第二章 细胞的基本功能

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1 精品课程生理学教案 第二章细胞的基本功能 [ 目的要求 ] 通过本章的学习, 掌握细胞膜的物质转运功能 细胞的跨膜信息传递功能 细胞的兴 奋性和生物电现象 肌细胞的收缩功能等 [ 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吧吧导机制 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 后负荷及肌肉的收缩能力对肌肉收缩的影响 [ 基本概念 ] 单纯扩散 (simple diffusion); 易化扩散 (facilitated diffusion); 主动转运 (active transport); 第二信使 (second messenger); 蛋白激酶 (protein kinase); 电压门控性通 道 (voltage-gated channel); 配体门控通道 (ligand-gated channel); 钙调素 (calmodulin, CaM); 即刻早期基因 (immediate-early gene,ieg); 静息电位 (resting potential,rp); 动作电位 (action potential,ap); 去极化 (depolarization); 超极化 (hyperpolarization); 复极化 (repolarization); 阈电位 (threshold potential); 兴奋 - 收缩耦联 (excitation contraction coupling); 等长收缩 (isometric contraction); 等张收缩 (isotonic contraction); 强直收缩 (tetanus contraction); 前负荷 (preload); 后负荷 (afterload) [ 使用教材 ] 生理学 (1 版 ), 王庭槐主编, 高等教育出版社,2004, 北京 [ 授课学时 ]7 学时 [ 学时分配 ] 第一节细胞膜的结构和物质转运功能 2 学时 第二节细胞的信号转导 1 学时 第三节细胞的生物电现象 2.5 学时 第四节肌细胞的收缩功能 1.5 学时 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. 细胞膜的分子组成细胞膜主要由脂质和蛋白质组成, 外加少量糖类 ( 图 2-1) 蛋白质和脂类的重量比约 4:1; 数量比约为 1:100 (1) 膜脂质在膜的脂质中, 主要为磷脂 ( 约占 70%) 胆固醇(<30%) 和少量鞘 1

2 脂类 磷脂主要有四种 : 磷脂酰胆碱 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇 磷脂一端的磷酸和碱基朝向细胞膜的内表面或外表面, 属亲水性极性基团 ; 而另一端的两条脂肪酸烃链则朝向膜的内部两两相对, 属疏水性非极性基团 因此, 膜的脂质具有双分子层 双嗜性分子的性质 磷脂酰肌醇可生成三磷酸肌醇 (inositol trisphosphate,ip 3 ) 和二酰甘油 (DG), IP 3 和 DG 作为第二信使参与跨膜信号转导作用 (2) 膜蛋白膜蛋白质有两种存在形式 :(1) 表面蛋白质 (peripheral protein), 附着在膜的内 外表面 ;(2) 整合蛋白质 (integrated protein), 贯穿整个脂质双分子层 正是这些蛋白质决定了细胞膜的各种功能, 包括受体功能 物质转运功能 酶功能和免疫功能等, 从而保证了细胞与环境之间的物质 能量和信息的交换 (3) 糖类含量很少, 主要是寡糖和多糖链, 以共价键形式与膜脂质或蛋白质结合, 形成糖脂或糖蛋白 糖类绝大多数裸露在膜的外表面, 可作为细胞或蛋白质的特异性标志 图 2-1 细胞膜的分子结构模式图 2. 膜的结构模型 (1) 单位膜脂质双分子层的膜性结构是细胞中普遍存在的基本结构 电镜下细胞膜呈二暗一明的三层结构, 各层厚度均为 2.5 nm (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 2

3 ( 一 ) 单纯扩散 (simple diffusion )( 图 2-3) 1. 含义 : 脂溶性物质分子顺浓度梯度的净移动现象 ( 物质热运动 ) 2. 物质 :CO2 O2 NH3 NO 尿素等 3. 指标 : 扩散通量 4. 特点 : 只有脂溶性物质分子可扩散 ; 通过量取决于膜两侧浓度差 ( 扩散动力 ); 通过量还取决于膜的通透性 ( 扩散阻力 ) 5. 影响因素 :(1) 膜两侧物质浓度梯度,( 对离子来说, 还有电位梯度 );(2) 膜对物质的通透性 (permeability ) 6. 意义 : 转运物质有限, 主要为 CO2,O2 等气体分子 甾体激素也可 图 2-3 单纯扩散示意图 ( 二 ) 易化扩散 (facilitated diffusion) 非脂溶性或脂溶性低的物质, 在膜蛋白质帮助下, 顺着浓度梯度或电位梯度的跨膜转 运现象叫做易化扩散 易化扩散的两种类型 : 1. 经通道介导的易化扩散 (1) 通道 (channel) 的共同特征 :1 选择性 : 即只允许一定离子通过, 但选择性不如载体蛋白强 2 高速性 : 即转运速度快, 约 10 8 ~10 9 个离子, 如 Na + 通道转运 Na + 的速度是载体 蛋白转运葡萄糖速度的 1000 倍 3 顺浓度差 : 即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散, 其 动力来源于分子的热运动 4 通道开 关的瞬时性 : 即通道开或关都很快, 受不同因素的调 控 5 不同离子通道有特异阻断剂 :Na + K + Ca 2+ 通道的特异性阻断剂分别是河豚毒素 四乙基胺和异搏定 图 2-4 经通道介导的易化扩散示意图 (2) 种类 :1 电压门控通道 (voltage-gated channel): 启 闭取决于膜两侧电压差, 如 Na + 通道 K + 通道和 Ca 2+ 通道等 2 化学门控通道 (chemically-gated channel) 或配体 门控通道 (ligand-gated channel): 启 闭取决于膜两侧化学信息, 如 N 型乙酰胆碱门控通 道 3 机械门控通道 (mechanically-gated channel): 启 闭取决于机械牵拉刺激, 如皮 肤触压觉和内耳毛细胞的机械门控通道 (3) 扩散物质 : 水 尿素 Na + K + Cl - Ca 2+, 所有单糖分子直径 >8Ǻ, 故单糖不能经 通道扩散 2. 经载体介导的易化扩散 载体 (carrier) 蛋白质分子像渡船一样, 3 图 2-5 经载体介导的易化扩散示意图

