生理学第二章

生理学第二章细胞的基本功能，内容有细胞膜的物质转运功能、肌细胞的收缩、细胞的生物电现象，适用于预习、复习做参照。

细胞的基本功能

• 细胞膜的物质转运功能
  • 细胞膜的化学组成及其分子排列形式（不考）
  • 跨细胞膜的物质转运
    • 单纯扩散（简单扩散）
      • 概念：物质从质膜的高浓度一侧通过脂质分子间隙向低浓度一侧进行的跨膜扩散
      • 特点：物理现象，没有生物转运机制参与（无需膜蛋白“帮助”），无需代谢耗能，属于被动转运，无饱和性
      • 对象：脂溶性（非极性）物质或少数不带电荷的极性小分子物质
        • 例如：O2、CO2、NO、N2、NH3（最快）、尿素、乙醚、乙醇、甘油、类固醇激素、水等（葡萄糖太大不进，Na+，K+等带电不进）
    • 易化扩散
      • 概念：非脂溶性的小分子物质或带电离子在跨膜蛋白帮助下，顺浓度梯度和（或）电位梯度进行的跨膜转运
        • 经通道的易化扩散
          • 概念：在通道蛋白的介导下，溶液中的Na+、K+、Ca2+等带电离子顺浓度梯度和（或电位梯度跨膜扩散）
          • 特性：
            • 离子选择性：每种通道只对一种或几种离子有较高的通透能力，而对其他离子的通透性很小或不通透；取决于孔道口径、化学结构、带电电荷等因素
              • 例如：Na+通道、K+通道、Ca2+通道、阳离子通道等
            • 门控特性：大部分通道蛋白内部有一些可移动的结构或化学基团，在通道开口处起“闸门”作用，在静息状态下，大多数通道的闸门都处于关闭状态，只有受到刺激时才发生构象变化，引起闸门开放。
              • 电压门控通道：受膜电位调控，当膜两侧电位差发生改变，（通常是去极化的时候），通道蛋白分子内的一些带电化学基团（也称电位感受去）发生移动，通道打开
                • 例如：产生动作电位的电压门控钠通道
              • 化学（配体）门控通道：受膜外或膜内某些化学物质调控，这是一类兼有通道和受体功能的蛋白分子，也称配体门控通道
                • 例如：骨骼肌终板膜上的N2型乙酰胆碱受体
              • 机械门控通道：受机械刺激调控，通常是质膜感受牵张刺激后引起其中的通道开放或关闭
                • 例如：动脉平滑肌细胞上的机械门控钾通道
          • 非门控通道（始终开放）
            • 例如：神经纤维上的钾漏通道
          • 水通道（不是离子通道）
            • 例如：肾小管、集合管、呼吸道以及肺泡等处的上皮细胞对水的转运能力很强，红细胞每秒允许百倍于自身容积的水通过其质膜
            • 概念：在载体蛋白的介导下，水溶性小分子物质顺浓度梯度进行的跨膜转运
        • 经载体（转运体）的易化扩散
          • 转运的物质：葡萄糖、氨基酸、核苷酸
          • 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
              • 例如：葡萄糖转运体（右旋）、氨基酸转运体
            • 饱和现象：细胞膜中载体的数量和转运速率有限，当被转运的底物浓度增加到一定成度时，底物的扩散速度便达到最大值，不再随着底物浓度的增加而增大
              • 米氏常数Km=最大扩散速度Vmax时的底物浓度/2，可反应载体蛋白对底物分子的亲和力和转运效率。Km越小，表示亲和力转运效率越高
            • 竞争抑制性：如果有两种结构相似的物质都能与同一载体结合，两底物之间将发生竞争性抑制，其中，浓度较低或Km较大的溶质更容易受到抑制
    • 主动转运
      • 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梯度和（或）电位梯度跨膜转运的过程（膜蛋白也称离子泵，因为转运的底物通常为带电离子）
          • 钠钾泵（简称钠泵）
            • 本质：Na+-K+依赖式ATP酶
            • 转运过程：
            • 作用：维持细胞内高K+、细胞外高Na+
            • 生理意义：
              • 胞内高K+是许多代谢反应所必需
                • 例如：核糖体合成蛋白质
              • 维持胞内渗透压和细胞容积，防止细胞水肿
