活動電位のグラフジェネレーター
静止膜電位、閾値、脱分極、再分極、過分極をNa⁺・K⁺チャネルの動きとともに示す、ラベル付きの活動電位のグラフを、ニューロン、心筋、骨格筋の細胞について描きます。生理学の学習を想定したツールです。
活動電位のグラフの例
チャネルまで描いたニューロンの活動電位、ラベル5つの簡単な版、第0〜4相の心筋活動電位、空欄の穴埋め版。どれも表示のプロンプトの実際の生成結果で、クリックで読み込み編集できます。
ラベル付きの活動電位のグラフ：刺激から静止までの1回のスパイク
曲線を左から右へ読みます。縦軸が膜電位（mV）、横軸が時間（ms）で、2本の破線が閾値と静止膜電位です。
- 1
刺激 → 閾値（−55 mV）
1 msの時点で刺激が加わり、膜電位が−70 mVの静止状態から閾値まで上がります。
- 2
脱分極 → ピーク（+30 mV）
電位依存性Na⁺チャネルが開いてNa⁺が一気に流入し、曲線は1ミリ秒よりずっと短い時間で0 mVを越えます。
- 3
再分極
Na⁺チャネルが不活性化し、電位依存性K⁺チャネルが開いてK⁺が流出し、曲線が下がります。
- 4
過分極（アンダーシュート）→ 静止
K⁺の流出が続くため曲線は−70 mVより下がり、4 ms付近で静止状態に戻ります。
ニューロン・心臓・筋肉：活動電位のグラフと図を比べる
曲線の形は細胞によって変わり、グラフではなく膜や軸索を描く図もあります。細胞の種類と授業で使う値を伝えてください。よく使われるのは次の版です。
ニューロンの活動電位のグラフ
上のデフォルトの図です。静止膜電位は約−70 mV、閾値は約−55 mV、ピークは約+30 mVで、約−90 mVのK⁺平衡電位に向かって過分極し、すべて2〜4 msのうちに終わります。生理学の授業なら、スパイクの下にNa⁺とK⁺のコンダクタンス曲線を加えます。Na⁺のコンダクタンスは上昇相のうちに上がって下がり、K⁺のコンダクタンスは遅れて上がり、過分極の間まで続きます。
軸索での興奮の伝導の図
グラフではなく軸索の一部を描きます。興奮している部分ではNa⁺が流入して内側が正になり、そのすぐ後ろではK⁺が流出して膜は不応期にあり、前方の膜はまだ静止状態です。局所電流の矢印で、興奮が後ろではなく前へ進む理由がわかります。電位依存性Na⁺チャネルを、閉じた状態、開いた状態、不活性化した状態の3つで描くよう指定してください。
心筋の活動電位のグラフ
心室筋細胞の活動電位で、0相から4相まで番号を付けます。4相は約−90 mVの静止状態、0相はNa⁺チャネルによる速い立ち上がり、1相は一過性K⁺チャネルが開いてできる小さなくぼみ、2相はL型チャネルから流入するCa²⁺が流出するK⁺とつり合う0 mV付近のプラトー、3相はK⁺チャネルが主役になる再分極です。曲線全体は約250〜300 msなので、時間軸は数百ミリ秒単位になります。
洞房結節の活動電位（ペースメーカー電位）
平らな静止電位のないペースメーカーの曲線です。4相は、ゆっくり流入する「ファニー電流」と、続くT型Ca²⁺チャネルによって約−60 mVから上がっていきます。約−40 mVでL型Ca²⁺チャネルが開くと、ゆるやかで丸みのある立ち上がり（0相）となり、約+15 mVでピークに達し、K⁺チャネルが電位を下げます（3相）。1相と2相はありません。自動的なリズムを示すには、何周期か続けて描きます。
骨格筋の活動電位のグラフ
ニューロンと同じく数ミリ秒と短いですが、約−90 mVの静止膜電位から始まります。神経筋接合部でアセチルコリンがリガンド依存性チャネルを開き、終板電位が筋線維を閾値に届かせて始まり、筋細胞膜に沿って、さらにT管の奥へと広がります。数十ミリ秒続く単収縮の上に描くと、どちらが先かがわかります。
静止膜電位の図
スパイクが起こる前の膜です。K⁺は内側に約140 mM、外側に4〜5 mM、Na⁺は外側に約145 mM、内側に10〜15 mMあります。K⁺漏洩チャネルからK⁺がしみ出して内側が負になり、Na⁺/K⁺ポンプがATP 1分子ごとにNa⁺を3個外へ、K⁺を2個内へ運んで濃度勾配を保ちます。
跳躍伝導の図
有髄軸索で、活動電位がランビエ絞輪から次の絞輪へ跳ぶようすを描きます。絞輪の間の髄鞘が軸索を絶縁するので、電流は内部をすばやく広がります。対比として速度を書き込みます。太い有髄線維では最大約120 m/s、細い無髄線維では約1 m/sです。
シナプス後電位のグラフ：EPSPとIPSP
