细胞结构与功能.doc

细胞结构与功能目的要求：了解细胞膜的基本结构和物质转运功能。掌握生物电产生和兴奋传导的基本原理。 了解神经纤维的功能。掌握肌肉收缩原理和调节机制。细胞是生物体的基本结构和功能单位。体内所有的生理功能和生化反应都是在细胞及其产物（如细胞间隙内的胶原蛋白和蛋白聚糖）的物质基础上进行的。一百多年前，光学显微镜的发明促进了细胞的发现（人眼0.1mm以上；光镜0.1m，最大的是卵细胞的直径100m左右甚至数厘米；最小的是小脑颗粒细胞直径为4m）。此后对细胞结构和功能的研究，经历了细胞水平、亚细胞水平和分子水平等具有时代特征的研究层次，揭示出众多生命现象的机制，积累了及其丰富的科学资料。因此，学习生理学应由细胞生理开始。第一节 细胞膜的基本结构功能一切动物细胞都被一层薄膜所包被，称为细胞膜或质膜（plasma membrane）。它把细胞内容物和内环境分隔开来，完整而又相对独立，可防胞液流失、保细胞内稳定、屏障。新陈代谢不断消耗氧气和养料，同时产生二氧化碳和其他终产物。这些成分进出细胞都必须经过细胞膜，即物质的跨膜转运过程。因此，细胞膜必然是一个具有特殊结构和功能的半透性膜，选择性。细胞内部也存在着类似细胞膜的膜性结构，与胞浆间屏障+物质转运。膜除了有物质转运的功能外，还有跨膜信息传递和能量转换功能（线粒体氧化磷酸化和叶绿体的光合作用），这些功能的机制是由膜的分子组成和结构决定的。膜成分中的脂质分子层主要起了屏障作用，膜中的特殊蛋白质则与物质、能量和信息的跨膜转运和转换有关。（物质转运、能量转换、细胞识别、细胞免疫、神经传导、代谢调控以及特殊的药物作用，肿瘤发生等等。70年代以来，分子生物学和细胞生物学中最活跃的领域之一。门户接受各种刺激）。一、膜的化学组成和分子结构19世纪中叶K.W.Mageli发现细胞表面有阻碍染料进入的现象，提示膜结构的存在；1899年E.Oveiton发现脂溶性大的物质易入胞，推想应为脂类屏障。1925年荷兰人E.Gorter和F.Grendel用丙酮抽提红细胞膜结构，计算出红细胞膜平铺面积约为其表面积的两倍，提出脂质双分子层模型.成立前提：a.红细胞的全部脂质都在膜上；b.丙酮法抽提完全；c.RBC平均表面积估算正确。（70%80%偏低）；40年后Bar重复这一试验发现红细胞膜平铺面积应不是70%80%，而是1.5倍还有蛋白质表面，同时干膜面积是99m2，湿膜面积则为145m2。两项误差相抵，结果基本正确。从低等生物草履虫直至高等哺乳动物的各种细胞，都具有类似的细胞膜结构。在电镜下可分为三层，即在膜的靠内外两侧各有一条厚约2.54nm的电子致密带，中间夹有一条厚约2.5nm的通明带，总厚度约7.07.5nm。这种结构也见于其它生物膜，被认为是一种细胞中普遍存在的基本结构形式。称为单位膜（unit membrane）或生物膜。各种膜性结构主要由脂质、蛋白质、和糖类以及水、金属离子等物质组成；尽管不同来源的膜中它们的比例有所不同，但一般糖类只占极少量。如以重量计算，膜中蛋白质约为脂质的14倍不等，但分子数量上脂质为蛋白质的100倍以上。例如红细胞膜干重中，蛋白质占52%，脂类占40%，糖类占8%。（功能简单的细胞膜蛋白种类含量少，如神经鞘？只有3种，占18%；功能复杂则膜蛋白含量多，线粒体内膜有60种，占膜干重的75%）。尽管目前还没有一种能够直接观察膜的分子结构的较为方便的技术和方法，但从研究中30年代以来提出了各种假说有数十种，其中得到较多实验事实支持而目前仍为大多数人所接受的是美国的S.J.Singer和G.L.Nicholsom于1972年提出的流体镶嵌模型（fluid mosaic model）。这一假想模型的基本内容是：膜的共同结构特点是以液态脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具有不同分子结构、因而也具有不同生理功能的蛋白质，后者主要以-螺旋或球型蛋白质的形式存在。其局限性在于未表达出流动性不均一，Jain与White提出了“板块与镶嵌模型”。生物膜中分子间作用力的类型：静电力、疏水力、范德华引力。后两种力相互补充。1.脂质双分子层磷脂类占70%以上，胆固醇（甾体-8碳支链）30%，还有少量属鞘脂类（与磷脂类似，但不含甘油）的物质。磷脂类基本结构如下：碱基磷酸根CH-CH2（甘油）脂酸 脂酸 碱基包括胆碱、乙醇胺、肌醇和磷脂酰丝氨酸4种。