【原创】生物电现象与临床
发布于 2005-10-05 · 浏览 1.2 万 · IP 湖南湖南
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I、细胞的生物电现象
活组织的细胞不论在安静状态下还是在活动过程中均表现有电的变化，这种电变化是伴随细胞生命活动出现的，故称为生物电（bioelectricity）。细胞的生物电现象主要出现在细胞膜的两侧，因此把这种电位称为跨膜电位，其主要表现形式是细胞在安静时具有静息电位以及可兴奋的细胞在受到刺激时能产生动作电位。生物电是细胞实现各种功能活动的基础或关键。细胞兴奋的产生和传导、细胞间兴奋的传递、以及肌细胞的收缩和腺细胞的分泌活动，都与跨膜电位有直接关系。此外，不同组织的跨膜电位所产生的电场还是形成心电图、脑电图、胃电图及视网膜电图等的原因。
观察和记录组织或细胞的生物电话动的方法主要有两种。一种为细胞外记录法，是将测量电极置于细胞外或器官、组织上测量其生物电话动、心电图、脑电图、胃电图及神经纤维动作电位的观察、传导速度的测定等记录方法均属于细胞外记录。另一种为细胞内记录法，是用玻璃微电极插入细胞内，记录细胞内电位的变化。
一、细胞的静息电位及其产生机制
（一）有关电位的几个基本概念
静息电位：细胞在未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。静息电位都表现为膜内电位较膜外电位为负。不同种类细胞，其静息电位的数值一般也不相同。
极化状态：安静状态下细胞膜保持稳定的外正内负电位的状态。
去极化或去极: 静息电位向降低的方向（即膜内电位向负值减小的方向）变化,即极化状态减弱。
超极化：静息电位向升高的方向（即膜内电位向负值增大的方向）变化，即极化状态加强。
复极或复极化：细胞发生去极化或超极化后，再向静息电位的方向恢复的过程。
反极化：膜两侧的电位发生倒转，由外正内负反而变为外负内正。
（二）静息电位的产生机制
生物电主要是由于离子跨膜扩散而形成的，其要点如下：
1．细胞内外离子分布不均匀 通常细胞外液中Na+、Cl-的浓度比细胞内液的高，而细胞内液中的K+和带负电荷的蛋白质及其它有机阴离子比细胞外液的多。
造成细胞内外离子浓度分布不均匀的原因有：
①细胞代谢活动的需要。细胞内液的高钾，是细胞进行正常代谢活动的必要条件。钾在细胞内参与多种新陈代谢过程，与糖原和蛋白质合成有密切关系。细胞内一些与糖代谢有关的酶类必须有高浓度钾存在时才有活性。合成1g糖原需0.36~0.45mmol钾，合成1g蛋白约需30mmol钾。相反，细胞内不能有较多的Na+，因为水是弱极性分子，Na+和K+对水虽然都有亲和力，但其亲和力的大小与离子半径的平方成反比，Na+的半径只有K+的一半，故Na+对水的亲和力为K+的4倍。如果细胞内有大量的Na+，必然会有大量的水也随之进入细胞内，将会使细胞肿胀，甚致破裂。
②细胞膜上钠-钾泵的作用。它不断地将细胞内液中的Na+泵出细胞，而将细胞外液中的K+泵入细胞内，从而造成细胞内外的离子分布不均匀。
2．细胞膜的选择通透性 安静时细胞膜主要只对K+有通透性。K+主要经内向整流性钾通道（IKir）外流。细胞膜上的钾通道有多种类型，这种钾通道的特点是安静时开放，K+外流增强，有利于静息电位的形成；而在去极化时，细胞内的多胺或Mg2+进入该通道而使之发生部分堵塞，K+外流减弱，则有利于动作电位的产生。安静时细胞膜对其它离子（Na+、Cl-等）的通透性极低，对蛋白质负离子则几乎完全不通透。
3．静息电位接近于K+的平衡电位 K+顺着其浓度差向膜外扩散，而胞浆中的各种有机负离子如蛋白质、有机多磷酸盐、核苷酸等不能随K+透出胞外，因为细胞膜对它们没有通透性，它们只能在膜的内侧与K+隔膜相互吸引，形成膜外为正膜内为负的电位差。但这种电位差产生后又可阻止K+的进一步扩散，当两侧K+的电-化学梯度相等时，K+的跨膜净扩散量就会等于零，无K+向细胞外净扩散，细胞内外的电位差也就会稳定于一定水平上。这时的膜电位就是静息电位。由于静息电位主要是K+的跨膜移动达到电场力和化学浓度平衡时的电位值，所以又把它称为K+的平衡电位。
不难理解，静息电位的大小决定于K+外流量的多少，而K+外流的量又是由细胞内外K+的浓度差所决定的。因此，只要测出细胞内外的K+的浓度，K+的平衡电位就可以用Nernst公式计算出来：
EK=
式中Ek是K+平衡电位，R是气体常数，T是绝对温度，Z是离子价数，F是法拉第常数；式中只有[K+]0和[K+]i变数，分别代表膜外和膜内的K+浓度。如果把各常数的值代入公式，室温以37℃计算，上面的公式可简化为
Ek= log （V）
=0.595 log (V)=59.5log (mV)
人工改变细胞外液中的K+的浓度，可使静息电位发生相应改变，其改变值与Nernst公式计算出的数值基本一致。所以静息电位值基本上相当于K+的平衡电位。但是实际测得的静息电位的数值，一般都比根据膜内外的K+浓度用Nernst公式计算出来的理论值略低。这是由于细胞在安静时，膜实际上对Na+也有一定的通透性，细胞外液中的Na+仍有少量内流所造成的。
（二）静息电位的维持机理
1．钠内向背景电流 安静时细胞外液中的Na+可通过细胞膜上的微小缝隙而渗漏到细胞内，形成一种弱小而持续性的Na+电流（称为钠内向背景电流，INa.b），可使静息电位绝对值逐渐减小。
2．生电性Na+-K+泵外向电流 Na+-K+泵的活动产生的跨膜Na+、K+浓度梯度，是形成静息电位的前提条件之一；其次，生电性Na+-K+泵的活动，也是直接形成静息电位的因素之一。由于它每消耗一分子ATP，能泵出3个Na+而泵入2个K+，因此有净的正电荷外流，可使神经纤维膜的静息电位增-3mV~-5mV；在心肌细胞可达—10mV；在胃肠平滑肌可使其静息电位增加-10mV~-20mV。第三，Na+-K+泵也是维持静息电位的必要条件。它不断地将内漏的Na+泵出细胞，将外逸的K+泵入细胞内，从而维持了静息电位。如果用哇巴因抑制Na+-K+泵的活动，则静息电位值将会不断地减小。
(三) 静息电位的生理意义及其影响因素
1．静息电位的生理意义
（1）静息电位是产生兴奋的基础 静息电位所造成的跨膜电位梯度和Na+、Ca2+等离子通道处于备用状态，可由于刺激而产生动作电位或兴奋。因此 ，可以把静息电位看作是一种势能（或潜能）贮备，其所发生的动能表现为动作电位，因此静息电位是动作电位或兴奋的基础。
（2）静息电位影响动作电位兴奋功能的质量
①心脏窦房结起搏细胞的最大复极电位只有-70mV，因此膜上的电压依从性钠通道将处于持续性失活状态，其动作电位的产生只能由Ca2+缓慢内流而产生，称为慢反应电位。
②胃肠平滑肌细胞的静息电位也较低（只有-65mV～-55mV），因此其动作电位的产生也只能是由Ca2+缓慢内流而产生，故其兴奋性较低。
③在心肌细胞，当静息电位减少时，其动作电位的去极化幅度和速度将会降低（量变），如果静息电位过低（例如低于-70mV），则电压依从性钠通道失活，快反应电位将会转变为慢反应电位（质变）。代谢障碍而导致细胞能量缺乏时，静息电位减小，动作电位和兴奋功能也会随之减弱或消失。与此同时，心肌细胞动作电位幅度降低，对邻近未奋部位的刺激作用减弱，兴奋传导速度也会减慢。
④在中枢神经系统内，一个兴奋性神经元的轴突末梢在其它神经元的刺激作用下发生了部分去极化，使其静息电位值减小，如果在此基础上发生兴奋，其产生的动作电位幅度就会减小，轴突末梢释放的兴奋性递质将会减少，突触后神经元产生的兴奋性突触后电位的幅度就会减小，突触后神经元就会难以兴奋，这就是突触前抑制产生的机理之一。
（3）静息电位发生波动是产生自律性的基础
①心脏浦肯野细胞动作电位复极化4期，由于起搏电流If 激活而使膜发生自动去极化，如果去极化达阈电位，膜上的钠通道就会大量开放，Na+大量内流而产生一个新的动作电位。
②心肌窦房结起搏细胞动作电位复极4期，一种钾电流（IK）自动衰减，加上钙电流（Ica）、If及其它内向电流的活动，也发生快速的自动去极化。
③胃肠平滑肌细胞膜上的Na+-K+泵的活动可发生周期性减弱，因此，其静息电位不稳定而发生自动去极化，产生慢波。如果去极化一旦达到阈电位，膜上的钙通道大量开放，Ca2+大量内流而产生动作电位。
2.影响静息电位的因素
(1) K+外流 IKir是形成静息电位的主要离子流，K+外流的动力是细胞内外的K+浓度差，K+外流的多少主要受细胞内、外K+浓度差的影响。因此，当细胞外液中K+浓度升高时，细胞内外之间的K+浓度差减小，IKir减小，静息电位值减小，细胞膜将会发生去极化。而当细胞外液中K+浓度降低时，则相反，将会发生超极化（图2-12）。但在心肌细胞有所不同，低血钾时，IK1（相当于神经细胞膜上的IKir）也减小（其机理不明）而导致膜去极化。在心脏窦房结起搏细胞，由于IK1通道极少，故其最大复极电位（相当于静息电位）值较小。
(2) 钠内向背景电流 在心脏窦房结起搏细胞，钠内向背景电流较强，这也是其最大复极电位值较小的原因之一。在胃肠平滑肌细胞，钠内向背景电流也很强，故其静息电位值也较小。
(3) Na+-K+泵的活动 当细胞缺血、缺氧、酸中毒（H+浓度增高）等造成细胞代谢活动抑制时，ATP生成不足，Na+-K+泵的活动减弱或停止活动，则静息电位将会减小甚致消失。在胃肠平滑肌细胞，Na+-K+泵的活动可以自动地发生周期性减弱，膜电位发生去极化而形成慢波电位——基本电节律。
二、动作电位及其产生机制
（一）动作电位的概念及波形
动作电位（action potential）是指可兴奋细胞受到一个阈刺激或阈上刺激时，膜电位在静息电位的基础上产生一个迅速、可逆、可传导的电位变化。
锋电位（spike potential）
后电位(afterpotential)：有负后电位和正后电位。负后电位的内负外正的电位差小于静息电位值，正后电位负值则大于静息电位值。严
（二）动作电位的产生机制
神经纤维动作电位波形可分为去极期（动作电位升支）、复极期（动作电位降支）和完全恢复期（后电位期）三个时相。
1．去极期 当细胞膜受刺激而去极达一定程度（阈电位）时，膜上的电压门控钠通道大量开放，Na+顺电-化学梯度内流，使膜电位进一步去极，又激发更多的钠通道开放，引起更多的Na+内流，形成了一个正反馈系统，使Na+内流迅速增多，使膜不断地去极。同时，内向整流性钾电流随膜的去极而衰减，K+外流暂时减少，从而导致膜电位迅速去极和倒极化。Na+内流所形成的膜内正电场对Na+的继续内流产生排斥力，当Na+浓度梯度促使Na+内流的扩散力与电位梯度所造成的阻止Na+内流的排斥力相等时，Na+内流停止，膜内外的电位差就达到其峰值，其数值相当于Na+的平衡电位。
2．复极期 由于钠通道开放的时间很短暂，开放后迅速失活而关闭，Na+内流停止。在去极时，有一种延迟整流性钾通道（IK）被激活，延迟2~3ms后才开放，这种延迟开放，也有利于动作电位去极化的形成。IK开放后，K+又在浓度差和电位差的推动下迅速向膜外流动，使膜内电位负值迅速增大，直至恢复到静息状态时的水平。所以动作电位的下降支（复极过程）主要是K+外流所形成的。
3．完全恢复期（后电位期） 后电位期包括负后电位期和正后电位期，负后电位紧接于锋电位的下降支之后，膜电位比静息电位小，其产生的原因是在复极时迅速外流的K+蓄积在膜外附近，暂时阻碍了K+外流的结果。在负后电位后出现的轻度超极化电位，称为正后电位，其前半部分是由于K+过度外流所致，其后半部分则主要是由于生电性钠-钾泵的活动加强所致。每次动作电位期间进入细胞内的Na+可使膜内Na+浓度增加约八万至十万分之一，复极时K+外流量也大致相当。这种微小的变化足以激活膜上的钠-钾泵。钠-钾泵每次活动泵出的Na+较多，收回的K+较少，造成了膜的轻度超极化。后电位完结后，膜电位和膜内外的Na+、K+分布都恢复到静息状态时的水平，细胞的兴奋性也恢复正常。
三、兴奋的引起和局部兴奋
（一）刺激引起兴奋的条件
可兴奋细胞兴奋的标志是产生动作电位。刺激使细胞产生兴奋，一方面取决于内因——细胞本身所具有正常的机能状态；另一方面取决于外因——有效的刺激。有效刺激通常包括三个参数，即具有一定的刺激强度、一定的持续时间和刺激强度-时间变化率。
