《生理学基础》第二章-细胞的基本功能

人民卫生出版社第二章细胞的基本功能生理学基础章目录1细胞膜的物质转运功能2细胞的生物电现象3肌细胞的收缩功能重点与难点细胞膜转运物质的主要方式及特点；静息电位和动作电位的概念和产生的离子基础。细胞生物电产生原理；骨骼肌收缩机制。细胞是构成人体最基本的结构和功能单位。人体各器官和系统的功能活动都与构成该器官和系统的细胞群体密不可分。人体内共有10^14个，按其功能可分为两百余种。每一种细胞主要执行一种特定的功能，也有的细胞可执行多种功能，但对所有细胞或某些细胞群体而言，许多基本的功能活动具有普遍性。第一节细胞膜的物质转运功能细胞膜是包被在细胞表面的薄膜，是具有特殊结构和功能的半透膜；将细胞内容物与细胞外液隔开，使细胞独立地存在；直接与内环境接触，是物质进出细胞及信息传递的必经之路。细胞膜的主要功能：1.屏障作用：使细胞内各种物质成分保持相对稳定，及物质在细胞内、外的浓度差。2.物质转运功能：营养物质与代谢产物的进入和排出都经过细胞膜转运。3.受体功能：细胞膜受体具有识别和接受刺激信号的能力，并引起细胞内信号转导过程。细胞膜的分子排列结构，目前公认的是“液态镶嵌模型”。其基本内容为：细胞膜是以液态脂质双分子层为基本骨架，其中镶嵌着不同生理功能的蛋白质，细胞膜的外表面的糖类分子，与脂质和蛋白质形成糖脂或糖蛋白。脂质：又称脂类，由脂肪酸和醇作用生成的酯及其衍生物统称为脂类，这是一类一般不溶于水而溶于脂溶性溶剂的化合物。脂类包括油脂（甘油三酯）和类脂（磷脂、固醇类）细胞膜脂质中，磷脂占总量的70%,胆固醇占30%，糖脂10%脂质双层是细胞膜的基本骨架细胞膜的功能主要是通过膜蛋白来实现的细胞膜的糖类物质与蛋白质或脂质结合，生成糖蛋白或糖脂，具有受体或抗原的功能在新陈代谢过程中，细胞不断地通过细胞膜与内环境进行物质交换。而交换的物质种类繁多，理化性质各异，这决定了进出细胞的形式也是多种多样的。常见的物质跨膜转运形式包括四种类型。细胞膜脂质双层是一个天然屏障，各种离子和水溶性分子都很难穿越细胞膜脂质双层的疏水区，从而使胞质中溶质的成分和浓度与细胞外液显著不同。一、细胞膜的物质转运功能小分子物质或离子的跨膜运转根据其是顺浓度差还是逆浓度差，或消耗能量与否，分为被动转运和主动转运两大类：被动转运是指小分子物质顺电位差或化学梯度的转运过程。特点：①不直接消耗能量；②顺电-化学梯度进行分类：①单纯扩散；②易化扩散转运速率取决于膜两侧该物质的浓度差（高→低）膜对该物质的通透性脂溶性小分子一、单纯扩散1.定义脂溶性小分子物质由细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧转运的过程。2.转运的物质O2、CO2特点：不需要外力帮助；也不消耗能量；被动过程。二、易化扩散1、定义非脂溶性小分子物质或离子由细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧转运的过程。2、帮助易化扩散的膜蛋白载体、通道需要膜蛋白帮助；也不消耗能量；被动过程；类型经载体扩散经通道扩散特点载体转运特点特异性饱和性竞争性抑制不同的通道有不同的离子选择性：Na+通道、K+通道、Ca2+通道、Cl-通道不同的通道有不同的开闭控制条件：化学门控通道电压门控通道(1)膜两侧(外侧)化学信号(2)膜两侧的电位差(3)机械刺激通道转运特点：机械门控通道离子移动的方向取决于该离子在膜两侧的浓度差和电位差三、主动转运1.定义逆浓度差、逆电位差（低→高）需要泵蛋白帮助消耗能量膜上“泵”的作用，由低浓度一侧向高浓度一侧转运。2.特点3.意义膜内外不均衡离子分布正常情况下，K+、Na+在细胞内外的分布有很大的不同，以神经细胞为例：K+Na+细胞内细胞外30倍12倍这种不均衡的离子分布在所有细胞膜两侧普遍存在，是通过消耗能量来形成和维持的。主动转运与被动转运的区别：主动转运被动转运顺浓度差顺电位差逆浓度差逆电位差不直接耗能消耗能量1.入胞指细胞外大分子物质或物质团块（细菌、病毒、异物等）进入细胞的过程。