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    生理学部分

    第一单元 细胞的基本功能

    细胞是构成人体的最基本的功能单位。每种细胞分布于特定的部位,执行特殊的功能。细胞具有共性的基本功能包括细胞膜的物质转运功能、细胞的信号转导功能、细胞膜的生物电现象和细胞的收缩功能。

    1.细胞膜的结构和物质转运功能

    (1)膜结构的液态镶嵌模型 细胞新陈代谢过程中需要不断选择性地通过细胞膜摄入和排出某些物质。细胞膜和细胞器膜主要有脂质和蛋白质组成。根据膜结构的液态镶嵌模型,认为膜是以液态的脂质双分子层为基架,其间镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质。大部分物质的跨膜转运都与镶嵌在膜上的这些特殊蛋白质有关。

    (2)细胞膜的物质转运功能 物质的跨膜转运途径有:

    1)单纯扩散:是一种简单的物理扩散,即脂溶性高和分子量小的物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧的扩散过程。扩散的方向和速度取决于物质在膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性。脂溶性高、分子量小的物质容易通过细胞膜脂质双层,如O2、CO2、N2、乙醇、尿素和水分子等。扩散的最终结果是该物质在膜两侧的浓度差消失。

    2)易化扩散:经载体和通道膜蛋白介导的跨膜转运。带电离子和水溶性分子的跨膜转运需要由膜蛋白的介导来完成。①经载体易化扩散指葡萄糖、氨基酸、核苷酸等许多重要的营养物质借助载体蛋白顺浓度梯度跨膜转运的过程。特点:特异性、饱和性、竞争性抑制。②经通道易化扩散指Na+、Cl-、Ca2+、K+等带电离子,借助通道蛋白的介导,顺浓度梯度或电位梯度跨膜转运的过程。通道对离子的导通表现出的开放与关闭两种状态,受膜电位、化学信号等调控,因此,离子通道又分为电压门控通道(细胞膜Na+、K+、Ca2+通道)、化学门控通道(终板膜ACh受体离子通道)。

    单纯扩散和易化扩散属于被动转运,转运过程本身不需要消耗能量,是物质顺浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运。

    3)主动转运:细胞膜通过本身的耗能,在蛋白质的帮助下,使物质由膜的低浓度一侧向高浓度一侧转运的过程,称主动转运。这种逆浓度差的转运,就象从低处向高处泵水,必须有水泵一样,需要镶嵌在细胞膜上的一种特殊蛋白质帮助,这种蛋白质就称为"泵",也称"泵"蛋白。故主动转运也称"泵"转运。泵蛋白具有特异性,如钙泵只能转运钙离子,钾泵只能转运钾离子等,故按其所转运的物质种类可命名为钠泵(钠钾泵)、碘泵、氯泵和钙泵等。主动转运分原发性主动转运和继发性主动转运。

    ①原发性主动转运是指细胞直接利用代谢产生的能量将物质(带电离子):逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程。介导这一过程的膜蛋白为离子泵。在哺乳动物细胞膜上普遍存在的离子泵是钠-钾泵,简称钠泵,是一种Na+-K+-依赖式ATP酶。钠泵每分解1分子ATP可将3个Na+移出胞外,同时将2个K+移入胞内,由此造成细胞内的K+的浓度为细胞外液中的30倍左右,而细胞外液中的Na+的浓度为胞质中10倍左右。钠泵活动有重要的生理意义:膜内外Na+和K+的浓度差,是细胞具有兴奋性的基础;Na+在膜两侧的浓度差是其他许多物质继发性主动转运(如葡萄糖、氨基酸,以及Na+-H+、Na+-Ca2+交换等)的动力。

    ②继发性主动转运:许多物质逆浓度梯度或电位梯度跨膜转运时,所需能量不直接来自ATP分解,而是来自由Na+泵利用分解ATP释放的能量,在膜两侧建立的Na+浓度势能差,这种间接利用ATP能量的主动转运过程称为继发性主动转运。其机制是一种称为转运体的膜蛋白,利用膜两侧Na+浓度梯度完成的跨膜转运。如被转运的物质与Na+都向同一方向运动,称为同向转运,如葡萄糖在小肠黏膜重吸收的Na+-葡萄糖同向转运。如被转运的物质与Na+彼此向相反方向运动,则称为反向转运,如肾小管上皮细胞存在的Na+-H+交换和Na+-Ca2+交换。

