生理学课件第二章

第二章细胞的基本功能第一节细胞膜的跨膜物质转运第三节细胞的生物电现象第四节肌细胞的收缩功能第二节细胞信号转导第一节细胞膜的结构和跨膜物质转运一、细胞膜的基本结构

液态镶嵌模型学说：---液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)

以液态脂质双分子层为基架,其间镶嵌有不同结构和功能的蛋白质。（三）细胞膜的糖类与脂质或蛋白结合生成糖蛋白或糖脂成为抗原决定簇、受体可识别部分（一）脂质双分子层

磷脂、胆固醇和少量糖脂双嗜性分子构成基架,体温下呈液态具有流动性（二）细胞膜的蛋白

1.表面蛋白(在膜内表面，如:RBC骨架蛋白)2.整合蛋白(载体、通道、离子泵、转运体）enhancingmembranefluidityLipidmobilityreducingmembranefluidity分类：①单纯扩散②易化扩散

③主动转运

④入胞和出胞二、细胞膜的跨膜物质转运方式

(一）.单纯扩散(simplediffusion)(1)概念:脂溶性的小分子物质由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。[CO2]i＞[CO2]o[O2]o＞[O2]i①扩散速率高②无饱和性③不需消耗能量

O2、CO2、NH3、N2

尿素、类固醇类激素等。(3)转运的物质：(2)特点:（二）膜蛋白介导的跨膜转运②经通道易化扩散①经载体易化扩散易化扩散(facilitateddiffusion)

概念:一些非脂溶性或脂溶性较低的物质,需特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。分类:1、经载体介导的易化扩散转运的物质：葡萄糖(G)、氨基酸(AA)等图2-2经载体易化扩散A：经载体易化扩散模式图；B：经载体易化扩散的饱和现象Vmax：最大扩散速度；Km：米氏常数，即达1/2最大扩散速率所需的底物浓度特点:结构特异性（膜蛋白质有结构特异性）饱和现象（结合位点数目有限）竟争性抑制（经同一膜蛋白质转运）2、

经通道介导的易化扩散[K+]i＞[K+]o[Na+]o＞[Na+]i离子通道：是一类贯穿脂质双层的、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。离子通道的两个基本特征：（速度快）离子选择性：每种通道只对一种或几种离子有较高的通透能力，而对其他的离子通透性很小或不通透。门控特性：大部分通道蛋白分子内部有一些可移动的结构或化学基团，在通道内起“闸门”作用。（1）电压门控通道：受膜电位调控（2）化学（配体）门控通道：是一类兼有通道和受体功能的蛋白分子。受化学物质调控（3）机械门控通道：受机械刺激调控电压门控通道（

Voltage-gatedChannel）例如：Na+channel(双门通道)K+channel(单门通道)m门—激活门h门—失活门n门—激活门

hClosed关闭Activated激活 Inactivated失活Na通道的三状态:mhmmh化学门控通道

（Chemically-gatedChannel）

例如：N2-ACh受体门控通道ClosedOpenStretch机械门控通道（

Mechanically-gatedChannel）

(三)主动转运(activetransport)

概念：某些物质在膜蛋白的帮助下，由细胞代谢供能而进行的逆浓度和（或）电位梯度跨膜转运。特点：①需要消耗能量,能量由分解ATP来提供；②依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”；③是逆电-化学梯度进行的。1、原发性主动转运

(primaryactivetransport)

泵转运——Na+-K+泵（离子泵）：本质——ATP酶概念：离子泵利用分解ATP产生的能量将物质逆浓度梯度和（或）电位梯度转运的过程。维持[Na+]o高、[K+]i高原先的不均匀分布状态2K+泵入胞内;3Na+泵至胞外分解ATP产生能量当[Na+]i↑或[K+]o↑激活钠-钾泵（sudium-potassiumpump）

