第四章 骨骼肌的生理特性
骨骼肌在光镜下呈明暗相间的横纹，属于横纹肌。因其受躯体运动神经支配被划分为随意肌。骨骼肌与人体生命活动密切相关，具备物理特性（伸展性、弹性和黏滞性等）和生理特性，本章主要介绍骨骼肌的生理特性，包括收缩性、兴奋性和传导性，其中收缩性为一般生理特性，兴奋性和传导性则为电生理特性。
一、骨骼肌的一般生理特性
人体的多种活动与骨骼肌细胞的收缩和舒张有关，骨骼肌的活动受到躯体运动神经的支配。支配骨骼肌的神经纤维发生兴奋时，被支配的骨骼肌才能产生收缩活动，骨骼肌细胞收缩功能的实现还依赖多个亚细胞生物网络系统的协调活动，本部分通过介绍肌细胞在神经支配下的收缩过程及其力学特性和影响因素，以了解骨骼肌的一般生理特性，即收缩性。
（一）骨骼肌神经-肌肉接头处兴奋的传递
1.骨骼肌神经-肌肉接头的结构
骨骼肌神经-肌肉接头是运动神经末梢和其支配的骨骼肌细胞之间的特化结构（详见本书第四章）。运动神经末梢裸露的轴突末梢膨大形成突触小体，嵌入到肌细胞向内凹陷的突触沟槽，形成骨骼肌神经-肌肉接头。轴突末梢的膜称为接头前膜（prejunctional membrane），与其相对的肌细胞膜称为接头后膜，也叫运动终板，二者之间为接头间隙。接头前膜内含有许多突触囊泡，每个囊泡内约含有104个ACh分子。接头间隙中充满细胞外液。接头后膜为特化的肌细胞膜，向内凹陷形成许多皱褶。接头后膜上有N2型ACh受体，即N2型ACh受体阳离子通道，它们集中分布于皱褶的开口处。在接头后膜的表面还分布有乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase），它能把ACh分解为胆碱和乙酸。
2.骨骼肌神经-肌肉接头处的兴奋传递
骨骼肌神经-肌肉接头兴奋传递具有电-化学-电传递的特点。动作电位传至运动神经末梢引起接头前膜去极化，进而激活膜上电压门控Ca2+通道开放，Ca2+流入神经末梢使轴浆内的Ca2+浓度升高，触发突触囊泡的出胞机制，将囊泡内的ACh释放至接头间隙。ACh在接头间隙内扩散至接头后膜，与N2型ACh受体阳离子通道结合并使之激活，通道开放致Na+、K+和Ca2+的跨膜流动，但通道主要允许Na+和K+通透，浓度差和电场力都使Na+内流，而K+跨膜流动的驱动力很小（肌细胞处于静息电位，接近K+平衡电位），故接头后膜以Na+内流为主，发生去极化。这一去极化的电位称为终板电位（end-plate potential，EPP），其幅度约50mV。终板电位具有局部电位特征，可通过电紧张方式扩布到周围正常的肌细胞膜，刺激膜上的电压门控Na+通道开放，Na+内流使膜去极达阈电位即可触发动作电位的产生，并传播至整个肌细胞膜。ACh在引起接头后膜产生终板电位的同时，可被接头后膜表面的胆碱酯酶迅速分解而消除其作用，从而使终板膜恢复到可继续接受新刺激的状态。
在神经-肌肉接头的兴奋传递过程中，ACh的释放是关键步骤。含有ACh的囊泡在启动神经肌肉传递的“活动区”与突触前膜融合。活动区包含突触前膜上的特殊蛋白质（如Piccolo、Bassoon、和RIM1，由纤维连接并嵌入基质）。囊泡以确定模式停靠在活动区。突触蛋白将储备池中的囊泡锚定在肌动蛋白细胞骨架上，当突触前P/Q型电压门控钙通道进入Ca2+时，肌动蛋白轨道上的肌球蛋白马达将这些囊泡运输到活动区以胞吐方式释放。胞吐机制主要由可溶性SNARE（SNARE）和SEC1/MUNC18样（SM）蛋白组成，它们使囊泡靠近突触前膜。SNARE复合体的形成分三步：①突触前膜结合的SNAP25结合突触融合蛋白-1，在突触前膜形成复合物（t-SNARE），SM蛋白（特别是MUNC18）通过突触融合蛋白-1与SNARE复合物结合；②突触素作为突触前Ca2+的传感器，与t-SNARE结合，使囊泡接近突触前膜；③t-SNARE与囊泡相关的VAMP/突触结合蛋白结合，完成SNARE复合物的形成。胞吐后，细胞通过内吞迅速进行回收囊泡和囊泡膜蛋白以维持胞吐功能。NSF、轴突蛋白和α-SNAP参与解体胞吐后的SNAREs，并在维持突触内的融合动力学和囊泡恢复中发挥关键作用。因此，接头前膜释放ACh具有Ca2+依赖性，是一种量子式释放。量子式释放是指ACh以囊泡为基本单位释放，一个囊泡被称为一个量子，囊泡内的ACh释放时倾囊而出。接头前膜Ca2+内流触发囊泡释放ACh，且接头前膜内流Ca2+的越多，释放的ACh越多，这是由我国生理学家冯德培在神经-肌肉接头传递的研究中首先提出的。
在静息状态下，接头前膜也会随机自动释放单个囊泡，约每秒钟1次，并引起终板膜电位平均仅0.4mV的微小去极化，称为微终板电位（miniature endplate potential，MEPP）。由此可见，接头前膜一次动作电位传来产生的终板电位，需要大量突触囊泡同步释放所引起的微终板电位发生总和而形成。1932年，中国生理学家冯德培院士在猫的骨骼肌神经-肌肉接头部位发现了强直刺激后终板电位增大的现象，被称为强直后增强（post-tetanic potentiation，PTP），是世界上首次发现突触传递效应的使用性增强现象，后被国际生理学术界称为“冯氏效应”，开辟了神经-肌肉接头的新研究领域。
