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生物细胞带电的确切说法，是指细胞的细胞膜两侧
阅读：10216 发布时间：2012-11-4
生物细胞带电的确切说法，是指细胞的细胞膜两侧，具有由分离（未配对）的电荷所形成的膜电位。话说地球上zui早的生命很可能来自海洋，海水可是充满电解质的液体，就算是陆生的多细胞生物，其体内每个细胞也都浸渍在细胞外液当中。细胞外液可说是生物的“内在海洋”，无论细胞外液还是细胞内液（细胞质），都保存了类似海水的组成，也就是带有钠（Na+）、钾（K+）、氯（Cl-）等离子的溶液。
生物细胞是由一层脂质的细胞膜，将细胞质及细胞核包在里头的构造。细胞要维持正常的体积及功能，必须与细胞外液维持平衡；不单是细胞质与细胞外液的渗透度要相当，两者也都维持在电中性（亦即带正电荷与带负电荷的离子数目相等）。因此，正常情况下，进出细胞膜的正、负离子及水分子的数目，都是相等的；也就是说淨交换值等于零。
然而，一般教科书上都会提到，细胞膜内与外的溶液有不均等的离子分布；像细胞外液的钠及氯浓度比细胞质的高，细胞质的钾浓度则比细胞外液的高。这种情况又是如何造成的呢？
原来，细胞质里除了离子外，还有许多蛋白质大分子。这些蛋白质一方面是建构细胞的原料（好比胶原蛋白），另一方面又是细胞工厂里实际做事的傢伙（好比酵素）。相对于离子而言，这些蛋白质体型庞大，多带有负电荷，不能够轻易通过细胞膜。因此，细胞质里有这些蛋白质的存在，就造成了能通过细胞膜的小分子离子（主要是钾及氯，理由见下述），在细胞膜内外出现上述不均等的分布。此现象zui早由英国化学家窦南（Frederick G. Donnan, 1870~1956）提出解释，并导出公式：[钾]o× [氯]o＝[钾] i× [氯] i（细胞膜两侧可通透的正负离子浓度的乘积相等），称为窦南平衡（Donnan equilibrium）。
除了被动产生的窦南平衡外，细胞膜上还有耗能的钠-钾帮浦（Na-K-ATPase），可利用 ATP 这个分子携带的能量，将钠往细胞外以及将钾往细胞内运送，以维持它们在细胞内外的不均等分布。钠-钾帮浦对于细胞的重要性无以复加；就算在平常状态下，将近 25% 的细胞能量都花在钠-钾帮浦上，可见一斑。
由于细胞膜内外的离子有不均等的分布，也就造成离子的移动（这是基本的分子扩散现象），方向是从浓度高的一侧往浓度低的一侧进行。对钠及氯而言，由浓度梯度（concentration gradient）造成的推力，是从细胞外液往细胞质的方向；钾则反之，是从细胞质往细胞外液走。由于细胞膜内外两侧原本都维持在电中性的状态（细胞外的钠由氯平衡，细胞内的钾由带负电的蛋白质及少量的氯平衡），因此，只要细胞内多跑进来一个钠，或细胞外多跑出去一个钾，细胞膜内外就产生了电位差（potential difference）：前者造成内正外负，后者则是内负外正。
基于电荷同性相斥的特性，随后顺着浓度梯度往细胞内走的钠，就会受到新产生的电位差阻挡；直到某个程度，由浓度梯度推动进入细胞内的钠，与由电位差造成离开细胞的钠数目相等时，就达到了钠的电化学平衡（electrochemical equilibrium）；此时细胞膜内外形成的电位差，称为钠的平衡电位（equilibrium potential），数值在 +50 mV 左右，内正外负。（传统膜电位的表示方式，是将细胞外电位设成零。以相对的细胞内电位值表示。）
反过来，当细胞质内高浓度的钾顺着浓度梯度往细胞外移动，并达到钾的电化学平衡时，也就造成了数值在 -90 mV 左右的钾平衡电位，内负外正。同理，由细胞外液高浓度的氯往细胞内移动所造成平衡电位在 -70 mV 左右，一如钾的平衡电位，也是内负外正。
由于细胞膜具有电容器的特性，细胞膜两侧只需要极少数的不配对离子（单位数量在 10-12 moles/cm2 左右，总量是细胞内离子数的十万分之一），就能将细胞膜充电，形成平衡电位。因此，就算有离子随其浓度梯度进出细胞膜，形成平衡电位，但以总数而言，细胞外的钠及氯浓度，还是远大于细胞内，细胞内的钾则远大于细胞外，造成膜电位的未配对离子，只占其中极小一部分。
离子平衡电位的计算公式，系由 1920 年诺贝尔化学奖得主能斯特（Walther H. Nernst, 1864~1941）提出。能斯特公式可说是生物学里zui出名且重要的公式之一，只要晓得某离子在细胞膜内外的浓度，套进该公式，就能得出该离子的平衡电位。上述各离子的平衡电位数值，就是在标準室温及一般神经细胞的内外离子浓度下，利用该公式计算而得。只要了解细胞膜两侧离子电化学平衡的原理，就很容易记住能斯特公式，以及各离子平衡电位的正负值，*不需要死记。
会计算离子平衡电位是一回事，要知道真正的细胞膜电位，又是另一回事，且听下回分解。
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