生理学基础 细胞基本功能

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,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,1014,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,：,不直接消耗能量；,顺电,-,化学梯度进行,分类,：,单纯扩散；,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,O,2,、,CO,2,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、,Ca,2+,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,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,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),膜电位状态,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,：,安静时膜内高,K,+,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,）,-70 mv,+30 mv,+30 mv,-70 mv,2.,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),（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,(resting potential RP),。,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,。,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,-,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,膜内外存在,Na,+,的浓度差,:,Na,+,i,Na,+,O, 110,；,即细胞膜外,Na,+,浓度比细胞膜内高,10,倍左右。,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：,AP,的去极相：由,Na,快速内流形成,Na,通道阻断剂,：,河豚毒（,TTX,）,AP,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,）,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。,不具有,“,全或无,”,现象。,依电紧张方式扩布。,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，钠通道被激活开放，钠离子大量内流，形成动作电位去极相。,失活,状态,：超射值的顶点后钠通道开放的概率几乎下降到零，已进入失活状态而不再打开。,这种由,膜电位,决定其功能状态的通道，称为,电压依赖式通道。,（五）兴奋在同一细胞上的传导,1.,传导机制：,局部电流,2.,传导方式,：,无髓鞘,神经纤维,:,依次传导,(,为近距离局部电流,),有髓,鞘神经纤维,:,跳跃式传导,(,为远距离局部电流,),细胞受刺激产生,AP,时：,(1),膜对,Na,+,通透性突然增大,(2)Na,+,大量内流并达,Na,+,平,衡电位,( AP,的顶点,),AP,上升支的产生机制,Na,+,快速内流,（二）动作电位的产生机制,在,Na,+,通道失活的同时，,激活,K,+,通道，使之开放，,K,+,外流,。,AP,下降支的产生机制,K,+,外流,（三）动作电位的引起和传导,动作电位的引起,膜内负电位去极化到能引起动作电位的临界值。,阈电位的绝对值比静息电位小,10mV,20mV,阈值（阈强度、阈刺激）：,阈电位：,引起细胞产生,AP,所需要的最小刺激强度。,阈上刺激,比阈刺激强的刺激。,阈下刺激,比阈刺激弱的刺激。,所以，,AP,引起的关键是,:,刺激要达阈值,阈电位,AP,膜去极化,大量,Na,+,通道开放,即：不管哪种性质的刺激（物理、,化学、机械、电），只要能使膜去极化,达阈电位，即可自动引起,AP,的爆发。,局部反应（,局部电位）,在细胞受到阈下刺激的局部所产生的小于阈电位的去极化。,特点：,(1),不是“全或无”,(2),电紧张传播，不能远传,(3),可以叠加。,2.,动作电位的传导：,局部电流,动作电位特征,:,(1)“,全或无”性质,:,动作电位的幅度和形状是“全或无” 的；,(2),可传播性：动作电位能沿细胞膜向周围不衰减性传导。,第三节 肌细胞的收缩功能,肌组织的分类：,形态学特点,:,横纹肌、平滑肌,功能特性,:,骨骼肌、心肌、平滑肌,神经支配,:,随意肌、非随意肌,一、骨骼肌的收缩原理,骨骼肌细胞内含有大量的肌原纤维,骨骼肌,(,横纹肌,),的细微结构,肌原纤维和肌小节,肌小节,是指肌原纤维上相邻两条,Z,线之间的区域,是肌细胞收缩、舒张的最基本功能单位。,肌动蛋白（肌纤蛋白）、原肌球蛋白,(,原肌凝蛋白,),和肌钙蛋白组成。,细肌丝,粗肌丝,肌球蛋白（,肌凝蛋白,）组成，,形似豆芽，分为头部,(,横桥）和杆部。,肌丝的分子组成,1.Ca,2+,肌钙蛋白与,Ca,2+,结合,2.,肌钙蛋白变构,原肌凝蛋白变构、移位, 暴露肌动蛋白上横桥的结合位点, 横桥与之结合,3.,横桥,ATP,酶激活,ATP,供能,横桥扭动、肌小节缩短,4.Ca,2+,肌钙蛋白与,Ca,2+,分离,横桥与肌动蛋白分离,细肌丝弹性回位,肌小节恢复初长,原肌凝蛋白复位,收缩的过程,-,肌丝滑行学说,概念：将肌细胞的兴奋和机械收缩联系起来的中介过程，称为兴奋,-,收缩耦联。,结构基础：肌管系统，关键部位为三联管结构。,二、骨骼肌的兴奋-收缩耦联,肌膜上的,AP,经横管传向肌细胞深处,三联管结构处的信息传递,肌质网对,Ca,2+,的释放和再聚集,兴奋,-,收缩耦联的主要步骤,Ca,2+,结构基础：,三联管,关键物质：,三、骨骼肌的收缩形式,（一）等长收缩与等张收缩,等长收缩,肌肉收缩时只有张力的增加而无长度的缩短,等张收缩,肌肉收缩时只有长度的缩短而肌张力保持不变,（二）单收缩与强直收缩,章 小 结,1.,细胞膜是细胞的屏障，也是各类物质进出细胞的场所，它以单纯扩散、易化扩散、主动转运和入胞与出胞等形式对不同的物质进行转运。,2.,细胞在安静状态下，膜两侧的电位为静息电位，当受到有效刺激后转为动作电位。动作电位是细胞兴奋的标志，是人体内信息传递的重要方式。,3.,肌肉收缩是细肌丝在粗肌丝之间滑行的结果。兴奋收缩耦联的关键物质是,Ca,2+,，结构基础是三联管。,