细胞膜电位
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
细胞膜电位
1、细胞膜电位基本理论 、
细胞膜内外之间的电势差称为膜电压，又叫膜电位 膜电位 细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式，这就 是它们在安静时具有的静息电位 静息电位和它们受到刺激时 静息电位 产生的动作电位 动作电位.体内各种器官或多细胞结构所表 动作电位 现的多种形式的生物电现象，大都可以根据细胞水 平的这些基本电现象来解释.
-
1.2 细胞动作电位
细胞受到刺激时，在静息电位的基础上 发生一次短暂的扩布性的电位变化，这 种电位变化称为动作电位。
动作电位产生与细胞膜的通透性及离子转运有关
1.2.1 动作电位的形成机制
动作电位上升支：Na+内流所致。动作电位的幅度 决定于细胞内外的Na+浓度差,细胞外液Na+浓度降 低动作电位幅度也相应降低，而阻断Na+通道(河豚 毒)则能阻碍动作电位的产生。 动作电位下降支：K+外流所致。跟Na+电流相比,K+ 电流具有更加广泛的动力学特征，电压依赖性，药 理学特点，单通道行为和其他的一些特征。因此， 在所有类型细胞中，都发现钾通道参与调节了动作 电位,不论该动作电位是由Na+，Na+和Ca2+，或者 C1-引起的，都在复极化过程中受到了钾通道的调 节。
图5 膜片钳实验系统示意图
静息状态下细胞膜内外主要离子分布 及膜对离子通透性 • `
主要 离子
Na K A Cl
+ + -
离子浓度
（ mmol/L）
膜内 14 155 8 60
膜外 142 5 110 15
膜内与膜 膜对离子通 外离子比 透性 例
1:10 31:1 1:14 4:1
通透性很小 通透性大 通透性次之 无通透性
The end
谢 谢
2009.11.06
膜片钳技术原理
膜片钳技术运用微玻管电极(膜片电极或膜片吸管)接触 细胞膜，以千兆欧姆[gigaohm sea1,1010欧姆(G。)」以 上的阻抗使之对接，使与电极尖开口处相接的细胞膜小 片区域(膜片)与其周围在电学上分隔，在此基础上固定电 位，对此膜片上的离子通道的离子电流(pA级)进行检测 记录。
1.2.2 动作电位的分期
刺激 局部电位 上 升 支 阈电位 去极化 零电位 反极化（超射） 反极ห้องสมุดไป่ตู้（超射） 支 复极化 （负、正）后电位 去 极 化
0mv 阈电位
静息电位
1.上升支又称去极相 上升支又称去极相 包括膜电位的去极化 反极化两个过程 去极化和 两个过程； 包括膜电位的去极化和反极化两个过程； 2.下降支又称复极相 下降支又称复极相 即膜电位的复极化过程。 复极化过程 即膜电位的复极化过程。 3.后电位 后电位 在锋电位的下降支恢复到静息电位水平 以前约相当于动作电位幅度70％左右处， 以前约相当于动作电位幅度 ％左右处， 膜电位还要经历一段微小而缓慢的波动， 膜电位还要经历一段微小而缓慢的波动， 称为后电位
膜现象几乎完全控制着离子和中性分子等物质 从活细胞外部向内部或者反方向的运输，离子向一 个方向和两个方向的运输造成了跨膜电位差，它反 过来调节着一系列的物质运输，膜电位是由于横跨 膜的可透离子和化学为不同产生的非平衡电位，在 化学作用和电性力达到平衡的条件下能够按照离子 的通透性和浓度计算出膜电位数值。一般来说，细 胞受到刺激一般从膜电位的变化开始，反过来膜电 位又适应了变化了的通透性。
3、反极化或(超射) 膜两侧电位倒转，成为膜外负电位、 膜内正电位，称为反极化或超射 4、复极化(恢复极化) 5 、超极化(电位大于极化) 注:膜电位增大(在负电位时):绝对值增大(数 值增大)
反极化(超射 反极化 超射) 超射
(去极化 去极化) 去极化 (复极化 复极化) 复极化
