胡优敏电生理学技术及临床应用-细胞电生理学基础02

生物膜的电学特性与细胞电活动2生物膜的电学特性3一、生物膜的等效电路生物膜的结构膜可贮存电荷的物理学描述—电容器（C）或膜电容（Cm，membranecapacitance）（0.8~1.0F/cm2）跨膜电位差的物理学描述—电阻抗（R）或膜电阻（Rm，membraneresistance，10－3欧姆)。常用膜电导（G，membraneconductance）表示，G=1/R，单位是Siemens，缩写为S。4Rm与Cm的并联关系即膜的等效电路生物膜的等效电路：并联的容阻耦合电路6细胞的电缆特性(cableproperty)细胞膜可看作一条绝缘不良的电缆空间常数与时间常数空间常数（值越大，传导速度越快）时间常数（值越小，有利于传导速度加快）7膜的被动电学特性电紧张电位：由膜的被动电学特性决定，产生过程中，没有离子通道的激活和膜电导的改变。可影响动作电位的产生和传播，是体内电信号产生的基础。电紧张电位特征：①不具有“全或无”现象。其幅值可随刺激强度的增加而增大。②局部产生,向周围发生时间空间衰减。③具有总和效应：时间性和空间性总和。电紧张电位（electrotonicpotential）二、膜时间常数刺激与兴奋矩形脉冲刺激电流引起的膜电位变化a：纯电阻元件的膜电位变化与脉冲电流变化同步b：纯电容元件的膜电位变化减慢，但保持其起始斜率c：含阻容元件的膜电位呈指数变化：Vm=I/CmVm=I/Cm1.Cm可减慢电流引起的膜电位变化，是因此前Cm须经历充、放电的过程2.膜电位变化快慢由时间常数决定，即值越大，Cm充放电流越小、越慢或电容器两端电压（UC）达到某一定值所需时间越长进一步的物理学与生物物理学描述1.时间常数是标志RC电路充放电的基本参数2.RC电路中，电路的电压（E）随时间呈指数变化：3.由矩形脉冲电流引起的生物膜电位变化：Vm=ImRm(1-e-t/)4.公式中e=2.72……为指数系数，=RC为时间常数即膜电位变化达最终值的63%所需时间为一个时间常数5.不同的生物膜，值大小也不同，同一标本的值大小受很多因素影响E=IR（1-e-t/）理论意义与实际应用1.生物膜中的变化很大（神经元约1～20ms），但经检测，单位表面积的膜电容却较恒定、约10-6F/cm22.不同时间常数反映了不同细胞的Rm的不同，乃至同一神经元的各个膜区域之间的区别。而Rm的差异又代表膜离子通道类型、密度和调节方面的特性。总之，膜时间常数在决定神经元高度复杂的内在电活动，以及细胞对刺激的反应方面都起着重要作用3.生物电生理实验中，多种因素如标本干燥、机械牵拉等不良刺激都可使Rm增加，影响其电活动及其对刺激的反应。因而实验中为保持标本机能状态的正常及实验结果的真实可靠，应尽量避免不良刺激对Rm的影响三、跨膜离子电流与膜电位变化生物膜的电学特性—[跨膜离子电流与膜电位变化]欧姆定律及其表述1.通过某一导体的电流（I）与导体两端的电压（V或E）成正比，与导体的电阻（R）成反比：I=E/R2.电导是电阻的倒数（g=1/R），引入电导概念：I=gE3.电导概念可更好地描述离子通道允许电流通过的能力应用欧姆定律描述跨膜离子电流与膜电位的关系1.离子通道是一种特殊的导体，各种离子经离子通道的跨膜转运是顺电化学梯度的转运，故其产生的电流的大小（I）既取决于膜电位差（E）及通道的电导（g），也与该离子的平衡电位（Es）有关：I=g(Em-Es)2.公式表明，离子流过通道的驱动力是Em-Es而非Em3.F=Em-Es即离子流过通道的驱动力drivingforce4.