精品课程生理学教案

Transcription

1 精品课程生理学教案 第一章绪论一 生理学的任务 1. 概念生理学 (physiology) 是研究生命活动规律的科学 * 功能 * 机制 * 调节 2. 生理学研究的三个水平 *. 细胞 分子水平研究细胞生命现象的基本物理化学过程, 如研究神经细胞的动作电位及其产生的离子机制 * 器官 系统水平研究各器官及系统的功能, 如研究心脏的泵血功能 呼吸节律的形成机制 * 整体水平研究器官系统之间的功能联系以及机体与环境之间的相互关系, 如研究环境温度对人体的影响 3. 生理学与医学生理学是医学科学的重要基础骨干课程, 学好生理学将为后续课程的学习奠定基础 生理学并不完全归属于医学科学, 它也是独立于医学的重要学科 4. 如何学好生理学深刻理解前后联系逻辑推理学习思维方式重视实验写好报告 二 生命的基本特征 1. 新陈代谢机体与环境之间不断进行物质交换和能量交换, 以实现自我更新的过程, 称为新陈代谢 新陈代谢是生命活动最基本的特征 生物体的基本结构单位细胞只有通过新陈代谢才能不断地获得更新 新陈代谢一旦停止, 生命便结束 2. 兴奋性生物体感受刺激产生反应的能力, 是生物体生存的必要条件 反应强到弱抑制 (inhibition) 弱到强兴奋 (excitation) 刺激三要素强度时间

2 强度时间变化率要引起组织兴奋, 强度 时间 强度时间变化率都必须达到一最小值 3. 适应性生物体对环境变化产生适应性反应的能力 人类不仅有被运适应, 还能主动适应 此外, 也有学者认为生殖是生命活动的基本特征之一 三 内环境和稳态 * 体液机体内的液体 60% 细胞内液 (intracellular fluid)40% 细胞外液 (extracellular fluid)20% 血浆 (plasma)5% 组织液 (interstitial fluid)15% * 内环境 (internal environment ) 细胞生活的体液环境, 即细胞外液 * 稳态 ( homeostasis) 内环境理化性质的相对恒定理化性质包括 : 温度 PH 渗透压 化学组成等目前, 稳态的概念扩展到其他的生命现象 泛指凡是通过机体自身的调节机制使某个生理过程保持相对恒定的状态, 如体温的相对稳定 四 生理功能的调节 * 神经调节 (nervous regulation) 反射是神经调节的基本形式 在中枢神经系统参与下, 机体对内 外环境变化发生有适应意义的规律性应答反应, 称为反射 反射的结构基础是反射弧 : 感受器 传入神经 中枢 传出神经 效应器 反射弧是一种开放回路, 但效应器内存在感受器, 能将效应器的活动信息反馈地回输到中枢, 及时调整中枢的活动 所以整体内的神经调节实际上是闭合回路 神经调节的特点是反应迅速 精确 局限 短暂 反射可区分为非条件反射和条件反射两大类 条件反射是后天获得的, 建立在非条件反射基础上, 其建立过程需要大脑皮层参与 reflex) * 体液调节 (humoral regulation) 是体液因素通过血液循环或其他体液途径送到全身各处, 对机体的各种生理功能活动进行调节的方式 包括由内分泌的激素参与的全身性体液调节, 以及由某些组织细胞产生的乳酸 组织胺等化学物质参与的局部体液因素调节两类 体液调节的特点是反应比较缓慢 持久而弥散 化学物质体液运输 * 自身调节 ( autoregulation)

3 是指器官 组织 细胞在不依赖于神经或体液调节的情况下自身对刺激产生的适应性反应不依赖神经 体液因素 例如, 平均动脉压在一定范围内变动时, 脑血管可通过自身调节机制改变其管径, 使脑血流量保持相对恒定 五 生理功能的自动控制 * 负反馈 (negative feedback ): 凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反, 对控制部分的活动起制约或纠正作用的, 称为负反馈 意义 : 维持稳态缺点 : 滞后 波动 * 正反馈 (positive feedback ): 凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同, 对控制部分的活动起增强作用的, 称为正反馈意义 : 加速生理过程 * 前馈 ( feed-forward ): 干扰信息直接通过感受装置作用于控制部分, 调整控制信息, 以对抗干扰信息对受 控部分的影响 调节具有前瞻性 思考题 1. 临床上进行高频电疗时, 尽管电流足够大, 为什么患者没有痛的感觉? 2. 在给患者进行肌肉注射时, 为什么要求进针 出针快, 推药慢?

4 3. 试述机体稳态的维持机制 参考文献 1. 姚泰主编. 生理学, 第五版, 北京 : 人民卫生出版社,2002 P47~74 2. 姚泰主编. 人体生理学, 第三版, 北京 : 人民卫生出版社, Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 10th ed, WB Saunders Co, Philadelphia, 2000 P382~429 4.Ganong WF. Review of medical physiology. 20th ed, McGraw-Hill publishing Co, New York, 1999 精品课程生理学教案 第二章细胞的基本功能 [ 目的要求 ] 1 了解细胞膜的分子结构, 掌握细胞膜的物质转运的形式和影响因素 2 掌握静息电位和动作电位的概念 特点和形成的离子机制, 并了解静息电位和动作电位形成的理论的主要证据 3 掌握局部兴奋特点和产生机制, 掌握动作电位的引起和兴奋在同一细胞上的传导机制及特点 4 了解神经- 骨骼肌接头的结构特点 掌握神经 - 骨骼肌接头兴奋传递过程, 熟悉影响神经 - 骨骼肌接头兴奋传递的主要因素及其临床意义 5 掌握肌肉收缩原理和前负荷 后负荷 肌肉收缩能力的概念, 熟悉前负荷 后负荷 肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响 [ 讲授重点 ] 1. 细胞膜的物质转运的形式和影响因素 2. 静息电位和动作电位的概念和形成的离子机制 3. 局部兴奋 动作电位的引起和兴奋在同一细胞上的传导机制 4. 神经 - 骨骼肌接头处的兴奋传递及影响因素 5. 肌肉收缩原理和前负荷 后负荷 肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响 [ 讲授难点 ] 1. 继发性主动转运 2. 静息电位和动作电位形成的离子机制 3. 前负荷 后负荷对肌肉收缩的影响 [ 教材 ] 生理学 (5 版 ), 姚泰主编, 人民卫生出版社,2000, 北京案例 : 某男性患者,16 岁, 近来运动后感到极度无力, 尤其是在进食大量淀粉类食物后加重 门诊检查血清钾正常 (4.5 meq/l), 但运动后血清钾明显降低 (2.2mEq/L), 经补钾治疗后症状缓解

5 1. 为什么低血钾会引起极度肌肉无力? 2. 为什么在进食大量淀粉后症状加重? 3. 血钾增高时对肌肉收缩有何影响? 为什么? 细胞是组成人体和其他生物体的基本结构单位和功能单位 体内所有的生理功能和生化反应都是在细胞及其产物的 物质基础上进行的 只有在了解细胞和细胞器的分子组成和功能的基础上, 才能阐明整个人体和各器官 系统的功 能活动及其机制 一 细胞膜的物质转运功能 ( 一 ) 细胞膜的结构 1. 细胞膜的分子组成主要由脂质 蛋白质和少量糖类组成 ( 图 2-1) 膜中脂质的分子数超过蛋白质分子数 100 倍以上 图 2-1 A 细胞膜的分子组成 B 磷脂的分子结构模式图 2. 液态相嵌模型 (fluid mosaic model) 以液态的脂质双分子层为基架, 其中镶嵌着具有不同分子结构和不同生理功能的球形蛋白质 ( 图 2-2) 图 2-2 细胞膜液态相嵌模型示意图 二 跨膜物质转运的方式

6 ( 一 ) 单纯扩散 (simple diffusion ) 概念 : 脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运 体内依靠单纯扩散通过细胞膜的物质只有脂溶性气体分子 O2 和 CO2 图 2-3 扩散示意图影响因素 : * 动力 : 浓度差 * 阻力 : 通透性 ( permeability ) 通透性 : 物质通过膜的难易程度浓度差增大 通透性增高, 扩散增大 ( 二 ) 易化扩散 (facilitated diffusion ) 1. 概念 : 在膜蛋白的帮助下物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运 2. 特点 : * 从高浓度到低浓度 * 特异性 * 受调节 3. 分类 : * 载体 ( carrier) 为中介的易化扩散 : 特点 : 结构特异性高 ; 有饱和现象 ; 有竞争性抑制现象 : 有饱和现象 * 通道 ( channel) 为中介的易化扩散 : 特点 : 有一定特异性, 但没有载体严格 ; 可以处于开放或关闭的不同功能状态, 其通透性变化快化学门控通道 (chemically-gated channel) 电压门控通道 (voltage-gated channel) 机械门控通道 (mechanically-gated channel)

7 4. 影响因素 离子的易化扩散 ( 三 ) 主动转运 ( active transport ) 1. 概念 : 通过细胞本身的耗能将物质从低浓度侧向高浓度侧跨膜转运被动转运 ( passive transport ) 单纯扩散 易化扩散 2. 分类 : * 原发性主动转运 (primary active transport ) 钠 - 钾泵 (sodium-potassium pump, 钠泵 ) * 继发性主动转运 (secondary active transport ) 钠 - 钾泵活动生理意义 * 胞内低 Na, 维持细胞体积 * 胞内高 K, 酶活性 ---- 新陈代谢正常进行 * 势能储备钠 钾的易化扩散继发性主动转运, 联合转运 (cotransport) 同向转运 (symport) 逆向转运 (antiport)

8 ( 四 ) 入胞 (endocytosis) 和出胞 (exocytosis) 入胞和出胞 : 大分子 团块, 需膜的运动 被动转运 主动转运 : 小分子 二 细胞的生物电活动 ( 一 ) 静息电位 (Resting potential, RP) 1. 概念安静状态下细胞膜两侧的电位差极化 (polarization): 外正内负, 膜两侧电位差等于 RP 去极化 (depolarization): 膜两侧电位差低于 RP 复极化 (repolarization): 由去极化恢复极化

9 超极化 (hyperpolarization): 膜两侧电位差高于 RP 证明 : 艿墓 δ?function of blood vessels):

10 图 1: 血管结构示意图 图 2: 动静脉血管断面结构模式图 二 血流量 血流阻力和血压 (blood flow volume,resistance and blood pressure) 1 血流量(Q,blood flow): 单位时间内流经血管某一横截面积的血量, 又称容积速度 Poiseuille's law: Q =K r4(p1-p2)/l =p r4(p1-p2)/ 8hL 2 血流阻力(R, resistance): 血流在血管内流动时所遇到的阻力, 血液之间及血液与管壁之间的摩擦力 R= 8hL /p r4 举例 : 血管口径变化引起的血流阻力变化影响血液粘滞度 (h) 的因素有 : (1) 红细胞比容 : 红细胞越多, h 越大 (2) 血流的切率 : 牛顿液体 ( 血浆 ): h 不随切率变化非牛顿液体 ( 全血 ): hμ1/ 切率

11 (3) 血管口径 : 口径大时对 h 无影响. 但在口径为 0.2~0.3 mm 的微动脉内, 切率 大大增大,h 变小 (4) 温度 : hμ1/t, 手浸入冰水中, 局部血流的粘滞度增加 2 倍 3 血压 (blood pressure): 单位面积血管壁的侧压力 ( 侧压强 ) 以大气压为 0, 用高过大气压的数值来表示 三 动脉血压 (arterial blood pressure) 1 正常值 1 收缩压 (Systolic pressure,sp): 心室收缩射血时, 主 A 内血压所达到的最高值 或在一个心动周期中动脉血压的最高值 于收缩中期达最高值 正常值 mmHg ( kPa) 2 舒张压 (diastolic pressure,dp): 心室舒张时, 主 A 血压所达到的最低值 或在一个心动周期中动脉血压的最低值 正常 :60-90mmHg( kpa) 在等容收缩期动脉血压最低 临床诊断高血压的标准 :SP3 160 mmhg 或 DP3 90 mmhg 3 脉搏压 (pulse pressure): 收缩压 - 舒张压 30-40mmHg( kpa) 4 平均动脉压 (mean arterial pressure): 一个心动周期中动脉血压的平均值 其数值反映了器官的血流供应 计算方法 : 直接法 : 等于心动周期中每一瞬间的动脉 BP 相加的平均值精确计算应积分后平均间接法 : 平均动脉压 = 舒张压 +1/3 脉压 =1/3 SP+1/3 DP 2 动脉血压形成

12 1 血液的充盈量 前提血压的形成, 首先是心血管系统内有血液充盈而血液的充盈程度可用平均充盈压来表示 ( 动物实验, 给狗电刺激等 ) 心室射血停止后, 循环系统中各处的压力迅速平衡, 此时, 循环系统各处的血压相等, 该血压称为体循环平均充盈压 (mean circulatory filling pressure) 一般为 7mmHg, 人的平均充盈压接近于此值 若血量减少或循环系统容量扩大 à 充盈压下降 若血量增加或循环系统容量缩小 à 充盈压上升 2 心脏射血 动力心室的收缩, 将血液射入主动脉心室收缩所作的功将转变成 : 动能 - 推动血流势能 - 包括弹性势能和压强能 3 外周阻力血主要产生于小动脉和微动脉多见 心室射血和外周阻力的存在是动脉血压形成的关键在心舒张期的动脉血压是如何维持? 4 大动脉管壁的弹性心室一次收缩向主动脉内射血 60-80ml, 由于主动脉和大动脉壁有较大的可扩张性, 心收缩期只有 1/3 流至外周, 其余 2/3 暂时贮存于主动脉和大动脉 à 主动脉压升高 à 后者进一步扩张 à 即心室收缩释放的能量有一部分以势能的形式贮存于弹性扩张的管壁中 心室舒张时, 主动脉和大动脉发生弹性回缩, 贮存的势能转为压强能 ( 维持血压 ) 和动能 ( 推动血流 ) 3 影响动脉血压的因素 1 每博量 (stroke volume,sv) 每博 粗肌丝 肌凝蛋白 ( 肌球蛋白 ) * 头部 : 横桥 (cross-bridge) 与肌动蛋白结合 ATP 酶活性 ( 需与肌动蛋白结合 ) * 杆部 : 粗肌丝主杆 细肌丝 * 肌动蛋白 (actin) 组成细肌丝主杆与横挢结合, 激活其 ATP 酶 * 原肌球蛋白 (tropomysin) 阻止肌动蛋白与横挢结合 * 肌钙蛋白 (tropoin) TnT: 与原肌球蛋白结合 TnI: 肌动蛋白结合

13 TnC: 与 Ca2+ 结合 3. 收缩过程依照肌丝滑行理论, 基本过程是 : 肌细胞产生动作电位引起肌浆中 Ca2+ 浓度升高时,Ca2+ 与肌钙蛋白亚单位 C 结合, 肌钙蛋白及原肌凝蛋白相继发生构象改变, 位阻效应解除, 肌纤蛋白上的结合位点暴露, 横桥与之结合, 横桥发生扭动, 将细肌丝往粗肌丝中央方向拖动 经过横桥与肌纤蛋白的结合 扭动 解离和再结合 再扭动所构成的横桥循环过程, 细肌丝不断滑行, 肌小节缩短 其间伴有 ATP 消耗和化学能向机械能的转换 ( 三 ) 兴奋收缩藕联 (Excitation-contraction coupling) 概念 : 动作电位为特征的兴奋与以肌丝滑行为特征的收缩联系起来的中介过程 1. 肌管系统 T 管 L 管终池三联管结构

14 2. 兴奋收缩藕联过程动作电位通过横管膜传向肌细胞深处, 终末池膜上的 Ca2+ 通道开放,Ca2+ 顺浓差流入肌浆, 使肌浆 Ca2+ 浓度比安静时增高 100 倍之多 Ca2+ 触发肌丝滑行, 是兴奋 - 收缩耦联中的关键因子, 由横管及其两旁的终末池所形成的三联管是兴奋 - 收缩耦联的关键结构 ( 四 ) 骼肌收缩的力学分析 1. 骨骼肌收缩的外部表现长度缩短或 / 和张力增高等张收缩 (isotonic contraction) 肌肉作等张收缩时长度缩短, 张力不变 等长收缩 (isometric contraction) 肌肉作等长收缩长度不变, 张力增加 单收缩 (single twich) 肌肉对单个刺激产生一次迅速的机械反应, 称为单收缩 强直收缩 (tetanus) 2. 前负荷对收缩的影响 * 前负荷 (preload) 肌肉收缩之前所遇到的负荷, 决定初长度

15 * 初长度 (initial length) 肌肉收缩之前的长度 * 长度 - 张力曲线 在一定范围内, 前负荷越大, 初长度越长, 粗细肌丝的有效重叠越多, 肌肉收缩越强 当肌肉收缩达到最大时所对应的为最适前负荷和最适初长度 3. 后负荷对收缩的影响 * 后负荷 (after-load) 肌肉收缩开始之后所遇到的负荷, 后负荷肌肉收缩的张力肌肉收缩的张力缩断速度肌肉收缩的张力缩断长度肌肉收缩的张力缩断开始的时间延后 * 力 - 速度曲线 : 固定前负荷不变, 让肌肉在不同的后负荷条件下进行等张收缩 把肌肉所产生的张力和缩短初速度 绘成坐标曲线 4. 肌肉收缩能力对收缩的影响

16 肌肉收缩能力 (contractility): 决定肌肉收缩效能的内在特性 肌肉收缩能力收缩效能 思考题 1. 给患者口服补充含 Na+ 的电解质液体时, 为什么要加入适量的葡萄糖? 2. 刺激引起神经兴奋的内因和外因是什么? 3. 当兴奋在球形细胞上传导时, 为什么不会沿细胞膜反复在细胞上循环不停? 4. 为什么动作电位的大小不因传导的距离增大而降低, 这是否有违能量守恒定律? 5. 血 K+ 浓度变化对兴奋性 静息电位和动作电位分别有何影响? 说明其机制 6. 为什么终板电位无超射现象? 7. 为什么动物死亡后会出现 " 尸僵 "? 8. 刺激神经肌肉标本的神经, 肌肉不发生收缩, 可能有哪些原因? 如何鉴别? 参考文献 1. 姚泰主编. 生理学, 第五版, 北京 : 人民卫生出版社,2002 P47~74 2. 姚泰主编. 人体生理学, 第三版, 北京 : 人民卫生出版社, Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 10th ed, WB Saunders Co, Philadelphia, 2000 P382~429 4.Ganong WF. Review of medical physiology. 20th ed, McGraw-Hill publishing Co, New York, 1999

17 精品课程生理学教案 第三章血液 [ 目的要求 ] 1 掌握: 血液的理化特性及生理意义生理止血过程血型分型依据 2 熟悉: 血细胞的生理功能 3 了解: 血细胞生成的调节 [ 讲授重点 ] 生理止血 [ 讲授难点 ] 血浆渗透压 ; 血小板的生理特性 [ 教材 ] 生理学 (5 版 ), 姚泰主编, 人民卫生出版社,2000, 北京 案例 : 某新生儿, 第二胎, 出生后 24 小时出现黄疸, 血红蛋白降低 查 ABO 血型为 A 型,Rh 血型为 Rh+, 其母 ABO 血型为 O 型,Rh 血型为 Rh+ 诊断为新生儿溶血病(ABO 溶血 ) 问题 1. 该患儿为什么会出现溶血? 2. 如果其母血型为 Rh-, 其发病机制有何异同? 第一节血液的组成和血量 一 血液的基本组成和血量 血量 (blood volume) 人体内的血液总量简称为血量, 指存在于循环系统中的全部血液容积 正常成人的血液总量约占体重的 7-8%, 也即每公斤体重约有 70-80ml 血液 血量分为循环血量和储备血量 循环血量 : 占绝大部分, 在心血管中快速流动

18 储备血量 : 小部分, 休息时滞留在肝 脾 腹腔, 流动慢 应急时可加入循环血量 血量相对恒定对于人体正常生命活动有重要意义 二 血浆的化学成分 作用 三 血液的理化特性 ( 一 ) 血液的比重 (Specific Gravity) 全血 血浆 红细胞 ( 二 ) 血液的粘度 (Viscosity) 水 1< 血浆 < 血液 4-5 ( 三 ) 血浆渗透压 (Osmotic Pressure) 血浆中溶质分子所产生的水移动引起的压力 由溶液本身声的特性所决定, 其大小与溶质颗粒数目的多少成正比, 而与溶质的种类及颗粒大小无关

19 渗透压单位 : 用 1 升中所含的非电解质或电解质的毫摩尔表示, 称为毫渗透摩尔, 简称毫渗 正常人血浆渗透压约 300m0sm/L(5776mmHg) 等渗液与等张液血浆渗透压的生理作用 : 血浆晶渗压 : 血浆中晶体物质所形成, 如 Na+ Cl-, 调节细胞内外水平衡, 维持红细胞正常形态 血浆胶渗压 : 血浆中蛋白质所形成, 调节血管内外水平衡, 维持血容量 ( 四 ) 血浆 ph 正常人血浆的 ph 为 7.35~7.45 血浆缓冲对,NaHCO3/H2CO3 ( 五 ) 血细胞比容 (Hematocrit) 血细胞在血液中所占的容积百分比, 实际上即红细胞比容成年男性 40%-50% 成年女性 37%-48% 新生儿约 55% 增加见于红细胞增多症减少见于贫血根据血细胞比容可以用染料稀释法计算血量 第二节血细胞生成 一 血细胞生成部位的迁移 二 造血过程和造血干细胞 三 造血过程和造血干细胞

20 ( 一 ) 造血过程包括 1 造血干细胞 (hemopoitic stem cells) 2 定向祖细胞 (committed progenitor) 3 前体细胞 (precursors) ( 二 ) 造血干细胞的特征 : 1 高度自我更新能力 (self-renewed) 2 多向分化潜能 3 静止性 4 不均一性 5 表面标志四 造血微环境 (hemopoietic microenvironment) ( 一 ) 造血微环境的基本结构造血基质细胞细胞外基质微血管 神经纤维 ( 二 ) 造血微环境功能对正常造血细胞增值 分化的调控 第三节血细胞生理 一 红细胞生理 ( 一 ) 红细胞的数量和形态 成年男性 : /L 成年女性 : /L 新生儿 : /L 正常红细胞凹圆碟形, 直径约 7-8μm 容积约为 90μm3 ( 二 ) 红细胞的生理学特性和功能 1 红细胞的生理学特性 :

21 1 红细胞膜有选择通透性 2 红细胞具有可塑变形性 3 红细胞的悬浮稳定性 (suspension stability) 指血液中的红细胞能够彼此保持一定距离而悬浮于血浆中的特性 红细胞沉降率 (erythrocyte sedimentation rate, ESR) 将抗凝的血静置于垂直竖立的小玻璃管中, 由红细胞的比重较大受重力作用而自然下沉, 正常情况下下沉十分缓慢, 常以红细胞在第一小时末下沉的距离来表示红细胞沉降的速度, 称 ESR. 魏氏法检测 ESR 正常值男 :0~15mm/h; 女 :0~20mm/h 影响 ESR 因素分析 4 红细胞渗透脆性 (osmotic fragility) 指红细胞在低渗盐溶液中发生膨胀 破裂和溶血的特性, 用于表示红细胞对低渗盐溶液的抵抗能力 2 红细胞的功能 1 运输 O2 和 CO2 2 缓冲作用 :4 对缓冲物质 ( 三 ) 红细胞的生成及其调节 1 红细胞生成 : 2 红细胞生成的调节 1 红细胞生成所需的原料 : 维生素 B12 叶酸 蛋白质 铁 3 负性调节 4 整体调节 ( 四 ) 红细胞寿命与破坏平均寿命 120 天

22 二 血小板生理 ( 一 ) 血小板的形态 数量和功能 血小板 (platelet,thrombocyte): 形态 : 呈两面微凹的圆盘状, 平均直径 2-4μm, 平均面积 8μm2, 受刺激时伸出伪足 数量 : 正常成年人 : /L <50 109/L 血小板过少出血倾向血小板过多血栓形成见于真性血小板增多症及继发性增多功能 : 血小板有维护血管壁完整性与生理止血全过程 ( 二 ) 血小板生成及其调节骨髓造血干细胞分化巨核系祖细胞产板性巨核细胞成熟巨核细胞胞质伸向骨髓窦腔裂解脱落为血小板进入血流巨核细胞占骨髓有核细胞的 % 产板率 6000+/ 个 1 正性调节 :IL-6 IL-11 TPO(Thrombopoietin) 2 负性调节 :TGF-β ( 三 ) 血小板的整合与破坏平均寿命 :7-14 天破坏 : 脾 肝 肺组织中被吞噬 第四节生理性止血一 生理止血 (Physiological Hemostasis): 1 定义 : 正常情况下, 小血管破损后引起的出血在几分钟内就会自行停止, 这种现象称生理性止血 2 指标 : 出血时间 3 生理止血过程 : (1) 血管挛缩 (2) 血小板血栓形成 ( 初步止血 ) (3) 纤维蛋白凝块的形成与维持 ( 加固止血 )

23 二 血小板的止血功能 ( 一 ) 血小板的生理指标 1 粘附 adhesion 血小板与非血小板表面的粘着, 即血小板与血管内皮下成分结合过程 2 聚集 aggregation 血小板相互之间的结合静息时无聚集刺激时聚集伸出伪足, 同时血小板脱粒生理致聚剂 : (1) ADP: 血小板的聚集与 ADP 计量有关 (2) 血栓烷 A2(thromboxane A2,TXA2) 使血小板内 camp Ca2+ 血小板脱粒释放内源性 ADP 血小板聚集 3 释放 release 血小板受到刺激后储存于致密体中,α- 颗粒或溶酶体内的物质排出的现象 4 吸附 adsorption ( 二 ) 血小板在生理止血中的作用 1 释放 5-HT TXA2 参与局部血管收缩 2 粘附 聚集 释放形成血小板止血栓 3 促进凝血 4 保持毛细血管壁完整性三 血液凝固与抗凝系统 ( 一 ) 血液凝固 (Blood coagulation) 流动状态不流动凝胶状态 ( 加固止血的形成 ) 1 凝血因子生物学特性 : 纤维蛋白原 Ⅰ> 凝血酶原 Ⅱ> FⅩ > Ⅸ 与凝血过程 " 瀑布 " 反应逐级扩大相适应 2 凝血过程

24 (1) 起始期 Ⅹ Ⅹa (2) 磷脂表面期 Ⅱ Ⅱa (3) 凝块形成期 Ⅰ 三 抗凝系统主要抗凝物质 1 丝氨酸蛋白酶抑制物抗凝血酶作用机制 : 抗凝血酶 III 与酶活性中心的丝氨酸残基结合? 酶失活 (IIa VII IXa Xa XIIa) 2 蛋白酶 C 系统作用机制 : 灭活凝血因子 V 和 VIII 限制因子 Xa 和血小板结合 - 纤维蛋白的溶解 3 组织因子途径抑制物 (TFPT) 4 肝素作用机制 : 与抗凝蛋白结合? 抗凝蛋白活性 - - 释放凝血抑制物和纤溶酶原激活物激活脂酶四 纤维蛋白溶解与抗纤溶纤维蛋白溶解系统

25 图 : 纤维蛋白溶解系统 第七节血型与输血 一 ABO 血型 ( 一 ) ABH 血型抗原 ( 二 ) 血型抗体 1 天然抗体出生一年后逐渐出现在血浆中, 多属 IgM, 分子大, 不通过胎盘 2 免疫抗体获得性的在输血 人参 分娩时产生, 属 IgG, 分子小, 可通过胎盘进入胎儿体内, 有重要意义 ( 三 ) ABO 血型的遗传 :

26 图 ABH 抗原物质化学结构 A B O 基因为一组某位基因 A B 显性 O 隐性 ( 四 )ABO 血型鉴定和交叉配血测定 ABO 系统的方法是 : 在玻片上分别滴上一滴抗 B 一滴抗 A 和一滴抗 A- 抗 B 血清, 在每一滴血清上再加一滴红细胞悬浮液, 轻轻摇动, 使红细胞和血清混匀, 观察有无凝集现象

27 图 :ABO 血型的测定交叉配血 (corss-match test): 试验主侧 : 把供血者的血细胞与受血者的血清作配合试验 ; 试验次侧 : 把受血者的血细胞与供血者的血清作配合试验 二 Rh 血型系统 1 Rh 血型的发现与分布 2 Rh 血型系统的抗原与分型 3 Rh 血型的特点及其临床意义三 输血的原则首先必须保证供血者与受血者的 ABO 血型相合 ; 即使在 ABO 系统血型相同的人之间进行输血, 在输血前必须进行交叉配血试验 交叉配血试验 : 1 如果交叉配血试验的两侧都没有凝集反应, 为配血相合, 可以进行输血 ; 2 如果主侧有凝集反应, 则为配血不合, 不能输血 ; 3 如果主侧不引起凝集反应, 而次侧有凝集反应, 只能在应急情况下输血, 输血时不宜太快太多, 并密切观察, 如发生输血反应, 应立即停止输注 参考文献 1 促红细胞生成素与红细胞生成的调控国外医学临床生物化学与检验学分册 2001,11(5) 2 调控红细胞生成的转录因子及其作用中华血液学杂志 2001,22(5) 参考书 1 生理学五年制第五版主编姚泰 2 生理学七年制主编姚泰

28 3 Review of Medical physiology 4 造血生理学 20th edition William F,Ganong 思考题 1 血液有哪些生理功能 2 试述红细胞的生理作用 生成原料 及生成调节 3 试述生理止血过程 4 试述输血的基本原则 精品课程生理学教案 第四章血液循环 ( 上 ) 心脏生理 [ 目的要求 ] 掌握心脏的功能及实现其功能的原理 [ 讲授重点 ] 1. 心肌细胞动作电位的特点和产生机制 2. 心肌细胞电生理特性及其影响因素 3. 心脏泵血机制及过程 4. 心脏泵血功能评价的基本指标 5. 影响心脏泵血功能的因素 [ 讲授难点 ] 1. 心肌细胞动作电位的产生机制 2. 影响因素心肌细胞电生理特性的机制 3. 心脏泵血功能调节机制 [ 教材 ] 生理学 (5 版 ), 姚泰主编, 人民卫生出版社,2000, 北京 第四章血液循环 ( 上 ) 心脏生理 案例 : 两青年男性患者, 每搏输出量均为 75ml 心率均为 90 次 / 分, 二人左室舒张末容积均为 160ml, 其中甲患者身高 1.5m, 体重 50kg, 体表面积 1.4m2; 乙患者身高 1.6m, 体重 68kg 体表面积 1.7m2, 如何判断两患者的心功能? 第一节心脏的生物电活动 心脏的主要功能是泵血 与骨骼肌一样, 细胞膜的兴奋是触发心肌收缩的始动因素 心肌的动作电位也与骨骼肌动作电 位有明显差异, 使得心脏的收缩也具有自身特点 因此, 掌握心肌生物电活动规律, 对于理解心肌的生理特性 心脏收

29 缩活动规律及心律失常的发生机制都有重要意义 一 心肌细胞的分类 二 心肌细胞的电活动 ( 一 ) 工作细胞 1. 静息电位 (resting potential) 心室肌细胞的静息电位约为 -90mV, 形成机制主要是 Ek,K+ 经 IK1 通道外流但 Ek 为 -94 mv, 而 RP 为 -90mV, 表明还有其它因素参与 ( 如 Na+ 的内流 ) 2. 动作电位 (action potential)

30 机制 (1) 去极化过程 : 又称为 0 期 (phase 0) 从 -90mV +30mV, 约 1ms 去极化到阈电位 (-70mV) 快 Na+ 通道开放, 出现再生性 Na+ 内流 Na+ 顺电 - 化学梯度进入细胞内 去极化快通道 (fast channel) 快反应细胞 (fast response cell) 快反应动作电位 (fast response action potential) (2) 复极过程 : 从 0 期去极化 静息电位 1 期 (phase 1) 从 +30mV 0mV 约 10ms, 由短暂的一过性外向电流 (transient outward current, Ito) 引起 Ito 通道在去极化到约 -20mV 时激活, 为 K+ 外流 2 期 (Phase 2): 又称缓慢复极期 膜内电位停滞于 0mV 左右, 常称平台期 (plateau), 持续约 100~150ms 平台期初期, 内向 Ca2+ 电流与外向 K+ 电流处于相对平衡状态, 膜电位稳定在 0mV 左右 平台期晚期, 内向 Ca2+ 电流逐渐减弱, 外向 K+ 电流逐渐增强, 出现一种随时间推移而逐渐增强的微弱的净外向电流, 导致膜电位缓慢地复极化 * Ca2+ 通道主要是 L 型 Ca2+ 通道心肌细胞膜的电压门控 Ca2+ 通道 : T 型 (transient channel)ca2+ 通道 : 阈电位为 -50~-60mV, 激活和失活均快, 其单通道电导小于 L 型 Ca2+ 通道, 所形成的 Ca2+ 内流参与 0 期去极, 因其微弱和失活快, 分别在 0 期去极和平台期的形成中作用不大 L 型 (long-lasting channel)ca2+ 通道 :1 阈电位为 -30~-40mV 2 激活 失活和复活均慢,Ca2+ 内流起始慢, 持续时间长, 又称为慢通道 (slow channel), 在平台期形成中起重要作用 3 可被 Mn2+ 和维拉帕米 (verapamil) 阻断 问题 Ca2+ 通道阻断剂对平台期有何影响? Ca2+ 通道阻断剂可使平台期提前结束而使之缩短, 并降低平台期的电位水平 * K+ 通道主要是 IK 通道

31 IK 通道在 +20mV 时激活,-40~-50mV 时失活, 其激活和失活缓慢, 可持续数百毫秒, 又称延迟整流电流 (delayed rectifier) 尽管 IK 通道在 0 期去极末开始激活, 但通透性增加缓慢, 从而形成平台期逐渐增大的外向 K+ 电流 3 期 (phase 3): 又称快速复极末期 0mV 左右 -90mV, 约 100~150ms 机制 :L 型 Ca2+ 通道关闭,Ca+ 内流停止, 而 K+ 外流进行性增加所致 参与 3 期复极的 K+ 通道 * IK 在平台期逐渐增大的 IK 电流导致平台期的终止和触发 3 期复极, 直至 3 期复极到 -50mV 左右才关闭 * IK1 去极化关闭, 复极化恢复开放, 膜对 K+ 通透性进行性增大,K+ 外流不断增强, 为再生性正反馈过程, 导致膜快速复极化 4 期 (phase 4): 又称恢复期 膜电位稳定于 -90mV, 恢复细胞内外离子的正常分布 Na+-K+ 泵排 Na+, 摄 K+, 恢复 Na+ K+ 的分布 Na+-Ca2+ 交换体 (Na+-Ca2+ exchanger)na+ 顺浓度梯度入,Ca2+ 逆浓度梯度外排 Na+-Ca2+ 交换是以跨膜 Na+ 内向性浓度梯度为动力, 最终也依赖于 Na+-K+ 泵提供能量 问题给予洋地黄类药物抑制 Na+-K+ 泵的活性, 对心肌收缩有何影响? 洋地黄类药物抑制 Na+-K+ 泵就可降低 Na+ 的内向浓度梯度而使 Na+-Ca2+ 交换减弱,Ca2+ 的外排减少, 进而可加强心肌收缩力量 2. 浦肯野细胞最大复极电位约为 -90mV, 其动作电位的 期的形态及离子机制与心室肌细胞相似, 但有 4 期 自动去极化 4 期自动去极化的离子基础随时间而逐渐增强的内向离子电流 ( 即 If 电流 ), 通常被称为起搏电流 (pacemaker current) If 主要为 Na+( 也有少量 K+) If 在复极至 -60mV 时开始激活, 至 -100mV 时完全激活 因其激活缓慢, 并随时间的延长而增大, 在 4 期内进行性增大 当 4 期自动去极达阈电位时, 便可产生新的 AP, 而 If 在 0 期去极化至 -50mV 时因通道的失活而终止

