人体生理学-第2节

人体生理学,动物机体的一切生命活动都是以细胞及其产物为基础的，尽管生命现象在不同种属的动物或同一个体的不同组织器官或系统的表现形式千差万别，但在细胞及分子生理学水平，其基本原理却具有高度的一致性和共性。,一、细胞膜的结构与物质转运功能二、细胞的跨膜信号转导三、细胞的生物电现象四、肌细胞的收缩功能,第二章细胞的基本功能,一切动物的细胞都由一层薄膜包裹着，这就是细胞膜或质膜，它将细胞的内容物和细胞周围的微环境分割开来，使细胞能独立于环境而存在。细胞不仅通过细胞膜与环境不断进行物质交换，能量转移，还能通过细胞膜接受外界或其他细胞的影响，环境中的各种物理性刺激或化学成分的微小变化，如体内产生的激素、递质和进入体内的各种异物或药物等，很多都是先作用于细胞膜，然后再影响到细胞内各种生理过程，细胞膜起到传递信息的作用。细胞膜还在细胞免疫、细胞生长、分裂、分化及癌变等生理病理过程中起着重要作用。因此，有关细胞膜的结构和功能的研究是目前细胞分子生物学中最活跃的领域之一。,细胞膜的功能：1.屏障作用2.交换作用3.产生兴奋、传递信息作用4.对离子有选择通透性,细胞的兴奋和生物电的阐明是20世纪生物科学的重大进展之一。,1944年，神经纤维电活动诺贝尔奖1960年，动作电位离子机制诺贝尔奖1963年，兴奋性和抑制性突触后电位诺贝尔奖1970年，神经肌肉接头突触诺贝尔奖1971年，信号跨膜转导途径诺贝尔奖1991年，离子通道功能诺贝尔奖,1994年，GTP的结合蛋白（转导体）诺贝尔奖1998年，NO的信使作用诺贝尔奖2000年，慢速突触传递、突触可塑性诺贝尔奖2003年，磁共振成像（MRI)诺贝尔奖,细胞是动物体基本构造和功能单位，是实现和控制基本生命过程的最小单位。细胞膜的形成是进化的重要转折。细胞膜作为细胞屏障，为生命活动提供了相对恒定环境。细胞膜是有特殊结构和功能的半透膜，它在与外界进行物质、信息及能量交换中起着重要作用。,一、细胞膜的结构与物质转运功能,（1）液态脂质双分子层为基架（2）镶嵌不同分子结构、不同功能的蛋白质（3）糖（寡糖或多糖链）在膜外与脂质和蛋白质以共价键结合为糖脂或糖蛋白,液态镶嵌模型,一、膜的化学组成和结构模型,脂质双分子层,1、结构：磷脂为主，占70%，次为胆固醇等2、特点：（1）双嗜性分子呈特殊整齐排列（2）稳定性（自由能最低）（3）流动性（熔点低、液态）3、作用：屏障作用、信号转导,细胞膜蛋白质,1、形式：螺旋整合蛋白（70%80%），表面蛋白（附在膜表面，约占20%30%）2、功能：以酶、载体、离子泵、通道、受体等形式参与代谢、物质转运、信号转导等功能,细胞膜糖类,主要是寡糖和多糖，与膜脂质和蛋白质以共价键形式结合为糖脂或糖蛋白；这些糖链大多裸露在膜外侧，以其单糖排列顺序的特异性作为膜受体的“可识别”部分或作为抗原物质表示某种免疫信息。,质膜是一个高度不通性的屏障，这是细胞内液成分迥然不同于细胞外液并保持相对稳定的基础。脂溶性小分子物质可通过物理扩散通过质膜；水溶性小分子物质和带电离子需要借助于一系列相关膜蛋白的介导来完成转运；大分子物质或物质颗粒则通过细胞膜的整装转运进出细胞。,跨膜物质转运,细胞膜跨膜物质转运的五种形式,1.单纯扩散2.易化扩散3.主动转运4.继发性主动转运5.出胞与入胞式转运,被动转运,物质跨膜转运功能,（一）被动转运当同种物质不同浓度的两种溶液相邻放在一起时，溶质分子会顺着浓度差或电位差产生净流动。1、单纯扩散含义：小分子脂溶性物质顺电化学梯度的净移动现象（物质热运动）物质：CO2、O2、甾体激素等,是简单的物理扩散，没有生物学的转运机制参与。扩散的最终结果是该物质在膜两侧的浓度差消失。,物质通过细胞膜时，单位时间内的扩散通量不仅取决于膜两侧该物质的电化学梯度，还取决于细胞膜对该物质的通透性，即由该物质脂溶性的程度以及其它原因造成该物质通过膜的难易程度。,2，易化扩散（1）含义：非脂溶或低脂溶性的物质，在特殊膜蛋白的帮助下，顺着浓度差（或电位差）通过细胞膜的方式（葡萄糖、氨基酸，Na+、K+、Ca+等离子）。