生理学第二章 细胞的基本功能

关于生理学第二章 细胞的基本功能思维导图，细胞的基本功能包括细胞膜的物质转运功能、细胞的生物电现象、肌细胞的收缩功能等，这些功能共同维持了细胞的正常生理活动。

第二章 细胞的基本功能

• 第一节 细胞膜的物质转运功能
  • 细胞膜的结构
    • 致密带—透明带—致密带
  • 细胞膜的基本结构
    • 细胞膜：一种选择性半透膜
    • 结构：“液态镶嵌模型”假说
    • 组成：脂质，蛋白质，糖类
  • 细胞膜的物质转运
    • 被动转运
      • 定义：物质顺化学梯度或顺电位梯度，不额外消耗ATP化学能的跨膜物质转运过程
      • 扩散的动力
        • 电化学势能（浓度差，电位差）
      • 扩散的先决条件
        • 膜对该物质的通透性 （脂/水溶性，分子大小，带电情况等）
      • 分类
        • 单纯扩散
          • 转运的物质
            • 脂溶性的小分子物质（O2,CO2）
        • 易化扩散
          • 定义
            • 一些带电离子和分子质量稍大的水溶性分子在膜蛋白的介导下，顺浓度或顺电位梯度跨膜扩散的过程
          • 动力：浓度差，电位差
          • 分类
            • 载体介导的易化扩散
              • 转运的物质：营养物质
              • 转运方式：浓度高侧结合→蛋白构象改变→浓度低侧解离
              • 特点
                • 结构特异性
                • 饱和现象
                • 竞争性抑制
            • 通道介导的易化扩散
              • 离子通道
              • 本质
                • 有贯通膜内外的亲水性孔道的通道蛋白
              • 主要特征
                • 转运速率高，有离子选择性，门控特性：大多具有阀门，开放、关闭
              • 门控离子通道的分类
                • 电压门控通道
                • 化学门控通道或配体门控通道
                • 机械门控通道
      • 水的跨膜转运
        • 动力：渗透压差（水分子的浓度差）
        • 大部分细胞：单纯扩散
        • 某些组织：水通道
          • 通过特殊膜蛋白—水孔蛋白（AQP）进行快速跨膜转运
    • 主动转运
      • 定义
        • 指在耗能的条件下逆浓度或逆电位梯度进行的物质跨膜转运
      • 分类
        • 原发性主动转运
          • 定义：直接利用分解ATP产生的能量
          • 介导的膜蛋白：离子泵
          • 钠钾泵，钙泵
            • 作用：每分解一分子ATP，泵出3个Na+,泵入2个K+
            • 钠泵的生理意义
              • 造成细胞内高钾离子浓度，是细胞内许多代谢过程所必需的
              • 形成膜内外钠离子浓度差，为继发性主动转运提供动力
              • 有效维持细胞内外钠离子和钾离子的浓度差，是细胞生物电活动的前提
        • 继发性主动转运
          • 定义：间接利用ATP能量
          • 需要：起耦联作用的膜蛋白——转运体
          • 同向转运
            • 如：葡萄糖、氨基酸在小肠黏膜上皮的吸收，在肾小管上皮细胞的重吸收
          • 逆向转运
            • 如：心肌钠离子-钾离子交换、肾小管钠离子-氢离子交换
    • 膜泡运输
      • 大分子物质或物质团块进出细胞的方式，需要耗能，也是一种主动转运
      • 出胞
        • 定义：指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程
        • 两种形式：持续性出胞和间断性出胞
      • 入胞
        • 过程
          • 接触-膜内陷或伸出伪足-包绕-膜融合、断离，形成囊泡
        • 分类
          • 吞噬
            • 固体物质，如中性粒细胞，巨噬细胞吞噬细菌
          • 吞饮