简称钠泵，又称Na+-K+-ATPase。钠-钾泵通道转运与钠-钾泵转运模式图钠泵活动的生理意义：①细胞内高K+—胞内代谢反应所必需；②维持胞内渗透压和细胞容积；③Na+-K+泵的生电性活动—影响膜电位；④细胞发生电活动的前提条件；⑤形成跨膜离子浓度梯度—继发性主动转运储能

—GS、AA继发性主动转运；

—Na+-H+交换,维持胞内pH稳定；

—Na+-Ca2+交换,维持胞内Ca2+浓度稳定；质子泵：

H+-K+-ATP酶:分布于胃腺壁细胞膜和肾小

管闰细胞膜，分泌H+。

H+-ATP酶：分布于各种细胞器，

将H+由细胞质→细胞器。Ca2+泵(Ca2+-ATP酶)：

位于质膜，内质网或肌浆网膜上，维持胞质内游离钙浓度，与肌肉收缩有关2.继发性主动转运（联合转运）概念：间接利用ATP能量的主动转运过程。物质逆浓度或逆电位梯度转运时，能量非直接来自ATP的分解，是来自膜两侧[Na+]差，而[Na+]差是Na+泵分解ATP释放的能量建立的。分类（1）同向转运（2）反向转运

同向转运体反向转运体（交换体）肠粘膜上皮细胞葡萄糖继发性主动转运模式图上皮细胞基侧膜上Na泵的活动，造成细胞内低Na，并在顶膜的内、外形成Na浓度差。顶膜上的Na葡萄糖同向转运体则利用膜两侧Na的化学驱动力，将肠腔中的Na和葡萄糖分子一起转运至上皮细胞内。这一过程中葡萄糖分子的转运是逆浓度梯度进行的。进入上皮细胞的葡萄糖分子可经基底侧膜上另一种葡萄糖载体扩散至组织液，完成葡萄糖在肠腔中的主动吸收过程典型的继发性主动转运：①GS和AA在小肠粘膜上皮的吸收；②GS和AA在肾小管上皮的重吸收；③神经递质在突触间隙被神经末梢所重摄取；④甲状腺上皮细胞的聚碘过程；⑤Na+-H+交换,Na+-Ca2+交换；（四）出胞和入胞

exocytosisandendocytosis入胞和出胞均要消耗能量出胞（exocytosis）:

指细胞内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。主要见于细胞的分泌过程：如激素、神经递质、消化液的分泌。出胞exocytosis粗面内质网上合成↓转移到高尔基体↓修饰，由质膜包裹↓分泌囊泡↓移向细胞膜内侧↓融合、破裂，分泌信号入胞（Endocytosis）：大分子物质或物质团块借助于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程，包括吞噬和吞饮。例如：白细胞吞噬细菌、异物等

吞噬入胞：如：单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞

吞饮

液相入胞细胞本身固有的活动

受体介导入胞选择性促进被转运物入胞

图2-4受体介导的入胞示意图膜蛋白介导?单纯扩散消耗能量?被动转运经通道易化扩散载体介导原发性主动转运（钠泵）继发性主动转运

经载体易化扩散主动转运通道介导：被动转运主动转运复习第二节细胞的信号转导①离子通道型受体介导的信号转导③酶联型受体介导的信号转导②G蛋白耦联受体介导的信号转导跨膜信号转导的路径大致分为三类：一、离子通道型受体介导的信号转导

化学性胞外信号(ACh)ACh+

受体→复合体终板膜变构→离子通道开放Na+内流终板膜电位骨骼肌收缩G蛋白耦联受体：胞外结合受体，胞内结合G蛋白G蛋白：结合GTP或GDP的能力，具有GTP酶活性G蛋白效应器：酶(AC,PLC,PLA2,PDE)

离子通道第二信使：激素、递质、细胞因子等信号分子（第一信号）作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子。有：cAMP,IP3,DG,cGMP,Ca2+等二、G蛋白耦联受体介导的信号转导(一)主要的信号蛋白G膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：激活G蛋白(二)主要的G蛋白耦联受体介导的信号转导途径

