- 细胞生物电（bioelectricity）
- 细胞在进行生命活动时都伴随有电现象。
- 跨膜电位（transmembrane potential）| 膜电位（membrane potential）
- 细胞生物电是由一些带电离子跨膜流动而产生的，表现为一定的跨膜电位，简称膜电位。
细胞膜电位的表现形式有静息电位和动作电位两种，机体所有的细胞都具有静息电位，而动作电位则仅见于神经细胞、肌细胞和部分腺细胞。
静息电位
- 静息电位（resting potential，RP）
- 静息状态下存在于细胞膜两侧的外正内负、相对平稳的电位差。
- 机体所有的细胞都具有静息电位。
常见细胞的静息电位
| 骨骼肌细胞 | 神经细胞 | 平滑肌细胞 | 红细胞 |
|---|---|---|---|
| -90 mV | -70 mV | -55 mV | -10 mV |
- 极化（polarization）
- 安静时细胞膜两侧处于外正内负的稳定状态。
- 反极化（reverse polarization）
- 膜内电位变为正值、膜两侧极性倒转的状态。
- 超极化（hyperpolarization）
- 静息电位（负值/绝对值）增大的过程或状态，如细胞内电位由 -70 mV 变为 -90 mV，表示膜的极化状态增强。
- 去极化（depolarization）
- 静息电位（负值/绝对值）减小的过程或状态，如细胞内电位由 -70 mV 变化为 -50 mV。
- 复极化（repolarization）
- 细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程。
静息电位的产生机制
- 细胞外液 [K+]（膜两侧 [K+ 差]）：细胞膜对 K+ 通透性大，细胞外液 [K+] 可影响钾平衡电位乃至静息电位。
- 细胞膜对 Na+ 与 K+ 的相对通透性、K+ 平衡电位：膜对离子的相对通透性决定了静息电位将会趋近于哪个离子的平衡电位。
- 钠泵的活动水平：钠泵活动每次产生一个正电荷的净外移，其活动水平增强时，可导致一定程度的超极化，反之可使静息电位减小。
拔河模型
拔河模型用于理解离子平衡电位和细胞膜对离子的通透性对静息电位的影响。在拔河模型中，K+、Na+ 离子“平衡电位”分别通过代表“细胞膜对离子通透性”的弹力绳与“静息电位”相连。
- 弹力绳长度与“细胞膜对离子通透性”呈反比；
- “平衡电位”越大，向两侧偏移的距离越大。
细胞膜两侧离子的浓度差与平衡电位
细胞内外主要离子的浓度（哺乳动物骨骼肌细胞）
| 离子 | 胞外浓度 | 胞内浓度 | 外、内浓度比值 |
|---|---|---|---|
| Na+ | 145 | 12 | 10（12.8） |
| K+ | 4 | 155 | 30（38.75）-1 |
| Cl- | 120 | 4 | 30 |
| Ca2+ | 1.0 | 10-4 | 104 |
- 平衡电位（equilibrium potential）
- 跨膜电场和离子浓度差这两个影响带电离子移动的驱动力的代数和，即离子的电-化学驱动力（electrochemical driving force）为零时，离子净扩散为零，这时的跨膜电位差称为该离子的平衡电位（$E_X$）。
$f$ 表示“驱动力”。由于 Nernst 公式计算 $E_X$ 时已经考虑了离子的价数，这里不用再考虑离子所带电荷。
利用 Nernst 公式，可计算出某种离子的平衡电位：
$$E_X=\frac{RT}{ZF}\ln\frac{[X]_o}{[X]_i}(V) \\,.$$$E_X$ 为某离子（$X$）的平衡电位（以细胞外为零电位的细胞内数值，单位为伏特），$R$ 为气体常数，$T$ 为绝对温度，$F$ 为法拉第常数，$Z$ 为离子价数，$[X]_o$（outer）和 $[X]_i$（inner）分别为该离子在细胞外液和细胞内液中的浓度。如果 $Z = +1$，环境温度为 29.2 ℃，将自然对数转换为常用对数以及 $E_X$ 的单位用 mV 表示时，则上述 Nernst 公式可表示为
$$E_X=60\lg\frac{[X]_o}{[X]_i}(mV) \\,.$$静息时细胞膜对离子的相对通透性
