生物电活动

第二节细胞的生物电活动生物电现象:活的细胞或组织不论安静时还是活动过程中均表现有电现象,这种电现象是伴随细胞生命活动而出现。如心电图、脑电图、肌电图等记录到的生物电变化，这些电变化是构成该器官的细胞电变化。本节探讨单个细胞(以神经细胞为例)的电变化的一般规律。一）刺激、反应及兴奋性1、刺激：能被机体感受并引起机体产生某种反应的体内体外环境变化。2、兴奋性：机体对刺激产生反应的能力。这种生物电变化在肌肉→收缩，在腺细胞→分泌，在神经细胞→神经冲动。刺激引起组织产生反应(兴奋)必须具备三个基本条件：1、强度2、作用持续时间3、强度变化率刺激强度与刺激的作用时间呈反变关系。这就是说，强刺激→短时间，弱刺→长的时间，才能引起组织兴奋。组织兴奋性的高低，可以从刺激的强度和时间两个指标即阈值来衡量。阈强度(简称阈值)：引起组织兴奋所需要的最小刺激强度。阈刺激、阈下刺激、阈上刺激二）细胞的生物电活动及其产生机制(一)生物电的记录方法-细胞内电极法(二)静息电位静息电位：当将微电极插入细胞膜内的瞬间，示波器显示突然的电位变化，可以测知细胞膜内外表面存在着电位差。极化状态：细胞膜外是正电位，细胞膜内是负电位，使两者的电位差稳定于静息电位水平的状态。去极化:静息电位负值减小。超极化:静息电位负值增大。复极化:如果细胞先发生去极化，然后再向安静时膜内所处的负值恢复。(三)动作电位动作电位:是指细胞受到刺激而发生兴奋时发生的一系列膜内电位变化过程。去极化：膜内电位为一70～一90mV上升到0mV为膜内负电位的消失。超射(反极化）：再由0mV上升到+20～+40mV。去极相：两者相加就是动作电位的幅度，这构成了动作电位曲线的上升支。复极化：细胞膜在去极化后膜电位又向原来极化状态恢复的过程。后去极化；当复极化完成70％时，复极化速度变慢而持续一段时间。超极化：当复极化达静息电位水平后，膜内电位又朝更负的方向发展，即进入超极化状态。1、动作电位产生的机制动作电位的产生是由于膜对离子的通透性在受到刺激后发生短暂的、可逆性改变。在动作电位的去极化时，膜对Na+的通透性增加500～5000倍，大大超过膜对K+的通透性，大量Na+快速流入细胞，膜内负电位减少，以至消失，并进而出现正电位。此时膜内外电位极性倒转，即膜内为正膜外为负。此时在示波器上出现动作电位的上升支曲线即去极相。很快膜对Na+的通透性又下降，而对K+的通透性则增大，K+又顺其浓度差外流，造成动作电位曲线的下降支即复极相，使膜两侧的电位差又恢复到它原先的静息电位水平2．动作电位的引起和阈电位阈电位：凡是能引起组织兴奋的刺激，都是先引起细胞膜原有静息电位负值的某种程度的降低，即先引起膜一定程度的去极化，才会引起动作电位。这个临界值叫阈电位。阈电位一般比静息电位小10～20mV。静息电位为-70～-90mV，它们的阈电位为-50～-70mV。因此，不论什么刺激，只要能使静息电位减小到阈电位水平，都能诱发出动作电位。3．动作电位在同一细胞上的传导动作电位在兴奋细胞产生后，不会仅仅局限在受刺激部位，要相继引起邻近部位也发生动作电位，并沿细胞膜传遍整个细胞。局部回路电流：由于发生动作电位部位的膜电位发生了逆转，即膜内为正，膜外为负，而其相邻的未兴奋部位仍处于静息时的外正内负状态，于是兴奋部位与邻近的未兴奋部位之问有了电位差。由于膜内外侧的溶液都是导电的，故兴奋部位与邻近未兴奋部位之间有电荷移动即形成局部回路电流。(四)局部电位局部电位：阈下刺激虽然不能引起可传导的动作电位，但可使被刺激的膜部位的：Na+通透性轻度增加，因而使原有的静息电位轻度去极化。时间总和：如果在第一个阈下刺激所引起的局部电位未消失之前，再接受第二个阈下刺激，两个阈下刺激所引起的局部电位有可能叠加起来，使膜去极化达到阈电位水平，触发一次可传导的动作电位。空间总和：在细胞膜相邻两点或几点同时受到阈下刺激，它们所引起的局部电位也可叠加起来，达到阈电位水平而产生动作电位。