1、细胞的生物电现象细胞的生物电现象Bioelectrical phenomenon of Cell生物电现象 生物电是指生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位变化。早在100多年前恩格斯就指出：“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变化”。临床上广泛应用的心电图、脑电图、肌电图及视网膜电图等就是这些器官组织的细胞电变化的总和表现。电位：在静电学里，电势又称为电位，是电位：在静电学里，电势又称为电位，是指处于电场中某个位置的单位电荷所具有指处于电场中某个位置的单位电荷所具有的电势能。电势只有大小，没有方向，是的电势能。电势只有大小，没有方向，是标量，其数值不具有绝对意义，只具有相
2、标量，其数值不具有绝对意义，只具有相对意义。对意义。（1）单位正电荷由电场中某点）单位正电荷由电场中某点A移到参考移到参考点点O（即零势能点，一般取无限远处或者大（即零势能点，一般取无限远处或者大地为零势能点）时电场力做的功与其所带地为零势能点）时电场力做的功与其所带电量的比值。电量的比值。（2）电场中某点相对参考点）电场中某点相对参考点O电势的差，电势的差，叫该点的电势。叫该点的电势。跨膜电位：在细胞膜内外的电解质中，跨膜电位：在细胞膜内外的电解质中，K+离子比离子比Na+和和Cl-离子更容易透过细胞膜，离子更容易透过细胞膜，因此细胞膜两侧因此细胞膜两侧K+离子的浓度差最大。静离子的浓度差最
3、大。静止神经细胞内液体中止神经细胞内液体中K+离子的浓度是细胞离子的浓度是细胞外的外的35倍左右。为简单起见，不考虑倍左右。为简单起见，不考虑Na+、Cl-和和H2O透过细胞膜的情况，只考虑透过细胞膜的情况，只考虑K+离离子透过细胞膜。膜电势是膜两边离子有选子透过细胞膜。膜电势是膜两边离子有选择性地穿透膜而使两边浓度不等而引起的择性地穿透膜而使两边浓度不等而引起的电位差。它是指膜两侧的平衡电势差。电位差。它是指膜两侧的平衡电势差。细胞生物电现象的主要表现：细胞生物电现象的主要表现：静息电位和动作电位静息电位和动作电位 生物电现象的产生机制生物电现象的产生机制 由钠泵活动产生的膜内高由钠泵活动产
4、生的膜内高K+和膜外高和膜外高Na+状态是各种细胞生物电现象产生的基础。状态是各种细胞生物电现象产生的基础。Na+和和 K+通过各自的电压门控通道的易通过各自的电压门控通道的易化扩散是形成神经和骨骼肌细胞静息电位化扩散是形成神经和骨骼肌细胞静息电位和动作电位的直接原因。和动作电位的直接原因。第一节第一节 静息电位（静息电位（Resting PotentialResting Potential，RPRP）一、静息电位的定义和测量一、静息电位的定义和测量定义：细胞未受刺激时细胞膜内外的电位差。特点：膜内电位较膜外为负，具体数值为毫 伏级，不同细胞有差异。如规定膜外电位为0（接地），则膜内电位在-1
5、0 100mV 之间。0 mV-90 mV+30 mVn 枪乌贼巨大神经轴突（枪乌贼巨大神经轴突（1000m)在细胞在细胞n 电生理学中的贡献电生理学中的贡献n 细胞跨膜电位的发现：最早是利用枪乌贼神细胞跨膜电位的发现：最早是利用枪乌贼神经轴突作出的（凌宁经轴突作出的（凌宁&Gerard,1949）玻璃微电极细胞内记录技术玻璃微电极细胞内记录技术电电极极刺刺穿穿细细胞胞膜膜前前静息电位记录示意图静息电位记录示意图电电极极刺刺穿穿细细胞胞膜膜后后0 mV-90 mV0 mV二二.静息电位产生原理：静息电位产生原理：K+平衡电位平衡电位 Bernstein首次提出（首次提出（1902年），细胞内外
6、年），细胞内外K+的的不均匀分布和安不均匀分布和安 静时膜主要对静时膜主要对K+有通透性可能有通透性可能是细胞能保持内负外是细胞能保持内负外 正极化状态的基础。正极化状态的基础。K+i/K+o=35,Na+o/Na+i=14 浓度势能使细胞内浓度势能使细胞内K+有向细胞外扩散的趋势，有向细胞外扩散的趋势，细细 胞外胞外Na+有向细胞内扩散的趋势。有向细胞内扩散的趋势。如果没有阳离子的不对等扩散，细胞内外是电中如果没有阳离子的不对等扩散，细胞内外是电中性性 的（不带电），因为细胞内或细胞外的正负离的（不带电），因为细胞内或细胞外的正负离子子 电荷数是相等的。电荷数是相等的。细胞内液和细胞外液各种