              • 为细胞生物电活动提供条件（形成浓度梯度）
              • 钠泵建立的Na+跨膜浓度梯度可为继发性主动转运提供势能储备
              • 钠泵活动的生电效应可使膜内电位的负值增大，直接参与了静息电位的形成
          • 钙泵
            • 本质：Ca2+-ATP酶
            • 作用：逆浓度梯度转运Ca2+，使胞浆内Ca2+浓度仅为细胞外的万分之一
            • 分布及特征：
              • 细胞膜（消耗1分子ATP，转运1Ca2+到胞外）
              • 肌浆网、内质网、线粒体（1次转运2Ca2+到细胞器内）
        • 种类（以转运的离子种类命名）：Na+-K+泵；Ca2+泵;转运H+的质子泵（离子泵的化学本质是ATP酶）
      • 继发性主动转运
        • 概念：利用原发性主动转运建立的离子浓度差，在离子顺浓度差扩散的同时将其他物质逆浓度梯度和（或）电位梯度跨膜转运，也称联合转运
        • 分类：
          • 同向转运：被转运的分子或离子都向同一方向运动的继发性主动转运
            • 例如：葡萄糖在小肠黏膜上皮的吸收以及近端肾小管上皮的重吸收是通过钠-葡萄糖同向转运体实现的
          • 反向转运（交换）：被转运的分子或离子向相反方向运动的继发性主动转运
            • 例如：Na+-Ca2+交换体、Na+-H+交换体
    • 膜泡运输
      • 概念：大分子和颗粒物质进出细胞时，先由膜包围形成囊泡，再经膜包裹、膜融合和膜离断等一系列过程批量进出细胞
      • 形式
        • 出胞（胞吐）
          • 概念：细胞内大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程
          • 形式
            • 持续性出胞：细胞在安静情况下，分泌囊泡自发地与细胞膜融合而使囊泡内大分子物质不断排出细胞的过程
              • 例如：小肠黏膜分泌黏液
            • 调节性出胞：细胞受到某些化学信号（如激素）或电信号（如动作电位）的诱导时，储存于细胞内某些部位的分泌囊泡大量与细胞膜融合，并将囊泡内容物排出细胞的过程
              • 例如：神经递质释放，通常受Ca2+浓度的调节
        • 入胞（内化、胞吞）
          • 概念：细胞外的大分子物质或团块被细胞膜包裹后，以囊泡的形式进入细胞的过程
          • 形式
            • 吞噬：转运物为固体
            • 吞饮：转运物为液体
• 细胞的信号转导（不考）
• 肌细胞的收缩
  • 横纹肌收缩
    • 骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递
      • 骨骼肌神经-肌接头的结构特征
        • 骨骼肌神经-肌接头
          • 接头前膜：运动神经突触末梢膜的一部分
            • 接头前膜内侧的轴浆中含约300000个突触囊泡或突触小泡，每个囊泡内含有乙酰胆碱分子
          • 接头后膜（终板膜）：与接头前膜相对的骨骼肌细胞膜，呈向内凹陷的浅槽
            • 接头后膜上含有N2型ACh受体阳离子通道，集中分布于褶皱的开口处
            • 在接头后膜的外表面还分布有乙酰胆碱酯酶，它能将ACh分解为胆碱和乙酸
          • 接头间隙
      • 骨骼肌神经-肌接头的兴奋传递过程
    • 横纹肌的收缩机制
      • 肌丝滑行理论
      • 肌丝的分子结构：
        • 收缩蛋白：
          • 肌球蛋白
          • 肌动蛋白
          • 直接参与肌肉收缩
        • 调节蛋白：
          • 原肌球蛋白
          • 肌钙蛋白
          • 不直接参与肌肉收缩但可调控收缩蛋白间的相互作用
      • 肌丝滑行的过程（横桥周期）
        • 第四步复位消耗能量
        • • 横桥周期指肌球蛋白的横桥与肌动蛋白结合、扭动、复位的过程
    • 横纹肌细胞的兴奋-收缩耦联
      • 横纹肌细胞的电兴奋过程（与神经纤维动作电位相似）
      • 兴奋-收缩耦联的基本步骤
        • 1. T管膜的动作电位传导，L型钙离子通道激活
