细胞生物电和肌肉收缩

第三节细胞的电活动能放电的鱼18世纪中期，人们在非洲与南美等地的热带河流中，曾发现一种很怪的鱼，当你用手去抓它时，它能以一种类似“电击”的方式自卫，它所释放的电量能够轻易地把周围的鱼虾等小动物击毙，有时还会击毙比它大的动物。更有趣的是，这种鱼可用来给莱顿瓶充电。后来人们把这种鱼称为“电鳗”。电鳗的电击现象引起了意大利生物

学家LuigiGalvani的关注1780年，他发现雷电使蛙腿肌肉发生抽搐。1786年9月20日，他用莱顿瓶放电来刺激青蛙的大腿肌肉，发现同样能使肌肉抽搐。他认为，这可能是由于蛙腿肌肉本身含有一种像电鳗那样的“生物电”与莱顿瓶的放电相互感应的结果。伽伐尼把他的实验告诉了他的朋友、物理学家Volta，Volta认为，这并不是因为动物体内含有“生物电”的原因，而是在于两种导体接触的结果。经过争论，Galvani初步从实验上证实了“动物电”的存在，而Volta则发明了伏打电池。GalvaniVolta跨膜静息电位受刺激后的动作电位

一切活细胞无论处于安静或活动状态都存在电的活动，这种电的活动称为生物电。生物电表现为一静息电位

（RestingPotential，RP）

细胞内微电极记录Thevaluefortherestingmembranepotential骨骼肌:-90mv心肌:-90mv神经:-70mv平滑肌:-55mv红细胞:-10mv静息电位+++++++++++-----------+++++++++++-----------

细胞膜在安静状态下存在于膜内外间的电位差

内负外正神经、骨骼肌、心肌：-70～-90mV

成分细胞内液(mEq/L)细胞外液(mEq/L)阳离子Na+12145K+1554.5Ca2+52Mg2+272阴离子Cl-25114HPO42--802HCO3-10301、细胞膜内外存在离子浓度差：膜内K+高，膜外Na+高

2、细胞膜在不同情况下对各种离子通透性不同，安静时对K+

通透性大静息电位产生的机制Na+Cl-OrganicanionsK+Na+Cl-OrganicAnionsK+

电化学梯度是电荷和化学梯度的综合，二者决进行易化扩散的离子的流向。静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀

膜内：膜外：主要离子分布：安静状态时膜对K+具有通透性

IfK+channelsareopen

静息电位的产生机制安静状态：

膜内K+浓度高、膜对K+的通透性大→K+顺浓度差外流(阴离子不能通过细胞膜)→膜外电位↑、膜内电位↓(内负外正)→随着K+外流增多→膜内外电位差↑→K+外流阻力↑→K+外流的阻力(电位差)和动力（浓度差）相等→膜电位稳定于某一数值(K+平衡电位)。+K+K+K+外流形成K+平衡电位神经纤维电势能30K+1K+++++++++P-浓差势能K+的平衡电位

(equilibriumpotential)R-气体常数；T-绝对温度；Z-离子价；F-法拉第常数Ek=60log[K+]o[K+]i(mV)Nernst公式：证明：

1、Nernst公式计算Ek，理论值-87mV，实际值-77mV

2、改变细胞外液中的K+浓度，RP变化与Nernst公式预期的理论值相似

神经纤维静息电位值接近EK，但EK计算值比静息电位测定值偏负，主要是静息时有少量Na+内移，部分抵消K+外移造成的膜内负电位膜在静息时对Na+也有极小的通透性（横纹肌大约只有K+通透性的1/50～1/100），即使小量的Na+逸入膜内也会抵消一部分K+外移造成的膜内负电位。平滑肌大约是K+通透性的1/7～1/10,其静息电位是-55mv.CurrentsduringrestingmembranepotentialK+outwardcurrentismuchstrongerthanNa+inwardcurrent.LotsofK+channelsareopen,fewNa+channelsareopenatrest.Na+-K+泵的生电作用使膜内电位负值增大(2~16mV),影响<5%.3.静息电位的影响因素：①细胞外K+浓度的改变；②膜对K+和Na+的相对通透性;

