《生理學(xué)》第二章

細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能01單純擴(kuò)散易化擴(kuò)散主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)入胞與出胞細(xì)胞膜主要由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類物質(zhì)組成。關(guān)于這些物質(zhì)在膜中以怎樣的形式存在和排列，曾提出了多種假說，目前被學(xué)術(shù)界公認(rèn)的是“液態(tài)鑲嵌模型”學(xué)說。這一學(xué)說認(rèn)為：細(xì)胞膜是以液態(tài)的脂質(zhì)雙分子層為基本骨架，脂質(zhì)分子間鑲嵌著許多具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)。細(xì)胞膜的主要功能是通過膜蛋白來實(shí)現(xiàn)的。按照蛋白質(zhì)在膜上存在的形式，可將膜蛋白質(zhì)分為表面蛋白和整合蛋白。表面蛋白數(shù)量較少，主要附著于膜的內(nèi)表面；整合蛋白數(shù)量較多，其特征為肽鏈一次或多次貫穿整個(gè)脂質(zhì)雙分子層。與細(xì)胞跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能有關(guān)的功能蛋白，如離子通道、載體等，都屬于整合蛋白。細(xì)胞膜在新陳代謝過程中所需的營養(yǎng)物質(zhì)，以及細(xì)胞產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，都必須跨越細(xì)胞膜這一屏障才能轉(zhuǎn)到相應(yīng)的部位，即物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。常見的細(xì)胞膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方式有以下幾種。單純擴(kuò)散（simplediffusion）是指脂溶性小分子物質(zhì)從高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程。單純擴(kuò)散是一種簡單的物理現(xiàn)象。一般來說，只有脂溶性的小分子物質(zhì)才能通過脂質(zhì)分子的間隙進(jìn)行單純擴(kuò)散，如O2、N2、CO2、乙醇和尿素等都屬于這類物質(zhì)。影響單純擴(kuò)散的因素主要有兩個(gè)：①通透性，指物質(zhì)通過細(xì)胞膜的難易程度。細(xì)胞膜對物質(zhì)的通透性越大，擴(kuò)散量也越大。②濃度差，它是物質(zhì)擴(kuò)散的動(dòng)力。物質(zhì)在細(xì)胞膜兩側(cè)的濃度差越大，擴(kuò)散量也越大。某些非脂溶性或脂溶性很小的物質(zhì)，在膜蛋白的幫助下順濃度差的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，稱為易化擴(kuò)散（facilitateddiffusion）。易化擴(kuò)散與單純擴(kuò)散一樣，也是從高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)，無需消耗細(xì)胞代謝產(chǎn)生的能量。它與單純擴(kuò)散不同之處在于需要有膜蛋白的幫助才能進(jìn)行。根據(jù)參與的膜蛋白的不同，將易化擴(kuò)散分為經(jīng)載體的易化擴(kuò)散和經(jīng)通道的易化擴(kuò)散兩種形式。（一）經(jīng)載體的易化擴(kuò)散小分子親水性物質(zhì)經(jīng)載體蛋白的介導(dǎo)，順濃度梯度的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)稱為經(jīng)載體的易化擴(kuò)散。細(xì)胞膜的載體蛋白在高濃度一側(cè)與被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)結(jié)合，這一結(jié)合引起載體蛋白的構(gòu)型發(fā)生變化，將物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到膜的低濃度一側(cè)，并且與物質(zhì)分離（圖2-1）。一些小分子親水性物質(zhì)，如葡萄糖、氨基酸等以此種方式通過細(xì)胞膜。經(jīng)載體的易化擴(kuò)散具有以下特點(diǎn)。（一）經(jīng)載體的易化擴(kuò)散

1．特異性

即一定的載體只能選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)一定的物質(zhì)，這是因?yàn)檩d體的結(jié)合位點(diǎn)與被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)之間具有嚴(yán)格的化學(xué)結(jié)構(gòu)上的適配性。

2．飽和現(xiàn)象

當(dāng)膜兩側(cè)物質(zhì)的濃度差增加到一定程度后，轉(zhuǎn)運(yùn)速率就會出現(xiàn)飽和，不再隨濃度差的增加而增大。這是因?yàn)檩d體和載體上的結(jié)合位點(diǎn)都有一定的數(shù)量，它限制了所能結(jié)合物質(zhì)的最大量。

3．競爭性抑制

如果某一載體對結(jié)構(gòu)類似的A、B兩種物質(zhì)都有轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而物質(zhì)通過細(xì)胞膜的總量是一定的，那么當(dāng)對A物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)增加時(shí)，對B物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)就會減少。這種競爭性抑制也是由載體或結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量有限造成的。（一）經(jīng)載體的易化擴(kuò)散A．載體蛋白質(zhì)與被轉(zhuǎn)運(yùn)物結(jié)合B．載體蛋白質(zhì)與被轉(zhuǎn)運(yùn)物分離圖2-1載體轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖各種帶電離子經(jīng)通道蛋白的介導(dǎo)，順濃度梯度或電位梯度的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)稱為經(jīng)通道的易化擴(kuò)散。通道蛋白是細(xì)胞膜上的一種具有跨膜結(jié)構(gòu)的整合蛋白，其中間有親水性孔道，可使溶液中的Na+、K+、Ca2+、Cl－等帶電荷的離子，在濃度梯度或電位梯度的推動(dòng)下跨膜擴(kuò)散（圖2-2）。經(jīng)通道的易化擴(kuò)散具有以下特點(diǎn)。（二）經(jīng)通道的易化擴(kuò)散

