1、生物膜的電學(xué)特性與細(xì)胞電活動(dòng)第1頁(yè)，共52頁(yè)。2生物膜的電學(xué)特性第2頁(yè)，共52頁(yè)。3一、生物膜的等效電路 生物膜的結(jié)構(gòu)膜可貯存電荷的物理學(xué)描述電容器（C）或膜電容（Cm，membrane capacitance） （0.81.0F/cm2） 跨膜電位差的物理學(xué)描述電阻抗（R）或膜電阻（Rm， membrane resistance，103歐姆)。常用膜電導(dǎo)（ G ，membrane conductance） 表示，G=1/R，單位是Siemens，縮寫(xiě)為S。 第3頁(yè)，共52頁(yè)。4 Rm與Cm的并聯(lián)關(guān)系即膜的等效電路生物膜的等效電路：并聯(lián)的容阻耦合電路第4頁(yè)，共52頁(yè)。第5頁(yè)，共52頁(yè)。6細(xì)胞的

2、電纜特性(cable property)細(xì)胞膜可看作一條絕緣不良的電纜空間常數(shù)與時(shí)間常數(shù)空間常數(shù) （值越大，傳導(dǎo)速度越快）時(shí)間常數(shù) （ 值越小，有利于傳導(dǎo)速度加快）第6頁(yè)，共52頁(yè)。7膜的被動(dòng)電學(xué)特性第7頁(yè)，共52頁(yè)。電緊張電位：由膜的被動(dòng)電學(xué)特性決定，產(chǎn)生過(guò)程中，沒(méi)有離子通道的激活和膜電導(dǎo)的改變。可影響動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳播，是體內(nèi)電信號(hào)產(chǎn)生的基礎(chǔ)。電緊張電位特征： 不具有“全或無(wú)”現(xiàn)象。其幅值可隨刺激強(qiáng)度的增加而增大。局部產(chǎn)生,向周?chē)l(fā)生時(shí)間空間衰減。具有總和效應(yīng)：時(shí)間性和空間性總和。 電緊張電位（electrotonic potential）第8頁(yè)，共52頁(yè)。 二、膜時(shí)間常數(shù) 刺激與興奮

3、矩形脈沖刺激電流引起的膜電位變化 a：純電阻元件的膜電位 變化與脈沖電流變化同步 b：純電容元件的膜電位 變化減慢，但保持其起始 斜率 c：含阻容元件的膜電位 呈指數(shù)變化： Vm=I/Cm第9頁(yè)，共52頁(yè)。 Vm=I/Cm 1. Cm可減慢電流引起的 膜電位變化，是因此前Cm須 經(jīng)歷充、放電的過(guò)程 2. 膜電位變化快慢 由時(shí)間常數(shù)決定，即t值越 大，Cm充放電流越小、越慢 或電容器兩端電壓（UC）達(dá) 到某一定值所需時(shí)間越長(zhǎng) 第10頁(yè)，共52頁(yè)。第11頁(yè)，共52頁(yè)。 進(jìn)一步的物理學(xué)與生物物理學(xué)描述 1. 時(shí)間常數(shù)是標(biāo)志RC電路充放電的基本參數(shù) 2. RC電路中，電路的電壓（E）隨時(shí)間呈指數(shù)變化：

4、 3. 由矩形脈沖電流引起的生物膜電位變化： Vm=ImRm(1-e-t/t) 4. 公式中e=2.72為指數(shù)系數(shù)， t = RC為時(shí)間常數(shù)即膜電位變化達(dá)最終值的63%所需時(shí)間為一個(gè)時(shí)間常數(shù) 5. 不同的生物膜， t 值大小也不同，同一標(biāo)本的t值大小受很多因素影響E=IR（1-e-t/t） 第12頁(yè)，共52頁(yè)。 理論意義與實(shí)際應(yīng)用 1. 生物膜中t的變化很大（神經(jīng)元約120ms），但 經(jīng)檢測(cè)，單位表面積的膜電容卻較恒定、約10-6F/cm2 2. 不同時(shí)間常數(shù)反映了不同細(xì)胞的Rm的不同，乃至 同一神經(jīng)元的各個(gè)膜區(qū)域之間的區(qū)別。而Rm的差異又代 表膜離子通道類(lèi)型、密度和調(diào)節(jié)方面的特性?？傊?，膜

