第二章第三节细胞的电活动电信号的产生和传播都是在质膜两侧进行的。

细胞的跨膜电位有两种表现形式：即安静状态下相对平稳的静息电位和受刺激时发生的可传播、迅速波动的动作电位。

一、膜的被动电学特性和电紧张电位膜的被动电学特性：是指细胞膜作为一个静态的电学元件时所表现的电学特性，它包括静息状态下的膜电容、膜电阻和轴向电阻等。

（一）、膜电容和膜电阻跨膜电位-transmembrane potential，简称膜电位，是指当膜上的离子通道开放而引起带电离子跨膜流动时，就相当在电容器上充电或放电，从而在膜两侧产生的电位差。

（二）、电紧张电位二、静息电位及其产生机制（一）、静息电位的记录和数值静息电位-resting potential RP ：指静息时（安静状态下），质膜两侧存在的外正内负（与钾离子有关）的电位差。

细胞内电位记录：将无关电极（参考电极）置于细胞外，记录电极插入细胞内的记录方式，即细胞内电位记录。

绝大多数的静息电位是负电位膜内电位负值的减小称为静息电位减小，反之，称为静息电位增大。

极化-polarization：人们通常把平稳的静息电位存在时细胞膜外正里负的状态称为极化。

超极化-hyperpolarization：静息电位增大的过程或状态称为超极化。

去极化-depolarization：静息电位减小的过程或状态称为去极化。

反极化：去极化到达零电位后膜电位如进一步变成正值称为反极化。

超射-overshoot：膜电位高于零电位的部分称为超射。

复极化-repolarization：质膜去极化后向静息电位方向回复的过程称为复极化。

静息电位：骨骼肌细胞约-90mV 神经细胞约-70mV 平滑肌细胞约-55mV 红细胞约-10mV （二）、静息电位产生的机制静息电位仅存在膜的内外表面之间，两层间可形成很大的电位梯度，形成这种状态的基本原因是离子的跨膜扩散。

产生离子跨膜扩散的条件有两个：①、钠泵的活动，可形成膜内外离子的浓度差；②、静息时膜对某些离子，主要是对K+具有一定的通透性。

某种离子在细胞静息时的通透性越大，这种离子的跨膜扩散对静息电位的贡献就越大。

在安静状态下，细胞膜主要对K+的通透性高。

（这是由于质膜上存在经常处于开放状态的非门控钾通道，如神经纤维膜上的钾漏通道、心肌细胞膜上的内向整流钾通道。

）1、离子跨膜扩散的驱动力和平衡电位电化学驱动力-electrochemical driving force：当某种离子跨膜扩散时，它受到来自浓度差和电位差的双重驱动力，两个驱动力的代数和称为电化学驱动力。

离子的平衡电位：当质膜只对溶液中某一离子有通透性时，电位差造成的驱动力与浓度差的驱动力的方向相反，成为阻止离子进一步跨膜扩散的力量，直至电位差驱动力增加到等于浓度差驱动力时达到稳态，此时的跨膜电位差称为该离子的平衡电位。

达到平衡点位时，尽管膜对其仍有通透性，但没有离子的跨膜净移动。

在哺乳动物中，多数细胞的E K为-90~-100mV，E Na为+50~+70mV。

2、膜对离子的通透性和静息电位的形成静息电位主要是由静息时离子的跨膜扩散形成。

除K+和Na+外，膜两侧溶液的主要离子还有Cl-、Ca2+和有机负离子。

一般认为膜对Cl-不存在原发性主动转运，因此，Cl-在膜两侧的分布是被动的。

并且，Cl-平衡电位总是等于或接近静息电位。

有机负离子。

如带负电的蛋白质和核苷酸等，是使细胞内液保持电中性的只要负离子，膜对他们几乎不通透，他们聚集在膜内侧，是膜内侧负电荷的主要载体。

3、钠泵的生电作用钠泵每分解一个ATP分子，可将3个Na+排出胞外和2个K+进入胞内，结果使膜内电位的负值增大（超极化），但钠泵的生电作用对静息电位的贡献并不很大，且可因细胞的不同种类和状态有所差异。

