生理学：细胞膜的基本功能

这是一个关于生理学细胞膜的基本功能的思维导图，“细胞膜是细胞表面的一层薄膜，细胞膜呈液态，可以流动。细胞膜的功能主要是维持细胞的一定形态，对细胞起保护作用。

细胞膜的基本功能

• 细胞膜的物质转运功能
  • 细胞膜的化学物质组成及其分子排列形式
    • 细胞膜也称质膜，是分隔细胞质与周围外界环境的一层膜结构，厚度7-8nm。
    • 液态镶嵌模型
      • 液态脂质双层构成膜的基架，不同结构和功能的蛋白质镶嵌在其中，糖类分子与脂质、蛋白结合附在膜的外表面。 一般而言，在功能活跃的细胞，膜蛋白含量较高。
    • 化学组成
      • 膜脂质
        • 主要成分：磷脂酰胆碱>磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺>磷脂酰肌醇
          • 膜脂质中，磷脂占总量70%以上，胆固醇不超过30%，糖脂不超过10% 外层：大部分磷脂酰胆碱和全部糖脂 内层：含氨基酸的磷脂（磷脂酰丝氨酸，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰肌醇） Ps：磷脂酰肌醇的含量虽然少，但是可以作为细胞内第二信使三磷酸肌醇（IP3)和二酰甘油的供体，因而在跨信号转导中有重要作用。
        • 脂质分子都是双嗜性分子
          • 结构组成
            • 磷酸分子中含有磷酸和碱基的头端具有亲水性，含有较长脂肪酸的尾端具有疏水性；胆固醇分子中的羟基以及糖脂分子中的糖链具有亲水性，分子的另外一端具有疏水性。
          • 功能
            • 脂质分子的双嗜特性使之在质膜中以脂质双层的形式存在
              • 即两层脂质分子的亲水端分别朝向细胞外液或胞质，疏水的脂肪酸烃链彼此相对，形成膜内部的疏水区。
            • 质膜的疏水区是水以及水溶性物质如葡萄糖和各种带电离子的天然屏障，但脂溶性物质如氧气二氧化碳以及乙醇等则很容易通过。
        • 膜脂质可因温度改变而呈凝胶或溶胶状态（正常人体温高于膜脂质的熔点）--流动性
          • 流动性还与成分有关，胆固醇中含有不易变形的甾环结构，后者与脂肪酸链结合可以限制脂质的六点 胆固醇含量越高，膜的流动性越低 脂肪烃链越长，饱和脂肪酸越多，膜的流动性越低 膜中镶嵌都蛋白质越多，膜的流动性也会越低
          • 细胞可以承受较大张力和变形
            • 红细胞的变形性和可塑性，通过比其直径小的Cap.和血窦空隙
          • 嵌入的蛋白质可以发生侧向移动，聚集和相互作用
          • 细胞基本活动
            • 蛋白质的相互作用。膜泡运输，细胞的运动、分裂、细胞间链接的形成
      • 膜蛋白
        • 位置分布具有区域特性
        • 表面膜蛋白20%-30%，主要黏附于细胞膜的内表面
          • 表面蛋白通过静电引力与脂质的亲水部分相结合，或者通过离子键与膜中的整合蛋白相结合，但其结合力较弱。故高盐溶液可使离子键断开，用于表面蛋白从膜中的洗脱。
          • 膜骨架蛋白
            • 属于结构蛋白，常以蛋白质分子多聚体形成的长条细丝形式出现，具有一定的强度和弹性
          • 锚定蛋白
            • 用于膜整合蛋白的定位，将其固定到特殊的质膜位置
        • 整合膜蛋白70%-80%
          • 以肽链一次或反复多次穿越膜脂质双层为特征
            • 穿越脂质双层的肽段以疏水性氨基酸残基为主，肽键之间易形成氢键，因而以α螺旋形式存在
            • 露出膜外表面或内表面的肽段是亲水性的，分别以直链形式连接疏水性α跨膜螺旋的细胞外环或细胞内环
      • 膜糖类
        • 寡糖和多糖以共价键的形式与膜蛋白、膜脂结合
          • 糖蛋白（大多数）
          • 糖脂（1/10）
        • 糖蛋白或糖脂上的糖链几乎总是伸向细胞膜外侧，形成糖包被
          • 细胞表面糖被的相互接触可以促进细胞间的相互接触和作用
          • 许多糖类带有负电荷，使得细胞表面带负电荷，从而排斥带有负电荷的物质与其接触。如血液RBC之间能保持分开状态就与膜上唾液酸（一种天然碳水化合物）携带负电荷有关
          • 许多糖类还作为一种分子标记发挥受体或抗原的功能，如RBC上的ABO血型系统
  • 跨细胞膜的物质转运
    • 单纯扩散
      • 相似相溶
      • 概念：一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程
      • 特点
        • 扩散速率高
        • 无饱和性
        • 不依靠特殊膜蛋白的“帮助”
        • 不需要另外消耗能量，顺浓度差
      • 转运物质
        • 脂溶性物质：O2、CO2、N2、
        • 不带电的极性小分子：乙醇、尿素、甘油、水
    • 易化扩散
