陳鋭溢: 鉀離子的生理作用與平衡

作者：陳鋭溢

想要了解低血鉀與高血鉀的原因，必須先知道鉀離子正常的生理作用與平衡，這一篇文章從生理學的角度，探討鉀離子在細胞內外的變化。

鉀離子的分佈

鉀離子有98%都在細胞內，細胞內鉀離子140meq/L，細胞外鉀離子 4-5 meq/L，身體中鉀離子總共約3000-4000meq ( 50-55 meq/kg )，細胞膜上有Na+-K+-ATPase pump，控制鈉離子離開細胞，鉀離子進入細胞；除此之外，人一天一天正常食入的鉀約40-120 meq，主要經由尿、大便、汗流失。

鉀離子與膜電位的變化

在Resting Membrane Potential時，圖中的公式可以算出細胞內的膜電位，0.01代表Membrane permeability，「c」指cellular，「e」指extra-cellular，[ K+ ]c 細胞內鉀離子的濃度：140，[ Na+]c 細胞內鈉離子的濃度：12，[ K+ ]e細胞外鉀離子的濃度：4.4，[ Na+]e 細胞外鈉離子的濃度：145，代入公式後得到細胞內靜止膜電位是-86 mV，細胞內帶負電。

Resting Membrane Potential

靜止膜電位時，鉀離子因為細胞內外濃度差會跑到細胞外，鈉離子細胞膜通透性較差，所以對靜止膜電位影響不大。因此，靜止膜電位時，因為鉀離子從細胞內移到細胞外，細胞內更「負」。

Action Potential

Action Potential 影響肌肉和神經作用，隨著Acetylcholine 的釋放，會增加voltage-sensitive Na+ channel開啟，鈉進入細胞，減少細胞內外的鈉濃度梯度，使得膜電位去極化，去極化後，使得 voltage-sensitive K+ channel開啟，鉀離子跑到細胞外。

Action potential 時，細胞對鈉permeability 變大，約原本靜止膜電位的1000倍，所以鈉進入細胞後產生去極化，鈉入與鉀出的淨反應產生了Action potential，細胞內變成帶正電，去極化後開始神經的傳導或肌肉的收縮。

Repolarization and recovery

細胞對鈉permeability慢慢回到baseline value，隨後Voltage-sensitive K+ channels被活化，這時細胞內帶正電，細胞對鉀permeability增加，因此鉀移出細胞外，細胞內又慢慢回到負電。

鉀離子多少才有症狀？

重點在細胞內外鉀離子濃度差，而不是細胞外鉀離子的濃度。Hypokalemia Periodic Paralysis造成細胞外的鉀快速移到細胞內，細胞內鉀離子濃度上升，細胞外鉀離子濃度下降，所以[ K+ ]c/[ K+ ]e值會變大，造成肌肉無力的症狀；相對的，如果是腸胃道造成鉀離子的流失，細胞外的鉀流失到體外，濃度降低，細胞內的鉀也慢慢跑到細胞外，細胞內外的鉀離子濃度都降低，[ K+ ]c/[ K+ ]e值改變幅度比較小，也比較不會產生症狀。

影響鉀離子多寡的因素

包括細胞內外的分佈和腎臟排出。細胞內外的分佈有可能身體鉀離子總量是正常的，可以區分為生理性和病理性，生理性原因包括Na+-K+-ATPase、Catecholamine、Insulin、Plasma K+ concentration、Exercise；病理性因素包括Chronic disease、Extracellular pH、Hyperosmolality、Rate of cell breakdown。另外一項因素就是腎臟排出，在cortical collecting tubule的地方，增加鉀離子的Secretion，從尿液排出。