静息电位和动作电位的离子基础生物电现象的离子学说课件.ppt

第三章第三章 神经元的兴奋和传导神经元的兴奋和传导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) )l离子学说离子学说 生物电的产生依赖于细胞膜对生物电的产生依赖于细胞膜对化学离子严格的选择通透性及其在不同条化学离子严格的选择通透性及其在不同条件下的变化件下的变化第一节第一节 细胞膜的电生理细胞膜的电生理静息状态静息状态静息状态静息状态 静息电位静息电位静息电位静息电位兴奋状态兴奋状态兴奋状态兴奋状态 动作电位动作电位动作电位动作电位l细胞生物电活动细胞生物电活动的产生主要是由于的产生主要是由于ü 带电离子跨膜分布的不均衡性带电离子跨膜分布的不均衡性 [Na+]o ＞＞[Na+]i ≈10∶ ∶1, [K+]i ＞＞[K+]o ≈ 30∶ ∶1 ü 细胞膜在不同条件下对离子通透性的变化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 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)l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”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l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-70~ -90mVl极化极化(polarization)：：膜内外两侧电位维持内负外膜内外两侧电位维持内负外 正的稳定状态正的稳定状态lIn the resting state and without stimulation, cells maintain a negative electrical potential inside in relative to the outside. 一、一、一、一、 静息膜电位的形成和维持静息膜电位的形成和维持静息膜电位的形成和维持静息膜电位的形成和维持（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：条件： ①① 静息状态下膜内、外离子分布静息状态下膜内、外离子分布不均衡不均衡 [Na+]o ＞＞[Na+]i ≈10∶ ∶1, [K+]i＞＞[K+]o≈30∶ ∶1 ②② 静息状态下细胞膜对离子的通静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性透性具有选择性: K+ 通透性大而通透性大而 Na+基本不通透基本不通透  Ek=60log[K+]o/[K+]i (mV)证据：证据： 改变细胞内外的改变细胞内外的K+浓度，膜电位也随之改变。

浓度，膜电位也随之改变 改变细胞内外改变细胞内外Na+ 的浓度，对静息电位没有影响的浓度，对静息电位没有影响 机制：机制： 膜膜两两侧[K+]差差是是促促使使K+扩散散的的动动力力，，但但随随着着K+的的不不断断扩扩散散，，膜膜两两侧侧不不断断加加大大的的电电位位差差是是K+继继续续扩扩散散的的阻阻力力，，当当动动力力和和阻阻力力达达到到动动态态平平衡衡时时，，K+的的净净扩扩散散通量为零通量为零→膜两侧的平衡电位膜两侧的平衡电位 （三）（三）（三）（三） K+ 和和和和Na+对膜膜电位的作用位的作用 （二）（二）（二）（二） Na+的的扩散散对膜膜电位的作用：位的作用： Na+平衡平衡电位位 Na+平衡平衡电位的幅度比位的幅度比K+平衡平衡电位的小位的小 （四）（四）（四）（四） Na+- K+和静息和静息电位的位的维持持 RP 是在离子浓度梯度、电位梯度及离子泵是在离子浓度梯度、电位梯度及离子泵 的作用下，的作用下， K+通过膜转运达到平衡的通过膜转运达到平衡的 K+平衡电位平衡电位 (Equilibrium potential, EK)。

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)l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 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lThe action potential is a rapid depolarization of the membrane potential, which can be propagated over the surface of the cell. l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 各种环境因子各种环境因子 直接刺激直接刺激 (direct stimulus) 间接刺激间接刺激 (indirect stimulus)l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 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)（一）细胞的兴奋和阈刺激（一）细胞的兴奋和阈刺激（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)u兴奋：兴奋：活组织因刺激而产生冲动的反应活组织因刺激而产生冲动的反应u冲动冲动 (impulse)：：可传导的快速生物电变化可传导的快速生物电变化u可兴奋组织可兴奋组织 (excitable tissue)u 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 兴奋即产生冲动的能力兴奋即产生冲动的能力3. 引起兴奋的主要条件引起兴奋的主要条件 Factors for stimulus inducing excitation l组织的机能状态组织的机能状态l刺激的特征刺激的特征–强度强度 (strength)–时间时间 (duration)–强度强度-时间变化率时间变化率 (dV/dt)l阈强度阈强度 (threshold intensity) 或或阈值阈值 (threshold)：： 当固定刺激持续时间和强度当固定刺激持续时间和强度-时间变化时间变化 率不变时，刚能引起组织兴奋的最小刺激率不变时，刚能引起组织兴奋的最小刺激 强度。

