生物电产生原理

对于细胞静息电位、动作电位以及一些后电位的产生原理的解释，目前都以膜学说或膜离子理论为基础，这个理论最初由Bernstein提出，以后由于Hodgkin等人的研究工作而完善化，它的基本要点是：
❶上述各种电变化都产生在细胞膜的两侧；
❷各种带电离子在膜两侧的分布是不均匀的，如细胞内液中K⁺的浓度约为细胞外液的30倍，细胞外液中Na⁺的浓度是细胞内液的12倍等；
❸膜在不同情况下对不同离子的通透能力是不一样的、可变的，如安静时对K⁺有较大的通透性，在受刺激时先有Na+通透性的增大，以后又有K+通透性的增大等。膜学说对静息电位和动作电位的解释如下：
静息电位和K⁺平衡电位 Bernstein在1902年最先用膜学说解释静息电位的产生。当时人们只粗略地知道，细胞内液比细胞外液含较多的K⁺，并且根据细胞损伤处电位较完好处为低的事实，推测安静时膜内电位可能低于膜外。Bernstein设想，如果带正电的K+由于膜内的高浓度而向膜外扩散，负离子则被阻于膜内，那么这一过程将使膜两侧出现电位差；而当这种K⁺外流造成的电位差或电场力达到某一数值时，它将阻止K⁺的进一步净外流，于是膜两侧的电位差也不再增加，达到平衡。根据这个道理，再假定膜在安静时只对K+有通透性，那么在达到平衡时膜两侧所能保持的电位差，就可根据Nernst(1889)在无生命系统中导出的公式算出，即：
这里R是气体常数，T是绝对温度，Z是离子价，F是法拉第常数，[K+]0和[K+]1分别代表膜外和膜内的K+浓度，EK则称为K⁺的平衡电位。这就是说，如果Bernstein的解释是正确的，那么细胞安静时由膜内外测得的电位差，应等于根据当时膜两侧K+浓度之比按式(1)计算所得的K+的平衡电位的值。但是在Bernstein的时代，还不能对细胞的跨膜电位进行直接测量，对于膜内真正的K+浓度也是一个未知数，因此上述解释虽然为多数人所接受，但在长时间内仍然是一个有待证实的假说。
1939年，Cole和Hodgkin等第一次用枪乌鲗的巨大神经轴突进行了静息电位的细胞内测量。这种神经纤维的直径最大可达1000μm，如果从断端顺纤维长轴方向插入一个直径约100μm的金属丝或盛有盐水的玻璃管探测电极，对轴突的正常功能几乎不产生什么影响，这样，通过这个膜内电极和另一个膜外电极，就可以精确地测出它的跨膜静息电位，并把它们和理论上的K⁺平衡电位加以比较。Hodgkin用化学方法测出枪乌鲗轴浆中K⁺浓度为400mmol/kg·H2O，浸泡轴突的人工海水中为10mmol/kg·H₂O，根据式(1)可算出20℃时K⁺的平衡电位应为-93mV，但他们在20℃时实际测出的跨膜静息电位只有-60mV，明显地小于理论上的预期值。怎样说明这种差异，是膜学说能否成立的关键。由物理化学原理知道，溶液中离子的活度实际上常小于它们的浓度；式(1)中所以用离子浓度来计算平衡电位，前提条件是膜两侧的离子浓度换算成活度时都将按同样的比例减小，因而用浓度值进行计算并不影响计算结果。但生物系统中的情况比较复杂，例如细胞内的K+可能处于结合状态或限制于某些细胞器内，也可能被电荷相反的离子包围而处于静电屏蔽状态。如果假定轴浆内K+只有25%是真正游离的，而膜外却完全游离，则计算所得的K⁺平衡电位正好相当于-60mV。但这个看来说得通的假设不能获得实验证实，因为有人(Hinke,1961)直接测出膜内K+浓度和活度之比为0.6，海水中为0.64，二者所差并不大，因而不可能用膜内K⁺较多地处于结合状态来说明静息电位和K⁺平衡电位在数值上的差异。