4 将物质从高浓度一侧摆渡到低浓度一侧 主要转运的物质是葡萄糖 氨基酸等非离子物质 其特点是 :1 高度的结构特异性 ;(2) 有饱和现象 ;(3) 有竞争性抑制现象 ;4 顺浓度差 : 即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散 上述两种转运方式是顺浓度梯度进行, 未消耗细胞膜的能量, 故称为被动转运 (passive transport) ( 三 ) 主动转运 (active transport) 是指细胞通过本身某种耗能过程将物质分子或离子逆浓度梯度或逆电位梯度而进行的 跨膜转运过程 其结果是形成了物质在细胞内外的不均衡分布, 如细胞外高浓度 Na + 和细胞 内高浓度的 K + 主要转运的物质是葡萄糖 氨基酸等营养物和 Na + K + Ca 2+ H + Cl - I - 等离子 1. 原发性主动转运 (primary active transport) 直接由细胞代谢提供 ATP 的逆向转运过程称为原发性主动转运 如钠泵 钙泵 氢泵 等由 ATP 供能完成的主动转运 正常情况下, 细胞内 K + 浓度约为膜外的 30 倍, 膜外 Na + 浓度约为膜内的 12 倍 这种浓 度差的形成和维持与细胞膜上普遍存在的钠 钾泵 (sodium-potassium pump,na +_ K + 泵, 简称钠泵 ) 有关 钠泵的作用 : 耗能地逆浓度梯度将膜内 Na + 移出膜外, 将胞外 K + 移入膜内, 以保持膜内高 K + 和膜外高 Na + 的不均衡的离子分布 在生理情况下, 每分解一个 ATP 分子可以移出 3 个 Na +, 移入 2 个 K + 图 2-6 Na + -K + 泵主动转运 钠泵的生理意义 :1 由钠泵活动形成及维持的胞内高 K + 是许多生化代谢反应的必需条件 ;2 阻止胞外 Na + 和水进入膜内, 从而维持细胞的结构和功能 ;3 建立的势能贮备是可兴奋组织兴奋的基础, 也提供了细胞其它的耗能过程 2. 继发性主动转运 (secondary active transport) 也称联合转运 (cotransport), 是指某一物质逆浓度差转运要依赖另一物质的浓度差所造成的势能而实现的主动转运 该转运有转运体蛋白或转运体 (transporter) 参与, 包括同向转运和逆向转运 主要见于肠粘膜上皮和肾小管上皮细胞对葡萄糖 氨基酸等的吸收以及递质分子的再摄取和甲状腺细胞的聚碘作用 4

5 图 2-6 继发性主动转运示意图 ( 四 ) 出胞和入胞出胞和入胞是细胞对一些大分子物质或固态 液态的物质团块的转运形式 1. 出胞 (exocytosis) 作用也称胞吐, 是细胞排出物质过程 主要见于神经递质释放 内分泌细胞分泌激素 外分泌腺的分泌以及酶原颗粒的分泌等 Ca 2+ 在此过程起重要作用 2. 入胞 (endocytosis) 作用指胞外某些物质团块进入细胞过程 入胞物质以固态性质进入细胞称为吞噬 (phagocytosis); 入胞物质以液态性质进入细胞称为吞饮 (pinocytosis) 细菌 病毒 异物的侵入, 血浆中脂蛋白 大分子营养物进入细胞过程均是入胞作用 近年来发现一种新的称之为受体介导式入胞, 即被转运物质与膜表面的特异性受体相互作用而引起的入胞现象 图 2-7 出胞和入胞作用 细胞膜的物质转运方式小结 : 物质 转运 小分子物 质或离子 大分子物质 或物质团块 单纯扩散 易化扩散 离子泵转运 通道中介 载体中介 原发性 继发性 入胞 ( 胞饮 吞噬 ) 主动转运 ( 细胞耗能 ) 出胞 ( 胞吐 ) 被动转运 ( 细胞不耗能 ) 第二节细胞的信号转导功能一 信号转导概述外界信号作用于细胞时, 通常不进入细胞或直接影响细胞内过程, 通过细胞膜特殊蛋 白质分子的变构 ( 类固醇激素和甲状腺激素除外 ), 将外界信号转导为新的信号形式传递到 膜内, 引起细胞功能改变 ( 电反应或其他变化 ), 称为跨膜信号转导 (transmembrane signal transduction,tst) ( 一 ) 细胞外刺激信号 5