A．通道開放B．通道關(guān)閉圖2-2通道轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖（二）經(jīng)通道的易化擴(kuò)散1．轉(zhuǎn)運(yùn)速度快每秒可轉(zhuǎn)運(yùn)108個(gè)離子，遠(yuǎn)大于載體的轉(zhuǎn)運(yùn)速率（每秒103～105個(gè)）。離子擴(kuò)散速率的大小除取決于膜兩側(cè)離子的濃度差外，還受膜兩側(cè)電位差的影響。濃度差和電位差合稱為電-化學(xué)梯度。電-化學(xué)梯度越大，驅(qū)動(dòng)力就越大。2．離子選擇性每種通道只對一種或幾種離子有較大的通透性，其他離子則不易或不能通過。根據(jù)離子選擇性，通道可分為Na+通道、K+通道、Ca2+通道和Cl－通道等。離子選擇性主要取決于孔道的口徑、孔道內(nèi)壁的化學(xué)結(jié)構(gòu)和帶電狀況等因素。3．門控性通道蛋白像貫通細(xì)胞膜并帶有“閘門”裝置的管道。根據(jù)引起“閘門”開關(guān)的因素，即門控特性的不同，可將通道分為3類：①化學(xué)門控通道，由化學(xué)物質(zhì)控制閘門的開關(guān)；②電壓門控通道，由膜兩側(cè)電位差變化引起閘門的開關(guān)；③機(jī)械門控通道，由機(jī)械刺激，如牽拉、壓迫等控制閘門的開關(guān)。某些物質(zhì)在膜蛋白的幫助下，由細(xì)胞代謝提供能量而實(shí)現(xiàn)逆電-化學(xué)梯度進(jìn)行的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，稱為主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（activetransport）。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)依據(jù)膜蛋白在轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)時(shí)是否直接消耗能量，分為原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。通常所說的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是指原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。（一）原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞直接利用代謝產(chǎn)生的能量，將物質(zhì)逆濃度差或逆電位差轉(zhuǎn)運(yùn)的過程，稱為原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（primaryactivetransport）。泵蛋白具有特異性，按其所轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)不同，分為鈉-鉀泵、鈣泵、碘泵等。哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜上普遍存在著鈉-鉀泵，簡稱鈉泵。鈉泵是鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中的具有ATP酶活性的一種特殊蛋白質(zhì)，它能被細(xì)胞內(nèi)Na+濃度升高和細(xì)胞外K+濃度升高而激活，因此又稱為Na+-K+依賴式ATP酶。（一）原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)正常細(xì)胞膜外Na+濃度遠(yuǎn)高于細(xì)胞內(nèi)，

K+濃度遠(yuǎn)低于細(xì)胞內(nèi)，當(dāng)細(xì)胞受到有效刺激后，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Na+濃度升高（仍低于膜外）或細(xì)胞外K+濃度升高（仍低于膜內(nèi)）時(shí)，鈉泵被激活，分解ATP，釋放能量，將Na+從細(xì)胞內(nèi)泵出，同時(shí)將細(xì)胞外的K+泵入。通常每分解1個(gè)ATP分子，可將3個(gè)Na+泵出膜外，同時(shí)將2個(gè)K+泵入膜內(nèi)（圖2-3）。但這種化學(xué)定比關(guān)系在不同情況下可以改變。圖2-3鈉泵主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖（一）原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)

鈉泵活動(dòng)的生理學(xué)意義是：①鈉泵活動(dòng)造成的細(xì)胞內(nèi)高K+狀態(tài)，是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)許多代謝反應(yīng)，如蛋白質(zhì)合成所必需的。②鈉泵活動(dòng)造成的膜內(nèi)、外Na+和K+的濃度差，是細(xì)胞生物電活動(dòng)產(chǎn)生的前提條件。③鈉泵活動(dòng)能維持胞質(zhì)滲透壓和細(xì)胞容積的相對穩(wěn)定。④

Na+在膜兩側(cè)的濃度差是其他許多物質(zhì)繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力，如葡萄糖、氨基酸的主動(dòng)吸收等。⑤鈉泵活動(dòng)具有生電效應(yīng)，與靜息電位的發(fā)生有一定關(guān)系。鈉泵活動(dòng)增強(qiáng)，可使細(xì)胞內(nèi)負(fù)電位增加。（二）繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)有些物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)所需的能量不是直接由ATP分解供給，而是利用原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)建立的離子濃度差，在離子順濃度差擴(kuò)散的同時(shí)，將其他物質(zhì)逆濃度梯度或電位梯度進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，這種間接利用ATP能量的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過程，稱為繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（secondaryactivetransport），也稱為聯(lián)合轉(zhuǎn)運(yùn)。腸道和腎小管上皮細(xì)胞等對葡萄糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，就屬于繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。在完整的腎小管和腸黏膜上皮細(xì)胞基底-外側(cè)膜存在鈉泵，造成細(xì)胞內(nèi)Na+濃度低于小管液和腸液Na+濃度。于是Na+由小管液和腸液順濃度差進(jìn)入細(xì)胞，由勢能轉(zhuǎn)化的能量用于葡萄糖分子逆濃度差進(jìn)入細(xì)胞（圖2-4）。（二）繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)圖2-4繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖（一）入胞

