生物医学知识要点复习

生物医学知识要点复习11.内稳态与蛋白质生理学2体内平衡是指生理系统维持体内各种条件相对稳定平衡的能力。体内每个细胞都受益于体内平衡，反过来，每个细胞也都为维持体内平衡贡献自己的一份力量。生理变量最常见的调节方式是负反馈。负反馈系统包括：检测器、比较器和执行器。有些生理反应利用正反馈，导致反应迅速放大到最大反应或终点（即像开关一样），但这需要一种机制来打破反馈回路（即关闭开关）；例如动作电位和分娩的激素控制。蛋白质的正常功能对生命至关重要，通常需要蛋白质与其他分子结合。蛋白质的形状对于结合的发生至关重要，周围环境的微小变化即可改变蛋白质的形状。在正常情况下，体内平衡机制会防止此类变化的发生。2.体液隔室和生理体液3渗透活性分子的数量，并以渗透摩尔数表示。渗透摩尔浓度是指每升溶液中的渗透摩尔数，而渗透压浓度是指每千克水中的渗透摩尔数，后者由于不受温度影响而更常用。等渗溶液与血浆具有相同的渗透势。血浆渗透压浓度约为290mosmol/kgH₂O，主要由Na⁺和Cl⁻离子构成。生物膜是半透膜，允许水分子通过，但不允许离子或其他分子通过。因此，渗透梯度的形成是生物系统中水分运输的主要方式。体液的渗透压因此受到严格调控。晶体渗透压是由离子和小分子（如水）引起的，它们很容易扩散穿过毛细血管壁。因此，血浆和组织液的晶体渗透压没有差异。蛋白质不易穿过毛细血管壁，因此会在毛细血管壁上产生胶体渗透压或胶体渗透压；这对于液体在毛细血管中的流动至关重要。细胞内液约占人体总水量的65%。细胞外液包括血浆和组织间液。跨细胞液来源于细胞外液，但由特殊膜分泌或调节（例如脑脊液、肠道分泌物）。4细胞外液和细胞内液的离子浓度差异显著，尤其是钾离子（K⁺）、钠离子（Na⁺）和钙离子（Ca²⁺）。这些差异对细胞功能和信号传导至关重要，并决定着膜电位。离子分布的差异与细胞膜的半透性有关，细胞膜对不同离子的通透性不同。在静息状态下，细胞膜对钾离子（K⁺）和氯离子（Cl⁻）的通透性远高于其他离子。蛋白质和其他不透膜阴离子上的固定细胞内负电荷吸引带正电荷的K+和Na+，排斥Cl-，但Na+的低渗透性限制了其进入细胞，Na+泵（Na+-K+ATPase）不断地将Na+泵出，以K+交换，从而导致细胞内K+浓度高而细胞内Na+浓度低。53细胞、细胞膜和细胞器真核细胞被一层流动的磷脂双层膜包裹，这层膜被称为质膜或质膜。细胞内细胞器，如内质网、细胞核和高尔基体，也被脂质膜包裹。信号分子和其他蛋白质根据亲水残基和疏水残基的位置，在细胞膜内或跨膜流动。这便形成了细胞膜的流动镶嵌模型。膜蛋白包括离子通道、受体和酶。一些膜蛋白，例如整合素，能够促进细胞外基质与细胞之间的相互作用，并作为细胞骨架的锚定点。细胞骨架由肌动蛋白等丝状结构和其他分子组成，这些结构使细胞能够维持或改变其形状。细胞核内含有染色体和核仁，核仁负责制造核糖体。核糖体移动到粗面内质网，在那里负责蛋白质的组装，并与高尔基体一起对新合成的蛋白质进行翻译后修饰。溶酶体则负责降解不需要的或受损的蛋白质。6细胞的主要能量来源是ATP。胞质溶胶中的糖酵解产生少量ATP，且无需氧气（无氧呼吸）。其产物丙酮酸和氧气被线粒体氧化磷酸化利用，生成大量的ATP。这一过程涉及柠檬酸循环（克雷布斯循环）和电子传递链，在线粒体内膜两侧形成氢离子梯度，从而驱动ATP合酶。74.膜转运和离子通道离子、水和其他分子跨细胞膜的运动是由跨膜的蛋白质构成的转运蛋白、孔道和离子通道促进的。分子通过孔道和离子通道的运动是由于被动扩散，而被动扩散是由该分子的电场梯度和浓度梯度驱动的。转运蛋白利用能量来运输分子，可以直接利用ATP（主动运输），也可以间接利用另一种分子（通常是Na+）的浓度梯度作为能量来源（被动运输）。有些转运蛋白则利用被运输分子自身的浓度梯度（易化扩散）。单向转运蛋白只转运一种分子（例如Ca²⁺-ATP酶）；同向转运蛋白将不同类型的分子沿同一方向转运；反向转运蛋白将一种分子沿一个方向转运，同时将另一种分子沿相反方向转运（例如Na⁺-K⁺-ATP酶，或Na⁺泵）。Na⁺泵是主动转运中最重要的一种形式，它将三个Na⁺泵出细胞，同时将两个K⁺泵入细胞。离子通道可能对单一离子（例如Na⁺、Ca²⁺、K⁺）或同类型离子（例如Na⁺和Ca²⁺）具有高度选择性。离子带电荷，因此离子通过通道的运动会产生离子电流。8离子通道只有开放和关闭两种状态；这两种状态之间的转换称为门控。电压门控通道受膜电位调节；受体门控通道受第二信使或配体与通道蛋白结合（配体门控）调节。电压门控快速内向钠离子通道负责神经和肌肉动作电位的上升沿，它有两种门控机制。当膜电位去极化至约-55mV（阈值）时，该通道被激活；但当膜电位变为正值时，该通道又失活。只有当膜电位再次负值超过约-60mV时，该通道才能重新激活。连接子组成，每个连接子来自一个细胞，每个连接子由六个连接蛋白组成。95生物电所有细胞的细胞膜两侧都存在电位差（膜电位，E_m），膜内侧相对于膜外侧为负。只有可兴奋组织才能产生动作电位。在可兴奋组织中，静息状态下的膜电位E_m通常在-60mV至-90mV之间。离子在半透膜两侧的平衡电位是指电场力与浓度梯度力恰好平衡时的电位。这可以通过能斯特方程，根据该离子的细胞外和细胞内浓度计算得出。离子的电化学梯度是指其平衡电位与实际膜电位之差。静息状态下，细胞膜对钾离子（K⁺）的通透性最高，因此静息膜电位接近钾离子的平衡电位（E_K），主要取决于细胞外与细胞内钾离子浓度的比值。它并不等于E_K，因为细胞膜对钠离子（Na⁺）也有一定的通透性。由于钠离子的电化学梯度较大（E_Na≈+65mV），部分钠离子会渗漏到细胞内，导致轻微的去极化。

10在神经系统中，当配体门控钠离子通道激活，进一步增加钠离子通透性时，就会引发动作电位。如果刺激足够强，细胞去极化到足以激活电压门控钠离子通道的阈值，从而导致钠离子通透性远大于钾离子通透性。因此，膜电位向钠离子平衡电位移动。细胞内钾离子或钠离子的浓度没有显著变化。当Em变为正值时，Na+通道失活，额外的K+通道激活，导致K+通透性再次远大于Na+，因此细胞重新极化至EK和静息状态。无论何种刺激，只有在大多数钠离子通道重新激活后，才能再次引发动作电位。而钠离子通道的重新激活发生在细胞几乎复极化时（绝对不应期）。额外的钾离子通道关闭较慢，因此会在动作电位后引起短暂的超极化。这意味着需要比平时更强的刺激才能再次引发动作电位（相对不应期）。116动作电位的传导动作电位是所有可兴奋细胞中发生的局部事件，是一种全或无的反应，导致细胞内部相对于外部的极性发生变化，内部为负极（-70mV）。在动作电位过程中，这种极性会在短时间内消失并反转（+40mV），这一过程称为去极化。这种去极化沿着无髓神经的每个节段依次进行，直到到达末端。有髓神经的传导速度更快，比最快的无髓神经快50倍，因为去极化通过一种称为跳跃传导的过程从一个郎飞氏结跳到另一个郎飞氏结。神经纤维的直径从0.5微米到20微米不等，最小的无髓鞘纤维传导速度最慢，最大的有髓鞘纤维传导速度最快。神经纤维有两种分类方法。Erlanger和Gasser使用Aα、β、γ和δ、B和C类纤维；Lloyd和Hunt使用Ia、Ib、II、III和IV类纤维。如果将神经束中的所有神经纤维在神经的一端同步刺激，并将记录电极放置在神经束长度的更下方一段距离处，则可以记录到复合动作电位。