1．刺激强度 能引起动作电位的最小刺激强度称为阈强度或阈值（shreshold）。比阈值大的刺激称为阈上刺激，比阈值小的刺激称为阈下刺激。单个的阈下刺激只能使细胞膜发生轻度的去极化，随即被当时维持K+平衡电位的K+外流所抵消，不能进而引起动作电位。单个的阈上刺激或阈刺激能使细胞膜去极化达阈电位，膜上开放的钠通道数量多，通过再生性循环，形成Na+内流与去极化的正反馈，使膜去极化迅速发展而产生动作电位。
2．刺激强度的变化率 钠电流是一个正反馈过程，电压门控钠通道的激活和失活都很快。如果刺激强度的变化率很小，只能使膜电位缓慢去极化时，钠通道开放的同时亦部分失活，激活开放的钠通道数量少，就不能使膜快速去极化而产生动作电位。
3．刺激作用的时间 刺激应持续一定的时间才能引起兴奋。这主要是因为膜电容特性而造成的。当电流依电压方向产生时，膜电容（需要充电）会使膜电流产生的去极化有一定滞后。如果向细胞内注入矩形去极化电流，产生的电位变化则需要一段时间（﹤0.2ms）才能达到预定值。如果刺激时间太短，则不会发生兴奋。临床上采用高频电脉冲（如10KHz以上）时，由于每一次刺激的时间过短，不会使神经细胞兴奋，但可使局部温度升高而达到治疗作用（热疗）。给病人进肌肉注射，采取“两快一慢”的方法，可以减轻病人的疼痛。“两快”（进针快，退针快）缩短了刺激持续时间；“一慢”(注药慢)降低了刺激的变化率，减弱了刺激作用，从而可以减轻病人的痛苦。
（二）刺激的极性法则
给一段神经轴突通以电流刺激时，膜电位可因接受细胞外电流的作用而发生变化，当两个与直流电源相连接的电极与神经接触时，电流可以从正极通过膜外的溶液流到负极，也可从正极处流入膜内，在膜内通过胞浆流向负极处，再从膜内流出膜外而达负极。通电时，在正极处，电流的方向是由膜外流向膜内，即在正极处存在内向刺激电流；而负极则相反，为外向刺激电流。内向刺激电流在膜上造成的电压降与膜固有的极化状态（内负外正）是一致的，结果使膜发生超极化；外向刺激电流则造成膜两侧产生内正外负的电压降，与原有膜电位的方向相反，使膜发生去极化。所以两电极都处于膜外时，通电时兴奋首先发生在负极处，而正极处则不能引起兴奋。这种现象可称为刺激的极性法则。
（三）阈电位
阈电位(threshold potential)是使去极化突然转变为锋电位时的最小膜电位水平，也就是能使钠通道突然大量开放产生动作电位的临界膜电位数值。一般可兴奋细胞的阈电位大约比静息电位的绝对值小10~20mV。不论是什么刺激，只要能使静息电位减小到阈电位水平，就能诱发出动作电位。因此，我们可以把阈强度或阈值理解为刚好能使静息电位减小到阈电位时的最小刺激强度。而阈下刺激则是还不足以使静息电位降至阈电位的刺激，因而不能引起动作电位。阈电位是一个十分重要的概念，它与细胞的兴奋性有关。凡是能使静息电位减小，使之与阈电位更接近的因素，都能升高细胞的兴奋性；反之，凡是能使静息电位增大（超极化），使之与阈电位的差距加大的因素，都能降低细胞的兴奋性。
引起动作电位的关键在于能否使静息电位减小到阈电位水平，与导致这种减小的手段或刺激方式无关。阈电位是产生动作电位的“燃点”，阈电位对动作电位的产生只起触发作用，而动作电位本身并不受刺激性质和刺激强度的影响。也就是说，产生动作电位的能量来源于细胞自身而不是来源于刺激。不论何种性质的刺激，如果它达不到阈强度就不能引起动作电位；而达到或超过阈强度的刺激，在同一细胞上所引起的动作电位都是一样的。即动作电位的波形、幅度和传导速度不随刺激强度的增大而变化。
（四）局部兴奋及其特点
刺激电流作用于可兴奋细胞膜时，在细胞膜上所记录到的电位，可能有3种成分：①电紧张电位。这完全是由膜的被动电学特征及所加的电流性质及大小所决定的，不论所加电流多大或多小，电紧张电位总是有的；②局部电位（或局部兴奋）。这是细胞接受一定量的电流（至少为阈值的50%以上）后所发生的膜的电性质变化所引起的；③动作电位。这是由阈刺激或阈上刺激时才引起的一种全或无式的反应（其产生机制已于前述）。
1．电紧张电位
电流流过可兴奋细胞膜时，在细胞膜上扩散，沿细胞膜引起的电位变化，称为电紧张电位。因为细胞膜具有电缆特点，有膜电阻和膜电容。给予一个方波刺激时，刺激电流通过膜电阻对膜电容充电，使膜电位逐渐增大，经历一段时间才能达到最大值；停止刺激时，膜电容又通过膜电阻放电，使膜电位的变化经历一段时间才能降到零。电紧张电位在向邻近部位传播时，随着时间的推移和距离的延长而迅速衰减并消失。因此扩布的距离很短，仅数毫米。电紧张电位可能是去极化电位，也可能是超极化电位。如前所述，当通过细胞外电极给予刺激时，负极下面的细胞膜会产生去极化型电紧张电位，而正极下面的细胞膜则产生超极化电紧张电位。在理论上，同样强度的刺激所引起的去极化电紧张电位和超极化电紧张电位的幅度和时程应该是相同的。但这只是在刺激强度较小时（为阈刺激的一半以下）时是正确的。电紧张电位完全是细胞膜的被动电学电位。
2．局部兴奋及其特点
当给予细胞膜一个较强的阈下刺激（大于阈刺激的一半时），它所引起的去极化电紧张电位往往大于同样刺激强度所引起的超极化电紧张电位。这是因为细胞膜发生较大程度的去极化时，使膜上一部分电压门控的钠通道被激活开放，引起少量Na+内流。细胞膜的主动反应与膜的被动电紧张电位发生叠加。这种叠加后形成的电位变化称为局部电位。局部兴奋中少量钠通道开放所形成的膜去极化，很快被外流的K+电流所抵消，因而不能进一步发展，但是钠通道的开放是电压依赖性的，膜的去极化程度越大，钠通道开放的概率和Na+内向电流就越大。
与动作电位相比较，局部兴奋和电紧张电位的共同特征是：
①分级性反应。反应的幅度随阈下刺激强度的增加而增大，不表现为“全或无”的特征。
②衰减性扩布。电紧张电位或局部反应随着时间和距离的延伸迅速减小而消失，扩布的范围不到几毫米。不能进行远距离的不衰减性扩布。
③可总和性。即局部反应是可以叠加的，只要相互在彼此的电紧张扩布的范围内就可以产生叠加或总和，称为空间总和（spatial summation）；连续发生的局部反应，当频率较高时，后一次反应可以在前一次反应尚未消失的基础上发生叠加，这种形式的总和称为时间总和（tempral summation）。总和现象对于同时接受或多处接受多个信号刺激的感受器、神经细胞等具有重要意义。除了阈下刺激能产生局部电位外，终板电位、感受器电位（或发生器电位）以及突触后电位（包括兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位）都属于局部电位，都具有上述局部电位的特征。
四、神经纤维兴奋性的周期性变化及其机制
（一）神经纤维兴奋后兴奋性的变化
当神经纤维发生兴奋后，其兴奋性将发生一系列有顺序性的变化，然后才恢复正常。这一特性可以影响它们对后继刺激的反应能力。
绝对不应期
相对不应期
超常期
低常期
神经纤维兴奋后其兴奋性发生周期性变化的主要原因与Na+通道的性状有关。
（二）电压门控钠通道的结构与特性
在神经细胞、骨骼肌细胞及绝大部分心肌细胞等可兴奋组织，其动作电位的产生都主要是由于电压门控钠通道开放、Na+内流而引起的。因此研究钠通道的结构与特性，有助于我们深入认识生物电现象。
1．电压门控Na+通道的结构
Na+通道是一种糖蛋白，分子量为260~280 kD。由一个α亚单位和2个β亚单位组成，其中α亚单位是形成孔道的单位。α亚单位由4个结构域组成，每个结构域含有6个跨膜肽段，其中S5、S6构成通道的内壁，S4带少量正电荷，构成通道的闸门之一，并且是通道的电压传感器。Na+通道洞口内、外两侧比较宽大，中间狭窄处的口径约为0.3×0.5nm。Na+通道的外口附近有能与河豚毒相结合的位点，它们与该结合位点结合后可以从膜的外侧面堵塞Na+通道，因此河豚毒是Na+通道的特异性阻断剂。Na+通道的内口附近有能与局麻药、抗心律失常药及抗癫痫药相结合的位点，这些药物能从膜的内侧面阻断Na+通道。Na+通道有两道闸门，即激活闸门和失活闸门，激活闸门带有少量正电荷，是电压感受器。Na+通道具有“备用”、“激活”和“失活”三种状态。Na+通道处于备用状态时，是关闭的，不允许Na+通过，但接受适当刺激后，可以被激活而开放；Na+通道处于激活状态时，是开放的，允许Na+内流；Na+通道处于失活状态时，是关闭的，施加刺激后亦不能开放。只有先恢复到备用状态时，才能再次接受刺激而开放。
2．Na+通道的特性
（1）选择通透性：Na+通道对Na+的通透性最大，其它的阳离子难以通过。这与通道的口径及通道中所带的电荷情况有关。
（2）电压依从性
①受膜电位的影响而开放。只有当细胞膜去极化达到一定程度时，Na+通道才能被激活而开放，允许Na+内流。能使膜上Na+通道大量开放，Na+内流而产生动作电位的临界膜电位，就是我们通常所说的阈电位，大约为—60mV~—70mV。
②Na+通道失活后恢复到备用状态也依赖于膜电位的恢复（复极化）。如果膜复极化程度小（例如小于—55mV），则Na+通道不能由失活状态恢复到备用状态；膜电位复极化的程度越大，由失活状态恢复到备用状态的Na+通道的数量就越多。可见，细胞的兴奋性变化的各种不应期主要与Na+通道恢复的情况有关。
③易受局部电场力的影响。一般细胞膜外表面都有一层由带负电荷的唾液酸残基组成的细胞外衣，它们所带的电荷可称为膜固有电位，其作用是能使Na+通道易于开放。因为Na+通道的激活闸门带有少量正电荷，膜固有电位（带负电）可吸引激活闸门，使之容易向膜外侧面开放。而这些带负电荷的唾液酸残基对Ca2+的亲和力很强，常与Ca2+相互作用。因此Ca2+在细胞膜外衣层中的浓度较高，其Ca2+所带电荷能中和膜的固有电位，故可将Ca2+形成的电位称为中和电位。当细胞外液中Ca2+浓度升高时，细胞受刺激时Na+通道将不易开放，表现为阈电位上移，细胞的兴奋性将会降低。通常把Ca2+抑制Na+内流的这种作用称为膜屏障作用。反之，低钙时，细胞的兴奋性将会升高。
（3）时间依从性：
①开放时间短。由于Na+通道有双重闸门（激活闸门和失活闸门），只有当激活闸门开放而失活闸门尚未关闭的一瞬间（大约1ms），才能允许Na+内流。因此动作电位的去极化期持续的时间很短。
②钠通道必须由失活状态恢复到备用状态才能再次激活开放。钠通道由失活状态恢复到备用状态的数量及时间，就是细胞兴奋性变化的各种不应期产生的基础。
五、兴奋的传播
细胞膜某处接受刺激而产生动作电位后，它不会只停留在该处不动，而是立即沿着细胞膜迅速向周围传播，使整个细胞膜都依次发生一次动作电位。这种兴奋亦可通过受刺激的细胞传向机体内与之相邻的细胞，使后者亦发生兴奋。
（一）兴奋在同一细胞上的传播
兴奋的传导实际上是膜依次连续产生动作电位的过程。在细胞受刺激而兴奋时，该部位发生膜电位的倒转，即由外正内负变为外负内正，而邻近未兴奋部位的膜电位仍然是外正内负。因此在兴奋部位与未兴奋部位之间就会出现带电离子的移动，称为局部电流（local current）。其流动方向在膜外是由未兴奋部位流向巳兴奋部位，在膜内则是由巳兴奋部位流向未兴奋部位。局部电流可使邻近部位的膜电位降低（去极化），当去极化达阈电位时，该部位的钠通道大量开放，Na+迅速内流就产生动作电位（兴奋）。接着这个新的兴奋部位通过局部电流的刺激作用，又引起相邻的未兴奋部位产生动作电位。以此方式，动作电位就能沿着细胞膜依次连续传遍整个细胞膜。可见，局部电流对未兴奋部位的膜有刺激作用。由于动作电位的上升支幅度大，速度快，而且细胞内、外液的导电性能好，所以局部电流的刺激常可超过阈强度数倍以上（为阈上刺激），它足以能刺激邻近膜去极化达阈电位而产生动作电位。因此，动作电位的传导是可靠的，一般不会出现中断现象。另外，由于传导的形式是膜依次产生动作电位，而动作电位的幅度不会随传导距离的延长而减小，即传导不会发生衰减，使传导的的信息不失真，这也是兴奋的“全或无”现象的另一种表现形式。
心肌细胞、骨骼肌细胞和无髓鞘神经纤维的兴奋传导都遵循以上原理。但是，有髓鞘神经纤维的传导形式有所不同。因为有髓神经纤维外包裹着一层层不导电、又不让离子通透的髓鞘，动作电位只能在无髓鞘的朗飞结处产生。局部电流也只能发生在相邻的朗飞结之间（即一种较远距离的局部电流）。因此，上一个朗飞结处的动作电位可以通过这种较远距离的局部电流直接使下一个朗飞结爆发动作电位。这个过程延续下去，就表现为兴奋在一个个朗飞结处的跳跃式传导。这种跳跃式传导的速度必然快于非跳跃式的传导，而且是一种更“节能”的传导方式。