1.受体-G蛋白-AC途径神经递质、激素等（第一信使）兴奋性G蛋白(GS)激活腺苷酸环化酶(AC)ATPcAMP（第二信使）细胞内生物效应激活cAMP依赖的蛋白激酶A结合G蛋白耦联受体激活G蛋白(与β、γ亚单位分离)2.受体-G蛋白-PLC途径激素（第一信使）兴奋性G蛋白(Gi/Gq)激活磷脂酶C(PLC)PIP2(第二信使）IP3和DG激活蛋白激酶C内质网释放Ca2+激活G蛋白生物效应结合G蛋白耦联受体生长因子与受体酪氨酸激酶结合细胞内生物效应膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：具有酪氨酸激酶活性受体酪氨酸激酶介导的信号转导图示三、酶联型受体介导的信号转导（一）酪氨酸激酶受体和酪氨酸激酶结合型受体（二）鸟氨酸环化酶受体

不需G蛋白参与，可激活GC

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”。第三节细胞的电活动教学重点：1.静息电位，动作电位的概念，特点及机制2.局部电位，阈电位与动作电位的关系3.兴奋和兴奋性,阈强度的概念教学难点：1.静息电位，动作电位的产生机制2阈电位与阈强度（一）细胞的生物电现象

生物电：一切活组织的细胞，不论是在安静状态还是在活动过程中均伴有电现象。细胞的生物电活动是器官生物电产生的基础，包括安静时出现的静息电位和受到刺激时产生的动作电位。（二）记录方法1、细胞外记录法：记录的是许多在结构和功能上相互独立的细胞电变化的总和结果2、细胞内记录法：测定细胞在不同功能状态时膜内电位与参考电极之间的电位差。一、细胞的生物电现象及其记录方法（一）静息电位(resting

potential，RP)

二、静息电位及其产生机制1.概念：细胞处于安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。2.证明RP的实验：（甲）证明膜外无电位差。（乙）证明膜内、外间有电位差。（丙）证明膜内无电位差。膜片钳(patchclamp):钳制一小片膜，记录单个通道离子电流的技术。

3.RP数值及相关概念：RP:安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。(1)RP值:神经细胞-70mV～-90mV骨骼肌细胞-90mV平滑肌细胞-50mV～-60mV

(2)相关的概念：极化（polarization）:

RP时膜电位外正内负的状态超极化(hyperpolarization):

静息电位增大如-90mv→-100mv去极化(depolarization):

静息电位减小如－90mv→-80mv超射(overshoot):

膜电位高于0电位部分复极化(repolarization):

去极化后向RP方向恢复去极化复极化超极化超射1、细胞内外离子的不均衡分布

[Na+]i＞[Na+]o≈1∶10,[K+]i＞[K+]o≈30∶1[Cl-]i＞[Cl-]o≈1∶14,[A-]i＞[A-]o≈4∶1（二）静息电位的产生机制主要离子分布：膜内：膜外：Nernst公式EK=RT/ZF•ln[K+]O/[K+]i=60log[K+]O/[K+]i离子跨膜扩散的驱动力:电化学驱动力当扩散动力与阻力达到动态平衡时，跨膜电位差就是K+的平衡电位动力:浓度差阻力：电位差2、细胞膜具有选择通透性

安静时通透性：K+＞Cl-＞Na+＞A-

静息状态下细胞膜内外主要离子分布及膜对离子通透性非门控性通道[K＋]i∶[K+]o≈30∶1[K＋]i顺浓度差向膜外扩散[K+]i↓→膜内电位↓(负电场)[K+]o↑→膜外电位↑(正电场)膜外为正、膜内为负的极化状态当扩散动力与电场力阻力达动态平衡时电化学驱动力为零----RP1902年Bernstein提出了RP产生机制的膜学说K+的平衡电位没有离子跨膜净移动

1939年,Hodgkin和Huxley的实验:

在枪乌贼巨大神经纤维测得RP值为-60mv,与Nernst公式的计算值（-75mv）基本符合。说明:细胞膜对其他离子也有通透性

Nernst公式：

RT[X+]OEX=ln

ZF[X+]i[X+]O

=

60lg(mv)[X+]i3.钠泵的生电作用每分解1分子ATP,钠泵可使3个Na+移出胞外，同时2个K+移入胞内。（三）影响静息电位的因素:

1、细胞膜内外液K+浓度差胞外K+浓度升高，静息电位减小2、细胞膜的选择通透性

K+的通透性↑,则RP↑,更趋向于EKNa+的通透性↑,则RP↓,更趋向于ENa3、钠钾泵活动水平结论：静息电位的产生主要是由于K+的外流引起的三、动作电位及其产生原理（一）动作电位(actionpotential,AP)

1.概念：可兴奋细胞受到一个适当刺激后，在静息电位基础的上发生的一次可传播的电位变化。

升支（去极相）降支（复极相）锋电位(spikepotential)3、相关概念后电位负后电位

negativeafter-potential正后电位positiveafter-potential

2、动作电位波形：后去极化后超极化1、离子的电-化学驱动力及其变化2、细胞膜对离子通透性的变化（二）AP的产生机制内向电流--AP上升支外向电流--AP下降支实质：膜对离子通透性的改变内向电流与外向电流刺激少量Na+通道激活开放Na+少量内流（去极化）（较强刺激）膜电位去极化到临界值

→Na＋通道大量开放Na+再生式内流AP的产生机制

AP上升支1.上升支(去极化)阈电位（thresholdpotential）阈电位（thresholdpotential,TP）：

能使Na+通道突然大量开放而产生动作电位的临界膜电位值。

阈电位一般比RP小10-20mV。RegenerativecycleofNa+influxNa+再生式内流：

Na+内流与膜去极化之间的正反馈Na通道开放Na内流膜去极化m门—激活门h门—失活门Na+channel

(双门通道)K+channel

(单门通道)n门—激活门

h备用Activated激活 Inactivated失活Na通道的三状态:mhmmh

Na通道备用去极化到阈电位时，m门开放，通道激活--Na+内流达到Na+平衡电位时，h门关闭—通道失活AP大小=Na+平衡电位hhm膜电位复极化,m门关闭，h门开放---Na通道复活mhNa＋通道阻断剂：河豚毒K＋通道开放＋Na＋通道关闭K＋迅速外流下降支2.下降支(复极化)快速复极时离子堆积膜两侧-负后电位（后去极化）后去极化3.复极后：Na+泵出、K+泵回激活Na+－K+泵生电性活动—正后电位（后超极化）后超极化图例小结小结--AP的形成的离子基础：①AP的升支：Na＋内流形成；②降支：K＋外流形成的；

③静息水平:Na+-K+泵活动,离子恢复静息时的分布状态；

④负后电位(后去极化):复极时外流的K+蓄积在膜外,阻碍K+外流；⑤正后电位(后超极化):

生电性钠泵作用的结果（2）可传播性：不衰减传导

(幅度波形不变)

（三）动作电位的特点：（1）“全或无”特性：幅度不随刺激强度增加而增大（3）脉冲式:

有不应期因而锋电位之间不发生融合或叠加动作电位的意义：

AP的产生是细胞兴奋的标志。四、细胞兴奋的引起及其传导（一）阈电位与动作电位可兴奋细胞兴奋的标志：动作电位引起兴奋的前提：1、组织细胞具有正常的功能状态2、必须具备有效刺激

阈电位(thresholdpotential):能触发动作电位的膜电位临界值。(引发Na+通道大量开放的膜电位）从静息电位除极达到阈电位水平是产生动作电位的必要条件。细胞的阈电位约比静息电位小10-20mv

