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1、宁波大学医学院,大学生理学,汤治元,细胞膜的功能 1.屏障功能 2.物质交换功能 3.接受刺激,传递信息 4.对离子有选择通透性,一、细胞膜的结构与成分（一）细胞膜的构造模型 在电子显微镜下分为三层由脂类、蛋白质和糖类等物质组成，以蛋白质和脂质为主，糖类只占极少量。流体镶嵌模型:膜的共同结构特点是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、因而也具有不同生理功能的蛋白质。膜的脂质中以磷脂类为主，约占脂质总量的60%以上；其次是胆固醇，一般低于30%；还有少量属糖脂分子和鞘脂类的脂质10%。,（二）细胞膜的脂质 细胞膜中的磷脂主要有四种：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰
2、肌醇。磷脂的基本结构是：一分子甘油的两个羟基同两分子脂酸相结合，另一个羟基则同一分子磷酸结合，后者再同一个碱基结合。,（三）细胞膜的蛋白质 外周蛋白质:蛋白质以其肽链中带电的氨基酸基团，与膜两侧的脂质极性基团相互吸引，使蛋白质分子像是附着在膜的表面。结合蛋白质:有些蛋白质分子的肽链则可以一次或反复多次贯穿整个脂质双分子层，疏水的-螺旋正好与膜内疏水性烃基相吸引，肽链两端露出在膜的两侧。膜结构中的蛋白质，具有不同的分子结构和功能。生物膜所具有的各种功能，在很大程度上决定于膜所含的蛋白质。,（四）细胞膜的糖类 细胞膜所含糖类甚少，主要是一些寡糖和多糖链，它们都以共价键的形式和膜脂质或蛋白质结合，形
3、成糖脂和糖蛋白；糖链的意义:以其单糖排列顺序上的特异性，作为它们所在细胞或它们所结合的蛋白质的特异性“标志”。,二、细胞膜的物质转运功能（一）扩散与渗透 扩散的定义：高浓度区域中的溶质分子有向低浓度区域的净移动。脂溶性小分子物质。渗透的定义：水分子由膜渗透压低的一侧向渗透压高的另一侧的转移。转运条件：浓度梯度、渗透压梯度。单纯扩散 疏水性小分子及极性分子能迅速地经扩散通过脂双层膜。是单纯的物理过程的跨膜物质转运方式称为单纯扩散。,二、细胞膜的物质转运功能（二）易化扩散 1、定义：水溶性小分子物质（不溶于脂质，或溶解度很小的物质）借助于膜蛋白的帮助顺浓度梯度或电位梯度的跨膜转运。2、类型：1）以
4、载体为介导的易化扩散 小分子物质 2）以通道为介导的易化扩散 离子,3、载体：是指细胞膜上一类特殊蛋白质，它能在物质高浓度一侧与其发生特异性结合，诱发具体过程尚不完全清楚的构象变化，把物质转运到低浓度一侧并解离。4、通道：常与一些带电离子的跨膜扩散有关。通道蛋白质有多种，如Ca2+通道有3种，K+通道达7种以上。通道区分为化学依从性通道（如ACh道）和电压依从性通道（如Na+道）等。,（三）主动转运 1、一些离子在细胞内外的分布存在显著差别。细胞之所以能维持这种恒定的离子梯度差，是由于细胞膜具有逆浓度梯度转运物质的功能，称为主动转运。2、电化学梯度(electrochemical gradie
5、nt)：被运送物质如果带有电荷，则转运逆两个梯度，一是浓度梯度，二是电荷梯度，这二者总和称为 3、钠泵：由催化亚单位和一个糖蛋白以四聚体形式存在于膜上。钠泵的活动需要Na+和K+的特定分布（Na+在膜内、K+位于膜外）时才能分解胞内的ATP提供能量而进行，因此又被称为Na+-K+依赖式ATP酶。,3、钠泵生理意义：首先细胞内高K+水平是许多代谢反应的必备条件；其次维持细胞内外离子不均匀分布，建立起一种势能贮备可以完成许多生理功能。4、主动转运类型：1）继发性主动转运：间接利用了细胞提供的能量完成的逆梯度物质转运又可称为或次级主动转运。2）原发性主动转运：像Na+泵活动则称为或初级主动转运。同方
