电生理学发展简史
- 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)。
电生理学发展简史(一)
生物电活动是机体一种基本的生命现象,它产生的基础是细胞膜上离子通道活动的总和效应。从生物电现象的发现到如今对离子通道功能与结构如此深入的了解,电生理学走过了200 多年的历程。
一、生物电现象的发现
最初的实验研究是从18 世纪后叶开始的。当时没有任何测量电流的仪器,只是发现利用电容器(如雷顿瓶)的放电,或雷电发生时竖起一根长导线,引导大气中的电,都可以刺激蛙的神经肌肉标本,引起肌肉收缩,所以当时就用蛙的神经肌肉标本作为电流存在的标志。1791 年意大利解剖学教授Galvani L 发现,如果将蛙腿的肌肉置于铁板上,再用铜钩钩住蛙的脊髓,当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收缩。他把这个现象的发生归因于机体的“动物电”(animal electricity )。他认为神经与肌肉带有相反的电荷,肌肉带正电,神经带负电,金属导体的作用是把神经与肌肉之间的电路接通。同时代的意大利物理学家Volta A 不同意Galvani 的见解,他认为实验中发现的电现象,不是动物机体产生的动物电,而是由于实验中连接肌肉和神经的金属不同所致,是不同金属接触时产生的电流刺激了肌肉标本,如果用同一种金属作导体,收缩就不会发生。事实上,Volta 和Galvani 的观点都有其正确的一面。Volta 后来因此而发明了伏特电池;Galvani 则继续进行了一个出色的实验。在无金属参与的情况下,他将一个肌肉标本横断,又将另一个神经肌肉标本的神经干搭在横断肌肉上,并使之跨越肌肉的完好面和损伤面,结果该神经支配的肌肉产生收缩,证实了动物电的存在。这成为第一次观察到生物电存在的电生理实验。但是直接测量到生物电的实验是在电流计发明之后。
1825 年意大利物理学家Nobili 发明电流计。
1837 年意大利物理学教授Matteucci C 用电流计在肌肉的横断面与未损伤部位之间,测量到电流流动,电流是从未损伤部位流向横断面的,所以横断面呈负电位。这是第一次直接测量到生物体内存在生物电的实验。
1843 年瑞士生理学家Du Bios-Reymond 用电流计观察到神经的损伤电位,也是损伤部位呈负性。1849 年,他又发现神经在活动期间出现负波动,即使用电流计从细胞外记录到的动作电位。
1850 年von Helmholtz H 测定了神经传导速度,证明蛙神经的传导速度仅20 ~ 30m/s 。此前人们认为既然电的传导速度等于光速,因而神经的传导速度可能也是光速。
二、早期对生物电发生机制的认识
1. Bernstein 的膜学说对于这种生物电现象的解释,当时提出了不同的学说。Du Bios-Reymond 认为,组织内带负电,外表带正电,是正常状态下存在的,即所谓“现存学说”(preexistence theory );而他的学生Hermann (Du Bios-Reymond )则认为,组织内的负电是被切割时组织损伤变质造成的,即所谓“变质学说”(alteration theory )。1890 年,著名的化学家Ostwald W 提出了膜的通透性理论,即如果在电解质弥散的途径上有一层半透膜,它只允许一种离子通过,而带有相反电荷的另一种离子不能通过,就会通过静电作用限制透过膜的离子不能进一步弥散,如此,在膜两侧就会形成电位差,它的大小可按Nernst 公式计算。1902 年Du Bios-Reymond 的另一名学生Bernstein J 接受了Ostwald 通透性理论,在现存学说的基础上提出了“膜学说”(membrane theory )。他根据细胞内液比细胞外液含较多的K +,而细胞损伤处电位较完好处为低的事实,推测静息时细胞内电位低于细胞外,并假定静息时细胞膜只对K +有通透性,由于胞内带正电荷的K +顺浓度差扩散到膜外,相应的负电荷仍留在膜内,使细胞膜呈现外正内负的极化状态,形成静息电位。按照Bernstein 的设想,细胞的静息电位就等于K +的平衡电位。动作电位则是由于膜在一瞬间失去了对K +的选择性通透,变得对所有离子通透性一过性地升高,导致膜两侧电位差瞬间消失。1904 年,他又设计了一个精巧的实验,证实肌肉切断后断面的负电位在0.3 s 后即出现,并持续缓慢地减小而不是
逐渐增大,从而用事实否定了变质学说。因此膜学说在此后30 多年的时间内为多数人所接受,不过它却一直未能得到实验证实。这是因为要想测量膜两侧的电位差,必须要将一个电极插入细胞内,这就要求插入的记录电极直径很细,不能损伤细胞;插入处也不能漏电。显然,这种技术上的限制在当时是很难克服的。
2. 细胞跨膜电位的记录1936 年,生物学家Young JZ 发现了头足类软体动物枪乌鲗的巨大神经轴突,其直径可达1mm 。这与最大直径不超过20μm 的脊椎动物神经纤维相比,无疑是研究跨膜电位的绝好材料。1939 年,英国生理学家Hodgkin AL 和Huxley AF 将直径为0.1mm ,内部充满海水的毛细玻璃管纵向插入枪乌鲗大神经轴突(直径0.5mm )的断端,作为细胞内电极,而将另一电极置于浸泡细胞的海水中,于是在毛细管尖端和细胞外电极之间记录到约60mV 的电位差,胞质为负。将轴浆内电极靠近膜内侧或向中心移动,电位差均不变,表明电位差存在于膜的两侧。这样,他们便利用枪乌鲗巨大轴突首次记录到膜两侧的静息电位。这一工作的意义在于实验测定的静息电位与根据细胞膜内、外钾浓度经Nernst 公式计算的钾平衡电位(- 75mV )非常接近,从而有力地支持了Bernstein 关于静息电位状态下细胞膜选择性对钾离子有通透性的膜学说。但是,正如在图 1 中所看到的,实测的静息电位值总是略小于K +平衡电位,这说明细胞膜并不是像原来设想的那样只对K +有通透性,而可能对其他离子,特别是Na +亦有一定的通透性。
图1 细胞外K +浓度对蛙缝匠肌静息电位的影响
图中的圆点是不同K +浓度时静息电位的实测值;直线是根据Nernst 公式的计算值
膜学说关于动作电位产生机制的解释也得到膜阻抗测量实验的支持。1939 年,Cole KS 和Curtis HJ 利用惠斯登电桥(Wheatstone bridge )观测枪乌鲗巨大轴突动作电位期间膜电阻和膜电容的变化,发现动作电位期间膜电容基本不变,而膜阻抗显著降低(膜电导增大)(图 2 ),由静息时的1000Ωcm 2下降到25Ωcm 2,支持动作电位期间膜对多种离子通透性的增大。