生理学 第二章 细胞的基本功能

生理学 第二章 细胞的基本功能：物质的跨膜转运、细胞的信号转导、生物电、动作电位、静息电位、骨骼肌的收缩等等。

第二章 细胞的基本功能

• 物质的跨膜转运
  • 单纯扩散
    • 特点
      • 顺浓度梯度转运
      • 无需耗能、载体的被动转运
      • 不出现饱和现象
    • 举例
      • 各类气体：O2、N2、CO2、NH3
      • 类固醇激素
      • 乙醇、速尿、甘油、水
    • 影响因素
      • 扩散速率取决于物质在膜两侧的浓度差
      • 膜对该物质的通透性
      • 温度、膜的面积等
  • 易化扩散
    • 经通道易化扩散
      • 特点
        • 顺浓度梯度或电位梯度转运
        • 无需耗能、需要通道蛋白的被动转运
        • 不出现饱和现象
      • 举例
        • 各种带电离子：Na+、K+、Ca2+等
        • 肾集合管水分子经过水通道蛋白进入主细胞
      • 影响因素
        • 离子选择性
        • 门控特性
          • 电压门控通道
          • 化学门控通道
          • 机械门控通道
    • 经载体易化扩散
      • 特点
        • 顺浓度梯度转运
        • 无需耗能但需要载体的被动转运
        • 有饱和现象
      • 举例
        • 葡萄糖、氨基酸、核苷酸从血浆进入红细胞、脑细胞等大多数细胞
        • 营养物质进入细胞等
          • 对比记忆：Na+—葡萄糖、氨基酸同向转运体：在小肠、近端肾小管的吸收为主动转运
      • 影响特性
        • 载体蛋白的结构特异性
        • 有竞争性抑制
  • 主动转运
    • 原发性主动转运
      • 特点
        • 逆浓度梯度转运
        • 需要耗能（离子泵直接分解ATP供能）
          • 离子泵有ATP酶活性
          • 钠泵每分解一分子ATP可逆浓度将3个Na+移出胞外，2个K+移入胞内
          • Na+泵抑制剂：哇巴因
        • 需要膜蛋白或载体（离子泵）的介导
        • 有饱和现象
      • 举例
        • Na+—K+泵：维持正常的静息电位
        • Ca2+泵：心肌和骨骼肌肌质网经钙泵回收胞浆内的Ca2+
        • 质子泵（H+—K+泵或H+泵）
          • 胃壁细胞能逆浓度将H+分泌到胃酸中
          • 肾远曲小管和集合管的闰细胞通过这两种质子泵主动分泌H+进入小管液
    • 继发性主动转运
      • 特点
        • 逆浓度梯度转运
        • 需要耗能（间接利用Na+—K+泵或质子泵分解ATP供能），能量来自Na+或H+在膜两侧浓度梯度
        • 需要同向转运体或反向转运体（交换体）的介导
        • 有饱和现象
      • 分类
        • 同向转运
          • Na+—葡萄糖、氨基酸同向转运体：在小肠、近端肾小管的吸收
          • Na+—K+—2Cl-同向转运体：髓攀升支粗段NaCl的重吸收、内耳血管纹维持耳蜗蜗管内淋巴液高K+环境
          • Na+—I-同向转运体：甲状腺滤泡上皮聚碘功能
          • Na+—HCO3-同向转运体
          • H+—肽同向转运体：参与寡肽在小肠重吸收
        • 反向转运
          • Na+—Ca2+交换：心肌细胞在兴奋-收缩耦联过程中流入胞质内的Ca2+排出细胞外
            • 转入3个Na+，排出1个Ca2+
          • Na+—H+交换：肾近端小管上皮细胞分泌H+
            • 转入1个Na+，排出1个H+
          • H+—单胺类递质逆向转运体：突触囊泡再摄取突触前末梢内单胺类神经递质
            • 转入1个囊泡，排出2个H+
  • 膜泡运输
    • 出胞
      • 定义：胞质内的大分子物质通过分泌囊泡的运输形式排出细胞
      • 举例
        • 外分泌腺细胞排放酶原颗粒和黏液
        • 内分泌腺细胞分泌激素
        • 神经纤维末梢释放神经递质
      • 分泌形式
        • 持续性出胞
