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2015-07-01鈉鉀離子交響曲—靜止膜電位
547 期
Author 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110V，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70mV，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】