细胞(cell)
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细胞(cell)是构成人体基本的结构和功能单位。众多形态相似功能相近的细胞由细胞间质组合成的细胞群体叫做组织。
人类细胞由细胞膜、细胞质、细胞核构成。
细胞是生命的基本单位，即细胞是一种物理性实体。比细胞小的物质单位不存在生命所具备的增殖、突变以及对刺激反应的能力。
我们可以把细胞打碎，用离心方法分离其中某些成分进行研究。这些碎片可以暂时继续进行它们的许多活动，诸如消耗氧气、酵解糖分，甚至形成新的分子，但这些个别的活动不能组成生命。正如亚原子质粒的行为并不等同于完整原子的行为一样，打碎的细胞再也不能无限地延续生命活动。病毒比细胞小，也不那么复杂，但不能独立生存，必须寄生在细胞中。
与原子和分子比较，细胞是大得多复杂得多的单位，是有一定边界、内部进行着恒定化学活动的和能量运转的小天地。在通常的温度下没有化学活动的细胞是死细胞。
生物是开放的系统，不断消耗能量、转化能量和摄入能量。一切物理及化学过程均趋向平衡，由有序状态趋向无序状态。一个系统一旦达到平衡，它内部的能量呈最大的无序状态。无序的能量称为熵，不再用于作功；用于作功的总能量成分即有用能，称为自由能。宇宙整体的熵由于退降过程而增大，趋向最小自由能或最大熵状态。生物是这一过程的受惠者。绿色植物或某些细菌通过光合作用或化学能的利用，从无序中继续建立有序，维持高度的自由能状态。动物和微生物利用低级形式的能，即食物的有机分子的化学能，维持同样高度的自由能状态，但能量利用率低，明显增大环境中的熵。生命现象基本上是能量转换和能量消耗的过程，只有在提供各种所需能量的情况下，生命才能够继续存在。
生物的这种特性是由于细胞的特性决定的。这是因为细胞是一个开放的系统。不但单细胞生物还是多细胞生物，其存在都必须要求能量获取，能量利用和能量释放，这过程也可以称为能量代谢。生命一旦发生，就获得了控制周围环境的手段，在某种意义上支配外界能源为其自身使用。正是因为要增强能量获取和能量利用的能力，细胞才会积聚在一起，有所分工，形成复杂的多细胞生物，人类正是细胞有效集结的最高体现。在漫长的进化过程中，在存在需求和发展需求以及生存竞争和环境的共同作用下，生命（细胞）通过某种方式获得特定类型的结构。生命系统的能量支配不是随意的，而是由细胞特殊部分的编码信息所指导的。支配能量的结构和方式的演变，构成了生物进化的过程。
细胞可分为两大类：原核细胞(prokaryotic cell)，以细菌和蓝绿藻为典型代表；真核细胞(eukaryotic cell)，见于所有的其他生物。病毒可能是完全退化的细胞，或细胞片段，除核酸形式的遗传装置以及蛋白质形式的保护和感染装置以外，所有其他非必需的结构均已丢失，不能独立生存，必须感染细胞才能增殖。
原核细胞为已知的最简单的细胞。懒得在这里介绍太多。我们人的细胞是真核细胞，在《身体奥秘》里知道这点就够了。更多资料请向郭卜乐发E-mail索取。其实，在这些年的资料研究中，我发现人类对细胞的认识真的很有限，有太多无法解释的现象和结果。比如我一直疑惑是什么原因使RNA选择性地降解，而断裂的部分在重组时如何不出差错。没有答案。
辐射能一旦被细胞摄取并转变成化学键能，则在细胞内进行的全部其他过程均通过化学反应完成。细胞及其作用取决于细胞内正在发生的和已经发生过的化学反应。酶控制细胞内及细胞之间的全部化学反应以及最终地控制全部能量使用，所以正是细胞的酶复合体为细胞提供一种专一的物质。酶是首先被细胞利用的可见编码信息的表达。心总体也是同源编码信息的表达。
酶是高度专一的生物催化剂。每一类酶控制一个特殊的化学反应，不是决定反应是否发生，而是决定反应进行的速度。细胞是一个精确的团结系统，如果正常行使功能，则细胞内发生的化学反应必须在时间、部位和速度上受到控制。一个细胞可能具有上千种酶。
酶在细胞中一般不是自由漂浮的，尤其真核细胞，酶严格地分隔或定位在细胞膜内或膜上，在核、线粒体、叶绿体（植物）、溶酶体、过氧化质体及液泡内，以及确有膜结构存在的部位，如内质网及高尔基复合体中。一般酶不能在远离反应部位进行作用，就科实现酶作用的空间控制，使这个化学反应过程不受细胞内其他过程的影响。
发育中的生长不仅只是细胞增大或增殖，它是一种错综复杂的形式，不同时期有不同的生长活跃中心和不同发育速度。这些中心的协作，使生物体的形状以及功能得以成分发展，使人于动物相区别，人与人相区别。发育还包括分化。一个未分化的细胞，由于连续变化的过程，渐渐转化成一个专门化的细胞。当不同的细胞获得（或失去）特殊的结构和功能的性质时，这些细胞就变得专门化，在不同的方面发挥各式各样的作用，具有功能的生物体就有了不同的细胞和组织。
分化是一个定向的变化过程，这是无机界所没有的现象。在生命是有创造性的意义上讲，分化过程亦是有创造性的，因为除了一切细胞共有的一般特性之外，又增加了专门化细胞所特有的结构和功能。分化赋予集体不同的外形、功能和行为，但无损于作为一个有机体的整体性。已分化的细胞仍然保留着为完整生物体进行全部活动所必需的信息，一切细胞具有同样的潜能和制造生物体全部蛋白质的能力。细胞分化不是由于遗传学潜能的变化，而是由于那种潜能的不同表现。决定潜能如何表现的，是细胞本身所处的环境，尤其是核本身所处的环境。细胞由于分化而经历了许多变化，要恢复原状，即使不是不可能，也是困难的。愈专门化的细胞类型，要改变其分化的程度就愈困难，不管是直接改变还是通过移植细胞核改变。在多细胞生物体中，分化是一项进行性的事，需要几代细胞才能达到最后稳定的分化状态。当分化过程达到某种程度后，细胞就受到限制，不容易由此改变其分化的途径。
在多细胞生物体中，协调的发育依赖于不同的细胞和不同组织之间的相互联络，激素就是参与这种联络的化学物质。它产生于生物体的某一部位，而在另一个不同部位发挥效用。对激素有反应的细胞，必须具有能接受激素作用的受体，还必须具有导致特定的生化改变的反应能力。某些激素，即使一点都没有进入细胞，也可以发挥它们的效用，它们在细胞表面同特定部位相互作用，随后，细胞内部发生相应的变化。
为什么说细胞是生命之砖?
我们身体的任何器官或组织；都包含有这些基本的结构—-细胞.许多细胞结合在一起，就组成一种组织，比如肌肉、神经，就是分别由肌肉细胞(如棱形的骨骼肌细胞)或不规则的呈放射状的神经细胞聚集在一起，细胞和细胞是由细胞间质(有如砖头缝的泥灰)连结起来的。
身体中除组处中还有许许多多的器官，比如心、肝、脾、肺、肾、脑，还有五官、生殖器官等等。这些器官全都是由不同的组织结合起来构成的。组织除去上面提到曲肌肉、神经组织外，还有上皮、结缔两种组织。拿肠胃来说吧，都是由靠近胃肠内腔的一层上皮细胞、中层肌肉组织和最外一层结缔组织组成的。这些组织结合在一起，共同完成时食物的消化任务。
从结构上面，本论细胞有多么大的差异，其基本结构都是相似的。大致可以分成细胞膜、细胞质和细胞核这三部分。
细胞膜是包裹整个细胞外的一层薄膜，其厚度大约只有75埃(一埃是一厘米的一亿分之一)。近年来，人们用电子显微镜的技术把细胞放大数十万倍观察了细胞膜。发现它并不是毫无构造的一层简单的膜，而是具有一定形态结构和十分重要生理功能的一层生物膜。再说，它也不是“天衣无缝的，而是有着小小的“豁口”，由这里通过微细的管道，与细胞内的各种结构及细胞核相互通联。细胞内进行着各种人体生命必不可少的生理活动，如新陈代谢(吸收各种营养物质排出代谢废物)、生物电的发生、免疫活动等等，都靠这层薄膜来维持。它对物质的通透性，具有严格的选择作用，只有生命活动所需要的各种物质，它才予以“放行”，其余的一律拒绝通行。
细胞质是包裹在细胞膜内的半透明的胶状物质。含有大量水分、无机盐，当然还有蛋白质、糖类和类脂质。在这里面，还有许多种有形的结构，例如膜状的内质网、溶酶体、内网器、线粒体等等，它们有的负责供应身体生理活动所需要的能量(细线粒体)，有的负责贮存细胞合成的营养物质，待需要时再输送到细胞外(如内网器)，有的则负责细胞的繁殖和分裂(如中心体)。
细胞核是细胞膜内最大的结构，也是细胞的主要构成成分。核的外面也有一层膜包裹，叫核膜，核膜内就是核质，核质包含一个或数个较致密的核仁，以及其他一些小块或小粒，称为染色质。核仁含有核糖核酸(RNA)，它是负责人体蛋白质合成的。染色质中含有去氧核糖核酸(DNA)，它含有遗传物质和信息，决定着人体的性别、遗传特征等等。
从这些结构来看，小小细胞虽然只能在显微镜下才能见得到，但它却是人体生命活动的中心，是构成人体最重要最基本的单位。
人体的最基本结构、功能单位是细胞，细胞由细胞膜、细胞质和细胞核三部分组成。人体的细胞形态多种多样，有扁平状、立方形、棱柱状、圆球形、长梭形、圆柱形和多突起的各种形态，表现出一系列的生命活动现象，即分裂、繁殖、生长、发育、衰老和死亡。
体内最大的细胞
体内最大的细胞有各种说法：（1）按细胞直径而言，要数卵细胞，其直径约200微米（1微米＝1/1000毫米）。（2）以细胞长度来说，当之为骨骼肌细胞，长的可超过4厘米。（3）而以细胞突出的长度来划分，当之无愧的是神经细胞（也称神经元）。神经元的轴突长的可达1米以上。故神经元可称之为体内最大的细胞了。它们的活动受机体神经体液因素的调节。
线粒体最多的细胞
人体内线粒体最多的细胞是肝脏的肝细胞。每一个肝细胞内约有2000个线粒体。正常线粒体寿命为一周，线粒体可以通过分裂增生。线粒体的主要化学成分为蛋白质，约占65%，其他成分为甘油脂、卵磷脂、脑磷脂和胆固醇等。线粒体内含有多种酶（蛋白质），主要作用是为细胞功能活动不断提供能量，细胞生命活动所必需的总能量中，大约有95%来自线粒体。肝细胞是体内生命活动最活跃的细胞。
溶酶体最多的细胞