          • 小肠粘膜杯状细胞分泌粘液
        • 调节性出胞
          • 动作电位达到神经末梢引起的神经递质的释放
    • 入胞（内化）
      • 定义：细胞外的大分子物质被细胞膜包裹以后以囊泡的形式进入细胞的过程
      • 分泌形式
        • 吞噬
          • 被转运的物质以固体的形态进入细胞的过程
        • 吞饮
          • 被转运的物质以液体的形态进入细胞的过程
          • 吞饮是大多数大分子物质（蛋白质）进入细胞的唯一途径
  • 总结
    • 与细胞产生生物电无关的跨膜转运形式
      • 单纯扩散
      • 经载体易化扩散
      • 出胞和入胞
    • Ca+的跨膜转运
      • 逆浓度转运（主动转运）
        • 心肌和骨骼肌肌质网经Ca2+泵回收胞浆内的钙离子
      • 经通道易化扩散
        • 动作电位到达神经末梢激活钙离子通道，使得钙离子内流
        • 心肌或骨骼肌在兴奋-收缩耦联过程中Ca2+通过肌膜或机制网上的钙离子通道流入细胞质
      • 心肌和骨骼肌兴奋—收缩耦联过程中
        • 钙离子通过肌膜或T管膜上的钙通道（经通道的易化扩散、顺浓度梯度）流入细胞质
        • 钙离子通过肌膜上的钙泵（原发性主动转运、逆浓度）或Na+—Ca2+交换体（继发性主动转运、逆浓度）将胞质内的钙离子排出胞外——见于心肌
        • 细胞膜
        • 钙离子通过肌质网上的钙通道（经通道的易化扩散，顺浓度）流入细胞质
        • 钙离子通过肌质网上的钙泵（原发性主动转运、逆浓度）回收入肌质网内
        • 肌质网膜
• 细胞的信号转导
  • 常见的配体的细胞作用机制
    • γ-氨基丁酸和乙酰胆碱既是G蛋白耦连受体又是离子通道型受体
    • 乙酰胆碱、肾上腺素、血管升压素、血管紧张素Ⅱ可以通过多种信号转导通路发挥作用
    • MR都是G蛋白耦连受体，NR都是离子通道型受体
    • 需要胞质内第二信使街道的信号转导通路有
      • G蛋白耦连受体
      • 鸟苷酸环化酶受体
    • 离子型受体和胞内受体介导的信号转导不需要第二信使
  • 常见第二信使
    • cAMP、cGMP、IP3、DG
    • Ca2+、花生四烯酸
• 细胞的生物电活动
  • 总论
    • 所有的细胞都具有静息电位，但只有肌细胞、神经细胞、部分腺细胞具有动作电位
    • 膜电位的本质是离子的跨膜转运
  • 静息电位
    • 当细胞外液固定于零电位时，细胞膜内电位为负值 一般范围在-10~-100mv之间
      • 骨骼肌细胞：-90mv
      • 神经细胞：-70mv
      • 平滑肌细胞：-55mv
    • 产生机制
      • 细胞膜两侧离子的浓度差和平衡电位
        • 电-化学驱动力
          • 定义：某种粒子在膜两侧的电位差和浓度差，两个驱动力的代数和
          • 电化学驱动力=膜电位（静息电位Em）—该离子的平衡电位（Ex），然后取绝对值
          • 举例
            • Ca2+电化学驱动力：-70mv-（+123mv）=-193mv（向内）
            • Na+电化学驱动力：-70mv-（+67mv）=-137mv（向内）
            • K+电化学驱动力：-70mv-（-98mv）=+28mv（向外）
            • Cl-电化学驱动力：-70mv-（-90mv）=+20mv（向外）
            • 大小比较：Ca2+＞Na+＞K+＞Cl-
            • 这些离子都是在膜对单一离子有通透性的情况下形成的
            • 以上例子都是在枪乌贼大神经纤维细胞上实施的，所以静息电位约为-70mv
        • Nernst公式 （计算离子的平衡电位）
          • Ex=60lg（Xo/Xi）
            • Xo：细胞外该离子浓度
            • Xi：细胞内该离子浓度
          • 影响因素
            • 该离子在膜两侧的浓度差（最重要）
              • 浓度差越大，平衡电位越大
            • 温度
            • 离子的带电数
          • Na+平衡电位：+67mv
            • Ca2+平衡电位：+123mv