强度l阈下刺激阈下刺激 (subthreshold stimulus)l阈上刺激阈上刺激 (superthreshold stimulus)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l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； 阈强度低，兴奋性高阈强度低，兴奋性高l极化极化 (polarization)：：膜内外两侧电位维持内负外膜内外两侧电位维持内负外 正的稳定正的稳定状态l去极化或除极化去极化或除极化 (depolarization)：：膜内负电位减膜内负电位减 小甚至由负转正的小甚至由负转正的过程 反极化反极化 超射超射 (overshoot)l复极化复极化 (repolarization)：：去极化后，再向静息电去极化后，再向静息电 位水平恢复的位水平恢复的过程。

过程l超极化超极化 (hyperpolarization)：：膜内负电位增大的膜内负电位增大的 过程二）分级电位和动作电位（二）分级电位和动作电位（二）分级电位和动作电位（二）分级电位和动作电位 阈电位阈电位阈电位阈电位 ( (Threshold potential)Threshold potential)l能够导致膜对能够导致膜对Na+通透性突然通透性突然增大的临界膜电位数值增大的临界膜电位数值能触发（能触发AP产生的临界膜电产生的临界膜电位数值）位数值）l阈刺激阈刺激就是刚能使膜电位降就是刚能使膜电位降低到阈电位水平的最低刺激低到阈电位水平的最低刺激强度l神经纤维动作电位的时相神经纤维动作电位的时相 ①①静息相静息相, ②②去极相去极相 (上升相上升相), ③③复极相复极相 (下降相下降相)（三）动作电位的形成机制（三）动作电位的形成机制（三）动作电位的形成机制（三）动作电位的形成机制 Mechanism of action potentialMechanism of action potential 条件条件: ①① 膜内外存在膜内外存在[Na+]差差: [Na+]o ＞＞[Na+]i ≈ 10∶ ∶1 ；； ②② 膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加： 即电压门控性即电压门控性Na+、、K+通道先后激活而开放。

通道先后激活而开放l动作电位的峰值接近于动作电位的峰值接近于Na+平衡电位平衡电位 (Na+ equilibrium potential )At the peak of action potential, the membrane potential becomes positive, quite close to the equilibrium potential for ENa. 去极化去极化钠通道激活钠通道激活钠电导增加钠电导增加1. 1. 去极相去极相去极相去极相lNa+通道迅速开放，与通道迅速开放，与 regenerative cycle (正反馈正反馈)lNa+的平衡电位的平衡电位E Na2. 2. 复极相复极相复极相复极相l Na+通道迅速失活（不应期）通道迅速失活（不应期）l K+通道缓慢开放通道缓慢开放– 负后电位和正后电位的形成负后电位和正后电位的形成3. 3. 恢复期恢复期恢复期恢复期lNa+通道复活通道复活, K+通道关闭通道关闭l钠钠-钾泵活动钾泵活动增强增强，重建静息电位，重建静息电位机制：机制：机制：机制：证据：证据：将神经浸浴于无将神经浸浴于无Na+的溶液时，的溶液时，AP不复不复出现。

