生理学:第二章__细胞的基本功能

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第二章细胞的基本功能
细胞是构成人体的基本结构和功能单位。虽然细胞的形态结构和功能活动千差万别,但一些基本功能活动却具有共同的特征。
1.细胞膜的结构和物质转运功能2.细胞的信号转导3.细胞的生物电现象4.肌肉的收缩活动
第一节细胞膜的物质转运功能
一、细胞膜的结构(一般了解)1.细胞膜的分子组成
细胞膜主要由脂质和蛋白质组成,外加少量糖类。蛋白质和脂类的重量比约4:1数量比约为1:100
1)膜脂质:在膜的脂质中,主要为磷脂(约占70%)、胆固醇(<30%)和少量鞘脂类。磷脂一端的磷酸和碱基朝向细胞膜的内表面或外表面,属亲水性极性基团;而另一端的两条脂肪酸烃链则朝向膜的内部两两相对,属疏水性非极性基团。因此,膜的脂质具有双分子层、双嗜性分子的性质。磷脂酰肌醇可生成三磷酸肌醇inositoltrisphosphateIP3二酰甘油DG),IP3DG作为第二信使参与跨膜信号转导作用。
2膜蛋白:膜蛋白质有两种存在形式:表面蛋白质附着在膜的内、外表面;整合蛋白质,贯穿整个脂质双分子层。正是这些蛋白质决定了细胞膜的各种功能,包括受体功能、物质转运功能、酶功能和免疫功能等,从而保证了细胞与环境之间的物质、能量和信息的交换。3)糖类:含量很少,主要是寡糖和多糖链,以共价键形式与膜脂质或蛋白质结合,形成糖脂或糖蛋白。糖类绝大多数裸露在膜的外表面,可作为细胞或蛋白质的特异性标志。2.膜的结构模型
1单位膜脂质双分子层的膜性结构是细胞中普遍存在的基本结构。电镜下细胞膜呈二暗一明的三层结构,各层厚度均为2.5nm2)液态相嵌模型(fluidmosaicmodel
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。
二、跨膜物质转运的方式(一)单纯扩散(一般掌握)

1.含义:脂溶性物质分子顺浓度梯度的净移动现象(物质热运动)。2.物质:气体、尿素、乙醇、乙醚、类固醇激素等。3.指标:扩散通量。
4.特点:只有脂溶性物质分子可扩散;通过量取决于膜两侧浓度差(扩散动力);通过量还取决于膜的通透性(扩散阻力)。
5.影响因素:(1)膜两侧物质浓度梯度,(对离子来说,还有电位梯度2)膜对物质的通透性。
6.意义:转运物质有限,主要为CO2O2等气体分子(二)易化扩散(一般掌握)
非脂溶性或脂溶性低的物质,在膜蛋白质帮助下,顺着浓度梯度或电位梯度的跨膜转运现象叫做易化扩散。易化扩散的两种类型:1.经通道介导的易化扩散1)通道(channel)的共同特征:
①选择性:即只允许一定离子通过,但选择性不如载体蛋白强。②高速性:即转运速度快,108~109个离子,如Na+通道转运Na+的速度是载体蛋白转运葡萄糖速度的1000倍。③门控特性,通道开或关都很快,受不同因素的调控。
2)种类:①电压门控通道(voltage-gatedchannel:启、闭取决于膜两侧电压差,Na通道、K通道和Ca通道等。②化学门控通道(chemically-gatedchannel)或配体门控通道(ligand-gatedchannel):启、闭取决于膜两侧化学信息,如N型乙酰胆碱门控通道。③机械门控通道(mechanically-gatedchannel:启、闭取决于机械牵拉刺激,如皮肤触压觉和内耳毛细胞的机械门控通道。3)扩散物质:水、尿素、NaKClCa2.经载体介导的易化扩散
载体(carrier)蛋白质分子像渡船一样,将物质从高浓度一侧摆渡到低浓度一侧。主要转运的物质是葡萄糖、氨基酸等非离子物质。
其特点是:①高度的结构特异性;2)有饱和现象;3)有竞争性抑制现象;④顺浓度差:即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。
上述两种转运方式是顺浓度梯度进行,未消耗细胞膜的能量,故称为被动转运(passivetransport
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(三)主动转运(activetransport
是指细胞通过本身某种耗能过程将物质分子或离子逆浓度梯度或逆电位梯度而进行的跨膜转运过程。其结果是形成了物质在细胞内外的不均衡分布,如细胞外高浓度Na和细胞内高浓度的K。主要转运的物质是葡萄糖、氨基酸等营养物和NaKCaHClI离子。
1.原发性主动转运(primaryactivetransport(重点)
1定义:直接由细胞代谢提供ATP的逆向转运过程称为原发性主动转运。如钠泵、钙泵、氢泵等由ATP供能完成的主动转运。
正常情况下,细胞内K浓度约为膜外的30倍,膜外Na浓度约为膜内的12倍。这种浓度差的形成和维持与细胞膜上普遍存在的钠—钾泵(sodium-potassiumpumpNa_K泵,简称钠泵)有关。
2)作用:耗能地逆浓度梯度将膜内Na移出膜外,将胞外K移入膜内,以保持膜内高K和膜外高Na的不均衡的离子分布。在生理情况下,每分解一个ATP分子可以移出3Na移入2K
3)生理意义:①由钠泵活动形成及维持的胞内高K+是许多生化代谢反应的必需条件;②阻止胞外Na+和水进入膜内,从而维持细胞的结构和功能;③建立的势能贮备是可兴奋组织兴奋的基础,也提供了细胞其它的耗能过程。
2.继发性主动转运(secondaryactivetransport(一般掌握)
也称联合转运(cotransport),是指某一物质逆浓度差转运要依赖另一物质的浓度差所造成的势能而实现的主动转运。该转运有转运体蛋白或转运体(transporter)参与,包括同向转运和逆向转运。主要见于肠粘膜上皮和肾小管上皮细胞对葡萄糖、氨基酸等的吸收以及递质分子的再摄取和甲状腺细胞的聚碘作用。(四)出胞和入胞(一般了解)
出胞和入胞是细胞对一些大分子物质或固态、液态的物质团块的转运形式。1.出胞(exocytosis作用
也称胞吐,Ca在此过程起重要作用。主要见于各种细胞的分泌或胞内大分子物质外排的过程,包括外分泌腺细胞将酶原、粘液排放至腺体的导管腔,内分泌腺细胞将激素分泌排放至组织液,神经纤维末梢将递质释放至突触间隙及细胞释放各种细胞因子的过程。分泌物通常在粗面内质网合成,之后在高尔基体经修饰并包以膜形成分泌囊泡,分泌囊泡逐渐向质膜移行,并锚靠于质膜,之后与膜融合、破裂,最后将分泌物排出细胞。分泌过程因细胞而异,
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一些分泌过程是持续进行,而另一些则是间歇性的,前者称固有分泌,后者称受调分泌。固有分泌如小肠粘膜具有分泌功能的细胞持续分泌粘液的过程,其特征为合成、分泌或释放粘液为一持续性活动;而激素和递质的释放是在各种刺激信号作用下发生的,因此称为可调分泌。如神经递质合成后,贮存在囊泡并通过轴浆运输至神经末梢,在刺激信号如电信号(动作电位)作用下排出细胞。在此过程中Ca2+发挥非常重要的作用,如Ca2+可促进含有递质的囊泡向质膜移行,并能促进囊泡与膜融合导致胞裂外排。2.入胞(endocytosis作用
入胞作用是指大分子物质或物质团块(如细菌、病毒、异物、脂类物质等)进入细胞的过程。依照进入细胞的物质又分为吞噬(phagocytosis)及吞饮(pinocytosis)。吞噬指进入细胞的物质是一些颗粒物质。典型例子是一些具有吞噬功能的免疫细胞如中性粒细胞摄入异物的过程。在此过程首先是细胞对具有特异表面抗原的外来物识别或辨认,之后通过质膜变形将异物包被,然后异物与膜分离并进入胞内,形成包含有异物的特殊小泡,最后通过激活溶酶体的酶将其水解消化。吞饮是指细胞摄入溶液的过程,又分为液相入胞和受体介导的入胞。前者是指溶质或溶液持续性进入的过程,进入的量取决于细胞外该物质的浓度。者是由受体介导的入胞过程,由于有受体介导,因此被摄入物质通常具有特异性。被转运物质首先与质膜受体结合,向内凹陷,并与质膜脱离形成特殊囊泡,之后带有受体的质膜部分再与膜融合,使受体可再次重复利用。低密度脂蛋白及结合了铁离子的运铁蛋白,都是通过上述过程进入细胞的。
第二节细胞的信号转导功能
一、信号转导概述
外界信号作用于细胞时,通常不进入细胞或直接影响细胞内过程,通过细胞膜特殊蛋白质分子的变构(类固醇激素和甲状腺激素除外)将外界信号转导为新的信号形式传递到膜内,引起细胞功能改变(电反应或其他变化),称为跨膜信号转导(transmembranesignaltransductionTST(一)细胞外刺激信号
体外信号:包括物理性(光、声、电、温度)、化学性(空气、环境中的各种化学物质)生物性(细菌、病毒、寄生虫)
体内信号:是指化学信号,包括各种生物活性物质(如激素、递质等)所携带的信号。细胞外信号:有三种类型,即神经递质、激素和细胞因子。气体分子NO属此类。(二)受体及其特征