极化(静息电位 极化 静息电位) 静息电位 超极化
如果说静息电位是兴奋性的基础， 那 么，动作电位是可兴奋细胞兴奋的标志
• 兴奋性：在可兴奋细胞上可理解为可兴奋 细胞在受刺激时产生动作电位的能力。 • 可兴奋细胞：受刺激时产生动作电位的细 胞。包括:神经细胞、肌肉细胞和腺体细胞
参考文献
1、施朝霞，CMOS细胞膜电位和pH值传感芯片的设计与研究，浙江大学博士学位 论文，2008.06.06 2、龚波，培养大鼠海马神经细胞膜电位变化对动作电位影响的研究，电子科技 大学硕士学位论文，2007.06.11 3、何文; 肖礼海; 孙安琪; 王小芹; 徐燃 ，壳聚糖及其衍生物对HaCaT细胞膜 电位的影响，中国药学杂志，2009 4、尹晓明; 范晓荣; 贾莉君; 曹云; 沈其荣 ，NH4+的吸收对水稻根系细胞膜电 位的影响，植物营养与肥料学报，2005.06 5、申治国; 庄志雄; 黄海雄; 张锦周; 张炳尧; 雷衡毅; 杨燕生 ，Ce3+对细胞 膜电位的影响，中国卫生检验杂志，2001.02 6、贾莉君，离子选择微电极测定植物细胞跨膜电位和液泡中硝酸根离子活度的 方法研究，南京农业大学硕士学位论文，2006.06 7、左明雪，细胞静息膜电位的产生和维持，生物学通报，2006年第41卷第4期 8、左明雪，细胞静息膜电位的测量，生物学通报，2006年第41卷第5期 9、康华光，细胞电生理与膜片钳技术，中国医疗器械杂志， 2000年24卷第3期
细胞膜具有电路元件(如电阻器、电容器等)类似的特性， 如图2-1（A）所示。因而可用图2-1(B)所示的等效电路来 表征。其中，Rm,为膜电阻，表示离子通道的电阻;Cm为膜 电容，表示膜的脂质双分子层的介电特性;利用等效电路 的概念，在膜片钳电生理实验中，可以测量细胞的膜电流 Im和膜电位Vm的值。膜片钳放大器电路由高增益集成运算 放大器A1和A2组成(图2-2 )。A1与反馈电阻Rf组成电压并 联负反馈电路，A:组成单位增益差分电路。A1的输入端通 过玻璃微电极与细胞膜封接;电极尖端直径约1um，因而 封接微区形成一微小的膜片。微电极经过细胞、浴池中的 参考电极和放大电路构成回路。根据负反馈放大电路的原 理，A1的两输入端之间形成“虚短”的现象。当A1的同相 输入端外加一命令电压Vc(方波)时，可使细胞膜钳位于Vc， 但信号源电路并不影响被测细胞的活性状态，符合生物测 量的要求[2]
–通常规定膜外电位为零，则膜内 大都在-10～-100mV之间。 –哺乳动物神经和肌肉细胞的静息 电位值为-70～-90mV
静息电位的测量——膜片钳技术 静息电位的测量
膜片钳技术
1976年，德国的两位细胞生物学家埃尔温.内尔 (Erwin Neher)和贝尔特.萨克曼CBert Sakmann)建立了一 种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜上单一或 多数离子通道分子活动的技术，称为膜片钳技术(Patch clamp technique)。为细胞生理学的研究带来了一场革命 性的变化，因而两位科学家于1991年荣获诺贝尔生理学 或医学奖。 膜片钳技术是以微弱电流信号测量为基础的，利用玻 璃微电极与细胞膜封接可测量多种膜通道电流，其值可小 到皮安(pA, 10-12A)量级，是一种典型的低噪声测量技术， 达到当今电子测量的极限。膜片钳技术发展至今，己成为 现代细胞电生理研究的常规方法，它不仅可以作为基础生 物医学研究的工具，而目在间接或直接为临床医学服务方 面，正在产生积极的效果。
1.1 细胞静息电位
静息电位指细胞未受到刺激时存在于 细胞内外两侧的电位差
细胞膜内侧环境稳定，在其中进行着许 多复杂的生物化学过程.由于细胞膜对不同离 子有不同的通透性.细胞膜内和细胞膜外在 + 、K+ 和Cl- 的含量上有明显的差别，导 Na 致了3个100tnv的跨膜电位差.
