生理學(xué)-授課教案本科教案:第二章 細(xì)胞的基本功能

河北醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)教研室講稿

教研室：人體生理學(xué)  教師姓名：宋士軍

第二章  細(xì)胞的基本功能

[基本要求]

掌握: 1.膜蛋白介導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn):經(jīng)載體的易化擴(kuò)散,經(jīng)通道的易化擴(kuò)散, 主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)；

   2.細(xì)胞靜息電位和動(dòng)作電位的產(chǎn)生原理；

   3.動(dòng)作電位的引起及興奮在同一細(xì)胞上的傳導(dǎo)機(jī)制，局部興奮和它向鋒電位的轉(zhuǎn)變；

   4. 神經(jīng)-肌肉接頭處的興奮傳遞，骨骼肌的興奮一收縮耦聯(lián)；

熟悉: 1. 膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu):脂質(zhì)雙分子層,細(xì)胞膜蛋白,細(xì)胞膜糖類.

   2. 細(xì)胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能的單純擴(kuò)散, 繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn);

   3. 跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念;

   4. 靜息電位和動(dòng)作電位的特點(diǎn)，興奮性及興奮性的變化規(guī)律；

   5. 骨骼肌細(xì)胞中與興奮和收縮活動(dòng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能；

   6. 負(fù)荷與肌肉收縮能力的改變對(duì)肌肉收縮的影響；

了解：1. 細(xì)胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能的入胞和出胞.

   2. 離子通道蛋白、G蛋白偶聯(lián)受體、氨酸激酶受體介導(dǎo)的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

   3. 生物電現(xiàn)象的觀察和記錄方法；

   4. 骨骼肌的收縮機(jī)制；

   5. 平滑肌的結(jié)構(gòu)和生理特性；

第一節(jié)  細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能

一、 細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)

在電鏡下觀察，動(dòng)物的細(xì)胞膜都有類似的結(jié)構(gòu)，分為三層：內(nèi)側(cè)（靠細(xì)胞漿側(cè))和外側(cè)（靠細(xì)胞外液側(cè))是致密帶，中間是透明帶。用生物化學(xué)方法分析細(xì)胞膜表明，細(xì)胞膜主要有脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和少量糖等組成。

從重量上看：膜中蛋白質(zhì)約為脂質(zhì)的1～4倍；從分子數(shù)上看：膜中脂質(zhì)分子為蛋白質(zhì)分子的100倍以上。那么，這些物質(zhì)分子在膜中是以怎樣的形式排列的呢？即膜的分子結(jié)構(gòu)如何呢？目前為大多數(shù)人所接受的假說(shuō)是1972年Singer和Nicholson提出的液態(tài)鑲嵌模型(fluid mosaic model)，其基本內(nèi)容是：細(xì)胞膜以液態(tài)的脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同分子結(jié)構(gòu)，因而也具有不同生理功能的蛋白質(zhì)。

1．脂質(zhì)雙分子層

2．細(xì)胞膜蛋白質(zhì)

3．細(xì)胞膜糖類

一般來(lái)說(shuō)，細(xì)胞內(nèi)有較多的K⁺，磷酸鹽，氨基酸，蛋白質(zhì)等，細(xì)胞外有較多的Na⁺，Cl^-，Ca²⁺等；脂溶性的物質(zhì)可通過(guò)細(xì)胞膜，而水溶性物質(zhì)運(yùn)輸則與膜上特殊的蛋白質(zhì)有關(guān)。

二、 細(xì)胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能

 細(xì)胞膜是一個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的半透膜，它允許某些物質(zhì)或離子有選擇性的通過(guò)。常見(jiàn)的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式有：

1．單純擴(kuò)散

(1) 概念：脂溶性物質(zhì)通過(guò)脂質(zhì)雙分子層由高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程，稱為單純擴(kuò)散(simple diffusion)。

如：氧和二氧化碳等氣體分子，（某些甾體類激素)。

(2) 擴(kuò)散通量：與一般物理系統(tǒng)不同的是，在細(xì)胞內(nèi)外液之間存在一個(gè)主要有脂質(zhì)分子構(gòu)成的屏障，故某一物質(zhì)擴(kuò)散的量（摩爾數(shù)／平方厘米／秒，即擴(kuò)散通量)取決于膜兩側(cè)該物質(zhì)的濃度差和該物質(zhì)通過(guò)膜的難易程度（即膜對(duì)該物質(zhì)的通透性)。決定擴(kuò)散通量的因素有：濃度梯度、通透性（阻力)、電場(chǎng)力（離子)、溫度、物質(zhì)脂溶性的強(qiáng)弱等。

(3) 特點(diǎn)：不需要外力幫助，也不消耗能量，是一被動(dòng)過(guò)程。不是細(xì)胞膜跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的主要形式。

