�。ㄈ�)生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制

　　早在1902年，Bernstein就提出膜學(xué)說，他根據(jù)當(dāng)時(shí)關(guān)于電離和電化學(xué)的理論成果提出了經(jīng)典的膜學(xué)說來解釋當(dāng)時(shí)用粗劣的電測(cè)量儀器記錄到的生物電現(xiàn)象。他認(rèn)為細(xì)胞表面膜兩側(cè)帶電離子的不同分布和運(yùn)動(dòng)，是產(chǎn)生物電的基礎(chǔ)。但在當(dāng)時(shí)和以后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，還沒有測(cè)量單一細(xì)胞電活動(dòng)的手段和其他有關(guān)技術(shù)，因此他的學(xué)說長期未能得到證實(shí)。直到本世紀(jì)40～50年代，Hodgkin 和Huxley等開始利用槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突和電生理學(xué)技術(shù)，進(jìn)行了一系列有意義的實(shí)驗(yàn)，不僅對(duì)經(jīng)典膜學(xué)說關(guān)于靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的假設(shè)予以證實(shí)，而且對(duì)動(dòng)作電位的產(chǎn)生作了新的解釋和論證。通過這一時(shí)期的研究，對(duì)于可興奮細(xì)胞靜息電位和動(dòng)作電位的最一般原理已得到闡明，即細(xì)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(xì)胞膜兩側(cè)的不均衡分布，以及膜在不同情況下對(duì)這些離子的通透性發(fā)生改變所造成的。但是由于當(dāng)時(shí)對(duì)細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)和膜中蛋白質(zhì)的存在形式和功能還知之甚少，因此Hodgkin等對(duì)生物電的理解只能是宏觀的，對(duì)微細(xì)過程只能用數(shù)學(xué)模型來說明。隨著70年代以來蛋白質(zhì)化學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，蛋白質(zhì)分子從膜結(jié)構(gòu)中克隆出來，并從它們的分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(shù)，可以觀察和記錄單個(gè)離子通道的功能活動(dòng)，使宏觀的所謂膜對(duì)離子通透性或膜電導(dǎo)的改變，得到了物質(zhì)的、可測(cè)算的證明。

　　1.靜息電位和K⁺平衡電位　Bernstein最先提出，細(xì)胞內(nèi)外鉀離子的不均衡分布和安靜狀態(tài)下細(xì)胞膜主要對(duì)K⁺有通透性，可能是使細(xì)胞能保持內(nèi)負(fù)外正的極化狀態(tài)的基礎(chǔ)。已知所有正常生物細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)的K⁺濃度超過細(xì)胞外K⁺很多，而細(xì)胞外Na⁺濃度超過細(xì)胞內(nèi)Na⁺濃度很多，這是Na⁺泵活動(dòng)的結(jié)果；在這種情況下，K⁺必然會(huì)有一個(gè)向膜外擴(kuò)散的趨勢(shì)，而Na⁺有一個(gè)向膜內(nèi)擴(kuò)散趨勢(shì)。假定膜在安靜狀態(tài)下只對(duì)K⁺有通透的可能，那么只能有K⁺移出膜外，這時(shí)又由于膜內(nèi)帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)大分子不能隨之移出細(xì)胞，于是隨著K⁺移出，出現(xiàn)膜內(nèi)變負(fù)而膜外變得較正的狀態(tài)。K⁺的這種外向擴(kuò)散并不能無限制地進(jìn)行，這是因?yàn)橐频侥ね獾腒⁺所造成的外正內(nèi)負(fù)的電場(chǎng)力，將對(duì)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(huì)愈大。因此設(shè)想，當(dāng)促使K⁺外移的膜兩側(cè)K⁺濃度勢(shì)能差同已移出K⁺造成的阻礙K⁺外移的電勢(shì)能差相等，亦即膜兩側(cè)的電-化學(xué)（濃度)勢(shì)代數(shù)和為零時(shí)，將不會(huì)再有K⁺的跨膜凈移動(dòng)，而由已移出的K⁺形成的膜內(nèi)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(xì)胞跨膜靜息電位的產(chǎn)生機(jī)制。不難理解，K⁺平衡電位所能達(dá)到的數(shù)值，是由膜兩側(cè)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(xué)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(jià)，F(xiàn)是Farady常數(shù)，T是絕對(duì)溫度；式中只有[K⁺]_o和[K⁺]_i是變數(shù)，分別代表膜兩側(cè)的K⁺濃度。如果把有關(guān)數(shù)值代入，室溫以27°С計(jì)算，再把自然對(duì)數(shù)化為常用對(duì)數(shù)，則式（1)可簡化為；(2)

