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细胞的基本功能课3文档资料.pptx
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1、生理学生理学生理学生理学PhysiologyPhysiology第二章第二章第二章第二章 细胞的细胞的细胞的细胞的基本功能基本功能基本功能基本功能 The basic functions of cell第三节第三节 细胞的电活动细胞的电活动The Bioelectric Phenomena of Cell讲授者讲授者讲授者讲授者大连大学医学院大连大学医学院大连大学医学院大连大学医学院生理教研室生理教研室生理教研室生理教研室孙莉孙莉孙莉孙莉一、细胞膜的被动电学特性和电紧张电位一、细胞膜的被动电学特性和电紧张电位一、细胞膜的被动电学特性和电紧张电位一、细胞膜的被动电学特性和电紧张电位膜电容和膜电阻
2、膜电容和膜电阻膜电容和膜电阻膜电容和膜电阻RKRNaRClRCaCm膜电容:膜电容:脂质双层构成的绝缘层脂质双层构成的绝缘层类似平行板电容器,具有电容的类似平行板电容器,具有电容的特性。特性。跨膜电位:膜上离子通道开放,带电离子流动时产生膜两侧电位差。也称“膜电位”。膜电阻:单纯的脂质双层几乎是绝缘的,电阻高,因其中嵌入许多离子通道和转运体,离子通道和转运体的数量越多,膜电阻就越小。膜电导:膜电阻的倒数。表示膜对离子通透性的大小。轴向电阻:沿细胞长轴存在。细胞膜的被动电学特性:细胞膜的被动电学特性:细胞膜作为一细胞膜作为一个静态的电学元件所表现出的电学特性。个静态的电学元件所表现出的电学特性。
3、膜的被动电学特性和电紧张电位B:经微电极向神经纤维胞浆内注入的电流沿轴浆纵向流动并跨膜流出胞外,由于纵向电阻的存在和沿途不断跨膜漏出,电流密度随流动距离的延长而逐渐衰减;A:膜的等效电路图。Cm:膜电容;Rm:膜电阻;R i:纵向电阻。C:随距离逐渐衰减的跨膜电流引起的膜电位变化电紧张电位电紧张电位:电紧张电位:由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位。二、静息电位二、静息电位(Resting potential)及其产生机制及其产生机制(一)静息电位的记录和数值(一)静息电位的记录和数值神经纤维跨膜电位的记录A:神经纤维跨膜电位记录的实验布置;B:有髓鞘神经纤维动作电位 极极极极 化:化:化
4、:化:静息电位存在时,细胞膜电位外正内负的状态。静息电位存在时,细胞膜电位外正内负的状态。静息电位存在时,细胞膜电位外正内负的状态。静息电位存在时,细胞膜电位外正内负的状态。超极化:超极化:超极化:超极化:静息电位增大的过程或状态。(例:静息电位增大的过程或状态。(例:静息电位增大的过程或状态。(例:静息电位增大的过程或状态。(例:-70-70-70-70-100mv-100mv-100mv-100mv)去极化:去极化:去极化:去极化:静息电位减小的过程或状态。静息电位减小的过程或状态。静息电位减小的过程或状态。静息电位减小的过程或状态。(例:(例:(例:(例:-70-70-70-70-50m
5、v-50mv-50mv-50mv)反极化:反极化:反极化:反极化:去极化至零电位后,去极化至零电位后,去极化至零电位后,去极化至零电位后,膜内电位进一步变正值。膜内电位进一步变正值。膜内电位进一步变正值。膜内电位进一步变正值。复极化:复极化:复极化:复极化:细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复静息电位概念静息电位概念静息电位概念静息电位概念:静息时,质膜两侧静息时,质膜两侧静息时,质膜两侧静息时,质膜两侧存在着外正内负的电位差存在着外正内负的电位差存在着外正内负的电位差存在着外正内负的电位差.去
