3细胞的生物电活动

细胞的生物电现象一、电生理学实验常用仪器（一）刺激系统1.电子刺激器：刺激与反应是观察机体组织兴奋性的重要指标。

1）单刺激2）双刺激3）连续刺激2.刺激隔离器：其用途是消除地环干扰，避免伪迹和误差。

由于刺激输出的一端为地，因此，在记录生物电时接通到组织去的电刺激必须和地面进行隔离。

如不进行隔离，将使交流电波或刺激伪迹带入记录系统，导致生物电波形被完全掩盖。

3.刺激电极：刺激电极是刺激系统不可缺少的重要组成部分，较为常用的有普通电极、保护电极和乏极化电极。

1）普通电极：常用于刺激离体组织的急性实验，不适于慢性实验。

因为在电流作用下，离子进入组织可产生毒性作用。

2）保护电极：当实验需要刺激深部组织时，采用保护电极，可避免刺激周围无关组织，保证刺激的准确性。

3）乏极化电极：当采用直流电刺激组织时，金属电极与组织之间发生电解过程，产生与刺激电流相反的电动势，这种反电动势即形成了极化电流，对抗了原来的刺激电流，使刺激电流的强度衰减，刺激的时间越长，失真现象越严重。

采用乏极化电极，则可避免极化现象。

常用的乏极化电极有银-氯化银（Ag-AgCl），甘汞电极（汞-氯化汞电极）等。

(二）信号探测转换系统信号探测转换系统由信号引导电极和传感器（换能器）组成。

其功能是拾取生物信号，并进而把非电生物信号转换为生物电信号。

1. 测量和信号引导电极（1）普通电极：其电极尖端一般是毫米级的，作为记录用的普通电极，又称为记录电极或引导电极。

(2) 微电极：电极尖端是微米级的，根据制作材料不同，可分为金属微电极、碳丝微电极和玻璃微电极。

玻璃微电极：分为单管和多管。

单管：一般尖端外径<4μm ，如用于细胞内记录尖端外径<1μm。

单管微电极的粗端插入银-氯化银电极作为导电连接，由于电极内径小，电极阻抗高，一般选用3mol/L的KCL溶液充灌玻璃微电极以减少电极阻抗。

多管微电极：可以引导细胞的生物电活动，同时可以通过微电泳法向被观察的细胞的临近小范围内导入离子化合物，药物、及对照等。

2. 传感器传感器由敏感元件和转换元件组成。

是一种能把机体生理活动的非电信号转换成与之有特殊关系的电信号的转换装置。

分类：1）物理型传感器：电阻式、电感式、光电式等。

2）化学型传感器：能把化学成分和浓度等转换成与之有确定关系的电信号的传感器。

3）生物型传感器：压力换能器，张力换能器（三）信号调节系统 1.前置放大器2.微电极放大器（四）显示、记录系统二、细胞兴奋性和生物电现象（一）兴奋性：是生命的基本特征之一。

组织细胞受到刺激时，可以应答性地出现一些特定的反应或暂时性的功能改变。

1. 兴奋性的概念：各种组织兴奋性的高低不一样---可兴奋组织？兴奋性和动作电位有联系吗？2. 兴奋和抑制3.兴奋和动作电位：4.兴奋性和动作电位之间。

（1）静息电位(resting potential RP)1）概念：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。

2）证明RP的实验：（甲）当A、B电极都位于细胞膜外，无电位改变，证明膜外无电位差。

（乙）当A电极位于细胞膜外，B电极插入膜内时，有电位改变，证明膜内、外间有电位差。

（丙）当A、B电极都位于细胞膜内，无电位改变，证明膜内无电位差。

例如高等动物的神经和肌肉细胞息电位值为-70～-90mV，平滑肌细胞约-55m。

人的红细胞静息电位值约为-10mV。

静息电位在大多数细胞是一种稳定、分布均匀的直流电位（一些有自律性的心肌细胞和胃肠平滑肌细胞例外），只要细胞未受到外来刺激而且保持正常的新陈代谢，静息电位就稳定在某一相对恒定水平。