        • 2. JSR内Ca2+释放
        • 3. Ca2+触发肌丝滑行
        • 4. LSR回摄Ca2+
  • 影响横纹肌收缩效能的因素
    • 肌肉收缩效能
      • 概念：肌肉收缩时产生的张力大小、缩短程度，以及产生张力或缩短的速度
        • 根据肌肉收缩的外在表现可将收缩分为
          • 等长收缩
            • 表现为肌肉收缩时长度保持不变而只有张力的增加
          • 等张收缩
            • 表现为肌肉收缩时张力保持不变而只发生肌肉缩短
    • 前负荷
      • 概念：指肌肉在收缩前所承受的负荷
      • 初长度：由于前负荷即为牵拉肌肉的力量，前负荷越大肌肉就被拉得越长，因而前负荷决定肌肉在收缩前的长度，即初长度
      • 长度-张力关系曲线
        • 最适初长度指产生最大收缩张力的初长度
      • 前负荷=初长度（可看作同义词）
    • 后负荷
      • 张力-速度关系曲线图
    • 肌肉收缩能力
      • 指与前负荷和后负荷无关，又能影响肌肉收缩效能的肌肉内在特性
        • 例如：兴奋-收缩耦联过程中胞质内Ca2+浓度的变化、与肌丝滑行有关的横桥ATP酶活性、肌细胞能量代谢水平、机体的神经和体液调节系统
    • 收缩的总和
      • 心脏的收缩 为全或无式的， 不会发生心肌 收缩总和
      • 多纤维总和（又称多运动单位总和）
        • 空间总和形式
        • 运动单位
          • 一个运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维
        • 大小原则
          • 运动单位的总和依照一定的规律进行，即当收缩逐渐增强时，先增加小的再增加大的运动单位收缩；而当舒张时，先最大的最后最小的运动单位停止收缩，这种调节收缩强度的方式即称为大小原则
      • 频率总和
        • 时间总和形式
        • 单收缩
          • 当动作电位频率很低时，每次动作电位之后出现一次完整的收缩和舒张的过程
        • 不完全强直收缩
          • 后一次收缩过程叠加在前一次收缩过程的舒张期，所产生的频率总和
        • 完全强直收缩
          • 后一次收缩过程叠加在前一次收缩过程的收缩期
  • 平滑肌（不考）
• 细胞的生物电现象
  • 静息电位及其产生机制
    • 概念：细胞在安静状态下存在与细胞内、外两侧的电位差（静息电位的大小表示细胞内负值大小）
      • 例如（当细胞外液为0电位时）：
        • 骨骼肌细胞内约-90mv
        • 神经纤维内-70mv
        • 平滑肌细胞内-55mv
        • 红细胞内-10mv
    • 与静息电位关联的名词
      • 极化：安静状态下细胞膜两侧外正内负的稳定状态
      • 反极化：外负内正的状态
      • 去极化：静息电位减小或细胞内负值减小的过程
      • 超极化：静息电位增大或细胞内负值增大的过程或状态
      • 复极化：细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程
      • 超射：膜电位超过零电位的部分
    • 产生机制
      • • Ek是钾离子的平衡电位，但静息电位并不等于钾离子的平衡电位，而是略小于钾离子的平衡电位，因为细胞膜对钠离子也有一定的通透性，会漏一点钠离子进入细胞内抵消了部分钾离子外流形成的膜内负电位
    • 影响静息电位水平的因素：
      • 细胞外K+浓度：细胞外K+增高，静息电位降低
        • 例如：高血钾
      • 膜对K+和Na+的通透性：K+通透性增大，静息电位增大，Na+通透性增大，静息电位减小
      • 钠-钾泵的活动：活动增强细胞膜发生超极化
  • 动作电位及其产生机制
    • 概念：在静息电位的基础上，细胞受到一个适当的刺激后膜电位发生迅速、可逆、可以向远距离传播的点电位波动
    • 特征
      • “全或无”现象：动作电位要么不产生（阈下刺激）一旦产生（阈刺激）就达到最大达到完全，动作电位的强度大小不随刺激强度增大而增大
      • 不衰减传递：动作电位在传播的过程中幅值和波形始终保持不变
      • 脉冲式发放：多个动作电位有一定间隔，不发生融合，呈现分离的脉冲式发放
    • 产生机制
