第二章細(xì)胞基本功效BasicFunctionofCell第三節(jié)細(xì)胞電活動(dòng)

BioelectricityofCell胡志安

zhianhu@基礎(chǔ)部生理學(xué)教研室DepartmentofPhysiology使用教材：《生理學(xué)》第7版，朱大年主編,人民衛(wèi)生出版社參考資料：TextbookofMedicalPhysiology(tenthedition),Guyton&Hall網(wǎng)絡(luò)信息資源：生理教研室網(wǎng)站0/jswz.asp軍隊(duì)院校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)

1/mta/VirClass/VMList.htm教學(xué)對(duì)象：臨床醫(yī)學(xué)五年制本科教學(xué)目標(biāo)：了解生物電現(xiàn)象、掌握靜息電位特點(diǎn)及形成機(jī)制、動(dòng)作電位特點(diǎn)、傳導(dǎo)及形成機(jī)制,明確電信號(hào)在機(jī)體信息傳輸中主要意義.教學(xué)重點(diǎn)：靜息電位和動(dòng)作電位特點(diǎn)和機(jī)制

1.生物電概述本節(jié)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容2.靜息電位及形成機(jī)制(重點(diǎn))4.局部電位及其特征3.動(dòng)作電位及形成機(jī)制(重點(diǎn))心電一、生物電概述

IntroductionofBioelectricity(一)生物電現(xiàn)象發(fā)覺(jué)及其研究歷史.1.公元前300多年亞里士多德發(fā)覺(jué):地中海電鰩使人發(fā)麻。已發(fā)覺(jué)500種含有發(fā)電能力魚(yú)類。電鰩電鰻:放電能力最強(qiáng)淡水魚(yú):300V-800V2.Galvani.1791年發(fā)覺(jué)動(dòng)物電(animalelectricity)

Galvani認(rèn)為:肌肉有“內(nèi)在電荷”,經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體放電引發(fā)肌肉收縮。1794年Galvani無(wú)金屬收縮試驗(yàn):將神經(jīng)新切口接觸肌肉表面造成肌肉收縮.深入證實(shí)電來(lái)自蛙本身。

LuigiGalvani,1737～1798.意大利醫(yī)生和解剖學(xué)家.1791年《關(guān)于電對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)作用》開(kāi)創(chuàng)電生理學(xué)新時(shí)代.鋅銅弓（Galvani鑷子）

3.EmilduBois-Reymond（雷蒙）1843年首次統(tǒng)計(jì)到神經(jīng)細(xì)胞“動(dòng)作電流”.

從外周神經(jīng)斷面與完整表面間統(tǒng)計(jì)到穩(wěn)定損傷電位，損傷處較負(fù)。而且刺激時(shí)損傷電位減小或消失，刺激終止后又恢復(fù)。這一“動(dòng)作電流”（現(xiàn)稱為動(dòng)作電位）發(fā)覺(jué)成為現(xiàn)今神經(jīng)電生理學(xué)基礎(chǔ)。

EmilduBois-Reymond（1818—1896）德國(guó)生理學(xué)家，當(dāng)代電生理學(xué)奠基人。4.HermannvonHelmholtz（赫姆霍茲）測(cè)定動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度.1850年，在自己創(chuàng)造肌動(dòng)描計(jì)器(myograph）測(cè)出電沖動(dòng)在青蛙神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)速度為27m/s.

HermannvonHelmholtz,1821-1894十九世紀(jì)最偉大科學(xué)家之一，德國(guó)物理學(xué)家、生理學(xué)家兼心理學(xué)家

5.20世紀(jì)電生理學(xué)最主要發(fā)覺(jué)(1)1939年英國(guó)生理學(xué)家Hodgkin和Huxley首次將微電極插入槍烏鲗巨大神經(jīng)軸突統(tǒng)計(jì)到膜電位和動(dòng)作電位—1963年NobelPrize(2)1976年德國(guó)Neher和Sakmann采取膜片鉗方法首次統(tǒng)計(jì)到細(xì)胞膜上單個(gè)離子通道電流---1991年NobelPrize

（二）生物電定義

可興奮細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在電位差及其改變。

(三)生物電統(tǒng)計(jì)方法1.細(xì)胞外統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)電極和參考電極均置于細(xì)胞外。(A）雙向動(dòng)作電位(B)兩電極間損傷記到單向動(dòng)作電位。

2.細(xì)胞內(nèi)統(tǒng)計(jì)參考電極置于細(xì)胞外，統(tǒng)計(jì)電極插入細(xì)胞內(nèi)。3.膜片鉗統(tǒng)計(jì):鉗制一小片膜,統(tǒng)計(jì)單個(gè)離子通道技術(shù)由Neher和Sakmann1976年創(chuàng)建(一)RP概念平靜時(shí)存在于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)電位差。