          • K+平衡电位：-98mv
            • Cl-平衡电位：-90mv
          • 大小比较：Ca＞K＞Cl＞Na
        • 当电位差驱动力增加到与浓度差驱动力完全相等时（电化学驱动力为0），即该离子的净扩散量为0的时候，该离子的膜电位差称为平衡电位
      • 静息状态下细胞膜对离子的相对通透性
        • 细胞膜在安静状态下对几种离子同时具有通透性，静息电位的大小取决于这些离子的相对通透性，和这些离子在膜两侧的浓度差
        • 细胞膜对某种离子的通透性越高，该离子的扩散对静息电位的形成的作用就越大，静息电位也就越接近该离子的平衡电位
        • 安静状态下，细胞膜对K+的通透性最高，因为细胞膜中有持续开放的非门控钾通道 所以静息电位接近于K+平衡电位
        • 细胞膜对多种离子具有通透性，少量Na+进入细胞可抵消K+外流形成的膜内负电位，导致静息电位的实际值略小于K+平衡电位
        • 静息状态下对离子的通透性，与离子本身无关
          • 对K+通透性最大
          • Na+和Ca2+通透性较小
      • Na+泵的生电作用
        • Na+泵通过主动转运维持细胞内外Na+和K+浓度差，为跨膜扩散形成静息电位奠定基础
        • 排出3个Na+，进入2个K+
        • Na+泵活动增强，生物电效应增强，发生一定程度的超极化，相反则发生微去极化
        • 干扰项：Na+泵活动增强，Na+内流增加，发生去极化，膜电位减小
    • 影响因素
      • 细胞外液各种离子的浓度
        • K+浓度升高，K+平衡电位减少，静息电位也减少（细胞外低钾，当钾浓度升高，浓度差驱动力减少，K+平衡电位减少）
        • • 补充：细胞外高钙、细胞内低钙
      • 细胞膜对K+和Na+通透性
        • 细胞膜对K+通透性增加，静息电位越接近K+平衡电位（增大、超极化）
        • 细胞膜对Na+通透性增加，静息电位便减小（去极化）
      • Na+泵活动水平
        • Na+泵活动增强，生物电效应增强，发生一定程度的超极化
        • 相反则发生微去极化，动作电位幅度降低
    • 离子通道的状态
      • Na+通道有3种状态
        • 静息态
          • 激活门关闭，失活门开放
        • 激活态
          • 激活门开放，失活门开放
        • 失活态
          • 激活门开放，失活门关闭
      • K+通道有2种状态
        • 静息态
        • 激活态
        • 正因为没有失活态，才能保持持续K+外流
    • 离子通道的种类
      • 电压门控通道
        • 去极化Na内流，复极化K外流
      • 化学门控通道
        • 骨骼肌Ach终板电位
      • 机械门控通道
        • 耳蜗微音器电位
      • 非门控通道
        • 神经纤维膜中的钾漏通道
  • 动作电位（AP）
    • 动作电位产生过程和机制
      • 接受有效刺激
        • 能使细胞产生动作电位的阈刺激或阈上刺激
      • 膜电位去极化达到阈电位（TP）水平
        • Na+通道开放，少量Na+内流（经通道易化扩散）
      • 动作电位升支（去极相）
        • 膜对Na+通道通透性增大，大量Na+内流
      • 超射
        • 膜电位高于0化学电位的部分
      • 动作电位降支（复极相）
        • Na+通道失活，K+通道开放，K+大量外流
      • 负后电位（后去极化电位）
        • 复极时外流的K+积蓄在细胞膜外，暂时阻止了K+外流
      • 正后电位（后超计划电位）
        • 生电性Na+泵活力增强（原发性主动转运），发生超极化
    • 兴奋性及其变化
      • 总论
        • 细胞阈电位越小，兴奋性越高
        • 生理学常将这些神经、肌细胞、腺细胞等这些能够产生动作电位的细胞，称为可兴奋细胞
        • 阈上刺激：大于阈电位强度的刺激（在阈电位以下）
        • 阈下刺激：小于阈电位强度的刺激（在阈电位以上）
      • 细胞兴奋后兴奋性的变化
      • 兴奋性的影响因素