3.骨骼肌神经-肌肉接头处兴奋传递的特征
兴奋在神经-肌肉接头处的传递具有以下特征：①单向传递。兴奋只能从接头前膜传向接头后膜，不能逆向传递，这是由于ACh只能从接头前膜释放，而ACh受体仅存于接头后膜。②时间延搁。由于神经-肌肉接头的兴奋传递包括ACh释放、ACh经接头间隙的扩散、ACh与受体的结合等过程，兴奋通过神经-肌肉接头的时间超过一般细胞膜传导同样距离所需的时间。③易疲劳且易受环境因素和药物的影响。由于神经-肌肉接头处的传递过程有神经递质的参与，成为许多药物和病理因素的作用靶点。筒箭毒碱和α-银环蛇毒可特异性阻断终板膜中的N2型ACh受体阳离子通道而松弛肌肉；机体自身抗体破坏N2型ACh受体阳离子通道可导致重症肌无力，胆碱酯酶抑制剂新斯的明等抑制乙酰胆碱酯酶，从而增加ACh在接头间隙的浓度而改善肌无力患者症状；有机磷农药中毒则因胆碱酯酶被磷酸化失活引起中毒症状。
（二）骨骼肌细胞收缩的结构基础
横纹肌细胞内含有大量的肌原纤维和高度发达的肌管系统。
1.肌原纤维
每个肌细胞内都含有上千条直径1μm～2μm、纵向平行排列的肌原纤维。肌原纤维相邻两条Z线之间的区域称为肌节，是肌肉收缩和舒张的基本单位。肌原纤维内有粗、细肌丝。粗、细肌丝在肌原纤维内规则排列，才使肌原纤维呈现明暗相间的横纹。
2.肌管系统
骨骼肌细胞中有两套独立的肌管系统。走行方向与肌原纤维垂直的膜性管道称为横管（transverse tubule），也叫T管，由肌膜向内凹陷并向细胞深部延伸而形成，它将肌细胞膜动作电位迅速传播至细胞内部。走行方向与肌原纤维平行的管道称为纵管，即肌质网（sarcoplasmic reticulum，SR），其中在肌原纤维周围包绕交织成网的称为纵行肌质网（longitudinal sarcoplasmic reticulum，LSR），LSR膜上有钙泵，可逆浓度梯度将肌质中的Ca2+转运至SR内。SR的末端膨大或呈扁平状，与T管膜或肌膜相接触，称为连接肌质网（junctional sarcoplasmic reticulum，JSR）或终池（terminal cisterna）。JSR内的Ca2+浓度高，约比肌质中高数千倍。JSR膜上有钙释放通道（calcium release channel）或称雷诺丁受体（ryanodine receptor，RYR）。骨骼肌中T管与其两侧的终池形成三联管（triad）结构，这是发生兴奋收缩耦联的关键部位。
3.骨骼肌细胞的收缩机制
在光镜下观察到，骨骼肌收缩时肌肉缩短，暗带宽度不变，只有明带发生缩短，同时H带相应变窄，表明骨骼肌收缩并非由肌丝缩短引起。目前公认的肌肉收缩机制是肌丝滑行理论（sliding filament theory），其主要内容是：横纹肌的肌原纤维是由与其平行走向的粗、细肌丝构成，肌肉的缩短和伸长是粗、细肌丝在肌节内发生相互滑动，肌丝本身的长度不变。
（1）肌丝的分子结构：
粗肌丝主要由肌球蛋白（myosin）分子构成。单个肌球蛋白分子呈豆芽状，有一个杆部和两个球形的头部。每个分子由一对重链和两对轻链组成。两条重链的尾端组成杆状部，形成粗肌丝的主干，两条重链的头端各结合一对轻链构成球形头部，头部连同与它相连的一小段称作“桥臂”的杆状部分由肌丝中向外伸出而形成横桥（cross bridge）。横桥被激活后向M线方向扭动，是肌丝滑行的动力。
细肌丝主要由肌动蛋白（actin）、原肌球蛋白（tropomyosin）和肌钙蛋白（troponin）构成，三者的比例为7：1：1。肌动蛋白单体呈球形分子，它在肌丝中聚合成两条链并相互缠绕成螺旋状，构成细肌丝的主干，肌动蛋白上有多个位点可与粗肌丝的横桥结合。原肌球蛋白分子呈长杆状，由两条肽链缠绕成双螺旋结构，多个原肌球蛋白首尾相连形成长链，走行于肌动蛋白双螺旋的浅沟中，掩盖肌动蛋白上横桥的结合位点。肌钙蛋白由3个亚单位组成，分别为肌钙蛋白T（troponin T，TnT）、肌钙蛋白I（troponin I，TnI）和肌钙蛋白C（troponin C，TnC）。TnC中有Ca2+结合位点，与Ca2+有高亲和力，当胞质内Ca2+浓度升高时，TnC与Ca2+结合，使肌钙蛋白结构发生变化，拖动原肌球蛋白分子向肌动蛋白双螺旋沟槽的深部移动，从而暴露出肌动蛋白上与横桥结合的位点，引发横桥与肌动蛋白的结合和肌肉收缩。因肌球蛋白和肌动蛋白与肌肉的收缩直接有关而被称为收缩蛋白。而原肌球蛋白和肌钙蛋白被称为调节蛋白，因为他们不直接参与肌肉收缩，但可影响和控制收缩蛋白间的相互作用。
（2）肌丝滑行的过程：