            • 液体，又可分为液相入胞和受体介导入胞
    • 总结
      • 小分子、离子
        • 被动转运
          • 顺电化学梯度，不消耗能量
          • 单纯扩散
            • 脂溶性小分子物质
            • 如：O2,CO2跨膜转运
          • 易化扩散
            • 非脂溶性小分子物质，需膜蛋白帮助
            • 载体介导~
              • 如：人体组织细胞转运葡萄糖、氨基酸等营养物质
            • 通道介导~
              • 细胞生物电中钠离子、钾离子的跨膜流动
        • 主动转运
          • 逆电化学梯度，消耗能量
          • 原发性~
            • 直接利用ATP能量
            • 钠钾泵
          • 继发性~
            • 小肠上皮细胞吸收葡萄糖、氨基酸等营养物质
      • 大分子、物质团块
        • 膜泡运输
          • 出胞
            • 神经末梢释放递质
          • 入胞
            • 中性粒细胞吞噬细菌
• 第三章 细胞的生物电现象
  • 膜电位
    • 定义：细胞膜两侧的电位差，也称跨膜电位
  • 表现形式
    • 静息电位
      • 概念及记录
        • 定义
          • 细胞在安静状态下，存在于细胞膜内外两侧的电位差，呈内负外正的状态
        • 数值
          • 以膜外为零电位，膜内负值表示
          • 不同种类的细胞，静息电位的数值大小不同
          • 是一种稳定的直流电位
        • 极化
          • 静息电位时膜两侧所保持的内负外正状态
      • 产生原理
        • 基础
          • 细胞内外K+的不均衡分布
            • 膜两侧离子的浓度差——离子跨膜扩散的动力
            • 胞内K+、带负电的蛋白质大分子多，胞外Na+、Cl-多
          • 安静状态下细胞膜主要对K+有通透性
            • 离子通道开放——离子跨膜扩散的条件
        • 静息电位与K+平衡电位
          • 安静时，K+通道开放~K+浓度差（动力）外流~膜内带负电的蛋白质大分子留在胞内~逐渐在膜两侧形成内负外正的电位差，此电位差为K+外流的阻力~当动力与阻力达到平衡时（膜两侧的电-化势能代数和为零），K+跨膜净通量为零，膜电位稳定在某一数值（K+平衡电位）
    • 动作电位
      • 概念与特征
        • 定义
          • 可兴奋细胞在静息电位的基础上，接受一次有效刺激后所产生的一次迅速的、短暂的、可扩步的电位变化。
        • AP常作为细胞兴奋的标志
        • 兴奋的本质：产生动作电位的过程
        • 概念的扩展
          • 可兴奋细胞：在受到适宜刺激后能产生动作电位的细胞
          • 兴奋性：可兴奋细胞受到刺激后产生动作电位的能力
        • 相关术语
          • 极化
            • 静息电位状态
          • 去极化
            • 负值减小的电位变化过程
          • 反极化/超射
            • 内正外负状态
          • 复极化
            • 去极化恢复极化的过程
          • 超极化
            • 膜电位负值加大
      • 组成
        • 锋电位
          • 神经和骨骼肌细胞AP的标志
          • 上升支
          • 下降支
        • 后电位
          • 负后电位
          • 正后电位
      • 特征
        • “全或无”现象
        • 不衰减性扩布
        • 具有不应期
      • 产生原理
        • 上升支，Na+内流，去极化 下降支，K+外流，复极化
        • 上升支
          • 有效刺激~Na+通道大量开放~由于外高内低的Na+浓度差和内负外正的电位差，Na+内流~形成动作电位去极相~反极化时，内正外负的电位差成为Na+的阻力~动力与阻力达平衡时，Na+跨膜净通量为零~达到Na+平衡电位（超射顶点）