1、受体的概念及分类
受体是指位于质膜或细胞内能与胞外信号物质结合并能引起特定生物效应的大分子物质。结构和TST方式分为4类:G蛋白耦联受体、具有酶活性的受体、离子通道型受体和核受体。
2、受体与配体结合的主要特征
①特异性:某一受体只能与某一特定的配体结合;
②高亲和力:配体分子(如激素)的浓度很低(10mol/L或更低),但与受体结合后可发挥巨大的生物学效应;
③饱和性:受体的数量有限,故与配体结合时可达到平衡。(三)信号转导的基本过程
跨膜信号转导过程包括:膜的信号转换、胞内信号传递和最终引发生物学效应的不同环节。通过信号转导引起细胞内反应包括三个方面,即膜电位改变或细胞兴奋性改变及由此引起的细胞功能改变;各种效应蛋白由于构型改变引起的功能变化,如酶蛋白活性改变及由此引起的代谢反应改变;基因表达过程的改变,如某一个基因转录的启动或关闭。二、TST途径(一般了解)(一)G蛋白耦联受体介导的TST1.G蛋白耦联受体信号通路中的信号分子
1G蛋白耦联受体7个跨膜区段,N末端位胞内,各区段有3个胞外环和3胞内环相连。
2G蛋白20多种,其共同特征是:①静息时由α、β、γ3个亚单位组成三聚体;②存在结合GTP的非活化和活化两种形式;③可被受体与配体的结合而激活,活化后使GDPGTP,同时三聚体分为β-γ复合体和α-GTP复合体;④α亚单位既具有与鸟苷酸(GTPGDP)结合位点以及与受体和效应蛋白的作用位点,又具有GTP酶活性,故在G蛋白活化和信号转导中起重要作用。
3G蛋白效应器是能催化生成第二信使的酶,如生成环一磷酸腺苷(cAMP的腺苷酸环化酶(CA)和环一磷酸鸟苷(cGMP的鸟苷酸环化酶(GA)等。
4)第二信使是指胞外信号首先作用于膜受体,通过膜的信号转换过程,产生了胞内的信号分子及胞内的信号传递过程,由此诱发细胞的各种反应。如cAMPcGMP、三磷酸肌醇(IP3、二酰甘油(DG)和Ca2+
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5)蛋白激酶是指能催化蛋白质磷酸化的酶系统。按磷酸化底物不同可分为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶两种类型。2.G蛋白耦联受体信号转导途径1)受体-G蛋白-cAMPKPA途径2)受体-G蛋白-DG/PKC途径3)受体-G蛋白-IP3/Ca2+系统4)受体-G蛋白-离子通道途径
如心肌细胞膜M2受体于ACh结合后激活了Gi而使K+开放,引起心肌的抑制。G蛋白对离子通道的影响更多的是通过第二信使起作用,如视杆细胞有cGMP门控Na+通道,可产生相应的感受器电位。
(二)具有酶活性的受体介导的信号转导
具有酶活性的受体有两类,即酪氨酸激酶受体(tyrosinekinasereceptor)和酪氨酸激酶耦联受体。前者的特异性配体主要是各种生长因子,如神经营养因子、表皮生长因子、胰岛素样生长因子等。与G蛋白受体介导的信号转导途径相比,具有下列特点:①转导过程简单快捷;②无G蛋白参与;③与第二信使物质无关;④无胞内蛋白激酶激活;⑤胞内激活的效应蛋白大多是转录因子,故产生的生物学效应是基因转录的调节。后者的配体多数是细胞因子,如白介素、干扰素等。其特征是受体本身无酶的活性,但可激活具有酪氨酸激酶活性的靶蛋白,从而参与基因表达的调控。(三)通道耦联的受体介导的信号转导
通道耦联的受体既可识别、结合特异的配体发挥受体的功能,同时又是通道,故又称为配体门控的通道。如烟碱型乙酰胆碱受体(nAChR、谷氨酸的离子型受体、γ-氨基丁酸型受体等。其整个信号转导过程只涉及膜功能改变,包括膜电位和兴奋性的改变,而没有胞内其他信号分子的参与。因此,通常把胞外信号引起的靶细胞的这种反应称为快反应途径,G蛋白、第二信使引起的靶细胞的功能变化称作慢反应途径。
第三节细胞的生物电现象
一、生物电现象(重点)
(一)静息电位(restingpotentialRP
1.含义:RP是指细胞未受刺激(安静状态)时存在于膜内外两侧的电位差。2.记录方法:细胞内记录,测定膜两侧电位差。如膜外为零电位,则膜内为负电位。