溶酶体普遍存在于各种细胞中，不过数目不多，较线粒体为少得多。最多要数巨噬细胞，溶酶体内含有50多种水解酶。能够消化细胞内衰老死亡的细胞器和吞噬进入细胞内的物质。因巨噬细胞具有很强吞噬和参与免疫应答作用。故溶酶体最多。
内质网最多的细胞
浆细胞是含有内质网最多的细胞。浆细胞是由B淋巴细胞在抗原刺激下分化增生而来的，是一种不再具有增殖分化能力的终末细胞。
寿命最长的细胞
细胞是具有生命的机体结构和功能单位。人体所含细胞数量的多少，取决于个体的大小，而且细胞数量几乎每一瞬间都有变化。细胞是在不断生长繁殖之中，所以存在细胞寿命长短问题，这种长短，各类细胞差别也很大，如很多人知道的红细胞寿命大约120天，而神经细胞的数量，出生时有多少以后就有多少，不能增加，可见神经细胞的寿命最长。俗话说：“万两黄金易尽，一线江河永存”，脑细胞死一个就少一个、衰老便不由人愿了，可见“笑一笑十年少，愁一愁白了头”是有些道理的。
待续……
主要参考书籍：《细胞》C·P·斯旺森 P·L·韦伯斯特 著 科学出版社 1985/4 355页
《人体形态学》董建文 主编 人民卫生出版社 1991/8 346页
细胞的跨膜信号传递功能
不论是单细胞生物或组成多细胞有机体的每一个细胞，在它们的生命过程中，都会不断受到来自外部环境的各种理化因素的影响。在多细胞动物，由于绝大多数细胞是生活在直接浸浴它们的细胞外液、即内环境之中，因此出现在内环境中的各种化学分子，是它们最常能感受到的外来刺激：这不仅是指存在于细胞外液中的激素或其他体液性调节因子；而且就是在神经调节过程中，当神经信息由一个神经元向其他神经元传递或由神经元传给它的效应器细胞时，在绝大多数情况下，也都要通过一种或多种神经递质和调质为中介，通过这些化学分子在距离极小的突触间隙液中的扩散，才能作用到下一级神经元或效应器细胞。尽管激素和递质（或调质）等分子作为化学信号在细胞外液中播散的距离和范围有所不同，但对接受它们影响的靶细胞并不存在本质的差别。
细胞外液中的各种化学分子，并不需要自身进入它们的靶细胞后才能起作用（一些脂溶性的小分子类固醇激素和甲状腺激素例外，详见第十一章）它们大多数是选择性地同靶细胞膜上具有特异的受体性结构相结合，再通过跨膜信号传递（ transembrane signaling）或跨膜信号转换（transmembrane sognal transduction）过程，最后才间接地引起靶细胞膜的电变化或其他细胞内功能的改变。
机体和细胞也可能受到化学信号以外的其他性质的刺激，如机械的、电的和一定波长电磁波等来自外界环境的刺激的影响；但在动物进化的过程中，这些刺激信号大都由一些在结构和功能上高度分化了的特殊的感受器细胞来感受，引起相应的感受器细胞出现某种电反应。仔细分析各种感受器细胞接受它们所能感受的某种特异刺激信号的过程时发现（如耳蜗毛细胞接受声波振动和视网膜光感受细胞接受光刺激等），它们也涉及到外来刺激信号的跨膜传递，即刺激信号也要先作用于膜结构中的感受性结构，才能引起感受器细胞的电变化和随后的传入神经冲动。
不论是化学信号中的激素分子和递质（包括数十种可能起调质作用神经肽类物质）分子，以及非化学性的外界刺激信号，当它们作用于相应的靶细胞时，都是通过为数不多、作用形式也较为类似的途径来完成跨膜信号传递的；这些过程所涉及的膜蛋白质也为数不多，在生物合成上由几类特定基因家族所编码；正因为如此，由每个特定基因家族所表达生成的蛋白质分子，在肽链的氨基酸排列顺序上有较大的相同性（或同源性，homogeneity），功能上也较为类似。因此，关于跨膜信号传递的研究，早已超出了递质或激素作用机制的范畴，成为细胞生理学中一个有普遍意义的新篇章。试想，人体细胞都具有相同的遗传基因，因而一个感光细胞或一个普通体细胞，通过细胞膜上类似的蛋白质，以类似的方式接受它们所受到的外来刺激，可引起细胞本身功能的改变；而且各种不同的细胞通过少数几类膜蛋白质和几种作用方式，就能接受多种多样可能遇到的外界刺激信号的影响，显然符合“生物经济”的原则。
一、由具有特异感受结构的通道蛋白质完成的跨膜信号传递
（一）化学门控通道
对这种跨膜信号的传递方式的研究，最早是从对运动神经纤维末梢释放的乙酰胆碱（Ach）如何引起它所支配的骨骼肌细胞兴奋的研究开始的。早已知道，当神经冲动到达神经末梢处时，先是由末梢释放一定数量的Ach分子，后者再同肌细胞膜上称为终板（指有细胞膜上同神经末相对的那部分膜，其中所含膜蛋白与一般肌细胞膜不同）处的“受体”相结合，引起终板膜产生电变化，最后引起整个肌细胞的兴奋和收缩。由于神经-肌接头处的“受体”也可同烟碱相结合，因而过去在药理学分类中称它为N-型Ach受体。80年代后期，我国学者李镇源发现α-银环蛇毒同N-型受体有极高的特异性结合能力又有人发现一些电鱼的电器官中有密集的这种受体蛋白质分子存在；再依靠70年代以来蛋白质化学和分子生物学技术的迅速发展，目前不仅已将这种蛋白质分子提纯，而且基本上搞清了它的分子结构和它们在膜中的存在形式。原来它是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质（图2-7），总分子量约为290kd；每种亚单位都由一种mRNA编码，所生成的亚单位在膜结构中通过氢键等非共价键式的相互吸引，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构（图2-7，A和B），而其中的两个α-亚单位正是同两分子ACH相结合的部位，这种结合可引起通道结构的开放，其几何大小足以使终板膜外高浓度的Na+内流，同时也能使膜内高浓度的K+外流结果是使原来存在两侧的静息电位近于消失，亦即使该处膜内外电位差接近于0值，这就是终板电位，于是完成了Ach这种化学信号的跨膜传递，因为肌细胞后来出现的兴奋和收缩都是以终板电位为起因的。
图2-7 N-型Ach门控通道的分子结构示意图
A：N-型Ach门控通的5个亚单位和它们所含α-螺旋在膜中存在形式的平面示意图
B：5个亚单位相互吸引，包绕成一个通道样结构 C：在跨膜通道结构中，各
个亚单位亿含α-螺旋在通道结构中的位置
用分子生物学实验技术证明，同其他膜结合蛋白质类似，在上述4种不同的亚单位肽链中，都存在有4种主要由20-25个疏水性氨基酸形成的α-螺旋，因而推测每个亚单位的肽链都要反复贯穿膜4次（图2-7，A），而5个亚单位又各以其第2个疏水性跨膜α-螺旋构成了水相孔道的“内壁”（图2-7C）。
由上述分子水平的研究成果可以知道，原初将终板膜上完成Ach跨膜信号传递的蛋白质称作“受体”是不符合实际情况的；它们是一种通道样结构，只是在组成通道的蛋白质亚单位中有两个亚单位具有同Ach分子特异地相结合的能力，并能因此引起通道蛋白质的变构作用而使通道开放，然后靠相应离子的易化扩散而完成跨膜信号传递。因此，这种蛋白质应称为N-型（或烟碱型）Ach门控通道，属于化学门控通道或化学依从性通道中的一种。
Ach在神经-肌接头处的跨膜信号传递机制的阐明，曾一度错误地推测，其他一些神经递质也都是以类似的方式作用于下一级神经元或相应的效应器细胞的；但后来的研究表明并非如此。目前只证明了一些氨基酸递质，包括谷氨酸、门冬氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸等，主要是通过同N-型Ach门控通道结构类似的化学门控通道影响其靶细胞。
（二）电压门控通道
应用类似的技术，在80年代还陆续克隆出几种重要离子（如Na+ 、K+和Ca2+等离子）的电压门控通道，它们具有同化学门控能道类似的分子结构，但控制这类通道开放与否的因素，是这些通道所在膜两侧的跨膜电位的改变；也就是说，在这种通道的分子结构中，存在一些对跨膜电位的改变敏感的基团或亚单位，由后者诱发整个通道分子功能状态的改变。
在动物界，除了一些特殊的鱼类，一般没有专门感受外界电刺激或电场改变的器官或感受细胞，但在体内有很多细胞，如神经细胞和各种肌细胞，在它们的细胞膜中却具有多种电压门控通道蛋白质，它们可由于同一细胞相邻的膜两侧出现的电位改变而再现通道的开放，并由于随之出现的跨膜离子流而出现这些通道所在膜的特有的跨膜电位改变。例如，前述的终板膜由Ach门控通道开放而出现终板电位时，这个电位改变可使相邻的肌细胞膜中存在的电压门控式Na+通道和K+通道相继激活（即通道开放），出现肌细胞的所谓动作电位；当动作电位在神经纤维膜和肌细胞膜上传导时，也是由于一些电压门控通道被邻近已兴奋的膜的电变化所激活，结果使这些通道所在的膜也相继出现特有的电变化。由此可见，电压门控通道所起的功能，也是一种跨膜信号转换，只不过它们接受的外来刺激信号是电位变化，经过电压门控通道的开闭，再引起细胞膜出现新的电变化或其他细胞内功能变化，后者在Ca2+通道打开引起膜外Ca2+内流时甚为多见。
根据对Na+、K+、Ca2+三种离子的电压门控通道蛋白质进行的分子结构分析，发现它们一级结构中的氨基酸排列有相当大的同源性，说明它们属于同一蛋白质家族，与之有关的mRNA在进化上由同一个远祖基因演化而来。图2-8是与体内动作电位(见后)产生至关重要的Na+通道在膜内结构的模式图,它主要由一个较大的α-亚单位组成，分子量约260kd；有时还另有一个或两个小分子量的亚单位，分别称为β1和β2 。但Na+通道的主要功能看来只靠α-亚单位即可完成。这个较长的α-单位肽链中包含了4个结构类似的结构域（domain,每个结构域大致相当于上述Ach门控通道中的一个亚单位，但结构域之间由肽链相连，是一个完整的肽链，应由一个mRNA编码和合成），而每个结构域中又各有6个由疏水性氨基酸组成的跨膜α-螺旋段（图示2-8，A）；这4 个结构域及其所包含的疏水α-螺旋，在膜中包绕成一个通道样结构（图2-8，B）。现已证明，每个结构域中的第4个跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特点，即每隔两个疏水性氨基酸，就再现一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸；这些α-螺旋由于自身的带电性质，在它们所在膜的跨膜电位有改变时会产生位移，因而被认为是该通道结构中感受外来信号的特异结构，由此再诱发通道“闸门”的开放；还有实验提示，每个结构域中的第2、第3个α-螺旋构成了该通道水相孔道的“内壁”；据测算，水相孔道内径最窄处横断面积约为0.3×0.5nm差不多刚能通过一个水化的Na+(图2-8,B)。
