿素等，水类固醇类激素、尿素等，水 影响因素影响因素 细胞膜的通透性：细胞膜的通透性： CO2脂溶性高脂溶性高，扩散快扩散快 膜两侧的物质浓度差：高浓度膜两侧的物质浓度差：高浓度低浓度低浓度 分子大小分子大小 （二）易化扩散（二）易化扩散(facilitated diffusion) 概念：非脂溶性或脂溶性很小的物质概念：非脂溶性或脂溶性很小的物质
8、借助膜借助膜 蛋白蛋白的帮助，从的帮助，从高浓度一侧向低浓度一高浓度一侧向低浓度一 侧侧的跨膜转运。的跨膜转运。 1. 经载体的易化扩散经载体的易化扩散 2. 经通道的易化扩散经通道的易化扩散 1. 经载体的易化扩散经载体的易化扩散 载体属于整合蛋白的一种，主要转运葡萄糖、氨载体属于整合蛋白的一种，主要转运葡萄糖、氨 基酸等基酸等 载体转运的特征：载体转运的特征： （1）顺着浓度差转运）顺着浓度差转运 （2）具有）具有饱和性饱和性 （3）结构特异性结构特异性 （4）竞争性抑制竞争性抑制 化学结构相似的物质经同一载体转运时化学结构相似的物质经同一载体转运时 2. 经通道的易化扩散经通道的易化扩散
9、 特征：高度选择性特征：高度选择性 速度快：速度快：10 810 9 ions/s 顺电顺电-化学梯度转运化学梯度转运 激活、失活、备用等状态激活、失活、备用等状态 电压门控通道电压门控通道 化学门控通道化学门控通道 机械门控性通道机械门控性通道 无门控机制通道无门控机制通道 苯丙氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸、 甲硫氨酸堵塞孔道内甲硫氨酸堵塞孔道内 口，通道失活。口，通道失活。 膜复极化后通道膜复极化后通道 又恢复到静息状又恢复到静息状 态。态。 膜去极化达一定水平，膜去极化达一定水平， 在电场作用下，带正在电场作用下，带正 电荷的精氨酸和赖氨电荷的精氨酸和赖氨 酸发生移位，使通道酸发生
10、移位，使通道 激活。激活。 电压门控通道电压门控通道(voltage-gated channel) 通道开闭受膜两侧电位差的控制，通道开闭受膜两侧电位差的控制，Na+, K+, Ca2+等等 化学门控通道化学门控通道(chemically-gated channel) 通道的开放和关闭受化学物质（激素、递质）控制通道的开放和关闭受化学物质（激素、递质）控制 机械门控性通道（机械门控性通道（mechanically gated channel） 通道开放和关闭受机械刺激控制通道开放和关闭受机械刺激控制 皮肤触压觉感受器、内耳毛细胞感受器、肌梭等皮肤触压觉感受器、内耳毛细胞感受器、肌梭等 无门控机
11、制通道无门控机制通道 特点：特点： 无门控装置，不受电、化学、机械因素控制无门控装置，不受电、化学、机械因素控制 扩散动力来自浓度差扩散动力来自浓度差 水通道（水通道（water channel） 水既可以单纯扩散方式，又可经水通道跨膜流动水既可以单纯扩散方式，又可经水通道跨膜流动 1992年成功克隆了第一个水通道，现鉴定出至少年成功克隆了第一个水通道，现鉴定出至少 10种水通道，称为水孔蛋白（种水通道，称为水孔蛋白（aquaporin, AQP） 易化扩散的特点：易化扩散的特点： (1) 顺电顺电-化学差扩散化学差扩散 (2) 不直接耗能不直接耗能 (3) 需要通道、载体需要通道、载体 易化
12、扩散的影响因素：易化扩散的影响因素： (1) 膜两侧物质浓度差和电位差膜两侧物质浓度差和电位差 (2) 膜上载体的数量或通道开放的数量膜上载体的数量或通道开放的数量 （三）主动转运（三）主动转运 细胞通过耗能的过程将物质逆浓细胞通过耗能的过程将物质逆浓 度或逆电位梯度进行跨膜转运度或逆电位梯度进行跨膜转运 特点：耗能、逆电特点：耗能、逆电-化学差进行化学差进行 主动转运的作用：形成物质在细胞内外的不均衡主动转运的作用：形成物质在细胞内外的不均衡 分布，有利于产生生物电及正常的代谢活动分布，有利于产生生物电及正常的代谢活动 离子泵，具有分解离子泵，具有分解ATP能力，故称其为能力，故称其为ATP
