人体解剖生理学——细胞的生物电活动
人体解剖生理学——细胞的生物电活动
细胞生物电活动是生命科学中的一个重要概念，它描述了细胞膜内外的电位变化及其生理意义。从静息电位到动作电位，再到局部电位，这些电位变化不仅反映了细胞的生理状态，还与细胞的兴奋性密切相关。本文将详细介绍细胞生物电活动的基本原理及其在生命活动中的重要作用。
一、细胞的生物电现象
- 静息电位：将记录电极插入轴突内，将参考电极留在细胞外，两电极连接到示波器。在细胞没有受到外来刺激的情况下，所记录到的电位值相对于膜外为一负值。这种在安静状态下，存在于细胞膜内、外两侧的电位差称为静息电位，其特点为“外正内负”。
动作电位：在静息电位的基础上，当细胞受到一个适当的刺激后，膜电位迅速从 -70mV 上升至 +30mV 左右，原来的内负外正转变成内正外负的状态，随即膜内电位又很快恢复到原来静息电位水平。在示波器上可记录到一个先迅速上升，然后又快速下降的电位波动。细胞受到有效刺激时膜电位所经历的快速、可逆和可传播的膜电位波动称为动作电位。
极化与去极化：生理学上，通常把静息状态下膜电位所保持的内负外正的稳定状态称为极化（polarization）；以此为基础，膜电位值增大的过程称为超极化（hyperpolarization）；膜电位值减小的过程称为去极化（depolarization），去极化超过零电位以上的部分称为超射（overshoot），发生超射时膜两侧电位极性反转称为反极化（reverse polarization）；细胞先发生去极化后又向原来的极化状态恢复的过程称为复极化（repolarization）。
动作电位的特点：
- 全或无现象：即对于同一个细胞而言，如果刺激没有达到一定强度则不能引起动作电位（无），只要刺激达到一定强度就能引发动作电位，并且所引起的动作电位总是以同样的波形和波幅出现，不会因刺激强度增强而增大（全）；
- 不衰减传播：产生于细胞某处的动作电位可以沿细胞膜迅速、不衰减传导至整个细胞，并始终保持其原有的波形和幅度；
- 脉冲式发放：连续刺激产生的多个动作电位总有一定间隔而不会发生融合，呈现为一个个分离的脉冲式发放。
二、细胞生物电产生机制
（一）基本原理
细胞膜两侧离子的浓度差是引起离子跨膜扩散的直接动力。该浓度差是由细胞膜中的离子泵，主要是钠泵的活动形成和维持的。由于膜两侧电位差是由带电粒子跨膜扩散所致，因而称为扩散电位（diffusion potential）。由于扩散发生在细胞膜内、外两侧形成电位差，也称跨膜电位（transmembrane potential），简称膜电位（membrane potential, Em）。
细胞膜电位的形成必须具备两个基本条件，一是在细胞内、外存在离子的浓度梯度；二是细胞膜对某些离子有选择的通透性或称电导（conductance）。在此基础上发生离子跨膜扩散，形成跨膜离子电流，将导致膜电位改变。
（二）静息电位的产生
在安静状态时，由于细胞膜上存在非门控钾漏通道持续开放而主要对 K+ 具有通透性，同时细胞内液 K+ 浓度远远高于细胞外液，因而在化学驱动力作用下 K+ 外流，而膜内有机负离子不能随之外流，导致膜内正电荷减少而膜外正电荷增多，这就形成以“内负外正”为特征的膜电位。膜电位所产生的电驱动力会阻止 K+ 继续外流，最后当两个方向的力量达到平衡时的膜电位就是静息电位。如果细胞外 K+ 浓度发生改变，静息电位值也会相应改变。例如，当发生细胞外高钾时，细胞内、外 K+ 浓度差减小，K+ 外流减少，静息电位值也减少，将对细胞的兴奋性产生影响。
实际上，静息电位实测值一般较 K+ 平衡电位的理论值略小，其原因在于，安静状态下细胞膜除对 K+ 具有较大通透性外，对 Na+ 亦有一定通透性，少量 Na+ 内流对静息膜电位也有一定影响。同时，钠泵活动在一定程度上也参与静息电位形成。
（三）动作电位的产生
- 动作电位的引起：要引起动作电位，首先要有一个适当的刺激使细胞膜发生一定程度的初始去极化，当去极化达到某一临界膜电位时，才能引发动作电位。能引发动作电位的临界膜电位值称为阈电位。
阈电位水平一般比静息电位小 10~20mV，如果静息电位为 -70mV，则阈电位约为 -55mV。对于电刺激来说，能否使膜电位达到阈电位，取决于所施加电刺激的性质和强度。而引发超极化改变的电刺激，无论强度多大，都不能引起动作电位。