      • 一些非脂溶性或者脂溶解度甚小的物质，在特殊膜蛋白的“帮助”下，由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程
      • 分类
        • 经通道的易化扩散
          • 概念：带电离子经通道蛋白介导顺浓度梯度或电位梯度的跨膜扩散，这类膜蛋白称为离子通道
          • 离子通道基本特性
            • 离子选择性
            • 门控性
              • 电压门控通道
                • 刺激，膜电位，去极化，构象改变：神经肌肉接头动作电位
              • 化学门控通道
                • 化学物质，结合点，构象改变：骨骼肌终板膜上的N2型乙酰胆碱受体
              • 机械门控通道
                • 机械刺激，质膜感受器牵张：耳蜗基底毛细胞上的机械门控通道
          • 非门控性通道：钾漏通道（始终开放）
          • 对象：几乎为离子
          • 特点
            • 转运离子
            • 需要通道蛋白
            • 顺电化学梯度，不耗能（无分解ATP的能力）
        • 经载体的易化扩散
          • 载体也称转运体，是介导多种水溶性小分子物质或离子跨膜转运的一类整合膜蛋白
          • 概念：水溶性小分子物质在载体蛋白介导下顺浓度梯度的转运
          • 对象：水溶性小分子物质
            • 葡萄糖，氨基酸等
          • 特点
            • 结构特异性
              • 各种载体只能识别和结合具有特定化学结构的底物
            • 饱和现象
              • 载体数量和转运速率有限
            • 竞争性抑制
              • 两种结构相似的物质都能与同一种载体结合
            • 顺浓度差，不耗能
            • 需要载体蛋白的帮助
      • 对象：非脂溶性小分子，带电离子
    • 主动转运
      • 概念：物质在膜蛋白的帮助下，由细胞代谢提供能量，逆浓度梯度或电位梯度的转运过程
      • 分类
        • 原发性主动转运
          • 概念：细胞直接利用代谢产生的能量，将物质逆浓度/电化学梯度转运的过程，介导这一过程的膜蛋白或载体称为离子泵--化学本质为ATP酶
          • 对象：通常为带电离子
          • 特点
            • 分解ATP供能
            • 依靠离子泵（化学本质是ATP酶），通常转运带电离子
            • 逆电-化学梯度进行
          • 主要离子泵
            • 钠钾泵（简称钠泵，也称钠-钾依赖式ATP酶）
              • 分布：哺乳动物细胞膜中普遍存在
              • 钠泵每分解一分钟ATP可逆浓度差将3各Na+移出胞外，将2个K+移入胞内，直接效应是维持细胞膜两测Na+和K+浓度差
              • 钠泵活动的生理意义
                • 维持胞内高K+为细胞内多种代谢反应所需
                • 维持胞内渗透压和细胞容积，防止细胞水肿
                • 形成的Na+和K+跨膜浓度梯度是细胞发生电活动的基础（静息电位/动作电位）
                • 生电效应使细胞膜内负电位的负值更大，参与静息电位的形成
                • Na+跨膜浓度差为继发性主动转运提供势能储备
            • 钙泵（Ca+—ATP酶）
              • 分布
                • 不仅位于质膜上，还集中分布于肌细胞的肌质网和其他细胞的内质网膜上
              • 功能
                • 触发或激活肌细胞收缩、腺细胞分泌、神经递质释放以及某些酶蛋白或通道蛋白等
            • 质子泵
              • 氢钾泵（H+,K+-ATP酶）
                • 分布
                  • 胃腺壁细胞和肾脏闰细胞顶端膜
                • 功能
                  • 将H+分泌到胃液或尿液中，分别参与胃酸的形成和肾脏都排酸功能
                    • 胃溃疡与十二指肠溃疡治疗时采用的奥美拉唑——质子泵抑制剂
              • 氢泵（H+-ATP酶）
        • 继发性主动转运
          • 概念
            • 间接利用ATP能量的主动转运过程。由转运体膜蛋白利用膜两侧的Na+或H+浓度梯度完成。
          • 分类
            • 同向转运
              • 概念
                • 被转运的分子离子都向同一方向，载体为同向转运体
              • eg.
