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第二章 细胞的基本功能
第一节 细胞膜的结构和物质转运功能
一、细胞膜的结构概述
机体的每个细胞都被一层薄膜所包被，称为细胞膜。细胞膜主要有脂质和蛋白质组成，此外还有少量的糖类物质。Singer和 Nicholson于1972年提出的液态镶嵌模型，即膜的基架是液态的脂质双分子层，其中镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质。
1.脂质双分子层
(1)成分：膜脂质主要由磷脂、胆固醇和少量糖脂构成。
(2)结构：磷脂、胆固醇和糖脂都是一些双嗜性分子，这些分子以脂质双层的形式存在于质膜中，亲水端朝向细胞外液或胞质，疏水的脂肪酸烃链则彼此相对，形成膜内部的疏水区。
(3)特点：
①流动性
②稳定性
2.细胞膜的蛋白：根据膜蛋白在膜上存在的形式，可分为表面蛋白和整合蛋白两类。与物质跨膜转运功能有关的功能蛋白，如载体、通道，都属于整合蛋白。细胞膜的功能主要是通过膜蛋白来实现的，膜蛋白的种类及含量越多，该细胞的功能也就越复杂。
3.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，它们以共价键的形式和膜脂质或膜蛋白结合，形成糖脂或糖蛋白。结合于糖脂或糖蛋白上的糖链仅存在于膜的外侧，通常具有受体或抗原的功能。
二、物质的跨膜转运
质膜不仅在维持细胞正常的代谢活动中起重要的屏障作用，在物质的跨膜转运中也起重要的参与作用。脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质可直接穿越细胞膜;大部分水溶性溶质分子和所有离子的跨膜转运需要有膜蛋白介导来完成;大分子物质或物质团块则以复杂的出胞或入胞的方式整装进出细胞。
1.单纯扩散
(1)概念：脂溶性的和少数分子很小的水溶性的物质通过脂质双层由高浓度一侧向低浓度一侧转运的过程，称为单纯扩散。如氧气、二氧化碳、水等的跨膜转运。
(2)影响因素：某物质通过膜的难易程度取决于它们的脂溶性和分子大小，扩散的方向和速度取决于膜两侧该物质的浓度差和膜对该物质的通透性。
(3)特点：不需要外力帮助，也不消耗能量，是一被动过程。
2.膜蛋白介导的跨膜转运：介导转运的膜蛋白可分为载体蛋白(简称载体，也称转运体)和离子通道(简称通道)两大类。有些载体具有ATP酶活性，称为离子泵，离子泵由于具有分解ATP的能力，也称为ATP酶。
(1)通道介导的跨膜转运：通道介导的跨膜转运都是被动的，也称为经通道易化扩散。这种跨膜转运的特征是：①高速度;②离子选择性;③门控。根据对不同刺激的敏感性，离子通道通常可分为化学门控通道、电压门控通道以及机械门控通道等。
(2)载体介导的跨膜转运：跨膜转运的特征是：①转运速率存在饱和现象;②载体与溶质的结合具有结构特异性;③结构相似的溶质经同一载体转运时有竞争抑制。载体介导的跨膜转运可分为三种形式：
1)经载体易化扩散：
2)原发性主动转运：特点是：①在物质转运过程中，细胞要代谢供能;②物质转运是逆电-化学梯度进行的。
在细胞膜上普遍存在的离子泵是钠-钾泵(sodium potassium pump)，简称钠泵，也称Na+-K+ -ATP酶。钠泵的主要功能包括：①钠泵活动造成的细胞内高K+是许多代谢反应进行的必要条件;②维持胞内渗透压和细胞容积;③建立Na+的跨膜浓度梯度，为继发性主动转运的物质提供势能储备;④钠泵活动造成的跨膜浓度梯度，是细胞发生电活动的前提条件;⑤钠泵活动是生电性的，可直接影响膜电位，使膜内电位的负值增大。