        • 细胞外高Ca时，减小细胞膜对Na+通透性，使阈电位提高，细胞兴奋性降低，所以钙离子被称为“稳定剂”
        • 相反，阈电位下移，与静息电位靠近，兴奋性提高
    • 动作电位的传播
      • 不衰减传播
      • 本质：在细胞膜上爆发新的动作电位
      • 传导方式
        • 同一细胞：局部电流
        • 细胞之间
          • 细胞缝隙连接（电突触，本质是离子通道）传播，是同类细胞发生同步化兴奋的关键 （如心肌细胞的同步活动、子宫平滑肌的同步收缩）
          • 神经肌肉接头：电—化学—电（化学性突触）传播
        • 神经细胞
          • 有髓神经纤维：郎飞氏结（Na+通道密度最高的地方），发生跳跃式传导，速度快，耗能少
          • 无髓神经纤维：递进式传导，速度慢，耗能多
          • 直径越大，传导效率越高，动作电位幅度越大，电阻越小
    • 动作电位的影响因素
      • AP的速度/幅度
        • Na+影响最大：去极化需要大量Na+内流 阻断部分Na通道，可以使速度和幅度变小
      • AP的时程长短
        • K+影响最大：复极化需要大量K+外流 阻断部分K通道，可以使时程延长
      • 离子的电导
        • 电导：膜对某一离子的通透性，只与离子通道状态有关，与离子所受的驱动力无关
        • 去极化：钠离子电导变大、钾离子电导变化不明显
        • 复极化：钠离子电导为0，钾离子电导逐渐增大
    • 动作电位特点
      • 全或无现象
        • 缝隙连接使心肌细胞发生全或无式收缩的结构基础
      • 不衰减传播
      • 脉冲式发放
        • 连续刺激产生的多个动作电位，总会有一定间隔而不会融合起来，呈现一个个分离的脉冲波
  • 电紧张电位和局部电位
    • 电紧张电位
      • 特点
        • 等级性电位：电位幅度随着刺激的强度而改变
        • 电紧张传播、衰减性传导
        • 电位可叠加总和，无不应期
        • 没有Na、Ca通道的激活
        • 膜电导无变化
      • 当去极化电紧张电位幅度达到一定程度，可引起细胞膜中少量钠钙离子通道开放，形成局部电位
    • 局部电位
      • 特点
        • 等级性电位：电位幅度随着刺激的强度而改变
        • 电紧张传播、衰减性传导
        • 电位可叠加总和，无不应期
        • 有少量Na、Ca通道的激活
      • 当局部电位幅度达到一定程度，可引起细胞膜中少量钠钙离子通道开放，形成动作电位
      • 举例
        • 肌细胞的终板电位、发生器电位
        • 感受器细胞的感受器电位
        • 神经元突触的兴奋性突触后电位（EPSP）、抑制性突触后电位（IPSP）
• 肌细胞的收缩
  • 肌细胞的分类
    • 根据形态
      • 横纹肌
        • 骨骼肌
        • 心肌
      • 平滑肌
    • 根据神经支配
      • 随意肌
        • 骨骼肌
          • 受躯体运动神经支配
      • 非随意肌
        • 心肌
        • 平滑肌
        • 受自主神经支配
  • 横纹肌
    • 骨骼肌神经—肌肉接头
      • 结构组成
        • 接头前膜：运动神经轴突末梢，轴浆内含有大量突触囊泡
        • 接头间隙：充满细胞外液
        • 接头后膜（终板膜）：骨骼肌细胞膜，含有N2型Ach受体阳离子通道、乙酰胆碱酯酶（AchE）
      • 传递过程
        • 接头前膜
          • 动作电位沿轴突传递到运动神经末梢，导致接头前膜去极化
          • 电压门控通道开放，导致Ca2+经通道的易化扩散进入神经末梢
          • 神经末梢内Ca2+浓度升高，启动Ca2+依赖性突触囊泡出胞
          • 突触囊泡与接头前膜融合，以出胞的方式排出Ach到接头间隙
        • 接头后膜
          • Ach激活N2型AchR阳离子通道，随后Ach可被接头后膜表面的AchE灭活分解
          • 突触后膜对Na+和K+通透性增高，Na+内流为主
          • 终板膜去极化产生终板电位（EPP），但终板膜上无电压门控Na+通道，此处不会产生动作电位
