2019胡优敏《电生理学技术及临床应用》细胞电生理学基础02.ppt
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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
2、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: 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
3、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/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
4、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, 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
5、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/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
6、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,Ex
7、tracellular,Intracellular,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
8、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(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(elec
9、trochemical driving force),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 GENESIS OF BIOELECTRICAL ACTIVITY 1902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
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