2．易化擴(kuò)散

(1) 概念：不溶于脂質(zhì)或脂溶性很小的物質(zhì)，在特殊蛋白質(zhì)的協(xié)助下，由高濃度的一側(cè)通過(guò)細(xì)胞膜向低濃度的一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程，稱為易化擴(kuò)散(facilitated diffusion)。

(2) 分類：與易化擴(kuò)散有關(guān)的特殊蛋白質(zhì)有載體蛋白質(zhì)和通道蛋白質(zhì)，易化擴(kuò)散可分為：

①由通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散：細(xì)胞膜對(duì)溶解在水中的離子（如Na^+,K⁺和Laz+等)的通透性極差，但它們?cè)谝欢�條件下卻能以非常高的速度順濃度梯度和電位梯度跨過(guò)細(xì)胞膜，這是因?yàn)榧?xì)胞膜中有幫助它們轉(zhuǎn)運(yùn)的特殊蛋白質(zhì)分子幫助的結(jié)果。這些與離子易化擴(kuò)散有關(guān)的特殊蛋白質(zhì)分子，稱為離子通道（ion channeD，簡(jiǎn)稱通道。

由通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散有如下特點(diǎn)：

a．高速度：離子的移動(dòng)速度就像離子在通常的水溶液中一樣移動(dòng)的非�？欤还蕦⑴c其有關(guān)的蛋白質(zhì)分子，稱為通道。

b．開關(guān)有一定條件：大多數(shù)離子通道有門，開和關(guān)很快，且開時(shí)是全開，關(guān)時(shí)是全關(guān)。根據(jù)引起通道開關(guān)的原理的不同，可將之分為：化學(xué)門控通道(chemically-gated channel)，電壓門控通道(voltage-gated channel)和機(jī)械門控通道(mechanically-gated channel) 。

c.有選擇性：離子對(duì)通道的選擇性，取決于通道開放時(shí)水相孔道的大小和孔道壁的帶電情況。

②由載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散：主要是依賴于載體蛋白分子內(nèi)部的變構(gòu)作用。有如下特點(diǎn)：

a．  競(jìng)爭(zhēng)性抑制；

b．  飽和現(xiàn)象；

c．  結(jié)構(gòu)特異性。

3．主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

(1) 概念：細(xì)胞通過(guò)本身的某種耗能過(guò)程，將某種物質(zhì)的分子或離子由膜的低濃渡一側(cè)向高濃度一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程，稱為主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（active transport)。是人體最重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)形式。在膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中，能量只能由膜或膜所屬的細(xì)胞來(lái)供給，這就是主動(dòng)的含義。

(2) 特點(diǎn)：物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)是逆電－化學(xué)梯度進(jìn)行的；在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，細(xì)胞要代謝供能。

(3) 鈉泵：在細(xì)胞膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中研究的最充分，而且對(duì)于細(xì)胞的生存和活動(dòng)來(lái)說(shuō)可能是最重要的，是對(duì)于鈉和鉀離子的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。其與細(xì)胞膜上普遍存在的一種稱為鈉－鉀泵(sodium-potassium pump，簡(jiǎn)稱鈉泵Na⁺ pump，又稱鈉鉀依賴式ATP酶)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

①鈉泵的本質(zhì)：鈉泵是鑲嵌在膜的脂質(zhì)雙分子層中的一種特殊蛋白質(zhì)分子，它本身具有ATP酶的活性，是Na⁺－K⁺依賴式ATP酶的蛋白質(zhì)。

②鈉泵的作用：鈉泵能分解ATP使之釋放能量，在消耗代謝能的情況下逆著濃度差把細(xì)胞內(nèi)的Na⁺移出膜外，同時(shí)把細(xì)胞外的K⁺移入膜內(nèi)，因而形成和保持膜內(nèi)高K⁺和膜外高Na⁺的不均衡離子分布。啟動(dòng)或使鈉泵活動(dòng)加強(qiáng)的最重要因素是膜內(nèi)Na⁺增多和膜外K⁺增多，一般情況下，每分解一個(gè)ATP能將3個(gè)Na⁺移出膜外，同時(shí)將2個(gè)K⁺移入膜內(nèi)。

③ 鈉泵的意義：

a．  細(xì)胞膜內(nèi)高K+是許多代謝反應(yīng)進(jìn)行的必要條件。

b．  維持正常的滲透壓。

C．最重要的是建立起一種勢(shì)能貯備，即Na⁺，K⁺在細(xì)胞內(nèi)外的濃度勢(shì)能；這是可興奮組織興奮性的基礎(chǔ)，也可供細(xì)胞的其它耗能過(guò)程利用。

