细胞的兴奋性和生物电现象(阈刺激,静息电位,动作电位,K平衡电位,锋电位,Na+平衡电位,电压钳,膜片钳实验,阈电位,兴奋传导机制 )

　　（三)生物电现象的产生机制

　　早在1902年，Bernstein就提出膜学说，他根据当时关于电离和电化学的理论成果提出了经典的膜学说来解释当时用粗劣的电测量仪器记录到的生物电现象。他认为细胞表面膜两侧带电离子的不同分布和运动，是产生物电的基础。但在当时和以后相当长的一段时期内，还没有测量单一细胞电活动的手段和其他有关技术，因此他的学说长期未能得到证实。直到本世纪40～50年代，Hodgkin 和Huxley等开始利用枪乌贼的巨大神经轴突和电生理学技术，进行了一系列有意义的实验，不仅对经典膜学说关于静息电位产生机制的假设予以证实，而且对动作电位的产生作了新的解释和论证。通过这一时期的研究，对于可兴奋细胞静息电位和动作电位的最一般原理已得到阐明，即细胞生物电现象的各种表现，主要是由于某些带电离子在细胞膜两侧的不均衡分布，以及膜在不同情况下对这些离子的通透性发生改变所造成的。但是由于当时对细胞膜的分子结构和膜中蛋白质的存在形式和功能还知之甚少，因此Hodgkin等对生物电的理解只能是宏观的，对微细过程只能用数学模型来说明。随着70年代以来蛋白质化学和分子生物学技术的迅速发展，蛋白质分子从膜结构中克隆出来，并从它们的分子结构的特点来说明通道的功能特性；特别是70年代中期发展起来的膜片钳（patch clamp)技术，可以观察和记录单个离子通道的功能活动，使宏观的所谓膜对离子通透性或膜电导的改变，得到了物质的、可测算的证明。

　　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。已知所有正常生物细胞细胞内的K⁺浓度超过细胞外K⁺很多，而细胞外Na⁺浓度超过细胞内Na⁺浓度很多，这是Na⁺泵活动的结果；在这种情况下，K⁺必然会有一个向膜外扩散的趋势，而Na⁺有一个向膜内扩散趋势。假定膜在安静状态下只对K⁺有通透的可能，那么只能有K⁺移出膜外，这时又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⁺移出，出现膜内变负而膜外变得较正的状态。K⁺的这种外向扩散并不能无限制地进行，这是因为移到膜外的K⁺所造成的外正内负的电场力，将对K⁺的继续外移起阻碍作用，而且K⁺移出的愈多，这种阻碍也会愈大。因此设想，当促使K⁺外移的膜两侧K⁺浓度势能差同已移出K⁺造成的阻碍K⁺外移的电势能差相等，亦即膜两侧的电-化学（浓度)势代数和为零时，将不会再有K⁺的跨膜净移动，而由已移出的K⁺形成的膜内外电位差，也稳定在某一不再增大的数值。这一稳定的电位差在类似的人工膜物理模型中称为K⁺平衡电位。Bernstein用这一原理说明细胞跨膜静息电位的产生机制。不难理解，K⁺平衡电位所能达到的数值，是由膜两侧原初存在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（1889)算出：

　　　　（1)

　　(1)式中E_k表示K⁺平衡电位，R是通用气体常数，Z是离子价，F是Farady常数，T是绝对温度；式中只有[K⁺]_o和[K⁺]_i是变数，分别代表膜两侧的K⁺浓度。如果把有关数值代入，室温以27°С计算，再把自然对数化为常用对数，则式（1)可简化为；(2)

　　　　（2)

　　如果，Bernstein应用当时物理化学最新成果说明细胞静息电位产生机制的理论是正确的，那么在细胞实际测得的静息电位的数值，应相当于把当时细胞内外K⁺浓度值代入式（2)时计算所得的E_k值。1939年Hodgkin等利用了枪乌贼的巨大神经纤维和较精密的示波器等测量仪器，第一次精确地测出此标本的静息电位值，结果发现此值和计算所得的K⁺平衡电位值非常接近而略小于后者；如在一次实验中测得的静息电位值为－77mV，而按当时[K⁺]_o和[K⁺]_i值算出的E_k为－87mV，基本上符合膜学说关于静息电位产生机制的解释。