5、時(shí)間常數(shù)在決定神經(jīng)元高度復(fù)雜的內(nèi)在電活動(dòng)，以及細(xì) 胞對(duì)刺激的反應(yīng)方面都起著重要作用 3. 生物電生理實(shí)驗(yàn)中，多種因素如標(biāo)本干燥、機(jī)械牽 拉等不良刺激都可使Rm增加，影響其電活動(dòng)及其對(duì)刺激 的反應(yīng)。因而實(shí)驗(yàn)中為保持標(biāo)本機(jī)能狀態(tài)的正常及實(shí)驗(yàn) 結(jié)果的真實(shí)可靠，應(yīng)盡量避免不良刺激對(duì)Rm的影響第13頁(yè)，共52頁(yè)。 三、跨膜離子電流與膜電位變化 生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化 歐姆定律及其表述 1. 通過(guò)某一導(dǎo)體的電流（I）與導(dǎo)體兩端的電壓（V或E）成正比，與導(dǎo)體的電阻（R）成反比： I=E/R 2. 電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)（g =1/R），引入電導(dǎo)概念： I=gE 3. 電導(dǎo)概念可更好地描述離子通

6、道允許電流通過(guò) 的能力第14頁(yè)，共52頁(yè)。 應(yīng)用歐姆定律描述跨膜離子電流與膜電位的關(guān)系 1. 離子通道是一種特殊的導(dǎo)體，各種離子經(jīng)離子 通道的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是順電化學(xué)梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)，故其產(chǎn)生的電 流的大小（I）既取決于膜電位差（E）及通道的電導(dǎo)（g），也與該離子的平衡電位（Es）有關(guān)： I=g(Em-Es) 2. 公式表明，離子流過(guò)通道的驅(qū)動(dòng)力是Em-Es而非Em 3. F=Em-Es即離子流過(guò)通道的驅(qū)動(dòng)力 driving force 4. 若以膜電位為橫軸，離子通道電流為縱軸作圖， 可了解跨膜離子電流(I)與電壓(V)的關(guān)系(Current- Voltage relationship)，或稱為I-V曲

7、線 生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化第15頁(yè)，共52頁(yè)。IntracellularK+i=K+oExtracellular通透膜選擇性通透膜IntracellularExtracellularExtracellularIntracellular膜兩側(cè)電位差=EK+順濃度梯度逆電位梯度順濃度梯度順濃度梯度第16頁(yè)，共52頁(yè)。17第17頁(yè)，共52頁(yè)。離子的跨膜平衡電位（equilibrium potential）- 電化驅(qū)動(dòng)力=零，該帶電離子膜兩側(cè)濃度分布有關(guān)Nernst公式EK=RT/ZFlnK+O/K+i =59.5logK+O/K+iR 氣體常數(shù)；T 溫度；Z 離子的化合價(jià)；F 法

8、拉第常數(shù)ENa=RT/ZFlnNa+O/Na+i =59.5logNa+O/Na+i第18頁(yè)，共52頁(yè)。 靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜內(nèi)外主要離子分布 及膜對(duì)離子通透性第19頁(yè)，共52頁(yè)。20細(xì)胞膜兩側(cè)的主要離子及其分布第20頁(yè)，共52頁(yè)。21電-化學(xué)驅(qū)動(dòng)力-決定離子跨膜流動(dòng)的方向、速度某離子的電化驅(qū)動(dòng)力=膜電位該離子平衡電位在靜息時(shí)：對(duì)Na+的驅(qū)動(dòng)力為-130mV；對(duì)K+的驅(qū)動(dòng)力為+20mV；對(duì)Cl-的驅(qū)動(dòng)力為 0負(fù)值代表內(nèi)向驅(qū)動(dòng)力：正離子內(nèi)流，負(fù)離子外流內(nèi)向電流（inward current）正值代表外向驅(qū)動(dòng)力：正離子外流，負(fù)離子內(nèi)流外向電流（outward current）第21頁(yè)，共52頁(yè)。膜電流

