生理学002细胞的基本功能

生理学细胞的基本功能，需要重点掌握： ①细胞膜的物质转运功能：单纯扩散，易化扩散，主动转运，膜泡运输。 ②细胞的生物电活动：静息电位和动作电位及其产生机制，兴奋的触发与兴奋性（兴奋的触发、兴奋性及其周期变化、局部电位），兴奋在同一细胞上的传导及其特点。 ③骨骼肌的收缩功能：骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递及其影响因素，骨骼肌的兴奋-收缩耦联及其收缩机制。

生理学002细胞的基本功能

• 重点掌握
  • ①细胞膜的物质转运功能：单纯扩散，易化扩散，主动转运，膜泡运输。
  • ②细胞的生物电活动：静息电位和动作电位及其产生机制，兴奋的触发与兴奋性（兴奋的触发、兴奋性及其周期变化、局部电位），兴奋在同一细胞上的传导及其特点。
  • ③骨骼肌的收缩功能：骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递及其影响因素，骨骼肌的兴奋-收缩耦联及其收缩机制。
• 一、细胞膜的物质转运功能
  • 物质跨细胞膜的转运方式包括单纯扩散、易化扩散、主动转运、膜泡运输四种。
  • 1．单纯扩散
    • 脂溶性的小分子物质从细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程，称为单纯扩散。
    • 单纯扩散既不需要膜蛋白的帮助，也不消耗代谢能量，属于被动转运方式。
    • 物质扩散的方向及速度取决于该物质在细胞膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性，后者取决于物质的脂溶性和分子大小。
  • 2．易化扩散
    • （1）概念
      • 易化扩散是指非脂溶性小分子物质或带电离子在跨膜蛋白（通道或载体）帮助下，顺浓度和（或）电位梯度进行的跨膜转运。
      • 易化扩散无需消耗ATP，属于被动转运。
    • （2）分类
      • 易化扩散分为经通道的易化扩散和经载体的易化扩散两种类型。
      • 经载体介导的易化扩散易发生饱和现象，是由于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程度时，底物的扩散速度便达到最大值，不再随底物浓度的增加而增大。
    • （3）离子通道的特点
      • 经通道介导的溶质几乎都是离子，因而通道也称离子通道。
      • 离子通道可分为电压门控通道、化学门控通道和机械门控通道等。
      • 离子通道有静息、激活和失活三种功能状态，通道对离子的导通表现为开放和关闭两种状态。
      • 离子通道的两个重要特征为离子选择性和门控特性。
  • 3．主动转运
    • 主动转运是指某些物质在膜蛋白的帮助下，由细胞代谢提供能量而进行的逆浓度梯度和（或）电位梯度的跨膜转运。
    • 根据膜蛋白是否直接消耗能量，主动转运可分为原发性主动转运和继发性主动转运。
    • （1）原发性主动转运
      • 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）转运的过程，称为原发性主动转运。
      • 原发性主动转运的底物通常为带电离子，故介导这一过程的膜蛋白或载体被称为离子泵，如钠-钾泵等。
      • 钠-钾泵简称钠泵，也称Na＋，K＋-ATP酶，其特点如下：
        • 钠泵是普遍存在于哺乳动物细胞膜上的一种特殊蛋白质，对维持细胞的正常功能起重要作用。
        • 维持细胞膜内外Na＋、K＋浓度差。静息状态下，细胞内K＋浓度约为细胞外液中的30倍，细胞外液中Na＋浓度约为胞质内的10倍。
        • 一个细胞约将它所获能量的20％～30％用于钠泵的转运。
        • 钠泵活动能维持胞内渗透压和细胞容积。
        • 建立Na＋的跨膜浓度梯度，为继发性主动转运的物质提供势能储备。
        • 如葡萄糖、氨基酸在小肠和肾小管的重吸收，就是利用Na＋经主动转运造成的跨膜浓度梯度作为驱动力。
        • 钠泵活动形成的跨膜离子浓度梯度也是细胞发生电活动的前提条件。
        • 钠泵活动是生电性的，可直接影响膜电位，使膜内电位的负值增大。
        • 哇巴因是钠泵的特异性抑制剂。
    • （2）继发性主动转运
