第三章

神經元的興奮和傳導靜息電位和動作電位的離子基礎

(生物電現象的離子學說)離子學說生物電的產生依賴于細胞膜對化學離子嚴格的選擇通透性及其在不同條件下的變化。第一節細胞膜的電生理靜息狀態靜息電位

興奮狀態動作電位細胞生物電活動的產生主要是由于

帶電離子跨膜分布的不均衡性

[Na+]o

＞[Na+]i≈10∶1,[K+]i

＞[K+]o≈30∶1

細胞膜在不同條件下對離子通透性的變化

Twocharacteristicsofcellscontributetotheirabilitytomaintainthiselectricalpotential.First,differenttypesofionsareunequallydistributedacrossthecellmembrane.Second,thecellmembraneisdifferentiallypermeabletoions.

靜息電位(RestingPotential,RP)概念：細胞未受刺激時，即處于“靜息”狀態下存在于細胞膜兩側的電位差。膜內較負，哺乳動物神經和肌肉細胞為-70~-90mV極化(polarization)：膜內外兩側電位維持內負外正的穩定狀態。Intherestingstateandwithoutstimulation,cellsmaintainanegativeelectricalpotentialinsideinrelativetotheoutside.一、靜息膜電位的形成和維持（一）K+的擴散對膜電位的作用：K+平衡電位

條件：

①靜息狀態下膜內、外離子分布不均衡

[Na+]o

＞[Na+]i

≈10∶1,[K+]i＞[K+]o≈30∶1②靜息狀態下細胞膜對離子的通透性具有選擇性:K+

通透性大而

Na+基本不通透

Ek=60log[K+]o/[K+]i(mV)證據：改變細胞內外的K+濃度，膜電位也隨之改變。改變細胞內外Na+

的濃度，對靜息電位沒有影響。機制：膜兩側[K+]差是促使K+擴散的動力，但隨著K+的不斷擴散，膜兩側不斷加大的電位差是K+繼續擴散的阻力，當動力和阻力達到動態平衡時，K+的凈擴散通量為零→膜兩側的平衡電位。

（三）K+

和Na+對膜電位的作用（二）Na+的擴散對膜電位的作用：

Na+平衡電位Na+平衡電位的幅度比K+平衡電位的小

（四）Na+-

K+和靜息電位的維持RP是在離子濃度梯度、電位梯度及離子泵的作用下，K+通過膜轉運達到平衡的

K+平衡電位

(Equilibriumpotential,EK)。

二、細胞膜動作電位(ActionPotential,AP)概念：指各種可興奮細胞受到刺激時，細胞膜在靜息電位的基礎上產生的快速、可逆的電位變化，包括去極化、復極化等環節。Theactionpotentialisarapiddepolarizationofthemembranepotential,whichcanbepropagatedoverthesurfaceofthecell.刺激：能引起生物機體活動狀態發生變化的各種環境因子。直接刺激(directstimulus)

間接刺激(indirectstimulus)反應：由刺激而引起的機體活動狀態的改變。興奮和抑制1.刺激與反應(stimulusandresponse)（一）細胞的興奮和閾刺激2.興奮和興奮性(excitationandexcitability)興奮：活組織因刺激而產生沖動的反應沖動(impulse)：可傳導的快速生物電變化可興奮組織(excitabletissue)

興奮性：可興奮組織受到有效刺激時，具有發生興奮即產生沖動的能力。3.引起興奮的主要條件

Factorsforstimulusinducingexcitation組織的機能狀態刺激的特征強度(strength)時間(duration)強度-時間變化率(dV/dt)閾強度(thresholdintensity)

或閾值

(threshold)：

當固定刺激持續時間和強度-時間變化率不變時，剛能引起組織興奮的最小刺激強度。閾下刺激(subthresholdstimulus)閾上刺激(superthresholdstimulus)衡量興奮性的指標閾值（閾強度）

閾強度高，興奮性低；閾強度低，興奮性高。極化

(polarization)：膜內外兩側電位維持內負外正的穩定狀態。去極化或除極化(depolarization)：膜內負電位減小甚至由負轉正的過程。

反極化

超射(overshoot)復極化(repolarization)：去極化后，再向靜息電位水平恢復的過程。超極化(hyperpolarization)：膜內負電位增大的過程。（二）分級電位和動作電位