动作电位的形成：静息电位值远离 Na+ 平衡电位，显然，即使是在静息状态，Na+ 也受到一个强大驱动力的作用。然而在静息状态下，细胞膜对 Na+ 几乎没有通透性。当一个适宜的刺激引起膜电位发生初始去极化达到阈电位时，细胞膜上电压门控 Na+ 通道突然大量快速开放，膜 Na+ 电导迅速提高，使得细胞外大量 Na+ 在强大电化学驱动力作用下快速内流，内向 Na+ 电流导致膜电位发生快速去极化。膜的去极化促使 Na+ 通道开放是一个正反馈过程，又称再生循环（regenerative cycle）。随着膜去极化，越来越多 Na+ 通道开放，导致更多 Na+ 内流，其结果是膜电位迅速去极化直到最后接近于 Na+ 平衡电位水平，这时膜电位由原来的负电位倒转成正电位，构成动作电位锋电位上升支。
动作电位产生的分子基础：由适宜刺激引发的膜电导发生规律性变化是动作电位产生的必要条件。
Na+ 通道有以下 3 种功能状态。
（1）静息态：即细胞没有受到外来刺激时，激活门关闭的备用状态。虽然此时失活门处于开放状态，Na+ 仍然不能通过。如果 Na+ 细胞膜上的钠通道都处于这个状态，则 Na+ 电导几乎为零。
（2）激活态：是刺激后通道开放的状态。当适宜刺激使膜电位一定程度去极化时，Na+ 通道激活门迅速打开，而失活门由于对膜电位变化的反应较激活门慢，因而仍然处于开放状态。这时，由于两个门在短时间内都同时开放，Na+ 可以经通道内流。对整个细胞膜而言，一旦膜电位去极化达阈电位，大量 Na+ 通道激活，Na+ 电导迅速增加，内向 Na+ 电流也随之增强，引起膜电位迅速去极化到顶点。
（3）失活态：是继激活状态之后通道对刺激的无反应状态。Na+ 通道处于激活态的时间很短，稍后失活门对膜电位的变化发生反应而逐渐关闭，Na+ 通道失活。当动作电位去极化到顶点后，细胞膜上 Na+ 通道已关闭，内向 Na+ 电流终止，随后复极化开始。在复极化过程最初阶段，处于失活态的 Na+ 通道不能直接被再次激活，以后随着复极化进程，处于失活态的 Na+ 通道逐渐重新恢复到静息态，通道才具备被重新激活的可能。Na+ 通道从失活态回到静息态的过程称为复活。复极化越接近静息电位水平，复活的 Na+ 通道越多。
K+ 通道只有一个激活门，根据激活门开放或关闭，K+ 通道有激活和去激活两种状态。相对于 Na+ 通道而言，K+ 通道激活缓慢，当给予一个去极化水平刺激时，需要延迟一段时间 K+ 通道才得以激活，并且将长时间维持在这种激活状态，此时激活门重复开、关的过程，使 K+ 得以外流，直到膜电位回到静息电位水平。
- 动作电位的传导：动作电位在同一细胞的传导和不同细胞间的传导机制不同。
（1）动作电位在同一细胞的传导：动作电位一旦产生，可以沿着细胞膜不衰减地传播至整个细胞膜，这是动作电位的重要特征。
1）传导的机制：动作电位能沿着细胞膜不衰减传导，关键原因是在已经兴奋的部位和邻近未兴奋部位之间形成了局部电流。
无髓神经纤维上动作电位的传导：首先产生动作电位的部位，由于膜去极化使细胞膜内、外两侧电位的极性发生倒转，由原来的“内负外正”变为“内正外负”，这就与邻近未兴奋部分之间形成电位差，因而产生局部电流。局部电流以电紧张形式传播，其方向是细胞内正电荷从兴奋部位流向未兴奋部位，穿出细胞膜，再从未兴奋部位流向兴奋部位。局部电流使得一定距离内的细胞膜去极化达到阈电位，引起 Na+ 通道大量开放，进而产生新的动作电位。如此反复，动作电位便通过局部电流沿细胞膜向远处传导。由于动作电位的传播其实是沿着细胞膜不断产生新的动作电位，因此能保持其原有的波形和幅度，而不会发生衰减。
有髓神经纤维上动作电位的传导：与无髓神经纤维传导一样，只是由于髓鞘主要成分脂质具有绝缘性，局部电流只能在髓鞘中断部位，即一个个郎飞结之间“跳跃”产生动作电位。这种传导方式称为跳跃式传导（saltatory conduction），其传导速度比无髓神经纤维快得多。与无髓神经纤维比较，动作电位在有髓神经纤维传导同样距离所需要转运的离子更少，所消耗能量也相对更少，因而更加“节能”。
2）影响传导的因素：由于动作电位传导是局部电流以电紧张扩布的形式使一定距离内的细胞膜去极化到阈电位水平，因而局部电流的强度、传播速度直接影响到动作电位传导。
影响动作电位在同一细胞传导速度的因素有以下几个方面：
- 组织直径大小：细胞直径越大，纵向电阻越小，因而局部电流传播越快，能更快地使邻近部位的细胞膜去极化达到阈电位，因而动作电位传导越快；反之越慢；