32 3. 窦房结 P 细胞 生物电活动特点 :1 最大复极电位 (-70mV) 和阈电位 (-40mV) 均高于浦肯野细胞 ;20 期去极化幅度低 ( 仅 70mV), 速度慢 ( 约 10v/s), 时程长 (7ms 左右 ),0 期只去极化到 0mV 左右, 无明显的极化倒转 ;3 无明显复极 1 期和 2 期 ; 44 期自动去极化速度快 ( 约 0.1v/s), 明显快于浦肯野细胞 (0.02V/s) 生物电活动的形成机制 RP 因窦房结 P 细胞缺乏 Ik1 通道, 膜对 K+ 的通透性相对较低,PNa 相对高, 故最大复极电位小 AP 0 期去极 L 型 Ca2+ 通道激活, Ca2+ 内流 由于 L 型 Ca2+ 通道激活 失活缓慢, 故 0 期去极化缓慢, 持续时间长 3 期复极 L 型 Ca2+ 通道逐渐失活,Ca2+ 内流相应减少, 及 IK 通道的开放,K+ 外流增加

33 4 期自动去极化 IK: 复极至 -60mV 时, 因失活逐渐关闭, 导致 K+ 外流衰减, 是最重要的离子基础 ICa: 在 4 期自动去极化到 -50mV 时,T 型 Ca2+ 通道激活, 引起少量 Ca2+ 内流参与 4 期自动去极化后期的形成 If: 因 P 细胞最大复极电位只有 -70mV,If 不能充分激活, 在 P 细胞 4 期自动去极化中作用不大

34 二 心肌的电生理特性 心肌细胞主要跨膜离子流小结

35 三 心肌的电生理特性 ( 一 ) 兴奋性 兴奋性 (excitability) 是指具有对刺激产生兴奋的能力或特性, 兴奋性的高低可用阈值作为衡量指标 阈值大表示兴

36 奋性低, 阈值小表示兴奋性高 1 决定和影响心肌兴奋性的因素 (1) 静息电位与阈电位之间的差值 : 静息电位 ( 或最大复极电位 ) 绝对值增大或阈电位水平上移, 二者间差值增大 兴奋性降低 (2) 离子通道的性状 : Na+ 通道是否处于备用状态, 是快反应细胞当时是否具有兴奋性的前提, 正常静息电位水平又是决定 Na+ 通道能否处于或复活到备用状态的关键 问题高血钾对心肌兴奋性有何影响? 轻度高 K+( 约为 5 至 7mmol/L) 时, 由于静息电位仅略有减小, 与阈电位水平之间差减小, 兴奋性增高 当细胞外 K+ 显著增高 (>7mmol/L), 则因静息电位显著降低而引起 Na+ 通道处于失活状态, 兴奋性反而降低 若静息电位持续低于 -50mV 时,Na+ 通道将全部于失活状态, 此时将不能产生快反应动作电位, 快反应兴奋性丧失 但由于此时 Ca2+ 通道尚未失活, 受刺激时仍可产生慢反应动作电位 2 兴奋性的周期性变化 (1) 有效不应期 (effective refractory period, ERP): 0 期去极化到 3 期复极至 -60mV, 绝对不应期 (absolute refractory period) 0 期去极化到 3 期复极化至 -55mV (2) 相对不应期 (relative refractory period): 复极化 -60mV 至 -80mV 的时间 (3) 超常期 (supernormal period): 膜内电位由 -80mV 恢复到 -90mV 3 心肌兴奋性变化特点 -- 有效不应期长 意义 : * 保证了心肌收缩和舒张交替进行, 有利于心室的充盈和射血

37 * 与期前收缩 (premature systole) 后代偿性间歇 (compensatory pause) 的产生有关 ( 二 ) 自律性组织 细胞能够在没有外来刺激的条件下自动发生节律性兴奋的特性称为自动节律性 (auto-rhythmicity), 简称自律性 具有自动节律性的组织或细胞称为自律组织或自律细胞 自律性的高低可用单位时间 ( 每分钟 ) 内自动发生兴奋的次数, 即自动兴奋的频率来衡量 1. 心脏的起搏点正常起搏点 (normal pacemaker) 潜在起搏点 (latent pacemaker) * 安全因素, 当正常起搏点活动障碍时, 作为备用起搏点仍能以较低的频率保持心脏跳动 * 潜在的危险因素, 当其自律性增高并超过窦房结时, 可引起心律失常, 异位起搏点 (ectopic pacemaker) 窦房结对潜在起搏点的控制 1 抢先占领 (capture) 2 超速压抑或超速驱动压抑 (overdrive suppression) 超速压抑的意义 : * 当一过性窦性频率减慢时, 使潜在起搏点自律性不能立即表现出来, 有利于防止异位搏动 * 当窦房结细胞停止起搏时, 潜在起搏点不能立即起搏, 将引起心脏短时停搏和脑缺血, 甚至危及生命 在人工起搏时, 如需要暂停人工起搏器, 应逐渐降低其驱动频率, 以免发生心搏停止 2. 决定和影响自律性的因素

38 (1) 最大复极电位与阈电位之间的差距 : 间差距小, 自律性增高 (2)4 期自动去极化速度 :4 期自动去极化速度增快, 自律性增高 NA 可促进窦房结细胞 If 通道和 Ca2+ 通道的开放, 使 If 和 ICa 增大,4 期自动去极化速度和自律性增高 Ach 提高膜对 K+ 的通透性, 使 4 期膜对 K+ 的通透性增大,K+ 外流衰减减慢 ; 同时,Ach 还可抑制 If 和 L 型 Ca2+ 通道的开放, 均使 4 期自动去极化速度减慢, 自律性降低 ( 三 ) 传导性心肌细胞具有传导兴奋的能力, 称为传导性 (conductivity) 传导性的高低可用兴奋的传播速度来衡量 1 心脏内兴奋传播的特点 (1) 心肌细胞间直接电传递 : 心肌细胞间存在闰盘, 相邻细胞间可通过缝隙连接 (gap junction) 处的细胞间通道相互联系, 兴奋可在细胞间迅速传播, 以实现其同步性活动, 使整个心室 ( 或整个心房 ) 构成一个功能上互相联系的功能性合胞体 (functional syncytium) (2) 通过特殊传导系统有序传播兴奋

39 (3) 心脏内兴奋传导速度不均一 : 传导最慢 : 房室结 - 房室延搁 (atrioventricular delay) 意义 : 房室不同时收缩, 心室收缩紧跟在心房收缩完毕后进行传导最快 : 心室内浦氏纤维意义 : 保证心室肌几乎完全同步收缩, 产生较好的射血效果 (4) 特殊传导系统对快速兴奋具有过滤保护作用 : 房室交界的细胞不应期长, 当室上性心动过速 心房颤动时, 使部分心房传来的快速兴奋不能下传 末梢浦肯野纤维的不应期长, 也可防止心室肌的兴奋向浦肯野纤维逆向传播 2 决定和影响传导性的因素 (1) 心肌细胞的结构细胞直径 : 细胞直径大, 细胞内的电阻降低, 则空间常数增大, 兴奋部位的电位变化所引起的电紧张扩布的范围也越远, 传导速度增快 细胞间通道数目 : 细胞间通道数目多, 使纵向细胞内电阻小, 传导快 结区细胞直径小, 细胞间通道数目少, 故传导慢, 窦房结及房室交界区为慢反应细胞, 其 0 期去极速度慢 幅度低, 也决定其传导速度慢 (2)0 期去极化的速度和幅度 0 期去极的速度愈快, 局部电流的形成也将愈快, 兴奋传导愈快 0 期去极的幅度愈大, 兴奋与未兴奋部位间的电位差愈大, 向前影响的范围也愈广, 兴奋传导愈快 0 期去极的速度和幅度取决于 Na+ 通道开放的速度和数量 Na+ 通道被激活后开放的速度和数量称为 Na+ 通道的效率或可 利用率 Na+ 通道的效率是电压依从性的, 取决于临受刺激前的静息电位值 静息电位绝对值降低,Na+ 通道开放的速度和数量降低, 0 期去极速度减慢, 幅度降低, 传导减慢

40 (3) 邻近未兴奋部位的兴奋性邻近未兴奋部位的静息电位与阈电位的差距增大时, 兴奋性降低, 此时膜去极化达到阈电位水平产生动作电位所需时间延长, 传导减慢 四 心电图心电图 (electrocardiogram) 是指将测量电极置于人体表面一定部位记录到的心脏电变化曲线 1 正常心电图的波形及其生理意义 (1)P 波 (P wave): 反映左右两心房的去极化过程 (2)QRS 波群 (QRS complex): 反映左右两心室去极化过程的电位变化 (3)T 波 (T wave): 反映心室复极过程中的电位变化, (4)PR 间期 (PR interval): 是指从 P 波起点到 QRS 波起点之间的时程, 代表由窦房结产生兴奋经心房 房室交界 房室束及左右束支 浦肯野纤维传到心室并引起心室开始兴奋所需时间, 也即代表从心房去极化开始至心室去极化开始的时间 (5)QT 间期 (QT interval): 指从 QRS 波起点到 T 波终点的时程, 代表心室开始兴奋去极化至完全复极的时间 QT 间期的长短与心率呈负相关 这主要是因为心室肌动作电位时程因心率增快而缩短所致 (6)ST 段 (ST Segment): 指从 QRS 波群终点到 T 波起点之间的线段 正常心电图上 ST 段应与基线平齐 ST 段代表心室各部分心肌均已处于动作电位的平台期, 各部分之间没有电位差存在 2. 心电图与心肌细胞动作电位的关系

41 第二节心脏的泵血功能 一 心肌收缩的特点 1. 对细胞外液 Ca2+ 的依赖性心肌收缩强度因细胞外 Ca2+ 内流量而变化机制 : 在心肌的兴奋 - 收缩脱耦联中有赖于平台期细胞外 Ca2+ 的内流 钙诱导钙释放 (calcium-induced calcium release) 触发肌浆网释放大量的 Ca2+ 收缩 心肌肌浆网上的钙释放通道 (Ca2+ release channel) * Ryanodine 受体最重要 * IP3 受体问题为什么低血钙心机收缩无力? 2 " 全或无 " 式收缩当刺激强度达到阈值后所有心肌细胞都参加收缩, 反之则都不兴奋机制心肌间存在闰盘, 兴奋可在细胞间迅速传播意义心肌收缩的强度将不因参加活动的肌细胞数目的不同而改变 3. 不发生完全强直收缩 机制在心肌细胞有效不应期特别长

42 意义保证心肌收缩和舒张交替进行, 有利于心室的充盈 二. 心脏的泵血机制 ( 一 ) 心动周期的概念 心动周期 (cardiac cycle): 心脏一次收缩和舒张构成的一个机械活动周期 特点 1. 房室不同时收缩, 心室收缩紧跟在心房收缩完毕后进行 2. 有一个全心舒张期 3. 舒张期长于收缩期 : 有利于心脏充盈与心脏供血 ( 二 ) 心脏的泵血过程

43

44

45 ( 三 ) 心房在心脏泵血活动中的作用 1. 心房的接纳和初级泵 (primer pump) 作用心房舒张 : 接纳 储存从静脉回流的血液心房收缩 : 可使心室充盈增加 10%~30%, 有利于心室的射血心房其他功能 : * 内分泌功能 : 分泌具有利尿 利钠 扩血管作用的心房钠利尿肽 * 机械感受器 : 参与对心血管活动的调节 三. 心脏泵血功能的评价 ( 一 ) 心脏的排出量 1 每搏排出量和射血分数每搏排出量 (stroke volume): 一次心跳一侧心室射出的血液量, 正常人约 70 ml, 简称为搏出量 射血分数 (ejection fraction): 搏出量与心室舒张末期容积的百分比称为, 即 正常人约 55%~65% 2. 每分排出量和心指数每分排出量 (minute volume): 一侧心室每分钟射出的血液量称, 简称心排出量 (cardiac output), 等于心率与搏出量的乘积 健康成年男性静息状态下约为 5L/min,(4.5~6.0L/min) 心指数 (cardiac index): 以单位体表面积 (m2) 计算的心排出量, 正常人约为 3.0~3.5L/min m2 ( 二 ) 心脏作功量每搏功 ( 搏功,stroke work): 室一次收缩所作的功称为每搏功 ( 搏功,stroke work) 每搏功 = 搏出量 射血压力 + 动能

46 每分功 (minute work): 指心室每分钟作的功, 等于搏功乘以心率 ( 三 ) 心脏泵功能的贮备泵功能贮备或心力贮备 (cardiac reserve): 心排出量随机体代谢需要而增加的能力 心力贮备的大小可反映心泵血功能对机体代谢需求的适应能力 1. 搏出量的贮备舒张期贮备收缩期贮备 2. 心率贮备 四. 影响心排出量的因素 ( 一 ) 前负荷前负荷 (preload): 肌肉收缩前所负载的负荷, 决定肌肉的初长度 (initial length) 衡量心室前负荷的指标 * 心室舒张末期容积 * 心室舒张末期压力 1. 前负荷对搏出量的影响 (1) 心室功能曲线 (ventricular function curve)

47 1 充盈压 12~15 mmhg 为最适前负荷. 静息时为 5~6mmHg, 远离最适前负荷, 有较大的前负荷储备 2 充盈压在 15~20 mmhg, 曲线平坦说明此范围内充盈压对泵血影响不大 3 >20mmHg 曲线平坦或轻度下倾, 无明显的降支 (2) 异长自身调节 (heterometric autoregulation) 通过心肌细胞本身初长度的改变而引起心肌收缩强度的变化称为 (3) 为什么心室功能曲线无明显的降支?

48 * 机制心肌细胞外间质内含有大量劲度较大的胶原纤维, 加之心室由多层肌纤维组成, 肌纤维有多种走势和排列方向, 使得心肌的伸展性较小, 静息被动张力大, 从而阻止心肌细胞过度拉长, 使心肌肌小节的初长度一般不会超过 2.25~2.30μm, 而不出现降支 * 意义可使心脏不致于在前负荷明显增加时出现搏出量和作功能力的下降 2. 影响前负荷的因素 (1) 心室充盈时间 : 心率增快, 心室舒张期和充盈时间均缩短, 心室充盈减少, (2) 静脉回流速度 : 静脉回流增快, 心室充盈量增多, 搏出量增大 (3) 心包内压 : 心包积液时, 心包内压增高, 可妨碍心脏充盈, 搏出量减少 (4) 心室顺应性 : 心室顺应性高时, 心室充盈量增多, 反之, 充盈量减少 ( 二 ) 后负荷后负荷 (afterload) 是指在肌肉开始收缩时才遇到的负荷或阻力 它不增加肌肉的初长度, 但能阻碍收缩时肌肉的缩短 衡量心室后负荷的指标 动脉压 后负荷对搏出量的影响 问题在整体条件下, 正常人主动脉血压于 80~170mmHg 范围内变化时, 心排出量为什么并无明显改变 l BP 增高 搏出量的减少 左心室残余血量增多 左心室舒张末期容积增大, 通过异长自身调节使心肌收缩增强, l 心肌收缩能力增强 ( 三 ) 心肌收缩能力心肌收缩能力 (myocardial contractility): 心肌不依赖于负荷而改变其力学活动 ( 包括收缩的强度和速度 ) 的内在特性, 又称为心肌的变力状态 (intropic state) 等长自身调节 *(homeometric autoregulation): 机体通过心肌收缩能力这个与初长度无关的心肌内在功能变数的改变而调节泵血功能 1. 影响心肌收缩能力的因素

49 (1) 活化横桥数 * 胞浆中的 Ca2+ 浓度 * Ca2+ 与肌钙蛋白的亲合力凡能增加兴奋后胞浆 Ca2+ 浓度和 ( 或 ) 肌钙蛋白对 Ca2+ 亲和力的因素, 均可提高活化横桥的比例, 引起收缩能力的增强 儿茶酚胺提高 L 型 Ca2+ 通道的通透性, 促进 Ca2+ 内流, 心肌收缩能力增强 ; 儿茶酚胺也能降低肌钙蛋白对 Ca2+ 亲和力而促进 Ca2+ 与肌钙蛋白的解离, 促进心肌舒张 (2) 横桥 ATP 酶活性 * 甲状腺激素和体育锻炼能够提高横桥 ATP 酶活性, 可增强心肌收缩能力 * 老年人和甲状腺功能减退, 横桥 ATP 酶活性降低, 收缩能力减弱 ( 四 ) 心率 (heart rate)

50 心率 SV = 每分输出量心率增快 (<170~180 次 /min) 心率 SV 每分输出量 心率过快 (> 170~180 次 /min) 心率 SV 每分输出量 心率过慢 (< 40 次 /min) 心率 SV 每分输出量 影响心率的因素 (1) 神经调节 l 交感神经活动增强心率增快 l 迷走神经活动增强时心率减慢 (2) 体液调节肾上腺素 去甲肾上腺素和甲状腺激素均可增快心率 (3) 体温体温升高 1, 心率将增加 12~18 次三 自主神经对心脏的影响

51 思考题 1. 钙通道阻断剂对心肌细胞生理特性分别有何影响? 试说明其机制 2. 心脏为什么能有节律地 有序地收缩与舒张? 3. 肾上腺素和钠泵抑制剂强心甙对心肌收缩与舒张分别有何影响? 试说明其机制 4. 试说明血钾变化对心肌细胞生理特性的影响 5. 试说明血钙变化对心肌细胞生理特性的影响

52 6. 交感神经兴奋时, 心率增快, 为什么心输出量通常增高? 参考文献 1. 姚泰主编, 生理学 (5 版 ), 人卫出版社, 姚泰主编, 人体生理学 (3 版 ), 人卫出版社, 贺石林, 李俊成 秦晓群主编. 临床生理学. 北京 : 科学出版社, 苏静怡, 李澈, 苏哲坦主编. 心脏 - 从基础到临床. 北京 : 北京医科大学 中国协和医科大学联合出版社, Berne RM, Levy MN. Principles of physiology. 3rd edition, St.Louis, Mosby, Guyton AC, Hall JE.Textbook of medical physiology. 10th edition, Philadephia, WB Saunders, Opie LH. The heart physiology, from cell to circulation. 3rd edition, Philadelphia, Lippincott Williams and Wilkins,1998 精品课程生理学教案 第四章血液循环 ( 上 ) 心脏生理 [ 目的要求 ] 掌握心脏的功能及实现其功能的原理 [ 讲授重点 ] 1. 心肌细胞动作电位的特点和产生机制 2. 心肌细胞电生理特性及其影响因素 3. 心脏泵血机制及过程 4. 心脏泵血功能评价的基本指标 5. 影响心脏泵血功能的因素 [ 讲授难点 ] 1. 心肌细胞动作电位的产生机制 2. 影响因素心肌细胞电生理特性的机制 3. 心脏泵血功能调节机制 [ 教材 ] 生理学 (5 版 ), 姚泰主编, 人民卫生出版社,2000, 北京 第四章血液循环 ( 上 ) 心脏生理 案例 : 两青年男性患者, 每搏输出量均为 75ml 心率均为 90 次 / 分, 二人左室舒张末容积均为 160ml, 其中甲患者身高 1.5m, 体重 50kg, 体表面积 1.4m2; 乙患者身高 1.6m, 体重 68kg 体表面积 1.7m2, 如何判断两患者的心功能?

53 第一节心脏的生物电活动心脏的主要功能是泵血 与骨骼肌一样, 细胞膜的兴奋是触发心肌收缩的始动因素 心肌的动作电位也与骨骼肌动作电位有明显差异, 使得心脏的收缩也具有自身特点 因此, 掌握心肌生物电活动规律, 对于理解心肌的生理特性 心脏收缩活动规律及心律失常的发生机制都有重要意义 一 心肌细胞的分类 二 心肌细胞的电活动 ( 一 ) 工作细胞 1. 静息电位 (resting potential) 心室肌细胞的静息电位约为 -90mV, 形成机制主要是 Ek,K+ 经 IK1 通道外流但 Ek 为 -94 mv, 而 RP 为 -90mV, 表明还有其它因素参与 ( 如 Na+ 的内流 ) 2. 动作电位 (action potential)

54 机制 (1) 去极化过程 : 又称为 0 期 (phase 0) 从 -90mV +30mV, 约 1ms 去极化到阈电位 (-70mV) 快 Na+ 通道开放, 出现再生性 Na+ 内流 Na+ 顺电 - 化学梯度进入细胞内 去极化快通道 (fast channel) 快反应细胞 (fast response cell) 快反应动作电位 (fast response action potential) (2) 复极过程 : 从 0 期去极化 静息电位 1 期 (phase 1) 从 +30mV 0mV 约 10ms, 由短暂的一过性外向电流 (transient outward current, Ito) 引起 Ito 通道在去极化到约 -20mV 时激活, 为 K+ 外流 2 期 (Phase 2): 又称缓慢复极期 膜内电位停滞于 0mV 左右, 常称平台期 (plateau), 持续约 100~150ms 平台期初期, 内向 Ca2+ 电流与外向 K+ 电流处于相对平衡状态, 膜电位稳定在 0mV 左右 平台期晚期, 内向 Ca2+ 电流逐渐减弱, 外向 K+ 电流逐渐增强, 出现一种随时间推移而逐渐增强的微弱的净外向电流, 导致膜电位缓慢地复极化 * Ca2+ 通道主要是 L 型 Ca2+ 通道心肌细胞膜的电压门控 Ca2+ 通道 : T 型 (transient channel)ca2+ 通道 : 阈电位为 -50~-60mV, 激活和失活均快, 其单通道电导小于 L 型 Ca2+ 通道, 所形成的 Ca2+ 内流参与 0 期去极, 因其微弱和失活快, 分别在 0 期去极和平台期的形成中作用不大 L 型 (long-lasting channel)ca2+ 通道 :1 阈电位为 -30~-40mV 2 激活 失活和复活均慢,Ca2+ 内流起始慢, 持续时间长, 又称为慢通道 (slow channel), 在平台期形成中起重要作用 3 可被 Mn2+ 和维拉帕米 (verapamil) 阻断 问题 Ca2+ 通道阻断剂对平台期有何影响? Ca2+ 通道阻断剂可使平台期提前结束而使之缩短, 并降低平台期的电位水平 * K+ 通道主要是 IK 通道

55 IK 通道在 +20mV 时激活,-40~-50mV 时失活, 其激活和失活缓慢, 可持续数百毫秒, 又称延迟整流电流 (delayed rectifier) 尽管 IK 通道在 0 期去极末开始激活, 但通透性增加缓慢, 从而形成平台期逐渐增大的外向 K+ 电流 3 期 (phase 3): 又称快速复极末期 0mV 左右 -90mV, 约 100~150ms 机制 :L 型 Ca2+ 通道关闭,Ca+ 内流停止, 而 K+ 外流进行性增加所致 参与 3 期复极的 K+ 通道 * IK 在平台期逐渐增大的 IK 电流导致平台期的终止和触发 3 期复极, 直至 3 期复极到 -50mV 左右才关闭 * IK1 去极化关闭, 复极化恢复开放, 膜对 K+ 通透性进行性增大,K+ 外流不断增强, 为再生性正反馈过程, 导致膜快速复极化 4 期 (phase 4): 又称恢复期 膜电位稳定于 -90mV, 恢复细胞内外离子的正常分布 Na+-K+ 泵排 Na+, 摄 K+, 恢复 Na+ K+ 的分布 Na+-Ca2+ 交换体 (Na+-Ca2+ exchanger)na+ 顺浓度梯度入,Ca2+ 逆浓度梯度外排 Na+-Ca2+ 交换是以跨膜 Na+ 内向性浓度梯度为动力, 最终也依赖于 Na+-K+ 泵提供能量 问题给予洋地黄类药物抑制 Na+-K+ 泵的活性, 对心肌收缩有何影响? 洋地黄类药物抑制 Na+-K+ 泵就可降低 Na+ 的内向浓度梯度而使 Na+-Ca2+ 交换减弱,Ca2+ 的外排减少, 进而可加强心肌收缩力量 2. 浦肯野细胞最大复极电位约为 -90mV, 其动作电位的 期的形态及离子机制与心室肌细胞相似, 但有 4 期 自动去极化 4 期自动去极化的离子基础随时间而逐渐增强的内向离子电流 ( 即 If 电流 ), 通常被称为起搏电流 (pacemaker current) If 主要为 Na+( 也有少量 K+) If 在复极至 -60mV 时开始激活, 至 -100mV 时完全激活 因其激活缓慢, 并随时间的延长而增大, 在 4 期内进行性增大 当 4 期自动去极达阈电位时, 便可产生新的 AP, 而 If 在 0 期去极化至 -50mV 时因通道的失活而终止

56 3. 窦房结 P 细胞 生物电活动特点 :1 最大复极电位 (-70mV) 和阈电位 (-40mV) 均高于浦肯野细胞 ;20 期去极化幅度低 ( 仅 70mV), 速度慢 ( 约 10v/s), 时程长 (7ms 左右 ),0 期只去极化到 0mV 左右, 无明显的极化倒转 ;3 无明显复极 1 期和 2 期 ; 44 期自动去极化速度快 ( 约 0.1v/s), 明显快于浦肯野细胞 (0.02V/s) 生物电活动的形成机制 RP 因窦房结 P 细胞缺乏 Ik1 通道, 膜对 K+ 的通透性相对较低,PNa 相对高, 故最大复极电位小 AP 0 期去极 L 型 Ca2+ 通道激活, Ca2+ 内流 由于 L 型 Ca2+ 通道激活 失活缓慢, 故 0 期去极化缓慢, 持续时间长 3 期复极 L 型 Ca2+ 通道逐渐失活,Ca2+ 内流相应减少, 及 IK 通道的开放,K+ 外流增加

57 4 期自动去极化 IK: 复极至 -60mV 时, 因失活逐渐关闭, 导致 K+ 外流衰减, 是最重要的离子基础 ICa: 在 4 期自动去极化到 -50mV 时,T 型 Ca2+ 通道激活, 引起少量 Ca2+ 内流参与 4 期自动去极化后期的形成 If: 因 P 细胞最大复极电位只有 -70mV,If 不能充分激活, 在 P 细胞 4 期自动去极化中作用不大

58 二 心肌的电生理特性 心肌细胞主要跨膜离子流小结

59 三 心肌的电生理特性 ( 一 ) 兴奋性 兴奋性 (excitability) 是指具有对刺激产生兴奋的能力或特性, 兴奋性的高低可用阈值作为衡量指标 阈值大表示兴

60 奋性低, 阈值小表示兴奋性高 1 决定和影响心肌兴奋性的因素 (1) 静息电位与阈电位之间的差值 : 静息电位 ( 或最大复极电位 ) 绝对值增大或阈电位水平上移, 二者间差值增大 兴奋性降低 (2) 离子通道的性状 : Na+ 通道是否处于备用状态, 是快反应细胞当时是否具有兴奋性的前提, 正常静息电位水平又是决定 Na+ 通道能否处于或复活到备用状态的关键 问题高血钾对心肌兴奋性有何影响? 轻度高 K+( 约为 5 至 7mmol/L) 时, 由于静息电位仅略有减小, 与阈电位水平之间差减小, 兴奋性增高 当细胞外 K+ 显著增高 (>7mmol/L), 则因静息电位显著降低而引起 Na+ 通道处于失活状态, 兴奋性反而降低 若静息电位持续低于 -50mV 时,Na+ 通道将全部于失活状态, 此时将不能产生快反应动作电位, 快反应兴奋性丧失 但由于此时 Ca2+ 通道尚未失活, 受刺激时仍可产生慢反应动作电位 2 兴奋性的周期性变化 (1) 有效不应期 (effective refractory period, ERP): 0 期去极化到 3 期复极至 -60mV, 绝对不应期 (absolute refractory period) 0 期去极化到 3 期复极化至 -55mV (2) 相对不应期 (relative refractory period): 复极化 -60mV 至 -80mV 的时间 (3) 超常期 (supernormal period): 膜内电位由 -80mV 恢复到 -90mV 3 心肌兴奋性变化特点 -- 有效不应期长 意义 : * 保证了心肌收缩和舒张交替进行, 有利于心室的充盈和射血

61 * 与期前收缩 (premature systole) 后代偿性间歇 (compensatory pause) 的产生有关 ( 二 ) 自律性组织 细胞能够在没有外来刺激的条件下自动发生节律性兴奋的特性称为自动节律性 (auto-rhythmicity), 简称自律性 具有自动节律性的组织或细胞称为自律组织或自律细胞 自律性的高低可用单位时间 ( 每分钟 ) 内自动发生兴奋的次数, 即自动兴奋的频率来衡量 1. 心脏的起搏点正常起搏点 (normal pacemaker) 潜在起搏点 (latent pacemaker) * 安全因素, 当正常起搏点活动障碍时, 作为备用起搏点仍能以较低的频率保持心脏跳动 * 潜在的危险因素, 当其自律性增高并超过窦房结时, 可引起心律失常, 异位起搏点 (ectopic pacemaker) 窦房结对潜在起搏点的控制 1 抢先占领 (capture) 2 超速压抑或超速驱动压抑 (overdrive suppression) 超速压抑的意义 : * 当一过性窦性频率减慢时, 使潜在起搏点自律性不能立即表现出来, 有利于防止异位搏动 * 当窦房结细胞停止起搏时, 潜在起搏点不能立即起搏, 将引起心脏短时停搏和脑缺血, 甚至危及生命 在人工起搏时, 如需要暂停人工起搏器, 应逐渐降低其驱动频率, 以免发生心搏停止 2. 决定和影响自律性的因素

62 (1) 最大复极电位与阈电位之间的差距 : 间差距小, 自律性增高 (2)4 期自动去极化速度 :4 期自动去极化速度增快, 自律性增高 NA 可促进窦房结细胞 If 通道和 Ca2+ 通道的开放, 使 If 和 ICa 增大,4 期自动去极化速度和自律性增高 Ach 提高膜对 K+ 的通透性, 使 4 期膜对 K+ 的通透性增大,K+ 外流衰减减慢 ; 同时,Ach 还可抑制 If 和 L 型 Ca2+ 通道的开放, 均使 4 期自动去极化速度减慢, 自律性降低 ( 三 ) 传导性心肌细胞具有传导兴奋的能力, 称为传导性 (conductivity) 传导性的高低可用兴奋的传播速度来衡量 1 心脏内兴奋传播的特点 (1) 心肌细胞间直接电传递 : 心肌细胞间存在闰盘, 相邻细胞间可通过缝隙连接 (gap junction) 处的细胞间通道相互联系, 兴奋可在细胞间迅速传播, 以实现其同步性活动, 使整个心室 ( 或整个心房 ) 构成一个功能上互相联系的功能性合胞体 (functional syncytium) (2) 通过特殊传导系统有序传播兴奋

63 (3) 心脏内兴奋传导速度不均一 : 传导最慢 : 房室结 - 房室延搁 (atrioventricular delay) 意义 : 房室不同时收缩, 心室收缩紧跟在心房收缩完毕后进行传导最快 : 心室内浦氏纤维意义 : 保证心室肌几乎完全同步收缩, 产生较好的射血效果 (4) 特殊传导系统对快速兴奋具有过滤保护作用 : 房室交界的细胞不应期长, 当室上性心动过速 心房颤动时, 使部分心房传来的快速兴奋不能下传 末梢浦肯野纤维的不应期长, 也可防止心室肌的兴奋向浦肯野纤维逆向传播 2 决定和影响传导性的因素 (1) 心肌细胞的结构细胞直径 : 细胞直径大, 细胞内的电阻降低, 则空间常数增大, 兴奋部位的电位变化所引起的电紧张扩布的范围也越远, 传导速度增快 细胞间通道数目 : 细胞间通道数目多, 使纵向细胞内电阻小, 传导快 结区细胞直径小, 细胞间通道数目少, 故传导慢, 窦房结及房室交界区为慢反应细胞, 其 0 期去极速度慢 幅度低, 也决定其传导速度慢 (2)0 期去极化的速度和幅度 0 期去极的速度愈快, 局部电流的形成也将愈快, 兴奋传导愈快 0 期去极的幅度愈大, 兴奋与未兴奋部位间的电位差愈大, 向前影响的范围也愈广, 兴奋传导愈快 0 期去极的速度和幅度取决于 Na+ 通道开放的速度和数量 Na+ 通道被激活后开放的速度和数量称为 Na+ 通道的效率或可 利用率 Na+ 通道的效率是电压依从性的, 取决于临受刺激前的静息电位值 静息电位绝对值降低,Na+ 通道开放的速度和数量降低, 0 期去极速度减慢, 幅度降低, 传导减慢

64 (3) 邻近未兴奋部位的兴奋性邻近未兴奋部位的静息电位与阈电位的差距增大时, 兴奋性降低, 此时膜去极化达到阈电位水平产生动作电位所需时间延长, 传导减慢 四 心电图心电图 (electrocardiogram) 是指将测量电极置于人体表面一定部位记录到的心脏电变化曲线 1 正常心电图的波形及其生理意义 (1)P 波 (P wave): 反映左右两心房的去极化过程 (2)QRS 波群 (QRS complex): 反映左右两心室去极化过程的电位变化 (3)T 波 (T wave): 反映心室复极过程中的电位变化, (4)PR 间期 (PR interval): 是指从 P 波起点到 QRS 波起点之间的时程, 代表由窦房结产生兴奋经心房 房室交界 房室束及左右束支 浦肯野纤维传到心室并引起心室开始兴奋所需时间, 也即代表从心房去极化开始至心室去极化开始的时间 (5)QT 间期 (QT interval): 指从 QRS 波起点到 T 波终点的时程, 代表心室开始兴奋去极化至完全复极的时间 QT 间期的长短与心率呈负相关 这主要是因为心室肌动作电位时程因心率增快而缩短所致 (6)ST 段 (ST Segment): 指从 QRS 波群终点到 T 波起点之间的线段 正常心电图上 ST 段应与基线平齐 ST 段代表心室各部分心肌均已处于动作电位的平台期, 各部分之间没有电位差存在 2. 心电图与心肌细胞动作电位的关系

65 第二节心脏的泵血功能 一 心肌收缩的特点 1. 对细胞外液 Ca2+ 的依赖性心肌收缩强度因细胞外 Ca2+ 内流量而变化机制 : 在心肌的兴奋 - 收缩脱耦联中有赖于平台期细胞外 Ca2+ 的内流 钙诱导钙释放 (calcium-induced calcium release) 触发肌浆网释放大量的 Ca2+ 收缩 心肌肌浆网上的钙释放通道 (Ca2+ release channel) * Ryanodine 受体最重要 * IP3 受体问题为什么低血钙心机收缩无力? 2 " 全或无 " 式收缩当刺激强度达到阈值后所有心肌细胞都参加收缩, 反之则都不兴奋机制心肌间存在闰盘, 兴奋可在细胞间迅速传播意义心肌收缩的强度将不因参加活动的肌细胞数目的不同而改变 3. 不发生完全强直收缩 机制在心肌细胞有效不应期特别长

66 意义保证心肌收缩和舒张交替进行, 有利于心室的充盈 二. 心脏的泵血机制 ( 一 ) 心动周期的概念 心动周期 (cardiac cycle): 心脏一次收缩和舒张构成的一个机械活动周期 特点 1. 房室不同时收缩, 心室收缩紧跟在心房收缩完毕后进行 2. 有一个全心舒张期 3. 舒张期长于收缩期 : 有利于心脏充盈与心脏供血 ( 二 ) 心脏的泵血过程

67

68

69 ( 三 ) 心房在心脏泵血活动中的作用 1. 心房的接纳和初级泵 (primer pump) 作用心房舒张 : 接纳 储存从静脉回流的血液心房收缩 : 可使心室充盈增加 10%~30%, 有利于心室的射血心房其他功能 : * 内分泌功能 : 分泌具有利尿 利钠 扩血管作用的心房钠利尿肽 * 机械感受器 : 参与对心血管活动的调节 三. 心脏泵血功能的评价 ( 一 ) 心脏的排出量 1 每搏排出量和射血分数每搏排出量 (stroke volume): 一次心跳一侧心室射出的血液量, 正常人约 70 ml, 简称为搏出量 射血分数 (ejection fraction): 搏出量与心室舒张末期容积的百分比称为, 即 正常人约 55%~65% 2. 每分排出量和心指数每分排出量 (minute volume): 一侧心室每分钟射出的血液量称, 简称心排出量 (cardiac output), 等于心率与搏出量的乘积 健康成年男性静息状态下约为 5L/min,(4.5~6.0L/min) 心指数 (cardiac index): 以单位体表面积 (m2) 计算的心排出量, 正常人约为 3.0~3.5L/min m2 ( 二 ) 心脏作功量每搏功 ( 搏功,stroke work): 室一次收缩所作的功称为每搏功 ( 搏功,stroke work) 每搏功 = 搏出量 射血压力 + 动能

70 每分功 (minute work): 指心室每分钟作的功, 等于搏功乘以心率 ( 三 ) 心脏泵功能的贮备泵功能贮备或心力贮备 (cardiac reserve): 心排出量随机体代谢需要而增加的能力 心力贮备的大小可反映心泵血功能对机体代谢需求的适应能力 1. 搏出量的贮备舒张期贮备收缩期贮备 2. 心率贮备 四. 影响心排出量的因素 ( 一 ) 前负荷前负荷 (preload): 肌肉收缩前所负载的负荷, 决定肌肉的初长度 (initial length) 衡量心室前负荷的指标 * 心室舒张末期容积 * 心室舒张末期压力 1. 前负荷对搏出量的影响 (1) 心室功能曲线 (ventricular function curve)

71 1 充盈压 12~15 mmhg 为最适前负荷. 静息时为 5~6mmHg, 远离最适前负荷, 有较大的前负荷储备 2 充盈压在 15~20 mmhg, 曲线平坦说明此范围内充盈压对泵血影响不大 3 >20mmHg 曲线平坦或轻度下倾, 无明显的降支 (2) 异长自身调节 (heterometric autoregulation) 通过心肌细胞本身初长度的改变而引起心肌收缩强度的变化称为 (3) 为什么心室功能曲线无明显的降支?

