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第1章 细胞生理学
南开大学动物生理学第一章细胞生理学
编辑于2020-04-22 15:36:15- 相似推荐
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细胞生理学
体液的体积与组成
体液各组分中水的分布
总体水
细胞膜
2/3细胞内液
1/3细胞外液
毛细血管壁
血浆（smaller）
组织液
体液各组分的构成
衡量溶质浓度的单位
摩尔mole
当量equivalent
描述离子浓度，浓度×化合价
1 mmol/L Ca2+ = 2 mEq/L
渗透压摩尔osmole
溶质在溶剂中解离出的分子数
1 mmol/L NaCl = 2 mOsm/L
pH
体液组分的电中性
各组分阳离子cations=阴离子anions，in mEq/L
细胞内液和细胞外液的组成
ECF
+：Na+ 、Ca2+
-：Cl- 、HCO3-
ICF
+：K+ 、Mg2+
-：蛋白质、有机磷酸盐
跨膜浓度差的产生
机制
Na+ -K+泵
吸2K，排3Na
Ca2+泵
继发性主动转运
细胞膜的选择透性
ICF和ECF组分差异的生理意义
静息膜电位（K+ ）的形成
动作电位的上峰依赖于Na+
肌肉细胞兴奋-收缩偶联（Ca2+ ）
营养物质的吸收（Na+）
血浆和组织液间的浓度差异
血浆中存在蛋白质，无法进入组织液
吉布斯-唐南效应（Gibbs-Donnan equilibrium）
无法渗透离子引起的小分子渗透离子的不对称分布
血浆中存在大分子无法渗透的带负电的蛋白质，因此血浆中的小分子阴离子浓度低于组织液，小分子阳离子浓度高于组织液
细胞膜的特点
细胞膜的磷脂成分
磷脂分子包含亲水头部和疏水尾部
形成脂双层
细胞膜的蛋白成分
整合膜蛋白
通过疏水作用力整合在膜上，膜裂解才能分离出
外周膜蛋白
通过静电作用力连接在膜上，连接疏松
跨膜运输
概述
载体介导的转运的特点
饱和性
转运最大值，Tm
立体结构特异性
竞争性
简单扩散
非电解质的扩散
分子的无规则热运动
溶质的净扩散称为流（J）
净扩散的影响因素
浓度梯度（CA-CB ）
净扩散的驱动力
分配系数（K）
扩散系数（D）
膜厚度（Δx）
膜越厚，扩散率越低
表面积（A）
膜表面积越大，扩散率越大
渗透率（P）
净扩散率（J）
电解质的扩散
额外的影响因素
电位差
扩散电位
带电离子顺浓度梯度跨膜所形成的电位差
易化扩散
需要膜上载体
低浓度，速度快于简单扩散；高浓度，达到饱和
DLUT4转运体转运D-葡萄糖进入骨骼肌和脂肪细胞
原发性主动转运
Na+-K+泵
存在于所有细胞的细胞膜上
吸2×K，排3×Na，产生电位差
转运循环
强心苷通过结合E2~P，阻止构象变化，从而抑制Na+-K+泵
Ca2+泵
浆膜钙泵（PMCA）
1ATP，排出1个Ca
肌浆网和内质网钙泵（SERCA）
1ATP，转运2个Ca进入肌浆网和内质网
E1结合Ca，E2释放Ca
H+-K+泵
存在于胃壁细胞
将H+ 从细胞内液转运到胃中，使胃酸化
奥美拉唑, H+-K+泵的抑制剂，可用于治疗消化器官溃疡
继发性主动转运
利用Na+顺浓度梯度转运产生的能量，供其它溶质逆浓度梯度转运
协同转运
所有溶质沿相同方向跨膜转运
小肠和肾小管的上皮吸收细胞
