精品课程生理学教案
第二章 细胞的基本功能
[目的要求]
1、了解细胞膜的分子结构，掌握细胞膜的物质转运的形式和影响因素
2、掌握静息电位和动作电位的概念、特点和形成的离子机制，并了解静息电位和动作电位形成的理论的主要证据
3、掌握局部兴奋特点和产生机制，掌握动作电位的引起和兴奋在同一细胞 上的传导机制及特点
4、了解神经-骨骼肌接头的结构特点、掌握神经-骨骼肌接头兴奋传递过程，熟悉影响神经-骨骼肌接头兴奋传递的主要因素及其临床意义
5、掌握肌肉收缩原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力的概念，熟悉前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响 [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、后负荷对肌肉收缩的影响 [教材] 生理学(5版),姚泰主编,人民卫生出版社,2000,北京
案例：某男性患者，16岁，近来运动后感到极度无力，尤其是在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。
1.为什么低血钾会引起极度肌肉无力？ 2.为什么在进食大量淀粉后症状加重？
3.血钾增高时对肌肉收缩有何影响？为什么？
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 主要由脂质、蛋白质和少量糖类组成(图2-1)。膜中脂质的分子数超过蛋白质分子数100倍以上。
图2-1 A 细胞膜的分子组成 B 磷脂的分子结构模式图 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
（一）单纯扩散 （simple diffusion ） 概念：脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运。体内依靠单纯扩散通过细胞膜的物质只有脂溶性气体分子O2和CO2。
图2-3 扩散示意图 影响因素： *动力：浓度差
*阻力：通透性（ permeability ） 通透性 ：物质通过膜的难易程度 浓度差增大、通透性增高，扩散增大
（二）易化扩散（facilitated diffusion ）
1.概念：在膜蛋白的帮助下物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运 2.特点： * 从高浓度到低浓度 * 特异性 * 受调节 3.分类：
*载体（ carrier）为中介的易化扩散：
特点：结构特异性高;有饱和现象;有竞争性抑制现象：有饱和现象 *通道（ channel）为中介的易化扩散：
特点：有一定特异性，但没有载体严格;可以处于开放或关闭的不同功能状态，其通透性变化快
化学门控通道（chemically-gated channel） 电压门控通道（voltage-gated channel）
机械门控通道（mechanically-gated channel）
4.影响因素 离子的易化扩散
（三）主动转运 （ active transport ）
1.概念：通过细胞本身的耗能将物质从低浓度侧向高浓度侧跨膜转运 被动转运 （ paive transport ）单纯扩散、易化扩散 2.分类：
*原发性主动转运 （primary active transport ） 钠-钾泵（sodium-potaium pump，钠泵） *继发性主动转运 （secondary active transport ）
钠-钾泵活动生理意义
*胞内低Na，维持细胞体积
*胞内高K，酶活性----新陈代谢正常进行 * 势能储备
钠、钾的易化扩散
继发性主动转运，联合转运 （cotransport） 同向转运（symport） 逆向转运（antiport）
（四）入胞（endocytosis）和 出胞（exocytosis） 入胞和出胞：大分子、团块，需膜的运动 被动转运、主动转运：小分子
二、细胞的生物电活动
（一） 静息电位（Resting potential, RP) 1．概念 安静状态下细胞膜两侧的电位差
极化 (polarization)：外正内负，膜两侧电位差等于RP 去极化（depolarization)：膜两侧电位差低于RP 复极化（repolarization)：由去极化恢复极化
超极化(hyperpolarization)：膜两侧电位差高于RP
证明：
1、Nernst 公式 Ek= 59.5 Log [K+ ]o/[K+ ]i (mV) 理论值 -87mV，实际值 -77mV
2、改变细胞外液中的K+浓度，RP变化与Nernst 公式预期的理论值相似
（二）动作电位
1．概念 细胞受刺激后在RP基础上发生的一次膜两侧电位快速倒转和复原，称动作电位(Action Potential, AP)（图2-10） 兴奋（excitation）：产生AP 兴奋性（excitability）：接受刺激产生AP的能力
2.Action Potential,产生机制
去极化 膜内外Na+不均匀分布（外高内低） 膜突然对Na+通透增大（ Na+通道开放） Na+内流达Na+平衡电位
复极化 ：Na+通道关闭， K+通道开放， K+外流 证据：
（1）Nernst公式
ENa= 59.5 Log [Na+]o/[Na+]i (mV) 超射值= ENa （2）改变细胞外液的Na＋浓度，AP变化与Nernst 公式预期的理论值相似
（3）河豚毒(tetrodotoxin,TTX）阻断钠通道，AP不再产生 （4）电压钳或膜片钳测定不同离子膜电流和膜通透性变化
3.钠通透性变化的本质和细胞兴奋性周期性变化
4.兴奋性的周期性变化：