9、（離子流）與膜電位:除電導(dǎo)因素外，還取決于膜兩側(cè)的這一離子的電-化驅(qū)動(dòng)力第22頁(yè)，共52頁(yè)。23電化驅(qū)動(dòng)力零，濃度差電位差方向一致，鈉電流表現(xiàn)為內(nèi)向。電化驅(qū)動(dòng)力零， 濃度差電位差，鉀電流表現(xiàn)為外向；電化驅(qū)動(dòng)力=零，氯離子不表現(xiàn)為內(nèi)向電流也不表現(xiàn)為外向電流。電-化學(xué)驅(qū)動(dòng)力(electrochemical driving force)第23頁(yè)，共52頁(yè)。24四、生物電產(chǎn)生機(jī)制通道蛋白激活引起的膜電流（離子流）與膜電位GENESIS OF BIOELECTRICAL ACTIVITY1902年Bernstein提出離子膜學(xué)說(shuō)： （1）細(xì)胞膜兩側(cè)離子的不均勻分布 （2）細(xì)胞膜對(duì)離子的選擇性通透 （3）

10、細(xì)胞膜對(duì)離子的通透性在不同狀態(tài)下會(huì)改變(電導(dǎo))第24頁(yè)，共52頁(yè)。 細(xì)胞膜對(duì)Na+、K+、Cl-都是可通透的，膜電位取決于膜對(duì)這些離子的相對(duì)通透性； 一般細(xì)胞膜對(duì)Cl-沒(méi)有主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，因此膜電位決定其在膜兩側(cè)的濃度（即Em=ECl），而膜對(duì)K+ 和Na+的相對(duì)通透性成為膜電位的主要決定因素。膜電位（Em）=GKGK+GNaEKGNaGK+GNaENa+因GNaNa 100倍、興奮： NaK 10-20倍）。轉(zhuǎn)運(yùn)速率高，其速率是已知任何一種載體蛋白的最快速率的1000倍以上。2、門(mén)控特性(Gating)：離子通道的活性由通道開(kāi)或關(guān)兩（或三）種構(gòu)象所調(diào)節(jié)，并通過(guò)通道開(kāi)關(guān)應(yīng)答于適當(dāng)?shù)牡男盘?hào)。多數(shù)情況下

11、離子通道呈關(guān)閉狀態(tài)，只有在膜電位變化，化學(xué)信號(hào)或壓力刺激后，才開(kāi)啟形成跨膜的離子通道。五、離子通道的特性(Characteristic of Ion Channels)第28頁(yè)，共52頁(yè)。第29頁(yè)，共52頁(yè)。離子通道分類(lèi)分類(lèi)方法具體類(lèi)別電壓門(mén)控性，voltage gated又稱電壓依賴性(voltage dependent)或電壓敏感性(voltage sensitive)離子通道:因膜電位變化而開(kāi)啟和關(guān)閉，以最容易通過(guò)的離子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4種主要類(lèi)型，各型又分若干亞型.配體門(mén)控性，ligand gated又稱化學(xué)門(mén)控性(chemical gated)離子通道，由遞