6、向进行，叫做同向协同转运，反向进行叫做反向协同转运。,（四）入胞和出胞作用 入胞作用：细胞从外界吸附的大分子或颗粒，逐渐被细胞膜的一小部分包围、内陷，其后从细胞膜上脱落下来而形成含有摄入物质的细胞内囊泡的过程，称为入胞或内吞作用。入胞作用分3种形式：细胞摄取的是固体物质，可形成大的囊泡称吞噬作用；以小的囊泡形式将细胞周围的微滴状液体吞入细胞内的过程称胞饮作用；以被内吞物（配体）与细胞表面的专一性膜蛋白（受体）结合为起始的入胞称为受体介导式入胞。出胞作用：其过程与入胞作用类似而走向相反。,生物电现象:生命活动过程中出现的电现象称为生物电现象。兴奋性(excitability)：一切活组织或细胞，
7、当其周围环境条件迅速改变时，有产生动作电位并发生反应的能力或特性。刺激(stimulus):引起反应的环境条件的迅速变化称为刺激。,可兴奋细胞(excitable tissue):在动物组织中，通常以神经细胞和肌细胞以及腺细胞表现出较高的兴奋性，因此被称为可兴奋细胞或可兴奋组织(excitable tissue)。兴奋(excitation)：由相对静止状态转变为显著活动状态，或由活动弱活动强。抑制(inhibition)：另一种是由显著活动状态转变为相对静止状态，或由活动强变为活动弱。,跨膜电位 静息电位（resting potential）:细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差，称为
8、静息电位或膜电位。其表现为膜同侧表面上各点间电位相等，通常呈膜外为正、膜内为负的极化状态。动作电位（action potential）:可兴奋组织受到刺激而发生兴奋时，细胞膜原来的极化状态迅速消失，并继而发生倒转和复原等一系列电位变化，称为动作电位。,一、静息电位与动作电位（一）静息电位 静息电位的形成机制（K+平衡电位）：1、细胞内外钠钾等离子不均匀。2、静息时，细胞膜对钾离子通透性高，而对钠离子等相对不通透。3、浓度差促进细胞内的钾外流，而钾外流时建立的电位差则阻止K+继续外流。4、当浓度差与电位差各自作用达到相对平衡时，即形成所谓的静息电位。,一、静息电位与动作电位（二）动作电位 动作电
9、位产生的机制 以神经细胞为，外来刺激先引起膜对Na+通透性突然增大，Na+大量内流，导致膜电位迅速去极化乃至反极化，构成动作电位的上升支，时间少于1ms；在此过程中Na+通道很快关闭而K+通道（不同于形成静息电位时的K+泄漏通道）大量开放，膜内K+大量外流使膜电位迅速恢复，构成动作电位下降支。,一、静息电位与动作电位 神经细胞的动作电位可大体看作两部分：锋电位：开始是一个短促而尖锐的脉冲，习惯称 后电位：其后是在静息电位水平上下的微小而缓慢的电位波动称 锋电位包括:去极化、反极化（也称超射，overshoot）和恢复极化的下降支3个阶段。后电位包括:负后电位和正后电位（超极化状态）两个阶段。神
10、经冲动:是指一个个沿着神经纤维传导的动作电位或锋电位。,（二）阈电位：膜去极化到某一临界状态时，能够引起钠通道大量开放和膜电位变化，此临界膜电位称阈电位。（三）动作电位时相和细胞的兴奋性 绝对不应期：兴奋一个非常短暂出现时期。此期内无论第二次刺激强度多大，都不能使它再次兴奋，又称为乏兴奋期。相对不应期：绝对不应期后出现。此期内，第二个刺激有可能引起新的兴奋，但所用的刺激强度必须超过该组织通常所需的阈强度。在相对不应期之后，组织还要经历一段兴奋性，先是轻度增高继而又低于正常的较缓慢的变化时期，分别称为超常期和低常期。,三、电刺激引起细胞兴奋的过程和条件 刺激：能引起机体感受到的各种内外环境变化。
