細胞的興奮性和生物電現(xiàn)象(閾刺激,靜息電位,動作電位,K平衡電位,鋒電位,Na+平衡電位,電壓鉗,膜片鉗實驗,閾電位,興奮傳導機制 )

　�。ㄈ�）生物電現(xiàn)象的產生機制

　　早在1902年，Bernstein就提出膜學說，他根據(jù)當時關于電離和電化學的理論成果提出了經典的膜學說來解釋當時用粗劣的電測量儀器記錄到的生物電現(xiàn)象。他認為細胞表面膜兩側帶電離子的不同分布和運動，是產生物電的基礎。但在當時和以后相當長的一段時期內，還沒有測量單一細胞電活動的手段和其他有關技術，因此他的學說長期未能得到證實。直到本世紀40～50年代，Hodgkin 和Huxley等開始利用槍烏賊的巨大神經軸突和電生理學技術，進行了一系列有意義的實驗，不僅對經典膜學說關于靜息電位產生機制的假設予以證實，而且對動作電位的產生作了新的解釋和論證。通過這一時期的研究，對于可興奮細胞靜息電位和動作電位的最一般原理已得到闡明，即細胞生物電現(xiàn)象的各種表現(xiàn)，主要是由于某些帶電離子在細胞膜兩側的不均衡分布，以及膜在不同情況下對這些離子的通透性發(fā)生改變所造成的。但是由于當時對細胞膜的分子結構和膜中蛋白質的存在形式和功能還知之甚少，因此Hodgkin等對生物電的理解只能是宏觀的，對微細過程只能用數(shù)學模型來說明。隨著70年代以來蛋白質化學和分子生物學技術的迅速發(fā)展，蛋白質分子從膜結構中克隆出來，并從它們的分子結構的特點來說明通道的功能特性；特別是70年代中期發(fā)展起來的膜片鉗（patch clamp）技術，可以觀察和記錄單個離子通道的功能活動，使宏觀的所謂膜對離子通透性或膜電導的改變，得到了物質的、可測算的證明。

　　1.靜息電位和K⁺平衡電位　Bernstein最先提出，細胞內外鉀離子的不均衡分布和安靜狀態(tài)下細胞膜主要對K⁺有通透性，可能是使細胞能保持內負外正的極化狀態(tài)的基礎。已知所有正常生物細胞細胞內的K⁺濃度超過細胞外K⁺很多，而細胞外Na⁺濃度超過細胞內Na⁺濃度很多，這是Na⁺泵活動的結果；在這種情況下，K⁺必然會有一個向膜外擴散的趨勢，而Na⁺有一個向膜內擴散趨勢。假定膜在安靜狀態(tài)下只對K⁺有通透的可能，那么只能有K⁺移出膜外，這時又由于膜內帶負電荷的蛋白質大分子不能隨之移出細胞，于是隨著K⁺移出，出現(xiàn)膜內變負而膜外變得較正的狀態(tài)。K⁺的這種外向擴散并不能無限制地進行，這是因為移到膜外的K⁺所造成的外正內負的電場力，將對K⁺的繼續(xù)外移起阻礙作用，而且K⁺移出的愈多，這種阻礙也會愈大。因此設想，當促使K⁺外移的膜兩側K⁺濃度勢能差同已移出K⁺造成的阻礙K⁺外移的電勢能差相等，亦即膜兩側的電-化學（濃度）勢代數(shù)和為零時，將不會再有K⁺的跨膜凈移動，而由已移出的K⁺形成的膜內外電位差，也穩(wěn)定在某一不再增大的數(shù)值。這一穩(wěn)定的電位差在類似的人工膜物理模型中稱為K⁺平衡電位。Bernstein用這一原理說明細胞跨膜靜息電位的產生機制。不難理解，K⁺平衡電位所能達到的數(shù)值，是由膜兩側原初存在K⁺濃度差的大小決定的，它的精確數(shù)值可根據(jù)物理化學上著名的Nernst公式（1889）算出：

　　　　（1）

　　(1)式中E_k表示K⁺平衡電位，R是通用氣體常數(shù)，Z是離子價，F(xiàn)是Farady常數(shù)，T是絕對溫度；式中只有[K⁺]_o和[K⁺]_i是變數(shù)，分別代表膜兩側的K⁺濃度。如果把有關數(shù)值代入，室溫以27°С計算，再把自然對數(shù)化為常用對數(shù)，則式（1）可簡化為；(2)

　　　�。�2）

　　如果，Bernstein應用當時物理化學最新成果說明細胞靜息電位產生機制的理論是正確的，那么在細胞實際測得的靜息電位的數(shù)值，應相當于把當時細胞內外K⁺濃度值代入式（2）時計算所得的E_k值。1939年Hodgkin等利用了槍烏賊的巨大神經纖維和較精密的示波器等測量儀器，第一次精確地測出此標本的靜息電位值，結果發(fā)現(xiàn)此值和計算所得的K⁺平衡電位值非常接近而略小于后者；如在一次實驗中測得的靜息電位值為－77mV，而按當時[K⁺]_o和[K⁺]_i值算出的E_k為－87mV，基本上符合膜學說關于靜息電位產生機制的解釋。