72 * 机制心肌细胞外间质内含有大量劲度较大的胶原纤维, 加之心室由多层肌纤维组成, 肌纤维有多种走势和排列方向, 使得心肌的伸展性较小, 静息被动张力大, 从而阻止心肌细胞过度拉长, 使心肌肌小节的初长度一般不会超过 2.25~2.30μm, 而不出现降支 * 意义可使心脏不致于在前负荷明显增加时出现搏出量和作功能力的下降 2. 影响前负荷的因素 (1) 心室充盈时间 : 心率增快, 心室舒张期和充盈时间均缩短, 心室充盈减少, (2) 静脉回流速度 : 静脉回流增快, 心室充盈量增多, 搏出量增大 (3) 心包内压 : 心包积液时, 心包内压增高, 可妨碍心脏充盈, 搏出量减少 (4) 心室顺应性 : 心室顺应性高时, 心室充盈量增多, 反之, 充盈量减少 ( 二 ) 后负荷后负荷 (afterload) 是指在肌肉开始收缩时才遇到的负荷或阻力 它不增加肌肉的初长度, 但能阻碍收缩时肌肉的缩短 衡量心室后负荷的指标 动脉压 后负荷对搏出量的影响 问题在整体条件下, 正常人主动脉血压于 80~170mmHg 范围内变化时, 心排出量为什么并无明显改变 l BP 增高 搏出量的减少 左心室残余血量增多 左心室舒张末期容积增大, 通过异长自身调节使心肌收缩增强, l 心肌收缩能力增强 ( 三 ) 心肌收缩能力心肌收缩能力 (myocardial contractility): 心肌不依赖于负荷而改变其力学活动 ( 包括收缩的强度和速度 ) 的内在特性, 又称为心肌的变力状态 (intropic state) 等长自身调节 *(homeometric autoregulation): 机体通过心肌收缩能力这个与初长度无关的心肌内在功能变数的改变而调节泵血功能 1. 影响心肌收缩能力的因素

73 (1) 活化横桥数 * 胞浆中的 Ca2+ 浓度 * Ca2+ 与肌钙蛋白的亲合力凡能增加兴奋后胞浆 Ca2+ 浓度和 ( 或 ) 肌钙蛋白对 Ca2+ 亲和力的因素, 均可提高活化横桥的比例, 引起收缩能力的增强 儿茶酚胺提高 L 型 Ca2+ 通道的通透性, 促进 Ca2+ 内流, 心肌收缩能力增强 ; 儿茶酚胺也能降低肌钙蛋白对 Ca2+ 亲和力而促进 Ca2+ 与肌钙蛋白的解离, 促进心肌舒张 (2) 横桥 ATP 酶活性 * 甲状腺激素和体育锻炼能够提高横桥 ATP 酶活性, 可增强心肌收缩能力 * 老年人和甲状腺功能减退, 横桥 ATP 酶活性降低, 收缩能力减弱 ( 四 ) 心率 (heart rate)

74 心率 SV = 每分输出量心率增快 (<170~180 次 /min) 心率 SV 每分输出量 心率过快 (> 170~180 次 /min) 心率 SV 每分输出量 心率过慢 (< 40 次 /min) 心率 SV 每分输出量 影响心率的因素 (1) 神经调节 l 交感神经活动增强心率增快 l 迷走神经活动增强时心率减慢 (2) 体液调节肾上腺素 去甲肾上腺素和甲状腺激素均可增快心率 (3) 体温体温升高 1, 心率将增加 12~18 次三 自主神经对心脏的影响

75 思考题 1. 钙通道阻断剂对心肌细胞生理特性分别有何影响? 试说明其机制 2. 心脏为什么能有节律地 有序地收缩与舒张? 3. 肾上腺素和钠泵抑制剂强心甙对心肌收缩与舒张分别有何影响? 试说明其机制 4. 试说明血钾变化对心肌细胞生理特性的影响 5. 试说明血钙变化对心肌细胞生理特性的影响

76 6. 交感神经兴奋时, 心率增快, 为什么心输出量通常增高? 参考文献 1. 姚泰主编, 生理学 (5 版 ), 人卫出版社, 姚泰主编, 人体生理学 (3 版 ), 人卫出版社, 贺石林, 李俊成 秦晓群主编. 临床生理学. 北京 : 科学出版社, 苏静怡, 李澈, 苏哲坦主编. 心脏 - 从基础到临床. 北京 : 北京医科大学 中国协和医科大学联合出版社, Berne RM, Levy MN. Principles of physiology. 3rd edition, St.Louis, Mosby, Guyton AC, Hall JE.Textbook of medical physiology. 10th edition, Philadephia, WB Saunders, Opie LH. The heart physiology, from cell to circulation. 3rd edition, Philadelphia, Lippincott Williams and Wilkins,1998 精品课程生理学教案 第五章呼吸 (Respiration) 目的与要求 了解呼吸的意义及呼吸的基本过程, 掌握肺通气和肺换气的原理, 熟悉气体的血液运输形式, 呼吸节律的产生和呼吸运动的调节 介绍肺内微环境调控研究的有关进展 ( 如肺表面活性物质研究, 气道高反应与哮喘等 ) 重点 1. 肺通气的动力 : 肺内压与胸内压的概念 形成 呼吸过程中的变化及意义 2. 肺通气阻力 : 肺泡表面张力 肺表面活性物质 肺顺应性 比顺应性, 非弹性阻力 3. 时间肺活量 用力呼气量 肺泡通气量 功能余气量 肺换气过程及其影响因素 4. 呼吸中枢节律的形成及呼吸运动的调节 难点 胸内压的形成 肺泡表面张力 肺顺应性 比顺应性 胸廓弹性回缩力 气道阻力 肺泡通气量 肺换气影响因素和呼吸运动调节 课时 6 h 授课对象 5 年制医学本科生 教材 生理学 ( 五版 ) 北京 : 人民卫生出版社,2000 教具 多媒体投影仪 案例 : 某男性患者,29 岁因右下肺肺炎入院 血气分析显示, 动脉 O2 分压 (PaO2)49mmHg ( 正常值 100mmHg)

77 PaCO2 38mmHg( 正常 40mmHg),p H 7.42; 每分通气量 12 L/ 分 第二天因右肺炎症加重, 呼吸增加到 30 次 / 分, 虽吸入 100%, 但 PaO2 仍只有 63mmHg,PaCO2 分压反而降至 32mmHg (1) 请解释该患者 PaO2 和 PaCO2 同时降低的原因 (2) 你认为患者处于何种体位有利于改善患者呼吸功能 图 5-1 呼吸系统概图 O2 呼吸 : 外界 机体 CO2 体内贮存 O21500ml, 耗 O2 250/min, 供 O2 5-6 分钟 人体细胞如何得到 O2, 排出 CO2?

78 图 5-2 呼吸全过程示意图 第一节肺通气 (pulmonary ventilation) 一. 肺通气的动力 投影 图 5-3 呼吸运动流程示意图 1. 肺内压 (intrapulmonary pressure): 肺泡内的压力 1 吸气末及呼气末为零

79 2 平静呼吸 :(-1~-2mmHg)~(+1~2mmHg) 用力呼吸 :(-30~-100mmHg)~(+60~140mmHg) 由此可见, 肺内压周期性 / 造成压力差 ( 肺内压 - 大气压 ) 推动气体进 / 出肺的直接动力 临床意义 : 人工呼吸 (artificial respiration) 1 人工呼吸机 2 口对口呼吸 2. 呼吸运动 ⑴ 呼吸肌 : 吸气肌 1 膈肌 : 胸腔容积增加 à 吸气成人 1cmà 250ml 平静呼吸下降 1~2cmà500ml 用力呼吸 ( 最大 ) 下降 7~10cmà2500ml 2 肋间外肌 : 收缩时, 胸腔容积增加 辅助吸气肌 胸肌 背肌 胸锁乳突肌等收缩 à 胸腔容积 呼气肌 1 肋间内肌 2 壁腹肌肌纤维走向与肋间外肌走向相反 à 收缩时, 胸腔容积减少 ⑵ 平静呼吸 (eupnea): 安静状态下的呼吸特点 :1 呼吸运动平稳 均匀 12~18 次 / 分 2 吸气呼气平静呼吸主动 ( 膈肌 肋间外肌 ) 被动 ( 膈肌 肋间外肌舒, 无呼气肌缩 ) 用力呼吸主动 ( 辅助呼吸肌参与 ) 主动 ( 有呼气肌缩 ) (forced breathing) 3. 胸膜腔与肺内压 ⑴ 胸膜腔 (pleural cavity): 特点 :1 密闭 潜在腔隙 内无气体有少量浆液 :(a) 润滑 ( 粘滞性 ), 减少摩擦 (b) 内聚力 ( 壁脏两层紧贴 不易分离 ) ⑵ 胸内压 (intrapleural pressure): 胸膜内的压力 1 形成原理 : 作用于胸膜上的力脏层 : 紧贴于肺表面 ( 壁薄柔软 ) 作用于肺泡的力 à 脏层肺内压? 使肺扩张肺回缩力 à 扩张的回缩力

80 胸内压 = 肺内压 - 肺回缩力呼气末 吸气末, 大气压为 0 胸内压 =0- 肺回缩力胸内压 =- 肺回缩力 图 5-4 吸气和呼气时, 肺内压 胸膜腔内压及呼吸气容积的变化过程 ( 右 ) 和胸膜腔内压直接测量示意图 ( 左 ) 吸气时 : 肺扩张 à 肺回缩力 à 胸膜腔的负值 ( 平吸 -5~-10mmHg) 呼气时 : 肺扩张 à 肺回缩力 à 胸膜腔的负值 ( 平呼 -3~-5mmHg) 平静呼吸中, 呼气末 吸气末总为负值 2 生理意义 :i. 有利于肺扩张 ii. 有利于静脉血与淋巴液回流 如果胸膜腔破裂 à 开放性气胸 à 肺萎缩 à 呼吸困难 à 循环血量 à 血压 (V 回心血 ) 抢救措施 : 堵塞破口 抽气 à 恢复胸内负压 小结 :

81 图 5-5 呼吸运动流程示意图 -2 二. 肺通气的阻力分为 : 弹性阻力和非弹性阻力 ( 一 ) 弹性阻力 (elastic resistance) 1. 肺的弹性阻力 ⑴ 肺的弹性回缩力 : 来源 肺组织中的弹性纤维 胶原纤维等扩张弹性阻力平静呼吸占 1/3 ⑵ 肺泡表面张力 (alveolar surface tension) 表面张力 : 液体表面积尽可能缩小的力肥皂泡存在有液气界面 àt, 而大 小肥皂泡的 T 是一样大 P=μT/r, r 大 àp 小 R 小 àp 大大 小肥皂泡连通, 小 à 大 ( 小 : 塌陷, 大 : 破裂 ) 同理, 成人 3 亿个大小不等的肺泡内存在液气界面, 即有 T,r 不等 如果大小肺泡相等 T, 则如图所示

82 图 5-6 相连通的大小不同的液泡内压及气流方向示意图 肺泡表面活性物质 (pulmonary surfactant,ps) 成分 :PS 为复杂的脂蛋白复合物磷脂占 PS 重量的 80-90% 其中主要成分为二棕榈酰卵磷脂 (dipalmitoyl phosphatidyl choline,dppc) 图 5-7 肺表面活性物质的构成成分来源 : 肺 II 型细胞合成 贮存 释放作用 : 降低肺表面张力机制 :DPPC 为双极性分子, 一端为疏水的脂肪酸链 另一端为亲水的磷脂酰胆碱 亲水端插入液体分子间, 疏水端朝向空气, 成单分子层分布于肺泡液气界面 PS 的生理功能 : 1 降低 T

83 由于 PS 的上述作用, 故有其临床意义 : 早产儿 PS 少 ( 胎儿 :30W 左右 PS 合成,40W 达高峰 ) PS 少, 降 T 小, 肺泡 T à 肺回缩力 à 吸气困难 PS 少, 降 T 小, 肺泡 T ; 尤其是呼气末期容积 T 很大 à 肺泡塌陷 PS 少, 降 T 小, 肺泡 T à 肺 cap 中液体抽吸作用 à 肺泡间液体 à 肺水肿早产儿常出现新生儿呼吸窘迫综合症 ( neonatal respiratory distress syndrome, NRDS) 2 PS 与肺防御功能有关 80 年代以来, 进一步研究表明 :AM N 有 PS 时, 吞噬 杀菌作用强 ; AM N 缺乏 PS 时, 吞噬 杀菌作用弱些 说明 :PS 与肺防御功能有关 3 器官保护作用 * 抗氧化性作用 * 促进吸入异物颗粒排出 * 抗弹性蛋白酶损伤 * 降低矿物质粉尘的生物学活性 * 下调炎症因子产生, 抑制成纤维细胞增殖 4 维持气道的通畅 PS 生成的调控 : (1) 体液调节 : 促进 PS 合成的因素有 : 糖皮质激素 甲状腺激素 肾上腺素和胰岛素 本室的研究表明, 内皮素 雌二醇和表皮生长因子等亦可促进 PS 的合成与分泌 (2) 物理因素 肺扩张刺激是出生后促进和调控 PS 分泌的主要因素

84 低温可抑制 PS 的合成 肺 PS 与肺部疾病 (1) 新生儿呼吸窘迫综合征 (newborn respireatory disease syndrome, NRDS) PS 促进胚胎肺的发育 PS 替代治疗 NRDS (2) 急性呼吸窘迫综合征 (adult respireatory disease syndrome, NRDS) (3) 哮喘哮喘时 PS 功能下降 DPPC 的作用还需表面活性物质相关蛋白 (surfactant-associated protein,sp),sp 分为 SP-A SP-B SP-C SP-D,SP-A SP-B SP-D 由肺泡 Ⅱ 型上皮细胞和支气管非纤毛上皮细胞 (Clara 细胞 ),SP-C 仅由肺泡 Ⅱ 型上皮细胞 SP-A 和 SP-D 为亲水性蛋白,SP-B 和 SP-C 为疏水性蛋白 SP 为 pulmonary surfactant 发挥作用必需 ⑷ 肺顺应性 (lung compliance) 顺应性 (compliance, C): 在外力作用下, 弹性组织的可扩张性 弹性小, 易扩张,C 大 ; 反之亦然 即 C=1/R 而顺应性可用单位压力变化所引起的容积变化衡量 C= V/ P 肺顺应性 : 单位压力变化引起的肺容量变化 CL=( V) 肺容量的变化 /( P) 跨膜压的变化 (L/cmH2O) ( 跨肺压 = 肺内压 - 胸内压 ) 图 5-8 充空气和充生理盐水时肺的顺应性曲线 分步向肺内注空气后再抽气, 随后注 / 抽生理盐水测定相应的肺容量和压力变化 以压力为横坐标, 以容量为纵坐标, 所得到的曲线称为压力容积曲线 曲线斜率为 V/ P=CL 分析压力容积曲线, 1 同样使肺扩张 50%, 注气比注 NS 所需的压力大, 原因是注 NS 消除了液气界面 à 取消了 T, 克服的弹性阻力仅为肺弹性组织回缩力

85 2 不同肺基础容量下充气或注 NS, 使 V 一样, P 不同 即压力容积曲线的斜率不同 ( 不为直线 ), 即不同肺容量下,CL 不同, 则肺弹性不同 3 注气 抽气时, 曲线相差很大, 即有滞后 (hysteresis) 注 NS 抽 NS 时, 基本重合, 无滞后 由此可见, 滞后与肺 T 有关 CL 反映了肺弹性阻力大小 肺顺应性曲线的临床意义 : 图 5-9 正常及几种异常的肺顺应性曲线 1 正常成年人全肺平均 CL=0.2 L/cmH2O 2 肺纤维 肺不张时, 曲线变平 右移 (shift to the right) CL 下降 :0.1L/cmH2O, 弹性阻力 à 呼吸困难 3 弹性成分大量破坏, 曲线左移 (shift to the left) 表示 :CL 增加 0.4L/cmH2O, 弹性阻力 à 呼吸困难 à 肺气量 à 肺气肿 临床上 CL 常用作衡量肺弹性阻力变化的指标 但 CL 是否为反应肺弹性阻力的最好指标, 下面看看 :

86 同样的道理, 成人与新生儿身材不同 à 肺容量 CL 不同, 比顺应性 (specific compliance) 一样 符合成人与新生儿肺弹性阻力相近的事实 2. 胸廓的弹性阻力与顺应性 : 胸廓为弹性组织, 呼吸运动时也产生弹性 图 5-10 不同状态下胸廓弹性回缩力对呼吸的影响 可见, 胸廓的弹性回缩力在胸廓容积不变时, 可成为吸气的阻力 / 动力 胸廓的弹性阻力可用胸廓的顺应性 ( thoracic compliance,ct) 表示 CT= 胸腔容积 V/ 跨壁压变化 ( P= 胸内压 - 大气压 ) 成人 =0.2L/cmH2O

87 ( 二 ) 非弹性阻力 (non-elastic resistance): 包括气道阻力 惯性阻力和粘滞阻力气道阻力 (airway resistance, R): 占非弹性阻力的 80-90% R= 压力差 (cmh2o)/ 单位时间气流量 (L/S) 正常成年人平静呼吸时, 总气道阻力为 1-3cmH2O/L.S-1 气道阻力的 90% 由大气道 ( 直径 32mm 气道 ) 产生 影响气道口径有 : 气道跨壁压 肺实质牵引 神经支配吸气时跨壁压, 肺牵引 以及交感 N 兴奋时口径 à 阻力 呼气时跨壁压 肺牵引 以及副交感 N 兴奋或内皮素等使口径 à 阻力 气道阻力在吸气时小些, 呼气时大些 所以临床上支气管痉挛 ( 哮喘 ), 气道阻力 à 呼吸困难, 呼气时更明显 近年来气道高反应的机制与哮喘的研究成为 呼吸功 (work of breathing): 呼吸肌为克服弹性阻力和肺弹性阻力所作的功 三 肺通气功能的评价 (Evaluation of function of pulmonary ventilation)

88 图 5-11 肺容积和肺容量图解 ( 一 ) 基本肺容量 (Pulmonary volumes) 1. 潮气量 (tidal volume,tv): 是指每次吸入或呼出的气量 平静呼吸时潮气量约为 500 ml 2. 补吸气量 (inspiratory reserve volume,irv): 指平静吸气末, 再用力吸气所能吸入的气量 正常成年人补吸气量约为 1500~2000ml 3. 补呼气量 (expiratory reserve volume,erv): 指平静呼气末, 再尽力呼气所能呼出的气量 正常成年人补呼气量约为 900~1200ml 4. 余气量 (residual volume,rv): 最大呼气末存留于肺内不能再呼出的气量, 正常成人约为 1000 ~ 1500ml 支气管哮喘和肺气肿患者, 残气量增加 ( 二 ) 评价肺通气功能的指标 (Evaluation of function of pulmonary ventilation) 1. 深吸气量 (inspiratory capacity,ic) 指在平静呼气末作最大吸气时所能吸入的气量, 等于潮气量和补吸气量之和 深吸气量一般与肺活量呈平行关系, 是衡量最大通气潜力的重要指标 胸廓 胸膜 肺组织和呼吸肌等发生病变时, 肺通气功能下降, 深吸气量减少 2. 功能余气量 (functional residual capacity, FRC): 指平静呼气末存留于肺内的气量, 等于余气量与补呼气量相加 正常成年人约为 2500ml, 功能余气量的生理意义是缓冲呼吸过程中肺泡气中氧和二氧化碳分压 (Po2 和 Pco2) 的变化 3. 肺总容量 (total lung capacity,tlc): 指肺所能容纳的最大气量, 等于潮气量 补吸气量 补呼气量和余气量之和 也等于深吸气量与功能余气量之和 成年男性平均约 5000ml, 女性约 3 500ml 4. 肺活量 (vital capacity,vc): 指最大吸气后作最大呼气所呼出的气量 肺活量等于潮气量 补吸气量和补呼气量之和, 也等于肺总容量减去余气量 正常成年男性平均约 3 500ml, 女性约 2 500ml 肺活量反映了肺一次通气的最大能力, 一般来说肺活量越大, 肺的通气功能越好 5. 用力肺活量 (forced vital capacity, FVC): 指最大吸气后, 以最快速度用力呼气时所呼出的最大气量

89 该指标避免了肺活量不限制呼气的时间的缺陷, 是反映肺通气功能的较好指标 6. 用力呼气量 (forced expiratory volume,fev): 是指最大吸气后以最快速度用力呼气时在一定时间内所呼出的气量, 一般以它所占用力肺活量的百分数来表示, 即 FEVt/FVC % 其中, 第 1 秒钟内呼出的气量称为 1 秒用力呼气量 (the first second of a forced expiration, FEVl), 是临床反映肺通气功能最常用的指标, 正常时 FEV1/FVC% 约为 80% 因此,FEV1/FVC% 是评定慢性阻塞性肺病的常用指标, 也常用于鉴别阻塞性肺病和限制性肺病 7. 最大呼气中段流量 (maximal midexpiratory flow curve,mmef): 指在 FEV 描图上按肺活量等分为 4 等份, 取中间二等份容积, 除以所占时间, 即可计算出 MMEF 该指标的优点是去掉了呼气初始与呼气力量有关的部分, 能较好地反映小气道的阻力情况, 是测定小气道功能的简单实用的方法 8. 每分通气量 (minute ventilation volume): 指每分钟吸入或呼出的气量, 等于潮气量乘以呼吸频率 9. 最大随意通气量 (maximal voluntary ventilation) 也称为最大通气量, 指以最大的力量 最快的速度每分钟吸入或呼出的气量 它反映单位时间内充分发挥全部通气能力所能达到的通气量, 最大通气量一般可达 70~120L 比较每分静息通气量与最大通气量, 可以了解通气功能的贮备能力, 通常用通气贮量百分比表示 : 10. 通气贮量百分比 =( 最大通气量 - 每分平静通气量 )/ 最大通气量 l00% 通气贮量百分比的正常值等于或大于 93% 小于 70% 为通气功能严重损害 在此基础上可进一步推算出气速指数, 即 11. 气速指数 (air velocity of index, A.V.I)=( 最大通气量实测值 / 预计值 %)/( 肺活量实测值 / 预计值 %) 气速指数有助于鉴别通气功能损害的类型 12. 肺泡通气量 (alveolar ventilation): 指每分钟吸入肺泡的新鲜空气量或每分钟能与血液进行气体交换的量, 等于 ( 潮气量 - 无效腔气量 ) 呼吸频率 图 5-12 呼吸时的肺容积变化示意图

90 解剖无效腔 (anatomical dead space), 正常成年人其容积约为 150mL 肺泡无效腔 (alveolar dead space), 正常人的肺泡无效腔接近于零 肺泡无效腔与解剖无效腔一起合称生理无效腔 (physiological dead space) 正常人的生理无效腔等于或接近于解剖无效腔 病理情况下, 如支气管扩张时解剖无效腔增大 ; 肺动脉部分梗塞时肺泡无效腔增大 肺泡通气量是反映肺通气效率的重要指标 在一定的呼吸频率范围内深而慢的呼吸比浅而快的呼吸更为有 效 第二节呼吸气体的交换 (gas exchange) 一. 气体交换机制 ( 一 ) 有关概念 1. 溶解度 (solubility): 在一个 atm,370c 时, 每 100ml 液体中所溶解的气体 ml 数 如 O2w 为 2.14ml, CO2 5.15ml 可见 CO2 的溶解度是 CO2 24 倍溶解度大 à 扩散快 2. 扩散 (diffusion): 在同一性质的溶质分子从高浓度区域向低浓度区域的净移动 扩散速度 [ 溶质浓度差 : 压力差大 à 扩散快 ] [ 温度 ] [ 分子量 ] O2 和 CO2 的扩散即为单纯扩散 3. 分压和张力 ( 二 ) 气体交换过程 (processs of gas exchange)

91 二 影响肺部气体交换的因素 1. 气体扩散速度 CO2 的扩散速度是 O2 扩散速度的 2 倍 故在气体交换不足时, 往往是缺氧显著 ( 低氧血症 ) 而 CO2 的储留 确并不明显, 2. 呼吸膜 ( 肺泡膜 ) 的厚度 扩散距离 肺泡气通过呼吸肺泡膜与肺 cap 静脉血进行气体交换 呼吸膜由 6 层结构组成 图 5-13 呼吸膜结构示意图

92 在病理情况下 ( 如 : 肺水肿 肺纤维化 肺泡膜增厚 ), 减少扩散量 à 低氧血症 3. 呼吸膜的面积 指与肺 cap 静脉血液进行气体交换的肺泡膜的面积 图 5-14 通气 / 血流比值改变后的不同状态 正常人有 3 亿个肺泡, 总扩散面积达 70m2 安静状态时, 只需要 40m2 的扩散面积即可满足肺泡气与肺 cap 静脉血液间的气体交换 4. 通气 / 血流比值 (ventilation/perfusion ratio,va/q) 的影响 肺的气体交换除受面积和距离影响外, 还需 VA 与 Q 的协调 VA/Q: 每分钟肺泡通气量 (VA) 与每分钟肺血流量的比值 上述 VA/Q 或 都不利于气体交换, 从而导致缺氧和二氧化碳储留, 但主要是缺氧造成的低氧血症 肺血栓 或肺不张都可导致低氧血症 : 肺血栓 VA/Q 肺不张 VA/Q 通过测定 VA/Q 可帮助鉴别诊断 健康成人整肺的 VA/Q 为 0.84, 但实际上肺内各部分的 VA 和 cap 静脉血流的分步是不均匀的 所以, 各处的 VA/Q 变化很大 : 肺尖可达 3.3, 肺底部可低至 0.6 如图

93 图 5-15 正常人直立时肺通气和血流量的分布 肺尖 : 主要是由于重力作用,VA 和 Q 都比下部低, 但 Q 这是因为 : 肺通气曲线 1 负压由上而下出现一个压力梯度, 上方最负 à 肺上部肺泡扩张较大 à 肺泡基础容量较大 à 此时肺上部处于肺顺应性曲线的上段 à 顺应性小 à 肺泡通气量 2 肺底部则相反, 肺基础容量较小 à 处于曲线中段 à 顺应性大 à 肺泡通气量大些 3 吸气时, 下部肋骨的活动度 > 上部肋骨 ; 膈肌的下降也使肺门以下肺叶扩张 à 肺泡通气量大 血流量曲线 : 血流量从上到下降低主要是 : 重力作用使上部血流量下降, 肺尖部 > 肺下部在正常情况下,VA 和 Q 存在一定的局部自身调节, 从而 VA 与 Q 相匹配 1 局部 VA/Q 时 ( 即肺泡通气过剩时 )à 肺泡 PCO2 à 该区域的支气管平滑肌收缩 à 减少肺泡通气量 à 与 Q 适应 2 局部 VA/Q 时, 通气不良 PO2 à 局部血管平滑肌收缩 àq à 与 VA 适应这样 VA/Q 维持在一个正常的范围内, 以保持机体气体交换的需要 5. 肺扩散容量 (pulmonary diffusion capacity,dl): 单位分压差下每分钟通过呼吸膜扩散的气量 第三节呼吸运动的调节 (respiratory regulation) 一. 呼吸中枢及呼吸节律的形成 ( 一 ) 呼吸中枢 (respiratory center):cns 中, 产生和调节呼吸运动的 NC 群

94 1. 横切实验 图 5-16 不同层次的呼吸中枢 ( 左 ) 和不同平面横切脑干后呼吸的变化 ( 右 ) 示意图 a: 脊髓 - 延髓 b: 延髓 - 脑桥 c: 脑桥上 1/3~2/3 d: 脑桥 - 中脑最基本的呼吸中枢是延髓, 而正常呼吸节律的形成有赖于脑桥与延髓的共同配合 2. 引导实验通过横切试验, 了解呼吸中枢分布 通过引导试验, 应用微电极记录 N 放电与呼吸运动的关系 可见,CNS 内, 有与呼吸周期有关的呈节律性放电的 N 元 : 呼吸 N 元在延髓, 这些呼吸神经元主要分布于背侧两侧核团上腹侧 (1) 背侧呼吸组 ( 吸气神经元 ): 神经元主要集中于孤束核 (dorsal respiratory group,drg) 在 DRG 主要会有 IN( 吸气神经元 ) 如 : 猪 IN 94% 兔 IN 74% 这些 IN 绝大部分的轴突末梢交叉下行 (2) 腹侧呼吸组 : 有 IN EN (ventral respiratory group,vrg) 呼吸神经元主要集中在后疑核平面尾段腹侧呼吸组 (cvrg) 主要含呼吸神经元 à 肋间内肌 腹肌疑核平面的中段 VRG(IVRG): 含吸气神经元 à 腹肌 肋外肌包钦格复合体 à 呼气神经元脑桥 : 呼吸神经元, 相对集中于 [ 臂旁内侧核 (NPBM) kolliker-fuse (KF) 核 ]

95 其作用 : 吸气 à 呼气 前面横切实验得知, 延髓是基本呼吸中枢, 而正常呼吸节律的形成有赖于脑桥与延髓的共同配合 ( 二 ) 呼吸节律的形成学说很多, 被广泛接受的局部神经元回路反馈控制学说实验发现, 将所有进入延髓的传入冲动全部消除仍能记录道延髓 IN 发放的周期性放电 图 5-17 呼吸节律的形成小结图 二. 呼吸的反射性调节 (Refles regulation of respiration) ( 一 ) 肺牵张反射 (pulmonary strech reflex ) 定义 : 肺扩张 ( 充气 )à 抑制吸气肺扩张的反射肺缩小 ( 放气 )à 促进吸气肺缩小的反射 Hering-Breuer ( 黑 - 伯氏反射 ) 1. 肺扩张反射 (pulmonary inflation reflex) 感受器 : 支气管 细支气管平滑肌中的牵张感受器适宜刺激 : 牵张 ( 气道壁扩张 ) 传入神经 : 迷走神经中枢机理 : 兴奋吸气切断机制效应 : 促进吸 à 呼意义 :(1) 防止吸气过深, 调节呼吸频率和深度 (2) 增加心率种属差异 : 兔最明显 : 实验切断双侧迷走神经后, 吸气大大增加, 呼吸频率减弱

96 对人作用较小, 肺扩张反射的阈值高 2. 肺缩小反射 (pulmonary deflation reflex 感受器 : 细支气管肺泡刺激 : 肺缩小传入神经 : 迷走神经中枢机理 : 兴奋神经呼 à 吸感受器阈值很高, 平时不起作用 气胸 à 肺缩小 à 兴奋肺缩反射 à 呼吸运动增强肺不张 ( 二 ) 呼吸肌本体感受性反射 ( 三 ) 防御性呼吸反射 ( 四 ) 肺毛细血管感受性反射 ( 五 ) 化学感受性反射 (respiratory regulation by chemical factors) 动脉血中 ( 或脑脊液 ):O2 CO2 H+ 1. 化学感受器 外周感受器 (peripheral chemoreceptor) 中枢化学感受器 (central chemoreceptor) 部位颈动脉体 主动脉体 (1) 切除外周化学 吸入 CO2 增加 à 呼吸加快 (1) 有 I II 型细胞 CSF 中 H+ CO2 升高 (2) 血流最丰富说明 H+ CO2 还可通过其他途径 à 呼吸增加 2000ml/100g/min (2) 但是否为直接刺激呼吸中枢心 50ml/100g/min CO2 使呼吸中枢神经元超极化 à 抑制 H+ 有效刺激 : 动脉血 P CO2 P O2 H+ 所以不是直接作用于呼吸中枢部位 : 延髓腹外侧浅表部位有效刺激 : 该处 CO2 H+ 升高 -> 呼吸增加但如 H+ 保持不变 à 呼吸不变说明 :CO2 本身不是有效刺激间接作用 CO2+H2O H2CO3 H++HCO3- H+ 变化

97 图 5-18 中枢化学感受器 2. CO2 的调节 : (1) 一定水平的 P CO2 是维持呼吸中枢兴奋性的必要条件,CO2 是调节呼吸最主要的生理性体液因子 (2) 在一定范围内呼吸运动与 CO2 浓度呈正比, 正常吸入气为 0.04% 吸入 CO2 2%, 呼吸加深吸入 CO2 4%, 频率增加 通气为静息时 2 倍吸入 CO2 7%, 通气不再增加, 达上限吸入 CO2 10% CNS(-) 头痛 头昏吸入 CO2 15% 意识丧失 àco2 麻醉 ⑵ 机制 : PCO2, 可作用于中枢 外周 但主要是中枢 > 外周这是由于 PaCO2 2mmHg 即可兴奋中枢化学感受器, 但 CO2 对中枢作用有潜伏期 图 5-19 外周化学感受器对 PCO2 的反应

98 图 5-20 中枢化学感受器对 PCO2 的反应 图 5-21 PCO2 作用于中枢化学感受器的机理 ⑶ 外周起主要作用的时机 当外周动脉血中 CO2 浓度忽然增加或中枢化学感受器受抑制 <--à 主要通过外周 3. H+ 的调节 : 图 5-22 [H+] 对呼吸的影响 动脉中的 [H+] 主要刺激外周化学感受器 4. 低氧 :

99 图 5-22 PO2 对呼吸的影响 5. 综合作用 : 图 5-23 PO2 PCO2 及 [H+] 改变对呼吸的影响小结 肺的非呼吸功能 呼吸以外的功能一. 代谢功能 1 合成肺表面活性物质 2 合成 PG 3 AgIà AgII 4 APLD 细胞二. 防御

100 1 机械屏障 2 AM 的吞噬 杀菌 3 肺分泌性 IgA 溶菌 E 4 无活性物质 5 解毒三 贮血功能 [ 参考文献 ] 1. 吴中海. 节律性呼吸的调节. 见 : 贺石林, 李俊成 秦晓群主编. 临床生理学. 北京 : 科学出版社,2001, 姚泰主编, 生理学 ( 五版 ). 北京 : 人民卫生出版社, 姚泰主编, 人体生理学 ( 三版 ). 北京 : 人民卫生出版社, 范少光 汤浩 潘伟丰主编. 人体生理学 ( 二版 ) 北京: 北京医科大学出版社, William F.Ganong. Review of Medical Physiology(20th), United States of American,McGram-Hill, Lingappa VR and Farey K. Physiological medicine,a clinical approach to basic medical physiology. McGram-Hill, Jens CR, et al.pre-botzinger complex and pacemaker neuron:hypothesized site and kernel for respiratory rhythm generation.ann Rev Physiol.1998,60: Smith Jc et al.pre-botzinger complex-a brainstem region that may generate respiratory rhythm in mammals. Science,1991,254: Mitsuyasu H. et al.ile50 Val variant of il-4r alpha upregulates IgE synthesis and associates with atropic asthma. Nature Genet,1998,19: Solway J and Fredberg JJ. Perhaps airway smooth muscle dysfunction contributes to asthmatic bronchial hyperresponsiveness after all. Am J Respir cell Mol Biol.1997,17;144. [ 思考题 ] 1 口中含一通气管潜水, 如果不考虑水中压力, 你认为可潜至任何深度吗, 为什么? 2 试述评价肺通气功能的主要指标 3 何谓缺 O2? 简述其常见的发生原因和临床表现 岁男性患者, 因右下肺肺炎入院 血气分析显示, 动脉 O2 分压 (PaO2)49mmHg ( 正常值 100mmHg) PaCO2 38mmHg( 正常 40mmHg),p H 7.42; 每分通气量 12 L/ 分 第二天因右肺炎症加重, 呼吸增加到 30 次 / 分, 虽吸入 100%, 但 PaO2 仍只有 63mmHg,PaCO2 分压反而降至 32mmHg (1) 请解释该患者 PaO2 和 PaCO2 同时降低的原因 (2) 你认为患者处于何种体位有利于改善患者呼吸功能?