6 体外信号 : 包括物理性 ( 光 声 电 温度 ) 化学性 ( 空气 环境中的各种化学物质 ) 生物性 ( 细菌 病毒 寄生虫 ) 体内信号 : 是指化学信号, 包括各种生物活性物质 ( 如激素 递质等 ) 所携带的信号 细胞外信号 : 有三种类型, 即神经递质 激素和细胞因子 气体分子 NO 属此类 ( 二 ) 受体及其特征 1 受体的概念及分类 受体是指位于质膜或细胞内能与胞外信号物质结合并能引起特定生物效应的大分子物 质 按结构和 TST 方式分为 4 类 :G 蛋白耦联受体 具有酶活性的受体 离子通道型受体 和核受体 2 受体与配体结合的主要特征 1 特异性 : 某一受体只能与某一特定的配体结合 ; 2 高亲和力 : 配体分子 ( 如激素 ) 的浓度很低 (10-9 mol/l 或更低 ), 但与受体结合后可 发挥巨大的生物学效应 ; 3 饱和性 : 受体的数量有限, 故与配体结合时可达到平衡 ( 三 ) 信号转导的基本过程 跨膜信号转导过程包括 : 膜的信号转换 胞内信号传递和最终引发生物学效应的不同环 节 通过信号转导引起细胞内反应包括三个方面, 即膜电位改变或细胞兴奋性改变及由此引 起的细胞功能改变 ; 各种效应蛋白由于构型改变引起的功能变化, 如酶蛋白活性改变及由此 引起的代谢反应改变 ; 基因表达过程的改变, 如某一个基因转录的启动或关闭 二 TST 途径 ( 一 )G 蛋白耦联受体介导的 TST 1. G 蛋白耦联受体信号通路中的信号分子 (1)G 蛋白耦联受体有 7 个跨膜区段,N 末端位胞内, 各区段有 3 个胞外环和 3 个 胞内环相连 (2)G 蛋白 有 20 多种, 其共同特征是 :1 静息时由 α β γ3 个亚单位组成三 聚体 ;2 存在结合 GTP 的非活化和活化两种形式 ;3 可被受体与配体的结合而激活, 活化 后使 GDP GTP, 同时三聚体分为 β-γ 复合体和 α-gtp 复合体 ;4α 亚单位既具有与 鸟苷酸 (GTP 或 GDP) 结合位点以及与受体和效应蛋白的作用位点, 又具有 GTP 酶活性, 故在 G 蛋白活化和信号转导中起重要作用 (3)G 蛋白效应器 是能催化生成第二信使的酶, 如生成环一磷酸腺苷 (camp) 的腺 苷酸环化酶 (CA) 和环一磷酸鸟苷 (cgmp) 的鸟苷酸环化酶 (GA) 等 (4) 第二信使是指胞外信号首先作用于膜受体, 通过膜的信号转换过程, 产生了胞 内的信号分子及胞内的信号传递过程, 由此诱发细胞的各种反应 如 camp cgmp 三磷 酸肌醇 (IP3) 二酰甘油 (DG) 和 Ca 2+ (5) 蛋白激酶是指能催化蛋白质磷酸化的酶系统 按磷酸化底物不同可分为丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶两种类型 2.G 蛋白耦联受体信号转导途径 (1) 受体 -G 蛋白 -camp-kpa 途径 激素 递质等 + 受体 camp: 环一磷酸腺苷 KPA: 依赖 camp 蛋白激酶 G 蛋白中介 激活腺苷酸环化酶 (AC) Mg 2+ KPA ATP camp 蛋白磷酸化 生物学效应 6

7 图 2-8 受体 -G 蛋白 -camp-kpa 途径 上述过程的特点是 :1 经细胞膜受体 ;2G 蛋白介导 ;3 第二信使为 camp;4 三级放大 图 2-9 受体 -G 蛋白示意图 (2) 受体 -G 蛋白 -DG/PKC 途径 (3) 受体 -G 蛋白 -IP 3 /Ca 2+ 系统 激素 递质等 + 受体 G 蛋白中介磷脂酶 C(PLC) DG: 二酰甘油 IP 3 : 三磷酸肌醇 PIP2: 磷脂酸二磷酸肌醇 PKC: 蛋白激酶 C PIP 2 DG + IP 3 + 图 2-10 受体 -G 蛋白 -IP 3 /Ca 2+ 系统 PKC 胞浆 Ca 2+ 释放 生理生化反应 (4) 受体 -G 蛋白 - 离子通道途径如心肌细胞膜 M 2 受体于 ACh 结合后激活了 Gi, 而使 K + 开放, 引起心肌的抑制 但 G 蛋白对离子通道的影响更多的是通过第二信使起作用, 如视杆细胞有 cgmp 门控 Na + 通道, 可产生相应的感受器电位 ( 二 ) 具有酶活性的受体介导的信号转导具有酶活性的受体有两类, 即酪氨酸激酶受体 (tyrosine kinase receptor) 和酪氨酸激酶耦联受体 前者的特异性配体主要是各种生长因子, 如神经营养因子 表皮生长因子 胰岛素样生长因子等 与 G 蛋白受体介导的信号转导途径相比, 具有下列特点 :1 转导过程简单快捷 ;2 无 G 蛋白参与 ;3 与第二信使物质无关 ;4 无胞内蛋白激酶激活 ;5 胞内激活的效应蛋白大多是转录因子, 故产生的生物学效应是基因转录的调节 后者的配体多数是细胞因子, 如白介素 干扰素等 其特征是受体本身无酶的活性, 但可激活具有酪氨酸激酶活性的靶蛋白, 从而参与基因表达的调控 ( 三 ) 通道耦联的受体介导的信号转导通道耦联的受体既可识别 结合特异的配体发挥受体的功能, 同时又是通道, 故又称为配体门控的通道 如烟碱型乙酰胆碱受体 (nachr) 谷氨酸的离子型受体 γ- 氨基丁酸型受体等 其整个信号转导过程只涉及膜功能改变, 包括膜电位和兴奋性的改变, 而没有胞内其他信号分子的参与 因此, 通常把胞外信号引起的靶细胞的这种反应称为快反应途径, 7

8 通过 G 蛋白 第二信使引起的靶细胞的功能变化称作慢反应途径 化学门控通道 电压门控通道 机械门控通道 跨膜信号转导途径之一 : 门控通道 图 2-11 三类通道示意图 ( 四 ) 核受体因为一些受体在未被激活时, 可能位于胞浆, 但发挥作用的部位均在核内, 因此将存在于胞浆或胞核内的一类特异蛋白质统称为核受体 如类固醇激素受体 ( 肾上腺皮质激素 性激素受体家族 ) 甲状腺激素受体家族 维生素受体家族 维甲酸受体家族等 第三节 细胞的生物电现象 一 生物电现象 ( 一 ) 静息电位 (resting potential,rp) 1. 含义 :RP 是指细胞未受刺激 ( 安静状态 ) 时存在于膜内外两侧的电位差 2. 记录方法 : 细胞内记录, 测定膜两侧电位差 如膜外为零电位, 则膜内为负电位 图 2-12 生物电的测量模式图 3. 正常值 : 神经 骨骼肌和心肌细胞为 70 ~ -90mV; 消化道平滑肌细胞为 -60mV; 人 RBC 为 -10mV ( 二 ) 与生物电相关的几个概念 1. 极化 (polarization): 静息时细胞膜两侧存在的相对稳定的内负外正的状态 2. 超极化 (hyperpolarization):rp 数值向膜内负值加大的方向变化 3. 去极 ( 除 ) 化 (depolarization) :RP 数值向膜内负值减小的方向变化 4. 复极化 (repolarization): 细胞先发生去极化, 然后再恢复到静息时的极化状态 5. 超射值 (overshoot potential): 动作电位上升支中零位线以上的正电位数值 ( 三 ) 动作电位 (action potential,ap) 8