6、极化去极化(除极)(除极)极化极化超极化超极化 -+-+-70 mV(二)静息电位产生机制(二)静息电位产生机制细胞内外离子分布特点:细胞内外离子分布特点:细胞内外离子分布特点:细胞内外离子分布特点:主要阴离子:主要阴离子:ClCl-蛋白质蛋白质细胞外细胞外 细胞内细胞内主要阳离子:主要阳离子:NaNa+K K+细胞内细胞内(mM)细胞外(细胞外(mM)浓度差驱浓度差驱浓度差驱浓度差驱动动动动KK+外流外流外流外流 K K+出来后,负电荷出来后,负电荷出来后,负电荷出来后,负电荷不能随同出去,不能随同出去,不能随同出去,不能随同出去,KK+聚集在膜的外表面聚集在膜的外表面聚集在膜的外表面聚集在
7、膜的外表面以膜为界,出以膜为界,出以膜为界,出以膜为界,出现外正内负现外正内负现外正内负现外正内负静息电位产生基础静息电位产生基础静息电位产生基础静息电位产生基础非门控非门控K+K+K+K+通道(通道(K+K+K+K+漏通道)漏通道)影响影响K K+扩散的力量扩散的力量浓度差浓度差浓度差浓度差促使促使促使促使KK+扩散扩散扩散扩散 电场力电场力电场力电场力阻碍阻碍阻碍阻碍KK+扩散扩散扩散扩散浓度差浓度差浓度差浓度差=电位差电位差电位差电位差 KK+的平衡电位的平衡电位的平衡电位的平衡电位 电化学驱动力为零时,电化学驱动力为零时,K+K+K+K+的跨膜净移动为零,此时的跨膜净移动为零,此时的跨
8、膜电位称为的跨膜电位称为K+K+K+K+的平衡电位。的平衡电位。K+的平衡电位的形成过程的平衡电位的形成过程n n 在静息情况下,细胞膜对蛋白质等有机负离在静息情况下,细胞膜对蛋白质等有机负离在静息情况下,细胞膜对蛋白质等有机负离在静息情况下,细胞膜对蛋白质等有机负离子基本上是不通透的,对子基本上是不通透的,对子基本上是不通透的,对子基本上是不通透的,对KK+的通透性较大,对的通透性较大,对的通透性较大,对的通透性较大,对NaNa+的通透性较小。因此,的通透性较小。因此,的通透性较小。因此,的通透性较小。因此,KK+可以扩散到细胞外,可以扩散到细胞外,可以扩散到细胞外,可以扩散到细胞外,扩散出
9、细胞外的扩散出细胞外的扩散出细胞外的扩散出细胞外的KK+,建立起外正内负的电位差,建立起外正内负的电位差,建立起外正内负的电位差,建立起外正内负的电位差,此电位阻碍此电位阻碍此电位阻碍此电位阻碍KK+的外流,而的外流,而的外流,而的外流,而KK+的浓度差则促使的浓度差则促使的浓度差则促使的浓度差则促使KK+外流,如前者的力量小于后者,则外流,如前者的力量小于后者,则外流,如前者的力量小于后者,则外流,如前者的力量小于后者,则KK+继续外流,继续外流,继续外流,继续外流,如大于后者,则驱使如大于后者,则驱使如大于后者,则驱使如大于后者,则驱使KK+内流,如二者的力量相等,内流,如二者的力量相等,
10、内流,如二者的力量相等,内流,如二者的力量相等,则则则则KK+的净流动等于零,表明所建立的静息电位达的净流动等于零,表明所建立的静息电位达的净流动等于零,表明所建立的静息电位达的净流动等于零,表明所建立的静息电位达到能阻止到能阻止到能阻止到能阻止KK+的外流为止,膜电位便维持在一稳定的外流为止,膜电位便维持在一稳定的外流为止,膜电位便维持在一稳定的外流为止,膜电位便维持在一稳定的数值,此时的膜电位就是的数值,此时的膜电位就是的数值,此时的膜电位就是的数值,此时的膜电位就是 KK+外流形成的电外流形成的电外流形成的电外流形成的电-化化化化学平衡电位。学平衡电位。学平衡电位。学平衡电位。EKK+i