3.正常值:神经、骨骼肌和心肌细胞为70~-90mV消化道平滑肌细胞为-60mVRBC-10mV
(二)与生物电相关的几个概念
1.极化(polarization:静息时细胞膜两侧存在的相对稳定的内负外正的状态。2.超极化(hyperpolarizationRP数值向膜内负值加大的方向变化。3.去极(除)化(depolarizationRP数值向膜内负值减小的方向变化。4.复极化(repolarization:细胞先发生去极化,然后再恢复到静息时的极化状态。5.超射值(overshootpotential:动作电位上升支中零位线以上的正电位数值。(三)动作电位(actionpotentialAP1.含义
细胞膜受刺激后,在原有RP基础上发生一次膜两侧电位的快速的倒转和复原。即先出现膜的快速去极化而后又出现复极化。2.组成
1)去极相(上升支):包括去极化和反极化(超射值)。上升支电位幅值为静息电位绝对值和超射值之和,如神经纤维受刺激后膜内电位从-70~-90mv+20~+40mv,电位变化幅度为90~130mv
2)复极相(下降支):去极相时膜内电位的倒转只是暂时的,它很快由动作电位峰值又恢复到静息电位水平。神经纤维和骨骼肌细胞AP的主要部分约在0.5~2.0ms内完成,呈短速而尖锐脉冲样变化,状似尖锋状,故亦称锋电位(spikepotential。在锋电位后至完全恢复到RP水平过程中,存在着持续时间较长的缓慢、微小的电位波动称后电位(负后电位和正后电位)。因此,也可以认为AP是由锋电位和后电位两部分组成的。3.特点
1AP是兴奋的标志,对神经和肌细胞来说,兴奋即意味着AP的产生;
2)“全或无”(all-or-none)现象:在单一细胞上AP的大小不随刺激强度和传导距离而改变,要产生就达到最大;
3不衰减性传导:AP在刺激部位产生后,可沿着细胞膜扩布,直至整个细胞膜都依次兴奋,并产生一次同样大小和波形的AP
4AP后有不应期:一次刺激引起的AP主要是在锋电位期间,细胞失去对其它刺激的反应能力,此时细胞的兴奋性极低(几乎为零)二、生物电现象产生机制

(一)RP形成原理——K+平衡电位1.细胞内外K+浓度分布不均(胞内高钾);
2.静息膜对K+有选择的通透性,所以钾离子顺浓度差外流3.带负电荷的蛋白质(A-)留在胞内→K+A-隔膜相吸呈极化→对抗K+的净流动可见,RP主要由K+平衡电位所形成,其大小取决于膜两侧K+浓度差和膜对K+通透性。K+平衡电位(EK)可用Nernst公式计算:
EK=RT/ZF·ln[K+]o/[K+]i=59.5log[K+]o/[K+]i(mv
式中R为通用常数,T是绝对温度,Z是离子价,FFaraday常数,[K+]o为胞外钾离子浓度,[K+]i为胞内钾离子浓度。
实际上,K+平衡电位的实测值较理论计算值略小。这是因为构成静息电位除K+外流外,可能还有其他离子的少量流动有关。(二)AP的产生机制
1.AP的产生——锋电位和Na+平衡电位
1AP上升支:当细胞受刺激时,膜上Na+通道被激活而开放,Na+顺浓度梯度和电位梯度瞬间大量内流,细胞内正电荷迅速增加,电位上升,膜内电位由负到0再到正(+30mv形成AP上升支(去极化和反极化)。[Na+]o>>[Na+]i12倍)
②静息时的电位差(外正内负)→Na+内流↑→AP上升支
③膜对Na+的通透性↑膜两侧电位差稳定某一数值(K+平衡电位)膜内正电位↑≈浓度差
2AP下降支:当膜内正电荷足以抵抗Na+内流,膜电位达到一个新的平衡点+30mv(即Na+的平衡电位)Na+通道逐渐失活而关闭,K+通道逐渐被激活开放→Na+内流停止,K+快速外流,胞内电位迅速下降,恢复到兴奋前负电位状态(复极化)。负后电位由于复极开始K+外流↑→K+在膜外蓄积↑→K+外流↓所致;而正后电位可能是电压门控的K+道在膜电位恢复到静息电位后,延迟一段时间后才关闭,或是生电性钠泵所致。2.AP过程中膜电导的变化及测量
膜电导是指膜电阻的倒数,即G=1/R。它是膜允许离子从一侧运动到另一侧的能力的大小,可理解为通透性。
膜片钳(patchclamp)实验:膜片钳是用负反馈电子线路装置,保持跨膜电位维持在特定的去极化数值下,测定单个或几个通道蛋白中跨膜离子流(ioncurrent,再计算出膜