13、酶酶 钠钠-钾泵钾泵(sodium-potassium pump) 简称钠泵，简称钠泵，Na+-K+-ATP酶酶 当细胞膜内当细胞膜内Na+和膜外和膜外K+浓度升高时浓度升高时泵激活泵激活 钠钠-钾泵钾泵(sodium-potassium pump) 逆电逆电-化学梯度转运，消耗能量化学梯度转运，消耗能量 耦联转运耦联转运Na+和和 K+ 每分解每分解1分子分子ATP，移出，移出3个个Na+至细胞外，至细胞外，2个个K+移移 入细胞内，入细胞内，形成保持膜内高钾膜外高钠的分布形成保持膜内高钾膜外高钠的分布。 哇巴因抑制其作用哇巴因抑制其作用 丹麦生物化学家丹麦生物化学家 Jens C.Skou
14、 1997年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 钠泵的生理意义：钠泵的生理意义： 1）维持细胞容积，钠泵把漏入胞内的维持细胞容积，钠泵把漏入胞内的Na+泵出，防泵出，防 止细胞肿胀止细胞肿胀 2）维持细胞内高）维持细胞内高K+，有利于代谢反应（如核糖体合，有利于代谢反应（如核糖体合 成蛋白质）成蛋白质） 3）维持胞内外）维持胞内外Na+、K+的浓度差，是产生生物电的的浓度差，是产生生物电的 重要前提重要前提 4）Na+的浓度差构成了继发性主动转运的动力的浓度差构成了继发性主动转运的动力 原发性主动转运原发性主动转运(primary active transport) 继发性主动转运继发性主动转运(se
15、condary active transport) 协同转运协同转运(cotransport) 特点：转运所需能量并不直接来自特点：转运所需能量并不直接来自ATP的的 分解，而间接来自分解，而间接来自Na+在膜两侧的浓度势能在膜两侧的浓度势能 差差 主动转运与被动转运的区别主动转运与被动转运的区别 主动转运主动转运 被动转运被动转运 需由细胞提供能量需由细胞提供能量 不需外部能量不需外部能量 逆电逆电-化学势差化学势差 顺电顺电-化学势差化学势差 使膜两侧浓度差更大使膜两侧浓度差更大 使膜两侧浓度差更小使膜两侧浓度差更小 （四）出胞和入胞（四）出胞和入胞 1. 出胞作用（出胞作用（exocyt
16、osis） 胞内大分子或物质颗粒的外排称为出胞胞内大分子或物质颗粒的外排称为出胞 固有分泌、受调分泌固有分泌、受调分泌 2. 入胞（入胞（ endocytosis ） 胞外大分子或物质团块进入细胞的过程胞外大分子或物质团块进入细胞的过程 吞噬（吞噬（phagocytosis） 进入细胞的物质是一些颗粒物质进入细胞的物质是一些颗粒物质 吞饮（吞饮（pinocytosis） 进入细胞的是溶液进入细胞的是溶液 液相入胞：细胞外液及其所含溶质连续入胞液相入胞：细胞外液及其所含溶质连续入胞 受体介导入胞：受体介导入胞： 第二节第二节 细胞的信号转导细胞的信号转导 一、信号转导概述一、信号转导概述 （一）
17、细胞外刺激信号（一）细胞外刺激信号 （二）受体及其特征（二）受体及其特征 （三）信号转导的基本过程（三）信号转导的基本过程 二、膜受体介导的信号转导二、膜受体介导的信号转导 （一）（一）G蛋白耦联受体介导的信号转导蛋白耦联受体介导的信号转导 （二）具有酶活性的受体介导的信号转导（二）具有酶活性的受体介导的信号转导 （三）通道耦联的受体介导的信号转导（三）通道耦联的受体介导的信号转导 三、核受体介导的信号转导三、核受体介导的信号转导 3 （一）细胞外刺激信号（一）细胞外刺激信号 1. 体外刺激信号体外刺激信号 物理性：光、声、电、温度物理性：光、声、电、温度 化学性：空气、环境中的各种化学物质化
