生理学绪论第二章第三章前半部分

生理学,主讲：邢德刚大学城基础学院生理学教研室4室Tell.39352198Email第一章绪论第一节生理学概述,一、生理学及其任务生理学(physiology)是生物科学的一个分支,是研究生物体及其组成部分正常功能活动规律的一门科学,人体生理学（humanhysiology）,解剖学（Anatomy)正常形态学组织学(Histology)着重研究正常机体的结构和形态；病理学（Pathology)着重研究病态机体的结构和形态。,生理学则着重研究正常机体功能活动的规律，如血液循环、呼吸、消化、泌尿等。,任务：阐明机体及其各组成部分所表现的各种正常生命现象、活动规律及其产生机制；阐明环境变化对这些功能活动的影响和机体所进行的相应调节；揭示各种生理功能在整体生命活动中的意义。,二生理学和医学的关系祖国医学对人体功能的认识有两千多年的历史；古希腊、古巴比仑、古印度的古籍中也有许多关于人体功能的记载。Physiology真正成为实验科学开始于十七世纪初。英国医生WilliamHarvey进行动物的活体解剖和详细观察，于1628年出版了心与血的运动，标志着实验生理学的诞生。,WilliamHarvey通过动物的活体解剖和详细观察，首次证明：血液由心脏射入动脉，再由静脉流入心脏，终生不停，反复循环。由于当时对毛细血管缺乏认识，Harvey无法正确解释动-静脉间的微循环过程。十九世纪有显微镜后，这一问题才搞清楚。毕竟，Harvey是实验生理学的鼻祖。,生理学是现代医药学的基础,三、生理学的研究方法,急性实验(acuteexperiment),在体(invivo)实验离体(invitro)实验如：去大脑僵直如：骨骼肌实验装置图,慢性实验(chronicexperiment)在体与离体实验如研究动物的胃液分泌，采用假饲的实验方法,一器官和系统水平,从器官/系统水平上研究器官生理学-循环生理学消化生理学肾脏生理学,四、生理学研究的不同水平,二.细胞和分子水平:深入到细胞内部环境的稳态及其调节机制、细胞跨膜信息传递的机制、基因水平的功能调控机制等。,如：肌肉收缩生理特性生物大分子理化特性基因表达,三.整体水平的研究,以完整的机体为研究对象，观察和分析在各种环境条件和生理情况不同的器官、系统间的相互联系，相互协调，以及完整机体对环境变化发生各种反应的规律。,各系统互相联系、互相作用,环境(environment)1.外环境:机体整体直接接触和生活的环境。(外界、大气环境)2.内环境:细胞直接接触和生活的环境。,内环境（internalenvironment）,法国生理学家克劳伯特（ClaudeBernard；18131878）把细胞外液称为内环境。,细胞外液=组织液（3/4）+血浆（1/4）,内环境的作用：,1为细胞提供物质2接受细胞排出物3为细胞活动提供条件（稳态）,二内环境的稳态稳态的概念,1929年美国生理学家瓦尔特坎农（WalterCannon；18871945）首次提出了稳态（homeostasis）这一概念，专门用来描述内环境的各项物理、化学因素保持在相对稳定的状态。内环境稳态，是指在正常生理情况下内环境的各种理化指标只在很小的范围内发生变动，但并非是静止不变的。,稳态的维持和生理意义,内环境稳态的维护和保持是机体内各器官和系统共同参与和相互协调的结果。内环境稳态是机体正常生命活动的必要条件。稳态概念的扩展,第三节机体生理功能的调节,正常情况下，机体内环境保持相对稳定是由于各组织器官的功能，能随内、外环境的变化做相应而及时的调节。当内、外环境发生改变时，机体各种功能活动发生相应变化的过程叫生理功能的调节(regulation)。