101 精品课程生理学教案 第六章消化与吸收讲授课题 : 消化与吸收 (Digestion and Absorbtion) 目的与要求 : 了解消化道平滑肌特性 胃肠神经支配 口腔内消化 大肠内消化 ; 掌握胃内消化和小肠内消化 教学重点 : 胃内消化和小肠内消化教学难点 : 胃肠激素 胃液分泌调节教学方法 : 讲授法讲授对象 : 五年制本科生讲授地点 : 中南大学湘雅医学院 板书提纲 : 消化与吸收 (digestion and absorbtion) 一 概述 ( 一 ) 消化道平滑肌特性 ( 二 ) 消化腺的分泌功能 ( 三 ) 胃肠的神经支配 ( 四 ) 消化道的内分泌功能二 口腔内消化 ( 一 ) 唾液及其作用 ( 二 ) 咀嚼 ( 三 ) 吞咽三 胃内消化 ( 一 ) 胃液的分泌 ( 二 ) 胃的运动四 小肠内消化 ( 一 ) 胰液的分泌 ( 二 ) 胆汁的分泌 ( 三 ) 小肠液的分泌 ( 四 ) 小肠的运动五 大肠内消化 ( 自学 ) ( 一 ) 大肠液的分泌 ( 二 ) 大肠的运动和排便六 吸收 ( 自学 ) ( 一 ) 吸收的过程 ( 二 ) 小肠内主要营养物质的吸收

102 教学步骤 : 案例 : 已知消化性胃溃疡的发生与胃酸分泌过多有关, 根据你现有知识, 提出可能降低胃酸的方法或途径, 并分析每一方法的优缺点 一 概述 (summary) 前言消化是指食物经过消化道转变成易吸收的小分子物质的过程, 包括机械性消化和化学性消化, 机械性消化是指通过消化道的运动, 将食物切割 磨碎, 与消化液混合, 不断向前推进的过程 ; 化学性消化是指通过消化液的作用, 将食物中的营养成分分解成小分子物质的过程, 经过消化的食物, 透过消化道粘膜进入血液和淋巴液的过程称为吸收 ( 一 ) 消化道平滑肌的生理特性 1, 基本特性 (1) 兴奋性较低 收缩缓慢 (2) 伸展性大 (3) 紧张性 (4) 自动节律性, 不如心肌规则 (5) 对机械牵张 温度和化学刺激敏感, 对电刺激不敏感 2. 电生理特性 (1) 静息电位 : -40?-80mV, 形成原因主要是 K 外流, 其次有 Na-K 泵的生电作用 (2) 慢波电位 : 在静息电位的基础上产生自发性和周期性的电位波动, 其频率较慢, 故称为慢波电位或慢波 (Slow Wave), 又称为基本电节律 (Basic Electrical Rhythm). 胃为 3 次 / 分钟, 十二指肠为 12 次 / 分钟. 波幅为 10?15mV, 时程为几秒至几十秒. (3) 动作电位 : 产生在慢波基础上, 一个至数个 ; 时程较长 (10?20ms), 幅值较低. 去极相由慢钙通道介导的内向离子流 ( 主要是 Ca, 也有 Na). ( 二 ) 消化腺的分泌功能 人的各种消化腺分泌的消化液 6~8L/ 天 消化液作用 :

103 1. 分解营养成分 2. 提供适宜 PH 环境 3. 稀释食物, 使其等渗, 利于吸收 4. 保护消化道粘膜免受理化性刺激损伤 消化液的成分及其作用消化液分泌量 (L/d) PH 主要成分酶底物水解产物唾液 1~ ~7.1 粘液 a- 淀粉酶淀粉麦芽糖胃液 1.5~ ~1.5 粘液 盐酸胃蛋白酶 ( 原 ) 蛋白质眎 胨 多肽内因子胰液 1.0~ ~8.4 HCO3- 胰蛋白酶 ( 原 ) 蛋白质氨基酸 寡肽糜蛋白酶 ( 原 ) 蛋白质氨基酸 寡肽羧基肽酶 ( 原 ) 肽氨基酸核糖核酸酶 RNA 单核苷酸脱氧核糖核酸酶 DNA 脱氧单核苷酸 a- 淀粉酶淀粉麦芽糖 寡糖胰脂肪酶甘油三脂脂肪酸 甘油 甘油脂胆固醇酯酶胆固醇酯脂肪酸 胆固醇胆汁 0.8~ ~7.4 胆盐胆固醇胆色素小肠液 1.0~ 粘液肠致活酶胰蛋白酶原胰蛋白酶大肠液 粘液 HCO3- ( 三 ) 胃肠的神经支配 胃肠神经支配包括内在神经系统 (intrinsic nervous system) 和外来神经系统 (extrinsic nervous system)

104 ( 四 ) 消化道的内分泌功能胃肠激素 (gastrointestinal hormone): 消化道内分泌细胞合成和分泌的具有生物活性的化学物质 1. 胃肠内分泌细胞特点种类 :40 多种, 数量超过体内内分泌腺细胞总和, 是体内最大 最复杂的内分泌器官 大部分呈锥形 : 主要胃肠内分泌细胞及其激素 分布部位细胞名称分泌激素胰岛 A 细胞胰高血糖素 B 细胞胰岛素胰岛 胃 小肠 结肠 D 细胞生长抑素胃窦 十二指肠 G 细胞胃泌素小肠上部 I 细胞胆囊收缩素 K 细胞抑胃肽 S 细胞胰泌素小肠 Mo 细胞胃动素回肠 N 细胞神经降压素胰腺 胃 小肠 大肠 PP 细胞胰多肽 2. 胃肠激素作用 (1) 调节消化腺分泌和消化道运动不同胃肠激素作用不同, 三种胃肠激素作用 (2) 调节其它激素释放

105 抑胃肽有很强的刺激胰岛素分泌作用 (3) 营养作用 : 有些胃肠激素具有促进消化道组织代谢和生长的作用, 称为营养作用 (trophic action), 如胃泌素能刺激胃泌酸部位粘膜和十二指肠粘膜 DNA RNA 和蛋白质的合成 3. 脑 - 肠肽的概念在胃肠道和中枢神经系统双重分布的肽类物质称为脑 - 肠肽 (brain-gut peptide) 二 口腔内消化 ( 自学 ) 三 胃内消化胃是消化道中最膨大的部位, 具有暂时储存食物和对食物中的蛋白质进行初步消化的功能 成人 1~2L ( 一 ) 胃的分泌 胃的分泌腺 1. 胃液成分和作用纯净的胃液 ph , 无色液体, 正常成人分泌量约 L/ 天, 包括无机物 (HCl Na K Cl 等 ) 和有机物 ( 粘蛋白 消化酶等 ) (1) 盐酸, 也称胃酸基础酸排出量 : 正常人空腹时盐酸的排出量, 一般为 0-5mmol/ 小时 最大酸排出量 : 在食物或药物的刺激下, 盐酸排出量, 正常人为 20-25mmol/ 小时 盐酸的分泌机制 :H 来源代谢水, H-K,ATP 酶转运, (2) 胃蛋白酶原 (pepsinogen) 主要来源主细胞, 其次是泌酸腺颈粘液细胞 贲门腺和幽门腺的粘液细胞 十二指肠近端的腺体

106 (3) 粘液和碳酸氢盐 分泌粘液细胞 : 胃粘膜上皮细胞 泌酸腺颈粘液细胞 贲门腺 幽门腺 粘液的主要成分 : 糖蛋白 粘液 - 碳酸氢盐屏障 (mucus-bicarbonate barrier): 胃粘膜表面粘液和碳酸氢盐共同形成的一道生理性屏障, 可有效保护胃粘膜 特点 : 粘度大, 表面 ph 为 2.0, 上皮细胞面为 7.0 (4) 内因子 (intrinsic factor): 壁细胞分泌, Mr 为 6 万的糖蛋白, 促进 VitB12 的吸收 2. 胃液分泌的调节空腹时胃液不分泌或很少分泌, 食物是胃液分泌的自然刺激物, 通过神经 - 体液因素调节胃液的分泌 (1) 影响胃液分泌的内源性刺激物乙酰胆碱 : 作用壁细胞 M3 受体刺激胃酸的分泌, 可被阿托品阻断 胃泌素 (gastrin): 通过血液循环作用壁细胞, 有 G-34 和 G-17, G-17 刺激胃酸分泌作用比 G-34 强 5~6 倍 C 端 4 个 AA( 色 - 甲硫 - 门冬 - 苯丙 -NH2) 是胃泌素的最小活性片段 组胺 (Histamine): 由胃泌酸腺中肠嗜铬样细胞 (enterochromaffin-like cell, ECL) 分泌的, 具有很强的刺激胃酸分泌的作用, 作用壁细胞上 H2 受体, 阻断剂为甲氢咪呱 (cimetidine) ECL 细胞上存在胃泌素和胆碱能受体, 胃泌素和 Ach 可通过作用于壁细胞上相应的受体而刺激胃酸的分泌 生长抑素 (somatostatin):14 肽, 由胃体和胃窦粘膜内 D 细胞合成和释放 对胃酸分泌有很强的抑制作用 原因 :1 抑制胃窦 G 细胞释放胃泌素 ;2 抑制 ECL 细胞释放组胺 ;3 直接抑制壁细胞的功能 (2) 消化期胃液分泌的调节头期 : 食物刺激头面部感受器而引起的胃液分泌, 包括条件反射 ( 视 嗅 听等感受器 ) 和非条件反射 ( 口腔和咽喉等处机械和化学感受器 ), 中枢包括延髓 下丘脑 边缘叶 和大脑皮层等 胃期 : 食物刺激胃内感受器引起胃液的分泌, 1 扩张刺激胃底 胃体部感受器, 通过迷走 - 迷走长反射和壁内神经丛的短

107 反射, 直接和间接通过胃泌素引起胃腺分泌 ;2 扩张刺激胃幽门部, 通过壁内神经丛的短反射, 引起 G 细胞分泌胃泌素 ; 3 食物的化学成分直接作用于 G 细胞引起胃泌素的释放 肠期 : 食物进入小肠后, 继续刺激胃液分泌 小肠粘膜释放 " 肠泌酸素 (entero-oxyntin)" (3) 胃酸分泌的抑制性条节盐酸 : 胃窦 PH 降到 1.2~1.5 时, 胃酸分泌抑制 原因是 1HCl 直接抑制 G 细胞分泌,2HCl 引起胃粘膜内 D 细胞释放生长抑素 十二指肠内 PH 降到 2.5 以下时, 胃酸刺激小肠粘膜释放胰泌素抑制胃酸分泌 ; HCl 刺激十二指肠球部释放球抑胃素 (bulbogastrone). 脂肪 : 引起小肠释放肠抑胃素 (enterogastrone), 可能不是独立激素, 而是数种具有此种作用激素的总称 高张溶液 : 激活小肠内渗透压感受器, 通过肠 - 胃反射 (entero-gastric reflex) 抑制胃分泌 ( 二 ) 胃的运动作用 : 容纳食物 机械消化 排空食物 1. 主要形式 (1) 容受性舒张 (receptive relaxaton): 咀嚼 吞咽食物时, 食物对咽 食道等处的感受器刺激可引起胃头区肌肉舒张 适应于大量食物的摄入, 而胃内压变化不大 (2) 蠕动 : 起始于胃中部的, 约 3 次 / 分的环状收缩波 2. 胃排空 (gastric emptying): 胃内食糜由胃排人十二指肠的过程 进食 5 分钟后开始, 排空速度 : 稀的 流质 > 稠的 固体的食物, 小颗粒 > 大颗粒等渗溶液 > 非等渗溶液糖 > 蛋白质 > 脂肪混合食物排空通常需要 4~6 小时 (1) 胃排空促进因素胃内物? 扩张胃? 壁内神经丛反射和迷走 - 迷走反射? 胃运动加强食物扩张刺激和化学成分? 胃泌素释放? 胃运动加强 (2) 十二指肠内抑制排空因素肠 - 胃反射 : 十二指肠内食物? 酸 脂肪 渗透压 机械感受器? 反射性抑制胃运动? 排空减慢四. 小肠内的消化 ( 一 ) 胰液的分泌 1. 胰液的成分和作用胰液是无色 无臭液体, 1~2L/ 日, PH 为 7.8~8.4, 等渗 阳离子 :Na+ K+ 阴离子 :HCO3- Cl-

108 胰酶由腺泡细胞分泌, 主要有 : (1) 碳水化合物水解酶 : 胰淀粉酶 (pancreatic amylase), 是一种 a- 淀粉酶, 消化产物为糊精 麦芽糖 麦芽寡糖, 最适 PH 为 6.7~7.0 (2) 脂类水解酶 : 胰脂肪酶 (lipase), 可分解为甘油三酯 甘油一酯和甘油, 最适 PH 为 7.5~8.5 胰脂肪酶只有在胰腺分泌的辅脂酶 (colipase) 存在的条件下才能发挥作用 (3) 蛋白水解酶 : 主要有胰蛋白酶 (trypsin) 和糜蛋白酶 (chymotrypsin), 2. 胰液分泌的调节消化间期胰液分泌很少, 但 60~120 分钟有短暂的周期性分泌 (1) 神经调节 : 食物的形象 气味, 食物对口腔 食道 胃和小肠的刺激都可通过神经反射 ( 条件和非条件 ) 引起胰液分泌 传出神经是迷走神经 (2) 体液调节 : 胰泌素 (secrtin) 主要作用于胰腺小导管上皮细胞, 使其分泌水分和碳酸氢盐, 因而使胰液量大为增加, 而酶的含量不高 胆囊收缩素 (cholecystokinin, CCK) 促进胰腺腺泡细胞分泌消化酶及促进胆囊平滑肌收缩 (3) 胰液分泌的反馈性调节 : 小肠粘膜上段分泌 CCK- 释放肽, 可刺激小肠粘膜 I 细胞分泌 CCK

109 ( 二 ) 胆汁的分泌与排出胆汁 (bile) 由肝细胞不断生成, 肝管流出, 经胆总管排入十二指肠, 或由肝管转入胆囊管而储存在胆囊内, 消化时再由胆囊排出 正常成人 800~1000ml/ 日 1. 胆汁的性质和成分肝细胞胆汁 ( 肝胆汁 ): 金黄色或桔棕色, PH 约 7.4 胆囊胆汁 : 颜色变深, PH 约 6.8, 胆汁颜色由胆色素的种类和浓度决定 成分 : 无机物有水 Na+ K+ Ca2+ HCO3- ; 有机物有胆汁酸 胆色素 脂肪酸 胆固醇 卵磷脂和粘蛋白 胆汁中没有消化酶, 胆汁酸与甘氨酸结合形成的钠盐或钾盐称为胆盐 (bile salt) 2. 胆汁的作用 (1) 胆汁中的胆盐 胆固醇和卵磷脂等可作为乳化剂, 减小脂肪表面张力, 使脂肪裂解为直径为 3~10um 的脂肪微滴, 分散在肠腔内, 增加胰脂肪酶的作用面积, 使其分解脂肪的作用加速 (2) 胆盐达到一定浓度可聚合形成微胶粒 (micelle), 肠腔中脂肪的分解产物, 如脂肪酸 甘油一酯等均可掺入到微胶粒中, 形成水溶性复合物 ( 混合微胶粒 ) 促进脂肪的消化吸收 (3) 胆汁通过促进脂肪分解产物的吸收, 促进脂溶性维生素的吸收 3. 胆汁分泌和排出的调节食物在消化道内是引起胆汁分泌和排出的自然刺激物, 高蛋白食物 ( 如蛋黄 肉等 ) 引起胆汁流出最多, 高脂肪或混合食物次之, 糖类食物作用最小 (1) 神经作用 : 进食动作或食物对胃和小肠的刺激? 神经反射性肝胆汁分泌少量增加, 胆囊收缩轻度加强 反射的传出神经是迷走神经, 迷走神经还可通过引起胃泌素的释放间接引起肝胆汁分泌和胆囊收缩 (2) 体液的作用 : 胃泌素? 肝细胞和胆囊? 肝胆汁分泌和胆囊收缩胃泌素? 胃酸分泌增加? 十二指肠? 胰泌素释放? 胆汁分泌增加胰泌素? 胆管系统?HCO3- 分泌增多蛋白质分解产物 HCl 脂肪? 小肠上部粘膜 I 细胞?CCK? 胆囊强烈收缩 Oddi 括约肌松弛? 大量胆汁排放

110 胆盐的肠肝循环 : 胆盐? 小肠?90% 回肠末端吸收? 门静脉? 肝脏? 胆汁分泌, 每餐 2~3 次, 每次损失 5% ( 三 ) 小肠液的分泌小肠内腺体 : 十二指肠腺 ( 又称为波氏腺, Brunner gland) 和小肠腺 (Liberkuhn crypt) 1. 小肠液性质 成分和作用碱性 PH7.6, 等渗, 1~3L/ 日消化酶 : 肠致活酶, 激活胰蛋白酶原小肠上皮细胞内和刷状缘上 : 多种寡肽酶和肽酶, 对进入细胞的营养物质继续消化 2. 小肠液分泌的调节经常性分泌, 分泌量变化很大 食糜机械和化学刺激? 小肠液分泌, 对扩张刺激最敏感 主要通过肠壁内神经丛的局部反射引起, 外来神经作用不明显 胃泌素 胰泌素 血管活性肠肽等? 刺激小肠液分泌 ( 四 ) 小肠的运动 1. 消化间期小肠运动形式周期性的移行性复合波 (MMC), 起源于胃 2. 消化期小肠运动形式 (1) 紧张性收缩 : 是其它运动形式的基础

111 (2) 分节运动 (segmentation contraction): 是一种以环行肌为主的节律性舒缩活动, 是小肠特有的运动形式 (3) 蠕动 : 可发生在小肠任何部位, 速度为 0.5~2.0cm/s 3. 小肠运动的调节 (1) 肠道神经的作用 : 机械化学刺激? 肠壁感受器? 局部反射引起小肠蠕动 (2) 外来神经的作用 : 副交感神经能加强肠运动 ; 交感神经抑制肠运动 (3) 体液因素的作用 : 小肠壁内神经丛和平滑肌对各种化学物质具有广泛的敏感性, 胃肠激素和胺 ( 如胃泌素 CCK 脑腓肽和 5-HT 等都可直接作用于平滑肌上受体或通过神经介导而调节平滑肌的运动 五. 大肠内消化 ( 自学 ) 六. 吸收 ( 自学 ) 思考题 : 1. 慢波与动作电位有何不同? 2. 为什么胃液不会消化其自身? 3. 为什么说小肠是消化和吸收的重要部位? 参考文献 : 1. 姚泰主编. 生理学 ( 第五版 ). 北京 : 人民卫生出版社, 陈元方, Yanada T 主编. 胃肠肽类激素基础与临床. 北京 : 北京医科大学 中国协和医科大学联合出版社, 周吕主编. 胃肠生理学. 北京 : 科学出版社, Greger R, Windhorst U. Comprehensive Human Physiology. Vol 2, Springer Berlin, Johnson LR. Physiology of Gastrointestinal Tract. 3rd edition. Raven Press, New York, 1994

112 6. Li Y, C Owyang. Pancreatic secretion evoked by cholecystokinin and non-cholecystokinin-dependent duodenal stimuli via vagal afferent fiber in the rat. J Physiology(London), 1996;494:773~ Yamada T. Textbook of Gastroenterology. Lippincott, 1995 精品课程生理学教案 第七章能量代谢与体温 [ 目的 ]: 理解能量代谢的概念, 食物的能量指标, 能量代谢的测定 影响能量代谢的因素, 基础代谢率及其测定 ; 体温的概念, 产热与散热的方式和部位, 体温调节 [ 要求 ]: 掌握本章节中的许多基本概念, 理解影响因素对能量代谢 基础代谢 体温的作用机制及结果 [ 重点 ]: 食物的能量指标的几个概念, 影响能量代谢的因素, 基础状态的概念 ; 散热的不同方式及体温调节 [ 难点 ]: 食物的能量指标, 能量代谢的测定, 体温调节 [ 课时分配 ]: 能量代谢 1 学时, 体温 1 学时 [ 教材 ]: 生理学 (5 版 ), 姚泰主编, 人民卫生出版社,2000, 北京 案例 : 某患者出现畏寒 体温升高 伴有咳嗽流涕, 临床诊断为感冒, 经服用阿司匹林后出汗, 体温下降 问题 :1. 为什么该患者体温升高反而感觉畏寒? 2. 为什么用药出现大汗后体温恢复正常? 第一节能量代谢 (energy metabolism) 定义 : 机体内伴随物质代谢过程而发生的能量的释放 转移 贮存和利用的过程 1. 新陈代谢的概念新陈代谢 : 维持生命的各种活动过程中化学变化的总称 新陈代谢包括 : 物质代谢 ( 同化作用, 异化作用 ) 能量代谢 ( 吸热反应, 放热反应 )

113 图 7-1. 能量代谢的场所线粒体 2. 能量贮存形式 三大营养物质 ( 糖, 脂肪, 蛋白质 ) 三羧酸循环 ( 产生能量的方式 ) 图 7-2. 三羧酸循环呼吸链 三磷酸腺苷 (ATP 能量的贮存形式 )

114 图 7-3. ATP 3. 食物的能量指标食物热价 (thermal equivalent of food) 1g 某种食物氧化时释放的热量 食物氧热价 (thermal equivalent of oxygen) 某种食物氧化时消耗 1L 氧所产生的热量 呼吸商 (respiratory quotient) 各种供能物质氧化时产生的 CO2 量与 O2 的消耗量的比值 4. 能量代谢的测定直接测热法 (direct calorimetry) 特殊的检测环境, 测热装置复杂, 研究肥胖和内分泌系统障碍

115 图 7-4. 直接测热法 间接测热法 (indirect calorimetry) 遵循定比定律, 测定 CO2 产量和尿氮排出量, 测定耗 O2 量, 测量装置较简单

116 图 7-5. 定比定理 图 7-6. 间接测热法

117 图 7-7. 时间耗氧量 5. 影响能量代谢的因素肌肉活动肌肉活动越强能量代谢越高 精神活动精神活动越剧能量代谢越高 食物的特殊动力效应进食后产生的额外的热量现象 环境温度环境温度升高或降低均可使能量代谢升高 20~30 稳定肌肉松驰 <20 代谢 寒战, 肌肉紧张度 <10 代谢 寒战, 肌肉紧张度 >30 代谢 体内化学反应速度 发汗, 呼吸 循环机能 6. 基础代谢率及其测定基础状态清晨, 清醒, 静卧, 未作肌肉活动, 前夜睡眠良好, 测定时无精神紧张, 禁食 12 小时以上, 室温 基础代谢 (basal metabolism) 基础状态下的代谢状况 基础代谢率 (basal metabolism rate)

118 基础状态下单位时间内的能量代谢 图 7-8. 基础代谢率 第二节体温 (body temperature) 1. 体温的概念恒温动物 (homeothermic animal) 变温动物 (poikilothermic animal) 体表温度 (shell temperature) 体核温度 (core temperature)

119 图 7-9. 不同体温 2. 产热与散热产热器官肝脏, 骨骼肌 产热形式战栗产热 (shivering thermogenesis) 骨骼肌收缩引起 非战栗产热 (non-shivering thermogenesis) 代谢产热引起 散热部位皮肤, 呼出气, 尿, 粪 散热方式辐射散热 (thermal radiation) 人体以热射线的形式将体热传给外界 传导散热 (thermal conduction) 机体的热量直接传给同它接触的较冷物体 对流散热 (thermal convection) 通过同皮肤接触的空气流动将机体热量传给外界 蒸发散热 (thermal evaporation) 通过体表水份的蒸发来散失体热, 可分为 : 不感蒸发 (insensible evaporation) 以不显汗的形式蒸发机体水份 可感蒸发 (sensible evaporation)

120 以汗液蒸发的形式带走热量 图 皮肤散热 3. 体温调节自主性调节 (autonomic thermoregulation) 增减皮肤血流量, 发汗, 战栗等生理调节 行为性调节 (behavioral thermoregulation) 增减衣着, 开电扇空调等行为 外周和中枢温度感受器热敏神经元 (warm-sensitive neuron) 当局部组织温度升高时神经冲动的发放频率增加 冷敏神经元 (cold-sensitive neuron) 当局部组织温度降低时神经冲动的发放频率增加

121 图 神经元放电 体温调定点 (set-point) 视前区 - 下丘脑前部 (PO/AH) 设定了一个规定的体温值, 即 37 体温调定点学说 (set-point theory) 调定点按照 PO/AH 温度敏感神经元的工作特性来调节体温的高低

122 图 体温调定点 思考题 : 1. 外呼吸的呼吸商与细胞呼吸的呼吸商有何异同点及联系? 2. 能用测定甲状腺激素 (T3,T4) 的水平反映基础代谢率的高低吗? 3. 试解释人精神高度紧张时能量代谢和体温的变化过程? 4. 试用体温调定点学说解释致热原引起的恶寒和高热现象? 阅读 : About Temperature Beverly T. Lynds blynds@unidata.ucar.edu Contents What is Temperature The Development of Thermometers and Temperature Scales Heat and Thermodynamics The Kinetic Theory Thermal Radiation 3 K - The Temperature of the Universe Summary Acknowledgments References What is Temperature? In a qualitative manner, we can describe the temperature of an object as that which determines the sensation of warmth or coldness felt from contact with it. It is easy to demonstrate that when two objectsof the same material are placed together (physicists say when they are put in thermal contact), the object with the higher temperature cools while the

123 cooler object becomes warmer until a point is reached after which no more change occurs, and to our senses, they feel the same. When the thermal changes have stopped, we say that the two objects (physicists define them more rigorously as systems) are in thermal equilibrium. We can then define the temperature of the system by saying that the temperature is that quantity which is the same for both systems when they are in thermal equilibrium. If we experiment further with more than two systems, we find that many systems can be brought into thermal equilibrium with each other; thermal equilibrium does not depend on the kind of object used. Put more precisely, if two systems are separately in thermal equilibrium with a third, then they must also be in thermal equilibrium with each other, and they all have the same temperature regardless of the kind of systems they are. The statement in italics, called the zeroth law of thermodynamics may be restated as follows: If three or more systems are in thermal contact with each other and all in equilibrium together, then any two taken separately are in equilibrium with one another. (quote from T. J. Quinn's monograph Temperature) Now one of the three systems could be an instrument calibrated to measure the temperature - i.e. a thermometer. When a calibrated thermometer is put in thermal contact with a system and reaches thermal equilibrium, we then have a quantitative measure of the temperature of the system. For example, a mercury-in-glass clinical thermometer is put under the tongue of a patient and allowed to reach thermal equilibrium in the patient's mouth - we then see by how much the silvery mercury has expanded in the stem and read the scale of the thermometer to find the patient's temperature. What is a Thermometer? A thermometer is an instrument that measures the temperature of a system in a quantitative way. The easiest way to do this is to find a substance having a property that changes in a regular way with its temperature. The most direct 'regular' way is a linear one: t(x) = ax + b, where t is the temperature of the substance and changes as the property x of the substance changes. The constants a and b depend on the substance used and may be evaluated by specifying two temperature points on the scale, such as 32 for the freezing point of water and 212 for its boiling point. For example, the element mercury is liquid in the temperature range of C to C (we'll discuss the Celsius C scale later). As a liquid, mercury expands as it gets warmer, its expansion rate is linear and can be accurately calibrated. The mercury-in-glass thermometer illustrated in the above figure contains a bulb filled with mercury that is allowed to expand into a capillary. Its rate of expansion is calibrated on the glass scale. The Development of Thermometers and Temperature Scales The historical highlights in the development of thermometers and their scales given here are based on "Temperature" by T. J. Quinn and "Heat" by James M. Cork. One of the first attempts to make a standard temperature scale occurred about AD 170, when Galen, in his medical writings, proposed a standard "neutral" temperature made up of equal quantities

124 of boiling water and ice; on either side of this temperature were four degrees of heat and four degrees of cold, respectively. The earliest devices used to measure the temperature were called thermoscopes. They consisted of a glass bulb having a long tube extending downward into a container of colored water, although Galileo in 1610 is supposed to have used wine. Some of the air in the bulb was expelled before placing it in the liquid, causing the liquid to rise into the tube. As the remaining air in the bulb was heated or cooled, the level of the liquid in the tube would vary reflecting the change in the air temperature. An engraved scale on the tube allowed for a quantitative measure of the fluctuations. The air in the bulb is referred to as the thermometric medium, i.e. the medium whose property changes with temperature. In 1641, the first sealed thermometer that used liquid rather than air as the thermometric medium was developed for Ferdinand II, Grand Duke of Tuscany. His thermometer used a sealed alcohol-in-glass device, with 50 "degree" marks on its stem but no "fixed point" was used to zero the scale. These were referred to as "spirit" thermometers. Robert Hook, Curator of the Royal Society, in 1664 used a red dye in the alcohol. His scale, for which every degree represented an equal increment of volume equivalent to about 1/500 part of the volume of the thermometer liquid, needed only one fixed point. He selected the freezing point of water. By scaling it in this way, Hook showed that a standard scale could be established for thermometers of a variety of sizes. Hook's original thermometer became known as the standard of Gresham College and was used by the Royal Society until (The first intelligible meteorological records used this scale). In 1702, the astronomer Ole Roemer of Copenhagen based his scale upon two fixed points: snow (or crushed ice) and the boiling point of water, and he recorded the daily temperatures at Copenhagen in with this thermometer. It was in 1724 that Gabriel Fahrenheit, an instrument maker of D?anzig and Amsterdam, used mercury as the thermometric liquid. Mercury's thermal expansion is large and fairly uniform, it does not adhere to the glass, and it remains a liquid over a wide range of temperatures. Its silvery appearance makes it easy to read. Fahrenheit described how he calibrated the scale of his mercury thermometer: "placing the thermometer in a mixture of sal ammoniac or sea salt, ice, and water a point on the scale will be found which is denoted as zero. A second point is obtained if the same mixture is used without salt. Denote this position as 30. A third point, designated as 96, is obtained if the thermometer is placed in the mouth so as to acquire the heat of a healthy man." (D. G. Fahrenheit,Phil. Trans. (London) 33, 78, 1724) On this scale, Fahrenheit measured the boiling point of water to be 212. Later he adjusted the freezing point of water to 32 so that the interval between the boiling and freezing points of water could be represented by the more rational number 180. Temperatures measured on this scale are designated as degrees Fahrenheit ( F). In 1745, Carolus Linnaeus of Upsula, Sweden, described a scale in which the freezing point of water was zero, and the boiling point 100, making it a centigrade (one hundred steps) scale. Anders Celsius ( ) used the reverse scale in which 100 represented the freezing point and zero the boiling point of water, still, of course, with 100 degrees between the two defining points.

