膜电位

此词条由神经系统中的动力学模型读书会词条梳理志愿者 okxy 翻译审校,未经专家审核,带来阅读不便,请见谅。

生成缩略图出错:无法找到文件
离子在细胞膜的两侧的浓度差产生的电位,称为膜电位。膜电位的典型值在 -70 mV 到 -40 mV 之间。很多离子存在跨细胞膜的浓度梯度,比如钾离子(K+)在膜内浓度高、膜外浓度低;钠离子(Na+)和氯离子(Cl)在胞外浓度高、胞内浓度低。这些浓度梯度提供势能,来驱动膜电位的形成。当膜对一个或多个离子具有渗透性时,就建立了这个膜电位。最简单的情况,如图所示,如果膜具有选择性的钾渗透性,这些带正电荷的离子可以沿着浓度梯度扩散到细胞外部,留下未经补偿的负电荷。正是这种电荷的分离导致了膜电位。注意,整个系统是电中性的。细胞外未经补偿的正电荷和细胞内未经补偿的负电荷物理性地排列在细胞膜表面并跨磷脂双分子层相互吸引。因此,膜电位在物理上只位于膜的附近。正是这些电荷的跨膜分离,构成了膜电位的基础。示意图近似表示了离子在膜电位中的作用。钠离子、氯离子、钙离子等其他离子尽管也具有较大的浓度梯度,因其渗透性比钾离子的小得,在膜电位中的作用较小。图注:五边形——钠离子;正方形——钾离子;圆形——氯离子;矩形——没有膜通透性的阴离子(蛋白质等多种来源)。带箭头的大结构表示跨膜钾离子通道和钾离子的净流动方向。

膜电位(membrane potential,也叫跨膜电位或膜电位)是生物细胞的内部相对于外部的电位差。就是说,如果没有获得动能或产生辐射,将电荷跨膜移动所需的能量,从内到外和从外到内是不同的。所需能量的多少是由电荷的浓度梯度直接决定的。以细胞外的电位为基准,典型的膜电位值,通常以毫伏(表示为 mV)为单位,处于 -80 mV 到 -40 mV 的范围。

所有的动物细胞都被内嵌蛋白质的脂质双分子层组成的膜所包围。这种膜既对电荷绝缘,又阻挡了离子的扩散运动。称为离子转运蛋白(ion transporter)或离子泵(ion pump)的跨膜蛋白,主动地对离子跨膜转运从而建立跨膜浓度梯度,而离子通道(ion channel)允许离子顺着浓度梯度跨膜移动。离子泵和离子通道在电学上相当于一组插入膜中的电池和电阻,因此在膜的两侧产生电位。

几乎所有的细胞质膜都存在一个跨膜电位,内部相对于外部通常是负的电位 [1]。膜电位有两个基本功能。首先,它为细胞提供电池功能,提供动力来操作嵌在膜中的各种“分子装置”[2] 。其次,在神经元和肌肉细胞等电兴奋性细胞中,它可用来在细胞的不同部位之间传递信号。信号是通过膜上某位点的离子通道的打开或关闭而产生的,引起的膜电位的局部变化。这种电场的变化可以迅速被膜上临近的离子通道检测,这些离子通道随电位的变化打开或关闭,将信号重新产生。

在非兴奋性细胞、或处于基线状态的兴奋性细胞,膜电位保持在一个相对稳定的值,称为静息电位。神经元的静息电位一般处于 -80 mV 到 -70 mV 之间;即细胞内的负的基线电位略低于十分之一伏特。离子通道的打开和关闭可以导致细胞膜电位偏离静息电位。如果膜内电位往正的方向偏(比如从 -70 mV 到 -60 mV),称为去极化(depolarization);如果膜内电位往更负的方向偏(比如从 -70 mV 到 -80 mV),称为超极化(hyperpolarization)。在兴奋性细胞,足够大的去极化可激发动作电位(action potential)——短时间内(1 - 100 ms 时间尺度)迅速而剧烈的膜电位变化,往往逆转其极性。动作电位是通过激活某些电位门控离子通道(voltage-gated ion channels)而产生的。

影响神经元的膜电位的因素很多,包括多种离子通道,化学门控的或电位门控的。由于电位门控离子通道是由膜电位控制的,而膜电位本身也受到同样这些离子通道的影响,从而形成反馈回路,产生复杂的时间动力学,包括振荡和动作电位之类的信号再生。

物理基础

细胞的膜电位最终是来自于两个因素:电动力和扩散作用。电动力源于带相反类型电荷(正电荷和负电荷)的粒子之间的相互吸引和带有相同类型电荷(都是正电荷或都是负电荷)的粒子之间的相互排斥。扩散作用源于粒子从高浓度区域向低浓度区域重新分布的统计趋势。

电位

生成缩略图出错:无法找到文件
带相反电荷的一对物体产生的电场(箭头)和等电位线。电场与等电位线成直角,等电位线的间距越小时,电场越强。

电位是电势差的同义词,是驱动电流通过电阻的能力。事实上,电位最简单的定义由欧姆定律给出:V=IR,其中 V 是电位,I 是电流,R 是电阻。如果在电路中置入电位源(如电池),那么电位源的电位越高,通过电阻的电流就越大。电位的功能意义仅在于电路中两点之间的电势差。单点电位的概念是没有意义的。电子学通常会指定电路中任意选定的元件作为零电位,然后得到其他元件相对于该零点测得的电位。选择哪个元件作为零点没有意义——电路的功能只取决于差值,而不取决于电位本身。不过,在大多数情况下会依照惯例,将接地的电路部分指定为零电位。