11、lnRT=ZFK+oK+ilog=K+o60 -90 mVNernst Nernst 方程式:方程式:方程式:方程式:静息时,细胞内静息时,细胞内静息时,细胞内静息时,细胞内外电荷分布情况外电荷分布情况外电荷分布情况外电荷分布情况电位测量细胞内电位测量细胞内电位测量细胞内电位测量细胞内电位低于细胞外电位低于细胞外电位低于细胞外电位低于细胞外R:R:气体常数气体常数T T:绝对温度:绝对温度F F:法拉第常数:法拉第常数Z Z:原子价:原子价参与静息电位形成的其它因素参与静息电位形成的其它因素静息电位静息电位静息电位静息电位实际值实际值实际值实际值 理论值理论值理论值理论值NaNaNaNa+进入
12、进入进入进入细胞内细胞内细胞内细胞内NaNa+-K-K+泵在维持泵在维持RPRP中的特殊作用中的特殊作用静息电位时,静息电位时,静息电位时,静息电位时,K K K K+不断漏出、不断漏出、不断漏出、不断漏出、NaNaNaNa+不断漏入细胞。当细不断漏入细胞。当细不断漏入细胞。当细不断漏入细胞。当细胞内胞内胞内胞内NaNaNaNa+升高,激活升高,激活升高,激活升高,激活NaNaNaNa+泵,不断将泵,不断将泵,不断将泵,不断将3 3 3 3个个个个NaNaNaNa+搬出,将搬出,将搬出,将搬出,将2 2 2 2个个个个K K K K+搬入,使膜内电位负值增大。搬入,使膜内电位负值增大。搬入,使
13、膜内电位负值增大。搬入,使膜内电位负值增大。K+外流形成的电外流形成的电-化学平衡电位。化学平衡电位。少量少量Na+离子内流。离子内流。钠钠-钾泵(生电性泵)参与细胞内负电位的形成。钾泵(生电性泵)参与细胞内负电位的形成。RPRP形成机制总结形成机制总结影响静息电位水平的因素影响静息电位水平的因素细胞外细胞外K+浓度:浓度:n nK+浓度EK负值静息电位膜对膜对Na+、K+的相对通透性的相对通透性n n膜对K+通透性相对静息电位n n膜对Na+通透性相对静息电位钠泵活动的水平:钠泵活动的水平:n n活动活动静息电位(膜产生一定超极化)2.2.2.2.2.2.RPRPRP 主要是主要是主要是主要
14、是主要是主要是KKK+外流所形成的电外流所形成的电外流所形成的电外流所形成的电外流所形成的电外流所形成的电-化学平衡电位化学平衡电位化学平衡电位化学平衡电位化学平衡电位化学平衡电位。4.4.4.4.4.4.NaNaNaNaNaNa+-K-K-K-K-K-K+泵的活动也参与静息电位的形成泵的活动也参与静息电位的形成泵的活动也参与静息电位的形成泵的活动也参与静息电位的形成泵的活动也参与静息电位的形成泵的活动也参与静息电位的形成。静息电位小结静息电位小结静息电位小结静息电位小结3.3.3.3.3.3.少量少量少量少量少量少量NaNaNaNaNaNa+内流内流内流内流内流内流,参与静息电位的形成。参与
15、静息电位的形成。参与静息电位的形成。参与静息电位的形成。参与静息电位的形成。参与静息电位的形成。1.1.1.1.膜内外离子不均衡分布和膜的选择性通透是产生膜内外离子不均衡分布和膜的选择性通透是产生膜内外离子不均衡分布和膜的选择性通透是产生膜内外离子不均衡分布和膜的选择性通透是产生RPRP的基础的基础的基础的基础;离子不均衡分布是离子不均衡分布是离子不均衡分布是离子不均衡分布是NaNa+-K-K+泵活动的泵活动的泵活动的泵活动的结果。结果。结果。结果。三、三、动作电位及其形成机制动作电位及其形成机制Action Potential(一)动作电位(一)动作电位(Action Potential)后