它包括：神经调节，体液调节，自身调节,1、神经调节神经系统活动基本过程是反射踩钉缩腿,一、生理功能的调节方式,反射结构基础：反射弧感受器效应器传出神经特点：较迅速、精确,反射：在中枢神经系统参与下，机体对内外环境变化产生规律性应答。,神经中枢,传入神经,2、体液调节,概念：通过体液中化学物质实现的调节功能活动的方式。激素受体靶细胞类型：1全身性体液调节2局部性体液调节（神经-体液调节）特点：缓慢、持久、弥散,3、自身调节,概念：环境变化时，器官、组织、细胞不依赖神经或体液调节而产生的适应性反应。特点：调节幅度小，不灵敏，局限,二体内的控制系统非自动控制系统开环系统,控制部分不受受控部分的影响单向控制刺激控制部分受控部分反应,1、反馈控制系统闭环系统,控制部分受受控部分的影响双向控制控制部分受控部分负反馈:反馈信息减弱控制部分活动的过程。意义在于维持稳态例：血压、体温调节，肌肉运动及激素分泌调节等正反馈:反馈信息增强控制部分活动的过程，意义在于加强活动。例：排尿，排便，血液凝固，分娩活动，细胞膜去极化时的钠内流等。,2、前馈控制系统,食物外观唾液分泌寒冷预报散热减少,第二章细胞的基本功能,第一节细胞膜的物质转动功能,细胞膜,通常把细胞最外层的结构称为细胞膜（cellmembrane），又称质膜（plasmamembrane）。由于细胞膜对物质具有选择性通透作用或半通透作用，细胞膜又称半透膜。,一、细胞膜的分子结构液态镶嵌模型学说：细胞膜是以液态脂质双分子层为基架，不同结构和功能的蛋白质镶嵌其中，糖类分子与脂质、蛋白结合后附在膜的表面。,脂质双分子层胆固醇70%亲水的磷酸和碱基朝向C内外。疏水的烃基朝向膜中间。,细胞膜的蛋白质,根据其功能分类1.酶蛋白2.转运蛋白：包括通道、载体、离子泵3.受体蛋白根据其在膜上的存在形式分类1.表面蛋白：位于膜表面2.整合蛋白：以其肽链一次或反复多次穿越膜的脂质双层,整合蛋白质,表面蛋白质,细胞膜蛋白质,细胞膜上的糖类物质,细胞膜上的糖类与膜蛋白和膜脂结合，分别生成糖蛋白或糖脂。结合于糖蛋白或糖脂上的糖链仅存在于细胞膜上的外侧，通常具有受体或抗原的功能。,细胞膜的糖类,糖类,细胞膜化学组成及意义,脂质双分子层：屏障作用保持细胞内容物的相对稳定细胞膜蛋白质：膜通道蛋白，载体蛋白，酶细胞内外物质、能量、信息交换。细胞膜糖类：糖蛋白，糖脂作为膜蛋白受体识别部分参与免疫反应,细胞膜的功能：、保护：屏障作用。、转运：载体、通道、离子泵。、识别：膜外侧的糖链。、信息传递：受体化学信息。通道生物电信息。,二细胞膜物质的转运功能,细胞的跨膜物质转运功能,细胞具有的通过细胞膜使物质进出细胞内外的功能，称为细胞的跨膜物质转运功能。细胞的跨膜物质转运功能是细胞的基本功能之一，对于进行细胞的新陈代谢，对于完成细胞其它的各种正常功能是必不可少的。,细胞膜转运的物质,1）小分子物质：,H2O,无机盐：Na+、K+、Cl-、Ca2+等,有机物：G、aa等,2）大分子物质：如酶、激素、吞噬的细菌等。,1.单纯扩散(simplediffusion)(1)概念:指物质从质膜的高浓度一侧通过脂质分子间隙向低浓度一侧进行的跨膜扩散。,单纯扩散(simplediffusion),2.单纯扩散的条件(1)浓度梯度（电-化学梯度）(2)膜通透性(3)脂溶性物质O2CO2N2NH3乙醇尿素,单纯扩散的特点(1)不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”(2)顺浓度梯度（电-化学梯度）(3)物质转运方向是由高到低(4)结果是物质在膜两侧浓度平衡,（2）.易化扩散(facilitateddiffusion)概念:在膜蛋白的帮助下，一些非脂溶性的小分子物质或带电离子,顺浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运的过程。