图2-8 电压门控Na+通道的分子结构示意图
A：构成电压门控Na+通道的α-亚单中的4个结构以及每个结构域中6个
α-螺旋在膜中存在形式平面 ～P表示磷酸化位点
B：4个结构域及其α-螺旋形成通道时的相对位置
（三）机械门控通道
体内存在不少能感受机械性刺激并引致细胞功能改变的细胞。如内耳毛细胞顶部的听毛在受到切和力的作用产生弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位，这也是一种跨膜信号转换，即外来机械性信号通过某种结构内的过程，引起细胞的跨膜电位变化。据精细观察，从听毛受力而致听毛根部所在膜的变形，到该处膜出现跨膜离子移动之间，只有极短的潜伏期，因而推测可能是膜的局部变形或牵引，直接激活了附近膜中的机械门控通道。
细胞间通道还有一种通道，不是沟通胞浆和细胞外液的跨膜通道，而是允许相邻细胞之间直接进行胞浆内物质交换的通道，故称为细胞间通道。这种通道研究，是从缝隙连接超微结构观察开始的。在缝隙连接处相邻两细胞的膜仅隔开2.0nm左右，而且像是有某种物质结构把两者连接起来；将两侧细胞膜分离进行超微结构观察和分子生物学分析，发现每一侧的膜上都整齐地地排列着许多蛋白质颗粒，每个颗粒实际是由6个蛋白质亚单位（分子量各为25kd）构成的6聚体蛋白质，中间包绕一个水相孔道；构成颗粒的蛋白质和中心孔道贯穿所在膜的脂质双分子层；在两侧细胞膜靠紧形成细胞间的缝隙连接时，两侧膜上的各颗粒即通道样结构都两两对接起来，于是形成了一条条沟通两细胞胞浆的通路，而与细胞间液不相沟通。这种细胞间通道的孔洞大小，一般可允许分子量小于1.0~1.5kd或分子直径小于1.0nm的物质分子通过，这包括了电解质离子、氨基酸、葡萄糖和核苷酸等。这种缝隙连接或细胞间通道多见于肝细胞、心肌细胞、肠平滑肌细胞、晶状体细胞和一些神经细胞之间。缝隙连接不一定是细胞间的一种永久性结构；至少在体外培养的细胞之间的缝隙连接或其中包含颗粒的多少，可因不同环境因素而变化；似乎是细胞膜中经常有单方面装配好的通道颗粒存在，在两侧膜靠近并有其他调控因素存在时，就有可能实现对接，而在另一些因素存在时，两方面还可再分离。已对接的通道是否处于“开放”状态，也要受到多种因素的调控，例如当细胞内Ca2+、H+浓度增加时，可促使细胞间通道关闭。细胞间通道的存在，有利于功能相同而又密接的一组细胞之间进行离子、营养物质，甚至一些信息物质的沟通，造成它们进行同步性活动的可能性。
二、由膜的特异受体蛋白质、G-蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜信号传递系统
这是另一类型的跨膜信号传递。最初是从对激素作用机制的研究开始的。60年代在研究肾上腺素引起肝细胞中糖原分解为葡萄糖的作用机制时，发现如果使肾上腺素单独和分离出的细胞膜碎片相互作用，可以生成一种分子量小、能耐热的物质，当把这种物质同肝细胞的胞浆单独作用时，也能引起其中糖原的分解，同肾上腺素作用于完整的肝细胞时有类似的效应。实验提示，在肾上腺素正常起作用时，它只是作用于肝细胞的膜表面。通过某种发生在膜结构中的过程，先在胞浆中生成一种小分子物质，后者再实现肾上腺素分解糖原的作用。这种小分子物质不久被证明是环-磷酸腺苷（即cAMP，环磷腺苷）。以后又陆续发现，很多其他激素类物质作用于相应的靶细胞时，都是先同膜表面的特异受体相结合，再引起膜内侧胞浆中cAMP含量的增加（有时是它的减少），实现激素对细胞内功能的影响。这样就把cAMP称作第二信使，这是相对于把激素分子这类外来化学信号看作第一信使而言的。
导致cAMP产生的膜结构内部的过程颇为复杂：它至少与膜中三类特殊的蛋白质有关。第一类是能与到达膜表面的外来化学信号作特异性结合的受体蛋白质，这是一些真正可以称作受体的物质。目前已用分子生物学的方法证明，它们是一些独立的蛋白质分子；已经确定的近100种这类受体，都具有类似的分子结构，也属于同一蛋白质家族：即它们都由约300~400个氨基酸残基组成，有一个较长的细胞外N-末端，接着在肽链中出现7个由22~28个主要为疏水性氨基酸组成的α-螺旋，说明这肽链至少要反复贯穿膜7次，形成一个球形蛋白质分子，还有一段位于膜内侧的肽链C-末端。目前认为，受体分子中第7个跨膜螺旋是能够识别、即能结合某种特定外来化学信号的部位；在受体因结合了特异化学信号而激活时，将进而作用于膜中另一类蛋白质，即G-蛋白质。
G-蛋白是鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide-binding protein）的简称，也是存在于膜结构中的一类蛋白质家族，根据它们分子结构中少数氨基酸残基序列上的不同，已被区分出有数十种，但结构和功能极为相似。G-蛋白通常由α-、β-、和γ-3个亚单位组成；α-亚单位通常起催化亚单位的作用，当G-蛋白未被激活时，它结合了一分子的GDP（二磷酸鸟苷）；当G-蛋白与激活了的受体蛋白在膜中相遇时，α-亚单位与GDP分离而又与一分子的GTP（三磷酸鸟苷）结合，这时α-亚单位同其他两个亚单位分离，并对膜结构中（位置靠近膜的内侧面）的第三类称为膜的效应器酶的蛋白质起作用，后者的激活（或被抑制）可以引致胞浆中第二信使物质的生成增加（或减少）。上述肾上腺素的作用，就是先由激素激活膜上相应的受体后，通过一种称为Gs（兴奋性G-蛋白）的G-蛋白的中介，激活了作为效应器酶的腺苷酸环化酶（图2-9箭头1），使胞浆中的ATP生成了起第二信使作用的cAMP（图2-9中箭头2）。由于第二信使物质的生成经过多级催化作用，少数几个膜外化学信号分子同受体的结合，就可能在胞浆中生成数目众多的第二信使分子，这是这种类型的跨膜信号传递的重要特点之一。
图2-9 由膜受体-G-蛋白-膜效应器酶组成的跨膜信号
传递系统和第二信使类物质的生成
目前发现膜的效应器酶并不只腺苷酸环化酶一种，因而第二信使物质也不只cAMP一种，如近年来还发现，有相当数量的外界刺激信号作用于受体后，可以通过一种称为Go的G-蛋白，再激活一种称为磷脂酶C的膜效应器酶，以膜结构中称为磷脂酰肌醇的磷脂分子为间接底物，生成两种分别称为三磷酸酰肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）的第二信使，影响细胞内过程，完成跨膜信号传递。虽然如此，对应于细胞所能接受的多种刺激和与它们相对应的受体数目而言，膜内G-蛋白、效应器酶和最后生成的第二信使类物质的种类，还是相对地少得多。这说明，上述由膜中蛋白质酶促反应生成第二信使的途径，具有相当程度的“通用”性质。
由于上述这种跨膜信号传递的形式是在研究激素的作用机制时发现的，而且后来发现绝大多数肽类激素都是通过这一形式起作用的，因此曾一度错误地认为，这只是激素性化学信号跨膜信号传递方式。但近年的资料说明，事实并非如此：在神经递质类物质中，除了上述氨基酸类递质外，其余不论是小分子的经典递质还是后来发现的数量众多的神经肽类物质（目前已近50种），都主要是以在突触后细胞中产生第二信使类物质来完成跨膜信号传递的，这些第二信使物质通过在胞浆中的扩散，在膜的内侧面作用于某些特殊的离子通道（图2-9中箭头3），引起突触后膜较广泛而缓慢的电变化。最近证明，在视网膜信号转换过程中，光量子被作为受体的视色素如视紫红质（也具有7个跨膜α-螺旋的结构特点）吸收后，也是先激活称为Gt（转换蛋白）的G-蛋白，再激活作为效应器的磷酸二酯酶，使视杆细胞外段中cGMP的分解加强，最后使光刺激转变为外段膜的电变化（见第九章）。
上述两种主要的跨膜信号传递方式的作用过程，有以下几点值得注意。第一，这两种作用形式并不是绝对分离的，两者之间可以互相影响或在作用上有交叉。一些第二信使类物质可以调节某些电压门控通道和化学门控通道蛋白质的功能状态；而且被某种受体激活了的G-蛋白，有的不通过第二信使就能直接作用于膜结构中的通道结构（图2-9中的箭头5），如上述Gs激活时可以直接打开Ca2+通道。第二，对于许多外来化学信号分子，并不是一种化学信号只能作用于两种跨膜信号传递系统中的一种；以ACh为例，当它们作用于神经-肌接头处时，终板膜上有同它们作特异结合的化学门控通道；但当ACh作用于心肌或内脏平滑肌时，遇到的却是受体－G-蛋白－第二信使系统（受体称为M-型毒蕈硷型受体）。由此可见，同一种刺激信号通过何种跨膜信号传递系统起作用，关键因素在于靶细胞膜上具有何种感受结构；近年还发现，即便是M-型ACh受体，也可再区分出许多种亚型，有的亚型以cAMP为第二信使，有的以IP3和DG为第二信使。不同细胞甚或同一细胞的膜上具有对应于同一化学信号的不同受体型或其亚型，在跨膜信号传递中并不少见。近年来发现基本嗅觉刺激（大约是7种）全都是通过嗅上皮中不同的膜受体-第二信使系统起作用的，但在4种基本味觉刺激中，只有咸和酸刺激是通过细胞上相应的化学门控上通道起作用的，甜味物质是通过受体-第二信使系统起作用的，而苦味物质则因物质分子不同而分别通过通道和受体两种途径起作用。第三，跨膜信号传递的方式虽然相对地较少，但也不一定只限于上述两种。近年来有一些特殊的化学信号影响其靶细胞的方式受到广泛的重视，很可能成为跨膜信号传递的一种新类型；这就是发现胰岛素等一些肽类激素和其他与机体发育、生长、修复、增生、甚至细胞癌变有关的因子，如神经生长因子、表皮生长因子、血小板源生长因子、纤维母细胞生长因子、以及与细胞生成有关的集落刺激因子等，都是通过靶细胞表面一类称为酪氨酸激酶受体（tyrosine kinase riceptor）的蛋白质起作用的，这类受体结构简单，只有一个跨膜α-螺旋，当位于膜外侧的较长的肽链部分同特定的化学信号结合后，可以直接引起受体肽链的膜内段激活，使之具有磷酸激酶活性，通过使自身肽链和膜内蛋白质底物中的酪氨酸残基发生磷酸化，因而产生细胞内效应。这方面的新资料正在积累之中。