        • 下降支
          • Na+通道关闭，K+通透性增大~由于浓度差和内正外负的电位差，K+外流~膜电位复极化~恢复至静息电位水平
        • 复极后
          • 生电性钠泵转运，恢复膜内外离子分布
    • 动作电位与静息电位的本质区别
  • 细胞兴奋的引起和传导
    • AP主要机制
      • 有效刺激~Na+通道开放，Na+大量内流~动作电位上升支
    • 刺激强弱不同时
      • 较弱刺激~少量Na+通道开放，少量Na+内流~膜去极化程度小~局部电位
      • 较强刺激~大量Na+通道开放，大量Na+内流~膜去极化程度大~阈电位~动作电位
    • 刺激引起兴奋的条件
      • 衡量刺激大小的参数
        • 刺激强度
        • 持续时间
        • 强度-时间变化率
      • 阈值
        • 定义
          • 在刺激作用时间和强度-时间变化率固定不变的条件下，能引起组织细胞发生兴奋的最小刺激强度
        • 意义
          • 是衡量细胞兴奋性的常用指标
            • 阈值小，兴奋性高
        • 阈刺激
          • 强度达到阈值的刺激
        • 阈下刺激
          • 强度小于阈值的刺激
            • 局部电位
        • 阈上刺激
          • 强度大于阈值的刺激
            • 动作电位
        • 有效刺激
          • 能使细胞产生动作电位的阈刺激或阈上刺激
    • 阈电位与动作电位
      • 阈电位(TP)
        • 定义
          • 当增加刺激强度使膜电位去极化达到某一临界值时，细胞膜上的电压门控Na+通道被快速激活，大量Na+通道开放，Na+大量内流，出现动作电位的上升支，这个临界值称为阈电位
          • 两者差值大，细胞兴奋性低
    • 阈下刺激与局部电位
      • 局部电位的概念
        • 阈下刺激引起膜中少量Na+通道的开放，在受刺激的膜局部出现电位波动
      • 局部兴奋
        • 少量Na+通道开放产生的去极化反应
      • 特点
        • 不是“全或无”的：幅度随刺激的增强而增大
        • 衰减性扩步：幅度随距离增加而迅速减小以至消失
        • 可以互相叠加：没有不应期，可总和
      • 意义：提高细胞膜的兴奋性
    • 动作电位的传导
      • 基本机制：局部电流学说
        • 膜的已兴奋部位与邻近未兴奋部位之间存在电位差~电荷移动形成局部电流~使邻近未兴奋膜发生去极化，至阈电位~爆发动作电位（兴奋）~整个细胞膜依次发生兴奋
      • 有髓神经纤维
        • 局部电流在相邻的郎飞结处产生，称跳跃式传导
        • 意义：传导速度快，节能
  • 细胞兴奋后兴奋性的周期性变化
    • 周期性变化过程
      • 绝对不应期：兴奋性为0
      • 相对不应期：兴奋性逐渐恢复
      • 超常期：兴奋性高于正常
    • 意义：绝对不应期相当于峰电位持续的时间，其长短决定了细胞在单位时间内所能接受刺激产生兴奋的最大次数
• 肌细胞的收缩功能
  • 横纹肌细胞的收缩功能
    • 微细结构
      • 含大量平行排列的肌原纤维和高度发达的肌管系统
        • 排列高度规则有序
    • 肌原纤维和肌节
      • 肌原纤维
        • 明带：长度可变，其正中的暗线为Z线
          • 细肌丝组成
        • 暗带：长度固定，正中相对透明区为H带
          • 粗肌丝组成
          • H带中央的暗线为M线
      • 肌节
        • 每两条相邻Z线之间的区域
          • 是肌细胞收缩和舒张的基本结构单位
      • 电镜观察：肌丝的规则排列
        • 粗肌丝
        • 细肌丝
    • 肌管系统
      • 包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊管状结构
      • 由两套独立的管道系统组成
      • 横管（T管）
        • 由肌膜向内凹陷形成，膜上分布有L型钙通道
        • 作用：将膜的电变化传入细胞内部
      • 纵管（肌质网，L管）