二.靜息電位(RestingPotential,RP)RP-70mVRP-80mVRP-10mV不一樣細(xì)胞靜息電位水平(-10mV至-100mV)(二)與膜電位改變相關(guān)幾個(gè)概念極化（polarization）RP存在時(shí)細(xì)胞膜電位外正內(nèi)負(fù)狀態(tài)。去極化（depolarization）RP減小超極化(hyperpolarization)RP增大復(fù)極化（repolarization）去極化后，再向RP方向恢復(fù)過(guò)程。（三）靜息電位產(chǎn)生機(jī)制1.RP形成由以下三個(gè)原因決定:(1)K+在細(xì)胞膜內(nèi)外分布不均勻,胞內(nèi)多于胞外;(2)平靜時(shí)細(xì)胞膜主要對(duì)K+通透(非門控通道),K+外流;(3)鈉-鉀泵作用(生電性鈉泵)Bernstein經(jīng)典膜學(xué)說(shuō)(19)Hodgkin和Huxley證實(shí)和完善(1939年)細(xì)胞內(nèi)液和外液中主要離子濃度和電位靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜對(duì)離子通透性含有選擇通透性：K+＞＞Na+

當(dāng)擴(kuò)散動(dòng)力與阻力到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，RP建立（外正、內(nèi)負(fù)極化狀態(tài)）平衡電位(EquilibriumPotential)離子跨膜擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力(以K＋為例）：濃度差:驅(qū)動(dòng)K＋向外擴(kuò)散電位差：K＋擴(kuò)散形成跨膜電位妨礙K＋擴(kuò)散。

細(xì)胞內(nèi)外某離子電化學(xué)電位等于零時(shí)膜電位，稱為該離子平衡電位。可經(jīng)過(guò)NernstEquation計(jì)算.

WaltherHermannNernst（1864-1941）德國(guó)物理化學(xué)家因熱力學(xué)第三定律獲19諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)2.Nernst方程(NernstEquation)

Ek＝RT/ZF×㏑[k+]o/[k+]i(mv)

R：通用氣體常數(shù)T：絕對(duì)溫度Z：離子價(jià)F：法拉第常數(shù)3.靜息電位形成膜學(xué)說(shuō)(MembraneHypothesis)19,JuliusBernstein在Nernst基礎(chǔ)上提出膜學(xué)說(shuō).其中心內(nèi)容:ＲＰ是因?yàn)榧?xì)胞膜內(nèi)外K+不均衡分布和靜息時(shí)膜只對(duì)K+有通透性而產(chǎn)生.所以RP相當(dāng)于K+平衡電位.怎樣試驗(yàn)證實(shí)RP與K+平衡電位相等?

JuliusBernstein,德國(guó)物理學(xué)家,開(kāi)創(chuàng)當(dāng)代生物電化學(xué).4.膜學(xué)說(shuō)試驗(yàn)證實(shí)及其完善技術(shù)困難:神經(jīng)纖維太細(xì)(小于20um),電極太粗主要突破:1.1936年英國(guó)動(dòng)物學(xué)家JZYoung發(fā)覺(jué)槍烏鲗(Squid)巨大神經(jīng)軸突(直徑1mm).2.1939年，英國(guó)生理學(xué)家Hodgkin及Huxley利用了槍烏鰂巨大軸突，將電極插入細(xì)胞內(nèi)首次成功統(tǒng)計(jì)到神經(jīng)纖維動(dòng)作電位。是生物電研究史上里程碑.JohnZacharyYoung1907-1997Squidgiantaxon(0.5-1mm)三、動(dòng)作電位

1．動(dòng)作電位（ActionPotential,AP）概念指可興奮細(xì)胞受到有效刺激時(shí)，在細(xì)胞兩側(cè)產(chǎn)生快速、可逆并可擴(kuò)布膜電位倒轉(zhuǎn)。

（一）細(xì)胞動(dòng)作電位2．AP分期（以神經(jīng)細(xì)胞為例）

鋒電位去極化（-70—0—+30mV）

復(fù)極化(+30—0—-70mV）

后電位：鋒電位后一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)，波動(dòng)較小電位改變

1）去極相：膜受刺激后原來(lái)膜內(nèi)負(fù)值消失變?yōu)檎担ǚ礃O化），組成AP上升支。膜電位由0~+35mv稱超射值。2）復(fù)極相：去極相膜電位倒轉(zhuǎn)短暫，很快出現(xiàn)RP恢復(fù)，組成AP下降支。其連續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，有電位波動(dòng)稱后電位：正后電位（超極化后電位）負(fù)后電位（去極化后電位）（圖）正后電位負(fù)后電位3.單一細(xì)胞產(chǎn)生AP特點(diǎn)：(1)只要刺激到達(dá)閾值即可產(chǎn)生AP，即使再增加刺激強(qiáng)度，AP幅度不再增加。(2)AP不但出現(xiàn)在受刺激局部，它也可向周圍細(xì)胞膜傳輸，且大小不因傳輸距離而改變。全或無(wú)（allornone）現(xiàn)象在同一細(xì)胞上AP大小不隨刺激強(qiáng)度和傳導(dǎo)距離改變而改變。膜內(nèi)外Na+濃度比約112(動(dòng)力)

受刺激時(shí)Na+通道開(kāi)放(通透性)