,特点(1)顺电化学梯度，不耗能(2)膜蛋白对转运的物质具有选择性（膜蛋白分子本身有结构特异性）(3)膜通透性可变,类型(1)经通道易化扩散(2)经载体易化扩散,1.经通道的易化扩散,离子通道(ionchannel),为一类镶嵌与膜上的蛋白质，其中间有孔允许相应的水化离子通过。有静息、激活和失活三种状态。主要转运离子，如K+、Na+等。,经通道的易化扩散,转运的物质:各种带电离子,离子通道的特性,(1)离子的选择性：即每种通道只允许一种或几种离子通过，而其他离子则不易通过或完全不能通过Na+通道，K+通道，Cl-通道,Ca+2通道(2)门控性：即通道的开放或关闭由通道结构中的一个或两个闸门控制，由闸门控制通道开或关的过程称过门控化学门控：膜外侧化学信号控制电压门控：膜两侧电位差控制机械门控：机械变化控制,：A.化学门控通道B.电压门控通道C.机械门控通道,2经载体易化扩散,载体（carrier)与葡萄糖和某些氨基酸等物质易化扩散有关的膜蛋白质，不具有离子通道那样的结构。,1经载体的易化扩散,转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子亲水物质,特点:结构特异性饱和现象竞争性抑制,顺浓度差的转运,单纯扩散与易化扩散转运物质时，动力来自膜两侧的浓度差或电位差所含的势能，不需要细胞代谢提供能量，故称为被动转运。膜两侧的浓度差与电位差合称为电-化学梯度，被动转运是顺电电-化学梯度进行的。,主动转运：某些物质在细胞膜特异载体蛋白的携带下，逆浓度或电化学梯度所进行的转运,原发性主动转运,离子泵利用分解ATP产生的能量将离子逆浓度梯度和/或电位梯度进行跨膜转运的过程，称为原发性主动转运(primaryactivetransport）。,离子泵(ionpump),离子泵因具有ATP酶活性,可将ATP为水解ADP,释放的能量用于离子逆浓度和/或电位梯度转运，故称离子泵，又称ATP酶。体内主要的离子泵种类:1.钠-钾泵(Na+,K+-ATP酶)2.钙泵(Ca2+-ATP酶)3.氢-钾泵(H+,K+-ATP酶)、氢泵(H+-ATP酶),钠-钾泵（sodium-potassiumpump）,钠-钾泵是哺乳动物细胞膜上普遍存在的一种离子泵，简称钠泵。每分解一分子ATP可将3个Na移出胞外，同时将2个K移入胞内。作用是维持细胞内外Na+、K+的正常浓度分布，从而保证细胞的正常生理功能。抑制剂为哇巴因（ouabain）,维持Na+o高、K+i高原先的不均匀分布状态,2K+泵至细胞内;3Na+泵至细胞外,分解ATP产生能量,当Na+i/K+o激活,钠-钾泵:,通道转运与钠-钾泵转运模式图,继发性主动转运,驱动力并不直接来自ATP的分解，而来自原发性主动转运所形成的离子浓度梯度而进行的物质逆浓度梯度和/或电位梯度的跨膜转运方式，称为继发性主动转运（secondaryactivetransport)。继发性主动转运在体内广泛存在同向转运反向转运,同向转运,四.膜泡运输出胞:指细胞把成块的内容物由细胞内排出的过程。,入胞:指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过程，包括吞噬和吞饮。,分泌物排出,融合处出现裂口,囊泡向质膜内侧移动,膜性结构包被=分泌囊泡,高尔基复合体,粗面内质网合成蛋白性分泌物,出胞：,囊泡膜与质膜的某点接触并融合,囊泡的膜成为细胞膜的组成部分,出胞：,细胞膜上的受体对物质的“辨认”,发生特异性结合=复合物,复合物向膜表面的“有被小窝”移动,“有被小窝”处的膜凹陷,凹陷膜与细胞膜断离=吞食泡,吞食泡与胞内体的膜性结构相融合,入胞:,入胞:,小结,物质跨膜转运方式分类,一、单纯扩散二、膜蛋白介导的跨膜转运1.