(五)复合动作电位——神经干的动作电位复合动作电位：人体内的神经是由不同种类的神经纤维组成的。电刺激神经干时神经纤维上也可产生动作电位，并且可在神经干上记录到。在神经干上记录到的动作电位，是组成该神经干的各种神经纤维动作电位的总和。(六)细胞兴奋后兴奋性的变化可兴奋细胞，例如，神经细胞(或神经纤维)在接受一次刺激后产生兴奋(动作电位)后(包括兴奋的即时及以后的一段极短的时间)，其兴奋性也要发生一系列有规律的变化，如果在这期间细胞再次受到刺激，其反应能力将与预先没有受到刺激的静息时有所不同。第三节细胞之间的信号传递功能大多数细胞周围都是细胞外液，就是少数细胞与其他细胞直接接触，细胞之间必须存在传递信号的机制，以实现细胞间的信息联系，细胞之间的信号传递机制有化学性传递机制和电传递机制两种(以前者为主)。一、化学性传递机制细胞之间通过特殊的化学物质传递信息是细胞间功能联系的主要方式。这种传递方式主要是借助细胞合成与释放某种化学物质，例如内分泌细胞分泌的激素，神经细胞释放的神经递质，某些细胞分泌的细胞因子等，通过血液运输或经细胞外液扩散，影响其他细胞的活动。因此，这些特殊的化学物质携带着内分泌或神经等细胞的信息，在机体的功能活动中起着化学信使的作用。(一)受体受体？→特异结合部位。化学信号分子(激素、神经递质等)作用于细胞，首先必须使该分子结合于它所作用的细胞膜或细胞内的特异部位，并使之激活(构型发生变化)，然后才能引起细胞产生各种反应或效应。好比受体（门锁）与化学信号分子（钥匙）的关系。(二)受体的分类与跨膜信号转导的方式分为三类，1、连接离子通道的受体2、G蛋白耦联受体3、与酶结合的受体。1、连接离子通道的受体——化学门控通道离子通道型受体及其介导的信号转导信号分子与受体结合引起膜受体构型改变，导致膜离子通道的开放或关闭。支配骨骼肌的躯体运动神经末梢释放的神经递质乙酰胆碱(acetylcholine，ACh)，引起其所支配的骨骼肌细胞兴奋(收缩)，就是由于ACh与骨骼肌细胞膜上的Ach受体分子相结合，引起受体所在的离子通道开放，产生离子电流，导致肌膜产生动作电位和最终引起肌肉收缩。2、G蛋白耦联受体受体-G蛋白-第二信使组成的跨膜信号转导系统有些激素和神经递质作用于靶细胞时，首先作用于细胞膜上的特异性受体分子后，再通过膜内的G蛋白中介，激活或抑制膜内某种酶(效应器酶)，导致第二信使物质生成增加或减少，最终产生细胞功能的改变。(1)受体蛋白这类受体又称G蛋白耦联受体，种类繁多，但它们都具有类似的分子结构，即它们具有7个跨膜a螺旋，形成一个螺旋形蛋白质(受体)分子。其N末端在细胞外，c末端在细胞内。当受体结合了某种细胞外化学信号分子而激活时，将作用于膜中另一种蛋白质，即G蛋白，使之激活。(2)G蛋白和第二信使G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）与受体蛋白结合而被激活时，α亚单位与GDP分离而与GTP结合，同时α亚单位与β、γ亚单位分离，并作用于膜内侧面的效应器酶(后者是一类重要的酶，其酶促产物称为第二信使)，而后者的激活或抑制又可导致胞浆中第二信使物质的生成增加或减少。再通过第二信使物质的作用，改变细胞内酶的活性，或打开或关闭膜上的某些离子通道，从而引起细胞内各种功能和生化反应，实现激素、神经递质分子、细胞因子(第一信使)对靶细胞、效应器细胞的功能调节。(如图)3．酶联型受体及其介导的跨膜信号转导细胞内受体及其介导的信号转导一些脂溶性物质(主要是类固醇激素)进入细胞内，与胞浆或核内受体结合，然后通过调控DNA转录和诱导蛋白质合成，产生细胞反应(详见第十一章第一节)。二、相邻细胞之间的电联系高等动物和人类细胞之间的信息传递除了通过化学物质进行传递外，在神经细胞和其他一些细胞之间还存在相当数量的直接联系，即动作电位可从一个细胞直接传导到相邻的另一个细胞，无需化学递质参与。例如，心肌细胞之间，某些内脏平滑肌之间以及脊髓、海马、下丘脑和视网膜的细胞之间都存在此类电联系-电突触。