          • 终板电位激活周围普通肌膜上电压门控Na+通道，引起终板膜以外的肌膜上产生Na+内流和去极化
          • 骨骼肌爆发动作电位（肌膜动作电位）
      • 微终板电位
        • 安静状态下，1个囊泡的自发释放引起终板膜电位的微小变化，称为微终板电位（MEPP）
        • 达到突触前膜的一次动作电位一般可引起125个囊泡释放而产生终板电位
      • 递质释放的影响因素
        • 影响突触前膜释放
          • 细胞外液Ca2+浓度增高或Mg2+浓度下降
            • 递质释放量增多
          • 突触前动作电位的频率、幅度、时程增加
            • 递质释放量增多
          • 灭活囊泡着位有关蛋白
            • 破伤风毒素阻碍回返性抑制中枢闰绍细胞释放甘氨酸
              • 递质释放量减少
            • 肉毒梭菌毒素阻碍乙酰胆碱释放
              • 递质释放量减少
          • 注意：与突触前膜释放递质量无关的因素是
            • 突触囊泡的大小
            • 突触前膜动作电位的传导速度
        • 影响突触间隙
          • 有机磷农药：分解AchE，从而使Ach无法被代谢，滞留于突触间隙，持续性刺激突触后膜，导致肌肉震颤
          • 新斯的明：抑制AchE活性，使Ach无法被代谢，用于治疗重症肌无力
        • 影响突触后膜
          • 筒箭毒碱、α-银环蛇毒：竞争性结合突触后膜上N2型AchR阳离子通道，导致肌肉松弛
    • 横纹肌细胞的结构
      • 肌原纤维
        • 由粗肌丝+细肌丝构成
          • 由粗肌丝的所有区域都是暗带
          • 只有细肌丝存在的地方为明带
        • 明带和暗带：肌原纤维中明暗交替的横纹
        • M线：位于暗带中央的横线
        • Z线：位于明带中央的横线
        • H带：M线两侧相对较亮的区域
        • 肌节：相邻2个Z线之间的区段，使肌肉舒张和收缩的基本单位
        • 横纹肌收缩时H带、明带变窄，暗带不变
      • 肌管系统
        • 横管（T管）：与肌原纤维走形方向垂直的膜性管道，由细胞膜内陷并向深部延伸形成，作用是将肌细胞表面的动作电位传导到深处
        • 纵管（L管、肌质网SR）：与肌原纤维走形方向垂直的膜性管道
        • 连接肌质网（终池JSR）：肌质网与T管膜相接触的末端膨大的部分，内部储存高浓度Ca2+，膜中嵌有Ca2+释放通道（又称雷诺丁受体RYR）（经通道易化扩散）
        • 纵行肌质网(LSR)：包绕在肌原纤维周围并交织成网的部分，膜中有钙泵，可逆浓度梯度将胞质中的Ca2+转运至肌质网内（原发性主动转运），回收胞质中的Ca2+
        • 钙离子通过肌膜上的钙泵（原发性主动转运）或Na+—Ca2+交换体（继发性主动转运）将胞质内的钙离子排出胞外——见于心肌
        • 在骨骼肌中：T管与其两侧终池构成三联管结构
          • 终池—T管—终池
        • 在心肌中：T管和单侧终池构成二联管结构
          • 终池—T管
    • 横纹肌细胞收缩机制
      • 肌丝滑行理论
        • 肌肉的缩短和伸长是这两种肌丝之间相互滑行所致，粗肌丝和细肌丝本身长度不发生改变
      • 肌丝的构成
        • 记忆口诀：男方去求婚，女方很感动，岳父想阻止，岳母收了礼（Ca）
      • 引起骨骼肌收缩的关键因素：胞质内的Ca2+浓度瞬间增高
      • 各种受体在膜上的分布
      • 骨骼肌和心肌肌质网Ca2+释放
      • 横纹肌的兴奋收缩耦连过程
        • T管膜的动作电位传导至肌细胞内部，激活T管膜和肌细胞膜中的L型钙通道
        • 终池内Ca2+释放（Ca2+释放通道，又称雷诺丁受体RYR，易化扩散），使得胞质内Ca2+浓度迅速增高，达到静息状态下的百倍以上
          • 骨骼肌：电刺激导致L型钙通道开放（拔塞样构象改变）
          • 心肌：钙触发钙释放
        • 胞质内的Ca2+浓度迅速增高，与肌钙蛋白结合，触发肌肉收缩
        • 一段时间后，高浓度钙离子激活纵行肌质网中的钙泵回收Ca2+（原发性主动转运），导致肌肉舒张