      • 某种物质的主动转运不直接来自ATP分解的能量，而是利用原发性主动转运机制建立起来的Na＋或H＋的浓度梯度，在Na＋或H＋顺浓度梯度扩散的同时，使其他物质逆浓度梯度和（或）电位梯度跨膜转运，这种间接利用ATP能量的主动转运过程，称为继发性主动转运。
      • 继发性主动转运依赖于原发性主动转运，实际上就是经载体易化扩散与原发性主动转运相耦联的转运过程。
      • 如葡萄糖在小肠黏膜上皮的主动吸收就是由Na＋-葡萄糖同向转运体和钠泵耦联完成的，因此属于继发性主动转运。
    • （3）继发性主动转运和原发性主动转运的鉴别
    • （4）单纯扩散、易化扩散和主动转运的鉴别
      • 注意：
        • ①红细胞和普通细胞摄取葡萄糖-经载体易化扩散。
        • ②小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖-伴随Na＋重吸收的继发性主动转运。
        • ③单纯扩散在于“简单”-不消耗能量，不需要载体。
        • ④易化扩散在于“容易”-不消耗能量，但需要载体（或通道）。
        • ⑤主动转运在于“主动”-需要消耗能量。
        • ⑥继发性主动转运在于“继发”-能量是借助原动力。
    • （5）几种物质的跨膜转运方式
  • 4．膜泡运输
    • 大分子和颗粒物质进出细胞并不直接穿过细胞膜，而是由膜包围形成囊泡，通过膜包裹、膜融合和膜离断等一系列过程完成，故称为膜泡运输。
    • 膜泡运输是一个主动过程，需要消耗能量，也需要更多蛋白质参与，同时伴有细胞膜面积的改变。
    • 膜泡运输包括出胞和入胞两种形式。
• 二、细胞的生物电活动
  • 概述
    • 细胞在进行生命活动时都伴有电现象，称为细胞生物电。
    • 细胞生物电是由一些带电离子（如Na＋、K＋、Cl--、Ca2＋）跨细胞膜流动而产生的，表现为一定的跨膜电位，简称膜电位。
    • 细胞的膜电位主要有两种表现形式，即安静状态下的静息电位和受刺激时迅速发生、并向远处传播的动作电位。
    • 机体所有的细胞都具有静息电位，而动作电位仅见于神经细胞、肌细胞和部分腺细胞等可兴奋细胞。
  • 1．静息电位及其产生机制
    • （1）静息电位的概念
      • 在安静状态下，细胞膜两侧存在的外正内负且相对平稳的电位差，称为静息电位。
      • 据测定，当细胞外液固定于零电位时，各类细胞的静息电位均为负值，范围在-10～-100mV之间：
      • 骨骼肌细胞约为-90mV，神经细胞约-70mV，平滑肌细胞约-55mV，红细胞约-10mV。
      • 记忆：
        • ①极化（正常膜电位内负外正的状态）是基础；
        • ②去极化是“去掉”内负外正的状态（内负降低）；
        • ③复极化是“恢复”内负外正的状态；
        • ④超极化是“超过”内负外正的状态（内负增大）。
    • （2）静息电位的产生机制
      • 跨膜电位的形成取决于两个因素：
        • ①细胞内外多种离子的不均衡分布；
        • ②膜对不同离子的通透性变化。
      • ①静息电位主要与K＋平衡电位有关
        • 正常时细胞内的K＋浓度高于细胞外，而细胞外Na＋浓度高于细胞内。
        • 在安静状态下，虽然细胞膜对各种离子的通透性都很小，但相比之下，对K+有较高的通透性，于是细胞内的K＋在浓度差的驱使下，由细胞内向细胞外扩散。
        • 由于膜内带负电荷的蛋白质大分子不能随之移出细胞外，所以随着带正电荷的K＋外流，将使膜内电位变负而膜外变正。
        • 但是，K＋的外流并不能无限制地进行下去，因为最先流出膜外的K＋所产生的“外正内负”的电场力，将阻碍K＋的继续外流。
        • 随着K＋外流的增加，这种阻碍K＋外流的力量（膜两侧的电位差）也不断增强。
        • 当促使K＋外流的浓度差与阻碍K＋外流的电位差这两种力量达到平衡时，膜对K＋的净通量为零。
        • 于是，不再有K＋的跨膜净移动，而此时膜两侧的电位差也就稳定于某一数值不变，此电位差即为K＋的平衡电位。
      • ②Na＋平衡电位对静息电位的影响
        • 除K＋平衡电位外，静息时细胞膜对Na＋也有极小的通透性，由于Na+顺浓度差内流，因而可部分抵消由K＋外流所形成的膜内负电位。
        • 因此，静息电位的实测值略小于由Nernst公式计算所得的K＋平衡电位。