癌基因和跨膜信号传递近年发现与上述跨膜信号传递有关的一些蛋白质，如受体、G-蛋白、各种生长刺激因子和营养因子、以及各种蛋白激酶等，它们在细胞内的生物合成，是由人正常染色体中被称为细胞原癌基因（cellular proto-oncogene,进行表达时称细胞癌基因）的一类基因所编码和表达生成的。这些基因所以被称为原癌基因，是因为它们的硷基排列顺序同一些（近100种）能在动物引起肿瘤的病毒DNA（或称病毒癌基因，viral oncogene）的硷基排列顺序相一致。关于细胞癌基因与人类肿瘤发生的关系目前尚不清楚，但它们的正常表达产物，却是人体无时无刻不在进行着的各种跨膜信号传递过程所必需的。试设想，如果由于遗传和变异等原因使细胞不能合成结构和功能正常的G-蛋白，对人体将会有何等广泛而重要的影响！另外，在细胞原癌基因中，有一类可被胞浆中产生的第二信使等物质所激活，生成某种蛋白质；但它们在胞浆中生成后，一般又进入核内，进而诱导另一些基因进行表达。这类癌基因从激活到蛋白质生成，比一般基因表达为快，称为快速基因（或即早基因），而它们生成的蛋白质的作用则是激活另一些（可能在细胞功能活动中更重要）基因的表达，故快速基因的表达产物可称为转录调节因子或第三信使。所以称为第三信使是因为它们由第二信使类物质的作用而生成，而它们自身的作用又引起新的基因表达，生成一些可能对细胞结构和功能有较长远影响的蛋白质。这样外来信号（第一信使）不仅通过第二信使的合成在胞浆中引起一些即时反应，还可能通过第三信使引起细胞功能和结构长时间的适应性改变。
细胞的兴奋性和生物电现象
恩格斯在100多年前总结自然科学成就时指出：“地球几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象”；生物体当然也不例外。事实上，在埃及残存史前古文字中，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一般规律和本质有所认识以后，并随着电测量仪器的精密化而日趋深入。目前，对健康人和患者进行心电图、脑电图、肌电图，甚至视网膜电图、胃肠电图的检查，已经成为发现、诊断和估量疾病进程的重要手段；但人体和各器官的电现象的产生，是以细胞水平的生物电现象为基础的，并且在生理学的发展历史上，生物电现象的研究是同生物组织或细胞的另一重要特性--兴奋性--的研究相伴随进行。
一、兴奋性和刺激引起兴奋的条件
（一）兴奋性和兴奋含义及其变迁
上世纪中后期的生理学家用两栖类动物做实验时，发现青蛙或蟾蜍的某些组织在离体的情况下，也能在一定的时间内维持和表现出某些生命现象。这些生命现象的表现之一是：当这些组织受到一些外加的刺激因素（如机械的、化学的、温热的或适当的电刺激）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。这些活组织或细胞对外界刺激发生反应的能力，就是生理学最早对于兴奋性(excitability)的定义。例如，把蟾蜍的腓肠肌和支配它的神经由体内剥离出来，制成神经-肌肉标本，这时如果在神经游离端一侧轻轻地触动神经，或通以适当的电流，那么在经过一个极短的潜伏期后，可以看到肌肉出现一次快速的缩短和舒张；如把刺激直接施加于肌肉，也会引起类似的收缩反应；而且只要刺激不造成组织的损伤，上述反应可以重复出现。这就是神经和肌肉组织具有兴奋性能证明。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激发生反应的能力，只是反应的灵敏度和反应的表现形式有所不同。在各种动物组织中，一般以神经和肌细胞，以及某些腺细胞表现出较高的兴奋性；这就是说它们只需接受较小的程度的刺激，就能表现出某种形式的反应，因此称为可兴奋细胞或可兴奋组织。不同组织或细胞受刺激而发生反应时，外部可见的反应形式有可能不同，如各种肌细胞表现机械收缩，腺细胞表现分泌活动等，但所有这些变化都是由刺激引起的，因此把这些反应称之为兴奋（excitation）。人和高等动物的细胞和组织一样具有兴奋性，但在离体情况下要保持它们的兴奋性，需要严格的环境条件，因此在研究组织的兴奋性时，常用较低等动物的组织作为观察对象。
随着电生理技术的发展和资料的积累，兴奋性和兴奋的概念有了新的含义。大量事实表明，各种可兴奋细胞处于兴奋状态时，虽然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，这就是受刺激处的细胞膜两侧出现一个特殊形式的电变化（它由细胞本身所产生,不应与作为刺激使用的外加电刺激相混淆），这就是动作电位；而各种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起的。在神经细胞，特别是它的延续很长、起着信息传送作用的轴突（神经纤维），在受刺激而兴奋时并无肉眼可见的外部反应，其反应只是用灵敏的电测量仪器才能测出的动作电位。在多数可兴奋细胞（以神经和骨骼肌、心肌细胞为主），当动作电位在受刺激部位产生后，还可以沿着细胞膜向周围扩布，使整个细胞膜都产生一次类似的电变化。既然动作电位是大多数可兴奋细胞受刺激时共有的特征性表现，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因素，因此在近代生理学中，兴奋性被理解为细胞在受刺激时产生动作电位的能力，而兴奋一词就成为产生动作电位的过程或动作电位的同义语了。只有那些在受刺激时能出现动作电位的组织，才能称为可兴奋组织；只有组织产生了动作电位时，才能说组织产生了兴奋。这样的理解显然比原定义更严格些。
据此定义，可以对上述神经-肌标本的现象描述如下：当刺激作用于坐骨神经某一点时，由于神经纤维具有兴奋性而出现兴奋，即产生了动作电位，此动作电位（常称为神经冲动）沿着神经纤维传向它们所支配的骨骼肌纤维，通过神经-肌接头处的兴奋传递（即ACh参加的跨膜信号转换），再引起骨骼肌细胞兴奋而产生动作电位，以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相互作用，表现出肌肉一次快速的收缩和舒张。
（二）刺激引起兴奋的条件和阈刺激
具有兴奋性的组织和细胞，并不对任何程度的刺激都能表现兴奋或出现动作电位。刺激可以泛指细胞所处环境因素的任何改变；亦即各种能量形式的理化因素的改变，都可能对细胞构成刺激。但实验表明，刺激要引起组织细胞发生兴奋，必须在以下三个参数达到某一临界值：刺激的强度、刺激的持续时间以及刺激强度对于时间的变化率（即强度对时间的微分）；不仅如此，这三个参数对于引起某一组织和细胞的兴奋并不是一个固定值，它们存在着相互影响的关系。在实验室中，常用各种形式的电刺激作为人工刺激，用来观察和分析神经或各种肌肉组织的兴奋性，度量兴奋性在不同情况下的改变。这是因为电刺激可以方便地由各种电仪器（如电脉冲和方波发生器等）获得，它们的强度、作用时间和强度-时间变化率可以容易地控制和改变；并且在一般情况下，能够引起组织兴奋的电刺激并不造成组织损伤，因而可以重复使用。
为了说明刺激的各参数之间的相互关系，可以先将其中一个参数固定于某一数值，然后观察其余两个的相互影响。例如，当使用方波刺激时，由于不同大小和持续时间的方波上升支都以同样极快的增加速率达到某一预定的强度值，因而可以认为上述第三个参数是固定不变的，而每一方波电刺激能否引起兴奋，就只决定于它所达到的强度和持续的时间了。在神经和肌组织进行的实验表明，在强度-时间变化率保持不变的情况下，在一定的范围内，引起组织兴奋所需的最小刺激强度，与这一刺激所持续的时间呈反变的关系；这就是说，当刺激的强度较大时，它只需持续较短的时间就足以引进组织的兴奋，而当刺激的强度较弱时，这个刺激就必须持续较长的时间才能引起组织的兴奋。但这个关系只是当所用强度或时间在一定限度内改变时是如此。如果将所用的刺激强度减小到某一数值时，则这个刺激不论持续多么长也不会引起组织兴奋；与此相对应，如果刺激持续时间逐资助缩短时，最后也会达到一个临界值，即在刺激持续时间小于这个值的情况下，无论使用多么大的强度，也不能引起组织的兴奋。
上述情况给比较不同组织的兴奋性高低或测量同一组织在不同生理或病理情况下的兴奋性改变时造成了许多困难。如果不仔细思考，可以认为那些用较小的刺激强度就能兴奋的组织具有较高的兴奋性；据上述，这个强度小的程度，还要决定这个刺激的持续时间和它的强度-时间变化率。因此，简单地用刺激强度这一个参数表示不同组织兴奋性的高低或同一组织兴奋性的波动，就必须使所用刺激的持续时间和强度-时间变化率固定某一（应是中等程度的）数值；这样，才能把引起组织兴奋、即产生动作电位所需的最小刺激强度，作为衡量组织兴奋性高低的指标；这个刺激强度称为阈强度或阈刺激，简称阈值（threshold）。强度小于阈值的刺激，称为阈下刺激；阈下刺激不能引起兴奋或动作电位，但并非对组织细胞不产生任何影响。