肌肉安静时，肌质中的Ca2+浓度低于10-7mol/L。当肌质中的Ca2+浓度升高至10-5mol/L，Ca2+与细肌丝中的肌钙蛋白结合，引起原肌球蛋白挪位，暴露出肌动蛋白上横桥的结合位点，使横桥与细肌丝中的肌动蛋白结合，继而引起横桥结构改变，其头部向桥臂方向扭曲摆动45°，拖动细肌丝向M线靠拢，从而将横桥储存的能量（来自ATP分解）转变为克服负荷的张力和/或肌节长度的缩短，然后横桥与肌动蛋白解离、复位，再以同一方式与细肌丝另一位点结合，出现新的横桥扭动，使细肌丝持续向M线滑动。肌球蛋白的横桥与肌动蛋白结合、扭动、复位的过程称为横桥周期（cross-bridge cycling）。一个横桥周期的时间为20ms～200ms，其中横桥与肌动蛋白结合的时间约占一半。当肌质中的Ca2+浓度降低时，因Ca2+与细肌丝中的肌钙蛋白的分离，原肌球蛋白重新覆盖肌动蛋白上与横桥结合的位点，粗、细肌丝分离而弹性回位（舒张），横桥周期停止。
（3）肌收缩的力学表现与横桥及横桥周期：
肌收缩主要的力学表现是产生张力和缩短，这与横桥周期的运转模式有关。由于横桥头部与杆状部之间的桥臂有弹性，当肌肉在长度保持不变的条件下收缩时，可使具有弹性的桥臂伸长，从而产生张力。当肌肉收缩时产生的张力足以克服负荷时，可引起肌丝滑动而发生肌肉缩短。横桥的扭动是不同步的，但在给定条件下，每一瞬间与肌动蛋白处于结合状态的横桥的数量是相对恒定的。处于这种状态的每一个横桥都能产生一个很小的张力，而肌肉收缩产生的张力就是这众多横桥产生张力的总和。肌肉缩短的速度或张力产生的速度，取决于横桥周期的长短，横桥周期越短则横桥扭动速度越快，肌肉的收缩速度越快。
4.骨骼肌的兴奋收缩耦联
骨骼肌的收缩由肌细胞动作电位引起。兴奋收缩耦联（excitationcontraction coupling，ECC）是肌细胞以动作电位为特征的兴奋过程与以肌丝滑行为基础的机械收缩过程联系起来的中介过程。它的发生部位在骨骼肌的三联管结构，Ca2+是关键耦联因子。
兴奋收缩耦联的基本步骤包括：①肌膜上的动作电位沿肌膜和T管膜传播到肌细胞深处，同时激活T管膜或肌膜中的L型钙通道即二氢吡啶受体（dihydropyridine receptor，DHPR）；②激活的L型钙通道再激活终末池膜上的雷诺丁受体即钙释放通道，它的激活使肌质网内的Ca2+释放入胞质，胞质内的Ca2+浓度由静息时10-7mol/L的水平升高约100倍以上；③胞质内Ca2+浓度的升高促使肌钙蛋白的C亚基与Ca2+结合并触发肌丝滑行；④胞质内Ca2+浓度升高的同时，激活肌质网膜上的钙泵，钙泵将胞质中的Ca2+回收入肌质网，遂使胞质中Ca2+浓度降低，Ca2+与肌钙蛋白解离，导致肌肉舒张。
5.影响骨骼肌收缩效能的因素
肌肉收缩效能（performance of contraction）是指肌肉收缩时产生的张力大小、缩短程度及速度等。根据肌肉收缩的外部表现，可将收缩分为两种形式，即等长收缩（isometric contraction）和等张收缩（isotonic contraction），前者表现为肌肉收缩时长度保持不变而张力增加；后者表现为肌肉收缩时张力保持不变而肌肉缩短。肌肉收缩时通常会先发生等长收缩以增加张力，当张力增多至足以克服阻力后，则发生等张收缩，肌肉缩短。横纹肌的收缩效能决定于肌肉收缩前或收缩时所承受的负荷、肌肉自身的收缩能力和总和效应等因素。
（1）前负荷：
前负荷（preload）是指肌肉在收缩前所承受的负荷。前负荷是作用于肌肉使其拉长的外力，前负荷越大，肌肉就被拉得越长，故前负荷决定肌肉在收缩前的长度即初长度（initial length）。实验研究前负荷对骨骼肌收缩的影响，在肌发生等长收缩条件下，测定不同初长度时肌肉收缩产生的张力，可得到长度-张力曲线。分析长度-张力曲线可以得出，在一定范围内，增加肌肉的初长度，肌肉的收缩张力随之增大，但过度增加肌肉的初长度则收缩张力下降，表示肌肉收缩存在一个最适初长度（optimal initial length），在最适初长度下收缩，肌肉可产生最大主动张力。肌肉初长度对收缩张力的影响与肌节长度的变化有关。在最适初长度，即肌节长度为2.0μm～2.2μm时，对应最适前负荷，由于此时全部横桥都能发挥作用，且肌丝间处于最好的对应关系，最适合横桥的活动，故能产生最大的收缩张力。
（2）后负荷：
后负荷（afterload）时肌肉在收缩过程中所承受的负荷。后负荷是肌肉收缩过程中克服的阻力，在等张收缩时，后负荷的大小决定了肌收缩产生的张力。在等张收缩的条件下，测定不同后负荷时肌肉收缩产生的张力和缩短的速度，可得到张力-速度曲线。当后负荷在理论上为零时，表现为等张收缩，肌肉缩短可达最大缩短速度（Vmax）。当后负荷增加到使肌肉不能缩短时，表现为等长收缩，肌肉可产生最大等长收缩张力（P0），即缩短速度为零。在Vmax和P0之间，肌肉先发生等长收缩然后发生等张收缩，且收缩的张力等于后负荷；随着后负荷（收缩张力）增加，肌收缩时缩短的速度减小，二者呈反变关系。在物理学里，把一个物体在力的作用下移动，称作该力对物体做功，其值等于力和物体沿力方向移动距离的乘积。肌肉收缩所做机械功的大小取决于肌肉收缩时产生的张力和肌肉缩短的程度（移动距离），骨骼肌只有在适度的后负荷（约为产生最大张力的1/3）时，才能获得肌肉做功的最佳效果。
（3）肌肉收缩能力：