125 In 1948 use of the Centigrade scale was dropped in favor of a new scale using degrees Celsius ( C). The Celsius scale is defined by the following two items that will be discussed later in this essay: (i) the triple point of water is defined to be 0.01 C (ii) a degree Celsius equals the same temperature change as a degree on the ideal-gas scale. On the Celsius scale the boiling point of water at standard atmospheric pressure is C in contrast to the 100 degrees defined by the Centigrade scale. To convert from Celsius to Fahrenheit: multiply by 1.8 and add 32. F = 1.8 C + 32 (Or, you can get someone else to do it for you!) In 1780, J. A. C. Charles, a French physician, showed that for the same increase in temperature, all gases exhibited the same increase in volume. Because the expansion coefficient of gases is so very nearly the same, it is possible to establish a temperature scale based on a single fixed point rather than the two fixed- point scales, such as the Fahrenheit and Celsius scales. This brings us back to a thermometer that uses a gas as the thermometric medium. In a constant volume gas thermometer a large bulb B of gas, hydrogen for example, under a set pressure connects with a mercury-filled "manometer" by means of a tube of very small volume. (The Bulb B is the temperature-sensing portion and should contain almost all of the hydrogen). The level of mercury at C may be adjusted by raising or lowering the mercury reservoir R. The pressure of the hydrogen gas, which is the "x" variable in the linear relation with temperature, is the difference between the levels D and C plus the pressure above D. P. Chappuis in 1887 conducted extensive studies of gas thermometers with constant pressure or with constant volume using hydrogen, nitrogen, and carbon dioxide as the thermometric medium. Based on his results, the Comité International des Poids et Mesures adopted the constant-volume hydrogen scale based on fixed points at the ice point (0 C) and the steam point (100 C) as the practical scale for international meteorology. Experiments with gas thermometers have shown that there is very little difference in the temperature scale for different gases. Thus, it is possible to set up a temperature scale that is independent of the thermometric medium if it is a gas at low pressure. In this case, all gases behave like an "Ideal Gas" and have a very simple relation between their pressure, volume, and temperature: pv= (constant)t. This temperature is called the thermodynamic temperature and is now accepted as the fundamental measure of temperature. Note that there is a naturally-defined zero on this scale - it is the point at which the pressure of an ideal gas is zero, making the temperature also zero. We will continue a discussion of "absolute zero" in a later section. With this as one point on the scale, only one other fixed point need be defined. In 1933, the International Committee of Weights and Measures adopted this fixed point as the triple point of water, the temperature at which water, ice, and water vapor coexist in equilibrium); its value is set as The unit of temperature on this scale is called the kelvin, after Lord Kelvin (William Thompson), , and its symbol is K (no degree symbol used). To convert from Celsius to Kelvin, add 273. K = C

126 Thermodynamic temperature is the fundamental temperature; its unit is the kelvin which is defined as the fraction 1/ of the thermodynamic temperature of the triple point of water. Sir William Siemens, in 1871, proposed a thermometer whose thermometric medium is a metallic conductor whose resistance changes with temperature. The element platinum does not oxidize at high temperatures and has a relatively uniform change in resistance with temperature over a large range. The Platinum Resistance Thermometer is now widely used as a thermoelectric thermometer and covers the temperature range from about -260 C to 1235 C. Several temperatures were adopted as Primary reference points so as to define the International Practical Temperature Scale of The International Temperature Scale of 1990 was adopted by the International Committee of Weights and Measures at its meeting in Between 0.65K and 5.0K, the temperature is defined in terms of the vapor pressure - temperature relations of the isotopes of helium. Between 3.0K and the triple point of neon ( K) the temperature is defined by means of a helium gas thermometer. Between the triple point of hydrogen ( K) and the freezing point of silver ( K) the temperature is defined by means of platinum resistance thermometers. Above the freezing point of silver the temperature is defined in terms of the Planck radiation law. T. J. Seebeck, in 1826, discovered that when wires of different metals are fused at one end and heated, a current flows from one to the other. The electromotive force generated can be quantitatively related to the temperature and hence, the system can be used as a thermometer - known as a thermocouple. The thermocouple is used in industry and many different metals are used - platinum and platinum/rhodium, nickel-chromium and nickel-aluminum, for example. The National Institute of Standards and Technology (NIST) maintains databases for standardizing thermometers. For the measurement of very low temperatures, the magnetic susceptibility of a paramagnetic substance is used as the thermometric physical quantity. For some substances, the magnetic susceptibility varies inversely as the temperature. Crystals such as cerrous magnesium nitrate and chromic potassium alum have been used to measure temperatures down to 0.05 K; these crystals are calibrated in the liquid helium range. This diagram and the last illustration in this text were taken from the Low Temperature Laboratory, Helsinki University of Technology's picture archive. For these very low, and even lower, temperatures, the thermometer is also the mechanism for cooling. Several low-temperature laboratories conduct interesting applied and theoretical research on how to reach the lowest possible temperatures and how work at these temperatures may find application. Heat and Thermodynamics Prior to the 19th century, it was believed that the sense of how hot or cold an object felt was determined by how much "heat" it contained. Heat was envisioned as a liquid that flowed from a hotter to a colder object; this weightless fluid was called "caloric", and until the writings of Joseph Black ( ), no distinction was made between heat and temperature. Black distinguished between the quantity (caloric) and the intensity (temperature) of heat. Benjamin Thomson, Count Rumford, published a paper in 1798 entitled "an Inquiry Concerning the Source of Heat which is Excited by Friction". Rumford had noticed the large amount of heat generated when a cannon was drilled. He doubted that a material substance was flowing into the cannon and concluded "it appears to me to be extremely difficult if not impossible to form any distinct idea

127 of anything capable of being excited and communicated in the manner the heat was excited and communicated in these experiments except motion." But it was not until J. P. Joule published a definitive paper in 1847 that the the caloric idea was abandoned. Joule conclusively showed that heat was a form of energy. As a result of the experiments of Rumford, Joule, and others, it was demonstrated (explicitly stated by Helmholtz in 1847), that the various forms of energy can be transformed one into another. When heat is transformed into any other form of energy, or when other forms of energy are transformed into heat, the total amount of energy (heat plus other forms) in the system is constant. This is the first law of thermodynamics, the conservation of energy. To express it another way: it is in no way possible either by mechanical, thermal, chemical, or other means, to obtain a perpetual motion machine; i.e., one that creates its own energy (except in the fantasy world of Maurits Escher's "Waterfall"!) A second statement may also be made about how machines operate. A steam engine uses a source of heat to produce work. Is it possible to completely convert the heat energy into work, making it a 100% efficient machine? The answer is to be found in the second law of thermodynamics: No cyclic machine can convert heat energy wholly into other forms of energy. It is not possible to construct a cyclic machine that does nothing but withdraw heat energy and convert it into mechanical energy. The second law of thermodynamics implies the irreversibility of certain processes - that of converting all heat into mechanical energy, although it is possible to have a cyclic machine that does nothing but convert mechanical energy into heat! Sadi Carnot ( ) conducted theoretical studies of the efficiencies of heat engines (a machine which converts some of its heat into useful work). He was trying to model the most efficient heat engine possible. His theoretical work provided the basis for practical improvements in the steam engine and also laid the foundations of thermodynamics. He described an ideal engine, called the Carnot engine, that is the most efficient way an engine can be constructed. He showed that the efficiency of such an engine is given by efficiency = 1 - T"/T', where the temperatures, T' and T", are the hot and cold "reservoirs", respectively, between which the machine operates. On this temperature scale, a heat engine whose coldest reservoir is zero degrees would operate with 100% efficiency. This is one definition of absolute zero, and it can be shown to be identical to the absolute zero we discussed previously. The temperature scale is called the absolute, the thermodynamic, or the kelvin scale. The way that the gas temperature scale and the thermodynamic temperature scale are shown to be identical is based on the microscopic interpretation of temperature, which postulates that the macroscopic measurable quantity called temperature is a result of the random motions of the microscopic particles that make up a system. The Kinetic Theory This brief summary is abridged from a more detailed discussion to be found in Quinn's "Temperature" About the same time that thermodynamics was evolving, James Clerk Maxwell ( ) and Ludwig Boltzmann ( ) developed a theory describing the way molecules moved - molecular dynamics. The molecules that make up a perfect gas move about, colliding with each other like billiard balls

128 and bouncing off the surface of the container holding the gas. The energy associated with motion is called Kinetic Energy and this kinetic approach to the behavior of ideal gases led to an interpretation of the concept of temperature on a microscopic scale. The amount of kinetic energy each molecule has is a function of its velocity; for the large number of molecules in a gas (even at low pressure), there should be a range of velocities at any instant of time. The magnitude of the velocities of the various particles should vary greatly - no two particles should be expected to have the exact same velocity. Some may be moving very fast; others, quite slowly. Maxwell found that he could represent the distribution of velocities statistically by a function known as the Maxwellian distribution. The collisions of the molecules with their container gives rise to the pressure of the gas. By considering the average force exerted by the molecular collisions on the wall, Boltzmann was able to show that the average kinetic energy of the molecules was directly comparable to the measured pressure, and the greater the average kinetic energy, the greater the pressure. From Boyles' Law, we know that the pressure is directly proportional to the temperature, therefore, it was shown that the kinetic energy of the molecules related directly to the temperature of the gas. A simple relation holds for this: average kinetic energy of molecules=3kt/2, where k is the Boltzmann constant. Temperature is a measure of the energy of thermal motion and, at a temperature of zero, the energy reaches a minimum (quantum mechanically, the zero-point motion remains at 0 K). In July, 1995, physicists in Boulder, Colo.achieved a temperature far lower than has ever been produced before and created an entirely new state of matter predicted decades ago by Albert Einstein and Satyendra Nath Bose. The press release describes the nature of this experiment and a full description of this phenomenon is described by the University of Colorado's BEC Homepage. Dealing with a system which contained huge numbers of molecules requires a statistical approach to the problem. About 1902, J. W. Gibbs ( ) introduced statistical mechanics with which he demonstrated how average values of the properties of a system could be predicted from an analysis of the most probable values of these properties found from a large number of identical systems (called an ensemble). Again, in the statistical mechanical interpretation of thermodynamics, the key parameter is identified with a temperature which can be directly linked to the thermodynamic temperature, with the temperature of Maxwell's distribution, and with the perfect gas law. Temperature becomes a quantity definable either in terms of macroscopic thermodynamic quantities such as heat and work, or, with equal validity and identical results, in terms of a quantity which characterized the energy distribution among the particles in a system. (Quinn, "Temperature") With this understanding of the concept of temperature, it is possible to explain how heat (thermal energy) flows from one body to another. Thermal energy is carried by the molecules in the form of their motions and some of it, through molecular collisions, is transferred to molecules of a second object when put in contact with it. This mechanism for transferring thermal energy by contact is called conduction. A second mechanism of heat transport is illustrated by a pot of water set to boil on a stove - hotter water closest to the flame will rise to mix with cooler water near the top of the pot. Convection involves the bodily movement of the more energetic molecules in a liquid or gas. The third way that heat energy can be transferred from one body to another is by radiation; this is the way that the sun warms the earth. The radiation flows from the sun to the earth, where some

129 of it is absorbed, heating the surface. A major dilemma in physics since the time of Newton was how to explain the nature of this radiation. Thermal Radiation The nature of radiation has puzzled scientists for centuries. Maxwell proposed that this form of energy travels as a vibratory electric and magnetic disturbance through space in a direction perpendicular to those disturbances. In the diagram, the electric (red) and magnetic (blue) oscillations are orthogonal to each other - the electric lying in the xy plane; the magnetic, in the xz plane. The wave is traveling in the x direction. An electromagnetic wave can be defined in terms of the frequency of its oscillation, designated by the Greek letter nu (v). The wave moves in a straight line with with a constant speed (designated as c if it is moving through a vacuum); the distance between successive 'peaks' of the wave is the wavelength,,of the wave and is equal to its speed divided by its frequency. The electromagnetic spectrum covers an enormous range in wavelengths, from very short waves to very long ones. The only region of the electromagnetic spectrum to which our eye is sensitive is the "visible" range identified in the diagram by the rainbow colors. The sun is not the only object that provides radiant energy; any object whose temperature is greater than 0 K will emit some radiant energy. The challenge to scientists was to show how this radiant energy is related to the temperature of the object. If an object is placed in a container whose walls are at a uniform temperature, we expect the object to come into thermal equilibrium with the walls of the enclosure and the object should emit radiant energy just like the walls of the container. Such an object absorbs and radiates the same amount of energy. Now a blackened surface absorbs all radiation incident upon it and it must radiate in the same manner if it is in thermal equilibrium. Equilibrium thermal radiation is therefore called black body radiation. The first relation between temperature and radiant energy was deduced by J. Stefan in 1884 and theoretically explained by Boltzmann about the same time. It states: where the total energy is per unit area per second emitted by the back body, T is its absolute (thermodynamic) temperature and is the Stefan-Boltzmann constant. The great question at the turn of the century was to explain the way this total radiant energy emitted by a black body was spread out into the various frequencies or wavelengths of the radiation. Maxwell's "classical" theory of electromagnetic oscillators failed to explain the observed brightness distribution. It was left to Max Planck to solve the dilemma by showing that the energy of the oscillators must be quantized, i.e. the energies can not take any value but must change in steps, the size of each step, or quantum, is proportional to the frequency of the oscillator and equal to hv, where h is the Planck constant. With this assumption, Planck derived the brightness distribution of a black body and showed that it is defined by its temperature. Once the temperature of a black body is specified, the Planck law can be used to calculate the intensity of the light emitted by the body as a function of wavelength. Conversely, if the brightness distribution of

130 a radiating body is measured, then, by fitting a Planck curve to it, its temperature can be determined. The curves illustrated below show that the hotter the body is, the brighter it is at shorter wavelengths. The surface temperature of the sun is 6000 K, and its Planck curve peaks in the visible wavelength range. For bodies cooler than the sun, the peak of the Planck curve shifts to longer wavelengths, until a temperature is reached such that very little radiant energy is emitted in the visible range. This figure (adapted from Adkins' "Thermal Physics") shows several Planck curves for black bodies. The Intensity is in units of energy per unit area per unit solid angle per unit time per unit wavelength interval. The broken line illustrates the variation with wavelength and temperature of the peaks of the curves. This is a graphical representation of Wien's law, which states: (max) ~ 0.29/T, where (max) is the wavelength of maximum brightness in cm and T is the absolute temperature of the black body. The human body has a temperature of about 310 K and radiates primarily in the far infrared. If a photograph of a human is taken with a camera sensitive to this wavelength region, we get a "thermal" picture. This picture is courtesy of the Infrared Processing and Analysis Center, Jet Propulsion Laboratory, NASA. 3 K - The Temperature of the Universe The sun and stars emit thermal radiation covering all wavelengths; other objects in the sky, like the great clouds of gas in the Milky Way, also emit thermal radiation but are much cooler. These objects are best detected by infrared and radio telescopes - telescopes whose detectors are sensitive to the longer wavelengths. In 1965, Arno Penzias and Robert Wilson were conducting a careful calibration of their radio telescope at the Bell Laboratory at Whippany, New Jersey. The found that their receiver showed a "noise" pattern as if it were inside a container whose temperature was 3K - i.e. as if it were in equilibrium with a black body at 3 K. This "noise" seemed to be coming from every direction. Earlier theoretical predictions by George Gamow and other astrophysicists had predicted the existence of a cosmic 3 K background. Penzias' and Wilson's discovery was the observational confirmation of the isotropic radiation from the Universe, believed to be a relic of the "Big Bang". The enormous thermal energy released during the creation of the universe began to cool as the universe expanded. Some 12 billion years later, we are in a universe that radiates like a black body now cooled to 3 K. In 1978 Penzias and Wilson were awarded the Nobel prize in physics for this discovery. A black body at 3 K emits most of its energy in the microwave wavelength range. Molecules in the earth's atmosphere absorb this radiation so that from the ground, astronomers cannot make observations in this wavelength region. In 1989 the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite, developed by NASA's Goddard Space Flight Center, was launched to measure the diffuse infrared and microwave radiation from the early universe. One of its instruments, the Far Infrared Absolute Spectrophotometer (FIRAS) compared the spectrum of the cosmic microwave background radiation with a precise blackbody. The cosmic microwave background spectrum was measured with a precision of

131 0.03% and it fit precisely with a black body of temperature K. Even though there are billions of stars in the universe, these precise COBE measurements show that 99.97% of the radiant energy of the Universe was released within the first year after the Big Bang itself and now resides in this thermal 3 K radiation field. A more detailed explanation of the origin of the microwave background radiation, and its possible anisotropy, may be found here. A new mission selected by NASA is the Microwave Anisotropy Probe (MAP) will measure the small fluctuations in the background radiation and will yield more information on the details of the early universe. The European Space Agency has a similar mission planned. Summary The concept of temperature is as fundamental a physical concept as the three fundamental quantities of mechanics - mass, length, and time. Through the study of such practical problems as how to make a highly efficient steam engine, fundamental physical theories emerge, including the concepts of the quantum theory and the two laws of thermodynamics. The second law, with its irreversibility requirement, predicts an inevitable evolution from other forms of energy into heat. It is the second law alone that provides an "arrow" for the concept of time. We can record events (illustration from Low Temperature Laboratory of Helsinki University of Technology)that cover 18 orders of magnitude in the temperature range, and we have one clearly defined lower limit to the temperature, absolute zero. Because of this 10-with-18-zeros-behind-it range in temperatures, there are many different kinds of thermometers developed to explore it and many different fields of research. One of the beauties of "publishing" on the web is the interactive element it offers. Joachim Reinhardt has written to point out that the highest temperatures that are accessible on earth (only surpassed by the early stages of the big bang) occur in high-energy collisions of particles (in particular of heavy ions), during which one sees a "fireball" with a temperature of several hundred MeV (which corresponds to a temperature of 10 to the 12th power k). This fireball cools down by expanding and by radiating off particles, mostly pions, quite similar to the thermal black-body radiation. Thermal physics is a field rich in theoretical and practical applications. Acknowledgments I would like to thank Rick Ebert of IPAC for his help in locating some of the infrared files used here and Dave Leisawitz of NASA Goddard for his very careful editing of the article and for his assistance with the COBE results. Joachim Reinhardt generated the pictures of most of the scientists. Thanks to Seth Sharpless for scanning Galen's picture. Carl Mungan provided advice on low-temperature thermodynamics, and very generously served as an "expert" reviewer. References Adkins, C. J. Thermal Physics 1987 Cambridge University Press ISBN Brain, Marshall How Thermometers Work Cork, James M. Heat 1942, John Wiley & Sons Herzfeld, Charles M. Editor, Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, 1962, Reinhold National Institutes of Science and Technology: The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty

132 Quinn, T. J. Temperature 1990 Academic Press ISBN Strom, Karen Blackbody Radiation University of California, Berkeley Properties of Heat and Matter, Physics Lab Demonstrations University of Illinois - Thermodynamic Research Laboratory Weber, Robert L. Heat and Temperature Measurement, 1950, Prentice-Hall, Inc Zemansky, Mark W. Heat and Thermodynamics 1968, Mc Graw Hill Sweating: Your body's cooling system By Debbie MullenMost people realize they sweat more when they exercise and that in order to stay healthy, they need drink water. However, many people aren't aware of how much water they need to drink and why it's important to so.when engaged in physical activity, body temperature rises as much as 3 degrees. Your body's natural cooling system, sweating, kicks in to lower body temperature. Under extreme exercise and heat stress, a body can lose 1/2 a gallon of water per hour. If the lost water is not replaced, dehydration occurs and serious consequences may follow.to understand what happens, I'll use the analogy of your car. When your car's cooling system is running smoothly, excess heat from the engine is transferred to the water in the tubes, which goes to the radiator to be cooled by the air. The cooled water goes back to be heated once again by heat drawn from the engine. If there is not enough water in the system to allow for proper heat dissipation, your engine overheats, your car stops running, and you are left cursing at the side of the road.now picture your body as the car-- your muscles are the engine, your skin is the radiator and your blood vessels are the water tubes that connect the engine with the radiator. When your cooling system is running smoothly, excess heat from your muscles is drawn into your blood vessels where is circulates to your skin. Evaporating sweat draws heat away from the blood vessels. The cooler blood then recirculates throughout the body, lowering body temperature.when too much water is lost through sweating, your blood volume decreases. This decreases blood pressure which, in turn, reduces blood flow between the muscles and skin. To overcome this, your heart rate increases. Because less blood reaches the skin, heat loss is reduced and the body overheats. Just like your car, your body can quit running.if you fail to replace the water you lose, you run the risk of becoming dehydrated. When a person is dehydrated by more that 4% or 5% of body weight, their exercise performance declines by 20% to 30%. Not only that, the impact of dehydration on the cardiovascular system can produce heart problems in people with coronary heart disease and diabetes. Dehydration is also hard on the kidneys.how do you prevent your body from "breaking down"? It's simple. You need to put in as much water as is going out. Sweating is not the only way you lose water. Another is through respiration-- you lose water every time you exhale. This water loss increases as your physical activity increases because you breathe more. So if you are just replacing how much you are sweating out, it's not enough. Also if you just drink when you are thirsty, you aren't getting enough water because thirst alone isn't the best measure of a body's fluid needs.generally speaking, you should drink water before, during, and after exercise. Drinking about 2 cups (16-oz.) of water one hour before, and 1 cup 1/2 hour before is a good start. Then you should drink 1/2 cup to 1 cup or more, every min. The amount depends on the air temperature, your body weight and how hard you are exercising. Drink up! Show the people you exercise with that you know how to keep your body running! 参考文献 :

133 1. Benton D, Nabb S: Carbohydrate, memory, and mood. Nutr Rev May;61(5 Pt 2):S61-7. Review. 2. DiMauro S, Schon EA: Mitochondrial respiratory-chain diseases. N Engl J Med Jun 26;348(26): Review 3. Saris WH: Glycemic carbohydrate and body weight regulation. Nutr Rev May;61(5 Pt 2):S10-6. Review. 4. Charkoudian N: Skin blood flow in adult human thermoregulation: how it works, when it does not, and why. Mayo Clin Proc May;78(5): Review. 5. Jones BF, Plassmann P: Digital infrared thermal imaging of human skin. IEEE Eng Med Biol Mag Nov-Dec;21(6):41-8. Review. 6. Shibasaki M, Kondo N, Crandall CG: Non-thermoregulatory modulation of sweating in humans. Exerc Sport Sci Rev Jan;31(1):34-9. Review. 7. Recordati G: A thermodynamic model of the sympathetic and parasympathetic nervous systems. Auton Neurosci Jan 31;103(1-2):1-12. Review. 8. Gibson S, Numa A: The importance of metabolic rate and the folly of body surface area calculations. Anaesthesia Jan;58(1):50-5. Review. 9. Holzle E: Pathophysiology of sweating. Curr Probl Dermatol. 2002;30: Review. 10. Levine JA: Non-exercise activity thermogenesis (NEAT). Best Pract Res Clin Endocrinol Metab Dec;16(4): Review. 11. Paul M Byrne: Energy Metabolism, Carbohydrates and Lipids, Parkland, Florida: Universal Publishers/uPUBLISH.com, 1999, ISBN: Clark M Blatteis: PHYSIOLOGY AND PATHOPHYSIOLOGY OF TEMPERATURE REGULATION, The University of Tennessee, 308pp, Pub. date: Jun 1998, ISBN Jessen, C: Temperature Regulation in Humans and Other Mammals, 193 pages Copyright 2001, Published by: Springer-Verlag New York, Incorporated 14. 姚泰 : 生理学, 第 5 版, 人民卫生出版社,2002,ISBN 生理学精品课程

134 中南大学基础医学院 教案 授课科目 : 生理学 授课内容 : 尿的生成和排出 授课对象 : 五年制临床医学专业 授课时数 :6 学时 [ 目的要求 ] 1 了解肾脏在维持内环境相对恒定中的作用 2 掌握尿生成的过程 3 掌握泌尿功能的调节 [ 授课内容及时间分配 (6X50 分钟 )] 1. 肾的功能解剖和肾血流量 (60 分钟 ) 2. 肾小球的滤过功能 ( 分钟 ) 3. 肾小管和集合管的转运功能 ( 分钟 ) 4. 尿液的浓缩和稀释 (60 分钟 ) 5. 尿生成的调节 (60 分钟 ) [ 讲授重点 ] 1 尿生成的过程 2 尿生成的调节 [ 讲授难点 ] 尿液浓缩与稀释的机制 [ 教材 ] 生理学 (5 版 ), 姚泰主编, 人民卫生出版社,2000, 北京

135 第八章尿的生成和排出 Formation and Excretion of Urine 案例 : 某女性患者, 已婚,34 岁, 在进行子宫和附件 B 超时为方便观察, 需增加膀胱内的尿量, 请问可采用哪些措施? 有何依据? 第一节肾的功能解剖和肾血流量一 肾的基本功能 图 8-1: 肾脏通过尿生成维持机体水平衡

136 二 结构特征肾脏的结构和功能是密切相关的, 故了解其功能之前, 必须对它的结构有所认识 图 8-2 肾单位和肾血管示意图

137

138 三 肾的神经支配

139 图 8-5 肾的神经支配 肾交感神经主要从胸 12 至腰 2 脊髓节段发出, 其纤维经腹腔神经丛支配肾动脉 肾小管和释放肾素的球旁细胞 肾交感神经末梢释放去甲肾上腺素, 调节肾血流量 肾小球滤过率 肾小管的重吸收和肾素释放 四 肾脏血液循环的特征

140 图 8-6 肾脏的血液供应 肾动脉由腹主动脉垂直分出 ( 一 ) 肾脏的血液供应特点 1 血流量 (blood flow) 大 2 分布不均匀 3 两次毛细血管网 1 肾小球毛细血管网压力高, 有利于肾小球的滤过 2 管周围毛细血管网血压较低, 胶体渗透压高, 有利于重吸收 ( 二 ) 肾血流量的调节 1 自身调节 (autoregulation) 去神经离体肾灌注 图 8-7 肾血流量和肾小球滤过率的自身调节

141 不依赖肾外神经支配使肾血流量在一定血压变化范围内能保持不变的现象自身调节的机制 : 肌源学说入球小动脉舒缩与跨壁压变化直接相关管 - 球反馈 (tubulogomerular feedback) 图 8-8 管 球反馈示意图 生理意义 : 使肾血流量与泌尿机能相适应, 使 GFR 不会因血压波动而改变, 有利于维持肾小球滤过率的相对稳定 2 神经和体液调节肾交感神经兴奋时, 肾血管收缩, 肾血流量减少 ; 肾交感神经活动减弱时, 肾血管舒张, 肾血流量增加 肾上腺素 去甲肾上腺素 血管紧张素 II 血管升压素也能引起血管收缩, 前列腺素 乙酰胆碱 心房利尿钠肽则可舒张肾血管 一般情况下, 肾主要依靠自身调节来维持血流量相对稳定, 以保证泌尿功能的正常进行, 在异常情况下, 如大失血 中毒性休克 缺 O2 等机体处于应急状态时, 通过交感神经和一些体液因素的调节使肾血流量减少, 这对维持脑 心等重要器官的血液供应有重要意义 尿生成过程尿生成的过程是在肾单位和集合管中进行, 包括三个环节, 肾小球的滤过作用 肾小管集合管的重吸收及其分泌

142 图 8-9 尿生成过程示意图 第二节肾小球的滤过功能 滤过 (filtation) 的涵义 : 压差驱动的液体穿膜运动 (cf: 滤过 - 压差扩散 - 浓差 ) 原尿是血浆的超滤液 ( 不仅滤除血细胞, 血浆中大分子蛋白质亦被滤除 ) 临床病例 : 急性肾小球肾炎, 蛋白尿 血尿 少 ( 无 ) 尿为什么? 一 衡量肾小球滤过能力的指标 1 肾小球滤过率 (glomerular filtration rate,gfr) 单位时间内 ( 每分钟 ) 两肾生成的超滤液量 GFR 与体表面积有关 衡量肾功能指标 S=1.73m2 的正常成年人, GFR=125ml/min 一昼夜滤出的原尿量 =125ml/min 60min 24=180L 2 滤过分数 (filtration fraction,ff) 肾小球滤过率与肾血浆流量的比值称为滤过分数 FF=GFR/RPF=125/ %=19% (RPF: 肾血浆流量为 660ml/min) 流经肾的血浆约有 1/5 由肾小球滤出到囊腔中变为原尿 二 决定和影响滤过的因素 1 滤过膜 (filtration menbrance) 滤过膜是指肾小球毛细血管内的血液与肾小囊中超滤液之间的隔膜 由三层结构组成 : 肾小球毛细血管内皮细胞 基膜 肾小囊的脏层上皮细胞

143 图 8-10 滤过膜示意图 ⑴ 通透性 图 8-11 不同的有效半径和带不同电荷对右旋糖酐滤过能力的 作用 滤过能力的值为 1.0 表示自由滤过 0 则不能滤过

144 图 8-12 有效滤过压示意图

145 图 8-13 肾血流量对 GFR 的影响

146 ㈠近球小管是大部分物质的主要重吸收部位, 滤过液中的约 67% Na+ Cl- K+ 和水再这里被重吸收, 还有 85% 的 HCO3- 以及全部的葡萄糖 氨基酸都在此被重吸收 1 Na+ 和 Cl- 原尿中的 Na+ 和 Cl- 在流经肾小管 集合管时被重吸收 99% 以上 其中近球小管约重吸收 65-70% 近球小管前半段主动过程泵 - 漏模式 (pump-leak model)

147 图 8-15 Na+ 的主动重吸收泵 - 漏模式 Na+ 在跨管腔膜转运时, 并不是单独转运, 它都是与其它物质通过同一个蛋白载体同时转运的 同向转运 (symporter), 逆向转运 (antiporter), 近球小管后半段细胞旁路被动重吸收跨上皮细胞主动重吸收在近球小管 Cl- 的重吸收伴随 Na+ 的主动重吸收而被动重吸收 2 水水的重吸收是在渗透压差作用下而被动吸收 等渗重吸收 (isosmotic reabsorption) 与体水是否缺乏无关 3 HCO3-4 K+ 图 8-16 近端小管重吸收 HCO3- 的细胞机制 1HCO3- 是以 CO2 形式重吸收 2 要有 H+ 分泌 ( 肾小管各段均可泌 H+, Na+- H+ 交换 ) 用乙酰唑胺抑制碳酸酐酶 尿量

148 绝大部分的 K+ 在近球小管被重吸收 近球小管 K+ 的重吸收是逆浓度差和电位差而进行的主动重吸收, 具体机制不清 终尿中的 K+ 主要来自远曲小管和集合管的分泌 5 葡萄糖葡萄糖重吸收的部位仅限于近球小管 葡萄糖的重吸收是借助于 Na+ 的主动重吸收而被继发性主动转运 (secondary active transport) 的 肾小管对葡萄糖的重吸收有一定限度 图 8-17 在近球小管葡萄糖和钠耦联重吸收 图 8-18 人体肾小管对葡萄糖的重吸收率与血浆葡萄糖浓度的关系

149 图 8-19 髓袢升支粗段继发性主动重吸收 Na+ K+ 和 Cl- 的示意图 通过钠泵活动, 继发性主动重吸收 2Cl-, 同时伴随 2Na+ 重吸收, 其中 1Na+ 主动 1Na+ 经细胞旁路被动重吸收, 为 Na+ 重吸收节约 50% 能量 速尿和利尿酸能抑制 1Na+:2Cl-:1K+ 同向转运体的功能, 使 NaCl 的重吸收减少 ㈢远曲小管和集合管 1 Na+ Cl-: 仍然是继发性主动转运 ( 此时无回漏, 电化学梯度更大 ) 远曲小管前段 :Na+ 是与 Cl- 同向转运进入细胞, 然后由钠泵泵出细胞而主动重吸收回血 Na+-Cl- 转运体对噻嗪类利尿剂敏感, 被抑制后, 产生 NaCl 重吸收障碍, 导致水的重吸收相应减少, 尿量增多

150 远曲小管后段与集合管 :Na+ 不与其它物质耦联, 通过管腔膜上的 Na+ 通道进入细胞, 然后再由 Na+ 泵泵至组织间液被重吸收 2 水受抗利尿激素的调控, 依赖于 ADH 的存在 与机体是否缺水有关 当机体缺水而抗利尿激素分泌增多时, 集合管对水的通透性增高, 水的重吸收增多 反之, 当体内水分过多时, 由于抗利尿激素的释放减少而降低远曲小管 集合管对水的重吸收 称调节性重吸收 (regulatory reabsorption) 二 肾小管和集合管的分泌 (secretion) 1 泌 H+ 肾小管和集合管上皮细胞均可分泌 H+, 其中近球小管分泌量最大 1 近球小管 :H+-Na+ 交换 (H+-Na+ interchange) 2 远曲小管 集合管 :H+ 泵意义 : 排酸保碱维持机体酸碱平衡 2 泌 NH3 一般发生在远曲小管 集合管 上皮细胞代谢产生的 NH360% 由谷氨酰胺脱氨而来 图 8-20 肾小管上皮细胞生成和分泌 NH3 示意图 NH3 的分泌不仅促进 H+ 的分泌而排酸, 也能增加 NaHCO3 的重吸收 正常情况下 NH3 的分泌主要在远曲小管和集合管, 但在酸中毒时 NH3 的分泌增加, 近球小管也可分泌 NH3 3 泌 K+ 终尿中的 K+ 主要由远曲小管和集合管主细胞分泌,K+ 的分泌与 Na+ 的主动重吸收密切相关 K+-Na+ 交换 (K+-Na+ interchange)

151 K+-Na+ 交换与 H+-Na+ 交换具有相互竞争现象 图 8-21 主细胞重吸收 Na+ 分泌 K+ 示意图 4 其他物质代谢产物如肌酐 对氨基马尿酸, 能滤过, 又能由肾小管排泄进入体内物质如青霉素 酚红等由近球小管主动排泄肾小球滤过生成的原尿, 通过肾小管和集合管的重吸收和分泌处理后, 就成为终尿并排出体外 第四节尿液的浓缩和稀释 (Concentration and Dilution of urine) 现象 : 夏天出汗 尿浓 色深, 少冬天喝水 尿稀 色浅, 多在生理学中, 尿液的浓缩与稀释是根据尿的渗透浓度 (osmolality) 与血浆渗透压相比较而确定的 高渗尿, 浓缩 低渗尿, 稀释 尿液的渗透压与血浆渗透压相等或相近, 称为等渗尿 (isotonic urine) 如果无论机体缺水或水过剩, 长时间排出等渗尿, 表明肾脏的浓缩和稀释功能严重减退 一 尿浓缩和稀释的机制比较解剖学 : 并不是所有动物的肾脏都有浓缩尿的能力 肾脏浓缩尿的能力是具有髓质结构的哺乳动物和某些鸟类所特有的 髓质内层愈发达 髓袢越长者, 浓缩尿的能力越强 eg: 沙鼠 髓袢特别长 20 倍血浆渗透浓度的高渗尿猪 -- 髓袢短 倍人 -- 中等长度 -- 最多 4-5 倍冰点降低法测定大鼠肾脏组织切片的渗透浓度, 观察到髓质部组织液与血浆的渗透浓度之比, 从外髓部向乳头部依次递增, 分别为 具有明显的渗透浓度梯度

152 图 8-22 肾髓质渗透梯度示意图线条越密, 表示渗透浓度越高 1 髓质的高渗和渗透浓度梯度是怎样形成的? 2 髓质的渗透梯度对尿液的浓缩与稀释起何作用? 或者说尿液的浓缩与稀释是怎样控制的? 3 髓质的高渗状态是如何维持的? ㈠髓质渗透梯度形成机制 1 逆流倍增 counter-current multiplication 横向梯度小变化 纵向梯度成倍变化 2. 形成过程 图 8-23 逆流倍增作用模型甲管内液体向下流乙管内液体向上流丙管内液体向下流 M1 膜能将液体中 Na+ 由乙管泵入甲管, 且对水不易通透,M2 膜对水易通透