4．繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

(1) 概念：鈉泵活動(dòng)形成的勢(shì)能貯備，還可以用來(lái)完成其他物質(zhì)的逆濃度差跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，這種不直接利用分解ATP釋放的能量，而利用來(lái)自膜外Na+的高勢(shì)能進(jìn)行的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，稱為繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(secondaryactive transport)，或簡(jiǎn)稱聯(lián)合轉(zhuǎn)運(yùn)(cotransport)。如腸上皮細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收。

(2) 分類：可分為同向轉(zhuǎn)運(yùn)和逆向轉(zhuǎn)運(yùn)兩種形式。與聯(lián)合轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的蛋白質(zhì)，稱為轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白或轉(zhuǎn)運(yùn)體（transporter)。

5．出胞與入胞式物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

(1) 出胞：某些大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊由細(xì)胞排出的過(guò)程，稱為出胞(exocytosis),如內(nèi)分泌細(xì)胞分泌激素、神經(jīng)細(xì)胞分泌遞質(zhì)等。

(2) 入胞：細(xì)胞外的某些物質(zhì)團(tuán)塊進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程，稱為入胞（endocytosis) ,如上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞吞噬異物等。一些特殊物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，是通過(guò)被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)與膜表面的特殊受體蛋白質(zhì)相互作用而引起的，稱為受體介導(dǎo)式入胞。出胞與入胞式物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)均為耗能過(guò)程。

細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能

第二節(jié)   細(xì)胞的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能  了解

一、 通過(guò)具有特殊感受結(jié)構(gòu)的通道蛋白質(zhì)完成的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

1．化學(xué)門控通道：

2．電壓門控通道：

3．機(jī)械門控通道：

二、由膜的特異性受體蛋白質(zhì)、G-蛋白和膜的效應(yīng)器酶組成的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

1．第二信使學(xué)說(shuō)：

2．特點(diǎn)：

效應(yīng)出現(xiàn)較慢、反應(yīng)較靈敏、作用較廣泛。

3．注意：

（1)膜效應(yīng)器酶的多樣性：如腺苷酸環(huán)化酶、磷脂酶C等。

（2)第二信使的多樣性：如cAMP、三磷酸肌醇( inositol triphosphate, IP)、二酰甘油(diacylglycerol DG)等。

（3)生物放大作用：第二信使物質(zhì)的生成要經(jīng)過(guò)一系列酶催化反應(yīng)，故有放大作用。

二、 由酪氨酸激酶受體完成的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

第三節(jié)   細(xì)胞的跨膜電變化

一切活細(xì)胞無(wú)論處于安靜或活動(dòng)狀態(tài)都存在電的活動(dòng)，這種電的活動(dòng)稱為生物電。人體和各器官表現(xiàn)的電現(xiàn)象，是以細(xì)胞水平的生物電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的，而細(xì)胞生物電又是細(xì)胞膜兩側(cè)帶電離子的不均勻分布和一定形式的跨膜移動(dòng)的結(jié)果。細(xì)胞水平的生物電現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式：安靜時(shí)的靜息電位和可興奮細(xì)胞受到刺激時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)作電位。

一、 神經(jīng)和骨骼肌細(xì)胞的生物電現(xiàn)象

1．興奮性和興奮的定義及其變遷

興奮性是指細(xì)胞受到刺激時(shí)產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力

活組織或細(xì)胞對(duì)刺激(stimulus)發(fā)生反應(yīng)的能力，稱為興奮性(excitability) ,而由刺激引起的反應(yīng)，稱為興奮(excitation)，這是生理學(xué)上最早關(guān)于興奮性和興奮的定義。其中的刺激是因，反應(yīng)是果。在各種組織中，神經(jīng)、肌肉和腺體常表現(xiàn)出較高的興奮性，習(xí)慣上將它們稱為可興奮組織。隨著電生理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及研究資料的積累，興奮性和興奮的概念又有了新的含義，更加準(zhǔn)確和嚴(yán)謹(jǐn)。在近代生理學(xué)中，興奮性是指細(xì)胞受到刺激時(shí)產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力，而興奮就是指產(chǎn)生了動(dòng)作電位，或者說(shuō)產(chǎn)生了動(dòng)作電位才是興奮。興奮性的指標(biāo)——閾值

刺激：能引起生物體發(fā)生反應(yīng)的各種環(huán)境變化。按性質(zhì)可分為：①物理性刺激：如溫度,聲，光，電，機(jī)械；②化學(xué)性刺激：如酸，堿等；③生物性刺激：如細(xì)菌，病毒等。

刺激的三要素：刺激強(qiáng)度：興奮性的客觀指標(biāo)

 刺激時(shí)間

 強(qiáng)度—時(shí)間變化率

反應(yīng)有興奮和抑制兩種。

2. 靜息電位

⑴ 概念：細(xì)胞處于安靜狀態(tài)（未受刺激)時(shí)存在于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差，稱為跨膜靜息電位，簡(jiǎn)稱靜息電位（resting potential)。

