《细胞膜电位》ppt讲义恩格斯在100多年前总结自然科学成就时强调：“地球几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象”；生物体其实也不例外。事实上，在希腊仅存史前古文字中，已有电鱼击人的记载；但对于生物电现象的研究，只能是在人类对于电现象通常规律和本质有所认识之后，并随着电检测仪器的精密化而日趋深入目前，对健康人和病人进行心电图、脑电图、肌电图，甚至黄斑电图、胃肠电图的检测，早已成为发觉、诊断和估量疾患进程的重要手段；人体和各脏器的电现象的形成，是以细胞水平的生物电现象为基础的，心电图机脑电图机肌电图机黄斑电图仪肠道电图仪第1节剌激与反应十九世纪中后期的生理学家用两栖类植物做实验时，发觉乌龟或蟾蜍的个别组织在离体的情况下，也能在一定的时间内维持和表现出个别生命现象。这种生命现象的表现之一是：当这种组织遭到一些外加的剌激诱因（如机械的、化学的、温热的或适当的电剌激）作用时，可以应答性出现一些特定的反应或暂时性的功能改变。那些活组织或细胞对外界刺迸发生反应的能力，就是生理学最早对于激动性()的定义诸如，把蟾蜍的腓肠肌和支配它的神经由体内剥离下来，制成神经-胸肌标本，这时假若在神经游离端两侧轻轻地打动神经，或通以适当的电压，这么在经过一个极短的潜伏期后，可以看见胸肌出现一次快速的减短和舒张；如把剌激直接施加于胸肌，也会造成类似的收缩反应；并且只要剌激不引起组织的损伤，上述反应可以重复出现。
这就是神经和胸肌组织具有激动性能证明。实际上，几乎所有活组织或细胞都具有某种程度的对外界刺迸发生反应的能力，只是反应的灵敏度和反应的表现方式有所不同。在各类植物组织中，通常以神经和肌细胞，以及个别腺细胞表现出较高的激动性；这就是说它们只需接受较小的程度的剌激，才能表现出某种方式的反应，因而称为可激动细胞或可激动组织。不同组织或细胞受剌激而发生反应时，外部可见的反应方式有可能不同，如各类肌细胞表现机械收缩，腺细胞表现分泌活动等，但所有那些变化都是由剌激造成的，因而把这种反应称之为激动（）。随着电生理技术的发展和资料的积累，激动性和激动的概念有了新的涵义。大量事实表明，各类可激动细胞处于亢奋状态时，尽管可能有不同的外部表现，但它们都有一个共同的、最先出现的反应，这就是受剌激处的细胞膜外侧出现一个特殊方式的电变化（它由细胞本身所形成，不应与作为剌激使用的外加电剌激相混淆），这就是动作电位；而各类细胞所表现的其他外部反应，如机械收缩和分泌活动等，实际上都是由细胞膜的动作电位进一步触发和引发的。在神经细胞，非常是它的延续很长、起着信息传送作用的轴突（神经纤维），在受剌激而激动时并无肉眼可见的外部反应，其反应只能用灵敏的电检测仪器能够测出的动作电位。
在多数可激动细胞（以神经和骨骼肌、心肌细胞为主），当动作电位在受剌激部位形成后细胞膜电位，还可以顺着细胞膜向周围扩布，使整个细胞膜都形成一次类似的电变化。神经细胞示意图既然动作电位是大多数可激动细胞受剌激时共有的特点性表现，它不是细胞其他功能变化的伴随物，而是细胞表现其他功能的前提或触发诱因，因而在近代生理学中，激动性被理解为细胞在受剌激时形成动作电位的能力，而激动一词就成为形成动作电位的过程或动作电位的同义语了。只有这些在受剌激时能出现动作电位的组织，能够称为可激动组织；只有组织形成了动作电位时，才会说组织形成了激动。