9 1. 含义细胞膜受刺激后, 在原有 RP 基础上发生一次膜两侧电位的快速的倒转和复原 即先出现膜的快速去极化而后又出现复极化 2. 组成 (1) 去极相 ( 上升支 ): 包括去极化和反极化 ( 超射值 ) 上升支电位幅值为静息电位绝对值和超射值之和, 如神经纤维受刺激后膜内电位从 -70 ~ -90 mv +20~+40 mv, 电位变化幅度为 90~130 mv (2) 复极相 ( 下降支 ): 去极相时膜内电位的倒转只是暂时的, 它很快由动作电位峰值又恢复到静息电位水平 神经纤维和骨骼肌细胞 AP 的主要部分约在 0.5~2.0 ms 内完成, 呈短速而尖锐脉冲样变化, 状似尖锋状, 故亦称锋电位 (spike potential) 在锋电位后至完全恢复到 RP 水平过程中, 存在着持续时间较长的缓慢 微小的电位波动称后电位 ( 负后电位和正后电位 ) 因此, 也可以认为 AP 是由锋电位和后电位两部分组成的 神经 骨骼肌和心室肌的 RP 和 AP 0 - 神经和骨骼肌 RP 和 AP 心室肌细胞 RP 和 AP 图 2-13 细胞的静息电位和动作电位 图 2-14 细胞动作电位测量及其图形 3. 特点 (1)AP 是兴奋的标志, 对神经和肌细胞来说, 兴奋即意味着 AP 的产生 ; (2) 全或无 (all-or-none) 现象 : 在单一细胞上 AP 的大小不随刺激强度和传导距离而改变, 要产生就达到最大 ; (3) 不衰减性传导 :AP 在刺激部位产生后, 可沿着细胞膜扩布, 直至整个细胞膜都依次兴奋, 并产生一次同样大小和波形的 AP; (4)AP 后有不应期 : 一次刺激引起的 AP 主要是在锋电位期间, 细胞失去对其它刺激的反应能力, 此时细胞的兴奋性极低 ( 几乎为零 ) 9

10 二 生物电现象产生机制 ( 一 )RP 形成原理 K + 平衡电位 1. 细胞内外 K + 浓度分布不均 ( 胞内 >> 胞外 ) K + 外流 2. 静息膜对 K + 有选择的通透性 3. 带负电荷的蛋白质 (A - ) 留在胞内 K + 与 膜两侧电位差稳定某一数值 (K + 平衡电位 ) A - 隔膜相吸呈极化 对抗 K + 的净流动 可见,RP 主要由 K + 平衡电位所形成, 其大小取决于膜两侧 K + 浓度差和膜对 K + 通透性 K + 平衡电位 (E K ) 可用 Nernst 公式计算 : E K =RT/ZF ln[k + ] o /[K + ] i =59.5 log[k + ] o /[K + ] i (mv) 式中 R 为通用常数,T 是绝对温度,Z 是离子价,F 是 Faraday 常数,[K + ] o 为胞外钾离子浓 度,[K + ] i 为胞内钾离子浓度 实际上,K + 平衡电位的实测值较理论计算值略小 这是因为构成静息电位除 K + 外流外, 可能还有其他离子的少量流动有关 ( 二 )AP 的产生机制 1.AP 的产生 锋电位和 Na + 平衡电位 (1)AP 上升支 : 当细胞受刺激时, 膜上 Na + 通道被激活而开放,Na + 顺浓度梯度和电位 梯度瞬间大量内流, 细胞内正电荷迅速增加, 电位上升, 膜内电位由负到 0 再到正 (+30 mv), 形成 AP 上升支 ( 去极化和反极化 ) 即 1 [Na + ]o>>[na + ]i(12 倍 ) 2 静息时的电位差 ( 外正内负 ) Na + 内流 AP 上升支 3 膜对 Na + 的通透性 膜内正电位 浓度差 膜两侧电位差稳定某一数值 (Na + 平衡电位 ) (2)AP 下降支 : 当膜内正电荷足以抵抗 Na + 内流, 膜电位达到一个新的平衡点 +30 mv ( 即 Na + 的平衡电位 ),Na + 通道逐渐失活而关闭,K + 通道逐渐被激活开放 Na + 内流停止, K + 快速外流, 胞内电位迅速下降, 恢复到兴奋前负电位状态 ( 复极化 ) 负后电位由于复极开始 K + 外流 K + 在膜外蓄积 K + 外流 所致 ; 而正后电位可能是电压门控的 K + 通 道在膜电位恢复到静息电位后, 延迟一段时间后才关闭, 或是生电性钠泵所致 2.AP 过程中膜电导的变化及测量 膜电导是指膜电阻的倒数, 即 G =1/R 它是膜允许离子从一侧运动到另一侧的能力的大 小, 可理解为通透性 膜片钳 (patch clamp) 实验 : 膜片钳是用负反馈电子线路装置, 保持跨膜电位维持在特 定的去极化数值下, 测定单个或几个通道蛋白中跨膜离子流 (ion current), 再计算出膜电 导的实验技术 该技术是由 Neher 和 Sakmann 等 (1975 年 ) 建立的,1980 年后被应用于离子通道的研究 膜片 钳可记录单通道离子电流, 证实了膜 对离子通透性的改变其实质是离子通 道的开放和关闭, 从而说明离子电流 的形成机制 与分子生物学技术和形 态学方法在离子通道研究中的联合应 用, 证实了通道蛋白的分子结构和结 10

