生理学第七版校对版细胞2Word格式.docx

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膜电阻（membraneresistance，Rm）通常用它的倒数膜电导（membraneconductance）G来表示，单位是Siemens，缩写为S。

对带电离子而言，膜电导是膜对离子通透性的观测指标（见下文）。

绝大多数有关膜对离子通透性的研究都是利用电学方法进行的。

质膜除具有膜电容和膜电阻的特性外，沿细胞的长轴还存在轴向电阻（Ri）。

它的数值决定于胞质溶液本身的电阻和细胞的直径；

细胞直径越大。

轴向电阻越小。

由于质膜兼有电容和电阻的特性，因此可用并联的阻容耦合电路来描述它的电学特性。

如图2-7A所示，细胞膜可分成许多小的片段，每一小片膜都有各自的膜电容（Cm）和膜电阻（Rm），彼此间在膜内由轴向电阻（Ri）相连，在膜外由细胞外液（由于电阻很小，通常忽略不计）短路连接。

利用膜的等效电路，可分析在静息时和受刺激时膜电流与膜电位的变化规律。

（二）电紧张电位

实验证明，如果在神经纤维的某一点向轴浆内注入电流，该电流将沿轴浆向该点的两侧流动（轴向电流），由于轴向电阻的存在及沿途不断有电流跨膜流出（跨膜电流），不论是轴向电流还是跨膜电流，都将随着距原电流注入点距离的增加而逐渐衰减（图2-7B）。

前文已指出，膜本身的电学特性相当于并联的阻容耦合电路，跨膜电流流过时必然产生膜电位的变化，随着跨膜电流的逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，并形成一个规律的膜电位分布（图2-7C），即注入电流处的膜电位最大，其周围一定距离外的膜电位将作为距离的指数函数衰减，这种由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位（electrotonicpotential）。

用正、负两个电极从膜外侧施加电刺激也会出现类似的效应，只是在正电极和负电极下发生电紧张电位的极性不同。

胞质内的正电荷会流向负电极的下方，相当于上述经插入胞内的电极注入电流，因而在负电极下方产生去极化电紧张电位（图2-7C）；

胞内的负电荷则流向正电极下方，相当于从细胞膜接触电极的部位向膜内注入了负电荷，因而在正电极下方会产生与图2-7C方向相反的超极化电紧张电位。

这样，当用细胞外电极刺激组织时，只有在出现去极化电紧张电位的负电极下方才可能产生动作电位（见下文）。

电紧张电位完全是由膜固有的静息电学特性所决定的。

其产生过程中如果幅度较小，一般也不会引起膜自身所包含的离子通道的激活和膜电导的改变。

但它与动作电位的产生和传播有着密切关系。

一个去极化电紧张电位，如果其幅度达到一定水平，就会引起相当多的钠通道或钙通道激活，从而引发动作电位（图2-12）；

细胞膜电紧张电位发生的速度和扩布的范围也是影响动作电位产生和传播速度的重要因素（见下文）。

二、静息电位及其产生机制

（一）静息电位的记录和数值

静息时，质膜两侧存在着外正内负的电位差，称为静息电位（restingpotential，RP）。

记录静息电位时，可将无关电极置于细胞外，记录电极插入细胞内，这种记录方式称为细胞内电位记录。

图2-8是记录神经纤维跨膜电位的示意图，图中置于细胞外的电极接地，因此记录到的电位是以细胞外为零电位的膜内电位。

例如，骨骼肌细胞的静息电位约-90mV，神经细胞约-70mV，平滑肌细胞约-55mV，红细胞约-10mV。

膜内电位负值的减小称为静息电位减小，反之，则称为静息电位增大。

静息电位通常是平稳的直流电位，但在中枢内的某些神经细胞和具有自律性的心肌和平滑肌细胞，也会出现自发性的静息电位波动。

人们通常把平稳的静息电位存在时细胞膜电位外正内负的状态称为极化（polarization）；

静息电位增大的过程或状态称为超极化（hyperpolarization）；

静息电位减小的过程或状态称为去极化（depolarization）；

去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值，则称为反极化，膜电位高于零电位的部分称为超射（overshoot）；

质膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程称为复极化（repolarization）。

（二）静息电位产生的机制

静息电位仅存在于膜的内、外表面之间。

在膜的外表面有一薄层正离子，内表面有一薄层负离子，每一离子层的厚度都不足1nm，两层之间可形成很大的电位梯度。

例如，当静息电位为-80mV时，在厚度约6nm的质膜两侧可形成并保持133000V/cm的电位梯度。

形成这种状态的基本原因是离子的跨膜扩散。

产生离子扩散的条件有两个：

一是钠泵的活动，可形成膜内、外离子的浓度差（表2-1），使细胞外Na+浓度约为细胞内的10倍，而细胞内K+浓度约相当于细胞外液的30倍；

二是静息时膜对某些离子，主要是对K+具有一定的通透性。

某种离子在细胞静息时的通透性越大，这种离子的跨膜扩散对静息电位的贡献就越大。

1．离子跨膜扩散的驱动力和平衡电位当某种离子跨膜扩散时，它受到来自浓度差和电位差的双重驱动力，两个驱动力的代数和称为电化学驱动力（electrochemicaldrivingforce）。

例如，当质膜只对溶液中的一种离子有通透性时，该离子将顺浓度差跨膜扩散，但扩散的同时也在膜两侧形成逐渐增大的电位差，且该电位差造成的驱动力与浓度差的驱动力的方向相反，成为阻止离子进一步跨膜扩散的力量，直至电位差驱动力增加到等于浓度差驱动力时达到稳态，此时的跨膜电位差称为该离子的平衡电位。

可见。

当膜电位处于某一离子的平衡电位时，该离子的电化学驱动力为零，此时尽管膜对该离子有通透性，但没有离子的跨膜净移动。

每种离子都可以根据它在膜两侧的浓度，利用Nernst公式计算出它的平衡电位，即

（2-1）

式中Ex为某离子X+的平衡电位，R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数，Z为原子价，[X+]o和[X+]i分别为该离子在膜外侧和膜内侧溶液中的浓度。

如果离子X+为单价，环境温度设定为29.2℃，同时将自然对数转换为常用对数，Ex的单位用mV表示，则式2-1可改写为（2-2）

将膜内侧和膜外侧溶液中的K+浓度代入式中，即可计算出K+平衡电位（K+equilibriumpotential，EK），而将膜内、外侧的Na+浓度代入式中，则同样可计算出Na+平衡电位（Na+equilibriumpotential，ENa）。

在哺乳动物，多数细胞的EK为-90~-100mV，ENa为+50~+70mV（图2-9）。

其他离子的平衡电位也可按此式计算。

在静息状态下，质膜对各种离子具有不同的通透性，某种离子的平衡电位对静息电位的影响，决定于膜对这种离子的通透性。

2．膜对离子的通透性和静息电位的形成如前所述，静息电位主要是由于静息时离子跨膜扩散形成的，因此膜对哪一种离子的通透性较高，则该离子的跨膜扩散对静息电位的影响就较大，静息电位也就更接近于该离子的平衡电位。

事实上，在静息状态下，质膜对K+的通透性较高，大约是Na+的10~100倍。

这是由于质膜上存在经常处于开放状态的非门控钾通道，如神经纤维膜上的钾漏通道、心肌细胞膜上的内向整流钾通道（见第四章）等。

这使静息电位非常接近K+平衡电位。

但以神经和骨骼肌为检测对象时，静息电位通常都在-70~-90mV，其负值总是不同程度地小于K+平衡电位（图2-9），这是因为膜对Na+亦有一定的通透性，扩散内流的Na+可部分抵消由K+扩散外流所形成的膜内负电位。