⑵特征：靜息電位在大多數(shù)細(xì)胞是一種穩(wěn)定的直流電位，但不同細(xì)胞的靜息電位數(shù)值可以不同；只要細(xì)胞未受刺激、生理?xiàng)l件不變，這種電位將持續(xù)存在。

⑶幾個(gè)概念：

極化(polarization)細(xì)胞處于靜息電位時(shí)，膜內(nèi)電位較膜外電位為負(fù)，這種膜內(nèi)為負(fù)，膜外為正的狀態(tài)稱為膜的極化(polarization)

超極化(hyperpolarization)當(dāng)靜息時(shí)膜內(nèi)外電位差的數(shù)值向膜內(nèi)負(fù)值加大的方向變化時(shí)，稱為膜的超極化(hyperpolarization)

去極化或除極化(depolarization)

當(dāng)靜息時(shí)膜內(nèi)外電位差的數(shù)值向膜內(nèi)負(fù)值減小的方向變化時(shí)，稱為膜的去極化或除極化(depolarization)

復(fù)極化（repolarization)。細(xì)胞先發(fā)生去極化，然后再向正常安靜時(shí)膜內(nèi)所處的負(fù)值恢復(fù)，稱復(fù)極化（repolarization)。

反極化：

⑷靜息電位的產(chǎn)生機(jī)制

細(xì)胞產(chǎn)生靜息電位的條件為：

①在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞膜主要對(duì)K+存在通透性；

②在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)外離子分布不均勻（細(xì)胞膜內(nèi)K⁺濃度高于膜外約30倍，且膜內(nèi)有許多蛋白質(zhì)等帶負(fù)電荷的有機(jī)離子；細(xì)胞膜外的Na⁺濃度高于膜內(nèi)約13倍，Cl^-約30倍，Ca²⁺約20000倍)

3. 動(dòng)作電位

⑴概念：膜受刺激后在原有的靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生的一次膜兩側(cè)電位的快速的倒轉(zhuǎn)和復(fù)原，稱為動(dòng)作電位（action potential)。

⑵組成：在神經(jīng)纖維上，其主要部分一般在0. 5～2. 0ms內(nèi)完成，表現(xiàn)為一次短促而尖銳的脈沖樣變化，稱為峰電位(spike)；在峰電位之后，恢復(fù)到靜息電位水平以前，膜兩側(cè)電位還要經(jīng)歷一些微小而緩慢的波動(dòng)，稱為后電位；后電位又分為負(fù)后電位（去極化后電位)和正后電位（超極化后電位)。

⑶ 動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制

①峰電位的上升支：細(xì)胞受刺激時(shí)，膜對(duì)Na⁺通透性突然增大，由于細(xì)胞膜外高Na⁺，且膜內(nèi)靜息電位時(shí)原已維持著的負(fù)電位也對(duì)Na⁺內(nèi)流起吸引作用 → Na⁺迅速內(nèi)流 → 先是造成膜內(nèi)負(fù)電位的迅速消失，但由于膜外Na⁺的較高濃度勢(shì)能，Na⁺繼續(xù)內(nèi)流，出現(xiàn)超射。故峰電位的上升支是Na⁺快速內(nèi)流造成的。動(dòng)力是順電－化學(xué)梯度；條件是膜對(duì) Na⁺通透性增大。其相當(dāng)于Na⁺的平衡電位。

注意，膜對(duì)Na⁺通透性增大，實(shí)際上是膜結(jié)構(gòu)中存在的電壓門控性Na⁺通道開放的結(jié)果，因而造成上述Na⁺向膜內(nèi)的易化擴(kuò)散。

利用膜片鉗實(shí)驗(yàn)的研究表明，Na⁺通道有以下特點(diǎn)：

a．  去極化程度越大，其開放的概率也越大，是電壓門控性的。

b．  開放和關(guān)閉非常快。

c．  存在三種狀態(tài)：激活、失活（inactivation)和備用（功能恢復(fù))，是以蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即是以構(gòu)型和構(gòu)象的相應(yīng)變化為基礎(chǔ)；當(dāng)膜的某一離子通道處于失活（關(guān)閉)狀態(tài)時(shí)，膜對(duì)該離子的通透性為零，同時(shí)膜電導(dǎo)就為零（電導(dǎo)與通透性一致)，而且不會(huì)受刺激而開放，只有通道恢復(fù)到備用狀態(tài)時(shí)才可以在特定刺激作用下開放。

動(dòng)作電位的幅度決定于細(xì)胞內(nèi)外的Na⁺濃度差，細(xì)胞外液Na⁺濃度降低，動(dòng)作電位幅度也相應(yīng)降低，而阻斷Na⁺通道（河豚毒)則能阻礙動(dòng)作電位的產(chǎn)生。

