细胞的基本功能（三四节）

详细介绍了生理学中非常重要的，同样也是比较难理解的有关生物电活动的知识。

细胞的基本功能（三四节）

• 第三节 细胞的生物电活动
  • 一、静息电位（resting potential, RP）
    • （一）静息电位的概念
      • 细胞在安静状态下存在于细胞膜内、外两侧的电位差
      • 当细胞外液为 0 电位时：
        • 骨骼肌细胞内：约-90 mV
        • 神经纤维内：-70～-90 mV
        • 平滑肌细胞内：-50～-60 mV
        • 红细胞内：-10 mV
      • 静息电位大小表示：细胞内负值大小
      • 几个与静息电位关联的名词
        • 极化（polarization）：安静状态下细胞膜两侧外正内负的稳定状态
        • 去极化 (depolarization）：静息电位减小或细胞内负值减小的过程或状态
        • 超极化 (hyperpolarization)：静息电位增大或细胞内负值增大的过程或状态
        • 复极化 (repolarization)：细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程
        • 反极化（reverse polarization）：外负内正的状态
        • 超射（overshot）：膜电位超过零电位的部分
    • （二）静息电位的产生机制
      • 膜学说（1902年，Bernstein）：
        • 细胞内外离子分布不同：膜内高K+，膜外高Na+
        • 细胞膜对离子的通透性不同：安静时K+通透性远大于Na+（50～100倍）
        • 假设安静时细胞膜仅对K+离子有通透性：
          • K+浓度差，促进K+向外扩散
          • K+向外扩散形成的电场力，阻止K+进一步向外扩散
          • 当电化学驱动力等于零时， K+净移动为零
          • 静息电位应该等于K+的平衡电位
        • 离子的平衡电位（EX）可用Nernst公式计算:
        • 1.静息电位主要是K+外流形成的证实：
          • 测量的静息电位与计算的K+平衡电位接近
            • 枪乌贼巨轴突实验（1939，Hodgkin和Huxley）测得RP数值-60mV（计算的EK为-75mV)
          • 改变膜两侧K+浓度差，静息电位随之改变
            • 问题：为什么实际测得的静息电位不是等于而是接近于（略小于）EK？
        • 2.少量的Na+内流也参与了静息电位形成
          • ——部分抵消了K+外流形成的膜内负电位
            • 随Na+通透性增加，RP减小 ：如骨骼肌细胞-90mV；视杆细胞-30mV）
            • 
        • 3.Na+泵的生电作用——增大细胞内的负值
          • 直接作用：生电性活动引起膜超极化，参与RP形成，但贡献不大（<5%）
          • 间接作用：维持膜两侧离子浓度差
    • （三）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（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：
        • 钠-钾泵活动增强，细胞膜发生超极化
  • 二、动作电位（action potential，AP）
    • （一）动作电位的概念及其特征
      • 1.概念
        • 在静息电位基础上，细胞受到一个适当的刺激后膜电位发生的迅速、可逆、可以向远距离传播的电位波动
          • 动作电位变化过程：
            • 锋电位（spike potential）
            • 后电位（after potential）
      • 2. 动作电位的特征
        • 产生“全或无” (all or none)
        • 传导不衰减
        • 连续刺激不融合-脉冲式发放
    • （二）动作电位的产生机制
      • 动作电位本质 — 带电离子跨膜移动
        • 带电离子跨膜移动产生离子电流
          • 阳离子内流（如Na+、Ca2+内流）称内向电流，引起去极化
          • 阳离子外流或阴离子内流（如K+外流、Cl-内流）称为外向电流，引起复极化或超极化
        • 带电离子跨膜扩散需具备两个条件
          • 离子受到的电化学驱动力
            • 1）浓度差：[Na+]o>[Na+]i； [K+]i>[K+]o
            • 2）电场力：静息电位内负外正，推动Na+，阻止K+
            • 1．电化学驱动力——决定离子流动的方向和速度
              • 概念：是浓度差和电位差两个驱动力的代数和，大小等于膜电位（Em）与离子平衡电位（Ex）的差值（Em - Ex）
          • 膜对离子的通透性（膜电导）
            • 2．动作电位期间膜通透性的变化
              • 动作电位产生的Na+学说
                • • 如何证实Na+学说？
                    • （1）测定超射值（与ENa接近）
                    • （2）Na+离子取代
                      • （用葡萄糖或氯化胆碱替代胞外的NaCl）
                    • （3）放射性核素24Na+定量研究
                    • （4）直接测定细胞膜对离子的通透性（膜电导）
                  • 如何测定膜电导？
                    • 测定原理——欧姆定律
                  • 如何固定驱动力？
                    • ——电压钳（voltage clamp)
                      • 基本原理：反馈电路向膜内注入电流，迫使膜电位始终与指令电位保持一致。
                        • • • 利用电压钳技术结合药理学手段记录到的全细胞膜电流
                      • 电压钳测定电流的结果
                        • 去极化→内向电流→外向电流
                        • 说明：去极化引起了膜电导变化
                      • 离子电流分离（药理学）
                        • 河豚毒（TTX）：阻断电压门控Na+通道