出现 用等渗溶液加入使用等渗溶液加入使Na+浓度减小，可见浓度减小，可见AP幅度或其超射值幅度或其超射值减小 利用药理学分析膜电流利用药理学分析膜电流的实验结果的实验结果应用应用Na+通道阻断剂通道阻断剂TTX, 内向电流消失内向电流消失 应用应用K+通道阻断剂通道阻断剂TEA ，， 外向电流消失外向电流消失河豚毒素河豚毒素( tetrodotoxin，，TTX)四乙铵四乙铵 (tetraethylammonium，，TEA)附：电导附：电导附：电导附：电导l电导电导G：：电阻的倒数，衡量离子通透性电阻的倒数，衡量离子通透性–电导大，离子通透性高电导大，离子通透性高–电导小，离子通透性低电导小，离子通透性低lGNa、、GKu电化学驱动力电化学驱动力： 决定离子跨膜流动的方向和速度决定离子跨膜流动的方向和速度u动力动力：电：电-化学梯度化学梯度;u基础条件基础条件：： 膜对离子的通透性增大，当膜电位等于某离子的平衡膜对离子的通透性增大，当膜电位等于某离子的平衡电位时，该离子的电化学驱动力为零，因此，某离子的电电位时，该离子的电化学驱动力为零，因此，某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差。

化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差假定静息电位假定静息电位 Em 为为-70mV，， ENa为为+60mV，，EK为为-90mV：： Na+驱动力驱动力: Em-ENa= -70mV-(+60mV)= -130mV K+驱动力驱动力: Em-EK=-70mV-(-90mV)=+20mV离子通道离子通道离子通道离子通道 ( (ionic channel)ionic channel)l大多数通道受阀门大多数通道受阀门(gate)控制以决定通道的开闭控制以决定通道的开闭（（gating or gated））l离子通道的种类离子通道的种类 电压门控通道电压门控通道 ( (voltage-gated channel) 化学门控通道化学门控通道 ( (chemical-gated channel)（四）离子通道的门控机制（四）离子通道的门控机制（四）离子通道的门控机制（四）离子通道的门控机制离子通道的状态离子通道的状态离子通道的状态离子通道的状态l静息静息 (resting) 备用状态备用状态l激活激活 (activation)：：通道开放，通道开放，允允 许某种离子选择性通透。

许某种离子选择性通透l失活失活 (inactivation)：：通道关闭，通道关闭，不不 允许离子通过，且此时允许离子通过，且此时 不能再开放不能再开放l恢复恢复 (recovery)或或复活复活 (reactivation)：：通道处于关闭状通道处于关闭状态态 受到适当刺激可再开放受到适当刺激可再开放 备用状态备用状态动作电位的波形与形成原理动作电位的波形与形成原理动作电位的波形与形成原理动作电位的波形与形成原理 波形时相波形时相形成原理形成原理去极相（上升支）去极相（上升支）Na+通通道道开开放放，，大大量量Na+内内流形成流形成超射值（最高点）超射值（最高点）Na+电电-化学平衡化学平衡复极相（下降支）复极相（下降支）K+通通道道开开放放，，K+大大量量外外流流形成形成负后电位（去极化后电位）负后电位（去极化后电位）K+外流蓄积，外流蓄积，K+外流外流减慢减慢正后电位（超极化后电位）正后电位（超极化后电位）K+外外流流过过度度或或Na+泵泵作作用用过度过度锋电位和后电位锋电位和后电位锋电位和后电位锋电位和后电位 (spike potential, after potential)(spike potential, after potential)l“全或无全或无”（（all or none）：）：同一细胞上动作电位大小不同一细胞上动作电位大小不随随 刺激强度和传导距离而改变的现象。