磷脂分子为双极性（双嗜性）分子（亲水性极性部分是磷酸和碱基；疏水性非极性部分是两条烃基链。水面分别排列在下、上和在水中则位于外、内）。这种结构热力学稳定，可以自动形成和维持。脂质的熔点（即相变温度Tc,凝胶态与液晶态互变）很低，体温条件下呈液晶态，即膜具有某种程度的流动性。因此细胞可以承受相当大的张力和外形改变而不致破裂。例如RBC挤过毛细血管。膜的流动性一般只允许脂质分子在同一分子层内作横向运动（侧向、纵轴转）和摆动、扭转）。而“掉头，翻筋斗”（flip-flop）翻转或移到另一层，是不容易或要耗能的。不同细胞或同一细胞而所在部位不同的膜结构中，脂质的成分和含量各不相同；双分子层的内、外两层所含的脂质也不尽相同（内层含磷脂乙酰胺、磷脂丝胺酸多，而含传递信息入胞有关的磷脂肌醇少，外层主要是磷脂酰胆碱和含胆碱的鞘脂。这即膜脂的不对称性分布）。膜脂质中胆固醇含量愈多，流动性一般愈小。膜还具有多形性：某些生理条件下（如出入胞作用、细胞融合、蛋白质跨膜运送等）均可能出现非脂双层结构（如六角形相H22 、微团等）。2.细胞膜蛋白质（包括酶）膜蛋白质主要以两种形式同膜脂质相结合：占20%30%的表面蛋白质（外周蛋白质）以带电的氨基酸或基团极性基团与膜两侧的脂质结合；占70%80%的结合蛋白质（内在蛋白质）通过一个或几个疏水的-螺旋（2030个疏水氨基酸吸收而形成，每圈3.6个氨基酸残基，相当于膜厚度。相邻的-螺旋以膜内、外两侧直链肽连接）即膜内疏水羟基与脂质分子结合。理论上，镶嵌在脂质层中的蛋白质是可以横向漂浮移位的，因而该是随机分布的；可实际存在着的有区域性的分布；（这可能与膜内侧的细胞骨架存在对某种蛋白质分子局限作用有关），以实现其特殊的功能：细胞与环境的物质、能量和信息交换等。（Frye和Edidin1970年用发红光的碱性芯香红标记人细胞同用发绿光荧光素标记膜蛋白抗体标记离体培养的小鼠细胞一起培养，然后使它们融合，从各自分布，经过3740min后变为均匀分布。光致漂白荧光恢复法，微区监测）3.细胞膜糖类细胞膜糖类主要是一些寡糖链和多糖链，它们都以共价键的形式和膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂和糖蛋白；这些糖链绝大多数是裸露在膜的外面（非细胞质）一侧的。（多糖-蛋白质复合物，细胞外壳cell coat）单糖排序上的特异性作为细胞或蛋白质的“标志、天线”抗原决定簇（可识别，与递质、激素等结合。ABO血型物质即鞘氨醇上寡糖链不同。131AA+100糖残基）。二、细胞膜的跨膜物质转运功能新陈代谢过程中进出细胞各种各样的物质：从离子、小分子到蛋白质等大分子以及团块性固形物或液滴，它们理化性质各异，且大多不溶于脂质或水溶性大于其脂溶性。除极少数能直接通过脂质层进出细胞外，大多数物质跨膜转运与膜蛋白质有关，至少一些团块性固态或液态物质的进出细胞（吞噬、分泌），则与膜的更复杂的生物学过程有关。几种常见的跨膜物质转运形式分述如下：过河1.单纯扩散（simple diffusion）游泳分子热运动（布朗运动，绝对温度），高浓度低浓度为扩散。物质分子移动量的大小，可用通量表示：指某种物质在每秒内通过每平方厘米的假想平面的摩尔或毫摩尔数。一般扩散通量与观察平面两侧浓度差成正比；在混合溶液中不受其它物质浓度或移动方向影响。但离子（带电粒子）的移动还取决于离子所受的电场力。而在胯膜转运时，还取决于膜对该物质通过的阻力或难易程度（主要看脂溶性大小）（称膜对该物质的通透性）。水相脂相水相（氢键）在生物体系中，物质分子（脂溶性的）按扩散原理作跨膜运动或转运称单纯扩散。是一种单纯的物理过程，区别于其它复杂的物质转运机制。体液中存在的脂溶性物质并不很多，单纯扩散方式比较肯定的是氧气、二氧化碳等气体分子，他们能溶于水，也溶于脂质。甾体有脂溶性，但分子量较大，近来认为也需膜上某种特殊蛋白质的“协助”（人工磷脂双层不透，而天然膜透。不同细胞差异大，而对非电解质小），才能使转运过程加快。溶剂分子由纯溶剂（或稀溶液）向溶液（或浓溶液）单方向的净扩散现象称为渗透（osmosis）。2.易化扩散（facilitated diffusion）(高低，但不溶于脂质或甚小，加速)不是通过膜的脂质分子间隙，而是依靠膜上一些具有特殊结构的蛋白质分子的结构上的易变性（包括其构型和构象的改变）引起的功能改变完成的，这种易化扩散处于细胞各种环境因素改变的调控之下。