可以对上述神经-胸肌标本的现象描述如下：当剌激作用于坐骨神经某一点时，因为神经纤维具有激动性而出现激动，即形成了动作电位，此动作电位（常称为神经冲动）顺着神经纤维传向它们所支配的骨骼肌纤维，通过神经-肌接头处的激动传递，再造成骨骼肌细胞激动而形成动作电位，之后是动作电位沿整个肌细胞膜传遍整个肌细胞，并触发了细胞内收缩蛋白质的互相作用，表现出胸肌一次快速的收缩和舒张。剌激导致激动的条件和阈剌激具有激动性的组织和细胞，并不对任何程度的剌激都能表现激动或出现动作电位。剌激可以泛称细胞所处环境诱因的任何改变；泛指各类能量方式的理化诱因的改变，都可能对细胞构成剌激。
在实验室中，常用各类方式的电剌激作为人工剌激，拿来观察和剖析神经或各类胸肌组织的激动性，测度激动性在不怜悯况下的改变。这是由于电剌激可以便捷地由各类电仪器（如电脉冲和方波发生器等）获得，它们的硬度、作用时间和硬度-时间变化率可以容易地控制和改变；而且在通常情况下，就能造成组织激动的电剌激并不导致组织损伤，因此可以重复使用。实验表明，剌激要造成组织细胞发生激动，必须在以下三个参数达到某一临界值：剌激的硬度剌激的持续时间剌激硬度对于时间的变化率（即硬度对时间的微分）不仅这般，这三个参数对于导致某一组织和细胞的激动并不是一个固定值，它们存在着互相影响的关系。为了说明剌激的各参数之间的互相关系，可以先将其中一个参数固定于某一数值，之后观察其余两个的互相影响。比如，当使用方波剌激时，因为不同大小和持续时间的方波上升支都以同样极快的降低速度达到某一预定的硬度值，因此可以觉得上述第三个参数是固定不变的，而每一方波电剌激能够导致激动，就只决定于它所达到的硬度和持续的时间了信噪比：在一串理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值在神经和肌组织进行的实验表明，在硬度-时间变化率保持不变的情况下，在一定的范围内，造成组织激动所需的最小剌激硬度，与这一剌激所持续的时间呈反变的关系当剌激的硬度较大时，它只需持续较短的时间就足以引进组织的激动，而当剌激的硬度较弱时，这个剌激就必须持续较长的时间才会导致组织的激动。
但这个关系只是当所用硬度或时间在一定限度内改变时是这么。假如将所用的剌激硬度降低到某一数值时，则这个剌激不论持续多么长也不会导致组织激动；与此相对应，假如剌激持续时间逐渐减短时，最后也会达到一个临界值，即在剌激持续时间大于这个值的情况下，无论使用多么大的硬度，也不能导致组织的激动。假如用较小的剌激硬度能够激动的组织具有较高的激动性，这么，这个硬度小的程度，还要决定于这个剌激的持续时间和它的硬度-时间变化率。为此，假如要简单地用剌激硬度这一个参数来表示不同组织激动性的高低或同一组织激动性的波动，就必须使所用剌激的持续时间和硬度-时间变化率固定为某一数值（应是中等程度的）；这样，就能把造成组织激动、即形成动作电位所需的最小剌激硬度，作为评判组织激动性高低的指标；这个剌激硬度称为阈硬度或阈剌激，简称阀值（）。硬度大于阀值的剌激，称为阈下剌激；阈下剌激不能导致激动或动作电位，但并非对组织细胞不形成任何影响。阀值越小，说明组织的激动性越高。第2节细胞的静息电位细胞水平的生物电现象主要有两种表现方式，这就是它们在安静时具有的静息电位和它们遭到剌激时形成的动作电位。体内各类脏器或多细胞结构所表现的多种方式的生物电现象，大都可以按照细胞水平的那些基本电现象来解释。