16、电位后电位后电位后电位动作电位概念动作电位概念 在静息电位基础上,给细胞一个适当的刺激,在静息电位基础上,给细胞一个适当的刺激,在静息电位基础上,给细胞一个适当的刺激,在静息电位基础上,给细胞一个适当的刺激,可触发产生可传播的电位波动,称为动作电位可触发产生可传播的电位波动,称为动作电位可触发产生可传播的电位波动,称为动作电位可触发产生可传播的电位波动,称为动作电位.锋电位锋电位锋电位锋电位 负后电位负后电位(后去极化)(后去极化)正后电位正后电位(后超极化)(后超极化)波形组成波形组成动作电位特性动作电位特性动作电位特性动作电位特性全或无现象全或无现象全或无现象全或无现象不衰减性传播不衰减性
17、传播不衰减性传播不衰减性传播动作电位时相动作电位时相动作电位时相动作电位时相去极化去极化去极化去极化复极化复极化复极化复极化阈值阈值:能引发动作电位的最小刺激强度,也称为阈强度。:能引发动作电位的最小刺激强度,也称为阈强度。(二)动作电位的产生(二)动作电位的产生条件条件n n细胞内外离子的不均衡分布细胞内外离子的不均衡分布(Na+浓度差:外:内浓度差:外:内=10:1)n n细胞膜对离子的选择通透性细胞膜对离子的选择通透性(细胞兴奋时允许(细胞兴奋时允许Na+内流)内流)内向电流内向电流:膜外正电荷流入膜内。:膜外正电荷流入膜内。使膜内电位负值减小,引起膜去极化。使膜内电位负值减小,引起膜去
18、极化。外向电流外向电流:正电荷由胞内流出胞外。:正电荷由胞内流出胞外。引起膜的复极化或超极化。引起膜的复极化或超极化。1.1.1.1.1.1.电化学驱动力电化学驱动力电化学驱动力电化学驱动力电化学驱动力电化学驱动力 :当某种离子跨膜扩散时,受到来自浓度差和电位当某种离子跨膜扩散时,受到来自浓度差和电位当某种离子跨膜扩散时,受到来自浓度差和电位当某种离子跨膜扩散时,受到来自浓度差和电位当某种离子跨膜扩散时,受到来自浓度差和电位当某种离子跨膜扩散时,受到来自浓度差和电位差的双重驱动力,两个驱动力的代数和称为电化学驱动力。差的双重驱动力,两个驱动力的代数和称为电化学驱动力。差的双重驱动力,两个驱动力
19、的代数和称为电化学驱动力。差的双重驱动力,两个驱动力的代数和称为电化学驱动力。差的双重驱动力,两个驱动力的代数和称为电化学驱动力。差的双重驱动力,两个驱动力的代数和称为电化学驱动力。决定离子决定离子决定离子决定离子的跨膜流动的方向和速度的跨膜流动的方向和速度的跨膜流动的方向和速度的跨膜流动的方向和速度NaNaNa+的电化学驱动力:的电化学驱动力:的电化学驱动力:的电化学驱动力:的电化学驱动力:的电化学驱动力:70mV-(+60mV)=-130mV70mV-(+60mV)=-130mV70mV-(+60mV)=-130mVKKK+的电化学驱动力的电化学驱动力的电化学驱动力的电化学驱动力的电化学驱
20、动力的电化学驱动力:70mV-(-90mV)=+20mV70mV-(-90mV)=+20mV70mV-(-90mV)=+20mV表明:静息时表明:静息时表明:静息时表明:静息时表明:静息时表明:静息时Na+Na+Na+Na+Na+Na+受到很强的内向驱动力受到很强的内向驱动力受到很强的内向驱动力受到很强的内向驱动力受到很强的内向驱动力受到很强的内向驱动力(三)动作电位的产生机制(三)动作电位的产生机制静息电位(Em)=-70mV EK=-90 mV ENa=+60 mV 负值代表内向驱动力,推动产生内向电流负值代表内向驱动力,推动产生内向电流(正离子流入膜内或负离子流出膜外膜内电位负值去极化)
