电生理学基本知识与技术.ppt

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1、电生理学基本知识与技术朱克刚（药理学副教授、机能学部主任兼机能学综合实验室主任）生物膜的电学特性生物膜的等效电路膜时间常数跨膜离子电流与膜电位变化刺激电流与膜电位变化刺激强度与膜电位变化生物膜的等效电路生物膜的电学特性—[生物膜的等效电路]生物膜的结构与跨膜信号转导可兴奋细胞的跨膜电位差与离子的选择性通透性跨膜电位差的物理学描述—电阻抗（R）或膜电阻（Rm)膜可贮存电荷的物理学描述—电容器（C）或膜电容（Cm）Rm与Cm的并联关系即膜的等效电路生物膜的电学特性—[生物膜的等效电路]膜时间常数生物膜的

2、电学特性—[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生物膜的电学特性—[膜时间常数]Vm=I/Cm的原理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.膜电位变化快慢最终由时间常数t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3.不同的生物膜，t值大小也不同生物膜的电学特性—[

3、膜时间常数]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：E=IR（1-et/t）3.由矩形脉冲电流引起的生物膜电位变化：Vm=ImRm(1-et/t)4.公式中e=2.72……为指数系数，t=RC为时间常数5.公式表明，膜电位下降到最初值的1/e所需时间为一个时间常数，即膜电位变化达最终值的63%所需时间为一个时间常数生物膜的电学特性—[膜时间常数]理论意义与实际应用1.生物膜中t的变化很大（神经元约1～20ms），但经

4、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.生物机能实验中，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的影响跨膜离子电流与膜电位变化生物膜的电

5、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=V/R2.电导是电阻的倒数（G=I/R），引入电导概念：I=gV或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生物膜的电学特性—[跨膜离子电流与膜电位变化]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

6、与该离子的平衡电位（Es）有关：I=g(E-Es)2.公式表明，离子流过通道的驱动力是E-Es而非E3.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]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的电位是与离子的平衡电位相等的电位而不是0mV处。因电流在此电位改变

7、方向，故又称反转电位3.根据反转电位值可以判断该通道电流是何种离子跨膜流动引起的Current-Voltagerelationship(I-VCurve)生物膜的电学特性—[跨膜离子电流与膜电位变化]研究I-V关系的理论意义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”现象生

8、物膜的电学特性—[跨膜离子电流与膜电位变化]实际应用1.在生物膜的等效电路中，因Rm和Rc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+Ic2.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），从而Rm和Cm的不同也将影响到Vm4.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处于稳定状态刺激