动作电位产生机制及波形组成

（一）动作电位的概念

动作电位（action potential，AP）是指可兴奋细胞接受有效刺激后在静息电位基础上产生的一系列可扩布的电位变化过程。体内各类可兴奋细胞在兴奋时，其外部变化表现可各不相同，但有一个共同的变化就是产生动作电位，因此动作电位是一切可兴奋细胞兴奋的共同标志。

（二）动作电位产生的过程

在神经轴突上记录到的动作电位波形是由锋电位和后电位两部分组成的。细胞感受刺激后，在静息电位的基础上会爆发一次快速上升又快速下降的电位变化。此电位变化极为迅速，一般历时不超过2.0ms。因此，上升支和下降支形成尖锋样波形，故称为锋电位（spike potential）。锋电位之后膜电位还要经历微小而缓慢的波动，称为后电位（afterpotential）。只有在后电位结束之后，细胞内电位才完全恢复到静息电位的水平。

由图2-8可见，神经纤维受刺激后，静息电位很快由-70mV除极达到0mV，继而反极化至+35mV（超射overshoot），电位变化的幅度为105mV，形成锋电位的上升支。上升支历时很短，大约为0.5ms。可见锋电位的上升支是细胞膜由极化经过除极到反极化的演变过程，也是膜内电位由负到零再到正的变化过程。这个过程称为除极时相（depolarization phase）。

图2-8　神经纤维动作电位模式图

a-b：锋电位上升支；b-c：锋电位下降支；a-b-c：锋电位；c-d：后电位

锋电位的上升支达到顶峰（+35mV）后立即快速下降，膜电位由内正外负恢复为内负外正，直到接近静息电位水平，构成锋电位的下降支，称为复极化时相（repolarization phase）。所谓复极化是指在除极的前提下，极化状态的恢复。

简而言之，动作电位是一次在静息电位基础上爆发的电位快速上升又快速下降以及随后缓慢波动的过程（这种发生在电位快速下降之后的缓慢的电位波动称为后电位）。它包括锋电位和后电位两种电位变化，或者说包括除极和复极化两个时相。其中锋电位特别是它的上升支是动作电位的主要部分。

可兴奋细胞在兴奋时可以有各种外在表现形式，例如，肌细胞的收缩、腺细胞的分泌等。但是它们都有一个共同的、带本质性的内在变化，那就是在受刺激后必然产生动作电位。因此，在学习了生物电知识以后，可以更准确地说，动作电位是细胞兴奋的客观标志或同义语。只有当细胞产生了动作电位，才能够说它发生了兴奋。特别是神经细胞兴奋时，用肉眼观察不到它的外部反应，只能用仪器测定它产生的动作电位来作判断。因此，也可以把兴奋性的概念表述为细胞产生动作电位的能力。

（三）动作电位的特点

1.“全或无”现象　动作电位一旦产生就达到最大值，其变化幅度不会因刺激的加强而增大，也就是说，动作电位要么不产生（无），一旦产生就达到最大（全），这称为“全或无”现象。

2.不衰减性传导　动作电位一旦在细胞膜的某一部位产生，它就会立即向整个细胞膜传布，而且它的幅度不会因为传布距离的增加而减小。

3.脉冲式　由于不应期的存在，动作电位不可能重合，动作电位之间总有一定间隔而形成脉冲样图形。

各种细胞的动作电位特点虽然相似，但其变化幅度与持续时间可有很大差别。例如，神经和骨骼肌细胞动作电位的持续时间为1ms至数毫秒，而心室肌细胞动作电位的持续时间可长达300ms左右。

（四）动作电位的产生机制

知识小贴士

如何观察通道的开放及相应的离子流

——膜片钳技术

用20世纪80年代完善起来的膜片钳实验技术可以直接观察单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透难易程度等特性。(www.xing528.com)

膜片钳实验的基本原理是用一个尖端光洁、直径为0.5～3μm的玻璃微电极同神经或肌细胞的膜接触而不刺入，即将一根微吸管电极吸附到仅几平方微米的细胞膜表面上，然后在微电极另一端开口处施加适当的负压，将与电极尖端接触的那一小片膜轻度吸入电极尖端的纤细开口，这样在这小片膜周边与微电极开口处的玻璃边沿之间，会形成紧密的封接，其电阻可达数个或数十个千兆欧。这实际上把吸附在微电极尖端开口处的那一小片膜同其余部分的膜在电学上完全隔离开来，且将细胞跨膜电位固定在所需要的水平（这就是“钳”的含义），由微电极记录到的电流变化只同该膜片中通道分子的功能状态有关。如果在这一小片膜中只包含了一个或少数几个通道蛋白质分子，那么通过微电极测量出的电流，就是某种带电离子经由开放的单一通道蛋白质分子迸行跨膜移动的结果。