      • ③钠泵活动对静息电位的影响
        • 钠泵活动所形成的Na＋、K＋不对等转运也可加大膜内负电位。
  • 2．动作电位及其产生机制
    • （1）动作电位（AP）的概念
      • AP是指可兴奋细胞（包括神经细胞、肌细胞、部分腺细胞）在静息电位基础上接受有效刺激后，产生的一个可迅速向远处传播的膜电位波动。
      • 以神经细胞为例，当受到一个有效刺激时，其膜电位从-70mV逐渐去极化到达阈电位水平，此后迅速上升至＋30mV，形成动作电位上升支（去极相）；
      • 随后又迅速下降至接近静息电位水平，形成动作电位下降支（复极相）。
      • 两者共同形成尖峰状的电位变化，称为锋电位。
      • 锋电位是动作电位的主要部分，是动作电位的标志。
      • 膜电位在零电位以上的部分称为超射。
    • （2）动作电位的产生机制
      • ①静息状态
        • 在静息状态下，细胞膜外Na＋浓度大于膜内，Na＋有向膜内扩散的趋势。
        • 但是，由于静息时膜上的钠通道多数处于关闭状态，膜对Na＋通透性很小，因此，Na＋不可能大量内流。
      • ②动作电位上升支
        • 当细胞受到一个阈刺激或阈上刺激时，电压门控钠通道开放，膜对Na＋的通透性突然增大，并且超过了膜对K＋的通透性，Na＋迅速大量内流，以至于膜内负电位因正电荷的增加而迅速消失。
        • 由于膜外高Na＋所形成的内向浓度势能，使得Na＋在膜内负电位减小到零电位时仍可继续内移，进而出现正电位，直至膜内正电位增大到足以阻止由浓度差所引起的Na＋内流时，膜对Na＋的净通量为零，从而形成动作电位上升支，此时膜两侧的电位差，称为Na+平衡电位。
        • Na＋平衡电位的数值也可根据Nernst公式计算得出，计算所得的数值与实际测得的动作电位的超射值相近，后者略小于前者。
      • ③动作电位下降支
        • 膜内电位并不停留在正电位状态，而是很快出现动作电位的复极相，这是因为钠通道开放时间很短，它很快就进入失活状态，从而使膜对Na＋的通透性变小。
        • 与此同时，电压门控钾通道开放，于是膜内K＋在浓度差和电位差的推动下向膜外扩散，使膜内电位由正值向负值发展，直至恢复到静息电位水平，进而形成动作电位下降支。
      • ④生电性钠泵的作用
        • 膜电位在恢复到静息电位水平后，钠泵活动加强，将动作电位期间进入细胞的Na＋转运到细胞外，同时将外流的K＋转运入细胞内，从而使膜内外离子分布恢复到原初静息水平。
    • （3）动作电位的主要特点
      • ①“全或无”现象
        • 单一神经纤维或骨骼肌细胞动作电位的一个重要特点就是刺激强度若达不到阈值，将不会产生动作电位；刺激强度一旦达到阈值，就会暴发动作电位
      • ②不衰减传播
        • 动作电位产生后，并不停留在受刺激处的局部细胞膜，而是沿膜迅速向四周传播，直至传遍整个细胞，而且其幅度和波形在传播过程中始终保持不变
      • ③呈脉冲式发放
        • 由于动作电位发生过程中绝对不应期的存在，即使给予连续刺激也表现为一个个分离的电位波动，而不会发生融合。
  • 3．兴奋的触发与兴奋性
    • （1）兴奋的触发
      • ①刺激引起兴奋的条件
        • 刺激要引起组织细胞发生兴奋，必须同时具备一定的刺激强度、一定的刺激持续时间和刺激强度-时间变化率。
        • 任何刺激要引起组织兴奋，刺激的上述三个参数必须达到某一临界值，即阈值。
        • 刚能引起组织或细胞发生兴奋的最小刺激称为阈刺激。
        • 低于阈值的刺激，称为阈下刺激。高于阈值的刺激，称为阈上刺激。
        • 如果使刺激的持续时间和强度-时间变化率固定，引起组织或细胞发生兴奋的最小刺激强度，称为阈强度。
        • 阈强度与组织细胞的兴奋性呈反比关系，因而是衡量兴奋性高低的关键指标。
      • ②阈电位
        • 刺激能否引起组织细胞兴奋，取决于刺激能否使该组织细胞的膜电位由静息电位水平去极化达到某一临界值水平。
        • 当去极化达到这一临界膜电位时，细胞膜上的电压门控钠通道大量激活，膜对Na＋的通透性瞬间增大，Na＋大量内流，结果造成膜的进一步去极化，而膜的进一步去极化，又导致更多的钠通道开放，有更多的Na＋内流，这种正反馈式的促进作用使膜迅速、自动地去极化，直至接近Na＋平衡电位水平才停止，从而形成动作电位的上升支。