細(xì)胞外大分子或團(tuán)塊狀物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的過程稱為入胞（endocytosis）。物質(zhì)在入胞時(shí)，首先與膜接觸，隨后接觸處的細(xì)胞膜向內(nèi)凹陷或伸出偽足把物質(zhì)包裹起來，然后與膜離斷，使物質(zhì)連同包裹它的細(xì)胞膜一起進(jìn)入細(xì)胞，形成包含攝入物在內(nèi)的吞噬小泡，最后吞噬小泡與溶酶體融合，溶酶體中的蛋白水解酶將被吞入的物質(zhì)消化分解（圖2-5）。A．入胞B．出胞1．粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；2．高爾基復(fù)合體；3．分泌顆粒；4．溶酶體圖2-4繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖AB（一）入胞根據(jù)攝入物的不同，入胞可分為吞噬和吞飲兩種方式。

若進(jìn)入細(xì)胞的物質(zhì)為固態(tài)，則稱為吞噬（phagocytosis）。吞噬只發(fā)生在一些特殊的細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等。若進(jìn)入細(xì)胞的物質(zhì)為液態(tài)，則稱為吞飲。（二）出胞大分子物質(zhì)或團(tuán)塊類物質(zhì)被排出細(xì)胞的過程稱為出胞（exocytosis）。腺細(xì)胞的各種分泌物大多在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成，在由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基復(fù)合體的運(yùn)輸過程中，被一層膜性結(jié)構(gòu)包圍形成分泌小泡，貯存在細(xì)胞內(nèi)。當(dāng)細(xì)胞受到膜外某些特殊化學(xué)信號或膜電位改變的刺激時(shí)，小泡逐漸向細(xì)胞膜移動(dòng)，小泡膜與細(xì)胞膜逐漸接觸，相互融合，并在融合處出現(xiàn)裂口，最后將小泡內(nèi)容物一次全部排出（圖2-5）。細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能02G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)酶耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程較復(fù)雜，涉及膜上和膜內(nèi)多種蛋白或信號分子。首先，G蛋白耦聯(lián)受體與細(xì)胞外的信號分子發(fā)生特異性結(jié)合，由此激活位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)面由3個(gè)亞單位組成的G蛋白；激活的G蛋白激活膜上的G蛋白效應(yīng)器，包括多種效應(yīng)器酶和離子通道；效應(yīng)器酶進(jìn)一步催化膜上或膜內(nèi)的某些物質(zhì)，產(chǎn)生細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的信號分子，即第二信使；第二信使在細(xì)胞內(nèi)可以激活相應(yīng)的蛋白激酶；激活的蛋白激酶則可使其底物功能蛋白。G蛋白耦聯(lián)受體（Gprotein-linkedreceptor）是存在于細(xì)胞膜上的一類整合蛋白。由于該類膜受體要通過與膜上的G蛋白耦聯(lián)才能發(fā)揮作用，故稱為G蛋白耦聯(lián)受體。腎上腺素能α受體、腎上腺素能β受體、乙酰膽堿受體、嗅覺受體和視紫紅質(zhì)等均屬于此類受體。酶耦聯(lián)受體（enzyme-linkedreceptor）也是一種跨膜蛋白，既有受體的作用，同時(shí)又有酶的作用。酶耦聯(lián)受體包括以下3種。（一）酪氨酸激酶受體酪氨酸激酶受體是膜上的整合蛋白，膜外側(cè)有與配體結(jié)合的受體位點(diǎn)，伸入細(xì)胞質(zhì)的一端具有酪氨酸激酶活性。當(dāng)配體與受體結(jié)合后，酪氨酸激酶被激活，導(dǎo)致受體自身或細(xì)胞內(nèi)靶蛋白的磷酸化。大部分生長因子是與這類受體結(jié)合的配體。（二）酪氨酸激酶結(jié)合型受體酪氨酸激酶結(jié)合型受體伸入細(xì)胞質(zhì)的一端不具有蛋白激酶活性，但與細(xì)胞外的配體結(jié)合后可以結(jié)合并激活細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的酪氨酸激酶。各種細(xì)胞因子是這類受體的配體。（三）鳥苷酸環(huán)化酶受體鳥苷酸環(huán)化酶受體的膜外側(cè)有與配體結(jié)合的位點(diǎn)，伸入細(xì)胞質(zhì)的一端具有鳥苷酸環(huán)化酶（guanylylcyclase，GC）活性。一旦配體與受體結(jié)合，GC的活性增加，GC催化三磷酸鳥苷（GTP）生成環(huán)-磷酸鳥苷（cGMP），cGMP進(jìn)而結(jié)合并激活cGMP依賴的蛋白激酶G（PKG），PKG使底物蛋白磷酸化。GC受體的一個(gè)重要配體是心房鈉尿肽（atrialnatriureticpeptide，ANP）。ANP是由心房肌合成和釋放的一類多肽，可刺激腎臟排鈉和排水，并使血管平滑肌舒張。離子通道受體的本質(zhì)就是參與離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的各種離子通道，但通常指的是化學(xué)門控性通道。這種通道除了本身具有“孔道”允許離子通過外，還具有能與化學(xué)信號（主要是神經(jīng)遞質(zhì)）結(jié)合的位點(diǎn)?；瘜W(xué)門控性通道實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程比較簡單。當(dāng)配體與受體上的特異性位點(diǎn)結(jié)合后，受體蛋白的構(gòu)象發(fā)生改變，此構(gòu)象變化直接操縱了離子通道的開關(guān)，改變了細(xì)胞膜對離子的通透性，從而引起離子跨膜移動(dòng)和膜電位改變。離子通道還包括電壓門控性通道和機(jī)械門控性通道。雖然通常不把它們看作受體，但實(shí)際上它們分別是接受電信號和機(jī)械信號的受體，并通過通道的開閉和離子跨膜流動(dòng)將信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)部。細(xì)胞的生物電現(xiàn)象03靜息電位動(dòng)作電位機(jī)體的活細(xì)胞在進(jìn)行生命活動(dòng)時(shí)都伴隨有電的現(xiàn)象，這種電現(xiàn)象稱為生物電。臨床上所做的心電圖、腦電圖等檢查，實(shí)際上是將心肌細(xì)胞、腦細(xì)胞等的生物電引導(dǎo)出來并加以放大，描記在記錄紙上的結(jié)果。因此，生物電在臨床上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，對疾病的診斷和監(jiān)護(hù)都具有重要的輔助作用。人體和各器官所表現(xiàn)的電現(xiàn)象，是以細(xì)胞水平的生物電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。細(xì)胞生物電發(fā)生在細(xì)胞膜的兩側(cè)，故稱為跨膜電位簡稱膜電位。膜電位包括細(xì)胞處于安靜狀態(tài)時(shí)的靜息電位和受到刺激后的動(dòng)作電位。細(xì)胞處于安靜狀態(tài)下存在于膜內(nèi)、外兩側(cè)的電位差稱為靜息電位（restingpotential，RP）。靜息電位可用示波器進(jìn)行觀察測量。將示波器的兩個(gè)測量電極放置在神經(jīng)細(xì)胞外表面任意兩點(diǎn)（2-6a）或均插入細(xì)胞膜內(nèi)（2-6b）時(shí)，示波器上的光點(diǎn)在零位線上作橫向掃描，表明細(xì)胞膜外表面或內(nèi)表面任意兩點(diǎn)間不存在電位差。若將其中一個(gè)電極置于細(xì)胞膜外表面，另一個(gè)電極插入細(xì)胞膜內(nèi)，則示波器光點(diǎn)即從零電位向下移動(dòng)，并以此作橫向掃描（圖2-6c），說明膜內(nèi)電位較膜外低，細(xì)胞膜內(nèi)、外存在著電位差，即靜息電位。（一）靜息電位的概念不同細(xì)胞靜息電位的正常值不同。靜息電位的大小通常以細(xì)胞內(nèi)負(fù)值的大小來判斷，負(fù)值越大表示膜兩側(cè)的電位差越大，即靜息電位越大。細(xì)胞在安靜時(shí)膜電位處于一種“外正內(nèi)負(fù)”的狀態(tài)，即膜外側(cè)的電位高，帶正電荷，膜內(nèi)側(cè)的電位低，帶負(fù)電荷。靜息電位的增大，即細(xì)胞內(nèi)負(fù)值的增大稱為超極化；靜息電位的減小，即細(xì)胞內(nèi)負(fù)值的減小稱為除極；細(xì)胞膜除極后再向靜息電位方向的恢復(fù)，稱為復(fù)極。（一）靜息電位的概念圖2-6靜息電位實(shí)驗(yàn)示意圖為什么細(xì)胞靜息時(shí)膜內(nèi)電位低于膜外電位呢？這個(gè)現(xiàn)象目前通常采用“離子流學(xué)說”來解釋。該學(xué)說認(rèn)為，任何生物電的產(chǎn)生必須具備兩個(gè)前提條件：①細(xì)胞膜內(nèi)外各種離子的濃度分布不均勻；②在不同狀態(tài)下，細(xì)胞膜對不同離子的通透性不同。以哺乳動(dòng)物骨骼肌細(xì)胞為例，細(xì)胞外Na+濃度約為細(xì)胞內(nèi)Na+濃度的12倍，而細(xì)胞內(nèi)的K+濃度約為細(xì)胞外K+濃度的39倍（表2-1）。細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞膜對K+的通透性較大，對Na+的通透性僅為K+通透性的1/100～1/50，對胞內(nèi)的有機(jī)負(fù)離子幾乎沒有通透性。（二）靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制（二）靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制離子細(xì)胞內(nèi)（mmol/L）細(xì)胞外（mmol/L）平衡電位（mV）Na+12145＋65K+1554－95Cl—3.8120－90有機(jī)負(fù)離子155表2-1哺乳動(dòng)物骨骼肌細(xì)胞內(nèi)、外離子的濃度和平衡電位離子擴(kuò)散形成的平衡電位是由膜兩側(cè)離子的濃度差決定的，可以應(yīng)用物理化學(xué)Nernst公式，計(jì)算出各種離子的平衡電位。計(jì)算得到的K+平衡電位為－95mV，

