第三章神经元的兴奋和传导人体及动物生理学ppt课件.ppt
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1、v 第三章 神经元的兴奋和传导第一节第一节 细胞膜的电生理细胞膜的电生理vv细胞膜电位:细胞膜电位:脂质双分子层构成绝缘层,细胞膜内、脂质双分子层构成绝缘层,细胞膜内、外带电离子的不均等分布,使细胞膜两侧产生了一定外带电离子的不均等分布,使细胞膜两侧产生了一定的电位差。的电位差。细胞膜的生物电现象:细胞膜的生物电现象:细胞膜受刺激后产生的电化学细胞膜受刺激后产生的电化学性质的变化。性质的变化。静息电位和动作电位的离子基础静息电位和动作电位的离子基础静息电位和动作电位的离子基础静息电位和动作电位的离子基础 (生物电现象的离子学说生物电现象的离子学说生物电现象的离子学说生物电现象的离子学说)vv静
2、息状态静息状态 静息电位静息电位兴奋状态兴奋状态 动作电位动作电位l细胞生物电活动的产生主要是由于 带电离子跨膜分布的不均衡性 Na+o Na+i 101,K+i K+o 301 细胞膜在不同条件下对离子通透性的变化 Two characteristics of cells contribute to their ability to maintain this electrical potential.First,different types of ions are unequally distributed across the cell membrane.Second,the cell
3、 membrane is differentially permeable to ions.静息电位静息电位静息电位静息电位 (Resting Potential,RP)(Resting Potential,RP)n n概念:细胞未受刺激时,即处于概念:细胞未受刺激时,即处于概念:细胞未受刺激时,即处于概念:细胞未受刺激时,即处于“静息静息静息静息”状态下存状态下存状态下存状态下存 在于细胞膜两侧的电位差。在于细胞膜两侧的电位差。在于细胞膜两侧的电位差。在于细胞膜两侧的电位差。n n膜内较负,哺乳动物神经和肌肉细胞为膜内较负,哺乳动物神经和肌肉细胞为膜内较负,哺乳动物神经和肌肉细胞为膜内较负,
4、哺乳动物神经和肌肉细胞为-50-100mV-50-100mVn nIn the resting state and without stimulation,cells In the resting state and without stimulation,cells maintain a maintain a negative electrical potentialnegative electrical potential inside in inside in relative to the outside.relative to the outside.vv一、一、静息膜电位的形成和维
5、持静息膜电位的形成和维持v 0v+-vBvAv细胞v细胞膜v微电极v电位计v 0v+-vBvAv+v-v+v-v+v-v+v-v+v-v-90mVv0mVv0mVv本实验提示:v1.跨膜有电位差v2.膜内低于膜外v3.稳定直流电位n n极化:极化:活细胞的细胞膜膜内外存在电位活细胞的细胞膜膜内外存在电位差的现象。差的现象。生理学中将细胞膜外侧的电位定为0电位,大多动物神经纤维、各种肌细胞的膜电位-50-100mV的直流电位,表现为膜内为负,膜外为正。n n静息膜电位形成的基础:静息膜电位形成的基础:静息膜电位形成的基础:静息膜电位形成的基础:NaNa+、K K+等关键离子等关键离子等关键离子等