（二）阈下刺激与局部电位由少量钠通道激活而产生的去极化膜电位波动

阈下刺激引起的产生于膜的局部、低于阈电位的除极反应（去极化），称局部反应。特点：

①等级性电位，不具有“全或无”现象。幅值可随刺激强度的增加而增大。②电紧张扩布。幅值随着传播距离的增加而减小。③具有总和效应：时间性和空间性总和。。

时间性总和空间性总和LocalPotential：（1）肌细胞的终板电位EPP（2）感受器细胞的感受器电位（3）神经元突触的突触后电位（三）兴奋在同一细胞上的传播1、传导机制：局部电流学说2、传导方式：无髓鞘N纤维的传导：近距离局部电流；有髓鞘N纤维的传导：远距离局部电流(跳跃式)。（四）兴奋在同一细胞上传导的特点

1、双向传导2、不衰减传导3、绝缘性4、相对不疲劳性

五、兴奋性及其变化（一）兴奋性(Excitability)

概念：一切有生命活动的细胞、组织或机体对刺激产生反应的能力或特性(组织或细胞受刺激后能够产生AP的能力).1、刺激与反应：刺激：能为机体、组织、细胞感受到的内外环境变化。反应：机体、组织、细胞受刺激后所发生的一切变化。

2、兴奋性的指标—阈值：刺激三要素：（1）足够的刺激强度（2）足够的刺激持续时间（3）一定的刺激强度—时间变化率阈强度（阈值）：在刺激作用时间和强度-时间变化率固定不变的条件下，能引起组织细胞发生兴奋的最小刺激强度。阈刺激：相当于阈强度的刺激。阈强度或阈刺激是衡量组织细胞兴奋性大小最常用的指标。(二）细胞兴奋后兴奋性的变化

1）绝对不应期:无论多强的刺激不能再次兴奋。2）相对不应期:大于阈值的刺激才能再次兴奋。3）超常期:小于阈值的刺激便能再次兴奋。4）低常期:大于激才能再次兴奋。（负后电位）（正后电位）分期兴奋性与AP对应关系机制绝对不应期

降至零锋电位钠通道失活相对不应期

渐恢复负后电位前期钠通道部分恢复超常期＞正常负后电位后期钠通道大部恢复低常期＜正常正后电位膜内电位呈超极化

复习思考题

1.什么是restingpotential?它是怎样形成的？

2.什么是actionpotential?它由哪些部分组成？是如何产生的？

3.比较动作电位和局部电位的不同。

4.试述组织兴奋后的兴奋性的变化特点及产生的基本原理。

5.血K+浓度对兴奋性、RP和AP有何影响？

第四节肌细胞的收缩功能

肌肉的分类：形态学横纹肌平滑肌神经支配随意肌非随意肌功能特征骨骼肌心肌平滑肌一、神经-骨骼肌接头的兴奋传递

（一）骨骼肌N-M接头的结构前膜:囊泡内含ACh间隙：约50-60nm后膜：又称终板膜存在N2型ACh门控离子通道，能与ACh发生特异性结合。

接头间隙（二）骨骼肌N-M接头处的兴奋传递过程轴突末稍AP膜Ca2＋通道开放，Ca2＋内流囊泡移动、融合、破裂，释放ACh(量子释放)与终板膜上ACh门控通道结合膜对Na＋、K＋(尤其是Na＋)通透性↑终板膜去极化→终板电位（EPP）电紧张性扩布至肌膜去极化至阈电位肌细胞膜爆发AP终板电位(Endplatepotential)的特征：

无“全或无”现象；大小与ACh释放量呈正比；无不应期，有总和现象。N-M接头处的兴奋传递:（1）电-化学-电的过程：

N末梢AP→ACh＋受体→EPP→肌膜AP（2）具1对1的关系：

①一次AP，末梢释放ACh引起EPP的量是引起肌膜AP所需阈值的3-4倍。(量子式释放）②一次AP只能引起一次肌细胞兴奋和收缩。

影响N-M接头处兴奋传递的因素：

（1）阻断ACh受体：箭毒和α银环蛇毒，肌松剂。（2）抑制胆碱酯酶活性：有机磷，新斯的明。（3）自身免疫性疾病：重症肌无力

（抗体破坏ACh受体）（4）接头前膜Ach释放阻断剂：肉毒杆菌毒素（5）递质耗竭黑寡妇蜘蛛毒，促进Ach释放。二、骨骼肌细胞的微细结构（一）肌原纤维：粗肌丝细肌丝是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。=1/2明带＋暗带＋1/2明带