Na+平衡電位為＋65mV（表2-1）。事實(shí)上，實(shí)際測得的靜息電位（－90mV）更接近K+的平衡電位（－95mV），而遠(yuǎn)離Na+的平衡電位（＋65mV）。靜息電位接近但不等于K+平衡電位，是因?yàn)榘察o情況下細(xì)胞膜對Na+也具有一定的通透性，少量的Na+內(nèi)流也參與了靜息電位的形成。另外，鈉-鉀泵的活動(dòng)本身具有生電作用，每次活動(dòng)時(shí)將3個(gè)Na+泵出細(xì)胞，將2個(gè)K+泵入細(xì)胞，造成細(xì)胞內(nèi)負(fù)電位，因此鈉-鉀泵的活動(dòng)在一定程度上也參與了靜息電位的形成。綜上所述，靜息電位的產(chǎn)生主要是K+外流形成的，也有少量的Na+內(nèi)流和鈉-鉀泵生電作用參與。因此，影響這三方面的因素都可以影響細(xì)胞的靜息電位。（二）靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制1．動(dòng)作電位的概念（一）動(dòng)作電位的概念和特點(diǎn)當(dāng)細(xì)胞受到一個(gè)有效刺激時(shí)，膜電位在靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生的迅速、可逆、可向遠(yuǎn)距離傳播的電位波動(dòng)，稱為動(dòng)作電位（actionpotential，AP）。動(dòng)作電位是細(xì)胞產(chǎn)生興奮的標(biāo)志。實(shí)驗(yàn)觀察到，在靜息電位的基礎(chǔ)上，給予神經(jīng)纖維一個(gè)有效刺激，可在示波器上觀察到一個(gè)動(dòng)作電位（圖2-7）。ab．鋒電位上升支；bc．鋒電位下降支；cd．負(fù)后電位；de．正后電位圖2-7動(dòng)作電位示意圖1．動(dòng)作電位的概念（一）動(dòng)作電位的概念和特點(diǎn)細(xì)胞內(nèi)電位首先從－70mV迅速除極至＋30mV，形成動(dòng)作電位的升支；隨后又迅速復(fù)極至接近靜息電位的水平，形成動(dòng)作電位降支。迅速除極的升支和迅速復(fù)極的降支共同形成尖鋒狀電位變化，