6、关键离子在细胞膜内外的不均等分布及选择性透膜移动。在细胞膜内外的不均等分布及选择性透膜移动。在细胞膜内外的不均等分布及选择性透膜移动。在细胞膜内外的不均等分布及选择性透膜移动。n n电扩散:电扩散:电扩散:电扩散:离子的跨膜渗透,与离子的跨膜渗透,与离子的跨膜渗透,与离子的跨膜渗透,与膜内外离子的膜内外离子的膜内外离子的膜内外离子的浓度、浓度、浓度、浓度、跨膜电势差、跨膜电势差、跨膜电势差、跨膜电势差、某离子的渗透系数等某离子的渗透系数等某离子的渗透系数等某离子的渗透系数等因素有关。因素有关。因素有关。因素有关。n n离子运动的独立性法则离子运动的独立性法则离子运动的独立性法则离子运动的独立性
7、法则每种离子的跨膜运每种离子的跨膜运每种离子的跨膜运每种离子的跨膜运动都是相互独立的动都是相互独立的动都是相互独立的动都是相互独立的静息电位产生的机制静息电位产生的机制:表表表表3-1 3-1 哺乳动物骨骼肌细胞内外离子浓度和电位哺乳动物骨骼肌细胞内外离子浓度和电位哺乳动物骨骼肌细胞内外离子浓度和电位哺乳动物骨骼肌细胞内外离子浓度和电位 离子离子离子离子 细胞外液细胞外液细胞外液细胞外液 胞胞胞胞 质质质质 平衡电位平衡电位平衡电位平衡电位 (mmol/L)(mmol/L)(mV)(mmol/L)(mmol/L)(mV)Na Na+145 12 145 12 +65+65 K K+4 155
8、4 155 -95-95 Cl Cl-120 120 .3.8 3.8 -90-90 A A-0 155 0 155 _vA-代表带负电荷的有机大分子(一)(一)(一)(一)K+的的扩散散对膜膜电位的作用:位的作用:K+平衡平衡电位位 条件:静息状态下膜内、外离子分布不均衡 Na+o Na+i 101,K+iK+o301 静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性:K+通透性大而Na+基本不通透 机制:膜内K+浓度高于膜外,安静时膜对K+通透性大,K+顺浓度差外流,而细胞内的有机负离子不能透出细胞,便产生了内负外正的电位差。当促进K+向外移动的化学力(K+的扩膜浓度梯度)与阻止K+向外移动的电场
9、力(跨膜电位梯度)达到平衡时,则K+的净通透量等于零,此时的电位差称为K+的平衡电位,等于静息电位。v+v+v+v+v+v+vA-vA-vA-vA-vA-v+v+v+v+v+v+v+v+vA-vA-v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+vA-vA-vv+v+v+v+v+v+v+vvK+顺浓度差(化学驱动力)跨膜外流,v 建立起内负外正的跨膜电位。v+v+v+v+v+v+vA-vA-vA-vA-vA-v+v+v+v+v+v+v+v+vA-vA-v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+v+vA-vA-vv+v+v+v+v+v+v+v 当促使K+外流力与阻止K+
10、外流力平衡时,v 即,K+的电化学驱动力为零时,v K+的净通量为零 K+平衡电位(RP)n n大量实验证明:大量实验证明:大量实验证明:大量实验证明:当细胞外的当细胞外的当细胞外的当细胞外的K K K K+浓度降低时,静浓度降低时,静浓度降低时,静浓度降低时,静息电位增大;膜外息电位增大;膜外息电位增大;膜外息电位增大;膜外K K K K+浓度增高时,静息电位减浓度增高时,静息电位减浓度增高时,静息电位减浓度增高时,静息电位减小,小,小,小,而改变而改变而改变而改变Na+Na+Na+Na+浓度对其无明显影响,说明静浓度对其无明显影响,说明静浓度对其无明显影响,说明静浓度对其无明显影响,说明静