因此，动作电位具有瞬时性、极化反转、脉冲式、全或无现象和不衰减性传导等特征。
六、动作电位的生理意义
1．动作电位是各种可兴奋细胞兴奋时的共同表现，也是兴奋产生和兴奋传导的客观标志，可以根据动作电位能否出现来判断组织兴奋性的有无，根据引起动作电位所需刺激强度的大小可衡量兴奋性的高低。
2．动作电位是体内信息传递的重要方式之一。动作电位是引起肌肉收缩、腺体分泌、神经递质释放等其它生理过程的先导。
3．临床上常用的心电图、肌电图、胃电图等，均与相应器官或组织的动作电位活动有关。
II．几种重要的生物电实例
一、神经肌肉接头处的兴奋传递
兴奋在同一个细胞上的传播通常称为传导。兴奋通过神经末梢释放某种神经递质为中介，以重新引起突触后另一个细胞兴奋的传播则称为传递。当动作电位沿着神经纤维传导到神经末梢时，轴突末梢的电压依从性钙通道开放，Ca2+顺着电位差进入末梢的轴浆内。在Ca2+的作用下，轴浆的粘稠度降低，同时也消除了接头前膜的负电荷，从而促使囊泡向接头前膜移动，并与之接触、融合、破裂，释放出神经递质乙酰胆碱到接头间隙。每个囊泡中所含的乙酰胆碱的量是恒定的，并且一旦释放，便会倾囊而出，以囊泡为基本单位成批地放出来，称之为量子式释放。乙酰胆碱越过接头间隙，扩散到终板膜，与该处的N2型乙酰胆碱受体结合成乙酰胆碱-受体复合物。此复合物使终板膜上的化学依从性非特异性阳离子通道开放。这种通道的横截面积较大，主要让Na+通过（内流），K+也可少量通过（外流），结果使终板膜内侧的正电荷增加，静息电位值减小，即终板膜局部去极化。这—电位变化称为终板电位。终板电位属于局部电位，它具有局部电位的特点，即具有等级性，即终板电位的大小与乙酰胆碱的释放量呈正变关系；终板电位可以总和，并能以电紧张的形式向周围肌膜作短距离扩布 。当肌膜的静息电位由于终板电位的刺激而去极化到该处膜的阈电位水平时，肌膜上的电压依从性Na+通道大量开放，Na+迅速内流而爆发一次肌膜动作电位。此动作电位沿着整个肌膜作不衰减性传导，再通过“兴奋-收缩耦联”，引起肌细胞出现一次机械收缩，从而完成神经纤维与肌细胞之间的信息传递。乙酰胆碱发挥作用后就被终板膜上的胆碱酯酶水解破坏。在正常情况下，一次神经冲动释放的乙酰胆碱所引起的终板电位大约超过引起肌细胞动作电位所需阈值的3~4倍。因此，神经肌肉接头处兴奋的传递在正常时是可靠的，而且是按1：1的比例进行的。
与兴奋在神经纤维上传导相比较，神经-肌肉接头处信息传递过程具有以下特点：
①单向性传递。即信息只能由接头前膜传向接头后膜而不能反向传递。这是因为乙酰胆碱只存在于神经末梢的囊泡中和乙酰胆碱受体只存在于接头后膜的缘故。
②时间延搁。指兴奋在此处传递耗时较长，大约需要0.1~1.0ms。时间延搁的产生与递质的合成、释放及与受体结合等需要耗费较多时间有关。
③保持一对一的传递关系。如前所述，每一次动作电位所诱发的乙酰胆碱释放量足以引起一次肌肉兴奋，随后乙酰胆碱又被胆碱酯酶及时水解清除。
④易受环境因素和药物的影响。各种因素可以通过影响乙酰胆碱的释放、与受体的结合及降解等环节而影响兴奋在神经-肌肉接头的传递过程。
影响神经-肌肉接头兴奋传递的因素
影响环节 代表性药物或疾病 作用机理
影响乙酰胆碱的释放 细胞外Mg2+浓度增高 与Ca2+竞争，使Ca2+内流减少，递质释放量减少
细胞外Ca2+浓度降低 Ca2+内流减少，递质释放减少
肉毒中毒 肉毒毒素抑制递质释放
肌无力综合征 自身免疫性抗体破坏了神经末梢的钙通道
影响递质与受体的结合 重症肌无力 自身免疫性抗体破坏了终板膜上的N2受体通道
筒箭毒 阻断终板膜上的N2受体通道
影响乙酰胆碱的降解 新斯的明
有机磷农药
碘解磷定 抑制胆碱酯酶活性
抑制胆碱酯酶活性
使被抑制了的胆碱酯酶的活性恢复
二、心肌细胞的生物电现象
（一）工作细胞的跨膜电位及其形成机制
1．静息电位和动作电位人和哺乳动物的心室肌细胞和骨骼肌细胞一样，在静息状态下膜两侧呈极化状态，膜内电位比膜外电位约低90mV，但两者的动作电位有明显不同。骨骼肌细胞动作电位的时程很短，仅持续几个毫秒，复极速度与去极速度几乎相等，记录曲线呈升支和降支基本对称的尖锋状。心室肌细胞动作电位的主要特征在于复极过程比较复杂，持续时间很长，动作电位降支与升支很不对称。通常用0、1、2、3、4等数字分别代表心室肌细胞动作电位和静息电位的各个时期。
（1）去极过程：又称0期。在适宜的外来刺激作用下，心室肌细胞发生兴奋，膜内电位由静息状态下的-90mV迅速上升到+30mV左右，即肌膜两侧原有的极化状态被消除并呈极化倒转，构成动作电位的升支。去极相很短暂，仅占1-2ms，而且去极幅度很大，为120mV；可见，心室肌细胞的去极速度很快，膜电位的最大变化速率可达800-1000V/s。
（2）复极过程：当心室细胞去极达到顶峰之后，立即开始复极，但整个复极过程比较缓慢，包括电位变化曲线的形态和形成机制均不相同的三个阶段：
1期复极：在复极初期，仅出现部分复极，膜内电位由+30mV迅速下降到0mV左右，故1期又称为快速复极初期，占时约10ms。0期去极和1期复极这两个时期的膜电位的变化速度都很快，记录图形上表现为尖锋状，故在心肌细胞习惯上常把这两部分合称为锋电位。
2期复极：当1期复极膜内电位达到0mV左右之后，复极过程就变得非常缓慢，膜内电位基本上停滞于0mV左右，细胞膜两侧呈等电位状态，记录图形比较平坦，故复极2期又称为坪或平台期，持续约100-150ms，是整个动作电位持续时间长的主要原因，是心室肌细胞以及其它心肌细胞的动作电位区别于骨骼肌和神经纤维的主要特征。
3期复极；2期复极过程中，随着时间的进展，膜内电位以较慢的速度由0mV逐渐下降，延续为3期复极，2期和3期之间没有明显的界限。在3期，细胞膜复极速度加快，膜内电位由0mV左右较快地下降到-90mV，完成复极化过程，故3期又称为快速复极末期，占时约100-150ms 。
4期：4期是膜复极完毕、膜电位恢复后的时期。在心室肌细胞或其它非自律细胞，4期内膜电位稳定于静息电位水平，因此，4期又可称为静息期。
2．形成机制与骨骼肌一样，离子在细胞膜两侧不均匀分布所形成的浓度梯度（浓度差）、驱动相应离子经过当时开放的细胞膜上特殊离子通道的跨膜扩散，是心肌细胞跨膜电位形成的主要基础，只是由于心肌细胞膜上具有数目较多的离子通道，跨膜电位形成机制中涉及的离子流远比骨骼肌要复杂得多。在电生理学中，电流的方向以正离子在膜两侧的流动方向来命名，正离子外流或负离子内流称外向电流，正离子内流或负离子外流称内向电流。外向电流导致膜内电位向负电性转化，促使膜复极，内向电流导致膜内电位向正电性转化，促使膜去极。
心肌细胞中各种主要离子的浓度及平衡电位值
离 子 浓度（mmo1/L）
细胞内液 细胞外液 内/外比值 平衡电位（mV）
(由Nernst公式计算)
Na+ 30 140 1:4,6 +41
K+ 140 4 35:1 -94
Ca2+ 10-4 2 1:20,000 +132
CI- 30 104 1:3.5 -33
去离子跨膜扩散之外，由细胞上离子泵所实现的离子主动转运和离子交换，在心肌细胞电活动中也占有重要地位。
心室肌细胞静息电位的形成机制与骨骼肌相同，也就是说，尽管肌膜两侧上述几种离子都存在有浓度梯度，但静息状态下肌膜对K+的通透性较高，而对其它离子的通透性很低，因此，K+顺其浓度梯度由膜内向膜外扩散所达到的平衡电位，是静息电位的主要来源。
肌膜钠通道的大量开放和膜两侧浓度梯度及电位梯度的驱动从而出现Na+快速内流，是心室肌细胞0期去极形成的原因。进一步对整个去极过程进行分析就可以看到，与骨骼肌一样，在外来刺激作用下，首先引起部分电压门控式Na+通道开放和少量Na+内流，造成肌膜部分去极化，膜电位绝对值下降；而当膜电位由静息水平（膜内-90mV）去极化到阈电位水平（膜内-70mV）时，膜上Na+通道开放概率明显增加，出现再生性Na+内流，于是Na+顺其浓度梯度和电位梯度由膜外快速进入膜内，进一步使膜去极化，膜内电位向正电性转化。决定0期去极的Na+通道是一种快通道，它不但激活、开放的速度很快，而且激活后很快就失活，当膜去极到一定程度（omV左右）时，Na+通道就开始失活而关闭，最后终止Na+的继续内流。快Na+通道可被河豚毒（TTX）所阻断。由于Na+通道激活速度非常之快，又有再生性循环出现，这就是心室肌细胞0期去极速度很快，动作电位升支非常陡峭的原因。正因为如此，从电生理特性上，尤其是根据0期去极的速率，将心室肌细胞（以及具有同样特征的心肌细胞）称为快反应细胞，其动作电位称为快反应电位，以区别于以后将要介绍的慢反应细胞和慢反应电位。
复极1期是在0期去极之后出现的快速而短暂的复极期，此时快钠通道已经失活，同时激活一种一过性外向电流（Ito），从而使膜迅速复极到平台期电位水平（0～-20mV）。至于Ito的离子成分，70年代曾认为是Cl-（即Cl-内流）。近年来，根据Ito可被四乙基铵和4-氨基吡啶等K+通道阻滞剂所阻断的研究资料，认为K+才是Ito的主要离子成分。也就是说，由K+负载的一过性外向电流是动作电位初期快速复极的主要原因。目前对Ito的通道特征尚不十分清楚，但有资料提示，膜去极和细胞内Ca2+都可以使Ito的通道激活。
平台期初期，膜电位稳定于0mV左右，随后才非常缓慢地复极。膜电位的这种特征是由于平台期同时有内向电流和外向电流存在，初期，两种电流处于相对平衡状态，随后，内向电流逐渐减弱，外向电流逐渐增强，总和的结果是出现一种随时间推移而逐渐增强的、微弱的外向电流，导致膜电位缓慢地向膜内负电性转化。电压钳研究结果表明，在心室肌等快反应细胞，平台期外向离子流是由K+携带的（称Ik1）。静息状态下，K+通道的通透性很高，在0期去极过程中，K+的通透性显著下降，K+外流大大减少，去极相结束时，K+的通透性并不是立即恢复到静息状态下的那种高水平，而是极其缓慢地、部分地恢复，K+外流也就由初期的低水平而慢慢增加。平台期内向离子流主要是由Ca2+(以及Na+)负载的。已经证明，心肌细胞膜上有一种电压门控式的慢Ca2+通道，当膜去极到-40mV时被激活，Ca2+顺其浓度梯度向膜内缓慢扩散从而倾向于使膜去极，与此同时，上述微弱的K+外流倾向于使膜复极化，在平台期早期，Ca2+的内流和K+的外流所负载的跨膜正电荷时相等，膜电位稳定于1期复极所达到的电位水平。随着时间推移，Ca2+通道逐渐失活，K+外流逐渐增加，其结果，出膜的净正电荷量逐渐增加，膜内电位于是逐渐下降，形成平台期晚期。此后，Ca2+通道完全失活，内向离子流终止，外向K+流进一步增强，平台期延续为复极3期，膜电位较快地回到静息水平，完成复极化过程。
心室肌细胞跨膜电位及其形成的离子机制
RMP：静息膜电位 TP ：阈电位
肌膜上有Ca2+通道，是心室肌细胞和其它心肌细胞的重要特征。大量研究表明：①从一个心肌细胞的总体而言（不是从单个通道而言），Ca2+通道的激活、失活，以及再复活所需时间均比Na通道要长，经 Ca2+通道跨膜的Ca2+内流，起始慢，平均持续时间也较长。因此相应称为慢通道和慢内向离子流；②慢通道也是电压门控式的，激活慢通道的阈电位水平（-50～-35mV）高于快Na通道（-70～-55mV）；③它对某些理化因素的敏感性和反应性不同于快通道，可被Mn2+和多种Ca2+阻断剂（如异博定，D-600等）所阻断，而对于可以阻断快通道的河豚毒和细胞膜的持续低极化状态（膜内电位-50Mv左右）却并不敏感。各种心肌细胞的肌膜上都具有这种慢通道，由此形成的跨膜离子流，是决定心肌细胞电活动以及心室肌等快反应细胞动作电位平台期的最重要的内向离子流之一。
平台期之后，膜的复极逐渐加速，因此时Ca2+通道已经失活，在平台期已经激活的外向K+流出现随时间而递增的趋势。其原因是，3期的复极K+流是再生性的，K+的外流促使膜内电位向负电性转化，而膜内电位越负，K+外流就越增高。这种正反馈过程，导致膜的复极越来越快，直至复极化完成。