（三）组织兴奋及其恢复过程中兴奋性的变化
体内不同组织具有不同的兴奋性；而且同一组织在不同生理和病理情况下，强环境中离子成分特别是钙离子、酸碱度、温度的改变，以及存在着特殊毒物或药物等情况，都可以引起兴奋性的改变。但一个普遍存在于各种可兴奋细胞的现象是，在细胞接受一次刺激而出现兴奋的当时和以后的一个短时间内，它们的兴奋性将经历一系列有次序的变化，然后才恢复正常。这一特性说明，在细胞或组织接受连续刺激时，有可能由于它们接受前一刺激而改变了对后来刺激的反应能力，因而是一个有重要功能意义的生理现象。
为了示证这一特性，可以让两个刺激连续作用于组织，这时让第一个刺激的强度相当于阈强度，以便使它能引起组织兴奋，并以此阈强度的值作为该组织兴奋性的“正常 ”对照值；对于第二个刺激，在实验中要能任意地选定它们和第一刺激的间隔，并且可以按需要改变它们的强度。这样，可以检查组织在因第一个刺激后的不同时间内，接受新刺激的能力是否发生了改变。实验证明，在组织接受前面一个刺激而兴奋后一个较短的时间内，无论再受到多么强大的刺激，都不能再产生兴奋；即在这一时期内出现的任何刺激均“无效”；这一段时期，称为绝对不应期。在绝对不应期之后，第二个刺激有可能引起新的兴奋，但使用的刺激强度必须大于该组织正常的阈强度；这个时期称为相对不应期。上述绝对和相对不应期的存在，反映出组织在一次兴奋后所经历的兴奋性改变的主要过程；即在绝对不应期内，由于阈强度成为无限大，故此时的兴奋性可认为下降到零；在相对不应期内，兴奋性逐渐恢复，但仍低于正常值，此时需使用超过对照阈强度的刺激强度，才能引起组织的兴奋；到相对不应期结束时，兴奋性才逐渐恢复到正常。用更精密的实验发现，在相对不应期内之后，组织还经历了一段兴奋性先是轻度增高，继而又低于正常的时期，分别称为超常期和低常期。以上各期的长短，在不同细胞可以有很大差异；一般绝对不应期较短，相当于或略短于前一刺激在该细胞引起的动作电位主要部分的持续时间，如它在神经纤维或骨骼肌只有0.5~2.0ms左右，在心肌细胞可达200~400ms；其他各期的长短变化较大，易受代谢和温度等因素的影响。在神经纤维，相对不应期约持续数毫秒，超常期和低常期可达30~50ms。
组织在每次兴奋后都要发生一系列兴奋性的改变，如果在这期间组织受到新的刺激，它的反应能力将异于“正常”。既然绝对不应期的持续时间相当于前次刺激所引起的动作电位主要部分的持续时间，那么在已有动作电位存在的时期就不可能产生新的兴奋或动作电位，亦即细胞即便受到连续的快速刺激，也不会出现两次动作电位在同一部位重合的现象；由于同样的理由，不论细胞受到频率多么高的连续刺激，它在这一细胞所能引起的兴奋或动作电位的次数，总不会超过某一个最大值；因为落于前一刺激所产生的绝对不应期内的后续刺激将“无效”，因此这个最大值理论上不可能超过该细胞和组织的绝对不应期的倒数。例如，蛙的有髓神经纤维的绝对不应期或动作电位的持续时间约为2ms，那么此纤维每秒钟内所能产生的动作电位的次数不可能超过500；实际上神经纤维在体内自然情况下所能产生和传导的神经冲动的频率，远远低于它们理论上可能达到的最大值。
二、细胞的生物电现象及其产生机制
（一）生物电现象的观察和记录方法
前已指出，神经在接受刺激时，虽然不表现肉眼可见的变化，在受刺激的部位产生了一个可传导的电变化，以一定的速度传向肌肉，这一点可以用阴极射线示波器为主的生物电测量仪器测得，如图2-10所示。图中由射线管右侧电子枪形成的电子束连续射向荧光屏，途中经过两对板状的偏转电极；当电子束由水平偏转板两极之间通过时，由于板上有来自扫描发生器装置的锯齿形电压变化，使射向荧光屏的电子束以一定的速度作水平方向的反复扫动；这时，如果把由两个测量电极引导来的生物电变化经放大器放大后加到垂直偏转板的两极，那么电子束在作横扫的同时又作垂直方向的移动。这样，根据移动电子束在荧光屏上形成的光点的轨迹，就能准确地测量出组织中的微弱电变化的强度及其随时间变化的情况。如果神经干在右端受到刺激，神经纤维将产生一个传向左端的动作电位，当它传导到同放大器相导到同放大器相连的第一个引导电极处时，该处的电位暂时变得相对地较负，于是在一对垂直偏转板上再现电位差，在荧光屏上可看到一次相应的光点波动；当动作电位传导到第二个引导电极处时，该处也将变得较负，于是荧光屏上会出现另一次方向相反的光点波动；这样记到的两次电位波动，称作双相动作电位。把神经标本作一些特殊处理，如将第二个记录电极下方的神经干损伤（如图2-10所示），使该处不能产生兴奋，那么再刺激神经右端时，在示波器上只能看到一次电位波动，这称为单相动作电位。另外，用其他技术方法还可使记录电极中的一个电极处的电位保持恒定或经常处于零电位状态，亦即使此电极成为参考或无关电极，于是在实验中记录到的电变化就只反映与另一电极（称为有效电极）接触处的组织或细胞的电变化，这称为单极记录法。
图2-10 用阴极射线 示波器及有关设备观察生物电现象的基本实验布置
（二）细胞的静息电位和动作电位
双相或单相动作电位，是在神经干或整块肌肉组织上记录到的生物电现象，是许多在结构和功能上相互独立的神经纤维或肌细胞的电变化的复合反映；由于测量电极和组织有较大的接触面积，而且组织本身又是导电的，许多细胞产生的电变化可被同一电极所引导，所以记录和测量出的电变化是许多单位的电变化和代数叠加。但目前已经确知，生物电现象是以细胞为单位产生的，是以细胞膜两侧带电离子的不均衡分布和选择性离子跨膜转运为基础的。因此，只有在单一神经或肌细胞进行生物电的记录和测量，才能对它的数值和产生机制进行直接和深入的分析。由于一般的细胞纤小脆弱，单一细胞生物电是通过以下方法测量的：一是利用某些无脊椎动物特有的巨大神经或肌细胞，如枪乌贼的神经轴突，其直径最大可达100μm左右，便于单独剥出进行实验观察，脊椎动物的单一神经纤维也可以设法剥出，但它们的直径最粗也不过20μm左右，方法上较为困难。另一种方法是进行细胞内微电极记录，即用一个金属或细玻璃管制成的充有导电液体而尖端直径只有1.0μm或更细的微型记录电极（凌宁和Gerard,1949），由于它只有尖端导电，可用它刺入某一个在体或离体的细胞或神经纤维的膜内，测量细胞在不同功能状态时膜内电位和另一位于膜外的参考电极之间的电位差（即跨膜电位），这样记录到的电变化，只与该细胞有关而几乎不受其他细胞电变化的影响。
细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式,这就是它们在安静时具有的静息电位和它们受到刺激时产生的动作电位。体内各种器官或多细胞结构所表现的多种形式的生物电现象，大都可以根据细胞水平的这些基本电现象来解释。
静息电位指细胞未受刺激时存在于细胞内外两侧的电位差。测量细胞静息电位的方法如图2-11所示。R表示测量仪器如示波器，和它相连的一对测量电极中有一个放在细胞的外表面，另一个连了微电极，准备刺入膜内。当两个电极都处于膜外时，只要细胞未受到刺激或损伤，可发现细胞外部表面各点都是等电位的；这就是说，在膜表面任意移动两个电极，一般都不能测出它们之间有电位差存在。但如果让微电极缓慢地向前推进，让它刺穿细胞膜进入膜内，那么在电极尖端刚刚进入膜内的瞬间，在记录仪器上将显示出一个突然的电位跃变，这表明细胞膜内外两侧存在着电位差。因为这一电位差是存在于安静细胞的表面膜两侧的，故称为跨膜静息电位，简称静息电位。
在所有被研究过的动植物细胞中（少数植物细胞例外），静息电位都表现为膜内较膜外为负；如规定膜外电位为0，则膜内电位大都在－10～－100mV之间。例如，枪乌贼的巨大神经轴突和蛙骨骼肌细胞的静息电位为－50～－70mV，哺乳动物的肌肉和神经细胞为－70～－90mV，人的红细胞为－10 mV，等等。静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位（一些有自律性的心肌细胞和胃肠平地滑肌细胞例外），只要细胞未受到外来刺激而且保持正常的新陈代谢，静息电位就稳定在某一相对恒定的水平。
在近代生理学文献中，一些过去单纯用来描述膜两侧电荷分布状态的术语，仍被用来说明静息电位的存在及其可能出现的改变。例如，人们常常把静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态称为膜的极化(polarization)，原意是指不同极性的电荷分别在膜两侧的积聚；当静息电位的数值向膜内负值加大的方向变化时，称作膜的超级化（hyperpolarization）；相反，如果膜内电位向负值减少的方向变化，称作去极化或除极（depolarization）；细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称作复极化（repolarization）。
现通过图2-11中的实验布置，观察单一神经纤维动作电位的产生和波形特点，由图中可见，当神经纤维在安静状况下受到一次短促的阈刺激或阈上刺激时，膜内原来存在的负电位将迅速消失，并且进而变成正电位，即膜内电位在短时间内可由原来的－70～－90mV变到+20～+40mV的水平，由原来的内负外正变为内正外负。这样，整个膜内外电位变化的幅度应是90～130mV，这构成了动作电位变化曲线的上升支；如果是计算这时膜内电位由零值变正的数值，则应在整个幅值中减去膜内电位由负上升到零的数值，在图2-11中约为35mV，即动作电位上升支中零位线以上的部分，称为超射值。但是，由刺激所引起的这种膜内外电位的倒转只是暂时的，很快就出现膜内电位的下降，由正值的减小发展到膜内出现刺激前原有的负电位状态，这构成了动作电位曲线的下降支。由此可见，动作电位实际上是膜受刺激后在原有的静息电位基础上发生的一次膜两侧电位的快速而可逆的倒转和复原；在神经纤维，它一般在0.5～2.0ms的时间内完成，这使它在描记的图形上表现为一次短促而尖锐的脉冲样变化，因而人们常把这种构成动作电位主要部分的脉冲样变化，称之为锋电位。在锋电位下降支最后恢复到静息电位水平以前，膜两侧电位还要经历一些微小而较缓慢的波动，称为后电位，一般是先有一段持续5～30 ms的负后电位，再出现一段延续更长的正后电位，如图2-11下所示（这里负后和正后电位两个术语仍沿用动作电位细胞外记录时的命名；确切地说，负后电位应称为去极化后电位，而正后电位应称为超极化后电位）。锋电位存在的时期就相当于绝对不应期，这时细胞对新的刺激不能产生新的兴奋；负后电位出现时，细胞大约正处于相对不应期和超常期，正后电位则相当于低常期。