　　為了進一步證實這一理論，Hodgkin等又用人工地改變標本浸溶液中K⁺濃度即[K⁺]_o，因而也改變了[K⁺] _o/[K⁺] _i值的實驗方法，觀察到所記錄的靜息電位的什也隨[K⁺]_o的改變而改變，而改變的情況基本上同根據(jù)式（2）計算出的預期值相一致。隨后用微電極細胞內記錄法在纖細的哺乳類標本也進行了類似的實驗，得到類似的結果，如在骨骼肌細胞測得的靜息電位為－90mV，而計算所得的E_k值為－95mV。這些實驗都說明，大多數(shù)細胞的靜息電位的產生，是由于正常細胞的細胞內液高K⁺而膜在安靜時又主要對K⁺有通透能力的結果；至于靜息電位的數(shù)值為何略小于理論上的E_k值，一般認為是由于膜在靜息時對Na⁺也有極小的通透性（大約只有K⁺通透性的1/50～1/100）的緣故；由于膜外Na⁺濃度大于膜內，即使小量的Na⁺逸入膜內也會抵消一部分K⁺外移造成的膜內負電位。醫(yī).學.全.在.線網站www.gydjdsj.org.cn

　　2．鋒電位和Na⁺平衡電位 Hodgkin等根據(jù)興奮時膜內不僅出現(xiàn)負電位的消失，而且出現(xiàn)一定數(shù)值的正電位（相當于前面提到的超射值）的事實，因而認為對動作電位上升支的出現(xiàn)，不能像Bernstein那樣簡單地解釋為膜對K⁺通透性的消失，因為這樣最多也只能使膜內原有的負電位回升到零。他們據(jù)此設想膜在受到刺激時可能出現(xiàn)了膜對Na⁺通透性的突然增大，超過了K⁺的通透性，由于細胞外高Na⁺，而且膜內靜息時原已維持著的負電位也對Na⁺的內流起吸引作用，于是Na⁺迅速內流，結果先是造成膜內負電位的迅速消失；而且由于膜外Na⁺的較高的濃度勢能，Na⁺在膜內負電位減小到零電位時仍可繼續(xù)內移，直至內移的Na⁺在膜內形成的正電位足以阻止Na⁺的凈移入時為止。不難設想，這時膜內所具有的電位值，理論上應相當于根據(jù)膜內外Na⁺濃度差代入Nernst公式時所得出的Na⁺平衡電位值（可寫為E_Na）。實驗數(shù)據(jù)證明，動作電位所能達到的超射值，即膜內正電位的數(shù)值，正相當于計算所得的E_Na；而且實驗中隨著標本浸溶液中Na⁺被同等數(shù)目的葡萄糖分子所代替（使[Na⁺]_o逐漸減�。�，可以看到所能記錄到的動作電位的超射值和整個動作電位的幅度也逐漸減小，其程度也同按Nernst公式算出的預期值基本一致。

　　但是，膜內電位停留在E_Na水平的時間極短；隨后很快出現(xiàn)膜內電位向靜息時的狀態(tài)恢復，亦即出現(xiàn)復極，造成了鋒電位曲線的快速下降支。如后來的實驗證明，這下降支的出現(xiàn)是由于Na⁺通透性的消失，并伴隨出現(xiàn)了K⁺通透性的增大。

　　細胞每興奮一次或產生一次動作電位，總有一部分Na⁺在去極化時進入膜內，一部分K⁺在復極時逸出膜外，但由于離子移動受到各該離子的平衡電位的限制，它們的實際進出量是很小的；據(jù)估計，神經纖維每興奮一次，進入膜內的Na⁺量大約只能使膜內的Na⁺濃度增大約八萬分之一，復極時逸出的K⁺量也類似這個數(shù)量級；即便神經連續(xù)多次產生興奮，短時間內也不大可能明顯地改變膜內高K⁺和膜外高Na⁺這種基本狀態(tài)，而只要這種不均衡離子分布還能維持，靜息電位就可以維持，新的興奮就可能產生。細胞膜兩側K⁺、Na⁺離子的不均衡分布，主要是靠鈉泵蛋白質消耗代謝能建立起來的，而由此形成的勢能貯備卻可供細胞多次產生興奮而不需當時耗氧供能。不過實際上鈉泵的活動又受膜內外Na⁺、K⁺濃度的調控，它對膜內Na⁺濃度增加十分敏感，Na⁺的輕微增加就能促使鈉泵的活動，因此在每次興奮后的靜息期內，都有鈉泵活動的一定程度的增強，將興奮時多進入膜內的Na⁺泵出，同時也將復極時逸出膜外的K⁺泵入，使興奮前原有的離子分布狀態(tài)得以恢復。這時由于兩種離子的轉運同時進行，出入的離子總數(shù)又近于相等，故一般不伴有膜兩側電位的明顯改變。但在膜內Na⁺蓄積過多而使鈉泵的活動過度增強時，上述的定比關系可以改變，結果是泵出的Na⁺量有可能明顯超過泵入的K⁺量，這就可能使膜內負電荷相對增多，使膜兩側電位向超極化的方向變化；這時的鈉泵，就稱為生電性鈉泵。有人認為，鋒電位以后出現(xiàn)的正后電位，是由于生電性鈉泵作用的結果。至于負后電位，則一般認為是在復極時迅速外流的K⁺蓄積在膜外側附近，因而暫時阻礙了K⁺外流的結果。

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