动作电位产生的机制也是用离子流学说来解释。前已述及，细胞外Na+的浓度比细胞内高得多（见表2-1），它有从细胞外向细胞内扩散的趋势，但Na+能否进入细胞是由细胞膜钠通道的状态来控制的。细胞在安静时，细胞膜上的钠通道多数处于关闭状态（备用状态），膜对Na+相对不通透，当细胞受到刺激时，钠通道的构型发生改变，首先是膜对Na+的通透性开始增大（少量钠通道开放），少量Na+顺浓度差流入细胞，使静息电位减小。当减小到一定数值（阈电位）时，又会引起膜对Na+的通透性在短时间内进一步增大（大量钠通道开放），此时在Na+浓度差和电场力（膜内负电位）的作用下，使细胞外的Na+快速、大量内流，导致细胞内正电荷迅速增加，电位急剧上升，使原来的负电位迅速消失并高出膜外电位而形成锋电位陡峭的上升支，这就是除极时相。当膜内侧正电位增大到足以制止Na+内流时，膜电位达到了一个新的平衡点，此时膜电位即为Na+的平衡电位。

在上升相接近Na+的平衡电位时，大量钠通道又迅速失活而关闭，钾通道则被激活而开放，导致Na+内流停止而K+顺浓度差和电位差迅速外流，细胞内电位迅速下降，使膜内、外电位又恢复到原来的内负外正的静息电位水平，形成锋电位的下降支，这就是复极化时相。

细胞膜在复极化后，跨膜电位虽然基本恢复，但离子分布状态并未恢复，因为除极进入细胞的Na+和复极化流出的K+并未各回原位。这时，激活了膜上的钠泵，通过钠泵的活动，可将流入细胞的Na+泵出，将流出细胞的K+泵入，继续维持兴奋前细胞膜两侧Na+、K+的不均衡分布，为下一次兴奋作准备。但钠泵的活动对细胞内电位的影响很小，可能只是形成后电位的原因之一。

总之，动作电位的上升支是Na+大量、快速内流所形成的电-化学平衡电位，是膜由K+平衡电位转为Na+平衡电位的过程；下降支是K+外流所形成，是膜由Na+平衡电位转为K+平衡电位的过程；后电位则是Na+泵活动的结果。

（五）动作电位的产生条件与阈电位

刺激作用于细胞可以产生动作电位，但不是任何刺激都能触发动作电位的。在某些情况下，刺激引起的是与除极相反的变化，膜内负电荷增加，静息电位增大（超极化），此时细胞的兴奋性低于正常水平。而有些刺激引起膜内正电荷增加，静息电位减小（除极），当减小到一个临界值时，由于细胞膜中大量钠通道开放，就能触发动作电位，这个能触发动作电位的膜电位值称为阈电位（threshold potential，TP）。阈电位的数值比静息电位的绝对值小10～20mV。任何刺激必须使膜内负电位降到阈电位水平，才能爆发动作电位，即静息电位除极达到阈电位是产生动作电位的必要条件。一般来说，细胞兴奋性的高低与细胞的静息电位和阈电位的差值呈反变关系，即差值越大，细胞的兴奋性越低；差值越小，细胞的兴奋性越高。例如，超极化时静息电位增大，使它与阈电位之间的差值扩大（图2-9），受刺激时静息电位除极较不容易达到阈电位，所以超极化使细胞的兴奋性降低。由此可理解前已学过的阈强度，就是能使细胞膜的静息电位除极到阈电位或能触发动作电位的最小刺激强度。

单次阈下刺激虽不能引起动作电位，但它也会使受刺激局部细胞膜的钠通道少量被激活，膜对Na+的通透性轻度增加，引起少量的Na+内流，从而产生较小的除极，只不过这种除极的幅度不足以使膜电位达到阈电位的水平，而且只限于受刺激的局部。这种产生于膜的局部、较小的低于阈电位值的除极称为局部反应（local response）或局部兴奋（local excitation）（图2-9b）。局部反应的特点是：①电位幅度小且呈衰减性传导，传播到很小距离即消失（即呈电紧张扩布）；②不是“全或无”式的，局部反应可随阈下刺激的增强而增大；③有总和效应，一次阈下刺激引起的单个局部反应固然不能引发动作电位，如果多个阈下刺激引起的多个局部反应在时间上（多个刺激在同一部位连续给予）或空间上（多个刺激同时在相邻的部位给予）叠加起来，就可能使膜的除极达到阈电位，从而引发动作电位（图2-9c、d）。因此，动作电位可以由一次阈刺激或阈上刺激引起，也可以由多个阈下刺激的总和引发。