静息电位指细胞未受剌激时存在于细胞内外两边的电位差。当两个电极都处于膜外时，只要细胞未遭到剌激或损伤，可发觉细胞外部表面各点都是等电位的；这就是说，在膜表面任意联通两个电极细胞膜电位，通常都不能测出它们之间有电位差存在。但若果让微电极平缓地往前推动，让它刺伤细胞膜步入膜内，这么在电极尖端刚才步入膜内的顿时，在记录仪器中将显示出一个忽然的电位跃变，这表明细胞膜内外两边存在着电位差。K+Na+Cl-Na+Cl-K+膜内膜外离子含量差电位差在静息状态下，细胞膜内K+的高含量和安静时膜主要对K+的私密性，是大多数细胞形成和维持静息电位的主要诱因。（K+的平衡电位）膜外侧的电-物理（含量）势代数和为零时，将不会再有K+的跨膜净联通K+多Cl-少Na+少内负外正膜电位膜内电位线性变化的一维膜模型dΦ(0)Φ(d)Intra--对于K+对上式从x=0到d积分Vm为跨膜电位，d为膜厚。设某种溶质的脂水分配系数为k，其定义为：式中Cm及Cw分别代表溶质在脂内和在水底的溶化度。定义钾的私密性Pk在细胞膜中，与钾一起有着重要作用的还有钠电压JNa和氯电压JCl。
总离子电压为各组成部份之总和，即为：总的钾离子通常而言，生物膜并不能让所有的离子处于平衡中，假如对常见的组分估算K、Na、Cl的电位，其数值都不同。为此，静息状态仅仅能用稳态来代表，即下述三种假设的条件下推论下来的：（1）如在碱液中一样，膜内离子也是在电场和含量梯度的影响下联通的；（2）贴近膜的细胞内离子含量和与其邻接的氨水中的离子含量相等；（3）膜内的电场梯度是均一的——方程/戈德曼多项式F是法拉第常数，R是二氧化碳常数，T是绝对湿度，P是通透常数，e(extra)、i(intra)是细胞外，内的离子含量。电位K+的电位乌贼神经轴突细胞离子含量（mmol/L)细胞内细胞外K++-+的电位为：检测得到乌贼轴突细胞的静息电位约为-70mV，因而在静息时K+是接近（但不完全是）平衡的。1939年(霍奇金)等借助了枪乌贼的巨大神经纤维和较精密的示波器等检测仪器，第一次精确地测出此标本的静息电位值，结果发觉此值和估算所得的K+平衡电位值十分接近而略大于前者；如在一次实验中测得的静息电位值为－77mV，而按当时[K+]e和[K+]i值算出的Ek为－87mV。
大多数细胞的静息电位的形成，是因为正常细胞的细胞内液高K+而膜在安静时又主要对K+有通透能力的结果；至于静息电位的数值为什么略大于理论上的Ek值，通常觉得是因为膜在静息时对Na+也有极小的私密性（大概只有K+私密性的1/50～1/100）的缘故；因为膜外Na+含量小于膜内，虽然小量的Na+逸入膜内也会抵消一部份K+外移导致的膜内负电位。第3节神经细胞神经元也叫神经细胞，是构成神经系统结构的基本单位。神经元是具有长凸出的细胞，它由细胞体和细胞凸出构成。细胞体坐落脑、脊髓和神经节中，细胞凸出可延展至腰部各脏器和组织中。细胞体是细胞含核的部份，其形状大小有很大差距，半径约4～120微米。核大而圆，坐落细胞中央，染色质少，胚乳显著。细胞质内有斑片状的核外染色质（旧称尼尔小体），还有许多神经元纤维。细胞凸起是由细胞体延展下来的狭长部份，又可分为树突和轴突。每位神经元可以有一或多个树突，可以接受剌激并将激动传入细胞体。每位神经元只有一个轴突，可以把激动从胞体传送到另一个神经元或其他组织，如胸肌或胃壁。在外周神经系统中，我们所见到的神经纤维都是轴突。各类神经元轴突粗细长短均不相同，通常较粗的轴突传导速率较快，反之较慢绝大多数轴突半径为30～50微米。