稱為鋒電位，其中超過0mV以上的部分稱為超射，此時(shí)膜兩側(cè)電位處于“內(nèi)正外負(fù)”的反極化狀態(tài)。鋒電位持續(xù)約1ms，隨后出現(xiàn)的膜電位低幅緩慢的波動(dòng)，稱為后電位。

后電位包括兩部分：一部分是前面尚未復(fù)極到靜息電位的部分，稱為負(fù)后電位或后除極電位；另一部分是后面復(fù)極超過靜息電位的部分，稱為正后電位或后超極化電位。后電位持續(xù)的時(shí)間較長，后電位結(jié)束后，膜電位才恢復(fù)到穩(wěn)定的靜息電位水平。2．動(dòng)作電位的特點(diǎn)

動(dòng)作電位具有以下特點(diǎn)：（一）動(dòng)作電位的概念和特點(diǎn)（1）“全或無”現(xiàn)象動(dòng)作電位的產(chǎn)生需要一定的刺激強(qiáng)度，刺激達(dá)不到閾值，動(dòng)作電位不產(chǎn)生（無）；刺激達(dá)到閾值后，動(dòng)作電位產(chǎn)生，同時(shí)幅值也達(dá)到最大（全），增加刺激強(qiáng)度，動(dòng)作電位的幅值不再增大。（2）不衰減性傳導(dǎo)

動(dòng)作電位在細(xì)胞膜上某一點(diǎn)產(chǎn)生后，可沿細(xì)胞膜向周圍傳導(dǎo)，其幅度和波形不會因?yàn)閭鲗?dǎo)距離的增加而減小。（3）脈沖式

由于不應(yīng)期的存在，連續(xù)的多個(gè)動(dòng)作電位不可能融合在一起，其間總有一定的間隔，呈現(xiàn)為一個(gè)個(gè)分離的脈沖式動(dòng)作電位發(fā)放。不同細(xì)胞其動(dòng)作電位形成的原理不同，以神經(jīng)細(xì)胞為例：當(dāng)細(xì)胞受刺激時(shí)，細(xì)胞膜上的鈉通道開放，膜外Na+迅速向膜內(nèi)擴(kuò)散，形成膜內(nèi)為正、膜外為負(fù)的反極化狀態(tài)，即形成動(dòng)作電位上升支；隨后細(xì)胞膜上的鈉通道關(guān)閉，鉀通道開放，膜對Na+通透性降低而對K+通透性增加，

K+順濃度差向膜外擴(kuò)散，使膜內(nèi)、外電位又恢復(fù)到靜息水平，形成動(dòng)作電位的下降支。（二）動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)制

細(xì)胞受刺激時(shí)，細(xì)胞膜對Na+通透性逐漸增加，

Na+緩慢流入細(xì)胞內(nèi)，使膜電位減小，當(dāng)膜電位減小到某一臨界值時(shí)，受刺激部位的鈉通道被激活而全部開放，

Na+迅速流入細(xì)胞內(nèi)，從而產(chǎn)生動(dòng)作電位。只有當(dāng)某些刺激引起膜內(nèi)正電荷增加，即負(fù)電位減?。ǔ龢O）到一個(gè)臨界值時(shí)，細(xì)胞膜中大量鈉通道才能開放而觸發(fā)動(dòng)作電位的產(chǎn)生，這個(gè)能觸發(fā)動(dòng)作電位的膜電位臨界值稱為閾電位（圖2-7，圖2-8）。去極化達(dá)閾電位水平是細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位的必要條件，閾電位一般比靜息電位絕對值小10～20mV。（三）動(dòng)作電位產(chǎn)生的條件1．閾電位a．超極化；b．局部興奮；c、d．局部興奮的時(shí)間總和圖2-8刺激引起的超極化、局部興奮、局部興奮總和及閾電位（三）動(dòng)作電位產(chǎn)生的條件1．閾電位前面曾經(jīng)提到，引起細(xì)胞產(chǎn)生興奮或動(dòng)作電位需要給細(xì)胞一個(gè)有效刺激，這個(gè)有效刺激就是指作用于細(xì)胞后能使靜息電位發(fā)生除極達(dá)到閾電位的刺激，它包括閾刺激和大于閾刺激的閾上刺激。閾刺激是指剛能夠使組織或細(xì)胞的靜息電位發(fā)生除極達(dá)到閾電位水平的刺激。（三）動(dòng)作電位產(chǎn)生的條件2．局部興奮和總和單個(gè)閾下刺激不能引起動(dòng)作電位，但會引起少量Na+內(nèi)流，從而產(chǎn)生較小的除極。這種達(dá)不到閾電位水平，電位波動(dòng)小，只限于膜局部，不能向遠(yuǎn)距離傳播的除極電位波動(dòng)稱為局部興奮。