18、学性：空气、环境中的各种化学物质 生物性：细菌、病毒、寄生虫等生物性：细菌、病毒、寄生虫等 2. 体内刺激信号体内刺激信号 激素、神经递质、细胞因子激素、神经递质、细胞因子(cytokines)、生长因子、生长因子 (growth factors)、气体分子、气体分子(NO、CO、H2S)等等 一、信号转导概述一、信号转导概述 （二）受体及其特征（二）受体及其特征 受体：位于质膜或细胞内能与胞外信号物质结合受体：位于质膜或细胞内能与胞外信号物质结合 并引起特定生物效应的大分子物质并引起特定生物效应的大分子物质 分类：分类：G蛋白耦联受体蛋白耦联受体 具有酶活性的受体具有酶活性的受体 离子通道型
19、受体离子通道型受体 核受体、胞浆受体核受体、胞浆受体 受体与配体结合主要特征：受体与配体结合主要特征： 特异性、高亲和力、饱和性特异性、高亲和力、饱和性 （三）信号转导的基本过程（三）信号转导的基本过程 膜的信号转换膜的信号转换 胞内信号传递胞内信号传递 引发生物学效应（膜电位改变、效应蛋白变构引发生物学效应（膜电位改变、效应蛋白变构 引起功能变化、基因表达改变）引起功能变化、基因表达改变） （一）（一）G蛋白耦联受体介导的信号转导蛋白耦联受体介导的信号转导 1. 信号分子信号分子 1) G蛋白耦联受体蛋白耦联受体 2) G蛋白蛋白 3) G蛋白效应器蛋白效应器 4) 第二信使第二信使 5)
20、蛋白激酶蛋白激酶 1) G蛋白耦联受体蛋白耦联受体 结构：一条多肽链，结构：一条多肽链，7个跨膜区段，个跨膜区段，N末端，末端，C末端末端 作用：与配体结合后能结合并激活作用：与配体结合后能结合并激活G蛋白蛋白 2) G蛋白蛋白(G protein) 是是GTP结合蛋白（结合蛋白（GTP-binding protein）的简称）的简称 特征：特征：三个亚单位三个亚单位 亚单位起催化作用，有鸟苷酸结合位点、亚单位起催化作用，有鸟苷酸结合位点、 与受体及效应蛋白的作用位点、与受体及效应蛋白的作用位点、GTP酶酶 活性活性 活性形式：结合活性形式：结合GTP 非活性形式：结合非活性形式：结合GDP
21、G蛋白分类：蛋白分类： 兴奋型兴奋型G蛋白蛋白(Gs)： 抑制型抑制型G蛋白蛋白(Gi)： Gq型型G蛋白：蛋白： 1994年，美国年，美国 Alfred Gilman, Martin Rodbell G蛋白及其在细胞信息传导中的作用而获得蛋白及其在细胞信息传导中的作用而获得Nobel 生理学暨医学奖生理学暨医学奖 激活激活G蛋白效应器蛋白效应器 抑制抑制G蛋白效应器蛋白效应器 主要作用于磷脂酶主要作用于磷脂酶C，参与，参与 IP3、DG的调节的调节 3) G蛋白效应器蛋白效应器 作用：生成第二信使作用：生成第二信使 分类：膜上的酶：分类：膜上的酶： 离子通道：离子通道： 腺苷酸环化酶腺苷酸环
22、化酶(CA)、鸟苷酸环、鸟苷酸环 化酶化酶 (GA)、磷脂酶、磷脂酶C(PLC)等等 直接或间接（通过第二信使）直接或间接（通过第二信使） 4) 第二信使第二信使 60年代研究肾上腺素对肝细胞糖代谢的实验。年代研究肾上腺素对肝细胞糖代谢的实验。 A实验：肾上腺素可提高肝细胞糖原磷酸化酶活实验：肾上腺素可提高肝细胞糖原磷酸化酶活 性性肝糖原分解增多；肝糖原分解增多； B实验：肾上腺素加入糖原磷酸化酶或磷酸化酶实验：肾上腺素加入糖原磷酸化酶或磷酸化酶 激酶的制剂中不能提高磷酸化酶活性；激酶的制剂中不能提高磷酸化酶活性； C实验：在实验：在B实验再加入肝细胞匀浆，糖原磷酸化实验再加入肝细胞匀浆，糖原