3)继发性主动转运：如葡萄糖在小肠黏膜上皮的主动吸收，就是由Na+-葡萄糖同向转运体和钠泵的耦联活动而完成的。
3.出胞和入胞
出胞和入胞主要是依靠细胞本身的活动来完成的，也需要细胞代谢供能。
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第二节 细胞的信号转导
一、离子通道型受体介导的信号转导
离子通道型受体属于化学门控通道，也称递质门控通道或促离子型受体。如骨骼肌终板膜上的N2型ACh受体阳离子通道。离子通道型受体介导信号转导的特点是路径简单、速度快，对外界作用出现反应的位点较局限。
二、G蛋白耦联受体介导的信号转导
1.主要的信号蛋白
(1)G蛋白耦联受体:又称促代谢型受体。G蛋白耦联受体种类繁多，构成细胞膜上最大的受体分子超家族,每种受体都由一条包含7次跨膜α螺旋的肽链构成,故也称为7次跨膜受体。G蛋白耦联受体与配体结合后，通过构象变化引起对G蛋白的结合和激活。
(2)G蛋白：鸟苷酸结合蛋白简称G蛋白，通常是指由α、β和γ三个亚单位构成的三聚体G蛋白。G蛋白的种类很多，所有G蛋白的共同特征是其中的α亚单位同时具有结合GTP或GDP的能力和具有GTP酶活性。G蛋白的分子构象有结合GDP的失活态和结合GTP的激活态两种，并能互相转化，在信号转导中起着分子开关的作用。G蛋白激活后，可进一步激活膜的效应器蛋白，把信号向细胞内转导。
(3)G蛋白效应器：包括酶和离子通道两类，主要的效应器酶有腺苷酸环化酶(AC)、磷脂酶C(PLC)、磷脂酶A2和磷酸二酯酶等，它们催化生成(或分解)第二信使物质，将信号转导到细胞内。
(4)第二信使: 是指激素、递质、细胞因子等信号分子作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子，能把细胞外信号分子携带的信息转入胞内。较重要的有环-磷酸腺苷(cAMP)、三磷酸肌醇(IP3)、二酰甘油(DG)、环-磷酸鸟苷(cGMP)和Ca2+等。
2.主要的G蛋白耦联受体信号转导途径
(1)受体-G蛋白-AC途径
(2)受体-G蛋白-PLC途径
3.注意：①不同的G蛋白可激活不同的酶，产生不同的信使分子;②G蛋白效应器和第二信使具有多样性;③第二信使物质的生成要经过一系列酶催化反应，故有生物放大作用;④ 第二信使是通过其相应的蛋白激酶的活化引起一连串的底物蛋白(酶)磷酸化而发生效应;⑤G蛋白耦联受体介导的信号转导的特点是效应出现较慢、反应较灵敏、作用较广泛。
三、酶联型受体介导的信号转导
酶联型受体也是一种跨膜蛋白，但每个受体分子只有1次穿膜。它往往既有与信号分子结合的位点，起受体的作用，又具有酶的催化作用，通过它们的这种双重作用完成信号转导。 较重要的有酪氨酸激酶受体、酪氨酸激酶结合型受体和鸟苷酸环化酶受体。
第三节 细胞的电活动
一切活细胞无论处于安静或活动状态都存在电的活动，这种电的活动称为生物电。人体和各器官表现的电现象，是以细胞水平的生物电现象为基础的，而细胞生物电又是细胞膜两侧带电离子的不均匀分布和一定形式的跨膜移动的结果。
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一、膜的被动电学特性和电紧张电位
1.膜电容：细胞膜具有显著的电容特性，且膜电容较大;当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电，从而在膜两侧产生电位差，即跨膜电位，简称膜电位。
