2013年初級(jí)藥士生理學(xué)輔導(dǎo)：生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制

　　早在1902年，Bernstein就提出膜學(xué)說(shuō)，他根據(jù)當(dāng)時(shí)關(guān)于電離和電化學(xué)的理論成果提出了經(jīng)典的膜學(xué)說(shuō)來(lái)解釋當(dāng)時(shí)用粗劣的電測(cè)量?jī)x器記錄到的生物電現(xiàn)象。他認(rèn)為細(xì)胞表面膜兩側(cè)帶電離子的不同分布和運(yùn)動(dòng)，是產(chǎn)生物電的基礎(chǔ)。但在當(dāng)時(shí)和以后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，還沒(méi)有測(cè)量單一細(xì)胞電活動(dòng)的手段和其他有關(guān)技術(shù)，因此他的學(xué)說(shuō)長(zhǎng)期未能得到證實(shí)。直到本世紀(jì)40～50年代，Hodgkin 和Huxley等開(kāi)始利用槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突和電生理學(xué)技術(shù)，進(jìn)行了一系列有意義的實(shí)驗(yàn)，不僅對(duì)經(jīng)典膜學(xué)說(shuō)關(guān)于靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的假設(shè)予以證實(shí)，而且對(duì)動(dòng)作電位的產(chǎn)生作了新的解釋和論證。通過(guò)這一時(shí)期的研究，對(duì)于可興奮細(xì)胞靜息電位和動(dòng)作電位的最一般原理已得到闡明，即細(xì)胞生物電現(xiàn)象的各種表現(xiàn)，主要是由于某些帶電離子在細(xì)胞膜兩側(cè)的不均衡分布，以及膜在不同情況下對(duì)這些離子的通透性發(fā)生改變所造成的。但是由于當(dāng)時(shí)對(duì)細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)和膜中蛋白質(zhì)的存在形式和功能還知之甚少，因此Hodgkin等對(duì)生物電的理解只能是宏觀的，對(duì)微細(xì)過(guò)程只能用數(shù)學(xué)模型來(lái)說(shuō)明。隨著70年代以來(lái)蛋白質(zhì)化學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，蛋白質(zhì)分子從膜結(jié)構(gòu)中克隆出來(lái)，并從它們的分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)明通道的功能特性;特別是70年代中期發(fā)展起來(lái)的膜片鉗(patch clamp)技術(shù)，可以觀察和記錄單個(gè)離子通道的功能活動(dòng)，使宏觀的所謂膜對(duì)離子通透性或膜電導(dǎo)的改變，得到了物質(zhì)的、可測(cè)算的證明。

　　1.靜息電位和K+平衡電位　Bernstein最先提出，細(xì)胞內(nèi)外鉀離子的不均衡分布和安靜狀態(tài)下細(xì)胞膜主要對(duì)K+有通透性，可能是使細(xì)胞能保持內(nèi)負(fù)外正的極化狀態(tài)的基礎(chǔ)。已知所有正常生物細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)的K+濃度超過(guò)細(xì)胞外K+很多，而細(xì)胞外Na+濃度超過(guò)細(xì)胞內(nèi)Na+濃度很多，這是Na+泵活動(dòng)的結(jié)果;在這種情況下，K+必然會(huì)有一個(gè)向膜外擴(kuò)散的趨勢(shì)，而Na+有一個(gè)向膜內(nèi)擴(kuò)散趨勢(shì)。假定膜在安靜狀態(tài)下只對(duì)K+有通透的可能，那么只能有K+移出膜外，這時(shí)又由于膜內(nèi)帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)大分子不能隨之移出細(xì)胞，于是隨著K+移出，出現(xiàn)膜內(nèi)變負(fù)而膜外變得較正的狀態(tài)。K+的這種外向擴(kuò)散并不能無(wú)限制地進(jìn)行，這是因?yàn)橐频侥ね獾腒+所造成的外正內(nèi)負(fù)的電場(chǎng)力，將對(duì)K+的繼續(xù)外移起阻礙作用，而且K+移出的愈多，這種阻礙也會(huì)愈大。因此設(shè)想，當(dāng)促使K+外移的膜兩側(cè)K+濃度勢(shì)能差同已移出K+造成的阻礙K+外移的電勢(shì)能差相等，亦即膜兩側(cè)的電-化學(xué)(濃度)勢(shì)代數(shù)和為零時(shí)，將不會(huì)再有K+的跨膜凈移動(dòng)，而由已移出的K+形成的膜內(nèi)外電位差，也穩(wěn)定在某一不再增大的數(shù)值。這一穩(wěn)定的電位差在類似的人工膜物理模型中稱為K+平衡電位。Bernstein用這一原理說(shuō)明細(xì)胞跨膜靜息電位的產(chǎn)生機(jī)制。不難理解，K+平衡電位所能達(dá)到的數(shù)值，是由膜兩側(cè)原初存在K+濃度差的大小決定的，它的精確數(shù)值可根據(jù)物理化學(xué)上著名的Nernst公式(1889)算出：