除K+和Na+外，膜两侧溶液中的主要离子还有Cl-、Ca2+和有机负离子。

一般认为．膜对Cl-不存在原发性主动转运，因此，Cl-在膜两侧的分布是被动的；

膜电位并不决定于Cl-平衡电位（Cl-equilibriumpotential，ECl），相反，膜电位的大小可决定Cl-在膜内的浓度（可用Nemst方程式算出）；

并且，Cl-平衡电位总是等于或接近静息电位。

Ca2+在细胞膜两侧的浓度都很低（表2-1），且膜对Ca2+的通透性也很低，其作用可以忽略。

有机负离子，如带负电的蛋白质和核苷酸等，是使细胞内液保持电中性酶主要负离子，膜对它们几乎不通透，它们聚积在膜内侧，是膜内侧负电荷的主要载荷体。

3．钠泵的生电作用通过钠泵活动，除可建立和维持膜两侧的离子浓度差外，还可直接影响静息电位。

钠泵每分解一分子ATP，可使3个Na+排出胞外和2个K+进入胞内，结果使膜内电位的负值增大（超极化），但钠泵的生电作用对静息电位的贡献并不很大。

且可因细胞的不同种类和状态有所差异。

例如，消化道平滑肌细胞静息时出现的慢波电位（见第六章），就与钠泵活动的周期性增强有关。

根据以上静息电位的形成机制，可将影响静息电位水平的因素归纳为以下三点：

①由于膜内、外K+浓度差决定EK，因而细胞外K+浓度的改变可显著影响静息电位，如细胞外K+浓度升高将使EK的负值减小，导致静息电位相应减小（去极化）；

②膜对K+和Na+的相对通透性可影响静息电位的大小，如果膜对K+的通透性相对增大，静息电位将增大（更趋向于EK），反之，膜对Na+的通透性相对增大，则静息电位减小（更趋向于ENa），如在心肌和骨骼肌细胞，K+与Na+通透性的比值为20~100，静息电位为-80~-90mV，而平滑肌细胞的上述比值为7~10，静息电位仅-55mV；

③钠泵活动的水平也可直接影响静息电位，活动增强将使膜发生一定程度的超级化。

动作电位及其产生机制

（一）细胞的动作电位

在静息电位的基础上，给细胞一个适当的刺激，可触发其产生可传播的膜电位波动，称为动作电位（actionpotential，AP）。

不同细胞的动作电位具有不同的形态。

例如，枪乌鰂大神经轴突动作电位时程很短，呈尖峰状，而心室肌细胞动作电位时程较长，期间形成一个平台。

图2-8B是细胞内记录的神经纤维动作电位。

膜电位首先从-70mV迅速去极化至+50mV，形成动作电位的升支（去极相），随后迅速复极至接近静息电位水平，形成动作电位的降支（复极相），两者共同形成尖峰状的电位变化，称为锋电位（spikepotential）。

锋电位是动作电位的主要组成部分，具有动作电位的主要特征。

锋电位持续约1ms，在锋电位后出现的膜电位低幅、缓慢的波动，称为后电位。

后电位包括两个成分，前一个成分的膜电位仍小于静息电位，称为负后电位（negativeafter-potential），后一个成分大于静息电位，称为正后电位（positiveafter-potential）。

负后电位和正后电位是沿用电生理学发展早期使用细胞外记录方法时对动作电位后电位的命名，如果使用现代电生理学的细胞内记录方法，也可将它们分别称为后去极化（afterdepolarization）和后超极化（afterhyperpolarization）。