2.膜电阻：通常用它的倒数膜电导G来表示。对带电离子而言，膜电导是膜对离子通透性的观测指标;细胞膜对某离子电导的变化与其对该离子的通透性的变化是完全一致的。
3.轴向电阻：沿细胞的长轴存在，数值决定于胞质溶液本身的电阻和细胞的直径;细胞直径越大，轴向电阻越小。
4.电紧张电位：由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。电紧张电位的幅度达到一定水平，就会引起相当多的钠通道或钙通道的激活，从而引发动作电位;细胞膜电紧张电位发生的速度和扩布的范围也是影响动作电位产生和传播速度的重要因素。
二、静息电位及其产生机制
1.细胞的静息电位
(1)概念：静息时，质膜两侧存在着外正内负的电位差称为静息电位(resting potential，RP)。
(2)特征：①通常是平稳的直流电位;②不同细胞静息电位的数值可以不同，并且只要细胞未受刺激、生理条件不变，这种电位将持续存在。
(3)注意：①平稳的静息电位存在时细胞膜电位外正内负的状态称为极化;②静息电位(的绝对值)增大的过程或状态称为超极化;③静息电位(的绝对值)减小的过程或状态称为去极化或除极化;④去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值，则称为反极化，膜电位高于零电位的部分称为超射;⑤细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程，称为复极化。
2.静息电位产生的机制
(1)膜学说: 1902年Bernstein认为生物电现象的各种表现，主要是由于细胞内外离子分布不均匀以及在不同状态下，细胞膜对不同离子的通透性不同。
(2)机制：静息电位主要是由K+外流形成的,非常接近于K+的平衡电位。
(3)影响静息电位的因素：①细胞外K+浓度的改变;②膜对K+和Na+的相对通透性，如膜对K+的通透性相对增大，静息电位则增大;③钠泵活动的水平，如活动增强将使膜发生一定程度的超极化。
三、动作电位及其产生机制
1.细胞的动作电位
(1)概念：在静息电位的基础上，给细胞一个适当的刺激，可触发其产生可传播的膜电位波动，称为动作电位(action potential，AP)。
(2)组成：在神经纤维上，其主要部分表现为尖峰状的电位变化，称为锋电位;锋电位具有动作电位的主要特征，是动作电位的标志。在锋电位后出现的膜电位低幅而缓慢的波动，称为后电位;后电位又分为负后电位(后去极化)和正后电位(后超极化)。
(3)特征：①“全或无”特性;②不衰减性传播。
2.动作电位的产生机制
(1)电化学驱动力：当某种离子跨膜扩散时，它受到来自浓度差和电位差的双重驱动力，两个驱动力的代数和称为电化学驱动力。当电化学驱动力推动正电荷由膜外流入膜内时，这一方向的离子电流，称为内向电流;当电化学驱动力推动正电荷由膜内流出膜外时，这一方向的离子电流，称为外向电流。内向电流使膜去极化，而外向电流则使膜复极化或超极化。
(2)动作电位产生的过程
1)锋电位的上升支：接近于Na+的平衡电位。
2)锋电位的下降支：是K+外流所致。
3)后电位：负后电位一般认为是在复极时迅速外流的K+蓄积在膜外侧附近，暂时阻碍了K+外流所致;正后电位一般认为是生电性钠泵作用的结果。
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(3)注意