127细胞信号传导细胞信号传导涉及膜受体、离子通道、产生或动员第二信使（信号分子）的酶，以及分别对靶蛋白进行磷酸化和去磷酸化的蛋白激酶和磷酸酶。G蛋白偶联受体（GPCR）是数量最多的受体类型，它们与异源三聚体G蛋白偶联，G蛋白由一个α亚基GTP酶和β、γ亚基组成。Gαs刺激腺苷酸环化酶，Gαi抑制腺苷酸环化酶；Gαq激活磷脂酶Cβ（PLCβ）；Gα12/13激活RhoA/Rho激酶通路。(PLC)将膜磷脂代谢为第二信使肌醇三磷酸(IP3)和二酰甘油(DAG)。IP3启动内质网钙离子(Ca2+)的释放，而DAG激活受体激活通道和蛋白激酶C。磷脂酶A将膜磷脂代谢为花生四烯酸，花生四烯酸是环氧合酶途径的底物，最终生成前列腺素和脂氧合酶产物。钙离子（Ca²⁺）是一种重要的第二信使。细胞内钙离子浓度升高（由于钙离子内流或从细胞内储存释放）可激活肌肉收缩、神经递质释放、激素分泌，并在某些情况下激活基因转录。钙离子转运蛋白（例如SERCA）将钙离子从胞质中移除，从而终止上述过程。钙离子与钙调蛋白（4:1）结合，激活钙依赖性蛋白激酶。13腺苷酸环化酶生成环磷酸腺苷（cAMP），鸟嘌呤环化酶在一氧化氮的激活下生成环磷酸鸟苷（cGMP）。cAMP和cGMP分别激活各自的蛋白激酶PKA和PKG，PKA和PKG具有多种靶点，包括离子通道和转运蛋白（例如促进平滑肌松弛）；cAMP激活转录因子CREB。受体酪氨酸激酶被生长因子、细胞因子和某些激素激活后，发生二聚化并使其胞质区上的酪氨酸残基发生磷酸化。这促进了SH2结构域和磷酸酪氨酸结合蛋白的结合，进而启动三条主要信号通路：PI3激酶-Akt通路、Ras-MAP激酶通路和JAK/STAT通路。它们主要影响基因转录。非受体酪氨酸激酶则作为分子开关发挥作用。苏氨酸/丝氨酸激酶包括PKA、PKG、PKC和肌球蛋白轻链激酶，它们能磷酸化靶蛋白上的苏氨酸或丝氨酸残基。PKC分为三类：经典型（由DAG和Ca2+激活）、新型型（由DAG激活）和非典型型（既不被Ca2+也不被DAG激活）。148自主神经系统自主神经系统（ANS）介导体内平衡反射（例如血压控制）和大多数器官的非自主控制。它分为交感神经系统和副交感神经系统，二者协同作用，但作用时常相互拮抗。自主神经系统节前神经元起源于中枢神经系统，并与周围神经节中的无髓鞘节后神经元形成突触；它们在突触中释放乙酰胆碱，乙酰胆碱作用于节后纤维上的胆碱能尼古丁受体。副交感神经周围神经节通常靠近或位于其靶器官内，而交感神经周围神经节则呈链状分布于脊柱旁，或位于腹部和盆腔的弥散性内脏神经丛中。交感神经节前神经元直接支配肾上腺髓质。交感神经节后神经元释放儿茶酚胺去甲肾上腺素（去甲肾上腺素），而肾上腺髓质则释放去甲肾上腺素和肾上腺素（肾上腺素）。这些物质作用于α和β肾上腺素能受体，后者又可进一步分为亚型。α1受体与Gq蛋白偶联，并与平滑肌收缩相关。β受体与Gs蛋白偶联，激活腺苷酸环化酶生成cAMP；cAMP可使平滑肌舒张，但会增加心率和收缩力。少数交感神经元在效应器处释放乙酰胆碱。15副交感神经节后神经元释放乙酰胆碱，乙酰胆碱作用于胆碱能毒蕈碱受体，引起腺体分泌，以及某些平滑肌的收缩或舒张，但对大多数血管没有影响。到达神经末梢的动作电位会诱导Ca²⁺内流，进而导致神经递质从囊泡中释放出来，并与突触或组织中的受体结合。乙酰胆碱由胆碱酯酶分解；去甲肾上腺素通过摄取-1途径被神经元回收利用，并可能被单胺氧化酶（MAO）代谢。血液中的儿茶酚胺由儿茶酚-O-甲基转移酶（COMT）和MAO代谢。169血血浆蛋白包括白蛋白（含量最丰富）、α-、β-和γ-球蛋白以及纤维蛋白原。除γ-球蛋白外，其余均由肝脏合成。血浆蛋白发挥胶体渗透压的作用，该渗透压决定了液体跨毛细血管壁的运输；它们还起到缓冲作用，结合并运输激素和矿物质，并且是止血和免疫系统的重要组成部分。红细胞（也称红血球）没有细胞核，含有血红蛋白，寿命约为120天。它们由成人骨髓中的干细胞以及胎儿肝脏和脾脏中的干细胞通过红细胞生成作用形成。红细胞生成受促红细胞生成素的刺激，促红细胞生成素在缺氧时由肾脏释放，并且需要铁、叶酸和维生素B12。衰老或受损的红细胞在肝脏和脾脏中被巨噬细胞破坏。血红素转化为胆绿素和胆红素。铁通过转铁蛋白循环利用或储存在铁蛋白中。贫血是指红细胞或血红蛋白数量不足，可能是由于失血或铁、叶酸或维生素B12不足引起的。血红蛋白异常也会导致贫血。红细胞表面的抗原构成血型的基础。血浆中特定抗体的存在会导致凝集和溶血。最重要的血型系统是ABO血型系统和Rh血型系统。17白细胞来源于骨髓中的干细胞，是免疫系统的重要组成部分。粒细胞（中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞）在骨髓中成熟，吞噬病原体并释放介质和细胞毒性物质。淋巴细胞包括产生抗体的B细胞、协调免疫反应的T辅助细胞（H细胞）以及杀伤感染细胞的自然杀伤（NK）细胞。单核细胞迁移至组织后分化为吞噬性巨噬细胞。1810血小板与止血血小板并非细胞，而是骨髓产生的巨核细胞碎片。它们含有致密颗粒，颗粒内含有血清素（5-HT）、ADP和其他介质。激活后，血小板会改变形状并形成伪足。初级止血最初涉及血管损伤引起的血管收缩，从而限制血液流失，随后血小板粘附于受损区域，并因内皮下基质暴露而激活。血小板活化刺激环氧合酶(COX)生成血栓素A2(TXA2)，并随后释放致密颗粒。ADP通过P2Y12受体刺激血小板聚集，并激活GPIIb/IIa受体，后者与纤维蛋白原结合，使血小板黏附在一起。TXA2和5-羟色胺(5-HT)均参与血管收缩。凝血过程始于组织因子阳性细胞暴露于血浆凝血因子，导致因子Xa活化并生成少量凝血酶。这激活了血小板表面凝血酶原酶和凝血酶原酶的形成，进而启动放大和传播阶段，最终导致大量凝血酶释放，将纤维蛋白原裂解为纤维蛋白。19凝血酶激活的因子XIIIa交联。纤维蛋白由纤溶酶分解，纤溶酶在与纤维蛋白结合时被组织型纤溶酶原激活剂（tPA）激活。2011防御：炎症和免疫皮肤、肠道和呼吸道上皮组织是抵御病原体的物理屏障。而那些逃避这些屏障的病原体则会成为免疫系统的目标。先天免疫系统反应迅速但缺乏特异性。入侵的病原体激活组织吞噬细胞（例如巨噬细胞），这些细胞释放细胞因子，吸引循环中的中性粒细胞聚集到组织（趋化作用）。炎症介质的释放会刺激伤害感受器，引起疼痛；血管舒张导致发热和发红；内皮通透性增加和体液渗出（水肿）导致肿胀。补体是由血浆蛋白组成的级联反应，它能调理（促进吞噬作用）并杀死病原体，激活吞噬细胞并诱导炎症。补体可被病原体蛋白和标记病原体的抗体激活。适应性免疫包括体液免疫和细胞免疫。它需要数天才能生效，并且依赖于淋巴细胞产生的抗体。抗体可以中和毒素、阻止病原体附着、靶向、调理或凝集抗原以进行吞噬或补体作用，并作为淋巴细胞上的抗原受体发挥作用。21体液免疫：B淋巴细胞在其抗原受体识别到表面抗原时被激活。它们经历克隆扩增，然后转化为浆细胞，产生大量针对该抗原的抗体。如果抗原是蛋白质，B细胞会将其与MHCII类分子结合，呈递给辅助性T细胞（Th细胞），Th细胞释放细胞因子，显著增强B细胞的免疫功能。细胞免疫针对的是细胞内的抗原。MHCI存在于所有细胞表面，并呈递胞质抗原（例如病毒蛋白）。细胞毒性T淋巴细胞识别MHCI-抗原复合物后，可杀死受感染的细胞。MHCII仅存在于抗原呈递细胞（APC；树突状细胞、巨噬细胞）表面，并呈递囊泡内的抗原（例如已被吞噬的抗原）。