若以膜电位为横轴，离子通道电流为纵轴作图，可了解跨膜离子电流(I)与电压(V)的关系(Current-Voltagerelationship)，或称为I-V曲线生物膜的电学特性—[跨膜离子电流与膜电位变化]Intracellular[K+]i=[K+]oExtracellular通透膜选择性通透膜IntracellularExtracellularExtracellularIntracellular膜两侧电位差=EK+顺浓度梯度逆电位梯度顺浓度梯度顺浓度梯度17离子的跨膜平衡电位（equilibriumpotential）--电化驱动力=零，该带电离子膜两侧浓度分布有关Nernst公式EK=RT/ZF•ln[K+]O/[K+]i=59.5log[K+]O/[K+]iR气体常数；T温度；Z离子的化合价；F法拉第常数ENa=RT/ZF•ln[Na+]O/[Na+]i=59.5log[Na+]O/[Na+]i静息状态下细胞膜内外主要离子分布及膜对离子通透性离子浓度（mmol/L）主要离子膜内膜外膜内与膜外离子比例膜对离子通透性Na+141421:10通透性很小K+155531:1通透性大Cl-81101:14通透性次之A-60154:1无通透性20细胞膜两侧的主要离子及其分布21电-化学驱动力--决定离子跨膜流动的方向、速度某离子的电化驱动力=膜电位－该离子平衡电位在静息时：对Na+的驱动力为-130mV；对K+的驱动力为+20mV；对Cl-的驱动力为0负值代表内向驱动力：正离子内流，负离子外流内向电流（inwardcurrent）正值代表外向驱动力：正离子外流，负离子内流外向电流（outwardcurrent）膜电流（离子流）与膜电位:除电导因素外，还取决于膜两侧的这一离子的电-化驱动力23电化驱动力﹤零，浓度差电位差方向一致，钠电流表现为内向。电化驱动力﹥零，浓度差﹥电位差，钾电流表现为外向；电化驱动力=零，氯离子不表现为内向电流也不表现为外向电流。电-化学驱动力(electrochemicaldrivingforce)24四、生物电产生机制通道蛋白激活引起的膜电流（离子流）与膜电位GENESISOFBIOELECTRICALACTIVITY1902年Bernstein提出离子膜学说：（1）细胞膜两侧离子的不均匀分布（2）细胞膜对离子的选择性通透（3）细胞膜对离子的通透性在不同状态下会改变(电导)细胞膜对Na+、K+、Cl-都是可通透的，膜电位取决于膜对这些离子的相对通透性；一般细胞膜对Cl-没有主动转运，因此膜电位决定其在膜两侧的浓度（即Em=ECl），而膜对K+和Na+的相对通透性成为膜电位的主要决定因素。膜电位（Em）=GKGK+GNaEKGNaGK+GNaENa+因GNaGK，所以静息膜电位接近EK膜电导＝膜离子的通透性动作电位期间膜电导的变化膜电导的电压依赖性和时间依赖性膜电导和膜电位的关系GNa+=INa+/（Em-ENa+）离子替换实验枪乌贼巨轴突（Squidgiantaxon)；玻璃电极作记录：Hodgkin&Huxley对AP产生机制的证明动作电位的幅度、去极化的速度随细胞外Na+浓度的降低而减小、减慢逐步降低细胞外Na+浓度20世纪50年代，英国生理学家HodgkinandHuxley首次应用电压钳技术对枪乌贼的标本进行膜电流的测定（1963NobelPrize）。1、离子选择性(selectivity)（大小和电荷）：离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度选择性；各离子通道在不同状态下，对相应离子的通透性不同(安静：KNa100倍、兴奋：NaK10-20倍）。转运速率高，其速率是已知任何一种载体蛋白的最快速率的1000倍以上。2、门控特性(Gating)：离子通道的活性由通道开或关两（或三）种构象所调节，并通过通道开关应答于适当的的信号。多数情况下离子通道呈关闭状态，只有在膜电位变化，化学信号或压力刺激后，才开启形成跨膜的离子通道。五、离子通道的特性(CharacteristicofIonChannels)离子通道——分类分类方法具体类别电压门控性，voltagegated又称电压依赖性(voltagedependent)或电压敏感性(voltagesensitive)离子通道:因膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过的离子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4种主要类型，各型又分若干亚型.