7、离子的浓度细胞内液和细胞外液各种离子的浓度 要点：要点：在生理情况下，如果不存在细胞膜对某些带电粒子在生理情况下，如果不存在细胞膜对某些带电粒子的选择性通透，则不论是细胞外液还是细胞内液，的选择性通透，则不论是细胞外液还是细胞内液，阴、阳粒子的电荷数是相等的，细胞内液和细胞外阴、阳粒子的电荷数是相等的，细胞内液和细胞外液都是电中性的（即不带电）。液都是电中性的（即不带电）。如果细胞膜对某种离子有选择性通透现象，则细胞如果细胞膜对某种离子有选择性通透现象，则细胞膜两侧会有带电现象。膜两侧会有带电现象。细胞膜在静息状态下确实主要对K+有通透性（内向 整流钾通道，IK1），在 K+向细胞外扩散时不伴
8、有 负离子的向外扩散和Na+向内扩散。由于K+带正电荷，K+向细胞外扩散时使细胞外带 正电荷，每移出一个K+就使细胞外多带一个正电 荷。由于同性电荷相斥，当K+移出足够多时，电场力又 阻止K+的向外扩散，最终达到平衡 K+平衡电位 K+向外扩散达到平衡时的细胞内外电位差即是K+平 衡电位，可用Nernst方程计算。静息电位产生原理示意图静息电位产生原理示意图-20mV-30mV-40mV-50mV-60mV-70mV-80mV静息电位水平静息电位水平不同静息电位水平时不同静息电位水平时IK1的大小比较的大小比较 (IK1:inward rectifier K+current)问题问题1：怎么证
9、明静息电位是：怎么证明静息电位是K+平衡电位？平衡电位？实验证明：细胞外液中实验证明：细胞外液中K浓度会影响神经浓度会影响神经纤维静息电位的大小，纤维静息电位的大小，而细胞外液中而细胞外液中Na浓度几乎不影响；浓度几乎不影响；Nernst方程 能斯特方程是用以定量描述离子ri在A、B两体系间形成的扩散电位的方程表达式。浓度对电极电势的影响 影响电极电势的因素很多。对特定的电极来说，温度、溶液浓度(或气体分压)是主要的影响因素。德国化学家Nernst提出了电极电势与溶液浓度之间的关系式即Nernst方程式（Nernst equation）。Nernst方程式较好的揭示了电极电势与溶液浓度之间的关
10、系。)(log60mVKKEioK（二）实际测量静息电位（二）实际测量静息电位 l 枪乌贼巨轴突实验（枪乌贼巨轴突实验（19391939，HodgkinHodgkin和和HuxleyHuxley）l 发现：测得的发现：测得的RPRP数值（数值（-60mV-60mV）和计算的和计算的EK(-75mV)EK(-75mV)非常接近非常接近)(lnVKKZFRTEioK（一）用（一）用NernstNernst方程式计算方程式计算K+K+的平衡电位的平衡电位将有关数值代入方程，将有关数值代入方程，T T以以2727计算，再把自然计算，再把自然对数化为常用对数，则上述公式可简化为：对数化为常用对数，则上述
11、公式可简化为：问题问题2 2：为什么实际测得的静息电位接近于：为什么实际测得的静息电位接近于 但并不等于但并不等于EKEK？NaNaKNaKNaKKmEPPPEPPPE影响静息电位水平的因素影响静息电位水平的因素 1）膜内外）膜内外K+浓度差浓度差 2）膜对）膜对K+和和Na+的相对通透性的相对通透性 3）钠）钠-钾泵生电作用钾泵生电作用第二节第二节 动作电位（动作电位（Action potentialAction potential，APAP）一、动作电位的概念一、动作电位的概念细胞受刺激而兴奋时，细胞受刺激而兴奋时，细胞膜在静息电位的基细胞膜在静息电位的基础上产生的一次迅速短础上产生的一次
12、迅速短暂、可扩布的电位变化暂、可扩布的电位变化,是细胞兴奋的标志是细胞兴奋的标志 。可兴奋细胞可兴奋细胞:神经细胞、神经细胞、肌细胞、部分腺细胞肌细胞、部分腺细胞超射负后电位负后电位正后电位正后电位动作电位由锋电位和后电位两部分组成。动作电位由锋电位和后电位两部分组成。锋电位锋电位(spike potential)：细胞受到一定强：细胞受到一定强度的刺激后跨膜电位由静息电位（内负外度的刺激后跨膜电位由静息电位（内负外正）的状态向内正外负的方向转变，继之正）的状态向内正外负的方向转变，继之又恢复到静息电位水平的过程，形状如锋又恢复到静息电位水平的过程，形状如锋，故称锋电位，故称锋电位(spike