肌肉收缩能力（contractility）是指与前、后负荷无关的影响肌肉收缩效能的肌肉内在特性。肌肉收缩能力增强时，收缩时产生的张力增大，肌肉缩短程度增大，缩短速度加快，表现为长度-张力曲线上移和张力-速度曲线向右上方移动；肌肉收缩能力降低时则发生相反的改变。肌肉收缩能力与多种因素有关，如兴奋收缩耦联过程中胞质内Ca2+浓度的变化、Ca2+与肌钙蛋白的亲和力、肌球蛋白的ATP酶活性、细胞内各种功能蛋白及其亚型的表达水平等。许多神经递质、体液因子、病理因素和药物，都可通过上述途径来调节和影响肌肉收缩能力。
（4）收缩的总和：
收缩的总和是指肌细胞收缩的叠加特性，骨骼肌可通过此方式快速调节其收缩强度。由于骨骼肌是随意肌，其收缩总和在中枢神经系统调节下完成，包括多纤维和频率总和。
多纤维总和（multiple fiber summation）是指多根肌纤维同步收缩产生的叠加效应。在体情况下，一个脊髓前角运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维，称为一个运动单位（motor unit）。骨骼肌以运动单位为基本单元进行收缩。收缩较弱时，仅有少量的、较小的运动单位发生收缩；随着收缩的加强，参与收缩的运动单位越来越多、越来越大，产生的张力也随之增加；舒张时则相反，最大的运动单位先停止收缩，最小的运动单位最后停止收缩。骨骼肌这种调节方式能有效地实现收缩强度及精细活动的调控，被称为大小原则。
频率总和（frequency summation）是指提高骨骼肌收缩频率而产生的叠加效应。随刺激频率的增大，连续刺激可使骨骼肌产生单收缩（single twitch）、不完全强直收缩（incomplete tetanus）和完全强直收缩（complete tetanus）。当动作电位频率很低时，一次动作电位之后将引起一次完整的收缩和舒张过程，这种形式的收缩称为单收缩。在一次单收缩中，动作电位时程仅2ms～4ms，而收缩过程可达几十甚至几百毫秒，当动作电位的频率增加到一定程度时，后一动作电位引起的收缩可叠加于前一收缩，产生收缩的总和。若后一次收缩叠加在前一次收缩的舒张期，产生的收缩总和称为不完全强直收缩；若后一次收缩叠加在前一次收缩的收缩期，产生的收缩总和称为完全强直收缩。在等长收缩条件下，强直收缩产生的张力可达单收缩的3～4倍。这是由于高频率动作电位引起骨骼肌发生强直收缩时，肌细胞连续兴奋，使细胞内Ca2+浓度持续升高，引起收缩蛋白持续活化并产生最大张力。在整体生理条件下，骨骼肌的收缩几乎都是完全强直收缩，有利于完成各种躯体运动和对外界物体做功。
二、骨骼肌的电生理特性
骨骼肌的电生理特性以细胞的生物电为基础，生物电指生物体内的电现象，是一种基本的生命现象。机体组织、器官和系统功能的完成均不同程度依赖生物电信息传导。生物电异常将导致机体功能障碍甚至死亡。目前临床广泛应用的心电图、脑电图、肌电图均为在器官水平上记录到的生物电，了解骨骼肌细胞的电生理特性，将为发现、诊断和判断某些疾病提供理论基础。
人体各组织器官所表现出的电活动是以细胞水平的生物电为基础。细胞的生物电通常指细胞的电位，又称跨膜电位或膜电位。本部分简述生物电的基本原理，并在此基础上，了解骨骼肌细胞的电生理特性，包括兴奋性和传导性。
（一）生物电的基本原理
人类对生物电的认识经历了一个漫长的过程。在最早期，人们注意到电鳐和电鲇等生物有电活动；随后，在发明电流计基础上，科学家直接记录到生物的电活动；目前，基于微电极、电压钳和膜片钳等技术的建立和发展，人类已经从细胞和分子水平阐释细胞的生物电。细胞的生物电以细胞膜两侧带电离子的不均衡分布和选择性离子跨膜转运为基础，与细胞膜的电学特性、细胞内外的离子分布等密切相关。
根据记录电极的不同，可将生物电记录的方法分为细胞内记录和细胞外记录，也可将其分为双极记录和单极记录。
1837年，意大利物理学家首次通过电流计直接测量到肌肉损伤横断面与未损伤部位之间的电流。1850年，Hermann von Helmholtz将神经干放置于记录电极上，测定神经冲动的传导速度，证明蛙神经的传导速度仅20m/s～30m/s。在上述生物电记录中，由于是将两个记录电极都放置于细胞外，故称之为细胞外记录；又由于该方法是记录的两个记录电极之间的电位差值，故属于双极记录法。
由于测量电极与组织接触面积较大和组织具有导电性，采用上述方法观察到的生物电实际上是许多细胞产生的。但生物电以细胞为单位产生，为记录到只与某一细胞有关而几乎不受其它细胞电变化影响的细胞电位，就必须将一个电极放置于细胞的膜外另一个微电极插入细胞内，这种记录生物电的方法称为细胞内记录。1939年，英国生理学家Hodgkin AL与Huxley AF将充满海水的毛细玻璃管（直径0.1mm）插入枪乌贼大神经轴突（直径0.5mm）作为细胞内电极，而将另一电极置于浸泡细胞的海水中，首次用细胞内记录的方法观察到跨膜静息电位。另外，还可采用单极记录法观察生物电活动。将一个记录电极（称为有效电极）接触或插入被观察的组织或细胞，将另一个记录电极的电位保持恒定或经常处于零电位状态，即此电极为参考或无关电极，由此记录到只反映被观察组织或细胞的电变化，这种记录生物电的方法称为单极记录法。