记录静息电位时，要将一个电极插入细胞内，因此这种记录方式也称细胞内电位记录。

目前在实验中使用的通常是玻璃微电极，它是将毛细玻璃管加热拉制而成，其尖端通常小于0.5微米，玻璃管内充以KCI溶液，由于这种电极只有尖端导电，而且尖端很细，因此可以将它直接刺入离体或再体的细胞内，记录细胞内电位。

为了说明静息电位的存在和可能出现的变化，人们使用了一些单纯描述两侧电荷分布状态的术语。

例如静息电位存在时膜两侧的内负外正状态称为膜的极化状态（polarization），当静息时膜电位向负值加大（膜电位增大）的方向变化时，称为膜的超极化（hyperpolarization）；相反，如果膜电位向负值减少（膜电位减小）的方向变化，称为去极化或除极化（depolarization）；去极化到零电位后膜电位继续变化为正值，称为反极化;膜电位高于零电位部分称为超射（overshoot））。

细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内负值恢复，则称为复极化（repolarization）。

（2）静息电位产生原理早在1902年，Bernstein就提出膜学说以解释静息电位的产生。

他根据细胞膜两侧带电离子的不同浓度和运动来说明静息电位的产生。

细胞内的K+比细胞外多，安静时膜只对K+有通透性，K+的跨膜扩散导致膜外有扩散出去的正离子，膜内侧面有留下的负离子，形成内负外正的极化状态。

膜学说为理解生物电的产生机制开辟了正确的途径，但在当时和其后的相当一段时间，人们还没有技术来测定单一细胞的电变化，因此，膜学说长期未得到实验的证实。

直到20世纪40年代，生物学家Young发现了软体动物枪乌贼的巨大神经轴突直径可达1mm，HodgKin等开始利用（3）静息电位的形成可以归纳为以下几点：1）细胞内外的离子分布很不均匀由于 Na+-K+ 泵的主动转运，细胞外有较多的 Na+ 和 C1- ；膜内有较多的 K+ 和带负电荷的有机大分子。

据测定，各类细胞 Na+浓度膜外约为膜内的10倍，而膜内的 K+约为膜外的30倍。

因此细胞膜两侧各种离子的不均衡分布形成不同离子的浓度差，为离子被动跨膜移动提供了势能贮备。

2）安静时细胞只对K有通透性只允许 K+ 由膜内向膜外扩散，当 K+向膜外扩散时，膜内带负电的大分子有机物（带负电的蛋白质和核苷酸等）由于细胞膜对它几乎不通透而留在细胞内。

这样，随着 K+ 的外移，膜外正电荷增多，电位升高，膜的两侧就产生了电位差，膜外带正电，膜内带负电。

K+ 外出得越多，膜两侧的电位差越大。

然而， K+ 外出形成的内负外正的电位差是一个阻止 K+ 外出的力量，因此， K+ 的外出随着 K+ 外出数量的增多变得困难。

当浓度差（促使 K+ 外流的动力）和电位差（阻止 K+ 外流的阻力）使 K+ 移动的效应达到平衡时， K+ 的跨膜净通量为零。

于是，由于 K+ 外出所造成的膜两侧的电位差也稳定于某一数值。

这种内负外正的电位差称为K+的平衡电位（ K+ equilibrium potential， EK）。

根据Nernst公式， K+ 的平衡电位（EK）的数值与膜两侧的原有K+ 浓度有关，即式中 EK 表示 K+的平衡电位，R是气体常数，T为绝对温度，Z是离子的化合价，F是法拉弟（Farady）常数，[K+]O 和 [K+]I 分别表示膜外和膜内 K + 的浓度，若室温以27oC计算，再把自然对数转换为常用对数，则上式可简化成：在哺乳动物中，多数细胞的EK为-90~-100mV。