绝对不应期( absolute refractory period) 相对不应期(relative refractory period) 超常期( superanormal period) 低常期(subnormal period) 5.后电位的产生机制
去极化后电位（负后电位）：细胞外一过性K蓄积 超极化后电位（正后电位）：Na泵活动增强
6.电位的引起和传导
阈电位（threshold membrane potential）
能引起Na通道大量开放而爆发AP的临界膜电位水平。有效刺激本身可以引起膜部分除极，当除极水平达到阈电位时，便通过再生性循环机制而正反馈地使Na+通道大量开放。
7动作电位的传导
局部电流（local current ）
在膜的已兴奋区与相邻接的未兴奋区之间,由于存在电位差而产生局部电流。局部电流的强度数倍于阈强度，并且局部电流对于未兴奋区是可以引起除极的出膜方向，因此，局部电流是一个有效刺激，使未兴奋区的膜除极达到阈电位而产生动作电位。兴奋在同一细胞上的传导，实际上是由局部电流引起的逐步兴奋过程。
跳跃传导（saltatory conduction ） 有髓神经纤维的髓鞘有电绝缘性，局部电流只能产生在两个郎飞结之间，称为跳跃传导。 速度快 节能
8动作电位的特点： * 大小与刺激强度无关 * 不衰减传导 * 不能融合 9局部电位（local potential) 由阈下刺激引起的小的电位变化 *大小与刺激强度有关
*衰减传播----电紧张性扩布 （lectrotonic propagation ） *可能总和
时间性总和（temporal summation） 空间性总和（spatial summation ）
三、肌细胞的收缩功能
（一） 神经-肌接头兴奋的传递 1.神经-肌接头的结构
2.神经-肌接头兴奋的传递过程
3.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
微终板电位（miniature endplate potential） 0.4 mV 4.神经－肌接头化学传递的特征
*１：１传递 足量释放，及时清除（胆碱脂酶） *单向性传递 *时间延搁
*易受药物和其他环境因素的影响
5.影响神经－肌接头化学传递的因素 ①肉毒杆菌毒素，可抑制Ach的释放。
②有机磷农药可抑制胆碱酯酶，ACh积聚,出现肌细胞挛缩等中毒症状。 ③美洲箭毒可以同ACh竞争结合位点, 肌松剂。 ④接头后膜上ACh受体功能异常,重症肌肉无力。
（二）骨骼肌收缩的分子机制 滑行理论（sliding theory ） 1.肌丝的分子结构
粗肌丝-----肌凝蛋白（肌球蛋白）
*头部：横桥（cro-bridge） 与肌动蛋白结合 ATP酶活性（需与肌动蛋白结合 ） *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
3.收缩过程
依照肌丝滑行理论,基本过程是:肌细胞产生动作电位引起肌浆中Ca2+浓度升高时,Ca2+与肌钙蛋白亚单位C结合, 肌钙蛋白及原肌凝蛋白相继发生构象改变,位阻效应解除,肌纤蛋白上的结合位点暴露,横桥与之结合,横桥发生扭动, 将细肌丝往粗肌丝中央方向拖动。经过横桥与肌纤蛋白的结合、扭动、解离和再结合、再扭动所构成的横桥循环过程，细肌丝不断滑行，肌小节缩短。其间伴有ATP 消耗和化学能向机械能的转换。
（三）兴奋收缩藕联（Excitation-contraction coupling）
概念：动作电位为特征的兴奋与以肌丝滑行为特征的收缩联系起来的中介过程 1.肌管系统 T管
L管 终池 三联管结构
2.兴奋收缩藕联过程
动作电位通过横管膜传向肌细胞深处，终末池膜上的Ca2+通道开放,Ca2+顺浓差流入肌浆,使肌浆Ca2+浓度比安静时增高100倍之多。Ca2+触发肌丝滑行,是兴奋-收缩耦联中的关键因子,由横管及其两旁的终末池所形成的三联管是兴奋-收缩耦联的关键结构。
（四）骼肌收缩的力学分析 1.骨骼肌收缩的外部表现 长度缩短 或/和 张力增高
等张收缩（isotonic contraction）肌肉作等张收缩时长度缩短,张力不变。 等长收缩 （isometric contraction）肌肉作等长收缩长度不变，张力增加。 单收缩（single twich）肌肉对单个刺激产生一次迅速的机械反应,称为单收缩 强直收缩（tetanus）
2.前负荷对收缩的影响 *前负荷（preload）
肌肉收缩之前所遇到的负荷， 决定初长度 *初长度（initial length） 肌肉收缩之前的长度 *长度-张力曲线
在一定范围内，前负荷越大，初长度越长，粗细肌丝的有效重叠越多，肌肉收缩越强。当肌肉收缩达到最大时所对应的为最适前负荷和最适初长度 3.后负荷对收缩的影响
*后负荷（after-load）肌肉收缩开始之后所遇到的负荷， 后负荷
肌肉收缩的张力
肌肉收缩的张力缩断速度 肌肉收缩的张力缩断长度
肌肉收缩的张力缩断开始的时间延后
*力-速度曲线：固定前负荷不变,让肌肉在不同的后负荷条件下进行等张收缩。把肌肉所产生的张力和缩短初速度绘成坐标曲线。
4.肌肉收缩能力对收缩的影响
肌肉收缩能力（contractility）：决定肌肉收缩效能的内在特性 肌肉收缩能力 收缩效能
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.刺激引起神经兴奋的内因和外因是什么？
3.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？ 4.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？ 5.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。 6.为什么终板电位无超射现象？ 7.为什么动物死亡后会出现\"尸僵\"？
8.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？