                        • 四乙胺（TEA）：阻断电压门控K+通道
                      • 以上结果表明
                        • 去极化引起Na+电导（GNa）首先一过性增大
                        • K+电导GK随后逐渐增大
                        • GNa和GK的电压依赖性及时间依赖性
                          • 电压依赖性
                            • GNa和GK 随着去极化幅度的增大而增大
                            • 意义：GNa和去极化呈现正反馈，快速去极化达到峰值；GK促使快速复极化；从而形成锋电位
                          • 时间依赖性
                            • GNa 快速、一过性增大
                            • GK 缓慢、持续性增大
                            • 意义：保证了先去极化，后复极化的顺序
            • 3.动作电位（锋电位）产生过程
              • 去极化过程（锋电位升支）
                • 有效的去极化刺激→ GNa迅速增加→ Na+内流→ 膜迅速去极化
              • 复极化过程（锋电位降支）
                • GNa减小，GK增大→ K+外流→ 膜复极化
            • 4.膜电导变化的实质——离子通道开闭
              • Hodgkin提出离子通道的概念，Neher和Sakmann证实，获1991年诺贝尔奖
              • 膜片钳（patch clamp）技术
                • 原理同电压钳，记录的仅是电极尖端的一小片膜，有可能记录到单个离子通道电流
              • 单通道电流与全细胞电流关系
            • 5.离子通道的功能状态
    • （三）动作电位的触发
      • 1.阈强度（阈值）
        • 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
      • 2. 阈电位
        • 指刚刚能够引起Na+通道大量开放、产生动作电位的膜电位临界值，也称为燃点（通常较RP小10～20mV )
    • （四）动作电位的传播
      • 1.动作电位在同一细胞上的传播
        • 传导原理：局部电流学说
        • 安全性：局部电流的刺激强度远大于膜的阈强度，因而能可靠地引起动作电位
        • 胞外记录：兴奋部位的胞外是负电位
        • 有髓鞘神经纤维AP的传导——跳跃式传导
          • 郎飞结特征
            • 只有一层轴突膜，局部电流引起的去极化容易达到阈电位
            • 电压门控Na+通道密集，阈电位低
          • 髓鞘区特征
            • 多层膜包裹，电位差平均分散
            • 电压门控Na+ 通道稀疏，阈电位高
          • 有髓纤维跳跃式传导的意义
            • 减少能量消耗
            • 提高传导速度（空间常数大）
      • 2. AP在细胞之间的传播——缝隙连接
        • 缝隙连接组成
          • 六个连接蛋白形成一个连接子，每侧膜上的连接子端端相连，形成缝隙连接（细胞间通道）
        • 缝隙连接意义
          • 细胞之间兴奋直接传播，实现多细胞的同步活动，如神经元之间（电突触）。心肌、部分平滑肌、神经胶质细胞及肝组织也有
    • （五）兴奋性及其变化
      • 1. 兴奋性
        • 兴奋性（excitability）：机体的组织或细胞接受刺激后发生反应的能力或特性。对于可兴奋细胞即为产生动作电位的能力
        • 兴奋（excitation）：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（excitable cell）：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），故生理学将其称为可兴奋细胞
        • 衡量组织兴奋性高低的指标——阈强度（阈值）
          • 兴奋性=1/阈值
      • 2.细胞兴奋后兴奋性的变化
        • 绝对不应期：
          • 多大刺激强度也不能再次兴奋 （Na+通道处于失活状态）
          • 意义：
            • （1）锋电位不叠加
            • （2）限制锋电位发生最大频率
        • 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）
  • 三、电紧张电位和局部电位
    • （一）细胞膜和胞质的被动电学特性
      • 2.膜电阻（Rm）或膜电导（G）
        • 膜电阻：膜对电流流过的屏障或阻碍特性
          • 单纯脂质：106～109 ohm/cm2（几乎绝缘）
          • 生物膜：103 ohm/cm2（静息时离子通道和转运体活动）
        • 膜电导：膜对电流流过的通行或导通的特性
          • G=1/R
      • 3.轴向电阻（Ri）
        • 细长的神经纤维或肌纤维要考虑，取决于纤维直径和长度
      • 细胞膜等效电路
        • 相当于并联的阻容耦合电路
    • （二）电紧张电位 (electrotonic potential)
      • 注射电流观察跨膜电位变化
        • 轴向电阻使跨膜电流随距离延长而指数性衰减，相应的膜电位随距离延长也呈指数性衰减
      • 电紧张电位的概念
        • 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
      • 1.电紧张电位的两个重要参数及其意义
        • 空间常数（  ）
          • 指膜电位衰减至最大值的37%时所扩布的空间距离
          • 愈大（增大膜电阻或减小轴向电阻） ，电紧张电位扩布范围愈大，AP传导速度也愈快。（ 一般为0.1～1mm）
        • 时间常数（）
          • 指膜电位上升或下降到稳态值63%所需的时间
          • 愈小（如减小膜电容），电紧张电位发生速度愈快，AP传导速度也愈快。（ 一般为1～20ms）
