膜電位的產(chǎn)生和傳導(dǎo)常見誤區(qū)辨析

謝仁榮 申定健 吳志強(qiáng) 房杰

摘要 細(xì)胞膜電位主要由膜內(nèi)外K⁺、Na⁺濃度梯度和膜對(duì)Na⁺和K⁺的通透性共同決定，靜息電位并不等同于K⁺平衡電位，動(dòng)作電位是膜電位的變化過程，動(dòng)作電位的傳導(dǎo)是局部電流刺激未興奮部分的Na⁺通道打開，引起該處產(chǎn)生同樣的動(dòng)作電位。進(jìn)一步分析了膜外K⁺、Na⁺濃度對(duì)靜息電位和動(dòng)作電位的影響。

關(guān)鍵詞：鈉鉀泵，靜息電位，動(dòng)作電位，膜電導(dǎo)

中圖分類號(hào)G633.91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

人教版生物學(xué)教科書《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中對(duì)靜息電位的形成及興奮的產(chǎn)生和傳導(dǎo)過程介紹較為簡(jiǎn)略，也沒有介紹動(dòng)作電位，師生常會(huì)產(chǎn)生誤解，如把靜息電位直接等同于K⁺平衡電位，動(dòng)作電位等同于Na⁺平衡電位，誤認(rèn)為動(dòng)作電位就是以局部電流的形式進(jìn)行傳導(dǎo)，亦難以理解K⁺、Na⁺濃度對(duì)靜息電位和動(dòng)作電位大小的影響。下面簡(jiǎn)要介紹膜電位的形成和變化，分析動(dòng)作電位的傳導(dǎo)原理及K⁺、Na⁺濃度對(duì)靜息電位和動(dòng)作電位峰值的影響。

1 靜息電位是否等同于K⁺平衡電位

1.1 鈉鉀泵的生電效應(yīng)對(duì)靜息電位的直接貢獻(xiàn)

鈉鉀泵普遍分布于哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜上，是具有ATP酶活性，能夠主動(dòng)運(yùn)輸Na⁺和K⁺的蛋白質(zhì)載體。鈉鉀泵每消耗1個(gè)ATP，可以運(yùn)出3個(gè)Na⁺，運(yùn)進(jìn)2個(gè)K⁺，從而膜內(nèi)積累了高濃度的K⁺，并保持著很低的Na⁺濃度，并使細(xì)胞外積累較多的陽離子。因此，細(xì)胞膜上的鈉鉀泵具有使膜外積累正電荷的生電效應(yīng)。但這不是靜息電位形成的主要原因，靜息電位的形成主要來自離子濃度差本身所儲(chǔ)存的電勢(shì)能量，鈉鉀泵對(duì)膜電位的直接貢獻(xiàn)大約為20%。當(dāng)膜外K⁺濃度升高或膜內(nèi)Na～濃度升高，會(huì)引起鈉鉀泵的活動(dòng)加強(qiáng)，而膜內(nèi)K⁺濃度的變化及膜外Na⁺濃度的變化則不會(huì)引起鈉鉀泵的活動(dòng)強(qiáng)度變化。

1.2 鈉鉀泵活動(dòng)形成的Na⁺、K⁺濃度差及膜對(duì)Na⁺和K⁺的通透性是決定靜息電位的主要因素

哺乳動(dòng)物神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)、外液中主要離子的濃度和靜息狀態(tài)下膜對(duì)離子通透性見表1。由于鈉鉀泵的活動(dòng)，神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)K⁺濃度比膜外約高30倍，假設(shè)細(xì)胞膜只對(duì)K⁺具有通透性，K⁺將在它的濃度梯度作用下向膜外被動(dòng)擴(kuò)散（通過漏鉀通道），而細(xì)胞內(nèi)液中的負(fù)離子不能出去，膜外將逐漸積累正電荷，建立起一個(gè)外高內(nèi)低的電位差，而膜的電位梯度又驅(qū)使K⁺重新回到細(xì)胞，故K⁺的跨膜擴(kuò)散受到濃度差和電位差兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力的作用，其代數(shù)和稱為電一化學(xué)驅(qū)動(dòng)力。

隨著K⁺不斷向外擴(kuò)散，其電位差的排斥力也越大，當(dāng)二力達(dá)到平衡時(shí)，即電一化學(xué)驅(qū)動(dòng)力為零時(shí)，K⁺的靜通量為零，此時(shí)的跨膜電位為K⁺平衡電位。利用Nernst公式可以計(jì)算出此時(shí)K⁺的平衡電位（&）：E_k=RT/ZF（ln[K⁺]o/[K⁺]i）。