在4期内，心室肌细胞膜电位基本上稳定于静息电位水平，但是，离子的跨膜转运仍然在活跃进行。因为，动作电位期间有Na+和Ca2+进入细胞内，而K+外流出细胞，因此，只有从细胞内排出多余的Na+和Ca2+，并摄入K+才能恢复细胞内外离子的正常浓度梯度，保持心肌细胞的正常兴奋性。这种离子转运是逆着浓度梯度进行的主动转运过程。像骨骼肌一样，通过肌膜上Na+-K+泵的作用，将Na+的外运和K+的内运互相耦联形成Na+-K+转运，同时实现Na+和K+的主动转运。关于主动转运Ca2+的转运机制，还没有完全弄清楚。目前大多数作者认为，Ca2+的逆浓度梯度的外运是与Na+的顺浓度的内流相耦合进行的。形成Na+-Ca2+交换。Ca2+的这种主动转运是由Na+ 的内向性浓度梯度提供能量的，由于Na+内向性浓度梯度的维持是依靠Na+-K+泵而实现的，因此，Ca2+主动转运也是由Na+-K+泵提供能量的。在4期开始后，膜的上述主动转运功能加强，细胞内外离子浓度梯度得以恢复。总的来看，这时转运过程引起的跨膜交换的电荷量基本相等，因此，膜电位不受影响而能维持稳定。
（二）自律细胞的跨膜电位及其形成机制
在没有外来刺激时，工作细胞不能产生动作电位，在外来刺激作用下，产生一次动作电位，但两次动作电位之间膜电位是稳定不变的。而在自律细胞，当动作电位3期复极末期达到最大值（称最大复极电位）之后，4期的膜电位并不稳定于这一水平，而是立即开始自动去极，去极达阈电位后引起兴奋，出现另一个动作电位。这种现象，周而复始，动作电位就不断地产生。出现于4期的这种自动去极过程，具有随时间而递增的特点，其去极速度远较0期去极缓慢；不同类型的自律细胞4期去极速度参差不一，但同类自律细胞4期去极速度比较恒定。这种4期自动去极（亦称4期缓慢去极或缓慢舒张期去极），是自律细胞产生自动节律性兴奋的基础。
根据细胞膜去极的跨膜电流的基本规律可分析自律细胞4期自动去极形成的机制。不难推测，自律细胞由于净外向电流使膜复极（3期）达最大复极电位后，在4期中又出现一种逐渐增强的净内向电流，从而使膜内正电位逐渐增加，膜便逐渐去极。这种进行性净内向电流的产生，有以下三种可能的原因：①内向电流的逐渐增强；②外向电流的逐渐衰退；③两者兼有。不同类型的自律细胞，4期自动去极都是由这种进行性净内向电流所引起，但构成净内向电流的离子流的方向和离子本质并不完全相同。
1．浦肯野细胞是一种快反应自律细胞。作为一种快反应型细胞，它的动作电位的形态与心室肌细胞相似，产生的离子基础也基本相同。
关于浦肯野细胞4期自动去极形成的机制，80年代研究资料表明，在浦肯野细胞，随着复极的进行，导致膜复极的外向K+电流逐渐衰减，而同时在膜电位4期可记录到一种随时间推移而逐渐增强的内向电流（If）。If通道在动作电位3期复极电位达－60mV左右开始被激活开放，其激活程度随着复极的进行、膜内负电性的增加而增加，至－100mV左右就充分激活。因此，内向电流表现出时间依从性增强，膜的去极程度因而也随时间而增加，一旦达到阈电位水平，便又产生另一次动作电位，与此同时，这种内向电流在膜去极达-50mV左右因通道失活而中止。可见，动作电位的复极期膜电位本身是引起这种内向电流启动和发展的因素，内向电流的产生和增强导致膜的进行性去极，而膜的去极一方面引起另一次动作电位，一方面又反过来中止这种内向电流。这一连串的过程是自律细胞“自我”启动、“自我”发展，又“自我”限制的，由此可以理解为什么自律细胞能够自动地、不断地产生节律性兴奋。
浦肯野细胞起搏机制A；跨膜电位 B：由х闸门控制的Ik衰减以
及由у闸门控制的If，两者在形成起搏电位中的相对关系
这种4期内向电流，通常称为起搏电流，其主要离子成分为Na+ ，但也有K+参与。由于使它充分激活的膜电位为-100mV，因而认为，构成起搏内向电流的是一种被膜的超极化激活的非特异性内向（主要是是Na+）离子流，标志符号为If。If的通道允许Na+通过，但不同于快Na+通道，两者激活的电压水平不同；If可被铯（Cs）所阻断，而河豚毒却不能阻断它。目前，关于If及其通道的研究资料尚有若干不能充分予以解释的疑点，对If的进一步研究正受到心肌电生理学者们的高度关注。2．窦房结细胞的跨膜电位及其形成机制 窦房结含有丰富的自律细胞，动作电位复极后出现明显的4期自动去极，但它是一种慢反应自律细胞，其跨膜电位具有许多不同于心室肌快反应细胞和浦肯野快反应自律细胞的特征：
①窦房结细胞的最大复极电位（-70mV）和阈电位（-40mV）均高于（电位较正）浦肯野细胞。②0期去极结束时，膜内电位为0mV左右，不出现明显的极化倒转。③去极幅度（70mV）小于浦肯野细胞（为120mV）,而0期去极时程（7ms左右）却又比后者（1-2ms）长得多。原因是窦房结细胞0期去极速度（约10V/s）明显慢于浦肯野细胞（200-1000V/s），因此，动作电位升支远不如后者那么陡峭。④没有明显的复极1期和平台期。⑤4期自动去极速度（约0.1V/s）却比浦肯野细胞（约0.02V/s）要快,记录曲线上窦房结细胞4期膜电位变化的斜率大于浦肯野细胞.显示心室肌快反应细胞与窦房结细胞跨膜电位变化的差别。
窦房结细胞的直径很小，进行电生理研究有一定困难。直到70年代中期，才开始在窦房结小标本上采用电压钳技术对其跨膜离子流进行了定量研究，但目前尚未能充分阐明它的跨膜电位，尤其是4期起搏电流的离子基础。学者们观察到，窦房结细胞0期去极不受细胞外Na+浓度的影响，对河豚毒很不敏感；相反，它受细胞外Ca2+浓度的明显影响，并可被抑制钙通道的药物和离子（如异搏定、D-600和Mn2+等）所阻断。据此可以认为，引起窦房结细胞动作电位0期去极的内向电流是由Ca2+负载的。这种内向电流被称为第二内向电流；而引起快反应细胞（心室肌、心房肌和浦肯野细胞）0期去极的快Na+内流称为第一内向电流。根据已有的研究资料，可将窦房结细胞动作电位的形成过程描述如下：当膜电位由最大复极电位自动去极达阈电位水平时，激活膜上钙通道，引起Ca2+内向流（Ica），导致0期去极；随后，钙通道逐渐失活，Ca2+内流相应减少；另一方面，在复极初期，有一种K+通道被激活，出现K+外向流（Ik）。Ca2+内流的逐渐减少和K+外流的逐渐增加，膜便逐渐复极。由“慢”通道所控制、由Ca2+内流所引起的缓慢0期去极，是窦房结细胞动作电位的主要特征，因此，相应称为慢反应细胞和慢反应电位，以区别于前述心室肌等快反应细胞和快反应电位。
窦房结细胞的4期自动去极也由随时间而增长的净内向电流所引起，但其构成成分比较复杂，是几种跨膜离子流的混合。目前已知，在窦房结细胞4期可以记录到三种膜电流，包括一种外电流和两种内向电流，不过它们在窦房结细胞起搏活动中所起作用的大小以及起作用的时间有所不同。
（1） Ik通道的激活和逐渐增强所造成的K+外向流，是导致窦房结细胞复极的原因。
（2） Ik通道在膜复极达-40mV时便开始逐渐失活，K+外流因此渐渐减少，导致膜内正电荷逐渐增加而形成4期去极。目前认为，由于Ik通道的时间依从性逐渐失活所造成的K+外流进行性衰减，是窦房结细胞4期自动去极的最重要的离子基础；
窦房结动作电位和起搏电位的离子机制
A．跨膜电位 B.越膜电位C. 胞浆Ca2+浓度表示动作电位升支由Ica,
f构成，起搏电位 由Ik和If及Ina/Ca构成
(2)If：If是一种进行性增强的内向离子（主要为Na+）流，在浦肯野细胞起搏活动中，If起着极重要的作用，而Ik衰减的作用很小。与此恰相反，窦房结细胞4期虽也可记录到If ，但它对起搏活动所起的作用不如Ik衰减。实验证明，用Cs2+选择性阻断If后，窦房结自发放频率仅轻度减少；对家兔窦房结细胞4期净内向电流的总幅值而言，Ik衰减与If两者所起作用的比例为6：1。
If通道的最大激活电位为-100mV左右，而正常情况下窦房结细胞的最大复极电位为-70mV，在这种电位水平下，If通道的激活十分缓慢，这可能是If在窦房结4期去极过程中所起作用不大的原因。若窦房结细胞发生超级化时，If则可能成为起搏电流中的主要成分。
（3）此外，窦房结细胞4期中还存在一种非特异性的缓慢内向电流，在膜去极达-60mV时被激活，可见，它在自动去极过程的后1/3期间才起作用。这种缓慢内向电流可能是生电性Na+-Ca2+交换的结果（Na+-Ca2+交换时，心肌细胞排出一个Ca2+，摄入3个Na+，出/入细胞正电荷之比为2：3，形成内向电流）。
心肌细胞的类型 除按功能和电生理特性将心肌细胞分为工作细胞和自律细胞之外，还可以根据其生物活动的特征，特别是动作电位0期去极的速度，将心肌细胞分为快反应细胞和慢反应细胞，其动作电位相应称为快反应电位和慢反应电位；然后再结合其自律性，可将心肌细胞分为以下四种类型：
快反应非自律细胞：包括心房肌细胞和心室肌细胞；
快反应自律细胞：浦肯野自律细胞；
慢反应自律细胞：窦房结自律细胞，以及房结区和结希区的自律细胞；
慢反应非自律细胞：结区细胞。
心肌细胞的跨膜离子流 由多种离子通过细胞膜上的特异性或非特异性离子通道以及经离子交换转运形成的跨膜离子运动，是心肌细胞跨膜电位形成的基础。心肌细胞跨膜离子流的种类众多，性质很复杂，近年又取得许多进展。由于在实验研究中对这些离子通道的命名和认识比较混乱，甚至前后矛盾，故将目前比较肯定的主要几种离子流和通道的名称、存在的部位和作用归纳介绍如下：
1．内向离子流
（1）INa：称为快速Na+流，存在于快反应细胞，是引起快反应细胞0期去极的内向电流（称第一内向电流）的离子基础。
（2）Isi：称为缓慢内向电流，也称第二内向电流，过去认为它是一种由慢通道控制的缓慢Ca2+流，故标志为ICa，其功能是构成快反应细胞的平台期和慢反应细胞的去极期。新近的研究结果在很大程度上修正了对Ica的认识。目前认为，第二内向电流并不是单一的Ca2+流，而是由特性各异的三个组分所构成；第一组分称Ica.f，二、三组分别称Is1.2和Ica.s。其中①Ica.f是一种快速Ca2+ 流，其通道激活和失活的速度远比已往所认为的要快得多。它融合于快反应细胞Na+内流的最后部分，共同形成动作电位升支的上段，而对平台期的作用很小。它是慢反应细胞去极的离子基础。对工作细胞而言，肌浆网Ca2+再生性释放帅细胞外Ca2+进入胞浆触发的，既然Ica.f的激活十分迅速，那么Ca2+释放的触发有及兴奋－收缩耦联的启动速度都比以往认为的要快得多；②第三组分Ica.s，是一种较Ica.f微弱而缓慢的Ca2+流，主要作用是维持快反应细胞平台期；③Is1.2称第二内向电流第二组分，其离子本质不甚清楚，可能是Na+-Ca2+交换的生电电流，故也称为INa.Ca，在平台期起作用；慢反应自律细胞４期自动去极晚期也有它的作用。
(3)If：超极化激活的非特异性内向离子流，主要由Na+携带，存在于自律细胞4期。If是决定浦肯野快反应自律起搏活动的主要负离子流，而在窦房结慢反应自律细胞起搏活动中，其作用不如Ik衰减。
2．外向离子流
（1）Ikl：存在于快反应细胞，是决定快反应工作细胞静息电位的离子流，并在复极2期和3期起复极作用；
（2）Ik：这种外向电流主要由K+携带，但也有Na2+参加，不是单纯的K+流，故又称Ix，在快反应细胞复极3期起重要作用，故又称为复极电流，因而也决定着浦肯野细胞的最大复极电位；Ix也存在于慢反应自律细胞，促使膜复极，4期内呈进行性衰减，是形成4期去极的主要离子基础；
（3）Ito：是快反应细胞1期复极的离子流，离子成分主要为K+，也有Na+参与。
3．化学门控离子通道 近年相继证实，在心肌细胞膜上，除了电压门控通道外，还存在化学门控离子通道；它们的作用并不在于维持和产生正常跨膜电位（静息电位和动作电位），但对于心肌细胞活动的调节以及异常电活动的电生产有着特别重要的意义。重要的化学门控离子通道有以下三种；
（1）乙酰胆碱控制的K+通道（Ik-ACh）：早年曾认为ACh激活的是Ikl，近年发现是通过G蛋白激活开放了另一种与在生物物理学特性和生理学特性上均不相同的K+通道。
（2）ATP依从性K+通道（Ik-ATP）：ATP的作用并不是分解供能激活此通道，而是维持此通道在正常情况下处于关闭状态。当心肌细胞内ATP降到临界水平以下时（如心肌缺血时），此种特殊的K+通道开放。大量K+外漏以致缺血心肌细胞局部高钾而引起去极，诱发心律失常。硫脲类药物可阻断此通道。
（3）INa–k—Ca2+通道：是细胞内Ca2+增高时激活的一种非特异性正离子通道，载流离子是Na+和K+，形成一过性内向离子流（Iti）。实验表明，在某些情况下，浦肯野细胞在动作电位复极后可产生一种去极电位（延迟后去极电位），当它达阈电位时就可以诱发另一个新的动作电位，形成异位搏动。Iti就是延迟后去极电位的离子基础。洋地黄中毒，细胞外低K+或低Na+，以及咖啡因、儿茶酚胺等可引起细胞内Ca2+超负荷的因素，均可诱发或加强Iti和延迟后去极电位。
