细胞生理学

动作电位期间膜电导的变化
• GNa和GK变化曲线的特点：
①电压依从性，由去极化 激活； ②GNa 激活早，
是 AP 上升支基础。 GK
激活晚，是 AP下降支基
础。③GNa有失活状态，
而GK没有此特性。
3、膜片钳实验和单通道离子电流
离子通道的特性
①通道的开或关是突然的； ②通道开放时具有恒定的电导； ③开放时间长短不一； ④特定信号使开放的机率增大，而 “失活”使开放机率减小。
电流流经电容。这就是说，所有的电流将都是流过膜电
阻的，这种电流将能反映离子的流动。这样就有可能通 过记录分析膜电流来找出离子运动的时间关系，也易于 得出离子电导。
Hodgkin 利用负反馈原理设计的电压钳制实 验保持了Vm不发生变化。
电压钳制实验的原理图
差分放大器的工作原理
电压钳实验结果 （1） 只有在膜内电位去极化时，才出现电
动作电位的两个重要特征： ①“全或无”性质： 刺激未达到阈值，动作电位不 会发生；刺激达到阈值后，即可触发动作电位，而且 其幅度总是该细胞动作电位的最大值，不会因刺激强
度继续增强而随之增大。动作电位不会出现叠加现象。
② 同一细胞膜上 不衰减地 进行 传导；（ 动作电位在受
刺激部位产生后，将沿着同一细胞膜传播而幅度、波
膜的等效电路是一个并联的阻容电路。膜活动时既有电压的改变， 同时又有电流的改变。电位的改变可引起电容器的充、放电，也可用 于电阻器上的电流流动。
2、动作电位期间膜电导的变化
膜对离子通透性的控制是带有选择性的。怎样把通透性以电学
术语表达出来？如膜电位为Vm，离子电流为I，那么一个方便的
表示方法就是采用某种离子的电导。电导（G）是电阻的倒数，
即 兴奋性∝1／阈值。
3、细胞兴奋后兴奋性的变化
（三）动作电位的产生机制
1. 动作电位产生的钠学说
2. 动作电位期间膜电导的变化
3. 膜片钳实验和单通道离子电流 4. 钠通道的失活和膜电位的复极
膜电荷分布状态
极 化 静息电位存在时膜两侧保持的内负外正的状态。 去极化 静息电位减小甚至消失的过程。 反极化 膜内电位由零变为正值的过程。 （超射：膜内电位由零到反极化顶点的数值） 复极化 去极化、反极化后恢复到极化的过程。 超极化 静息电位增大的过程。
实验中的曲线 , 说明后者是
多数通道激活的结果。
图：电压门控钠通道的膜片钳记录
4、钠通道的失活和膜电位的复极
钠通道的开放主要出现在去极化开始后的几
毫秒之内，之后通道开放的概率几乎降至零， 即失活。只有当去极化消除，通道才能解除失
活而进入功能恢复的备用状态。
电压门控钠离子通道的分子结构
电压门控钠通道α-亚单位的结构
（一）阈电位
阈电位（threshold potential） 膜去极化，膜内负电位下降到能引起动作电
位的临界值。阈电位的大小取决于膜离子通道
的数量和离子通道的敏感性。
注意区别阈值和阈电位两个概念。两者都指引
起组织细胞兴奋的必要条件，但前者是从外部加
给细胞的各种刺激的参数（如强度）来考虑的，
而后者是从组织细胞本身的膜电位的数值来考虑
GNa · （EM－ENa）。其中ENa在动作电位期间不会发生显著变化（据
测定，神经纤维每次动作电位期间进入胞内的Na＋仅能使胞内Na＋浓 度增加8万分之一）假如EM能保持不变，则GNa与INa成正比，因此就 可以通过测量INa来观察和计算GNa的变化。而实际上在动作电位期间 EM会发生快速变化，这不仅使测量INa失去意义，而且EM的快速变化 会产生很大的电容电流，以致无法从记录的膜电流中分离出INa。
降至零
锋电位
钠通道失活
相对不应期
超常期
渐恢复
＞正常
负后电位前期
负后电位后期
钠通道部分恢复
钠通道大部恢复
低常期
＜正常
正后电位
膜内电位呈超极化
在峰电位期间，由于大多数钠通道处于失活
状态，不可能再接受任何新的刺激而出现新的
峰电位，这一时期称为绝对不应期。绝对不应 期之后为相对不应期，标志着一些失活的钠通 道已开始恢复，这时只有那些较正常更强的刺 激才能引起新的兴奋。
动当然十分理想，但可惜的是示踪原子法尚不能满足这
一要求，因为膜的活动过程在极短的时间内（数毫秒）
即已完成。所以不得不求助于比较间接的方法。
部分膜的等效电路 EK，ECl，ENa分别由 Nernst方程所决定的各 离子的平衡电位 。电
阻代表离子的电导 1/R，
箭 头 表 示 可 变 的 。 Cm 膜电容，Vm膜电位。
通道；河豚毒（Tetrodotoxin）能阻断 Na+的通道。
河豚毒
枪乌贼巨轴突中钾离子和钠离子的内向和外向流，K＋
由浓度高的膜内流向膜外。应该设想这两股离子流在时
间上是先后分开的。只有这样，在事实上和逻辑上钠学
说才能成立。如果利用放射性同位素直接观察离子的运
Ik
