（三）细胞的跨膜电变化

1.神经和骨骼肌细胞的生物电现象

§微课2：静息电位及其相关概念

兴奋性是(excitability)可兴奋组织在受刺激时产生生物电（动作电位）的能力，而兴奋(excitation)就是指产生了动作电位，或者说产生了动作电位才是兴奋。

(1)单一细胞的跨膜静息电位和动作电位

静息电位(restingpotential)是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。测量细胞静息电位的方法：测量仪器包括示波器和它相连的一对测量电极，有一个放在细胞的外表面，另一个连接微电极，准备刺入膜内。只要细胞未受到剌激或损伤，当微电极刺穿细胞膜进入膜内，那么在电极尖端刚刚进入膜内的瞬间，在记录仪器上将显示出一个突然的电位跃变，这表明细胞膜内外两侧存在着电位差。

因为这一电位差是存在于安静细胞的表面膜两侧的，故称为跨膜静息电位，简称静息电位。静息电位表现为膜内较膜外为负。

  通常把静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态称为膜的极化(polarization)；当静息时膜内外电位差的数值向膜内负值大的方向变化时，称为膜的超极化(hyperpolarization)；相反，如果膜内电位向负值减小的方向变化，称为去极化或除极化(depolarization)；细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称作复极化(repolarization)。

动作电位(action potential)是膜受刺激后在原有的静息电位基础上发生的一次膜两侧电位的快速的倒转和复原，亦即先出现膜的快速去极化而后又出现复极化。

§微课3：动作电位产生机制

  

当神经纤维在安静状况下受到一次短促的刺激，只要刺激达到一定的强度，将会看到膜内原来存在的负电位迅速消失，进而变成正电位，即膜内电位在短时间内由原来的-70 ～ -90mV变到+20 ～ +40mV的水平，由原来相对的内负外正变为内正外负。这样，整个膜内外电位变化的幅度应是90～130mV，这构成了动作电位变化曲线的上升支。如果计算这时膜内电位由零值变正的数值，则应在整个幅值中减去膜内电位由负上升到零的数值，约为35mV，称为超射值。但是，由刺激所引起的这种膜内外电位的倒转只是暂时的，很快就出现膜内电位的下降，由正值的减小发展到膜内出现剌激前原有的负电位状态，这构成了动作电位曲线的下降支。在描记的图形上表现为一次短促而尖锐的脉冲样变化，因而人们常把这种构成动作电位主要部分的脉冲样变化称为锋电位。在锋电位下降支最后恢复到静息电位水平以前，膜两侧电位还要经历一些微小而较缓慢的波动，称为后电位，一般是先有一段持续5～30ms的负后电位，再出现一段延续更长的正后电位。

 

动作电位或锋电位的产生是细胞兴奋的标志，它只在外加刺激达到一定强度时才能出现。

但单一神经或肌细胞动作电位的一个特点是，在剌激过弱时不出现，但在刺激达到一定强度以后，它并不随刺激的强弱而改变固有的大小和波形。此外，动作电位在受剌激部位产生后，还可沿着细胞膜向周围传播，而且传播的范围和距离并不因原初剌激的强弱而有所不同。这种在同一细胞上动作电位大小不随剌激强度和传导距离而改变的现象，称作“全或无”现象。