（红细胞膜上带3蛋白，1.2106个分子/细胞，占膜蛋白的25%，N-端在胞内，“乒-乓机理假设”运送Cl-HCO3-）载体（carrier 搬运人、媒介物）介导的易化扩散摆渡，船 位点或结构域变构（具体过程尚不完全清楚）转运解离。共同特性：载体蛋白质有较高的结构特异性（红细胞膜上葡萄糖载体20万MW，500Aa，含12个疏水性跨膜-螺旋。右旋葡萄糖左旋葡萄糖，木糖不过）；饱和现象（所有载体及其结合位点都进入活动状态）；竞争性抑制。由通道（channel海峡）介导的易化扩散 桥，隧道常有一些带电的离子如钠离子、钾离子、钙离子等高低，快速移动有关。通道蛋白质（ionophorous protein）多种，转运相应的离子，如钙离子通道有3种，钾离子通道有7种以上等，这种情况与细胞在功能活动和调控方面的复杂化和精密化相一致。通道对离子的选择性，决定于通道开放时它的水相孔道（通量大推测，Singer1971年若干亚单位中空环状结构）的几何大小和孔道壁的带电情况（电荷和极性），因而选择性没有载体那样严格。（陈 P32钠离子通道通透性系数 钠离子为1；锂离子为1.1；氨根离子为0.27；钙离子为0.1；钾离子0.083。钠离子通道面积占1/50000膜。可被河豚毒素、TTX阻断。）。通道蛋白质的结构和功能状态可以因细胞内外各种理化因素（电压依从性通道、化学依从性通道）的影响而迅速改变，开放几个或数十个毫秒后立即进入失活或关闭状态。又推测通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门（gate）一类的基因，决定通道蛋白质功能状态。从意义上看，带电离子胯膜移动时，移动本身形成跨膜电流（即离子电流）；造成胯膜电位的改变，钙离子入胞等会引起该通道所在细胞的功能改变，因此具有转换信息作用，是细胞环境因素影响细胞功能活动的一种方式。以上均为被动转运passive transport，细胞不消耗能量。3.主动转运（active transport）泵，拉纤，绞索与前两类被动转运中相对而言的（耗势能）平衡点浓度差（电化学势能差）为零。膜或膜所属的细胞来供给ATP，低高浓度，直至运完。以神经和肌肉细胞为例，正常时膜内钾离子和钠离子的浓度是膜外的30倍和1/12，而低温缺氧等情况下钠离子和钾离子的浓度差减少，在细胞恢复正常代谢后又可恢复。1942年Dean引入“钠泵”概念。1957年Jens Skou发现。由此推断钠离子和钾离子浓度的维持依赖于新陈代谢的正常进行，即膜上普遍存在着一种耗能的钠-钾泵，含有钠离子钾离子依赖式ATP酶（毛地黄抑制）,简称钠泵(sodium pump)。二聚体蛋白质（分-亚单位和-亚单位 分别约100Kd和50Kd，-亚单位催化作用、膜内结合钠离子和ATP，膜外结合钾离子或被乌本苷即箭毒ouabain结合失活；-亚单位作用不清楚，可能与脂质结合保持活性有关）。消耗1个ATP分子，泵出了3个钠离子，“偶联”泵入2个钾离子。化学定比关系可变动。机理：构象变化假说，泵位点向着膜的不同侧时与溶质分子结合的亲合力大小不同。主要特点：专一性；运送速度可达饱和；方向性；选择性抑制；需能，即与能量传递系统偶联。静止动物耗ATP的1/3用于泵离子，Lubert Sagger美生物化学P672。录像中用于钠泵20%30%）。钠泵活动的意义：细胞内高钾离子浓度是许多代谢及反应进行的必需条件（维持细胞的静息电位，成为可兴奋细胞）；若钠离子大量入胞，改变渗透压关系，水入肿胀，进而破坏细胞的结构（调节细胞体积）；它能够建立起一种势能贮备，动作电位产生等。继发性主动转运，小肠吸收葡萄糖和氨基酸（细菌中由质子梯度推动）。P15图初级主动转运磷酸化/脱磷酸化，次级主动转运钠离子结合/解离。图表P18钠道-钠泵比较主动转运是机体最重要的物质转运形式，其它还有钙泵，即钙离子-镁离子-ATP酶（肌质网膜上20000个/m，占膜本体蛋白的80%，膜面积的1/3。骨骼肌、心肌肌浆网膜的钙离子比脑浆内降100倍，耗1个ATP运2个钙离子，每秒10次），氢离子-钾离子-ATP酶，胃粘膜壁细胞表面，与胃酸分泌有关。4.出胞与入胞式物质转运出胞（外排） 如分泌（内分泌激素，外分泌酶）：内质网生物合成，高尔基体（改造）囊泡形成、移动、融合、排放。入胞（内吞） 如吞噬（细菌、病毒、异物）；胞饮（脂蛋白颗粒、大分子营养物质）；受体（膜表面特殊受体蛋白质）介导式入胞（不下50余种，铁离子、维生素B12.多肽类H、抗体等。