《生理學(xué)》第7版：第二章 細(xì)胞生理學(xué)1

第二章細(xì)胞生理學(xué)Chapter2CellPhysiology

人體神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分泌系統(tǒng)呼吸系統(tǒng)表皮系統(tǒng)泌尿系統(tǒng)免疫系統(tǒng)消化系統(tǒng)生殖系統(tǒng)肌肉骨骼循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)細(xì)胞細(xì)胞是組成人體和其他生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位第一節(jié)細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能

TransmembraneTransport一、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)

ChemicalCompositionandStructureofMembrane細(xì)胞膜--滲透性屏障

細(xì)胞膜的液態(tài)鑲嵌模型

FluidMosaicModel(1972年Singer和Nicholson提出)：以液態(tài)的脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著不同生理功能的a螺旋或球形蛋白質(zhì)。（一）脂質(zhì)Lipids雙分子層

屏障作用，保持細(xì)胞內(nèi)容物的相對(duì)穩(wěn)定一個(gè)磷脂（phospholipid）分子含有一個(gè)極性頭部基團(tuán)和兩個(gè)非極性尾部的疏水性脂酰基鏈最多---含膽堿的磷脂：卵磷脂（磷脂酰膽堿）和鞘磷脂。次多---氨基磷脂：磷脂酰絲氨酸和磷脂酰乙醇胺。較少---磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇和心磷脂。

（二）細(xì)胞膜蛋白質(zhì)Proteins

膜通道、載體、酶（細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)、能量、信息交換）表面膜蛋白與膜的結(jié)合：（1）與整合膜蛋白的離子鍵結(jié)合。（2）與脂質(zhì)極性基團(tuán)的靜電引力。整合膜蛋白與膜的結(jié)合：（1）通過(guò)疏水性“錨定”作用與膜結(jié)合，即與蛋白進(jìn)行共價(jià)鍵連接，并插入到脂質(zhì)雙分子層中。（2）與糖基磷脂酰肌醇進(jìn)行共價(jià)鍵連接。（3）整合膜蛋白與膜內(nèi)側(cè)面存在廣泛的疏水性相互作用。（三）細(xì)胞膜糖類(lèi)Carbohydrates

糖蛋白、糖脂（膜蛋白受體識(shí)別部分，參與免疫反應(yīng)）

糖脂、糖蛋白的糖鏈幾乎位于質(zhì)膜的細(xì)胞外表面。（1）糖脂和糖蛋白中攜帶負(fù)電荷的唾液酸造成細(xì)胞表面的負(fù)電荷。（2）糖脂的糖鏈部分通常作為受體或抗原。（3）膜糖蛋白是介導(dǎo)細(xì)胞間粘連的關(guān)鍵成分。二、細(xì)胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能TransmembraneTransport擴(kuò)散Diffusion──溶液中的溶質(zhì)或溶劑分子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)凈移動(dòng)擴(kuò)散通量DiffusionFlux──某種物質(zhì)每秒通過(guò)每平方厘米面積的摩爾(或毫摩爾)數(shù)，表示物質(zhì)分子移動(dòng)量的大小在電解質(zhì)溶液中，離子的擴(kuò)散通量決定于離子的濃度差離子所受的電場(chǎng)力(電位梯度)(一)單純擴(kuò)散SimpleDiffusion單純擴(kuò)散──脂溶性及一些小分子水溶性物質(zhì)順濃度差的跨細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)Passivetransport其擴(kuò)散通量決定于:膜兩側(cè)物質(zhì)的濃度梯度Concentrationgradient膜的通透性Permeability（膜對(duì)物質(zhì)通過(guò)的難易度）(二)易化擴(kuò)散FacilitatedDiffusion體內(nèi)不溶于脂質(zhì)或難溶于脂質(zhì)的物質(zhì)在細(xì)胞膜上特殊蛋白質(zhì)的“幫助”下，由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)形式，屬被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。1、以載體（轉(zhuǎn)運(yùn)體）為中介的擴(kuò)散