在一些大动物体内轴突可以历时几米，人体中最长的轴突大概为一米。在电生理实验中，可以以一定硬度与频度的电压脉冲剌激细胞，就形成了动作电位。通常的实验对象是马蹄蟹的视神经纤维或乌贼鱼巨纤维做实验。借助红虫神经索的巨纤维也可挺好地说明在单根纤维上传导着的动作电位的行为。第3节动作电位指可激动细胞遭到剌激而激动时，在静息电位的基础上膜外侧的电位发生快速而可逆的倒转和复原。这些电位变化叫做动作电位极化（）——膜外侧存在的内负外正的电位状态。去极化（）——膜电位绝对值渐渐减弱的过程。超极化（Over-）——膜电位绝对值低于静息电位的状态。复极化（）——膜电位去极化后逐渐恢复极化状态的过程。动作电位，相对于静息电位，是细胞和组织去极化的过程。它是具有一定频度和振幅特点的生物电位，是活系统激动的一种外在表现。动作电位的出现是一切激动细胞和组织，非常是比较高等、复杂结构生物对象的本性。它可起因于组织本身的内在过程，如脑电、心电等，也可来自外界的人为形成，如离体细胞组织在不同剌激诱因作用下形成的电位，或来自外部体会装置的传入脉冲。
动作电位包括三个基本过程：（1）去极化，膜内原先存在的负电位迅速消失，即膜电位的极化状态消失。（2）超极化，继去极化以后，继而发展为极化状态倒转，即转变为膜内为正，膜外为负。（3）复极化，膜内电位达到顶峰后开始回升，恢复至原先静息电位水平。第一阶段：动作电位上升支的产生（去极化相的产生）形成缘由：因为剌激造成膜对Na+的私密性顿时减小（Na离子通道被激活），膜外的Na+内流，使膜电位由-70mV降低至0mV，因而上升为+30mV，Na+通道急剧失活。第二阶段：动作电位升高支产生：Na+通道失活后，膜恢复了对K+的私密性，大量的K+外流。使膜电位由正值向负值转变，产生了动作电位的增长支。动作电位是在极短的时间内形成的，因而，在体外描记的图形为一个短促而尖锐的脉冲图形，似山峰般，称为峰电位（）。第三阶段：后电位的产生：当膜电位接近静息电位水平时，K+的跨膜转运停止。此后，膜上的Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）被激活，将膜内的Na+离子向膜外转运，同时，将膜外的K+向膜内运输，产生了负后和正后电位。通过解释静息电位和峰值电位的来源早已初步剖析了动作电位波形的主要方面，并且要想考虑动作电位的整个时间过程，这种还是不够的。
比如为何电位上升很快而回降较慢?当考察同一种昆虫的不同神经和胸肌上的动作电位时，或是当考察不同种鸟类的同一神经或胸肌上的动作电位时，为什么观察到在动作电位的形状和时间过程上有许多变化等等。要想回答有关时间过程的问题就须要有关膜行为的更适宜的模型，而这必须构建在广泛的实验结果的基础上。1.膜的热学模型和并联浊度模型——这个模型给出了剖析各个组成离子电压的框架2.电流嵌位实验的结果——电压嵌位实验用以评价各个离子电压的最重要的实验工具3.-等式。这种等式总结了由电流嵌位实验所获得的实验数据，成功地解释了动作电位的各个方面，描述了相应的各类离子的运动。4.借助-多项式进行动作电位的数值仿真。第4节细胞膜的热学模型第5节电流固定的膜电压研究第6节-多项式第7节对膜动作电位的仿真膜电位/静息电位:细胞生命活动过程中伴随的电现象，存在于细胞膜外侧的电位差称膜电位。()一般是指以膜相隔的两碱液之间形成的电位差。生物细胞被以半透性细胞膜，而膜两侧呈现的生物电位就是这些电位，平时把细胞内外的电位差叫膜电位。