閾値の線より下に大きさの違う小さな山（EPSP）と、静止電位より下へのくぼみ（IPSP）を描きます。加重を示すと、EPSPが1つだけなら消えていき、2つが続けて届くと足し合わされて−55 mVを越え、完全なスパイクが起こります。閾値がなぜ大切かを説明するグラフです。
活動電位の各相：イオンチャネルと膜電位
ラベル付きの活動電位のグラフで一般に示す相と、それぞれでイオンチャネルに起きていること、電位軸上の位置です。短くするよう指定しない限り、これが標準のラベル一式になります。
| 相 | イオンチャネルの動き | 膜電位 |
|---|---|---|
| 静止膜電位 | 電位依存性チャネルは閉じており、K⁺漏洩チャネルとNa⁺/K⁺ポンプが膜電位を一定に保つ | 約−70 mV |
| 刺激 | シナプスなどからの局所電位が陽イオンを流入させ、膜を脱分極させる | −70 mVから−55 mVへ |
| 閾値 | 十分な数の電位依存性Na⁺チャネルが開き、脱分極が自己増幅を始める | 約−55 mV |
| 脱分極（上昇相） | 電位依存性Na⁺チャネルが一斉に開き、Na⁺が細胞内に流入する | −55 mVから0 mVを超えて上昇 |
| ピーク（オーバーシュート） | Na⁺チャネルが不活性化し、遅れて電位依存性K⁺チャネルが開く | 約+30 mV |
| 再分極（下降相） | 開いた電位依存性K⁺チャネルからK⁺が流出する | ピークから−70 mVへ下降 |
| 過分極（アンダーシュート） | K⁺チャネルの閉鎖が遅れ、K⁺がしばらく流出し続ける | 一時的に−70 mVより下 |
| 静止膜電位への回復 | K⁺チャネルが閉じ、漏洩チャネルとNa⁺/K⁺ポンプが静止状態に戻す | 再び約−70 mV |
| 絶対不応期 | Na⁺チャネルが開いているか不活性化しており、どんな刺激でも次の活動電位は起きない | 閾値からピークを経て下降相の大半まで |
| 相対不応期 | Na⁺チャネルの一部は回復したがK⁺の流出が続き、通常より強い刺激でのみ発生する | 下降相の終わりと過分極 |
何相まで名前を付けるかは課程によって異なります。 入門的なプリントでは静止膜電位、閾値、脱分極、再分極、過分極の5つ。高校生物の発展や大学、看護・医学の課程では刺激、ピーク、チャネルの動きと2つの不応期が加わり、教科書によってはピークを+30 mVでなく+40 mVとします。必要なラベルと数値を指定すれば、それだけを描きます。
活動電位のグラフとは？
活動電位のグラフは、ニューロンの膜電位（mV）を時間（ms）に対して描いたもので、約−70 mVの静止膜電位から約−55 mVの閾値を超えて脱分極し、約+30 mVまで立ち上がったあと再分極し、いったん静止電位より下がってから−70 mVに戻る様子を示します。 各相には、それを起こすイオンチャネルの名前が添えられます。
要点
- ニューロンの活動電位は約1〜2ミリ秒で終わります。 膜電位は静止時の−70 mVからピークの約+30 mVまで約100 mV変化し、数ミリ秒後には静止状態に戻ります。
- 脱分極を起こすのは電位依存性Na⁺チャネルです。 刺激で膜電位が約−55 mVに達するとチャネルが開いてNa⁺が流入し、その流入がさらにチャネルを開く正のフィードバックで、立ち上がりはほぼ垂直になります。
- 再分極を起こすのは電位依存性K⁺チャネルです。 Na⁺チャネルより遅れて、ピークでNa⁺チャネルが不活性化する頃に開き、K⁺が流出して膜電位が下がります。
- 過分極はK⁺チャネルの閉じ遅れで生じます。 静止電位に戻った後もしばらくK⁺が流出し続け、膜電位は−70 mVより下、約−90 mVのK⁺平衡電位の方へ下がります。その後Na⁺/K⁺ポンプと漏洩チャネルが静止状態を回復します。
- 活動電位は全か無かの法則に従います。 閾値に届かない刺激では発生せず、閾値に達すればいつも同じ高さの活動電位が生じます。刺激が強くなると、大きさではなく発生頻度が上がります。
局所電位と活動電位の違い
局所電位（段階的電位）は刺激の強さに応じて大きさが変わり、距離とともに減衰する小さな局所的な膜電位変化です。活動電位は閾値で初めて発生する約+30 mVまでの全か無かの興奮で、軸索の全長を弱まらずに伝わります。 樹状突起や細胞体の局所電位は軸索の起始部で加算され、その和が閾値に達したときだけ活動電位が発生します。
| 局所電位 | 活動電位 | |
|---|---|---|
