电功测量时载电的是电子,而电化学测量时溶液中载电的是离子。离子除有荷电的功能之外,还具有不同的化学性质。不同的电极,不同的离子溶液必会引起不同的电化学过程。

pH值- 维基百科，自由的百科全书 zh.wikipedia.org/wiki/PH值 頁庫存檔 類似內容 轉為繁體網頁 pH值，亦称氢离子浓度指数、酸鹼值，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常 .... 医学上：人体血液的pH值通常在7.35-7.45之间，如果发生波动，就是病理现象。         关于神经生物学的新观点(一):静息电位和动作电位是氢离子的膜电位 更新时间：2011-11-30 10:35:32   被阅览数：41次 来源：中国烧伤创疡杂志

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周雪松 ZHOU Xue-song 作者单位: 100037　 北京, 中国地质科学院 通讯邮箱: oldcenter@ gmail． com Affiliations: Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing, 100037, China 【摘要】 静息电位和动作电位是现代生物科学尤其是神经生物学重要而基本的概念,   但是, 根据数学常识 对 GHK 方程推导过程的分析以及根据电化学常识对一些经典实验的回顾分析,  发现 GHK 方程并不成立, 测定膜 电位的经典实验本质上是个电学实验而非生理学实验,  测定的膜电位也不是所认为的金属离子的膜电位,  而是氢 离子的膜电位。 由此得出, 静息电位和动作电位是氢离子的膜电位的新观点。 【关键词】 静息电位; 动作电位; 氢离子; 膜电位 【Abstract】 Resting potential and action potential are important basic concepts of modern biological science espe- cially of neurobiology. However, on the basis of analysis of the derivation of GHK equation using basic mathematical concept and the retrospective analysis of the classic experiments using basic electrochemical knowledge, it was found that GHK equa- tion was derived mistakenly and the classic experiment determining membrane potential was in fact a electrical test not a physiological experiment, and the determined membrane potential is the potential of proton rather than metal ion’ s poten- tial. Thus, the new concept was concluded that resting potential and action potential are membrane potentials of proton.【Key words】 Resting potential; Action potential; Proton; Membrane potential       2011年7月15日的《科学》杂志发表了一篇研究报告[1],报道了用大肠杆菌表达的绿色荧光蛋白质子感受器(PROPS)对大肠杆菌的细胞膜电位变化进行无干扰探测,研究其生物电现象。其基本假设是膜电位的改变会改变PROPS的希夫碱基团上质子的局部电化学势,从而打破PROPS的荧光状态和非荧光状态之间的酸碱平衡。该试验的实践是通过探测细胞液pH值变化反映膜电位的变化,在实验层面上为本文探讨的主题提供了证据。 人们在研究细胞受到刺激之后发生反应的兴奋性时,发现兴奋过程中伴随有生物的电现象。经测量得知,当细胞未受到刺激时,即处于安静状态时,细胞膜内外两侧存在一个电位差,表现为膜内比膜外负,一般称之为静息电位。像神经细胞、肌肉细胞和腺细胞,这一类可兴奋细胞在受到刺激之后会明显产生一个电位变化,即出现一个去极化和复极化的综合过程,一般称之为动作电位。 