Na-glucose cotransport（SGLT）
小肠上皮细胞吸收葡萄糖
Na-amino acid cotransport
Na-K-2Cl cotransport
逆向转运
溶质沿不同方向转运
Ca2+-Na+交换
渗透
由于不可扩散溶质浓度差，产生渗透压差，引起的水通过半透膜流动。渗透≠水的简单扩散：渗透是由于存在渗透压，扩散是由于水的浓度不同。
同渗浓摩Osmolarity
mOsm/L，每L水中渗透活性粒子的浓度
Osmolarity=g*C
Osmolarity：粒子浓度（mOsm/L）
g：每摩尔溶液中的粒子数（Osm/mol）
C：浓度（mmol/L）
等渗isosmotic，高渗hyperosmotic，低渗hyposmotic
同渗重摩Osmolality
mOsm/kg，每kg水中渗透活性粒子的浓度
渗透压
范特霍夫方程
反射系数（σ）
用于描述溶质跨膜难度。σ=1，无法跨膜；σ=0，自由跨膜。
等张isotonic，高张hypertonic，低张hypotonic
扩散电位与平衡电位
离子通道
整合跨膜蛋白。具有选择透性（通道大小+所带电荷）
门控感受器类型
电压门控通道
神经细胞去极化，打开Na通道激活门控，关闭失活门控（slower）
第二信使门控通道
门控感受器位于胞内侧
配基门控通道
通过激素和神经递质控制，门控感受器位于胞外侧
如运动终板的烟碱型受体，结合ACh后，Na、K通过
扩散电位
带电粒子顺浓度梯度跨膜产生的电位差
平衡电位
带电离子跨膜产生扩散电位与浓度梯度平衡，电驱动力与化学驱动力相抵消（电化学平衡），净扩散为0
Na+平衡电位
Cl- 平衡电位
能斯特方程
用于计算一定跨膜浓度差下，一种离子（X）的平衡电位
胞内相对于胞外电位
驱动力
驱动力为负，阳离子入胞，阴离子出胞；驱动力为正，阳离子出胞，阴离子入胞
离子电流
静息膜电位
每种可渗透离子倾向于将膜电位接近自身的平衡电位
可兴奋细胞的静息膜电位为-70到-80mV
接近K+和Cl-平衡电位，因为在静息时它们的渗透度高
远离Na+和Ca2+平衡电位
弦电导方程
用于计算静息电位，比较不同离子的贡献程度
Na+-K+泵在静息电位产生中的作用
通过吸钾排钠直接贡献电位差
维持K跨膜浓度梯度，产生K的扩散电位，形成静息电位
动作电位
特点
大小和形状固定
传播不衰减
全或无反应（存在阈电位）
离子基础
1.静息膜电位
-70mV。K+和Cl-渗透率高，Na+ 低。
2.动作电位的上峰
临近位点传播来的电流引起神经细胞膜去极化，到达阈值（-60mV）
去极化引起Na+ 激活门的迅速开放，使Na电导高于K，产生Na内流电流，膜进一步去极化，但无法到达Na的平衡电位（+65mV）
河豚毒素和利多卡因可以封闭电压敏感的Na通道，阻止去极化
3.动作电位的复极化
动作电位到达峰值后膜电位逐渐恢复到静息状态
去极化开始时，Na通道的失活门同时关闭，但存在延迟
去极化打开了更多K通道，产生K外流电流
四乙胺（TEA）可以封闭电压门控K+通道
4.超极化
复极化过程，K电导高于静息状态，使膜电位更接近于K的平衡电位
神经Na+ 通道
整合膜蛋白。由一个大的α亚基和两个β亚基组成
存在激活门和失活门
不应期
绝对不应期
覆盖几乎整个动作电位周期。无法再次激发动作电位
基础是去极化使Na通道的失活门关闭
相对不应期
