余曉輝 ：生物電理論的新詮釋

1、傳統生物電理論回顧

大多數細胞未受刺激時在細胞膜內外兩側存在電位差，即膜內為負電位，膜外為正電位。這種電位差是由于細胞膜兩側的鈉離子和鉀離子分布不均勻造成的。

傳統看法認為Na+－K+泵每分解一個分子ATP，可以移出三個鈉離子，而移進兩個鉀離子，并認為，Na+－K+泵是鑲嵌在細胞膜上的一種特殊蛋白質，具有ATP酶的活性，可以分解獲得能量。又認為人體細胞中還存在其它離子泵，如鈣泵（鈣離子－鎂離子依賴式ATP酶），碘泵等。

在上圖中，去極化（０期），心肌細胞受刺激后，靜息電位到達閾電位時，迅速激活鈉通道，使其開放，造成大量鈉離子內流，動作電位迅速升高，鈉通道又迅速失活關閉；快速復極化初期（１期），鈉離子內流停止，氯離子通透性升高，氯離子內流，氯離子通道通透性也迅速下降；緩慢復極化期（２期），鈣離子緩慢內流，與此同時，少量鉀離子外流，鈣離子通道的激活和失活過程均緩慢，故稱慢通道；快速復極化末期（３期），鉀離子外流；靜息期（４期），此期離子轉運活躍，即把動作電位形成期間流入膜內的鈉離子，氯離子，鈣離子排出，又把外流的鉀離子攝回，這一過程通過心肌細胞膜上的Na+－K+泵的作用完成的，需要消耗ATP的生理過程。（本小節內容摘自人體生理學編寫組：人體生理學．第一版．高等教育出版社，1986）

傳統理論的缺陷

顯然，細胞膜內外的各種離子分布以及與動作電位和靜息電位的關聯影響是已經認識到的事實。但是存在的許多問題沒有很好解決，主要有以下幾點：

1) 不能完全解釋靜息電位形成的根本原因，不能解釋Na+－K+泵的具體即時控制機制。

2) 不能解釋動作電位的根本成因。不能解釋動作電位期間離子流向成因。

3) 不能解釋動作電位和細胞內主要事件的關系。

4) 不能解釋一些復雜現象。譬如，刺激交感神經，可以引起無孕子宮的平滑肌舒張，而對有孕子宮則引起收縮；刺激迷走神經，可以使處在緊張狀態的幽門括約肌放松，但對處于舒張狀態的幽門括約肌，可以使其收縮。

5) 不能解釋其它物質，如激素，神經遞質等對膜電位的影響的具體機制。

6) 不能以此指導相關藥物的開發和使用。

總之，傳統生物電理論并未能完全很好指導人類實踐，因而至少不是個好的完善理論。

2、生物電理論的新詮釋：生物電和細胞內化學反應關聯

我們已經知道，靜息電位狀態下，細胞膜內外的鈉離子和鉀離子分布差異很大，由此可以推論：

ａ、細胞膜內外必定存在著某種性質差異。即對于細胞膜而言，這種性質差異是不對稱的。

但是我們又觀察到動作電位上升時，鈉離子會內流，而鉀離子會外流，因此也可以推論：

ｂ、細胞膜內外存在的這種差異是可以迅速反轉的。 

鈉離子和鉀離子的這種不對稱分布，本質上是一種離子交換效應。離子交換效應在某些領域被廣泛應用，如海水淡化，物質精制，硬水軟化，廢水離子分離等。利用離子交換樹脂（或膜）對不同離子的吸附能力不同，交換液體中的離子。這種交換效應是可逆的。因此可以推測，細胞內外存在某種離子交換機制。那么有沒有可能是細胞膜上存在這樣的機制？細胞膜是否存在不對稱性而導致了離子交換效應的產生？由上面的推論ｂ看，不可能是細胞膜的不對稱性所致，因為細胞膜的性質不可能迅速反轉。因而只能是細胞膜內外存在的某種性質差異產生了離子交換效應。并且這種交換離子效應應該和細胞內主要事件有關聯，能發生離子交換效應的物質必定具有廣泛性。鈉離子和鉀離子的性質差異很小，如果有什么物質能對這兩種離子產生廣泛的作用，應該首推是水。而水分又是細胞內氧化代謝的重要產物。因此推論：

細胞膜內外水的濃度差異導致了鈉離子、鉀離子以及其它離子的分布差異。各種形式的離子分布差異都是水濃度不均衡所致。

水對各種離子的作用力是不同的，水對鈉離子、鈣離子的作用力強，而對鉀離子的作用力相對要弱。由于滿足：細胞內壓強 + 細胞外滲透壓 ﹥ 細胞外壓強 + 細胞內滲透壓　 

細胞內壓強﹥細胞外壓強

所以對于多數正常靜息狀態下的細胞，存在膜內指向膜外的流體動力，膜外的水分濃度總是大于膜內的（細胞內壓強 + 細胞外滲透壓 ﹥ 細胞外壓強 + 細胞內滲透壓）。 因此在滿足細胞內外電荷基本平衡的條件下，細胞膜外的水分吸引作用力比較強的鈉離子，而較多的鉀離子由于鈉離子的排斥作用滯留在細胞內部不能移動的陰離子區域，從而產生離子交換效應。這是靜息電位產生的根本原因。這樣的結果顯然使細胞膜外電位為正，而細胞膜內電位為負。

但是膜外的水的濃度并不是總是大于膜內的。當細胞內化學反應振蕩發生時，細胞內大量生成水分。此時細胞膜內水分生成劇增，從而導致

細胞外滲透壓 ﹥ 細胞內滲透壓　

但這時依然滿足：細胞內壓強﹥細胞外壓強

仍然以圖６－１所示作說明。心肌細胞受刺激后，靜息電位到達閾電位時，膜內水分生成迅速增加，膜內水分的濃度大于膜外的（0期）；所以鈉離子在膜內水分吸引作用下快速流入細胞內，隨后帶動氯離子流入（1期）；鈣離子也在水分作用下流入細胞膜內，而鉀離子在細胞膜內鈉離子和鈣離子的電場力作用下開始外流，離子交換效應產生（只有細胞外也存在不能移動的陰離子時，才能產生這樣的離子交換效應）（2期）；當鈉離子和氯離子以及鈣離子等流入趨于飽和時，鉀離子外流增多產生顯著的離子交換效應（3期）；與此同時，水分外流也越來越多，細胞內水的濃度逐漸下降，在前期流入細胞內的鈉離子、氯離子、鈣離子等隨著水分外流而外流，當細胞外的水分濃度大于細胞內時，細胞外的鉀離子在鈉離子和鈣離子的作用下又回流入細胞內，產生新的離子交換效應（４期）。由于４期時細胞外的水分濃度顯著升高，而細胞內的水分生成量還比較小，所以容易產生比靜息電位更低的超極化電位。

細胞內化學反應振蕩以及流體動力的滿足是產生動作電位的原因，由于細胞內水分吸引細胞外鈉離子快速內流，而細胞外負離子響應速度慢，因而產生動作電位；而流體動力滿足以及由此產生的細胞內外水分濃度差是靜息電位產生的原因，產生靜息電位的另外一個不可缺少的條件是細胞內必須存在不能移動的陰離子。至此，已經將生物電的成因與細胞內主要事件關聯，并且可以更好解釋所觀察到的現象，這樣的解釋將賦予我們更多深入研究的空間。