第二章 细胞生理 细胞的生物电现象PPT.pptVIP

* 第三节 细胞的兴奋性和生物电现象 神经、肌肉和腺体对刺激的反应表现特别明显,这三种可兴奋组织的组成细胞称为可兴奋细胞。可兴奋细胞在受到刺激时可产生兴奋，三种可兴奋细胞虽然在兴奋时有不同的外部表现，但在受刺激处的细胞膜有一个共同的、最先出现的、可传导的生物电活动变化，即动作电位的产生。不同的细胞或同一细胞在不同的功能状态下接受刺激时，产生动作电位的能力不同，即兴奋性的高低不同。 一、神经和骨骼肌细胞的生物电现象 (一)何谓生物电现象 活的细胞或组织不论在安静时还是在活动时，都具有的电活动变化，称为生物电现象。 (二)人类对生物电现象的认识过程 1.生物电现象认识的起源 人类对于生物电现象的注意已有很长的历史，早在古埃及已有关于电鱼击人的记载。 2.生物电现象的观察和记录 随着电测量技术和仪器的不断发展，人们对于生物电现象的一般规律和本质的认识也日趋深入，对于生物电现象的研究已从多层次、多手段进行全面的展开。 十九世纪中叶，用电位计观察神经干或其它组织的电变化，但电位计对微弱的电变化不够灵敏，不能够精确地记录微弱而变化快速的生物电现象。 微电极的发明为从细胞水平进行观察和分析生物电现象成为可能，采用细胞内记录方法在单一神经纤维或细胞上记录生物电变化，测定细胞在安静或活动时细胞膜内外的电位差及其兴奋时的电位变化 。 电压钳工作原理示意图 20世纪50年代（Hodgkin和Hux1ey）在微电极技术上发展的电压钳技术研究了枪乌贼巨轴突电压门控Na+通道和K+通道，提出生物电产生的离子学说，阐明了动作电位的机制。 计算机及其相关软件与电测量仪器的精密化、一体化（如生物信号处理系统的出现）使生物电变化的测定，记录以及分析更精细、更客观、更方便。 电压钳的技术只能测量含有大量离子通道的膜行为，不能测定个别离子流的特征，并且对小细胞的离子电流记录比较困难。 20世纪70年代中期由Neher和sakmann建立并发展出一种膜片钳技术，它可以记录细胞膜结构中单一离子通道的离子电流和电导。膜片钳技术可测量1PA的电流灵敏度，1μm的空间分辨率和10μS的时间分辨率，为从分子水平了解生物膜离子通道的开启和关闭、动力学选择性和通透性等膜信息提供了直接的手段，从而使生物电现象观察分析进入分子水平的新阶段。 膜片钳工作原理示意图 电压门控Na+通道的膜片钳实验 玻璃微电极 紧密封接 Na+通道 Na+ 细胞膜 3.生物电现象在临床上的应用 目前，临床上对健康人和患者在体表无创地进行的心电图、脑电图、肌电图、视网膜电图、胃肠电图等检查，是人体不同器官生物电活动综合表现的记录，这些已经成为发现、诊断和估量疾病进程与治疗效果的重要手段。 人体和各器官表现的电现象，是以细胞水平的生物电现象为基础的， 深入对生物电现象的认识，有利于促进医学的更大发展。 (三)神经细胞的跨膜电位 概念 跨膜电位：生物细胞以膜为界，膜内外的电位差称为跨膜电位，简称膜电位。 表现形式： 静息电位：安静状态下的膜电位 动作电位：兴奋时膜电位的变化过程 1.细胞的静息电位 1）概念 静息电位：细胞安静时，存在于细胞膜内外两侧的电位差。 2）表现 极化：细胞安静状态下，膜内带负电、膜外带正电的相对稳定状态。 各种不同的细胞都有相对稳定的静息电位值，大都在-10～-100mV之间。 3）表示方法 通常规定： 膜外电位为零，膜内电位为负值，即为静息电位。 (1)两个因素 a.在安静情况下，细胞膜内外离子分布不相同，各种离子的不均衡分布为离子被动跨膜移动提供了势能储备。 b.在安静情况下，细胞膜对不同离子的通透性不同，膜对K+的通透性最大，对Cl-次之，对Na+的通透性很小，对带负电的大分子有机物则几乎不通透。 4）静息电位的产生机制 安静时神经纤维膜内外离子分布 细胞内 (mmol/L) 细胞外 (mmol/L) 离子平衡电位 (mV) K+ 400 20 -75 Na+ 50 440 +55 Cl- 52 560 -60 A- 385 - - 安静状态下细胞膜上不同离子通道的功能状态 (2)静息电位的产生 安静时细胞膜内K+浓度高于膜外，Na+浓度膜外高于膜内。而细胞膜只对K+有选择通透，因此，只允许K+向膜外扩散。 K+将不断向膜外扩散，使膜两侧电位差逐渐加大，因同性电荷相斥和异性电荷相吸，即阻止K+外流的力量也不断加大。 当浓度差（即促使K+外流的动力）和电位差（即阻止K+外流的阻力）使K