1 、极化 体内所有细胞的静息电位都表现为细胞 膜内侧为负电位，外侧为正电位。这种 状态称为膜的极化。 2、去极化 在动作电位发生和发展过程中，膜内、外 电位差从静息值逐步减小乃至 消失，这个过程称为去极化
1、细胞膜电位基本理论 、
细胞膜内外之间的电势差称为膜电压，又叫膜电位 膜电位 细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式，这就 是它们在安静时具有的静息电位 静息电位和它们受到刺激时 静息电位 产生的动作电位 动作电位.体内各种器官或多细胞结构所表 动作电位 现的多种形式的生物电现象，大都可以根据细胞水 平的这些基本电现象来解释.
-
1.2 细胞动作电位
细胞受到刺激时，在静息电位的基础上 发生一次短暂的扩布性的电位变化，这 种电位变化称为动作电位。
动作电位产生与细胞膜的通透性及离子转运有关
1.2.1 动作电位的形成机制
动作电位上升支：Na+内流所致。动作电位的幅度 决定于细胞内外的Na+浓度差,细胞外液Na+浓度降 低动作电位幅度也相应降低，而阻断Na+通道(河豚 毒)则能阻碍动作电位的产生。 动作电位下降支：K+外流所致。跟Na+电流相比,K+ 电流具有更加广泛的动力学特征，电压依赖性，药 理学特点，单通道行为和其他的一些特征。因此， 在所有类型细胞中，都发现钾通道参与调节了动作 电位,不论该动作电位是由Na+，Na+和Ca2+，或者 C1-引起的，都在复极化过程中受到了钾通道的调 节。
图5 膜片钳实验系统示意图
静息状态下细胞膜内外主要离子分布 及膜对离子通透性 • `
主要 离子
Na K A Cl
+ + -
离子浓度
（ mmol/L）
膜内 14 155 8 60
膜外 142 5 110 15
膜内与膜 膜对离子通 外离子比 透性 例
1:10 31:1 1:14 4:1
通透性很小 通透性大 通透性次之 无通透性
The end
谢 谢
2009.11.06
膜片钳技术原理
膜片钳技术运用微玻管电极(膜片电极或膜片吸管)接触 细胞膜，以千兆欧姆[gigaohm sea1,1010欧姆(G。)」以 上的阻抗使之对接，使与电极尖开口处相接的细胞膜小 片区域(膜片)与其周围在电学上分隔，在此基础上固定电 位，对此膜片上的离子通道的离子电流(pA级)进行检测 记录。
1.2.2 动作电位的分期
刺激 局部电位 上 升 支 阈电位 去极化 零电位 反极化（超射） 反极ห้องสมุดไป่ตู้（超射） 支 复极化 （负、正）后电位 去 极 化
0mv 阈电位
静息电位
1.上升支又称去极相 上升支又称去极相 包括膜电位的去极化 反极化两个过程 去极化和 两个过程； 包括膜电位的去极化和反极化两个过程； 2.下降支又称复极相 下降支又称复极相 即膜电位的复极化过程。 复极化过程 即膜电位的复极化过程。 3.后电位 后电位 在锋电位的下降支恢复到静息电位水平 以前约相当于动作电位幅度70％左右处， 以前约相当于动作电位幅度 ％左右处， 膜电位还要经历一段微小而缓慢的波动， 膜电位还要经历一段微小而缓慢的波动， 称为后电位
膜现象几乎完全控制着离子和中性分子等物质 从活细胞外部向内部或者反方向的运输，离子向一 个方向和两个方向的运输造成了跨膜电位差，它反 过来调节着一系列的物质运输，膜电位是由于横跨 膜的可透离子和化学为不同产生的非平衡电位，在 化学作用和电性力达到平衡的条件下能够按照离子 的通透性和浓度计算出膜电位数值。一般来说，细 胞受到刺激一般从膜电位的变化开始，反过来膜电 位又适应了变化了的通透性。
3、反极化或(超射) 膜两侧电位倒转，成为膜外负电位、 膜内正电位，称为反极化或超射 4、复极化(恢复极化) 5 、超极化(电位大于极化) 注:膜电位增大(在负电位时):绝对值增大(数 值增大)
反极化(超射 反极化 超射) 超射
(去极化 去极化) 去极化 (复极化 复极化) 复极化
极化(静息电位 极化 静息电位) 静息电位 超极化
如果说静息电位是兴奋性的基础， 那 么，动作电位是可兴奋细胞兴奋的标志