上述計(jì)算式中，E_k為K⁺的平衡電位，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，Z為原子價(jià)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，[K⁺]o和[K⁺]i分別為K⁺在細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液中的濃度。以哺乳類動(dòng)物神經(jīng)元為例，若體溫為37℃，則E_K=-90mV。同樣，可以利用Nernst公式計(jì)算出Na⁺平衡電位（E_Na）約為+60mV，CF-平衡電位（E_cl）約為-70mV。這里的“+”“-”僅表示膜內(nèi)電位與膜外電位的相對(duì)關(guān)系，而不具有代數(shù)意義。當(dāng)膜電位由“-90mW”變?yōu)椤?60mV”時(shí)，可以認(rèn)為膜電位變小了，這與其數(shù)學(xué)數(shù)值上的意義增大正好相反。每種離子的跨膜滲透都是相互獨(dú)立的，這種現(xiàn)象又稱為離子運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性原則。

細(xì)胞膜在靜息狀態(tài)時(shí)主要對(duì)Na⁺和K⁺、Cl-具有通透性，而對(duì)Ca2+、Mg2+、A-幾乎是不通透的。Na⁺和K⁺濃度梯度是鈉鉀泵消耗ATP的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)形成，而Cl-平衡電位雖然很接近于靜息電位，但膜對(duì)Cl-不存在原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，Cl-在膜的兩側(cè)的分布是被動(dòng)的，是膜電位決定它在膜內(nèi)的濃度，而Cl-濃度梯度并不能決定膜電位。故靜息電位主要是由K⁺和Na⁺的平衡電位E_k和E_Na共同決定，其他離子如Ca2+、Cl-、Mg2+等在大多數(shù)細(xì)胞中對(duì)靜息電位并無直接貢獻(xiàn)。需要注意的是，靜息電位并不是E_k和E_Na簡(jiǎn)單的代數(shù)和，在槍烏賊巨大神經(jīng)纖維中，實(shí)際測(cè)得的膜電位為“-77mV”，只比Nernst公式計(jì)算的Z真理論值“-90mV”略小，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離Na⁺的平衡電位“+60mV”，其原因是在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞膜對(duì)K⁺的通透性是Na⁺的50～75倍，由于膜對(duì)K⁺的通透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)Na⁺的通透性，故E_k在決定靜息電位時(shí)的權(quán)重遠(yuǎn)大于E_Na的權(quán)重，靜息電位就非常接近于E_K。

膜電位的計(jì)算公式為：膜電位（E_m）=G_kxE_k（G_k+C_Na）+G_NaxE_Na/（G_k+C_Na）。上述公式中，G_k為鉀電導(dǎo)，G_Na為鈉電導(dǎo)。利用電壓鉗技術(shù)固定細(xì)胞膜兩側(cè)的電壓，可以測(cè)出跨膜離子流，根據(jù)歐姆定律，可以計(jì)算出細(xì)胞膜對(duì)帶電離子的電阻，膜電阻的倒數(shù)即為膜電導(dǎo)，因而膜電導(dǎo)反映了細(xì)胞膜對(duì)帶電離子的通透性，膜電導(dǎo)越大，膜對(duì)某種離子通透性越大。故影響靜息電位大小的因素除了鈉鉀泵的生電效應(yīng)外，還有E_k和E_Na、膜對(duì)K⁺和Na⁺的相對(duì)通透性（即鉀電導(dǎo)和鈉電導(dǎo)比值）。

綜上所述，靜息電位并不等同于K⁺平衡電位，只是通常比較接近K⁺平衡電位。當(dāng)膜外K⁺濃度急性降低時(shí)，膜內(nèi)外K⁺濃度梯度變大，鉀離子平衡電位（E_k）也會(huì)增大，靜息電位也相應(yīng)增大;反之，當(dāng)膜外K⁺濃度較高時(shí)，E_k減小，靜息電位也減小。由于靜息狀態(tài)時(shí)鈉電導(dǎo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉀電導(dǎo)，E_Na在決定靜息電位時(shí)的權(quán)重太小，當(dāng)膜外Na⁺濃度變化時(shí)，靜息電位幾乎沒有變化。

