第二章 电生理学基础

第一节 静息电位 第二节 动作电位 第三节 电压门控离子通道
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静息膜电位




神经元在静息时，也就是在没有受到刺激时，其膜 内外两侧存在的电位差，称为静息膜电位(resting membrane potential)。 通常采用细胞内记录的方法进行测量，将一根微电 极插入细胞内，参考电极置于细胞外液，两个电极 间显示的电位差便是静息膜电位的数值。 以细胞外作为零点，细胞内均显示负电位，其绝对 值越大，静息膜电位也越大。神经元的静息膜电位 一般在-40~-90 mV的范围。 神经元处于静息膜电位时，称为极化状态 (polarization)，当该膜电位数值朝减小的方向变化 时，称为去极化(depolarization)，若朝增大的方向 变化时，称为超极化(hyperpolarization)。
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出胞与入胞（exocytosis & endocytosis）
大分子物质或物质团块，通过复杂的膜结构 的功能改变进出细胞的过程。

出胞:主要见于内分泌细胞的激素分泌和神经 末梢的递质释放 入胞:主要是细胞的吞噬作用
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入胞（endocytosis）
出胞（exocytosis）
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第2章 电生理学基础
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Resting
activation 激活
Recovery 复活 Active
inactivation 失活 Inactive
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动作电位的引起与传导

动作电位的引起 细胞兴奋后兴奋性周期性变化 局部电位



动作电位的传导
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动作电位的引起

刺激

兴奋性及兴奋
阈电位

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静息膜电位发生的 机制 即电荷跨膜分布的 不均匀状态
1.
膜两侧的离子浓 度差
2. 离子通道的选择通透性 当神经细胞静息时，非门控性K+通 道通透性较大，而Na+、Cl-等通道通 透性较小。
24
3. 离子跨膜扩散平衡点位
Nernst方程
[K+]o RT ln Ek= zF [K+]i
式中R是气体通用常数，T是绝对温度．Z是离子价， F是法拉弟常数。如将有关数值代入，体温以37℃ 计算，上式可简化为：
刺
激
(Stimulus)
刺激：细胞所处环境因素的任何改变。 刺激三要素： 刺激强度 刺激作用时间 强度-时间变化率 阈强度：把刺激的作用时间和强度-时间变化率都固定 在某一适当数值，能引起组织细胞兴奋所必需的 最小刺激强度，称为阈强度(threshold intensity), 或简称阈值(threshold)。 阈值是衡量组织细胞兴 奋性高低的指标。

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①[Na+]稍微变小，即将 细胞外液中的NaCl部分 地被蔗糖或氯化胆碱所 代替，则动作电位上升 相变慢，超射减小，传 导速度变慢(图A曲线3)； ②当[Na+]减少50％时, 超射几乎减少一半，动 作电位上升相变得更慢 (图B曲线2)； ③当[Na+]减少33％时， 超射儿乎完全消失(图A 曲线2）
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兴奋性及兴奋

兴奋性：细胞受到刺激时产生动作电位 的能力和特性。
兴奋：动作电位的同义词。

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阈电位(Threshold potential)


阈电位：能进一步诱发动作电位的去极化临界膜电 位 值 ， 称 为 阈 电 位 （ threshold membrane potential）； 它是所有可兴奋细胞的一项重要功能指标。 阈电位一般较静息电位的负值少10～15mV。 去极化到达阈电位→ 一定数量的Na+ 通道的开放→ Na+内流→ 膜的进一步去极化 → 更多Na+通道开放 → “正反馈”或称为再生性循环的过程→ 直至达 到Na+的平衡电位。
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+ +
+ +
+ + 细胞外记录
+ + -
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AP的特征
组成： 去极相：
去极化 超射 复极相： 复极化初期 后电位： 负后电位 正后电位
锋电位
AP是膜两侧电位在RP基础上发生的一次可扩 布的快速而可逆的倒转，是细胞兴奋的标志。
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锋电位(Spike potential)
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后电位（after-potential）
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离子通道的三种状态
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离子通道的类型
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主动转运 （active transport） 物质依靠细胞膜上生物泵的作用逆电化学梯度转运的过程。

