生物电及其研究进展,生物电现象,生命活动过程中出现的电现象称为生物电现象(bioelectric phonomenon)。,恩格斯在100多年前总结自然科学成就时指出“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象”。,生命的基本特征：,新陈代谢,兴奋性,生殖,新陈代谢是指机体主动地与环境进行物质和能量交换，以及机体内部物质和能量的转变、转移过程。,一切活组织或细胞，当其周围环境条件迅速改变时，有产生动作电位并发生反应的能力或特性。,是个体生长发育到一定阶段时可产生相似的另一新个体的过程。,1 生物电研究简史,1.1 18世纪意大利生理学家 Galvani 进行的“凉台实验” 是生物电研究的开端。,1.2 科学史上的一次大辩论,Galvani 认为，这是生物电存在的证明，即肌肉宛如蓄有电荷的莱顿瓶，由于其电荷通过金属导体放电引起了肌肉的收缩。,同时代意大利物理学家伏特(Volta)不同意现象发现人对所观察到的现象的解释。他认为刺激肌肉引起收缩的电流是来自两种金接触产生的电位差，而肌肉在其中只不过起了导体的作用。,1.2.1 Galvani 的“无金属收缩”实验,1.2.2 Volta 的铜锌伏特电池,1.3 19世（1842）纪意大利生理学家 Matteucci 进行的 “二次收缩”实验,1.4 关于生物电的来源,1.4.1 德国生理学家 Reymond 的“极化分子说”,神经与肌肉中存在着生物电，在合适的条件下，如受到损伤或进入兴奋状态便可被测出。,1.4.2 Hermann (Reymond 的学生)的 “变质学说”,神经与肌肉细胞中本无生物电，在实验中测到的损伤电位和负电变化都是由于组织受到损伤或进入活动状态而发生了局部变质方产生出来的。,1.4.3 Bernstein (Reymond 的学生)的 “生物电的既存学说”,这一学说认为，电位存在于神经和肌细胞膜的两侧。在静息状态，膜只对K+有通透性，对较大的正离子和负离子均无通透性。由于膜对K+的选择性通透和膜内外存在的K+浓度差，便产生了静息电位。当神经兴奋时，膜对K+的这种选择性通透瞬时丧失变成无选择性通透，导致膜两侧电位差的瞬时消失，便形成了动作电位。,1.5 神经纤维电活动的引导,在20世纪初叶，随着弦线电流计和毛细管电位计等的应用，生物电的研究虽有进展，但还是比较缓慢。直到进入了20年代阴极射线示波器等近代电子学设备引入神经生理学研究，方促进了生物电的研究。,Gasser和Erlanger应用阴极射线示波器首次记录并分析了单根神经纤维的电活动及其功能（单根神经纤维的绝然不同的功能研究 ），这一研究成果极大地推动了生物电研究的发展，是一具有划时代的成果。为此两人共同获得1944年度诺贝尔奖。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1944,Joseph Erlanger 美国 华盛顿大学 1874年-1965年,Herbert Spencer Gasser 美国 洛克菲勒医学研究所 1888年-1963年,1.6 微电极在生物电研究中的应用,英国生理学家Hodgkin和Huxley 将毛细玻璃管电极从乌贼神经干切口纵向插入该巨轴突内首次实现了静息电位和动作电位的胞内记录，并在对这两种电位的精确定量分析的基础上，证实并发展了Bernstein关于静息电位膜学说的同时，又提出了动作电位的钠学说。,澳大利亚国立大学的生理学家Eccles应用尖端直径小于1m的玻璃微电极，对脊髓神经元及其突触的电生理特性进行了研究，发现了兴奋性和抑制性突触后电位。