11、阈强度或阈刺激：在刺激时间固定的情况下可使组织发生兴奋的最小刺激强度，简称阈值。衡量兴奋性高低的指标：阈值。阈上刺激：凡刺激强度高于阈值的刺激。阈下刺激：低于阈值的刺激。条件：强度、变化率、作用时间。,五、电刺激引起细胞兴奋的过程和条件（一）神经纤维传导的一般特性（二）神经传导机制 不衰减性传导：动作电位一旦在细胞膜的某一部位产生，它就会向整个细胞膜传播，而且它的幅度不会因为传播距离的增加而减弱。跳跃式传导：有髓神经纤维外面包裹着一层既不导电、离子又不能通过的髓鞘，动作电位只能在没有髓鞘的朗飞结处才能传导，因此动作电位是越过每一段带髓鞘的神经纤维呈跳跃式传导。,细胞间信息传递方式 信号分子作用
12、于受体的传递：包括内分泌、旁分泌、自分泌、突触传递、神经内分泌等几种类型。接触依赖性通迅：通过质膜结合的信号分子与其相接触的靶细细胞质膜上的受体分子相结合，影响相邻细胞。间隙连接传递：经间隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子实现代谢偶联或电偶联。,一、细胞的信号分子与受体 受体(receptor)：细胞膜存在能专一性结合激素、神经递质以及其它化学物质并引起特定反应的特殊结构，称为 受体的本质:是镶嵌于脂质双分子层中的大分子复合蛋白质或酶系，由结合和催化两部分组成。第二信使：第一信使与受体作用后胞内最早产生的信号分子。（CAMP、CGMP、IP3、DG、Ca2+）,二、细胞表面受体介导的信号跨
13、膜转运（一）离子通道偶联受体 1.化学门控通道:在神经-肌肉接头处，当神经末梢有冲动到达时可释放神经递质乙酰胆碱（ACh）,ACh扩散过间隙到运动终板膜，与终板膜上N-ACh化学门控通道的-亚单位结合，打开通道使Na+和K+跨膜易化扩散，产生终板电位而完成跨膜信号传递。2.电压门控通道:同一细胞相邻的膜两侧出现的电位改变而出现通道的开放，并由于随之出现的跨膜离子流，而出现这些通道所在膜的特有的跨膜电位改变或细胞内功能变化。3.机械门控通道:外来机械性信号通过某种膜结构内的过程，引起细胞的跨膜电位变化。,二、细胞表面受体介导的跨膜信号转导离子通道偶联受体：由具有特异感受结构的通道蛋白质完成的跨膜
14、物质转运 1.化学门控通道 2.电压门控通道 3.机械门控通道 鸟苷酸结合蛋白偶联受体：受体G-蛋白第二信使系统 酶偶联受体：如酪氨酸激酶受体,（一）离子通道偶联受体1门控通道结构:由四种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质。每种亚单位都由一种mRNA编码，所生成的亚单位在膜结构中通过氢键等非共价键式的相互吸引，形成一个结构为2的梅花状通道样结构，四种不同的亚单位肽链中，都存在有四种主要由2025个疏水性氨基酸形成的-螺旋，因而推测每个亚单位的肽链都要反复贯穿膜四次，而五个亚单位又各以其第二个疏水性跨膜。-螺旋构成了水相孔道的“内壁”。,门控通道结构图,电压门控通道（Voltage-dependen
15、t Na+channel）,（一）离子通道偶联受体化学门控通道:在神经-肌肉接头处，当神经末梢有冲动到达时可释放神经递质乙酰胆碱（ACh）,ACh扩散过间隙到运动终板膜，与终板膜上N-ACh化学门控通道的-亚单位结合，打开通道使Na+和K+跨膜易化扩散，产生终板电位而完成跨膜信号传递。电压门控通道:同一细胞相邻的膜两侧出现的电位改变而出现通道的开放，并由于随之出现的跨膜离子流，而出现这些通道所在膜的特有的跨膜电位改变或细胞内功能变化。机械门控通道:外来机械性信号通过某种膜结构内的过程，引起细胞的跨膜电位变化。,（二）G-蛋白偶联受体G-蛋白：是位于膜内侧的鸟苷酸结合蛋白（简称G蛋白），有多种亚
16、型，但结构和功能极为相似。G-蛋白通常由、和三个亚单位组成。-亚单位通常起催化作用，当G-蛋白未被激活时，它结合一分子的GDP（二磷酸鸟苷）；当G-蛋白与激活了的受休蛋白在膜中相遇时，-亚单位便与GDP分离，而与一分子的GTP（三磷酸鸟苷）相结合。效应器酶蛋白：当-亚单位同其他两个亚单位分离，并对膜结构中（位置靠近膜的内侧面）的效应器酶蛋白起作用，后者的激活（或被抑制）可以引致胞浆中第二信使物质的生成大量增加（或减少）。,受体-G-蛋白-第二信使跨膜信息传递系统中信号通路（1）环核苷酸-蛋白激酶信号通路：cAMP蛋白激酶A途径：激素等与细胞膜上的特异受体结合后，通过-种称为Gs（兴奋性G-蛋白