四版96页）。与质膜接触，质膜内陷、包被、断离入胞浆中，囊泡变成了细胞膜的一部分。（专一性摄入配体，效率高，合成受体（胆固醇）一插入膜中 。人工培养液中的吞噬细胞1小时内吞食泡入胞浆，膜面积约为原细胞膜总面积的50%200%。实际无明显改变）。5.细胞间通道（陈守良II 图1-16。肝细胞、心肌细胞、肠平滑肌细胞等）缝隙连接(gapjunction)，膜上6聚体蛋白质通道性结构对接（非永久，与细胞间不沟通，受环境因素影响）。允许1.01.5Kd以下或分子直径小于1nm的物质分子通过，包括了电解质分子、氨基酸、葡萄糖和核苷酸等。同步性活动的可能性。膜是被动的结构，仅仅是分子或离子筛，不具有生命性特征。膜是原生质的一部分，是用于实现细胞那些有重大生命意义的机能的，也都是确定细胞与外界环境间的相互关系的。第二节 细胞的生物电现象恩格斯在100多年前总结自然科学成就时指出：“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象”，生物体当然也不例外。事实上，在埃及残存的史前古文字中，已有电鱼击人的记载。（见下图，电鳐（Torpedo），治疗风痛、头痛）1876年意大利波罗那大学解剖学教授L.Galvni（伽伐尼，1737-1798）在静电机旁的桌子上解剖青蛙，他外出时学生用解剖刀触及腿神经，引起了肌肉收缩（并且静电机放出火花），伽伐尼作进一步观察后提出发现了生物电现象。但伏打（Alessandro Volta）持不同意见，他认为这一现象（静电机放火化）并不能说明蛙组织带电，而可能是不同的金属器械之间接触而产生的电流（人工电）。他们各抒己见，激烈争论，都深入实验，力图拿更有力的证据说服对方。伏打测定了许多种金属接触的电势差（金属接触电动势理论），排序、锌铜弓、伏打电池（人类第一个产生稳定电流的电源）。1830年电流计产生，实验神经损伤电位电流计（显示神经冲动通过时动作电位）。新鲜的蛙坐骨神经的损伤电位约为30mv，几个小时后逐渐消失（问此时静息电位为多少？损伤电位机制）。1843年Emil Du Bois-Reymond说：“我成功地实现了近两年来物理学家和生理学家的梦想，证明了神经本原与电的同一性。”1879年 “变质学说”。1962年Julius Bernstein（德国）根据当时关于电离和电化学的理论成果提出“膜学说”半透膜理论，来解释当时用粗劣的电测量仪器记录到的生理电现象（膜破碎，所有离子的通透性都暂时升高。技术上单细胞达不到。电阻变小，电容变化小，未破，电阻仍很大。胞外记录法。陈守良 第28页）。1939年起英国Hodgkin和Huxley枪乌贼的巨大神经轴突（直径1mm，哺乳动物最粗肌肉运动1220m，最细痛觉小于1m）和电生理技术，进行了一系列实验（胞内记录法）。证实静息电位的膜学说，对动作电位的产生作了新的解释和论证。“离子学说”（Hodgkin和B.Katz1949年提出的）阐明了静息电位和动作电位的最一般的原理。宏观随70年代以来蛋白质化学和分子生物学技术的迅速发展，已可以把促成离子跨膜移动的蛋白质分子从膜结构中克隆出来，分子结构通道功能特性，（1976年Ensin Neher和Bert Sak）膜片钳技术，可仅观察和记录单个离子通道的功能活性。（河豚毒素专一性阻断,P32推钠道小于100个每平方微米，占膜表面积小于五千分之一）；（因为他们发现了细胞膜的周边和中央部分与兴奋和抑制有关的离子机制。John Carew Eccles(约翰卡鲁埃克尔斯)、Alan Lloyd Hodgkin(艾伦芬埃德霍奇金)、Adrew Fieding Huxley(艾德鲁非尔丁赫克斯利)1963年获生理学或医学奖。由上可见，对于生物电现象的研究，只能是在人类对于电现象的一般规律和本质有所认识后，并随着电测量仪器的精密化而日趋深入的（认识由表及里）。由历史可得到一些方法和启示；自由的争论科学实验。假设一推论验证 选材。1938年分离海蟹鞘神经三十分之一毫米，巨轴突由许多小神经纤维细胞的轴突融合而成的胞体。学科内借用、移植。一、静息电位和动作（膜）电位 测量装置1静息电位(resting potential) 也称膜电位（membrane potential），指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。表现：同侧表面上各点间电位相等，内外两侧存在电位差，所有动物细胞（及绝大多数植物细胞）外正内负。