配体门控性，ligandgated又称化学门控性(chemicalgated)离子通道，由递质与通道蛋白质受体分子上的结合位点结合而开启，以递质受体命名，如乙酰胆碱受体通道、谷氨酸受体通道、门冬氨酸受体通道等.如运动终板膜上通道系由配体作用于相应受体而开放，同时允许Na+、Ca2+或K+通过，属于该类.机械门控性，mechanogated又称机械敏感性(mechanosensitive)离子通道:是一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道.例如耳蜗听毛细胞膜上通道.基因相似性根据基因序列的相似性或同源性而归类的离子通道，例如TRP家族等。离子通道的类型电压门控化学门控化学门控压力激活(胞外配体)(胞内配体)通道关闭通道开放离子通道3、通道开关的电压依从性（voltage-dependence）和时间依从性（time-dependence)。4、离子通道的多亚型特性钠通道神经类钠通道骨骼肌类钠通道心肌类钠通道(持久、瞬时)钙通道L-型（心肌窦房结、房室结）；T-型（心脏传导组织）；N-型（中枢神经系统神经元和突触部位）；P-型（大脑）；Q-型（小脑、海马、脊髓）；R-型（神经细胞）钾通道瞬时外向钾通道(Ito)延迟整流钾通道(IK)内向整流钾通道(IK1)起搏电流(If)离子通道实体离子通道的电导及欧姆定律描述一个离子通道可以模式化为一个具有内电阻的电压源，即非理想的电压源，它的电动势（离子平衡电位）和通道的电阻（内电阻）呈串联关系。(n=6)-120-100-80-60-40-200204060-1012HoldPotential(mV)RelativeIOutwardcurrentofATP(n=6)(n=1)(n=6)(n=7)(n=6)(n=4)(n=10)(n=5)*Current-Voltagerelationship(I-VCurve)离子电位的反转电位（零电流电位）初说以膜电位为横轴，离子通道电流为纵轴作图，可了解跨膜离子电流(I)与电压(V)的关系(Current-Voltagerelationship)，或称为I-V曲线。1）图中的斜率即为该通道的电导，若电导为一常数，I-V关系便呈线性2）曲线还表明，不仅离子流过通道的驱动力不是E，而且电流为0的电位不是0mV处而是离子的平衡电位。因电流在此电位改变方向，故又称反转电位3）根据反转电位值可以得出该通道的平衡电位(Es)4）根据I=g(Em-Es)，可得出g40平衡电位（equilibriumpotential）：是指当某种离子跨膜流动的净电荷为0时的膜电位。反转电位（reversalpotential）：由于当膜电位越过平衡电位时，跨膜离子将朝相反的方向流动，所以平衡电位又称反转电位。内向电流（inwardcurrent）：正离子内流，负离子外流，I-V曲线中I为负值。外向电流（outwardcurrent）：正离子外流，负离子内流，I-V曲线中I为正值。研究I-V关系的意义Ik1电流-电压曲线1）研究离子通道的I-V关系，是了解通道生物物理学特性和药物作用机制的基本方法2）实际上许多通道具有非线性的I-V关系，尤其可通透离子在膜两侧的浓度不同或通道的结构不对称等情况下，该曲线往往会向某个电流方向（如内向或外向电流）偏离欧姆定律，即所谓“整流”现象离子电位的反转电位（零电流电位）初说—通道的整流现象42外向整流（outwardrectification）：是指随着膜电位的去极化，I-V曲线明显显示外向电流，而内向电流不明显。如延迟整流性钾通道电流（A）。内向整流（inwardrectification）：是指随膜电位的去极化，I-V曲线明显显示内向电流，而外向电流较小。如（B）。实际应用1.在生物膜的等效电路中，因Rm和Cm以并联方式存在，膜电流（Im）等于跨膜离子电流（Ii）与电容电流（Ic）之和：Im