        • 有髓纤维：膜电阻大，故空间常数大；膜电容小，故时间常数小。因此，AP传导速度也愈快
      • 2.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
      • 3.电紧张电位的特征
        • 随刺激强度增大而增大（等级性）
        • 随扩布距离延长而指数性衰减（衰减性）
        • 反应大小可融合叠加，去极化电紧张电位达到一定程度可引起局部电位（膜的主动特性）
    • （三）局部电位（local potential）
      • 细胞膜被动特性（无通道激活）→电紧张电位
      • 细胞膜主动特性（部分通道激活）→局部电位（去极化和超极化）
      • 1.局部兴奋的概念
        • 少量Na+通道激活产生的去极化膜电位波动
        • 生物体内的局部兴奋
        • 局部兴奋可叠加在去极化电紧张电位基础上
          • A.刺激和记录实验装置。刺激采用细胞外双极刺激，记录电位1置于细胞内靠近刺激电极负极处，记录电极2置于细胞内靠近刺激电极正极处。B.细胞内记录的膜电位变化。静息电位水平以上为记录电极1记录到的去极化电紧张电位和局部兴奋（阴影部分），静息电位水平以下为记录电极2记录到的超极化电紧张电位
      • 2.局部电位的特征（同电紧张电位）：
        • 反应幅度呈“等级”性，没有“全或无”特征
        • 传导呈衰减式即电紧张扩布（不超过1mm）
        • 反应可以总和
          • 时间总和（temporal summation）：多个局部兴奋先后叠加
          • 空间总和（spatial summation）：多个局部兴奋同时叠加
      • 3.局部电位的意义
        • 达到阈电位后，引发动作电位
        • 信息整合、编码
• 第四节 肌细胞的收缩功能
  • 一、横纹肌
    • （一）骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递
      • 1.骨骼肌神经-肌接头的结构特征
        • 神经-肌接头（neuromuscular junction）
        • 接头前膜（prejunctional membrane）、接头后膜（postjunctional membrane）和接头间隙（junctional cleft）
      • 2.骨骼肌神经-肌接头的兴奋传递过程
        • 电-化学-电传递
        • 终板电位（end-plate potential，EPP）
        • 微终板电位（miniature end-plate potential，MEPP）
        • 量子式释放（quantal release）
    • （二）横纹肌细胞的结构特征
      • 1．肌原纤维和肌节
        • 肌节（sarcomere）
      • 2．肌管系统
        • 骨骼肌：三联管（triad）
        • 心肌：二联管（diad）
    • （三）横纹肌细胞的收缩机制
      • 肌丝滑行理论（myofilament sliding theory）
        • 1．肌丝的分子结构
          • 收缩蛋白（contractile protein）
          • 调节蛋白（regulatory protein）
        • 2．肌丝滑行的过程——横桥周期（cross-bridge cycling）
        • 3．横桥周期的运转模式与肌肉收缩的表现
    • （四）横纹肌细胞的兴奋-收缩耦联
      • 兴奋-收缩耦联（excitation-contraction coupling）
        • 1．横纹肌细胞的电兴奋过程
        • 2．兴奋-收缩耦联的基本步骤
          • T管膜的动作电位传导
          • JSR内Ca2+的释放
          • Ca2+触发肌丝滑行
          • JSR回摄Ca2+
    • （五）影响横纹肌收缩效能的因素
      • 收缩效能（performance of contraction）
      • 等长收缩（isometric contraction）
      • 等张收缩（isotonic contraction）
      • 1．前负荷（preload）
        • 初长度（initial length）
        • 长度-张力关系曲线
          • （length-tension relationship curve）
        • 最适初长度（optimal initial length）
      • 2．后负荷（afterload）
        • 张力-速度关系曲线（force-velocity relationship curve）
      • 3．肌肉收缩能力（contractility）
        • 4．收缩的总和（summation）
          • （1）多纤维总和（multiple fiber summation）
            • 运动单位（motor unit）
            • 大小原则（size principle）
        • （2）频率总和（frequency summation）
          • 单收缩（twitch）
          • 不完全强直收缩（incomplete tetanus）
          • 完全强直收缩（complete tetanus）
  • 二、平滑肌
    • （一）平滑肌的分类
      • 单个单位平滑肌（single-unit smooth muscle）
        • 内脏平滑肌（visceral smooth muscle）
      • 多单位平滑肌（multi-unit smooth muscle）
    • （二）平滑肌细胞的结构特点
    • （三）平滑肌细胞的生物电现象
    • （四）平滑肌细胞的收缩机制
      • 1．平滑肌收缩的触发因子
        • 电-机械耦联（electromechanical coupling）
        • 药物-机械耦联（pharmacomechanical coupling）
      • 2．平滑肌细胞的肌丝滑行
        • Ca2+-CaM通路
        • 肌球蛋白轻链激酶（myosin light chain kinase，MLCK）
        • 肌球蛋白轻链磷酸酶（MLC phosphatase，MLCP）
    • （五）平滑肌活动的神经调节
      • 自主神经（交感神经和副交感神经）