活组织的细胞不论在安静状态下还是在活动过程中均表现有电的变化，这种电变化是伴随细胞生命活动出现的，故称为生物电（bioelectricity）。细胞的生物电现象主要出现在细胞膜的两侧，因此把这种电位称为跨膜电位，其主要表现形式是细胞在安静时具有静息电位以及可兴奋的细胞在受到刺激时能产生动作电位。生物电是细胞实现各种功能活动的基础或关键。细胞兴奋的产生和传导、细胞间兴奋的传递、以及肌细胞的收缩和腺细胞的分泌活动，都与跨膜电位有直接关系。此外，不同组织的跨膜电位所产生的电场还是形成心电图、脑电图、胃电图及视网膜电图等的原因。
观察和记录组织或细胞的生物电话动的方法主要有两种。一种为细胞外记录法，是将测量电极置于细胞外或器官、组织上测量其生物电话动、心电图、脑电图、胃电图及神经纤维动作电位的观察、传导速度的测定等记录方法均属于细胞外记录。另一种为细胞内记录法，是用玻璃微电极插入细胞内，记录细胞内电位的变化。
一、细胞的静息电位及其产生机制
（一）有关电位的几个基本概念
静息电位：细胞在未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。静息电位都表现为膜内电位较膜外电位为负。不同种类细胞，其静息电位的数值一般也不相同。
极化状态：安静状态下细胞膜保持稳定的外正内负电位的状态。
去极化或去极: 静息电位向降低的方向（即膜内电位向负值减小的方向）变化,即极化状态减弱。
超极化：静息电位向升高的方向（即膜内电位向负值增大的方向）变化，即极化状态加强。
复极或复极化：细胞发生去极化或超极化后，再向静息电位的方向恢复的过程。
反极化：膜两侧的电位发生倒转，由外正内负反而变为外负内正。
（二）静息电位的产生机制
生物电主要是由于离子跨膜扩散而形成的，其要点如下：
1．细胞内外离子分布不均匀 通常细胞外液中Na+、Cl-的浓度比细胞内液的高，而细胞内液中的K+和带负电荷的蛋白质及其它有机阴离子比细胞外液的多。
造成细胞内外离子浓度分布不均匀的原因有：
①细胞代谢活动的需要。细胞内液的高钾，是细胞进行正常代谢活动的必要条件。钾在细胞内参与多种新陈代谢过程，与糖原和蛋白质合成有密切关系。细胞内一些与糖代谢有关的酶类必须有高浓度钾存在时才有活性。合成1g糖原需0.36~0.45mmol钾，合成1g蛋白约需30mmol钾。相反，细胞内不能有较多的Na+，因为水是弱极性分子，Na+和K+对水虽然都有亲和力，但其亲和力的大小与离子半径的平方成反比，Na+的半径只有K+的一半，故Na+对水的亲和力为K+的4倍。如果细胞内有大量的Na+，必然会有大量的水也随之进入细胞内，将会使细胞肿胀，甚致破裂。
②细胞膜上钠-钾泵的作用。它不断地将细胞内液中的Na+泵出细胞，而将细胞外液中的K+泵入细胞内，从而造成细胞内外的离子分布不均匀。
2．细胞膜的选择通透性 安静时细胞膜主要只对K+有通透性。K+主要经内向整流性钾通道（IKir）外流。细胞膜上的钾通道有多种类型，这种钾通道的特点是安静时开放，K+外流增强，有利于静息电位的形成；而在去极化时，细胞内的多胺或Mg2+进入该通道而使之发生部分堵塞，K+外流减弱，则有利于动作电位的产生。安静时细胞膜对其它离子（Na+、Cl-等）的通透性极低，对蛋白质负离子则几乎完全不通透。
3．静息电位接近于K+的平衡电位 K+顺着其浓度差向膜外扩散，而胞浆中的各种有机负离子如蛋白质、有机多磷酸盐、核苷酸等不能随K+透出胞外，因为细胞膜对它们没有通透性，它们只能在膜的内侧与K+隔膜相互吸引，形成膜外为正膜内为负的电位差。但这种电位差产生后又可阻止K+的进一步扩散，当两侧K+的电-化学梯度相等时，K+的跨膜净扩散量就会等于零，无K+向细胞外净扩散，细胞内外的电位差也就会稳定于一定水平上。这时的膜电位就是静息电位。由于静息电位主要是K+的跨膜移动达到电场力和化学浓度平衡时的电位值，所以又把它称为K+的平衡电位。
不难理解，静息电位的大小决定于K+外流量的多少，而K+外流的量又是由细胞内外K+的浓度差所决定的。因此，只要测出细胞内外的K+的浓度，K+的平衡电位就可以用Nernst公式计算出来：
EK=
式中Ek是K+平衡电位，R是气体常数，T是绝对温度，Z是离子价数，F是法拉第常数；式中只有[K+]0和[K+]i变数，分别代表膜外和膜内的K+浓度。如果把各常数的值代入公式，室温以37℃计算，上面的公式可简化为
Ek= log （V）
=0.595 log (V)=59.5log (mV)
人工改变细胞外液中的K+的浓度，可使静息电位发生相应改变，其改变值与Nernst公式计算出的数值基本一致。所以静息电位值基本上相当于K+的平衡电位。但是实际测得的静息电位的数值，一般都比根据膜内外的K+浓度用Nernst公式计算出来的理论值略低。这是由于细胞在安静时，膜实际上对Na+也有一定的通透性，细胞外液中的Na+仍有少量内流所造成的。
（二）静息电位的维持机理
1．钠内向背景电流 安静时细胞外液中的Na+可通过细胞膜上的微小缝隙而渗漏到细胞内，形成一种弱小而持续性的Na+电流（称为钠内向背景电流，INa.b），可使静息电位绝对值逐渐减小。
2．生电性Na+-K+泵外向电流 Na+-K+泵的活动产生的跨膜Na+、K+浓度梯度，是形成静息电位的前提条件之一；其次，生电性Na+-K+泵的活动，也是直接形成静息电位的因素之一。由于它每消耗一分子ATP，能泵出3个Na+而泵入2个K+，因此有净的正电荷外流，可使神经纤维膜的静息电位增-3mV~-5mV；在心肌细胞可达—10mV；在胃肠平滑肌可使其静息电位增加-10mV~-20mV。第三，Na+-K+泵也是维持静息电位的必要条件。它不断地将内漏的Na+泵出细胞，将外逸的K+泵入细胞内，从而维持了静息电位。如果用哇巴因抑制Na+-K+泵的活动，则静息电位值将会不断地减小。
(三) 静息电位的生理意义及其影响因素
1．静息电位的生理意义
（1）静息电位是产生兴奋的基础 静息电位所造成的跨膜电位梯度和Na+、Ca2+等离子通道处于备用状态，可由于刺激而产生动作电位或兴奋。因此 ，可以把静息电位看作是一种势能（或潜能）贮备，其所发生的动能表现为动作电位，因此静息电位是动作电位或兴奋的基础。
（2）静息电位影响动作电位兴奋功能的质量
①心脏窦房结起搏细胞的最大复极电位只有-70mV，因此膜上的电压依从性钠通道将处于持续性失活状态，其动作电位的产生只能由Ca2+缓慢内流而产生，称为慢反应电位。
②胃肠平滑肌细胞的静息电位也较低（只有-65mV～-55mV），因此其动作电位的产生也只能是由Ca2+缓慢内流而产生，故其兴奋性较低。
③在心肌细胞，当静息电位减少时，其动作电位的去极化幅度和速度将会降低（量变），如果静息电位过低（例如低于-70mV），则电压依从性钠通道失活，快反应电位将会转变为慢反应电位（质变）。代谢障碍而导致细胞能量缺乏时，静息电位减小，动作电位和兴奋功能也会随之减弱或消失。与此同时，心肌细胞动作电位幅度降低，对邻近未奋部位的刺激作用减弱，兴奋传导速度也会减慢。
④在中枢神经系统内，一个兴奋性神经元的轴突末梢在其它神经元的刺激作用下发生了部分去极化，使其静息电位值减小，如果在此基础上发生兴奋，其产生的动作电位幅度就会减小，轴突末梢释放的兴奋性递质将会减少，突触后神经元产生的兴奋性突触后电位的幅度就会减小，突触后神经元就会难以兴奋，这就是突触前抑制产生的机理之一。
（3）静息电位发生波动是产生自律性的基础
①心脏浦肯野细胞动作电位复极化4期，由于起搏电流If 激活而使膜发生自动去极化，如果去极化达阈电位，膜上的钠通道就会大量开放，Na+大量内流而产生一个新的动作电位。
②心肌窦房结起搏细胞动作电位复极4期，一种钾电流（IK）自动衰减，加上钙电流（Ica）、If及其它内向电流的活动，也发生快速的自动去极化。
③胃肠平滑肌细胞膜上的Na+-K+泵的活动可发生周期性减弱，因此，其静息电位不稳定而发生自动去极化，产生慢波。如果去极化一旦达到阈电位，膜上的钙通道大量开放，Ca2+大量内流而产生动作电位。
2.影响静息电位的因素
(1) K+外流 IKir是形成静息电位的主要离子流，K+外流的动力是细胞内外的K+浓度差，K+外流的多少主要受细胞内、外K+浓度差的影响。因此，当细胞外液中K+浓度升高时，细胞内外之间的K+浓度差减小，IKir减小，静息电位值减小，细胞膜将会发生去极化。而当细胞外液中K+浓度降低时，则相反，将会发生超极化（图2-12）。但在心肌细胞有所不同，低血钾时，IK1（相当于神经细胞膜上的IKir）也减小（其机理不明）而导致膜去极化。在心脏窦房结起搏细胞，由于IK1通道极少，故其最大复极电位（相当于静息电位）值较小。
(2) 钠内向背景电流 在心脏窦房结起搏细胞，钠内向背景电流较强，这也是其最大复极电位值较小的原因之一。在胃肠平滑肌细胞，钠内向背景电流也很强，故其静息电位值也较小。
(3) Na+-K+泵的活动 当细胞缺血、缺氧、酸中毒（H+浓度增高）等造成细胞代谢活动抑制时，ATP生成不足，Na+-K+泵的活动减弱或停止活动，则静息电位将会减小甚致消失。在胃肠平滑肌细胞，Na+-K+泵的活动可以自动地发生周期性减弱，膜电位发生去极化而形成慢波电位——基本电节律。
二、动作电位及其产生机制
（一）动作电位的概念及波形
动作电位（action potential）是指可兴奋细胞受到一个阈刺激或阈上刺激时，膜电位在静息电位的基础上产生一个迅速、可逆、可传导的电位变化。
锋电位（spike potential）
后电位(afterpotential)：有负后电位和正后电位。负后电位的内负外正的电位差小于静息电位值，正后电位负值则大于静息电位值。严
（二）动作电位的产生机制
神经纤维动作电位波形可分为去极期（动作电位升支）、复极期（动作电位降支）和完全恢复期（后电位期）三个时相。
1．去极期 当细胞膜受刺激而去极达一定程度（阈电位）时，膜上的电压门控钠通道大量开放，Na+顺电-化学梯度内流，使膜电位进一步去极，又激发更多的钠通道开放，引起更多的Na+内流，形成了一个正反馈系统，使Na+内流迅速增多，使膜不断地去极。同时，内向整流性钾电流随膜的去极而衰减，K+外流暂时减少，从而导致膜电位迅速去极和倒极化。Na+内流所形成的膜内正电场对Na+的继续内流产生排斥力，当Na+浓度梯度促使Na+内流的扩散力与电位梯度所造成的阻止Na+内流的排斥力相等时，Na+内流停止，膜内外的电位差就达到其峰值，其数值相当于Na+的平衡电位。
2．复极期 由于钠通道开放的时间很短暂，开放后迅速失活而关闭，Na+内流停止。在去极时，有一种延迟整流性钾通道（IK）被激活，延迟2~3ms后才开放，这种延迟开放，也有利于动作电位去极化的形成。IK开放后，K+又在浓度差和电位差的推动下迅速向膜外流动，使膜内电位负值迅速增大，直至恢复到静息状态时的水平。所以动作电位的下降支（复极过程）主要是K+外流所形成的。
3．完全恢复期（后电位期） 后电位期包括负后电位期和正后电位期，负后电位紧接于锋电位的下降支之后，膜电位比静息电位小，其产生的原因是在复极时迅速外流的K+蓄积在膜外附近，暂时阻碍了K+外流的结果。在负后电位后出现的轻度超极化电位，称为正后电位，其前半部分是由于K+过度外流所致，其后半部分则主要是由于生电性钠-钾泵的活动加强所致。每次动作电位期间进入细胞内的Na+可使膜内Na+浓度增加约八万至十万分之一，复极时K+外流量也大致相当。这种微小的变化足以激活膜上的钠-钾泵。钠-钾泵每次活动泵出的Na+较多，收回的K+较少，造成了膜的轻度超极化。后电位完结后，膜电位和膜内外的Na+、K+分布都恢复到静息状态时的水平，细胞的兴奋性也恢复正常。
三、兴奋的引起和局部兴奋
（一）刺激引起兴奋的条件
可兴奋细胞兴奋的标志是产生动作电位。刺激使细胞产生兴奋，一方面取决于内因——细胞本身所具有正常的机能状态；另一方面取决于外因——有效的刺激。有效刺激通常包括三个参数，即具有一定的刺激强度、一定的持续时间和刺激强度-时间变化率。
1．刺激强度 能引起动作电位的最小刺激强度称为阈强度或阈值（shreshold）。比阈值大的刺激称为阈上刺激，比阈值小的刺激称为阈下刺激。单个的阈下刺激只能使细胞膜发生轻度的去极化，随即被当时维持K+平衡电位的K+外流所抵消，不能进而引起动作电位。单个的阈上刺激或阈刺激能使细胞膜去极化达阈电位，膜上开放的钠通道数量多，通过再生性循环，形成Na+内流与去极化的正反馈，使膜去极化迅速发展而产生动作电位。