后来人们认识到静息电位和动作电位的产生与因细胞膜的结构和特性造成的离子在细胞膜两侧的不均匀分布和迁移有关,即与离子在细胞膜两侧的浓度差及扩散有关。离子在细胞膜两侧的不均匀分布产生了细胞膜两侧的浓度差。这个浓度差可用Nernst方程Em=(RT/ZF)lh([Me]o/[Me]i)表示为离子的膜电位。 基于以上的认识,1902年JuliusBernstein提出了静息电位与钾离子的膜电位相关的假说。Goldman进行了理论的研究,并推导出了建立在钾、钠、氯离子基础之上的GHK方程,又称为恒定电场方程。J.Z.Young引进用枪乌贼轴突作为研究材料。之后,Hodgkin、Huxley、Katz等人用电压钳技术,通过实验建立了钾、钠、氯离子的动作电位理论。动作电位与钠离子入胞和钾离子出胞相关。Hodgkin等人因此获得了1963年的诺贝尔生理和医学奖。 今天静息电位和动作电位的概念、实验和理论已成为被诺贝尔奖所认可的现代生物科学核心的标准理论,成为神经生物学、神经科学、脑科学、信息科学的重要而基本的概念,并得到了世人的公认。但是,笔者根据数学常识和电化学常识对GHK方程推导过程和一些经典实验的回顾分析,发现一些不妥之处,推翻了原来的结论,自然导出了静息电位和动作电位是氢离子的膜电位的新理论。简述如下: 1．膜电位与GHK方程[2]GHK的推导是从沿浓度梯度的扩散,离子跨膜迁移的净通量开始的。 净通量=PjZjV'(Jo-JieZjV')/(eZjV'-1),V'=VmF/RT。当Zj=1时,ij=PjFV'(Jo-JieV')/(eV'-1),在达到平衡时,钾、钠、氯三种离子的电流之和为零,即ik+iNa+iCl=0。提取公因式FV'/(e-1),经整理,得到:Vm=RT/Fln(PkKo+PNaNao+PClCli)/(PkKi+PNaNai+PClClo),此方程即为GHK方程。V'=VmF/RT中的Vm的物理意义是什么呢? 如果将Vm理解为细胞的膜电位。根椐细胞电中性的条件,细胞膜内的正离子和负离子所荷的电量相等,为电中性;细胞膜外的正离子和负离子所荷的电量相等,也为电中性。因此,细胞膜内外的膜电位应该为零,即Vm=0。因此,V'=0。此时,式:ij=PjFV'(Jo-JieV')/(eV'-1)为待定式。 如果将Vm理解为离子的膜电位。我们知道离子在细胞膜内外两侧的分布是不均匀的,因此细胞膜内外两侧离子的膜电位应该不为零,即Vm≠0。但因为钾、钠、氯等离子在细胞膜内外两侧分布不均匀的情况并不相同,因此Vmk≠VmNa≠VmCl。此时,式:FV'/(eV'-1)并不能作为公因式提取。 因此,无论是Vm=0,或者是Vmk≠VmNa≠VmCl,都不可能推导出GHK方程,即GHK方程是一个错误的方程。 细胞是电中性的,因此,细胞的膜电位为零。但离子在细胞膜内外两侧的分布并不均匀,导致离子的膜电位应该不为零。所以我们可以认为由实验测得的负几十毫伏的电位差[2]不应该是细胞的膜电位,而应该是某种离子的膜电位。但到底是钾的、钠的,氯的,还是其它离子的膜电位?Bernstein认为是钾离子的膜电位。对吗?我们还是通过对实验的分析来解决这个问题吧。 在实验中测量得到负几十毫伏的电位差所使用的工具是直径仅有一个微米的微电极[3],此微电极是由毛细玻璃管加热拉制而成的。因此,微电极实质上是一个玻璃膜电极。根椐电化学知识,我们知道玻璃膜电极是对氢离子有响应的离子选择性电极,在实验室中被广泛使用的pH计就是根椐这个特性设计的。1954年Galdaell就用玻璃膜电极测量了细胞的pH值。之后1974年Thomas又改进了玻璃膜电极,使其成为更适用于测量细胞pH值的微电极[4]。 玻璃膜电极在pH>9时,会产生“碱性误差”;在pH<1时,会产生“酸性误差”;当pH在1~9的测定范围之内时,玻璃膜电极是一种对氢离子具有高度选择性的指示电极。在生理条件下,pH应在1~9的测量范围之内,因此对于玻璃膜电极———微电极有响应的离子应该是氢离子,而非钾离子。所以,可以认为在实验中获取的负几十毫伏的电位差应该是氢离子的膜电位,也就是静息电位是氢离子的膜电位,并不象Bernstein所认为的那样,静息电位是钾离子的膜电位。 在pH的测量中除有玻璃膜电极之外,还有一个参比电极,此参比电极一般为饱和甘汞电极,而上述实验没有参比电极,所测电位不可靠。       2．对Hodgkin等人工作的分析通过实验,Hodgkin等人认为动作电位是由于钠离子入胞和钾离子出胞造成的。Hodgkin等人的实验是建立在GHK方程理念之上设计的,在实验中只考虑了钾、钠、氯三种离子,而没有包括氢离子。上面我们已经指出GHK方程的推导是错误的,这是其一;其二,GHK方程中没有包括氢离子,而实验中使用的微电极———玻璃膜电极却是氢离子的选择性电极。