电导的实验技术。该技术是由NeherSakmann等(1975年)建立的,1980年后被应用于离子通道的研究。膜片钳可记录单通道离子电流,证实了膜对离子通透性的改变其实质是离子通道的开放和关闭,从而说明离子电流的形成机制。与分子生物学技术和形态学方法在离子通道研究中的联合应用,证实了通道蛋白的分子结构和结构-机能关系。3.AP产生的条件
1)阈电位和锋电位的引起
当可兴奋细胞接受刺激后使膜内去极化达到某一临界值时,就可在已经去极化的基础上产生一次动作电位。这个去极化的临界值称为阈电位(thresholdpotentialTP阈电位的本质是引起再生性正反馈Na+内流所需的膜电位去极化的临界值。Na+再生性循环过程的结果是出现一个不再依赖于原刺激而使膜内Na+通道迅速而大量开放,使膜外Na+快速内流的过程,直至达到Na+的平衡电位,使这过程停下来,形成锋电位的上升支。可见,只要刺激强度达到能引起Na+再生性循环,膜的去极化速度不再决定于刺激强度的大小;整个动作电位上升支幅度只取决原静息电位值和膜内外Na+浓度差,而与引起此次动作电位的刺激大小无关。即动作电位“全或无”现象的机制。2)阈刺激
①刺激(stimulus是指细胞所处环境因素的任何理化变化。刺激的种类有电、温度、机械和化学等,实验常用电刺激。任何刺激要引起组织细胞发生兴奋,必需使“刺激强度、刺激持续时间和刺激强度对时间的变化率(即强度对时间的微分)”这三个要素要达到某一临界值。刺激的三个参数可相互影响。
②阈值(threshold刚能使组织或细胞发生兴奋(动作电位)的最小刺激强度称为阈强度,简称阈值。阈值是衡量组织兴奋性高低的主要指标,与兴奋性呈反变关系。强度大于或小于阈值的刺激分别称为阈上刺激和阈下刺激。3)阈电位与阈值的区别
阈值是从外部加给细胞各种刺激的强度来考虑的,而阈电位是从细胞本身的膜电位的数值来考虑的。阈值的作用是使细胞膜由RP去极化到阈电位;而当膜电位达阈电位时,去极化不再依赖原来所给刺激强度的大小,也不管刺激是否继续存在。4.局部兴奋及其特点
局部兴奋或局部反应(localexcitationorlocalresponse是指阈下刺激虽然不能使RP的去极化达到阈电位,但可在受刺激的膜局部出现一个较小的去极化。局部反应的特点是:

①等级性现象:非“全或无”的,即局部反应的电位变化可随刺激强度的增加而变大;②电紧张性扩布(electrotonicpropagation:局部电位可向周围扩布,但随着距离增加而呈指数函数式衰减;③局部反应无不应期;④总和现象:局部反应可互相
叠加,出现空间性总和(spatialsummation)及时间性总和(temporalsummation5.复极后离子的恢复:主要是Na+K+泵活动↑的结果。6.Na+通道的功能状态
Na+通道有三种功能状态,即激活activation失活inactivation备用resting(三)AP的传导
在神经或肌细胞膜上任何部位给予有效刺激所引起的兴奋会沿着整个细胞膜传导。此传导过程是由于已兴奋部位的膜两侧电位暂时倒转,呈内正外负,而邻近未兴奋膜仍处于内负外负,在已兴奋部位与未兴奋膜之间出现了电位差而有电荷的流动,形成局部电流localcurrent。其方向是膜外由未兴奋部位流向已兴奋部,而膜内由已兴奋部流向未兴奋部位。因此,未兴奋部位的膜电位迅速去极化达到阈电位,并产生再生性正反馈式的Na+内流,导致动作电位产生,并依次向前传导。
无髓神经纤维和肌细胞的兴奋传导就是通过这样局部电流传播来实现的。但是脊椎动物和人有许多神经是有髓鞘的,其兴奋所产生的局部电流是沿着轴浆穿过朗飞结之间作跳跃式传(saltatoryconduction三、组织的兴奋和兴奋性(一)刺激与兴奋1.刺激
刺激(stimulus)是指能引起组织或机体发生反应的内、外环境的理化变化。无论在体或离体条件,组织的兴奋大多由刺激引起。在人工刺激的条件下,常用的刺激是电刺激。2.兴奋(excitation
1)传统概念:机体由静止变为活动,或由活动弱变为活动强;2)近代概念:兴奋则是指产生AP的过程,或AP的同义语。3.相关的几个概念