不同细胞静息电位值不同。但每种细胞静息电位值一般是稳定的。以膜外为生理零电位表示，高：NC -90mv；骨骼肌 70mv；平滑肌细胞 -50到-60mv；低：红细胞 -10mv。大小是指其绝对值。 （膜电池充电、放电）。2动作电位(action potential) 可兴奋细胞受到刺激而兴奋时，在原静息电位基础上膜两侧电压发生快速而可逆的倒转和复原（阳极兴奋）。膜两侧电荷分布情况：极化、去（除）极化、反极化、复极化、超极化。除极相（去极化与反极化）。神经纤维刺激：-70至-90mv 上升支HHHHHHHHH +20至+40mv 超射（overshoot） (复极相) 下降支 负后电位（negative after potential）微小而缓慢的电位波动后电位（afterpotential） 正后电位（positive after potential）图形上形成一个短促而尖锐的脉冲，习惯称锋电位（spiike potential）。共需0.51.0mS。通常所说的神经冲动，就是指一个沿着神经纤维传导的动作电位或锋电位。二、生物电现象产生的机制1静息电位产生的机制 “膜学说”：膜内外两侧内外离子分布的不均匀，静息状态下，细胞膜的选择通透性钾离子、钠离子等。 表一： 单位（mmol/L）膜内膜外钠离子515145钾离子1405镁离子3012钙离子122.55氢离子4乘以10-5氯离子4110 K+ 外流（蛋白隔膜相吸），膜两侧电-化学势代数和为零，净移动为零。静息电位K+平衡电位。物理化学中W.Nernst公式（1889）：Ek=RT/ZFLnK+/K+i=59.5LogK+/K+I (mv);D.q.galdman(1943): Vm=RT/FLnPkK+PNaNa+Pclcl-I/PkK+I+PnaNa+I+Pclcl-. （室温27C）（课件2.2,3.2,EK,静息电位水平cl-不能透入）。1939年Hodgkin等第一次精确的测出静息电位：枪乌贼 实测 77mv, 计算-87mv； 骨骼肌 实测 90mv, 计算-95mv.Ecl-=-88mv (蛙骨骼肌主要因素)。实测值与K+平衡电位计算值非常接近而略小于后者。一般认为静息时膜对Na+也有极小的通透性（相当于钾离子的五十分之一到百分之一），小量的Na+透入膜内抵消一部分K+外移的结果。（泵 下驱出不是平衡电位而是稳态电位homeostatic potential.静息电位与极化状态是一个现象的两种描述）。2锋电位和Na+平衡电位 （刺激的信息单位。钠学说1942年）Berstein K+通透性消失且出现反极化。Hodgkin设想发生了膜对Na+通透性突然增大，且出现反极化，Na+电-化学势代数和为零。实验数据表明，动作电位 所能达到的膜内正电位的数值（+45mV），正相当于Ena(+61mV)。（膜对Na+不能自由通透，但尚有残余的K+和cl-通透）。并且实验中随着标本浸溶液中Na+被同等数目的葡萄糖分子所代替（使Na+逐渐减小），所记录的超Na+道失活，K+道恢复。（去极化激活，延迟开放，外流复极化，关闭。不同于形成静息电位的钾离子漏泄）。普鲁卡因等局剂可以降低钾离子道和钠离子道激活，因而阻断动作电位传导。3后电位产生机制（恢复过程）以膜外电位与邻近比而言的负后电位：复极化时迅速外流的K+蓄积在膜外侧附近，暂时阻碍K+进一步外流所致。（如右图）：正后电位：生电性钠泵作用的结果是泵出了3个钠离子，同时泵入了2个钾离子，消耗了1分子的ATP。（如右图）： 哺乳动物A类神经元： ( 潜伏期不超过0.06ms )表二：幅度持续时间（ms）锋电位约90110mV0.5负后电位锋电位的56%15正后电位锋电位的0.2%804.动作电位时相与兴奋性各期（对应依从）巨大神经轴突概念，特性或能力。神经纤维Na+通道绝对不应期（absduterefrectoryperiod）0.30.5ms锋电位激活，失活相对不应期(relativerefrectoryperiod)0.51.0ms下降支中部分复活超常期(supranomalrefrectoryperiod)十到几十ms负后电位大部分复活，膜泡位近低常期(subnormalrefrectoryperiod)70ms以内正后电位膜泡位远，备用状态。请看右图：各个时期的持续时间与正常兴奋性高低有直接关系。原来兴奋性越高，持续时间越短，变化快。