②峰電位的下降支：由于Na⁺通道激活后迅速失活，同時(shí)膜結(jié)構(gòu)中電壓門控性K⁺通道開放，在膜內(nèi)電一化學(xué)梯度的作用下 → K⁺迅速外流。故峰電位的下降支是K⁺外流所致。

③后電位：負(fù)后電位一般認(rèn)為是在復(fù)極時(shí)迅速外流的K⁺蓄積在膜外側(cè)附近，暫時(shí)阻礙了K⁺外流所致。正后電位一般認(rèn)為是生電性鈉泵作用的結(jié)果。

⑶特征：有“全或無(wú)”現(xiàn)象，即在同一細(xì)胞上動(dòng)作電位的大小不隨刺激強(qiáng)度和傳導(dǎo)距離而改變的現(xiàn)象。

包含如下含義：

a．  動(dòng)作電位的幅度和形狀是“全或無(wú)”的。動(dòng)作電位要么不產(chǎn)生，一旦產(chǎn)生就達(dá)到最大值。

b．  動(dòng)作電位能沿細(xì)胞膜向周圍不衰減性傳導(dǎo)（等幅、等速和等頻)。

④注意：動(dòng)作電位是一種快速、可逆的電變化，產(chǎn)生動(dòng)作電位的細(xì)胞膜將經(jīng)歷一系列興奮性的變化：絕對(duì)不應(yīng)期 (absolute refractory period)，相對(duì)不應(yīng)期(relative refractory period) ,超常期和低常期，它們與動(dòng)作電位各時(shí)期的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：峰電位—絕對(duì)不應(yīng)期；負(fù)后電位—相對(duì)不應(yīng)期和超常期；正后電位—低常期。

⑷組織興奮時(shí)興奮性的周期性變化：

可興奮組織或細(xì)胞在產(chǎn)生一次興奮后，興奮性發(fā)生周期性的變化：絕對(duì)不應(yīng)期→ 相對(duì)不應(yīng)期 → 超常期 → 低常期。

絕對(duì)不應(yīng)期（ARP)前一刺激引起組織興奮的同時(shí)，使該組織興奮性降低到零，此時(shí)，給予任何強(qiáng)大的刺激均不能再引起興奮。

相對(duì)不應(yīng)期（RRP)：此時(shí)，興奮逐漸增高，但仍低于正常水平，要引起再次興奮，必須給予閾上刺激。

超常期：（SNP)此時(shí)興奮性高于正常，閾值減小，閾下刺激即能引起再次興奮。

低常期：（INP)興奮性略低于正常，閾值稍大，閾上刺激可引起再次興奮。

神經(jīng)細(xì)胞靜息電位和動(dòng)作電位的產(chǎn)生原理

二、 動(dòng)作電位的引起和它在同一細(xì)胞的傳導(dǎo)

1．閾電位和動(dòng)作電位的引起

(1) 閾值：剛能引起細(xì)胞興奮或產(chǎn)生動(dòng)作電位的最小刺激強(qiáng)度，稱為閾強(qiáng)度（threshold intensity)；也就是能夠使膜的靜息電位去極化達(dá)到閾電位的外加刺激的強(qiáng)度。

[閾刺激、閾下刺激和閾上刺激]此時(shí)的刺激稱為閾刺激。比閾刺激弱的刺激稱為閾下刺激；比閾刺激強(qiáng)的刺激稱為閾上刺激。閾強(qiáng)度（閾值)是衡量組織興奮性大小的較好指標(biāo)，二者呈反比關(guān)系。

(2) 閾電位：

能進(jìn)一步誘發(fā)動(dòng)作電位的去極化的臨界值，稱為閾電位（threshold membrane potential)。

2．局部興奮

(1) 概念：細(xì)胞受到閾下刺激時(shí)，也能引起少量的Na+通道開放，在受刺激的局部出現(xiàn)一個(gè)較小的膜的去極化，稱為局部興奮(local excitation)或局部反應(yīng)�；蛘哒f(shuō)是細(xì)胞受刺激后去極化未達(dá)到閾電位的電位變化。

（2)特點(diǎn)

①不是“全或無(wú)”：

②可以總和：局部興奮沒(méi)有不應(yīng)期，一次閾下刺激引起一個(gè)局部反應(yīng)雖然不能引發(fā)動(dòng)作電位，但多個(gè)閾下刺激引起的多個(gè)局部反應(yīng)如果在時(shí)間上（多個(gè)刺激在同一部位連續(xù)給予)或空間上（多個(gè)刺激在相鄰部位同時(shí)給予)疊加起來(lái)（分別稱為時(shí)間總和或空間總和)，就有可能導(dǎo)致膜去極化到閾電位，從而爆發(fā)動(dòng)作電位。