153 图 8-24 尿浓缩机制示意图

154

155 图 8-25 ADH 存在与否对尿浓缩的影响 ㈢肾髓质高渗梯度的保持 1 逆流交换系统从热源带走热量少 2 直小血管的作用 : 只带走少量溶质和多余的水, 维持高渗梯度 图 8-26 直小血管的逆流交换作用对髓质渗透梯度的维持 二 影响尿浓缩和稀释的因素肾脏能否最大限度地排出浓缩尿或稀释尿, 主要有赖于髓袢 集合管和直小血管等结构与功能的正常 1. 髓袢的结构与机能髓袢结构与机能的完整性是保持肾对尿液浓缩功能的重要条件 2. 尿素浓度尿素为蛋白质代谢的产物, 是形成内髓部高渗的重要因素 3. 直小血管的血流

156 髓质血流的低容量和低速度在有效的逆流扩散交换过程中是重要的因素 4. 集合管对水的通透性取决于血浆 ADH " 尿崩症 " 综上所述, 尿液浓缩机制以 NaCl 在髓袢升支粗段的主动重吸收为起点, 以肾小管各段对水 溶质通透性不同的特点为基础, 通过逆流倍增机制使髓质建立高渗梯度, 尿素再循环则使渗透梯度加强 直小血管的作用使该梯度得以维持 在 ADH 的作用下, 大量水分进入肾脏间质, 而后被直小血管等重吸收, 尿液得以浓缩 在这整个过程中, 任何一个环节出了问题, 都将影响到尿浓缩的程度 第五节尿生成的调节 一 肾内自身调节㈠小管液中溶质浓度小管液中溶质所形成的渗透压是对抗肾小管重吸收水分的力量 如果小管液溶质浓度增高, 渗透压升高, 可妨碍水的重吸收 ( 尤近球小管 ) 而使尿量增多 糖尿病患者由于血糖升高超过肾糖阈值, 肾小管不能全部将其吸收, 造成肾小管液中葡萄糖的浓度过高而导致尿量明显增多 临床上, 脑水肿,iv 甘露醇 ( 可滤过, 不重吸收 ) 增加小管液溶质浓度, 增加尿量 由小管液中溶质浓度增高所引起的尿量增多现象称为渗透性利尿 (osmotic diuresis) ㈡球 - 管平衡 (glomerulotubular balance) 1 定义: 无论肾小球滤过率增多或减少, 近球小管是定比重吸收 (constant fraction reabsorption) 的, 即近球小管对滤液的重吸收率始终占肾小球滤过率的 65~70%, 这一现象称球 - 管平衡 2 生理意义: 使尿中排出的溶质和不致因肾小球滤过率的变化而大幅度增减 3 机制: 与管周 cap 压 血浆胶渗压改变有关 二 神经 - 体液因素㈠交感神经系统 NE 1 收缩肾 A, 入球 A> 出球 A,GFR ; 2 刺激颗粒细胞, 肾素释放增加, 促进循环中血管紧张素 II 和醛固酮含量增加, 引起 Na+ 水重吸收增加 ; 3 直接作用于肾小管, 增加近球小管和髓袢对 Na+ 水的重吸收㈡抗利尿激素 (antidiuretic hormone, ADH) 抗利尿激素也称血管升压素, 由下丘脑视上核和室旁核神经元合成, 沿下丘脑 - 垂体束运送到神经垂体贮存, 并由此释放入血

157 图 8-27 抗利尿激素的作用示意图 1 作用 : 1 作用于血管平滑肌 V1 受体 血管收缩血管升压素 (arginine vasopressin,avp) 2 集合管对水的通透性 水重吸收 尿量 ADH 与上皮细胞管周膜 V2 受体结合 激活腺苷酸环化酶 camp-pk 系统 蛋白磷酸化 水通道 (aquaporin AQP) 装配到膜上, 提高对水的通透性 ( 基侧膜对水自由通透 ) 3 促进内髓部集合管对尿素的通透 ; 促进髓袢升支粗段对 NaCl 主动重吸收 2 影响因素 1 血浆晶体渗透压下丘脑视上核及其附近存在对血浆晶体渗透压改变十分敏感的渗透压感受器 (osmoreceptor) 图 8-28 晶体渗透压和细胞外液容量对 ADH 释放的影响 当机体大量出汗 严重呕吐或腹泻则导致失水时, 机体血浆晶体渗透压升高, 对渗透压感受器刺激增强, 则 ADH 合成 释放增多, 结果尿液浓缩 尿量减少, 有利于纠正失水造成的血浆晶体渗透压升高 反

158 之大量饮入清水, 血浆晶体渗透压降低, 则 ADH 合成释放减少, 尿量增多 这种由大量饮入清水引起尿量增多的现象称为水利尿 (water diuresis) 水利尿是由于大量水的摄入引起血浆晶体渗透压降低, 使 ADH 合成和释放减少的缘故 图 8-29 一次饮一升清水 ( 实线 ) 饮一升等渗盐水 ( 虚线 ) 后的排尿率箭头表示饮水时间 2 循环血容量 动脉血压位于左心房和胸腔大静脉的容量感受器 (volume receptor) 可感受循环血量的刺激, 反射性地调节 ADH 的释放 当循环血量增多时, 容量感受器沿迷走神经的传入冲动增加, 导致 ADH 释放量减少, 尿量增加, 使循环血量回降 反之, 循环血量减少时,ADH 释放增多 尿量减少有利于循环血量的恢复 但左心房的容量感受器的感性低于下丘脑渗透压感受器, 血量需降低 5%~10% 以上才能刺激 ADH 的释放增多 此外, 动脉血压增高, 可通过压力感受器反射性地抑制 ADH 的释放 图 8-30 渗透压和血容量 血压对 ADH 释放影响大小的比较 3 其他 : 心房利尿钠肽 (-)ADH ATⅡ (+)ADH 痛刺激 情绪紧张 ADH 弱冷刺激 ADH 下丘脑 - 神经垂体病变 ADH 尿量 (>10L/ 日 ) 尿崩症 (cf: 肾源性尿崩 ) ㈢肾素 - 血管肾张素 - 醛固酮系统

159 1 肾素分泌的调节 图 8-31 影响肾素分泌的因素

160

161 中英文对照 aldosterone 醛固酮 aldosterone-induced protein 醛固酮诱导蛋白 angiotensinⅡ 血管紧张素 Ⅱ antidiuretic hormone, ADH 抗利尿激素 antiporter 逆向转运 aquaporin AQP 水通道 arginine vasopressin,avp 血管升压素 atrial natriuretic peptide ANP 心房利尿钠肽 autotrgulation 自身调节 blood flow 血流量 collection duct 集合管 constant fraction reabsorption 定比重吸收 counter-current multiplication 逆流倍增 effective filtration pressure 有效滤过压 extraglomerular mesangial cells 球外系膜细胞 filtation 滤过 filtration equilibrium 滤过平衡 filtration fraction FF 滤过分数 filtration menbrance 滤过膜 glomerular filtration rate GFR 肾小球滤过率

162 glomerulotubular balance 球 - 管平衡 H+-Na+ interchange H+-Na+ 交换 isotonic reabsorption 等渗重吸收 isotonic urine 等渗尿 juxtaglomerular apparatus 球旁器 juxtaglomerular cells 球旁细胞 K+-Na+ interchange K+-Na+ 交换 pump-leak model 泵 - 漏模式 macula densa 致密斑 nephron 肾单位 osmolality 渗透浓度 osmoreceptor 渗透压感受器 osmotic diuresis 渗透性利尿 reabsorption 重吸收 regulatory reabsorption 调节性重吸收 renal glucose threshold 肾糖阈 renal plasma flow 肾血浆流量 rennin 肾素 secondary active transport 继发性主动转运 secretion 分泌 symporter 同向转运 transport maximum Tm 吸收极限量

163 tubulogomerular feedback 管 - 球反馈 urea 尿素 volume receptor 容量感受器 water diuresis 水利尿 [ 思考题 ] 1 为什么说肾脏在脱水的临床表现中具有十分重要的作用? 2 肾脏在酸碱中毒时起什么作用? 3 肾血流量及肾小球滤过率的改变对尿的浓缩和稀释有何影响? 4 静脉分别注射大剂量和小剂量的肾上腺素和去甲肾上腺素, 尿量有何变化, 为什么? [ 参考文献 ] 1 Guyton,A.C.. Textbook of Medical Physiology. W.B. Saunders Company,Philaphia, 1991; 8th ed: William F.Ganong. Review of Medical Physiology(20th), United States of American,McGram-Hill( 美国 ), Lingappa VR and Farey K. Physiological medicine,a clinical approach to basic medical physiology. McGram-Hill( 美国 ), 何小瑞, 姚泰. 管球反馈对肾小球血流动力学的影响及其机制. 生理学进展,1991;22: 陈香美. 当前肾脏病的研究热点. 中华内科杂志,2002;2

164 生理学精品教案 Chapter 9 sense organs 案例 : 某虹膜炎患者, 医生给予阿托品滴眼等治疗措施 用药后患者出现瞳孔扩大, 视物不清, 畏光, 疑病情加重, 第二天再次复诊 问 1 阿托品为什么会引起瞳孔扩大? 2 患者是否一定是病情加重? I Receptors 1.Dentification Receptor a part of neuron or a specialized cell Sense organ Receptor + non-neural cells 2.Classifications location: exteroceptor interoceptor type of stimulus: mechanoreceptor thermoreceptor nociceptor electromagnetic receptor chemoreceptor 3.Characteristics of receptor (1)differential sensitivity * adequate stimulus * sensory threshold (2)Transduction *receptor potential *generator potential

165 Mechanism Characteristics (3)Encoding To transform the information from stimulus into a train of nerve impulses The quality (modality) of sensation specific part of the brain The quantity (intensity) of sensation Frequency of AP Number of activated receptor (4) Adaptation when a maintained stimulus of constant strength is applied to a receptor, the frequency of the AP in its sensory nerve declines ever time.

166 A maintained constant stimulus, the impulse frequency rapidly adapting receptor slowly adapting receptor II eye 1. Anatomy 2. Optics of the eye

167 (1) Refraction of light

168 (4) Visual acuity 人眼辨别物体微细结构的最大能力, 即辨别两点空间最小距离的能力为什么不能看清无限远的物体 : 太远光线太弱太远在视网膜上成像太小 (5) Accommodation

169 parasympathetic nerve 2near point 眼能看清的最近距离 μ elasticity of the lens 8 years old 8.6 cm 20 years old 10.4cm 60 years old 83.3cm (6) Near response 1accommodation

170 2Pupil contraction near reflex of pupil 3Convergence convergence reflex (7) Errors of refraction *Emmetropia normal vision *Myopia Nearsightedness Characteristics: parallel light rays are focused in front of retina Causes too long eyeball Too much refractory power Correction concave lens *Hyperopia : Farsightedness Characteristics: parallel light rays are focused behind retina Cause too shoot eyeball too weak refractory power Correction convex lens *Astigmatism Characteristics light rays are refracted to different focus Cause the currature of refractive system are not uniform Correction cylindrical lens *presbuopia Characteristics near point Cause elasticity of the lens Correction conves lens

171 (8) visual field (9) binocular vision and stereopsis 3. photoreceptor function of retina (1) structure of retina

172 (3) photochemical reaction of rhodopsin

173 (5) dark adaptation and light adaptation 1dark adaptation 2light adaptation *level of photochemical *pupilary light reflex sensitivity to light 500,000~1000,000 times 3night blindness vitamine A (6) color vision Trichromacy theory

174 *color blindness III Ear External ear Ear Middle ear Inner ear cochlea 1. hearing threshold and fragnency range of hearing

175 *hearing threshold *frequency range of hearing

176

177

178

179 思考题 1. 简述视近物时眼的调节过程 2. 简述视锥细胞和视杆细胞的主要特点 3. 简述常见屈光不正的种类 原因及矫正方法 4. 简述耳是如何对声音进行初步分析的参考文献

180 1. 姚泰. 罗自强生理学 ( 七年制教材 ) 人民卫生出版社 姚泰人体生理学 ( 第 3 版 ) 人民卫生出版社 Ganong WF. Review of medical physiology(20th) Guyton AC. Textbook of medical physiology(10th) 2000 精品课程生理学教案 第十章神经系统的功能 [ 目的与要求 ]: 熟悉神经元和神经胶质细胞的功能, 掌握反射活动的一般规律以及神经系统在调节机体功能活动 ( 如对感觉的分析 躯体运动和内脏活动等 ) 中的作用, 理解和掌握本章的基本概念, 从而真正理解神经系统在维持稳态 调节机体各器官系统之间的功能平衡中所起的作用 [ 重点 ]:1. 突触的基本结构 2. 反射的概念, 反射弧中枢部分兴奋的传布和中枢抑制 3. 丘脑及感觉投射系统 ( 特异性怀非特异性投射系统 ) 视 听和味觉的代表区, 内脏痛的特征与牵涉痛 4. 脊休克 屈肌反射与对侧伸肌反射 牵张反射 5. 脑干对肌紧张的调节, 小脑的功能 6. 锥体系与锥体外系 7. 交感与副交感神经的结构和功能 8. 脑电的活动与睡眠机制 [ 难点 ]:1. 中枢抑制 ( 特别是突触前抑制 ) 2. 牵张反射 3.α 与 r- 僵直 4. 基底神经节对躯体运动的调节 5. 诱发电位产生的机制 [ 课时 ]:12 学时 [ 教材 ]: 理学 (5 版 ), 姚泰主编, 人民卫生出版社,2000, 北京 [ 教具 ]: 多媒体投影仪案例 : 某患者, 女性,30 岁, 因有机磷农药中毒入院 请列出患者可能出现的症状 体征, 发病机理及治疗原则 概述

181 一 神经系统的作用与地位神经系统 (Nervous System, NS) 是进化的产物 ; NS 分外周神经系统 (Peripheral Nervous System, P 和中枢神经系统 (Central Nervous System, CNS) NS 是机体最重要的调节系统 ( 起主导地位 ); 脑的工作原理是人类面临的最大挑战 神经系统的基本功能 1. 协调人体内各系统器官的功能活动, 保证人体内部的完整统一 ; 2. 使人体活动能随时适应外界环境的变化, 保证人体与不断变化的外界环境之间的相对平衡 ; 3. 认识客观世界, 改造客观世界 图 10-1: 大脑沟回结构 二 NS 的组成由神经元 (neuron) 与神经胶质细胞 (neuroglia) 组成 ( 一 ) 神经元 1.NS 结构 ( 见图 10-2) 图 10-2: 神经元 胞体 (Soma)( 物质合成部位, 代谢中心 ) 突起 (Cytoplasic process), 分为 : 树突 ( Dendrite)

182 轴突 (Axon) 轴丘 (Axon hillock) 突触小体 (synaptic knob): 末梢膨大的部分始段 (initial segment): 轴突起始的部位 2. 基本功能 : 1 接受信息整合信息传递信息 ; 2 神经 - 内分泌功能 3. 分类 1) 按突起数目 : 假单极 双极 多极 2) 按功能 : 感觉 运动 联络 3) 按所含递质 :DA Ach NE 5-HT 等 4) 按对下一级神经元所产生的效应 : 兴奋性 抑制性 ( 二 ) 神经胶质细胞数量为神经元的 10~50 倍 ( 见图 10-3) 1. 类型 1) 周围神经 : 1 施万细胞 (Schwann s cell), 又称神经膜细胞, 形成轴突髓鞘 2 卫星细胞 (Satellite cell), 又称被囊细胞, 存在于脊神经节中 2) 中枢神经系统 : 1 星形胶质细胞 (Astroglia) 2 少突胶质细胞 (Oligodendrocyte) 3 小胶质细胞 (Microglia) 胶质细胞无树突 轴突之分, 相邻细胞以缝隙连接相连 ; 胞内外具有膜电位差, 且随细胞外 K+ 浓度改变, 但不能产生 AP 图 10-3: 胶质细胞 2. 功能 1) 支持作用 2) 修复和再生作用 3) 物质代谢和营养性作用 4) 绝缘和屏障作用

183 5) 维持合适的离子浓度 6) 摄取和分泌神经递质 7) 吞噬作用 Astrocytes are now known to be involved in the most integrated functions of the central nervous system. These functions are not only necessary for the normally working brain but are also critically involved in many pathological conditions, including stroke. Astrocytes may contribute to damage by propagating spreading depression or by sending proapoptotic signals to otherwise healthy tissue via gap junction channels. Astrocytes may also inhibit regeneration by participating in formation of the glial scar. On the other hand, astrocytes are important in neuronal antioxidant defense and secrete growth factors, which probably provide neuroprotection in the acute phase, as well as promoting neurogenesis and regeneration in the chronic phase after injury. A detailed understanding of the astrocytic response, as well as the timing and location of the changes, is necessary to develop effective treatment strategies for stroke patients (Anderson MF, Blomstrand F, Blomstrand C, et al. Astrocytes and stroke: networking for survival? Neurochem Res. 2003, 28(2): 三 NS 涉及的问题 1. 感受器的换能作用 ( 见感官章 ) 2. 神经纤维如何传递信息?( 见神经纤维的功能等 ) 3. 中枢神经系统如何分析 整合信息?( 见突触的传递, 兴奋与抑制 ) 4.NS 如何产生感觉? 5.NS 如何调节内脏活动和骨骼肌运动? 6. 人类 NS 活动的特点 - 即高级神经活动包括条件反射 心理活动 睡眠与觉醒 语言 思维和记忆等 第一节神经纤维 一 概述 ( 一 ) 组成 : 神经纤维 (nerve fiber,nf) 由神经元胞体上的突起 ( 一般是轴突 ) 延伸而来

184 图 10-4: 神经纤维 ( 二 ) 神经元的轴浆运输 (Axoplasm trasport) 1. 特点 : 1) 双向性 : 顺向运输 (orthoaxoplasmic transport): 多数神经递质 酶 蛋白质等的运输逆向运输 (antiaxoplasmic transport): 外源性物质 神经营养因子等的运输可用多种方法来证明为双向运输, 如用同位素标记的氨基酸注入蛛网膜下腔 ( 可见氨基酸被胞体摄取胜胞体轴突近端轴突远端 ), 或微电极注入辣根过氧化酶 ( 辣根过氧化酶被轴突末梢摄取胞体 ) 2) 经常性 普遍性 C 快 慢两种速度: 快者达 1-4 μm/s; 慢速者仅 μm/s( 1-2 mm/d) 2. 轴浆运输的功能 : 1) 运输作用 : 提供营养物质 ; 输送神经递质和酶 2) 反馈作用 : 保持功能联系二 神经纤维的分类 ( 一 ) 按有无髓鞘分为 1. 有髓鞘纤维, 如躯体传出纤维 2. 无髓鞘纤维, 如植物神经节后纤维 ( 二 ) 根据电生理特性分为 1. A 类 : 包括有髓鞘的躯体传入与躯体传出纤维 根据其传导速度还可分为 Aα Aβ Aγ 和 Aδ 2. B 类 ( 有髓 ): 植物神经的节前纤维 3. C 类 ( 无髓 ): 植物神经的节后纤维和后根中的痛觉传入纤维 ( 三 ) 根据纤维直径的大小和来源分为 1.Ⅰ 类 : 又分为 Ⅰa 和 Ⅰb 类 相当于 Aα 2.Ⅱ 类 : 相当于 Aβ Aγ

185 3.Ⅲ 类 : 相当于 Aδ B 类 4.Ⅳ 类 : 相当于 C 类三 功能 ( 一 ) 传递信息 1. 信息的本质 : 动作电位 (action potential), 或称神经冲动 (Nerve Impulse) 2. 传导机制在无髓鞘纤维中以局部电流的形式传导 ; 在有髓鞘纤维中以跳跃式传导 3. 传导速度与影响因素 1) 影响传导的因素 1 纤维直径 : 与直径成正比, 横切面越大, 纵向阻抗越小, 传导越快 传导速度 V(m/s)=6 直径 (μm), 也与轴索和总直径的比值有关, 其比值 = 0.6 时为最适比例 2 有髓纤维 > 无髓纤维 ; 3 温度 : 恒温动物 > 变温动物 ; 在一定范围内, 温度 时传导速度 ; 温度 时传导速度 ⑵ 检测传导速度的临床意义 : 1 评定周围运动和感觉神经传导功能 ; 2 评定纤维病变的程度 : 传导速度减慢主要反映髓鞘损害 ; 波幅降低反映轴索损害, 严重的髓鞘脱失也可继发轴索损害 3 鉴别神经与肌肉的病变 : 如仅为肌肉病变, 则神经纤维传导速度不会发生改变 4. 传导特征 : ⑴ 完整性 : 要求结构和生理功能的完整 ⑵ 绝缘性 : 保证了传导的特异性 ⑶ 双向性 ⑷ 相对不疲劳性 ( 二 ) 营养作用通过轴浆流动 末梢释放某些调节性物质 改变组织内在代谢活动, 影响其支配组织的结构和功能, 与神经冲动无关 此外, 被支配的组织和胶质细胞也能产生支持神经元的神经营养因子 ( neurotrophin, NT ), 其本质为蛋白质, 已分离出的 NT 有 : 神经生长因子 (NGF) 神经营养因子-3 (NT-3) 神经营养因子 4/5 (NT-4/5) 和脑源性神经营养因子 (BDNF) 等 神经营养因子的运输 : NT 作用于神经末梢的特异受体 被末梢摄取 逆向轴浆运输 胞体 在神经末梢发现有用种 NT 的受体 :Trk A Trk B 和 Trk C Nerve growth factor was the first identified protein with anti-apoptotic activity on neurons. This prototypic neurotrophic factor, together with the three structurally and functionally related growth factors brain-derived neurotrophic factor (BDNF), neurotrophin-3 (NT3) and neurotrophin-4/5 (NT4/5), forms the neurotrophin protein family. Target T cells for neurotrophins include many neurons affected by neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, amyotrophic lateral sclerosis and peripheral polyneuropathies. In addition, the neurotrophins act on neurons affected by other neurological and psychiatric pathologies including ischemia, epilepsy, depression and eating disorders. Work with cell cultures and animal models provided solid support for the hypothesis that neurotrophins prevent neuronal death. While no evidence exists that a lack of neurotrophins underlies the etiology of any neurodegenerative disease, these studies have spurred on hopes that neurotrophins might be useful symptomatic-therapeutic agents. However first clinical trials led to variable results and severe side effects were observed. For future therapeutic use of the neurotrophins it is therefore crucial to expand our knowledge about their physiological functions as well as their pharmacokinetic properties. A major challenge is to develop methods for their application in effective doses and in a precisely timed and localized fashion. 第二节神经元间的功能联系

186 突触传递 (synapse transmission) 一 突触的结构与分类 ( 一 ) 经典的突触概念突触 (synapse) 最初是指细胞与细胞之间相互接触并传递信息的部位 因此, 广义的突触也包括了神经 - 肌接头 1. 涵义 : 具体到神经系统, 突触是指神经元之间相互接触并传递信息的部位 2. 组成 : 由一个神经元的轴突然袭击与其它神经元的胞体或突起形成 3. 结构 : 电镜下可见突触接触处各有膜分开 轴突末梢的分支膨大构成突触小体, 突触小体膜称为突触前膜, 与前膜相对应的胞体或突起膜称为突触后膜, 两膜之间的间隙称为突触间隙 图 10-5: 突触的结构 结构特点 :1 突触前 后膜比一般的神经元膜增厚约 7nm 2 间隙较宽, 约 20~30 nm, 其间有粘多糖和糖蛋白 3 突触小体内有许多的线粒体和囊泡 ( 囊泡内含递质 ) 4 突触后膜上有相应的受体注意 :1 一个神经元的轴突末梢分支形成许多突触小体, 与其后的神经元形成突触, 所以一个神经元可以通过突触与许多其它神经元构成联系 ; 2 一个神经元的胞体可接触许多神经元的突触, 故一个神经又可接受许多不同种类和不同性质神经元的影响 4. 分类 1) 按传递信息物质 ( 性质 ): 分为化学性突触 ( 经典的突触 ) 电突触( 又称缝隙连接, 见图 10-5) 和混合性突触 2) 按突触排列方式 : 分为交互突触 ; 并联突触 ; 串联突触 ( 见图 10-6) 3) 按对下一级神经元活动的影响 : 分为兴奋性突触和抑制性突触 4) 按接触的部位 : 分为轴 - 树突触 ; 轴 - 体突触 ; 轴 - 轴突触 ; 体 - 体突触等 ( 见图 10-7)

187 图 10-6: 突触的排列方式 图 10-7: 突触接触的部位 ( 二 ) 缝隙连接 (gap junction) 除了经典的化学性突触传递外, 还存在缝隙连接 ( 见图 5) 它与经典的突触相比较, 神经元膜紧密接触的部位两层膜间的间隙只有 2~3nm, 连接部位的神经元膜没有增厚, 其它轴浆内无突触小泡聚聚, 连接部位的膜阻抗较低, 容易发生电紧张性扩布 这种神经元之间的电传导速度快, 几乎不存在潜伏期, 可能有助于不同神经元产生同步性放电 ( 三 ) 非突触性化学传递 (nonsynaptic chemical transmission) 在交感神经节肾上腺素能神经元 5-HT 能神经纤维和多巴胺能神经纤维等神经元中, 发现其轴突末梢有许多分支, 在分支上有大量的结节状曲张体 (varicosity), 曲张体内含有大量的小泡, 是递质释放的部位 曲张小体类似于突触小体, 但它不与效应器细胞形成经典的突触, 而是处于效应器附近 ( 见图 10-8) 图 10-8: 交感神经肾上腺素能神经元曲张体 它与经典的突触相比, 具有以下特点 : 1 不存在突触前 后膜的特化结构 ; 2 不存在 1:1 支配关系, 一个曲张体能支配多个效应器细胞 ; 3 曲张体与效应器细胞间隔 >20nm; 4 递质弥散的距离大, 传递耽误时间长, 常超过 1 秒 ; 5 递质弥散至效应器细胞, 能否产生传递效应决定于效应器细胞上有无相应的受体 ; 6 除轴突末梢外, 树突和轴突膜均可释放递质 二 突触传递的机制 ( 一 ) 突触传递的基本过程

188 AP 抵达轴突末梢 突触前膜去极化 电压门控性 Ca2+ 通道开放 Ca2+ 内流入突触前膜 突触小泡前移与前膜融合 破裂 递质释放入间隙弥散与突触后膜特异性受体结合 化学门控性通道开放 突触后膜对某些离子通透性增加 突触后膜电位变化 ( 突触后电位 )( 去极化或超极化 ) 总和效应 突触后神经元兴奋或抑制 Ca2+ 在突触传递中的作用 : 1 降低轴浆的粘度, 有利于突触小泡的位移 ( 降低囊泡上肌动蛋白结合蛋白与肌动蛋白的结合 ); 2 消除突触前膜内侧的负电位, 促进突触小泡和前膜接触 融合和胞裂, 促进神经递质的释放 ( 二 ) 突触后电位 (Postsynaptic Potential,PSP) 1. 兴奋性突触后电位 (excitatory Postsynaptic Potential, EPSP) 1) 概念 : 兴奋性递质引起突触后膜去极化, 下一级神经元容易发生兴奋 (AP), 这种电位变化称为 EPSP EPSP 具有局部电位的特点 :1 电紧张性扩布 ;2 等级性电位, 即其大小与刺激强度呈正比 ;3 可进行时间和空间上的总和 2) 产生的机制 : 兴奋性递质 ( 如 Ach) 突触后膜受体 Na+ K+ 和 Cl- 等通道开放 Na+ 离子内流 >K+ 和 Cl- 外流 膜内正电荷 后膜局部去极化 (EPSP)( 见图 10-8) 由于神经轴突始段比较细小, 形成电流的密度较大, 当 EPSP 总和使膜电位改变达阈电位时, 轴突始段的电压门控 Na+ 通道打开 Na+ 迅速内流 爆发 AP 3) 传递过程 : AP 传至轴突末梢 前膜 PCa2+ Ca2+ 内流 释放兴奋性递质 通过间隙 与后膜受体结合 后膜 PNa+ PK+ PCl- ( 特别是 PNa+ ) 后膜去极化 EPSP 总和 AP 2. 抑制性突触后电位 (inhibitory postsynaptic potential, IPSP) 1) 概念 : 抑制性递质引起突触后膜超极化, 下一级神经元难以发生兴奋 (AP), 这种电位变化称为 IPSP IPSP 也具有局部电位的特点 :1 电紧张性扩布 ;2 等级性电位, 即其大小与刺激强度呈正比 ;3 可进行时间和空间上的总和 ( 总和的结果是使突触后神经元不易兴奋 - 即抑制 ) 2) 机制 : 抑制性递质 突触后膜 Cl- 和 / 或 K+ 通道开放 K+ 外流和或 Cl- 内流 膜内正电荷 膜内外电位差 后膜局部超极化 (IPSP) ( 见图 10-9) 因为后膜电位远离产生 AP 的阈电位, 不易产生 AP 抑制 3) 传递过程 : AP 传至轴突末梢 前膜 PCa2+ Ca2+ 内流 释放抑制性递质 通过间隙 与后膜受体结合 后膜 PK+ 和 PCl- 后膜超极化 IPSP

189 图 10-9: 兴奋性突触后电位与抑制性突触后电位 表 10-1: EPSP 与 IPSP 主要异同点的比较 ( 三 ) 突触传递的特征 1. 单向传递 ( 因为只有前膜能释放递质 ); 2. 突触延搁 ; 3. 总和, 包括时间性总和和空间性总和 ; 4. 对内环境变化敏感和易疲劳 ; 5. 兴奋节律性改变 ( 同一反射活动中传入神经与传出神经发放的频率不一致 ); 6. 后放 ( 刺激停止后, 传出神经在一定时间内仍发放冲动 ) 三 神经递质与受体 (neurotransmitter and receptor) ( 一 ) 递质 (neurotransmitter) 突触前膜释放的化学物质称为递质 1. 神经神经递质的确定条件 1) 突触前神经元中合成, 有合成递质的前体和酶系统

190 2) 递质存在于突触小泡内, 受到适宜刺激时, 能从突触前神经元释放出来 3) 与突触后膜上的受体结合并产生一定的生理效应 4) 存在使其失活的机制 5) 有特异的受体激动剂和拮抗剂 2. 递质的分类 1) 按分泌部位分为 : 中枢神经递质和外周神经递质 2) 按化学性质分为胆碱类 胺类 氨基酸类 肽类 嘌呤类 脂类和气体类等 3. 外周神经递质 1) 乙酰胆碱 (acetylcholine,ach) 凡以 ACh 作为递质的神经元和神经纤维, 称为胆碱能神经元和胆碱能纤维 外周胆碱能纤维包括 :1 交感神经和副交感神经的神经节前纤维 ;2 大多数副交感神经节后纤维 3 副交感神经的节后纤维 ;4 少数交感神经节后纤维 ( 汗腺和骨骼肌舒血管 );5 躯体运动神经纤维 ( 神经 - 肌接头处 ) 2) 去甲肾上腺素 (noradrenaline,ne) 凡以 NE 作为递质的神经元和神经纤维, 称为肾上腺素能神经元和肾上腺素能纤维 大部分交感节后纤维均为肾上腺素能纤维 3) 嘌呤类 / 肽类目前认为, 植物神经系统除胆碱能纤维和肾上腺素能纤维外, 可能还有第三类纤维, 即嘌呤或肽类递质 理由 : 利用阿托品阻断胆碱能纤维和胍乙啶阻断肾上腺素能纤维后, 用电刺激肠壁仍可引起其舒张 目前研究得较多的有血管活性肠肽 胃泌素 生长抑素等 Receptive and adaptive relaxations of the proximal third of the stomach are reflex responses that enable the stomach to accommodate large volumes with minimal increases in intraluminal pressure. The smooth muscle relaxations are termed non-adrenergic non-cholinergic (NANC). Nitric oxide (NO) and vasoactive intestinal polypeptide (VIP) are considered to be the principal neurotransmitters of NANC relaxation of the rat stomach. NO appears to be mainly responsible for the speed of the relaxation and VIP appears to be responsible for the duration. Studies indicate that inhibitory neurons may also release other neurotransmitters, such as adenosine triphosphate (ATP) and peptide histidine isoleucine (PHI). NANC relaxation of the rat stomach is a complex phenomenon that appears to involve many neurotransmitters, each with a specific role(curro D, Preziosi P. Non-adrenergic non-cholinergic relaxation of the rat stomach. Gen Pharmacol. 1998;31(5): ). 4. 中枢递质因为血 - 脑屏障的存在, 以及中枢神经元种类多 功能复杂等原因, 对中枢递质的研究相对缓慢 目前的研究认为主要有 4 类 1) Ach 中枢 Ach 常为兴奋性递质, 亦可为抑制性递质, 主要存在于 :1 脊髓前角运动神经元 ;2 丘脑后腹侧特异感觉投射纤维 ;3 脑干网状结构上行激动系统 ;4 尾核 壳核 苍白球 ;5 边缘系统 ( 梨状区 杏仁核 海马 ) 等 2) 单胺类包括多巴胺 (Dopamine,DA), NE 和 5- 羟色胺 ( 5-HT) NE 主要见于低位脑干 ( 延髓 脑桥等 ), 与维持觉醒状态 情绪和内分泌以及躯体运动等有关 ;DA 主要存在于黑质 - 纹状体 中脑边缘系统和结节漏斗部分, 与躯体运动有关 ;5-HT 集中于中缝核内, 与维持觉醒和睡眠状态 情绪和内分泌等有关 3) 氨基酸类具有兴奋作用的氨基酸, 如谷氨酸和门冬氨酸等 ; 具有抑制作用的氨基酸, 如 GABA 和甘氨酸等 4) 肽类为发现的最多一类递质, 包括 : 神经降压素, 血管活性肠肽, 脑肠肽,P 物质, 胆囊收缩素等 总之, 神经系统发挥作用基本上是通过递质来完成的 长期以来, 以为一个神经元的全部神经末梢均释放同一种神经递质 ( 戴尔原则 ) 近年来发现一个神经元内可以存在两种或两种以上的神经递质, 末梢可同时释放两种或两种以上的递质 ( 递质共存 ) 如 : 支配唾液腺的副交