=2条Z线间的区域肌小节:（二）肌管系统：

横管系统：T管（L-Ca2+通道）纵管系统：L管（肌质网，两端膨大称终池)三联管：骨骼肌T管和两侧终池纵行肌浆网（钙泵）连接肌浆网（钙释放通道

RYR）(终池)兴奋-收缩耦联的结构基础三、骨骼肌的收缩机制和兴奋-收缩耦联（一）肌丝的分子组成和收缩机制1、肌丝的分子组成(1)粗肌丝:肌凝蛋白。其头部为横桥:①能与细肌丝上的结合位点发生可逆性结合;②具有ATP酶的作用,分解ATP提供肌丝滑行的能量。

(2)细肌丝：肌动蛋白：表面有与横桥结合的位点；原肌球蛋白：静息时掩盖横桥结合位点肌钙蛋白：与Ca2+结合变构后,使原肌球蛋白位移，暴露出结合位点。T、C、I亚单位2.肌肉收缩的过程肌丝滑行理论（myofilamentslidingtheory）

肌肉收缩时，无肌丝缩短和卷曲，

是细肌丝在粗肌丝间滑行的结果.

按任意键飞入横桥摆动动画肌细胞收缩细肌丝朝肌节中央滑行横桥摆动横桥与结合位点结合，横桥构象改变原肌球蛋白位移，暴露细肌丝上的结合位点Ca2+与肌钙蛋白结合引起构型改变终池膜上的钙通道开放Ca2+顺浓度进入肌浆横桥周期（cross-bridgecycling）横桥与肌动蛋白结合、摆动、复位和再结合的过程。（二）骨骼肌的兴奋-收缩耦联兴奋-收缩耦联（excitation-contractioncoupling）将电兴奋和机械收缩联系起来的中介机制基本过程：①T管膜的动作电位传导；(激活L型钙通道）②三联管处的信息传递；（心肌－钙触发钙释放）③肌浆网释放Ca2+；与肌钙蛋白结合引发肌肉收缩④钙泵激活，将Ca2+收入肌质网①AP沿横管向细胞深处传播，激活了L型钙通道

②L型钙通道的变构或Ca2+内流，激活了JSR膜上的钙释放通道（RYR），Ca2+释放入胞质③Ca2+入胞，触发肌丝滑行，肌细胞收缩。④[Ca2+]↑，使LSR膜上的钙泵激活，Ca2+回摄，肌肉舒张Ca2+是兴奋-收缩耦联的耦联物骨骼肌舒张机制肌膜复极化终池膜对Ca2+通透性↓肌浆网膜Ca2+泵激活

肌浆中[Ca2+]↓Ca2+与肌钙蛋白解离原肌凝蛋白复盖横桥结合位点骨骼肌舒张骨骼肌与心肌兴奋收缩耦联的差别骨骼肌

心肌

Ca来源SR释放细胞外（10%-20%）

Ca释放诱发L-钙通道激活Ca与RyR结合钙触发钙释放(Calcium-inducedCarelease)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横桥构象改变↓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）耦联四、骨骼肌收缩的形式与力学分析

（一）骨骼肌的收缩形式(1)等长收缩与等张收缩等长收缩:收缩时,只有张力增加而长度不变的收缩,称为等长收缩(isometriccontraction)。不能克服阻力做机械功如维持姿势的抗重力肌,如颈后部肌的收缩。



等张收缩:收缩时,只有长度缩短而张力不变的收缩,称为等张收缩(isotoniccontraction)。可以做功如与关节屈曲有关的肌肉的收缩。

（2）单收缩与复合收缩:

单收缩：刺激肌肉一次，引起一次收缩和舒张。

强直收