③钠-钾泵活动的水平。RP形成机制小结：细胞膜内外的离子分布不均：Na+-K+泵细胞膜对离子的通透有选择性：对K+通透性大K+由细胞内向细胞外扩散，达电化学梯度平衡时，产生静息电位

Na+-K+泵的活动维持了静息电位的稳定细胞膜在静息情况下，对下列哪种离子的通透性最大A．Na+B

K+C．Cl-D．Ca2+E．Mg2+

指细胞在静息电位基础上受到有效刺激后产生一次快速可向远处传播的膜的电位变化，称为～。

二动作电位(actionpotential,AP)

膜内外两侧电位维持内负外正的稳定状态——极化

膜内负电位减小甚至由负转正——去极化如先去极化，再向静息电位水平恢复——复极化膜内负电位增大——超极化常用术语去极化：

细胞受刺激时，膜内电位短时内由-90mV上升到＋30mV，构成动作电位曲线的上升支。其中，超过零电位至去极相顶端的电位数值称为超射值。0mv+30mv-90mv动作电位的形成机制Na+的平衡电位去极化

细胞受到有效刺激→Na+通道开放→Na+顺电-化学梯度内流→膜外电位↓、膜内电位↑(去极化)→阈电位→内负外正变成内正外负→电位差成为Na+内流阻力→对抗Na+内流→Na+内流的动力(浓度差)与阻力(电位差)相等→Na+的平衡电位。去极化的形成机制：

刺激↓激活快Na+通道↓Na+内流↓Na+平衡电位（0期）Na+通道：-70mV激活，持续1-２ms，特异性强(只对Na+通透)。按任意键显示动画2动作电位去极相和复极相的初期，电位变化迅速，曲线形如尖锋，故称锋电位。它是动作电位的主要部分，被认为是动作电位的同义语。复极化：

去极相结束时膜内电位迅速下降并向静息水平恢复，构成了动作电位曲线的下降支。复极化：Na+通道失活+K+通道激活↓K+外流↓复极化超极化：

钠钾泵的不对称转运重新建立膜内外静息状态下Na+和K+的浓度差。细胞受刺激钠通道激活产生局部电流，总和达阈电位钠通道大量激活，Na+内流膜内负电位减小到零并变为正电位，直至Na+平衡电位Na+通道关闭，K+通道激活，

K+外流，恢复静息电位水平生电性钠泵激活，产生超极化动作电位产生过程小结：AP的产生机制AP上升支AP下降支动作电位的特征“全或无”不衰减传导脉冲式发放(不能总和)动作电位的特点是A.相对于突触传递易疲劳B.易受内环境因素影响C.衰减性D.非"全或无"式E不能总和证实动作电位产生机制的依据动作电位超射值与经Nernst公式计算所得Na+的平衡电位数值相近。改变细胞外液中Na+浓度，动作电位幅度随之改变。动作电位对Na+的依赖性19391963动作电位对Na+的依赖性1在正常海水中2在低Na+海水中3正常海水冲洗后证实动作电位产生机制的依据采用Na+通道特异性阻断剂河豚毒等后，动作电位不再产生。用可膜片钳观察到动作电位与Na+通道开放高度相关。利用电压钳技术记录的枪乌贼大神经轴突的膜电流及其离子成分的分析Ａ：钳制电压Ｂ：记录的内向电流和外向电流Ｃ：河豚毒(TTX)阻断了Na+内向电流Ｄ：四乙铵(TEA)阻断了K+外向电流(引自Kuffler等,1984)PatchclampPatch-clampset-up/Brain+anatomy,+neuron+structure+and+function膜电导变化的实质是离子通道的开放和关闭Singlechannelcurrent16静息激活失活通道功能状态的改变是细胞兴奋性发生变化的基础16静息延迟激活通道功能状态的改变是细胞兴奋性发生变化的基础神经细胞动作电位的幅度接近于A．钾平衡电位B钠平衡电位C．静息电位绝对值与局部电位之和D．静息电位绝对值与钠平衡电位之差E．静息电位绝对值与钠平衡电位之和在神经纤维动作电位的去极相，通透性最大的离子是A