（不应期的存在，意味着单位时间内只能发生一定次数的兴奋，。三、兴奋的引起和兴奋的传导机制（P3537）1.阈电位和锋电位的引起外来刺激电流从微电极流入，胞内电荷部分的减少静息电位缓慢去极化。膜内负电位必须去极化到某一临界值时，才能整段膜引发一次动作电位，这个临界值大约比正常静息电位小1020mV，称为阈电位（巨大神经轴突：-90mV,-55mV）。未达到阈电位时，虽然Na+道有一定数目开放，但此时K+通透性仍大于Na+，Na+内流被K+外流所抵消，去极化不能继续，不能产生动作电位。只有当外来刺激引起的去极化达到阈电位时，较多量的Na+道开放，膜去极化也不再能被K+外流所抵消，又使更多的Na+道开放Na+内流增强Na+道开放。如此反复促进，就形成一种正反馈过程，称为再生性循环（Hodgkin循环）。其结果是去极化迅速。形成锋电位陡峭的上升支，直至Ena。（几十万分之一秒内Na+通透性增加了5000倍，是K+通透性的2030倍）。由此可见，阈电位不是单一通道的属性，而是在一段膜上能使Na+通道开放的数目足以引起上述再生性循环出现的膜内去极化的临界水平。因此，只要外来刺激大于能引起再生性循环的水平，膜内去极化的速度就不再决定于原刺激的大小，（整个动作电位上升支的幅度也只决定于原来静息电位的值和膜两侧钠离子浓度差），“全或无”机制。（陈守良 P16 阈刺激、顶刺激（多细胞）。“全或无”，在一个不稳定的系统内，反应的大小取决于这个系统所储存的能量，而不决定于引发刺激的大小。1767年意大利的Fontana首先记述了心肌的这种现象；1871年美国的Bowditch重新发现；19141921英国的E.D.Adrian详细地研究和阐述成为普遍真理。陈守良 13页：三种可兴奋细胞：感受器细胞、神经细胞和肌肉细胞。16页电刺激并不是动物体内正常状态下的生理刺激）。阈电位是膜本身去极化的临界值来描述动作电位的产生条件。所谓阈强度，是作用于标本时能使膜的静息电位去极化到阈电位的外加刺激的强度，二者概念是相区别的。静息电位阈电位（钠离子内流大于钾离子外流）20mV超射值100mV(放大5倍)。1 1 局部兴奋及其特性单个阈下刺激，刺激造成去极化，未达到阈电位水平，少量Na+道开，Na+内流叠加局部反应（局部兴奋），很快被K+外流所抵消。（如图所示）刺激与负极相等时，超极化（虚线组），不引起Na+道开放，更不能引发锋电位。反而该处膜更不易兴奋了。见右图：巨轴突膜的一个小区的等放电路。通电过程中阴极电紧张升高，阳极电紧张下降；断电后即刻阴极后压抑，阳极后加强。请见下图：局部兴奋（除由于刺激电流沿神经纤维扩布外，还有膜的活动结果）有以下几个基本特性：1.不是“全或无”的，而是随着阈下刺激的增大而增大；2.不能在膜上作远距离的传播。电紧张扩布迅速减小（呈指数衰减）数十至数百微米；3.可以互相叠加（时间性和空间性总和）；4.不表现不应期。这在细胞本身也不很大（如神经元细胞体上）还是有重要生理意义的。体内某些感受器细胞、部分腺细胞和平滑肌细胞，以及神经细胞体上的突触后膜和骨骼肌细胞的终极膜，受到刺激时不动作电位，而只出现原有静息电位的微弱而缓慢的变动，分别称为感受器电位、慢电位、突触后电位和终极电位。它们也具有类似局部兴奋的特性。这些形式的电变化，实际是使另一细胞或同一细胞的其他部分的膜产生“全或无”式动作电位的过渡性变化。2 2 兴奋在同一细胞上的传导机制（美国芝加哥大学生理学教授黎利，浓硝酸中用铁丝套玻璃管）。可兴奋细胞任何一处膜产生动作电位，在兴奋膜反极化时与临近膜电位的差值可达90130mV，这对临近的静息电位状态的膜足以构成阈刺激（数倍以上），具体讲就是电势差通过导电的膜两侧而有电荷移动，称为局部电流（local current），个细胞的传导。（膜内外未兴奋已兴奋不易发生阻滞 去极化达阈电位自己的动作电位）无髓NF，髓鞘脂质不导电，郎飞节（无钠离子道。日本生理学家田崎19411943年间说象只能在郎正氏节处停车的快车）低等的枪乌贼需要进行快速神经反应，只能靠进化中增大轴突直径（电阻变小）来实现，巨神经出现。3个郎正节中毒中断；1个郎正节中毒仍可进行。（向61页，神经干的复合动作电位）。（柏林大学教授，德国著名生理学家Johannes Mulles 1844年在实验室称速度不可测，比之于光速。6年后他的学生Hermamn von, Helmholtz(1821-1894)得出蛙标本平均速度为27.25m/s，但比流体在NF中通过的速度要快。