局部興奮有以下特點(diǎn)：0（1）幅度大小呈“等級性”即隨刺激強(qiáng)度增大而增大，沒有“全或無”的特征。0（2）傳導(dǎo)呈衰減式局部興奮可向周圍擴(kuò)布，但不能遠(yuǎn)傳，隨著擴(kuò)布距離的增加，其電位變化逐漸減少，最后消失。0（3）反應(yīng)可以總和局部興奮無不應(yīng)期，能持續(xù)一段時(shí)間，因而幾個(gè)閾下刺激引起的局部電位可疊加起來，稱總和?？偤涂煞譃闀r(shí)間總和與空間總和。（三）動(dòng)作電位產(chǎn)生的條件3．組織的興奮性及其周期性變化

動(dòng)作電位是組織或細(xì)胞產(chǎn)生興奮的標(biāo)志。組織或細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力稱為興奮性。衡量興奮性高低的指標(biāo)是閾強(qiáng)度或閾值。閾值是指在刺激時(shí)間和強(qiáng)度/時(shí)間變化率固定條件下，使組織發(fā)生興奮的最小刺激強(qiáng)度。

細(xì)胞受刺激而發(fā)生動(dòng)作電位時(shí)，其興奮性會發(fā)生一系列變化，經(jīng)歷一個(gè)周期性變化過程（圖2-9）。ab．鋒電位——絕對不應(yīng)期；bc．負(fù)后電位的前部分——相對不應(yīng)期；cd．負(fù)后電位的后部分——超常期；de．正后電位——低常期圖2-9動(dòng)作電位與興奮性變化的時(shí)間關(guān)系（三）動(dòng)作電位產(chǎn)生的條件3．組織的興奮性及其周期性變化在興奮后最初的一段時(shí)間，無論給予多大的刺激也不能使它再次興奮，這段時(shí)間稱為絕對不應(yīng)期。處于絕對不應(yīng)期的組織，閾值無限大，興奮性為零。絕對不應(yīng)期之后的一段時(shí)間內(nèi)，組織興奮性從無到有逐漸向正?；謴?fù)，但由于興奮性比正常時(shí)低，故只有受到閾上刺激后方可興奮，此期稱為相對不應(yīng)期。相對不應(yīng)期之后的一段時(shí)間內(nèi)，組織細(xì)胞出現(xiàn)興奮性的輕度增高，此期稱為超常期。在超常期過后的一段時(shí)間內(nèi)，組織細(xì)胞又出現(xiàn)興奮性的輕度減低，此期稱為低常期。鋒電位相當(dāng)于絕對不應(yīng)期；負(fù)后電位的前段相當(dāng)于相對不應(yīng)期；負(fù)后電位的后段相當(dāng)于超常期；正后電位相當(dāng)于低常期。（四）動(dòng)作電位的傳導(dǎo)動(dòng)作電位在同一細(xì)胞上的傳播稱為傳導(dǎo)（conduction）。動(dòng)作電位傳導(dǎo)的原理可用“局部電流學(xué)說”來解釋。下面以無髓神經(jīng)纖維為例進(jìn)行介紹。在無髓神經(jīng)纖維上（圖2-10A），當(dāng)細(xì)胞某一處受刺激而興奮時(shí)，興奮部位的細(xì)胞膜兩側(cè)電位呈現(xiàn)內(nèi)正外負(fù)的反極化狀態(tài)，而與它相鄰的未興奮部位仍處于外正內(nèi)負(fù)的極化狀態(tài)。因此，興奮部位與鄰近未興奮部位之間產(chǎn)生了電位差，從而導(dǎo)致電荷的流動(dòng)。A、B．動(dòng)作電位在無髓神經(jīng)纖維上依次傳導(dǎo)，興奮部位與鄰近未興奮部位之間形成局部電流；C、D．動(dòng)作電位在有髓神經(jīng)纖維上跳躍式傳導(dǎo)，興奮的郎飛結(jié)與鄰近未興奮的郎飛結(jié)之間形成局部電流圖2-10動(dòng)作電位在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)示意圖（四）動(dòng)作電位的傳導(dǎo)這種在興奮部位與鄰近未興奮部位之間流動(dòng)的電流，稱為局部電流。局部電流流動(dòng)的方向是：膜外由未興奮部位流向興奮部位，膜內(nèi)由興奮部位流向未興奮部位，從而使未興奮部位的膜內(nèi)電位升高，膜外電位降低，使局部發(fā)生去極化。這樣的過程在膜表面進(jìn)行下去，細(xì)胞膜依次產(chǎn)生動(dòng)作電位，表現(xiàn)為動(dòng)作電位在整個(gè)神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)（圖2-10B）。由于局部電流可以同時(shí)在神經(jīng)纖維興奮部位的兩端產(chǎn)生，因此動(dòng)作電位可以從受刺激的興奮點(diǎn)向兩側(cè)傳導(dǎo)，稱為雙向傳導(dǎo)。有髓神經(jīng)纖維的髓鞘具有絕緣性，動(dòng)作電位的傳導(dǎo)只能在沒有髓鞘的郎飛結(jié)處進(jìn)行。興奮傳導(dǎo)時(shí)，兩個(gè)相鄰的郎飛結(jié)之間產(chǎn)生局部電流，使相鄰的郎飛結(jié)產(chǎn)生動(dòng)作電位，這樣動(dòng)作電位就從一個(gè)郎飛結(jié)傳給相鄰的郎飛結(jié)，這種傳導(dǎo)方式稱為跳躍式傳導(dǎo)（圖2-10C、D）。故有髓神經(jīng)纖維傳導(dǎo)速度比無髓神經(jīng)纖維快得多。肌細(xì)胞的收縮功能04神經(jīng)-肌接頭處的興奮傳遞骨骼肌的結(jié)構(gòu)與收縮機(jī)制骨骼肌的興奮-收縮耦聯(lián)骨骼肌的收縮形式及其影響因素（一）神經(jīng)-肌接頭處的微細(xì)結(jié)構(gòu)骨骼肌屬于隨意肌，在中樞神經(jīng)控制下接受軀體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的支配。只有當(dāng)神經(jīng)纖維上有傳出神經(jīng)沖動(dòng)，并經(jīng)神經(jīng)-肌接頭（neuromuscularjunction）把興奮傳遞給骨骼肌，才能引起骨骼肌的興奮和收縮。運(yùn)動(dòng)神經(jīng)纖維在接近骨骼肌細(xì)胞時(shí)失去髓鞘，軸突末梢部位形成膨大并嵌入到由肌細(xì)胞膜形成的凹陷中，形成神經(jīng)-肌接頭（圖2-11）。神經(jīng)-肌接頭由接頭前膜、接頭后膜和接頭間隙3部分組成。