        • 这种因细胞膜去极化可产生动作电位的临界膜电位，称为阈电位。
        • 一般可兴奋细胞的阈电位要比它们静息电位的值高出10～20mV。
        • 从膜电位变化的角度来看，所谓阈刺激就是能使膜电位由静息电位水平去极化达到阈电位水平而暴发动作电位的最小强度的刺激。
        • 当膜去极化到阈电位水平后，膜本身将依其自身的特性和速度进一步去极化，此时的去极化不再依赖原先所给刺激的大小，即不管是阈刺激还是阈上刺激，也不管刺激是否继续存在。
        • 这就是动作电位“全或无”现象的产生原理。
        • 然后，阈下刺激只能引起低于阈电位水平的局部去极化（即局部兴奋），而不能引起动作电位。
    • （2）兴奋性及其周期性变化
      • 兴奋性是指可兴奋细胞接受刺激后产生动作电位的能力。
      • 可兴奋细胞在发生一次兴奋后，其兴奋性周期性变化为：
      • 绝对不应期一相对不应期一超常期一低常期。
    • （3）局部电位
      • ①局部电位的定义及与动作电位的区别
        • 注意：
          • ①“局部电位（局部反应）”指没有达到动作电位水平，而下面要讲到的“局部电流”是指动作电位的传播方式，两者是截然不同的概念。
          • ②局部电位-终板电位、EPSP、IPSP、感受器电位、发生器电位，它们都具有局部电位的特点。
      • ②局部电位的主要特点
        • 局部电位具有电紧张电位的电学特征：
          • A.等级性电位
            • 即其幅度与刺激强度有关，而不具有“全或无”特点。
          • B．衰减性传导
            • 局部电位以电紧张的方式向周围扩布，扩布范围一般不超过1mm半径。
          • C.没有不应期
            • 反应可以叠加总和，其中相距较近的多个局部反应同时产生的叠加称为空间总和，多个局部反应先后产生的叠加称为时间总和。
  • 4．兴奋在同一细胞上的传导及其特点
    • （1）传导机制
      • 细胞膜某一部位产生的动作电位可沿细胞膜不衰减地传遍整个细胞的过程称为传导。
      • ①无髓神经纤维和肌细胞动作电位的传导
        • 兴奋在同一细胞上的传导，实际上是已兴奋的膜处，通过局部电流刺激未兴奋的膜，使之出现可沿细胞膜传导到整个细胞的动作电位。
        • 由于动作电位的传导其实是沿细胞膜不断产生新的动作电位，因此它的幅度和形状在长距离传导中保持不变（不衰减传导）。
      • ②有髓神经纤维动作电位的传导
        • 有髓纤维为跳跃式传导，其传导速度比无髓纤维快得多。
        • 有髓纤维的髓鞘电阻大，基本不导电，又不允许离子通过，但郎飞结处，髓鞘断裂，具有传导性，允许离子移动，因此有髓纤维动作电位的传导是沿郎飞结的跳跃式传导。
        • 髓鞘可提高神经纤维的传导速度，减少能量消耗。
    • （2）兴奋传导的特点
      • 兴奋在同一细胞上的传导特点包括：
        • ①双向性
          • 神经纤维上任何一点受到有效刺激而发生兴奋，冲动都会沿神经纤维向两端同时传导。
        • ②绝缘性
          • 一条神经干包含许多神经纤维，各条神经纤维上传导的冲动互不干扰。
        • ③安全性
          • 对单一细胞来说，局部电流的强度常可超过邻近膜兴奋所必需的阈强度的数倍以上，因而以局部电流形成为基础的传导过程是相当“安全”的，一般不会出现传导“阻滞”。
        • ④不衰减性
          • 动作电位在同一细胞上传导时，其幅度和波形不会因传导距离的增加而减小，这种扩布称为不衰减性扩布。
        • ⑤相对不疲劳性
          • 兴奋在神经纤维上传导与经突触传递相比较，前者能够较为持久地进行，即兴奋在神经纤维上的传导具有相对不易发生疲劳的特征。
        • ⑥结构和功能的完整性
          • 完成冲动沿神经纤维传导功能，要求神经纤维的结构和功能都是完整的。
• 三、骨骼肌的收缩功能
  • 1．骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递及其影响因素
    • （1）传递过程
      • 骨骼肌神经-肌接头由“接头前膜-接头间隙-接头后膜（终板膜）”组成。