1强度——时间曲线:当把电流固定在某一强度时,逐渐延长通电时间,直至引起兴奋,然后依次改变刺激强度,重复上述过程由此便可求出刺激强度与必需的最短通电时间的相互关系,依两者的关系做出的曲线称之。
2)基强度:指在刺激作用不受时间限制的条件下,能引起组织兴奋的最小刺激强度。3时值:2倍的基强度作为刺激引起组织兴奋所需要的时间,称之。时值可作为衡量组织兴奋性的指标。(二)兴奋性和可兴奋组织
1.兴奋性(excitability:是指活组织或细胞对刺激发生反应(或动作电位)的能力。2.可兴奋细胞(excitablecell或可兴奋组织:是神经、肌肉和腺细胞的统称。它们的兴奋性较高,其外部反应形式分别为电变化、收缩和分泌。(三)细胞兴奋后兴奋性的变化
可兴奋细胞接受一次刺激而出现兴奋的当时和随后的一小段时间内,它们的兴奋性将经历一系列有序的变化,然后才恢复正常。
1)绝对不应期(absoluterefractoryperiodARP:在组织接受一个刺激而兴奋后的一个短暂时间内,无论再受到多强的刺激,都不能再产生兴奋,即在此时间内出现的任何刺激均归于“无效”,兴奋性降为零。这段时期称为绝对不应期。提示Na+通道进入失活状态而不再开放。
2)相对不应期(relativerefractoryperiodRRP:在绝对不应期后阈强度大于正常才能引起新的兴奋,但兴奋性低于正常。这个时期称为相对不应期。标志着一些失活Na+通道的已开始恢复。
3)超常期(supranormalperiodSNP:在相对不应期后阈强度低于正常而兴奋性高于正常的时期称为超常期。
4)低常期subnormalperiod在超常期后组织的兴奋性低于正常的时期称为低常期。
第四节肌细胞的收缩功能
机体的生命活动离不开肌细胞的收缩,如躯体各种运动和呼吸活动由骨骼肌收缩来完成;心脏泵血活动离不开心肌收缩;胃肠、膀胱、子宫及血管活动则由平滑肌收缩完成的。人体内三种不同的肌肉组织虽有不同的结构和功能特点;但从分子水平看,它们的收缩及调节机制有惊人的类似,如它们的收缩和舒张的控制及它们的收缩活动都是肌细胞中收缩蛋(肌凝蛋白和肌纤蛋白)的相互作用所致等。骨骼肌是人体内最多的组织,约占体重的40%。人体各种生产劳动和体力活动都依赖于骨骼肌的收缩,而且对骨骼肌的研究也较充分。

本节将主要介绍骨骼肌的结构、收缩功能、调节和收缩力学分析。案例:
20岁女大学生,近来感觉全身乏力且易疲劳,甚至梳头也感到吃力,不时有眼睑下垂,上楼梯时几次跌倒在地,这些症状休息后可以缓解。检查发现,血中抗胆碱能受体(N2-Ach受体阳离子通道)抗体数量增多,重复刺激运动神经元时骨骼肌的反应下降。使用新斯的明治疗后肌力恢复。诊断:重症肌无力。问题与思考:
试述神经-肌肉接头处的兴奋传递的过程及影响因素。根据临床检查分析患者肌无力的原因。为什么新斯的明能恢复肌力?
揭示:重症肌无力是一种自身免疫性疾病,患者体内产生了抗Ach受体的抗体,使骨骼肌终板的Ach门控通道数量不足或功能障碍。虽然运动神经末梢释放Ach数量未减少,但Ach不能与受损的Ach门控通道结合,因而影响神经-肌肉接头信息传递,导致严重的肌肉无力。新斯的明是一种抗胆碱酯酶药,可延长Ach作用时间。一、骨骼肌细胞收缩的兴奋和收缩机制(一)神经-骨骼肌接头处的兴奋传递(重点)1.神经-肌肉接头的形态结构
运动神经元的裸露神经末梢嵌入至肌细胞表面所形成的凹陷中。神经末梢与肌细胞接触部位称为神经-骨骼肌接头。
1)接头前膜:有大量囊泡,内含乙酰胆碱(acetylcholineACh2)接头间隙:约20nm,充满细胞外液。
3)接头后膜:又称终板膜,有大量NACh受体和灭活ACh的胆碱酯酶(AChE2-19神经-肌肉接头
2.神经-骨骼肌接头处的兴奋传递过程
运动神经元兴奋时,AP到达神经末梢→末梢膜去极化→Ca2+通道开放→Ca2+内流→囊泡移动、融合、破裂,ACh呈量子式释放(quantalrelease)→ACh与终板膜上NR结合→Na+
内流,K+外流→终板膜去极化(终板电位,endplatepotential)→总和达到阈电位→肌细胞产生AP。完成神经-骨骼肌接头处的兴奋传递后,AChAChE作用下被清除。3.神经-骨骼肌接头处的兴奋传递特点

1)单向性传递:只从前膜传往后膜,不能逆传。
2)一比一关系:运动神经末梢传来一个冲动,诱发一次骨骼肌收缩。
3)时间延搁:此传递属化学传递过程,耗时较长。一次兴奋传递约耗时0.51.0ms4)易疲劳性:因为ACh贮存量和合成速度均有限,鼓容易造成疲劳而终止传递。5)易受药物和环境因素影响:如美洲箭毒或α-银环蛇毒可与ACh竞争结合终板膜N2受体,因而阻断接头传递,使肌细胞不能兴奋、收缩。另终板膜上N2型受体数量不足或功能障碍会导致重症肌无力。有机磷农药和新斯的明选择性抑制AchE,引起接头处和其它部位的ACh大量积聚,引起种种中毒症状。(二)骨骼肌细胞的微细结构(一般掌握)1.肌原纤维和肌小节
每个肌细胞或肌纤维都包含大量直径为1~2μm的纤维状结构,称为肌原纤维myofibril。呈平行排列,纵贯肌纤维全长。
肌原纤维上每一段位于相邻两条Z线之间的区域,称为肌小节(sarcomere,是肌肉收缩和舒张的基本功能单位,它包括中间暗带和两侧各1/2的明带。长度变动范围在1.53.5µm之间,在体静息状态下的长度约为2.0-2.2µm。暗带含粗肌丝,明带含细肌丝,在空间结构上呈规则排列。2.肌管系统
肌管系统是指包绕在每条肌原纤维周围的膜性囊管状结构。它由横管系统(T管)和纵管系内并无肌丝或它们所含的蛋白质分子结构的缩短,而子组成和横桥运动组成肌丝的蛋白质分子结构变化。白呈长干状,头部呈球统(L管,也称肌质网)组成。T管是将肌细胞膜的兴奋传入细胞内部,而L管则是贮存、释放和再积聚Ca2+,从而触发肌小节的收缩和舒张。T管和L管两侧的终末池(也称钙池)构成三联管结构,此结构是把肌细胞膜的电变化与肌细胞的机械收缩耦联起来的关键性部位。(三)骨骼肌的收缩机制(一般掌握)1.滑行学说
如上所述,肌小节是骨骼肌收缩、舒张的基本单位。肌肉的收缩过程实质上是通过粗、细肌丝的相互作用而引起的肌小节长度的改变。无数相互串接的肌小节长度的缩短造成了整个肌纤维长度的缩短。据此,Huxley等在50年代初期就提出了滑行学说,用以解释肌肉的收缩机制。基本内容是:肌肉收缩时肌纤维长度的改变并非由于肌丝蛋白分子的缩短,而是肌小节内相互重叠的粗细肌丝的相对位置发生改变。即由Z线发出的细肌丝受粗肌丝作用而

