2015年7月1日

鈉鉀離子交響曲—靜止膜電位

作者/蔡孟利(宜蘭大學生物機電工程學系教授,本刊副總編輯)

家裡的插座兩孔間有個電位差110 V,可以驅動很多電器工作;細胞內外也有個電位差,雖然小了很多,只有70 mV,但還是功用多多。然而,細胞內外的這個電位差是怎麼來的呢?

先假設一個奇異的細胞。這個細胞的細胞膜所圈管的範圍內有許多帶負電的巨分子,但是細胞內外的水溶液環境中,只存在有兩種離子,鈉離子(Na+)和鉀離子(K+)。而這樣的細胞於形成的剎那,細胞內外的Na+和細胞內外的K+濃度都一樣。而在它的細胞膜上有四類分子:(1)一直都打開的K+滲漏通道;(2)由電位控制的K+通道;(3)由電位控制的Na+通道;(4)鈉鉀幫浦。

在這個初始狀態下,雖然細胞膜內外兩側的離子電荷密度一樣,不過由於細胞內包著一堆帶負電的巨分子,所以細胞內是比較負電的環境。也就是說,如果細胞膜可以導電的話,那麼細胞內外就會有個電位差存在:細胞內會是比較低電位的環境,細胞外會是比較高電位的環境。但因為電位的數值是個相對量的概念,為了有個適當的比較基礎,一般都規定細胞外環境的電位為零,如此,這個細胞內的電位就是負的。而我們前面說的那些嵌在細胞膜上、由電位控制的K+通道或Na+通道,在細胞初始狀態的這個負膜電位之下基本上都是關著的,只有在膜電位升高後才會打開。

但細胞膜並不是可以導電的導體,帶電的離子要進出細胞膜也都得經過某些特定的通道。不過既然在初始狀態的負膜電位之下,受電位控制的通道都是關著的,因此,一直都是處於開啟狀態的K+滲漏通道,在K+透過它穿越細胞膜的同時,也就定調了K+是影響膜電位的主要角色。那是因為,雖然在細胞內外K+濃度還相同的時候,擴散作用無用武之地,但細胞外的K+卻會因為細胞內那一堆帶負電分子的吸引而往細胞內移動,使得細胞膜的兩側有個流貫的「電流」;當歐姆定律V=IR中的I不為零了,就會有V的值了。

然而,隨著流入的數目越來越多,細胞內K+的濃度也逐漸高於細胞外,這樣一來,不僅細胞內負電的吸引力漸漸變小,而且新興起一股因濃度差異而使得K+往外擴散的力量。這股漸漸增大的擴散往外力量跟漸漸變小的電性吸引往內力量,到最後會出現勢均力敵的狀態。我們通常以「平衡」來形容這個狀態,也給此時的膜電位大小冠上一個名詞,叫「平衡電位」。這個名詞的意涵是,對某一種可以進出細胞膜的離子而言,在這個電位差的時候,離子所受到的電性吸引和濃度擴散的驅動力量大小相等,方向相反,致使此離子沒有流入或流出細胞的淨差異。......【更多內容請閱讀科學月刊第547期】

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