APC将抗原-MHCII复合物呈递给TH细胞，后者进行克隆扩增并释放细胞因子，这些细胞因子可刺激B细胞并调节许多其他免疫细胞的活性。22扩散和流动的12个原理物质通过血液或空气中的整体流动以及沿浓度梯度进行的被动扩散进行运输。扩散仅在短距离内有效。管道中的流量取决于管道两端的压力差(P1–P2)和流动阻力(R)：流量=(P1–P2)/R（类似于欧姆定律）。流动阻力取决于管的长度和半径以及流体的粘度。泊肃叶定律描述了这种关系，它提供了一个重要的原理：流量∝(半径)⁴。管壁对流体的阻力会在中心产生速度梯度，最大流速出现在管壁中心；这就是层流。血细胞聚集在流速最大的中心（轴向流动），有效地降低了血液粘度（法赫雷乌斯-林德奎斯特效应）。流体流速过高和/或管道直径过大会导致湍流和层流消失，从而显著增加阻力。当血液和空气流速大幅增加时，湍流会引起心脏杂音和哮喘喘鸣。23根据拉普拉斯定律，柔性管或球体内的压力会拉伸管壁并增加壁张力：P=(张力×壁厚)/半径。这也表明，半径增大会导致压力降低，因此大气泡的压力小于小气泡，并会坍缩。如果没有表面活性剂，肺泡中就会发生这种情况。2413体温调节体温调节维持着主要器官周围的核心温度（T_C）。核心的大小随外部环境而变化。热量通过辐射、对流、传导和蒸发从皮肤（主要的体温调节器官）散失。由于热量散失与表面积有关，而热量产生与质量有关，因此体型大小会显著影响散热或保热能力。体温调节主要由下丘脑控制。视前区主要包含对热敏感的温度感受器，这些感受器感知体温（T_C），协调其他区域，并将体温与设定点进行比较。下丘脑前部和后部分别控制散热和散热/产热。皮肤、脊髓和深部体温感受器主要对冷敏感。发热时，致热原（例如IL-1）通过PGE₂升高体温设定点。皮肤内的静脉丛可最大限度地提高热传递效率。在手、脚和面部，动静脉吻合可显著增加皮肤血流量和散热量。血流量受交感神经和肾上腺素能血管收缩神经的控制，并伴有一些局部效应。在体温中性区，体温完全通过改变皮肤血流量来调节。25当体温低于寒战阈值时，来自下丘脑后部的运动神经元会启动寒战。当体温超过出汗阈值时，交感胆碱能神经会激活汗腺，汗腺同时释放缓激肽。大部分水分和盐分会从汗腺导管的初次分泌物中被重吸收；大量出汗时，盐分的重吸收量大于水分。随着时间的推移，适应环境会增加汗液量，同时醛固酮会促进导管对盐分的重吸收。出汗和寒战阈值受皮肤温度的影响。新生儿不会颤抖，而是依靠棕色脂肪组织中的非颤抖性产热来维持体温。交感神经和肾上腺素刺激β3-肾上腺素能受体，导致游离脂肪酸的释放，进而激活解偶联蛋白（UCP1）。UCP1使线粒体电子传递链解偶联，从而产生热量而非ATP。2614高度与航空航天生理学海拔2500米以上时，氧分压(P_O2)下降到足以激活颈动脉体化学感受器并增加通气量的程度，但这会降低二氧化碳分压(P_CO2)，导致呼吸性碱中毒，并通过中枢化学感受器抑制通气。由此产生的低氧分压、低二氧化碳分压和高血pH值是导致急性高原反应的原因。适应过程：数日内，肾脏排出碳酸氢盐纠正碱中毒，脑脊液中碳酸氢盐的排出纠正脑脊液pH值，从而解除中枢化学感受器对通气的抑制，使通气量增加。数周内，促红细胞生成素刺激红细胞数量增加。适应过程使人能够在珠穆朗玛峰顶保持意识，否则意识会在2分钟内丧失。在海拔12500米以上，气压低于所需的最低氧分压(PO2)，因此为了防止减压，飞行员会佩戴加压呼吸器和抗压服，以减轻呼气压力。从头到脚的重力加速度（+Gz）会造成最关键的生理效应，导致下半身静脉血液淤积，中心静脉压降低，从而根据斯塔林定律导致心输出量下降。血压通过压力感受器反射进行纠正（类似于体位效应）。27由于头部高于心脏，脑部和视网膜的血压和灌注会下降。超过+3Gz时，这会导致视力模糊或昏厥、脑缺氧以及重力引起的意识丧失（G-LOC）。充气式抗荷服通过压缩身体来限制静脉血液淤积。长期处于微重力（失重）状态会减轻骨骼和肌肉的负荷，导致骨骼和肌肉流失。血液重新分布会导致血浆容量和红细胞数量减少，并加剧心血管功能下降。恢复正常重力后，心血管系统对体位变化的反应能力也会受损。长期处于微重力状态与长期卧床休息和缺乏活动有相似之处。2815骨骼肌及其收缩肌肉约占成人体重的50%。骨骼肌和骨骼共同构成肌肉骨骼系统。骨骼肌有时被称为随意肌，因为它受随意肌的控制。肌纤维具有显著缩短的能力，肌肉组织的功能就是产生张力并使肌肉缩短。这是由构成肌肉的分子相互滑动引起的。肌肉纤维的主要组成部分是肌原纤维，每条肌原纤维又分为细肌丝和粗肌丝。细肌丝由肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白组成，粗肌丝主要由肌球蛋白组成。细肌丝和粗肌丝相互作用，通过横桥相互滑动并释放钙离子，从而引起肌肉收缩。这种机制被称为滑动肌丝理论。2916神经肌肉接头和整个

肌肉收缩支配骨骼肌的神经元称为α-运动神经元，其分支末端与单个肌纤维表面通过称为运动终板的特殊结构接触；它们共同构成神经肌肉接头。运动神经元轴突末梢含有大量含有神经递质乙酰胆碱的囊泡。乙酰胆碱通过胞吐作用从囊泡中释放出来。当动作电位到达突触前膜时，由于电压门控Ca2+通道的开放，Ca2+离子的通透性增加，导致乙酰胆碱胞吐释放增加。乙酰胆碱扩散穿过神经细胞和肌肉细胞之间的突触间隙，刺激突触后膜上的大量受体，进而产生足以触发肌纤维动作电位的终板电位，随后引起肌纤维收缩。30等长收缩是指肌肉两端保持固定距离，刺激肌肉时肌肉内部产生张力，但肌肉长度不变。等张收缩是指肌肉一端可以自由活动，肌肉在施加恒定力的同时缩短。实际上，大多数肌肉收缩都由等长收缩和等张收缩组成。3117个运动单位、募集和汇总单个α-运动神经元及其支配的所有肌纤维称为运动单元。肌肉中α-运动神经元的数量与骨骼肌纤维总数的比例，在眼外肌等涉及精细平滑运动的肌肉中较小（1:5），而在臀大肌等需要产生强大但粗糙运动的肌肉中较大（1:>1000）。肌纤维分为三种类型：慢速氧化型（I型）、快速氧化糖酵解型（IIA型）和快速糖酵解型（IIB型）。在分级收缩过程中，运动单元的募集顺序是最小的细胞先放电，最大的细胞最后放电（大小原则）。收缩力不仅受运动单元募集数量的控制，还受运动单元放电频率的控制。产生的张力取决于一个称为总和的过程。如果肌肉纤维以更快的频率反复受到刺激，就会产生持续收缩，这称为强直收缩。强直收缩产生的张力远大于神经和肌肉受到单次、两次或三次刺激时的最大张力。3218心肌和平滑肌心肌（心肌层）呈横纹状，由分支状的肌细胞构成。收缩始于心脏内部，并受自主神经系统调节。其收缩调节机制与骨骼肌相似，区别在于导致细胞内钙离子（Ca²⁺）浓度升高的机制。心肌细胞间的闰盘含有桥粒，用于结构连接；间隙连接由连接子构成，提供电信号。这使得心肌收缩能够同步进行。心肌被称为功能性合胞体。平滑肌没有横纹，因为肌动蛋白和肌球蛋白丝的排列并不规则。它在许多组织中发挥着非自主和维持体内平衡的功能，细胞大小差异很大。平滑肌的收缩速度比心肌慢得多，而且可以长时间维持（强直性收缩），能量消耗也很低。单一单元平滑肌含有大量缝隙连接，因此肌束能够同步或以节律性波状收缩。自主神经因此可以控制整个肌束。例如肠道、血管和膀胱。多单元平滑肌不含缝隙连接，每个细胞都由独立的神经支配，从而实现精确控制。例如眼部的睫状肌和皮肤的立毛肌。33不同类型的平滑肌神经控制各不相同，取决于神经支配类型（交感神经、副交感神经）、神经递质和受体。