,1.6.1 微电极在神经元功能研究中的应用,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963,Andrew Fielding Huxley,Sir John Carew Eccles,Alan Lloyd Hodgkin,London University London, Great Britain,Australian National University Canberra, Australia,Cambridge University Cambridge, Great Britain,发现了神经细胞膜的周边和中央部分与兴奋和 抑制有关的离子机制,埃克尔斯爵士，霍奇金教授，赫克斯利教授：在这科学历史中具有伟大传统的欢庆时刻，我们看到的和听到的现象，包括我们的思维过程本身，以及我们说的、谈的，均依赖于中枢神经系统内的过程，即依赖于由神经电冲动组成的语言及与之应答的神经细胞的突触对它的反应。由于他们阐明了外周和中枢中单元电活动的性质，他们将有关神经活动的知识提高到一种更明晰的水平，这是同时代的人们没有想到的。,这三位诺贝尔奖获得者的结果论述了神经冲动本身的性质，以及在神经细胞体引起的电变化，特别是论述了“兴奋”和“抑制”这两种基本的活动。他们使用的方法是以电子学技术为基础的。他们用微电极记录电活动，将其放大百万倍，然后显示在阴极射线管的屏幕上。,1.6.2 微电极在神经肌肉接头功能研究中的应用,卡茨对运动神经冲动作用于运动终板引起肌肉活动中发生的电变化进行了研究。 奥伊勒对交感神经系统进行了研究，特别鉴定了肾上腺素物质，去甲肾上腺素。 阿克塞尔拉德主要对递质物质去甲肾上腺素从神经末梢释放后的命运感兴趣。在这方面，他发现和研究了递质物质在酶作用下甲基化而失活，而且更重要的是他证明了去甲肾上腺素被神经末梢重摄取。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1970,阿克塞尔拉德 Julius Axelrod 美国 国立卫生研究所 1912年-,卡茨 Sir Bernard Katz 英国 伦敦大学学院 1911年-,奥伊勒 Ulf von Euler 瑞典 斯德哥尔摩卡罗琳学院 1905年-1983年,与所有重要的发现一样，在神经传递中化学递质的发现导致了变革性的新思想。神经化学和神经药理学很快发展成庞大的科学分支。由此便有许多新问题出现了。这样具有高度活性的物质是怎样合成、贮存和释放的？它们怎么能在不到1秒的时间内出现、产生作用并消失？但如果要用化学中介来解释神经过程中发生的快的链索过程的话，必须是这样的。有哪些种物质参与其中呢？今天获奖者中的每一位均在解决这个领域的问题中，作出了自己的特殊贡献。,2 静息膜电位,细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差，称为静息电位（resting potential）。,2.1 静息膜电位的概念,2.1 静息膜电位的形成机制,2.1.1 离子分布不均，是形成静息电位的前提。,表1-1 典型的哺乳动物细胞内外离子浓度的比较 单位：mmol/L,在静息状态，膜只对K+有通透性，对较大的正离子和负离子均无通透性。由于膜对K+的选择性通透和膜内外存在的K+浓度差，便产生了静息电位。,2.1.2 离子通透性不同，是形成静息电位的条件。,3 动作电位,3.1 概念,可兴奋组织受到刺激而发生兴奋时，细胞膜原来的极化状态迅速消失，并继而发生倒转和复原等一系列电位变化，称为动作电位（action potential） 。,3.2 动作电位的形成过程,霍奇金等根据细胞受到有效刺激时膜内负电位消失，且产生正电位的事实，设想膜在受到刺激时可能是Na+通透性的突然增大，以致超过K+通透性,使大量Na+涌入膜内的结果。实验数据表明，动作电位所能达到的膜内正电位的数值相当于Na+的平衡电位；并且实验中随着标本浸浴液中Na+被同等数目的葡萄糖分子所代替（使膜外Na+浓度逐渐减小），所记录的超射值和整个动作电位也随之下降，与Na+平衡电位计算值基本一致。但精确地说，动作电位并不能达到Na+平衡电位。这主要是由于在动作电位高峰时，虽然膜对Na+不能自由通透，但是尚有残余的K+和Cl-通透。