　　　　（2)

　　如果，Bernstein應(yīng)用當(dāng)時(shí)物理化學(xué)最新成果說明細(xì)胞靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的理論是正確的，那么在細(xì)胞實(shí)際測(cè)得的靜息電位的數(shù)值，應(yīng)相當(dāng)于把當(dāng)時(shí)細(xì)胞內(nèi)外K⁺濃度值代入式（2)時(shí)計(jì)算所得的E_k值。1939年Hodgkin等利用了槍烏賊的巨大神經(jīng)纖維和較精密的示波器等測(cè)量儀器，第一次精確地測(cè)出此標(biāo)本的靜息電位值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此值和計(jì)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(shí)驗(yàn)中測(cè)得的靜息電位值為－77mV，而按當(dāng)時(shí)[K⁺]_o和[K⁺]_i值算出的E_k為－87mV，基本上符合膜學(xué)說關(guān)于靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的解釋。

　　為了進(jìn)一步證實(shí)這一理論，Hodgkin等又用人工地改變標(biāo)本浸溶液中K⁺濃度即[K⁺]_o，因而也改變了[K⁺] _o/[K⁺] _i值的實(shí)驗(yàn)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(jì)算出的預(yù)期值相一致。隨后用微電極細(xì)胞內(nèi)記錄法在纖細(xì)的哺乳類標(biāo)本也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，得到類似的結(jié)果，如在骨骼肌細(xì)胞測(cè)得的靜息電位為－90mV，而計(jì)算所得的E_k值為－95mV。這些實(shí)驗(yàn)都說明，大多數(shù)細(xì)胞的靜息電位的產(chǎn)生，是由于正常細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)液高K⁺而膜在安靜時(shí)又主要對(duì)K⁺有通透能力的結(jié)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(rèn)為是由于膜在靜息時(shí)對(duì)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(nèi)，即使小量的Na⁺逸入膜內(nèi)也會(huì)抵消一部分K⁺外移造成的膜內(nèi)負(fù)電位。醫(yī).學(xué).全.在.線網(wǎng)站www.gydjdsj.org.cn

　　2．鋒電位和Na⁺平衡電位 Hodgkin等根據(jù)興奮時(shí)膜內(nèi)不僅出現(xiàn)負(fù)電位的消失，而且出現(xiàn)一定數(shù)值的正電位（相當(dāng)于前面提到的超射值)的事實(shí)，因而認(rèn)為對(duì)動(dòng)作電位上升支的出現(xiàn)，不能像Bernstein那樣簡單地解釋為膜對(duì)K⁺通透性的消失，因?yàn)檫@樣最多也只能使膜內(nèi)原有的負(fù)電位回升到零。他們據(jù)此設(shè)想膜在受到刺激時(shí)可能出現(xiàn)了膜對(duì)Na⁺通透性的突然增大，超過了K⁺的通透性，由于細(xì)胞外高Na⁺，而且膜內(nèi)靜息時(shí)原已維持著的負(fù)電位也對(duì)Na⁺的內(nèi)流起吸引作用，于是Na⁺迅速內(nèi)流，結(jié)果先是造成膜內(nèi)負(fù)電位的迅速消失；而且由于膜外Na⁺的較高的濃度勢(shì)能，Na⁺在膜內(nèi)負(fù)電位減小到零電位時(shí)仍可繼續(xù)內(nèi)移，直至內(nèi)移的Na⁺在膜內(nèi)形成的正電位足以阻止Na⁺的凈移入時(shí)為止。不難設(shè)想，這時(shí)膜內(nèi)所具有的電位值，理論上應(yīng)相當(dāng)于根據(jù)膜內(nèi)外Na⁺濃度差代入Nernst公式時(shí)所得出的Na⁺平衡電位值（可寫為E_Na)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，動(dòng)作電位所能達(dá)到的超射值，即膜內(nèi)正電位的數(shù)值，正相當(dāng)于計(jì)算所得的E_Na；而且實(shí)驗(yàn)中隨著標(biāo)本浸溶液中Na⁺被同等數(shù)目的葡萄糖分子所代替（使[Na⁺]_o逐漸減小)，可以看到所能記錄到的動(dòng)作電位的超射值和整個(gè)動(dòng)作電位的幅度也逐漸減小，其程度也同按Nernst公式算出的預(yù)期值基本一致。