膜对某种离子的通透性愈高，该离子的扩散对静息电位形成的作用就愈大，静息电位也就愈接近于该离子的平衡电位。在安静状态下，细胞膜对各种离子的通透性以 K+ 为最高，因为细胞膜中存在持续开放的非门控钾通道（如神经细胞膜中有钾漏通道）。
静息电位略小于 K+ 平衡电位的原因：静息状态虽然只有 K+ 漏通道开放，但其对 Na+ 也有一定的通透性（为 K+ 通透性的 1/100～1/50），少量进入细胞的 Na+ 所产生的电位可部分抵消由 K+ 外流所形成的膜内负电位。
钠泵的生电作用
动作电位
- 动作电位（action potential，AP）
- 细胞在静息电位基础上接受有效刺激后产生的一个迅速的可向远处传播的膜电位波动。
神经纤维动作电位模式图
a：静息电位；ab：膜电位逐步去极化到达阈电位水平；b：阈电位；bc：动作电位快速去极相；cd：动作电位快速复极相；bcd：锋电位（主要组成部分，动作电位的标志）；de：负后电位（膜电位小于静息电位）；ef：正后电位（膜电位大于静息电位）
《生理学》人卫第 9 版
动作电位各期离子通道的活动
| 时期 | K+ 通道 | 电压门控 K+ 通道 延迟激活 K+ 通道 | 电压门控 Na+ 通道 快钠通道 | 电位 | 产生机制 |
|---|---|---|---|---|---|
| 静息状态（a） | 开放 | 静息 | 静息 | 接近 K+ 平衡电位 | 通透性 K+ > Na+ |
| 快速去极化（bc） | 开放 | 关闭（延迟激活） | 开放（同时开始失活） | 接近 Na+ 平衡电位 | 通透性 Na+ > K+ |
| 快速复极化（cd） | 开放 | 开放（先增加和减少） | 大量失活 | 膜电位快速复极化 | 通透性 K+ > Na+ |
| 后电位（df） | 开放 | 静息 | 静息 | 正后电位、负后电位 | Na+ 泵增强 |
Na+ 通道的“两门，三状态，四过程”
钠离子通道的三个状态
| 状态 | 激活门 | 失活门 | |
|---|---|---|---|
| 静息/备用 | 关闭 | 开放 | 膜电位保持在静息电位水平（如 -70 mV 左右）时通道尚未开放的 状态 |
| 激活 | 开放 | 开放 | 激活门迅速打开，失活门则逐渐关闭，当激活门迅速开放而失活门 尚未关闭时通道出现瞬间导通 |
| 失活* | 开放 | 关闭 | 时间依赖性失活门完全关闭，尽管去极化电压仍继续存在、激活门 开放，但通道仍不能导通 |
钠离子通道四过程：激活、去激活、失活、去失活（复活）
动作电位的特点
- “全或无”（all or none）现象：要使细胞产生动作电位，所给的刺激必须达到一定的强度。若刺激未达到一定强度，动作电位就不会产生（无）；当刺激达到一定的强度时，所产生的动作电位，其幅度便到达该细胞动作电位的最大值，不会随刺激强度的继续增强而增大（全）。
- 不衰减传播（再生性）：动作电位产生后，并不停留在受刺激处的局部细胞膜，而是沿膜迅速向四周传播，直至传遍整个细胞，而且其幅度和波形在传播过程中始终保持不变。
- 脉冲式发放：连续刺激所产生的多个动作电位总有一定间隔而不会融合起来，呈现一个个分离的脉冲式发放。
动作电位的产生机制
动作电位实际上时带电离子跨膜转运的结果，后者需要两个必不可少的因素：离子的电-化学驱动力（跨膜电场和离子浓度差），细胞膜对离子的通透性。
离子通过细胞膜的扩散量（动作电位的幅度）取决于离子所受的电场力、膜两侧的离子浓度差、膜对离子的通透性。
电化学驱动力及其变化
电-化学驱动力为跨膜电场（$E_m$）和离子浓度差这两个影响带电离子移动的驱动力的代数和。而根据平衡电位的定义，“离子浓度差”（的作用）等于平衡电位（$E_X$）的负值。因此电-化学驱动力可用 $E_m - E_X$ 表示。在动作电位过程中，进出细胞膜的离子仅占总离子量的几万分之一，平衡电位（$E_X$）几乎不变，但去极化和复极化使膜电位（$E_m$）大幅改变，因此 Na+ 和 K+ 的电化学驱动力也会发生很大改变。
$$ 电化学驱动力(f) = E_m + 离子浓度差 = E_m - E_X \\,.$$经计算，一个直径为 10 μm、细胞内 K+ 浓度为 1OO mM 的细胞，形成细胞内 -61.5 mV 的膜电位，K+ 只需向细胞外扩散 0.004%（不足万分之一）。可见，形成静息电位或产生动作电位只需要少量离子跨膜移动即可达到一定的膜电位水平，而不会明显扰乱膜两侧的离子浓度梯度。