（2）分类：依帮助（或易化）作用的膜蛋白质不同可分为A：载体中介易化扩散B：通道中介易化扩散,许多必需的营养物质，在载体的帮助下也能进行被动地跨膜转运。所谓载体是指细胞膜上一类特殊蛋白质，它能在溶质高浓度一侧与溶质发生特异性结合，并且构象发生改变，把溶质转运到低浓度的一侧将之释放出来，载体蛋白恢复到原来的构象，有开始新一轮的转运。,特点：高度的结构特异性饱和现象竞争性抑制,细胞膜对溶于水的钠，钾，钙等离子的通透性很小，但在一定的条件下它们却能以非常高的速度顺着电化学梯度跨过细胞膜，这是因为在细胞膜中存在着另一种蛋白质分子离子通道“帮助”的结果。,亲水的“水相孔道”,化学门控通道电压门控通道,（二）主动转运,1、含义：通过细胞本身某种耗能过程，将某种分子或离子逆电化学梯度的转运，即物质由膜的低浓度（或低电位）一侧转运到高浓度（或高电位）一侧的过程。主动转运是最重要的物质转运形式。2、特点：（1）逆浓度差或电位差；（2）耗能（能量来自细胞的代谢活动）。,3、主动转运的分类：（1）原发性主动转运：本质为直接利用ATP释放的能量而实现的转运。如钠泵、钙泵等。,在各种细胞膜上普遍存在着一种钠-钾泵的结构，简称钠泵。这是镶嵌在膜脂质双分子程中的一种特殊蛋白质，它除了能逆着浓度差将细胞内的钠离子移出膜外，同时还能把细胞外的钾离子移入膜内，保持膜内高钾离子和膜外高钠离子的不均衡离子分布状态。钠泵的启动和活动的强度与细胞出现膜内钠离子浓度和膜外钾离子浓度较高时有关。,12倍,30-35倍,（2）继发性主动转运：是依赖于另一物质浓度差所造成势能而实现的转运（间接利用ATP释放的能量）。,细胞可以根据需要主动选择对物质的吸收和排出，而不受细胞内外物质浓度（或电位）梯度的影响。而细胞内外各种离子分布不均的维持是神经、肌肉等组织细胞兴奋性的物质基础。,5、主动转运意义：,出胞和入胞,细胞排出某些大分子或团块物质过程。是细胞分泌的一种机制，如内分泌细胞分泌激素，外分泌细胞分泌酶原，黏液，神经细胞释放递质。细胞分泌时，囊泡被运到细胞内表面与胞膜融合，再向胞外开口，将内容物排出。出胞是种复杂的伴有膜结构改变的主动转运过程。,1、出胞（胞吐）,是指细胞外大分子或物质团块（如细菌等）进入细胞的过程。物质被细胞膜识别并互相接触，接触处细胞膜向内凹陷，并把物质包裹起来，然后膜融合断裂，形成包含摄入物的小泡。入胞有2种类型：吞噬和吞饮。,2、入胞（胞吞）,吞噬是指物质颗粒或团块进入细胞的过程，形成的吞噬泡直径较大，只发生在一些特殊的细胞，如单核细胞、巨噬细胞、中型粒细胞等。吞饮过程则可在几乎所有的细胞发生，形成的吞饮泡直径较小。,细胞间信号传递的方式细胞通过分泌化学信号分子作用于其相应的受体进行细胞间的相互通讯2.细胞间接触依赖性通讯3.细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子来实现信号传递,二、细胞的跨膜信号转导,肾上腺素引起肝细胞中糖原分解为葡萄糖的作用机制提示：,胞外化学物质不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，导致胞内产生第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理学效应，第二信使的降解使其信号作用终止。这就是第二信使学说。,一、信号转导概述（一）细胞的信号分子,二、细胞的跨膜信号转导,细胞的信号分子根据其溶解性通常分为：亲脂性信号分子，主要代表是类固醇激素和甲状腺激素。2.亲水性信号分子，包括神经递质、生长因子局部化学递质和大多数激素。,（二）受体（receptor）的概念受体是一种能识别和选择性结合某种配基（信号分子）的大分子，当与配基（配体）结合后，通过信号转导作用将胞外信号转换为包内化学信号或物理信号，以启动一系列过程和生物学效应。