12、質(zhì)與通道蛋白質(zhì)受體分子上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合而開(kāi)啟，以遞質(zhì)受體命名，如乙酰膽堿受體通道、谷氨酸受體通道、門(mén)冬氨酸受體通道等.如運(yùn)動(dòng)終板膜上通道系由配體作用于相應(yīng)受體而開(kāi)放，同時(shí)允許Na+、Ca2+或K+通過(guò)，屬于該類(lèi).機(jī)械門(mén)控性，mechanogated又稱機(jī)械敏感性(mechanosensitive)離子通道:是一類(lèi)感受細(xì)胞膜表面應(yīng)力變化，實(shí)現(xiàn)胞外機(jī)械信號(hào)向胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通道.例如耳蝸聽(tīng)毛細(xì)胞膜上通道.基因相似性根據(jù)基因序列的相似性或同源性而歸類(lèi)的離子通道，例如TRP家族等。第30頁(yè)，共52頁(yè)。離子通道的類(lèi)型第31頁(yè)，共52頁(yè)。電壓門(mén)控 化學(xué)門(mén)控 化學(xué)門(mén)控 壓力激活 (胞外配體) (胞內(nèi)配體)通道關(guān)閉

13、通道開(kāi)放第32頁(yè)，共52頁(yè)。離子通道3、通道開(kāi)關(guān)的電壓依從性（voltage-dependence）和時(shí)間依從性（time-dependence) 。第33頁(yè)，共52頁(yè)。4、離子通道的多亞型特性鈉通道神經(jīng)類(lèi)鈉通道骨骼肌類(lèi)鈉通道心肌類(lèi)鈉通道(持久、瞬時(shí))鈣通道L-型（心肌竇房結(jié)、房室結(jié)）；T-型（心臟傳導(dǎo)組織）；N-型（中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元和突觸部位）；P-型（大腦）；Q-型（小腦、海馬、脊髓）；R-型（神經(jīng)細(xì)胞）鉀通道瞬時(shí)外向鉀通道 (Ito)延遲整流鉀通道 (IK)內(nèi)向整流鉀通道 (IK1 )起搏電流(If)第34頁(yè)，共52頁(yè)。 離子通道實(shí)體第35頁(yè)，共52頁(yè)。第36頁(yè)，共52頁(yè)。第37頁(yè)，共

14、52頁(yè)。 離子通道的電導(dǎo)及歐姆定律描述一個(gè)離子通道可以模式化為一個(gè)具有內(nèi)電阻的電壓源，即非理想的電壓源，它的電動(dòng)勢(shì)（離子平衡電位）和通道的電阻（內(nèi)電阻）呈串聯(lián)關(guān)系。第38頁(yè)，共52頁(yè)。Current-Voltage relationship (I-V Curve) 離子電位的反轉(zhuǎn)電位（零電流電位）初說(shuō)以膜電位為橫軸，離子通道電流為縱軸作圖， 可了解跨膜離子電流(I)與電壓(V)的關(guān)系(Current- Voltage relationship)，或稱為I-V曲線。 1） 圖中的斜率即為該通道的電導(dǎo)，若電導(dǎo)為一 常數(shù)，I-V關(guān)系便呈線性 2）曲線還表明，不僅 離子流過(guò)通道的驅(qū)動(dòng)力不 是E，而且電

15、流為0的電位不是0mV 處而是離子的平衡電位。因電流在此電位改變方向， 故又稱反轉(zhuǎn)電位 3）根據(jù)反轉(zhuǎn)電位值可以得出該通道的平衡電位(Es) 4）根據(jù)I=g(Em-Es)，可得出g第39頁(yè)，共52頁(yè)。40平衡電位（equilibrium potential）：是指當(dāng)某種離子跨膜流動(dòng)的凈電荷為0時(shí)的膜電位。反轉(zhuǎn)電位（reversal potential） ：由于當(dāng)膜電位越 過(guò)平衡電位時(shí)，跨膜離子將朝相反的方向流動(dòng)，所以平衡電位又稱反轉(zhuǎn)電位。內(nèi)向電流（inward current） ：正離子內(nèi)流，負(fù)離子外流， I-V曲線中I為負(fù)值。外向電流（outward current） ：正離子外流，負(fù)離子內(nèi)流