同样的原理也适用于细胞生物学中的电位。在电活性组织中,任何两点之间的电位差都可以通过在每点插入一个电极来测量,例如在细胞内部和细胞外部分别插入一个电极,然后将两个电极连接到电压表的导线上。依照惯例,将细胞外定为电位零值,细胞内外电位差的符号由细胞内部相对于外部电位零值的电位确定。

用数学语言来说,电位的定义从电场的概念开始,电场 E 是一个向量场,它为空间中的每一点指定一个大小和方向。在许多情况下,电场是一个保守场,意味着它可以表示为一个标量函数的梯度,V,即 E = –∇V。这个标量场 V 称为电位分布。注意,这个定义允许任意的积分常数——这就是为什么电位的绝对值没有意义。一般来说,电场只有在磁场对电场影响不大的条件下才能被认为是保守的,当然生物组织一般都满足保守电场的条件。

因为电场是电位分布的梯度,小区域内的电位迅速变化表明存在强电场;而在较大区域电位大致保持不变,则说明该区域电场较弱。强电场,即强电位梯度,意味着该区域的带电粒子会受到较强的作用力。

离子和驱动离子运动的力

生成缩略图出错:无法找到文件
离子(粉红色圆)会从较高的浓度流向较低的浓度(顺着浓度梯度),产生电流。然而,这会产生一个跨膜电位,阻止离子的运动。当这个电位达到平衡值时,两者相抵,离子流停止。[3]

生物体的电信号通常是离子驱动的。[4] 动作电位最重要的阳离子是钠离子(Na+)和钾离子(K+)。[5] 两者都是带一个正电荷的单价阳离子。动作电位也可能需要钙离子(Ca2+),[6] 一种带有两个正电荷的二价阳离子。氯离子(Cl)在某些藻类的动作电位中起主要作用,[7] 然而在大多数动物的动作电位中的作用微不足道。[8]

离子的跨膜运动受两个因素的影响:扩散作用和电场。举个简单的例子,带孔的隔板隔开两种溶液 A 和 B,扩散作用会使两者最终混合成等浓度的溶液。这种混合是因两者存在浓度差而发生的,高浓度区域向低浓度区域扩散。扩展这个例子,让溶液 A 有 30 个钠离子和 30 个氯离子;另外让溶液 B 只含有 20 个钠离子和 20 个氯离子。假设隔板允许两种类型的离子通过,那么将达到一个稳态,即两种溶液均有 25 个钠离子和 25 个氯离子。然而,如果带孔隔板是选择性的让离子通过,那么最终的溶液将不会仅由扩散作用决定。回到前面的例子,让我们现在构造一个只能透过钠离子的隔板。现在,只有钠可以从溶液 A 中较高的浓度扩散到溶液 B 中较低的浓度。这将导致 B 溶液中积聚多于氯离子的钠离子,而 A 溶液中钠离子少于氯离子。

这意味着在溶液 B 中存在净正电荷,这是由于带正电荷的钠离子比带负电荷的氯离子浓度高。同样,在溶液 A 中,由于带负电荷的氯离子的浓度比带正电荷的钠离子的浓度大,所以存在净负电荷。由于异性电荷相互吸引,同性电荷相互排斥,因此离子现在除了扩散作用也受到电场力的影响。因此,带正电的钠离子较不可能移到现在带更多正电的溶液 B,而留在现在带更多负电的溶液 A。电场完全抵消扩散作用的点称为平衡电位。此时,特定离子(本例中是钠离子)净流量为零。

细胞质膜

生成缩略图出错:无法找到文件
细胞膜,也称质膜(plasma membrane 或 plasmalemma),是所有活细胞都有的半透脂双层。细胞膜上有各种生物分子,主要是蛋白和脂类,参与大量的细胞活动。

每个细胞都包裹在质膜中。质膜具有脂双分子层的结构,其中嵌入很多种类的大分子。质膜由脂分子组成的,因而本身具有很高的电阻率,即离子的固有渗透性很低。然而,嵌入膜中的一些分子能够主动地将离子从膜的一侧转运到另一侧,或者为离子提供移动的通道。[9]

从电学的角度看,质膜在功能上是电阻和电容的组合。电阻的产生是因为质膜阻碍电荷的跨膜运动。电容是这样产生的:脂双分子层非常之薄,以至于膜的一侧积聚的带电粒子产生电场力,将带相反电荷的粒子拉向膜的另一侧。膜电容相对而言不受内嵌的分子的影响,因此其数值相对恒定,约为 2 μF/cm2 左右(一片质膜的总电容与其面积成正比)。另一方面,纯的脂双分子层的电导率非常之低,在生物体中通常由内嵌的分子提供的支路的电导率决定。因此,膜的电容相对是固定的,但电阻是高度可变的。

质膜厚约 7-8 纳米,非常薄,因此无需很大的跨膜电位就可在其中产生强电场。动物细胞中典型的膜电位大约为 100 毫伏(即十分之一伏特),但计算表明,这种电位产生的电场接近膜所能承受的最大电场——据计算,大于 200 毫伏的电位差可能导致介质击穿,即产生跨膜电弧。

易化扩散和易化转运

生成缩略图出错:无法找到文件
细胞膜上的易化扩散,显示了离子通道和载体蛋白。

离子横穿纯的脂双分子层会遇到很大的阻力,但嵌入膜中的结构能极大地增强离子运动,通过主动的易化转运(facilitated transport)或被动的易化扩散(facilitated diffusion)的机制。最重要的两种结构是离子通道(ion channels)和离子泵(ion pumps),它们通常都是由蛋白质分子装配而成的。离子通道提供了允许离子移动的通道。多数情况下,一种离子通道只对特定的离子种类(例如钠离子和钾离子而非氯离子或钙离子)有渗透性,某些情况下渗透性因离子的运动方向而不同。离子泵,亦称离子转运蛋白或载体蛋白(carrier protein),主动将特定的例子种类从膜的侧运输到另一侧,有时需要消耗新陈代谢过程产生的能量。