                • 葡萄糖在小肠粘膜上皮的吸收以及在近端肾小管上皮的重吸收——Na+-葡萄糖同向转运体
                • 氨基酸在小肠上皮的吸收——Na+-葡萄糖同向转运体
            • 反向转运
              • 概念
                • 被转运的离子或分子向相反方向运动，载体为反向转运体或交换体
              • eg.
                • Na+-Ca+交换体
                • Na+-H+交换体
          • 特点
            • 间接利用ATP，利用原发性主动转运建立的Na+或H+浓度梯度
            • 依靠转运体
            • 逆电-化学梯度
    • 膜泡运输
      • 概念
        • 由膜形成囊泡，转运大分子和颗粒物质
      • 分类
        • 出胞
          • 持续性出胞
          • 调节性出胞
        • 入胞
          • 吞噬
          • 吞饮
      • 特点
        • 囊泡
        • 转运大分子和颗粒物质
        • 主动、耗能
• 细胞的电活动
  • 静息电位(RP)
    • RP的概念
      • RP值：哺乳动物的神经、骨骼肌和心肌细胞为-70~-90mV，红细胞约为-10mV左右
      • 静息状态下存在于细胞膜两侧的内负外正的电位差
      • 各电位状态
        • 极化
          • 外正内负的稳定状态
        • 超极化
          • 静息电位增大（细胞内电位由-70mV变为-90mV）的过程或状态
        • 去极化
          • 静息电位减小的过程或状态
        • 反极化
          • 膜内电位变为正值，膜两侧极性倒转的状态
        • 复极化
          • 细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程
    • RP的产生机制
      • 离子跨膜扩散的驱动力和平衡电位
        • 当离子跨膜扩散时，它受到来自电位差和浓度差的双重驱动力，两个驱动力的代数和称为电化学驱动力
        • 细胞膜两侧离子浓度差是引起离子跨膜扩散的直接动力
        • 静息状态下，细胞膜对离子的通透性具有选择性
          • 通透性：K+>Cl->Na+>A-
        • 浓度差越大，平衡电位越大
          • 平衡电位：离子净扩散为0时的跨膜电位差
      • 静息时膜对离子的相对通透性
        • 膜对离子的通透性越高，该离子扩散对静息电位的形成作用越大，静息电位也就越接近该离子的平衡电位
        • 静息状态下胞膜对K+的通透性最高，因为存在持续开放的非门控钾通道，所以静息电位更接近于钾平衡电位（略小于）
    • 影响静息电位水平的因素
      • 细胞外液K+浓度
        • 细胞外K+浓度升高时，K+平衡电位降低，静息电位降低
          • 高血钾时，膜去极化，电压门控钠通道失活
      • 膜对K+和Na+的相对通透性
        • 膜对K+的通透性增加，静息电位升高
      • 钠泵活动水平
        • 生电效应
  • 动作电位（AP）
    • 概念
      • 在静息电位的基础上，接受有效刺激后产生的一个迅速的可向远处传播的膜电位波动。
    • 动作电位的图形
    • AP的特点
      • “全或无”现象
        • 刺激达到一定强度，才可以产生
      • 不衰减传播
        • 幅度和波形在传播过程中始终不变
      • 脉冲式发放
        • 连续刺激所产生的多个动作电位总有一定时间间隔而不会融合起来，呈现一个个分离的脉冲式发放
    • AP的产生机制
      • 电流
        • 内向电流
          • 膜外正电荷流入膜内
        • 外向电流
          • 膜内正电荷流向膜外，使外正内负的电位差加大
      • 电化学驱动力
        • 决定离子跨膜流动的方向和速度，也是发生动作电位的基础
      • 动作电位期间细胞膜通透性的变化
        • 钠电导和钾电导的变化
          • 去极化可刺激Na+和K+的通透性增加
            • 离子通道阻断剂
              • 钠通道
                • 河豚毒素TTX
              • 钾通道
                • 四乙铵TEA
        • 膜电导改变的实质
          • 膜中离子通道的开放与关闭
        • 离子通道的功能状态
          • 静息态
          • 激活态
          • 失活态
    • 有关动作电位图像的结论
      • AP的上升支是由于Na+内流引起的，下降支是由于K+外流引起的，后电位是由于钠钾泵活动引起的
      • AP的产生不耗能，恢复耗能（钠钾泵）
      • 子主题
    • AP的触发
      • 阈刺激
        • 有效刺激：阈刺激/阈上刺激
        • 能使细胞产生动作电位的最小刺激强度——阈强度