        • 纵行肌质网：膜有钙泵
        • 连接肌质网（终池）
          • “Ca+泵”
          • 膜上有钙释放通道
      • 三（二）联体
        • 兴奋-收缩耦联的结构基础
      • Ca+
        • 兴奋-收缩耦联的关键因子
  • 横纹肌细胞收缩的分子机制
    • 肌丝滑行学说
      • 主要内容：肌细胞收缩时，肌原纤维的缩短是细肌丝向粗肌丝中间滑行，粗、细肌丝重叠程度叠加的结果
      • 表现：暗带的宽度不变，H带和明带变窄。肌节缩短，导致整个肌原纤维、肌细胞和肌肉的长度缩短
    • 肌丝的分子组成
      • 粗肌丝：主要由肌球蛋白分子构成
      • 细肌丝：由肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白三种蛋白分子构成
        • 肌球蛋白、肌动蛋白为收缩蛋白
        • 原肌球蛋白、肌钙蛋白为调节蛋白
    • 肌肉的收缩过程
      • 静息时原肌球蛋白遮盖肌动蛋白上与横桥结合的位点
      • 当胞浆中Ca2+浓度升高到10-5M
        • Ca2+与TnC结合，肌钙蛋白构象改变
        • 原肌球蛋白变构，位置移动
        • 暴露肌动蛋白上与横桥结合的位点
        • 横桥与肌动蛋白结合，扭动，使细肌丝向M线滑行
        • ATP与横桥结合，水解ATP，横桥复位
        • 横桥周期，肌肉连续缩短或产生恒定张力
      • 当胞浆中Ca2+浓度下降到10-7M以下时，Ca2+与肌钙蛋白分离
        • 在肌肉弹性牵引下，细肌丝滑回原位，肌肉舒张
    • 总结
      • 结构基础：粗、细肌丝的蛋白分子组成
      • 能量提供：ATP
      • 决定舒缩的关键因素：肌浆中Ca2+的浓度
      • 决定肌肉缩短速度、缩短程度以及所产生张力的关键因素：能参与循环的横桥数目以及横桥循环活动的进行速率
  • 横纹肌细胞的兴奋-收缩耦联
    • 概念：肌细胞的动作电位引发机械收缩的中介机制
    • 基本过程
      • 肌膜上的动作电位沿肌膜和横管膜传播，激活肌膜和横管膜上的L型钙通道
      • 通过通道构象的改变（骨骼肌）或内流的Ca2+（心肌）激活终池膜上的钙释放通道，Ca2+释放入胞质，使胞质内的Ca2+浓度升高100倍以上
      • Ca2+与肌钙蛋白结合，启动肌丝滑行过程，肌细胞收缩
      • 胞质内Ca2+浓度升高的同时激活纵行肌质网膜上的钙泵，将胞质中Ca2+回收入肌质网，胞浆内Ca2+浓度降低，肌肉舒张
  • 横纹肌收缩的形式与力学分析（骨骼肌）
    • 肌肉的收缩形式
      • 等长收缩与等张收缩
        • 等长收缩
          • 指肌肉收缩时长度保持不变只有张力增加
          • 意义：保持一定体位
        • 等张收缩
          • 指肌肉收缩时只发生长度缩短而张力保持不变
          • 意义：完成一定的物理功
      • 单收缩和强直收缩
        • 单收缩
          • 横纹肌受到一次短促的刺激时，产生一次动作电位，引发肌肉一次收缩和舒张
        • 强直收缩产生的基础
          • 绝对不应期很短，故能接受较高频率的刺激而再次兴奋
          • 收缩过程持续时间长，故可在收缩过程中接受新的刺激，发生新的兴奋和收缩，新的收缩与前次收缩过程发生总和
        • 整体内，躯体运动神经的传出冲动总是连续成串的，骨骼肌的收缩都属于强直收缩
        • 强直收缩的意义：产生更大程度的张力和缩短
    • 肌肉收缩的力学分析
      • 前负荷
        • 前负荷：肌肉在收缩前所承受的负荷
        • 决定了肌肉在收缩前被拉长的程度（即初长度），故前负荷可用初长度来表示
        • 最适初长度：在这一初长度下，肌肉收缩可以产生最大的张力
      • 后负荷
        • 后负荷：肌肉在收缩过程中所承受的负荷。总是肌肉缩短的阻力
        • 张力-速度关系曲线
          • P0：发生等长收缩
          • Vmax：发送等张收缩
      • 肌肉收缩能力
        • 指与负荷无关的能觉得肌肉收缩效能的内在特性
        • 主要取决于：兴奋-收缩耦联过程中各因素，包括L型钙通道活性、胞质内Ca2+浓度变化，横桥功能，ATP酶活性等