23、磷酸化 酸被激活；酸被激活； D实验：肾上腺素作用细胞膜后在胞内生成实验：肾上腺素作用细胞膜后在胞内生成cAMP； E实验：实验：cAMP单独作用肝细胞匀浆时，也能使磷单独作用肝细胞匀浆时，也能使磷 酸化酶激活，肝糖原分解增多。酸化酶激活，肝糖原分解增多。 第二信使：第二信使：cAMP、cGMP、Ca2+、DG、IP3等等 5) 蛋白激酶蛋白激酶 能催化蛋白质磷酸化的酶系统能催化蛋白质磷酸化的酶系统 丝丝/苏氨酸蛋白激酶、酪氨酸蛋白激酶苏氨酸蛋白激酶、酪氨酸蛋白激酶 蛋白质磷酸化过程的作用：蛋白质磷酸化过程的作用： 使酶活性改变使酶活性改变代谢改变代谢改变 通道开放通道开放膜电位改变膜电位改变
24、兴奋性改变兴奋性改变 收缩蛋白收缩或舒张收缩蛋白收缩或舒张 转录因子活性改变转录因子活性改变 蛋白质磷酸化是一个可逆的过程：蛋白质磷酸化是一个可逆的过程： 蛋白激酶蛋白激酶磷酸化磷酸化 蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶去磷酸化去磷酸化 2. G蛋白耦联受体信号转导途径蛋白耦联受体信号转导途径 1) 受体受体-G蛋白蛋白-cAMP-PKA途径途径 第二信使学说：第二信使学说： 1971年获年获Nobel生生 理学暨医学奖理学暨医学奖 美国生化学家美国生化学家 H.W.Sutherland 激素第一信使激素第一信使 cAMP第二信使第二信使 2) 受体受体-G蛋白蛋白-DG/PKC途径途径 3)受体受体-G蛋
25、白蛋白-IP3/Ca2+途径途径 第二信使为第二信使为DG、IP3 4) 受体受体-G蛋白蛋白-离子通道途径离子通道途径 直接调节：直接调节： Ach与心肌膜与心肌膜M2受体结合受体结合激活激活Gi使使K+通道开通道开 放放心肌被抑制心肌被抑制 通过第二信使：通过第二信使： 视杆细胞视杆细胞cGMP门控的门控的Na+通道通道 无光照，无光照，cGMP维持维持Na+通道开放通道开放 光照刺激光照刺激Gt磷酸二酯酶磷酸二酯酶cGMP水解水解 Na+ 通道关闭通道关闭感受器电位感受器电位 （二）具有酶活性的受体介导的信号转导（二）具有酶活性的受体介导的信号转导 酪氨酸激酶受体、酪氨酸激酶耦联受体酪氨
26、酸激酶受体、酪氨酸激酶耦联受体 （三）通道耦联的受体介导的信号转导（三）通道耦联的受体介导的信号转导 通道耦联的受体的结构特性：通道耦联的受体的结构特性： 既是受体，能与特异性配体结合，又是通道，又既是受体，能与特异性配体结合，又是通道，又 称配体门控的通道称配体门控的通道 如如nAch受体，受体，Glu的离子型受体、的离子型受体、GABA受体等受体等 通道耦联受体信号传导特点：通道耦联受体信号传导特点： 是通道耦联受体对胞外信号的直接反应，没有其是通道耦联受体对胞外信号的直接反应，没有其 他信号分子参与，是一种他信号分子参与，是一种快反应途径快反应途径 慢反应途径慢反应途径：通过：通过G蛋白
27、、第二信使蛋白、第二信使 三、核受体介导的信号转导三、核受体介导的信号转导 部位：存在于胞浆或胞核部位：存在于胞浆或胞核 分类：甾体激素受体分类：甾体激素受体 甲状腺激素受体甲状腺激素受体 维甲酸受体维甲酸受体 受体的两种状态受体的两种状态 非活化状态：配体未与核受体结合，不启动转录非活化状态：配体未与核受体结合，不启动转录 活化状态：配体与核受体结合活化状态：配体与核受体结合启动基因转录启动基因转录 核受体的结构核受体的结构 N端区或端区或A/B区：转录激活区：转录激活 DNA结合区或结合区或C区：识别并介导激素作用；受体二区：识别并介导激素作用；受体二 聚体形成聚体形成 铰链区或铰链区或D