通道介导的跨膜转运（经通道易化扩散）被动转运2.载体介导的跨膜转运易化扩散经载体易化扩散小分子物质转运原发性主动转运主动转运继发性主动转动三、出胞和入胞大分子物质或物质团块转运,第二节细胞的信号转导了解,来自细胞外的信号作用于靶细胞的受体，在细胞内引起一系列的生物化学或生物物理学过程,最终导致靶细胞相应的生物学功能的变化，这一过程称为信号转导（signaltransduction)或跨膜信号转导（transmembranesignaltransduction)。,几种主要的跨膜信号转导方式,离子通道型受体介导的信号转导G蛋白耦联受体介导的信号转导酶联型受体介导的信号转导,离子通道型受体介导的信号转导过程,神经递质、电信号、机械信号离子通道型受体通道蛋白激活（通道开放）相应离子易化扩散跨膜电位的变化细胞生物学功能改变,G蛋白耦联受体介导的信号转导过程,肽类激素和神经递质（第一信使）G蛋白耦联受体激活G蛋白激活G蛋白效应器改变第二信使浓度依赖第二信使的酶或通道被激活或被抑制细胞生物学功能改变,酶联型受体介导的信号转导过程,生长因子、细胞因子、某些肽类激素、心房钠尿肽、NO酶联型受体细胞生物学功能改变,第三章人体的基本生理功能,概述恩格斯在100多年前就指出：“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变化”。人体及生物体活细胞在安静和活动时都存在电活动,组织细胞在安静或者活动时膜两侧具有的电变化称为生物电现象（bioelectricity）。包括静息电位和动作电位。,第三节细胞的活动,（一）、细胞的静息电位及其产生机制,1静息电位(restingpotential)在静息状态下，存在于细胞膜内外两侧的电位差（膜内为负，膜外为正）。,1.神经纤维细胞-70mV2.骨骼肌细胞-90mV3.红细胞-10mV4平滑肌细胞-55mV,RP实验现象：,与RP相关的概念：膜电位:因电位差存在于膜的两侧所以又称为膜电位（membranepotential）。,极化安静时,膜两侧电位外正内负超极化膜两侧电位差加大,膜内负值增大去极化膜两侧电位差减小,膜内负值变小复极化去极化后，膜内电位向负值逐渐变大，恢复到静息电位状态反极化膜两侧电位发生倒转,膜外为负,膜内为正,RP的产生需满足二个条件：安静时C内外离子分布不均：C内K+、P-多，C外Na+、Ca+、Cl-多。安静时C膜对K+的通透性,膜内带负电的蛋白质有随K+外流的倾向，但不能出膜，形成与K+隔膜相吸的极化状态。,2.静息电位形成的机制,(2)静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性通透性：K+Cl-Na+A-,膜内外K浓度比约301(动力),安静时K通道开放(通透性)膜内带负电的蛋白质有随K+外流的倾向，但不能出膜，形成与K+隔膜相吸的极化状态。,电位差（阻力）,K+平衡电位,=,静息电位产生机制：,浓度差（动力）,静息电位,（二）细胞的动作电位在静息电位基础上,给细胞施加刺激时,发现受刺激处细胞膜内电位迅速升高,超过零直到达到+30mV,尔后膜电位又迅速下降,恢复到静电位水平.动作电位(actionpotentialAP).概念：在可兴奋性细胞在静息电位基础上受到刺激时，出现快速、可逆、可传播的细胞膜两侧的电位变化，即膜快速去极化后又复极化称为动作电位。