191 感 (ACh/VIP) 和支配输精管的交感 (NA/NPY) 根据神经递质对效应器细胞作用的机制不同, 有人提出应区分为递质与调质两类 1 神经递质 (neurotransmitter): 一般是指通过经典的突触联系作用于效应器细胞的递质物质, 它的作用时间快速而短暂, 作用于受体后, 主要引起离子通道开放, 从而产生兴奋或抑制效应 ( 如神经 - 肌接头处的 Ach;2 神经调质 (neuromodulator): 一般是指通过非经典突触联系的方式作用于效应器细胞的调节性物质, 它的作用时间缓慢而较持久 ( 常超过 1 秒 ), 通过第二信使转而改变膜的兴奋性或其它递质的释放, 产生调制传递的效应 此类物质多属肽类物质 5. 递质的代谢 1) 合成主要在胞体合成 如胆碱和乙酰辅酶 A 在胆碱乙酰移位酶的作用下合成 Ach; 酷氨酸经羟化酶加上一个羟基后生成多巴, 后者经脱羧酶作用脱羧成 DA,DA 经 β- 羟化酶作用合成 NE; 谷氨酸经脱羧酶作用脱羧成 GABA 等 2) 释放当神经纤维末梢有 AP 传来 PCa2+ Ca2+ 内流 使一定量的小囊泡与突触前膜紧贴融合起来 然后出现破裂口 递质释放 3) 失活递质发挥作用后, 随后通过酶解 ( 如 Ach 被胆碱脂酶水解为胆碱和乙酸 ) 被血液带走 重新利用等失活 ( 二 ) 受体 (receptor) 1. 概念 : 细胞膜或细胞内能与某些化学物质 ( 递质 调质 激素等 ) 特异性结合并诱发生物效应的特殊生物分子, 其体质为蛋白质 每一种受体均有其相应的激动剂 (agonist) 和拮抗剂 (antagonist) 神经递质必须通过与受体结合后才能发挥作用 图 10-10:NMDA 受体示意 2. 特性 : ⑴ 特异性 ;⑵ 饱和性 ;⑶ 可逆结合性 ;⑷ 活性可变化性, 包括反应性 ( 致敏现象 ) 或受体数目 ( 上调 ) 和反应性 ( 脱敏现象 ) 或数目 ( 下调 ) 3. 重要的受体系统 1) 胆碱能受体 (Ach-R): 胆碱能受体分为毒蕈碱受体 (muscarinic receptor,m-r) 和烟碱受体 (nicotinic receptor,n-r) 两型 1M-R 分 M1~M5 五个亚型 M-R 兴奋表现为平滑肌收缩, 心脏抑制, 消化腺分泌, 汗腺分泌和骨骼肌血管舒张等 它可被阿托品阻断 N-R 分神经原型烟碱受体 (N1) 和肌肉型烟碱受体 (N2)2 个亚型 N1 被筒箭毒碱和六烃季铵阻断,N2 被筒箭毒碱和十烃季铵阻断 2) 肾上腺素能受体 (adrenergic receptor) : 能与肾上腺素 (adrenaline,adr) 和 NA 结合的受体称为肾上腺素能受体 分 a (a1 a2 和 b(b1 b2 和 b3) 受体 2 型 肾上腺素能受体特征 :1 肾上腺素能受体与 M 受体具有高度同源性, 结构十分相似, 作用机制也通过 G 蛋白介导 ;2α 受体 ( 主要是 α1 受体 ) 产生的效应主要是兴奋性的,β 受体 ( 主要是 β2 受体 ) 产生的效应主要是抑制性的 ;3NA 对 α 受体的作用较 β 受体强 ; Adr 对 α 和 β 受体的作用都强 ; 异丙肾上腺素主要对 β 受体有强烈作用

192 肾上腺素能受体阻断剂 :1α 受体, 酚妥拉明 ( 主要是 α1 受体 ) 和育亨宾 (α2 受体 );2β 受体, 普萘洛尔 ( β1 β2 受体 ) 阿提洛尔 (β1 受体 ) 和丁氧胺 (β2 受体 ) 3) 氨基酸受体 1 谷氨酸受体 : 有促代谢型 (metabotropic)glu 受体 (L-AP4-glu-R ACPD-glu-R) 和促离子型 (ionotropic)glu 受体 (NMDA-glu-R 促 Na+ Ca2+ 内流 K+ 外流, KA-glu-R,AMPA-glu-R 促 Na+ 内流 K + 外流 ) 两类受体 ;2GABA 受体 : GABA 受体分为 GABAA(Cl- 通道 ) 和 GABAB( 促代谢型受体, 激活后可增加 K+ 通道的电导 ) 两型 图 10-11: 谷氮酸受体结构图 图 10-12:GABAA 受体 4) 阿片样肽受体 : 有 μ(β- 内啡肽 ) κ 和 δ( 强啡肽 ) 三种受体 5) 其它受体系统嘌呤受体 : A 受体 (A1 A2A A2B A3)- 介导咖啡因和茶碱受体 P 受体 (P2U P2X P2Y P2Z) 组胺受体 :CNS 有 H1 H2 H3( 突触前 ) NO CO 等气体分子直接进入细胞, 激活鸟苷酸环化酶 第三节反射活动的一般规律 一 反射的概念反射 (reflex) 是指在中枢神经系统参与下, 机体对内外环境变化所产生的规律性的应答反应 分条件反射和非条件反射两种 要完成反射活动, 必须有一个完整的反射弧 (reflex arc), 反射弧是反射的结构基础 反射弧由感受器 传入神经 中枢 传出神经和效应器 5 部分组成 二 中枢内神经元的联络方式中枢由亿万个神经元组成, 根据其在反射弧中所处的部位分为 : 传入神经元 中间神经元 ( 数目最多 ) 和传出神经元 ( 数目最少 ) ( 一 ) 神经元之间的联络方式 1. 辐散 ( 射 )(divergence) 辐射 ( 散 ):( 多见于感觉传入通路 ) 1) 结构形式 : 一个神经元的轴突分支与多个神经元发生突触联系 ( 图 10-13) 2) 意义 : 一个神经元的兴奋可引起许多神经元同时兴奋或抑制 2. 聚合 (convergence) ( 多见于运动传出通路 ) 1) 结构形式 : 多个神经元与少数或一个神经元发生联系 ( 图 10-13) 2) 意义 :1 使 CNS 内神经元活动能够集中 ;2 使兴奋或抑制能在后一个神经元上发生总和而及时加强或减弱 3. 链状 (Chain) 中间神经元多以此联系 1) 结构形式 : 一个神经元的轴突分支与多个神经元联系 ( 图 10-13)

193 2) 意义 : 扩大兴奋 ; 贮存信息 4. 环状 (Circuit) 中间神经元多以此联系 1) 结构形式 : 神经元间构成环路 ( 图 10-13) 2) 意义 : 由于环路联系中神经元的性质种类不同而表现出不同的效应 1 如果环路中神经元的生理效应一致, 兴奋通过环路传递将加强和延续, 因此它是正反馈和后发放的结构基础 ;2 如果环路中有些神经元是抑制性的, 则兴奋通过环路后活动将减弱或终止, 因而它也是负反馈的结构基础 图 10-13: 中枢神经元间的联络方式 ( 二 ) 单突触反射和多突触反射 1. 多突触反射 (Monosynaptic reflex) 传入神经元与传出神经元间只有一个突触的反射 ( 见图 10-14) 2. 多突触反射 (Polysynaptic reflex) 传入神经元与传出神经元间存在一个以上中间神经元参与的反射 ( 见图 10-15) 图 10-14: 腱反射 ( 单突触反射 ) 图 10-15: 疼痛反射 ( 双突触反射 ) ( 三 ) 局部回路神经元和局部神经元回路 (Local Circuit Neurons and Local Neuronal Circuit)CNS 内短轴突或无轴突的神经元间通过轴突和树突构成联系, 而不一定需要整个神经元参与, 即可进行整合活动 ; 与高级神经功能活动密切相关 ; 可形成传递信号的多种突触方式, 如串联性突触 混合性突触等 三 中枢兴奋中枢兴奋是怎样传递兴奋的呢? 已在突触 (EPSP) 中讲授过 ( 简要复习 ) AP 传至轴突末梢 前膜 PCa2+ Ca2+ 内流 释放兴奋性递质 通过间隙 与后膜受体结合 后膜 PNa+ PK+ PCl- ( 特别是 PNa+ ) 后膜去极化 EPSP 总和 ( 后一神经元 )AP 附 : 突触前易化 (presynapse facilitation)

194 突触前易化可以定义为相继的神经冲动触发突触前末梢递质释放量增加, 导致突触后电位幅值加大, 大体可以分为持续数百毫秒的初级易化和持续数毫秒的强直后电位可能的机制 : 某些因素 突触前 AP 时程 Ca2+ 内流增多 递质释放 去极化 EPSP 四 中枢抑制 ( 一 ) 概述如前所述, 中枢神经系统内存在着兴奋过程, 以及兴奋能从一个神经元传递到另一个神经元 那么, 是否也存在着相对应的抑制过程呢? 19 世纪中叶, 俄罗斯学者谢切诺夫提出了中枢抑制 (central inhibition) 的概念 他将食盐结晶作用于蛙的间脑部位, 观察到食盐刺激间脑能使脊髓支配的下肢屈肌反射明显延长, 说明高位中枢的兴奋能抑制低位中枢的反射活动 随后许多实验证明存在着中枢抑制 现在, 我们可以这样认为 :1 在任何反射活动中, 中枢内即有兴奋活动, 又有抑制活动, 且两者都是主动过程 ;2 在某一反射过程中, 某些其它反射则受受到抑制, 如进行吞咽反射时, 反射性地停止呼吸 因此, 由于有抑制的存在, 使反射活动能按一定顺序 一定强度地调节机体的活动, 从而使反射活动更加协调! 所以, 抑制和兴奋同等重要 根据中枢抑制产生机制的不同, 可分为突触前抑制和突触后抑制 ( 一 ) 突触后抑制 (postsynaptic inhibition) 1. 概念神经元信息传递过程中, 通过兴奋一个抑制性中间神经元释放抑制性递质, 而引起它的下一级神经元突触后膜产生 IPSP, 致使其活动发生的抑制 注意 : 一个兴奋性神经元, 不能直接抑制另一个神经元, 必须通过先兴奋抑制性中间神经元, 从而通过这个抑制性中间神经元来抑制其它神经元 根据抑制性中间神经元的功能和联系不同, 突触后抑制分为传入侧枝性抑制和回返性抑制两类 2. 传入侧枝性抑制 (afferent collateral inhibition) 1) 过程如图 乙, 传入纤维进入中枢后, 一方面兴奋与其直接相连的下一个神经元 ( 假定为伸肌运动神经元 ), 同时发出侧支兴奋抑制性中间神经元, 通过抑制性中间神经元来抑制屈肌运动神经元 其反射结果是伸肌收缩, 屈肌舒张 同理, 支配屈肌运动的神经元, 也可通过其传入侧支兴奋抑制性中间神经元, 从而抑制伸肌运动神经元 所以, 传入侧枝性抑制又称为交互抑制 (reciprocal inhibition). 图 10-16: 两类突触后抑制模式图 (2) 生理意义

195 使不同中枢之间的活动相协调 2. 回返性抑制 (recurrent inhibition) 1) 过程见图 甲, 某一中枢的神经元 (A) 兴奋时, 其传出冲动沿轴突外传, 同时又经轴突侧支兴奋另一抑制性中间神经元 (B), 后者 (B) 兴奋时, 经其轴突外传到与原来兴奋的运动神经元 (A) 构成的突触处, 释放抑制性递质, 使运动神经元 (A) 超极化 2) 生理意义 :1 使神经元活动及时终止 ;2 使同一中枢内各神经元同步活动 3) 临床意义脊髓前角支配骨骼肌运动的 α 神经元与闰绍氏细胞 (Renshow cell) 之间的关系, 就是这种典型例证 当 α 神经元兴奋时, 通过侧支使 Renshow cell 兴奋, 而 Renshow cell 的侧支又与 α 神经元构成了突触联系,Renshow cell 通过释放甘氨酸使 α 神经元超极化, 从而使反射活动及时终止 Renshow cell 释放的甘氨酸可被破伤风毒素破坏 Renshow cell 功能降低 降低回返性抑制 病人出现强烈痉挛 ( 二 ) 突触前抑制 (presynaptic inhibition) 1. 概念 : 抑制发生在突触前部位, 不改变突触后膜兴奋性而使 EPSP 受到抑制的方式 由于它的发生大多与轴突前末梢的持续去极化发生有关, 故又称去极化抑制 2. 过程 : 如图 所示, 三个神经元间形成轴 - 轴 - 胞体串联型突触 轴突 1 与运动神经元 3 形成兴奋性轴 - 胞体突触 ; 轴突 2( 中间性神经元 ) 与轴突 1 构成轴 - 轴突触 ( 也是兴奋性突触 ), 轴突 2 不与运动神经元 3 直接接触, 故不直接影响运动神经元 3 的活动 如果轴突 2 先兴奋, 一段时间后轴突 1 再传来兴奋, 此时, 轴突 1 兴奋所引起运动神经元 3 产生的 EPSP 比单独轴突 1 兴奋时所产生的 EPSP 小 由于产生的 EPSP 小, 不能在运动神经元 3 的始段爆发 AP 图 10-17: 突触前抑制 3. 原理因为 :⑴ 突触前膜末梢释放的递质与突触末梢的 AP 幅度有关, 即释放量 AP 的幅度 ;⑵AP 幅度的大小 膜电位的高低 (AP 幅度 =RP+ 超射值 ) 膜电位高,AP 幅度大, 递质释放多,EPSP 大 ; 膜电位低,AP 幅度小, 递质释放小,EPSP 低 因此, 轴突 2 兴奋 释放递质 轴突 1 兴奋 轴突 1 膜电位降低 ( 去极化,EPSP) 一段时间后轴突 1 再传来兴奋 轴突 1 AP 幅度 递质释放 兴奋所引起运动神经元 3 产生的 EPSP ( 不足以产生新的 AP) 4. 生理意义 1) 调节传入神经的活动 ( 选择性的信息传递 ) 2) 控制传入信息, 保证特异性传导 小结

196 表 10-2: 突触前抑制与突触后抑制的比较 第四节中枢神经系统的感觉分析功能 Process of Sensory Information in Central Nervous System 感觉是一种心理现象, 是客观世界的主观反映, 反以它是以生理过程为基础的 感觉的产生 :

197 图 10-18: 皮肤的感受器 一 脊髓与脑干感觉传导通路躯体与内脏的各种感受器冲动 ( 除视 听 嗅和味觉外 ), 均经脊髓上传至大脑皮层 ( 中央后回 ) ( 一 ) 传导通路 ( 共有四级神经元参与 ) 浅感觉 : 传导痛 温觉和轻触觉深感觉 : 深部压觉 肌肉本体觉和辨别觉 1. 浅感觉 : 一级神经元 : 脊髓神经节的假单极神经元 ; 二级神经元 : 脊髓后角 ; 三级神经元 : 丘脑 大脑后回 特点 : 先交叉再上行 ; 2. 深感觉 : 传入纤维入脊髓 ( 一级 ) 先在同侧后索上行 延髓薄束核和楔束核 ( 二级 ) 经内侧丘系至对侧丘脑 ( 三级 ) 特点 : 先上行 ( 延髓 ) 再交叉 触压觉 肌肉本体感觉 : Aβ 类纤维 温度觉 痛觉和触压觉 : Aδ 类纤维 温度觉 痛觉和触压觉 : C 类纤维 图 10-19: 脊髓与脑干传导通 ( 二 ) 临床意义

198 1. 脊髓半横切 ( 一侧脊髓损伤 ) 后的感觉障碍 : 横横切面以下 :1 对侧浅感觉消失 ;2 同侧深感觉消失 ;3 同侧运动障碍 2. 脊髓空洞症轻度 : 较易受损的是痛 温觉, 而轻触觉不受影响 ( 即痛温觉与触觉分离现象 ) 重度 : 双侧痛 温觉与触觉均障碍 二 丘脑及其投射系统 ( 一 ) 丘脑的功能在大脑皮层不发达的动物, 丘脑是感觉的高级中枢 ; 在人类, 丘脑也起了重要作用 1. 除嗅觉外, 各种感觉神经纤维换元的接替站 ; 2. 非条件反射的皮层下中枢 ; 3. 有两大投射系统, 与皮层的兴奋有关 ; 4. 与痛觉有关 ( 二 ) 核团丘脑完成上述功能, 靠许多神经细胞完成 根据我国著名的神经生理学家张香桐的意见, 丘脑的各种细胞群大致可分为三类 1. 感觉接替核 : 作用 : 接受特异性感觉纤维, 换元后投射至大脑皮层的特殊区域 ⑴ 后外侧腹核 : 躯干 四肢感觉 脊髓丘脑束 ( 浅 ) 内侧丘系( 深 ) 后外侧腹核 中央后回 ⑵ 后内侧腹核 : 头面部感觉 三叉丘系 后内侧腹核 中央后回 ⑶ 内侧膝状体 : 耳蜗 听神经 内侧膝状体 视皮层 ⑷ 外侧膝状体 : 视网膜 视神经 外侧膝状体 视皮层 图 10-20: 丘脑的核团 2. 联络核作用 : 起联络作用 ( 协调感觉在丘脑与大脑皮层之间的关系 ) ⑴ 丘脑前核 : 下丘脑乳头体 丘脑前核 扣回 ( 内脏感觉与调节 ) ⑵ 丘脑外侧核 : 小脑 苍白球 丘脑后腹核 丘脑外侧腹核 皮层运动区 ( 调节肌肉运动 ) ⑶ 丘脑枕 :

199 内 外侧膝状体 丘脑枕 顶 枕 颞叶中间联络区 ( 各种感觉联系 ) ⑷ 丘脑内侧核 : 同上 3. 中线核群 ( 髓板内核群 ) 包括 : 板内核 中央中核 束旁核 网状核和腹前核等通过多突触接替, 弥漫至大脑皮层广泛区域, 提高到层的兴奋性 ( 三 ) 丘脑的感觉投射系统 图 10-21: 感觉投射系统示意图 1. 特异性投射系统 (specific projection system) 1) 特点 :1 点对点的投射关系 ; 2 与皮层第 Ⅳ 细胞形成突触 ; 3 倒置分布 ; 4 投射面积与外周感受野有关 2) 功能 :1 产生特定感觉 ; 2 激发皮层发出冲动, 引发相应的反应 ( 骨骼肌活动 内脏反应和情绪反应 ) 2. 非特异性投射系统 (non-specific projection system) 1) 特点 :1 弥漫性投射到大脑皮层的广泛区域, 非点对点的投射关系 ; 2 与各皮层细胞形成突触 ; 3 引起锥体细胞去极化作用弱 2) 功能 : 改变大脑皮层兴奋状态, 维持觉醒 实验依据 :1 刺激猫脑干网状结构, 引起唤醒作用 ; 2 中断中脑头端网状结构, 引起昏睡 ; 3 巴比妥类安眠药作用 通过实验证明, 脑干网状结构中存在上行激动系统 ( 脑干结构上行激动系统 ascending reticular activating system), 通过上行非特异性投射系统来完成对大脑皮层的觉醒作用 表 3: 两大投射系统的比较

200 三 大脑皮层的感觉代表区 大脑皮层是感觉的最高中枢, 其功能定位即为感觉代表区 图 10-22: 不同感觉在大脑皮层的投射 ( 一 ) 结构特点 1. 神经元数量多, 联系复杂 ; 2. 皮层分 6 层 ; 3. 大脑皮层功能单位 功能柱 ( 由 6 层细胞纵行排列而成 ) 感觉柱 ( 运动 ): 主要在中央后 ( 前 ) 回 特点 :1 同一柱中神经元功能相同 ; 2 同一柱中联系环路只通过柱中几个神经元接替即可 ; 3 同一柱中是传入 传出整合信息的处理单位 ; 4 一柱兴奋, 相邻柱抑制 ( 兴奋 - 抑制镶嵌模式 ) ( 二 ) 皮层分区 1. Brodmann 分区 :

201 图 10-23: 人类大脑皮层分区 52 区 (1909 年 ), 见图 功能法分区 : 感觉区 运动区 联络区等 ( 三 ) 大脑皮层典型功能代表区方法 : 诱发电位测定法 ( 图 10-24) 图 10-24: 诱发电位图 1. 第一体表感觉区 : 中央后回 (3-1-2 区 ) 特点 :1 交叉投射, 但头部是双侧的 ; 2 倒置投射, 但头部是正立的 ; 3 投射范围与外周感受器的灵敏成正比关系 ( 有利进行精确的感觉分析 ); 4 对感觉有精细的分析功能, 能定位 5 感觉投射的差异性 ( 轻触觉主要在 3 区, 深感觉主要在 1 2 区 ) 2. 第二体表感觉区 :

202 图 10-25: 各种感觉在中央后的投射 位置 : 中央前回与岛叶之间特点 :1 比较原始, 仅对感觉作粗糙分析, 主要与痛觉有关 ; 2 双侧投射 ; 3 定位是正立的 ; 4 空间分布较小 3. 本体感觉代表区 : 中央前回 (4 区 ), 刺激该区, 引起企图发动肢体运动的主观感觉 特点 :1 接受骨骼肌 肌键和关节等处的深部感觉冲动 ; 2 空间分布同第一感觉区 ( 对侧 倒立等 ); 3 中央前回 ( 本体感觉 / 运动 ) 与中央后回 ( 感觉 ) 机能上密切联系 4. 内脏感觉区 : 分布广泛, 与第一 二感觉区有关 5. 听觉代表区 : 颞上回 颞横回 (41 42 区 ) 特点 : 双侧性 6 视觉代表区: 枕叶内侧 距状裂上 下缘枕叶感受野 ( 视网膜 ) 左侧左眼颞侧右眼鼻侧右侧右眼颞侧左眼鼻侧 距状裂感受野上缘上半视网膜下缘下半视网膜后部黄斑部前部周边部

203 图 10-26: 视觉传导通路及在大脑皮层的投射 四 躯体感觉和内脏感觉 图 10-27: 躯体各种感受器 ( 一 ) 触压觉 1. 感觉器 : 感受器点状分布, 四肢 尤其是手指较敏感 ; 2. 传导通路 : 通过后索与内侧丘系 前外侧系两条通路上行 ; 触觉与压觉为不同类型感觉, 前者为精细感觉 ( 二 ) 肌肉本体感觉 1. 本体感觉 ( 深部感觉 ): 包括位置觉和运动觉 ; 2. 感受器大部分为肌梭, 部分为关节及其周围的感受器, 以及触压觉感受器 ; 来自这些感受器的信息传入, 在大脑进行综合, 对躯体的空间位置形成一个清晰的图象, 从而感知躯体的空间位置 姿势 运动状态和方向 ( 三 ) 温度觉温度觉包括冷 热觉, 属浅感觉 ; 感受器呈点状分布, 不均, 冷感受器多于温感受器 ; ( 四 ) 痛觉 1. 概述 1) 疼痛 (pain) 概念 : 伤害刺激引起的不愉快的感觉体验, 常伴有情绪反应 植物神经反应和防御反应, 又称伤害感受 (nociception)

204 2) 意义 : 保护性反应 3) 痛觉感受器 ( 伤害感受器,nociceptor): 本质 : 游离神经末梢特性 : 无适宜刺激 4) 痛觉分类 : ⑴ 按性质 :1 快痛 : 产生快, 消失快, 定位精确, 感觉鲜明, 主由 Aδ 传导 2 慢痛 : 产生和消失慢, 定位不明确, 感觉不鲜明, 常伴有情绪和心血管 呼吸等内脏功能变化, 主由 C 类纤维传导 ⑵ 按部位 :1 浅表痛 ( 皮肤和粘膜 ),2 深部痛 ( 关节 内脏等 ) 2. 痛觉产生机制 1) 致痛物质 ( 图 10-28) 2) 痛的调节 ( 图 29) 3) 痛觉上传通路 ( 图 10-30) 图 10-28: 致痛物质图 10-29: 闸门学说图 10-30: 痛觉的上传通路 3. 内脏痛与牵涉痛 (visceral pain and referred pain) 1) 内脏痛特点 :1 属于慢痛 ( 缓慢 持久 定位不精确 对刺激分辩力差 )2 对切割 烧灼等致皮肤痛不敏感, 但对牵拉 缺血 痉挛等刺激激敏感 ;3 常伴有不安 甚至恐惧感 ; 4 常伴有牵涉痛 2) 牵涉痛 (referred pain): ⑴ 概念 : 内脏疾病常引起身体的体表部位发生疼痛或痛觉过敏的现象 ⑵ 常见的牵涉部位 : 表 10-4: 常见内脏疾病牵涉痛的部位和压痛区

205 ⑶ 机制 常用会聚学说 (convergence theory) 和易化学说来解释 (facilitation theory)( 见图 10-31) 图 10-31: 牵涉痛产生的示意图 A. 会聚易化说示意图 B. 会聚投射说示意图 第五节脑的电活动与觉醒 睡眠周期 Electric Activity of Brain Waking leep Cycle 一 皮层诱发电位 (evoked cortical potential) ( 一 ) 概念刺激感觉传入系统 皮层表面记录脑电变化 ( 二 ) 种类听觉诱发电位视觉诱发电位体感诱发电位 ( 三 ) 主要成分主反应和后发放 ( 四 ) 特性 1. 有一定的潜伏期 ; 2. 有一定的皮层空间分布 ; 3. 各种诱发电位的型式不同 ( 波型不同 ) 二 脑电图 electroencephalogram,eeg) ( 一 )EEG 的基本波形 1.α 波 :8-13Hz, 微伏 2.β 波 :14-30Hz,5-20 微伏 3.δ 波 :0.5-3Hz, 微伏 4.θ 波 :4-7Hz, 微伏 ( 见图 10-32)

206 图 10-32: 正常 ECG 的各种波 ( 二 )EEG 记录电极分布示意图 图 10-33:EEG 记录电极分布 ( 三 )EEG 形成机制 1.EEG 是皮层大量神经元突触后电位总和而形成的场电位 ; 2. 丘脑非特异性的投射系统是脑电活动形成的基础 三 觉醒与睡眠 ( 一 ) 觉醒 (wake) 1. 觉醒反应 : 脑电觉醒 : 行为觉醒 : 2. 觉醒维持的机制 : 1) 脑干网状结构 (Ach) 与中脑蓝斑 (NA) 与脑电觉醒 2) 中脑黑质 (DA) 与行为觉醒 ( 二 ) 睡眠 (sleep) 是对环境的认知并起反应能力失的一种复杂的 可逆的 循环的生理和行为过程 1. 睡眠两种时相及其生物学意义 :

207 1) 慢波睡眠 (slow wave sleep, SWS) 表现及特征 :1 感觉功能减退, 唤醒阈增高 ;2 骨骼肌反射活动及肌张力减弱, 无眼球快速运动, 故又称非快眼动睡眠 (non-rapid eye movement sleep,nrem);3 内脏活动大都降低, 但稳定 ;4EEG 呈示为慢波, 故又称为同步化睡眠 (synchronize sleep)5 做梦者少 ;6 生长激素分泌增加 生物学意义 : 机体生长, 体力恢复 2) 快波睡眠 (fast wave sleep,fws) 表现及特征 :1 感觉功能进一步减退, 唤醒阈更高 ;2 骨骼肌肌张力进一步减弱, 但可出现眼球快速运动, 故又称快眼动睡眠 (rapid eye movement sleep,rem);3 内脏活动进一步降低, 但可出现阵发性呼吸急促, 血压增高和四肢抽动 ;( 恶梦, 心绞痛, 哮喘等发病 ) 4EEG 呈示为快波, 又称去同步化睡眠 (desynchronize sleep), 或异相睡眠 ;5 做梦多在此时相 ;6 动物研究表明, 蛋白质合成增加, 新突触形成 生物学意义 :NS 发育, 学习记忆精力恢复不利作用 : 与疾病的发作有关 ( 因为阵发性发现心率加快与心绞痛的发生 阵发性呼吸加快与哮喘的发作有关 ) 生理状态下 :1 慢波睡眠快波睡眠慢波睡眠快波睡眠交替出现, 每晚转换 4-5 次 ; 2 慢波睡眠与快波睡眠均可觉醒, 但在生理状态下, 觉醒只能由慢波睡眠而来 2. 睡眠发生机制 : 1) 主动过程 :CNS 某些脑区发动, 上行抑制系统发动 2) 参与的神经递质 :5-HT(SWS,FWS) NA(FWS) 剥夺睡眠后将出现 : 免疫力 ; 情绪变化, 易激惹 ; 注意力, 运动技巧能力 等 图 10-34: 维持觉醒的联络通路 第六节 NS 对姿势和运动的调节 The Control of Posture and Locomotion 概述 躯体运动是人类生活的基本形式, 受控于中枢神经系统 运动是动物界最普遍的 并可作为其特征的一种功能 人在生活和劳动中所进行的各种形式的躯体运动, 都是以骨骼肌作为基础的 1. 运动和姿势是怎样引起的? CNS 运动神经元 骨骼肌收缩活动 运动和姿势形成 2. 运动是怎样协调的? 运动是骨骼肌舒缩的结果, 而肌群的协调性收缩, 依赖于 CNS 外周感受器( 特别是骨骼肌本体感受器 ) 信息传入 3. 运动的种类 1) 反射性运动 : 最简单和基本的运动, 由特异性的感觉刺激引起

208 2) 随意性运动 : 达到某一目的而进行的运动, 可由感觉刺激, 也可因主观愿意而引起 3) 节律性运动 ( 如呼吸 咀嚼 行走 ) 4. 骨骼肌肌纤维种类和本体感受器 ( 右图 ) 快肌纤维和慢肌纤维 : 运动和肌张力 ( 姿势 ) 本体感受器 : 肌梭 ( 并行排列 ) 和腱器官 ( 串行排列 ) 图 10-35: 本体感受器示意图 一 脊髓对躯体运动的调节 ( 一 ) 脊髓的运动神经元及运动单位脊髓是躯体体运动最基本的反射中枢 脊髓前角中有 α β γ 三类运动神经元, 它们的轴突经前根离开脊髓直达所支配的肌肉 α- 神经元大小不等, 可有几千个突触 α- 神经元即可接受来自皮肤 肌肉和关节等外周传入信息, 也可接受从脑干到大脑皮层各高级中枢下传的信息, 产生一定的反射活动 故 α- 神经元是脊髓反射的最后公路 (final common path) α- 神经元和其所支配的全部肌纤维所组成的功能单位, 称为运动单位 (motor unit) γ- 运动神经元胞体较小, 数量仅为 α- 神经元的 1/3 γ- 运动神经元兴奋性较高, 常以高频率持续放电 在安静和麻醉时 α- 神经元无放电, 一些 γ- 运动神经元也持续放电,γ- 运动神经元发出纤维支配梭内肌纤维, 从而调节肌梭对牵拉刺激的敏感性 ( 见下表 ) β 运动神经元支配梭内肌, 也支配梭外肌 表 10-5: 两类运动神经元比较 ( 二 ) 脊休克 (spinal shock) 为了研究脊髓在调节躯体运动中的作用, 需要消除脊髓以外的高级中枢对脊髓功能的影响

209 方法 : 脊髓与高位中枢之间切断 但脊髓与延髓间切断, 动物将出现呼吸停止 动物死亡 改进 : 颈脊髓第 5 节段以下横断, 保留膈神经, 以维持呼吸 这种脊髓与高位中枢离断的动物, 称为脊动物 1. 脊休克的概念与高位中枢离断后的脊髓, 在手术后 ( 暂时 ) 丧失一切反射活动的能力, 进入无反应的状态, 称为脊休克 2. 表现 ( 横断面以下 ) 1) 肌张力下降或消失 ; 2) 血压下降, 外周血管扩张 ; 3) 粪尿潴留 ; 4) 发汗反射不出现 ( 不出汗 ) 说明动物躯体与骨脏反射活动均减弱或消失 ( 能持续多久?) 3. 恢复脊休克发生后, 脊髓反射活动可逐渐恢复 ( 说明是暂时失去反应能力 ) 恢复的快慢与动物种类有关 ( 进化程度越高, 恢复越慢 ) 4. 产生原因 ( 机制 ) 突然失去高位中枢的易化作用 高位中枢的调节包括易化和抑制 脊休克的产生与恢复说明了什么问题? ( 三 ) 脊髓反射 (spinal reflex) 牵张反射 屈 ( 伸 ) 肌反射和节间反射 1. 屈肌反射和对侧伸肌反射 : 屈肌反射 (flexor reflex): 伤害性刺激刺激脊动物的皮肤时, 可引起受刺激侧肢体的屈肌反射性收缩 屈肌反射的强度与刺激的强度呈正相关 如果刺激强度足够大, 则出现对侧伸肌反射 (crossed extensor reflex): 在刺激同侧肢体发生屈肌反射的基础上, 出现对侧肢体伸直的反射性活动 生理意义 : 屈肌反射可使肢体脱离伤害, 具有保护意义 ; 对侧伸肌反射具有维持姿势的作用 临床上 : 锥体束或大脑皮层运动区障碍 巴彬斯基征 (Babinski Sign) 阳性 节间反射 (intersegmental reflex): 脊髓某节段神经元发出的轴突与邻近上下节段的神经元发生联系, 通过上下节段之间的神经元的协同活动所进行的一种反射活动 2. 牵张反射 (stretch reflex) 1) 概念 : 有神经支配的骨骼肌, 在受到外力牵张刺激时, 引起受牵拉的同一块肌肉收缩 2) 类型 :(1) 腱反射 ( 位相性牵张反射 )(tendon reflex)- 快速叩击肌腱引起肌肉收缩 (2) 肌紧张 ( 紧张性牵张反射 )(muscle tonus)- 重力牵拉引起肌肉抵抗性持续性收缩 3) 牵张反射的结构基础 : 感受器 : 肌梭与腱器官

210 图 10-36: 肌梭结构示意图 肌梭是一种感受牵拉刺激的特殊梭形感受装置, 长约几毫米, 外层为一层结缔组织囊, 肌梭囊内一般含有 2~12 根肌纤维, 称为梭内肌纤维, 而梭外的一般肌纤维就称为梭外肌 ( 见图 10-36) 整个肌梭与梭外肌平行, 肌梭内的收缩成分位于两端, 感受器装置位于中央, 当肌肉受到被动牵拉时, 感受器装置也受到牵拉而使传入冲动增加 ; 当梭内肌收缩时, 感受装置对牵拉刺激的敏感性增加, 传入冲动增加 肌梭 (muscle spindle): 感受肌肉长度 位置和收缩速度变化腱器官 (tendon organ): 感受强肌肉收缩或肌肉被过度拉长 传入神经 :Ⅰa ( 袋 链 ) Ⅱ( 链 ) 反射中枢 : 腱反射 : 脊髓相应节段前角 α 神经元 ( 单突触 ) 肌紧张 : 中间神经元与前角 α 神经元 ( 多突触 ) 如 : 膝反射 :L2-4 二 ( 三 ) 头肌反射 :C5-6 (C7-8) 传出神经 :α 传出纤维 ( α1 时相型 α2 紧张型 ) 效应器 : 梭外肌 ( 快肌和慢肌 ) ( 腱器官传入神经为 Ⅰb; 抑制前角 α 运动神经元 ) 图 10-37: 牵张反射弧 表 :10-6 肌梭与腱器官的比较

211 二 脑干对肌紧张和姿势的调节 ( 一 ) 脑干网状结构对肌紧张的调节脑干网状结构对肌紧张的调节具有完全相反的两种方式 1. 易化区电刺激该区域增强肌紧张和肌运动 机制 : 通过兴奋网状脊髓束, 兴奋脊髓的 α- 和 γ- 运动神经元 2. 抑制区电刺激该区域肌紧张和肌运动机制 : 无内源性活动, 依赖高级中枢的活动 ( 二 ) 去大脑僵直 1. 实验 : 在动物中脑四叠体 ( 上 下丘间 ) 间横断脑干 去大脑僵直 (decerebrate rigidity) 表现 : 全身抗重力肌群发生过强收缩 2. 发生原因 ( 机制 ): 正常时 : 上位中枢 ( 大脑皮层 基底神经节 小脑 前庭核等 ) 通过脑干网状结构 ( 易化区和抑制区 ) 对前角运动神经元施加影响, 使屈肌与伸肌的肌紧张度保持平衡 损伤后 : 易化区作用 > 抑制区的作用 ; 牵张反射增强伸肌是抗重力肌, 正常情况下反射活动强于屈肌伸肌 > 屈肌 ( 牵张反射 ) 3. 本质 : 伸肌的牵张反射增强 ( 同时存在 α- 和 γ 僵直 ) α- 僵直 (α-rigidity): 高位中枢的下行作用, 直接或间接通过脊髓中间神经元提高 α 运动神经元的活动而出现的僵直 γ 僵直 (γ-rigidity): 高位中枢的下行作用, 首先提高 γ 运动神经元的活动, 使肌梭的传入冲动增加, 转而增强 α 运动神经元的活动而出现的僵直 ( 见图 10-38)