氢离子浓度、pH值是生理的重要参考指标。生命体液为溶有多种不同物质的水溶液,是水溶液就不可能避免水的电离过程。细胞内的生命大分子上有大量的酸性或碱性基团,这些基团无法不受氢离子的作用,这种作用必会影响到它们的结构和功能。 电功测量时载电的是电子,而电化学测量时溶液中载电的是离子。离子除有荷电的功能之外,还具有不同的化学性质。不同的电极,不同的离子溶液必会引起不同的电化学过程。这就造成了电化学测量和电工测量的差异。我们不能应用电工测量的观念指导电化学测量。钾、钠、氯离子虽然都是一价离子,带有一个电荷,但它们的化学性质是有差别的,是不能相互取代的,有其各自不同的电化学行为。 在电化学测量溶液电导时,一般采用桥式电路。为了减少直流电流引起的“极化”干扰,而采用交流电源。使用的电极一般为惰性的铂黑材料制成。       Hodgkin等人采用电压钳技术建立了动作电位的理论,而动作电位是一个生命的生理过程。在生命体内并不存在一个由直流电源提供的电场,离子的迁移运动会受其影响,而且离子的膜电位在生理情况下并不会是一个恒定的值,而是随着离子的迁移而变化的量。离子的浓度在细胞内外并非处于平衡的状态,而是存在一个浓度差,此浓度差可造成离子的迁移运动。外来电场和浓度差都会影响离子的迁移运动。Hodgkin等人尽管成功地完成了一个电学实验,但实验不会是一个成功的生理学实验。依据一个电学实验建立一个生理学理论是行不通的,这样的理论也无法正确地认识生命的过程。 面对着生命,面对着细胞,无论是细胞内液,还是细胞外液都是溶解有多种成分的水溶液,既然是水溶液那就不可能避免水的电离过程。       H2O=H+OH-,而[H+][OH-]=Kw=10-14,则[H+]=10-14/[OH-],即[H+]与[OH-]为倒数关系。令-lg[H+]=pH=14+lg[OH-],当[H+]=[OH-]时,pH=7,为中性;当[H+]>10-7,则[OH-]<10-7,pH<7,为酸性;当[H+]<10-7,则[OH-]>10-7,pH>7,为碱性。根椐Em=RT/ZFln([H+]o/[H+]i)可以计算氢离子的膜电位。经整理,Em=59lg([H+]o/[H+]i)(mV)。令[H+]o=10-7．4(pH=7．4,为弱碱性),则Em=59(PHi-7．4),pHi为细胞内pH值。当细胞外pH=7．4,细胞内pH=6．0时,膜电位Vm=-82．6mV,为静息电位;当细胞外pH=7．4,细胞内pH=7．4时,膜电位Vm=0mV,将出现电位反转;当细胞外pH=7．4,细胞内pH=7．6时,膜电位Vm=+11．8mV,动作电位反转;当细胞外pH=7．4,细胞内pH=8．2时,膜电位Vm=+47．0mV,为动作电位峰值。 当细胞处于安静状态时,由于细胞膜的隔离作用,细胞外为弱碱性,细胞内为弱酸性,其静息电位为负值,可达-82．6mV。当细胞受到刺激转为兴奋状态时,钠离子通道打开,钠离子跨膜迁移入胞,伴随有胞外的碱性物质一同入胞。碱性物质中和细胞内的酸,氢离子浓度下降而碱性增高,膜电位上升为去极化。另一种可能是钠离子与氢离子交换,钠入胞,氢出胞。机制不同,但效果一样。氢离子浓度下降而碱性增高,膜电位上升为去极化。 当细胞内的酸,[H+]<10-7时,[H+]与[OH-]互为倒数,则[OH-]>10-7,则细胞内由弱酸性转为弱碱性,膜电位反转,动作电位峰值可达+42．2mV。 当细胞内成弱碱性时,代谢酶被激活发生生化反应,产生酸性物质,酸性物质中和细胞内的碱,氢离子浓度上升而酸性增高,膜电位下降为复极化,最终又回到静息电位。 这就是静息电位和动作电位的氢离子的膜电位理论。 参考文献 [1] Joel M. Kralj, et al. Electrical Spiking in Escherichia coli Probed with a Fluorescent Voltage - Indicating Protein.  Science 15 July 2011: Vol. 333 no. 6040 pp: 345 ~ 348. [2] Kuffler SW, Nicholis JG, Martin AR 著, 张人骥、 潘其丽 译 神经生物学-从神经元到大脑 [ M].  北京: 北京大学出版社,1991 年. [3] 菲利普&#8226;纳尔逊 著, 黎明、 戴陆如 译.  生物物理学: 能量、信息、 生命 [M].  上海: 上海科学技术出版社, 2006. [4] 克椿, 吴本玠.  医学生物物理学 [M].  北京: 北京医科大学、协和医科大学联合出版社, 1996.