平滑肌功能也受到激素、局部介质（例如前列腺素、一氧化氮）、代谢物和pH值的强烈调节。平滑肌不含肌钙蛋白。相反，Ca²⁺与钙调蛋白结合，激活肌球蛋白轻链激酶(MLCK)；MLCK磷酸化肌球蛋白轻链(MLC)引起收缩。MLC被肌球蛋白轻链磷酸酶(MLCP)去磷酸化，因此抑制MLCP可增强收缩。许多药物通过同时提高Ca²⁺浓度和抑制MLCP来收缩平滑肌。3419心血管系统概论心血管系统由心脏和血管组成，负责将气体、营养物质、激素和热量输送到全身。心血管系统的大部分器官呈并联排列，但心脏和肺是串联的。门静脉循环将血液从一个器官输送到另一个器官，例如肝门静脉系统，将血液从肠道输送到肝脏。心脏是一个四腔泵，自身带有起搏器。静息状态下心输出量约为5升/分钟，运动时则超过20升/分钟。静息状态下，每搏输出量（每次心跳射出的血液量）约为70毫升。心室负责泵血；心房辅助心室充盈。瓣膜维持血液单向流动。心脏收缩期称为收缩期，舒张期（心脏放松和充盈期）称为舒张期。左心室收缩期压力上升至约120mmHg，血液被泵入主动脉。动脉血压以收缩压/舒张压表示（例如110/80mmHg），其中舒张压是指收缩前的压力。收缩压与舒张压之差即为脉压。平均动脉压（MAP）的计算方法为舒张压加上脉压的三分之一。35血管内壁覆盖着内皮细胞，这些细胞会释放重要的介质。除极少数血管外，其余血管都含有平滑肌。大动脉富有弹性，在收缩期储存能量，并在舒张期用于部分维持血压。它们进一步分支成较小的肌性阻力动脉，其中最小的称为小动脉。这些小动脉控制着血液流经组织中密集的毛细血管网络。毛细血管汇聚成小静脉，再汇聚成静脉。气体和液体交换发生在毛细血管和小静脉（交换血管）中，这些血管不含平滑肌。静脉壁比动脉薄，平滑肌含量更少，因此顺应性（弹性）更大。大静脉含有瓣膜，并作为容量血管，容纳大部分血容量。腔静脉将血液送回右心房。肺循环阻力低、压力低（约20/15mmHg）。血液从右心室经肺动脉进入肺部，并在肺泡周围的毛细血管中进行气体交换。含氧血液经肺静脉返回左心房。肺部的代谢需求由独立的支气管循环满足，该循环的血液来自主动脉。3620心脏心脏由两个厚壁心室和两个薄壁心房组成，心室与心房之间由纤维环分隔，纤维环起到电隔离和心脏瓣膜附着的作用。心脏内部覆盖着心内膜（类似于内皮），外部覆盖着心外膜。心脏瓣膜被动运作，由结缔组织构成，外覆心内膜或心外膜。房室瓣分隔心房和心室（右心房：三尖瓣，三个瓣叶；左心房：二尖瓣，两个瓣叶）。乳头肌腱防止血液外翻进入心房。半月瓣防止血液在舒张期回流到心室（右侧：肺动脉瓣；左侧：主动脉瓣）。心跳由右心房窦房结细胞的自发性去极化启动；心率受自主神经调节。动作电位通过心肌细胞间的缝隙连接传递至心脏其他部位。纤维环阻止动作电位直接传递至心室。37冲动从心房经由房室结（AVN）传导至心室；其缓慢的传导使得心房收缩和心室充盈能够在心室收缩开始前完成。冲动从房室结迅速传导至希氏束和浦肯野纤维中粗大的、传导速度快的细胞，到达心室内部，然后向外穿过心肌，引起心肌收缩。心脏去极化波会引起局部电流，这些电流可以通过体表电压变化（心电图，ECG）检测到。体表任何一点的电压大小取决于肌肉质量和去极化波的方向——因此，心电图上的电压是矢量。冠状动脉起源于主动脉窦，并汇入广泛的毛细血管网。大部分血液经冠状窦回流至右心房；部分血液流入心腔。在收缩期，心肌收缩压迫冠状动脉，抑制血流；这种效应在左心室最为显著，因为左心室压力等于或高于冠状动脉压力。因此，超过85%的左心室灌注发生在舒张期。3821心动周期搏出量：每次心跳泵出的血液量；心输出量：每分钟的血液量。射血分数是搏出量占舒张末期容积的比例；正常值约为60%。心房收缩完成了心室充盈的最后约15-20%，并伴随着心房和静脉压力的波动。心室收缩开始时，心室压力升高导致房室瓣关闭，产生第一心音（S1）。随后是短暂的等容收缩期，之后心室压力升高到足以打开半月瓣。压力升高导致房室瓣向心房内凸出，产生心房和静脉压力的c波。半月瓣的开放启动快速射血，随后射血速度减慢。当心室激活终止时，心室压力降至动脉压以下，导致半月瓣关闭，产生第二心音（S2）。随后是短暂的等容舒张期，之后心室压力降至心房压以下，此时房室瓣开放，心室开始快速充盈。心房压和静脉压的v波反映了房室瓣开放前静脉压的瞬间升高。39心室压力-容积环是压力与容积的关系图；其面积代表单次心跳所做的功。它受心室收缩力和顺应性以及影响充盈或射血的因素（例如中心静脉压、后负荷）的影响。第三心音（S3）与心室快速充盈相关，常见于年轻人、运动时或充盈压升高时（例如心力衰竭）。第四心音（S4）仅在心房收缩期充盈压升高时可闻及。心脏杂音是由血液湍流引起的，可能是由于瓣膜狭窄（变窄）或反流（漏血）所致。4022心跳的启动和兴奋-收缩耦合心肌细胞去极化至电压门控钠离子通道的阈值时，心室肌动作电位（AP）启动，导致钠离子通道激活并产生快速的AP上升沿。初始去极化是由相邻已去极化的心肌细胞通过间隙连接传递的电流引起的。由于L型电压门控钙离子通道的激活和钙离子内流（平台期），动作电位持续时间约为300毫秒，而神经或骨骼肌中不存在这种现象。相比之下，窦房结（SAN）和房室结（AVN）的动作电位上升缓慢，这是由于仅激活L型钙离子通道，而不激活钠离子通道所致。由于外向钾离子电流的缓慢衰减和内向（去极化）电流（I_F）的存在，窦房结（SAN）和房室结（AVN）会自发去极化（起搏电位）；当电位达到L型通道的阈值时，动作电位（AP）就会启动。窦房结起搏电位的衰减速度最快，因此决定了心率。副交感神经兴奋（乙酰胆碱）会减慢这一过程，而交感神经兴奋和肾上腺素（肾上腺素）则会加快这一过程（正性变时药）。Ca2+内流触发心肌收缩。然而，它仅占胞质Ca2+升高的约25%。Ca2+通过T小管中的L型通道进入细胞，导致局部Ca2+升高，进而激活肌浆网(SR)中的Ca2+释放通道，使储存的Ca2+进入胞质(Ca2+诱导的Ca2+释放；CICR)。41收缩末期，Ca2+通过Ca2+ATPase（SERCA）迅速被螯合回肌浆网（SR）。进入细胞的Ca2+则在Na+电化学梯度的驱动下，通过膜上的Na+-Ca2+交换器（NCX）缓慢移除；这一过程在舒张期持续进行。就能增加心肌收缩力的因素被称为正性肌力药物。交感神经兴奋和去甲肾上腺素（去甲肾上腺素）通过激活β-肾上腺素能受体并增加cAMP水平，从而增加Ca²⁺经L型通道的内流，进而增强心肌收缩力。强心苷（例如地高辛）抑制Na⁺泵，从而降低驱动NCX的Na⁺梯度；因此，从细胞中移除的Ca²⁺减少。心率加快意味着舒张期Ca²⁺移除时间缩短，因此心肌收缩力增加（阶梯效应）。4223心输出量的控制和斯塔林心脏定律心输出量（CO）受充盈压（前负荷）、心肌收缩力和后负荷的影响，而这些因素又受自主神经系统（ANS）的调节。心脏和血管系统串联且相互依存；除短暂差异外，静脉回流必须等于心输出量。心室充盈压（EDP）决定心室舒张末期容积（EDV），进而决定心室壁的扩张程度。这会影响心室收缩力（心脏的斯塔林定律）。EDP与每搏输出量之间的关系即为心室功能曲线或斯塔林曲线。在正常EDP下，该曲线较为陡峭，因此EDP的微小变化会导致心室收缩力的显著变化。斯塔林定律的关键意义在于它能够使左右心室的输出量保持平衡。右心室充盈压（或中心静脉压）的升高会相应地影响左右心室，从而增加心输出量。自主神经系统通过对心率和心肌收缩力、动脉血管收缩（增加外周阻力和后负荷）和静脉收缩（降低静脉顺应性，动员血液并增加中心静脉压）来调节心输出量。