根据以上静息电位的形成机制，可将影响静息电位的因素归纳为3点：①、膜外K+的浓度；--由于膜内外K+浓度差决定E K（外更显著），如细胞外K+的浓度的升高将使E K的负值减小，导致静息电位相对减小（去极化）。

②、膜对K+和Na+相对通透性；--如膜对K+的通透性相对增大，静息电位将增大。

反之，膜对Na+的通透性相对增大，静息电位将减小。

③、钠泵活动的水平（影响不超过5mV），活动增强将使膜发生一定程度的超极化。

三、动作电位及其产生机制（一）、细胞的动作电位动作电位-action potential，AP：在静息电位的基础上，给细胞一个适当的刺激，可触发其产生迅速地可传播的膜电位波动，称为动作电位。

峰电位-Spike potential：升支（去极相）和降支（复极相）两者共同形成尖峰状的电位变化，称为峰电位。

后电位：在峰电位后面出现的低幅、缓慢的波动。

后电位包括两个成分：①、前一个成分的膜电位仍小于静息电位，称为负后电位-negative after-potential或后去极化；②、后一个成分的大于静息电位，称为正后电位-positive after-potential或后超极化。

动作电位有两个重要特征：“全或无”特性和可传播性。

阈值-threshold：能引起动作电位的最小刺激强度，称为阈值。

动作电位的特点：①、“全或无”-all or none 现象—即刺激强度达到阈值后，即可触发动作电位，而且其幅度立即达到该细胞动作电位的最大值，也不会因刺激强度的增强而随之增大；②、可传播性—动作电位产生后，并不局限于受刺激局部，而是沿质膜迅速向四周传播，直至整个细胞都依次产生一次动作电位，这称为动作电位的可传播性；③、不衰减性传导—动作电位在同一细胞上的传播是不衰减的，其幅度和波形始终保持不变；④、存在不应期、不发生总和。

