膜电位与离子平衡电位

1939年，Hodgkin和Huxley首次将微电极纵向插入枪乌贼的粗大神经纤维内，测量其膜电位。通过这项实验研究，不仅检测到静息电位，而且发现神经纤维的动作电位比静息电位大得多。随后，玻璃微电极得到了应用，并成功地插入到骨骼肌细胞内记录其膜电位，而且还观察到动作电位的超射现象。这就动摇了Bernstein的膜学说，从而发展形成了膜离子学说。随着微电极技术在心肌电生理实验研究中的广泛应用，心肌细胞电生理学研究有了很大的进展。20世纪50年代初，Hodgkin等首先倡用电压固定技术（又称电压钳位技术）对神经纤维电生理进行研究观察到除极化期膜对钠的通透性增加。他们将神经动作电位的电流分为两种。先是Na＋内流，后是K＋外流，并阐明了神经纤维跨膜电位产生的机制，提出了膜离子学说。他们还应用负反馈技术，使膜电位固定于某一选定水平，以研究动作电位产生过程中膜的离子通透性与膜电位之间的依从关系。Hodgkin为研究神经细胞在兴奋和抑制过程中的离子机制提出了有价值的资料，并建立了著名的Hodgkin方程。为此，他获得了1963年的诺贝尔医学和生理学奖的殊荣。

1955年，Weidmann证实心肌细胞动作电位同样是膜通透性发生了电压和时间依次变化的结果。因为应用电压固定技术可直接控制心肌细胞膜电位的数值，测定不同膜电位时离子电流的变化规律。Hodgkin等给枪乌贼有髓鞘巨大神经轴突纵向插入一对微电极，以分别检测细胞内电位和跨膜电位，从而达到在人工电压钳位条件下进行实验研究的目的。但是，心肌细胞太小，而且分支又多，难以应用此技术。1962年，Noble用Hodgkin和Huxley的分析膜电位结果解释临床上所见到的复杂的心电图波形。早在1956年Corabeeuf就注意到豚鼠心室肌动作电位的超射部分对细胞外Na＋浓度相对不敏感。1964年，Trautwein等建立了适用于研究浦肯野纤维跨膜电位的电压固定技术，即双微电极电压固定技术，可以精确检测作为电压和时间函数的跨膜离子电流变化的规律，借以探讨心肌细胞跨膜电位变化产生的机制。

1949年，Corakoeuf记录到犬心肌浦肯野纤维的动作电位。1951年Draper测量到犬心肌细胞静息电位和动作电位，详细观察了Na＋对跨膜动作电位的影响，推算出动作电位与Na＋、K＋关系公式：

实验结果得出的结论是：①犬的心肌细胞静息电位平均90mV，动作电位121mV；犬的心肌浦肯野细胞静息电位平均94mV，动作电位135mV；②犬的心肌单相动作电位时程为300～500ms，峰电位时程＜20ms，最大上升速率为500～1　000V／s；③浦肯野纤维平均传导速度2．2m／s；④Na＋内流增加是舒张期除极化的重要原因，从而产生自律性。Draper的工作是系统研究心肌细胞电生理的开端。

1959年，Durrer用犬做实验，用心包电位标测法观察心室肌兴奋的起源、传导及整个兴奋的扩散过程。

1966年，Hagiwara和Najima发明了检测心肌离子流的药理学方法。他们发现心肌纤维具有2种离子流：一种对河鲀毒素（tetrodotoxin，TTX）敏感的离子流，称为快向离子流。另一种对锰（Mn）敏感的离子流，称为慢向离子流。20世纪60年代末期，Reuter证明心肌除极化慢向离子流成分，对细胞外钠离子流并不十分敏感；相反，却对细胞外Ca2＋浓度十分敏感。但其激活和失活的动力学过程都比较缓慢，尤其是失活过程。后来，Reuter等人确定了快内向电流与动作电位快速上升相有关；并紧接着是Ca2＋介导的慢向电流，从而产生了动作电位的平台相。心脏的特殊传导组织和心房肌以及心室肌，均存在这两种离子流。1966年，Hagiwara观察到TTX可阻断慢通道，但不影响静息电位。1970年，Pappano等观察到儿茶酚胺、组胺、腺苷酸环化酶直接增加慢向离子流。1974年，Zipes总结了2种离子流的电子生理特征，如表9－1所示，Zipes的工作为系统认识心脏电生理特征作出了贡献。

表9－1两种离子流特性

20世纪50年代，Hodgkin发明的电压钳实验技术，对细胞膜上的Na＋、K＋离子通透性变化作了详细研究。然而，Hodgkin的电压钳技术只能从大体上解释带电离子通透细胞膜与细胞的电活动之间的关系。在一个完整的细胞上，要测定单离子通道的工作状况，用经典的方法是无法完成的。主要的困难是受到外来电杂音的干扰。1976年，德国的细胞生理学家Nall和Zakeman用自己发明的膜片钳技术解决了这个难题。他们用尖端直径为1μm左右的玻璃电极吸引着一个完整细胞的膜表面，使吸引电极与只含单个或几个离子通道的、面积为1至几个平方微米的细胞膜封接起来，这样，外来的电杂音干扰就可降到最低水平，这就能直接测到通过1个离子通道的电流。应用单离子通道电流测定技术，对于发现离子能选择通过哪一类专一性通道是大有用处的。1981年，他们又进一步改进和完善了这一技术，使其在一个完整细胞膜上进行单离子通道特性的研究成为可能。这项新的研究技术一问世，在几年内，就被全世界许多生物膜研究实验室所采用，大大促进了细胞膜离子通道的深入研究，使细胞膜研究与某些疾病的发病机制、治疗研究结合起来，而且还可以研究活细胞是怎样通过这些离子通道与外界进行物质交换的。这就为一些疾病的病因和治疗研究开拓了新的天地，从而促进现代生物学和医学发生了巨大变化。为此，他俩获得了1991年度诺贝尔医学和生理学家的殊荣。