离子泵

生成缩略图出错:无法找到文件
钠-钾泵利用 ATP 产生的能量,将钠离子与钾离子跨膜交换。

离子泵是一类内在膜蛋白,其执行主动运输(active transport),即利用细胞能量(ATP)将离子逆浓度梯度“泵”送。[10] 这种离子泵从膜的一侧摄入离子(减少其浓度),释放到膜的另一侧(增加其浓度)。

对于动作电位最重要的离子泵是钠钾泵(sodium–potassium pump),其一次可转运三个钠离子到胞外,两个钾离子到胞内。[11] 结果就是,钾离子浓度在神经元胞内约为胞外的 20 倍,而钠离子浓度在神经元胞外约是胞内的 9 倍。[12][13] 类似地,钙离子、氯离子和镁离子等也在神经元胞内和胞外有不同的浓度。[13]

如果交换的每种离子数量上相等,那钠钾泵就是电中性的,但是,三对二的交换使每个循环都向细胞外净移动一个正电荷,从而产生正的电位差。钠钾泵有三个效应:(1)它使细胞外钠离子浓度高而细胞内的钠离子浓度低;(2)它使细胞内的钾离子浓度高而细胞外的钾离子浓度低;(3)它使细胞内相对于细胞外有负电位。

钠钾泵的转运速度相对较慢。如果开始时细胞内外是等浓度的钠离子和钾离子,那么需要钠钾泵工作几个小时才能建立平衡。钠钾泵始终在运转,但其泵送效率会随着可用的钠离子和钾离子的浓度下降而逐渐降低。

离子泵建立离子浓度在细胞内外的相对比例,从而影响动作电位。但动作电位主要是离子通道的开关,而非离子泵。若去除其能量来源,或加入哇巴因(ouabain)之类的抑制剂来关闭离子泵,轴突仍然可以在其幅值开始明显衰减前发放数十万动作电位。[10] 特别是,离子泵在动作电位后膜的复极化过程中未有明显作用。[5]

另一个有重要功能的离子泵是钠钙交换体(sodium-calcium exchanger)。这种泵的工作原理与钠钾泵相似,只是在每个循环中,它将 3 个胞外钠离子与 1 个胞内钙离子交换。因为净电流是向胞内的,这个泵实际上是顺着电位梯度,因而除了膜电位之外不需要任何能量来源。其最重要的作用是将钙离子泵出胞外ーー还允许钠离子内流从而抵消钠钾泵产生的钠外流,但由于总的钠钾浓度远高于钙浓度,这种作用相对来说并不重要。钠钙交换体的最终结果是在静息状态下,胞内钙离子浓度变得非常低。

离子通道

生成缩略图出错:无法找到文件
尽管半径的差异很小,[14] 离子很少通过“错的”的通道。例如,钠离子或钙离子很少通过钾离子通道。

离子通道是一种内在膜蛋白,其形成通道孔,从而让离子在细胞外液和细胞内部穿梭。大多数钾离子通道对单个离子具有特异性(选择性) ; 例如,大多数钾离子通道对钾与钠的典型的选择率为 1000:1,尽管钾离子和钠离子带同样的电荷,只是半径略有不同。通道孔通常非常小,以至于离子必须以单列顺序通过。[15] 通道孔或开或关,但某些通道也存在亚电导水平。当通道打开时,离子通过通道孔,顺着该离子种类的跨膜浓度梯度渗透。离子通过通道的速率,即单通道电流大小,是由该离子的最大通道电导和电化学驱动力决定的,即瞬时膜电位与逆转电位(reversal potential)的差值。[16]

生成缩略图出错:无法找到文件
描绘了开放的钾离子通道,中央以紫色显示的钾离子,省略了氢原子。当通道关闭时,离子就不能通过了。

四聚体钾离子通道的示意棍棒图,其中每个单体亚基都对称地排列在中央的离子导孔周围。显示的孔轴与屏幕垂直。灰色、红色和蓝色球体分别表示碳原子、氧原子和氮原子。通道中央的紫色球体表示单个钾离子。

一个通道可能有几种不同的状态(对应于蛋白质的不同构象) ,但每种状态要么打开要么关闭。一般而言,关闭的状态要么是孔收缩使得离子不能通过,要么是蛋白的单独部分堵塞了孔。例如,电位依赖的钠通道失活时,蛋白的一段摆入并封闭了孔隙。[17] 这种失活切断了钠电流,在动作电位中起着关键作用。

离子通道可以根据它们对环境的反应方式来分类。[18] 例如,动作电位用到的电位敏感通道(voltage-sensitive channels),随着跨膜电位的变化而打开和关闭。配体门控通道(Ligand-gated channels)则因配体分子,如神经递质,的结合而打开和关闭。其他离子通道随机械力的作用而打开和关闭。还有一些离子通道(如感觉神经元的通道)在其他刺激(如光、温度或压力)的作用下打开和关闭。

泄露通道

泄漏通道(leakage channels)可谓最简单的离子通道类型,因其渗透率几乎是恒定的。神经元中最重要的泄露通道是钾离子通道和氯离子通道,但其性质并非完全恒定的:首先,其中大多数是电位依赖性的,因为他们的渗透性具有方向性(即作为整流器);第二,其中一些能被化学配体关闭,尽管他们不需要配体来起作用。

配体门控离子通道

生成缩略图出错:无法找到文件
闭合态和开放态的配体门控钙离子通道

配体门控离子通道(ligand-gated ion channels)是当某种类型的化学配体(ligand)与蛋白结构结合时,其渗透性大大增加的通道。动物细胞有几百甚至上千种这类通道。其中很大一部分是作为神经递质受体发挥作用ーー它们处于突触后位点,而门控这些通道的化学配体则由突触前轴突末端释放。这种类型的一个例子是神经递质谷氨酸的 AMPA 受体,被激活时允许钠离子和钾离子通过。另一个例子是神经递质 GABA 的 GABAA 受体,被激活时允许氯离子通过。