Na+B．K+C．Cl-D．Ca2+E．Mg2+*阈刺激（阈强度、阈值）♦概念：能引起可兴奋细胞产生动作电位的最小刺激强度。

阈强度(thresholdintensity)：又称阈值。

能引起组织兴奋的最小刺激强度。使膜的静息电位去极化达到阈电位的最小刺激强度。细胞兴奋性的高低取决于A.不应期长短B阈值的大小C.刺激频率D.刺激波宽E.刺激时间(四)动作电位的传播1.无髓纤维:局部电流无髓鞘神经纤维动作电位传导2.有髓纤维：跳跃式传导

(saltatoryconduction)

局部电流发生在相邻的郎飞氏结之间。传导速度快。有髓神经纤维动作电位传导：跳跃式传导有髓神经纤维动作电位的传播特点

A.非全或无现象

B.电紧张性传播

C.传播不发生叠加

D跳跃式传导

E.不可远传2.动作电位如何从一个细胞传导到另一个细胞？连接蛋白（connexin）亲水性通道，低电阻区，双向意义：快速同步化活动(五)兴奋性及其变化(excitability)：可兴奋细胞接受刺激产生动作电位的能力或特性。兴奋(excitation)：细胞产生了动作电位。可兴奋细胞（excitablecell）：生理学将神经细胞、肌细胞和部分腺细胞，称为可兴奋细胞。细胞兴奋后兴奋性变化

:

1.绝对不应期(absoluterefractoryperiod，ARP）

细胞膜上的Na+通道处于失活状态，兴奋性降低到零。组织兴奋后兴奋性的变化：2.相对不应期（relativerefractoryperiod），RRP）Na+通道开始逐渐复活：但处于静息状态的Na+通道数目及其开放能力尚未恢复到正常水平，兴奋性低于正常。

组织兴奋后兴奋性的变化：组织兴奋后兴奋性的变化：233．超常期（supranormalperiod，SP）此时Na+通道基本恢复到静息状态，但由于膜电位与阈电位的差距小，兴奋性高于正常。组织兴奋后兴奋性的变化：234．低常期（subnormalperiod）虽然此时Na+通道已完全恢复到静息状态，但由于膜电位与阈电位的差距大，兴奋性低于正常。分期 兴奋性原因持续时间绝对不应期０ 钠通道均失活0--60mV相对不应期＜正常少数钠通道复活-60--80mV超常期 ＞正常多数钠通道复活-80--90mV低常期 ＜正常超极化＞-90mV兴奋性变化分期三电紧张电位和局部电位局部兴奋(localpotential)有去极化和超极化两种类型

1、不是“全或无”

2、电紧张性扩布：不可远距离传导3、总和现象：时间性总和、空间性总和NosummationTemporalsummationSpatialsummation局部反应与AP的区别区别局部反应AP刺激强度阈下刺激阈或阈上刺激钠通道开放数少多膜电位变化幅度小大全或无特点无有总和现象有无传播特点电紧张扩布不衰减扩布第四节肌细胞的收缩SkeletalmuscleCardiacmuscleSmoothmuscle第一节骨骼肌神经-肌接头处兴奋的传递一、神经-肌接头的结构neuromuscularjunctionsprejunctionalmembranepostjunctionalmembranejunctionalcleft(接头间隙)motorendplate(运动终板)vesicle(囊泡)acetylcholine(ACh，乙酰胆碱)acetylcholinesterase(胆碱酯酶)N2AChreceptors二、神经-肌接头处的兴奋传递

动作电位到达神经末梢钙通道开放Ca2+进入轴突末梢囊泡通过出胞作用将ACh释放到接头间隙ACh与受体结合引起化学门控钠通道开放Na+内流形成终板电位总和达阈电位爆发动作电位神经-肌接头处兴奋传递的特征：

