生物电机制是什么?探究生物电机制在细胞信号传递中的作用与机理

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wojiukan
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生物电机制是指生物体内产生的电流机制,是生命体内细胞、组织和器官在生命活动中所发生的电现象,这种机制涉及到神经、肌肉等组织的电信号传递和调节,是生命体系内信息传递和调控的重要方式之一,生物电信号的检测和分析在医学、生物学等领域具有重要应用价值。

生物电机制是什么?

1.静息电位和K+平衡电位

  所有的生物细胞,正常时细胞内的K+浓度高于细胞外约30倍,而细胞外Na+浓度高于细胞内。在安静状态下,细胞膜对K+有通透性,于是细胞内的K+在浓度差的驱使下,由细胞内向细胞外扩散。由于膜内带负电荷的蛋白质大分子不能随之移出细胞,所以随着带正电荷的K+外流将使膜内电位变负而膜外变正。但是,K+的外流并不能无限制地进行下去。因为最先流出膜外的K+所产生的外正内负的电场力,将阻碍K+的继续外流,随着K+外流的增加,这种阻止K+外流的力量(膜两侧的电位差)也不断加大。当促使K+外流的浓度差和阻止K+外移的电位差这两种力量达到平衡时,膜对K+的净通量为零,于是不再有K+的跨膜净移动,而此时膜两侧的电位差也就稳定于某一数值不变,此电位差称为K+平衡电位。不难理解,K+平衡电位的大小是由膜两侧原初存在的K+浓度差的大小决定的。静息电位的数值可以实际测量,也可用Nemst公式算出。

  2.动作电位和Na+平衡电位

  在静息状态时,细胞膜外Na+浓度大于膜内,Na+有向膜内扩散的趋势,而且静息时膜内存在着相当数值的负电位,这种电场力也吸引Na+向膜内移动;但是,由于静息时膜上的Na+通道多数处于关闭状态,膜对Na+相对不通透,因此,Na+不可能大量内流。当细胞受到一个阈刺激(或阈上刺激)时,电压门控性Na+通道开放,膜对Na+的通透性突然增大,并且超过了膜对K+的通透性,Na+迅速大量内流,以至膜内负电位因正电荷的增加而迅速消失;由于膜外高Na+所形成的浓度势能,使得Na+在膜内负电位减小到零电位时仍可继续内移,进而出现正电位,直至膜内正电位增大到足以阻止由浓度差所引起的Na+内流时,膜对Na+的净通量为零,从而形成了动作电位的上升支,这时膜两侧的电位差称为Na+平衡电位。Na+平衡电位的数值也可根据Nemst公式算出,计算所得的数值与实际测得的动作电位的超射值相接近,后者略小于前者。

  但是,膜内电位并不停留在正电位状态,而是很快出现动作电位的复极相,这是因为Na+通道开放的时间很短,它很快就进入生活状态,从而使膜对Na+的通透性变小。与此同时,电压门控性K+通道开放,于是膜内K+在浓度差和电位差的推动下又向膜外扩散,使膜内电位由正值又向负值发展,直至恢复到静息电位水平。

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