1)膜对Na+通透性增大，实际上是膜结构中存在的电压门控性Na+通道开放的结果。Na+通道有以下特点：①去极化程度越大，其开放的概率也越大，是电压依赖性的;②开闭是全或无式的，并且开、闭之间的转换速度非常快;③至少存在关闭、激活和失活三种功能状态，其形成与分子内部存在两种门控机制有关。
2)膜电导(通透性)变化的实质就是膜上离子通道随机开放和关闭的总和效应。
3)阈电位：能进一步诱发动作电位的去极化的临界值，称为阈电位(threshold potential)。
3.动作电位的传播：在无髓鞘神经纤维和肌纤维等细胞上，动作电位以局部电流的方式传播。在有髓鞘神经纤维上，局部电流仅在郎飞结之间发生，这种传导方式称为跳跃式传导，传导快且“节能”。
4.缝隙连接：缝隙连接处膜的电阻很小，一个细胞产生的动作电位可通过流经缝隙连接的局部电流直接传播到另一个细胞，使兴奋得以在细胞间直接传播。
四、局部电位
1.概念：当去极化的刺激很弱时,Na+通道并未被激活,仅在膜的局部产生电紧张电位;当去极化刺激稍强时，可引起少量的Na+通道激活和内向离子电流，在受刺激局部出现一个较小的膜的去极化，与电紧张电位叠加，这种产生于膜的局部、较小的去极化反应称为局部反应(local response)，产生的电位称为局部电位。
2.特点：①等级性;②电紧张传播，其随传播距离增加而逐渐衰减;③没有不应期。
五、可兴奋细胞及其兴奋性
1.兴奋性和可兴奋细胞：兴奋性是指细胞受到刺激后产生动作电位的能力，而兴奋已被看作是动作电位的同义语或动作电位的产生过程。凡在接受刺激后能产生动作电位的细胞，称为可兴奋细胞。一般认为，神经细胞、肌肉细胞和腺细胞都属于可兴奋细胞。
2.阈刺激：刺激是指能引起组织细胞发生反应的各种内外环境的变化。任何刺激要引起组织兴奋必须使刺激的强度、刺激的持续时间以及刺激强度对时间的变化率达到某个最低有效值。刺激的这三个参数是互相影响的，当其中一个的值变化时，其余的值也会发生相应的变化。在刺激的持续时间以及刺激强度对时间的变化率不变的情况下，刚能引起细胞兴奋或产生动作电位的最小刺激强度，称为阈强度，此时的刺激称为阈刺激。比阈刺激弱的刺激称为阈下刺激;比阈刺激强的刺激称为阈上刺激。阈刺激或阈强度(阈值)一般可作为衡量细胞兴奋性的指标，二者呈反比关系。
3.细胞兴奋后兴奋性的变化：细胞在发生一次兴奋后，其兴奋性会出现一系列变化，依次分为：绝对不应期、相对不应期、超常期和低常期。它们与动作电位各时期的关系是：绝对不应期大约相当于锋电位发生的时期;相对不应期和超常期大约相当于负后电位出现的时期;低常期则相当于正后电位出现的时期。
第四节 肌细胞的收缩
一、横纹肌
1.骨骼肌神经-肌接头处兴奋的传递
(1)结构基础：骨骼肌的神经-肌接头。
(2)传递过程：当动作电位沿着神经纤维传至神经末梢时，引起接头前膜电压门控性Ca2+通道的开放→Ca2+在电化学驱动力作用下内流进入轴突末梢→末梢内Ca2+浓度增加→Ca2+触发囊泡向前膜靠近、融合、破裂、释放递质ACh，ACh通过接头间隙扩散到接头后膜(终板膜)并与后膜上的ACh受体阳离子通道上的两个α-亚单位结合→终板膜对Na+、K+通透性增高→Na+内流(为主)和K+外流→后膜去极化，称为终板电位(end-plate potential，EPP)，终板电位具有局部电位的特征，可以总和→邻近肌细胞膜去极化达到阈电位水平而产生动作电位。ACh发挥作用后被终板膜表面的胆碱脂酶分解失活。
(3)特点：①单向传递;②时间延搁;③1对1的关系;④易受环境因素和药物的影响。