11 构 - 机能关系 图 2-15 膜片钳装置 3.AP 产生的条件 (1) 阈电位和锋电位的引起 当可兴奋细胞接受刺激后使膜内去极化达到某一临界值时, 就可在已经去极化的基础上 产生一次动作电位 这个去极化的临界值称为阈电位 (threshold potential,tp) 阈电位的本质是引起再生性正反馈 Na + 内流所需的膜电位去极化的临界值 Na + 再生性循环过程的结果是出现一个不再依赖于原刺激而使膜内 Na + 通道迅速而大量开放, 使膜外 Na + 快速内流的过 程, 直至达到 Na + 的平衡电位, 使这过程停下来, 形成锋电位的上升支 可见, 只要刺激强 度达到能引起 Na + 再生性循环, 膜的去极化速度不再决定于刺激强度的大小 ; 整个动作电位 上升支幅度只取决原静息电位值和膜内外 Na + 浓度差, 而与引起此次动作电位的刺激大小无 关 即动作电位 全或无 现象的机制 (2) 阈刺激 1 刺激 (stimulus): 是指细胞所处环境因素的任何理化变化 刺激的种类有电 温度 机械和化学等, 实验常用电刺激 任何刺激要引起组织细胞发生兴奋, 必需使 刺激强度 刺激持续时间和刺激强度对时间的变化率 ( 即强度对时间的微分 ) 这三个要素要达到某一 临界值 刺激的三个参数可相互影响 2 阈值 (threshold): 刚能使组织或细胞发生兴奋 ( 动作电位 ) 的最小刺激强度称为阈强 度, 简称阈值 阈值是衡量组织兴奋性高低的主要指标, 与兴奋性呈反变关系 强度大于或 小于阈值的刺激分别称为阈上刺激和阈下刺激 (3) 阈电位与阈值的区别 阈值是从外部加给细胞各种刺激的强度来考虑的, 而阈电位是从细胞本身的膜电位的数 值来考虑的 阈值的作用是使细胞膜由 RP 去极化到阈电位 ; 而当膜电位达阈电位时, 去极 化不再依赖原来所给刺激强度的大小, 也不管刺激是否继续存在 4. 局部兴奋及其特点 局部兴奋或局部反应 (local excitation or local response) 是指阈下刺激虽然不能使 RP 的 去极化达到阈电位, 但可在受刺激的膜局部出现一个较小的去极化 局部反应的特点是 :1 等级性现象 : 非 全或无 的, 即局部反应的电位变化可随刺激 强度的增加而变大 ;2 电紧张性扩布 (electrotonic propagation): 局部电位可向周围扩布, 但随着距离增加而呈指数函数式衰减 ;3 局部反应无不应期 ;4 总和现象 : 局部反应可互相 叠加, 出现空间性总和 (spatial summation) 及时间性总和 (temporal summation) 5. 复极后离子的恢复 : 主要是 Na + K + 泵活动 的结果 6.Na + 通道的功能状态 Na + 通道有三种功能状态, 即激活 (activation) 失活 (inactivation) 备用 (resting) 膜电位静息电位 (-90 mv) 阈电位 (-70 mv) 去极化 ~ 复极化 -55 mv 功能状态备用激活失活 通道位置关闭开放关闭 11

12 图 2-16 钠通道模式图 ( 三 )AP 的传导在神经或肌细胞膜上任何部位给予有效刺激所引起的兴奋会沿着整个细胞膜传导 此传导过程是由于已兴奋部位的膜两侧电位暂时倒转, 呈内正外负, 而邻近未兴奋膜仍处于内负外负, 在已兴奋部位与未兴奋膜之间出现了电位差而有电荷的流动, 形成局部电流 (local current) 其方向是膜外由未兴奋部位流向已兴奋部, 而膜内由已兴奋部流向未兴奋部位 因此, 未兴奋部位的膜电位迅速去极化达到阈电位, 并产生再生性正反馈式的 Na + 内流, 导致动作电位产生, 并依次向前传导 无髓神经纤维和肌细胞的兴奋传导就是通过这样局部电流传播来实现的 但是脊椎动物和人有许多神经是有髓鞘的, 其兴奋所产生的局部电流是沿着轴浆穿过朗飞结之间作跳跃式传导 (saltatory conduction) 图 2-17 跳跃式传导 三 组织的兴奋和兴奋性 ( 一 ) 刺激与兴奋 1. 刺激 刺激 (stimulus) 是指能引起组织或机体发生反应的内 外环境的理化变化 无论在 体或离体条件, 组织的兴奋大多由刺激引起 在人工刺激的条件下, 常用的刺激是电刺激 2. 兴奋 (excitation) (1) 传统概念 : 机体由静止变为活动, 或由活动弱变为活动强 ; (2) 近代概念 : 兴奋则是指产生 AP 的过程, 或 AP 的同义语 3. 相关的几个概念 (1) 强度 时间曲线 : 当把电流固定在某一强度时, 逐渐延长通电时间, 直至引起 兴奋, 然后依次改变刺激强度, 重复上述过程由此便可求出刺激强度与必需的最短通电时间 的相互关系, 依两者的关系做出的曲线称之 (2) 基强度 : 指在刺激作用不受时间限制的条件下, 能引起组织兴奋的最小刺激强度 (3) 时值 : 用 2 倍的基强度作为刺激引起组织兴奋所需要的时间, 称之 时值可作为 12