神经递质受体被出现在胞外的配体激活,但也存在其他类型的配体门控通道,可由细胞内的相互作用控制。

电位依赖性通道

电位门控离子通道(voltage-gated ion channels),也称为电位依赖性离子通道(voltage-dependent channels),是一种渗透性受膜电位影响的通道。它们构成了另一大类通道,每个成员具有特定的离子选择性和特定的电位依赖性。其中许多具有时间依赖性,即它们不会对电位变化立即反应,而是延后才反应。

这类通道最重要的一种是产生动作电位的电位门控钠通道ーー这种通道有时被称为霍奇金赫胥黎钠通道(Hodgkin-Huxley sodium channels),因为它们是 Alan Lloyd Hodgkin 和 Andrew Huxley 在其获得诺贝尔奖的对动作电位的生理学研究中最初鉴定的。通道在静息电位处关闭,但当膜电位超过特定阈值时突然打开,从而允许大量钠离子内流,使膜电位迅速变化。动作电位下降相部分依赖于一种在静息电位关闭但在动作电位中因电位的大幅变化而打开的电位门控钾离子通道。

逆转电位

一个离子的逆转电位(reversal potential)或平衡电位(equilibrium potential)是扩散作用与静电力相抵、因而没有净跨膜电流的跨膜电位。这意味着跨膜电位刚好抵消了离子的扩散力,使得离子的净跨膜流动为零且不变。逆转电位之所以重要是因为它给出了作用在对该离子有渗透性的通道上的电位——换句话说,它给定了离子浓度梯度产生电池作用的电位。

特定离子的平衡电位通常用记号 Eion 来表示。一种离子的平衡电位可用能斯特方程(Nernst equation)来计算。[19] 例如,钾离子的逆转电位如下:

[math]\displaystyle{ E_{eq,K^+} = \frac{RT}{zF} \ln \frac{[K^+]_{o}}{[K^+]_{i}} , }[/math]

其中

  • Eeq,K+ 是钾的平衡电位,用伏特为单位
  • R 为通用气体常数,等于 8.314 joules·K−1·mol−1
  • T 为绝对温度,以 K (℃ + 273.15)为单位
  • z 反应中离子的基本电荷数
  • F 是法拉第常数,等于 96,485 coulombs·mol−1 or J·V−1·mol−1
  • [K+]o 为钾离子的胞外浓度,单位为 mol·m−3 or mmol·l−1
  • [K+]i is 为钾离子的胞内浓度

即使两种离子具有相同的电荷(即 K+ and Na+),只要胞内外浓度不同,它们仍然具有非常不同的平衡电位。以神经元中钾和钠的平衡电位为例,钾离子在胞内为 140 mM,胞外 5 mM,平衡电位 EK 为 -84 mV;而钠离子胞内约 12 mM,胞外 140 mM,平衡电位 ENa 约为 +66 mV [note 1]

发育中膜电位的变化

神经元的静息膜电位在生物体发育过程中会发生变化。为了让神经元最终执行其完整的成年期功能,它的潜能必须在发育过程中受到严格的调控。随着生物体的发育,静息膜电位变得更负。[20] 随着脑的发育,神经胶质细胞也在分化和增殖。[21] 增加的神经胶质细胞增加了机体调节细胞外钾的能力。细胞外液中的钾的下降可导致膜电位下降 35 mV。[22]

细胞兴奋性

细胞兴奋性(Cell excitability)是各种组织中的细胞反应所必需的细胞膜电位变化。细胞兴奋性是早期胚胎发生过程中诱导的一种特性 [23]。细胞兴奋性也被定义为引起反应的容易程度 [24] 。静息电位和阈电位是细胞兴奋性的基础,这些过程是细胞剂量电位和动作电位产生的基础。

细胞兴奋性最重要的调节因子是细胞外电解质浓度(即 Na+, K+, Ca2+, Cl, Mg2+)及其相关蛋白。调节细胞兴奋性的重要蛋白质是电位门控离子通道、离子转运蛋白(如钠钾 ATP 酶、镁转运蛋白、酸碱转运蛋白)、膜受体和超极化激活的环核苷酸门控通道 [25]。例如,钾离子通道和钙敏感受体是神经元、心肌细胞和星形胶质细胞等其他兴奋性细胞的兴奋性的重要调节因子[26] 。钙离子也是兴奋性细胞信号转导中最重要的第二信使。突触受体的激活产生神经元兴奋性的长期改变 [27]。甲状腺激素、肾上腺激素和其他激素也调节细胞的兴奋性,例如,孕酮和雌激素调节子宫平滑肌细胞的兴奋性。

许多细胞类型被认为具有兴奋性膜。兴奋性细胞包括神经元、肌细胞(心肌细胞、骨骼肌细胞、平滑肌细胞)、血管内皮细胞、周细胞、肾小球旁细胞、Cajal 间质细胞、多种类型的上皮细胞(如 β 细胞、α 细胞、δ 细胞、肠内分泌细胞、肺神经内分泌细胞、松果体细胞)、胶质细胞(例如星形胶质细胞)、机械感觉受体细胞(例如毛细胞和 Merkel 细胞)、化学感觉受体细胞(例如血管球细胞、味觉受体细胞)、一些植物细胞,可能还有免疫细胞。[28] 星形胶质细胞表现出一种非电兴奋性,基于检测突触信号的几种受体相关的胞内钙离子浓度变化。神经元中,某些细胞部分具有不同的膜特性,例如,树突的兴奋性赋予神经元对空间上分离的输入信号进行重合检测的能力 [29]