2．刺激强度的变化率 钠电流是一个正反馈过程，电压门控钠通道的激活和失活都很快。如果刺激强度的变化率很小，只能使膜电位缓慢去极化时，钠通道开放的同时亦部分失活，激活开放的钠通道数量少，就不能使膜快速去极化而产生动作电位。
3．刺激作用的时间 刺激应持续一定的时间才能引起兴奋。这主要是因为膜电容特性而造成的。当电流依电压方向产生时，膜电容（需要充电）会使膜电流产生的去极化有一定滞后。如果向细胞内注入矩形去极化电流，产生的电位变化则需要一段时间（﹤0.2ms）才能达到预定值。如果刺激时间太短，则不会发生兴奋。临床上采用高频电脉冲（如10KHz以上）时，由于每一次刺激的时间过短，不会使神经细胞兴奋，但可使局部温度升高而达到治疗作用（热疗）。给病人进肌肉注射，采取“两快一慢”的方法，可以减轻病人的疼痛。“两快”（进针快，退针快）缩短了刺激持续时间；“一慢”(注药慢)降低了刺激的变化率，减弱了刺激作用，从而可以减轻病人的痛苦。
（二）刺激的极性法则
给一段神经轴突通以电流刺激时，膜电位可因接受细胞外电流的作用而发生变化，当两个与直流电源相连接的电极与神经接触时，电流可以从正极通过膜外的溶液流到负极，也可从正极处流入膜内，在膜内通过胞浆流向负极处，再从膜内流出膜外而达负极。通电时，在正极处，电流的方向是由膜外流向膜内，即在正极处存在内向刺激电流；而负极则相反，为外向刺激电流。内向刺激电流在膜上造成的电压降与膜固有的极化状态（内负外正）是一致的，结果使膜发生超极化；外向刺激电流则造成膜两侧产生内正外负的电压降，与原有膜电位的方向相反，使膜发生去极化。所以两电极都处于膜外时，通电时兴奋首先发生在负极处，而正极处则不能引起兴奋。这种现象可称为刺激的极性法则。
（三）阈电位
阈电位(threshold potential)是使去极化突然转变为锋电位时的最小膜电位水平，也就是能使钠通道突然大量开放产生动作电位的临界膜电位数值。一般可兴奋细胞的阈电位大约比静息电位的绝对值小10~20mV。不论是什么刺激，只要能使静息电位减小到阈电位水平，就能诱发出动作电位。因此，我们可以把阈强度或阈值理解为刚好能使静息电位减小到阈电位时的最小刺激强度。而阈下刺激则是还不足以使静息电位降至阈电位的刺激，因而不能引起动作电位。阈电位是一个十分重要的概念，它与细胞的兴奋性有关。凡是能使静息电位减小，使之与阈电位更接近的因素，都能升高细胞的兴奋性；反之，凡是能使静息电位增大（超极化），使之与阈电位的差距加大的因素，都能降低细胞的兴奋性。
引起动作电位的关键在于能否使静息电位减小到阈电位水平，与导致这种减小的手段或刺激方式无关。阈电位是产生动作电位的“燃点”，阈电位对动作电位的产生只起触发作用，而动作电位本身并不受刺激性质和刺激强度的影响。也就是说，产生动作电位的能量来源于细胞自身而不是来源于刺激。不论何种性质的刺激，如果它达不到阈强度就不能引起动作电位；而达到或超过阈强度的刺激，在同一细胞上所引起的动作电位都是一样的。即动作电位的波形、幅度和传导速度不随刺激强度的增大而变化。
（四）局部兴奋及其特点
刺激电流作用于可兴奋细胞膜时，在细胞膜上所记录到的电位，可能有3种成分：①电紧张电位。这完全是由膜的被动电学特征及所加的电流性质及大小所决定的，不论所加电流多大或多小，电紧张电位总是有的；②局部电位（或局部兴奋）。这是细胞接受一定量的电流（至少为阈值的50%以上）后所发生的膜的电性质变化所引起的；③动作电位。这是由阈刺激或阈上刺激时才引起的一种全或无式的反应（其产生机制已于前述）。
1．电紧张电位
电流流过可兴奋细胞膜时，在细胞膜上扩散，沿细胞膜引起的电位变化，称为电紧张电位。因为细胞膜具有电缆特点，有膜电阻和膜电容。给予一个方波刺激时，刺激电流通过膜电阻对膜电容充电，使膜电位逐渐增大，经历一段时间才能达到最大值；停止刺激时，膜电容又通过膜电阻放电，使膜电位的变化经历一段时间才能降到零。电紧张电位在向邻近部位传播时，随着时间的推移和距离的延长而迅速衰减并消失。因此扩布的距离很短，仅数毫米。电紧张电位可能是去极化电位，也可能是超极化电位。如前所述，当通过细胞外电极给予刺激时，负极下面的细胞膜会产生去极化型电紧张电位，而正极下面的细胞膜则产生超极化电紧张电位。在理论上，同样强度的刺激所引起的去极化电紧张电位和超极化电紧张电位的幅度和时程应该是相同的。但这只是在刺激强度较小时（为阈刺激的一半以下）时是正确的。电紧张电位完全是细胞膜的被动电学电位。
2．局部兴奋及其特点
当给予细胞膜一个较强的阈下刺激（大于阈刺激的一半时），它所引起的去极化电紧张电位往往大于同样刺激强度所引起的超极化电紧张电位。这是因为细胞膜发生较大程度的去极化时，使膜上一部分电压门控的钠通道被激活开放，引起少量Na+内流。细胞膜的主动反应与膜的被动电紧张电位发生叠加。这种叠加后形成的电位变化称为局部电位。局部兴奋中少量钠通道开放所形成的膜去极化，很快被外流的K+电流所抵消，因而不能进一步发展，但是钠通道的开放是电压依赖性的，膜的去极化程度越大，钠通道开放的概率和Na+内向电流就越大。
与动作电位相比较，局部兴奋和电紧张电位的共同特征是：
①分级性反应。反应的幅度随阈下刺激强度的增加而增大，不表现为“全或无”的特征。
②衰减性扩布。电紧张电位或局部反应随着时间和距离的延伸迅速减小而消失，扩布的范围不到几毫米。不能进行远距离的不衰减性扩布。
③可总和性。即局部反应是可以叠加的，只要相互在彼此的电紧张扩布的范围内就可以产生叠加或总和，称为空间总和（spatial summation）；连续发生的局部反应，当频率较高时，后一次反应可以在前一次反应尚未消失的基础上发生叠加，这种形式的总和称为时间总和（tempral summation）。总和现象对于同时接受或多处接受多个信号刺激的感受器、神经细胞等具有重要意义。除了阈下刺激能产生局部电位外，终板电位、感受器电位（或发生器电位）以及突触后电位（包括兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位）都属于局部电位，都具有上述局部电位的特征。
四、神经纤维兴奋性的周期性变化及其机制
（一）神经纤维兴奋后兴奋性的变化
当神经纤维发生兴奋后，其兴奋性将发生一系列有顺序性的变化，然后才恢复正常。这一特性可以影响它们对后继刺激的反应能力。
绝对不应期
相对不应期
超常期
低常期
神经纤维兴奋后其兴奋性发生周期性变化的主要原因与Na+通道的性状有关。
（二）电压门控钠通道的结构与特性
在神经细胞、骨骼肌细胞及绝大部分心肌细胞等可兴奋组织，其动作电位的产生都主要是由于电压门控钠通道开放、Na+内流而引起的。因此研究钠通道的结构与特性，有助于我们深入认识生物电现象。
1．电压门控Na+通道的结构
Na+通道是一种糖蛋白，分子量为260~280 kD。由一个α亚单位和2个β亚单位组成，其中α亚单位是形成孔道的单位。α亚单位由4个结构域组成，每个结构域含有6个跨膜肽段，其中S5、S6构成通道的内壁，S4带少量正电荷，构成通道的闸门之一，并且是通道的电压传感器。Na+通道洞口内、外两侧比较宽大，中间狭窄处的口径约为0.3×0.5nm。Na+通道的外口附近有能与河豚毒相结合的位点，它们与该结合位点结合后可以从膜的外侧面堵塞Na+通道，因此河豚毒是Na+通道的特异性阻断剂。Na+通道的内口附近有能与局麻药、抗心律失常药及抗癫痫药相结合的位点，这些药物能从膜的内侧面阻断Na+通道。Na+通道有两道闸门，即激活闸门和失活闸门，激活闸门带有少量正电荷，是电压感受器。Na+通道具有“备用”、“激活”和“失活”三种状态。Na+通道处于备用状态时，是关闭的，不允许Na+通过，但接受适当刺激后，可以被激活而开放；Na+通道处于激活状态时，是开放的，允许Na+内流；Na+通道处于失活状态时，是关闭的，施加刺激后亦不能开放。只有先恢复到备用状态时，才能再次接受刺激而开放。
2．Na+通道的特性
（1）选择通透性：Na+通道对Na+的通透性最大，其它的阳离子难以通过。这与通道的口径及通道中所带的电荷情况有关。
（2）电压依从性
①受膜电位的影响而开放。只有当细胞膜去极化达到一定程度时，Na+通道才能被激活而开放，允许Na+内流。能使膜上Na+通道大量开放，Na+内流而产生动作电位的临界膜电位，就是我们通常所说的阈电位，大约为—60mV~—70mV。
②Na+通道失活后恢复到备用状态也依赖于膜电位的恢复（复极化）。如果膜复极化程度小（例如小于—55mV），则Na+通道不能由失活状态恢复到备用状态；膜电位复极化的程度越大，由失活状态恢复到备用状态的Na+通道的数量就越多。可见，细胞的兴奋性变化的各种不应期主要与Na+通道恢复的情况有关。
③易受局部电场力的影响。一般细胞膜外表面都有一层由带负电荷的唾液酸残基组成的细胞外衣，它们所带的电荷可称为膜固有电位，其作用是能使Na+通道易于开放。因为Na+通道的激活闸门带有少量正电荷，膜固有电位（带负电）可吸引激活闸门，使之容易向膜外侧面开放。而这些带负电荷的唾液酸残基对Ca2+的亲和力很强，常与Ca2+相互作用。因此Ca2+在细胞膜外衣层中的浓度较高，其Ca2+所带电荷能中和膜的固有电位，故可将Ca2+形成的电位称为中和电位。当细胞外液中Ca2+浓度升高时，细胞受刺激时Na+通道将不易开放，表现为阈电位上移，细胞的兴奋性将会降低。通常把Ca2+抑制Na+内流的这种作用称为膜屏障作用。反之，低钙时，细胞的兴奋性将会升高。
（3）时间依从性：
①开放时间短。由于Na+通道有双重闸门（激活闸门和失活闸门），只有当激活闸门开放而失活闸门尚未关闭的一瞬间（大约1ms），才能允许Na+内流。因此动作电位的去极化期持续的时间很短。
②钠通道必须由失活状态恢复到备用状态才能再次激活开放。钠通道由失活状态恢复到备用状态的数量及时间，就是细胞兴奋性变化的各种不应期产生的基础。
五、兴奋的传播
细胞膜某处接受刺激而产生动作电位后，它不会只停留在该处不动，而是立即沿着细胞膜迅速向周围传播，使整个细胞膜都依次发生一次动作电位。这种兴奋亦可通过受刺激的细胞传向机体内与之相邻的细胞，使后者亦发生兴奋。
（一）兴奋在同一细胞上的传播
兴奋的传导实际上是膜依次连续产生动作电位的过程。在细胞受刺激而兴奋时，该部位发生膜电位的倒转，即由外正内负变为外负内正，而邻近未兴奋部位的膜电位仍然是外正内负。因此在兴奋部位与未兴奋部位之间就会出现带电离子的移动，称为局部电流（local current）。其流动方向在膜外是由未兴奋部位流向巳兴奋部位，在膜内则是由巳兴奋部位流向未兴奋部位。局部电流可使邻近部位的膜电位降低（去极化），当去极化达阈电位时，该部位的钠通道大量开放，Na+迅速内流就产生动作电位（兴奋）。接着这个新的兴奋部位通过局部电流的刺激作用，又引起相邻的未兴奋部位产生动作电位。以此方式，动作电位就能沿着细胞膜依次连续传遍整个细胞膜。可见，局部电流对未兴奋部位的膜有刺激作用。由于动作电位的上升支幅度大，速度快，而且细胞内、外液的导电性能好，所以局部电流的刺激常可超过阈强度数倍以上（为阈上刺激），它足以能刺激邻近膜去极化达阈电位而产生动作电位。因此，动作电位的传导是可靠的，一般不会出现中断现象。另外，由于传导的形式是膜依次产生动作电位，而动作电位的幅度不会随传导距离的延长而减小，即传导不会发生衰减，使传导的的信息不失真，这也是兴奋的“全或无”现象的另一种表现形式。
心肌细胞、骨骼肌细胞和无髓鞘神经纤维的兴奋传导都遵循以上原理。但是，有髓鞘神经纤维的传导形式有所不同。因为有髓神经纤维外包裹着一层层不导电、又不让离子通透的髓鞘，动作电位只能在无髓鞘的朗飞结处产生。局部电流也只能发生在相邻的朗飞结之间（即一种较远距离的局部电流）。因此，上一个朗飞结处的动作电位可以通过这种较远距离的局部电流直接使下一个朗飞结爆发动作电位。这个过程延续下去，就表现为兴奋在一个个朗飞结处的跳跃式传导。这种跳跃式传导的速度必然快于非跳跃式的传导，而且是一种更“节能”的传导方式。
因此，动作电位具有瞬时性、极化反转、脉冲式、全或无现象和不衰减性传导等特征。
六、动作电位的生理意义