受体蛋白多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域，以配基结合的区域及产生的区域，分别具有结合特异性和效应特异性。,根据受体存在部位可分为膜受体、胞浆受体和核受体。受体结合特征有：a、特异性b、高亲和性c、饱和性d，可逆性（三）信号转导基本过程包括跨膜信号转换、胞内信号传递和引起生物学效应。,根据信号转导机制和受体蛋白类型不同，细胞表面受体分属3大家族：1.离子通道偶联受体2.鸟苷酸结合蛋白（G蛋白）偶联受体3.酶偶联受体,几种主要的跨膜信号转导途径,几种主要的跨膜信号转导途径,（一）由离子通道介导的跨膜信号转导通过离子通道的开放或关闭不仅决定离子本身的跨膜转运，而且还能实现信号的跨膜转导。大多数离子通道都有门，称为门控通道。根据控制其开放或关闭的原理不同，可将它们分为电压门控通道、机械门控通道和化学门控通道。,（1）电压门控通道：指在这些通道的分子结构中存在着一些对跨膜电位改变敏感的结构或亚单位，通过其构型的改变诱发通道的开、闭和离子跨膜流动的变化，把信号传到细胞内部。如电压门控的Na+、K+、Ca+等通道。（2）机械门控通道：体内许多细胞膜表面存在着能感受机械刺激引起开放并诱发离子流动的变化，把信号传递到细胞内部的通道。如动物内耳、侧线器官的毛细胞等。（3）化学门控通道：当膜外特定的化学信号与膜上的受体结合后通道就开放，因它的激活能直接引起跨膜离子流动。如神经肌肉接点上的N-型乙酰胆碱门控通道。,离子通道型受体主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。离子通道型受体又可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,（二）蛋白耦联受体介导的信号转导由G蛋白耦联受体介导的信号转导，是一个相当复杂的过程，至少与膜内3种特殊蛋白质：膜受体、G蛋白、G蛋白效应器和第二信使有关。（1）蛋白耦联受体：一条多肽链，7个跨膜区。当配体与受体特异结合受体构型改变激活蛋白信号传至下游信号分子。,（2）蛋白：是指与鸟苷酸结合蛋白的简称，有十多个亚型，但结构极为相似。可被受体与配体的结合而激活，通常有三个亚基组成，亚基在G蛋白激活以及信号转导中发挥着重要的作用。蛋白类型有兴奋型和抑制型的蛋白。（3）蛋白效应器：有两种，即催化生成第二信使的酶和离子通道。G蛋白调控的酶主要是位于细胞膜上的腺苷酸环化酶（AC）磷脂酶C等。G蛋白可直接或间接通过第二信使调控离子通道的活动。,（4）第二信使：第二信使是细胞外信号分子作用于细胞膜产生的细胞内信号分子，它调节各种蛋白激酶和离子通道。环-磷酸腺苷（cAMP）是第一个被证实也是很重要的第二信使物质。此外，第二信使物质还包括cGMP、IP3、DG、Ca2+等。（5）蛋白激酶：是指能催化蛋白质磷酸化的酶系统。蛋白激酶的作用是催化底物蛋白质磷酸化，产生生物学效应。,G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体。由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。,包括酪氨酸激酶受体和酪氨酸激酶耦联受体。胰岛素及一些细胞因子等配体与这种酪氨酸激酶受体结合后，导致受体二聚化，激活受体的酪氨酸蛋白激酶活性，随即启动多蛋白的级联反应将细胞外信号跨膜传递到胞内。其特点是：无G蛋白参与与第二信使物质无关无胞内蛋白激酶激活转导过程简单快捷,（三）酶耦联受体介导的跨膜信号转导,受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化,各类受体酪氨酸激酶,表皮细胞生长因子调控雌激素受体元件途径,在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必须有正的、负两种相辅相成的反馈机制进行精确控制，分子开关的作用举足轻重。