动作电位有两个重要的特性，即它的“全或无”特性和可传播性。

刺激神经、肌肉引发动作电位需要一定的强度。

能引发动作电位的最小刺激强度，称为刺激的阈值（threshold）。

刺激强度未达到阈值，动作电位不会发生；

刺激强度达到阈值后，即可触发动作电位，而且其幅度立即到达该细胞动作电位的最大值，也不会因刺激强度的继续增强而随之增大。

这一现象称为动作电位的“全或无”特性。

动作电位产生后，并不局限于受刺激局部，而是沿质膜迅速向周围传播，直至整个细胞都依次产生一次动作电位，这称为动作电位的可传播性。

而且动作电位在同一细胞上的传播是不衰减的，其幅度和波形始终保持不变。

（二）动作电位的产生机制

前文已述，细胞在静息状态下，膜内、外表面各有一层负电荷和正电荷，以形成静息电位。

发生膜电位波动的原因是离子跨膜流动引起的膜内、外表层电荷的改变。

物理学上通常是以正离子的移动方向来表示电流的方向。

如果细胞受刺激时引起离子流动，造成膜外的正电荷流入膜内，称为内向电流（inwardcurrent）。

内向电流使膜内电位的负值减小，引起膜的去极化。

通常Na+和Ca2+由细胞外向细胞内的流动都属于内向电流。

反之，如果离子流动造成正电荷由胞内流出胞外，则称为外向电流（outwardcurrent）。

外向电流使膜两侧外正内负的电位差增大，引起膜的复极化或超极化。

通常K+由胞内流出，或Cl-由胞外流入胞内，都属于外向电流。

据此不难想象，动作电位的去极相是内向电流形成的，而复极相则是外向电流形成的。

离子跨膜流动的产生需要两个必不可少的因素：

一是膜两侧对离子的电化学驱动力；

二是膜对离子的通透性。

1．电化学驱动力电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度。

当膜受到刺激而通透性发生改变时，带电离子将依从电化学驱动力的方向跨膜流动，并引起膜电位变化，这是发生任何膜电位变化，包括发生动作电位的基础。

离子在膜两侧受到的电化学驱动力是由该离子在膜两侧溶液中的浓度和膜电位共同决定的。

离子在膜两侧溶液中的浓度决定该离子的平衡电位，即电化学驱动力等于零的电位。

在动作电位期间，尽管离子发生跨膜流动，但离子的平衡电位不会有明显变化。

据测定，每次动作电位进入胞内的Na+和流出的K+均只占胞质内离子总量的几万分之一，因此，不会显著影响膜两侧的离子浓度差。

驱动力的改变主要由膜电位变化而引起。

实际上，只要膜电位偏离平衡电位，就会对该离子产生相应的驱动力。

换言之，某离子在膜两侧受到的电化学驱动力应为膜电位（Em）与该离子的平衡电位（Ex）之差，即（Em-Ex）（图2-9）。

例如，静息时的膜电位E。

为-70mV，ENa和Ek分别为+60mV和-90mV，此时对Na+的驱动力为

Em-ENa=-70mV-（+60mV）=-130mV

对K+的驱动力则为

Em-Ek=-70mV-（-90mV）=+20mV

在这里，负值代表内向驱动力，推动产生内向电流；

正值代表外向驱动力，推动产生外向电流。

但在整个动作电位期间，膜电位将发生大幅度的改变，因此，膜对离子的每个瞬间的电化学驱动力也将随着膜电位的变化而发生相应变化。

当膜电位去极化至+30mV的锋电位水平时，膜对Na+的驱动力为

Em-ENa=+30mV-（+60mV）=-30mV

Em-Ek=+30mV-（-90mV）=+120mV

由此可见，在静息电位条件下，Na+受到很强的内向驱动力，一旦膜对Na+的通透性增大，将出现很强的引起去极化的内向电流；

而在锋电位期间，K+受到很强的外向驱动力。

2．动作电位期间膜电导的变化直接测定动作电位期间膜对离子通透性的动态变化，是揭示动作电位产生原理的关键。

为了实现对快速变化的离子通透性的动态测量，通常是使用电学测量的方法，测量参数包括膜电容、膜电流、膜电位和膜电导（膜电阻的倒数）等。

其中膜电导相当于膜对离子的通透性，反映膜对离子的通透能力。

由于离子跨膜流动时会产生膜电流，这就为测定膜电导提供了一个很方便的途径，即可以在电化学驱动力（Em-Ex）保持不变的条件下直接测量某种离子x的膜电流（Ix），再利用欧姆定律来计算该离子的膜电导（Gx），即