是电传导的速度为100m/s；不是电流传导的为30万Km/s）。一般认为无脊椎动物没有有髓神经纤维和跳跃式传导。某些无脊椎动物如对虾科（Family Penaeus）虾和蚯蚓的正中大纤维以fenstration node(FN；畜形结)实现跳跃式传导。（Xu and Terakawa 1993 ；徐科（上海生理所）动作电位传播特征：可以双向传导，NF本身无传入、传出之分；不衰减，幅度不变，浓度梯度直接能源；相对不疲劳性。无髓NF,膜动作电位,钠离子变化八万分之一；有髓NF，8万分之一。（跨膜500个钠离子每平方微米是100mV，越细 S/v大，C大（1%）。NF=50100次/秒，连续912小时仍有传导功能。不会无限止，钠离子、C高，内渗多，钾离子净流量等于零。泵重建1902年Oveerton预见其必要，人70岁心肌钠离子、钾离子浓度如年青人）。实验中用二硝基苯酚或氰化钠等代谢抑制物处理NF后，Na+-K+-ATPase由于缺乏能源停止工作，动作电位后膜两侧Na+,K+状态难以恢复情况下（向57页），该NF仍可继续产生动作电位达几小时。（传导冲动几万次到几十万次。称守良 37页）。挤出轴浆，换以等张K+溶液仍可进行3万次冲动（大部分反应非传导必需。神经元具有接受、整合和传递信息的功能）。第三节 神经纤维的功能一、神经纤维的传导功能机理 无髓 有髓 特征1 1 生理完整性（低温、麻醉）；2 2 绝缘性（神经干中含许多条NF，互不干扰，更具有精确性）；3 3 双向性（顺向冲动orthodomic impulse向轴突末梢；逆向冲动antidromic impulse向胞体或 突）；4 4 不衰减性（单根NF冲动大小不变，神经干混合，NF阈值有大小，最大刺激，全兴奋，不再增。能量来自兴奋神经本身。复合动作电位compound AP,缺氧气，粗大敏感。普鲁卡因痛觉敏感）；5 5 相对不疲劳性（实验每秒50100次，连续912小时始终保持传导功能）。（视网膜及低等动物细胞全长很少超过几毫米，无锋电位。神经元足以调节递质释放）。传导速度髓鞘有无，厚快。有直径：传导速度其数值是直径的六倍。人体中最粗的直径为20微米 ，传导速度为120米每秒。无髓靠增粗，枪乌贼650微米。传导速度的测定诊断NF疾患以及估计神经损伤的预后有一定价值。传导速度还受温度的影响。NF的分类依电生现特性（传导动作电位速度）将哺乳动物外周神经分为三类（张祥 213，214页）：A类（、）有髓，躯体入、出。直径122微米，速度12120m/s。（来自肌梭、腱器传入的I类神经其直径为1222m；来自于皮机械感传入的II类神经的直径是512m；来自于皮痛温传入和肌肉深部压传入的III类为25m）。B类，有髓，节前纤维传入，直径为13m，速度小于2.3m/s。C类，无髓，躯体传入，节后纤维传出。直径0.10.3m，速度小于2.3m/s，来源于无髓的痛、温机械传入。（直径大于6微米的称为大纤维即粗纤维，小于6微米的称为小纤维即细纤维）。二、神经纤维对所支配组织的作用神经末梢的作用：功能性作用，递质；营养性作用，营养物质、调整代谢。断时，糖原合成减慢，蛋白质分解加速，引起肌肉萎缩。三、神经纤维的轴浆运输轴浆运输分顺向和逆向运输。顺向运输主要分快速和慢速，含递质的囊泡如猴、猫的坐骨神经是快速的，速度为410mm/d；微管、微丝、线粒体及可溶性物质是慢速的，速度为112mm/d。逆向主要在对胞体活动反馈调节、疾病（如破伤风、狂犬病等、病毒）中出现。辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase,HRP）。第四节 兴奋在细胞间的传递多细胞生物是一个统一的整体，细胞之间互相影响，协同活动是每时每刻都在发生的。比如神经调节中需要从一个NC最后到效应器（如骨骼肌）的兴奋传递；内分泌腺体产生激素（可理解为腺细胞的兴奋）也要经过体液到达作用于靶细胞才能发挥作用。细胞间信息传递中细胞膜扮演了重要角色，也就是说跨膜信号传递是细胞膜的重要功能之一。（张1214页，化解神经、肌肉接头，激素机理）。兴奋在细胞间传递的形式除了在心肌、内脏平滑肌和神经细胞之间，由于存在细胞间通道缝隙连接，而可以进行双向的直接电传递外，主要是通过神经递质、激素等各种化学分子为媒介物而进行的。