43中心静脉压(CVP)升高会阻碍静脉回流，因为它会降低动静脉压差。血管功能曲线显示了CVP与静脉回流之间的关系。然而，心输出量(CO)必须等于静脉回流量。需要注意的是，中心静脉压(CVP)的任何升高都会增加心输出量（斯塔林定律），从而导致动脉压升高。因此，即使CVP升高，驱动血液流经组织的动静脉压差也会增大。通过将血管功能曲线与心室（或心脏）功能曲线绘制在同一坐标轴上，可以看出，平衡状态只能在两条曲线的交点处达到，即心输出量(CO)=血管阻力(VR)处（盖顿分析）。这可以用来展示心脏和血管功能是如何相互整合的，以及扰动（例如使用正性肌力药物、血管扩张剂、中心静脉压升高）如何导致新的平衡状态的出现。4424血管动脉和静脉有内层（内膜），含有内皮细胞；中层（中膜），含有平滑肌细胞；外层（外膜），含有胶原蛋白、神经和成纤维细胞。毛细血管和毛细血管后血管小静脉缺乏平滑肌和神经，由基底膜上的内皮细胞构成。毛细血管有三种类型：按通透性递增的顺序，它们分别称为连续毛细血管、有孔毛细血管和不连续毛细血管（或窦状毛细血管）。血管收缩剂通过激活磷脂酶C产生肌醇1,4,5-三磷酸（IP₃）和二酰甘油（DAG），并伴随去极化作用。IP₃导致肌浆网释放Ca²⁺；去极化激活电压门控Ca²⁺通道，促进Ca²⁺内流。两者均可提高细胞内[Ca²⁺]浓度，从而促进血管收缩。许多血管收缩剂还会引起Ca2+敏化（Ca2+浓度每升高一点，收缩力就更大），这是由于Rho激酶抑制了肌球蛋白磷酸酶所致。平滑肌松弛通常是由增加环磷酸鸟苷（cGMP）或环磷酸腺苷（cAMP）的刺激引起的。这些第二信使通过蛋白激酶的作用，将钙离子螯合到肌浆网（SR）并从细胞中移除，从而降低细胞内钙离子浓度（[Ca2+]）。45内皮细胞在局部介质、拉伸和血流的作用下释放重要的血管活性化合物。这些化合物包括血管舒张剂一氧化氮（增加平滑肌cGMP）和前列环素（增加cAMP），它们都能抑制止血；以及血管收缩剂，如内皮素-1和血栓素A2。4625血压和血容量的控制组织通过改变自身阻力来控制血液供应。这需要调节驱动力——平均动脉压（MAP）。MAP=总外周阻力（TPR）×心输出量；心输出量取决于中心静脉压（CVP），进而取决于血容量。压力感受器反射：平均动脉压（MAP）由颈动脉窦和主动脉弓处的压力感受器（牵张感受器）感知。MAP下降会降低压力感受器活性，并减弱传入脑干的传入神经的放电。传出交感神经活性增强，导致心率和心肌收缩力加快，外周血管收缩，总外周阻力（TPR）升高，以及静脉收缩，从而导致中心静脉压（CVP）升高。副交感神经活性降低也会导致心率加快。压力感受器反射对于MAP的短期调节至关重要，例如在运动和体位改变期间，并且有助于MAP的长期控制。维持平均动脉压（MAP）和血容量长期稳定的关键机制在于调节肾脏对钠离子（Na+）和水的排泄。MAP下降会降低肾灌注压，并通过压力感受器反射引起肾入球小动脉收缩，从而减少钠离子和水的滤过和排泄。交感神经兴奋激活肾素-血管紧张素系统，增加血管紧张素II的水平，导致外周血管收缩，并促进醛固酮的释放，从而促进肾脏对钠离子的重吸收。47静脉-心房交界处和心房内的牵张感受器能够感知血容量的变化。血容量下降会激活交感神经系统，进而激活肾素-血管紧张素系统，引起血管收缩。同时，下丘脑会释放抗利尿激素（ADH），增强肾脏对水的重吸收。心房释放的心房利钠肽减少，也导致钠离子重吸收增加。ADH和血管紧张素II会刺激口渴感。心血管休克是一种急性病症，当身体血液供应不足时就会发生，通常伴有平均动脉压下降。最常见的原因是出血（低血容量性休克）；其他原因包括严重的血管扩张（低阻力性休克、过敏反应）和急性心力衰竭（心源性休克）。失血量小于20%时，可通过压力感受器反射来对抗，该反射可动员容量血管中的血液并维持平均动脉压（MAP）。随着体液从组织转移到血浆，尿液生成受到抑制，抗利尿激素（ADH）和血管紧张素II刺激口渴，血容量可在24小时内恢复。失血量较大（30-50%）可通过输血在约1小时内恢复。此后，由于组织缺血、毒素和酸性环境，可能发展为不可逆性休克，进而导致多器官功能衰竭。4826微循环、过滤和淋巴系统微循环由终末小动脉和交换血管（毛细血管和小静脉）组成。流入微循环的血流受交感神经系统和局部代谢产物的调节。大多数毛细血管是连续的，内皮细胞之间紧密连接，对蛋白质的通透性相对较低，但允许水、离子和小分子通过。由于存在孔隙（窗孔），有孔毛细血管的通透性是连续毛细血管的10倍，常见于关节、肠道和肾脏。不连续（窦状）毛细血管的间隙足够大，允许血细胞通过（例如骨髓、脾脏和肝脏中的毛细血管）。体液在交换血管中的流动取决于静水压和胶体渗透压之间的平衡。静水压梯度驱动水从毛细血管流出（滤过），而胶体渗透压梯度则将水吸入毛细血管（吸收）。胶体渗透压梯度取决于血浆和组织液中蛋白质浓度的差异。体液在血管壁间的流动（流动）可用斯塔林方程描述：流量=(毛细血管压力–组织间液压力)–σ(血浆胶体渗透压–组织间液胶体渗透压)。胶体渗透压差约为17mmHg。σ为反射系数。49全身的这些梯度保持平衡，每日净滤过量仅约8升。失衡会导致滤过过多，并在组织中积聚液体（水肿）。炎症会引起水肿，因为它会增加毛细血管通透性，使蛋白质渗漏到组织间隙。静脉压升高也会导致水肿，例如，长时间站立不动腿部会阻碍肌肉泵的正常运作，导致局部静脉压升高，从而使腿部肿胀。淋巴系统将微循环过滤后的体液返回血液。淋巴毛细血管是内衬内皮细胞的盲管，允许体液、蛋白质和细菌进入。它们汇合成较大的淋巴管，淋巴管内含有平滑肌和单向瓣膜，最终到达淋巴结。在淋巴结中，细菌和其他异物被吞噬细胞清除。淋巴系统对肠道脂质吸收至关重要。5027局部血流控制和特定循环自身调节涉及肌源性反应和血管舒张代谢物。组织代谢增加会导致局部代谢性血管舒张（充血）因子增加，例如腺苷、钾离子和高碳酸血症。内皮细胞在局部介质、拉伸和血流的作用下释放血管活性化合物。这些化合物包括一氧化氮（增加平滑肌cGMP）和前列环素（增加cAMP），以及血管收缩剂，如内皮素-1和血栓素A2。骨骼肌：静息状态下消耗15-20%的心输出量，运动时可达80%。运动时，由于肌肉释放钾离子（K+）、二氧化碳（CO2）和腺苷，导致代谢性充血，从而激活毛细血管。这种激活作用会抑制运动肌肉的交感神经血管收缩；后者会减少非运动肌肉的血流量，从而维持心输出量。脑：约占心输出量的15%。脑毛细血管内皮细胞连接紧密，并含有多种转运蛋白，能够严格调控脑脊液（血脑屏障）的成分。脑血流量的自身调节能力很强，能够在很宽的血压范围内维持稳定的血流量。二氧化碳和钾离子是脑血流量特别重要的代谢调节因子。51冠状循环：心脏代谢需求高，毛细血管网密集。它可以从血液中提取约70%的氧气。心脏通过强烈的代谢性充血来控制血流。运动时，腺苷、钾离子和缺氧会增加灌注，并抑制交感神经介导的血管收缩。循环中的肾上腺素（肾上腺素）通过β2-肾上腺素能受体引起血管舒张。肺循环：不受自主神经或代谢控制。最重要的机制是低氧性肺血管收缩（HPV），即小动脉在低氧条件下收缩（肺部特有）。HPV将血液从通气不良的区域分流，从而维持通气/血流比。5228呼吸系统概论左肺有两个肺叶，右肺有三个肺叶；它们都被脏层胸膜覆盖，脏层胸膜与覆盖胸腔的壁层胸膜相连。胸膜之间的空间充满胸膜液。气管和支气管含有软骨和平滑肌。较小的细支气管（<1毫米）不含软骨。