图 2-11 单一神经纤维静息电位和动作电位的实验模式图
R表示记录仪器，S是一个电刺激器。当测量电极中的一个
微电极刺入轴突内部时可发现膜内持续处于较膜外低70mV的负电位状态。
当神经受到一次短促的外加刺激时，膜内电位快速上升到+35mV的水平，
约经0.5～1.0ms后再逐渐恢复到刺激前的状态。其他说明见正文
动作电位或锋电位的产生是细胞兴奋的标志，它只在刺激满足一定条件或在特定条件下刺激强度达到阈值时才能产生。但单一神经或肌细胞动作电位产生的一个特点是，只要刺激达到了阈强度，再增加刺激并不能使动作电位的幅度有所增大；也就是说，锋电位可能因刺激过弱而不出现，但在刺激达到阈值以后，它就始终保持它某种固有的大小和波形。此外，动作电位不是只出现在受刺激的局部，它在受刺激部位产生后，还可沿着细胞膜向周围传播，而且传播的范围和距离并不因原初刺激的强弱而有所不同，直至整个细胞的膜都依次兴奋并产生一次同样大小和形式的动作电位。图2-11的实验布置中，神经受刺激部位和记录部位之间有一段距离；但不论记录电极在职一神经纤维上如何移动（除非是在纤维末梢处有了纤维形态的改变，或纤维的离子环境等因素发生了改变），我们一般都能记录到同样大小和波形的锋电位，所不同的只是刺激伪迹和锋电位之间的间隔有所变化，这显然与动作电位在神经纤维上“传导”到记录电极所在部位时所消耗的时间长短有关。这种在同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象，称作“全或无”现象，其原因和生理意义将在下面讨论。
在不同的可兴奋细胞，动作电位虽然在基本特点上类似，但变化的幅值和持续时间可以各有不同。例如，神经和骨骼肌细胞的动作电位的持续时间以一个或几个毫秒计，而心肌细胞的动作电位则可持续数百毫秒；虽然如此，这些动作电位都表现“全或无”的性质。
（三）生物电现象的产生机制
早在1902年，Bernstein就提出膜学说，他根据当时关于电离和电化学的理论成果提出了经典的膜学说来解释当时用粗劣的电测量仪器记录到的生物电现象。他认为细胞表面膜两侧带电离子的不同分布和运动，是产生物电的基础。但在当时和以后相当长的一段时期 内，还没有测量单一细胞电活动的手段和其他有关技术，因此他的学说长期未能得到证实。直到本世纪40～50年代，Hodgkin 和Huxley等开始利用枪乌贼的巨大神经轴突和电生理学技术，进行了一系列有意义的实验，不仅对经典膜学说关于静息电位产生机制的假设予以证实，而且对动作电位的产生作了新的解释和论证。通过这一时期的研究，对于可兴奋细胞静息电位和动作电位的最一般原理已得到阐明，即细胞生物电现象的各种表现，主要是由于某些带电离子在细胞膜两侧的不均衡分布，以及膜在不同情况下对这些离子的通透性发生改变所造成的。但是由于当时对细胞膜的分子结构和膜中蛋白质的存在形式和功能还知之甚少，因此Hodgkin等对生物电的理解只能是宏观的，对微细过程只能用数学模型来说明。随着70年代以来蛋白质化学和分子生物学技术的迅速发展，蛋白质分子从膜结构中克隆出来，并从它们的分子结构的特点来说明通道的功能特性；特别是70年代中期发展起来的膜片钳（patch clamp）技术，可以观察和记录单个离子通道的功能活动，使宏观的所谓膜对离子通透性或膜电导的改变，得到了物质的、可测算的证明。
1.静息电位和K+平衡电位Bernstein最先提出，细胞内外钾离子的不均衡分布和安静状态下细胞膜主要对K+ 有通透性，可能是使细胞能保持内负外正的极化状态的基础。已知所有正常生物细胞细胞内的K+浓度超过细胞外K+很多，而细胞外Na+浓度超过细胞内Na+浓度很多，这是Na+泵活动的结果；在这种情况下，K+必然会有一个向膜外扩散的趋势，而Na+有一个向膜内扩散 趋势。假定膜在安静状态下只对K+有通透的可能，那么只能有K+移出膜外，这时又由于膜内带负电荷的蛋白质大分子不能随之移出细胞，于是随着K+移出，出现膜内变负而膜外变得较正的状态。K+的这种外向扩散并不能无限制地进行，这是因为移到膜外的K+所造成的外正内负的电场力，将对K+的继续外移起阻碍作用，而且K+移出的愈多，这种阻碍也会愈大。因此设想，当促使K+外移的膜两侧K+浓度势能差同已移出K+造成的阻碍K+外移的电势能差相等，亦即膜两侧的电-化学（浓度）势代数和为零时，将不会再有K+的跨膜净移动，而由已移出的K+形成的膜内外电位差，也稳定在某一不再增大的数值。这一稳定的电位差在类似的人工膜物理模型中称为K+平衡电位。Bernstein用这一原理说明细胞跨膜静息电位的产生机制。不难理解，K+平衡电位所能达到的数值，是由膜两侧原初存在K+浓度差的大小决定的，它的精确数值可根据物理化学上著名的Nernst公式（1889）算出：
(1)式中Ek表示K+平衡电位，R是通用气体常数，Z是离子价，F是Farady常数，T是绝对温度；式中只有[K+]o和[K+]i是变数，分别代表膜两侧的K+浓度。如果把有关数值代入，室温以27°С计算，再把自然对数化为常用对数，则式（1）可简化为；(2)
如果，Bernstein应用当时物理化学最新成果说明细胞静息电位产生机制的理论是正确的，那么在细胞实际测得的静息电位的数值，应相当于把当时细胞内外K+浓度值代入式（2）时计算所得的Ek值。1939年Hodgkin等利用了枪乌贼的巨大神经纤维和较精密的示波器等测量仪器，第一次精确地测出此标本的静息电位值，结果发现此值和计算所得的K+平衡电位值非常接近而略小于后者；如在一次实验中测得的静息电位值为－77mV，而按当时[K+] o和[K+]i值算出的Ek为－87mV，基本上符合膜学说关于静息电位产生机制的解释。
为了进一步证实这一理论，Hodgkin等又用人工地改变标本浸溶液中K+浓度即[K+] o，因而也改变了[K+] o/[K+] i值的实验方法，观察到所记录的静息电位的什也随[K+] o的改变而改变，而改变的情况基本上同根据式（2）计算出的预期值相一致。随后用微电极细胞内记录法在纤细的哺乳类标本也进行了类似的实验，得到类似的结果，如在骨骼肌细胞测得的静息电位为－90mV，而计算所得的Ek值为－95mV。这些实验都说明，大多数细胞的静息电位的产生，是由于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何略小于理论上的Ek值，一般认为 是由于膜在静息时对Na+也有极小的通透性（大约只有K+通透性的1/50～1/100）的缘故；由于膜外Na+浓度大于膜内，即使小量的Na+逸入膜内也会抵消一部分K+外移造成的膜内负电位。
2．锋电位和Na+平衡电位 Hodgkin等根据兴奋时膜内不仅出现负电位的消失，而且出现一定数值的正电位（相当于前面提到的超射值）的事实，因而认为对动作电位上升支的出现，不能像Bernstein那样简单地解释为膜对K+通透性的消失，因为这样最多也只能使膜内原有的负电位回升到零。他们据此设想膜在受到刺激时可能出现了膜对Na+通透性的突然增大，超过了K+的通透性，由于细胞外高Na+，而且膜内静息时原已维持着的负电位也对Na+的内流起吸引作用，于是Na+迅速内流，结果先是造成膜内负电位的迅速消失；而且由于膜外Na+的较高的浓度势能，Na+在膜内负电位减小到零电位时仍可继续内移，直至内移的Na+在膜内形成 的正电位足以阻止Na+的净移入时为止。不难设想，这时膜内所具有的电位值，理论上应相当于根据膜内外Na+浓度差代入Nernst公式时所得出的Na+平衡电位值（可写为ENa）。实验数据证明，动作电位所能达到的超射值，即膜内正电位的数值，正相当于计算所得的ENa；而且实验中随着标本浸溶液中Na+被同等数目的葡萄糖分子所代替（使[Na+]o逐渐减小），可以看到所能记录到的动作电位的超射值和整个动作电位的幅度也逐渐减小，其程度也同按Nernst公式算出的预期值基本一致。
但是，膜内电位停留在ENa水平的时间极短；随后很快出现膜内电位向静息时的状态恢复，亦即出现复极，造成了锋电位曲线的快速下降支。如后来的实验证明，这下降支的出现是由于Na+通透性的消失，并伴随出现了K+通透性的增大。
细胞每兴奋一次或产生一次动作电位，总有一部分Na+在去极化时进入膜内，一部分K+在复极时逸出膜外，但由于离子移动受到各该离子的平衡电位的限制，它们的实际进出量是很小的；据估计，神经纤维每兴奋一次，进入膜内的Na+量大约只能使膜内的Na+浓度增大约八万分之一，复极时逸出的K+量也类似这个数量级；即便神经连续多次产生兴奋，短时间内也不大可能明显地改变膜内高K+和膜外高Na+这种基本状态，而只要这种不均衡离子分布还能维持，静息电位就可以维持，新的兴奋就可能产生。细胞膜两侧K+、Na+离子的不均衡分布，主要是靠钠泵蛋白质消耗代谢能建立起来的，而由此形成的势能贮备却可供细胞多次产生兴奋而不需当时耗氧供能。不过实际上钠泵的活动又受膜内外Na+、K+浓度的调控，它对膜内Na+浓度增加十分敏感，Na+的轻微增加就能促使钠泵的活动，因此在每次兴奋后的静息期内，都有钠泵活动的一定程度的增强，将兴奋时多进入膜内的Na+泵出，同时也将复极时逸出膜外的K+泵入，使兴奋前原有的离子分布状态得以恢复。这时由于两种离子的转运同时进行，出入的离子总数又近于相等，故一般不伴有膜两侧电位的明显改变。但在膜内Na+蓄积过多而使钠泵的活动过度增强时，上述的定比关系可以改变，结果是泵出的Na+量有可能明显超过泵入的K+量，这就可能使膜内负电荷相对增多，使膜两侧电位向超极化的方向变化；这时的钠泵，就称为生电性钠泵。有人认为，锋电位以后出现的正后电位，是由于生电性钠泵作用的结果。至于负后电位，则一般认为是在复极时迅速外流的K+蓄积在膜外侧附近，因而暂时阻碍了K+外流的结果。