閾電位(Thresholdpotential)能夠導致膜對Na+通透性突然增大的臨界膜電位數值。（能觸發AP產生的臨界膜電位數值）閾刺激就是剛能使膜電位降低到閾電位水平的最低刺激強度。神經纖維動作電位的時相

①靜息相,②去極相(上升相),③復極相(下降相)（三）動作電位的形成機制

Mechanismofactionpotential

條件:

①膜內外存在[Na+]差:[Na+]o

＞[Na+]i

≈10∶1

；

②膜在受到閾刺激而興奮時，對離子的通透性增加：

即電壓門控性Na+、K+通道先后激活而開放。動作電位的峰值接近于Na+平衡電位。

(Na+equilibriumpotential)Atthepeakofactionpotential,themembranepotentialbecomespositive,quiteclosetotheequilibriumpotentialforENa.

去極化鈉通道激活鈉電導增加1.去極相Na+通道迅速開放，與regenerativecycle(正反饋)Na+的平衡電位ENa2.復極相

Na+通道迅速失活（不應期）

K+通道緩慢開放負后電位和正后電位的形成3.恢復期Na+通道復活,K+通道關閉鈉-鉀泵活動增強，重建靜息電位機制：證據：將神經浸浴于無Na+的溶液時，AP不復出現。

用等滲溶液加入使Na+濃度減小，可見AP幅度或其超射值減小。

利用藥理學分析膜電流的實驗結果應用Na+通道阻斷劑TTX,

內向電流消失。

應用K+通道阻斷劑TEA，

外向電流消失。

河豚毒素(tetrodotoxin，TTX)四乙銨(tetraethylammonium，TEA)附：電導電導G：電阻的倒數，衡量離子通透性電導大，離子通透性高電導小，離子通透性低GNa、GK電化學驅動力：決定離子跨膜流動的方向和速度。動力：電-化學梯度;基礎條件：膜對離子的通透性增大，當膜電位等于某離子的平衡電位時，該離子的電化學驅動力為零，因此，某離子的電化學驅動力等于膜電位與該離子的平衡電位之差。假定靜息電位Em

為-70mV，

ENa為+60mV，EK為-90mV：

Na+驅動力:Em-ENa=-70mV-(+60mV)=-130mVK+驅動力:Em-EK=-70mV-(-90mV)=+20mV離子通道(ionicchannel)大多數通道受閥門(gate)控制以決定通道的開閉（gatingorgated）離子通道的種類

電壓門控通道(voltage-gatedchannel)

化學門控通道(chemical-gatedchannel)（四）離子通道的門控機制離子通道的狀態靜息(resting)備用狀態激活(activation)：通道開放，允許某種離子選擇性通透。失活(inactivation)：通道關閉，不允許離子通過，且此時不能再開放。恢復(recovery)或復活(reactivation)：通道處于關閉狀態受到適當刺激可再開放。備用狀態動作電位的波形與形成原理

波形時相形成原理去極相（上升支）Na+通道開放，大量Na+內流形成超射值（最高點）Na+電-化學平衡復極相（下降支）K+通道開放，K+大量外流形成負后電位（去極化后電位）K+外流蓄積，K+外流減慢正后電位（超極化后電位）K+外流過度或Na+泵作用過度鋒電位和后電位

(spikepotential,afterpotential)“全或無”（allornone）：同一細胞上動作電位大小不隨刺激強度和傳導距離而改變的現象。鋒電位：遵循“全或無”原則，代表沖動，是細胞興奮的標志。后電位：鋒電位下降支最后恢復到RP水平以前，一種時間較長、波動較小的電位變化過程。先出現負后電位（去極化后電位）后出現正后電位（超極化后電位）負后電位

(negativeafterpotential):

在復極化曲線后段，下降速度突然明顯減慢。正后電位

(positiveafterpotential)：

負后電位后出現的緩慢而持續時間較長的超極化電位。（五）不應期和動作電位的“全或無”特性1.

興奮細胞的不應期興奮后興奮性的變化絕對不應期absoluterefractoryperiod相對不應期relativerefractoryperiod超常期supranormalperiod低常期subnormalperiod閾下總和

(subliminalsummation)電緊張

(electrotonus)2.

動作電位的“全或無”特性動作電位特點：具有全或無性質；

非遞減性傳導。

1.

電壓鉗(voltageclamp)Hodgkin等，20世紀50年代電壓電極、電流電極反饋放大器(feedbackamplifer)結合藥理學方法（TTX、TEA）專欄2.膜片鉗(patchclamp)Neher