Carrier-mediatedDiffusion

特點(diǎn)：①高度結(jié)構(gòu)特異性Specificity

鎖-匙關(guān)系

②飽和現(xiàn)象Saturation③競(jìng)爭(zhēng)性抑制Competition

2、以通道為中介的擴(kuò)散

Channel-mediatedDiffusion通道Channel─與離子擴(kuò)散有關(guān)的膜蛋白質(zhì)。當(dāng)通道開(kāi)放引起帶電離子跨膜移動(dòng)形成的電流──跨膜電流TransmembraneCurrent通道轉(zhuǎn)運(yùn)離子的機(jī)制──閥門(mén)Gate控制通道的開(kāi)放或關(guān)閉決定于：①膜兩側(cè)的電位差(電壓門(mén)控通道Voltage-gatedChanne1)②膜兩側(cè)的特定的化學(xué)性信號(hào)（化學(xué)門(mén)控通道Chemically-gatedChanne1）③其它人水孔蛋白1（aquaporinAQP1）

3、水通道

waterchannel許多細(xì)胞的質(zhì)膜都含有一些稱(chēng)為水孔蛋白（aquaporin）的膜蛋白，它們形成了允許水流高速穿膜的通道。水透過(guò)細(xì)胞膜的速度比由它的分子半徑和脂溶性推測(cè)的速度快約100倍。(三)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)ActiveTransport在細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)（轉(zhuǎn)運(yùn)體）的協(xié)助下，將某些物質(zhì)分子或離子經(jīng)細(xì)胞膜逆濃度或電位梯度轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程(耗能)。1.原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)PrimaryActiveTransport

直接利用分解ATP釋放的能量進(jìn)行的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) 離子胞漿中的濃度細(xì)胞外液中的濃度K+140mmol/L4mmol/LNa+15mmol/L145mmol/LCa2+10-7mol/L10-3mol/LCl-20mmol/L120mmol/LHCO3-14mmol/L24mmol/LNa+,K+-ATP酶

細(xì)胞膜上具有ATP酶活性的特殊蛋白質(zhì)，被胞內(nèi)Na+增加或胞外K+增加所激活，分解ATP釋放能量，進(jìn)行Na+、K+逆濃度和電位梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)。ATP:Na+:K+＝1:3:2(生電性泵ElectrogenicPump)Ca2+-ATP酶

質(zhì)膜Ca2+-ATP酶維持跨膜Ca2+濃度梯度:胞漿[Ca2+]<10-7mol/L，細(xì)胞外液中[Ca2+]約10-3mol/L。

2.繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)SecondaryActiveTransport

利用鈉－鉀泵造成的膜內(nèi)外Na+的勢(shì)能差進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)同向轉(zhuǎn)運(yùn)Cotransport逆向轉(zhuǎn)運(yùn)Countertransport

(四)入胞和出胞EndocytosisandExocytosis

入胞──細(xì)胞外某些物質(zhì)團(tuán)塊（如蛋白質(zhì)、脂肪顆粒、侵入體內(nèi)的細(xì)菌或異物等）進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程。吞噬Phagocytosis

吞飲Pinocytosis受體介導(dǎo)式入胞Receptor-mediatedEndocytosis

（現(xiàn)認(rèn)為是一種最重要的入胞形式）細(xì)胞膜的胞漿面具網(wǎng)格蛋白（clathrin）覆蓋區(qū)。這些區(qū)域?yàn)橛斜恍「C（coatedpit），其胞吞作用形成包被小泡。有被小窩附近的特殊膜受體，可識(shí)別并結(jié)合蛋白質(zhì)，參與受體介導(dǎo)的胞吞作用。通過(guò)這種方式進(jìn)入細(xì)胞的物質(zhì):血漿低密度脂蛋白顆粒、結(jié)合了鐵離子的運(yùn)鐵蛋白、結(jié)合了維生素B12的運(yùn)輸?shù)鞍?、多種生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子、胰島素等一部分多肽類(lèi)激素、抗體和某些細(xì)菌毒素，以及一些病毒（流感和小兒麻痹病毒）等。出胞──大分子物質(zhì)或固態(tài)、液態(tài)的物質(zhì)團(tuán)塊由細(xì)胞排出的過(guò)程。出胞主要見(jiàn)于細(xì)胞的分泌活動(dòng)，如內(nèi)分泌腺把激素分泌到細(xì)胞外液中，外分泌腺把酶株顆粒和粘液等分泌到腺管的管腔中，以及神經(jīng)細(xì)胞的軸突末梢把神經(jīng)遞質(zhì)分泌到突觸間隙中。第二節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象