(2）生物电现象的产生机制

 ①静息电位和K⁺平衡电位  Bernstein最先提出，细胞内外钾离子的不均衡分布和安静状态下细胞膜主要对K⁺有通透性，可能是使细胞能保持内负外正的极化状态的基础。并得到后来的实验证实。已知正常时细胞内的K⁺浓度总是超过细胞外K⁺浓度很多，而细胞外Na⁺浓度总是超过细胞内Na⁺浓度很多，这是Na⁺泵活动的结果。由于高浓度的离子具有较高的势能，K⁺有向膜外扩散的趋势，而Na⁺有向膜内扩散的趋势。膜在安静状态下只对K⁺有通透的可能，那么就只有K⁺能以易化扩散的形式移向膜外，由于膜内带负电荷的蛋白质大分子不能随之移出细胞，于是随着K⁺的移出，就会出现膜内变负而膜外变正的状态，而这将对K⁺的进一步移出起阻碍作用；K⁺移出越多，膜的外正内负的情况越明显，于是很快会出现一种情况，即当移到膜外的K⁺所造成的外正内负的电场力，足以对抗K⁺由于膜内高浓度而形成的外移趋势时，膜内外不再有K⁺的净移动，而膜两侧的电位差即内负外正的情况也稳定在某一数值。这一状态在非生物的人工膜物理模型中也可看到，称为K⁺平衡电位。

  

Bemtein正是用这一原理来说明细胞跨膜静息电位的产生机制的。K⁺平衡电位所能达到的数值，是由膜两侧原初存在的K⁺浓度差的大小决定的，它的精确数值可根据物理化学上著名的Nernst公式(略)算出。

②锋电位和Na⁺平衡电位  Hodgkin等根据兴奋时膜内不仅出现负电位的消失，而且出现一定数值的正电位(相当于前面提到的超射值)的事实，认为动作电位上升支的出现，是由于膜对Na⁺通透性的突然增大，超过了K⁺的通透性；由于细胞外高Na⁺，而且膜内静息时原已维持着的负电位也对Na⁺的内流起吸引作用，于是Na⁺迅速内流，结果先是造成膜内负电位的迅速消失；而且由于膜外Na⁺较高的浓度势能， Na⁺在膜内负电位减小到零时仍可继续内移，直至内移的Na⁺在膜内形成的正电位足以阻止的Na⁺静移动为止；这时膜内所具有的电位值，理论上应相当于根据膜内、外Na⁺浓度差代入Nernst公式时所得出的Na⁺平衡电位值。

膜对Na⁺的通透性的增加，实际是膜结构中存在的电压门控性Na⁺通道开放的结果，因而造成Na⁺向膜内的易化扩散。用70年代建立起来的膜片钳实验技术(Nder和Sakmann等，1975)可以直接观察单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透难易程度等特性。

③ Na⁺通道的失活和膜电位的复极  Na⁺通道的开放主要出现在人工去极化开始后的几个毫秒之内；以后去极化还在继续，但通道开放的概率几乎已下降到零。这显示出通道的一个重要功能特性，称为失活(inactivation)。Na⁺通道失活的特点是它的失活出现较其他离子通道为快；通道失活表现为通道不因为尚存在的去极化而继续开放，也不因为新的去极化再行开放；只有当去极化消除后，通道才可能解除失活，才可能由于新出现的去极化而再进入开放状态。通道的激活、失活和功能恢复，都是以蛋白质内部结构，即它的构型和构象的相应变化为基础的。

Na+通道失活的迅速出现，可以解释神经或肌细胞的动作电位达到超射值的顶点后何以不能维持在这一数值，而是迅速下降，表现为锋电位的形式。因为这时大多数被激活的Na⁺通道已进入失活状态而不再开放。这也决定了神经和肌组织在接受剌激而兴奋，亦即正当出现锋电位的时期内，不可能再接受任何新的刺激而出现新的锋电位，因而也不可能发生两次锋电位的叠加。这一时期称为绝对不应期(absolute refractory period)。绝对不应期之后，还接着有一个相对不应期(relative refractory period)发生，标志着一些失活的Na⁺通道已开始恢复，这时只有一些较正常时更强的剌激才能引起新的兴奋。

 造成动作电位很快出现下降支的另一个重要因素：就是差不多在Na⁺通道失活的同时，膜结构中的电压门控性K⁺通道的开放。这一类K⁺通道不同于维持细胞静息电位的K⁺通道。这时由于膜内的高K⁺浓度，于是出现了K⁺的外流，使膜内电位变负，最后恢复到静息时的K⁺平衡电位的状态。