13 衡量组织兴奋性的指标 ( 二 ) 兴奋性和可兴奋组织 1. 兴奋性 (excitability): 是指活组织或细胞对刺激发生反应 ( 或动作电位 ) 的能力 2. 可兴奋细胞 (excitable cell) 或可兴奋组织 : 是神经 肌肉和腺细胞的统称 它们的兴奋性较高, 其外部反应形式分别为电变化 收缩和分泌 ( 三 ) 细胞兴奋后兴奋性的变化可兴奋细胞接受一次刺激而出现兴奋的当时和随后的一小段时间内, 它们的兴奋性将经历一系列有序的变化, 然后才恢复正常 (1) 绝对不应期 (absolute refractory period,arp): 在组织接受一个刺激而兴奋后的一个短暂时间内, 无论再受到多强的刺激, 都不能再产生兴奋, 即在此时间内出现的任何刺激均归于 无效, 兴奋性降为零 这段时期称为绝对不应期 提示 Na + 通道进入失活状态而不再开放 (2) 相对不应期 (relative refractory period,rrp): 在绝对不应期后阈强度大于正常才能引起新的兴奋, 但兴奋性低于正常 这个时期称为相对不应期 标志着一些失活 Na + 通道的已开始恢复 (3) 超常期 (supranormal period,snp): 在相对不应期后阈强度低于正常而兴奋性高于正常的时期称为超常期 (4) 低常期 (subnormal period): 在超常期后组织的兴奋性低于正常的时期称为低常期 图 2-18 细胞兴奋后兴奋性的变化 第四节肌细胞的收缩功能 机体的生命活动离不开肌细胞的收缩, 如躯体各种运动和呼吸活动由骨骼肌收缩来完 成 ; 心脏泵血活动离不开心肌收缩 ; 胃肠 膀胱 子宫及血管活动则由平滑肌收缩完成的 人体内三种不同的肌肉组织虽有不同的结构和功能特点 ; 但从分子水平看, 它们的收缩及调 节机制有惊人的类似, 如它们的收缩和舒张的控制及它们的收缩活动都是肌细胞中收缩蛋白 ( 肌凝蛋白和肌纤蛋白 ) 的相互作用所致等 骨骼肌是人体内最多的组织, 约占体重的 40 % 人体各种生产劳动和体力活动都依赖于骨骼肌的收缩, 而且对骨骼肌的研究也较充分 本节将主要介绍骨骼肌的结构 收缩功能 调节和收缩力学分析 一 骨骼肌细胞收缩的兴奋和收缩机制 ( 一 ) 神经 - 骨骼肌接头处的兴奋传递 1. 神经 - 肌肉接头的形态结构 运动神经元的裸露神经末梢嵌入至肌细胞表面所形成的凹陷中 神经末梢与肌细胞接 触部位称为神经 - 骨骼肌接头 13

14 (1) 接头前膜 : 有大量囊泡, 内含乙酰胆碱 (acetylcholine,ach) (2) 接头间隙 : 约 20 nm, 充满细胞外液 (3) 接头后膜 : 又称终板膜, 有大量 N 型 ACh 受体和灭活 ACh 的胆碱酯酶 (AChE) 图 2-19 神经 - 肌肉接头 2. 神经 - 骨骼肌接头处的兴奋传递过程运动神经元兴奋时,AP 到达神经末梢 末梢膜去极化 Ca 2+ 通道开放 Ca 2+ 内流 囊泡 移动 融合 破裂,ACh 呈量子式释放 (quantal release) ACh 与终板膜上 NR 结合 Na + 内 流,K + 外流 终板膜去极化 ( 终板电位,endplate potential) 总和达到阈电位 肌细胞 产生 AP 完成神经 - 骨骼肌接头处的兴奋传递后,ACh 在 AChE 作用下被清除 3. 神经 - 骨骼肌接头处的兴奋传递特点 (1) 单向性传递 : 只从前膜传往后膜, 不能逆传 (2) 一比一关系 : 运动神经末梢传来一个冲动, 诱发一次骨骼肌收缩 (3) 时间延搁 : 此传递属化学传递过程, 耗时较长 一次兴奋传递约耗时 ms (4) 易疲劳性 : 因为 ACh 贮存量和合成速度均有限, 鼓容易造成疲劳而终止传递 (5) 易受药物和环境因素影响 : 如美洲箭毒或 α- 银环蛇毒可与 ACh 竞争结合终板膜 上 N 2 受体, 因而阻断接头传递, 使肌细胞不能兴奋 收缩 另终板膜上 N 2 型受体数量不足 或功能障碍会导致重症肌无力 有机磷农药和新斯的明选择性抑制 AchE, 引起接头处和其 它部位的 ACh 大量积聚, 引起种种中毒症状 ( 二 ) 骨骼肌细胞的微细结构 1. 肌原纤维和肌小节 每个肌细胞或肌纤维都包含大量直径为 1~2μm 的纤维状结构, 称为肌原纤维 (myofibril) 呈平行排列, 纵贯肌纤维全长 肌原纤维上每一段位于相邻两条 Z 线之间的区域, 称为肌小节 (sarcomere), 是肌肉收 缩和舒张的基本功能单位, 它包括中间暗带和两侧各 1/2 的明带 长度变动范围在 µm 之间, 在体静息状态下的长度约为 µm 暗带含粗肌丝, 明带含细肌丝, 在空间结 构上呈规则排列 图 2-20 肌小节模式图 2. 肌管系统 14

15 肌管系统是指包绕在每条肌原纤维周围的膜性囊管状结构 它由横管系统 (T 管 ) 和纵管系统 (L 管, 也称肌质网 ) 组成 T 管是将肌细胞膜的兴奋传入细胞内部, 而 L 管则是贮存 释放和再积聚 Ca 2+, 从而触发肌小节的收缩和舒张 T 管和 L 管两侧的终末池 ( 也称钙池 ) 构成三联管结构, 此结构是把肌细胞膜的电变化与肌细胞的机械收缩耦联起来的关键性部位 ( 三 ) 骨骼肌收缩的分子机制 1. 肌丝滑行学说 (sliding theory) 主要内容是 : 肌肉收缩时, 肌细胞内并无肌丝或它们所含的蛋白质分子结构的缩短, 而只是发生了细肌丝向粗肌丝之间的滑行, 即由 Z 线发出的细肌丝向暗带中央 (M 线 ) 移动, 结果相联的 Z 线相互靠近, 肌小节长度缩短, 从而表现为整个肌原纤维 肌细胞乃至整块肌肉的收缩 2. 肌丝的分子组成和横桥运动上述促进肌丝滑行过程的关键是组成肌丝的蛋白质分子结构变化 (1) 粗肌丝 : 由肌凝蛋白 (myosin, 亦称肌球蛋白 ) 组成 肌凝蛋白呈长干状, 头部呈球状, 是该分子生物活性部位, 并有规则地裸露在主干表面, 形成横桥 横桥的主要特征有二 : 一是具有 ATP 酶活性, 使 ATP 分解获得能量, 作为横桥扭动和作工的能量来源 ; 二是横桥可与细肌丝中肌纤蛋白分子发生可逆性结合, 拖动细肌丝滑行 图 2-21 横桥的作用 ( 2) 细肌丝 : 由肌纤蛋白 (actin, 亦称肌动蛋白 ) 原肌凝蛋白(tropomyosin) 和肌 钙蛋白 (troponin, 亦称原宁蛋白 ) 三种分子组成 粗肌丝中肌凝蛋白和细肌丝中肌纤蛋白直接参与肌丝滑行而导致肌肉收缩, 故合称为 收缩蛋白 ; 而细肌丝中原肌凝蛋白和肌钙蛋白则是参与肌收缩调节过程, 则称为调节蛋白 3. 肌丝滑行的基本过程 肌细胞膜上的兴奋沿横管传入 三联管结构 终末池 Ca 2+ 释放 肌浆中 Ca 2+ 浓度升高 ( 约 100 倍 ),Ca 2+ 与肌钙蛋白结合 肌钙蛋白分子构象改变 原肌凝蛋白构型改变 移位 横桥与肌纤蛋白上特殊位点结合, 同时分解 ATP 释放能量 横桥向 M 线方向扭动 原横桥 与结合位点解离 复位 再与下个位点结合 拖动细肌丝向粗肌丝之间滑行, 即肌肉收缩 钙泵将 Ca 2+ 泵入终末池 肌浆中 Ca 2+ 浓度降低 (<10-7 mol) Ca 2+ 与肌钙蛋白分离 原肌凝 蛋白恢复原先构型 阻止了横桥和肌纤蛋白的结合 细肌丝退回到原先部位, 表现为肌肉舒 张 15