如 Cl- 所受电化学驱动力即为 $-90 mV - (-76 mV) = -14 mV$。
常见离子静息电位
动作电位期间细胞膜通透性的变化
利用电压钳技术和欧姆定律可计算出膜电导（电阻的倒数），电导反映的是膜对离子的通透性, 没有正负之分。
$$G_X = \frac{I_X}{E_m - E_X} \\,.$$静息时细胞膜对 K+ 通透性最大；兴奋时（快速去极相）对 Na+ 最大；之后（快速复极相）钠泵失活，而 K+ 通道开放（延迟激活），对 K+ 通透性最大。
静息电位时，K+ 外流量（$I_K$）与 Na+ 内流量（$I_{Na}$）动态平衡，维持静息电位。
$$I_K = G_K \cdot f_K = I_{Na} = G_{Na} \cdot f_{Na} \\,.$$去极化刺激引起的膜电位变化趋势
| 刺激 | $G_K$ | $f_K$ | $G_{Na}$ | $f_{Na}$ | 离子流 | 膜电位变化趋势 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 轻微去极化刺激 （阈下刺激） | ↑ | ↓ | K+ 外流 > Na+ 内流 | 恢复静息电位 | ||
| 较强去极化刺激 （阈上刺激） | ↑ | ↑↑↑↑ | ↓ | K+ 外流 < Na+ 内流 | 去极化程度增加（正反馈） |
动作电位的触发
阈刺激
动作电位的产生是细胞受到有效刺激的结果。
- 刺激（stimulus）
- 细胞所处环境的变化，包括物理、化学和生物等性质的环境变化。
若要使细胞对刺激发生反应，特别是使某些细胞产生动作电位，刺激必须达到一定的量。刺激量通常包括三个参数，即强度、持续时间、强度-时间变化率。
- 阈强度（threshold intensity）| 阈值（threshold）
- 能使细胞产生动作电位的最小刺激强度。
- 阈刺激（threshold stimulus）
- 相当于阈强度的刺激。
- 阈上刺激和阈下刺激
- 大于/小于阈强度的刺激。
- 有效刺激
- 能使细胞产生动作电位的阈刺激或阈上刺激。
阈电位
- 阈电位（threshold potential，TP）
- 只有当某些刺激引起膜内负电位减小（去极化）到一个临界值时（动作电位产生的必要条件），才能正反馈激活钠通道而形成动作电位，这个能触发动作电位的膜电位临界值称为阈电位。
动作电位的传播
动作电位在同一细胞上的传播传导
细胞膜某一部分产生的动作电位可沿细胞膜不衰减地传遍整个细胞，也称传导（conduction）。
- 局部电流学说（无髓神经纤维）：局部电流（local current，指在兴奋区与邻近未兴奋区之间的电流，注意与局部电位区分）流动使邻旁未兴奋区的膜电位减小（去极化），当此处的去极化达到阈电位时即可触发该区爆发动作电位，使它成为新的兴奋区，而原来的兴奋区则进入复极化状态。新的兴奋区又与其前方的安静区再形成新的局部电流，从而使动作电位由近及远传播开来。
- 跳跃式传导（saltatory conduction）（有髓神经纤维）：一个郎飞结的兴奋通过局部电流影响到邻近郎飞结并使之去极化达到阈电位，从而触发新的动作电位。
- 神经纤维髓鞘化不仅能提高动作电位的传导速度，还能减少能量消耗。
- 多发性硬化症属于一种自身免疫性疾病，其病理改变为有髓神经纤维髓鞘进行性丢失，因此，神经纤维传导速度减慢，甚至完全中断，患者可出现瘫痪或感觉丧失等症状。
动作电位在细胞之间的传播
这也是心肌细胞会出现“局部反应期”的原理
- 结构基础
- 缝隙连接是一种特殊的细胞间连接方式，可使动作电位在细胞之间直接传播。
- 神经细胞之间的缝隙连接也称电突触，与化学性突触相比，电突触具有兴奋传播速度快和双向传播等特点。
- 传播方式：在以缝隙连接相连的细胞群中，其中一个细胞产生动作电位后，局部电流可通过缝隙连接直接传播到另一个细胞。
- 生理意义：使某些功能一致的同类细胞快速发生同步化活动。
- 举例
- 排血：心肌细胞的同步收缩有利于射血；
- 排气：呼吸中枢神经元同步兴奋有利于呼吸活动进行；