（二）骨骼肌细胞生物电的产生基础
骨骼肌细胞生物电的产生机制与神经纤维等类似，细胞生物电的产生机制以物理学中的电学知识为基础，同时与细胞膜的结构和功能特征密切相关。
1.细胞膜的电学特性
细胞膜的脂质双分子层将细胞内、外液分隔开，细胞膜和两侧电解质溶液具有以下电学特性。
只要细胞内外液电荷分布有很微小的差异，就可导致不均衡分布的电荷聚集在细胞膜的两侧，形成较明显的膜内外电位差值。又由于细胞内外液的电荷物质数量非常的巨大，因此，细胞内外液实际上都是接近电中性的。
单纯的脂质双分子层不允许电荷物质通过，但细胞膜的脂质双分子层中嵌入的离子通道和转运体使某些电荷物质能够跨细胞膜移动。某一电荷物质（通常是离子）能够跨细胞膜移动，称为细胞膜对该离子具有通透性。细胞膜对某离子的通透性大小常用膜电导G来表示，膜电导大说明细胞膜对该离子的通透性高。膜电导是膜电阻的倒数。根据欧姆定律，电流强度=电压/电阻，通过测量膜电压和膜电流，即可计算出膜电阻和膜电导。但由于膜电流产生实质上是电荷物质跨膜，膜电位（即膜电压）随之将发生变化。为研究细胞膜上的电压门控通道的特性，电压钳（voltage clamp）技术采用一个反馈电路，通过外源输入一个与正发生的膜电流大小相同方向相反的电流，使膜电压被钳制（固定）于任一水平，从而使膜电导和电阻的测算成为可能。在电压钳技术的基础上发展起来的膜片钳（patch clamp）技术可测算单通道的跨膜电流、电阻和电导，使生物电的观察进入了分子水平。除膜电阻外，沿细胞的长轴还存在轴向电阻。它的数值与细胞的直径成反比，即细胞直径越大，轴向电阻越小。
2.离子跨膜扩散和平衡电位
在细胞膜对离子有通透性的前提下，驱动力决定离子是否跨膜和跨膜净移动的方向。对带电离子而言，离子净移动的驱动力包括浓度差和电场力。浓度差（或浓度梯度）为化学驱动力。电场力就是电位差（或电位梯度），为电学驱动力。浓度差和电场力的代数和称为电化学梯度。
经测量已知，细胞内、外液的主要带电离子的浓度有显著差异，假设细胞膜只对某一种离子有通透性，且膜两侧电荷分布无差异即不存在电位梯度，则该离子将顺浓度差跨膜扩散，带电离子的扩散就使膜两侧的电荷分布不再均衡，产生膜内外的电位差。该电位差形成的对该离子的驱动力与浓度差驱动力的方向相反，成为阻止离子进一步跨膜扩散的力量，随离子扩散的进行，浓度差逐渐减小而电场力逐渐增大，直至二者大小相对，离子扩散达动态平衡，此时的跨膜电位称为该离子的平衡电位。由此可见，如果细胞膜只对某离子有通透性，而且存在膜内外该离子的浓度差，细胞膜电位应当处于该离子的平衡电位，此时该离子的电化学梯度为零，尽管膜对该离子有通透性，但没有离子的跨膜净移动。每种离子都可以根据它在膜两侧的浓度，利用Nernst公式计算出它的平衡电位，用Ex来表示，即
式中R是通用气体常数，Z是离子价，F是Farady常数，T是绝对温度；式中［X］o和［X］i分别代表膜外和膜内的X离子的浓度。
3.内向电流和外向电流
电荷物质在膜内外的净移动，产生跨膜电流。根据电流方向的不同，跨膜电流被分为内向电流和外向电流。由于电流的方向是以正电荷移动的方向定义的，故正电荷由细胞外向细胞内的净移动或负电荷由细胞内向细胞外的净移动称为内向电流，而正电荷由细胞内向细胞外的净移动或负电荷由细胞外向细胞内的净移动称为外向电流。
（三）骨骼肌细胞的静息电位
骨骼肌细胞在静息（未受刺激）时，存在于细胞膜内外的电位差值称为静息电位（resting potential，RP），又称骨骼肌细胞的跨膜静息电位。
1.骨骼肌细胞静息电位的记录
若将两个记录电极A和B均置于骨骼肌细胞外，两个记录电极之间没有电位差，此时的电位水平为0；当将电极B插入骨骼细胞内，可在插入瞬间记录到电位突然降低90mV，随后电位维持在这一水平。通常将置于细胞外的电极A接地或将细胞外电位定义为0mV，膜电位的绝对值代表细胞内与细胞外电位的差值，若膜内电位高于膜外，则记为正，若膜内电位低于膜外，则记为负。由此可见，骨骼肌细胞的静息电位为-90mV。
2.骨骼肌细胞静息电位的特点和电位变化
细胞的静息电位均低于细胞外，故静息电位均为负值，静息电位在不同种属动物的同类型细胞也各有不同。
细胞的静息电位是可以变化的。由于电位的正负符号代表的是膜内的电位高于或低于膜外，故用电位的绝对值定义静息电位的大小。膜内电位负值的减小称为静息电位减小，反之，则称为静息电位增大。细胞的膜电位还可在静息电位基础上因受刺激而发生变化，产生动作电位或局部电位。为方便对静息电位和膜电位变化的描述，将物理学电荷分布的不均衡状态“极化”的概念引入，并衍生出具有生理学特定含义的一系列相关概念。极化（polarization）被定义为静息电位时细胞膜电位外正内负的状态，即静息电位状态就等同于极化状态。静息电位增大的过程或状态称为超极化（hyperpolarization）。静息电位减小的过程或状态称为去极化（depolarization）。若膜电位去极化至零电位后继续变为正值，则称为反极化，膜电位高于零电位的部分称为超射（overshoot）。而如果细胞膜的电位由远离静息电位的状态向静息电位方向恢复的过程称为复极化（repolarization）。通常情况下，复极化是指细胞膜电位去极化后再向静息电位的恢复。