16 图 2-22 肌肉收缩的分子模式图 ( 四 ) 骨骼肌细胞的兴奋 - 收缩耦联 在以肌细胞膜的电位变化为特征的兴奋过程和以纤维机械变化为基础的收缩过程之间, 存在着某种中介把二者联系起来的过程称为兴奋 - 收缩耦联 (excitation-contraction coupling) 它包括三个主要步骤:⑴ 电兴奋通过 T 管传向肌细胞深部 ;⑵ 三联管结构处的信息传递 ;⑶ 肌质网中的 Ca 2+ 释放到胞浆以及 Ca 2+ 由胞浆向肌质网的再聚集 肌肉收缩时,Ca 2+ 从终末池向暗带区扩散, 触发肌丝的相互移动 ; 肌质网上钙泵 (Ca 2+ -Mg 2+ 依赖式 ATP 酶 ) 将肌浆中 Ca 2+ 主动运转回终末池重新贮存, 导致肌肉舒张 可见, 兴奋 - 收缩耦联的结构基 础是三联管结构, 而中介的耦联因子是 Ca 2+ 二 骨骼肌收缩的外部表现和力学分析 ( 一 ) 几个基本概念 1. 前负荷 (preload): 是指肌肉收缩之前加在肌肉上的负荷 2. 初长度 (initial length): 肌肉收缩前处于某种程度被拉长的肌肉长度, 称为初长度 3. 后负荷 (afterload): 是指肌肉开始收缩时才遇到的阻力或负荷 4. 等张收缩 (isotonic contraction): 指肌肉收缩时, 张力不变, 长度缩短的收缩 5. 等长收缩 (isometric contraction): 指肌肉收缩时, 长度不变, 张力增加的收缩 6. 单收缩 (single twitch): 指骨骼肌受到一次有效刺激后产生一次收缩 7. 复合收缩 : 指多个有效刺激引起重叠的收缩形式 (1) 不完全强直收缩 (incomplete tetanus): 给肌肉以多个有效的连续刺激时, 后一个刺 激落在前一次收缩的舒张期内, 表现锯齿形的收缩曲线, 称为不完全强直收缩 (2) 完全强直收缩 (complete tetanus): 随着刺激频率的进一步增加, 后一刺激落在前一 次收缩的收缩期内, 无锯齿形收缩曲线, 表现为机械反应的平缓增加, 称为完全强直收缩 在体内, 骨骼肌的收缩形式都是完全强直收缩 完全强直收缩的力量一般比单收缩大 4 倍 16

17 图 2-23 肌肉单收缩 复合收缩和强直收缩 ( 二 ) 前负荷或肌肉初长度对肌肉肌收缩的影响 : 长度 - 张力曲线长度 - 张力曲线表明, 如果逐渐增加肌肉收缩的前负荷, 肌肉的初长度即逐渐增加, 肌肉收缩所产生的主动张力也随着增加 ; 当肌肉处于最适前负荷或最适初长度 (2.2 μm) 时, 产生的张力最大, 这是由于粗肌丝上的每个横桥与细肌丝相互作用处于最佳效果所致 ; 如再增加前负荷, 则肌肉增加的张力将随着前负荷的增加而逐渐减小 ( 三 ) 肌肉后负荷对肌肉收缩的影响 : 张力 - 速度曲线张力 - 速度曲线表示肌肉收缩产生张力和缩短的速度之间成反变关系 在一定范围内, 后负荷增加, 肌肉收缩产生的张力增大, 但缩短的速度减小 当后负荷达到某值时, 张力达到最大值 (P), 此时肌肉完全不能缩短,V 为零 ; 当后负荷为零时, 张力也为零, 理论上缩短速度将达到最大值 (Vmax) ( 四 ) 肌肉收缩能力的改变对肌肉收缩的影响肌肉收缩能力 (contractility) 是指与前 后负荷改变都无关的肌肉本身的功能状态和内在能力 肌肉收缩能力受神经 体液等因素影响 如缺氧 酸中毒 肌肉中能源物质缺乏以及影响兴奋 - 收缩耦联 肌肉内蛋白质或横桥功能特性的改变等因素, 均可使肌肉收缩能力降低 ; 而 Ca 2+ 咖啡因及肾上腺素等体液因素可提高肌肉收缩能力 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. 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? 3. 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? 4. 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 5. 为什么终板电位无超射现象? 6. 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? 案例 : 案例 : 某男,15 岁, 运动后感到肌肉无力, 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 问题 : 1 为什么低血钾会引起肌肉无力? 2 为什么在进食大量淀粉后肌肉无力症状加重? 3 血钾增高时对肌肉收缩有何影响? 为什么? 参考文献 1. 姚泰主编. 生理学, 第五版, 北京 : 人民卫生出版社, 姚泰主编. 人体生理学, 第三版, 北京 : 人民卫生出版社, 姚泰, 罗自强.. 生理学. 北京 : 人民卫生出版社 Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 10th ed, WB Saunders Co, Philadelphia, Ganong WF. Review of medical physiology. 20th ed, McGraw-Hill publishing Co, New York, Kandal ER,Schwartz JH,Jessell T. Principles of Neuroscience. 4th ed. New York: McGraw-Hill Hammond C. Cellular and Molecular Neurobiology. 2nd ed London: Sad Diego Academic 17