等效电路

生成缩略图出错:无法找到文件
膜片的等效电路,由一个固定电容并联四个支路组成。每个支路串联一个电池和可变电导。

电生理学家用表征小块膜片的电学特性的等效电路,来建模离子浓度差、离子通道和膜电容的效应。该等效电路并联一个电容和四个支路,每个支路由一个电池串联一个可变电导组成。电容是由脂双分子层的性质决定的,被认为是固定的。四个并联的支路各自源于一种主要的离子,钠、钾、氯和钙。每个离子支路的电位由膜两侧的离子浓度决定;见上面关于逆转电位的部分。每个离子支路在任意时间点的电导都是由所有对该离子具有潜在渗透性的离子通道(包括泄漏通道、配体门控通道和电位门控离子通道)的状态决定的。

生成缩略图出错:无法找到文件
用戈德曼方程合并各离子特异支路得到的简化电路

对于固定的离子浓度和固定的离子通道电导,等效电路可以用下述的戈德曼方程(Goldman equation)进一步简化为一个电容与电池电导的并联电路。电学上,这是一种电学特性非常简单的 RC 电路(阻容电路)。从任何初始状态开始,经过电导或电容的电流随时间指数衰减,其时间常数 τ = RC,这里 C 是膜片的电容,R = 1/gnet 是净电阻。实际情况中,时间常数一般在 1ー100 毫秒的范围内。大多数情况下,离子通道的电导变化具有更快的时间尺度,因此 RC 电路不是一个好的近似;不过,常用改进的 RC 电路方程对膜片进行建模。

静息电位

当一个细胞的膜电位长时间不发生明显变化时,被称为静息电位(resting potential)或静息电位(resting voltage)。这个概念可用于非兴奋性细胞的膜电位,也可用于兴奋性细胞在未受刺激时的膜电位。兴奋性细胞在静息电位的状态之外,还有幅值可变的级量膜电位,以及动作电位这种幅值较大、全或无出现、有固定时间过程的膜电位上升。兴奋性细胞包括神经元、肌细胞和腺体中的一些分泌细胞。然而,即使在其他类型的细胞中,膜电位也会因为环境或细胞内的刺激而发生变化。例如,质膜去极化似乎是细胞程序性死亡的一个重要步骤。[30]

戈德曼方程可以模拟产生静息电位的相互作用。[31] 形式上类似于上述的能斯特方程,也是基于有关离子的电荷及其细胞内外浓度差而建立的。当然,它也考虑了质膜对每种离子的相对渗透性。

[math]\displaystyle{ E_{m} = \frac{RT}{F} \ln{ \left( \frac{ P_{\mathrm{K}}[\mathrm{K}^{+}]_\mathrm{out} + P_{\mathrm{Na}}[\mathrm{Na}^{+}]_\mathrm{out} + P_{\mathrm{Cl}}[\mathrm{Cl}^{-}]_\mathrm{in}}{ P_{\mathrm{K}}[\mathrm{K}^{+}]_\mathrm{in} + P_{\mathrm{Na}}[\mathrm{Na}^{+}]_\mathrm{in} + P_{\mathrm{Cl}}[\mathrm{Cl}^{-}]_\mathrm{out}} \right) } }[/math]

在这个方程式中出现的三个离子是钾(K+)、(Na+)和(Cl)。钙不在方程里,但在其发挥重要作用的时候可以加进去。[32] 作为一个阴离子,氯离子项的处理不同于阳离子项;细胞内浓度放在分子,胞外浓度放在分母,这与阳离子项是反过来的。Pi 代表离子类型 i 的相对渗透率。

本质上,戈德曼公式将膜电位表示为单个离子类型的逆转电位对渗透率的加权平均。(虽然膜电位在动作电位期间会发生100 mV 左右的变化,但细胞内外的离子浓度并不会发生显著变化,仍然接近膜处于静息电位时各自的浓度。)在大多数动物细胞中,静息状态下钾的渗透性比钠的高得多。因此,静息电位常接近钾离子的逆转电位。[33][34] 氯离子的渗透性足够高有重要性,但不同于其他离子,氯离子没有离子泵主动转运,因此其达到平衡的逆转电位非常接近由其他离子决定的静息电位。

在大多数动物细胞中,静息膜电位的数值通常在钾离子的逆转电位(通常在 -80 mV)和 -40 mV 之间变化。(能够产生动作电位的)兴奋性细胞的静息电位通常接近 -60 mV ——更多的去极化电位会导致动作电位的自发发生。未成熟或未分化细胞的静息电位数值变化很大,通常明显高于已分化的细胞.[35] 。在这些细胞中,静息电位值与分化程度相关:在某些情况下未分化的细胞可能完全没有跨膜电位差。

对于细胞来说,维护静息电位的代谢成本可能很高,因为它需要主动泵入离子来抵消泄漏通道导致的流失。当细胞功能需要更加去极化的膜电位时,成本最高。例如,日光适应的绿头丽蝇(Calliphora vicina)的光感受器的静息电位可高达 -30 mV。[36] 这种升高的膜电位可以使细胞对视觉输入做出极其迅速的反应;代价就是维持静息电位可能消耗超过 20% 的细胞总 ATP。[37]

另一方面,未分化的细胞的高静息电位并不一定导致高代谢成本。这看似矛盾,可以通过研究静息电位的来源解决。较少分化的细胞具有极高的的输入电阻,[35] 这意味着在细胞生命的这个阶段很少存在泄漏通道。明显的结果就是,钾离子的渗透性变得跟钠离子的类似,正如上面讨论的,而使静息电位处于钠离子和钾离子的反转电位之间。泄漏电流的减少也意味着不需要活跃的钠钾泵活动来补偿,因此代谢成本低。