M线(肌小节中央)移动,结果使肌小节长度缩短,以致形成整个肌纤维长度的缩短。滑行学说的直接证据是,在收缩过程,暗带长度固定不变,即粗肌丝长度没有变化,但明带长度缩短,同时暗带中央的H带相应地变窄,说明只是细肌丝向M线方向的移动,本身长度并没有变化。
2.肌肉收缩的分子机制
滑行学说以粗细肌丝的相互作用模式,合理地解释了肌肉在收缩时长度缩短的机制。而,需要进一步说明的问题是,粗细肌丝之间通过什么机制、何种力量促使细肌丝向粗肌丝方向滑行。有关肌丝分子结构的深入研究回答了上述问题。粗、细肌丝由不同的分子构成,粗肌丝由肌凝蛋白(myosin,亦称肌球蛋白)组成。肌凝蛋白分子形似豆芽状,有一个长长的杆和一个头部,约200300个肌凝蛋白分子组成一条粗肌丝。其杆部朝向M线,整齐排列聚合成束,头部则规律地由粗肌丝伸出而突向细肌丝,称作横桥(crossbridge)。安静状态时,横桥呈90°角垂直地排列在粗肌丝表面。横桥具有两个重要特征,即能与肌动蛋白结合并具有ATP酶的作用。
细肌丝由三种分子构成,肌动蛋白,原肌球蛋白、肌钙蛋白。其中肌动蛋白与上述肌凝蛋白直接参与肌丝滑行,被称为收缩蛋白;原肌球蛋白与肌钙蛋白对肌丝滑行有调节作用故称为调节蛋白。肌动蛋白分子的单体呈球形,单体分子相互连接成串珠状,聚合成双螺旋链,形成细肌丝的主干。原肌球蛋白是长杆状分子,也呈双螺旋结构,其长度相当于7个肌动蛋白分子的单体。它们贴附于肌动蛋白双螺旋链的浅沟内,并以分子首尾相接,规律排列。安静时,正好位于肌动蛋白和横桥之间,阻碍了两者的相互结合。肌钙蛋白以一定的间隔出现在原肌球蛋白分子上而不直接与肌动蛋白分子相连接。肌钙蛋白分子呈球状,3个亚单位,其中一个是Ca2+结合亚单位,Ca2+亲合力很高,当肌质网Ca2+浓度升高时,Ca2+结合引起蛋白分子的构象改变触发收缩。3.肌肉收缩过程及横桥在收缩中的作用
肌肉的收缩是由于胞内Ca2+浓度升高触发了粗细肌丝的相互作用,引起的肌丝滑行,具体过程包括四个步骤:①安静时,由于横桥具有ATP酶的的作用,水解ATP释放能量,结果是形成了横桥-ADP-Pi复合物,同时也使横桥呈现高势能状态。此时横桥以90°角垂直于细肌丝,并与肌动蛋白有很高的亲合力,但由于原肌球蛋白覆盖在肌动蛋白表面,阻碍了横桥与肌动蛋白的结合;②当胞浆Ca2+浓度升高时,肌钙蛋白结合Ca2+并引起肌钙蛋白构象改变,由此导致原肌球蛋白结构改变,暴露出肌动蛋白与横桥的结合位点,横桥与肌动蛋白结合;③与肌动蛋白的结合引起了横桥构象的改变,导致横桥向M线方向45°摆动,并

拉动细肌丝向M线方向滑行。在此过程中横桥将分解ATP的能量转变为克服负荷的张力并使肌节缩短。在横桥发生摆动时结合的ADPPi与之分离,横桥变为低能量状态;④在ADP解离的位点,横桥又结合另一分子ATP,由此使横桥对肌动蛋白的亲合力下降,从而与其解离。由于ATP的水解又形成横桥—ADPPi复合物,并重新获得自由能,使横桥又恢复90°的垂直位置,同时也恢复了与肌动蛋白的高亲合力。若细胞内Ca2+仍维持在高的浓度,横桥可继续与肌动蛋白作用,引起摆动。以上描述的横桥与肌动蛋白结合、摆动、解离、复位及再结合的过程称为横桥周期(图2-4-3)。横桥的一个周期进行得非常快,事实上在每次收缩过程中,每个横桥都要反复作用于细肌丝,而且会有无数横桥参与活动,导致肌肉产生与负荷相当的肌张力并有长度缩短。显然参与收缩的横桥数目及横桥循环的速度是决定肌肉缩短速度、程度及产生张力大小的关键性因素。(四)骨骼肌的兴奋-收缩耦联(一般掌握)
将以动作电位为特征的兴奋过程和以肌丝滑行为特征的机械变化耦联起来的中介过程,称作兴奋-收缩耦联(excitationcontractioncoupling)。包括三个主要步骤:
动作电位通过横管传向肌细胞深部三联体信息传递
Ca2+由肌浆网的释放和再聚积
在肌细胞收缩过程中,Ca2+浓度是决定肌丝相互作用的关键因素,即由Ca2+触发了细肌丝向粗肌丝的滑行。而Ca2+的浓度又受到一系列因素的调控,而这些调控是从肌细胞膜产生的动作电位开始的。
安静时肌浆内Ca2+浓度低于10-7mol/L。但动作电位发生后,Ca2+浓度升高到10-5mol/L,上升百倍。Ca2+的调控主要涉及终池或肌浆网Ca2+释放及再摄取机制。当动作电位经横管膜传至肌细胞深处时,引起Ca2+由肌浆网的终池释放。已证实动作电位可激活T管的LCa2+通道,LCa2+通道通过变构效应,引起肌浆网上的另一种Ca2+通道,称作ryanodine受体(ryanodinereceptorRYR)的活化。RYR是一种位于肌浆网的Ca2+通道,因对植物碱ryanodine敏感而得名。事实上除了ryanodine外还有其它物质均可使其开放。在动作电位诱发RYR释放Ca2+的过程中,位于横管膜上的L-Ca2+通道与RYR的相互作用至关重要。从结构上LCa2+通道与RYR两两相对,并紧密接触,只有很小的空间。当动作电位激活T管膜上LCa2+通道后,通过其空间上的紧密连接促使RYR开放,从而引起Ca2+通道的开放。在此过程L-型通道并不导通,其主要作用是作为一个电压传感器将动作