17、）的G-蛋白激活腺苷酸环化酶，使胞浆中的第二信使cAMP生成量增加。cAMP激活依赖cAMP的蛋白激酶A（protein kinase A），进而完成激素对细胞功能的调节。蛋白激酶A可催化许多细胞内蛋白质的磷酸化。对一些关键酶的共价磷酸化是调节代谢途径的快速方式；蛋白激酶A可磷酸化钙通道，引起大量C2+内流；磷酸化微管蛋白，改变其构象，引发细胞的分泌功能。有些G-蛋白抑制性G-蛋白（Gi）可抑制腺苷酸环化酶，使胞浆中的cAMP量减少。,（1）环核苷酸-蛋白激酶信号通路：cGMP-蛋白激酶G途径：这条途径限于心血管系统及脑内，某些体液因子与细胞膜受体结合后通过G蛋白介导，激活鸟苷酸环化酶，生成第
18、二信使cGMP。（）磷脂酰肌醇信号通路：当激素、神经递质等与相应受体结合后，可通过G蛋白介导激活一种位于细胞膜上的磷脂酶C（PLC），后者可将4，5-双磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成三磷酸肌醇（IP3）及二酰甘油（DG）。这两者都是第二信使，可分别通过IP3-Ca2+-钙调蛋白激酶途径和DG-蛋白激酶C途径 实现信号转导。,（）磷脂酰肌醇信号通路：IP3-Ca2+-钙调蛋白激酶途径：当激素等与受体结合，通过G-蛋白激活磷脂酶C后，磷脂酶C可将PIP2水解成IP3及DG。IP3是小分子化合物，可进入胞液内，从而将信息传导至细胞内。在内质网（或肌质网）膜表面有IP3受体，其亚单位的羧基端部分构成
19、钙通道。当IP3与IP3受体结合后，受体变构，钙通道开放、贮存于内质网的Ca2+释放人胞浆内，使胞浆内Ca2+浓度升高。胞液Ca2+浓度升高，可以激活Ca2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶，在体内发挥生理性调节作用。如钙调蛋白激酶磷酸化平滑肌的肌球蛋白轻链后，可引起平滑肌收缩或张力增加。,（）磷脂酰肌醇信号通路：钙调素（calmodulin,CaM）是一种真核细胞普遍存在的Ca2+应答蛋白。CaM活化靶酶过程 Ca2+与CaM结合形成活化态Ca2+-CaM复合体 与靶酶，结合活化靶酶 钙调素激酶（CaM-kinase）重要的一类CaM靶酶，用于应答突触信号传递过程中所生的细胞内Ca2+脉冲,（）磷脂酰
20、肌醇信号通路：DG-蛋白激酶C途径：激素等与受体结合，通过G-蛋白激活磷脂酶C后，磷脂酶C可将PIP2水解成1P3及DG。此外，激素经受体、G蛋白介导，还可激活磷脂酶D，在Ca2+的存在下，可将磷脂酰胆碱水解为磷脂酸，后者再被磷脂酸磷酸水解酶水解成DG。这两种来源的DG都能活化蛋白激酶C（PKC），引起生物效应。,（3）酶偶联受体 酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase receptor)这类受体结构简单，只有一个跨膜-螺旋。当位于膜外侧的较长的肽链部分（链）同特定的化学信号结合后，可以直接引起受体肽链的膜内段（链）激活，使之具有磷酸激酶活性，通过使自身肽链和膜内蛋白质底物中的酪氨酸残
21、基发生磷酸化，因而产生细胞内效应，如胰岛素作用于肌肉细胞使葡萄糖易于渗入。,三、神经肌肉间的兴奋传递 运动神经纤维末梢和肌细胞（即肌纤维）相接触的部位，称为神经肌肉接头或运动终板。,三、神经肌肉间的兴奋传递 1.递质 2.释放分解 3.受体 4.终板电位 5.影响因素 AP传到轴突末梢 钙通道开放 钙内流 ACh释放、扩散 ACh与终板膜化学门控通道结合 通道开放 钠内流为主 引起终板电位 扩布使邻近肌膜去极化达 阈电位 引发AP 终板电位（endplate potential）*大小与Ach释放量有关*电紧张性扩布*可能总和,四、电突触传递 电突触:是细胞间的缝隙连接。相邻两细胞间相互靠近，