電位差（阻力）=

（二）動(dòng)作電位產(chǎn)生機(jī)制1、去極化：細(xì)胞受刺激時(shí)Na+通道開(kāi)放，Na+快速內(nèi)流（內(nèi)正外負(fù)）。Na+內(nèi)流濃度差（動(dòng)力）Na+平衡電位動(dòng)作電位（APNa+學(xué)說(shuō)）動(dòng)作電位產(chǎn)生機(jī)制Na+學(xué)說(shuō)2.復(fù)極化：細(xì)胞去極化至一定程度Na+通道關(guān)閉，K+通道開(kāi)放，在細(xì)胞內(nèi)外△

【K+】作用下K+外流，形成復(fù)極化。3.后電位：鈉泵排鈉攝鉀形成微小電位波動(dòng)。（三）動(dòng)作電位傳導(dǎo)AP傳導(dǎo)實(shí)際就是細(xì)胞膜不一樣部位依次產(chǎn)生AP過(guò)程。1、無(wú)髓神經(jīng)纖維AP傳導(dǎo)局部電流（localcurrent）學(xué)說(shuō)

局部電流學(xué)說(shuō):無(wú)髓NF某處產(chǎn)生AP時(shí)，該處膜電位倒轉(zhuǎn)，與鄰近未興奮段之間存在一電位差→電荷移動(dòng)→局部電流（localcurrent）→刺激鄰近靜息膜去極化到閾電位→Na+大量?jī)?nèi)流→該處產(chǎn)生AP。

2、有髓NFAP傳輸—跳躍式傳導(dǎo)

有髓NF傳導(dǎo)速度>>無(wú)髓NF。

（四）組織興奮和興奮性

1.興奮和可興奮細(xì)胞興奮（excitation）：細(xì)胞受刺激后產(chǎn)生生物電反應(yīng)過(guò)程?？膳d奮細(xì)胞：凡在受刺激后能產(chǎn)生AP細(xì)胞。

興奮性（excitability）：可興奮細(xì)胞或組織受刺激后產(chǎn)生反應(yīng)或AP能力。

2.組織興奮性和閾刺激

(1)刺激（stimulation）：細(xì)胞所處環(huán)境原因改變。三要素：刺激強(qiáng)度時(shí)間強(qiáng)度-時(shí)間改變率(2)分類

依據(jù)性質(zhì)：機(jī)械性、化學(xué)性、生物性、精神性

依據(jù)強(qiáng)度：閾刺激、閾下刺激、閾上刺激閾刺激：剛能引發(fā)組織產(chǎn)生興奮反應(yīng)最小刺激。閾強(qiáng)度：閾刺激時(shí)刺激強(qiáng)度,是衡量組織興奮性大小指標(biāo).

(1)絕對(duì)不應(yīng)期(absoluterefractoryperiod)：細(xì)胞在接收一次有效刺激后很短時(shí)間內(nèi)，任何強(qiáng)大刺激都不能使其再次興奮，這段時(shí)間叫~。(2)相對(duì)不應(yīng)期(relativerefractoryperiod)：絕對(duì)不應(yīng)期后一段時(shí)間內(nèi)，大于閾強(qiáng)度刺激才能引發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生興奮，這一時(shí)期叫~。3.細(xì)胞興奮后興奮性改變

一次興奮過(guò)程中，細(xì)胞興奮性經(jīng)歷一系列有次序改變，然后恢復(fù)正常。(3)超常期(supernormalperiod)：在相對(duì)不應(yīng)期之后普通時(shí)間內(nèi)，小于閾強(qiáng)度刺激就可引發(fā)細(xì)胞興奮，這一時(shí)期叫~。(4)低常期(subnormalperiod)：在超常期之后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，需用大于閾強(qiáng)度刺激才能引發(fā)細(xì)胞興奮，這一時(shí)期叫~。Na+通道三種狀態(tài):四、局部電位及其特征1.局部電位產(chǎn)生

閾下刺激雖不能引發(fā)AP，但可引發(fā)膜電位有所改變。閾下刺激少許Na+內(nèi)流產(chǎn)生低于閾電位去極化興奮性局部電位。閾下刺激少許Cl-內(nèi)流產(chǎn)生低于閾電位超極化抑制性局部電位。2.局部電位特征：(1)等級(jí)性：其去極化幅度大小與閾下刺激大小呈正比——非“全或無(wú)”現(xiàn)象。(2)衰減性：其去極化幅度隨傳布距離↑而↓叫電擔(dān)心性擴(kuò)布（electrotonicpropagation）(3)總和現(xiàn)象

空間總和(spatialsummation)：在同一細(xì)胞不一樣部位閾下刺激引發(fā)局部電位可疊加在一起。

時(shí)間總和(temporalsummation)：在同一細(xì)胞上先后刺激引發(fā)局部電位也可疊加在一起。(4)無(wú)不應(yīng)期總和或疊加后局部電位若≥閾電位，則產(chǎn)生AP。Summary1.Transmembranepotentialisthevoltagedifferencebetweentheinsideandoutsideofacell2.Therestingpotentialistheresultofanunequaldistributionofionsacrossthemembrane.