假如把两种电解质用膜隔开，使左侧富含不能透过该膜的粒子，因为这些影响，左侧电解质的分布便发生了变化，一旦董南（）膜平衡完善膜右侧还会有董南膜电位。假如两边没有这些不透性离子，但只要把含量不同的两种电解质以膜隔开，在阳离子和阴离子透过膜的速率不同时，膜外侧也会形成电位差。在膜右侧放0.1和0.01N的KCl碱液时形成的膜电位，作为表现膜特点的电位，则称为标准电位差，其值最大可达58mV。膜电位的存在和各类影响导致的这种变化是静止电位和动作电位的动因。阈电位：当细胞遭到一次阈剌激或阈上剌激时，受激细胞膜上Na通道少量开放，出现Na少量内流，使膜的静息电位值减少而发生去极化。当去极化进行到某一临界值时，因为Na通道的电流依从性，导致Na通道大量激活、开放，致使Na迅速大量内流而爆发动作电位。这个足以使膜上Na通道忽然大量开放的临界膜电位值，称为阈电位。阈电位比静息电位约小10mV～20mV。如神经纤维的静息电位是-70mV，其阈电位约为-55mV。任何剌激只要能使膜从静息电位去极化到阈电位，便能触发动作电位，导致激动。有人将阈电位称为燃点，这是十分形象化的术语。从电生理的角度来看，激动是指动作电位的形成过程或动作电位的同义语，而激动性则是细胞受剌激时形成动作电位的能力。
激动性的基础是静息电位，所以静息电位值或静息电位与阈电位的距离大小，可影响细胞的激动性。如二者距离减小，细胞的激动性增长。动作电位（1）概念：可激动组织或细胞遭到阈上剌激时，在静息电位基础上发生的快速、可逆转、可传播的细胞膜外侧的电变化。动作电位的主要成份是峰电位。（2）产生条件：①细胞膜外侧存在离子含量差，细胞膜内K+含量低于细胞膜外，而细胞外Na+、Ca2+、Cl-低于细胞内，这些含量差的维持借助离子泵的主动转运。（主要是Na+-K+泵的转运）。②细胞膜在不同状态下对不同离子的私密性不同，比如，安静时主要容许K+通透，而去极化到阈电位水平时又主要容许Na+通透。③可激动组织或细胞受阈上剌激。（3）产生过程：≥阈剌激→细胞部份去极化→Na+少量内流→去极化至阈电位水平→Na+内流与去极化产生正反馈（Na+爆发性内流）→达到Na+平衡电位（膜内为正膜外为负）→形成动作电位上升支。膜去极化达一定电位水平→Na+内流停止、K+迅速外流→形成动作电位升高支。（4）产生机制：动作电位上升支——Na+内流所致。动作电位的幅度决定于细胞内外的Na+含量差，细胞外液Na+含量减少动作电位幅度也相应增加，而阻断Na+通道（河豚毒）则能制约动作电位的形成。
动作电位升高支——K+外流所致。动作电位时细胞遭到剌激时细胞膜形成的一次可逆的、可传导的电位变化。形成的机制为①阈剌激或阈上剌激使膜对Na+的私密性降低，Na+顺含量梯度及电位差内流，使膜去极化，产生动作电位的上升支。②Na+通道失活，而K+通道开放，K+外流，复极化产生动作电位的增长支。③钠泵的作用，将步入膜内的Na+泵出膜外，同时将膜外多余的K+泵入膜内，恢复激动前是离子分布的含量。神经膜的并联浊度模型给出了一小块神经膜的一个简单的热学表示，它被称为并联浊度模型。每一支路表示某一特定种类的离午时整个跨膜电压的贡献。假定对K，Na，Cl有独立的浊度通道。细胞外细胞内第4节细胞膜的热学模型内负外正膜电位K+多Cl-少Na+少InOut举例说，假如膜电位是Vm，那末钾的净驱动力是(Vm-EK)，也就是对平衡条件的偏离。由于钾电压反比于电流(Vm-EK)，因而比列系数就是浊度的单位。把钾浊度记为gK(其值依赖于Vm和t)，因而静息时，Ic=0要想列举对跨膜电压的所有贡献，我们还要加上电容性(或位移)电压，它就是稳态时，这就是并联浊度多项式。它描述了Vm如何作为与相对导电性有关的EkECl和ENa的某种加权平均。