Gx= 

（2-3）

但是，如前所述，动作电位期间，各种离子的电化学驱动力并不恒定，总是随膜电位的变化而变化。

因此，只有在膜电位保持不变的情况下观测膜电流的变化，才能反映出膜对该离子的通透性，亦即膜电导的改变。

电压钳（voltageclamp）技术采用一个反馈电路，能使膜电位Em被钳制（固定）于任一水平，因而能保证在测量膜电流期间的电化学驱动力保持不变。

例如，要测量膜的钠电导GNa，首先要利用电压钳装置把膜电位E。

固定于给定的水平，从而使电化学驱动力（Em-ENa）也保持恒定，与此同时记录Na+电流INa，就可以利用欧姆定律由INa推算出膜的钠电导GNa，即

GNa=（2-4）

同样可利用记录的钾电流Ik，推算出膜的钾电导Gk，即

Gk=（2-5）

为了观测动作电位期间膜对离子通透性变化的时间依赖性和电压依赖性，通常是将膜电位固定在一个给定值后持续一段时间，同时记录膜电流的变化，用观测到的膜电流的变化，就可计算出膜电导随时间的变化，即对时间的依赖性。

如图2-10A所示，将枪乌铡大神经纤维从-65mV迅速钳制到-9mv，持续时间5ms，由于膜的突然去极化，可引起对离子通透性的变化（产生机制见下文），表现为膜电流的幅度随时间而变化，即在膜电位钳制于-9mv期间，首先出现一个向下的内向电流，随后又出现一个向上的外向电流（图2-10B）。

但单纯利用电压钳只能观察膜电流的方向和幅度的变化，不能区分电流由哪种离子所携带，因此需要与其他研究方法结合起来分析电流的离子成分。

图2-10c和D是利用药理学方法来分析膜电流的实验结果。

当应用钠通道特异性阻断剂河豚毒后，内向电流全部消失，表明这一内向电流是Na+电流（INa）；

而当应用钾通道特异性阻断剂四乙铵后．延迟出现的外向电流完全消失，表明这部分外向电流是K+电流（Ik）。

利用被钳制的电位值和记录的膜电流值，根据公式2-4和2-5便可分别计算出膜的GNa和Gk。

如果每次将膜电位钳制到不同的水平，则每次也均可记录到不同的INa和Ik，计算出不同的GNa和Gk。

如此便可观测膜的离子通透性（膜电导）对电压的依赖性（图2-11）。

上述利用电压钳技术的研究表明，在相当于神经纤维静息电位的膜电位水平上迅速去极化（相当于动作电位的去极相），可引起膜对离子通透性的快速变化。

首先是对Na+的通透性在不足1ms时间内迅速增加到峰值，随后下降并开始对K+通透性增加，且保持恒定。

与这种时间依赖性变化存在的同时，膜对离子的通透性还表现出明显的电压依赖性，即膜电位去极化程度越大，膜对离子的通透性就越高（图2-11）。

这一点在动作电位起始过程中至关重要。

3．动作电位产生的过程如前所述，随着膜的去极化，Na+的内向驱动力减小，而K+的外向驱动力增大；

因此，当膜受到一个较弱的去极化刺激后，增强的K+外向电流将使膜迅速恢复到起始的膜电位，这种电位变化称为局部电位（图2-12）（见下文）。

但如果将去极化的刺激增强，使膜去极化，增加Na+电导和Na+内向电流，从而增强对K+外向电流的抗衡，并且随着刺激的加强，膜电位可去极化到某一临界值（阈电位，见下文），此时Na+内向电流刚超过K+外向电流，于是在净内向电流的作用下膜进一步去极化，而根据膜Na+电导的电压依赖性（图2-11），膜去极化的幅度越大，就会引起更大的钠电导和Na+内向电流，如此便形成Na+电流与膜去极化之间的正反馈，即发生再生性循环（regenerativecycle），使膜在不足1ms时间内迅速去极化到接近ENa。