终末细支气管通向呼吸性细支气管，呼吸性细支气管最终通向肺泡囊，肺泡囊构成肺泡，肺泡内仅含有上皮细胞。气管、支气管和细支气管内衬纤毛柱状上皮细胞，并含有分泌黏液的杯状细胞和黏膜下腺。黏液纤毛清除功能将黏液和碎屑排出至口腔。肺泡内含有薄层鳞状上皮细胞（I型肺泡细胞），这些细胞与肺毛细血管共同构成气体交换表面（肺泡-毛细血管膜）。少量II型肺泡细胞分泌表面活性物质。主要的呼吸肌（例如膈肌、肋间肌）负责吸气，扩张胸廓，将空气吸入肺部。呼气通常是被动的，依靠肺和胸壁的弹性回缩。潮气量：正常呼吸时吸入的空气量；肺活量：最大潮气量；吸气储备量和呼气储备量：分别为静息状态与最大吸气量和最大呼气量之差；肺总量：最大吸气时的肺容量；残气量：最大呼气后的肺容量。53功能残气量是指正常呼吸结束时，肺部肌肉放松时的肺容量。它取决于肺向内回缩和胸壁向外回缩之间的平衡。胸膜液将肺与胸壁连接起来，因此胸膜腔内压为负压。死腔：气道内不参与气体交换的空气体积。解剖死腔包括除呼吸性细支气管和肺泡以外的所有空间。肺泡死腔包括不能进行气体交换的肺泡（通常为零）。生理死腔是解剖死腔和肺泡死腔之和。5429肺力学指在无气流的情况下，肺容积因肺壁扩张压（跨壁压）变化而发生的变化。跨壁压等于肺泡压减去胸膜内压。静态肺顺应性可通过压力-容积曲线中最陡峭部分的斜率来测量。动态肺顺应性是在正常呼吸过程中测量的，其中包括与气道阻力（气流阻力）相关的因素。肺泡内壁液体的表面张力会导致肺部僵硬，使肺泡容易塌陷，并将毛细血管中的液体吸入肺泡。II型肺泡细胞分泌的表面活性物质可以降低表面张力，从而减轻或阻止这些影响。气道对气流的阻力（气道阻力）取决于其半径（泊肃叶定律）。支气管收缩和黏液分泌都会增加气道阻力。副交感神经和炎症介质可引起支气管收缩，而交感神经兴奋和β2-肾上腺素能受体激动剂则可引起支气管扩张。用力呼气会增加胸膜腔内压和肺泡压，从而迫使空气流向口腔。当肺部完全充气时，呼气过程与用力程度相关。然而，在呼吸末期，胸膜腔内压可能超过小支气管内压，导致小支气管塌陷，从而阻碍气流。此时，呼气过程与用力程度无关。55肺容量用肺活量计测量。峰值呼气流速(PEFR)会随着气道阻力的增加而降低（例如哮喘）。用力呼气容积(FEV1)随时间变化的曲线图可得出用力呼气容积(FVC)，而1秒内呼出的气体量(FEV1)则反映了气道阻力。通常用FEV1/FVC来表示，以校正肺容量的影响。FEV1/FVC低提示阻塞性疾病（气道阻力增加），而肺顺应性降低（限制性）会同时降低FEV1和FVC，因此FEV1/FVC可能不变甚至增加。5630气体的输送和气体定律混合物中某种气体的分数浓度(F)反映了其摩尔数，例如，干燥空气的F0为0.21。混合物中某种气体的分压是指该气体所施加的总压力的比例。因此，在大气压下的干燥空气中，PO2=0.21×110kPa=21.2kPa。水蒸气与其他气体一样，在37ºC时饱和水蒸气压为6.3kPa。吸入的空气会迅速被水蒸气饱和，因此水蒸气会稀释其他气体。因此，PO₂将降低至0.21×(110−

6.3)=19.9kPa。气体体积和分压必须标准化，通常标准化为标准温度和压力干燥（STPD；0ºC，101kPa，干燥气体）或体温和压力饱和（BTPS；37ºC，101kPa，水饱和）。溶解在液体中的气体量取决于该气体在其上方空气中的分压以及该气体在该液体中的溶解度。不同气体的溶解度不同，例如，二氧化碳在水中的溶解度是氧气的20倍，因此，如果它们的分压相同，则液体中二氧化碳的含量将是氧气的20倍。气体通过肺泡-毛细血管膜的流速=通透性×面积×（该气体的分压差）。通透性取决于膜厚度、气体分子量和在膜中的溶解度。二氧化碳比氧气更容易穿过膜，因为它更易溶于脂质。57肺部气体交换过程中，面积和通透性共同决定了扩散能力（DL）。因此，O₂交换速率=DL/O₂×（肺泡氧分压）−

肺毛细血管PO2）。DLO2有时被称为转移因子，可以使用低浓度的CO来估算，因为CO会立即与血液中的血红蛋白结合，因此肺毛细血管PCO实际上是零。二氧化碳的转运速率仅受交换膜的限制，因为在低浓度下，二氧化碳无法使血红蛋白饱和（扩散限制）。然而，氧气溶解度很低，且由于其含量丰富，因此能迅速使血红蛋白饱和。因此，如果血流量增加，氧气的转运速率也会增加，因为更多的脱氧血红蛋白被带入（灌注限制）。5831血液对氧气和二氧化碳的运输氧气溶解度低，大部分由红细胞中的血红蛋白（Hb）携带。正常情况下，血红蛋白浓度为150g/L时，血液最多可携带200mL/L的氧气（氧容量）。实际氧气含量取决于氧分压（PO₂）和氧饱和度（含量/氧容量×100）。每个血红蛋白分子以协同方式结合四个氧分子；因此，氧气与血红蛋白的解离曲线陡峭且呈S形。高氧分压(PO₂)促进肺部氧气与血红蛋白(Hb)的结合，而低氧分压(PO₂)则促进氧气释放。酸性pH值、二氧化碳分压(PCO₂)升高（波尔效应）、温度升高以及代谢产物2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)的存在，均会导致解离曲线右移，从而促进氧气释放。这些因素均存在于活跃的组织中。肺部则发生相反的变化。二氧化碳以碳酸氢盐（60%）、氨基甲酸酯（30%）和溶解于血浆的形式从组织中运输出来。二氧化碳与水结合生成碳酸（H₂CO₃），碳酸在红细胞中经碳酸酐酶加速生成碳酸氢盐：CO₂+H₂O→H₂CO₃

HCO3–+H+。HCO3–从红细胞扩散出来，与Cl–交换（氯离子转移）。59H⁺与脱氧血红蛋白结合，因此HCO₃⁻的生成不会因[H⁺]的升高而受阻。H⁺与氧合血红蛋白的结合力较弱，因此[H⁺]的升高会使上述方程式向左移动，从而促进肺部CO₂的排出。这一过程有助于霍尔丹效应的产生：在任何PCO₂值下，氧合血中的CO₂含量均低于脱氧血中的CO₂含量。二氧化碳与蛋白质氨基（氨基甲酸酯）反应。血红蛋白是血液中最常见的此类蛋白质，但脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白更容易形成氨基甲酸酯血红蛋白，从而导致霍尔丹效应。过度通气定义为二氧化碳分压(PCO₂)<5.3kPa，通气不足定义为PCO₂>5.9kPa。运动时呼吸急促并非过度通气。过度通气期间PCO₂下降（低碳酸血症）会导致头晕、脑血管收缩（视觉障碍）和肌肉痉挛（手足搐搦）。通气不足会导致PCO₂升高（高碳酸血症）和PO₂降低（低氧血症）。6032呼吸控制呼吸模式和频率由位于脑干脑桥和延髓的弥散神经元组成的中枢模式发生器控制。它受到众多下行输入（温度、情绪等）和上行输入（化学感受器、肺感受器等）的调节。延髓呼吸神经元群驱动呼吸肌运动神经元。自主控制则通过锥体束中的皮层运动神经元实现。化学感受器检测动脉血二氧化碳分压(PCO₂)、氧分压(PO₂)和pH值。PCO₂升高会导致通气量近乎线性增加。酸中毒时，通气量与PCO₂的关系曲线向左偏移（在给定PCO₂值下通气量更高）；碱中毒时，通气量与PCO₂的关系曲线向右偏移。PO₂仅在低于约8kPa时才会刺激通气，但PO₂下降和PCO₂升高对通气具有协同作用。中枢化学感受器由延髓中弥散分布的神经元组成，它们对局部脑脊液(CSF)pH值的变化做出反应。由于极性分子（例如H+）无法从血液穿过血脑屏障，而CO2可以，因此根据亨德森-哈塞尔巴赫方程，脑脊液pH值主要由动脉血二氧化碳分压(PCO2)决定（而非pH值）。