(4)注意:①神经肌肉接头处的信息传递实际上是“电-化学-电”的过程;②终板电位具有局部电位的所有特征，兴奋传递是1对1的;③ACh为量子式释放。
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2.横纹肌细胞的微细结构
(1)肌原纤维和肌节：
(2)肌管系统：包括横管和纵管两套独立的系统。
1)横管(T管):作用是将肌细胞膜兴奋时出现的电变化(AP)沿T管膜传入细胞内部。
2)纵管(L管，肌质网)：作用是通过对Ca2+的储存、释放和再聚集，触发肌节的收缩和舒张。
3)注意:骨骼肌中80%的T管与其两侧的终池相接触而形成三联管结构是发生兴奋-收缩耦联的关键部位。
3.横纹肌的收缩机制：肌丝滑行理论。
(1)肌丝的分子组成
1)粗肌丝：主要由肌球蛋白构成。肌球蛋白分子呈杆状，杆的一端有两个球形的头。杆状部分都朝向M线平行排列，形成粗肌丝的主干;头部连同与它相连的一小段一起由肌丝中向外伸出，形成横桥。横桥有以下特性：①在一定条件下，可以和细肌丝上的肌动蛋白分子呈可逆性的结合;②具有ATP酶的作用，可以分解ATP而获得能量，供横桥摆动。
2)细肌丝：由三种蛋白构成。两条肌动蛋白聚合的单链相互缠绕，形成细肌丝的主干，其内壁上有横桥的结合位点;原肌球蛋白是由两条肽链组成的双螺旋分子，与肌动蛋白平行，位于肌动蛋白双螺旋的浅沟旁，挡住其上的横桥结合位点。肌钙蛋白与肌浆中Ca2+有很大的亲和力，每个肌钙蛋白分子可结合4个Ca2+，并通过构象的改变启动收缩过程。
(2)肌肉收缩的过程：当肌细胞兴奋，胞质内Ca2+浓度增高时→Ca2+与肌钙蛋白结合→原肌球蛋白变构，暴露出肌动蛋白上的结合位点→处于高势能状态的横桥与肌动蛋白结合→横桥头部发生变构并摆动→细肌丝向粗肌丝滑行→肌节缩短。
(3)注意：①在肌肉处于舒张状态时，横桥结合的ATP被分解，分解产物ADP和无机磷酸仍留在头部，此时的横桥处于高势能状态，其方位与细肌丝垂直，并对肌动蛋白有高度亲和力，但因为肌动蛋白上的活化位点被原肌球蛋白和肌钙蛋白的复合物遮盖了而不能与之结合;②当横桥头部发生变构并摆动的同时，ADP和无机磷酸与之分离，在ADP解离的位点，横桥头部结合一个ATP分子，结合ATP后，横桥头部与肌动蛋白的亲和力降低，并与之解离;③解离后的横桥头部迅速将与之结合的ATP分解，并恢复高势能状态，此后，根据Ca2+浓度的水平，肌肉重复上述的收缩过程或进入舒张状态;④横桥与肌动蛋白的结合、扭动、复位的过程，称为横桥周期。
4.横纹肌的兴奋-收缩耦联
(1)概念：将电兴奋和机械收缩联系起来的中介机制，称为兴奋-收缩耦联(excitation-contraction coupling)。
(2)结构基础：肌管系统，关键部位为三联管结构(骨骼肌)或二联管结构(心肌)。
(3)基本过程：①电兴奋沿肌膜和T管膜传播，同时激活T管膜和肌膜上的L型钙通道;②激活的L型钙通道通过变构作用(在骨骼肌)或内流的Ca2+(在心肌)激活连接肌质网膜上的钙释放通道，Ca2+释放入胞质;③胞质内Ca2+浓度升高引发肌肉收缩;④胞质内Ca2+浓度升高的同时，激活纵行肌质网膜上的钙泵，回收胞质内Ca2+入肌质网，肌肉舒张。其中，Ca2+在兴奋-收缩耦联过程中发挥着关键的作用。
(4)注意：①骨骼肌和心肌SR释放Ca2+ 的机制不同;②骨骼肌和心肌肌质网膜上的钙泵回收的Ca2+量不同;③L型钙通道在心肌和骨骼肌的作用不同。在心肌，经L型钙通道内流的Ca2+触发SR释放Ca2+的过程，称为钙触发钙释放;在骨骼肌，L型钙通道在引起SR释放Ca2+的过程中，是作为一个对电位变化敏感的信号转导分子，而不是作为离子通道来发挥作用的。