由于靜息膜電位（-77mV）并沒有真正達(dá)到K⁺的平衡電位（-90mV），不足以完全阻止K⁺的外流;而這個(gè)外正內(nèi)負(fù)的靜息電位和Na⁺的濃度差都促使Na⁺內(nèi)流，因而在靜息狀態(tài)，K⁺會(huì)不斷的向外滲漏，而Na⁺會(huì)不斷的向內(nèi)滲漏，同時(shí)需要鈉鉀泵不斷的消耗ATP，將膜內(nèi)的Na⁺搬運(yùn)出去，將膜外的K⁺搬運(yùn)進(jìn)來，維持細(xì)胞內(nèi)鉀高鈉低的狀態(tài)。在靜息狀態(tài)時(shí)，鈉鉀泵需要消耗掉細(xì)胞20%～30%的能量。

2 動(dòng)作電位是否等同于Na⁺平衡電位

2.1 動(dòng)作電位的產(chǎn)生

以典型的哺乳動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞為例，當(dāng)神經(jīng)纖維受到一個(gè)較小的刺激（如一個(gè)電刺激），使細(xì)胞膜電位變?。ㄈO化），部分對(duì)電壓敏感的鈉離子通道（電壓門控鈉離子通道）打開，Na⁺順濃度梯度內(nèi)流。但是，同時(shí)由于膜電位的變小，K⁺外流也增強(qiáng)，抵消了少量Na⁺內(nèi)流對(duì)膜電位的影響，使電位在產(chǎn)生一個(gè)小的波動(dòng)后又重新回到靜息電位，這個(gè)小的電位波動(dòng)，稱之為局部電位或分級(jí)電位。

當(dāng)刺激加大到一定程度（閾刺激），使膜電位減小到閾電位（如-55mV）以下，使較多的電壓門控Na⁺通道打開，Na⁺的內(nèi)流超過因電位減小而增加的K⁺外流時(shí)，就會(huì)使膜電位進(jìn)一步去極化，進(jìn)而引起更多的鈉離子通道打開，形成一個(gè)正反饋，最終使所有的鈉離子通道都打開，使膜對(duì)Na⁺的通透性大大增大（G_Na增大）。同時(shí)，電壓門控鉀離子通道也打開，膜對(duì)K⁺的通透性也增大（G_k增大），但是鈉離子通道打開的速度很快，而鉀離子通道打開較慢，有一定的延遲，因而G_Na增大比G_k增大要快得多，使膜在0.5ms內(nèi)對(duì)Na⁺的通透性就超過靜息時(shí)的500倍，內(nèi)流的Na⁺遠(yuǎn)超過外流的K⁺，這導(dǎo)致膜電位迅速反轉(zhuǎn)，變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)，產(chǎn)生動(dòng)作電位的上升支（圖1），膜電位快速向Na⁺的平衡電位移動(dòng)，迅速到達(dá)一個(gè)+35mV左右的電位。但這個(gè)電位也未到達(dá)Na⁺的平衡電位（+60mV），這是因?yàn)樵贕_Na增大的同時(shí)，G_k也增大了（圖2），但此時(shí)G_Na要比G_k大得多，動(dòng)作電位的峰值更偏向E_Na。

若膜外的Na⁺濃度增大，將使細(xì)胞內(nèi)外的Na⁺濃度差變大，E_Na增大，動(dòng)作電位的峰值也隨之更大;反之，降低膜外的Na⁺濃度，動(dòng)作電位的峰值隨之變小。而由于動(dòng)作電位上升支時(shí)G_Na遠(yuǎn)大于G_k，E_k對(duì)膜電位的影響很小，K⁺濃度變化對(duì)動(dòng)作電位的峰值影響也很小，K⁺濃度主要影響靜息電位大小。因此，膜外鈉離子濃度對(duì)動(dòng)作電位的幅度影響大，而膜外鉀離子濃度對(duì)動(dòng)作電位影響很小。