22、相隔2nm左右。每一侧细胞膜上都整齐排列着多个由6个蛋白质亚单位围绕成的连接子，连接子的中央为一亲水性孔道，相邻细胞膜上的两个连接子对接即形成一个缝隙连接单位。分子量小于1X103 或直径小于1nm的小分子物质可通过亲水性孔道。另外，一个细胞的电位变化也可通过此孔道传到邻近细胞。意义：一群细胞可能进行同步活动。,一、骨骼肌的结构 核、膜 肌钙蛋白(原宁蛋白)细肌丝：原肌凝蛋白(原肌球蛋白)肌细胞 肌原纤维 肌纤蛋白(肌动蛋白)粗肌丝：肌凝蛋白(肌球蛋白)横管(T管)：使动作电位深入胞内 肌 管 纵管(L管)：Ca2+储存、释放、再摄取*三联管 1横管2纵管终池,粗肌丝-肌凝蛋白（肌球蛋白）*头
23、部：横桥（cross-bridge）与肌动蛋白结合 ATP酶活性*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 TnC：与Ca2+结合,一、骨骼肌的结构,粗肌丝结构,细肌丝结构,粗肌丝结构,肌管系统,肌管系统,二、肌细胞的收缩原理（1）,二、肌细胞的收缩原理（2）,二、肌细胞的收缩原理（3）兴奋-收缩耦联 定义以肌膜的电变化为特征的兴奋过程和以肌丝滑行为基础的收缩过程之间的中介过程，称为兴奋-收缩耦联基本过程：AP通过T
24、管传播，激活肌细胞膜上的L型钙通道 激活的L型钙通道通过变构激活SR膜上的ryanodine 受体，SR内钙释放入胞浆 胞浆内钙浓度升高引发肌肉收缩 SR钙泵摄取Ca2+，使胞浆内钙浓度降低，肌肉舒张,三、骨骼肌收缩的外部表现等长收缩（isometric contraction）1）定义：肌肉收缩长度相等，张力变化的收缩称为等长收缩。2）发生期间:负荷肌肉收缩力（肌张力）时；P0（最大张力）时；对抗重力、维持姿势时。2.等张收缩（isotonic contraction）1）定义：肌肉收缩张力相等，长度变化的收缩称为等张收缩。2）发生在：肌张力负荷时。肌肉的通常收缩方式是先等长收缩，后等张收缩
25、 即先张力变化，后长度变化。,等长收缩与等张收缩的区别：,3.单收缩1）定义：肌肉受到一次有效刺激，爆发一次动作电位，产生单次收缩称为单收缩。2）时期：潜伏期、收缩期、舒张期。4.强直收缩1）定义：肌肉受多次有效刺激，爆发多次动作电位，产生单收缩的复合称强直收缩。2）类型:不完全强直收缩：刺激频率较慢，第二次刺激在舒张期的强直收缩。完全强直收缩：刺激频率较快，第二次刺激在收缩期的强直收缩。,四、肌肉收缩的力学分析前负荷（pre-load）1）概念：肌肉收缩前已存在的负荷称为前负荷，前负荷使肌肉具有初长度。初长度是肌肉收缩前在前负荷作用下的长度。2）长度-张力曲线 最适初长度（最适前负荷）：肌肉
26、产生最大张力的初长度（前负荷）。在最适初长度时，肌小节长度为2.02.2 微米（um），产生最大张力，收缩速度最快，作功效率最高。在一定范围内（最适初长度时），初长度与肌张力呈正比关系。当初长度最适初长度时，初长度与肌张力呈反比关系。,后负荷（after load）1）概念：肌肉收缩后承受的负荷称为后负荷。2）后负荷，肌张力，肌肉收缩时间，肌肉缩短长度，肌肉收缩速度。3）张力速度曲线 肌张力（后负荷）与肌肉缩短速度呈反比。P0(肌肉最大张力)和Vmax（肌肉最大缩短速度）是肌肉收缩能力的衡量指标。肌肉处于0时，肌肉呈现等长收缩方式（长度0）。后负荷 30%0 时，肌肉输出功率最大（功率张力速度）。肌肉作功长度肌张力,长度-张力曲线 张力-速度曲线,1 先产生张力，后出现缩短，缩短发生后张力不再增加2 后负荷愈大，张力愈大，缩短出现愈迟，缩短的初速度和总长度愈小,