• 兴奋性：在可兴奋细胞上可理解为可兴奋 细胞在受刺激时产生动作电位的能力。 • 可兴奋细胞：受刺激时产生动作电位的细 胞。包括:神经细胞、肌肉细胞和腺体细胞
参考文献
1、施朝霞，CMOS细胞膜电位和pH值传感芯片的设计与研究，浙江大学博士学位 论文，2008.06.06 2、龚波，培养大鼠海马神经细胞膜电位变化对动作电位影响的研究，电子科技 大学硕士学位论文，2007.06.11 3、何文; 肖礼海; 孙安琪; 王小芹; 徐燃 ，壳聚糖及其衍生物对HaCaT细胞膜 电位的影响，中国药学杂志，2009 4、尹晓明; 范晓荣; 贾莉君; 曹云; 沈其荣 ，NH4+的吸收对水稻根系细胞膜电 位的影响，植物营养与肥料学报，2005.06 5、申治国; 庄志雄; 黄海雄; 张锦周; 张炳尧; 雷衡毅; 杨燕生 ，Ce3+对细胞 膜电位的影响，中国卫生检验杂志，2001.02 6、贾莉君，离子选择微电极测定植物细胞跨膜电位和液泡中硝酸根离子活度的 方法研究，南京农业大学硕士学位论文，2006.06 7、左明雪，细胞静息膜电位的产生和维持，生物学通报，2006年第41卷第4期 8、左明雪，细胞静息膜电位的测量，生物学通报，2006年第41卷第5期 9、康华光，细胞电生理与膜片钳技术，中国医疗器械杂志， 2000年24卷第3期
细胞膜具有电路元件(如电阻器、电容器等)类似的特性， 如图2-1（A）所示。因而可用图2-1(B)所示的等效电路来 表征。其中，Rm,为膜电阻，表示离子通道的电阻;Cm为膜 电容，表示膜的脂质双分子层的介电特性;利用等效电路 的概念，在膜片钳电生理实验中，可以测量细胞的膜电流 Im和膜电位Vm的值。膜片钳放大器电路由高增益集成运算 放大器A1和A2组成(图2-2 )。A1与反馈电阻Rf组成电压并 联负反馈电路，A:组成单位增益差分电路。A1的输入端通 过玻璃微电极与细胞膜封接;电极尖端直径约1um，因而 封接微区形成一微小的膜片。微电极经过细胞、浴池中的 参考电极和放大电路构成回路。根据负反馈放大电路的原 理，A1的两输入端之间形成“虚短”的现象。当A1的同相 输入端外加一命令电压Vc(方波)时，可使细胞膜钳位于Vc， 但信号源电路并不影响被测细胞的活性状态，符合生物测 量的要求[2]
–通常规定膜外电位为零，则膜内 大都在-10～-100mV之间。 –哺乳动物神经和肌肉细胞的静息 电位值为-70～-90mV
静息电位的测量——膜片钳技术 静息电位的测量
膜片钳技术
1976年，德国的两位细胞生物学家埃尔温.内尔 (Erwin Neher)和贝尔特.萨克曼CBert Sakmann)建立了一 种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜上单一或 多数离子通道分子活动的技术，称为膜片钳技术(Patch clamp technique)。为细胞生理学的研究带来了一场革命 性的变化，因而两位科学家于1991年荣获诺贝尔生理学 或医学奖。 膜片钳技术是以微弱电流信号测量为基础的，利用玻 璃微电极与细胞膜封接可测量多种膜通道电流，其值可小 到皮安(pA, 10-12A)量级，是一种典型的低噪声测量技术， 达到当今电子测量的极限。膜片钳技术发展至今，己成为 现代细胞电生理研究的常规方法，它不仅可以作为基础生 物医学研究的工具，而目在间接或直接为临床医学服务方 面，正在产生积极的效果。
1.1 细胞静息电位
静息电位指细胞未受到刺激时存在于 细胞内外两侧的电位差
细胞膜内侧环境稳定，在其中进行着许 多复杂的生物化学过程.由于细胞膜对不同离 子有不同的通透性.细胞膜内和细胞膜外在 + 、K+ 和Cl- 的含量上有明显的差别，导 Na 致了3个100tnv的跨膜电位差.
1 、极化 体内所有细胞的静息电位都表现为细胞 膜内侧为负电位，外侧为正电位。这种 状态称为膜的极化。 2、去极化 在动作电位发生和发展过程中，膜内、外 电位差从静息值逐步减小乃至 消失，这个过程称为去极化