级量电位

如上所述,细胞膜上任何一点的电位取决于细胞内和细胞外区域离子浓度的差异,以及细胞膜对每种离子的渗透性。离子浓度通常不会很快改变(除了 Ca2+ ,其细胞内基线浓度非常低,即使是很小的内流量也可能产生数量级的增加),但是由于配体门控离子通道的激活,离子的渗透性可以在几分之一毫秒内改变。膜电位的变化可大可小,取决于激活的离子通道的数量和类型;也可长可短,取决于通道保持开放的时间长短。这种类型的变化被称为级量电位(graded potentials),不同于有固定的振幅和时间进程的动作电位。

我们可以从上述的戈德曼方程中得出,增加特定类型的离子的膜渗透性的会使膜电位趋向该离子的逆转电位。因此,打开 Na+ 通道将膜电位向 Na+ 的逆转电位约 +100 mV 变化。同样,打开 K+ 通道使膜电位向大约 -90 mV 的方向变化,开放 Cl 通道使其向大约 -70 mV (大多数膜的静息电位)的方向变化。因此, Na+ 通道使膜电位正向变化, K+通道使其负向变化(除了膜超极化到比 K+ 逆转电位更负的程度),而 Cl 通道则倾向于使其向静息电位变化。

生成缩略图出错:无法找到文件
图中显示了一个 EPSP、一个 IPSP、以及 EPSP 和 IPSP 的加和。

级量膜电位在神经元中尤为重要,它们由突触产生——由单个级量电位或动作电位激活突触而产生的膜电位的短暂变化称为突触后电位(postsynaptic potential)。打开 Na+ 通道的神经递质通常导致膜电位正向变化,而激活 K+ 通道的神经递质通常使膜电位负向变化;抑制这些通道的神经递质往往有相反的效果。

突触后电位是兴奋性的还是抑制性的取决于该电流的离子的逆转电位,以及细胞发放动作电位的阈值(大约 -50 mV)。逆转电位高于域值的突触后电流,典型的比如 Na+ ,被认为是兴奋性的。而逆转电位低于阈值的电流,典型的如 K+ 电流,被认为是抑制性的。逆转电位高于静息电位但低于阈值的电流本身不会引起动作电位,但是会产生阈下膜电位振荡(subthreshold membrane potential oscillations)。因此,打开 Na+ 通道的神经递质产生兴奋性突触后电位(EPSP),而打开 K+ 或 Cl 通道的神经递质通常产生抑制性突触后电位(IPSP)。当多种类型的通道在同一时间段内打开时,它们的突触后电位会加和。

膜电位的其他值

从生物物理学的观点来看,静息膜电位不过是细胞未受刺激时主导的细胞膜渗透性所产生的膜电位。上面的加权平均方程总是适用的,但是下面的方法可能更容易可视化。在任何给定的时刻,离子有两个因素决定其对细胞膜电位的影响:

  1. 离子的驱动力
  2. 离子的渗透性

如果驱动力很大,那么离子就会被“推”过膜。如果渗透性很高,离子就更容易跨膜扩散。

  • 驱动力(Driving force)是使离子在膜上移动的净电力,是离子“希望”处于的电位(其平衡电位)和实际膜电位(Em)的差值。因此在形式上,离子的驱动力 = Em - Eion。例如,在我们前面计算得到钾离子的静息电位为 -73 mV,那么其受到的驱动力为 7 mV:(- 73 mV) - (- 80 mV) = 7 mV。钠离子受到的驱动力为 (- 73 mV) - (60 mV) = -133 mV。
  • 渗透性(Permeability)是对离子通过细胞膜的容易程度的度量,通常用(电)导进行测度,其单位是西门子( siemens),相当于 1 C·s−1·V−1,即一库仑每秒每伏特的电位。

因此,在静息膜中,钾离子的驱动力较低,但其渗透性很高。钠具有巨大的驱动力,但几乎没有静息渗透性。在这种情况下,钾的电流是钠的 20 倍,因此对 Em 的影响是钠的 20 倍。

然而,考虑另一种情况——动作电位的峰值。此刻,钠的渗透率较高,钾的渗透率相对较低。因此,膜电位接近 ENa 而远离 EK

可通透的离子越多,预测膜电位就越发复杂。不过,这可以用 GHK 方程(Goldman-Hodgkin-Katz equation)或加权平均方程来实现。通过输入任意时刻离子的浓度梯度和渗透率,就可确定那个时刻的膜电位。GHK 方程表明,任一时刻的膜电位值是所有通透的离子的平衡电位的加权平均。这里的“权重”是离子的相对跨膜渗透性。

效应与意义

细胞消耗能量来转运离子并建立膜电位,它们进而利用这种势能来转运其他离子和糖等代谢物。线粒体的膜电位驱动生物能量通货 ATP 的产生。

细胞可以利用它们在静息电位中储存的能量来驱动动作电位或其他形式的兴奋。这些膜电位变化让细胞能与其他细胞通讯(比如动作电位),或引起诸如卵细胞和精子受精时细胞内的变化。

在神经细胞,一个动作电位始于钠离子通过钠离子通道涌入细胞,导致去极化,而复极化过程中钾离子通过钾离子通道向外涌出。内流和外流都是被动扩散(passive diffusion)过程。

Notes注解

  1. Note that the signs of ENa and EK are opposite. This is because the concentration gradient for potassium is directed out of the cell, while the concentration gradient for sodium is directed into the cell. Membrane potentials are defined relative to the exterior of the cell; thus, a potential of −70 mV implies that the interior of the cell is negative relative to the exterior.