图2-9　刺激引起膜超极化、局部反应及其在时间上的总和效应

a：刺激引起膜超极化，与阈电位的距离加大；b：阈下刺激引起的局部反应，达不到阈电位，不产生动作电位；c、d：均为阈下刺激，但d表示在c引起的局部反应的基础上给予刺激，叠加后可达到阈电位

（六）动作电位的传导与局部电流

动作电位一旦在细胞的某一点产生，它不会停留在受刺激的细胞膜局部，而是沿着细胞膜不断向邻旁传播，一直到整个细胞膜都产生动作电位为止。这种在同一细胞上动作电位的传播称为传导（conduction）。在神经纤维上传导的动作电位又称为神经冲动（nerve impulse）。如果动作电位是在两个细胞之间进行传播则称为传递（transmission）。

1.兴奋传导的机制　下面以无髓神经纤维为例加以说明。图2-10A表示无髓纤维a点受刺激产生动作电位，此处膜电位出现外负内正的反极化状态，而邻近尚未兴奋部位仍处于外正内负的静息状态。这样，在兴奋部位与邻近未兴奋部位之间出现了电位差，而细胞内液和细胞外液都是导电的，因而必然会产生由正到负的电流流动，其流动的方向是，在膜外侧，电流由未兴奋点流向兴奋点a；在膜内侧，电流则由兴奋点a流向未兴奋点，这种局部流动的电流称为局部电流（local current）。局部电流流动的结果，造成与a点相邻的未兴奋点膜内侧电位上升，膜外侧电位下降，即产生除极，这种除极如达到阈电位水平，即触发相邻未兴奋点爆发动作电位，使它转变为新的兴奋点。就这样兴奋膜与相邻未兴奋膜之间产生的局部电流不断地向前移动（图2-10B）就会使产生在a点的动作电位迅速地传播开去，一直到整个细胞膜都发生动作电位为止。可见，动作电位的传导机制是靠局部电流的作用。动作电位在其他可兴奋细胞上的传导机制与无髓纤维兴奋传导相同。

图2-10　动作电位在神经纤维上的传导

A、B.动作电位在无髓神经纤维上依次传导；C.动作电位在有髓神经纤维上跳跃式传导

有髓神经纤维兴奋的传导也是通过局部电流，但由于有髓纤维外面包裹着一层既不导电又不允许离子通过的髓鞘。而髓鞘绝缘，因此动作电位只能在没有髓鞘的郎飞结处进行传导。传导时，出现在某一郎飞结的动作电位与它相邻的郎飞结之间产生局部电流，使相邻的郎飞结兴奋，表现为跨越一段有髓鞘的神经纤维而呈跳跃式传导（图2-10C）。加上有髓神经纤维较粗，电阻较小，所以它的动作电位传导速度要比无髓神经纤维快得多。例如，人的粗大有髓神经纤维的传导速度超过100m/s，而一些纤细的无髓神经纤维传导速度还不到1m/s。

2.兴奋传导的特点　包括：①不衰减传导：指动作电位传导时，电位幅度不会因距离增大而减小。这是因为，只要刺激能使静息电位减小到阈电位，细胞膜就能爆发动作电位，而产生的动作电位其幅度、波形以及在膜上的传导情况，只取决于当时细胞膜本身的生理特性和膜内外离子的分布情况。一般情况下膜的生理特性和膜内外离子的分布情况是稳定的；而且，同一细胞上的不同部位细胞膜的性质和离子分布也基本相同，所以，动作电位不会随传导距离的增加而改变。②完整性：兴奋能在同一细胞上传导，依赖于细胞本身在结构和功能上的完整性。如果可兴奋细胞的膜结构发生损伤或局部用药物麻醉后，均可使兴奋传导受阻。③双向传导：当细胞膜上某一点受刺激而兴奋时，局部电流可向兴奋部位的两侧传导，使动作电位表现出双向传导的特点，因而动作电位一旦产生，便可很快传遍整个细胞，使整个细胞产生一次兴奋。

生物电是一切活细胞都具有的基本生命现象。其内容具有普遍的理论意义，也有重要的实用价值。生物电已被广泛应用于医学的实验研究和临床。例如，临床上常用的心电图、肌电图、脑电图就是用特殊仪器将心肌细胞、骨骼肌细胞、大脑皮质神经细胞产生的电位变化，进行检测和处理后记录的图形，它们对相关疾病的诊断有重要的参考价值。关于生物电的知识，这里只是打下一般性的基础，在本书有关章节以及某些后续课程中还要作延伸性的深入讨论。