13、 potential)。后电位（后电位（afterpotential)：锋电位之后的未：锋电位之后的未恢复部分恢复部分 动作电位的主要特征:产生“全或无”(all-or-none)同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导距离改变的现象。不衰减性传导 不会发生融合叠加（脉冲式）与动作电位相关的几个概念：与动作电位相关的几个概念：极化（极化（polarization)polarization)：膜两侧：膜两侧电位所保持的内负外正的状态电位所保持的内负外正的状态。超极化（超极化（hyperpolarization)hyperpolarization)：膜内电位负值增大。膜内电位负值增大。去极化（去极
14、化（depolarization)depolarization)：膜：膜内电位负值减小。内电位负值减小。复极化（复极化（repolarization)repolarization)：膜：膜内电位向静息电位方向变化内电位向静息电位方向变化反极化：外正内负反极化：外正内负外负内正外负内正0q 不同细胞动作电位形态的差异不同细胞动作电位形态的差异q 神经和骨骼肌：是典型的锋电位，动作电位时程只神经和骨骼肌：是典型的锋电位，动作电位时程只 q 有有1 1到数毫秒。动作电位振幅约为到数毫秒。动作电位振幅约为120mV.120mV.q 心肌：心肌：APDAPD可长达数百毫秒，复极相有明显的平台可长达数百毫
15、秒，复极相有明显的平台q 期。动作电位振幅约为期。动作电位振幅约为120mV.120mV.NeuronSkeletal muscle cellGland cellVentricular cell二、动作电位的产生机制（锋电位）二、动作电位的产生机制（锋电位）离子跨膜扩散需具备的两个条件：离子跨膜扩散需具备的两个条件：离子的电化学驱动力离子的电化学驱动力 （electrochemical driving force）膜对离子的通透性即膜电导膜对离子的通透性即膜电导 （membrane conductance,G）p 动作电位去极相（上升支）的产生原理：动作电位去极相（上升支）的产生原理：p Na
16、+平衡电位平衡电位p Hodgkin等首次提出，动作电位上升支细胞等首次提出，动作电位上升支细胞负电性消失并转化为正电位是由于膜对负电性消失并转化为正电位是由于膜对Na+的的通透性突然增大所致，现已得到证实。通透性突然增大所致，现已得到证实。p 在在Na+通道开放的情况下，通道开放的情况下，Na+的浓度势能的浓度势能使细胞外使细胞外Na+通过通道扩散的方式进入细胞内，通过通道扩散的方式进入细胞内，并很快达到电化学平衡，动作电位的超射值相并很快达到电化学平衡，动作电位的超射值相当于计算所得的当于计算所得的Na+平衡电位（平衡电位（ENa)。p 与达到与达到K+平衡电位所需的很小平衡电位所需的很小
17、K+外流量相外流量相似，形成似，形成Na+平衡电位所需的平衡电位所需的Na+外流量亦很外流量亦很小（小（1/80000）p 动作电位复极相（下降支）的产生原理：动作电位复极相（下降支）的产生原理：p p1.神经细胞、骨骼肌细胞、腺细胞：神经细胞、骨骼肌细胞、腺细胞：K+外流外流p2.心肌细胞：复杂，有心肌细胞：复杂，有K+外流、外流、Ca2+内内流等流等NoImageNa+和和K+转运的电化学驱动力转运的电化学驱动力静息状态下静息状态下Na+的驱动力：的驱动力：Em ENa=-70mV-(+60mV)=-130mV 静息状态下静息状态下K+的驱动力：的驱动力：Em EK=70mV (90mV)