根据图中 INa 和 Ik 两条电流曲线，即可计算出同这两者 相对应的GNa和Gk曲线，再根据这一段膜所具有的电容的 数值（每cm2的枪乌贼铀突膜的电容约为 1μf），就可算出如果 “允许”每一瞬间的离子移动在电容上形成电位改变时， 有可能造成怎样的跨膜电位的改变，这正是不进行“电 压钳制”时的情况，而由此作出的电位变化曲线正好同 在—般实验中记录到的动作电位的波形特点一致。
强度-时间（阈值）曲线
阈值：三要素组合构成的有效刺激的最小值。
实际使用中，常将刺激持续时间和（强度-时间）
变化率固定，专指引起组织兴奋所需的最小刺 激强度。 阈 刺 激：强度等于阈值的刺激。 阈下刺激：强度小于阈值的刺激。
阈上刺激：强度大于阈值的刺激。
2. 兴奋性的高低 兴奋性指细胞受到刺激时产生动作电位的能 力。较弱的刺激即可引起某细胞产生动作电位， 则表示该细胞的兴奋性高；反之，较强的刺激
根据 V＝ Q／ C 的关系（其中 Q为电量相当 于电流I与时间t的乘积）,跨膜离子的移动必然要 引起跨膜电位的 Vm 改变，而且这种变化是正反 馈式的。
去极化（膜电位变化） 钠离子内流 钠电导升高
通过电容器的电流为Ic = d(CmV)／dt，而通过电阻的 电流为Ir 。所以流过膜的电流总量应为： I = Ir + Cm(dv／dt) 上式中 dv／dt 为膜电位的变化率。如果使膜内外的电 压维持不变，即加以钳制，那末dV／dt＝0，即不会有
流的增加；（ 2 ） 出现内向电流与外向电流；
（3） 根据离子电流计算出GNa和Gk曲线，根据
离子电流与膜电容大小计算出膜电位（V＝Q／
C ）与实测的动作电位基本吻合。（ 4 ） 得出
GNa和Gk曲线变化的特点。
用离子置换法将枪乌贼巨轴突的离子电流分开
标本浸浴液中的NaCl用相当摩尔数的氯化胆碱替代
刺激三要素
刺激就是指能引起细胞兴奋的内外环境理化因素的改
变。这种变化一般应是相当快的，能被细胞所感受的，
才能构成所谓的刺激。也就是说，内外环境因素的改变，
必须 满足一定的条件才能成为有效刺激 ，才能引起细胞
或组织的兴奋，机体才能产生反应。这些条件包括 刺激
的强度、强度的变化率和刺激持续的时间 ，常称为刺激
宏膜的离子电导和离子电流的 形成是膜中众多的离子通道在去极
化的影响下，开放的机率增加，瞬
间离子电导和离子电流叠加所致。
A.
随着静息电位(Em)由-
110mv 突 然 固 定 到 -50mv, 在 3 次膜片钳实验中记录到 的离子电流。 B. 将144次膜片钳记录到 的离子电流曲线进行平均叠 加 , 得到一条类似于电压钳
才可引起另一细胞产生动作电位，说明后者的
兴奋性较低。
兴奋性的高低可用刺激阈值来定量表示。 固定刺激持续时间，改变刺激强度，求得引起组 织发生兴奋反应的刺激阈值，这是生理学实验中最常 使用、而且比较容易测定的兴奋性指标。刺激阈值低
说明组织的兴奋性高，刺激阈值高说明组织的兴奋性
低。组织的兴奋性高低与刺激阈值大小呈反变关系，
细胞生理学
第3章
动作电位的产生与传导
一、动作电位及其产生机制
（一）细胞的动作电位 （二）引发兴奋的条件 （三）动作电位的产生机制
二、动作电位的爆发和传导 三、细胞动作电位的多态性 四、神经干的复合动作电位
（一）细胞的动作电位
刺激会引起兴奋，对神经这样的可兴奋组 织细胞，刺激引起的兴奋表现为膜电位发生 一次快速的、较大幅度的波动，这个电位波 动被称之为动作电位。
形不变。）
霍奇金（Hodgkin,A.L.1914-1999）英国生理学家及生物物理学家， 主要从事神经兴奋与传导方面的研究。因发现神经冲动产生及传导的离 子机制与Huxley和Eccles共获1963年诺贝尔生理学、医学奖。
1、动作电位产生的钠学说
细胞受刺激时，膜对钠的通透性增加，因膜外钠浓度高
二、动作电位的爆发和传导
（一）阈电位 （二）电紧张电位与局部反应 （三）动作电位的传导
注射电流示意刺激的 性质（去极化或超极化） 和 强度； 超极 化的和 小 于 阈电位 的去 极化刺 激 只 能引起 局部 电位； 只 有阈或阈上的去极化刺 激才能引发动作电位。 记录电极 A 紧靠刺激部 位 ，可同 时记 录到局 部 电 位和动 作电 位；记 录 电极 B 距离刺激电极 5cm ， 记 录到沿 神经 纤维传 播 的动作电位。
于膜内且受膜内负电的吸引，故钠内流引起上升支，直至
内移的钠在膜内形成的正电位（ENa)足以阻止钠的净移入
时为止。钠通道关闭，钾通道仍进一步开放，钾外流引起
AP的下降支。 随后钠泵的作用，泵出钠、泵 入钾，恢复膜两侧原浓度差。
电 位
曲线 1 ．用含 NaCl 的海水灌流时 产生的动作电位；曲线 2 ～ 8 无 Na ＋ 的液体以不同的时间代替海水灌流 产生的动作电位；曲线 9 、 10 恢复 海水灌流时，重新产生的动作电位。 实验证明，神经纤维动作电位产 生是由于Na＋内流而引起的。