细胞静息电位是指细胞在未受刺激时,存在于细胞膜内外两侧的电位差,表现为膜内较膜外为负。其产生机制主要与以下几个方面密切相关。
首先是离子的分布不均。细胞内外各种离子的浓度分布是不均匀的。在细胞内,钾离子(K⁺)浓度较高,约为140mmol/L;而细胞外钠离子(Na⁺)浓度较高,约为145mmol/L。同时,细胞内还有一些带负电的蛋白质等大分子物质。这种离子分布的差异是形成静息电位的物质基础。
其次是细胞膜对离子的通透性不同。在静息状态下,细胞膜对钾离子的通透性相对较高,而对钠离子的通透性较低。这是因为细胞膜上存在着非门控的钾离子通道,这些通道在静息时处于开放状态,使得钾离子能够顺着浓度梯度从细胞内流向细胞外。
当钾离子外流时,随着钾离子的不断流出,细胞内的正电荷逐渐减少,而细胞外的正电荷逐渐增多,从而在细胞膜两侧形成了内负外正的电位差。这种电位差会对钾离子的进一步外流产生阻碍作用,即形成了一个与浓度梯度方向相反的电场力。
当促使钾离子外流的浓度梯度与阻止钾离子外流的电场力达到平衡时,钾离子的净移动就会停止,此时细胞膜两侧的电位差就相对稳定,这个电位差就接近于静息电位。可以用Nernst方程来计算理论上的钾离子平衡电位,其数值与实际测得的静息电位非常接近。
此外,虽然细胞膜对钠离子的通透性较低,但仍有少量的钠离子会在静息时内流,这会使实际的静息电位比钾离子平衡电位略正一些。同时,细胞膜上的钠 - 钾泵也在不断地活动,它每消耗1分子ATP,就可以将3个钠离子泵出细胞外,同时将2个钾离子泵入细胞内,这种生电作用也对静息电位的维持起到了一定的作用。
综上所述,细胞静息电位的产生主要是由于细胞内外离子分布不均以及细胞膜对不同离子的通透性差异,尤其是钾离子的外流所形成的,同时钠 - 钾泵等也参与了静息电位的维持。