一对一兴奋传递

每一次神经冲动到达时释放的ACh量，超过引起肌细胞动作电位所需量的3～4倍。每次神经冲动所释放的ACh在它引起一次肌肉兴奋后迅速被终板膜上的胆碱酯酶破坏而终止作用，使下次神经冲动的效应不受影响。MoreaboutNeuromuscularjunctions

量子式释放(quantalrelease)

Ca2+进入轴突末梢的量决定释放ACh的囊泡数目终板电位(endplatepotential)三、影响神经-肌接头传递的-因素影响ACh释放的因素：细胞外液低Ca2+→ACh释放↓影响ACh与受体结合的因素：美洲箭毒、-银环蛇毒、肌肉松弛药胆碱酯酶抑制剂：有机磷农药、新斯的明终板膜上ACh门控通道的表达及其功能异常：重症肌无力神经-肌肉接头处的化学递质是A．肾上腺素B．去甲肾上腺素C乙酰胆碱D．5-羟色胺E．γ-氨基丁酸运动神经兴奋时，何种离子进人轴突末梢的量与囊泡释放量呈正交关系

ACa2+B.Mg2+C.Na+D.K+E.Cl-在神经骨骼肌接头处，消除乙酰胆碱的酶是A．腺苷酸环化酶B．ATP酶C胆碱脂酶D．单胺氧化酶E．Na+-K+依赖式ATP酶肌细胞的动作电位与收缩之间的联系起来的过程。关键因子：Ca2+四横纹肌细胞的兴奋-收缩耦联递质囊泡（Ach）③运动终板膜肌小节②接头间隙①接头前膜三、骨骼肌的兴奋－收缩耦联

Excitation-contractioncoupling肌细胞的动作电位与收缩之间的联系起来的过程。三联管结构(triad)：兴奋-收缩耦联的结构基础。（一）肌管系统(sarcotubularsystem)横管(transversetubule)或T管(Ttubule)：将肌细胞膜其他部位传来的动作电位传导到肌细胞深部，有L型Ca2+通道。纵管(longitudinaltubule)或L管(Ltubule)：即肌质网(sarcoplasmicreticulum,SR)，相当于内质网。连接肌质网(junctionalSR,JSR)：又称终池(terminalcisterna)，内有大量Ca2+结合蛋白(主要是钙扣压素)，可增加JSR内Ca2+贮存量。膜上有钙释放通道(calciumrealeasechannel),又称ryanodine受体(ryanodinereceptor)。

第三节骨骼肌的收缩和舒张

每条肌原纤维的全长呈规则的明、暗带交替排列。

暗带的长度比较固定，中央有一狭窄的较透明的H带，H带正中有一条M线。明带的长度可变，中央有一条暗线即Z线。一、肌节和肌原纤维肌节与肌丝

（Sarcomereandfilament)

肌节：相邻两Z线之间的区域，是肌肉收缩和舒张的最基本单位。在体骨骼肌安静时肌节长度约2.0～2.2μm。肌原纤维由粗、细肌丝按一定规律排列而成。暗带中含有粗肌丝（thickfilament)，其长度与暗带相同，M线起着固定成束粗肌丝的作用。

细肌丝(thickfilament)由Z线向两侧明带伸出，并伸入暗带，与粗肌丝规则地交错对插。骨骼肌收缩和舒张的基本功能单位是A.肌原纤维B肌小节C.肌纤维D.粗肌丝E.细肌丝RestinglengthSlidingfilamenttheoryofcontractionThickandthinfilament二、骨骼肌收缩机制——肌丝滑行理论

（一）肌丝的分子组成1.粗肌丝(thickfilament)

肌球蛋白(肌凝蛋白，myosin)组成

横桥(crossbridge)：1.可逆性与细肌丝结合，拖动细肌丝滑行；2.具有ATP酶活性。2.细肌丝(thinfilament)