原发性主动转运 继发性主动转运

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原发性主动转运
Na+ - K+ 泵
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继发性主动转运
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同向转运（Na/Glucose）
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反向转运（Na/H）
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电压钳原理(voLtage clamp)

只要固定膜电位不变，使膜电容电流为零， 则膜总电流等于离子电流。
在鰂乌贼大纤维内插入两根细铂丝，一根记录电压E'，另一根记录电流I'。 记录膜电位E'输出(如-70 mV)与调定电压V(如-100 mV)通过比较器进行比 较．其差值30 mV经放大后进入一个快速电压-电流转换器(FBA)，使∆V＝ 30 mV的电压转换成电流I'，把这个反馈电流I'打人膜内，使膜电位立即发 生变化。这样就能够维持膜电压不变。 44
53
四. 动作电位的传导
1. 2. 3.
4.
动作电位的传导机制 动作电位的传导速度 影响动作电位传导速度的因素 神经干的复合动作电位
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离子通道的基本特性:
1.不同的离子通道是互相独立的 2.通道是孔洞而不是载体 3.离子通道的化学本质是蛋白质结构 4.通道对离子通透的特异性依赖于孔洞大 小、离子形成氢键的能力及通道内位点 相互作用的强度
离子置换法
左图表示在去极化作用
时通过膜的离子电流。 膜左极化56 mV，图中 A为正常海水所记录到 的总离子电流，B为用
氯化胆碱溶液代替海水
中绝大部分NaCl (90％ 以上)以后所得到的曲 线，主要是IK；C为A减 去B所得到的曲线，应 为INa。
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离子电流的大小和方向 取决于驱动力。 在电压钳位实验中，不 断改变Vm，Na+电流的 变化有以下三种情况： Vm<ENa 内向INa Vm=ENa INa=0 Vm>ENa 外向Ina •反转电位：+52mV

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1939年微电极发明以后，Curtis和Cole, Hodgkin和Huxley等人分别用毛细管微电极 测量了鰂乌贼大神经纤维兴奋时的电位变化。 结果发现动作电位大于膜静息电位，出现了 超射。1949年Hodgkin和Katz进一步做了 “钠离子对鰂乌贼大纤维中产生的动作电位 的作用”的实验。
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膜离子电流和膜电容电流

带电离子跨膜流动产生的电流，称为 膜离子电流（Ii）。

离子电流的大小决定于细胞内外的电位差 和膜离子通道的密度。

由于胞质中正离子流动，中和膜内侧负 电荷，膜外侧正电荷因膜内负电荷吸引 力减少而离开细胞膜，产生电流称膜 电容电流（Ic）。
Im=Ii+Ic
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三.动作电位的离子基础
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电压依赖性通道的S4段可能是一个电压感 受器 S5和S6段之间的非螺旋区形成了通道的衬 里：分子筛
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双闸门控制Na离子通道

m gate that response to depolarization h gate that response to repolarization Three states of Na+ channel state m h g resting state closed opened 0 active state opened opened high inactive state opened closed 0


5
经载体易化扩散
转运特征：

高度的结构特异性 有饱和现象 存在竞争性抑制
影响因素：


浓度差 可利用载体数 被转运物和载体发生反 应的速率
葡萄糖、氨基酸
6
转运物质：

饱和现象
7
经通道易化扩散
转运特征： 相对特异性 无饱和现象 闸门时开时闭 高速度 影响因素： 电-化学梯度 闸门状态 转运物质： 无机离子
神经生物学
郑州大学 基础医学院 生理教研室
1
物质转运形式
2
单纯扩散 (simple diffusion)
3
扩散动力：分子热运动
必要条件：既溶于水，又溶于脂质。 影响因素：电-化学梯度；膜的通透性；温度。
转运物质： O2、CO2 、乙醇、脂溶性维生素
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易化扩散（facilitated diffusion） 非脂溶性物质，借助膜上蛋白质的 作用，由高浓度向低浓度通过细胞 膜。如：K+、Na+、Ca2+等带电离子 的转运和葡萄糖、氨基酸等的转运。 经载体易化扩散 经通道易化扩散
阈下刺激也能引起该段膜中所含Na+ 通 道的少量开放和少量Na+ 内流，造成膜 轻度去极化。
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局部兴奋的特点：