,3.3 动作电位的传导,3.4 动作电位的特性,“全或无定律”（all-or-none law）。,只要外来刺激大于能引起再生性循环的水平，膜内去极化的速度就不再决定于原刺激的大小，而取决于原来静息电位的值和膜两侧浓度差。就是说动作电位要么不产生（无），一旦产生就达到最大值（全）。,不衰减传导,动作电位一旦在细胞膜的某一部位产生，它就会向整个细胞膜传播，而且它的幅度不会因为传播距离的增加而减弱。,组织兴奋性的周期性变化,当组织、细胞受到一次刺激发生兴奋时，它们的兴奋性将经历一系列有次序的变化。以神经组织为例，兴奋后首先出现一个非常短暂的绝对不应期，在此期内无论第二次刺激强度多大，都不能使它再次兴奋。这时组织的兴奋性由正常水平（100%）暂时下降为零，故又称为乏兴奋期。继绝对不应期之后，组织的兴奋性逐渐恢复，出现相对不应期。在此期内，第二个刺激有可能引起新的兴奋，但所用的刺激强度必须超过该组织通常所需的阈强度。在相对不应期之后，组织还要经历一段兴奋性，先是轻度增高继而又低于正常的较缓慢的变化时期，分别称为超常期和低常期。,3.5 局部反应（local response）及其特性,细胞受到单个阈下刺激的作用不会产生动作电位，但不是无反应，也将引起去极化，但未达到阈电位水平，仅能使Na+少量通道开放，这时的Na+内流叫做局部反应或局部兴奋。,局部兴奋有以下几个基本特性：,不是“全或无”的，而是随着阈下刺激的增大而增大； 只能呈递减性传播，传播数十至数百微米即消失，称为电紧张扩布，这与动作电位截然不同； 由于没有不应期所以具有总和(summation)效应，即多个阈下刺激引起的多个局部反应如果在时间上（在同一部位连续给予）或空间上（同时在相邻的部位给予）叠加起来，就有可能使膜的去极化达到阈电位，从而引发动作电位。,4 离子通道,静息膜电位是由神经元膜处于静息状态时的离子通透性和离子的跨膜浓度梯度决定的，而其中的离子通透性又是由膜中那些在静息状态下持续开放的、被称为静息离子通道或无闸门通道所控制的。换句话说，离子通道是调控电信号的产生与传导的实体。,4.1 离子通道模型的提出及其实验证明,Hodgkin和 Huxley提出的离子通道模型,1972年Katz通过对在神经肌肉接头后膜记录到的乙酰胆碱（Ach）噪声进行的实验分析。得出了n 型 Ach 受体（nAchR）离子通道的电导、平均开放时间和开放频率等数据。直到 1976年 Neher 和Sakman 用膜片钳技术成功地记录了nAchR 单离子通道电流，方开创了直接实验研究离子通道功能的先河。为此他们获得了1991年度的诺贝尔奖。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991,内尔 Erwin Neher 德国 马克斯-普朗克学院 1944年-,塞克曼 Bert Sakmann 德国 马克斯-普朗克学院 1942年-,细胞是通过细胞膜与外界隔离的，在细胞膜上有很多通道，细胞就是通过这些通道与外界进行物质交换的。这些通道由单个分子或多个分子组成，允许一些离子通过。通道的调节影响到细胞的生命和功能。Neher 和Sakmann合作，结果发现当离子通过细胞膜上的离子通道的时候，产生十分微弱的电流。Neher and Sakmann在实验中，利用与离子通道直径近似的钠离子或氯离子，最后达到共识：离子通道是存在的，以及它们如何发挥功能的。有一些离子通道上有感应器，他们甚至发现了这些感受器在通道分子中的定位。 离子通道的发现，是现代分子生物学史上的一次革命，在临床上，也使人们对于一些疾病如糖尿病，囊性纤维变性等的细胞学机制，有了进一步的认识。,4.2 记录单离子通道电流的膜片钳技术,用尖端直径稍大(0.53.0m)的玻璃微电极(必要时可用热处理电极尖端使之光滑些)，电极内灌充相应的溶液。实验时先将电极尖端抵在胞膜上(表面应平滑)，向电极内加少许负压，使电极尖端密着在胞膜上。这时的电极电阻必须达G(109)水平(称G封接)，否则达不到记录单离子通道电流的