这一表达式只有在假设的稳态条件下才是正确的。由乌贼轴突的细胞内外各类离子的含量值，我们可到其电位：Ek=-74.=-65.=54.2mV假设存在下述“典型”值：gk=0.367mS/=0.582mS/=0.010mS/cm2我们来看电位和导电性对稳态跨膜电位有何影响。由以上数据代入式并联浊度多项式，得到Vm=-68.0mV对于这样的静息电位才会有稳定的钾外流。这个外流为Vm和Ek差值6.7mV所驱动。这时也会有钠的内流，它为Vm偏离开它的平衡电位的差值122.2mV所驱动。这个大的驱动力作用在比较低的导电性上，因而钾的外流和钠的内流大致平衡而维持稳态(我们仍然假设氯实际上处于平衡)。Ek=-74.=-65.=54.2mV第5节电流固定的膜电压研究“电压嵌位”一直是用以评估动作电位期间离子电压时间过程的最重要的工具。电流嵌位追溯在动作电位期间，跨膜电压的成份包括离子流和电容性（充电）电压。由于膜电容是不变的，则前者等于CmdVm/dt。若果在膜两侧加上前馈电流（即加上恒定的跨膜电位），电路中就不再有电容性成份，因此也就简化了对有关电压的剖析，这时电压必将完全由离子成份构成。
由欧姆定理可知，内阻一定时，电压发生改变，必然导致膜电位急剧变化，这样就难以观察膜电位对离子流的影响。通过将膜电位钳制在不同水平，以防止离子流反过来影响电流值。通常而言，膜对某种离子私密性的变化是膜电位和时间的函数。用玻璃微电极插入细胞内，借助电子学技术施加一跨膜电流并把膜电位固定于某一数值，可以测定该膜电位条件下离子电压随时间变化的动态过程。借助抗生素或改变细胞内外的氨水成份，使其他离子通道失效，即可测定被研究的某种离子通道的功能性热阻，剖析离子电压的稳态和动力学与膜电位、离子含量等之间的关系，可推测该种通道的浊度、活化和失活速度、离子选择性等，并能检测和剖析通道的门控电压的特点。图中电极1插入巨大神经轴突内一定距离，拿来检测和监察这一段轴突膜内的电位，此电极先连到一个电流放大器，再在一个示波器上显示；电极1测得电位值经放大后同时输给一个负反馈放大器（FBA），这是整个仪器设计的关键部份，它可把测得的膜内电位同来自一个电流源的、由实验者预先设定的要求保持恒定的电位值进行比较，假如两者有差值，FBA都会通过电极2向轴突膜内输出相应硬度和方向的电压，因为仪器线路的精密设计和快速反应，电极2输出电压的改变正足以补偿标本因为跨膜离子电压使膜充放电而导致的跨膜电位的变动，于是与电极1相边的示波器上显示出膜内电位固定在设定的数值，而在电流放大器IA上测得的跨膜离子电压的变化，就反映了膜浊度的变化。
020-（ms）（mA/cm2)al（mV)在t=0时应用电流嵌位条件下乌贼轴突的离子电压Vm=20mV，静息电位-（mA/cm2)在t=0时应用电流嵌位条件下乌贼轴突的离子电压，静息电位-60mV,ENa=57mV能斯特电位电流钳实验结果示意图单独观察Na+电压，可用TEA（，四甲基胺）阻断K+外流后得到；单独观察K+外流，则用TTX（，河豚毒）阻断Na+内流后得到第6节-多项式(霍奇金)和(赫胥黎)从她们在乌贼轴突的电流嵌位实验中所收集得到的数据构建了知名的定量模型。模拟电流嵌位实验数据模拟动作电位传播将离子电压和其驱动力联系上去浊度的计算方式：按照相应的电流嵌实验数据，换算出相应的浊度数据关于钾浊度的假设：关于钠浊度：-方程式中的n、m和h都是机率；第7节对膜动作电位的仿真采用-多项式对膜动作电位进行仿真假设开始时在一段时间T内的去极化电压为Id把时间t离散化-~dst/HHsim/