1．动作电位是各种可兴奋细胞兴奋时的共同表现，也是兴奋产生和兴奋传导的客观标志，可以根据动作电位能否出现来判断组织兴奋性的有无，根据引起动作电位所需刺激强度的大小可衡量兴奋性的高低。
2．动作电位是体内信息传递的重要方式之一。动作电位是引起肌肉收缩、腺体分泌、神经递质释放等其它生理过程的先导。
3．临床上常用的心电图、肌电图、胃电图等，均与相应器官或组织的动作电位活动有关。
II．几种重要的生物电实例
一、神经肌肉接头处的兴奋传递
兴奋在同一个细胞上的传播通常称为传导。兴奋通过神经末梢释放某种神经递质为中介，以重新引起突触后另一个细胞兴奋的传播则称为传递。当动作电位沿着神经纤维传导到神经末梢时，轴突末梢的电压依从性钙通道开放，Ca2+顺着电位差进入末梢的轴浆内。在Ca2+的作用下，轴浆的粘稠度降低，同时也消除了接头前膜的负电荷，从而促使囊泡向接头前膜移动，并与之接触、融合、破裂，释放出神经递质乙酰胆碱到接头间隙。每个囊泡中所含的乙酰胆碱的量是恒定的，并且一旦释放，便会倾囊而出，以囊泡为基本单位成批地放出来，称之为量子式释放。乙酰胆碱越过接头间隙，扩散到终板膜，与该处的N2型乙酰胆碱受体结合成乙酰胆碱-受体复合物。此复合物使终板膜上的化学依从性非特异性阳离子通道开放。这种通道的横截面积较大，主要让Na+通过（内流），K+也可少量通过（外流），结果使终板膜内侧的正电荷增加，静息电位值减小，即终板膜局部去极化。这—电位变化称为终板电位。终板电位属于局部电位，它具有局部电位的特点，即具有等级性，即终板电位的大小与乙酰胆碱的释放量呈正变关系；终板电位可以总和，并能以电紧张的形式向周围肌膜作短距离扩布 。当肌膜的静息电位由于终板电位的刺激而去极化到该处膜的阈电位水平时，肌膜上的电压依从性Na+通道大量开放，Na+迅速内流而爆发一次肌膜动作电位。此动作电位沿着整个肌膜作不衰减性传导，再通过“兴奋-收缩耦联”，引起肌细胞出现一次机械收缩，从而完成神经纤维与肌细胞之间的信息传递。乙酰胆碱发挥作用后就被终板膜上的胆碱酯酶水解破坏。在正常情况下，一次神经冲动释放的乙酰胆碱所引起的终板电位大约超过引起肌细胞动作电位所需阈值的3~4倍。因此，神经肌肉接头处兴奋的传递在正常时是可靠的，而且是按1：1的比例进行的。
与兴奋在神经纤维上传导相比较，神经-肌肉接头处信息传递过程具有以下特点：
①单向性传递。即信息只能由接头前膜传向接头后膜而不能反向传递。这是因为乙酰胆碱只存在于神经末梢的囊泡中和乙酰胆碱受体只存在于接头后膜的缘故。
②时间延搁。指兴奋在此处传递耗时较长，大约需要0.1~1.0ms。时间延搁的产生与递质的合成、释放及与受体结合等需要耗费较多时间有关。
③保持一对一的传递关系。如前所述，每一次动作电位所诱发的乙酰胆碱释放量足以引起一次肌肉兴奋，随后乙酰胆碱又被胆碱酯酶及时水解清除。
④易受环境因素和药物的影响。各种因素可以通过影响乙酰胆碱的释放、与受体的结合及降解等环节而影响兴奋在神经-肌肉接头的传递过程。
影响神经-肌肉接头兴奋传递的因素
影响环节 代表性药物或疾病 作用机理
影响乙酰胆碱的释放 细胞外Mg2+浓度增高 与Ca2+竞争，使Ca2+内流减少，递质释放量减少
细胞外Ca2+浓度降低 Ca2+内流减少，递质释放减少
肉毒中毒 肉毒毒素抑制递质释放
肌无力综合征 自身免疫性抗体破坏了神经末梢的钙通道
影响递质与受体的结合 重症肌无力 自身免疫性抗体破坏了终板膜上的N2受体通道
筒箭毒 阻断终板膜上的N2受体通道
影响乙酰胆碱的降解 新斯的明
有机磷农药
碘解磷定 抑制胆碱酯酶活性
抑制胆碱酯酶活性
使被抑制了的胆碱酯酶的活性恢复
二、心肌细胞的生物电现象
（一）工作细胞的跨膜电位及其形成机制
1．静息电位和动作电位人和哺乳动物的心室肌细胞和骨骼肌细胞一样，在静息状态下膜两侧呈极化状态，膜内电位比膜外电位约低90mV，但两者的动作电位有明显不同。骨骼肌细胞动作电位的时程很短，仅持续几个毫秒，复极速度与去极速度几乎相等，记录曲线呈升支和降支基本对称的尖锋状。心室肌细胞动作电位的主要特征在于复极过程比较复杂，持续时间很长，动作电位降支与升支很不对称。通常用0、1、2、3、4等数字分别代表心室肌细胞动作电位和静息电位的各个时期。
（1）去极过程：又称0期。在适宜的外来刺激作用下，心室肌细胞发生兴奋，膜内电位由静息状态下的-90mV迅速上升到+30mV左右，即肌膜两侧原有的极化状态被消除并呈极化倒转，构成动作电位的升支。去极相很短暂，仅占1-2ms，而且去极幅度很大，为120mV；可见，心室肌细胞的去极速度很快，膜电位的最大变化速率可达800-1000V/s。
（2）复极过程：当心室细胞去极达到顶峰之后，立即开始复极，但整个复极过程比较缓慢，包括电位变化曲线的形态和形成机制均不相同的三个阶段：
1期复极：在复极初期，仅出现部分复极，膜内电位由+30mV迅速下降到0mV左右，故1期又称为快速复极初期，占时约10ms。0期去极和1期复极这两个时期的膜电位的变化速度都很快，记录图形上表现为尖锋状，故在心肌细胞习惯上常把这两部分合称为锋电位。
2期复极：当1期复极膜内电位达到0mV左右之后，复极过程就变得非常缓慢，膜内电位基本上停滞于0mV左右，细胞膜两侧呈等电位状态，记录图形比较平坦，故复极2期又称为坪或平台期，持续约100-150ms，是整个动作电位持续时间长的主要原因，是心室肌细胞以及其它心肌细胞的动作电位区别于骨骼肌和神经纤维的主要特征。
3期复极；2期复极过程中，随着时间的进展，膜内电位以较慢的速度由0mV逐渐下降，延续为3期复极，2期和3期之间没有明显的界限。在3期，细胞膜复极速度加快，膜内电位由0mV左右较快地下降到-90mV，完成复极化过程，故3期又称为快速复极末期，占时约100-150ms 。
4期：4期是膜复极完毕、膜电位恢复后的时期。在心室肌细胞或其它非自律细胞，4期内膜电位稳定于静息电位水平，因此，4期又可称为静息期。
2．形成机制与骨骼肌一样，离子在细胞膜两侧不均匀分布所形成的浓度梯度（浓度差）、驱动相应离子经过当时开放的细胞膜上特殊离子通道的跨膜扩散，是心肌细胞跨膜电位形成的主要基础，只是由于心肌细胞膜上具有数目较多的离子通道，跨膜电位形成机制中涉及的离子流远比骨骼肌要复杂得多。在电生理学中，电流的方向以正离子在膜两侧的流动方向来命名，正离子外流或负离子内流称外向电流，正离子内流或负离子外流称内向电流。外向电流导致膜内电位向负电性转化，促使膜复极，内向电流导致膜内电位向正电性转化，促使膜去极。
心肌细胞中各种主要离子的浓度及平衡电位值
离 子 浓度（mmo1/L）
细胞内液 细胞外液 内/外比值 平衡电位（mV）
(由Nernst公式计算)
Na+ 30 140 1:4,6 +41
K+ 140 4 35:1 -94
Ca2+ 10-4 2 1:20,000 +132
CI- 30 104 1:3.5 -33
去离子跨膜扩散之外，由细胞上离子泵所实现的离子主动转运和离子交换，在心肌细胞电活动中也占有重要地位。
心室肌细胞静息电位的形成机制与骨骼肌相同，也就是说，尽管肌膜两侧上述几种离子都存在有浓度梯度，但静息状态下肌膜对K+的通透性较高，而对其它离子的通透性很低，因此，K+顺其浓度梯度由膜内向膜外扩散所达到的平衡电位，是静息电位的主要来源。
肌膜钠通道的大量开放和膜两侧浓度梯度及电位梯度的驱动从而出现Na+快速内流，是心室肌细胞0期去极形成的原因。进一步对整个去极过程进行分析就可以看到，与骨骼肌一样，在外来刺激作用下，首先引起部分电压门控式Na+通道开放和少量Na+内流，造成肌膜部分去极化，膜电位绝对值下降；而当膜电位由静息水平（膜内-90mV）去极化到阈电位水平（膜内-70mV）时，膜上Na+通道开放概率明显增加，出现再生性Na+内流，于是Na+顺其浓度梯度和电位梯度由膜外快速进入膜内，进一步使膜去极化，膜内电位向正电性转化。决定0期去极的Na+通道是一种快通道，它不但激活、开放的速度很快，而且激活后很快就失活，当膜去极到一定程度（omV左右）时，Na+通道就开始失活而关闭，最后终止Na+的继续内流。快Na+通道可被河豚毒（TTX）所阻断。由于Na+通道激活速度非常之快，又有再生性循环出现，这就是心室肌细胞0期去极速度很快，动作电位升支非常陡峭的原因。正因为如此，从电生理特性上，尤其是根据0期去极的速率，将心室肌细胞（以及具有同样特征的心肌细胞）称为快反应细胞，其动作电位称为快反应电位，以区别于以后将要介绍的慢反应细胞和慢反应电位。
复极1期是在0期去极之后出现的快速而短暂的复极期，此时快钠通道已经失活，同时激活一种一过性外向电流（Ito），从而使膜迅速复极到平台期电位水平（0～-20mV）。至于Ito的离子成分，70年代曾认为是Cl-（即Cl-内流）。近年来，根据Ito可被四乙基铵和4-氨基吡啶等K+通道阻滞剂所阻断的研究资料，认为K+才是Ito的主要离子成分。也就是说，由K+负载的一过性外向电流是动作电位初期快速复极的主要原因。目前对Ito的通道特征尚不十分清楚，但有资料提示，膜去极和细胞内Ca2+都可以使Ito的通道激活。
平台期初期，膜电位稳定于0mV左右，随后才非常缓慢地复极。膜电位的这种特征是由于平台期同时有内向电流和外向电流存在，初期，两种电流处于相对平衡状态，随后，内向电流逐渐减弱，外向电流逐渐增强，总和的结果是出现一种随时间推移而逐渐增强的、微弱的外向电流，导致膜电位缓慢地向膜内负电性转化。电压钳研究结果表明，在心室肌等快反应细胞，平台期外向离子流是由K+携带的（称Ik1）。静息状态下，K+通道的通透性很高，在0期去极过程中，K+的通透性显著下降，K+外流大大减少，去极相结束时，K+的通透性并不是立即恢复到静息状态下的那种高水平，而是极其缓慢地、部分地恢复，K+外流也就由初期的低水平而慢慢增加。平台期内向离子流主要是由Ca2+(以及Na+)负载的。已经证明，心肌细胞膜上有一种电压门控式的慢Ca2+通道，当膜去极到-40mV时被激活，Ca2+顺其浓度梯度向膜内缓慢扩散从而倾向于使膜去极，与此同时，上述微弱的K+外流倾向于使膜复极化，在平台期早期，Ca2+的内流和K+的外流所负载的跨膜正电荷时相等，膜电位稳定于1期复极所达到的电位水平。随着时间推移，Ca2+通道逐渐失活，K+外流逐渐增加，其结果，出膜的净正电荷量逐渐增加，膜内电位于是逐渐下降，形成平台期晚期。此后，Ca2+通道完全失活，内向离子流终止，外向K+流进一步增强，平台期延续为复极3期，膜电位较快地回到静息水平，完成复极化过程。
心室肌细胞跨膜电位及其形成的离子机制
RMP：静息膜电位 TP ：阈电位
肌膜上有Ca2+通道，是心室肌细胞和其它心肌细胞的重要特征。大量研究表明：①从一个心肌细胞的总体而言（不是从单个通道而言），Ca2+通道的激活、失活，以及再复活所需时间均比Na通道要长，经 Ca2+通道跨膜的Ca2+内流，起始慢，平均持续时间也较长。因此相应称为慢通道和慢内向离子流；②慢通道也是电压门控式的，激活慢通道的阈电位水平（-50～-35mV）高于快Na通道（-70～-55mV）；③它对某些理化因素的敏感性和反应性不同于快通道，可被Mn2+和多种Ca2+阻断剂（如异博定，D-600等）所阻断，而对于可以阻断快通道的河豚毒和细胞膜的持续低极化状态（膜内电位-50Mv左右）却并不敏感。各种心肌细胞的肌膜上都具有这种慢通道，由此形成的跨膜离子流，是决定心肌细胞电活动以及心室肌等快反应细胞动作电位平台期的最重要的内向离子流之一。
平台期之后，膜的复极逐渐加速，因此时Ca2+通道已经失活，在平台期已经激活的外向K+流出现随时间而递增的趋势。其原因是，3期的复极K+流是再生性的，K+的外流促使膜内电位向负电性转化，而膜内电位越负，K+外流就越增高。这种正反馈过程，导致膜的复极越来越快，直至复极化完成。
在4期内，心室肌细胞膜电位基本上稳定于静息电位水平，但是，离子的跨膜转运仍然在活跃进行。因为，动作电位期间有Na+和Ca2+进入细胞内，而K+外流出细胞，因此，只有从细胞内排出多余的Na+和Ca2+，并摄入K+才能恢复细胞内外离子的正常浓度梯度，保持心肌细胞的正常兴奋性。这种离子转运是逆着浓度梯度进行的主动转运过程。像骨骼肌一样，通过肌膜上Na+-K+泵的作用，将Na+的外运和K+的内运互相耦联形成Na+-K+转运，同时实现Na+和K+的主动转运。关于主动转运Ca2+的转运机制，还没有完全弄清楚。目前大多数作者认为，Ca2+的逆浓度梯度的外运是与Na+的顺浓度的内流相耦合进行的。形成Na+-Ca2+交换。Ca2+的这种主动转运是由Na+ 的内向性浓度梯度提供能量的，由于Na+内向性浓度梯度的维持是依靠Na+-K+泵而实现的，因此，Ca2+主动转运也是由Na+-K+泵提供能量的。在4期开始后，膜的上述主动转运功能加强，细胞内外离子浓度梯度得以恢复。总的来看，这时转运过程引起的跨膜交换的电荷量基本相等，因此，膜电位不受影响而能维持稳定。