中枢化学感受器对氧分压(PO2)的变化没有反应。61外周化学感受器：颈动脉体位于颈总动脉分叉处，由颈动脉窦和舌咽神经支配；主动脉体的重要性较低。它们含有化学感受器。球状细胞（I型）和鞘细胞（II型）。外周化学感受器对PCO2、H+和PO2有反应。肺部的牵张感受器和呼吸肌中的本体感受器向脑干提供有关肺部充气程度以及呼吸肌位置和负荷的信息。它们对于匹配负荷、维持最佳潮气量和呼吸频率至关重要。牵张感受器还负责赫林-布鲁尔吸气反射（肺部充气抑制吸气）。肺旁（J）受体受液体增多、水肿、微栓塞和炎症刺激。它们引起呼吸急促浅促、心率和血压下降、喉部收缩和骨骼肌松弛。刺激性受体的激活引起支气管和喉部收缩、咳嗽和呼吸过速。刺激性气体、烟雾和灰尘、快速大幅度的肺泡充气和放气、气道变形、肺充血和炎症均可刺激这些受体。6233通气/灌注匹配和右向左分流当肺泡通气量(VA)与肺灌注量(Q)相匹配时，即通气灌注比(VA/Q)=1，即可获得最佳气体交换。与1的显著偏差称为通气灌注失配，例如，分流可导致通气灌注失配。肺部高通气/血流比（VA/Q）区域无法补偿低通气/血流比区域，因为增加通气量并不能提高氧气含量——血红蛋白已经饱和。当高通气/血流比区域的血液与低通气/血流比区域的血液混合时，混合血液的氧气含量和氧分压（PO2）始终较低。二氧化碳分压受通气/血流比失衡的影响并不像二氧化碳分压那么显著，因为额外的通气会增加二氧化碳的排出，而二氧化碳分压的任何升高都会刺激通气。因此，显著的通气/血流比失衡通常会导致动脉血氧分压降低，而二氧化碳分压正常或偏低。低氧性肺血管收缩通过将血液从通气不良的区域转移，有助于维持通气/血流比。63重力导致肺底部的血压和血流高于肺顶部。重力还会影响胸膜内压，因此肺底部的肺泡扩张程度较小，但扩张能力却比肺顶部的肺泡更强；所以肺底部的通气量最大。这些对灌注和通气的影响并不能完全抵消，因此肺顶部的通气/血流比值最高，肺底部的通气/血流比值最低。来自支气管和冠状动脉循环的部分静脉血在离开肺部后重新汇入循环系统，稀释含氧血。这种解剖学上的右向左分流通常小于心输出量的2%。当肺部某些区域通气不足（例如肺炎）或存在心脏畸形时，会出现更大的分流。右向左分流的血液含有静脉血的氧含量，稀释了来自肺部其他部位的含氧血液，导致动脉血氧含量降低，进而导致氧分压（P_O2）降低（参见氧解离曲线）。高二氧化碳分压（PCO₂）和低氧分压（P_O2）会增加通气量以降低PCO₂，但由于含氧血液中的血红蛋白已经饱和，无法纠正P_O2或氧含量。因此，右向左分流会导致动脉血氧分压降低，而PCO₂正常或偏低。6434肾脏系统简介鲍曼囊收集来自肾小球毛细血管的滤液，并将其输送至近端小管。肾单位随后进入髓质，形成亨利氏袢的降支和升支，之后以远端小管的形式返回皮质，远端小管与集合管汇合，集合管穿过髓质到达肾盏。肾单位的管壁由上皮细胞构成，这些细胞调节溶质和水的重吸收和分泌。近端小管由柱状上皮细胞构成，这些细胞通过紧密连接相互连接，管腔内有微绒毛，管缘有刷状缘，管周有小管。指状突起相互交错，以增加表面积。近端小管的主要功能是重吸收。亨利氏袢的细段由扁平鳞状细胞构成，而粗段升支则由柱状上皮细胞构成，但微绒毛较少。肾单位重新进入肾皮质后，会穿过肾小球旁器，其壁上含有致密斑细胞。亨利氏袢对于浓缩尿液的生成至关重要。65远曲小管和皮质集合管由柱状上皮细胞构成。随着肾单位延伸至集合管，这些主细胞与闰细胞交错分布，闰细胞在酸碱平衡中发挥作用。集合管对维持水稳态至关重要。入球小动脉和出球小动脉的相对阻力决定了血液流经肾小球毛细血管的压力和流量，从而决定了肾小球的滤过率。血管活性药物可能对入球小动脉和出球小动脉产生不同的作用。出球小动脉在近端和远端肾小管周围形成密集的毛细血管网；部分出球小动脉向下进入肾髓质，形成直血管，这是肾髓质唯一的血液供应。肾脏具有很强的自身调节能力。多种激素对肾功能有显著影响（抗利尿激素、肾素、血管紧张素II、醛固酮）。肾素在肾小球旁器分泌，促红细胞生成素（刺激红细胞生成）在肾皮质分泌。维生素D在肾脏代谢为活性形式。前列腺素在肾脏产生，并影响肾血流量。6635肾脏滤过人类的肾小球滤过率(GFR)为~125mL/min，肾血浆流量为~600mL/min；因此，滤过分数约为20%。滤过屏障由三部分组成：有孔的肾小球毛细血管内皮、具有带负电荷糖蛋白的特殊基底膜（超滤的主要部位）以及包裹毛细血管的足细胞足突之间的滤过裂隙。分子量小于7000Da的物质可以自由滤过。随着分子量增加，滤过率逐渐下降，直至分子量达到约70000Da，超过此值后滤过几乎可以忽略不计。带负电荷的物质滤过受到进一步限制。因此，滤液几乎不含蛋白质，但其他成分与血浆完全相同。肾小球滤过率(GFR)取决于血浆和滤液之间静水压和胶体渗透压的平衡；滤液不含蛋白质，因此其胶体渗透压为零。因此，GFR主要取决于肾小球毛细血管压力，由于入球小动脉和出球小动脉的排列方式，肾小球毛细血管压力较高（约48mmHg）。随着液体滤过，血浆中的蛋白质浓度和胶体渗透压升高，从而减少进一步的滤过。67清除率是指每分钟需要完全清除血浆中某种物质的体积，才能在尿液中产生该物质的量：=（尿液浓度×尿量）/血浆浓度。对于在肾单位中可自由滤过且既不被重吸收也不被分泌的物质（例如肌酐），其清除率称为肾小球滤过率（GFR）。完全通过过滤和分泌从血液中清除，静脉血中不残留任何物质（例如对氨基马尿酸）的清除率等于肾血浆流量（RPF）。肾血流量=RPF/(1–血细胞比容)。6836重吸收、分泌和近端小管肾单位中物质的重吸收和分泌涉及：由浓度、渗透或电梯度驱动的上皮细胞之间的细胞旁途径，或由顶端或基底外侧细胞膜上的主动运输驱动的跨细胞途径。原发性主动运输利用ATP泵送物质；其中最重要的是Na⁺-K⁺-ATP酶（钠泵）。继发性主动运输利用另一种物质（通常是Na⁺）的电化学梯度作为驱动力。同向转运蛋白将物质沿同一方向转运，反向转运蛋白则沿相反方向转运。离子通道和易化扩散促进物质跨细胞膜的扩散。某种物质在肾小管中的最大吸收或分泌速率称为肾小管转运最大值（T_m）。例如，葡萄糖通常在近端肾小管被完全重吸收；如果滤液中葡萄糖浓度升高到阈值以上（约11mmol/L），部分乃至全部葡萄糖转运蛋白会达到其T_m，因此葡萄糖会出现在尿液中。69近端小管重吸收60-70%的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、尿素和水，以及大部分葡萄糖、氨基酸、磷酸盐和碳酸氢盐。Na⁺主要通过Na⁺-H⁺交换器顺着其电化学梯度被重吸收至近端小管上皮细胞。Na⁺通过基底外侧膜上的Na⁺泵从上皮细胞泵回毛细血管。Na⁺-H⁺交换器将H⁺分泌到管腔中对于碳酸氢盐的重吸收至关重要。离子和碳酸氢根离子的重吸收会增加肾小管壁两侧的渗透压梯度，从而导致水通过跨细胞和细胞旁途径被动重吸收。这会增加肾小管内氯离子、钾离子、钙离子和尿素的浓度，这些离子会顺浓度梯度通过细胞旁途径扩散。由于近端肾小管中钠离子、氯离子、钾离子、钙离子和尿素的重吸收与水的重吸收偶联，因此尽管它们的量减少了约70%，但它们的浓度和渗透压与滤液相比保持不变。氨基酸通过钠离子偶联同向转运蛋白重吸收。磷酸盐也通过钠离子偶联同向转运蛋白重吸收，但由于其半衰期接近滤过负荷，血浆氧分压（PO₄³⁻）升高会导致其排泄。有机酸和碱（某些代谢产物和药物）则分泌到肾小管中。