Goldman(1943)对这一问题提供了另一个解释。他认为膜在安静时并不是只对K+有通透性，其他一些离子如Na+和Cl-等，也可能有某种程度的内向或外向扩散，因而静息电位不能完全由K⁺的扩散来决定。不同离子在静息电位的形成中所起的作用，可由这些离子在膜两侧的不同浓度和膜对它们的相对通透性的大小来决定。根据Goldman提出的定电场理论，静息电位E可以由下式算出：
式中PK、PNa和PCl分别为K+、Na+和Cl-在膜处于相对安静时的相对通透性。根据Katz和Hodgkin(1949)的计算，如果枪乌鲗轴突膜对这三种离子的相对通透性相当于1∶0.4∶0.45，则计算所得的E值正相当于实际测得的静息电位的数值。上述三种离子在膜安静时相对通透性的大小，虽然并未得到严格的实验证实，但用同位素示踪的实验确实证明，即便在安静时也不断有少量Na+进入膜内，因而虽然这时膜对K+的通透性较Na+为大，但由K⁺的外流所造成的膜内的负电位，会被少量内流的Na+抵消一部分，使静息电位的负值小于K+的平衡电位。事实上实验中也能看到，任何能使K+通透性和Na+通透性比值加大的因素，都能使静息电位变得更接近于K+的平衡电位，而能使K+的相对通透性降低的因素，将使静息电位更加偏离K⁺的平衡电位。
这样看来，原始膜学说对于静息电位的解释是基本正确的，不过由于膜在安静时并不是绝对地只对K⁺有通透性，对其他离子也可能有较小程度的通透，因而这些离子也对静息电位的形成起作用，其数值可由式(2)所确定。总之，目前可以认为膜在安静时对K+的通透性最大，因而K⁺在膜两侧的浓度之比是决定静息电位大小的主要因素。这一原则可应用于多数细胞，但也有明显的例外，例如已经证明，蛙骨胳肌的静息电位主要决定于Cl-的内向扩散，其数值接近于Cl-的平衡电位。
动作电位和Na⁺内流 根据Bernstein原始的解释，动作电位的产生只是由于受刺激部位膜对K⁺的选择性通透能力的暂时丧失，由此造成的各种离子的无选择通透，必将使膜两侧的电位差趋近于零。但Hodgkin等(1939)用巨大纤维测出兴奋时膜内电位不仅由安静时的-60mV变到零值，而且要继续上升到+20～+40mV的水平（此值称为超射），这显然不是原始膜学说所能解释的。为了解决这个矛盾，Hodgkin和Katz (1949)进一步提出了“钠假说”，推测兴奋时膜对Na+的通透性在短时间内变得大大超过了K⁺或Cl-的通透性；由于膜外Na⁺浓度正常时大于膜内(在枪乌鲗分别为460和50mmol/kg ·H2O)，于是出现了Na+通过膜的快速内流，膜内原来存在的负电位也促进了这一过程的进行； 而理论上只有当膜内正电位的数值足以和膜内外Na⁺浓度差造成的Na+内流趋势相平衡时，膜两侧电位才会处于新的稳定状态。实际在实验中已经证明，动作电位时的超射值，亦即兴奋时膜内所能达到的正电位的最大值，差不多正相当于根据当时膜内外的Na⁺浓度按Nernst公式计算所得的Na+的平衡电位的数值。此外，为了证明钠假说，还用蔗糖、葡萄糖或氯化胆碱等替代海水中的NaCl，结果发现这时动作电位的幅度将减小，它们的超射值减小的程度正好和Na+平衡电位改变的预期值一致。后来，Keynes(1951)又用2⁴Na作实验，测出每次神经冲动产生时每平方厘米的膜上大约有3.5pmol的Na⁺进入膜内；据估计，这个量只不过使巨大纤维轴浆中的Na+浓度升高约8万分之一， 但已足以使膜充电到上述超射值的水平。这就是说，动作电位上升支的出现是由Na+内流造成的；至于动作电位何以持续很短而迅速复极，则是膜很快又出现对Na⁺的通透性的下降和K⁺的通透性的升高所造成的。