③電緊張性擴(kuò)布(electrotonic propagation)：不遠(yuǎn)傳。

局部反應(yīng)與動(dòng)作電位之比較

3．興奮在同一細(xì)胞上的傳導(dǎo)機(jī)制

⑴可興奮細(xì)胞興奮的標(biāo)志是產(chǎn)生動(dòng)作電位，因此興奮的傳導(dǎo)實(shí)質(zhì)上是動(dòng)作電位向周圍的傳播。動(dòng)作電位以局部電流（local currenm.52667788.cn/sanji/t)的方式傳導(dǎo)，直徑大的細(xì)胞電阻較小，傳導(dǎo)的速度快。有髓鞘的神經(jīng)纖維動(dòng)作電位以跳躍式傳導(dǎo)(saltatory conduction)，因而比無(wú)髓纖維傳導(dǎo)快且“節(jié)能”。動(dòng)作電位在同一細(xì)胞上的傳導(dǎo)是“全或無(wú)”式的，動(dòng)作電位的幅度不因傳導(dǎo)距離增加而減小。

⑵神經(jīng)纖維傳導(dǎo)興奮的特征：

①雙向性：在任意一點(diǎn)產(chǎn)生的動(dòng)作電位均可以向兩個(gè)方向傳播。

②絕緣性：神經(jīng)干內(nèi)有很多神經(jīng)纖維，每一條上產(chǎn)生的興奮均不影響其它神經(jīng)纖維上的動(dòng)作電位。

③相對(duì)不疲勞性：神經(jīng)纖維不管受到多大強(qiáng)度或多大頻率的刺激，始終保持其傳導(dǎo)興奮的能力。

④生理完整性

⑤不衰減性或“全或無(wú)”現(xiàn)象

第四節(jié)   肌細(xì)胞的收縮功能

本節(jié)以骨骼肌為重點(diǎn)，說(shuō)明肌細(xì)胞的收縮機(jī)制和肌肉收縮的力學(xué)表現(xiàn)。

一、 肌細(xì)胞收縮的引起和收縮的機(jī)制

1．神經(jīng)－骨骼肌接頭處的興奮傳遞

(1) 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：電鏡下，接頭前膜、接頭間隙和接頭后膜（終板膜)。

(2) 傳遞過(guò)程：當(dāng)動(dòng)作電位沿著神經(jīng)纖維傳至神經(jīng)末梢時(shí)，引起接頭前膜電壓門控性Ca²⁺通道的開放 → 膜對(duì)Ca²⁺通透性增加 → Ca²⁺內(nèi)流進(jìn)入軸突末梢 → 觸發(fā)囊泡向前膜靠近、融合、破裂、釋放遞質(zhì)Ach → Ach通過(guò)接頭間隙擴(kuò)散到接頭后膜（終板膜)并與后膜上的Ach門控通道上的兩個(gè)-亞單位結(jié)合 → 終板膜對(duì)Na⁺、K⁺（以Na⁺為主)通透性增高 → Na⁺內(nèi)流（為主)和K⁺外流 → 后膜去極化，稱為終板電位(endplatepotential) →終板電位是局部電位可以總和 → 鄰近肌細(xì)胞膜去極化達(dá)到閾電位水平而產(chǎn)生動(dòng)作電位。Ach發(fā)揮作用后被接頭間隙中的膽堿脂酶分解失活。

（3)特點(diǎn)

①單向傳遞：興奮只能從神經(jīng)纖維末梢傳向終板膜，而不能反向傳遞。

②時(shí)間延擱：大約有0.5～1.0毫秒。

③1對(duì)1的關(guān)系。

④易受環(huán)境因素和藥物的影響：如凡能影響神經(jīng)遞質(zhì)合成，釋放，受體結(jié)合以及降解的因素，箭毒可與乙酰膽堿競(jìng)爭(zhēng)受體，無(wú)終板電位產(chǎn)生，作為肌松藥。肉毒桿菌毒素可抑制接頭前膜釋放乙酰膽堿；有機(jī)磷中毒是由于它可與膽堿酯酶結(jié)合并使之失活，以致乙酰膽堿不能降解至堆積，產(chǎn)生肌肉震顫。

(4)注意

①神經(jīng)肌肉接頭處的信息傳遞實(shí)際上是“電－化學(xué)－電”的過(guò)程。

②終板電位是局部電位。

③ Ach是在軸槳中合成后儲(chǔ)存于囊泡內(nèi)。每個(gè)囊泡中儲(chǔ)存的Ach量通常是相當(dāng)恒定的，釋放時(shí)是通過(guò)出胞作用，以囊泡為單位傾囊釋放，稱為量子式釋放(quantalrelease)。