开始于绝对不应期结束，与超极化重叠。需要更大去极化电流，才能激发动作电位
基础是相对不应期中K电导率高于平时，膜电位更接近于K的平衡电位
适应
当一个神经细胞或肌肉细胞缓慢去极化或维持在一个去极化的状态，平时的阈电位无法激发动作电位
原因是去极化关闭了Na通道的失活门
例子高钾血症患者肌无力
动作电位的传播
动作电位的传播通过局部电流从兴奋区域向周围未兴奋区域传播
传导速度
电缆性质
时间常数（τ）
输入恒定电流后，膜电位变化到最终值的63%时所需的时间
空间常数（λ）
膜电位衰减到起始值的63%时，输入电流传播的距离
传导速度的变化
提高传导速率的两个途径
增加神经直径
内电阻Ri的大小与横截面积A成反比。直径越大，横截面积越大，Ri越小，空间常数λ越大，传导速度越快
髓鞘形成Myelination
髓鞘是神经轴突上的脂质绝缘体，提高了膜电阻Rm，降低了膜电容Cm
升高的膜电阻使电流沿轴突内部传播，降低的膜电容使时间常数降低。在髓鞘的间隔处，轴突膜响应电流去极化速度更快。
髓鞘上每间隔1~2mm存在间隙，称为郎飞式结。结点处膜电阻低，电流可以穿过膜。髓鞘包被的神经上动作电位跳跃式传播，传播速度快。
突触传递与神经肌肉传递
突触类型
电突触
电流通过间隙连接从一个可兴奋细胞到另一个
位于心肌和一些平滑肌，负责快速的兴奋传导
化学突触
突触前细胞和突触后细胞之间存在突触间隙，信息通过神经递质传递
首先，动作电位引起突触前细胞Ca通道打开。其次，Ca内流引起储存在突触小泡中的神经递质通过胞吐释放。然后，神经递质通过突触间隙，与突触后膜上的受体结合，引起突触后细胞膜电位变化
可以是兴奋性或抑制性突触，取决于神经递质的类型
与电突触相比
单向。突触前膜到突触后膜
存在突触延搁
神经肌肉连接（一个化学突触例子）
运动单位
包括运动神经元与其支配的肌肉纤维
小单元支配精细肌肉活动，大单元支配总体肌肉活动
神经肌肉连接处的一系列事件
1. 突触前去极化，引起Ca通道打开
2. Ca内流
3. 乙酰胆碱释放
4. ACh与运动终板上的烟碱型受体结合
5. Na内流，K外流。去极化到达终板电位（EPP）-50mV。100×MEPP
6. EPP在肌肉纤维上传播
7. ACh被乙酰胆碱酯酶降解，或通过Na-胆碱共转运体重吸收
影响神经肌肉连接的药剂
肉毒杆菌毒素
阻止ACh从突触前膜释放
箭毒
与ACh竞争性结合运动终板上的烟碱型受体
新斯的明
AChE的抑制剂，阻止ACh降解
密胆碱
阻止ACh重吸收进入突触前
突触排列的类型
一对一突触
神经肌肉连接
一对多突触
脊髓中闰绍细胞上的运动神经元
多对一突触
神经系统中非常常见
突触输入-兴奋性和抑制性突触后电位
兴奋性突触后电位（EPSP）
突触输入使突触后细胞去极化，Na、K通道开放
兴奋性神经递质：ACh、去甲肾上腺素、肾上腺素、多巴胺、谷氨酸、血清素
抑制性突触后电位（IPSP）
突触输入使突触后细胞超极化，Cl通道开放
抑制性神经递质：GABA、甘氨酸
突触信息的整合
空间总和
多个突触输入同时到达突触后细胞
时间总和
多个突触输入连续到达突触后细胞，时间上有重叠
其它影响突触活动的现象
助长、增强、强直后电位
重复刺激使得突触前细胞Ca内流更多，释放神经递质更多，引起的突触后细胞响应更强
长时程增强
突触前细胞释放神经递质增多，突触后细胞对神经递质的敏感性增强
突触疲劳