电位的信息传递至肌浆网的RYR使其开放。由于肌浆网Ca2+浓度远高于肌浆,RYR的开放引Ca2+的释放从而导致肌浆Ca2+浓度迅速升高。而当Ca2+浓度升高触发肌丝滑行的同时,也激活了位于肌浆网上的钙泵,钙泵如同前述钠泵一样,利用分解ATP产生的能量将肌浆的Ca2+逆浓度梯度转运至肌浆网,一方面降低了肌浆Ca2+,同时也保持了肌浆网内的高Ca2+浓度。
二、骨骼肌收缩的力学特征(一般掌握)骨骼肌的收缩形式:
1.等长收缩(isometriccontraction2.等张收缩(isotoniccontraction
肌肉的收缩表现为长度的缩短和张力的增加。肌肉缩短的幅度、速度以及张力增加的幅度和速度取决于肌肉承受的负荷。负荷的存在使肌肉收缩呈现不同的形式,等长收缩指在收缩过程只有张力的增加而无长度的缩短,等张收缩指在收缩过程只有长度的缩短而无张力的增加。肌肉的收缩过程受到诸多因素影响,包括前负荷、后负荷及肌肉收缩能力。(一)前负荷-初长度对肌肉收缩的影响
前负荷(preload是指肌肉在收缩前具有的负荷。由于前负荷的存在,使肌肉在收缩前就具有一个特定长度,称为初长度(initiallength。事实上由于前负荷的存在使肌肉在收缩前总是受到某种程度的牵拉,因而前负荷的大小决定着肌肉初长度,反过来也可用初长度表示前负荷的大小。用一个特殊装置可观察肌肉初长度对肌肉收缩过程产生张力大小的影响。如图2-4-4所示,肌肉上方有一个固定装置,可将肌肉固定在不同的初长度,下方连接一个张力传感器用来记录肌肉收缩过程产生的张力大小。由于固定装置的作用使肌肉在进入收缩过程不能缩短,因而可以把后负荷看作是无限大。因此不论处于何种长度(初长度),肌肉始终处在等长收缩。由此,可观察在不同初长度的情况下,肌肉收缩产生张力的情况,即初长度对肌肉收缩过程产生张力的影响。
在不同初长度的基础上进行收缩产生不同的肌张力,是由于在不同的初长度情况下,肌小节长度不同,粗细肌丝处于不同的重叠程度所致。即初长度决定了肌小节长度,因而就决定了粗细肌丝的重叠程度。进一步分析可知粗肌丝长度1.5μmM线两侧各0.1μm的范围没有横桥,M线两侧有横桥的粗肌丝长度各有0.65μm。这样每侧细肌丝(长度1.0μm)伸入粗肌丝0.65μm时,粗肌丝上所有横桥将与细肌丝相互作用,此时肌小节长度应是2.2μm在此情况下进入收缩,肌肉产生的张力应最大,而大于或小于此长度时张力都将减小。若再减小肌小节长度,细肌丝可能会越过M线,与对侧细肌丝重合,也可能在同侧M线处弯

曲,这都可使收缩形成的张力下降。反之,若初长度大于最适初长度,肌小节长度将大于2.2μm,部分细肌丝将由粗肌丝区脱出,使部分粗肌丝不能发挥作用,张力下降。而且随着初长度和肌节长度的进一步增加,粗细肌丝重叠程度越来越小。当肌小节长度为3.5μm(箭4所示),细肌丝将全部由粗肌丝区脱出,粗细肌丝不能相互作用,肌肉将不能产生收缩张力,也无长度改变。
前负荷决定初长度,初长度决定肌小节长度及粗细肌丝重叠程度,并最终决定参与收缩的横桥数目。因而,改变前负荷或初长度即可改变肌肉收缩产生的张力。正常体内骨骼肌的初长度所决定的肌小节长度在2.02.2μm,恰处于最适前负荷-初长度的范围,保证了收缩时能产生最大的张力。
(二)后负荷对肌肉收缩的影响
后负荷是肌肉开始收缩后遇到的负荷。与前负荷不同,它不影响肌肉初长度,但却影响肌肉在收缩过程缩短的速度和产生张力的大小。观察后负荷对肌肉收缩的影响时,通常将前负荷固定于最适前负荷的水平,在此基础上改变施加于肌肉的后负荷,以观察后负荷对肌肉收缩的影响。当具有后负荷的肌肉进入收缩时,通常分为二个过程,早期收缩只有张力的增加,而没有长度的缩短,一旦张力增加到相当于后负荷时(张力与后负荷可用相同的物理量表示)肌肉开始缩短,之后张力将不再增加。前一个过程称作是等长收缩(张力增加,长度不变)而后一过程称作是等张收缩(长度缩短,张力不变)但当后负荷增大到一定程度,如大于肌肉收缩产生的最大张力时,肌肉的收缩将变为单一的等长收缩即只有张力的增加,而无长度的缩短。在改变后负荷观察肌肉收缩的缩短速度时,可以看到肌肉收缩缩短的速度与施加的后负荷呈反比,形成的曲线似双曲线。曲线同纵坐标相交的点表示后负荷为零时,肌肉收缩能产生最大的缩短速度,图中用V0表示;而曲线同横坐标相交的点,收缩产生的速度为零,但产生的张力最大(P0表示)。此时的后负荷相当于或大于肌肉收缩产生的最大张力,肌肉不能缩短。肌肉缩短的速度取决于横桥周期的长短,而收缩产生的张力大小取决于每一瞬间与肌动蛋白结合的横桥数目。这都与后负荷大小有关,当后负荷增加时,横桥完成摆动的过程减慢即横桥周期延长,导致肌肉缩短需要更长时间,即缩短速度减慢。同时也导致每一瞬间将有更多的横桥与肌动蛋白发生作用,从而产生的张力增加。当后负荷为零或过大时,肌肉都没有做功。因为这两种情况下,肌肉在收缩过程都因为没有移动负荷而不能做功。在这两点之间不同的后负荷情况下进行收缩时,一方面会产生与负荷相等的张力,同时也会有肌肉长度的缩短,因而均可做功。当后负荷为最大张力的30%左右时,肌肉的输出功率最大。