    2.细胞的生物电现象

    (1)静息电位及其产生机制 静息电位是指细胞在未受刺激时存在于细胞膜内、外两侧的电位差。采用细胞内电位记录的方法所记录到的电位是以细胞外为零电位的膜内电位,绝大多数细胞的静息电位是稳定的负电位。例如,骨骼肌细胞和神经细胞的静息电位分别约为-90mV和-70mV。静息电位产生的机制:①钠泵主动转运造成的细胞膜内、外Na+和K+的不均匀分布是形成生物电的基础。②静息状态下细胞膜主要是K+通道开放,K+。受浓度差的驱动向膜外扩散,膜内带负电荷的大分子蛋白质与K+隔膜相吸,形成膜外为正,膜内为负的跨膜电位差,而K+扩散形成的外正内负的跨膜电位差又会阻止K+的进一步外流。当达到平衡状态时,电位差形成的驱动力恰好对抗浓度差的驱动力时,两个作用力大小相等,方向相反,K+电-化学驱动力为零,此时的跨膜电位称为K+平衡电位。安静状态下的膜只对K+有通透性,因此静息电位就相当于K+平衡电位。

    (2)动作电位及其产生机制 在静息电位的基础上,可兴奋细胞膜受到一个适当的刺激,膜电位发生迅速的一过性的波动,这种膜电位的波动称为动作电位。以骨骼肌细胞为例,它由上升支和下降支组成,两者形成尖峰状的电位变化称为锋电位。上升支指膜内电位从静息电位的-90mV到+30mV,其中从-90mV上升到0mV,称为去极化;从0mV到+30mV即膜电位变成了内正外负,称为反极化。动作电位在零以上的电位值称为超射。下降支指膜内电位从+30mV逐渐下降至静息电位水平,称为复极化。锋电位后出现膜电位的低幅、缓慢的波动,称为后电位。

    动作电位的产生机制:①上升支的形成:当细胞受到阈刺激时,引起Na+内流,去极化达阈电位水平时,Na+通道大量开放,Na+迅速内流的再生性循环(正反馈Na+内流),造成膜的快速去极化,使膜内正电位迅速升高,形成上升支。当Na+内流的动力(浓度差和电位差)与阻力(电场力)达到平衡时,Na+内流停止,此时存在于膜内外的电位差既是Na+的平衡电位。动作电位的幅度相当于静息电位的绝对值与超射值之和。动作电位上升支(去极相)主要是Na+的平衡电位。人工增加细胞外液Na+浓度,动作电位超射值增大;应用Na+通道特异性阻断剂河豚毒(TTX)后动作电位不再产生。②下降支的形成:钠通道为快反应通道,激活后很快失活,随后膜上的电压门控K+通道开放,K+顺梯度快速外流,使膜内电位由正变负,迅速恢复到刺激前的静息电位水平,形成动作电位下降支(复极相)。在复极的晚期,钠-钾泵的运转可导致超极化的正后电位。

    3.骨骼肌细胞的收缩

    (1)神经-骨骼肌接头处兴奋的传递过程 运动神经末梢与肌细胞特殊分化的终板膜构成神经-肌接头。当动作电位传到运动神经末梢,接头前膜去极化,电压门控Ca2+通道开放,Ca2+内流,末梢内Ca2+浓度升高触发突触小泡的出胞机制,突触小泡与接头前膜融合,将小泡中的ACh以量子式方式释放到间隙,ACh与终板膜上的N2型ACh受体结合并使之激活,终板膜主要对Na+通透性增高,Na+内流,使终板膜去极化产生终板电位。终板电位是局部电位,可通过电紧张活动使邻近肌细胞膜去极化,达阈电位而暴发动作电位,表现为肌细胞的兴奋。

    (2)骨骼肌收缩的机制 胞质内Ca2+浓度升高促使细肌丝上肌钙蛋白与Ca2+结合 ......

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