28、区：核定位区：核定位 激素结合区或配体结合区：结合激素；结合热休克激素结合区或配体结合区：结合激素；结合热休克 蛋白；受体二聚体形成；转录激活蛋白；受体二聚体形成；转录激活 “基因表达”学说（基因表达”学说（1968年，年，Jesen和和Corskl提出）提出） (五）信号网络五）信号网络(signaling network)或交互对话或交互对话 (cross-talk) 各条信号转导途径相互之间存在复杂联系各条信号转导途径相互之间存在复杂联系 例如：胞浆例如：胞浆cAMP和和Ca2+可相互影响，可相互影响，Ca2+浓度浓度 可调节可调节AC活性，活性，cAMP-PKA又可使又可使Ca2+通道
29、和通道和 Ca2+泵磷酸化泵磷酸化 第三节第三节 细胞的生物电现象细胞的生物电现象 一、静息电位及产生机制一、静息电位及产生机制 （一）细胞的静息电位（一）细胞的静息电位 （二）静息单位的产生机制（二）静息单位的产生机制 二、动作电位及其产生机制二、动作电位及其产生机制 （一）细胞的动作电位（一）细胞的动作电位 （二）动作电位的产生机制（二）动作电位的产生机制 （三）动作电位的传导（三）动作电位的传导 三、阈下刺激与局部兴奋三、阈下刺激与局部兴奋 四、组织的兴奋和兴奋性四、组织的兴奋和兴奋性 （一）兴奋性和可兴奋性组织（一）兴奋性和可兴奋性组织 （二）细胞兴奋后兴奋性的变化（二）细胞兴奋后兴奋
30、性的变化 4 一、生物电现象一、生物电现象 人体生物电人体生物电 临床的电生理检查项目：临床的电生理检查项目： 心电图心电图 (ECG)、脑电图、脑电图 (EEG)、肌电图、肌电图(EMG)、 视网膜电图、胃肠电图等。视网膜电图、胃肠电图等。 人体整体、器官的电现象是以细胞的生物电为基人体整体、器官的电现象是以细胞的生物电为基 础的。础的。 生物电生物电是指位于细胞膜两侧的电位差，又称是指位于细胞膜两侧的电位差，又称跨膜跨膜 电位（电位（transmembrane potentials） 细胞水平的生物电：静息电位、动作电位细胞水平的生物电：静息电位、动作电位 研究方法和材料：研究方法和材料：
31、 电生理技术：生物放大器、示波器、刺激器等电生理技术：生物放大器、示波器、刺激器等 无脊椎动物的巨大神经和肌细胞无脊椎动物的巨大神经和肌细胞 如枪乌贼的神经轴突（直径大于如枪乌贼的神经轴突（直径大于1mm） 玻璃微电极、钨丝微电极等玻璃微电极、钨丝微电极等 （一）静息电位（一）静息电位 (resting potential, RP) 细胞未受刺激时，存细胞未受刺激时，存 在于膜内外两侧的电在于膜内外两侧的电 位差，膜内电位比膜位差，膜内电位比膜 外为负（图外为负（图212） 一般为一般为10100mV 哺乳动物的哺乳动物的N和肌细和肌细 胞的静息电位为胞的静息电位为 7090mV 70 mV
32、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 微电极拉制仪微电极拉制仪 几个术语：几个术语： 极化极化 (polarization)：静息状态下内负外正：静息状态下内负外正 去极化或除极化去极化或除极化 (depolarization)：膜内电位向负值：膜内电位向负值 减小的方向变化减小的方向变化 反极化反极化 (reversepolarization)：膜内为正膜外为负：膜内为正膜外为负 超极化超极化 (hyperpolarization)：膜内电位向负值增大：膜内电位向负值增大 的方向变化的方向变化 复极化复极化 (repolarization)：膜电位去极化后，向静息：膜
33、电位去极化后，向静息 电位的负值恢复电位的负值恢复 （一）（一）RP形成原理形成原理K+平衡电位平衡电位 与细胞膜内外的离子分布和细胞膜的通透性有关与细胞膜内外的离子分布和细胞膜的通透性有关 表表 哺乳动物骨骼肌细胞内、外主要离子的浓度哺乳动物骨骼肌细胞内、外主要离子的浓度 细胞内液离子浓度细胞内液离子浓度 （mmol/L） 细胞外液离子浓度细胞外液离子浓度 （mmol/L） Na+ 12.0 145.0 K+ 140.0 5.0 Cl 3.8 120.0 A 155.0 1902年年 Bernstein 膜学说膜学说 Julius Bernstein, University of Berli