3.骨骼肌细胞静息电位产生的机制
处于安静状态下的细胞，由于细胞膜上存在一种持续处于开放状态的K+通道（钾漏K+通道），故细胞膜主要对K+具有通透性。因此，根据上述关于细胞电学基础知识可知，静息电位产生机制主要与膜内外的K+有关，重点在于分析细胞膜内外的K+电化学梯度。假设安静状态下细胞膜内外没有电位差值，即膜电位为0，只考虑膜对K+有通透性，实质上这种状态不可能持续。由于细胞内液K+浓度为细胞外液的30倍以上，浓度差推动K+外流，而其他带电物质都不能跨膜移动，带正电荷的K+外流使膜内的电位低于膜外，由此产生细胞膜内负外正的电场力，该电位差形成对K+的驱动力与浓度差驱动力的方向相反，成为阻止K+进一步跨膜外流的力量。随着K+外流继续，膜两侧浓度差动力逐渐减小而电场力阻力逐渐增大，直至电化学驱动力的代数和为零，K+的跨膜净移动为零，此时的跨膜电位称为K+平衡电位（K+ equilibrium potential，Ek）。此时细胞膜电位可以处于动态平衡而维持这种状态。
目前已知，细胞膜上的钾漏K+通道对Na+也有极小的通透性，细胞静息电位的产生也与Na+有关。由于膜外Na+浓度大于膜内，而假设此时处于K+平衡电位状态，也就是说细胞呈内负外正的状态，Na+顺浓度差和顺电场力发生内流，即使因膜对Na+通透性较小，少量的Na+逸入膜内也会抵消一部分K+外移造成的膜内负电位。因此，实际测量出的细胞静息电位数值略小于理论上计算出的K+平衡电位值。可见细胞处于静息电位时，膜电位阻止K+外流的电场力略小于浓度差的外向驱动力，此时K+可有一个较小的外向驱动力而发生较少的K+净外流。
显然，细胞处于安静状态下的K+净外流和Na+内流持续存在，会破坏细胞膜内外的离子浓度梯度，Na+泵的活动就起到将外流和内流的K+和Na+逆浓度梯度主动转运，将3个Na+转运出细胞，2个K+转运回细胞内，从而维持细胞内外液离子分布的动态平衡。因此钠泵也在静息电位的产生中有重要作用。一方面，钠泵活动是生电性的，每一个转运周期产生了一个正电荷的净外移，对静息电位具有直接效应，使其负值变大；另一方面，因钠泵活动持续作用维持的细胞内高K+和细胞内低Na+状态，也间接影响着静息电位的产生。
综上，参与静息电位形成机制的重要基础是与K+在细胞内外的不平衡分布和膜主要对K+有通透性，即静息电位主要取决于K+平衡电位。少量的Na+内流和钠泵也参与静息电位的形成。静息电位实质上是细胞的电位和离子浓度梯度同时动态平衡的状态，是少量K+外流、少量Na+内流和钠泵共同作用的结果。
4.影响骨骼肌细胞静息电位的因素
凡参与静息电位产生机制的环节都可影响骨骼肌静息电位的值，主要包括以下几个方面：①改变细胞外液的K+浓度可通过改变K+平衡电位而影响静息电位，而K+平衡电位是影响静息电位的最主要因素。血K+升高，细胞内外的K+浓度差减小，K+平衡电位减小，静息电位的值减小，膜去极化。相反，血K+降低，细胞内外的K+浓度差增大，膜超极化。②膜对K+和Na+的通透性也改变静息电位。膜对Na+的通透性增大，Na+内流增多，静息电位变小，膜去极化；而膜对K+的通透性增大，K+外流增多，静息电位更接近K+平衡电位，电位值变大，膜超极化。例如，用四乙铵阻断K+通道后，静息电位显著减小。③钠泵活动可通过直接和间接作用参与静息电位的形成和维持。在细胞缺血、缺O2或H+增多（酸中毒）时，因细胞代谢障碍向钠泵提供能量降低，或者钠泵功能受哇巴因等药物的抑制，钠泵活动显著降低甚至停止，K+不能泵回细胞内，细胞外液的K+浓度增加，细胞内外K+的浓度差逐渐减小，K+外流减少，会导致静息电位的负值减小。如果某些因素致钠泵活动显著增强时，由于钠泵的直接生电效应，而使静息电位值变大，发生超极化。
（四）骨骼肌细胞的动作电位
在静息电位的基础上，给细胞一个有效刺激，可触发细胞产生快速、可传播的膜电位波动，称为动作电位（action potential，AP）。不同细胞的动作电位具有不同的形态。下文介绍动作电位的组成、产生和传播特点等，并在此基础上，认识骨骼肌细胞的兴奋性及其变化。
1.骨骼肌细胞动作电位的组成
骨骼肌细胞受到有效刺激产生动作电位的过程也是骨骼肌细胞兴奋的过程。膜电位首先从-90mV迅速去极化，膜内电位出现极化倒转至+25mV左右，形成动作电位的升支，称为动作电位的去极相。随后电位迅速复极至接近静息电位水平，形成动作电位的降支，两者共同形成尖峰状的电位变化，称为锋电位（spike potential）。锋电位是动作电位的主要组成部分，具有动作电位的主要特征。动作电位上升支的最高点又称为超射值，0电位以上的部分称为超射，而从动作电位超射值下降至完全恢复静息电位的整个过程，称为动作电位的复极相。由此可见，动作电位的全过程可分为去极相和复极相两个时期。