接頭前膜是神經(jīng)軸突末梢的細(xì)胞膜。軸突末梢內(nèi)含有許多囊泡，稱為突觸小泡。一個(gè)突觸小泡內(nèi)含有大約1萬個(gè)乙酰膽堿（acetylch-oline，ACh）分子。

接頭后膜是與接頭前膜相對應(yīng)的肌細(xì)胞膜，又稱運(yùn)動(dòng)終板或終板膜。接頭后膜上有與ACh特異性結(jié)合的N型乙酰膽堿受體，它的本質(zhì)是一種化學(xué)門控通道蛋白。

接頭前膜與接頭后膜之間有20mm左右的間隙，稱接頭間隙，其中充滿細(xì)胞外液。（一）神經(jīng)-肌接頭處的微細(xì)結(jié)構(gòu)圖2-11神經(jīng)-肌接頭的結(jié)構(gòu)及其傳遞過程示意圖（二）神經(jīng)-肌接頭處興奮的傳遞過程興奮傳遞是指信息由一個(gè)細(xì)胞傳給另一個(gè)細(xì)胞的過程。神經(jīng)-肌接頭處的興奮傳遞是指將運(yùn)動(dòng)神經(jīng)上動(dòng)作電位傳給骨骼肌細(xì)胞，它屬于興奮在細(xì)胞間的傳遞，也是化學(xué)門控通道介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的典型例子。當(dāng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)接受刺激產(chǎn)生興奮時(shí)，神經(jīng)沖動(dòng)傳至軸突末梢，引起接頭前膜電壓門控性Ca2+通道開放，

Ca2+順濃度差由細(xì)胞外進(jìn)入軸突末梢，使末梢內(nèi)Ca2+濃度升高，升高的Ca2+可以啟動(dòng)突觸小泡的出胞過程，使大量突觸小泡向接頭前膜方向移動(dòng)，并與接頭前膜發(fā)生融合，接頭前膜破裂，將貯存在囊泡中的ACh分子釋放入接頭間隙，并通過接頭間隙擴(kuò)散至終板膜，與終板膜上的N型乙酰膽堿受體結(jié)合，引起接頭后膜化學(xué)門控通道開放，出現(xiàn)Na+內(nèi)流和K+外流，但以Na+內(nèi)流為主，引起終板膜靜息電位減小，即產(chǎn)生終板膜的除極，稱為終板電位（end-platepotential，EPP）。（二）神經(jīng)-肌接頭處興奮的傳遞過程

終板電位（屬于局部興奮）向周圍局部擴(kuò)散，引起鄰近肌膜除極達(dá)到閾電位，使肌膜上的電壓門控Na+通道大量開放，從而爆發(fā)動(dòng)作電位（圖2-11）。動(dòng)作電位通過局部電流可傳遍整個(gè)肌膜，即引起骨骼肌細(xì)胞的興奮。接頭前膜釋放到接頭間隙中的ACh并沒有進(jìn)入肌細(xì)胞，它只起到傳遞信息的作用，很快被存在于接頭間隙和終板膜上的膽堿酯酶分解為膽堿和乙酸而失去作用，從而使終板電位非常短暫。這樣可以保證一次神經(jīng)沖動(dòng)僅引起一次肌細(xì)胞興奮，表現(xiàn)為一對一的關(guān)系。否則釋放的ACh在接頭間隙中積聚起來，將使骨骼肌細(xì)胞持續(xù)地興奮和收縮而發(fā)生痙攣。（三）神經(jīng)-肌接頭處興奮傳遞的特點(diǎn)神經(jīng)-肌接頭處的興奮傳遞與動(dòng)作電位在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)不同，具有以下特點(diǎn)。1．單向傳遞興奮只能由接頭前膜傳向接頭后膜，而不能反傳。這是因?yàn)锳Ch只存在于神經(jīng)軸突的小泡中，而膽堿受體只存在于接頭后膜上的緣故。2．時(shí)間延擱興奮通過神經(jīng)-肌接頭大約需要0.5～1.0ms，遠(yuǎn)比神經(jīng)沖動(dòng)通過相同距離的神經(jīng)纖維要慢得多。興奮經(jīng)神經(jīng)-肌接頭傳遞的過程屬于電-化學(xué)-電過程，涉及環(huán)節(jié)較多，其中化學(xué)性神經(jīng)遞質(zhì)從接頭前膜的釋放和經(jīng)突觸間隙的擴(kuò)散耗時(shí)較長。3．易受內(nèi)環(huán)境變化的影響細(xì)胞外液的離子成分、pH、藥物等容易影響神經(jīng)-肌接頭的傳遞。接頭間隙本身屬于細(xì)胞外液，接頭前、后膜都暴露于細(xì)胞外液的環(huán)境下。許多藥物或病理變化可作用于興奮傳遞中的不同環(huán)節(jié)，影響興奮的正常傳遞和肌肉的收縮。骨骼肌之所以能夠收縮和舒張，與其具有以下特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。（一）骨骼肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)