16、， I-V曲線中I為正值。 第40頁(yè)，共52頁(yè)。研究I-V關(guān)系的意義 Ik1電流-電壓曲線 1）研究離子通道的I-V關(guān)系 ，是了解通道生物物理學(xué)特性 和藥物作用機(jī)制的基本方法 2）實(shí)際上許多通道具有非 線性的I-V關(guān)系，尤其可通透 離子在膜兩側(cè)的濃度不同或通 道的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱等情況下，該 曲線往往會(huì)向某個(gè)電流方向（ 如內(nèi)向或外向電流）偏離歐姆 定律，即所謂“整流”現(xiàn)象 離子電位的反轉(zhuǎn)電位（零電流電位）初說(shuō) 通道的整流現(xiàn)象第41頁(yè)，共52頁(yè)。42外向整流（outward rectification）：是指隨著膜電位的去極化，I-V曲線明顯顯示外向電流，而內(nèi)向電流不明顯。如延遲整流性鉀通道電流（A）

17、 。內(nèi)向整流（inward rectification）：是指隨膜電位的去極化，I-V曲線明顯顯示內(nèi)向電流，而外向電流較小。如（B）。第42頁(yè)，共52頁(yè)。實(shí)際應(yīng)用 1. 在生物膜的等效電路中，因Rm和Cm以并聯(lián)方 式存在，膜電流（Im）等于跨膜離子電流（Ii）與 電容電流（Ic）之和： Im=Ii+Ic 2. 公式表明，膜的Ii或Ic變化均可改變Im，而 Ii反映了跨膜離子通道電阻（Rm）的大小、Ic反映 了跨膜電容（Cm)的大小 3. 由歐姆定律可知，Im的變化必然改變膜電位 （Vm），因而Rm和Cm的不同也將影響到Vm 4. 因此在測(cè)量Vm的電生理研究中，必須注意保持 生物膜Rm和Cm處于

18、穩(wěn)定狀態(tài) 生物膜的電學(xué)特性 實(shí)際應(yīng)用第43頁(yè)，共52頁(yè)。44生物膜的電學(xué)特性第44頁(yè)，共52頁(yè)。 六、刺激電流與膜電位變化 刺激引起興奮的條件 1. 細(xì)胞所處功能狀態(tài) 2. 有效刺激的三個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度、時(shí)間和強(qiáng)度-時(shí) 間變化率 3.細(xì)胞內(nèi)刺激時(shí)刺激電流的方向:外向刺激電流使膜去極化， 興奮性升高；內(nèi)向刺激電流使膜超極化，興奮性降低，不能引發(fā)動(dòng)作電位。 生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化第45頁(yè)，共52頁(yè)。 外向和內(nèi)向刺激電流引起的膜電位變化外向刺激電流與膜電位變化 生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化第46頁(yè)，共52頁(yè)。 外向和內(nèi)向刺激電流引起的膜電位變化內(nèi)向刺激電流與膜電位變化 生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化第47頁(yè)，共52頁(yè)。 刺激電流與膜電位變化 刺激引起興奮的條件4.細(xì)胞外刺激時(shí)電極方向： 在正電極處發(fā)生超極化，而負(fù)電極處發(fā)生去極化。因此，在用微電極技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將正電極置于細(xì)胞內(nèi)，將負(fù)電極置于細(xì)胞外 。細(xì)胞外雙刺激時(shí)，應(yīng)將正極置于遠(yuǎn)離引導(dǎo)電極一側(cè)，負(fù)極置于靠近引導(dǎo)電極的一側(cè)，以避免陽(yáng)極阻滯。 生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化第48頁(yè)，共52頁(yè)。 刺激強(qiáng)度與膜電位變化 生物膜的電學(xué)特性 刺激強(qiáng)度與膜電位變化 刺激引起興奮的原理 1. 膜的去極化是電壓門(mén)控Na+通道被激活及Na+內(nèi)流