,1.AP实验现象：,（二）动作电位组成上升支下降支去极化后电位(负后电位)超极化后电位(正后电位),锋电位,后电位,+35,0,-55,-70,时间（ms）,超射,阈电位,去极化后电位,超极化后电位,AP模式图,mv,1.AP产生的基本条件:膜内外存在Na+差:Na+iNa+O101；膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：即电压门控性Na+、K+通道激活而开放。,动作电位的产生离子机制,膜内外Na+浓度比约112(动力),受刺激时Na+通道开放(通透性),电位差（阻力）,=,（二）动作电位的产生机制,1、电化学驱动力（去极化）：细胞受刺激时Na+通道开放，Na+快速内流（内正外负）。,Na+内流,浓度差（动力）,Na+平衡电位,动作电位,2）复极化：细胞去极化至一定程度Na+通道关闭，K+通道开放，在细胞内外【K+】的作用下K+外流，形成复极化。,3）后电位：钠泵排钠摄钾形成微小的电位波动。,NF受刺激膜去极化部分电压门控Na+通道开放（激活）Na+顺电化学梯度入C膜进一步去极化（阈电位）大量Na+通道开放形成AP上升支（去极相）达到Na+平衡电位，膜电位内正外负（动力：电位差，浓度差；阻力：电位差）Na+通道失活膜对K+通道开放膜内K+顺电化学梯度向外扩散膜内电位变负AP下降支（复极期）K+平衡电位Na+通道恢复（复活）。,膜上电压门控Na+通道快速大量开放的原因,Na+再生性循环(正反馈)阈强度刺激膜去极化达阈电位一定数量Na+通道开放Na+内流膜进一步去极化大量的Na+通道开放（Na+通道的激活）,+,结论：AP的上升支由Na内流形成，下降支是K外流形成的，后电位是NaK泵活动引起的。AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（NaK泵的活动）。AP=Na的平衡电位。,动作电位的特征：具有“全或无”的现象是不衰减式传导的电位具有不应期:和离子通道功能状态有关(备用-激活-失活),Na+通道特性,(1)Na+通道的开放是电压门控性的静息电位关闭膜超极化关闭膜去极化开放(膜去极化达阈电位大量开放)(2)Na+通道的开放(激活)与关闭(失活)快速性(3)Na+通道的三种状态：备用、激活、失活,细胞发生动作电位期间兴奋性的周期性变化,绝对不应期在兴奋发生的最初阶段，给任何强度的刺激，均不能引起再次兴奋。兴奋性为零相对不应期在绝对不应期后，给予阈上刺激才能引起兴奋。兴奋性低于正常超常期在相对不应期后，刺激强度低于阈值就能引起兴奋。兴奋性高于正常低常期在超常期后兴奋性低于正常,兴奋在同一细胞上的传导传导机制：局部电流电流,兴奋在神经纤维传导方式：,无髓鞘N纤维为近距离局部电流,有髓鞘N纤维为远距离(跳跃式)局部电流,阈电位（thresholdmembranepotential)膜去极化到达爆发动作电位的临界膜电位。阈电位的特性：引起膜上电压门控性Na+通道大量开放。引起锋电位的条件：膜去极化达到阈电位。,（1）阈刺激是产生Ap的必须条件,可兴奋组织（Rp）阈电位Ap,（2）阈强度为衡量组织兴奋性高低的指标，与兴奋性大小成反比。,动作电位产生机制,阈电位比静息电位小10mV20mV细胞兴奋的高低与二者差值呈反变关系：差值大，兴奋性低。,细胞的局部电位,概念：细胞受剌激后在细胞膜局部出现的较小的去极化电位变化，称为局部电位,特点：电位幅度小且呈衰减性扩布。非全或无式。总和效应：时间性和空间性总和。,兴奋和兴奋性,近代生理学术语中，兴奋（excitation）是指细胞受剌激后产生动作电位的过程。兴奋性（excitability）是指细胞受剌激后产生动作电位的能力。兴奋性是生命活动的基本特征之一。,可兴奋细胞,神经细胞肌细胞腺细胞,刺激的定义,刺激（stimulation）是指细胞所处的内、外环境发生的变化。