ห้องสมุดไป่ตู้
它不是“全或无”的：在阈下刺激的范围内， 随刺激强度的增大而增大； 电紧张性扩布：局部兴奋可以使邻近的膜也 产生程度更低的去极化，随距离加大而迅速 减小以至消失，称为电紧张性扩布 （electrotonic propagation）； 局部兴奋可以总和：空间性总和与时间性总 和。
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离子浓度梯度的维持—膜离子泵的作用

在静息电位的产生过程中、K+浓度梯度的稳定至关 重要。 实际上，神经元内存在着改变离子浓度梯度的因素， 这主要来自Na+的被动流入。 尽管神经元静息时膜对Na+的通透性很低，但是 Na+有一个从外到内的强大浓度梯度，加上细胞存 在吸引阳离子的负电位，便会促使Na+持续流向细 胞内。Na+的流人使得静息膜电位小于K+的平衡电 位(Ek)、进而导致K’的向外扩散。。 在正常神经元，这种离子浓度梯度的变化可以被膜 上的一种Na-K+泵阻止。
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Hodgkin和Huxely的结论：

动作电位期间细胞膜对Na+和K+的通 透性依次发生了变化： 早期，Na+的膜电导增加，Na+内 流而产生了动作电位的去极化期； 接着，Na+的膜电导降低，而K+的 膜电导增加，K+外流使膜电位回到静 息水平。
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在大鼠胚胎骨骼肌细胞膜片上记录到的由Ach激活的单通道离子 电流
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细胞兴奋后兴奋性周期性变化

Absolute refractory period 绝对不应期 Relative refractory period 相对不应期


Supernormal period Subnormal period
超常期 低常期
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局部电位
细胞受到阈下刺激时，可引起受刺激 的膜局部出现一个较小的去极化，称为 局部电位或局部兴奋。
[K+]o Ek= 61.54 mVlog [K+]i
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Membrane potential and equilibrium potential of different ions
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1. 2.
Eion和Em总是有差距的。 静息状态下总是存在离子的跨膜运动。
推论：要维持静息膜电位，必须维持 离子的不均衡跨膜分布。
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Na-K Pump
第二节 动作电位
概念：
动作电位(action potential)是指神经 细胞受到刺激时，产生的一种可传播的 特殊膜电位变化．或者说是一种可沿细 胞表面传播的跨膜电位瞬间逆转。
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一. AP的记录及AP的特征
细胞内记录
细胞外记录
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Intracellular potential recording
早在1902年,Bernstein根据当时观察到的生 物电现象，提出了著名的膜学说。他认为神 经或肌肉细胞膜对K+有特殊的通透性，而对 较大的阳离子或阴离子均无通透性。静息时， 由于膜内外K+的浓度差而形成静息膜电位； 兴奋过程的电位变化是由于兴奋部位膜对离 子选择通透性的消失，因此动作电位的大小 应等于静息电位的绝对值。 这一学说不能解释以后发现的动作电位的超射 (overshoot)现象。
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膜片钳发现离子通道的共同特性
1. 2. 3. 4.
开放和关闭都是突然的 只能有“开”或“关”两种状态，而 没有“半开”或“半关”。 同一通道分子，开关持续时间具有随 机性（“摆动”）。 在化学性门控通道结合了相应的化学 信号分子，或电压门控通道所在膜两 侧处于特定的电位差的情况下，“摆 动”次数增多。
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二.细胞膜的被动电学特征


1. 2.
被动膜：跨膜电阻和跨膜电位差为常 数 主动膜：跨膜电阻和跨膜电位差可变； 与膜离子通道状态相关。 膜电容和膜电阻 膜离子电流和膜电容电流
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膜电阻（Rm） 膜电导 G=1/R 膜电容 C=Q/V

膜两侧表面储存相反的电荷
各种神经元的Cm相近，但Rm存 在显著差异。