BioelectricalPhenomena二、細(xì)胞膜的被動(dòng)電學(xué)特性1、平行板電容器

細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層將細(xì)胞內(nèi)外液隔開(kāi),類(lèi)似于行板電容器。2、細(xì)胞膜電學(xué)特性

細(xì)胞膜具有①膜電容Cm:

較大，約1μF/cm2②膜電阻Rm:可變,與通道及轉(zhuǎn)運(yùn)體數(shù)目有關(guān)；

Rm倒數(shù)即膜電導(dǎo)Gm=帶電離子通透性③細(xì)胞膜通道開(kāi)放→帶電離子跨膜移動(dòng)→相當(dāng)于電容器充電

或放電→可產(chǎn)生電位差即跨膜電位transmembranepotential,Em

3、電緊張電位electrotonicpotential

隨距刺激原點(diǎn)距離的增加而膜電位呈指數(shù)衰減的電位變化稱(chēng)電緊張電位。

該電位是由膜的固有電學(xué)特性決定的,其產(chǎn)生過(guò)程中沒(méi)有離子通道的激活,也無(wú)膜電導(dǎo)的改變。二、靜息電位RestingPotential（一）靜息電位的概念和記錄細(xì)胞未受刺激時(shí)存在于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差。哺乳動(dòng)物神經(jīng)和肌肉細(xì)胞的靜息電位為-70~-90mVBernstein在1902年提出靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的膜學(xué)說(shuō)：安靜狀態(tài)下的膜只對(duì)K+有通透性，因此靜息電位相當(dāng)于K+平衡電位。（二）靜息電位產(chǎn)生的離子機(jī)制電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力ElectricalDriveForce化學(xué)驅(qū)動(dòng)力ChemicalDriveForce電－化平衡狀態(tài)：當(dāng)沒(méi)有凈力作用于離子時(shí)，就沒(méi)有離子的凈運(yùn)動(dòng)發(fā)生，該離子即處于跨膜電化學(xué)平衡（electrochemicalequilibrium）

1、某種離子在濃度差或電位差的影響下可作跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)2、離子通道IonicChannel受閥門(mén)Gate控制而開(kāi)閉離子通道可有下列狀態(tài)：靜息Resting激活A(yù)ctivation─通道開(kāi)放，允許某種離子選擇性通透失活I(lǐng)nactivation─通道關(guān)閉，不允許離子通過(guò)，暫不能再開(kāi)放恢復(fù)Recovery或復(fù)活Reactivation─通道處于關(guān)閉狀態(tài)，受到適當(dāng)刺激可再開(kāi)放安靜時(shí)K+離子通過(guò)細(xì)胞膜彌散的實(shí)質(zhì)是因?yàn)槟ど嫌蟹情T(mén)控的K+離子通道。這種離子通道沒(méi)有門(mén)，總是開(kāi)著的。K+離子是否通過(guò)和通過(guò)多少是由膜兩側(cè)的離子濃度差和電位差決定的。3、Nernst公式可計(jì)算離子的平衡電位（EquilibriumPotential）

EA-EB（跨膜電位差）=-RT/ZFln（[X+]A/[X+]B)=RT/ZFln（[X+]B/[X+]A)

R:氣體常數(shù)T：絕對(duì)溫度

F：法拉第常數(shù)Z：離子價(jià)

Ek＝RT/ZFln（[K+]o/[K+]i)當(dāng)一種離子不能通透過(guò)膜時(shí)，可能發(fā)生Gibbs-Donnan平衡：

[K+]A[Cl-]A=[K+]B[Cl-]B

Gibbs-Donnan方程

=-60mV4、跨膜離子濃度梯度有助于形成靜息膜電位主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)維持跨膜離子濃度梯度（Na＋－K＋ATP）酶。5、每種跨膜離子流均使靜息膜電位趨向于自己的平衡電位，膜對(duì)哪種離子的通透性越強(qiáng)，靜息膜電位就越靠近這種離子的平衡電位。Goldman-Hodgkin-Katz公式