- 排孩子：子宫平滑肌的同步收缩有利于胎儿分娩。
- 影响因素：当细胞内 Ca2+ 水平增高或 pH 降低时，缝隙连接通道可关闭，这可防止细胞受到损伤后 Ca2+ 超载或酸中毒等伤害的扩散。
兴奋性及其变化
- 兴奋性（excitability）
- 机体的组织或细胞接受刺激发生反应的能力或特性，它是生命活动的基本特征之一。
- 兴奋性的高低与阈值大小负相关。
- 兴奋（excitation）
- 当机体、器官、组织或细胞受到刺激时，功能活动由弱变强或由相对静止转变为比较活跃的反应过程或反应形式。
- 可兴奋细胞（excitable cell）
- 神经细胞、肌细胞和腺细胞这些能够产生动作电位的细胞。
实际上，任何活细胞都具有兴奋性（“可兴奋”，但不是可兴奋细胞）。所谓可兴奋细胞，是因为它们对电刺激较敏感，它们的兴奋以动作电位为标志。其他细胞对电刺激不甚敏感，不能产生动作电位，但它们对于电刺激以外的其他刺激可能很敏感。
兴奋性的变化
ab：绝对不应期；be：相对不应期；cd：超常期；de：低常期
兴奋性的变化的四个分期
| 绝对不应期 | 相对不应期 | 超常期 | 低常期 | |
|---|---|---|---|---|
| 兴奋性 | 0 | 逐渐恢复 | 轻度增高 | 轻度减低 |
| 阈值 | 无穷大 | 高于正常 | 稍低于正常 | 稍高于正常 |
| 持续时间* | 0.3～0.4 ms | 3 ms | 12 ms | 70 ms |
| 动作电位 | 锋电位 | 负后电位前期 | 负后电位后期 | 正后电位 |
| 机制 | 大部分钠 通道**失活 | 钠通道开始 复活，但复活的 通道数量较少 | 钠通道基本复活， 而膜电位尚未恢复， 仍处于去极化状态 | 钠通道完全复活， 而膜电位轻度超极化 |
- 在相对不应期给予阈上刺激可产生动作电位，不过去极化的速度和幅度均小于正常动作电位。
- 在超常期给予阈下刺激即可引发动作电位，而在低常期需要给予阈上刺激。
- 超常期和低常期虽然兴奋性改变，但是钠通道状态与静息状态相同，产生的动作电位与正常动作电位一致。
局部电位
- 电紧张电位（electrotonic potential）
- 由膜的被动电学特性决定其空间分布和时间变化的膜电位。
- 局部电位（local potential）| 局部反应
- 细胞受到刺激后，由膜主动特性参与即部分离子通道开放（有钠通道开放，只不过不足以形成正反馈以产生动作电位）形成的、不能向远距离传播的膜电位改变。
所有电-化学-电过程中产生的电位均为局部电位，包括突触后电位（IPSP、EPSP）、终板电位、感受器电位、发生器电位。此外还有慢波电位等，也属于局部电位。
- 局部兴奋：少量钠通道激活产生的去极化膜电位波动，如骨骼肌终板膜上的终板电位、突触后膜上的兴奋性突触后电位和感觉神经末梢上的发生器电位等。
- 相反地，有些细胞受到抑制性神经递质（可能作用于氯通道）的作用后，细胞膜可发生超极化电位改变，如突触后膜上产生的抑制性突触 后电位、感光细胞受到光照刺激后产生的感受器电位等。
局部电位与动作电位的对比
| 动作电位 | 局部电位 | |
|---|---|---|
| 刺激 | 阈刺激/阈上刺激（有效刺激） | 阈下刺激 |
| 过程 | 有效刺激使膜去极化到阈电位水平 | 膜局部产生一个低于阈电位的 去极化，不能发展为动作电位 |
| 电位幅度 | 幅度大，达阈电位以上， 不随刺激强度增加而增大 | 幅度小，在阈电位以下， 随刺激强度增大而增大 |
| 传播特点 | 以局部电流进行传播；不衰减传播 | 电紧张传播；不能远距离不衰减传播 |
| 总和 | 不能总和（脉冲式发放） | 可总和（时间总和、空间总和） |
| 不应期 | 有 | 无 |
| 机制 | Na+ 通道开放多，Na+ 内流多 | Na+ 通道开放少，Na+ 内流少 |
局部电位的特点
- 等级性电位，即其幅度与刺激强度相关，而不具有“
全或无”特点。 - 衰减性传导，局部电位以电紧张的方式向周围扩布，扩布范围一般不超过 1 mm 半径。
- 没有不应期：反应可以叠加总和。
- 空间总和：相距较近的多个局部反应同时产生的叠加。
- 时间总和：多个局部反应先后产生的叠加。