吞噬吞饮四、入胞和出胞2.出胞内分泌腺分泌激素外分泌腺分泌酶粘液神经末梢分泌神经递质胞纳和胞吐细胞通过膜的变形和破裂，使某些大分子物质或团块进出细胞的过程，分别称为出胞和入胞。出胞和入胞均需消耗能量，故也属于主动转运。胞吐:是指细胞内某些大分子物质或物质团块排出细胞的过程，又称出胞。如：分泌胞纳:指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过程，又称胞纳入胞。如：吞噬；吞饮。胞吐示意图胞纳示意图第二节细胞的生物电现象任何组织细胞在产生功能活动之前，最先在细胞膜上产生的是生物电变化。生物电现象静息电位动作电位安静状态——静息电位(RP)兴奋状态——动作电位(AP)膜电位:生物细胞以膜为界，膜内外的电位差简称跨膜电位。1.细胞的跨膜静息电位：(RP)静息电位:细胞处于安静状态时，膜内外存在的电位差。静息电位的范围：-10～-100mV之间极化:以膜为界，外正内负的状态。（一）静息电位的概念安静时细胞膜两侧的电位差神经细胞、骨骼肌细胞-70mV～-90mV平滑肌细胞：-55mV红细胞：-10mV一、静息电位(RP)极化：安静时膜两侧稳定的内负外正的状态。去极化：膜内负电位减小的过程。反极化：膜内电位由零变为正值的过程。复极化：膜电位恢复到极化的过程。超极化：膜内负电位超过静息电位的过程。只对K+有通透性对其他离子通透性极低——K+外流K+外流的动力：膜内的高K+势能K+外流的条件：安静时膜对K+有通透性（二）静息电位的产生机制条件：①安静时膜内高K+②安静时膜对K+的通透性高细胞受到有效刺激时，细胞膜在静息电位的基础上发生一次快速的、可传导的电位变化，称为动作电位。是细胞兴奋的标志。（1）上升支（去极相）（2）下降支（复极相）（一）动作电位的概念二、动作电位（AP）-70mv～+30mv+30mv～-70mv2.细胞的动作电位：(AP)动作电位：神经细胞、肌肉细胞在受到刺激发生兴奋时细胞膜在原有静息电位的基础上发生一次迅速而短暂的电位波动，细胞兴奋时发生的这种短暂的电位波动是细胞兴奋的指标。去极化上升支反极化或超射锋电位下降支—复极化动作电位后电位负后电位正后电位单一神经或肌细胞动作电位的特性：1.“全或无”定律2.可扩播性3.不衰减传导去极相上升支下降支动作电位的图形刺激局部电位阈电位去极化零电位反极化（超射）复极化后电位（负、正）复极相锋电位、后电位去极化（除极）：膜内、外电位差向小于RP值的方向变化的过程。(例如由-70→-50mV)反极化（超射）:细胞膜由外正内负的极化状态变为内正外负的极性反转过程。复极化:去极化后再向极化状态恢复的过程。超极化:RP的绝对值增大(例如由-70→-90mV)离子浓度（mmol/L）主要离子膜内膜外膜内与膜外离子比例膜对离子通透性Na+141421:10通透性很小K+155531:1通透性大Cl-81101:14通透性次之A-60154:1无通透性（三）生物电现象产生的机制细胞膜对各种离子的通透性不同：安静时：K+＞Cl-＞Na+＞A-兴奋时：膜对Na+的通透性突然增大1.细胞膜内外两侧的离子分布2.静息电位与K+的平衡电位细胞处于安静状态时，膜内外两侧存在的电位差，称为静息电位(restingpotentialRP)。RP实验现象：1.证明静息电位的实验（甲）当A、B电极都位于细胞膜外，无电位改变，证明膜外无电位差。（乙）当A电极位于细胞膜外，B电极插入膜内时，有电位改变，证明膜内、外间有电位差。（丙）当A、B电极都位于细胞膜内，无电位改变，证明膜内无电位差。①静息状态下细胞膜内、外离子分布不均：细胞膜外的主要是Na+、Cl-细胞膜内的主要是K+、A-②静息状态下细胞膜对各种离子的通透性不同：通透性：K+＞Cl-＞Na+＞A-静息状态下细胞膜主要对K+有通透性。§静息电位的产生条件膜内：膜外：静息状态下细胞膜主要对K+有通透性：促使K+外流的动力：膜两侧[K+]的浓度差，阻止K+外流的阻力：膜两侧的电位差当动力（浓度差）＝阻力（电位差）K+的跨膜净通量＝零，此时的电位差值称为K+的平衡电位。