GKGNaGClEm＝——EK＋——ENa＋——ECl∑G∑G∑GG：電導(dǎo)率E：離子平衡電位細(xì)胞膜在安靜狀態(tài)下對(duì)K+的通透性約為Na+的10～100倍，式中Ek的權(quán)重明顯大于ENa，因此，靜息電位接近于Ek，但比Ek略小(略趨向于ENa)人骨骼肌離子濃度和靜息膜電位膜對(duì)Cl-不存在原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，Cl-在膜兩側(cè)的分布是被動(dòng)的，膜電位不取決于Cl-的濃度。Cl-的平衡電位總是等于或接近靜息膜電位。Ca+在膜兩側(cè)的濃度較低，膜對(duì)其通透性亦較低，影響可忽略不計(jì)6、在槍烏賊的巨大軸突上記錄靜息電位

槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突直徑為1mm，脊椎動(dòng)物神經(jīng)<20μmHodgkin通過(guò)改變細(xì)胞外液中的K+濃度，觀察到RP值隨胞外[K+]的改變而改變，且改變后的RP值仍與Nernst方程計(jì)算出的K+平衡電位相一致。但改變細(xì)胞外液中的Na+濃度則對(duì)RP沒(méi)有影響。這說(shuō)明RP的產(chǎn)生確實(shí)與K+密切相關(guān)。

三、動(dòng)作電位

ActionPotential

（一）動(dòng)作電位定義

各種可興奮細(xì)胞受到有效刺激時(shí)，在細(xì)胞膜兩側(cè)所產(chǎn)生的快速、可逆、并具擴(kuò)布性的電位變化（all-or-noneresponse）。

極化Polarization─膜內(nèi)外兩側(cè)電位維持內(nèi)負(fù)外正的穩(wěn)定狀態(tài)去極化或除極Depolarization─膜內(nèi)負(fù)電位減小甚至由負(fù)轉(zhuǎn)正超極化Hyperpolarization─膜內(nèi)負(fù)電位增大復(fù)極化Repolarization─先去極化，再向靜息電位水平恢復(fù)鋒電位SpikePotential閾電位ThresholdPotential負(fù)后電位NegativeAfterpotential或去極化后電位DepolarizingAfterpotential─在復(fù)極化曲線(xiàn)后段，下降速度突然明顯減慢正后電位PositiveAfterpotential或超極化后電位HyperpolarizingAfterpotential─負(fù)后電位后出現(xiàn)的緩慢而持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的超極化電位

細(xì)胞受到刺激↓該部位細(xì)胞膜上少量Na＋通道被激活而開(kāi)放↓

Na＋少量?jī)?nèi)流，膜內(nèi)外電位差減小(局部去極化或局部電位)

↓膜內(nèi)電位變化到臨界電位值

(閾電位)↓

Na＋通道大量開(kāi)放，Na＋瞬間大量?jī)?nèi)流（再生式）

河豚毒素Tetrodotoxin(TTX)

↓

膜內(nèi)負(fù)電位急劇變化到30mV，

形成動(dòng)作電位的上升支↓（二）動(dòng)作電位的離子機(jī)制

Na＋通道關(guān)閉，Na＋內(nèi)流停止，K＋通道被激活而開(kāi)放，K＋順濃度差迅速外流

四乙基銨Tetraethylammoniumn(TEA)↓膜內(nèi)電位迅速下降，趨向靜息電位水平，形成動(dòng)作電位的下降支↓膜內(nèi)Na＋和膜外K＋濃度增加,激活Na＋－K＋泵↓

Na＋－K＋泵逆濃度差將胞內(nèi)Na＋泵到膜外、將胞外K＋泵回膜內(nèi)，離子分布逐漸恢復(fù)到興奮前水平↓

形成后電位

鈉通道的再生式開(kāi)放(正反饋）（三）電壓鉗和膜片鉗實(shí)驗(yàn)1、最初的動(dòng)作電位知識(shí)來(lái)自對(duì)槍烏賊巨大神經(jīng)