注意 ENa 和 EK 的符号相反。这是因为钾的浓度梯度指向胞外,而钠的浓度梯度指向胞内。膜电位是相对于细胞外部定义的,因此,-70 mV 的电位意味着细胞内部相对于外部是负的。

References

  1. Bruce, Alberts (2014-11-18). Molecular biology of the cell (Sixth ed.). New York, NY. ISBN 9780815344322. OCLC 887605755. 
  2. Abdul Kadir, Lina; Stacey, Michael; Barrett-Jolley, Richard (2018). "Emerging Roles of the Membrane Potential: Action Beyond the Action Potential". Frontiers in Physiology (in English). 9. doi:10.3389/fphys.2018.01661. ISSN 1664-042X. PMID 30519193.
  3. Campbell Biology, 6th edition
  4. Johnston and Wu, p. 9.
  5. 5.0 5.1 Bullock, Orkand, and Grinnell, pp. 140–41.
  6. Bullock, Orkand, and Grinnell, pp. 153–54.
  7. Mummert H, Gradmann D (1991). "Action potentials in Acetabularia: measurement and simulation of voltage-gated fluxes". Journal of Membrane Biology. 124 (3): 265–73. doi:10.1007/BF01994359. PMID 1664861. S2CID 22063907.
  8. Schmidt-Nielsen, p. 483.
  9. "Chapter 2. Simple Diffusion across the Membrane Barrier". Transport and Diffusion across Cell Membranes. San Diego: Academic Press. 1986. pp. 69–112. ISBN 978-0-12-664661-0. 
  10. 10.0 10.1 Hodgkin AL, Keynes RD (1955). "Active transport of cations in giant axons from Sepia and Loligo". J. Physiol. 128 (1): 28–60. doi:10.1113/jphysiol.1955.sp005290. PMC 1365754. PMID 14368574.
  11. Caldwell PC, Hodgkin AL, Keynes RD, Shaw TI (1960). "The effects of injecting energy-rich phosphate compounds on the active transport of ions in the giant axons of Loligo". J. Physiol. 152 (3): 561–90. doi:10.1113/jphysiol.1960.sp006509. PMC 1363339. PMID 13806926.
  12. Steinbach HB, Spiegelman S (1943). "The sodium and potassium balance in squid nerve axoplasm". J. Cell. Comp. Physiol. 22 (2): 187–96. doi:10.1002/jcp.1030220209.
  13. 13.0 13.1 Hodgkin AL (1951). "The ionic basis of electrical activity in nerve and muscle". Biol. Rev. 26 (4): 339–409. doi:10.1111/j.1469-185X.1951.tb01204.x. S2CID 86282580.
  14. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 83rd edition, , pp. 12–14 to 12–16.
  15. Eisenman G (1961). "On the elementary atomic origin of equilibrium ionic specificity". In A Kleinzeller. Symposium on Membrane Transport and Metabolism. New York: Academic Press. pp. 163–79. Eisenman G (1965). "Some elementary factors involved in specific ion permeation". Proc. 23rd Int. Congr. Physiol. Sci., Tokyo. Amsterdam: Excerta Med. Found.. pp. 489–506. 
    * Diamond JM, Wright EM (1969). "Biological membranes: the physical basis of ion and nonekectrolyte selectivity". Annual Review of Physiology. 31: 581–646. doi:10.1146/annurev.ph.31.030169.003053. PMID 4885777.
  16. Junge, pp. 33–37.
  17. Cai SQ, Li W, Sesti F (2007). "Multiple modes of a-type potassium current regulation". Curr. Pharm. Des. 13 (31): 3178–84. doi:10.2174/138161207782341286. PMID 18045167.
  18. Goldin AL (2007). "Neuronal Channels and Receptors". In Waxman SG. Molecular Neurology. Burlington, MA: Elsevier Academic Press. pp. 43–58. ISBN 978-0-12-369509-3. 
  19. Purves et al., pp. 28–32; Bullock, Orkand, and Grinnell, pp. 133–134; Schmidt-Nielsen, pp. 478–480, 596–597; Junge, pp. 33–35
  20. Sanes, Dan H.; Takács, Catherine (1993-06-01). "Activity-dependent Refinement of Inhibitory Connections". European Journal of Neuroscience (in English). 5 (6): 570–574. doi:10.1111/j.1460-9568.1993.tb00522.x. ISSN 1460-9568. PMID 8261131. S2CID 30714579.
  21. KOFUJI, P.; NEWMAN, E. A. (2004-01-01). "Potassium buffering in the central nervous system". Neuroscience. 129 (4): 1045–1056. doi:10.1016/j.neuroscience.2004.06.008. ISSN 0306-4522. PMC 2322935. PMID 15561419.
  22. Sanes, Dan H.; Reh, Thomas A (2012-01-01). Development of the nervous system (Third ed.). Elsevier Academic Press. pp. 211–214. ISBN 9780080923208. OCLC 762720374. 
  23. Tosti, Elisabetta (2010-06-28). "Dynamic roles of ion currents in early development". Molecular Reproduction and Development. 77 (10): 856–867. doi:10.1002/mrd.21215. ISSN 1040-452X. PMID 20586098. S2CID 38314187.
  24. Boyet, M.R.; Jewell, B.R. (1981). "Analysis of the effects of changes in rate and rhythm upon electrical activity in the heart". Progress in Biophysics and Molecular Biology. 36 (1): 1–52. doi:10.1016/0079-6107(81)90003-1. ISSN 0079-6107. PMID 7001542.
  25. Spinelli, Valentina; Sartiani, Laura; Mugelli, Alessandro; Romanelli, Maria Novella; Cerbai, Elisabetta (2018). "Hyperpolarization-activated cyclic-nucleotide-gated channels: pathophysiological, developmental, and pharmacological insights into their function in cellular excitability". Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 96 (10): 977–984. doi:10.1139/cjpp-2018-0115. hdl:1807/90084. ISSN 0008-4212. PMID 29969572.
  26. Jones, Brian L.; Smith, Stephen M. (2016-03-30). "Calcium-Sensing Receptor: A Key Target for Extracellular Calcium Signaling in Neurons". Frontiers in Physiology. 7: 116. doi:10.3389/fphys.2016.00116. ISSN 1664-042X. PMC 4811949. PMID 27065884.
  27. Debanne, Dominique; Inglebert, Yanis; Russier, Michaël (2019). "Plasticity of intrinsic neuronal excitability" (PDF). Current Opinion in Neurobiology (in English). 54: 73–82. doi:10.1016/j.conb.2018.09.001. PMID 30243042. S2CID 52812190.
  28. Davenport, Bennett; Li, Yuan; Heizer, Justin W.; Schmitz, Carsten; Perraud, Anne-Laure (2015-07-23). "Signature Channels of Excitability no More: L-Type Channels in Immune Cells". Frontiers in Immunology. 6: 375. doi:10.3389/fimmu.2015.00375. ISSN 1664-3224. PMC 4512153. PMID 26257741.
  29. Sakmann, Bert (2017-04-21). "From single cells and single columns to cortical networks: dendritic excitability, coincidence detection and synaptic transmission in brain slices and brains". Experimental Physiology. 102 (5): 489–521. doi:10.1113/ep085776. ISSN 0958-0670. PMC 5435930. PMID 28139019.
  30. Franco R, Bortner CD, Cidlowski JA (January 2006). "Potential roles of electrogenic ion transport and plasma membrane depolarization in apoptosis". J. Membr. Biol. 209 (1): 43–58. doi:10.1007/s00232-005-0837-5. PMID 16685600. S2CID 849895.
  31. Purves et al., pp. 32–33; Bullock, Orkand, and Grinnell, pp. 138–140; Schmidt-Nielsen, pp. 480; Junge, pp. 35–37
  32. Spangler SG (1972). "Expansion of the constant field equation to include both divalent and monovalent ions". Alabama Journal of Medical Sciences. 9 (2): 218–23. PMID 5045041.
  33. Purves et al., p. 34; Bullock, Orkand, and Grinnell, p. 134; Schmidt-Nielsen, pp. 478–480.
  34. Purves et al., pp. 33–36; Bullock, Orkand, and Grinnell, p. 131.
  35. 35.0 35.1 Magnuson DS, Morassutti DJ, Staines WA, McBurney MW, Marshall KC (Jan 14, 1995). "In vivo electrophysiological maturation of neurons derived from a multipotent precursor (embryonal carcinoma) cell line". Developmental Brain Research. 84 (1): 130–41. doi:10.1016/0165-3806(94)00166-W. PMID 7720212.
  36. Juusola M, Kouvalainen E, Järvilehto M, Weckström M (Sep 1994). "Contrast gain, signal-to-noise ratio, and linearity in light-adapted blowfly photoreceptors". J Gen Physiol. 104 (3): 593–621. doi:10.1085/jgp.104.3.593. PMC 2229225. PMID 7807062.
  37. Laughlin SB, de Ruyter van Steveninck RR, Anderson JC (May 1998). "The metabolic cost of neural information". Nat. Neurosci. 1 (1): 36–41. doi:10.1038/236. PMID 10195106. S2CID 204995437.