细胞之间的直接电传递的结构基础是细胞之间的缝隙连接。缝隙连接处，相邻的细胞之间仅隔2～3nm，并且有小管相通，因此构成了细胞之间的低电阻通道。第四节肌细胞的收缩功能人体的各种运动，主要是靠肌细胞的收缩活动来完成的。骨骼肌、心肌和平滑肌在结构和功能上各有特点，但从分子水平看它们的收缩机制都基本相似。骨骼肌是体内最多的组织，约占体重的40％，而平滑肌、心肌则约占体重的10％，因此，本节以骨骼肌为重点，说明肌细胞的收缩机制。一、神经一骨骼肌接头的兴奋传递每个骨骼肌纤维都是一个独立的功能和结构单位，它至少接受一个运动神经末梢的支配，并且在体骨骼肌纤维只有在支配它的神经纤维有神经冲动传来时，才能进行收缩。(一)神经-骨骼肌接头的微细结构运动神经纤维在末梢部位失去髓鞘，以裸露呈球形的轴突末梢(称为终扣)嵌入到肌细胞凹陷中，但它与肌细胞膜不直接接触，轴突末梢的膜称接头前膜，与之对应的特化的肌细胞膜称为接头后膜或终板膜。接头前膜与接头后膜之间有宽20～30nm的接头间隙，间隙内为细胞外液成分。轴突末梢的轴浆中含有许多线粒体和大量直径约为40nm的囊泡。囊泡内贮存一定量ACh。终板膜比一般肌细胞膜厚，且形成许多小皱褶凹入细胞内，叫终板皱褶，其意义是可增加接头后膜与神经递质接触的面积；在终板皱褶开口处存在大量ACh受体(N型受体)，它实际上是由ACh控制的化学门控。Na+离子通道的一部分。终板膜上还有乙酰胆碱酯酶(二)神经一骨骼肌接头处的兴奋传递过程当动作电位传到神经末梢时，在神经冲动去极相的影响下，轴突末梢膜上的电压门控Ca++通道打开，部分Ca++进入膜内，轴浆内Ca++浓度升高，启动囊泡的出胞机制，使大量囊泡向接头前膜移动，并与之融合，通过出胞作用，使囊泡内的ACh全部释放到接头问隙扩散到终板膜，与膜上的ACh受体结合，引起受体蛋白分子构型改变，通道开放。ACh受体通道主要让Na+通过(内流)，结果终板膜内正电荷增加，静息电位负值减小，即终板膜局部去极化。这一电位变化，称为终板电位。终板电位是一种局部电位，其大小与轴突末梢释放的ACh量成正比，能以局部电流的形式向周围的肌膜作短距离扩布。当肌膜的静息电位由于终板电位的影响而去极化达到该处膜的阈电位水平时，就使肌细胞爆发一次动作电位。此动作电位沿着整个肌细胞膜作不衰减传导，再通过“兴奋一收缩耦联”，引起肌细胞出现一次机械收缩，从而完成神经纤维和肌细胞之间的信息传递。ACh与受体作用后大部分迅速被接头后膜上的胆碱酯酶破坏，即大约在2ms内便可使一次冲动释放的ACh水解为乙酸和胆碱。在正常情况下，一次神经冲动释放的ACh所引起的终板电位可达50～75mV，因此大大超过使邻近的肌膜产生动作电位所需的阈电位水平。终板膜本身没有电压门控Na+通道，因而不会产生动作电位。因此，正常神经一肌肉接头兴奋传递是相当可靠和有效的，亦即运动神经纤维每一神经冲动到达末梢，都能使肌细胞兴奋一次，并引起一次肌肉收缩，这种神经一肌肉接头的兴奋传递是一对一的。(三)影响神经一骨骼肌接头兴奋传递的因素①影响ACh释放的因素：在一定范围内，ACh释放量随着细胞外液Ca++浓度的增高而增多，而Mg++则可对抗Ca++的作用，使ACh的释放减少。另外，一些细菌，如梭状芽胞杆菌和肉毒杆菌产生的毒素可阻止运动神经末梢释放ACh，从而可阻止化学信号分子从神经传向肌肉，引起肉毒中毒(一种很常见的食物中毒)。②影响ACh与受体结合的因素：筒箭毒碱和a银环蛇毒能与ACh竞争终板膜上的ACh受体，阻止ACh与受体的结合，因此ACh受体通道不能开放，终板电位和肌膜动作电位不能产生，从而使肌肉失去收缩能力；人工合成的有类似作用的药物称为肌肉松弛剂，临床上可用于外科手术。③抑制胆碱酯酶的药物：有机磷农药(如对硫磷、1605、敌敌畏、乐果、敌百虫等)和抗胆碱酯酶药薪斯的明可选择性抑制胆碱酯酶，使ACh不能被水解而大量堆积于接头间隙和终板膜处持续和反复刺激肌纤维，以致造成肌肉痉挛。④有一种病叫重症肌无力。其原因是患者体内产生一种能对抗N型ACh受体