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1、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，membrane capacitance） （0.81.0F/cm2） 跨膜电位差的物理学描述电阻抗（R）或膜电阻（Rm， membrane resistance，103欧姆)。常用膜电导（ G ，membrane conductance） 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(cable property)细胞膜可看作一条绝缘不良的电缆空间常数
2、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： 不具有“全或无”现象。其幅值可随刺激强度的增加而增大。局部产生,向周围发生时间空间衰减。具有总和效应：时间性和空间性总和。,电紧张电位（electrotonic potential）,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
3、始 斜率 c：含阻容元件的膜电位 呈指数变化： Vm=I/Cm,Vm=I/Cm,1. 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t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/t) 4. 公式中e=2.72为指数系数， t = 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
4、常数 5. 不同的生物膜， t 值大小也不同，同一标本的t值大小受很多因素影响,E=IR（1-e-t/t）,理论意义与实际应用,1. 生物膜中t的变化很大（神经元约120ms），但 经检测，单位表面积的膜电容却较恒定、约10-6F/cm2 2. 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
5、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/R 2. 电导是电阻的倒数（g =1/R），引入电导概念： I=gE 3. 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
6、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Em 3. F=Em-Es即离子流过通道的驱动力 driving force 4. 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- Voltage relationship)，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+o,Extracellular,通透膜,选择性通透膜,Intracellular,Extracellular,Extracellular,Intracellu
7、lar,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（equilibrium potential）- 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/ZFlnK+O/K+i =59.5logK+O/K+i,R 气体常数；T 温度；Z 离子的化合价；F 法拉第常数,ENa=RT/ZFlnNa+O/Na+i =59.5logNa+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,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
8、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（inward current）正值代表外向驱动力：正离子外流，负离子内流外向电流（outward current）,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(electrochemical driving force),24,四、生物电
9、产生机制通道蛋白激活引起的膜电流（离子流）与膜电位GENESIS OF BIOELECTRICAL ACTIVITY1902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
10、系,GNa+=INa+ /（Em-ENa+）,离子替换实验枪乌贼巨轴突（Squid giant axon)；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Hodgkin and Huxley 首次应用电压钳技术对枪乌贼的标本进行膜电流的测定（1963 Nobel Prize） 。,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：KNa
11、100倍、兴奋： NaK 10-20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(Characteristic of Ion Channels),离子通道分类,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
12、时间依从性（time-dependence) 。,4、离子通道的多亚型特性,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。,Current-Voltage relationship (I-V Curve),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- Voltage relationship)，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
13、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g,40,平衡电位（equilibrium potential）：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（reversal potential） ：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（inward current） ：正离子内流，负离子外流， I-V曲线中I为负值。外向电流（outw
14、ard current） ：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（outward rectification）：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
15、通道电流（A） 。内向整流（inward rectification）：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=Ii+Ic 2. 公式表明，膜的Ii或Ic变化均可改变Im，而 Ii反映了跨膜离子通道电阻（Rm）的大小、Ic反映 了跨膜电容（Cm)的大小 3. 由欧姆定律可知，Im的变化必然改变膜电位 （Vm），因而Rm和Cm的不同也将影响到Vm 4. 因此在测量Vm的电生理研究中，必须注意保持 生物膜Rm和Cm处于稳定
16、状态,生物膜的电学特性 实际应用,44,生物膜的电学特性,六、刺激电流与膜电位变化,刺激引起兴奋的条件,1. 细胞所处功能状态 2. 有效刺激的三个参数，即强度、时间和强度-时 间变化率 3.细胞内刺激时刺激电流的方向:外向刺激电流使膜去极化， 兴奋性升高；内向刺激电流使膜超极化，兴奋性降低，不能引发动作电位。,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,外向和内向刺激电流引起的膜电位变化,外向刺激电流与膜电位变化,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,外向和内向刺激电流引起的膜电位变化,内向刺激电流与膜电位变化,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,刺激电流与膜电位变化,刺激引起
17、兴奋的条件,4.细胞外刺激时电极方向： 在正电极处发生超极化，而负电极处发生去极化。因此，在用微电极技术进行实验时，应将正电极置于细胞内，将负电极置于细胞外 。细胞外双刺激时，应将正极置于远离引导电极一侧，负极置于靠近引导电极的一侧，以避免阳极阻滞。,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,刺激强度与膜电位变化,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,刺激引起兴奋的原理,1. 膜的去极化是电压门控Na+通道被激活及Na+内流 的过程，期间常伴随膜电位与K+平衡电位（EK）的差值 增大，以及非门控K+通道的K+外流增加，且去极化越明 显、K+外流越多； 2. 阈下刺激时，被激活的Na+通道数
18、目少、Na+内流 引起的膜局部反应（部分去极化）可被K+外流对抗，使 膜的进一步去极化难以实现。而阈刺激可使被激活的 Na+通道数目及Na+内流量皆增加，不被K+外流对抗； 3. 阈刺激所致Na+内流及进一步去极化可在二者间 形成正反馈，这被称为再生性去极化或再生性Na+内流 。,阈刺激所致Na+内流正反馈，称为再生性去极化或再生性Na+内流循环。,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,动作电位的全或无特性,动作电位是对很强的去极化刺激发生的主动反应（图示还 表明，刺激强度越大，刺激和AP间的延迟越短）,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,多细胞标本受刺激的表现,1. 因不同的细胞兴奋性也不同，且手术操作或离体 条件等都将影响到生物膜的特性，从而引起兴奋所需的 阈强度存在某种差别。 2. 故细胞标本受刺激的表现为：在最大刺激强度范 围内，细胞兴奋的数目会随刺激强度的增加而增加 ； 同时，动作电位的叠加还将表现为所记录动作电位幅 度的相应增大，这正是不同的细胞分别具有不同的兴奋 性的表现。 3.最适刺激强度在于使所有细胞都兴奋， 此时动作电位的幅度也达最大。,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,