Further reading

  • Alberts et al. Molecular Biology of the Cell. Garland Publishing; 4th Bk&Cdr edition (March, 2002). Undergraduate level.
  • Guyton, Arthur C., John E. Hall. Textbook of medical physiology. W.B. Saunders Company; 10th edition (August 15, 2000). Undergraduate level.
  • Hille, B. Ionic Channel of Excitable Membranes Sinauer Associates, Sunderland, MA, USA; 1st Edition, 1984.
  • Nicholls, J.G., Martin, A.R. and Wallace, B.G. From Neuron to Brain Sinauer Associates, Inc. Sunderland, MA, USA 3rd Edition, 1992.
  • Ove-Sten Knudsen. Biological Membranes: Theory of Transport, Potentials and Electric Impulses. Cambridge University Press (September 26, 2002). Graduate level.
  • National Medical Series for Independent Study. Physiology. Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia, PA, USA 4th Edition, 2001.

= 深入阅读 =

  • Alberts et al. 。细胞分子生物学。加兰德出版社; 第4 Bk & Cdr 版(2002年3月)。.本科水平。
  • 盖顿,阿瑟 · c · 约翰 · e · 霍尔。医学生理学教科书。西班牙。桑德斯公司; 第10版(2000年8月15日)。.本科水平。
  • Hille,b. 兴奋膜离子通道 Sinauer Associates,Sunderland,MA,USA; 第一版,1984。
  • Nicholls,j.g. ,Martin,a.r.还有华莱士,b.g。从 Neuron 到 Brain Sinauer Associates,inc. . Sunderland,MA,USA 3 rd Edition,1992。
  • Ove-Sten Knudsen.生物膜: 传递、电位和电脉冲理论。剑桥大学出版社(2002年9月26日)。.研究生水平。
  • 国家自主研究医学系列。生理学。利平科特 · 威廉姆斯 & 威尔金斯。费城,宾夕法尼亚州,美国第四版,2001年。

External links

  • Functions of the Cell Membrane
  • Nernst/Goldman Equation Simulator
  • Nernst Equation Calculator
  • Goldman-Hodgkin-Katz Equation Calculator
  • Electrochemical Driving Force Calculator
  • The Origin of the Resting Membrane Potential - Online interactive tutorial (Flash)

This page was moved from wikipedia:en:Membrane potential. Its edit history can be viewed at 膜电位/edithistory