　　为了进一步证实这一理论，Hodgkin等又用人工地改变标本浸溶液中K⁺浓度即[K⁺]_o，因而也改变了[K⁺] _o/[K⁺] _i值的实验方法，观察到所记录的静息电位的什也随[K⁺]_o的改变而改变，而改变的情况基本上同根据式（2)计算出的预期值相一致。随后用微电极细胞内记录法在纤细的哺乳类标本也进行了类似的实验，得到类似的结果，如在骨骼肌细胞测得的静息电位为－90mV，而计算所得的E_k值为－95mV。这些实验都说明，大多数细胞的静息电位的产生，是由于正常细胞的细胞内液高K⁺而膜在安静时又主要对K⁺有通透能力的结果；至于静息电位的数值为何略小于理论上的E_k值，一般认为是由于膜在静息时对Na⁺也有极小的通透性（大约只有K⁺通透性的1/50～1/100)的缘故；由于膜外Na⁺浓度大于膜内，即使小量的Na⁺逸入膜内也会抵消一部分K⁺外移造成的膜内负电位。医.学.全.在.线网站www.lindalemus.com

　　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，因而认为对动作电位上升支的出现，不能像Bernstein那样简单地解释为膜对K⁺通透性的消失，因为这样最多也只能使膜内原有的负电位回升到零。他们据此设想膜在受到刺激时可能出现了膜对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⁺的较高的浓度势能，Na⁺在膜内负电位减小到零电位时仍可继续内移，直至内移的Na⁺在膜内形成的正电位足以阻止Na⁺的净移入时为止。不难设想，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（可写为E_Na)。实验数据证明，动作电位所能达到的超射值，即膜内正电位的数值，正相当于计算所得的E_Na；而且实验中随着标本浸溶液中Na⁺被同等数目的葡萄糖分子所代替（使[Na⁺]_o逐渐减小)，可以看到所能记录到的动作电位的超射值和整个动作电位的幅度也逐渐减小，其程度也同按Nernst公式算出的预期值基本一致。

　　但是，膜内电位停留在E_Na水平的时间极短；随后很快出现膜内电位向静息时的状态恢复，亦即出现复极，造成了锋电位曲线的快速下降支。如后来的实验证明，这下降支的出现是由于Na⁺通透性的消失，并伴随出现了K⁺通透性的增大。

　　细胞每兴奋一次或产生一次动作电位，总有一部分Na⁺在去极化时进入膜内，一部分K⁺在复极时逸出膜外，但由于离子移动受到各该离子的平衡电位的限制，它们的实际进出量是很小的；据估计，神经纤维每兴奋一次，进入膜内的Na⁺量大约只能使膜内的Na⁺浓度增大约八万分之一，复极时逸出的K⁺量也类似这个数量级；即便神经连续多次产生兴奋，短时间内也不大可能明显地改变膜内高K⁺和膜外高Na⁺这种基本状态，而只要这种不均衡离子分布还能维持，静息电位就可以维持，新的兴奋就可能产生。细胞膜两侧K⁺、Na⁺离子的不均衡分布，主要是靠钠泵蛋白质消耗代谢能建立起来的，而由此形成的势能贮备却可供细胞多次产生兴奋而不需当时耗氧供能。不过实际上钠泵的活动又受膜内外Na⁺、K⁺浓度的调控，它对膜内Na⁺浓度增加十分敏感，Na⁺的轻微增加就能促使钠泵的活动，因此在每次兴奋后的静息期内，都有钠泵活动的一定程度的增强，将兴奋时多进入膜内的Na⁺泵出，同时也将复极时逸出膜外的K⁺泵入，使兴奋前原有的离子分布状态得以恢复。这时由于两种离子的转运同时进行，出入的离子总数又近于相等，故一般不伴有膜两侧电位的明显改变。但在膜内Na⁺蓄积过多而使钠泵的活动过度增强时，上述的定比关系可以改变，结果是泵出的Na⁺量有可能明显超过泵入的K⁺量，这就可能使膜内负电荷相对增多，使膜两侧电位向超极化的方向变化；这时的钠泵，就称为生电性钠泵。有人认为，锋电位以后出现的正后电位，是由于生电性钠泵作用的结果。至于负后电位，则一般认为是在复极时迅速外流的K⁺蓄积在膜外侧附近，因而暂时阻碍了K⁺外流的结果。

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