2.2 動(dòng)作電位的下降

鈉離子通道在打開后造成鈉離子大量內(nèi)流后，迅速進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)（0.5ms內(nèi)），且暫時(shí)不能再打開（失活狀態(tài)）。隨著鈉離子通道的迅速關(guān)閉，G_Na急劇減小，而鉀離子通道還在繼續(xù)打開，G_K還在增加（圖2），進(jìn)而K⁺外流超過少量內(nèi)流的Na⁺，使膜電位又迅速向K⁺的平衡電位移動(dòng)，構(gòu)成動(dòng)作電位的下降支（圖1）。隨即鉀離子通道逐漸關(guān)閉，G_K逐漸變小。由于鉀離子門控通道關(guān)閉較慢，而漏鉀通道始終是開放的，膜對(duì)鉀離子的通透性（G_K）還略大于靜息時(shí)期（僅通過漏鉀通道），有較多的K⁺外流，從而使膜電位更偏向于K⁺的平衡電位，產(chǎn)生一個(gè)比靜息電位更大的電位，即正后電位（圖1）。此外，鈉鉀泵的生電效應(yīng)也對(duì)正后電位有一定貢獻(xiàn)。隨后，由于電壓門控鉀離子通道逐漸關(guān)閉，G_K下降到靜息水平，膜電位也由正后電位逐漸被推到靜息電位。產(chǎn)生一次動(dòng)作電位后，由于膜內(nèi)Na⁺濃度及膜外K⁺濃度較靜息時(shí)有所上升，鈉鉀泵加強(qiáng)活動(dòng)，將膜內(nèi)多余的Na⁺的搬出細(xì)胞，將膜外K⁺的運(yùn)進(jìn)細(xì)胞，使離子分布也恢復(fù)到靜息狀態(tài)。

綜上可知，動(dòng)作電位是可興奮性細(xì)胞受到刺激時(shí)在靜息電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的可擴(kuò)布的電位變化，表現(xiàn)了膜電位規(guī)律性快速去極化和復(fù)極化的變化過程。需要特別指出的是，動(dòng)作電位具有“全或無”的特點(diǎn)：當(dāng)刺激小于閾刺激時(shí)，只產(chǎn)生一個(gè)局部電位，不產(chǎn)生動(dòng)作電位;當(dāng)刺激大于或等于閾刺激時(shí)，使膜去極化達(dá)到或超過閾電位，便會(huì)爆發(fā)一個(gè)幅度完全相同的動(dòng)作電位。通常認(rèn)為，動(dòng)作電位由峰電位和后電位共同組成，峰電位是動(dòng)作電位的主要部分，常以峰電位來代表動(dòng)作電位。因此，動(dòng)作電位不能視為Na⁺平衡電位。

3 動(dòng)作電位的傳導(dǎo)方式

神經(jīng)纖維發(fā)生興奮的部分（內(nèi)正外負(fù)）與未興奮部分（內(nèi)負(fù)外正）會(huì)形成一個(gè)電位差，使電荷發(fā)生移動(dòng)，形成一個(gè)局部電流。這個(gè)局部電流會(huì)使未興奮部分發(fā)生去極化，使膜電位減小到閾電位以下，進(jìn)而引發(fā)未興奮部分的電壓門控Na⁺通道和K⁺通道開放，產(chǎn)生一個(gè)同樣的動(dòng)作電位。神經(jīng)纖維上的興奮通過這種方式不斷向前傳導(dǎo)下去。由于剛興奮過的部分的鈉離子通道會(huì)暫時(shí)還處于失活狀態(tài)不能重新打開，因此對(duì)局部電流的刺激不會(huì)再發(fā)生興奮，興奮會(huì)只向未興奮部位單向傳導(dǎo)下去。動(dòng)作電位的峰值主要受膜內(nèi)外Na⁺濃度差的影響，在傳導(dǎo)過程中，其幅度始終一樣，并不會(huì)發(fā)生衰減。

綜上分析，動(dòng)作電位的傳導(dǎo)是由于局部電流在相鄰未興奮部分誘發(fā)產(chǎn)生一個(gè)新的興奮，而不是直接以局部電流的形式進(jìn)行傳導(dǎo)。

4 結(jié)論

綜上所述，細(xì)胞內(nèi)外的K⁺、Na⁺濃度差決定了E_k和E_Na的大小，而膜對(duì)K⁺和Na⁺的通透性的比值決定膜電位更偏向于E_K或更偏向于E_Na，這是影響膜電位大小的主要原因。靜息狀態(tài)時(shí)G_K遠(yuǎn)大于G_Na，膜電位就接近K⁺平衡電位E_K，膜外K⁺濃度影響E_K，對(duì)靜息電位影響大，而Na⁺濃度對(duì)靜息電位影響很小;動(dòng)作電位是膜電位規(guī)律的變化過程，包括峰電位和后電位，峰電位上升時(shí)G_Na遠(yuǎn)大于G_K，其峰值較接近Na⁺平衡電位E_Na，膜外Na⁺濃度影響E_Na，對(duì)動(dòng)作電位影響大，而K⁺對(duì)動(dòng)作電位影響很小。興奮部分與未興奮部分間的局部電流誘導(dǎo)后者產(chǎn)生新的興奮，這是動(dòng)作電位傳導(dǎo)的方式。