2.骨骼肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)

骨骼肌細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上最突出之處是含大量肌原纖維和發(fā)達(dá)的肌管系統(tǒng)，且在排列上是高度規(guī)則有序的。

(1) 肌原纖維和肌小節(jié)：

粗肌絲

細(xì)肌絲

(2) 肌管系統(tǒng)：包繞在每一條肌原纖維周圍的膜性囊管狀結(jié)構(gòu)，稱為肌管系統(tǒng)。包括橫管系統(tǒng)和縱管系統(tǒng)。

①橫管系統(tǒng)（T管)：是肌細(xì)胞膜沿Z線垂直肌原纖維走向向內(nèi)凹陷而環(huán)繞肌原纖維的管道。作用是將肌細(xì)胞膜興奮時(shí)出現(xiàn)的電變化(AP) 沿T管膜傳入細(xì)胞內(nèi)部。

②縱管系統(tǒng)(L管，肌漿網(wǎng))及終末池(terminal cistern)。作用是通過(guò)對(duì)Ca²⁺的儲(chǔ)存、釋放和再聚集，觸發(fā)肌小節(jié)的收縮和舒張。

③三聯(lián)管結(jié)構(gòu)：每一條橫管和兩側(cè)的終末池構(gòu)成三聯(lián)管結(jié)構(gòu)，它是興奮－收縮藕聯(lián)的關(guān)鍵部位。

3.骨骼肌細(xì)胞的興奮－收縮耦聯(lián)過(guò)程

(1) 概念：

在以膜的電變化為特征的興奮過(guò)程和以肌纖維機(jī)械變化為基礎(chǔ)的收縮過(guò)程之間，存在著某種中介性過(guò)程把二者聯(lián)系起來(lái)，這一過(guò)程稱為興奮一收縮耦聯(lián)（excitation-contraction coupling)。

(2) 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：

肌管系統(tǒng)，關(guān)鍵部位為三聯(lián)管結(jié)構(gòu)。

⑶ 基本過(guò)程

①電興奮通過(guò)橫管系統(tǒng)傳向肌細(xì)胞深處。

②三聯(lián)管結(jié)構(gòu)處的信息傳遞。

③縱管系統(tǒng)對(duì)Ca²⁺的貯存、釋放和再聚積。其中，Ca²⁺在興奮一收縮耦聯(lián)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

4.骨骼肌收縮的分子機(jī)制

肌絲滑行的基本過(guò)程

肌細(xì)胞膜興奮傳導(dǎo)到終末池→ 終末池Ca²⁺釋放 → 肌漿Ca²⁺濃度增高 → Ca²⁺與肌鈣蛋白結(jié)合 → 原肌凝蛋白變構(gòu)，暴露出肌纖蛋白上的橫橋結(jié)合位點(diǎn) → 橫橋與肌纖蛋白結(jié)合 → 橫橋ATP酶激活分解ATP釋放能量 → 橫橋扭動(dòng)→細(xì)肌絲向粗肌絲滑行 → 肌小節(jié)縮短。

肌肉舒張過(guò)程與收縮過(guò)程相反。由于舒張時(shí)肌漿內(nèi)鈣的回收需要鈣泵作用，因此肌肉舒張和收縮一樣是耗能的主動(dòng)過(guò)程。

5.骨骼肌收縮的外部表現(xiàn)和力學(xué)分析

(1) 骨骼肌的收縮形式

①等長(zhǎng)收縮和等張收縮

a．等長(zhǎng)收縮：肌肉收縮時(shí)只有張力的增加而無(wú)長(zhǎng)度的縮短，稱為等長(zhǎng)收縮( isometric contraction)。例知人站立時(shí)對(duì)抗重力的肌肉收縮是等長(zhǎng)收縮，這種收縮因無(wú)位移，而沒(méi)有做功。其作用是保持一定的肌張力，維持人體的位置和姿勢(shì)。

b。等張收縮：肌肉收縮時(shí)只有長(zhǎng)度的縮短而張力保持不變，稱為等張收縮（isotonic contraction)。是在肌肉收縮時(shí)所承受的負(fù)荷小于肌肉收縮力的情況下產(chǎn)生的，即肌肉的收縮力除克服負(fù)荷，還可使物體產(chǎn)生位移，所以做功。整體情況下常是等長(zhǎng)、等張都有的混合形式的收縮。