18、=+20mV细胞电活动与离子通道细胞电活动与离子通道Hodgkin提出离子通道的概念；提出离子通道的概念；Neher和和Sakmann证实！证实！1991年年Nobel Prizel 膜片钳（膜片钳（patch clamp）技术原理技术原理l 单通道电流特征单通道电流特征l 单通道电流指标单通道电流指标l 与全细胞电流关系与全细胞电流关系l 离子通道的功能状态离子通道的功能状态动作电位过程中膜电导的变化动作电位过程中膜电导的变化HodgkinHodgkin和和HuxleyHuxley提出钠学说：提出钠学说：Na+Na+通透性一过性增强通透性一过性增强 证明：证明：（1 1）测定超射值）测定超射
19、值（2 2）离子取代）离子取代 （3 3）放射性核素）放射性核素24Na+24Na+（4 4）直接测定膜电导）直接测定膜电导 l 测定膜电导的根据：测定膜电导的根据：INa=GNa（Em-ENa）l 电压钳（电压钳（voltage clamp）及其测定膜电导的）及其测定膜电导的l 基本原理：基本原理：电压钳测定全细胞膜电电压钳测定全细胞膜电流的结果：流的结果：去极化可引起去极化可引起GNaGNa一过性一过性增大和增大和GKGK的逐渐增大。的逐渐增大。膜电导的电压依赖性和时间依赖性：膜电导的电压依赖性和时间依赖性：动作电位的成因：动作电位的成因：GNaGNa和和GKGK依次增大，依次增大，相应离
20、子发生跨膜扩散相应离子发生跨膜扩散 l 复极化的因素：复极化的因素：l 主要是主要是GNaGNa减小减小l GKGK增大可加速复增大可加速复极极q 不同细胞动作电位去极化离子通道机制的差别q绝大多数细胞是Na+内流q心肌慢反应细胞是Ca2+内流q神经细胞树突APp 动作电位复极完成后膜的活动：动作电位复极完成后膜的活动：p p 1.IK1活动：维持静息电位活动：维持静息电位p 2.钠泵活动：驱出钠泵活动：驱出Na+、泵入、泵入K+q 生电性钠泵：钠泵活动时由于两种离子同时生电性钠泵：钠泵活动时由于两种离子同时转运，且出入的离子总数近似相等，故不伴有转运，且出入的离子总数近似相等，故不伴有膜电位
21、的改变。但当膜内蓄积过多膜电位的改变。但当膜内蓄积过多Na+时，钠时，钠泵泵出的泵泵出的Na+有可能超过泵入的有可能超过泵入的K+（3：2），），于是膜电位向超级化方向变化（正后电位），于是膜电位向超级化方向变化（正后电位），此时的钠泵称为生电性钠泵。负后电位是由于此时的钠泵称为生电性钠泵。负后电位是由于膜外蓄积较多的膜外蓄积较多的K+所致。所致。q 神经干动作电位的记录神经干动作电位的记录q 神经干动作电位是神经干内许多神经纤维动神经干动作电位是神经干内许多神经纤维动作电位的作电位的q 复合复合q 双向和单向动作电位双向和单向动作电位q 记录电极：可分为单极记录和双极记录记录电极：可分为单极
22、记录和双极记录q 单极记录：一极接地，一极接触神经干。记单极记录：一极接地，一极接触神经干。记录到的电录到的电q 信号反映电极接触部位与大地的电位差。信号反映电极接触部位与大地的电位差。q 双极记录：两极都与神经干接触，记录到的双极记录：两极都与神经干接触，记录到的电信号反电信号反q 映两电极接触部位的电位差。映两电极接触部位的电位差。单极记录单极记录双极记录双极记录或或两电极间距很近时两电极间距很近时两电极间距较远时两电极间距较远时记录仪记录仪记录仪记录仪阴极刺激原则阴极刺激原则兴奋总是发生在阴极电极下方，兴奋总是发生在阴极电极下方，阳极下方甚至出现超级化阳极下方甚至出现超级化 刺激器刺激器
23、双向动作电位双向动作电位的形成机理的形成机理神经局部阻滞后单向神经局部阻滞后单向动作电位的形成机理动作电位的形成机理四、动作电位的引发四、动作电位的引发（一）阈刺激（一）阈刺激（threshold stimulus）*刺激（刺激（stimulationstimulation）*刺激三要素：刺激三要素：1 1）强度）强度2 2）持续时间）持续时间3 3）强度）强度/时间变化率时间变化率*阈刺激阈刺激*强度强度-时间曲线时间曲线概念：刚刚能够引起概念：刚刚能够引起Na+Na+通道大量开放、产生动作电位的通道大量开放、产生动作电位的膜电位临界值，也称为燃点（膜电位临界值，也称为燃点（fire poi