并且这些活性分子本身并不进入它们的耙细胞（一些甾体H.T4(T3)例外），而是选择性地同耙细胞膜上具有特异性的受体结构相结合再通过跨膜信号传递或跨膜信号转换（机械、电、电泳等刺激化学）过程，最后才直接地引起耙细胞膜的电变化或其他细胞内功能的改变。（受体receptor,主要指细胞膜上的某一特殊成分，它能与某些化学物质作特异性结合（如激动剂、拮抗剂和不同类型的受体结合产生不同生物效应）引发细胞的生物效应。也有胞浆受体和核受体。受体本质是大分子复合蛋白质或酶系。有三个特征：特异性、饱和性、可逆性）。生物体中存在多种多样的化学活性物质以及非化学性的外界刺激信号。但作用于相应的耙细胞时，都是通过为数不多，作用形式也较类似的途径来完成跨膜信号传递的，这些过程所涉及的膜蛋白质也为数不多，其基因，一级结构及功能上都较为相似。这显然符合“生物经济”原则。由具有特异感受结构的通道蛋白质完成的胯摸信号传递1化学门控通道神经肌肉接头处。兴奋（神经冲动）传到神经末梢处，末梢释放一定数量的Ach分子，扩散过间隙到运动终极膜，与终极膜上的“受体”结合，最后引起整个肌细胞的兴奋与收缩。这种烟碱型Ach“受体”的结构已被基本搞清楚了。N型Ach“受体”是由4种不同的亚单位组成的五聚体蛋白质，总分子量约为290Kd；每种亚单位间通过氢键等非共价键式的相互吸收，形成一个为2的梅花状通道样结构（40、50、60、65Kda），而其中的两个亚单位正是同2分子Ach相结合的部位。Ach与亚单位的结合可引起通道结构的开放，其中央水相孔道足以使终极膜外高浓度的钠离子内流，同时也能使膜内钾离子外流（易化扩散），结果是使原来存在于膜两侧的静息电位趋于消失，即使该处膜内外电位差接近于零，这就是终极电位。至此完成了Ach这种化学信号的跨膜传递。（-7mV逆转电位）。这些所谓的“受体”，实际上应称为N型烟碱型Ach门控通道。它属于化学依从性通道中的一种。以类似方式进行跨膜信号传递的还有一些氨基酸类递质，包括谷氨酸、门冬氨酸、-氨基丁酸和甘氨酸等。2电压门控通道Na+、K+和Ca2+等离子通道，虽具有与化学门控通道类似的分子结构，但控制其开放与否的因素却是通道所在膜两侧的跨膜电位的改变；也就是说，在电压门控通道的分子结构中，存在一些对跨膜电位的改变敏感基因或亚单位，由后者诱发整个通道分子功能状态的改变。如Na+通道，它主要由一个较大的亚单位组成260K，有时另有一个或两个小分子量的亚单位，1和2。但Na+通道的主要功能看来只靠亚单位即可完成。亚单位由4个结构类似的结构域（每个结构域大致相当于N型Ach门控通道中的一个亚单位，只是结构域间有肽链相连，是一个完整的肽链），这4个结构域在膜中包绕成一个通道样结构。其水相孔道开放时内径最窄处横断面积约为0.15mm2（投影片）,差不多刚能通过一个水化的钠离子。每个结构域包含的6个-螺旋中已证明第4个-螺旋结构上有特点，可以感受外来电信号，由此再诱发通道“闸门”的开放。上面所述，Ach引发终极电位，这个电位改变可使相邻肌细胞膜中的Na+道、K+道相继激活（即通道开放），出现肌细胞的动作电位。动作电位在NF膜和肌细胞膜上传导时，也是由于一些电压门控通道被邻近已兴奋的膜的电变化所激活，而相继出现动作电位的结果。而当细胞膜上的Ca2+通道被激活，胞外Ca2+内流时常能引起细胞内功能的变化。3机械门控通道体内存在不少能感受机械性刺激并引致细胞功能改变的细胞，如内耳毛细胞顶部的听毛在受到切向力作用产生弯曲时，毛细胞会出现短暂的感受器电位，这也是一种跨膜信号转换。由膜的特异受体蛋白质、G蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜信号传递系统60年代在研究肾上腺素引起肝细胞中糖原分解为葡萄糖的作用机制，E（第一信使）+膜碎片分子量小、能耐热的物质（第二信使）+肝细胞胞浆类似效应。实验提示，在E正常起作用时，它只是作用于膜表面，通过某种发生在膜结构中的过程，先在胞浆中生成CAMP,CAMP促进糖原分解。导致CAMP产生的膜结构内部的过程颇为复杂，它至少与膜中三类特殊的蛋白质有关：1受体蛋白（G蛋白） 能到达膜表面的外来化学信号作特异性结合。已发现近100种类似的分子结构N末胞外，穿膜7次，C末胞内；2G-蛋白（界面蛋白） 乌苷酸结合蛋白。已发现数十种。通常由（45kd）、（35kd）、（7kd）三个亚单位构成。催化亚单位作用。（见下图）：3膜的效应器酶 激活时胞浆中第二信使物质的生成升高；抑制时则降低。见图IV（2-9）：通过这类形式起作用的，不仅包括绝大多