      • 本质：带电离子跨膜移动
        • 内向电流引起去极化
        • 外向电流引起复极化或超极化
      • 条件：
        • 离子受到电化学驱动力（可用膜电位与离子平衡电位的差值Em-Ex表示）
          • 浓度差
          • 电场力
        • 膜对离子的通透性
          • 膜电导
    • 动作电位的触发
      • 阈强度
        • 概念：引起动作电位的最小刺激强度
        • 几个相关概念：
          • 阈刺激：指刺激强度相当于阈强度的刺激
          • 阈下刺激：小于阈强度的刺激
          • 阈上刺激：大于阈强度的刺激
      • 阈电位（燃点）
        • 概念：刚刚能够引起Na+通道大量开放，产生动作电位的膜电位临界值（通常较RP小10-20mv）
    • 动作电位的传播
      • 动作电位在同一细胞上的传播：细胞膜某一部分产生的动作电位可沿着细胞膜不衰减地传遍整个细胞，这一过程也称为传导
        • 传导原理：局部电流学说
        • 在有髓神经纤维上的传导（跳跃式传导）：从一个郎飞结跨越结区“跳跃”到下一个郎飞结
          • 郎飞结：有髓纤维的轴突具有胶质细胞反复包绕形成的髓鞘，髓鞘不是连续的每隔一段便有一个轴突裸露区，即郎飞结
      • 动作电位在细胞之间的传播（不考）
    • 兴奋性及其变化
      • 兴奋性
        • 概念：机体的组织或细胞接受刺激发生反应的能力或特性
          • 对可兴奋细胞而言，兴奋性又可定义为细胞接受刺激后产生动作电位的能力
        • 兴奋：细胞接受刺激后，功能活动由弱变强或由静止变为活动的过程
          • 在现代生理学中，兴奋就是指动作电位或动作电位的产生过程
        • 可兴奋细胞：神经细胞、肌细胞和腺细胞受刺激后能产生明显的兴奋反应（收缩或分泌等），并首先产生动作电位（具有电压门控Na+或Ca2+通道），故生理学将其成为可兴奋细胞
        • 衡量组织兴奋性高低的指标：阈强度（阈值）
          • 兴奋性=1/阈值
      • 细胞兴奋后兴奋性的变化：
        • 绝对不应期
          • 概念：在兴奋发生后的最初一段时间内，无论施加多强的刺激也不能使细胞再次兴奋的时期
          • 意义：
            • 峰电位不叠加
            • 限制峰电位发生的最大频率
        • 相对不应期：阈刺激不能但阈上刺激可引起动作电位（Na+通道少量复活）
        • 超常期：阈下刺激可引起兴奋（Na+通道基本复活，膜电位距阈电位近）
        • 低常期：阈上刺激可兴奋（Na+通道完全复活，但膜电位距离阈电位较远）
  • 电紧张电位和局部电位
    • 电紧张电位
      • 细胞膜被动特性（无通道激活）
      • 概念：
        • 由膜的被动电学特性决定其空间分布（随传播距离而衰减）和时间变化（随时间逐渐增大）的膜电位称为电紧张电位
      • 电紧张电位的极性：
        • 去极化电紧张电位：产生于细胞外负电极部位（相当于细胞内注入正电荷）
          • 意义：兴奋性增高，可诱发动作电位
        • 超极化电紧张电位：产生于细胞外正电极部位（相当于细胞内注入负电荷）
          • 意义：兴奋性降低
      • 特征：
        • 等级性电位，电紧张电位的电位幅度可随刺激强度增大而增大
        • 衰减性传递，电紧张电位的幅度随传播距离的增加呈指数函数下降
        • 电位可融合，由于电紧张电位无不应期，故多个电紧张电位可融合在一起，当去极化电紧张电位的幅值达到一定程度时，可引起膜中少量电压门控钠（或钙）通道开放，形成局部电位（膜的主动特性）
    • 局部电位
      • 细胞膜主动特性（部分通道激活）
      • 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
          • 局部兴奋的概念：
            • 少量钠通道激活产生的去极化膜电位波动
      • 特征：
        • 等级性无“全或无”特征，刺激依赖性
        • 电紧张扩布（不超过1mm）
        • 反应可以总和
          • 时间总和：多个局部兴奋先后叠加
          • 空间总和：多个局部兴奋同时叠加