刺激强度和传导距离而改变的现象l锋电位：锋电位：遵循遵循“全或无全或无”原则，代表冲动，是细胞兴奋的原则，代表冲动，是细胞兴奋的 标志l后电位后电位：锋电位下降支最后恢复到：锋电位下降支最后恢复到RP水平以前，一种时水平以前，一种时 间较长、波动较小的电位变化过程先出现负间较长、波动较小的电位变化过程先出现负 后电位（去极化后电位）后出现正后电位（超后电位（去极化后电位）后出现正后电位（超 极化后电位）极化后电位） l负后电位负后电位 (negative after potential) : 在复极化曲线后段，下降速度突然明显减慢在复极化曲线后段，下降速度突然明显减慢l正后电位正后电位 (positive after potential)：： 负后电位后出现的缓慢而持续时间较长的超极负后电位后出现的缓慢而持续时间较长的超极化电位（五）不应期和动作电位的（五）不应期和动作电位的（五）不应期和动作电位的（五）不应期和动作电位的“ “全或无全或无全或无全或无” ”特性特性特性特性1. 兴奋细胞的不应期兴奋细胞的不应期l兴奋后兴奋性的变化兴奋后兴奋性的变化–绝对不应期绝对不应期 absolute refractory period–相对不应期相对不应期 relative refractory period–超常期超常期 supranormal period–低常期低常期 subnormal periodl阈下总和阈下总和 (subliminal summation)l电紧张电紧张 (electrotonus)2. 2. 动作电位的动作电位的动作电位的动作电位的“ “全或无全或无全或无全或无” ”特性特性特性特性 l动作电位特点：动作电位特点： 具有全或无性质具有全或无性质；； 非递减性传导。

非递减性传导 1. 1. 电压钳电压钳电压钳电压钳 ( (voltage clamp)voltage clamp)lHodgkin等，等，20世纪世纪50年代年代l电压电极、电流电极电压电极、电流电极l反馈放大器反馈放大器 (feedback amplifer)l结合药理学方法（结合药理学方法（TTX、、TEA））专栏专栏2. 2.膜片钳膜片钳膜片钳膜片钳 ( ( ( (patch clamppatch clamp) ) ) )lNeher和和Sakmann，，1976（（nAchR单离子通道单离子通道电流，电流，1991，，Noble ））l可测量单通道离子电流可测量单通道离子电流l现在发现：通道的开放和关闭都是突然发生并现在发现：通道的开放和关闭都是突然发生并似乎是全或无式的，开放的持续时间长短不一，似乎是全或无式的，开放的持续时间长短不一，但都有恒定的电导值但都有恒定的电导值The molecular basic of the action potentiall概念：动作电位在同一细胞上的传布过程概念：动作电位在同一细胞上的传布过程第二节第二节 神经冲动的传导神经冲动的传导一、一、一、一、神经冲动传导神经冲动传导神经冲动传导神经冲动传导的局部电路学说的局部电路学说的局部电路学说的局部电路学说冲动传导的机制冲动传导的机制冲动传导的机制冲动传导的机制— — — — Local circuit theoryLocal circuit theoryl无髓神经纤维无髓神经纤维l有髓神经纤维：跳跃式传导有髓神经纤维：跳跃式传导 ( (s saltatory conduction)影响传导速度因素影响传导速度因素影响传导速度因素影响传导速度因素l直径粗细直径粗细–粗纤维粗纤维R小，电流大，传导速度快小，电流大，传导速度快 –细纤维细纤维R大，电流小，传导速度慢大，电流小，传导速度慢l有无髓鞘有无髓鞘 l温度：恒温动物较变温动物快温度：恒温动物较变温动物快 –猫猫 A.f: 100m/s–蛙蛙 A.f: 40m/s–人尺神经人尺神经 54m/s 二、神经传导的一般特征二、神经传导的一般特征二、神经传导的一般特征二、神经传导的一般特征l生理完整性生理完整性 l双向传导双向传导 l非递减性（不衰减性）非递减性（不衰减性） l绝缘性绝缘性 l相对不疲劳性相对不疲劳性( (二二) )神经纤维的分类神经纤维的分类l 根据根据电生理特性，电生理特性，外周Ｎ分为外周Ｎ分为A、、B、、C类类l 根据纤维根据纤维直径大小直径大小及及传入冲动来源传入冲动来源，， 将感觉将感觉N分为分为ⅠⅠ、、ⅡⅡ、、ⅢⅢ、、ⅣⅣ类类三、神经干复合动作电位三、神经干复合动作电位三、神经干复合动作电位三、神经干复合动作电位 ( (compound action potential)compound action potential)( (一一) )神经干的组成神经干的组成四、单相和双相动作电位四、单相和双相动作电位四、单相和双相动作电位四、单相和双相动作电位。