3.经典的电压钳（或电压固定）实验 从上述可知，Hodgkin等对于动作电位产生机制的说明，关键在于膜受刺激时对Na+、K+的通透性发生了有选择而时间亦有先后的改变，但这只是根据所测得的膜内外电位改变对照Nernst公式进行的推论，实验并没有对膜的通透性进行直接的测量和动态描述。为此，他们又应有当时最先进的电子学技术，设计和进行了著名的电压钳（voltage clamp）实验。实验的设计根据是：离子作跨膜移动时形成了跨膜离子电流（I），而通透性亦即离子通过膜的难易程度，就是膜的电阻（R）或其倒数电导（G），因此所谓膜对某种离子通透性增大时，实际是膜对该离子的电导加大；对于带电离子来说，膜电导就是膜通透性的同义语。根据欧姆定律，I=VG，可知在膜两侧电位差（V）固定不变的条件下，测出的跨膜电流I的变化，就可作为膜电导变化的度量。测定膜在受刺激时跨膜电流的改变在技术上是容易的，但在这过程中要保持膜电位固定不变却不容易；因为当存在跨膜离子电流时，离子的进出膜会使不导电而有电容（C）特性的脂质膜充电或放电，因而根据V=Q/C的关系（其中Q为电量，相当于I和时间t的乘积），跨膜离子的移动必然要引起跨膜电位的改变；实际上记录到的动作电位就是这种改变。正因为如此，Hodgkin等自行设计了一种应用负反馈原理的电子学装置，使它们能在跨膜电位维持恒定（恒定的数值可由实验者通过实验装置预先设定）的情况下，测量跨膜离子电流的强度改变，并由此计算出膜电导即膜通透性的变化情况。电压钳实验的基本原理模式图如图2-12所示。图中电极1插入巨大神经轴突内一定距离，用来测量和监察这一段轴突膜内的电位，此电极先连到一个电压放大器，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分，它可把测得的膜内电位同来自一个电压源的、由实验者预先设定的要求保持恒定的电位值进行比较，如果二者有差值，FBA就会通过电极2向轴突膜内输出相应强度和方向的电流，由于仪器线路的精密设计和快速反应，电极2输出电流的改变正足以补偿标本由于跨膜离子电流使膜充放电而引起的跨膜电位的变动，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流的变化，就反映了膜电导的变化。
图 2-12 电压钳实验布置模式图
电压固定实验获得了许多有意义的结论。首先一点是，只有设定的膜内电位固定在去极化水平时，才有可能出现膜的Na+电导（GNa)和K+电导（Gk）的增大，并且设定电位愈接近零值，电导的增大也愈明显；相反，如果设定的膜内电位值是超极化的，则不可能引起跨膜离子电流和膜电导的改变，这一点以后还要谈到。以图2-13的记录曲线为例，分析不同离子的电导在一次兴奋过程中的变化情况。图中最上方曲线表示在一次电压钳实验中，把膜内电位由静息时的－65mV突然固定（这就是（clamp）的意思）在－9mV，结果很快引起一次如曲线A的跨膜电流变化曲线，这曲线的开始部分是内向的，以后逐渐转变为外向电流。只记录到内向或外向电流还不能说明电荷的携带者是何种离子，根据过去的实验者有理由认为，先出现的内向电流可能是Na+电流（INa），外向电流则可能是K+电流（Ik）。用附加的实验观察证明了这点：假定把标本浸浴液中的 NaCI用相同摩尔数的氯化胆碱来代替，则在同样的条件下只能记录到较晚出现的曲线B，它是外向的，这显然是因为不能出现内向的INa的结果；把曲线A和B逐点相减，就能得到曲线C，它就是内向的INa；由INa、Ik两条曲线，就可算出GNa和Gk的变化曲线，其特点是：（1）GNa和Gk都是电压依从性的，只能由跨膜电位的去极化所激活，但GNa被激活得早，是动作电位上升支出现的基础，而Gk激活出现缓慢，是动作电位复极到静息电位水平的基础；（2）GNa有失活（inactivation）状态而Gk没有此特性，其证明是图2-13中曲线C只存在1～2ms，以后跨膜电压虽仍固定在－9mV的水平，但GNa早已恢复到原初水平，而代表Gk的曲线B虽然出现较晚，但它在设定电位持续期间一直维持在较同的水平。GNa失活的出现和Gk的激活是造成神经纤维和骨骼肌细胞表现短促的锋电位的原因；在膜复极以后GNa的失活状态才能消失，这时GNa才能因膜的去极化而再出现增大。
图2-13电压钳实验结果示意图
将巨大神经纤维的膜电位由原来的-65mv突然上升并固定于-9mv的水平时，
膜的离子电流的变化情况（曲线A、B、C的意义见正文）
根据图2-13中INa和Ik两条电流曲线，即可计算出同这两者相对应的GNa和Gk曲线，再根据这一段膜所具有的电容的数值（有人测得每cm2的枪乌贼轴突膜的电容约为1μF），就可算出如果“允许”每一瞬间的离子移动在电容上形成电位改变时，有可能造成怎样的跨膜电位的改变，这正是不进行“电压固定”时的情况，而由此作出的电位变化曲线正好同在一般实验中记录到的动作电位的波形特点一致，如图2-14所示。这进一步说明了电压钳实验证明动作电位产生机制的正确性。
4．膜片钳实验和单通道离子电流的记录 通过上节关于电压门控通道的特性分析已知，所谓膜对某种离子通透性的改变，实际上决定于膜结构中有关离子通道蛋白质分子的功能状态；例如，Hodgkin等测出的GNa的变化，实际是那一段轴突膜上众多的电压门控式Na+通道因膜的去极化而开放的结果。在Hodgkin等当时进行的膜电导改变的数学模拟中，已经明确提示，GNa和Gk的改变不是均匀地发生在整个膜平面上，而是与膜上某些特定的“点”有关，不久又发现，有些药物可以选择性地阻断某种离子的跨膜移动，如河豚毒可以单独阻断GNa而不影响Gk，四乙基铵可以单独阻断Gk而不影响GNa；以同位素标记的河豚毒只能与膜上某些特殊的“点”作特异性结合，而标记的四乙基铵只能与另一些“点”结合。这些实验以及兴奋过程中离子移动数目之多与快，逐渐使人们推断膜结构中有特殊的蛋白质离子通道的存在。这说明，“通道”概念的提出，远在通道的实质被阐明以前，是前者促进了对后者的进一步探索。70年代中期由Neher和Sakmann等发展出一种能够记录膜结构中单一的离子通道蛋白质分子的开放和关闭、亦即测量单通道离子电流和电导的技术，称为膜片钳实验。
图 2-14 电导变化与电位变化的关系示意图
根据电压钳实验中测得的Na+电导（GNa）和K+电导（Gk）的变化过程，
可以算出在膜电位不进行人为固定时，相应的Na+、K+离子电流在膜电容
上引起的电位变化（实线），其形状正同在标本上记录到的动作电位的波形一致
膜片钳实验的基本原理如图2-15A所示：用一个尖端光洁、直径约0.5～3μm的玻璃微电极同神经或肌细胞的膜接触而不刺入，然后在微电极另一端开口施加适当的负压，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，在理想的情况下其电阻可达数个或数十千兆欧（其物理过程目前尚不清楚），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；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，那么通过此微电极就可能测量出单一通道开放时的离子电流和电导，并能对单通道的其他功能特性进行分析。
图2-15 膜片钳实验布置示意图
A：图中Ip为记录到的单通道电流，VCMD决定设定的膜电位数值
B：在大鼠胚胎骨骼肌细胞膜片上记录到的由ACH激活的单通道
离子电流，强度为pA（皮安）级
从Neher等最初用膜片钳技术观察骨骼肌终板膜处的单一ACh-门控通道机能特性开始，已经对多种通道进行了观察，发现它们一般有如下共同特性：（1）不论是化学门控或电压门控通道，它们的开放和关闭都是突然的，使描绘出的电流曲线呈方波状，说明相应的蛋白质分子可以从一种构象快速地跃变到另一种构象；（2）每种通道开放时具有恒定的电导，即在恒定的情况下，只能看到“开”或“关”两种状态，很少看到“半开”或“部分开”的情况；（3）即使是同一通道分子，每次开放的持续时间长短也不一致，似乎说明蛋白质分子可在开放和关闭两种构象之间“摆动”，停留在某种状态的长短具有随机的性质；（4）在化学门控通道结合了相应的化学信号分子，或电压门控通道所在膜两侧处于特定的电位差的情况下，“摆动”的次数增多，开放的机率增大，而“失活”使开放的机率减小。
用单通道记录可说明在自然情况下整段膜的离子电导和离子电流的形成机制；以上述GNa增大为例，它显然是该段膜中众多的Na+通道在去极化的影响下出现开放的机率增加所决定的，而在每一瞬间同时出现的各通道的电导或离子电流相互叠加，于是如图2-16B所示，这种叠加形成的Na+电流曲线，正好和图2-13中的曲线C相似。
膜片钳实验可用于各种细胞，由于微电极不刺入细胞，即使用于纤小的细胞也不致造成损伤。膜片钳实验已有各种变式，如吸着在微电极尖端的小膜片可以随电极而同原细胞脱离，把它们浸入人工浸浴液中，就可以观察某些因素在膜的胞浆侧怎样影响通道功能；也可以形成膜的胞浆侧面向微电极尖端开口而膜表面侧面向浸浴液的实验模式，等等。膜片钳实验也已用于细胞生物电以外的功能研究，如细胞的分泌过程等。