的水平（此时膜的钠电导迅速增高，但钾电导并未降低，所以动作电位的峰值达不到ENa的水平）。

动作电位升支去极化的速度和幅度就是由这一正反馈过程决定的，只要刺激强度足以触发这一过程，均可引发相同幅度的动作电位，这也就是动作电位全或无特性的原因所在。

膜对Na+的通透性在达峰值后便迅速下降（其机制见下文），而此时的膜电位正处于动作电位的峰值，对K+外向驱动力很强，再加上此时对K+的通透性也开始增加（图2-11），便产生很强的K+外向电流，使膜迅速复极化，形成动作电位的降支，并与升支共同构成尖峰状的锋电位。

以上对动作电位产生过程的分析表明，钠电导的电压依赖性和由此产生的去极化过程中的正反馈机制，是动作电位起始的关键因素。

除钠电导外，膜的钙电导也有相似的电压依赖性，因此许多细胞动作电位的上升支是Ca2+内流产生的，如平滑肌细胞、某些心肌细胞和内分泌细胞等。

4．膜对离子通透性变化的机制离子通透性变化的实质是由于膜上离子通道的开放和关闭造成的。

这个结论是利用膜片钳（patchclamp）技术在观测单个离子通道活动的基础上得出的。

利用膜片钳技术可以记录单通道电流（singlechannelcurrent），观测单个离子通道是如何活动的，以及它们的活动与膜电导和整个细胞电活动的关系。

图2-13就是利用膜片钳技术记录的典型的单通道电流。

可见单个通道的开闭是全或无式的，每次开放可产生皮安级（pA，10-12安培）的电流，每次停留于开放或关闭状态的时间是随机的。

由于开、闭状态之间的转换速度非常快，因而单通道电流都表现为一个个宽窄不同的方波。

根据记录的单通道电流，可以计算出单通道电导、通道的开放概率、平均开放时间、平均关闭时间等指标来反映通道功能活动的特征。

利用计算机将大量单通道电流叠加平均后所得的总体平均电流（图2-13）与用全细胞或一段神经纤维进行的经典电压钳技术记录的膜电流，即宏膜电流（macroscopicalcurrent）非常相似，说明宏膜电流就是许多随机开放的单通道电流发生总和而形成的，它们之间的关系可用下式表示

I=i•Po•N 

（2-6）

式中I为全细胞的宏膜电流，i代表单通道电流，Po代表通道处于开放状态的平均概率，N为全细胞上该通道的数目。

利用膜片钳技术对单通道活动的研究揭示了动作电位期间膜电导的变化，以及由此引起的膜电流变化，都是基于膜上单个离子通道行为的改变；

宏膜电流反映的则是膜上所有离子通道作为时间和膜电压函数的群体活动行为特征。

某种离子膜电导的增大，可能是由于该离子通道开放概率的增大，也可能是单通道电导的增大或通道数量的增加。

如上所述，静息状态下，膜的钾电导较高，用以维持静息电位，这是由于有相当数量的钾漏通道（K+leakchannel）随机开放的结果。

动作电位期间钠电导的迅速增大则由于膜上的电压门控钠通道大量激活（开放）而引起。

正是由于钠通道激活的电压依赖性，才产生钠电导的电压依赖性，也才会发生钠电流与膜去极化之间的正反馈。

从记录的单通道离子电流来看，离子通道表现为关闭和开放两种状态，但事实上由于通道的分子构象不同，每种离子通道的功能状态可能有很多种。

图2-14是对神经纤维施加去极化刺激引起的Na+电流曲线。

去极化开始时：

Na+电流迅