重复刺激后，突触后细胞响应减小，由于突触前细胞神经递质耗尽
神经递质
神经递质的基本条件
在突触前细胞中合成
刺激后，从突触前细胞中释放
可以与突触后细胞上的受体结合，引起生理反应
存在降解或重吸收机制
类型
胆碱酯
乙酰胆碱
神经肌肉连接中唯一的神经递质；副交感神经系统所有节前神经元和大多数节后神经元、交感神经系统的所有节前神经元；肾上腺髓质的节前神经元
生物胺
去甲肾上腺素，肾上腺素，多巴胺
共同的前体是酪氨酸
多巴胺能神经元释放多巴胺，肾上腺素能神经元释放去甲肾上腺素，肾上腺髓质释放肾上腺素
血清素
在大脑的羟色胺能神经元或胃肠道由色氨酸合成
组胺
由组氨酸合成，位于下丘脑神经元
氨基酸
谷氨酸
中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质。在脊髓和小脑中扮演重要角色
甘氨酸
脊髓和脑干中的抑制性神经递质。可以增强突触后细胞膜Cl的通透性
γ-氨基丁酸（GABA）
抑制性神经递质，广泛分布于中枢神经系统的GABA能神经元
NO
短效的抑制性神经递质，位于胃肠道和中枢神经系统
神经肽
神经调质
作用于突触前细胞，影响神经递质的释放
神经激素
分泌细胞释放到血液中，远距离作用
一些神经肽与神经递质共包被、共分泌，通过突触小泡
神经肽在神经细胞胞体中合成，不在突触前神经末端
嘌呤
骨骼肌
肌丝
粗肌丝
由肌球蛋白组成
细肌丝
包含肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白
静息状态下，肌动蛋白上的肌球蛋白结合位点被原肌球蛋白覆盖，无法与肌球蛋白接触
肌钙蛋白
包含三个球蛋白：T连接肌钙蛋白和原肌球蛋白；I覆盖肌动蛋白上的肌球蛋白结合位点；C为Ca结合蛋白，起始肌肉收缩
细胞内Ca浓度升高，Ca与肌钙蛋白C结合，引起肌钙蛋白构象变化，使原肌球蛋白脱离原来位置，肌动蛋白可以与肌球蛋白的头部结合
肌节中粗肌丝和细肌丝的排列
肌节
收缩基本单元，由Z线隔开
A带位于肌节中央，包括粗肌丝。粗肌丝与细肌丝的重叠区域为横桥变化位点
I带位于A带两端，包含细肌丝和肌联蛋白
细胞骨架蛋白
横向细胞骨架蛋白
连接粗肌丝和细肌丝。中间丝将肌肉纤维连接成集合，再通过抗肌萎缩蛋白与细胞膜连接
纵向细胞骨架蛋白
肌联蛋白
一端与粗肌丝相连，一端与Z线相连
伴肌动蛋白
连接肌动蛋白单体，并将细肌丝与Z线相连。在组装时调整细肌丝长度
横管和肌浆网
横管（T管）
是肌肉细胞膜的延伸网络，深入肌肉纤维
负责将肌肉细胞表面的动作电位带入神经纤维，引起去极化
T管与肌浆网的终池联系，包含电压敏感蛋白（二氢吡啶受体）
肌浆网
内部管状结构，在兴奋收缩偶联中为Ca的储存和释放场所
包含Ca释放通道（鱼尼丁受体）
Ca通过Ca泵（SERCA）进入肌浆网，后与肌集钙蛋白结合，自由Ca很少
骨骼肌中的兴奋收缩偶联
1. 肌细胞膜上的动作电位传播到T管，将去极化从表面带入肌纤维内部
2. T管去极化，引起二氢吡啶受体构象变化，打开了肌浆网上的Ca释放通道
3. Ca从肌浆网中释放到细胞内液，细胞内液Ca浓度上升
4. Ca与细肌丝上的肌钙蛋白C结合，引起构象变化
5. 肌钙蛋白构象变化使原肌球蛋白脱离原位置，肌动蛋白上的肌球蛋白结合位点暴露
6. 横桥周期
7. 放松。Ca通过肌浆网上的Ca泵（SERCA）重吸收回肌浆网，细胞内液中Ca浓度下降，Ca脱离肌钙蛋白C