　　但是，膜內(nèi)電位停留在E_Na水平的時(shí)間極短；隨后很快出現(xiàn)膜內(nèi)電位向靜息時(shí)的狀態(tài)恢復(fù)，亦即出現(xiàn)復(fù)極，造成了鋒電位曲線的快速下降支。如后來的實(shí)驗(yàn)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(xì)胞每興奮一次或產(chǎn)生一次動(dòng)作電位，總有一部分Na⁺在去極化時(shí)進(jìn)入膜內(nèi)，一部分K⁺在復(fù)極時(shí)逸出膜外，但由于離子移動(dòng)受到各該離子的平衡電位的限制，它們的實(shí)際進(jìn)出量是很小的；據(jù)估計(jì)，神經(jīng)纖維每興奮一次，進(jìn)入膜內(nèi)的Na⁺量大約只能使膜內(nèi)的Na⁺濃度增大約八萬分之一，復(fù)極時(shí)逸出的K⁺量也類似這個(gè)數(shù)量級(jí)；即便神經(jīng)連續(xù)多次產(chǎn)生興奮，短時(shí)間內(nèi)也不大可能明顯地改變膜內(nèi)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(chǎn)生。細(xì)胞膜兩側(cè)K⁺、Na⁺離子的不均衡分布，主要是靠鈉泵蛋白質(zhì)消耗代謝能建立起來的，而由此形成的勢(shì)能貯備卻可供細(xì)胞多次產(chǎn)生興奮而不需當(dāng)時(shí)耗氧供能。不過實(shí)際上鈉泵的活動(dòng)又受膜內(nèi)外Na⁺、K⁺濃度的調(diào)控，它對(duì)膜內(nèi)Na⁺濃度增加十分敏感，Na⁺的輕微增加就能促使鈉泵的活動(dòng)，因此在每次興奮后的靜息期內(nèi)，都有鈉泵活動(dòng)的一定程度的增強(qiáng)，將興奮時(shí)多進(jìn)入膜內(nèi)的Na⁺泵出，同時(shí)也將復(fù)極時(shí)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(fù)。這時(shí)由于兩種離子的轉(zhuǎn)運(yùn)同時(shí)進(jìn)行，出入的離子總數(shù)又近于相等，故一般不伴有膜兩側(cè)電位的明顯改變。但在膜內(nèi)Na⁺蓄積過多而使鈉泵的活動(dòng)過度增強(qiáng)時(shí)，上述的定比關(guān)系可以改變，結(jié)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(nèi)負(fù)電荷相對(duì)增多，使膜兩側(cè)電位向超極化的方向變化；這時(shí)的鈉泵，就稱為生電性鈉泵。有人認(rèn)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(jié)果。至于負(fù)后電位，則一般認(rèn)為是在復(fù)極時(shí)迅速外流的K⁺蓄積在膜外側(cè)附近，因而暫時(shí)阻礙了K⁺外流的結(jié)果。

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