34、n 平衡电位可按平衡电位可按Nernst公式计算：公式计算： R:气体常数气体常数 T:绝对温度绝对温度 Z:离子价离子价 F:法拉第常数法拉第常数 Na+平衡电位：平衡电位： +41 mV K+平衡电位：平衡电位： -87 mV Ca2+平衡电位：平衡电位：+132 mV Cl-平衡电位：平衡电位： -33 mV 推测：推测：RP是由于是由于K+平衡电位产生的平衡电位产生的 (mV) K K 60 log (mV) K K ln ZF RT E i o i o K + + + + = = 静息电位的产生机制静息电位的产生机制 膜两侧存在膜两侧存在K+的浓度差的浓度差 K+iK+o 膜对膜对K
35、+有通透性有通透性 浓度差的驱动，浓度差的驱动，K+ 外流外流 膜对有机负离子不通透膜对有机负离子不通透 膜外高电位即电动势膜外高电位即电动势 阻止阻止K+ 的进一步移动的进一步移动 浓度差的扩散力与膜外正电场的排斥力相等时，浓度差的扩散力与膜外正电场的排斥力相等时， K+的净移动为零的净移动为零 K+达平衡弥散，此时的跨膜电位即静息电位达平衡弥散，此时的跨膜电位即静息电位 1939年，英国剑桥大学的年，英国剑桥大学的Hodgkin和和Huxley用毛用毛 细玻璃管首次直接记录到膜两侧的电位差，测定细玻璃管首次直接记录到膜两侧的电位差，测定 数值与数值与K+平衡电位接近平衡电位接近 OCliN
36、aiK iClONaOK m ClPNaPKP ClPNaPKP ln ZF RT E + + + + = 计算值比测定值稍高，主要是计算值比测定值稍高，主要是 静息时有少量静息时有少量Na+内移，抵消内移，抵消 部分部分K+外移造成的电位差数值外移造成的电位差数值 影响静息电位的因素影响静息电位的因素 K+在膜内外的不均衡分布及由此形成的电化学在膜内外的不均衡分布及由此形成的电化学 驱动力；驱动力； 膜对膜对K+、Na+的相对通透性，静息时主要对的相对通透性，静息时主要对K+ 通透；通透； Na+- K+泵的作用泵的作用 泵出泵出3个个Na+、泵入、泵入2个个K+，维持膜内外离子分布，维持膜
37、内外离子分布 （一）动作电位（一）动作电位 (action potential, AP) 细胞受到适当刺激时，细胞受到适当刺激时， 细胞膜在静息电位基础细胞膜在静息电位基础 上发生的迅速而短暂的上发生的迅速而短暂的 可扩布性电位变化。可扩布性电位变化。 上升支上升支 下降支下降支 后电位后电位 锋电位锋电位 负后电位负后电位 正后电位正后电位 超射超射 (overshoot)：去极化超过：去极化超过0mV部分部分 （+2040mV） 锋电位锋电位 (spike potential)：持续：持续12ms 负后电位：去极化后电位负后电位：去极化后电位 正后电位：超极化后电位正后电位：超极化后电位
38、AP的特点：的特点： （1）是兴奋的标志）是兴奋的标志 （2）具有“全或无”（）具有“全或无”（all or none）特性）特性 AP要么不产生，要么就是最大幅度要么不产生，要么就是最大幅度 （3）不衰减的传导）不衰减的传导 AP向周围扩布，其波形和幅度始终保持不变向周围扩布，其波形和幅度始终保持不变 （4）AP之后具有不应期之后具有不应期 （二）（二）AP产生机制产生机制 Na+平衡电位平衡电位 Hodgkin等提出钠学说等提出钠学说： Na+oNa+i 刺激，膜主要对刺激，膜主要对Na+通透性通透性 浓度差的驱动，浓度差的驱动，Na+ 内流内流 内移的内移的Na+在膜内在膜内 形成的正电