横桥周期产生牵引力
存在延搁
强直Tetanus的机制
肌肉被重复刺激，细胞内液中的Ca始终维持在较高水平，横桥周期持续发生，肌肉持续收缩
肌长-肌张力关系
等长收缩
肌肉的张力变化而长度不变
肌长-肌张力关系
被动张力：将肌肉拉伸到不同长度产生的张力
总张力：在不同前负荷下肌肉受刺激收缩的张力
主动张力：肌肉横桥周期产生的张力
肌肉拉伸过长，粗肌丝和细肌丝重叠减少，可能产生的横桥减少，主动张力减少；肌肉过短，细肌丝堆积，可能产生的横桥减少，主动张力减少。
力-速度关系
等张收缩
肌肉的长度缩短，而张力维持恒定
肌肉缩短的速度代表横桥周期的速度。后负荷越大，肌肉收缩速度越慢。
平滑肌
平滑肌不存在条纹，因为细肌丝和粗肌丝不以肌节的方式排列。存在于空心器官的壁上，如胃肠道、膀胱、血管
平滑肌的功能
产生运动性
保持张力
平滑肌的类型
单位平滑肌
位于胃肠道、膀胱、子宫、输尿管
这些器官中的平滑肌细胞协调收缩，因为细胞通过间隙连接
以同步起搏活动和慢波为特点
多单位平滑肌
位于虹膜、晶状体睫状肌、输精管
每个神经纤维作为独立运动单位，细胞间很少偶联
平滑肌中的兴奋收缩
Ca2+ 结合钙调蛋白（骨骼肌：肌钙蛋白），调控肌球蛋白轻链激酶，进一步调控横桥周期
过程
1. 平滑肌去极化（阈下去极化也可）打开了肌纤维膜上的电压门控Ca2+ 通道，Ca2+ 内流引起细胞内Ca2+ 浓度上升，同时引起肌浆网中的Ca2+ 释放到细胞内液中
2. 两种额外的机制也可以引起细胞内Ca2+ 浓度上升
配基门控Ca2+ 通道：通过激素和神经递质开放
IP3 门控Ca2+ 通道：位于肌浆网膜，通过激素和神经递质开放
3. 胞内Ca2+ 浓度上升，与钙调蛋白结合。Ca2+ -钙调蛋白结合并激活肌球蛋白轻链激酶
4. 活化的肌球蛋白轻链激酶磷酸化肌球蛋白轻链。肌球蛋白头部构象变化，ATP酶活性升高，启动横桥周期
5. Ca2+ -钙调蛋白磷酸化细肌丝上的钙调理蛋白和钙调蛋白结合蛋白，释放它们对肌球蛋白ATP酶的抑制
6. 放松。
超极化关闭了电压门控Ca2+ 通道
cAMP和cGMP直接抑制Ca2+ 通道
抑制IP3 的产生，减少肌浆网中Ca2+ 的释放
肌浆网中Ca2+ 泵活性增强
肌球蛋白轻链磷酸酶的激活
平滑肌中细胞内Ca浓度升高的机制
电压-门控Ca2+ 通道
位于肌纤维膜上，细胞膜去极化打开通道
配基-门控Ca2+ 通道
位于肌纤维膜上，由激素和神经递质结合打开
IP3 -门控Ca2+ 通道
位于肌浆网膜上
平滑肌收缩中依赖Ca的变化
Ca2+ -敏化作用
高胞内Ca2+ 浓度引起肌球蛋白轻链激酶的活化，产生更多横桥周期和张力
Ca2+ -脱敏作用
肌球蛋白轻链磷酸酶活化，产生张力减少
BOX1-4 重症肌无力
血液中含有较多ACh受体的抗体，阻止了ACh的结合。使用AChE抑制剂进行治疗
BOX1-3 多发性硬化
神经发生脱髓鞘，导致膜电阻下降，电流在传导过程中发生衰减，到达下一个郎飞式结时，电流已经无法产生动作电位
BOX1-2 高钾血症引起的肌无力
血液中K含量升高，K跨膜浓度梯度降低，静息膜电位相当于去极化，关闭了Na通道的失活门，动作电位无法产生
BOX1-1 糖尿病引起的糖尿
近端肾小管的管腔膜上存在Na-葡萄糖共转运体，用于重吸收葡萄糖。糖尿病患者胰岛素分泌过少，导致尿液中的葡萄糖超过共转运体重吸收能力，所以产生糖尿