如果细胞膜真的是一种只对K+ 有通透性的半透膜，那么静息电位就应该等于Ek。

虽然早在1902年，Bernstein就提出膜学说以解释静息电位的产生。

但真正让人们承认静息电位就是K+的平衡电位，需要实际测量膜两侧的电位差，看其是否与理论计算值相等。

而Bernstein的主要困难是没有足够小的电极，不能做到在不损伤细胞功能的情况下把电极插入细胞膜内进行记录。

1936年,生物学家Young发现了大西洋海域的一种头足类软体动物枪乌贼有巨大的神经轴突，其直径可达1mm。

这和脊椎动物的神经纤维最大不超过20微米相比，实在是研究膜电位的绝好材料。

1939年，英国生理学家Hodgkin和Huxley将直径为0.1mm、内部充满海水的毛细玻璃管纵向或横向插入枪乌贼神经轴突的断端，作为细胞内引导电极，而将另一电极置放在浸泡神经轴突的海水中，在这个细胞内电极和细胞外电极之为了进一步证明这一点，他们在实验中人为地改变细胞外液中的K+的浓度，使［ K+ ］o/［ K+ ］i 发生变化，结果静息电位的数值也发生相应的变化，而且这一变化与根据Nernst公式计算的值基本一致。

由此可知，大多数细胞的静息电位主要是由细胞内的 K+ 外流所产生。

通常静息电位比用Nernst公式计算的K+ 平衡电位的理论值要小一些。

说明细胞膜并不是原来设想的只对 K+ 有通透性，可能对其他离子也有一定的通透性。

实验已经证明，膜在安静时不仅对 K+ 有通透性，而且对 Na+ 也有较小的通透性（约为 K+ 通透性的1/100～1/5）。

各种离子同样可以根据膜内外的浓度计算出各自的平衡电位。

例如将膜内外Na+浓度值替换 K+ 的浓度值代入Nernst公式，可计算出 Na+ 的平衡电位。

在大多数细胞，ENa为+50~+70mV,如果膜只对 Na+ 有通透性，则静息电位就应该等于ENa。

以上分析表明，静息时膜对某一种离子的通透性高，则静息电位就更接近于该种离子的平衡电位，这是离子跨膜扩散的规律。

事实上，在静息状态下，膜除了对K+有较大的通透性以外，对 Na+ 和 Cl- 也有一定的通透性，因此，膜对各种离子的相对通透性是影响静息电位的重要因素。

一般认为，膜对Cl-不存在原发性的主动转运，因此Cl-在膜两侧的分布是被动的，不是由它决定膜电位，而是由膜电位决定它在膜内的浓度，所以Cl-的平衡电位总是等于或非常接近静息电位。

由于细胞膜在安静时对K+的通透性远大于对Na+的通透性，因此，静息电位总是接近于Ek，但比Ek略小。

3）细胞膜Na+~K+泵的作用钾泵除了在膜内、外离子不均匀分布形成中具有关键作用外，它活动时的生电作用也会直接影响静息电位。

钠钾泵每分解一个ATP，能排出3个Na+和摄入2个K+，这就使膜外多了一个正电荷，因此其活动是生电性的，会使细胞膜超极化，但这一作用对不同细胞影响不同，通常对静息电位的影响不超过5mV。

上述静息电位的形成机制，可知静息电位的形成主要与以下因素有关：①钠钾泵活动造成膜内外离子的不同分布，膜内K+约是膜外K+的几十倍。

②安静时膜主要对K+有通透性，K+有可能顺浓度差外出，K+外出所形成的K+平衡电位非常接近于实测的静息电位。

③钠钾泵活动的生电作用对静息电位的形成有一定影响。

2.细胞的动作电位神经或肌肉细胞受到一次短促的人工刺激（如电刺激）时，只要刺激达到一定的强度，细胞膜在原有静息电位的基础上就会发生一次迅速而短暂的电位波动，称为动作电位（action potential AP）。

经细胞发生动作电位时，膜电位从-90mV迅速减小直至消失（去极化），进一步出现膜两侧电位极性倒转，升至+20～+40mV（反极化或超射）。