细胞静息膜电位的产生和维持

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文

左明雪（北京师范大学生命科学学院）

      大多数活细胞都具有约100 mV的膜电位，如我们熟知的脑中的神经细胞及骨骼肌细胞，它们就相当于一个贮存能量的极其微小的电池，驱动各种细胞膜的信号转换过程。它们产生的电冲动称为动作电位。

      细胞膜内、外存在大量携带正、负电荷的离子。对于水和大多数溶液来说，正、负电荷的数量常常是相等的，通过库伦定律(Coulomb′s law)可计算出溶液中2种离子相互作用的力的大小。

F=z₁xz₂/εr²

      其中F为力，ε为介质常数，z为化合价，r为离子间的距离。由于水的介质常数是细胞膜内碳氢化合物力的40倍，假如将一个Na 从细胞膜外移入细胞膜内，若没有任何蛋白质协助的话，Na 首先必须“溶解”在细胞膜的脂质双分子层中，已知Na 进入脂质双分子层中的能量(E)大约为36 kcal/mol，这个值在室温状态下是分子热能的60倍，因此，驱动Na 进入细胞膜中的力基本为零。这种分析解释了为什么细胞膜两侧的无序离子如果没有膜上特殊分子，例如膜转运蛋白或离子通道提供离子转运的极性微环境，这些离子将不可能穿过脂质双分子层。

      现在我们已经清楚，一些关键离子在细胞内、外的不均等分布及选择性的透膜移动，是形成膜电位的基础。离子的跨膜渗透称为电扩散，这是由于离子是带正、负电荷的，离子的跨膜流动与膜电位的关系与下列因素有关：①膜内、外离子的浓度；②跨膜电压；③对于某种离子透膜流动的渗透系数。渗透系数是一个常数，不随溶液中化学成分和电驱动力而改变，因此它代表离子从膜的一侧进入到膜的另一侧的能力。每种离子的跨膜渗透都是相互独立的，这种现象又称为离子运动的独立性法则。

      产生静息膜电位的重要离子主要有Na 、K 和A^-（带负电荷的细胞内的大蛋白质分子，仅存在细胞内，且膜对它无通透性）。其他离子，例如Ca² 、Cl^-、Mg² 等在大多数细胞中对静息膜电位无直接贡献，上表列出了一些对膜电位形成有关的离子在细胞内、外的分布。由于Na 和K 离子对膜电位的形成和变化有最大的贡献，下面对这2种离子在静息膜电位形成中的作分别进行分析。

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K 的扩散对膜电位的作用：K 平衡电位

      假设质膜仅对K 通透，K 将在它的浓度梯度作用下，携带正电荷由膜内向膜外移动。由于A^-不能随K 外流，此时膜的内外将建立起一个电位差。在这种电位差的作用下，K 一方面受膜内负离子的吸引，另一方面又受膜外正电荷排斥2种力的作用，2种力是同时存在的：K 的浓度梯度使K 趋向于流出细胞，而膜的电位梯度又驱使K 重新返回到细胞内。在膜电位建立初期，K 的浓度梯度的力大于电位梯度，因此，随着K 流出细胞的数量的增加，膜电位的值也相应增大。然而随着膜电位值的加大，与浓度梯度对抗的电位梯度的力也逐渐增大。也许我们会认为，随着K 的外流，胞内K 的浓度梯度必定会减少。然而事实是胞内K 的浓度始终保持一个基本不变的值，尽管K 的外流仍在继续。这是因为仅需极少量的K 的外流就能建立一个较大的膜电位。K 的持续向膜外移动，使指向膜内的电势梯度强度不断增加，直至当膜的电势梯度和K 的浓度梯度相等时，K 的跨膜净移动才停止，此时在膜两侧建立的电位称为K 的平衡电位。K 的平衡电位值大约为-90 mV，但这不是一个真正的负值，在生理学上它表示的仅是一个相对值，即胞内电位较胞外低90 mV，如果知道了K 在胞内和胞外分布的浓度，应用Nernst方程即可计算出此时由这种浓度梯度建立起的K 的平衡电位。

      Nernst方程可用于描述跨膜流动的任意一种离子在某种浓度梯度状态下的平衡膜电位值。只要已知膜两侧离子的浓度值，代入此公式即可得到这些离子在平衡状态下的膜电位，即平衡膜电位，它们可分别表示为：E_K ，E_Na ，E_Cl和 E_Ca 等。Nernst方程：

    E=61 Log Co/Ci

      在这里，E是某种离子的平衡电位；61为常数值，来源于气体常数(R)，绝对温度(T)，离子的化合价(z)和法拉第常数(F)，61 =RT/zF。Co和Ci分别为此种离子在膜外和膜内的浓度。

