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动作电位(Action potential)

动作电位(Action potential)

又称阈电位指的是处于静息电位状态的细胞膜受到适当刺激而产生的,短暂而有特殊波形的,跨膜电位搏动。细胞产生动作电位的能力被称为兴奋性,有这种能力的细胞如神经细胞和肌细胞。动作电位是实现神经传导和肌肉收缩的生理基础。
动作电位的形成与细胞膜上的离子通道开关相联系。一个初始刺激,只要达到了阈电位(而不论超过了多少,这就是全或无定理),就能引起一系列离子通道的开放和关闭,而形成离子的流动,改变跨膜电位。而这个跨膜电位的改变尤能引起临近位置上细胞膜电位的改变,这就使得兴奋能沿著一定的路径传导下去。
资料来源:维基百科

又称为传播电位(propagated potential)、神经冲动(nerve impulse)、放电(discharge),即是超过阈值(threshold)的电位

动作电位形成的条件是必须到达阈电位以上,而且是去极化的刺激,影响刺激强度原因有三:
 强度(strength):可以用较小强度与较长的持续时间来达到动作电位的产生
 持续时间(duration)
 方形波:为避免产生适应现象,所以要用电位变化率高的方形波

1. 动作电位的特性:
 动作电位通常非常迅速,持续时间只有1~4毫秒(ms),所以每秒可以重复产生数百次动作电位
 产生动作电位的能力被称为兴奋性(excitability)
→兴奋性越大代表阈电位越低
 动作电位遵守全有全无律(all or none),每次产生的动作电位都一样大
2.动作电位的产生与电压控制型钠离子和钾离子通道(Voltage-Gated Na+ & K+ Channels)有密切关系

资料来源:webanatomy
 电压控制型钠离子通道有2个门,一个是平常处于关闭状态、位于离子通道的门;另一个是不活化门(inactivation gate),平时开启,当达到阈电位时会开启,但关闭速度非常快
 电压控制型钠离子通道具有3种状态:
 关闭(Closed)
 开启(Open)
 不活化(Inactivating)
 虽然钠离子通道开启时间可长达15毫秒,但不活化门关闭的速度只需要1毫秒,所以只会开启一段短暂的时间,之后变成不活化状态,当刺激不再存在时,不活化们才会再打开

 电压控制型钾离子通道只有离子通道的门
 钾离子通道开启与关闭速度都很慢
3.受刺激后会从静止膜电位变成局部电位,之后超越阈值,然后快速上升到+30mV,这段快速上升的时期称为去极化期(Depolarizing phase);之后快速下降到静止膜电位的电位,此阶段称为再极化期(Repolarizing phase);而会有一小段时期比静止膜电位的电位低,称为过极化期(Hyperpolarizing phase)

 钠离子通道一开始的通透度比钾离子通道低很多,主要是受K+_Na+ leak channel所影响
 到达阈电位后,电压控制钠离子通道开启,钠离子通透性迅速上升,并从公式得到钠离子往内流动(inward),即可造成去极化现象

钠离子通道

钾离子通道

静止膜电位

关闭

关闭

去极化

开启(钠离子往内流)

关闭

去极化之overshoot(膜电位>0 mV)

开启(钠离子往内流)

关闭

最高膜电位

不活化门开始关闭

关闭

再极化

关闭

开启(钾离子往外流)

过极化=undershoot

关闭

开启(钾离子往外流),因为关很慢

静止膜电位

借由钠/钾帮浦回到静止膜电位

4.动作电位的产生是耗能的反应
 产生动作电位时,大量的钠离子进入细胞和大量的钾离子离开细胞,需要钠钾帮浦耗能以回复内高钾外高钠的浓度梯度状态,才能进行下一次的动作电位。
所以, 动作电位产生频率↑∝钠钾帮浦活性↑∝ATP消耗↑∝热能产生↑
5.细胞外钠离子浓度对动作电位的影响较静止膜电位显著:细胞外钠离子浓度减少,给予同样刺激强度,发现去极化速度变慢且动作电位高度降低
6.动作电位高度∝细胞外钠离子浓度:当细胞外钠离子浓度越多的时候,有更多钠离子可以进入细胞,所以动作电位高度越高
7.全有全无率(all or none)

 没有达到阈刺激强度的弱刺激下,没有动作电位的产生
 刺激一旦达到阈刺激强度,不论刺激强度的增或减产生的动作电位都一样
8.刺激强度对动作电位的影响:刺激强度越强,产生动作电位的频率增加,但并不影响动作电位的高度

资料来源:madsci
9.动作电位加成(action potential summation)
10.不反应期(refractory period)

补充
1. 静止膜电位(Resting membrane potential):骨骼肌细胞的静止膜电位(即未接受刺激前)约在-80~-90 毫伏特(mV)
2. 动作电位持续时间(Duration of action potential):骨骼肌上一个动作电位的持续时间约在1~5 毫秒(ms),运动神经大约在1ms 左右,骨骼肌较久
3. 传递速率(Velosity of conduction):每秒3~5 公尺。比较大的Aα 运动神经元传导速度可到每秒120 公尺(因具有髓鞘
参见:终板电位(End Plate Potential, EPP)
参见:运动终版(motor end plate)调控

▼神经传导(Nerve conduction)
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▼骨骼肌(skeletal muscle)
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