（二）、动作电位的产生机制发生膜电位波动的原因是离子跨膜扩散流动引起膜内、外层电荷的改变。

内向电流-inward current：细胞受到刺激时引起离子流动，膜外的正电荷流入膜内，称为内向电流。

内向电流使膜内电位的负值减小，引起膜的去极化，如Na+和Ca2+由胞外流向胞内。

外向电流-outward current：离子流动引起正电荷由胞内流出胞外，称为外向电流。

外向电流使膜两侧外正内负的电位差增大，引起膜的复极化或超极化，如K+由胞内流出胞外，或Cl-由胞外流入胞内。

动作电位的去极相是由内向电流形成的，而复极相则是外向电流形成的。

离子跨膜流动的产生需要两个必不可少的因素：①、膜两侧对离子的电化学驱动力；②、膜对离子的通透性。

1、电化学驱动力电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度。

发生任何膜电位变化的基础为：膜受刺激而发生通透性改变时，带电离子将依从电化学驱动力的方向跨膜流动，并引起膜电位的变化。

电化学驱动力是由离子在膜两侧溶液中的浓度和膜电位共同决定的，离子在膜两侧溶液中的浓度决定该离子的平衡电位，即电化学驱动力等于零的电位。

驱动力的改变主要由膜电位变化而引起。

某离子在膜两侧受到的电化学驱动力应为膜电位（E m）与该离子的平衡电位(E x)之差，即（E m-E x)。

负值代表内向驱动力，推动产生内向电流；正值代表外向驱动力，推动产生外向电流。

2、动作电位期间膜电导的变化膜电导相当于膜对离子的通透性，反映膜对离子的通透能力。

膜电位去极化程度越大，膜对离子的通透性越大。

3、动作电位产生的过程局部电位：当膜受到一个较弱的去极化刺激后，增强的K+外向电流将使膜迅速恢复到起始的膜电位，这一电位变化称为局部电位。

再生循环只要刺激强度足以触发正反馈这一过程，均可引发相同幅度的动作电位，这也是动作电位全或无特性的原因所在。

钠电导的电压依赖性和由此产生的去极化过程中的正反馈机制，是动作电位起始的关键因素。

许多细胞动作电位的上升支是Ca2+内流产生的，如平滑肌细胞、某些心肌细胞和内分泌细胞等。

超极化的和小于阈电位的去极化刺激只能引起局部电位，只有阈上的去极化刺激才能引发动作电位。

动作电位的产生条件：静息电位去极化到阈电位，静息电位与阈电位差值越小，细胞越容易兴奋，则兴奋性越大。

4、膜对离子通透性变化的机制离子通透性的变化实质是由于膜上离子通道的开放和关闭造成的。

这个结论是利用膜片钳技术在观测单个离子通道活动的基础上得出的。

钠通道至少存在三种功能状态，即刺激前状态、刺激后钠电流增大的状态，和刺激仍持续而钠通道无反应的状态，分别称为关闭（close）、激活（activation）和失活（inactivation）。

其中在关闭和失活两种状态下的钠通道都是不开放的，只有激活状态下通道才开放。

处于失活状态的通道无论如何刺激都不能直接进入激活状态，它必须随着膜电位的复极化首先进入关闭状态，才能被再次激活。

复活-recovery from inactivation：从失活进入关闭状态的过程，是m门迅速关闭和h门缓慢开启的过程。

由上，钠通道的关闭和失活状态是稳态，而激活只是一个瞬态。

钾通道只有一个激活门，称为n门，没有失活门。

n门的开放过程称为激活，是通道进入激活（开放）状态；n门的关闭过程称为去激活-deactivation，使通道进入去激活或关闭状态。

失活和去激活都是通道的关闭状态，表现为流经该通道的膜电流减小或消失，但去激活状态相当于关闭状态，通道可再次接受刺激而重新被激活，而失活的通道则不能。

5、电压门控离子通道的分子结构31电压门控钠通道是最有代表性的，在多数组织，它的分子由α、β1和β2三个亚单位组成，其中α亚单位是形成孔道的单位。

6、干预细胞电活动的药物及其应用离子通道是细胞电活动的分子基础，也是许多影响细胞活动的药物的作用靶点。

（三）、动作电位的传播细胞膜某一部分产生的动作电位可沿细胞膜不衰减地传播至整个细胞。

动作电位便通过局部电流沿细胞膜传导，并带有一个电紧张电位的波前-wave front。

实际上，动作电位的传导是个由电紧张电位引起的沿细胞膜不断产生新动作电位的扩布过程，有如多米诺骨牌倾倒的过程，也称为是动作电位的传播或兴奋的传播，这是它的幅度在长距离传导中不衰减的原因。

跳跃式传导-saltatory conduction：在有髓鞘神经纤维，局部电流只在郎飞结之间发生，即只在发生动作电位的郎飞结和静息的郎飞结之间产生的传导方式。

在无脊椎动物，提高动作电位传导速度的方式是增加轴突直径；而高等动物则以轴突的髓鞘化来提高传导速度。

髓鞘的功能：①、提高神经纤维的传导速度；②、减少能量消耗--因动作电位只发生在朗飞结，因而传导过程中跨膜流出和流入的离子将减少，它们经主动转运返回时所消耗的能量也将减小。

(四)、缝隙连接某些组织，如神经组织、心肌组织、肝组织和晶状体上皮细胞，细胞间普遍存在缝隙连接-gap junction，这是一种特殊的细胞间连接方式，使兴奋得以在细胞间传播。

连接子-connexon：是由六个连接蛋白（connexin）单体形成的的同源六聚体。