24、ntfire point）。（通常较）。（通常较RPRP小小101020mV)20mV)*决定因素决定因素*意义意义问题：动作电位问题：动作电位“全或无全或无”特征的原因？特征的原因？（二）阈电位（二）阈电位（threshold potential）18四、兴奋的传导（四、兴奋的传导（conduction of conduction of excitationexcitation）*传导机制：局部电流传导机制：局部电流(local current)(local current)学说学说*有髓纤维的跳跃式传导有髓纤维的跳跃式传导（saltatory conductionsaltatory con
25、duction）意义：意义：提高传导速度提高传导速度 减少能量消耗减少能量消耗*细胞之间兴奋的直接传播细胞之间兴奋的直接传播缝隙连接缝隙连接 （gap junctiongap junction）缝隙连接的组成：连接蛋白（缝隙连接的组成：连接蛋白（connexinconnexin）、连接子）、连接子（connexonconnexon）、缝隙连接通道（）、缝隙连接通道（gap junction channelgap junction channel）缝隙连接的意义：快速同步化活动缝隙连接的意义：快速同步化活动（一（一)兴奋和可兴奋细胞兴奋和可兴奋细胞 兴奋（兴奋（excitationexcitat
26、ion）：在现代生理学中，兴）：在现代生理学中，兴奋就是动作电位或动作电位的产生过程。奋就是动作电位或动作电位的产生过程。可兴奋细胞（可兴奋细胞（excitable cellexcitable cell）：生理学将）：生理学将神经细胞、肌细胞和部分腺细胞，称为可兴神经细胞、肌细胞和部分腺细胞，称为可兴奋细胞。奋细胞。*可兴奋细胞的共同的反应：产生动作电位可兴奋细胞的共同的反应：产生动作电位（具有电压门控（具有电压门控Na+Na+通道）。通道）。五、组织的兴奋和兴奋性五、组织的兴奋和兴奋性（二）组织的兴奋性（二）组织的兴奋性 兴奋性（兴奋性（excitabilityexcitability）：可
27、兴奋细胞接）：可兴奋细胞接受刺激产生动作电位的能力或特性。受刺激产生动作电位的能力或特性。衡量组织兴奋性高低的指标衡量组织兴奋性高低的指标-阈强度（阈值）阈强度（阈值）阈强度（阈强度（threshold intensitythreshold intensity）：将刺激）：将刺激时间和强度时间和强度/时间变化率固定后，能使组织发时间变化率固定后，能使组织发生兴奋的最小刺激强度，也称阈值生兴奋的最小刺激强度，也称阈值（threshold valuethreshold value）。兴奋性兴奋性=1/=1/阈值阈值组织兴奋后兴奋性的变化：组织兴奋后兴奋性的变化：1 1）绝对不应期）绝对不应期(ab
28、solute refractory period(absolute refractory period，ARPARP）2 2）相对不应期（）相对不应期（relative refractory periodrelative refractory period），），RRPRRP）3 3）超常期（）超常期（supranormal supranormal period period，SPSP）4 4）低常期（）低常期（subnormalsubnormal period period）第三节第三节 电紧张电位和局部电位电紧张电位和局部电位一、膜的被动电学特性一、膜的被动电学特性（一）膜电容和膜电阻（一
29、）膜电容和膜电阻膜电容（膜电容（Cm)Cm)膜电位（膜电位（VmVm）膜电阻（膜电阻（RmRm）轴向电阻（轴向电阻（RiRi）膜电导（膜电导（GmGm）*细胞膜等效电路细胞膜等效电路（二）电紧张电位（二）电紧张电位概念；意义；生成速度概念；意义；生成速度（Electrotonic Potential and Local Potential）二、局部电位二、局部电位 (local potential)特点特点：1)1)幅度呈幅度呈“等级等级”性性2)2)传导呈衰减式传导呈衰减式3)3)反应可以总和反应可以总和类型：类型：l 终板电位终板电位(EPP)(EPP)l 兴奋性突触后电位兴奋性突触后电位(EPSP)(EPSP)l 慢波电位慢波电位l 发生器电位发生器电位