11、息电位主要是由息电位主要是由息电位主要是由息电位主要是由K K K K+的平衡电位决定的。的平衡电位决定的。的平衡电位决定的。的平衡电位决定的。n n若知道若知道若知道若知道K K K K+在胞内外分布的浓度,可以利用在胞内外分布的浓度,可以利用在胞内外分布的浓度,可以利用在胞内外分布的浓度,可以利用NernstNernstNernstNernst方程来计算静息膜电位。方程来计算静息膜电位。方程来计算静息膜电位。方程来计算静息膜电位。vNernst公式(1889):vRTvEX=logvZFvX+ivX+ov简化公式:v EX=61 log (mV)vX+ivX+ov如哺乳动物骨骼肌细胞:v
12、K+i:155mmol/L,K+o:4mmol/L,v则 0.026,log =-1.59 v Ek=61-1.59-95(mV)v vK+ivK+ovK+ivK+on n假定膜仅对假定膜仅对假定膜仅对假定膜仅对NaNaNaNa+通透,膜外通透,膜外通透,膜外通透,膜外NaNaNaNa+流向膜内,建立流向膜内,建立流向膜内,建立流向膜内,建立起膜内为正、膜外为负的平衡电位,其值为起膜内为正、膜外为负的平衡电位,其值为起膜内为正、膜外为负的平衡电位,其值为起膜内为正、膜外为负的平衡电位,其值为+60mV+60mV+60mV+60mV,幅度小于,幅度小于,幅度小于,幅度小于K K K K+的平衡电
13、位。的平衡电位。的平衡电位。的平衡电位。(二)、(二)、NaNa+的扩散对膜电位的作用的扩散对膜电位的作用n n在活细胞中,在活细胞中,在活细胞中,在活细胞中,K K K K+、NaNaNaNa+是共同对膜电位的形成是共同对膜电位的形成是共同对膜电位的形成是共同对膜电位的形成发挥作用的。发挥作用的。发挥作用的。发挥作用的。n n但在静息状态下,但在静息状态下,但在静息状态下,但在静息状态下,K K K K+通透性是通透性是通透性是通透性是NaNaNaNa+50-7550-7550-7550-75倍。倍。倍。倍。相对较大量相对较大量相对较大量相对较大量K K K K+的净外流建立了一个的净外流建
14、立了一个的净外流建立了一个的净外流建立了一个-90mV-90mV-90mV-90mV的膜电的膜电的膜电的膜电位,相对少的位,相对少的位,相对少的位,相对少的NaNaNaNa+内流部分消除或中和了内流部分消除或中和了内流部分消除或中和了内流部分消除或中和了K K K K+的平的平的平的平衡电位,这时的静息膜电位为衡电位,这时的静息膜电位为衡电位,这时的静息膜电位为衡电位,这时的静息膜电位为-70mV-70mV-70mV-70mV。(三)、(三)、K K+和和NaNa+对膜电位的协同作用对膜电位的协同作用n n静息状态下,静息状态下,静息状态下,静息状态下,K K K K+和和和和NaNaNaNa
15、+的扩散时刻在进行,的扩散时刻在进行,的扩散时刻在进行,的扩散时刻在进行,但胞内但胞内但胞内但胞内K K K K+浓度没有持续下降,浓度没有持续下降,浓度没有持续下降,浓度没有持续下降,NaNaNaNa+浓度也没浓度也没浓度也没浓度也没有持续增加,为什么?有持续增加,为什么?有持续增加,为什么?有持续增加,为什么?n nK K K K+-Na-Na-Na-Na+泵的作用:泵的作用:泵的作用:泵的作用:将胞内将胞内将胞内将胞内NaNaNaNa+泵出,将胞外泵出,将胞外泵出,将胞外泵出,将胞外K K K K+泵入,从而抵消了两种离子的膜渗漏通量。泵入,从而抵消了两种离子的膜渗漏通量。泵入,从而抵消
16、了两种离子的膜渗漏通量。泵入,从而抵消了两种离子的膜渗漏通量。(四)、(四)、K K+-Na-Na+泵和静息膜电位的维持泵和静息膜电位的维持 总结总结:由于膜内外存在不同的离子浓度,膜对这由于膜内外存在不同的离子浓度,膜对这由于膜内外存在不同的离子浓度,膜对这由于膜内外存在不同的离子浓度,膜对这些离子具有不同的通透性,导致了静息电位的些离子具有不同的通透性,导致了静息电位的些离子具有不同的通透性,导致了静息电位的些离子具有不同的通透性,导致了静息电位的形成;形成;形成;形成;静息状态时,所有被动通透力与主动转静息状态时,所有被动通透力与主动转静息状态时,所有被动通透力与主动转静息状态时,所有被