胞內(nèi)記錄AP峰值接近Na＋的平衡電位葡萄糖或氯化膽堿替代NaCl降低AP

同位素標(biāo)記Na＋檢測(cè)其內(nèi)流NobelPrizeforPhysiologyorMedicine

1963

HODGKINAL1914－1998HUXLEYAF1917－2、GNa和GK在動(dòng)作電位形成過(guò)程的變化觀察在動(dòng)作電位形成的早期，GNa迅速升高，在動(dòng)作電位的峰值時(shí)達(dá)到最高，隨后降低。GK升高緩慢，在動(dòng)作電位復(fù)極化一半時(shí)達(dá)到高峰，然后緩慢恢復(fù)到靜息電位水平。3、電壓鉗實(shí)驗(yàn)VoltageClampHodgking等在20世紀(jì)40年代建立動(dòng)作電位時(shí)Na＋通道的再生式開(kāi)放使V和I均不斷變化。利用負(fù)反饋原理，使跨膜電位維持恒定，測(cè)量跨膜離子電流的強(qiáng)度改變，計(jì)算出膜電導(dǎo)。I＝VGI離子跨膜移動(dòng)時(shí)形成跨膜離子電流G膜電導(dǎo)，膜對(duì)某種離子的通透性將槍烏賊軸突的膜電位從靜息水平突然變到希望的去極化或超極化水平，并固定，記錄電流的變化，結(jié)合離子通道阻斷劑的應(yīng)用，計(jì)算出某種離子的電導(dǎo)率的變化。4、膜片鉗實(shí)驗(yàn)PatchClamp1976年Necher和Sakmann建立將玻璃微電極和只含1－3個(gè)離子通道的細(xì)胞膜通過(guò)負(fù)壓進(jìn)行吸引封接，在此基礎(chǔ)上固定電壓對(duì)此膜片上的離子通道的離子電流進(jìn)行檢測(cè)記錄。①通道的開(kāi)放和關(guān)閉都是突然的，說(shuō)明通道蛋白可以從一種構(gòu)象快速躍變到另一種構(gòu)象。

②通道開(kāi)放時(shí)具有恒定的電導(dǎo)，即通道只有“開(kāi)”或“關(guān)”兩種狀態(tài)，沒(méi)有中間狀態(tài)。

③同一個(gè)通道每次開(kāi)放持續(xù)時(shí)間不一致，即通道開(kāi)放的長(zhǎng)短具有隨機(jī)性。

④若化學(xué)門(mén)控通道結(jié)合了相應(yīng)的信號(hào)分子，或電壓門(mén)控通道處于特定的膜電位水平時(shí)，通道的開(kāi)放幾率增大。

將多次單個(gè)通道的電流總和后，與電壓鉗記錄的全細(xì)胞膜（許多個(gè)）通道的電流結(jié)果一致，進(jìn)一步證明了細(xì)胞生物電現(xiàn)象的離子學(xué)說(shuō)是正確的。

NobelPrizeforPhysiologyorMedicine

1991Theprizewasawardedjointlyto:ERWINNEHERandBERTSAKMANNfortheirdiscoveriesconcerningthefunctionofsingleionchannelsincells.

ERWINNEHERBERTSAKMANN三、興奮性和興奮的引起

ExcitabilityandInitiationofActionPotential(一)興奮性Excitability活組織或細(xì)胞對(duì)外界刺激發(fā)生反應(yīng)的能力或特性（廣義）可興奮細(xì)胞受到刺激后產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力（狹義）影響興奮性的因素──1.靜息電位水平2.閾電位水平3.通道的性狀細(xì)胞在受到一次有效刺激后其興奮性的變化:1.絕對(duì)不應(yīng)期AbsoluteRefractoryPeriod2.相對(duì)不應(yīng)期RelativeRefractoryPeriod3.超常期SupranormalPeriod4.低常期SubnormalPeriod（二）刺激引起興奮的條件刺激(Stimulus)引起組織興奮的三要素：刺激強(qiáng)度Intensity刺激持續(xù)時(shí)間Duration強(qiáng)度－時(shí)間變化率dV/dt基強(qiáng)度Rheobase──如刺激持續(xù)時(shí)間不受限制，引起組織興奮所需的最小刺激強(qiáng)度時(shí)值Chronaxie──兩倍基強(qiáng)度的刺激引起組織興奮的最短刺激持續(xù)時(shí)間閾強(qiáng)度ThresholdIntensity或閾值Threshold─當(dāng)固定刺激持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度－時(shí)間變化率不變時(shí)，剛能引起組織興奮的最小刺激強(qiáng)度閾下刺激SubthresholdStimulus─低于閾強(qiáng)度的刺激閾上刺激SuperthresholdStimulus─高于閾強(qiáng)度的刺激（三）動(dòng)作電位（AP）產(chǎn)生的條件：

1、局部興奮及其向鋒電位的轉(zhuǎn)變①閾下刺激→電緊張電位→刺激加強(qiáng)→去極化電緊張