图2-16 电压门控Na+通道的膜片钳记录A：
随着静息电位（Em）由－110mV突然固定到－50mV，
在3次膜片钳实验记录到的离子电流 B：将144次膜片钳记录
到的离子电流曲线进行平均叠加，得到一条类似图
2-13中曲线C的Na+电流曲线，说明后者是多数Na+通道激活的结果
三、兴奋的引起和兴奋的传导机制
（一）阈电位和锋电位的引起
膜内负电位必须去极化到某一临界值时，才能在整段膜引发一次动作电位，这个临界值大约比正常静息电位的绝对值小10～20mV，称为阈电位。例如，巨大神经轴突的静息电位为－70mV，它的阈电位约为－55mV。这不是由于小于阈电位的去极化不引起GNa的增加，实际情况是这时也有一定数目的Na+通道开放，但由于膜对K+的通透性仍大于Na+，因而少量的Na+内流及其对膜内电位的影响随即被K+的外流所抵消，因而去极化不能继续发展下去，不能形成动作电位。只有当外来刺激引起的去极化达到阈电位水平时，由于较多量Na+通道的开放造成了膜内电位较大的去极化，而此去极化已不再能被K+外流所抵消，因而能进一步加大膜中Na+通道开放的机率，结果又使更多Na+内流增加而造成膜内进一步的去极化，如此反复促进，就形成一种正反馈的过程，称为再生性循环，其结果使膜内去极化迅速发展，形成动作电位陡峭的升支，直至膜内电位上升到近于Na+平衡电位的水平。由此可见，阈电位不是单一通道的属性，而是在一段膜上能使Na+通道开放的数目足以引起上面描述的再生性循环出现的膜内去极化的临界水平。由此也不难理解，只要刺激大于能引起再生性循环的水平，膜内去极化速度就不再决定于原刺激的大小；整个动作电位上升支的幅度也只决定于原来静息电位的值和膜内外的Na+浓度差，而与引起此次动作电位的刺激大小无关。此即动作电位所以能表现“全或无”现象的机制。
阈电位是用膜本身去极化的临界值来描述动作电位的产生条件。所谓阈强度，是作用于标本时能使膜的静息电位去极化到阈电位的外加刺激的强度；这就是阈强度和阈电位在概念上的区别。
（二）局部兴奋及其特性
一个阈下刺激会对可兴奋细胞产生何种影响？可通过图2-17中的实验回答。在巨大神经轴突放置一对刺激电极，但其中一个电极穿入膜内，再在附近放置一个作膜内电反应记录的记录电极。假定先把膜内的刺激电极连到电源正极，那么电路接通时将会产生去极化；如果这个去极化未能达到阈电位，则说明所用电刺激强度属于阈下刺激。但如前所述，阈下刺激虽未能膜电位达到阈电位的去极化，也能引起该段膜中所含Na+通道的少量开放，只是开放的机率少，于是少量内流的Na+和电刺激造成的去极化叠加起来，在受刺激的膜局部出现一个较小的膜的去极化反应，称为局部反应或局部兴奋，局部兴奋由于强度较弱，且很快被外流的K+所抵消，因而不能引起再生性循环而发展成真正的兴奋或动作电位。图2-17B就记录了一组这样的实验曲线，说明在阈下刺激的范围内，刺激强度愈强，引起的膜的去极化即局部兴奋的幅度愈大（由表示静息电位水平的线段上方的各条曲线表示），延续的时间也愈长；只有当局部兴奋的幅度大到足以引发再生性循环的水平时，膜的去极化的速度才突然加大，这样局部兴奋就发展成为动作电位。
局部兴奋有以下几个基本特性：（1）不是“全或无”的，而是随着阈下刺激的增大而增大；（2）不能在膜上作远距离的传播，虽然由于膜本身有电阻特性且膜内外都是电解质溶液，发生在膜的某一点的局部兴奋，可以使邻近的膜也产生类似的去极化，但随距离加大而迅速减小以至消失，这个局部兴奋所波及的范围在一般神经细胞膜上不超过数十乃至数百微米，但有的细胞本身也不很大，如神经元细胞体，局部兴奋的这种电紧张性扩布(eletrotonic propagation)还是有重要生理意义的；（3）局部兴奋是可以互相叠加的，也就是说，当一处产生的局部兴奋由于电紧张性扩布致使邻近处的膜也出现程度较小的去极化，而该处又因另一刺激也产生了局部兴奋，虽然两者（当然不一定限于两者）单独出现时都不足以引发一次动作电位，但如果遇到一起时可以叠加起来，以致有可能达到阈电位而引发一次动作电位。称为兴奋的空间性总和；局部兴奋的叠加也可以发生在连续受数个阈下刺激的膜的某一点，亦即当前面刺激引起的局部兴奋尚未消失时，与后面刺激引起的局部兴奋发生叠加，称为时间性总和。总和现象在神经元细胞的功能活动中十分重要和常见。另外，由图示2-17B中还可看到，当刺入膜内的刺激电极和电源负极相连时，通电时只能引起膜的超级化（图中水平线下方的那组曲线）；刺激愈强，超极化程度愈大，但不引起Na+通道开放，更不能引发锋电位。事实上，这时由于膜内电位和阈电位之间差值加大，因而该处膜变得更不容易兴奋了。体内某些感受器细胞、部分腺细胞和平滑肌细胞，以及神经细胞体上的突触后膜和骨骼肌细胞的终板膜，它们在受刺激时不产生“全或无”形式的动作电位，而只出现原有静息电位的微弱而缓慢的变动，分别称为感受器电位、慢电位、突触后电位和终板电位。这些电位也具有类似局部兴奋的特性。这些形式的电变化，实际是使另一细胞或同一细胞的其他部分的膜产生“全或无”式动作电位上的过渡性电变化。
图2-17 局部兴奋的实验布置（A）和实验结果（B）示意图说明见正文
（三）兴奋在同一细胞上的传导机制
可兴奋细胞的特征之一是它任何一处的膜产生的动作电位，都可沿着细胞膜向周围传播，使整个细胞的膜都经历一次类似于被刺激部位的离子电导的改变，表现为动作电位沿整个细胞膜的传导。传导的机制实际已包含在兴奋膜的上述特性之中。设想一条枪乌贼的无髓神经纤维的某一小段，因受到足够强的外加刺激而出现了动作电位（图2-18，B左端），即该处出现了膜两侧电位的暂时性倒转，由静息时的内负外正变为内正外负，但和该段神经相邻接的神经段仍处于安静时的极化状态；由于膜两侧的溶液都是导电的，于是在已兴奋的神经段和与它相邻的未兴奋的神经段之间，将由于电位差的存在而有电荷移动，称为局部电流。它的运动方向是：膜外有正电荷由未兴奋段移向已兴奋段，膜内有正电荷由已兴奋段移向未兴奋段。这样流动的结果，是造成未兴奋段膜内电位升高而膜外电位降低，亦即引起该处膜的去极化；这一过程开始时，就相当于电紧张性扩布。根据上述关于兴奋产生的机制的分析，当任何原因使膜的去极化达到阈电位的水平时，都会大量激活该处的Na+通道而导致动作电位的出现。因此，当局部电流的出现使邻接的未兴奋的膜去极化到阈电位时，也会使该段出现它自己的动作电位。所谓动作电位的传导，实际是已兴奋的膜部分通过局部电流“刺激”了未兴奋的膜部分，使之出现动作电位；这样的过程在膜表面连续进行下去，就表现为兴奋在整个细胞的传导。由于锋电位产生期间电位变化的幅度和陡度相当大，因此在单一细胞局部电流的强度超过了引起邻近膜兴奋所必需的阈强度数倍以上，因而以局部电流为基础的传导过程是相当“安全”的，亦即一般不易因某处动作电位不足以使邻接的膜产生兴奋而导致传导“阻滞”，这一点与一般化学性突触处的兴奋传递有明显的差别。
图2-18 神经纤维传导机制的模式图 弯箭头表示膜内外
局部电流的流动方向，下方直箭头表示冲动传导方向。
A：静息时 B：发生兴奋后 C：传导过程中
兴奋传导机制虽然以无髓神经纤维为例，但在其他可兴奋细胞（如骨骼肌细胞）的兴奋传导，基本上遵循同样的机制。有髓神经纤维在轴突外面包有一层相当厚的髓鞘，髓鞘主要成分的脂质是不导电或不允许带电离子通过的，因此只有在髓鞘暂时中断的朗飞结处，轴突膜才能和细胞外液接触，使跨膜离子移动得以进行。因此，当有髓纤维受到外加刺激时，动作电位只能在邻近刺激点的朗飞结处产生，而局部电流也只能发生在相邻的朗飞结之间，其外电路要通过髓鞘外面的组织间液，因此，动作电位表现为跨过每一段髓鞘而在相邻朗飞结处相继出现，这称为兴奋的跳跃式传导。
跳跃式传导时的兴奋传导速度，显然比上述无髓纤维或一般细胞的传导速度快得多；而且由于跳跃式传导时，单位长度内每传导一次兴奋所涉及的跨膜离子运动的总数要少得多，因此它还是一种“节能”的传导方式。看来，神经髓鞘的出现是进化过程中既能增加神经纤维传导速度、又能减少生物能量消耗的一种方式。无脊椎动物没有有髓神经纤维，而无髓纤维增加增加传导速度的一个可能途径是增大轴突的直径，因为这样可以减少膜内液体的电阻而增加局部电流的强度，使动作电位的传导速度加快；这大概就是需要进行快速神经反应的枪乌贼在进化中出现巨大的无髓神经纤维的道理所在。但徐科（1993）等人指出，某些无脊椎动物的神经纤维也可以一种特殊的方式进行跳跃式传导。
如果一条神经纤维在它的中间部受到刺激，将会有动作电位由中间向纤维两端传送，这是由于局部电流可以出现在原兴奋段两侧之故。由此可以理解，兴奋在同一细胞上的传导，并不限于朝向某一方向；体内神经纤维所以有传入和传出之分，只是由于在整体的自然条件下，传入纤维只能在它们和感受器相连接的外周端被刺激，而传出纤维只能在它们的细胞体产生冲动而传向外周，并非是由于这些纤维本身只能单方向传导兴奋的缘故。以动作电位为兴奋出现的指标，可以测定兴奋在各种细胞的传导速度。例如，人体一些较粗的有髓神经纤维的传导速度，最快可达每秒100m以上，而一些细胞的无髓纤维每秒传导距离还不到1m；构成心脏内部传导系统的浦肯野细胞，每秒传导速度约4～5m，是心肌细胞中传导速度最快的。
肌细胞的收缩功能
人体各种形式的运动，主要是靠一些肌细胞的收缩活动来完成的。例如，躯体的各种运动和呼吸动作由骨骼肌的收缩来完成；心脏的射血活动由心肌的收缩来完成；一些中空器官如胃肠、膀胱、子宫、血管等器官的运动，则由平滑肌的收缩来完成。不同肌肉组织在功能和结构上各有特点，但从分子水平来看，各种收缩活动都与细胞内所含的收缩蛋白质，主要与肌凝蛋白和肌纤蛋白的相互作用有关；收缩和舒张过程的控制，也有某些相似之处。本节以研究最充分的骨骼肌为重点，说明肌细胞的收缩机制。