2.骨骼肌细胞动作电位的产生机制
细胞膜在静息电位基础上，受到有效刺激可产生动作电位，表现为快速的电位波动，其实质是离子跨膜流动。内向电流使膜内电位的负值减小，引起膜的去极化。同理，在动作电位复极相，只有外向电流才能使膜电位的正值减小，进而使膜内负值恢复到静息电位，即引起膜的复极化。也就是说，动作电位的去极相是内向电流形成，而复极相则是外向电流形成。离子的跨膜流动以膜对离子的通透性为前提，膜两侧对离子的电化学驱动力决定物质跨膜移动的方向。因此，从分析动作电位去极相和复极相对离子的通透性和相应离子的驱动力角度，阐述动作电位产生的机制。
（1）动作电位的去极相：
在动作电位的去极相，膜对Na+的通透性因Na+通道的开放而增加，大量的Na+迅速流入膜内，膜内负电荷因正电荷的进入而迅速被抵消，进而出现膜内的正电位，直至膜内正电位增大到足以对抗由浓度差所致的Na+内流，即浓度差引起的Na+内流动力与膜内正电位产生的对Na+内流的阻力达到平衡。此时的跨膜电位相当于Na+平衡电位，也可以根据Nernst公式计算出Na+平衡电位值。但实际上动作电位的超射值远小于Na+平衡电位，这与膜对Na+通透性快速消失和对K+通透有关。
介导动作电位去极相时膜对Na+通透的是电压门控Na+通道。Na+通道存在3种状态，即关闭（close）、激活（activation）和失活（inactivation）。Na+通道的3种状态与通道分子内部存在两个呈串联排列的激活门和失活门有关，其中在关闭和失活两种状态下的Na+通道都是不开放的，只有在激活状态下通道才开放。Na+通道的开、闭都受膜电位的控制，具有电压依赖性，去极化使通道激活，且去极化程度越高，Na+通道开放概率越高，膜对Na+通透性越高；同时它还具有时间依赖性，处于关闭状态的通道在被激活后迅速失活，直到经历一定时间和膜电位恢复到一定电位水平才能够回到关闭状态，此为通道的复活过程。用河鲀毒素（tetrodotoxin，TTX）阻断Na+通道后动作电位不能产生；当细胞外液中的Na+浓度降低，动作电位的振幅减小或超射不再出现，在此基础上逐渐增加细胞外液的Na+浓度，动作电位的振幅亦逐渐增大。这些实验证据说明动作电位上升支与膜对Na+的通透性增大有关。但这些均为间接证据，应用电压钳与膜片钳技术开展的实验研究，直接证实了电压门控Na+通道在动作电位去极相中的作用。
在动作电位去极相，膜对K+具有较小通透性，远远小于膜对Na+的通透性，因此在分析其机制时，常常仅分析Na+的跨膜流动。实际上膜对K+通透，分析K+所受到的驱动力可知，K+应发生外流，抵消一部分Na+内流产生的内正外负，这是超射值小于Na+平衡电位的原因之一。
（2）动作电位复极相：
在动作电位去极化至超射值（约+25mV）时，Na+通道失活，膜对Na+通透性消失，同时膜对K+通透性的升高，于是膜内K+又由于浓度差和电位差的推动而外流，膜内电位由正值逐渐变为0。此时推动K+外流的电场力为零，但浓度差会继续推动K+外流，膜电位向负值发展，直至恢复静息电位水平。
介导动作电位复极相时膜对K+通透的主要是电压门控K+通道。电压门控K+通道只有一个激活门，只有激活（开放）状态和去激活（关闭）两种状态。电压门控K+通道也是去极化电位使其激活，但开放速度显著慢于Na+通道。
（3）骨骼肌细胞动作电位的特点：
在同一细胞，动作电位的幅度不随刺激强度而发生变化的现象称作“全或无”（all or none）现象。从字面上理解，动作电位可以是“无”即不产生，一旦产生就没有形态大小的变化即“全”。动作电位的“全或无”特性是就同一细胞且条件不变而言的。
动作电位具有可传播性，且在同一细胞的传播具有不衰减传递的特点。动作电位在某一细胞的传导是整个细胞都依次产生一次动作电位，而不是电流的直接传导，由于细胞的动作电位具有“全或无”特性，故新产生的动作电位的形态和大小保持不变。部分学者将动作电位的不衰减传递特性归为“全或无”特性。
动作电位还具有不可总和的特性，这与动作电位产生过程中Na+通道及细胞的兴奋性变化有关。
（五）引起骨骼肌细胞兴奋的条件
引起骨骼肌细胞兴奋即引起骨骼肌细胞产生动作电位。动作电位由有效刺激引起。刺激泛指细胞所处环境因素的任何改变。任何变化都包括强度、时间以及强度时间变化率（即变化的快慢）三个维度，故将它们称为刺激的三个参数。实验表明，刺激要引起组织细胞发生动作电位，三个参数均必须达到某一临界值，任何一个参数过小，另外两个参数无论多大，都不能引起动作电位。在生理学实验中，常用电刺激作为人工刺激来观察和分析神经或各种肌肉组织的反应，为了分析的方便，常将刺激时间（波宽）和强度-时间变化率（方波刺激）固定为合适的值，而只改变刺激强度。
在记录不同强度刺激时细胞膜电位变化的实验中发现，不是所有的刺激都能引起动作电位。从外加刺激的角度看，只有刺激足够大才能够引起动作电位；从细胞膜电位的角度来说，只有膜电位去极化达到某一临界值，才能够引起动作电位，而且不同刺激引起的动作电位大小和形态没有变化。