- 动作电位去极化幅度：不同细胞的动作电位去极化幅度有别，如去极化幅度越大，与相邻未兴奋部位之间形成的局部电流就越强，在相同时间内可以使更远距离的细胞膜去极化达到阈电位水平，因而动作电位传导越快；
- 对于神经纤维而言，有髓神经纤维比无髓神经纤维传导快，除由于前述的跳跃式传导特点外，还因为髓鞘绝缘性极大地增加横向膜电阻，使得局部电流难以横向流出细胞膜，而是沿神经纤维纵向传播得更远更快。
（2）动作电位在不同细胞之间的传导：根据细胞与细胞之间联系方式的不同，动作电位在不同细胞之间的传导机制也有所差异。
1）动作电位通过缝隙连接的传导：在某些组织，如心肌和平滑肌的细胞间存在缝隙连接（gap junction）。在缝隙连接部位，相邻两个细胞的膜靠得很近，细胞间距离小于 3nm。每侧细胞膜上都规则地排列着一些称为连接体的蛋白颗粒。每个连接体都是由 6 个称为连接子的单体蛋白形成的同源六聚体，中央围成一个亲水性孔道。两侧膜上的连接体端端相连，使两个连接体的亲水性孔道对接，形成允许离子通过的通道。这些通道通常是开放的，因而形成细胞间的一个低电阻区，当一个细胞产生动作电位时，可通过与上述同一细胞相同的传导机制，通过流经缝隙连接的局部电流很快传导至另一个细胞。由于动作电位通过缝隙连接的传导速度快，便于这些组织的细胞同步活动。
2）动作电位通过神经突触或神经肌肉接头的传导：在神经细胞之间以及运动神经纤维与骨骼肌细胞之间，动作电位的传导只能通过细胞间的特殊结构，即神经细胞间的突触和神经肌肉接头，以更为复杂的机制实现动作电位传导。
（四）局部电位
如果所施加刺激的强度不足以使膜去极化达到阈电位而引发动作电位，但仍然可以引起受刺激局部产生一定程度的去极化电位，这就是局部电位（local potential）。
局部电位是由于外加电刺激直接对细胞膜电位的影响所产生的电紧张电位，再加上少量 Na+ 通道激活所致少量 Na+ 内流的主动成分，因而具有普通的电紧张电位的特征，即：
- 不表现“全或无”特征，即局部电位幅度随着刺激强度的增加而增大，呈等级性电位；
- 衰减性传播，即局部电位幅度随着传播距离增加而逐渐减小直至最后消失；
- 总和现象，如在细胞膜相邻部位同时给予刺激，所引起的局部电位在彼此的电紧张传播范围内可以发生叠加或总和，称为空间总和（spatial summation）；如果在同一部位给予一定频率的连续刺激，则在同一部位先后产生的局部电位也能够发生叠加或总和，称为时间总和（temporal summation）。
三、细胞的兴奋和兴奋性
（一）细胞产生兴奋的条件
在生理学中，兴奋也是指动作电位的产生过程，因而可以将动作电位看作是细胞兴奋的标志。机体内、外环境的变化称为刺激。刺激作用于细胞能否引起兴奋，取决于细胞本身的兴奋性和刺激的性质。兴奋性是刺激引起兴奋的基础，如果细胞没有兴奋性，任何强大的刺激都不能引起细胞兴奋；刺激能否引起细胞兴奋，取决于三个要素，即刺激强度、刺激持续时间以及刺激强度对时间的变化率（单位时间内强度的变化）。
（二）细胞一次兴奋后兴奋性的周期性变化
细胞在发生一次兴奋后，由于通道功能状态的变化，会导致其兴奋性出现规律性变化，经历几个不同的时期。
绝对不应期：在兴奋发生后的最初一段时间内，无论施加多强的刺激也不能使细胞再次兴奋，这段时间称为绝对不应期（absolute refractory period）。对于骨骼肌细胞或神经细胞而言，在此期 Na+ 通道完全处于失活状态，因此无论再施加多强的刺激也不能使细胞再次产生新的兴奋，此时兴奋性为零。由于这一时期几乎覆盖整个动作电位的锋电位，因而锋电位不会发生叠加总和。
相对不应期：相对不应期（relative refractory period）是在绝对不应期之后的一段时期，此时细胞兴奋性有所恢复，但较正常兴奋性低。在这一时期，部分 Na+ 通道已经恢复到可以再次激活的静息状态，如果所给的刺激强度足够大，可以再次引起细胞兴奋。
超常期：超常期（supranormal period）是相对不应期后，细胞经历的兴奋性略高于正常水平的时期。此期更多 Na+ 通道已经恢复到静息状态，并且在时间上与动作电位的去极化负后电位相重叠，膜电位更接近阈电位，因而细胞受到刺激时更容易发生兴奋。
低常期：低常期（subnormal period）在时间上与动作电位的超极化正后电位相重叠，虽然此时 Na+ 通道都已恢复到静息状态，但由于膜电位的水平比静息电位水平更远离阈电位，因而细胞不容易发生兴奋。