(三)肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响
以上描述的是外加负荷对肌肉收缩过程及效能的影响,即前负荷通过改变初长度,影响肌肉收缩产生的张力;后负荷则影响肌肉收缩过程的缩短速度并决定其产生的张力大小。肌肉本身的功能状态也可影响肌肉收缩的效能。通常把不依赖于前后负荷而影响肌肉收缩效能的肌肉内在特性称作肌肉的收缩能力(contractility)。肌肉收缩能力既可以影响肌肉收缩产生张力的大小,也可影响肌肉收缩的缩短速度。如肌肉收缩能力增强时有可能使同一前负荷条件下肌肉收缩产生的张力增加,即长度-张力曲线上移,也可使同样后负荷时肌肉缩短的速度增加,即张力-速度曲线右上移位。而肌肉收缩能力减弱时,引起相反结果。肌肉收缩能力主要取决于兴奋—收缩耦联过程Ca2+的浓度、ATP酶活性等因素。(四)刺激频率对肌肉收缩的影响
骨骼肌受刺激产生的一次收缩称单收缩,包括一个收缩相及舒张相。前已述及,机械收缩是在兴奋的基础上产生的,而在产生兴奋的过程,锋电位持续时间很短(肌肉的动作电位与神经纤维的锋电位类似)约12ms,且不能叠加。但兴奋引起的一次收缩,持续时间却很长(约100ms因而在发生机械收缩的过程,只要刺激在动作电位的不应期(约12ms之后,是完全可能再产生兴奋并引起收缩的,即收缩是有可能叠加的,这种叠加的收缩称复合收缩。复合收缩包括两种形式:不完全强直收缩和完全强直收缩,取决于刺激的频率。当一连串刺激作用于肌肉时,若刺激的频率较低,其间隔时间大于单收缩的持续时间,引起一连串分离的单收缩;而随着刺激频率的增加,当刺激间隔小于单收缩的持续时间,但仍大于收缩相的时间,则叠加发生在舒张期,即前一个收缩的舒张期还未完成就产生了下一个收缩,形成舒张的不完全,记录时会出现锯齿状的收缩曲线称为不完全强直收缩;若刺激频率继续增加,刺激的间隔时间小于单收缩的收缩相时,则所有的收缩将连续发生,没有舒张过程,记录时会出现一个连续的光滑的收缩曲线,称完全强直收缩。此时收缩产生的张力会明显高于分离的单收缩及不完全强直收缩。张力增加的原因显然是由于高频刺激连续作用于细胞,使胞内Ca2+浓度持续维持在高水平,横桥不断在发挥作用,以致使肌肉收缩产生较大张力。三、平滑肌的结构和生理特性(Contractionofsmoothmuscle(一般了解)
平滑肌细胞构成内脏器官如消化道、呼吸道、泌尿生殖器官及血管壁的主要成份。通过它们的收缩维持或改变器官的形状。平滑肌在微细结构、收缩机制、收缩调控等各方面都与骨骼肌有很大区别。(一)平滑肌的分类
依照功能活动特征可将平滑肌分为单单位平滑肌(single-unitsmoothmuscle)和多

单位平滑机(multiunitsmoothmuscle)。前者也称内脏平滑肌,因为它是构成中空的内脏器官管壁的细胞。其结构特征是在细胞间具有大量缝隙连接(gapjunction),即在两细胞间有连通细胞质的通道,允许小分子物质经由这些通道进行跨细胞扩散。因此,当一个细胞兴奋时,可通过离子的跨细胞扩散使相邻细胞也产生兴奋。由此导致的结果是细胞的同步化活动,即要么不兴奋不活动,要兴奋就是所有细胞同时进入兴奋状态。另外,一些细胞可能还具有自律性,即在不受神经体液因素影响的情况下,自发地产生兴奋。这种兴奋可通过缝隙连接引起整个肌肉的兴奋随之引起机械活动。多单位平滑肌是指分布于竖毛肌、虹膜肌、睫状肌及心血管的平滑肌。由于细胞间很少有缝隙连接,因此每个细胞的活动都是彼此独立,很少相互影响。它们类似骨骼肌,其兴奋活动主要依靠所支配神经的冲动。(二)平滑肌的微细结构及收缩机制(一般了解)
与骨骼肌相比,平滑肌的结构有很多特征:①平滑肌细胞直径及长度远小于骨骼肌细胞。另外平滑肌不像骨骼肌是多核细胞,通常只有一个核;②平滑肌没有象骨骼肌细胞那样粗细肌丝规律有序的排列,因此没有横纹。③缺乏肌钙蛋白的分子结构,由另一种钙结合蛋白即钙调蛋白发挥作用,与Ca2+结合触发肌肉收缩。平滑肌细胞没有Z线,细胞内有一种称作致密体的结构,执行Z线的功能,是细肌丝的附着点及传递张力的结构;④平滑肌细胞缺乏横管系统,而是由膜形成了一些纵向走行的袋状凹陷,它们一方面增加了膜的表面积,另一方面由肌膜上Ca2+通道形成的Ca2+内流构成了平滑肌兴奋-收缩耦联过程Ca2+升高的重要来源。
由于平滑肌缺乏肌钙蛋白,因此它的收缩机制有别于骨骼肌。当细胞内Ca2+浓度升高时,首先与细胞内钙调蛋白结合,这是细胞内一种重要的钙结合蛋白,之后引起横桥的磷酸化,从而活化横桥导致横桥与肌动蛋白的结合。另外,平滑肌的电生理特征及所受调节也与骨骼肌不同,有关详细内容会在消化章进一步讨论。

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/788ac49f750bf78a6529647d27284b73f3423642.html

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