      • 当神经冲动沿轴突传导到运动神经末梢时，在去极化的作用下，使末梢膜上的电压门控钙通道开放，细胞间液中的Ca2+进入轴突末梢内，促使囊泡向轴突末梢膜内侧面靠近，并通过出胞作用将囊泡中的乙酰胆碱以量子式释放的方式释放至接头间隙。
      • 乙酰胆碱经扩散到达终板膜，与终板膜上的N2型胆碱受体结合，由此导致这一阳离子通道开放，终板膜对Na＋的通透性增大，出现Na＋内流，使终板膜去极化，这一电位称为终板电位。
      • 终板电位的实质是局部电位，因此可以电紧张的方式向其周边扩布。
      • 终板电位的幅度足以使邻旁普通肌细胞膜去极化而达到阈电位，使普通肌细胞膜上的电压门控钠通道大量开放而暴发动作电位，并将动作电位传导到整个肌细胞膜，从而完成神经纤维到肌细胞的兴奋传递过程，为肌细胞下一步收缩奠定基础。
      • 随后，乙酰胆碱被存在于接头间隙内的胆碱酯酶迅速水解灭活而终止传递过程。
      • 终板电位与骨骼肌动作电位的比较如下表。
      • 骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递
    • （2）传递特点
      • ①化学传递
        • 神经与骨骼肌细胞之间的信息传递，是通过神经末梢释放神经递质乙酰胆碱这种化学物质来进行的，所以是一种化学传递。
      • ②单向传递
        • 兴奋只能由运动神经末梢向肌肉传递，而不能反向传递。
      • ③时间延搁
        • 兴奋通过骨骼肌神经-肌接头处至少需要0.3～0.5ms，比兴奋在同一细胞上传导同样距离的时间要长得多，因为骨骼肌神经-肌接头处的传递过程包括乙酰胆碱的释放、扩散以及与接头后膜上通道蛋白质分子的结合等，均需花费一定的时间。
      • ④易受药物或其他环境因素变化的影响
        • 骨骼肌神经-肌接头处的传递过程很易受药物和内环境理化因素改变（如细胞外液的pH、温度、细菌毒素等）的影响。
    • （3）影响因素
      • 由于骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递是化学传递，因此，凡能影响递质合成、释放、消除的因素，均能影响其兴奋传递。
      • ①细胞外液Ca2+浓度降低或Mg2+浓度增高
        • 可减少乙酰胆碱的释放量，从而影响兴奋传递。
      • ②黑寡妇蜘蛛毒素
        • 能促进接头前膜释放乙酰胆碱，最终将导致乙酰胆碱耗竭，从而导致接头传递阻滞。
      • ③筒箭毒碱和α银环蛇毒
        • 可与终板膜上N型乙酰胆碱门控通道结合，与乙酰胆碱竞争结合位点，从而导致接头传递受阻。
      • ④有机磷农药和新斯的明
        • 均属于胆碱酯酶抑制剂，可抑制乙酰胆碱的水解，造成乙酰胆碱在接头间隙大量堆积，并持续作用于终板膜上的通道蛋白质分子，导致肌肉震颤等一系列中毒症状。
  • 2．横纹肌的兴奋-收缩耦联及其收缩机制
    • （1）定义
      • 在整体情况下，骨骼肌的收缩活动是在支配它的躯体运动神经的控制下完成的。
      • 直接用人工刺激作用于无神经支配的骨骼肌，也可引起收缩。
      • 不论哪种情况，刺激在引起肌肉收缩之前，都是先在肌细胞膜上引起一个可传导的动作电位，然后才出现肌细胞的收缩反应。
      • 这样，将以膜的电变化为特征的兴奋过程和以肌纤维机械变化为基础的收缩过程两者联系起来的中介性过程，称为兴奋-收缩耦联。
    • （2）收缩机制
      • 横纹肌兴奋-收缩耦联的结构基础是三联管，耦联因子是Ca2+。
      • 兴奋-收缩耦联的主要步骤包括：
        • ①肌细胞膜动作电位通过横管（T管）传导至肌细胞深处。
        • ②三联管处的信息传递。
        • ③肌质网（即纵管系统）释放Ca2+，与细肌丝上的肌钙蛋白结合，使细肌丝上的原肌球蛋白分子构象改变，从而暴露出细肌丝上肌动蛋白的结合位点，解除肌动蛋白和粗肌丝肌球蛋白头部相结合的阻碍。肌动蛋白与肌球蛋白头部结合后，肌球蛋白横桥构象改变，使肌球蛋白头部向肌节M线方向扭动，利用ATP分解释放的能量牵引细肌丝向M线滑行，使肌节明带、H带变窄，肌细胞收缩。
        • ④动作电位终止后，肌质网钙泵可回收和再蓄积Ca2+，当肌浆中Ca2＋浓度降低时，粗细肌丝回位，肌细胞舒张。
• 生理学 002 细胞的基本功能