212 图 10-38:γ 环路示意图 ( 二 ) 脑干对姿势的调节 CNS 通过引起骨骼肌的运动和调节其紧张度, 形成特定的姿势 正常的姿势是人体直立和平衡的基础, 也为随意运动的产生提供稳定的背景姿势反射包括 : 状态反射 翻正反射 直线和旋转变速反射 状态反射 : 包括迷路紧张反射和颈紧张反射 ( 见图 10-39) 图 39: 颈紧张反射示意图 三 小脑对躯体运动的调节 ( 一 ) 结构 见图 10-40

213 图 10-40: 小脑的功能分区示意 ( 二 ) 功能 1. 前庭小脑 (vestibulocerebellum) 1) 主要的联系 2) 功能 : 维持身体姿势平衡损伤后主要表现 : 平衡失调 2. 脊髓小脑 (spinocerebellum) 1) 包括 : 前叶 后叶中间带区 2) 功能 : 调节肌张力抑制区 : 前叶蚓部 ( 对侧, 倒置关系 ) 易化区 : 前叶两侧部 ( 对侧, 倒置关系 ) 后叶中间带 ( 双侧 ) 人类以易化为主 3) 受损后表现 (1) 肌张力变化 ( 人类为降低 ); (2) 小脑性共济失调 ( 方向 力量 范围 ); (3) 意向性震颤 (intention tremor): 受害动物或患者不能完成精巧动作, 肌肉在完成动作时抖动而把握不住动作的方向 3. 皮层小脑 (cerebrocerebellum) 1) 结构 : 后叶的外侧部 2) 主要参与精细运动 ( 技巧性运动 ) 的编程及协调 ( 见图 10-41)

214 图 10-41: 产生协调随意运动的示意图 四 基底神经节对躯体运动的调节㈠结构及其纤维联系主要包括新纹状体 ( 尾状核和壳核 ) 旧纹状体( 苍白球 ) 丘脑底核黑质和红核 纤维联系见图 图 10-42: 基底神经节的主要神经联系 ㈡功能 1. 参与随意运动的产生和稳定 ; 2. 参与肌紧张的调节 ; 参与本体感受器传入信息的处理 ㈢与基底神经节有关的疾病 1. 运动过少而肌紧张过强 ( 震颤麻痹 ); 震颤麻痹 (Paralysis agitons), 也称帕金森氏病 (Parkinson s disease) 1) 症状 : 肌肉强直 随意运动减少 动作缓慢 面部表情呆板 静止性震颤 2) 病变部位 : 中脑黑质 3) 可能机理 : 黑质的 DA 递质系统功能不足, 纹状体的 Ach 递质系统功能亢进 ; 丘脑外侧腹核功能异常 4) 治疗机制左旋多巴,M-R 拮抗剂,5- 羟色胺酸及手术切除苍白球 2. 运动过多而肌紧张不全

215 舞蹈病 (Chorea), 也称亨延顿病 病变部位 : 新 旧纹状体病变 ( 神经元变性 ) 症状 : 不自主的上肢和头部的舞蹈样动作, 肌张力降低 3) 治疗机制 : 利血平可缓解症状 ( 为什么?) 四 大脑皮层对躯体运动的调节大脑皮层是感觉 运动和植物神经的最高级中枢 作用 : 调节肌紧张 发动和调节各种随意运动 ( 一 ) 大脑皮层的主要运动区 1. 主要运动区 : 中央前回和运动前区 (4 区 6 区 ) ( 图 10-43) 图 10-43: 中央前回运动皮层对身体各部分运动控制的分布规律示意图 特征 :1 基本交叉, 但头面部大多为双侧支配 ( 面 舌肌除外 ); 2 基本倒置, 但头面部是正立的 ; 3 机能定位相当精确 ; 4 投射范围与运动的灵敏性成正比 2. 其它运动区 : 运动辅助区 : 双侧 粗糙体表感觉区 : 其它感觉区 : 视皮层 ( 二 ) 运动传导通路 1. 主要的传导路 ( 锥体系 ): 作用 : 发动随意运动, 多为交叉性支配, 主要控制 α- 运动神经元, 控制精细 技巧运动 ⑴ 皮层脊髓束 : 皮层脊髓侧束 (80%): 延髓锥体交叉, 支配四肢远端肌肉, 主要参与精细的 技巧性运动, 进化新 皮层脊髓前束 (20%): 不交叉, 支配四肢近端肌肉及躯干肌肉, 主要参与姿势维持和粗大运动 ⑵ 皮层脑干束 : 2. 经 ( 源自 ) 皮层下性传导路 ( 锥体外系 ): 作用 : 主要协调肌群间运动, 调节肌张力 ( 姿势 ); 配合锥体系完成各种精细运动 ; 完成某些节律性和习惯性动作 特点 : 多为双侧控制, 主要作用于 γ- 运动神经元包括 :(1) 顶盖 ( 网状 前庭 ) 脊髓束,(2) 红核脊髓束可调节精细运动 ( 三 ) 功能

216 1. 参与随意运动的产生和稳定 ; 2. 参与肌紧张的调节 ; 3. 参与本体感受器传入信息的处理 ( 四 ) 运动神经元和运动传导通路受损后表现 1. 瘫痪 ( 麻痹 )- 随意运动丧失 ; 2. 软痪 - 肌张力, 腱反射消失或减弱, 肌肉萎缩等 3. 硬痪 - 肌张力, 腱反射亢进, 出现病理征 ( 如巴彬氏征 ) 等 ( 主要皮层脊髓侧束损伤 ) 表 10-7 上运动神经元与下运动神经元损伤后的区别 第七节神经系统对内脏活动的调节 一 植物 NS 概述 ( 一 ) 概念指支配内脏器官的传出神经, 不包括传入神经 因内脏活动不受意志控制, 故又称为自主 NS 图 10-44: 植物神经分布示意图 ( 二 ) 结构特征 ⒈ 中枢 神经节 ( 节前纤维 ) 效应器 ( 节后纤维 ); ⒉ 节前纤维 :B 类 ( 直径较大, 传速较快, 多有髓鞘 ) 节后纤维 :C 类 ( 直径较小, 传速较慢, 无髓鞘 )

217 ⒊ 主要支配平滑肌 心肌和腺体 ; ⒋ 到达效应器前形成神经丛, 攀附内脏 ( 三 ) 植物 NS 与运动 NS 比较 表 10-8: 植物 NS 与运动 NS 比较 ( 四 ) 交感与副交感的区别 表 10-9: 交感与副交感的区别 ( 五 ) 植物 NS 的功能 1. 主要功能 : 调节心肌 平滑肌和腺体 ( 消化腺 汗腺 部分内分泌腺 ) 的活动 2. 功能特点 : 1) 对同一效应器的双重支配 : 除汗腺 竖毛肌 肾上腺髓质仅受交感神经支配外, 其余脏器均受双重支配 大多情况下为拮抗作用, 但作用也有一致性 ( 如唾液分泌 ) 2) 紧张性支配 : 外周感受器传入信息 CNS 紧张性活动 紧张性支配 3) 中枢间的交互抑制 : 如心交感与心迷走 4) 效应器所处的功能状态的影响 : 交感神经对子宫的影响 ( 有孕收缩, 无孕舒张 )

218 5) 对整体生理功能调节的意义 : 交感神经自稳定性作用 : 环境急剧变化时活动增加, 动员体内许多脏器的潜在能力, 维持内环境稳定 如应急反应和应激反应 副交感神经贮能作用 : 安静时活动增加, 以促进消化 加强排泄 聚集能量, 利于生殖 机体休整恢复等 如迷走 胰岛素系统二 CNS 各级水平对内脏活动的调节㈠脊髓 ( 初级中枢 ) 有一定的调节作用, 但调节能力差 为所有交感 部分副交感神经的发源地可完成下列反射 : 1 血管张力反射 ; 2 勃起反射 ; 3 排尿 排便反射 ; 4 发汗反射 ㈡脑干 1. 延髓 ( 生命基本中枢 ): 心血管反射中枢 ; 呼吸节律中枢 ; 吞咽 呕吐 唾液分泌反射中枢肾上腺髓质反射性分泌中心 2. 脑桥呼吸调整中枢 3. 中脑瞳孔对光反射中枢另外膀胱收缩 皮肤电反应的调节㈢下丘脑分为视前区 视上区 漏斗区和乳头体区 1. 体温调节 : 体温调定点 : 视前区 - 下丘脑前区 ( 冷 热敏神经元 )( 见能量代谢与体温章 ) 2. 水 电解质平衡管理视上核 室旁核, 存在渗透压感受器 (brain osmoreceptor), 调节 ADH 的分泌 尿崩症 : 尿量可多达 20L/D, 口渴和饮水多, 低比重尿 ( 见尿的生成和排出章 ) 3. 对摄食行为的影响 : 饱中枢 (satiety center) 与摄食中枢 (feeding center). 4. 对腺垂体激素分泌的调节下丘脑促垂体区 : 分泌多肽类激素 - 下丘脑调节肽 (hypothalamus regulatory peptide)( 见内分泌与生殖章 ) 5. 对情绪反应的影响下丘脑参与发动和整合伴随情绪而出现的自主性活动和躯体性活动 愤怒区 : 穹窿周围区 下丘脑腹内侧核及周围区假怒 (sham rage): 刺激猫上述区域 ( 在去大脑动物更易出现 ), 出现张牙舞爪 吼叫咆哮 瞳孔扩大 毛发竖立 挣扎 呼吸增快 血压增高, 甚至寻找 敌手, 扑咬人 逃避区 : 6. 对生殖和性行为的影响 : 乳头体核 : 发情与性行为其它区域 : 7. 对生物节律的控制

219 生物节律 (biorhythm): 机体内的各种活动按一定的时间顺序发生变化, 这种变化的节律称为生物节律 高频 : 周期低于一天, 如心动周期与呼吸周期 ; 中频 ( 日周期 ): 如睡眠与觉醒 体温周期等 ; 低频 : 周期长于一天, 如月经周期 部位 : 视交叉上核 ( 四 ) 大脑皮层 1. 新皮层 :4 区 6 区 8 区与此 19 区 2. 边缘叶与边缘系统 : 功能 : 参与情绪反应 摄食行为 学习与记忆 觉醒与睡眠 植物神经性功能的调节 边缘系统的活动大致有两方面 : 维持个体生存的反应 : 摄食与防御维持种系生存的反应 : 生殖与性行为三 本能行为和情绪反应的神经基础 ( 自学 ) 本能行为 : 摄食 防御及种族延伸情绪反应 : 心理活动伴有的生理反应㈠本能行为的调节 : 1. 摄食行为的调节 2. 性行为的调节㈡情绪反应的调节 : 1. 恐惧和发怒 : 2. 动机 : 奖赏与惩罚四 NS 对内分泌和免疫的调节 ( 自学 ) 第八节脑的高级功能 一 学习和记忆学习 (learning): 人和动物不断地接受环境变化而获得新的行为习惯 ( 或经验 ) 的过程 ( 获得外界信息的神经过程 ) 记忆 (memory): 将获得的行为习惯或经验贮存一定时期的能力, 也可以说是经验的保存与再现 ( 信息的贮存和读出的神经过程 ) ㈠学习的形式 1. 非联合型学习 (nonassociative learing): 习惯化 (habituation) 敏感化 (Sensitization): 通过习惯化, 可以学会去除许多无意义的信息应答 ; 敏感化有利于人和动物注意伤害性刺激 2. 联合型学习 (associative learing): ⑴ 经典条件反射 ( 被动式条件反射 ): 非条件刺激 : 如食物 伤害电刺激无关刺激 : 如铃声 灯光强化 (reinforcement): 无关刺激与非条件刺激在时间上的结合过程 ⑵ 操作式条件反射 (operant conditioning)( 主动式条件反射 ): 奖赏性惩罚性㈡条件反射活动的基本规律 ⒈ 形成的基本条件 : 机体状态 : 健康 反应状态良好

220 强化 ⒉ 条件反射的泛化 分化及消退 : ⒊ 人类的条件反射 :( 语词可建立 ) ⒋ 两种信号系统 : 第一信号与第一信号系统 (first signal system): 具体的信号及相关的神经结构第二信号与第二信号系统 (second signal system): 抽象的信号及相关的神经结构两种信号系统的意义 : ( 三 ) 记忆的过程 1. 记忆的分类 : 1) 依形成机制及保持时间长短分为 : 短时记忆和长时记忆 (1) 短时记忆 (short term memory): 贮存的信息保持可读出的时间范围为几秒至数分钟 分类 : 感觉性记忆和第一级记忆特点 :1 信息贮存量有限 (7±2 个项目 );2 容易受损害 : 昏迷 脑缺氧 深度麻醉 电休克 ;3 可通过巩固转为长时记忆 (2) 长时记忆 (long short term memory): 信息贮存的时间可达数小时 数天 数年甚至终身分类 : 第二级记忆 第三级记忆特点 :1 容量无限 ;2 不易受影响 : 如麻醉 休克等 ;3 一旦形成, 不易遗忘 2) 根据信息贮存和回忆的方式分为 :⑴ 陈述性记忆 ;⑵ 程序性记忆 2. 记忆的过程包括 : 获得 贮存与巩固 再现和读出三个过程 图 10-45: 记忆分级模式 ( 四 ) 遗忘 (amnesia)( 记忆障碍 ) 部分或完全失去回忆和再认的能力 1. 顺行性遗忘多见于慢性酒精中毒 ; 不能保留新近获得的信息 ; 机制 : 第一级记忆向第二级记忆转化障碍 2. 逆行性遗忘多见于脑震荡, 麻醉, 电休克等 ; 事件发生前的一段记忆丧失 ; 机制 : 第二级记忆发生障碍 ( 五 ) 学习和记忆的机制 1. 脑功能定位专一区域? 或多个区域联合? 有关区域 : 大脑皮层联络区 海马及其周围区 丘脑及脑干网状结构

221 海马环路 (hippocampal circuit) 与近期记忆 : 海马 穹窿 下丘脑乳头体 丘脑前核 扣带回 海马 2. 学习和记忆的机制感觉性记忆 : 神经元活动后放电第一级记忆 : 神经环路 ( 海马环路 ) 活动第二级记忆 : 脑内神经元蛋白合成第三级记忆 : 脑内神经元间新的突触形成㈠两侧大脑皮层功能的相关二 大脑皮层的语言中枢㈠两侧大脑皮层功能的相关胼胝体作用㈡大脑皮层功能的一侧优势左右半球的不对称性 : 一侧优势 : 左 : 语言功能右 : 空间辨认 深度知觉 触觉 音乐欣赏优势半球 (domain cerebral hemisphere): 在语言活动功能上占优势的半球 ( 三 ) 大脑皮层的语言中枢 表 10-10: 大脑皮层的语言中枢及损伤后的表现 复习思考题 1. 神经胶质细胞有什么生理功能? 如何理解它们在对神经细胞保护中所起的作用? 2. 如何理解中枢抑制的生理作用与临床意义? 3. 根据你已掌握的神经递质与受体的知识, 怎样来制定治疗运动障碍性疾病 ( 如帕金森氏病 ) 的计划? 4. 根据 LTP 产生的分子机制, 你认为人的记忆容量是否为有限的? 5. 在中枢神经系统内, 神经元之间的联络方式有哪些, 有何生理意义? 6. 何谓内脏痛, 它有什么特征? 牵涉痛发生的机制是什么? 了解它有什么临床意义? 7. 何谓脊休克? 它的主要表现和发生机理是什么? 8. 学习神经系统后, 对你最大的帮助或启迪是什么?

222 精品课程生理学教案 第十一章内分泌 (endocrine) [ 教学目的与要求 ] 掌握内分泌系统的概念, 内分泌系统在调节主要生理过程中的作用及机理 内分泌系统与神经系统的紧密联系, 相互作用, 相互配合的关系 下丘脑 脑垂体 甲状腺 甲状旁腺 肾上腺 胰腺等的内分泌功能及其调节 熟悉信号转导机制及其新进展, 了解糖皮质激素作用机制的有关进展 [ 重点 ] 1. 下丘脑 - 垂体的功能单位, 下丘脑调节肽 2. 腺垂体激素的生物学作用及调节 3. 甲状腺的功能 作用机理及调节 4. 肾上腺皮质激素的作用及调节 [ 难点 ] 细胞内信号转导 重要激素的作用机制与调控 [ 学时 ] 6-8 学时 [ 教具 ] 多媒体幻灯片 [ 授课对象 ] 医学五年制 [ 教材 ] 姚泰主编, 生理学( 第五版 ), 人民卫生出版社,2000 案例 1: 某患者, 男性,40 岁, 出现多食 消瘦, 查尿糖阳性, 血糖升高, 就你所学知识, 该患者可能患有何种疾病, 如何进一步诊断, 说明其治疗原则 案例 2: 一 36 岁女性患者诉说出现阵发性头晕 眼花和无力, 这种情况一般在饱食之后发作, 且吃糖或果汁即可防止 发作持续约 10 分钟, 每次发作后, 感觉饥饿和疲劳 记忆模糊 最近发作愈来愈频繁 自诉体重在 2 年内增加了 20Kg, 体查除轻度肥胖外未见其它异常, 空腹血糖 2.1 mmol/l, 而症状发作时血糖为 1.1mol/L 最后确诊为胰岛素瘤被切除, 并切除了 90% 的胰腺 1. 如何解释病人的症状? 2. 为什么病人出现肥胖? 3. 切除 90% 的胰腺将会出现何种消化问题?

223 人体功能活动受两大生物信息系统 :Nerveous system 和 Endocrine system: hormone 第一节概述 (overview) hormone: 内分泌细胞分泌的高效能的能起调节作用的生物活性物质, 内分泌系统 : 1. 细胞集中 : 内分泌腺, 如 : 甲状腺 2. 散在分布 : 胃肠激素 EPO 等 ( 区别内分泌和外分泌 ) 一 体内重要的内分泌腺及其分泌激素 pituitary gland 腺垂体 thyroid gland 甲状腺 parathyroid gland 甲状旁腺 adrenal gland 肾上腺 pancreatic islet 胰岛 gonads( 性腺 ): ovary: 卵巢 testes: 睾丸 placenta: 胎盘 ( 妊娠 ) ( 一 ) 垂体 (hypophysis) : 直径 1cm 重量 g 前叶 ( 腺垂体 ): 合成 分泌 7 种激素 1.GH( 生长激素 ) 2.ACTH 3.TSH ( 促甲状腺激素 ) 4. 促性腺激素 ( 黄体生成素 卵泡刺激素 ) 5.PRL( 催乳素 )

224 6.MSH( 促黑素 ) 后叶 ( 神经垂体 ): 分泌抗利尿激素 (ADH) 催产素 ( 二 ) 甲状腺 1. 甲状腺激素 ( 后述 ) 2. 降钙素 (calcitonin,ct): 甲状腺 C 细胞 (clear cell,c 细胞, 或滤泡旁细胞 ) 作用 : 血 Ca2+ (1) 骨中 Ca2+ 的沉积 破骨细胞的活动 骨 Ca2+ 的释放 (2) 抑制肾小管对 Ca2+ P 的重吸收 ( 三 ) 甲状旁腺甲状旁腺合成与分泌甲状旁腺激素 (parathyroid hormone,pth) 作用 : 血钙 血磷 (1) 通过快速效应 延缓效应 骨中 Ca2+ 释放 (2) 肾远球小管对 Ca2+ 的重吸收, 血 Ca2+, 抑制肾近球小管对 P 的重吸收, 血 P (3) 肠道吸收 Ca2+, 皮肤 7- 脱氢胆固醇紫外线 VitD3 1- 羟化酶 25(OH)VitD3 PTH 激活 1- 羟化酶 1,25(OH)2VitD3, ( 促进肠道吸收 Ca2+) PTH 下降 : 甲状旁腺功能减退甲状腺手术切除时误切甲状旁腺血 Ca2+ N-M 兴奋性, 可能是 Ca2+ 与 Na+ 内流的拮抗作用, 低 Ca2+ 时, 内流 Na+ 兴奋性, 出现 : 抽搐, 呼吸痉挛举例 PHT 过高 ( 甲状旁腺功能亢进 ) 血钙上升, 血磷下降 肾结石 长期血钙增加 : 可刺激胃壁细胞分泌 HCl 增加 胃溃疡 PTH 可调节血钙浓度,PTH 分泌表现出明显的昼夜规律,6AM 最高,4pm 最低 而 PTH 主要受血钙浓度的调节, 血钙浓度降低是引起 PTH 分泌的唯一刺激, 血钙浓度升高负反馈抑制 PTH 骨钙素 (osteocalcin,49 AA) ( r - 羧基谷氨酸蛋白或谷依赖 VitK 蛋白 )) 由成骨细胞合成并分泌到骨基质中, 是骨基质中含量最丰富的非胶原蛋白, 能与钙结合作用 : 调节和维持骨钙 总结 : 调节血钙 : 骨 CT, 骨钙素 肾 PTH Ca2+

225 肠道 1,25(OH)2VitD3 ( 四 ) 肾上腺 (adrenal gland) 髓质 :Adr,NE, 肾上腺髓质素 皮质 :cortisol,ads,sexual hormonermone ( 五 ) 胰岛 (pancreatic islet ) 1.A 细胞 : 占胰岛内分泌细胞的 20% 分泌胰高血糖素 (glucagon): 糖原分解, 糖异生 血糖 2.B 细胞 : 占 60~70% 分泌胰岛素 (insulin), 作用 : 1 促进葡萄糖进入细胞合成糖原, 血糖, 称为储存营养的激素调节血糖最主要的激素 questions 1: 糖尿病人尿量有何改变, 为什幺? questions 2: 切除胰岛素的病人, 尿量有何改变? questions 3:iv 20% glucose 50ml, 尿量有何改变, 为什幺? 2 促进脂肪 蛋白质合成, 抑制脂肪分解 蛋白质分解, 是蛋白质合成必不可少的激素 按引起效应的时间顺序 : 急速作用 (rapid action): 以秒计 G,AA,K+ 向细胞内转运快速作用 (intermediate action): 以分计促进蛋白质合成, 糖原合成延缓 (delayed action): 以时计经 mrna 脂肪合成过程 Regulation:

226 图 1. 经典激素的调控 ( 以胰岛素为例 ) 代谢水平 ( 血糖, 精氨酸 赖氨酸 ) ( 口服氨基酸查血中胰岛素水平, 胰岛 B 细胞功能检测指标 ) 神经调节 : 迷走 N 促进 insulin 分泌 (ACh, 胃肠激素 ) 交感 N 抑制 insulin 其它激素的调节 : 促胃液素 胰泌素 CCK 抑胃肽直接促 insulin 分泌生长激素 皮质醇等因升糖间接促 insulin 分泌 3.D 细胞 : 占 1~8% 分泌生长抑素 (somatostatin), 通过旁分泌抑制其它 3 种细胞的活动 抑制生长激素分泌过多抑制 β 胰岛素 治疗胰岛素瘤抑制 A 细胞抑制 PP 细胞 4. PP 细胞 :(pancreatic polypeptide, 胰多肽 ) 主要作用是减慢食物的吸收过程 ( 六 ) gonads( 性腺 ): ovary( 卵巢 ): 雌激素 孕激素 少量雄激素 testes( 睾丸 ): 睾酮等 placenta( 胎盘 ): 雌激素 hcg 等 ( 七 ) 其它内分泌细胞胃肠粘膜 胃肠激素心 心房肽等 ( 利尿 扩血管 降压 ) 肾脏 EPO 总之, 激素的作用 : 1 调节三大物质代谢和水盐代谢 2 促进生长 发育, 影响衰老 3 影响 CNS 及生育 ( 生殖器官的发育与成熟 ) 4 使机体更好的适应环境 so 这些激素是如何转运到靶细胞的呢? 二 激素的转运方式

227 1. 远距分泌 (telecrine): 内分泌细胞 (Hormone) 血 target cells 腺垂体 TSH 血甲状腺 2. 旁分泌 (paracrine): Hormone 组织液邻近细胞如胃粘膜 D 细胞 G 细胞生长抑素使 GAS( 胃秘素 ) 生长抑素可治疗胃泌素瘤 3. 神经分泌 (neurohormone): 下丘脑具有内分泌功能的 NC 分泌的激素, 延轴浆运输末梢分泌 4. 自分泌 (autocrine): 内分泌细胞分泌的激素在局部扩散后又作用与该内分泌细胞 5. 腔分泌 (channelcrine): 胃肠激素进入胃肠腔内起作用 三 激素作用的一般特点 1 1. 信息传递作用下丘脑 2. 相对特异性 CRH 0.1μg 3. 高效能生物放大作用 ( 细胞内酶促放大作用 ) 腺垂体 ACTH 1μg 糖皮质激素 40μg

228 图 3. 激素高效能生物放大作用 4. 相互作用 激素的相互作用 : Multiple Hormones Can Affect a Single Target Simultaneously Three types of hormone interactions: Synergism Permissiveness Antagonism

229 图 4. 激素的协同作用 permissive action: example: 糖皮质激素不能直接收缩血管平滑肌, 但可以增强 NE 的缩血管作用 其机制与 靶细胞上另一种受体 ( 去甲肾 ) 的数量有关 受体数量及调节受体介导的细胞内信息传递过程 Antagonism: Hormone B diminishes the effect of hormone A Example: Glucagon (and?) vs. Insulin Hormone Antagonists and Cancer: Tamoxifen 四 激素的分类 1. 含氮激素 : 1 肽类激素和蛋白质激素如 : 下丘脑调节肽甲状旁腺 2 胺类激素 : Adr(E) NE T3 T4 3 脂类激素 : 包括类固醇类 固醇类激素 脂肪酸衍生物等 2. 类固醇 ( 卵巢 ) 激素 : 1 糖皮质激素 2 盐皮质激素 3 性激素 ( 孕激素 雌激素 雄激素 ) 3. 类固醇类激素 :1,25(OH)2VitD3 有人将脂肪酸衍生物 SPG TX LT 称为第三类激素 五 激素的作用机制

230 ( 一 ) G 蛋白偶联受体途径 1. 第二信使学说 :(the theory of second messengers) 第一信使 (first messenger): 把某种调节信息由内分泌细胞带到靶细胞的使者 第二信使 (second messenger): 将第一信使传递到细胞的信息由细胞表面再传递给细胞内的特定结构, 产生生理效应的细胞内信使 ; 或担负细胞内信息传递, 实现激素作用的使者 细胞位于细胞膜外表面,AC 位于胞浆面,H+R 如何激活 AC 呢? (1977 年 Kimura) 膜 AC+ 高度提纯 ATP Mg2+ 混合,AC 活性很低 ATP 很难生成 camp AC 活性 表明 AC 活性需要 GTP 参与 此后进一步研究表明 : 光有 GTP 不够, 还需膜上的 GTP 结合蛋白 (G 蛋白 ) 参与 鸟苷酸结合蛋白 G 蛋白 (αβγ) 三亚单位 α 亚单位有与鸟苷酸结合位点

231 图 6. G 蛋白耦联受体途径 2 第二信使学说的发展 : 通过第二信使升高或降低发挥作用 第二信使的多样性

232 除以上介绍的 camp Ca2+ IP3 DG 可作为第二信使外, 还有 cgmp 及 PG. ( 二 ) 类固醇类激素 (SH) 的作用机制 胞内受体的介导机制 SH 分子量小 脂溶性 易透过细胞膜 图 8. 胞内受体的介导机制 糖皮质激素有 : 胞浆受体 核内受体 雌激素 孕激素 雄激素 醛固酮均有核受体 位于靶细胞的 SH 核受体主要有 3 个功能结构域 : ⑴ 激素结合结构域 ⑵DNA 结合结构域 ⑶ 转录增强结构域 应激时,HSP 合成增加 一般情况下,SHR 与分子量为 90KD 的类蛋白质结合 ( 结构性 HSP 诱生性 HSP( 热休克蛋白 )) HSP90+SHR: 1) 有助于 SHR+SH 结合 2) 遮盖 SHR 与 DNA 的结合部分 SH 借助胞浆受体或 NO 入核内与 SHR-SHP90 中 SHR 结合, 同时释放 SHSP90 暴露出 SH 结合的位点, 和 DNA 结合结构域 SH-SHR-DNA 特殊 mrna 新的蛋白质发挥作用. 如 : 醛固酮即这样发生作用

233 ( 三 ) 核内第三信使学说 - 原癌基因表达学说原癌基因 (proto-oncogene): 广泛存在于真核基因组的正常基因, 参与正常生长 分化 表达产物, 调节细胞内信息传递过程 因其与致瘤病毒基因的碱基对相同, 突变后可致癌, 故名 原癌基因是一个超家族, 至少有 30 多种, 其中 c-fos,c-jun 研究最多 c-fos 定位于人体染色体 14q21-31(14 号染色体长臂 2 区 1 带 -3 区 1 带 ) 过程 : ST 激活受体 激活第二信使 第二信使进入核内 诱导 c-jun,c-fos 基因转录 mrna 在胞浆内表达产物 fos,jun fos,jun 进入核内形成二聚体, 与目的基因内 AP-1(activator protein-1) 调节位点结合 促进目的基因表达 对刺激作出反应 由于 c-fos,c-jun 是第二信使与目的基因的传递中间物, 称为第三信使 (third messenger) 六 细胞信号转导的主要途径 ( 一 )G 蛋白介导的细胞信号转导途径 : 第二信使学说

234 图 10. 细胞信号转导途径 1. AC-cAMP-PKA: 经典第二信使学说 2.(PLC)-IP3: 钙调蛋白激酶途径

235 图 11. (PLC)-IP3: 钙调蛋白激酶途径 3. DG-PKC 途径 ( 二 ) 酪氨酸蛋白激酶介导的信号转导途径 ( 不需 G 蛋白的参与 ) 1. 受体酪氨酸蛋白激酶途径 : 1 经 Ras 蛋白基因激活撕裂原活化蛋白激酶 (MAPK) ras MAPKKK MAPKK MAPK 转录因子 2 经 PLCγ 激活 PKC 3 激活磷脂酰肌醇 3 激酶 2. 非受体酪氨酸蛋白激酶信号转导途径 3. 鸟苷酸环化酶信号转导途径 ( 不需 G 蛋白的参与 ): 4. 核受体及其信号转导途径 : 基因表达学说 第二节下丘脑与垂体的内分泌功能

236 一. 下丘脑神经细胞核内分泌细胞在起源 形态和机能上都是不同的 分别代表 NS 和 endocrine 两大生物信息调控系统 很早以前, 注意到一些神经活动引起腺垂体分泌的事实 举例二. 下丘脑调节肽 图 12. 下丘脑 - 垂体功能单位 下丘脑的信息如何传至垂体 : 下丘脑垂体轴 神经垂体门脉系统 腺垂体分别在下丘脑调节肽与腺垂体神经垂体时介绍 下丘脑调节肽 (Hypothlamus Regulatery Peptide,HRP) 概念 : 下丘脑促垂体区肽能神经元分泌的能调节腺垂体功能 几乎都有垂体外作用 途径 : 垂体门脉系统 名称 缩写 对腺垂体的主要作用 促甲状腺激素释放激素 TRH TSH 增加,PRL 增加 促性腺激素释放激素 GnRH(LHRH) LH 增加,FSH 增加 促肾上腺皮质激素释放激素 CRH ACTH 增加, 腺垂体内 β 内非肽增加, 可直接兴奋交感系统 生长素释放激素 GHRH GH 增加, 生长素释放抑制激素 ( 生长抑素 ) GHRIH GH 下降,LH FSH TRH PRL ACTH 下降 ( 除促黑激素外 ) 催乳素释放因子 PRF PRL 增加 催乳素释放抑制因子 PIF PRL 下降 促黑素释放因子 MRF MSH 增加 催黑素释放抑制因子 MIF MSH 下降

237 三. 下丘脑分泌肽分泌的调节 1. 上控 : 调节 :(1) 肽类 : 脑非肽 P 物质 VIP (2) 单氨物质 :DA NE 5-HT 规律 : 1) 都增加 GHRH 分泌 2)DA 除增加 GHRH 外, 抑制其余四种 3)NE 与 5-HT 除增加 GHRH 外, 均相反 2. 下馈 : 反馈 positive feedback: 性激素 ( 靶腺激素 促激素 释放激素 ) negative feedback: 下丘脑 (CRH)--- 腺垂体 (ACTH)---- 上腺皮质 ( 糖皮质激素 ) 第三节腺垂体 (pituitary gland) 一. 腺垂体腺垂体是体内最重要的内分泌腺 7 种 :GH PRL MSH TSH ACTH LH FSH 形成三条重要的内分泌轴 : 下丘脑 腺垂体 甲状腺下丘脑 腺垂体 肾上腺皮质下丘脑 腺垂体 性腺 M 腺垂体 靶腺临床意义 ( 一 ) 生长激素 (Growth Hormen,GH ) 具有种属特异性, 不同中枢 GH 的化学结构 免疫活性 生物活性不同 因为 GH 受体由 620 个氨基酸残基组成, 第 43 位的精氨酸是灵长类特有 人生长素 (Human Growth hormen,hgh) 1 作用: (1) 生长作用 : 刺激长骨软骨细胞增殖和钙化性成熟期前的发育特别重要 : 过多 - 巨人症 ; 过少 - 侏儒症

238 图 13. 巨人症患者与正常人 成年后过多, 则 图 14. 肢端肥大症患者 GH 能否直接发挥作用 :

239 说明 GH 促软骨细胞增殖需血清中某些成分参与 1 研究表明 :95% 由肝脏产生的, 大部分组织均可产生 ( 软骨 肌肉 脊髓 其它组织 ) 促进 : 蛋白质合成 胶原合成 软骨细胞生长分裂 称为生长介素 (somatomedin) 结构类似于胰岛素, 又称为胰岛素样生长因子 (insulin-like growth factor) 2 GH 能诱导靶细胞产生生长素介质 : IGF 本身具有促生长作用, 分 IGF-I( 促生长作用 ) IGF-II( 胚胎期促生长 ) (2) 促进代谢 : 蛋白质 体液丰富 1 蛋白质合成而脂肪较少 2 对 Na+ K+ Ca2+ P S 等重要元素摄取与利用 3 脂肪分解年轻的标志, 抑制外周组织摄取和利用 G 减少糖耗 血糖浓度 如 : 巨人症 (GH 血糖 ) 糖尿病因为 GH 与 PRL 结构类似, 故 GH 有弱催乳作用 2 分泌的调节 :

240 图 15. 生长激素的睡眠周期

241 图 16. 睡眠对身高的影响 图 17. GH 分泌的影响因素 乳 ( 二 ) 催乳素 (prolactin, PRL) 作用广泛 ( 85 种以上 ) 1. 作用 : ⑴ 对乳腺的作用 : 妊娠期 ( 青春期 ):PRL 和雌激素 孕激素, 胰岛素 T3 T4 促进乳腺进一步发育 分娩后 :E2 P, 而 PRL 引起并维持泌 ⑵ 对性腺的作用 : 可影响黄体的功能 小剂量时 1 维持卵巢细胞膜的完整性及膜上 LH 受体数量