| 大きさ | 刺激の強さによって変わる | 常に同じで、静止からピークまで約100 mV（全か無か） |
| 向き | 脱分極にも過分極にもなる | 必ず脱分極し、続いて再分極する |
| 閾値 | なし。どんな刺激でも生じる | 膜電位が約−55 mVに達したときだけ発生 |
| 距離による変化 | 発生部位から離れるとすぐに減衰する | 軸索に沿って同じ大きさで再生される |
| 発生する場所 | 樹状突起、細胞体、感覚受容器 | 軸索（起始部から軸索終末まで） |
| 加算と不応期 | 加算できる。不応期はない | 加算されない。発生後に不応期がある |
グラフでは、局所電位は閾値の線より下にとどまる小さな山か、静止電位より下のくぼみです。活動電位は閾値を越え、0 mVを超えて立ち上がり、静止電位より下まで戻る高いスパイクです。 刺激ごとに高さの違うスパイクが描かれていれば、それは活動電位ではなく局所電位を描いています。
活動電位のグラフについてよくある質問
活動電位の5つの相とは？
多くの授業では、静止膜電位、閾値、脱分極、再分極、過分極の5つを挙げ、その後に膜は静止状態に戻ります。 閾値の代わりに刺激やピークを数える教科書もあります。グラフでは左から右へこの順に並び、ニューロンでは全体で約2 msです。
ラベル付きの活動電位のグラフには何を描くべき？
縦軸に膜電位（mV）、横軸に時間（ms）、静止膜電位（−70 mV）と閾値（−55 mV）の破線、そして1本の曲線上に刺激、脱分極、ピーク（+30 mV）、再分極、過分極、静止電位への回復です。 生理学や医学ではNa⁺・K⁺チャネルの動きと絶対不応期・相対不応期を加えます。これが標準で、ラベルを減らすよう指定すればそれだけを描きます。
静止膜電位とは何ですか？
ニューロンが興奮していないときに膜をはさんで生じている電位差で、約−70 mV、外側に対して内側が負です。主に、開いている漏洩チャネルからK⁺が、内側約140 mM、外側4〜5 mMの濃度勾配にしたがって流出することで生じます。ATP 1分子ごとにNa⁺を3個外へ、K⁺を2個内へ運ぶNa⁺/K⁺ポンプが、勾配がなくならないように保ちます。心筋細胞と骨格筋細胞の静止膜電位は−90 mV近くです。
なぜ膜電位は+30 mVまでオーバーシュートするのですか？
膜の内側が0 mVを超えた後も、大きな濃度勾配に押されてNa⁺が流入し続けるからです。 膜電位は約+60 mVのNa⁺平衡電位に向かいますが、その前にNa⁺チャネルが不活性化しK⁺チャネルが開くため、ピークは約+30 mVで止まります。
不応期とは何ですか？
活動電位の直後に、膜が次の活動電位をまったく起こせない時期（絶対不応期）と、通常より強い刺激でしか起こせない時期（相対不応期）のことです。 絶対不応期はNa⁺チャネルが開いているか不活性化している間、相対不応期はその後K⁺がまだ流出している間です。不応期があるため活動電位は一つずつ分かれ、軸索を一方向にだけ伝わります。
脱分極と再分極では何が起きていますか？
脱分極では電位依存性Na⁺チャネルが開いてNa⁺が流入し、細胞内は−70 mVから約+30 mVまで上がります。再分極では電位依存性K⁺チャネルが開いてK⁺が流出し、膜電位が下がります。 つまりグラフの上り坂でNa⁺が入り、下り坂でK⁺が出ます。
活動電位の後の過分極はなぜ起こるのですか？
電位依存性K⁺チャネルが閉じるのが少し遅れ、膜が−70 mVに戻った後もK⁺が流出し続けるためです。 膜電位はK⁺平衡電位の方へ静止電位より下がり、チャネルが閉じると漏洩チャネルとNa⁺/K⁺ポンプが−70 mVに戻します。
閾値（閾電位）とは何ですか？
典型的なニューロンで約−55 mVの膜電位で、ここに達すると十分な数の電位依存性Na⁺チャネルが開き、脱分極が自ら進むようになります。 それより低ければ刺激は局所電位として消え、閾値以上なら完全な活動電位が発生します。これが全か無かの法則です。
ニューロンと心筋の活動電位の違いは？
心室筋細胞の活動電位は約2 msではなく約250〜300 ms続き、−70 mVではなく約−90 mVから始まり、遅いチャネルからCa²⁺が流入する長いプラトー相（第2相）があります。 このプラトーにより心筋の不応期は約250 msと長く、収縮が終わる前に再び興奮することはありません。
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