　　(1)式中Ek表示K+平衡電位，R是通用氣體常數(shù)，Z是離子價(jià)，F(xiàn)是Farady常數(shù)，T是絕對(duì)溫度;式中只有[K+]o和[K+]i是變數(shù)，分別代表膜兩側(cè)的K+濃度。如果把有關(guān)數(shù)值代入，室溫以27°С計(jì)算，再把自然對(duì)數(shù)化為常用對(duì)數(shù)，則式(1)可簡(jiǎn)化為;(2)

　　如果，Bernstein應(yīng)用當(dāng)時(shí)物理化學(xué)最新成果說(shuō)明細(xì)胞靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的理論是正確的，那么在細(xì)胞實(shí)際測(cè)得的靜息電位的數(shù)值，應(yīng)相當(dāng)于把當(dāng)時(shí)細(xì)胞內(nèi)外K+濃度值代入式(2)時(shí)計(jì)算所得的Ek值。1939年Hodgkin等利用了槍烏賊的巨大神經(jīng)纖維和較精密的示波器等測(cè)量?jī)x器，第一次精確地測(cè)出此標(biāo)本的靜息電位值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此值和計(jì)算所得的K+平衡電位值非常接近而略小于后者;如在一次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的靜息電位值為-77mV，而按當(dāng)時(shí)[K+]o和[K+]i值算出的Ek為-87mV，基本上符合膜學(xué)說(shuō)關(guān)于靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的解釋。

　　為了進(jìn)一步證實(shí)這一理論，Hodgkin等又用人工地改變標(biāo)本浸溶液中K+濃度即[K+]o，因而也改變了[K+] o/[K+] i值的實(shí)驗(yàn)方法，觀察到所記錄的靜息電位的什也隨[K+]o的改變而改變，而改變的情況基本上同根據(jù)式(2)計(jì)算出的預(yù)期值相一致。隨后用微電極細(xì)胞內(nèi)記錄法在纖細(xì)的哺乳類標(biāo)本也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，得到類似的結(jié)果，如在骨骼肌細(xì)胞測(cè)得的靜息電位為-90mV，而計(jì)算所得的Ek值為-95mV。這些實(shí)驗(yàn)都說(shuō)明，大多數(shù)細(xì)胞的靜息電位的產(chǎn)生，是由于正常細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)液高K+而膜在安靜時(shí)又主要對(duì)K+有通透能力的結(jié)果;至于靜息電位的數(shù)值為何略小于理論上的Ek值，一般認(rèn)為是由于膜在靜息時(shí)對(duì)Na+也有極小的通透性(大約只有K+通透性的1/50～1/100)的緣故;由于膜外Na+濃度大于膜內(nèi)，即使小量的Na+逸入膜內(nèi)也會(huì)抵消一部分K+外移造成的膜內(nèi)負(fù)電位。