39、位阻止形成的正电位阻止 Na+的进一步移动的进一步移动 浓度差的扩散力与膜内正电场的排斥力相等时，浓度差的扩散力与膜内正电场的排斥力相等时， Na+的净移动为零的净移动为零 Na+达平衡弥散，形成达平衡弥散，形成AP上升支（去极化）上升支（去极化） 验证实验：用蔗糖、葡萄糖、氯化胆碱溶液代替验证实验：用蔗糖、葡萄糖、氯化胆碱溶液代替 含含Na+的海水时，的海水时，AP幅度降低幅度降低 下降支：下降支： 通道阻滞剂四乙基胺，上升支无改变，下通道阻滞剂四乙基胺，上升支无改变，下 降支大大延缓降支大大延缓 负后电位：负后电位： 正后电位：正后电位： 膜对膜对Na+的通透性突然减小，对的通透性突然减小
40、，对K+的通透的通透 性逐渐增大性逐渐增大 复极时快速外流的复极时快速外流的K+蓄积在膜外侧暂时蓄积在膜外侧暂时 阻碍阻碍K+外流外流 生电性钠泵活动生电性钠泵活动 （二）（二）AP产生机制产生机制 1. 离子的电离子的电-化学驱动力化学驱动力 对于离子来说，跨膜扩散的动力来源于浓度梯对于离子来说，跨膜扩散的动力来源于浓度梯 度和电位梯度度和电位梯度 F=Em-Ei （Em 膜电位膜电位 Ei 离子的平衡电位）离子的平衡电位） FNa=Em-ENa=-70mV-60mV=-130mV FK=Em-EK=-70mV-(-90mV)=20mV 2. 动作电位过程中膜电导的变化及测量动作电位过程中膜
41、电导的变化及测量 AP的产生和变化与细胞膜对离子通透性（特别是的产生和变化与细胞膜对离子通透性（特别是 Na+）改变有关，即与膜离子通道的开闭有关）改变有关，即与膜离子通道的开闭有关 从电生理学角度，离子通道的特性包括从电生理学角度，离子通道的特性包括 开放概率、关闭概率、开放概率、关闭概率、 电流大小、电流大小、 电导电导(G)大小大小(可理解为膜的通透性可理解为膜的通透性) G=1/R I=V/R V=Em-Ei I=GV=G(Em-Ei) Na+的膜电导，电流及驱动力的关系的膜电导，电流及驱动力的关系 INaGNa(Em-ENa) 如果如果Em和和ENa保持不变保持不变 测得的测得的IN
42、a可反映膜对可反映膜对Na+的电导的电导 (1) 电压钳电压钳 (Voltage clamp)： 20世纪世纪50年代，年代，Hodgkin和和Huxley首先应用首先应用 作用：直接测量细胞膜对离子的通透性作用：直接测量细胞膜对离子的通透性 基本原理：（见图基本原理：（见图28） 维持跨膜电位恒定，测出膜电导维持跨膜电位恒定，测出膜电导 电压钳记录的膜电流（图电压钳记录的膜电流（图29） （1）内向电流：被钠通道阻）内向电流：被钠通道阻 断剂断剂TTX(河豚毒河豚毒)阻断阻断 （2）外向电流：被钾通道阻）外向电流：被钾通道阻 断剂断剂TEA (四乙基铵四乙基铵) 阻断阻断 不同程度去极化对钠
43、电导的影响（图不同程度去极化对钠电导的影响（图210） Na+ 电电 导导 的的 电电 压压 依依 赖赖 性性 （2）膜电钳（）膜电钳（patch clamp）和单离子通道记录）和单离子通道记录 1976年，年，Neher和和Nakmann 发明发明 工作原理与电压钳相同工作原理与电压钳相同 作用：可记录到单个离子通道电流作用：可记录到单个离子通道电流 (1) 备用状态：通道关闭，但对刺激有反应备用状态：通道关闭，但对刺激有反应 (2) 激活状态：通道开放，持续激活状态：通道开放，持续12ms (3) 失活状态：通道关闭，对刺激不产生即时反应，失活状态：通道关闭，对刺激不产生即时反应， 与不应