7037亨利氏袢和远端肾单位亨利氏袢和远端肾单位在髓质中产生高渗透压（高达~1400mosm/kgH2O1），这驱动集合管对水的重吸收，从而使尿液浓缩。这取决于差异通透性区域、主动转运和逆流倍增器。细降支可透水但不透尿素；细升支不可透水但可透尿素、Na⁺和Cl⁻。Na⁺、K⁺和Cl⁻在粗升支通过Na⁺-K⁺-2Cl⁻离子通道被主动重吸收。协同转运蛋白。顶端钾离子通道（ROMK）将钾离子泄漏回管腔，使其带正电荷，从而驱动阳离子的细胞旁重吸收。在不透水的粗升支中，离子的重吸收导致远曲小管早期管液呈低渗状态。水从降支扩散到浓度更高的间质液中，而钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl⁻）则从浓度更高的管腔液（位于不透水的升支）中扩散出来。这种逆流机制意味着，随着亨利氏袢下降到髓质，间质液的渗透压逐渐升高，形成强大的渗透梯度。集合管和升支之间尿素的循环利用进一步增强了这种渗透梯度，使得在亨利氏袢的末端，间质液的渗透压可达约1400mosmol/kgH₂O，这主要归因于等量的氯化钠（NaCl）和尿素。71直血管也形成逆流系统，因此皮质和髓质之间的渗透梯度不会消失。直血管将亨利氏袢和髓质集合管重吸收的水分排出体外。远曲小管和皮质集合管对水和尿素均不通透，除非存在抗利尿激素（ADH）。在ADH的作用下，水扩散进入间质和肾小管液，从而使尿液浓缩，在髓质集合管末端，其渗透压与该水平的间质液相同；在ADH浓度最高时，渗透压可达1400mosmol/kgH₂O。在ADH缺乏的情况下，尿液稀释（渗透压约为60mosmol/kgH₂O）。当肾小管液到达远曲小管时，大部分钾离子已被重吸收；钾离子的排泄受主细胞分泌的调节，而主细胞分泌的驱动力是胞质溶胶和肾小管液之间的浓度梯度。肾小管液流增加会冲走分泌的钾离子，从而增加浓度梯度，进而增加钾离子的分泌。醛固酮可增加钾离子的分泌，它能提高钠泵的密度和顶端钾离子的通透性。7238血浆渗透压和体液容量的调节渗透压感受器感知，刺激垂体后叶释放抗利尿激素（ADH）。ADH在下丘脑合成，储存在垂体中。ADH刺激口渴并促进水的重吸收。它与肾脏主细胞上的V2受体结合，促使水通道蛋白（水通道蛋白）整合到顶膜上。ADH还通过V1受体引起血管收缩。血浆渗透压、抗利尿激素（ADH）释放和尿渗透压之间的关系十分密切。ADH分泌达到峰值时，尿量可减少至约400mL/天，此时血浆渗透压最高约为1400mosmol/kgH₂O。ADH分泌不足时，尿量可达约25L/天，此时血浆渗透压最低约为60mosmol/kgH₂O。血浆渗透压的调节机制非常强大，通常优先于其他因素。综上所述，由于细胞外液渗透压主要取决于钠离子浓度（[Na+]），因此钠离子浓度的变化会导致细胞外液容量的变化，因为机体会通过补充或排出水分来维持渗透压。肾脏对体内钠离子浓度的控制是血液容量的主要调节机制。73心房和心肺牵张感受器可感知血容量的变化，动脉压力感受器也可间接感知血容量的变化。血容量下降会增强交感神经兴奋，导致外周血管收缩、水重吸收增加和肾素释放，所有这些都会刺激钠离子和水的潴留。交感神经兴奋或肾灌注压降低会导致肾小球旁器颗粒细胞释放肾素。肾素将血管紧张素原裂解为血管紧张素I，血管紧张素I再经血管紧张素转换酶（ACE）裂解为血管紧张素II。血管紧张素II是一种强效血管收缩剂，可增加近端肾小管对钠离子的重吸收，并刺激抗利尿激素（ADH）分泌、产生口渴感和醛固酮生成。醛固酮可增加主细胞中钠泵、钠通道和钾通道以及闰细胞中氢离子ATP酶的合成，从而增强钠的重吸收和钾的分泌。心房利钠肽由心房肌在血容量增加引起的扩张作用下释放；其作用是增加水和钠的排泄。7439酸碱平衡的控制缓冲液是弱酸（HA）或弱碱（A–），它们可以释放或接受H+。缓冲液对之间的比例由[H+]和解离常数(K)决定，如Henderson-Hasselbalch方程所述：pH=pK+log([A–]/[HA])。HCO3–和H2CO3（碳酸）是最重要的生理缓冲对；血红蛋白提供血液中约20%的缓冲作用；磷酸盐和铵盐允许大量H+从尿液中排出。HCO₃⁻中有80%在近端小管被重吸收。管腔内的HCO₃⁻与Na⁺-H⁺分泌的H⁺结合。反向转运蛋白将H₂CO₃与H₂O结合，生成H₂CO₃。H₂CO₃在碳酸酐酶的作用下迅速解离为CO₂和H₂O。CO₂扩散进入肾小管细胞，在那里重新结合生成H₂CO₃，H₂CO₃随后解离为H⁺和HCO₃⁻；HCO₃⁻通过Na⁺-HCO₃⁻转运蛋白转运至肾小管间质。同向转运蛋白。H+被有效回收利用。近端肾小管细胞代谢谷氨酰胺生成NH₃，NH₃可透过细胞膜进入管腔。在酸性条件下，NH₃会生成NH₄⁺，而NH₄⁺不能穿过细胞膜。在集合管中，分泌的H⁺与NH₃结合生成NH₄⁺，或与磷酸盐结合，从而有效地捕获酸，最终随尿液排出体外。75远曲小管分泌的H⁺促进剩余HCO₃^-的重吸收。H⁺的分泌最初主要通过Na⁺-H⁺交换，但在更远端，则通过闰细胞中的H⁺-ATP酶和H⁺-K⁺-ATP酶进行。这些细胞含有碳酸酐酶，可促进CO₂生成H⁺和HCO₃^-。H⁺分泌到肾小管内，而HCO₃^-则返回血液。中毒是指由二氧化碳分压(PCO₂)变化引起的pH值改变；代谢性酸中毒和碱中毒是指与PCO₂无关的pH值改变。呼吸性酸中毒可通过肾脏增加H⁺排泄和生成HCO₃⁻来代偿，从而使pH值恢复正常（肾脏代偿）。代谢性酸中毒可通过增加通气量和降低PCO₂来代偿（呼吸代偿）。7640消化道：概述和口腔消化道负责将食物分解成各个组成部分，以便被人体吸收。消化道的不同区域参与运动（运输）、储存、消化、吸收和废物排泄。这些功能受神经元、激素和局部调节机制的控制。咀嚼涉及牙齿、下颌肌肉、颞下颌关节、舌头以及其他结构（如嘴唇、腭和唾液腺）的协调活动。唾液由腮腺、颌下腺、舌下腺和小唾液腺分泌，在休息、进食和说话时都能湿润和润滑口腔。它还能溶解食物分子，使其与味蕾发生反应，帮助吞咽，启动复杂糖类的早期消化，并通过生物膜保护牙齿。唾液中还含有免疫球蛋白，对细菌感染具有保护作用。唾液分泌的控制依赖于反射反应，这些反应涉及味觉感受器、牙周韧带和黏膜中的机械感受器。进食时，嗅觉在唾液分泌中仅起次要作用。77吞咽过程分为多个阶段。只有第一阶段是自主的，涉及食物食团的形成。其余阶段都是反射反应，由第九和第十对脑神经传入神经刺激机械感受器引发。7841食道和胃在吞咽的食管期，上食管括约肌放松，允许食团通过。它立即关闭，食物通过称为蠕动的过程被推进到胃部。延髓中的吞咽中枢会产生一系列事件，导致躯体神经（支配骨骼肌）和自主神经（支配平滑肌）产生传出活动。食物通过下食管括约肌后进入胃，暂时储存在胃中。消化过程首先通过机械和化学作用，借助运动、胃酸和酶的作用完成。随后，食糜（半消化的食物）会按一定规律释放到小肠中。胃液分泌分为三个阶段：头期、胃期和肠期。头期是由食物的视觉、嗅觉、味觉和咀嚼引起的。食物进入胃部后，会刺激胃酸、胃蛋白酶原和黏液的分泌，进入胃期。这一阶段的主要刺激因素是胃的扩张和食物的化学成分。79胃期通常持续约3小时，食物转化为食糜，食糜通过开放的幽门括约肌进入小肠的第一部分——十二指肠。这是由于食糜刺激幽门窦扩张，随后幽门窦收缩所致。8042小肠小肠是消化食物和吸收消化产物的主要场所，它由十二指肠、空肠和回肠组成，是一根直径2.5厘米、长度约4米的管状器官。当食糜从胃进入十二指肠时，由于肠黏膜中的G细胞被激活，