② 單收縮和復(fù)合收縮

a．單收縮：骨骼肌受到一次刺激，先是產(chǎn)生一次動(dòng)作電位，隨后會(huì)出現(xiàn)一次機(jī)械收縮，稱為單收縮(single twich)�？煞譃槿齻�(gè)時(shí)期：潛伏期、收縮期和舒張期。

b. 復(fù)合收縮：連續(xù)脈沖刺激頻率較高時(shí)，刺激間隔時(shí)間短于單個(gè)單收縮持續(xù)的時(shí)間，肌肉發(fā)生收縮復(fù)合，稱為復(fù)合收縮。肌肉發(fā)生復(fù)合收縮時(shí)，出現(xiàn)了收縮形式的復(fù)合，但引起收縮的動(dòng)作電位仍是獨(dú)立存在的。復(fù)合收縮又分為不完全強(qiáng)直收縮和完全強(qiáng)直收縮。

不完全強(qiáng)直收縮(incomplete tetanu)每次新的收縮都出現(xiàn)在前次收縮的舒張期過(guò)程中，表現(xiàn)為鋸齒形的收縮曲線。

完全強(qiáng)直收縮(complete tetanus)刺激頻率更高時(shí)，每次新的收縮都出現(xiàn)在前次收縮的收縮期過(guò)程中，表現(xiàn)為機(jī)械反應(yīng)的平緩增加。強(qiáng)直收縮的張力比單收縮強(qiáng)3-4倍。

單收縮和復(fù)合收縮

(2) 影響骨骼肌收縮的主要因素

①前負(fù)荷：

肌肉收縮前已存在的負(fù)荷，稱為前負(fù)荷(preload)。前負(fù)荷使肌肉在收縮前就處于某種被拉長(zhǎng)的狀態(tài)，使其具有一定的長(zhǎng)度，稱為初長(zhǎng)度(initial length)。能產(chǎn)生最大張力的肌肉初長(zhǎng)度，稱為最適初長(zhǎng)度；此執(zhí)業(yè)獸醫(yī)時(shí)的前負(fù)荷稱為最適前負(fù)荷。達(dá)到最適前負(fù)荷后再增加負(fù)荷或增加初長(zhǎng)度，肌肉收縮力降低�？梢�(jiàn)，一定范圍內(nèi)肌肉初長(zhǎng)度與肌張力呈正變；超過(guò)一定值，呈反變。

②后負(fù)荷：

在肌肉開始收縮時(shí)才能遇到的負(fù)荷或阻力，稱為后負(fù)荷（afterload)。它不增加肌肉的初長(zhǎng)度，但能妨礙收縮時(shí)肌肉的縮短。肌肉在有后負(fù)荷的條件下收縮時(shí)，總是張力增加在前，縮短在后；適度后負(fù)荷作功最佳。后負(fù)荷與肌肉縮短速度呈反比關(guān)系。

③肌肉收縮能力的改變：

可以影響肌肉收縮效果的肌肉內(nèi)部功能狀態(tài)，稱為肌肉收縮能力(contractility)。肌肉本身的機(jī)能狀態(tài)是可以改變的，從而影響肌肉收縮的效率。如鈣離子、腎上腺素、咖啡因等可提高肌肉收縮的效果；而缺氧、酸中毒、低血糖等因素可降低肌肉收縮的效果。

二、平滑肌的結(jié)構(gòu)和生理特性   略

[電刺激神經(jīng)—肌肉標(biāo)本的神經(jīng)引起肌肉收縮的過(guò)程]：

電刺激神經(jīng)纖維去極化達(dá)閾電位

↓

神經(jīng)纖維興奮，產(chǎn)生動(dòng)作電位

↓

 動(dòng)作電位以局部電流形式傳到神經(jīng)末梢

↓

興奮-分泌偶聯(lián) 鈣離子進(jìn)入軸突末梢

↓

軸突末梢量子式釋放遞質(zhì)乙酰膽堿

↓

化學(xué)接收 —— 質(zhì)經(jīng)過(guò)接頭間隙與終板膜是N₂受體結(jié)合

↓

   終板膜對(duì)鈉離子（和鉀)通透性增高而產(chǎn)生動(dòng)作電位

 ↓（酰膽堿被膽堿酯酶破壞)

鄰近肌膜去極化達(dá)閾電位而產(chǎn)生肌膜動(dòng)作電位

   ↓

興奮收縮偶聯(lián) 肌細(xì)胞作電位沿橫管傳到細(xì)胞內(nèi)部

↓

  肌質(zhì)網(wǎng)終池釋放鈣離子入肌漿

↓

鈣離子與肌鈣蛋白結(jié)合，暴露肌纖蛋白上一粗肌絲結(jié)合的位點(diǎn)

↓

成橫橋連接，細(xì)肌絲沿粗肌絲向M線滑行，使肌小節(jié)縮短

↓（沒(méi)有動(dòng)作電位傳來(lái)時(shí))

鈣離子被泵回肌質(zhì)網(wǎng)

↓

舒張過(guò)程鈣離了脫離肌鈣蛋白

↓

粗細(xì)肌絲間的相互作用停止，細(xì)肌絲彈性回位