44、期有关，去极化消除后再与不应期有关，去极化消除后再 有反应有反应 钠通道的钠通道的3种基本功能状态：种基本功能状态： 苯丙氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸、 甲硫氨酸堵塞孔道内甲硫氨酸堵塞孔道内 口，通道失活。口，通道失活。 膜复极化后通道膜复极化后通道 又恢复到静息状又恢复到静息状 态。态。 膜去极化达一定水平，膜去极化达一定水平， 在电场作用下，带正在电场作用下，带正 电荷的精氨酸和赖氨电荷的精氨酸和赖氨 酸发生移位，使通道酸发生移位，使通道 激活。激活。 备用备用 激活激活 失活失活 刺激强度：达到阈强度刺激强度：达到阈强度 阈电位阈电位(threshold potential)：能使
45、去极化转变为锋：能使去极化转变为锋 电位的临界膜电位值电位的临界膜电位值 初始去极化初始去极化 再生去极化再生去极化 3. 动作电位的产生过程动作电位的产生过程 AP的产生的产生 上升支上升支 膜对膜对NaNa+ +通透性增加通透性增加 NaNa+ +内流、膜去极化内流、膜去极化 膜去极化达阈电位水平膜去极化达阈电位水平 钠迅速内流，超射达钠迅速内流，超射达NaNa+ +平衡电位平衡电位 K+外流、复极化至静息电位水平外流、复极化至静息电位水平 快快NaNa+ +通道失活、通道失活、 K+通透性增加通透性增加 NaNa+ + - K+泵活动、恢复离子分布泵活动、恢复离子分布 阈刺激阈刺激 初始
46、去极初始去极 化化 再生去极化再生去极化 下降支下降支 正后电正后电 位位 (1) 膜膜Na+通道的密度（用同位素标记通道的密度（用同位素标记TTX测定）测定） (2) Na+通道对膜电位改变、化学刺激、机械刺激通道对膜电位改变、化学刺激、机械刺激 的敏感性的敏感性 影响阈电位的因素影响阈电位的因素 AP的幅度、形状及时间之取决于膜电导、的幅度、形状及时间之取决于膜电导、 Na+浓浓 度梯度、兴奋前膜电位水平，与刺激无关度梯度、兴奋前膜电位水平，与刺激无关 （三）动作电位的传导（三）动作电位的传导 1. 无髓神经纤维无髓神经纤维 局部电流：兴奋段与未兴奋段的电位差引起电局部电流：兴奋段与未兴奋
47、段的电位差引起电 荷移动荷移动 2. 有髓神经纤维有髓神经纤维 跳跃式传导（跳跃式传导（salatory conduction） 优点：传导快，节能优点：传导快，节能 刺激：强度、作用时间、强度对时间的变化率、刺激：强度、作用时间、强度对时间的变化率、 阈强度阈强度(threshold intensity)：当刺激的作用时间和：当刺激的作用时间和 强度对时间的变化率恒定时，能引起组织强度对时间的变化率恒定时，能引起组织 细胞发生反应的最小刺激强度细胞发生反应的最小刺激强度 阈刺激、阈下刺激、阈上刺激阈刺激、阈下刺激、阈上刺激 阈下刺激阈下刺激膜少量膜少量Na+通道开放通道开放少量少量Na+内流
48、内流 小幅度去极化反应局部兴奋小幅度去极化反应局部兴奋 三、阈下刺激与局部兴奋三、阈下刺激与局部兴奋 (1) 刺激依赖性：刺激依赖性： 反应随刺激强度增反应随刺激强度增 大而增大，不是大而增大，不是 “全或无”的“全或无”的 局部兴奋的特征局部兴奋的特征 (2) 电紧张性扩布电紧张性扩布 (electrotonic propagation)，不能长，不能长 距离扩布，产生电紧张电位，随距离延长而衰减距离扩布，产生电紧张电位，随距离延长而衰减 (3) 总和反应（叠加）：总和后总和反应（叠加）：总和后产生产生AP 空间性总和空间性总和(spatial summation) 时间性总和（时间性总和（temporal summation） 在神经元胞体和树突的功能活动中多见在神经元胞体和树突的功能活动中多见 局部兴奋与局部兴奋与AP的区别的区别 局部兴奋局部兴奋 动作电位动作电位 阈下刺激引起阈下刺激引起 阈阈(上上)刺激引起刺激引起 衰减性传播衰减性传播 非衰减性传播非衰减