5.影响横纹肌收缩效能的因素：
(1)前负荷：肌肉在收缩前所承受的负荷,称为前负荷(preload)。前负荷使肌肉具有一定的初长度。肌肉收缩产生的张力是与能和细肌丝接触的横桥数目成比例的。能产生最大主动张力的肌肉初长度，称为最适初长度;此时的前负荷称为最适前负荷。达到最适前负荷后再增加负荷或增加初长度，肌肉收缩力降低。
(2)后负荷：肌肉在收缩过程中所承受的负荷，称为后负荷(afterload)。它不增加肌肉的初长度，但能阻碍收缩时肌肉的缩短。
(3)肌肉收缩能力：是指与负荷无关的、决定肌肉收缩效能的内在特性。主要取决于肌肉兴奋-收缩耦联过程中胞质内Ca2+的水平和肌球蛋白的ATP酶活性。
(4)收缩的总和:骨骼肌通过收缩的总和可快速调节收缩的强度。有两种形式：运动单位数量的总和以及频率效应的总和。
1)运动单位：一个脊髓前角运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维，称为一个运动单位。弱收缩时，总是较小的运动神经元支配的小运动单位发生收缩;随着收缩的加强，会有越来越多和越来越大的运动单位参加收缩，产生的张力也随之增加;舒张时，停止放电和收缩的首先是最大的运动单位，最后才是最小的运动单位。骨骼肌这种调节收缩的方式，称为大小原则。
2)频率对骨骼肌收缩的影响:骨骼肌受到一次短促刺激时，可发生一次动作电位，随后出现一次收缩和舒张,称为单收缩。当骨骼肌受到连续刺激时，若连续脉冲刺激频率较高，刺激间隔时间短于单个单收缩持续的时间时，肌肉发生收缩的总和，称为强直收缩。强直收缩分为：①不完全强直收缩：每次新的收缩都出现在前次收缩的舒张期过程中，表现为锯齿形的收缩曲线;②完全性强直收缩：刺激频率更高时，每次新的收缩都出现在前次收缩的收缩期过程中，表现为机械反应的平缓增加。通常所说的强直收缩是指完全性强直收缩。
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二、平滑肌
平滑肌广泛分布于人体消化道、呼吸道以及血管和泌尿道、生殖等系统，和心肌、骨骼肌的最大不同点，是分布于不同器官的平滑肌细胞具有不同的功能特点。故不能把体内平滑肌当作一种具有共同功能特性的组织来看待。
1.平滑肌的微细结构：
2.平滑肌的分类：根据兴奋传导的特性，通常将平滑肌分为两类：①单个单位平滑肌也称内脏平滑肌，类似于心肌，如小血管、消化道、输尿管和子宫的平滑肌;②多单位平滑肌，类似骨骼肌细胞，如竖毛肌、虹膜肌、睫状肌以及气道和大血管平滑肌等，其收缩活动受支配它们的自主神经的控制，收缩的强度取决于被激活的肌纤维数目和神经冲动的频率。
3.平滑肌的收缩机制：平滑肌内的粗细肌丝也构成类似横纹肌肌节的结构，并通过相互滑行来实现肌肉收缩。但与横纹肌有很大的不同：其Ca2+的来源与骨骼肌不同，对细胞外Ca2+浓度的依赖性大;细肌丝中也没有肌钙蛋白;横桥摆动速度较骨骼肌慢，且横桥周期较长，与肌动蛋白作用时间也较长。
4.平滑肌的生理特性：①平滑肌收缩缓慢而持久，耗能较少;②接受自主性神经纤维的支配;③对体液因素较敏感。值得注意的是，和平滑肌本身的特性具有多样性一样，它们的活动所受的调控也是多种多样的，不像骨骼肌那样单纯。
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