“膜电位”.ppt

第2章 生物电信号的特征 常向荣 changxiangrong@163.com 2.1 细胞和组织的电学特性 生物电现象是生命活动的基本属性,几乎一切生命过程中都伴随生物电的产生。 人体的各种生物电的研究、记录已经成为了解人体各器官的功能、临床诊断、治疗的可靠依据。 首先从单个细胞生物电现象人手,简单分析各种生物电信号的形成及特征 生物电位是由“可兴奋细胞”的电化学活动产生的,这些细胞是神经、肌肉或腺组织的组成成分。 平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV～-100mV，细胞内带负电,细胞外带正电。 给予适当剌激产生动作电位，是迅速变化的电位。动作电位是随神经、肌肉和其他细胞冲动的传导而存在的, 如图所示。 无脊椎动物轴突动作电位 心肌细胞未受外界任何刺激(神经剌激、体液调节、电脉冲、光、机械等剌激)而处于生理静息状态 生理学上称为“静息电位”（ resting potential ）,也叫“膜电位”。 细胞膜外面带正电,膜内带负电,膜内外存在着电势差。 一般往往把膜外电位定为零，当膜内电位低于膜外电位时，称为“负电位”；反之则称为“正电位”。 对于房、室心肌细胞而言,在静息期膜内电位为-80mV 此时心肌细胞所处的静息状态叫“极化状态”（polarization）,如图2.1.2-1所示。 图 2.1.2-1 心肌细胞的动作电位各时相 静息时: K+的膜内浓度比膜外高30倍; Na+的膜外浓度比膜内高10-15倍; CL-的膜外浓度比膜内高4～7倍; Ca2+的膜外浓度比膜内高104倍; 蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等 由此可知,膜内外的K+、Na+、CL-、Ca2+等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。 一般说，细胞内液和外液中各种离子和荷电的蛋白质分子的正负电荷是各自相等的 但是同一种离子在细胞膜内和细胞膜外的离子浓度有很大差别。 表2.1.1-1细胞内外的主要离子浓度分布 (单位×l0-3 mol/L) 静息时： 只有部分K+通道开放,允许K+在浓度梯度作用下发生跨膜扩散 对Na+的通透性很差 胞内其它带负电的氨基酸和蛋白质不能通过膜,它们留在膜内并且隔着膜吸引跑到膜外的K+,因此形成内负外正的极化状态。 静息时跨过膜的电位差应该等于K+的平衡电位。 已知细胞内、外K+的有效浓度分别为[K+i] 和 [ K+o] （单位为mol/L），则根据Nernst方程式计算出 K+的平衡电位 Ek: 常温下(25℃)若将各项值代入，并把自然对数换为常用对数，则Nernst方程式可以简化为: 代人表2.1.1-1给出参数,得Ek =-80mV,理论计算值与实测结果很接近。 扩散形成的能斯特电势 神经,肌肉细胞未受外界刺激下，细胞膜的半透性使内外离子浓度不同 假设离子带正电，因此存在浓度高的C1向浓度低的C2的扩散现象，结果使右侧正电荷，左侧负电荷集聚在膜两边，形成阻碍进一步扩散的电场E使扩散运动达到平衡。 浓度差引起的扩散所产生的电势E可用玻耳兹曼能量分布定理计算。即在温度一定的条件下，电势能E与离子平均密度n有关系： 推导细胞的扩散电位差（跨膜电位） 浓度差引起的扩散所产生的电势E可用玻耳兹曼能量分布定理计算。即在温度一定的条件下，电势能E与离子平均密度n有关系： 如果半透膜两边离子密度分别为n1,n2，电位为U1,U2，离子价数为Z，电子电量e，则两侧离子电势能分别为 : 取对数 因为膜两侧的浓度C与离子密度n成正比 或者 这就是能斯特(Nernst)方程式，式中ε为扩散电位差，生理学上为膜两边的跨膜电位 细胞膜的模拟等效电路 细胞膜用来分隔两种导电性很好的溶液,膜两边存在着稳定的电位差 膜对某些离子很难通透,因此有些象一只充了电的电容器 又因为膜对某些离子容易通透，又可设想为膜具有一定的电阻,象电容器极板间介质的漏电阻一样 细胞膜静息电位的计算 根据上述公式可以计算： 只有极少一部分K+离子参与了建立静息电位,这一点可以利用细胞膜的等效电路说明。 膜的电容值为：C = 1.3pF = 1.3×10-12 F(法拉)。若已知膜电位为V = - 85mV，代入公式Q = CV,可求得应带的电量为 Q=1.3×10-12 × 0.085 = 1.1×10-13库仑(C)。 这些电量应是Q/e 个K+ 离子所有,已知e=1.6×10-19库仑（即K+离子的电量）, 得参与的K+离子数应为： Q/e = 6.9×105 已知典型的细胞体积为10-9 cm3 ,K+离子的浓度约为0.14克分子/升,或每立方厘米约有0.14×6×1023 /1