21、。正值代表外向驱动力,推动产生外向电流正值代表外向驱动力,推动产生外向电流(正离子流出膜外或负离子流入膜内膜内电位负值 复极化、超极化)。电压钳特点电压钳特点:膜电位(膜电位(E Em m)固定一水平,固定一水平,使电化学驱动力(使电化学驱动力(E Em m-E ENaNa )也保持恒定)也保持恒定钠电导钠电导 G GNaNa=I=INa Na/E Em m-E ENaNa 电压钳技术记录膜电位及分析电压钳技术记录膜电位及分析利用电压钳技术记录的枪乌鲗大神经轴突的膜电流及其离子成分的分析:钳制电压:记录的内向电流和外向电流:河豚毒(TTX)阻断了内向电流:四乙铵(TEA)阻断了外向电流证实:内
22、向电流是证实:内向电流是Na+Na+Na+Na+内流内流内流内流产生的产生的产生的产生的证实:外向电流是证实:外向电流是K+K+K+K+外外外外流流流流产生的产生的产生的产生的2.2.2.2.动作电位期间膜电导的变化动作电位期间膜电导的变化动作电位期间膜电导的变化动作电位期间膜电导的变化 动动动动作电位的产生机制作电位的产生机制作电位的产生机制作电位的产生机制作电位的产生机制作电位的产生机制 上升支:上升支:上升支:上升支:NaNa+电导增加,电导增加,电导增加,电导增加,Na+Na+内流。内流。内流。内流。下降支:下降支:下降支:下降支:KK+电导增加,电导增加,电导增加,电导增加,KK+外
23、流。外流。外流。外流。升支:升支:升支:升支:电压门控电压门控电压门控电压门控NaNaNaNa+通道通道通道通道内向电流内向电流内向电流内向电流去极化去极化去极化去极化(2 2)动作电位的产生过程)动作电位的产生过程刺激刺激神经纤维神经纤维局部膜去极化局部膜去极化电压门控电压门控Na+Na+通道开放、通道开放、Na+Na+内流内流阈电位阈电位更大的更大的Na+Na+的通透性、的通透性、Na+Na+内流内流 (内向电流)(内向电流)Na+Na+Na+Na+内流的再生性循环内流的再生性循环内流的再生性循环内流的再生性循环膜去极化膜去极化Na+Na+Na+Na+平衡电位平衡电位阈电位:阈电位:阈电位
24、:阈电位:能触发动作电位的膜电位临界值。能触发动作电位的膜电位临界值。能触发动作电位的膜电位临界值。能触发动作电位的膜电位临界值。(能引起正反馈过程的临界膜电位)(能引起正反馈过程的临界膜电位)(能引起正反馈过程的临界膜电位)(能引起正反馈过程的临界膜电位)NaNaNaNa+通道的再生性激活与通道的再生性激活与通道的再生性激活与通道的再生性激活与APAPAPAP的上升支的上升支的上升支的上升支膜去极化到达膜去极化到达膜去极化到达膜去极化到达阈电位阈电位阈电位阈电位后,后,后,后,使更多的使更多的使更多的使更多的NaNaNaNa+通道开放,通道开放,通道开放,通道开放,形成形成形成形成Na+Na
25、+Na+Na+内流的正反馈,内流的正反馈,内流的正反馈,内流的正反馈,出现出现出现出现APAPAPAP升支。升支。升支。升支。内向内向NaNa+电流电流 去极化去极化门控门控NaNa+通道开放通道开放电压电压 钠电导的电压依赖性和由此产生的去极化过程中的正反馈机制,钠电导的电压依赖性和由此产生的去极化过程中的正反馈机制,是是动作电位起始的关键因素动作电位起始的关键因素。NaNaNaNa+通道通道通道通道 失活与正反馈环的终止失活与正反馈环的终止失活与正反馈环的终止失活与正反馈环的终止 NaNa+通道的三种状态通道的三种状态通道的三种状态通道的三种状态关闭关闭关闭关闭激活激活激活激活失活失活失活
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