1．肌原纖維和肌小節(jié)骨骼肌細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi)含有大量的肌原纖維。肌原纖維平行排列，縱貫肌細(xì)胞全長。在顯微鏡下觀察，肌原纖維沿長軸呈明暗相間的節(jié)段，分別稱為明帶和暗帶。明帶中央有一條與肌原纖維垂直的直線，稱為Z線。暗帶中央有一段相對透亮區(qū)，稱H帶。H帶中央有一條暗線，稱為M線。明帶只有細(xì)肌絲，Z線是聯(lián)結(jié)許多細(xì)肌絲的結(jié)構(gòu)。暗帶主要由粗肌絲組成，M線是聯(lián)結(jié)許多粗肌絲的結(jié)構(gòu)。暗帶中比較透亮的H帶只有粗肌絲，而H帶兩側(cè)的暗帶則是粗、細(xì)肌絲重疊區(qū)（圖2-12）。圖2-12肌原纖維結(jié)構(gòu)模式圖（一）骨骼肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)（1）粗肌絲粗肌絲主要由肌球蛋白分子組成（2-13A）。每個(gè)肌球蛋白分子又分為桿部和頭部。桿部相互聚合朝向M線，構(gòu)成粗肌絲的主干；頭部則有規(guī)律地伸出粗肌絲主干的表面，形成橫橋（2-13B）。橫橋有兩個(gè)主要特性：一是具有ATP酶的活性，可分解ATP獲得能量，作為橫橋擺動(dòng)做功的能量來源；二是可以和細(xì)肌絲上的位點(diǎn)結(jié)合，并發(fā)生向M線方向的擺動(dòng)，從而拉動(dòng)細(xì)肌絲向M線方向滑行。（2）細(xì)肌絲細(xì)肌絲由肌動(dòng)蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白3種蛋白質(zhì)分子組成（圖2-13C）。肌動(dòng)蛋白是球形分子，它們聚合成兩條鏈并相互纏繞成螺旋狀，構(gòu)成細(xì)肌絲的主干。原肌球蛋白分子呈長桿狀，它們首尾相連，也是螺旋狀結(jié)構(gòu)，走行于肌動(dòng)蛋白雙螺旋的淺溝附近，能阻止肌動(dòng)蛋白分子與橫橋頭部結(jié)合。2．肌絲的分子組成（一）骨骼肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)A．肌球蛋白；B．粗肌絲；C．細(xì)肌絲圖2-13肌絲分子結(jié)構(gòu)示意圖（二）骨骼肌的收縮機(jī)制

目前公認(rèn)的骨骼肌收縮機(jī)制是肌絲滑行學(xué)說。該學(xué)說認(rèn)為，肌肉收縮并不是肌絲本身長度的縮短或卷曲，而是肌節(jié)兩端的細(xì)肌絲向中間的粗肌絲滑行，肌節(jié)長度縮短的結(jié)果。肌絲滑行理論已在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。肌絲滑行的過程如下：當(dāng)肌細(xì)胞膜上的動(dòng)作電位引起肌漿中Ca2+濃度升高時(shí)，肌鈣蛋白結(jié)合了足夠數(shù)量的Ca2+，引起肌鈣蛋白分子構(gòu)象的改變，此改變使原肌球蛋白發(fā)生扭轉(zhuǎn)、移位，肌球蛋白的橫橋得以和肌動(dòng)蛋白結(jié)合，使橫橋分解ATP獲得能量，拉動(dòng)細(xì)肌絲向M線方向扭動(dòng)，繼而出現(xiàn)橫橋同細(xì)肌絲上新位點(diǎn)的再結(jié)合和再扭動(dòng)，如此反復(fù)進(jìn)行，肌細(xì)胞縮短。（二）骨骼肌的收縮機(jī)制在橫橋反復(fù)拉動(dòng)的過程中，細(xì)肌絲不斷向暗帶中央移動(dòng)。若移動(dòng)時(shí)由于肌肉的負(fù)荷而受阻，則會產(chǎn)生張力。與橫橋扭動(dòng)相伴隨的是ATP的分解和化學(xué)能向機(jī)械功的轉(zhuǎn)換。橫橋的扭動(dòng)在一個(gè)肌小節(jié)以至整個(gè)肌肉中都是不同步的，這樣才能使肌肉產(chǎn)生恒定的張力和連續(xù)的縮短。參與工作的橫橋數(shù)目以及橫橋結(jié)合、分離、再結(jié)合的進(jìn)行速率，是決定肌肉縮短程度、縮短速度及所產(chǎn)生張力的關(guān)鍵因素。通過神經(jīng)-肌肉接頭興奮的傳遞，使肌細(xì)胞產(chǎn)生了興奮，但并不等于肌細(xì)胞出現(xiàn)了收縮，兩者之間存在一個(gè)耦聯(lián)過程。將骨骼肌細(xì)胞的電興奮與機(jī)械收縮聯(lián)系起來的中介過程，稱為