动作电位静息电位等的产生机制及特征

动作电位、静息电位等的产生机制及特征:静息电位产生的原理是这样的：神经元在静息情况下，细胞膜对K+具有较高的通透性，而对Na+等的通透性很低，并且胞内K+的浓度要远远高于胞外，因此在浓度差的驱动下，K+从胞内流向胞外，而由于K+带有1个正电荷的电量，因此随着K+的流动，膜两侧会形成一个逐渐增大的电位差，这个电位差则会阻止K+进一步进行跨膜扩散。当促进K+向外流动的浓度差与阻止K+向外流动的电位差相等时，离子的净移动就会停止，这是跨膜的电位差称为K+离子的平衡电位（equilibriumpotential），可以根据能斯特（Nernst）方程计算出K+的平衡电位，[K]ln[K]oKiRTEZF以上的能斯特方程中，EK为K+的平衡电位，R为气体常数，T为绝对温度，Z为离子价数，F为法拉第常数，[K]o和[K]i分别为钾离子在胞外和胞内的浓度，我们将上述参数的值代入后可以计算出K+的平衡电位为-75mV，而同样的也可以计算出Na+的平衡电位为+55mV。根据这一能斯特理论，1902年这一静息电位产生机制的“膜假说”被提出了，尽管多数人们接受这一理论，但一直未能得到证实。直到1939年，生物学家Hodgkin和Huxley从枪乌贼的巨大神经轴突中第一次精确记录到了静息电位，结果为-60mV，与计算推测的K+的平衡电位接近，证实了“膜假说”的可靠性。但实际的静息电位Em并不完全等于EK，而是介于EK和ENa之间。这说明静息电位的形成主要是K+跨膜流动形成的，但Na+的流动也参与其中。我们在理解了静息电位产生的机制之后，进一步来探讨动作电位的机制。我们知道电位的变化，归根到底就是膜两侧的离子快速跨膜流动的结果。经过近20年的时间，随着实验技术特别是电压钳、膜片钳(patchclamptechnique)等技术的发展，生物学家通过不断的实验研究，才逐渐明确了动作电位的产生机制。动作电位的去极化相是由带正电荷的离子从胞外向胞内移动（例如Na+和Ca2+的内流）产生的，称为内向电流（inwarcurrent），相反动作电位的复极化相是由带正电荷的离子（K+）从胞内向胞外移动产生的，称为外向电流（outwardcurrent）。但外向电流也可以由带负电荷的离子从胞外流向胞内形成，例如Cl-，那么介导动作电位生成的离子成分是什么？它们是如何被准确控制进行流动的？最早是由Hodgkin和Huxley提出了“钠学说”，由于他们记录到动作电位的峰值达到+50mV，非常接近Na+的平衡电位，因此他们认为在动作电位爆发时，Na+的一过性内流使得膜电位出现快速、短暂的去极化。而后又设计了一系列支持性的实验证明了动作电位期间Na+的通透性发生了改变，最后他们使用电压钳技术成功的直接测定了动作电位期间的膜电流，揭示了动作电位期间离子流动的情况。我们知道在静息状态下，静息电位与Na+的平衡电位相差甚远，因此Na+受到一个很强的内流的驱动力Em-ENa=-70mV-（+60mV）=-130mV，但此时细胞膜对Na+几乎没有通透性，因而Na+不能发生流动。当神经元受到一个阈上刺激时，膜电位会发生初始去极化达到阈电位，这是细胞膜上的电压门控Na+通道就会大量开放，使得胞外大量的Na+快速内流，而这种正向电流又会使得膜电位发生更大程度的去极化，进一步促使更多的Na+通道开放，这是一个正反馈过程，其结果是膜电位会迅速去极化直到达到Na+的平衡电位，Na+的净流动终止，构成了动作电位的上升支。在膜电位发生快速去极化的同时，神经元上另外一种重要的电压门控通道K+通道被延迟激活，并且K+也受到了一个外向的强大驱动力的影响Em–EK=+30mV-（-90mV）=+120mV，其结果就是K+大量的由胞内流向胞外，从而使得膜电位迅速恢复到复极，形成了动作电位的下降支，这也是一个正反馈的过程，直到膜电位恢复到接近静息电位的水平。最后，在动作电位后，胞内大量的Na+被细胞膜上的Na+泵迅速的泵出胞外，同时，外流的K+则被泵回胞内，使膜内外的离子分布恢复静息状态的水平动作电位（actionpotential，AP）的定义就是当神经元收到一个阈上刺激时，细胞膜将在静息电位的基础上发生一次快速而短暂并可向远端传播的电位波动。图2-39所示为神经元产生动作电位的模式图。神经元的动作电位波形主要包括一个快速上升的去极化成分和快速下降的复极化成分，二者形成的尖峰状快速电位波动，称为峰电位（spikepotential），被认为是动作电位的标志。另外在膜电位恢复到静息电位以前，还要经历一些微小而缓慢的波动，分为负后电位（afterdepolarizationpotential,ADP）和正后电位（afterhyperpolarizationpotential,AHP）。在神经纤维，动作电位的时程约为0.5~2.0ms，峰电位约在1ms。值得一提的是，不同细胞的动作电位具有不同的形态和持续时间，例如心肌细胞的动作电位就与神经元的波形和时间具有显著差异，其在复极化时具有一个平台，时程可以长达几百个毫秒。但动作电位都具有一些共同的特点：图2-39神经细胞动作电位1）“全或无”特征对于单一的神经元，动作电位的“全或无”（allornone）特性指的是只有当刺激的强度达到一定程度（阈强度）时才会爆发动作电位，而当刺激超过阈强度时，动作电位的大小和波形也不会发生改变。2）可传播性动作电位一旦产生，会迅速沿着神经纤维进行传播，直到整个细胞都产生一次动作电位，并且这种传播在同一细胞上是不衰减的，不会随着传导距离而改变，这也是动作电位区别于局部电位的一个标志。3）具有不应期动作电位的不应期指的是当动作电位发生时，不论给予多大的刺激强度，也不能重新开始动作电位的时相，只有每个动作电位之后的一段时间后，才会重新爆发动作电位，即动作电位的发生是不会融合的，相邻的动作电位之间都有一定的间隔。不应期又分为绝对不应期和相对不应期，绝对不应期的时间大致与峰电位的时程相当。而相对不应期的时间相当于动作电位中负后电位的前半段。