三种蛋白质组成：肌动蛋白(肌纤蛋白，actin)、原肌球蛋白(原肌凝蛋白，tropomyosin)和肌钙蛋白(原宁蛋白，troponin）肌钙蛋白(troponin)球形分子，3个亚单位构成：TnT，TnI和TnCＡ：静息时，TnT和TnI分别与原肌球蛋白和肌动蛋白相连，遮盖两者结合位点。胞质中Ca2+浓度升高时，TnC与Ca2+结合，肌钙蛋白构象变化，暴露出结合位点，原肌球蛋白和肌动蛋白结合（图中移除了横桥）。Ｂ：显示肌动蛋白的结合位点暴露后横桥与肌动蛋白的结合Relaxedstate肌钙蛋白(troponin)胞质中Ca2+浓度升高时，TnC与Ca2+结合，肌钙蛋白构象变化，暴露出结合位点，原肌球蛋白和肌动蛋白结合。收缩蛋白调节蛋白肌凝蛋白

肌动蛋白

原肌凝蛋白

肌钙蛋白（二）肌丝滑行过程

肌浆中Ca2+浓度↑→Ca2+与肌钙蛋白结合→肌钙蛋白构型变化→原肌凝蛋白构型变化→肌动蛋白上活性位点暴露→横桥与肌动蛋白结合→横桥ATP酶激活→分解ATP放出能量→横桥头部摆动并拖动细肌丝→肌丝滑行(肌肉收缩)。（二）兴奋收缩耦联的基本过程-肌肉收缩

肌浆中Ca2+浓度↓→肌钙蛋白构型恢复→原肌凝蛋白构型恢复→掩盖肌动蛋白上活性位点→横桥不能与肌动蛋白结合→细肌丝回到原位→肌肉舒张。肌肉舒张（二）兴奋收缩耦联的基本过程1.肌膜上的动作电位沿T管膜扩布至三联管，激活T管膜上的L型Ca2+通道；2.L型Ca2+通道的激活通过变构作用激活JSR膜上的RyR(钙释放通道)，JSR中Ca2+释放入胞质，使胞质内Ca2+浓度升高10~100倍。3.Ca2+与肌钙蛋白结合导致肌肉收缩。4.激活LSR膜上的钙泵，将胞浆中的Ca2+回收至肌质网，遂使胞质Ca2+浓度降低，肌肉舒张。

关键是胞质内Ca2+浓度的瞬间变化Ca2+

isreleasedfromthesarcoplasmicreticulumfollowingmotorneuronsynapticactivity.兴奋收缩耦联的关键离子（三）肌质网Ca2+

释放机制A：构象变化触发钙释放（骨骼肌）——肌膜的去极化引起L型钙通道电压敏感肽段的位移，导致“拔塞”样作用的构象改变，使肌质网钙释放通道开放。B：钙触发钙释放机制（心肌）——肌膜去极化激活了L型钙通道和Ca2+

内流，Ca2+结合于肌质网的钙结合位点，引起钙释放通道开放。心肌对细胞外Ca2+依赖性大。心肌骨骼肌胞质中Ca2+浓度的下降机制1.Ca2+与胞质中钙结合蛋白（肌钙蛋白）结合，触发肌肉收缩。2.SR的钙泵主动转运，将Ca2+回收到SR中（消耗ATP）。肌肉的舒张和收缩一样，都属主动过程。骨骼肌：SR的钙泵将Ca2+全部回收到SR中。心肌：SR的钙泵将Ca2+大部分回收到SR中，肌膜上的Na+-Ca2+交换体将Ca2+排到膜外。横桥周期（cross-bridgecycling）Asinglecontraction-relaxationcycleElectricalandmechanicalevents

Duringmusclecontraction骨骼肌兴奋与收缩的关键离子是

ACa2+B.Mg2+C.Na+D.K+E.Cl-骨骼肌收缩时释放到肌浆中的Ca2+被何处的钙泵转运

A.横管B.肌膜C.线粒体膜D肌质网膜E.粗面内质网四、肌肉收缩效能(performanceofcontraction)包括张力变化幅度和缩短程度、张力变化速度和缩短速度。受前负荷、后负荷、肌肉收缩能力、总和效应等影响。等长收缩(isometriccontraction)：

张力增加、长度不变等张收缩(isotoniccontraction)：