      • 阈电位
        • 能触发动作电位的膜电位临界值
        • 影响因素
          • 电压门控钠通道在细胞膜中的分布密度
          • 其功能状态
          • 胞外Ca+水平
            • 稳定剂
            • Ca+过高时，使钠电导降低，阈电位升高，兴奋性降低
            • Ca+过低时，阈电位降低，靠向静息电位，兴奋性升高
    • AP的传播
      • AP在同一细胞上的传播
        • 不衰减传导
        • 兴奋区
      • AP在不同细胞间的传播
        • 子主题
    • 兴奋性及其变化
      • 接受刺激产生反应的能力或特性
      • 变化
        • 绝对不应期
        • 相对不应期
        • 超常期
        • 低常期
  • 电紧张和局部电位
    • 电紧张
      • 由膜的被动电学特性决定其空间分布和时间变化的膜电位
        • 膜电容
        • 膜电阻
        • 轴向电阻
      • 特征
        • 等级性电位
        • 衰减性传导
        • 电位可融合
    • 局部电位
      • 概念
        • 细胞受到刺激后由膜主动特性参与即部分离子通道开放形成的、不能向远距离传播的膜电位改变称为局部电位
      • 局部兴奋
        • 少量钠通道激活产生的去极化膜电位波动又称为局部兴奋
      • 特征
        • 等级性电位
        • 衰减性传导
        • 没有不应期
• 肌细胞的收缩（横纹肌）
  • 骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递
    • 结构特征
      • 接头前膜
      • 接头后膜
        • 与接头前膜相对的骨骼肌细胞膜，也称终板膜。含N2型ACh受体阳离子通道
          • 有机磷农药中毒，抑制了胆碱酯酶活性，造成了组织中乙酰胆碱堆积
          • 筒箭毒碱，a-银环毒素--阻断乙酰胆碱受体，肌肉舒张
          • 重症肌无力：神经-肌肉接头部位乙酰胆碱受体减少而出现传递障碍的自身免疫性疾病，体内产生了乙酰胆碱受体的抗体
      • 接头间隙
    • 兴奋传递过程
    • N-M处的兴奋传递特征
  • 横纹肌细胞的结构特征
    • 肌节
    • 肌管系统
      • 横管系统
        • T管：肌膜内凹形成，肌膜AP沿T管传导
      • 纵管系统
        • L管：也称肌质网（SR），肌节两端的L管称终池，富含Ca+
      • 三联管
        • 心肌二联管-单侧终池
        • T管+终池*2
  • 横纹肌细胞的收缩机制
    • 滑行学说
      • 细向粗滑行-->肌小节缩短-->肌肉收缩
      • 肌肉收缩的过程，始动因子：Ca+
  • 横纹肌细胞的兴奋-收缩偶联
    • 基本步骤
  • 影响横纹肌收缩效能的因素
    • 收缩效能
      • 等长收缩
        • 肌肉收缩时，只有张力增加而长度不增加
      • 等张收缩
        • 肌肉收缩时，只有长度缩短而张力不变
    • 影响因素
      • 前负荷
        • 肌肉收缩前遇到的负荷
        • 前负荷的影响
          • 在一定范围内，前负荷越大，初长度越长，收缩力越大
          • 最适初长度时，肌肉收缩能使肌肉产生最大张力
            • 与最适初长度相对的肌节长度为2.0-2.2um
          • 前负荷过大，初长度过长，收缩力降低
      • 后负荷
        • 肌肉收缩时才遇到的负荷
        • 后负荷的影响
          • 先产生张力，后出现缩短，缩短发生后张力不再增加
          • 后负荷越大，张力越大，缩短出现越迟，缩短的初速度和总长度越小
      • 肌肉收缩能力
        • 指与负荷无关、决定肌肉收缩效应的内在因素
        • 主要是
          • 兴奋-收缩偶联期间胞浆内Ca+的水平
          • 肌球蛋白的ATP酶活性
        • 调节和影响肌缩效应内在特性的因素
          • 神经递质
          • 体液物质
          • 病理因素
          • 药物
      • 收缩的总和
        • 心脏的收缩为全或无，不会发生心肌收缩的总和
        • 多纤维总和
          • 空间总和形式
        • 频率总和
          • 时间总和形式
          • 单收缩
            • 一次刺激，产生一次收缩与舒张的过程
          • 复收缩
            • 连续刺激，前一次收缩和舒张尚未结束，新的收缩在此基础上形成的过程
            • 不完全强直收缩
              • 当新的刺激落在前一次收缩的舒张期，所出现的强而持久的收缩过程
            • w安全强直收缩
              • 当新的刺激落在前一次收缩的缩短期，所出现的强而持久的收缩过程
          • 子主题
  • 小结骨骼肌收缩的全过程