生理学中将能够引起动作电位产生的最小强度的刺激称为阈刺激（threshold stimulus）。而阈强度则是指能够引起动作电位产生的最小的刺激强度。强度大于阈刺激的为阈上刺激，强度小于阈刺激的为阈下刺激。外加刺激必须是阈刺激或阈上刺激，是引起细胞动作电位产生的必要条件。
当刺激足够大时，膜电位去极化达到某一临界值，产生动作电位。这一能引发动作电位的临界膜电位称为阈电位（threshold potential），骨骼肌的阈电位约-55mV。由于引起细胞动作电位去极化和复极化的离子通道都是电压门控通道，且都是去极化激发它们开放，因此，引起动作电位产生的刺激必然是使膜去极化的。刺激越大，膜去极化程度越高，而刺激越小，膜去极化变化越小。当刺激较小时，只产生小的去极化电位，膜上较少的Na+通道激活，膜对Na+通透性轻微增加，Na+内流较静息电位时增多，引起膜电位去极化，但去极化电位使K+外流的电场力阻力变小，由于膜此时对K+通透性高，K+外流快速增加并抵消Na+内流，电位复极化。随刺激增大，去极化增大，Na+内流速度加快和增多，当Na+内流速度超过K+外流时，去极化就不能够被抵消，净内向电流使去极化继续进行，进一步加大膜中Na+通道的开放率，使Na+内流继续增加而造成膜内进一步去极化，如此反复形成正反馈的过程，称为膜去极化-Na+通道开放-Na+内流的再生性循环，其结果使膜内去极化迅速发展，产生动作电位。因此阈电位也可定义为能引发膜电压门控Na+通道再生性激活的临界膜电位值。阈电位是从膜电位本身来描述动作电位的产生条件，外加刺激仅起激活通道并形成正反馈的作用。阈刺激和阈电位在概念上不同但又有一定关联，阈或阈上刺激能使膜由静息电位去极化到阈电位，引起动作电位。
（六）骨骼肌细胞兴奋性的变化
骨骼肌动作电位的产生过程，称为兴奋（excitation）。骨骼肌细胞具有对刺激产生反应的能力则称为兴奋性（excitability）。基于现代生理学关于生物电的认识，细胞动作电位产生的条件需要以细胞具有兴奋性为前提，而细胞兴奋性的高低是指细胞是否容易产生动作电位。一般认为，骨骼肌细胞属于可兴奋细胞。
由于骨骼肌动作电位的产生是膜电位去极化与电压门控Na+通道激活的正反馈。因此，细胞的兴奋性与参与动作电位产生的通道即Na+通道密切相关。同时，从膜电位变化的角度看，细胞产生动作电位的条件，需要膜电位从静息电位水平去极化达阈电位水平，因此二者的距离也与细胞的兴奋性变化有关。
可兴奋细胞在发生一次动作电位后，其兴奋性会经历一系列变化，包括绝对不应期（absolute refractory period，ARP）、相对不应期（relative refractory period，RRP）、超常期和低常期。在动作电位去极相开始至快速复极（相当于锋电位）的时期，无论施加多强的刺激也不能使细胞再次产生动作电位，这段时间称为绝对不应期。处在绝对不应期的细胞，兴奋性为零，阈刺激无限大。绝对不应期是Na+通道正处于正反馈的激活过程中或失活状态，此时任何刺激都不可能使膜Na+通道再次正反馈激活而产生动作电位。由于动作电位的绝对不应期相当于锋电位时期，故细胞膜两个先后产生的动作电位不能叠加，即动作电位是脉冲式的，不能发生总和。在绝对不应期之后，细胞的兴奋性逐渐恢复，在一定时间内，受刺激后可发生动作电位，但刺激强度必须大于原来的阈强度，这段时期称为相对不应期。相对不应期的兴奋性低于正常，主要是由于部分Na+通道复活而还有部分仍处于失活状态，也与此时的较强K+外流有关。在相对不应期的早期，膜上可开放的Na+通道显著少于正常，兴奋性很低，随时间推移，复活的Na+通道数量越来越多，兴奋性逐渐提高直至基本恢复正常。相对不应期后，兴奋性可轻度而短暂高于正常水平，随后低于正常水平并逐渐恢复正常，分别称为超常期和低常期。超常期和低常期分别处于后去极化和后超极化时期，其发生主要与膜电位较正常静息电位时更靠近或远离阈电位有关。
（七）骨骼肌细胞的传导性
骨骼肌细胞的传导性指动作电位在细胞膜上的传导过程。细胞膜某一部分产生的动作电位可沿细胞膜不衰减地传导至整个细胞。动作电位传导的机制与局部电流有关，产生动作电位的部位A与邻近的处于静息电位B部位之间形成了局部电流，而这一电流对邻近部位的作用是使膜在静息电位基础上发生去极化，而且这一去极化程度是比阈电位水平要大得多，动作电位就在B处的膜产生，于是，动作电位从A处传至B处。动作电位的传导是动作电位与邻近部位间的局部电流刺激相邻的膜产生动作电位，其实质是沿细胞膜不断产生新动作电位的过程，这也是动作电位的幅度在长距离传导中不衰减的原因。值得注意的是，当B处产生动作电位时，A处已经复极化，与B处之间同样存在局部电流，但由于此时A处膜的Na+通道处于失活状态，故动作电位传导的方向是从A到B进行。
（耿艳清）
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