,要点：,三、细胞的兴奋性和生物电现象,一、组织的兴奋性和兴奋（一）兴奋性、兴奋和可兴奋细胞1、兴奋性机体（活组织或细胞）对刺激发生反应的能力。或细胞受到刺激后产生动作电位的能力。,2、兴奋机体（活组织或细胞）由安静状态变为活动状态或活动加强过程。或机体产生动作电位的过程。3、可兴奋组织：神经、肌肉和腺体称为可兴奋组织，因为（1）它们兴奋性最高，很小刺激强度就可使它们兴奋。（2）在刺激后出现动作电位，并且可用肉眼或仪器观察到它们的反应。,（二）刺激与反应,1、刺激：能为机体（活组织或细胞）感受的环境变化或引起细胞发生反应的环境变化。2、反应：机体（活组织或细胞）受到刺激后功能活动状态的改变。分为：（1）兴奋：活动状态增强（2）抑制：活动状态减弱,（三）兴奋性指标-阈值,常用刺激强度作为兴奋性指标。刚能引起组织产生反应的最小刺激称阈刺激，其强度称阈强度，简称阈值。阈值大小和兴奋性成反比。强度小于和大于阈值的刺激分别称为阈下和阈上刺激,（四）组织兴奋时的兴奋性变化,1、兴奋性变化当组织，细胞受到一次刺激发生兴奋时该组织细胞的兴奋性会立即产生一系列有规律的变化：绝对不应期（ARP）-相对不应期（RRP）-超常期（SNP）-低常期。绝对不应期时兴奋性为零,神经、骨骼肌细胞生物电现象,活细胞无论处于安静或活动状态都存在电活动。称之生物电。细胞水平的生物电表现为:a，安静时的静息电位和b，受到刺激时可扩布的动作电位。生物电现象产生是细胞膜两侧带电离子不均匀分布和一定形式跨膜移动结果。,1、含义：细胞安静状态下（未受到刺激）的膜内外的电位差。2、特点：电位外高内低，若外为零，内为负值。有关术语：（1）极化：静息时胞膜内负外正状态称为膜的极化,（一）静息电位（膜电位）,（2）超极化：当膜的两侧极化加剧，即负值增大（3）去极化：当膜的两侧极化减弱，即负值减小（4）反极化（也称超射）：极化状态的翻转（由外正内负转变为内正外负），即动作电位上升支中零位线以上的部分（5）复极化：先发生去极化，后恢复到极化状态,细胞内K+浓度显著高于胞外，而且静息时细胞膜对K+通透性高，使得K+顺着浓度差向外扩散，带正电荷的K+的外流导致膜外电位升高，形成的电场阻碍K+向外扩散。当化学梯度的驱动力和电位梯度的阻力相等时，达到K+的平衡电位（没有K+的跨膜净移动），此时跨膜电位不再改变，就是静息电位。,产生机制,（二）动作电位,1、含义：可兴奋细胞受有效刺激，在静息电位基础上产生的一次快速、可逆的可扩布的电位变化过程，是兴奋的标志。2、特点：A、是个瞬时电位连续变化的过程（短暂）B、一旦产生，迅速向四周扩布，不衰减的传导。,C、全或无的（动作电位产生幅度与刺激强度无关，它的幅度等于Na+的平衡电位与静息电位绝对值之和）。D、脉冲式（不应期的存在，不能融合）。3、变化过程：在静息电位基础上爆发一次电位快速上升又快速下降的以及随后缓慢波动过程。它包括：（1）上升支（去极相）和下降支（复极相）（2）锋电位和后电位两种电位变化。,产生机制：当细胞受阈或阈上刺激时，膜上Na+通道被激活而开放，Na+顺浓度梯度和电位梯度瞬间大量内流，细胞内正电荷迅速增加，电位上升，膜内电位由负到0再到正，形成动作电位上升支（去极化期和反极化期），当膜内正电荷足以抵抗Na+内流，膜电位达到一个新的平衡点+30mv（即Na+的平衡电位）后Na+通道逐渐失活而关闭，K+通道逐被激活开放，使Na+内流停止，K+快速外流，胞内电位迅速下降，恢复到兴奋前负电位状态，为锋电位的下降支（复极化时期）。,（1）含义：AP一经产生可沿细胞膜传播。神经细胞上传导的AP也称神经冲动（2）本质：局部电流流动（兴奋部位与未兴奋部位之间产生的外向电流使未兴奋部位兴奋）（3）特点：不衰减（即不因传导距离增加而减弱）；安全及相对不疲劳。,兴奋（AP）的传导,兴奋在细胞间的传递兴奋在神经元间的传递-突触传递2.神经元和效应器之间的传递接头传递3.细胞之间的传递缝隙连接传递,（一）突触的含义：神经元之间相互接