17、动通透力与主动转运的力平衡,使膜电位保持恒定不变。运的力平衡,使膜电位保持恒定不变。运的力平衡,使膜电位保持恒定不变。运的力平衡,使膜电位保持恒定不变。二、细胞膜动作电位二、细胞膜动作电位二、细胞膜动作电位二、细胞膜动作电位 (Action Potential,AP)(Action Potential,AP)n n概念:指各种可兴奋细胞受到刺激时,细胞膜概念:指各种可兴奋细胞受到刺激时,细胞膜概念:指各种可兴奋细胞受到刺激时,细胞膜概念:指各种可兴奋细胞受到刺激时,细胞膜 在静息电位的基础上产生的快速、可逆的在静息电位的基础上产生的快速、可逆的在静息电位的基础上产生的快速、可逆的在静息电位的基
18、础上产生的快速、可逆的 电位变化,包括去极化、复极化等环节。电位变化,包括去极化、复极化等环节。电位变化,包括去极化、复极化等环节。电位变化,包括去极化、复极化等环节。n nThe The action potentialaction potential is a rapid depolarization of is a rapid depolarization of the membrane potential,which can be the membrane potential,which can be propagated over the surface of the cell.pr
19、opagated over the surface of the cell.n n刺激:刺激:刺激:刺激:能引起生物机体活动状态发生变化的能引起生物机体活动状态发生变化的能引起生物机体活动状态发生变化的能引起生物机体活动状态发生变化的 各种环境因子。各种环境因子。各种环境因子。各种环境因子。n n反应:反应:反应:反应:由刺激而引起的机体活动状态的改变。由刺激而引起的机体活动状态的改变。由刺激而引起的机体活动状态的改变。由刺激而引起的机体活动状态的改变。兴奋和抑制兴奋和抑制兴奋和抑制兴奋和抑制 1.1.刺激与反应刺激与反应刺激与反应刺激与反应 (stimulus and response)vv
20、(一)细胞的兴奋和阈刺激(一)细胞的兴奋和阈刺激2.兴奋和兴奋性兴奋和兴奋性(excitation and excitability)uu兴奋:兴奋:兴奋:兴奋:活组织因刺激而产生动作电位的过程活组织因刺激而产生动作电位的过程活组织因刺激而产生动作电位的过程活组织因刺激而产生动作电位的过程uu兴奋性:兴奋性:兴奋性:兴奋性:可兴奋组织受到有效刺激时,具有发生可兴奋组织受到有效刺激时,具有发生可兴奋组织受到有效刺激时,具有发生可兴奋组织受到有效刺激时,具有发生 兴奋即产生动作电位的能力。兴奋即产生动作电位的能力。兴奋即产生动作电位的能力。兴奋即产生动作电位的能力。3、引起兴奋的主要条件l 一定的
21、刺激强度l 一定的刺激作用时间l 强度-时间变化率(dV/dt)l 阈强度刚能引起组织兴奋的刺激强度l 阈刺激达到阈强度的有效刺激l 阈上刺激高于阈强度的刺激l 阈下刺激低于阈强度的刺激注:阈值可以作为衡量细胞和组织兴奋性 的指标,但并非固定参数衡量兴奋性的指标衡量兴奋性的指标衡量兴奋性的指标衡量兴奋性的指标n n阈值(阈强度)阈值(阈强度)阈值(阈强度)阈值(阈强度)阈强度高,兴奋性低;阈强度高,兴奋性低;阈强度高,兴奋性低;阈强度高,兴奋性低;阈强度低,兴奋性高。阈强度低,兴奋性高。阈强度低,兴奋性高。阈强度低,兴奋性高。n n极化极化极化极化 (polarization)(polariz
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