∴静息电位（RP）=K+的平衡电位3.动作电位与Na+的平衡电位动作电位（AP）是细胞受到刺激后，在静息电位基础上发生的一次可扩布的快速而可逆的电位变化，（1）动作电位产生的条件①膜内外存在[Na+]的浓度差:[Na+]i＜[Na+]O≈1∶10；即细胞膜外Na+浓度比细胞膜内高10倍左右。②膜受到刺激时，对Na+的通透性突然增加：即细胞膜上的电压门控性Na+通道激活开放。3.动作电位的产生机制细胞膜电压门控性Na+通道激活开放，Na+内流•促使Na+内流的动力：Na+浓度差、电场引力•阻止Na+内流的阻力：电位差当动力和阻力达到动态平衡时，Na+的净扩散通量为零，此时的电位差值称为Na+的平衡电位。Na+通道失活，K+继续外流，使膜电位恢复到RP水平。[Na+]i↑、[K+]O↑→激活Na+－K+泵细胞受到刺激时细胞膜上少量Na+通道激活而开放Na+顺浓度差少量内流→膜内外电位差↓→局部电位当膜内电位变化到阈电位时→Na＋大量内流膜内负电位减小到零并变为正电位（超射）Na+通道关→Na+内流停+同时K+通透性增加K＋顺浓度差和膜内正电位的吸引→K＋迅速外流膜内电位迅速下降，恢复到RP水平（AP下降支）∵[Na+]i↑、[K+]O↑→激活Na+－K+泵Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平→后电位（1）AP的产生机制结论：①AP的去极相：由Na＋快速内流形成Na＋通道阻断剂：河豚毒（TTX）②AP的复极相：是Na＋内流停止、K＋外流形成K＋通道阻断剂：四乙胺（TEA）③复极后：Na＋－K＋泵加速活动，排Na＋摄K＋二、兴奋的引起和兴奋在同一细胞上的传导（一）刺激引起兴奋的条件刺激的种类：化学、机械、温度、光、电、声等。刺激需要具备三个条件：一定的强度一定的持续时间一定的时间－强度变化率电刺激仪提供的电刺激操作方便、刺激的条件易于控制，对组织、细胞不易损伤且重复性好。为研究刺激的各参数之间的相互关系，可固定一个参数值，观察其余两个参数的相互关系。例如：当使用方波电脉冲作为刺激时,时间－强度变化率固定不变。↑强度刺激的持续时间时间→实验结果描绘曲线如下：时间－强度曲线日常应用中，最简便的方法是采用阈值作为衡量组织兴奋性高低的指标。即：在刺激作用时间和强度－时间变化率固定不变的条件下，能引起组织细胞兴奋所需的最小刺激强度即为强度阈值。阈值∝1/兴奋性达到强度阈值的刺激称为阈刺激，强度小于阈值的刺激称为阈下刺激，强度大于阈值的刺激称为阈上刺激。（二）阈电位与动作电位直流电刺激仪阈电位：膜电位去极化达到能触发细胞膜产生动作电位的临界膜电位。阈刺激：是从外部加给细胞的刺激强度，是膜被动去极化到阈电位的外部条件。阈电位：是从细胞膜本身膜电位的数值来考虑，是膜自动去极化产生动作电位的膜本身条件。简而言之，外部给细胞一个阈刺激，使细胞的膜电位到达阈电位因而爆发动作电位。阈刺激和阈电位的概念不同，但对于导致细胞最后产生动作电位的结果相同，故都能反映细胞的兴奋性。阈电位一般比静息电位的绝对值小10～20mV，如：神经和肌肉细胞，阈电位为-50～-70mV。（三）阈下刺激、局部反应及其总和概念：阈下刺激引起的低于阈电位的去极化（即局部电位），称局部兴奋。①不具有“全或无”现象。②依电紧张方式扩布。③具有总和效应。即可产生时间性和空间性总和。。局部反应的特点：医学全在线网站时间性总和空间性总和（四）细胞兴奋及其恢复过程中兴奋性的规律变化及其本质分期与AP对应关系兴奋性刺激绝对不应期锋电位无任何强大刺激相对不应期负后电位前期渐恢复阈上刺激超常期负后电位后期＞正常阈下刺激低常期正后电位＜正常阈上刺激细胞在一次兴奋后其兴奋性要经历一个周期性变化过程。（兴奋周期）绝对不应期的长短决定了组织在单位时间内所能接受刺激产生兴奋的次数。离子通道的三种功能状态：以钠通道为例备用状态：通道处于静息状态，但能因刺激而使之开放。激活状态：细胞受刺激而兴奋时，钠通道被激