（二）自律细胞的跨膜电位及其形成机制
在没有外来刺激时，工作细胞不能产生动作电位，在外来刺激作用下，产生一次动作电位，但两次动作电位之间膜电位是稳定不变的。而在自律细胞，当动作电位3期复极末期达到最大值（称最大复极电位）之后，4期的膜电位并不稳定于这一水平，而是立即开始自动去极，去极达阈电位后引起兴奋，出现另一个动作电位。这种现象，周而复始，动作电位就不断地产生。出现于4期的这种自动去极过程，具有随时间而递增的特点，其去极速度远较0期去极缓慢；不同类型的自律细胞4期去极速度参差不一，但同类自律细胞4期去极速度比较恒定。这种4期自动去极（亦称4期缓慢去极或缓慢舒张期去极），是自律细胞产生自动节律性兴奋的基础。
根据细胞膜去极的跨膜电流的基本规律可分析自律细胞4期自动去极形成的机制。不难推测，自律细胞由于净外向电流使膜复极（3期）达最大复极电位后，在4期中又出现一种逐渐增强的净内向电流，从而使膜内正电位逐渐增加，膜便逐渐去极。这种进行性净内向电流的产生，有以下三种可能的原因：①内向电流的逐渐增强；②外向电流的逐渐衰退；③两者兼有。不同类型的自律细胞，4期自动去极都是由这种进行性净内向电流所引起，但构成净内向电流的离子流的方向和离子本质并不完全相同。
1．浦肯野细胞是一种快反应自律细胞。作为一种快反应型细胞，它的动作电位的形态与心室肌细胞相似，产生的离子基础也基本相同。
关于浦肯野细胞4期自动去极形成的机制，80年代研究资料表明，在浦肯野细胞，随着复极的进行，导致膜复极的外向K+电流逐渐衰减，而同时在膜电位4期可记录到一种随时间推移而逐渐增强的内向电流（If）。If通道在动作电位3期复极电位达－60mV左右开始被激活开放，其激活程度随着复极的进行、膜内负电性的增加而增加，至－100mV左右就充分激活。因此，内向电流表现出时间依从性增强，膜的去极程度因而也随时间而增加，一旦达到阈电位水平，便又产生另一次动作电位，与此同时，这种内向电流在膜去极达-50mV左右因通道失活而中止。可见，动作电位的复极期膜电位本身是引起这种内向电流启动和发展的因素，内向电流的产生和增强导致膜的进行性去极，而膜的去极一方面引起另一次动作电位，一方面又反过来中止这种内向电流。这一连串的过程是自律细胞“自我”启动、“自我”发展，又“自我”限制的，由此可以理解为什么自律细胞能够自动地、不断地产生节律性兴奋。
浦肯野细胞起搏机制A；跨膜电位 B：由х闸门控制的Ik衰减以
及由у闸门控制的If，两者在形成起搏电位中的相对关系
这种4期内向电流，通常称为起搏电流，其主要离子成分为Na+ ，但也有K+参与。由于使它充分激活的膜电位为-100mV，因而认为，构成起搏内向电流的是一种被膜的超极化激活的非特异性内向（主要是是Na+）离子流，标志符号为If。If的通道允许Na+通过，但不同于快Na+通道，两者激活的电压水平不同；If可被铯（Cs）所阻断，而河豚毒却不能阻断它。目前，关于If及其通道的研究资料尚有若干不能充分予以解释的疑点，对If的进一步研究正受到心肌电生理学者们的高度关注。2．窦房结细胞的跨膜电位及其形成机制 窦房结含有丰富的自律细胞，动作电位复极后出现明显的4期自动去极，但它是一种慢反应自律细胞，其跨膜电位具有许多不同于心室肌快反应细胞和浦肯野快反应自律细胞的特征：
①窦房结细胞的最大复极电位（-70mV）和阈电位（-40mV）均高于（电位较正）浦肯野细胞。②0期去极结束时，膜内电位为0mV左右，不出现明显的极化倒转。③去极幅度（70mV）小于浦肯野细胞（为120mV）,而0期去极时程（7ms左右）却又比后者（1-2ms）长得多。原因是窦房结细胞0期去极速度（约10V/s）明显慢于浦肯野细胞（200-1000V/s），因此，动作电位升支远不如后者那么陡峭。④没有明显的复极1期和平台期。⑤4期自动去极速度（约0.1V/s）却比浦肯野细胞（约0.02V/s）要快,记录曲线上窦房结细胞4期膜电位变化的斜率大于浦肯野细胞.显示心室肌快反应细胞与窦房结细胞跨膜电位变化的差别。
窦房结细胞的直径很小，进行电生理研究有一定困难。直到70年代中期，才开始在窦房结小标本上采用电压钳技术对其跨膜离子流进行了定量研究，但目前尚未能充分阐明它的跨膜电位，尤其是4期起搏电流的离子基础。学者们观察到，窦房结细胞0期去极不受细胞外Na+浓度的影响，对河豚毒很不敏感；相反，它受细胞外Ca2+浓度的明显影响，并可被抑制钙通道的药物和离子（如异搏定、D-600和Mn2+等）所阻断。据此可以认为，引起窦房结细胞动作电位0期去极的内向电流是由Ca2+负载的。这种内向电流被称为第二内向电流；而引起快反应细胞（心室肌、心房肌和浦肯野细胞）0期去极的快Na+内流称为第一内向电流。根据已有的研究资料，可将窦房结细胞动作电位的形成过程描述如下：当膜电位由最大复极电位自动去极达阈电位水平时，激活膜上钙通道，引起Ca2+内向流（Ica），导致0期去极；随后，钙通道逐渐失活，Ca2+内流相应减少；另一方面，在复极初期，有一种K+通道被激活，出现K+外向流（Ik）。Ca2+内流的逐渐减少和K+外流的逐渐增加，膜便逐渐复极。由“慢”通道所控制、由Ca2+内流所引起的缓慢0期去极，是窦房结细胞动作电位的主要特征，因此，相应称为慢反应细胞和慢反应电位，以区别于前述心室肌等快反应细胞和快反应电位。
窦房结细胞的4期自动去极也由随时间而增长的净内向电流所引起，但其构成成分比较复杂，是几种跨膜离子流的混合。目前已知，在窦房结细胞4期可以记录到三种膜电流，包括一种外电流和两种内向电流，不过它们在窦房结细胞起搏活动中所起作用的大小以及起作用的时间有所不同。
（1） Ik通道的激活和逐渐增强所造成的K+外向流，是导致窦房结细胞复极的原因。
（2） Ik通道在膜复极达-40mV时便开始逐渐失活，K+外流因此渐渐减少，导致膜内正电荷逐渐增加而形成4期去极。目前认为，由于Ik通道的时间依从性逐渐失活所造成的K+外流进行性衰减，是窦房结细胞4期自动去极的最重要的离子基础；
窦房结动作电位和起搏电位的离子机制
A．跨膜电位 B.越膜电位C. 胞浆Ca2+浓度表示动作电位升支由Ica,
f构成，起搏电位 由Ik和If及Ina/Ca构成
(2)If：If是一种进行性增强的内向离子（主要为Na+）流，在浦肯野细胞起搏活动中，If起着极重要的作用，而Ik衰减的作用很小。与此恰相反，窦房结细胞4期虽也可记录到If ，但它对起搏活动所起的作用不如Ik衰减。实验证明，用Cs2+选择性阻断If后，窦房结自发放频率仅轻度减少；对家兔窦房结细胞4期净内向电流的总幅值而言，Ik衰减与If两者所起作用的比例为6：1。
If通道的最大激活电位为-100mV左右，而正常情况下窦房结细胞的最大复极电位为-70mV，在这种电位水平下，If通道的激活十分缓慢，这可能是If在窦房结4期去极过程中所起作用不大的原因。若窦房结细胞发生超级化时，If则可能成为起搏电流中的主要成分。
（3）此外，窦房结细胞4期中还存在一种非特异性的缓慢内向电流，在膜去极达-60mV时被激活，可见，它在自动去极过程的后1/3期间才起作用。这种缓慢内向电流可能是生电性Na+-Ca2+交换的结果（Na+-Ca2+交换时，心肌细胞排出一个Ca2+，摄入3个Na+，出/入细胞正电荷之比为2：3，形成内向电流）。
心肌细胞的类型 除按功能和电生理特性将心肌细胞分为工作细胞和自律细胞之外，还可以根据其生物活动的特征，特别是动作电位0期去极的速度，将心肌细胞分为快反应细胞和慢反应细胞，其动作电位相应称为快反应电位和慢反应电位；然后再结合其自律性，可将心肌细胞分为以下四种类型：
快反应非自律细胞：包括心房肌细胞和心室肌细胞；
快反应自律细胞：浦肯野自律细胞；
慢反应自律细胞：窦房结自律细胞，以及房结区和结希区的自律细胞；
慢反应非自律细胞：结区细胞。
心肌细胞的跨膜离子流 由多种离子通过细胞膜上的特异性或非特异性离子通道以及经离子交换转运形成的跨膜离子运动，是心肌细胞跨膜电位形成的基础。心肌细胞跨膜离子流的种类众多，性质很复杂，近年又取得许多进展。由于在实验研究中对这些离子通道的命名和认识比较混乱，甚至前后矛盾，故将目前比较肯定的主要几种离子流和通道的名称、存在的部位和作用归纳介绍如下：
1．内向离子流
（1）INa：称为快速Na+流，存在于快反应细胞，是引起快反应细胞0期去极的内向电流（称第一内向电流）的离子基础。
（2）Isi：称为缓慢内向电流，也称第二内向电流，过去认为它是一种由慢通道控制的缓慢Ca2+流，故标志为ICa，其功能是构成快反应细胞的平台期和慢反应细胞的去极期。新近的研究结果在很大程度上修正了对Ica的认识。目前认为，第二内向电流并不是单一的Ca2+流，而是由特性各异的三个组分所构成；第一组分称Ica.f，二、三组分别称Is1.2和Ica.s。其中①Ica.f是一种快速Ca2+ 流，其通道激活和失活的速度远比已往所认为的要快得多。它融合于快反应细胞Na+内流的最后部分，共同形成动作电位升支的上段，而对平台期的作用很小。它是慢反应细胞去极的离子基础。对工作细胞而言，肌浆网Ca2+再生性释放帅细胞外Ca2+进入胞浆触发的，既然Ica.f的激活十分迅速，那么Ca2+释放的触发有及兴奋－收缩耦联的启动速度都比以往认为的要快得多；②第三组分Ica.s，是一种较Ica.f微弱而缓慢的Ca2+流，主要作用是维持快反应细胞平台期；③Is1.2称第二内向电流第二组分，其离子本质不甚清楚，可能是Na+-Ca2+交换的生电电流，故也称为INa.Ca，在平台期起作用；慢反应自律细胞４期自动去极晚期也有它的作用。
(3)If：超极化激活的非特异性内向离子流，主要由Na+携带，存在于自律细胞4期。If是决定浦肯野快反应自律起搏活动的主要负离子流，而在窦房结慢反应自律细胞起搏活动中，其作用不如Ik衰减。
2．外向离子流
（1）Ikl：存在于快反应细胞，是决定快反应工作细胞静息电位的离子流，并在复极2期和3期起复极作用；
（2）Ik：这种外向电流主要由K+携带，但也有Na2+参加，不是单纯的K+流，故又称Ix，在快反应细胞复极3期起重要作用，故又称为复极电流，因而也决定着浦肯野细胞的最大复极电位；Ix也存在于慢反应自律细胞，促使膜复极，4期内呈进行性衰减，是形成4期去极的主要离子基础；
（3）Ito：是快反应细胞1期复极的离子流，离子成分主要为K+，也有Na+参与。
3．化学门控离子通道 近年相继证实，在心肌细胞膜上，除了电压门控通道外，还存在化学门控离子通道；它们的作用并不在于维持和产生正常跨膜电位（静息电位和动作电位），但对于心肌细胞活动的调节以及异常电活动的电生产有着特别重要的意义。重要的化学门控离子通道有以下三种；
（1）乙酰胆碱控制的K+通道（Ik-ACh）：早年曾认为ACh激活的是Ikl，近年发现是通过G蛋白激活开放了另一种与在生物物理学特性和生理学特性上均不相同的K+通道。
（2）ATP依从性K+通道（Ik-ATP）：ATP的作用并不是分解供能激活此通道，而是维持此通道在正常情况下处于关闭状态。当心肌细胞内ATP降到临界水平以下时（如心肌缺血时），此种特殊的K+通道开放。大量K+外漏以致缺血心肌细胞局部高钾而引起去极，诱发心律失常。硫脲类药物可阻断此通道。
（3）INa–k—Ca2+通道：是细胞内Ca2+增高时激活的一种非特异性正离子通道，载流离子是Na+和K+，形成一过性内向离子流（Iti）。实验表明，在某些情况下，浦肯野细胞在动作电位复极后可产生一种去极电位（延迟后去极电位），当它达阈电位时就可以诱发另一个新的动作电位，形成异位搏动。Iti就是延迟后去极电位的离子基础。洋地黄中毒，细胞外低K+或低Na+，以及咖啡因、儿茶酚胺等可引起细胞内Ca2+超负荷的因素，均可诱发或加强Iti和延迟后去极电位。
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