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 Na 的扩散对膜电位的作用：Na 的平衡电位

      我们做另一种类似K 的假设。假如膜仅对Na 通透，会对细胞膜电位的形成产生什么影响？显然，由于浓度梯度的原因，大量携带正电荷的Na 将进入胞内，使膜外原来的电平衡向负的方向改变。Na 将持续向胞内净移动，直到膜逐渐增大的电势差与Na 的浓度差达到新的平衡，Na 的净移动才会停止。这时记录到的膜电位即为Na 的平衡电位(E_Na )。Na 的平衡电位值大约为 60 mV，此时的膜内电位为正，而膜外电位为负，与K 的平衡电位正相反。与K 的平衡电位相比，Na 平衡电位的幅度较小，这是由于Na 的浓度梯度较K 小，因此形成的电势梯度也小于K 的平衡电位。

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K 和Na 对膜电位的协同作用

      事实上，K 和Na 都不是单独存在于细胞的内、外液中，因此上述2种离子的平衡电位值在真正的活细胞中并不存在，这2个平衡电位值是通过理论计算或在实验状态下获得的。在活细胞中，K 和Na 应该是共同对膜电位的形成发挥作用的，细胞质膜对某种离子的渗透性越大，则这种离子驱动膜电位向着其平衡电位发展的力越大。在膜的静息水平，K 的通透性是Na 的50~75倍，K 透膜扩散的能力远大于Na ，这也是K 的平衡电位(-90 mV)为什么和膜的静息电位比较接近的缘故。静息状态时膜对Na 的通透性很小，因此Na 不可能达到自已的平衡电位。Na 进入胞内的作用只是部分中和或消除掉K 本身产生的电位。为更好理解这个概念，用下面的模式图加以说明。

Na 和K 跨膜移动对静息膜电位的协同作用

    ①Na - K 主动将Na 泵出细胞，将K 泵回细胞，保持Na 在胞外的高浓度和K 在胞内的高浓度；②在给定的离子浓度梯度下，K 和Na 分别具有驱动膜电位向各自平衡电位的方向发展；③由于膜对K 的高渗透性，因此K 对静息膜位具有决定性作用，其结果是静息膜电位的值接近K 的平衡电位(-70 mV)而不是Na 的平衡电位；④在静息膜电位建立期间，尽管有相对较多的K 净流出细胞，但膜电位并未产生-90 mV的电位，这是因为同时存在少量Na 的渗透。进入胞内的Na 中和了部分由K 建立的电位，使静息膜电位达到-70 mV，而不是K 的平衡电位;⑤当K 向胞外扩散时，细胞内带负电荷的较大蛋白质A^-不能透膜扩散，维持了胞内电荷的不平衡状态，使胞内较胞外的电位更负。

      假设图中膜两侧的每一对电荷代表10 mV的电位。一共有9对由正号和负号组成的电荷，代表了K 的-90 mV的平衡电位。现在假设有2个Na 从胞外进入胞内，降低了其浓度梯度和电势梯度（注意：现在电势梯度的方向是从膜外指向膜内，与Na 平衡电位时的电势梯度相反），2个Na 进入胞内中和了由K 建立的部分电位，因此图中7对电荷代表的膜电位为-70 mV。这就是典型的神经细胞静息状态时的膜电位值。此值接近于K 的平衡电位而偏离Na 的平衡电位，这是因为膜对K 比Na 有更大的通透性。由于存在一定的Na 向细胞内的被动渗透，因此，这时的静息膜电位(-70 mV)的值比K 的平衡电位(-90 mV)的值稍小些。

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静息膜电位水平时离子的被动漏出和主动泵出

      现在已经清楚，静息膜电位的值既不等于K 的平衡电位，也不等于Na 的平衡电位。-70 mV的静息膜电位值和K 的-90 mV的平衡电位值相差近20 mV，因此不能平衡K 的浓度梯度，存在于细胞内的K 必然通过漏K 通道向细胞外不断扩散。对于Na 来说，浓度梯度和电势梯度的方向相同，两者都使Na 通过漏Na 通道向胞内扩散，不过由于漏Na 通道的数量较少，因此Na 的扩散速率很低。在静息状态时，Na 和K 的这种扩散时刻都在进行，但为什么胞内K 的浓度梯度没有持续下降而Na 的浓度没有增加？这是由于有Na -K 泵存在的原因。静息状态时Na -K 泵主动转运2种离子，将进入到胞内的Na 主动泵出细胞，将渗漏到胞外的K 主动泵回胞内，Na -K 泵主动转运的离子数量抵消了2种离子通过膜漏通道通透的数量，因此，Na - K 泵对维持静息膜电位在稳定水平具有重要意义。

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小结

      静息膜电位形成机制的离子机制简要总结如下：由于膜内、外存在不同的离子浓度，膜对这些离子具有不同的通透性，导致了静息膜电位的产生。在静息状态时，膜电位保持恒定不变，离子透膜的净流动速率为零。所有被动通透力都与主动转运的力平衡。尽管在膜内外存在极大的相反方向的Na 和K 的浓度梯度（在胞外存在稍多的正电荷和在胞内存在稍多的负电荷），膜电位仍维持在一个稳定状态。此时虽然仍然存在离子的被动渗漏和主动泵出，胞内胞外之间的电荷交换始终保持准确的平衡，通过这些力建立的膜电值因此可始终维持在一个恒定的水平。

文章来源：左明雪.细胞静息膜电位的产生和维持.生物学通报，2006，41（4）：1.