后者包括任何能量形式的理化因素的改变。反映刺激量的三个参数（刺激三要素）：强度、时间、强度对时间变化率在电生理学实验中，通常以电刺激作为刺激的条件。,阈强度、阈剌激与阈下剌激,能引起细胞发生兴奋的最小剌激强度，称为阈强度（thresholdintensity），或称剌激的阈值（threshold）。相当于阈强度的剌激，称为阈剌激（thresholdstimulus）。低于阈强度的剌激称为阈下剌激；高于阈强度的剌激称为阈上剌激。,阈下刺激,阈刺激,兴奋性与刺激强度的关系,1兴奋性=阈强度,第四节肌细胞的收缩功能,1.神经冲动如何引起肌细胞的兴奋？2.肌细胞的兴奋如何引起肌肉收缩？,一、神经-肌肉接头处的兴奋传递（一）神经-肌肉接头的基本结构神经未梢囊泡接头间隙细胞外液终板N-型Ach受体(Ach门控性通道),N-M接头结构接头前膜接头间隙接头后膜终板膜。,接头间隙,结构特征:1在轴突未梢的轴浆中,有丰富的线粒体和内含乙酰胆碱的囊胞2终板膜形成很多皱褶，前后膜接触面积增加终板膜上有型胆碱能受体终板膜上有胆碱脂酶，可水解h,2.N-M接头处的兴奋传递过程,当神经冲动传到轴突末,膜Ca2通道开放，膜外Ca2向膜内流动,接头前膜内囊泡中ACh释放,ACh与终板膜上的受体结合,终板膜对Na、K(尤其是Na)通透性,终板膜去极化终板电位（EPP）,EPP电紧张性扩布至肌膜,去极化达到阈电位,爆发肌细胞膜动作电位,（二）骨骼肌的收缩活动,肌节,暗带和明带中央各有一条横向的线，分别称为M线和Z线。肌原纤维内两个相邻Z线之间的区域称为肌节。肌节为肌肉收缩与舒张的基本单位。,1肌丝的分子组成,（1）粗肌丝（myosin）：直径10-15nm,长约1.5um,主要成分是肌球蛋白,一条粗肌丝约由200-300个肌球蛋白分子组成.肌凝蛋白组成杆+头（横桥crossbridge)，呈豆芽形与杆垂直伸出杆外，各横桥间夹角60，间距14.3nm，每一平面一周上只有二个横桥（相隔180）。每条粗肌丝周围有六条细肌丝可与横桥接触。,横桥特点:与细肌丝可逆结合，拖动细肌丝向M线滑行具ATP酶活性，分解ATP供能,2细肌丝的分子结构(1)肌纤蛋白（肌动蛋白）：细肌丝的主干,存在与粗肌丝结合的位点(2)原肌凝蛋白：阻挡和遮盖结合位点(3)肌钙蛋白：与Ca2+结合,2骨骼肌细胞的收缩机制（）细胞内Ca离子增加（）原肌球蛋白分子构象变化（）横桥与肌纤蛋白结合、扭动、解离及再结合，如此反复细肌丝向暗带中央移动肌小节缩短肌肉收缩。（）肌浆中Ca离子增加，激活钙泵，肌质网把Ca+泵回网腔肌浆内Ca+Ca+与肌钙蛋白解离原肌凝蛋白恢复原先构型肌纤蛋白上的结合点被掩盖横桥不能扭动细肌丝恢复原状肌肉舒张。,按任意键飞入横桥摆动动画,运动神经冲动传至末梢N末梢对Ca2+通透性增加Ca2+内流入N末梢内接头前膜内囊泡向前膜移动、融合、破裂ACh释放入接头间隙ACh与终板膜受体结合受体构型改变终板膜对Na+、K+(尤其Na+)的通透性增加产生终板电位(EPP)EPP引起肌膜AP,肌膜AP沿横管膜传至三联管终池膜上的钙通道开放终池内Ca2+进入肌浆Ca2+与肌钙蛋白结合引起肌钙蛋白的构型改变原肌凝蛋白发生位移暴露出细肌丝上与横桥结合位点横桥与结合位点结合激活ATP酶作用,分解ATP横桥摆动牵拉细肌丝朝肌节中央滑行肌节缩短=肌细胞收缩,小结：骨骼肌收缩全过程,1.兴奋传递2.兴奋-收缩（肌丝滑行）耦联,（三）骨骼肌的兴奋-收缩耦连,兴奋收缩耦联（excitation-contractioncoupling）以肌膜的电变化为特征的兴奋过程和以肌丝滑行为基础的收缩过程之间的中介过程称。,兴奋-收缩耦联三个主要步骤：横管系