18 Press Guyton AC,Hall JE. Textbook of Medical Physiology. 10th ed. Philadelphia: W.B.Saunders Co summary This chapter describes the basic functions or features of all kinds of tissue cells, and it is an important foundation for understanding physiology. These functions include: ⑴ the structure of cell membrane and transmembrane transport of substances; ⑵transmembrane signal transduction; ⑶electrical phenomena of the cells; ⑷ contraction function of the skeleton muscle. Protein and lipid are the two major components of the plasma membrane of the mammalian cell. The lipid composition of the cell membrane acts as a barrier, which only permits lipid-solutes cross the membrane down their concentration gradients by simple diffusion. Some of the proteins in the membrane, however, form structures that permit transmembrane movement for certain water-soluble molecules. The membrane is therefore described as semi-permeable, through which different kinds of substances pass across in different ways. Lipid-soluble molecules are capable of moving freely down their concentration gradients across the cell membrane by simple diffusion. Most of the molecules inside and outside of cells, however, cannot cross membrane without assistance. Two kinds of proteins in the cell membrane, called channels and carriers, provide permeability for these water-soluble substances, through which ions and glucose/amino acid can pass across membrane down their concentration/potential gradients. Those two kinds of transmembrane movement are called facilitated diffusion. In some situations, the molecules pass though the membrane against a concentration / potential gradient and this process is called active transport. The energy derived from ATP is necessary for this process, and the protein involved in active transport is named pump. If the molecules are bigger, they cannot cross the membrane through the channel or carrier, and those substances get into or out of the cell through even more complicated mechanisms called endocytosis and exocytosis, respectively. Signal transduction refers to the processes by which intercellular messengers (such as neurotransmitters, hormones and cytokines) which bind to specific receptors on or in the target cell, are converted into biochemical and/or electrical signals within that cell. In turn, such signals can modify cellular function in different ways. Three general patterns of signal transduction occur in almost all mammalian cells. One is signal transduction mediated by G-protein coupled receptor. G-protein serve as intermediaries between receptor and the enzymes or ion channels that activated by agonist binding. The second is signal transduction mediated by ion channel-coupled receptors which help regulate the intracellular concentration of specific ions. The third pattern, some membrane receptors are protein kinases called tyrosine protein kinase that are activated directly by agonist binding. The plasma membranes of all excitable cells exhibit a small difference in electrical charge in the resting state between the inside and the outside of the cell called the membrane potential(or resting potential). Two characteristics of cells contribute to their ability to maintain this electrical potential. First, the cell membrane is differentially permeable to ions, in the resting state all cells are highly permeable to K +, and relatively impermeable to other ions. Second, different types of ions are unequally distributed across the cell membrane. Generally, there are higher concentrations of K + and P - and lower concentrations of Na + and Cl - inside of the cell than there are outside. In the resting state, K + flows down its concentration gradient from the inside to the outside of the cell. 18

19 Positive charges in this way accumulate outside of the cell membrane and because the P - cannot cross the membrane in company with the K +, an electrical potential develops across the membrane. The net movement of K + between inside and outside of the cell membrane stops when the electrical force repelling further flow of K + out of the cell equals to the force of the concentration gradient. At this point K + has reached its equilibrium potential (Ek), which can be estimated with the Nernst equation. The action potential is a rapid depolarisation of the membrane potential, which can be propagated over the surface of the cell. At the peak of action potential, the membrane potential becomes positive, quite close to the equilibrium potential for ENa. Before generation of the action potential, membrane potential must first decreases (depolarize) to reach a special value called the threshold potential, at which the permeability of Na + increases rapidly and in turn triggers the action potential. However, the increase of the Na + conductance lasts only a short time (1-2ms), and K + channels open more slowly to repolarise the membrane.. Both these factors contribute to the process of the returning the membrane potential to its resting value. All action potentials (or spikes) in a given cell are the same size regardless of their amplitude of stimulus and this phenomena is called the all-or-none rule. During the time course of a spike, the cell becomes completely inexcitable, or refractory, meaning that the cell will not fire again no matter how large the stimulus. Muscles can be classified into three categories: skeletal, cardiac and smooth muscle. skeletal muscles are characterized by the regular striations seen under the microscope and are responsible for body movement and cardiac muscles that are responsible for the pumping action of the heart. The contractile proteins of muscle are arranged into two overlapping sets of myofilaments,one predominantly myosin-containing(thick), and one predominantly actin-containing (thin). Under the electron microscope, myofibrils can be seen to consist of two kinds of longitudinally oriented filaments called thick and thin filaments. The thick filaments are aggregates of a protein called myosin and contain ATP splitting enzyme activity (ATPase) in a cross-bridge which swings out from the thick filament.. The thin filaments are largely made up of the protein actin. The basic unit of contraction of muscle is sarcomere and it is a special structure between two Z lines. The excitation of a muscle cell results from excitatory transmission through a nerve-muscle junction leading to the generation of an action potential of the muscle cell. This action potential initiates contraction of the muscle cell by the process of excitation-contraction coupling, in which the elevation of Ca 2+ is the critical factor to trigger muscle contraction. In the process of contraction, neither the thick or thin filaments change in their length. Rather, shortening occurs because the thick filaments pull the thin filaments past them. These thin filaments slide between thick filaments towards the middle line of the sarcomere. Force developed during the contraction is due to the interaction of thick and thin filaments and can be affected by different factors, including initial length, which is the length before muscle contraction. The maximum force can be produced if the muscle reaches a special length called optimal initial length before contraction. The mechanism underlying this phenomena is the maximum overlap between the thick and thin filaments allowing interaction by all cross-bridges and ultimately leading to the creation of maximum force. 19