书 书 书

    高等职业教育技能型紧缺人才培养培训工程系列教材

    正常人体功能

    张! 敏! 主! 编

    严秀辉! 副主编

    参编人员! (按姓氏笔画为序)! ! ! ! ! 祁文秀! 闫瑞君! 杜友爱! ! ! ! ! 吴培林! 张! 立! 张光主! ! ! ! ! 周裔春! 赵汉英! 赵蕴珍

    高等教育出版社内容提要

    本书是高等职业教育护理专业领域技能型人才培养培训工程系列教材， 是根据 “三年制高等职业教

    育护理专业领域技能型紧缺人才培养指导方案” 编写的。

    “正常人体功能” 是高等职业教育技能型紧缺人才护理专业重要基础课程之一， 是学习后续课程所

    必需的知识准备。本书主要介绍生物体的分子结构与功能、 物质代谢及其在生命活动过程中的作用， 在

    此基础上重点阐述各组织、 器官的功能活动， 包括生命活动现象、 过程、 规律及影响因素等。该书重点突

    出、 应用性强、 图文并茂、 文字简洁流畅。

    本书可作为高等职业院校、 高等专科院校、 成人高等院校、 本科院校二级学院、 本科院校高职教育护

    理专业及相关专业教学用书， 也可供五年制高职院校、 中等职业学校学生及其他有关人员参考使用。! 图书在版编目 (!) 数据! 正常人体功能张敏主编 —北京： 高等教育出版社，%%! , %- %’,’. ! ! 正 ! 张 ! 人体生理学 高等学校：

    技术学校 教材! 00! 中国版本图书馆 1(2 数据核字 (%%-) 第’0%3 号

    出版发行! 高等教育出版社 购书热线! %’% 3-%-44

    社! ! 址! 北京市西城区德外大街- 号 免费咨询! 4%% 4’% %.4

    邮政编码!%%%’’ 网 址! 5667： 888 597 9:; <=

    总! ! 机! %’% 44’%%%! ! ! ! ! ! ! 5667： 888 597 <>? <=

    经! ! 销! 新华书店北京发行所

    印! ! 刷!

    开! ! 本! ,4, @%.! 3 版! ! 次! ! ! 年! 月第’ 版

    印! ! 张! 0A 印! ! 次! ! ! 年! 月第! 次印刷

    字! ! 数! -,% %%% 定! ! 价! ,A %% 元

    本书如有缺页、 倒页、 脱页等质量问题， 请到所购图书销售部门联系调换。

    版权所有 侵权必究

    物料号： %’%( ))

    国家技能型紧缺人才护理专业

    领域教材编审委员会! ! 主 任 委 员： 涂明华 (九江学院医学院)

    副主任委员： 顾炳余 (天津医学高等专科学校)

    刘平娥 (永州职业技术学院)

    左月燃 (北京军医学院)

    委! ! ! 员(按姓氏笔画排列) ：

    丁国芳 (浙江海洋学院医学院)

    田菊霞 (杭州师范学院医学院)

    史瑞芬 (南方医科大学)

    李守国 (华中科技大学同济医学院)

    吴先娥 (湖北职业技术学院)

    汪娩南 (九江学院医学院)

    武有祯 (山西医科大学汾阳学院)

    周郁秋 (哈尔滨医科大学分校)

    简雅娟 (天津医学高等专科学校)出 版 说 明

    为了认真贯彻 《国务院关于大力推进职业教育改革与发展的决定》 ， 落实 《!—! 年教育振兴行动计划》 ， 缓解国内劳动力市场技能型人才紧缺现状， 为我国走新型工

    业化道路服务， 自!% 年% 月以来， 教育部在永州、 武汉和无锡连续三次召开全国高等

    职业教育产学研经验交流会， 明确了高等职业教育要 “以服务为宗旨， 以就业为导向， 走

    产学研结合的发展道路” ， 同时明确了高等职业教育的主要任务是培养高技能人才。这

    类人才， 既要能动脑， 更要能动手， 他们既不是白领， 也不是蓝领， 而是应用型白领， 是 “银

    领” 。从而为我国高等职业教育的进一步发展指明了方向。

    培养目标的变化直接带来了高等职业教育办学宗旨、 教学内容与课程体系、 教学方法

    与手段、 教学管理等诸多方面的改变。与之相应， 也产生了若干值得关注与研究的新课

    题。对此， 我们组织有关高等职业院校进行了多次探讨， 并从中遴选出一些较为成熟的成

    果， 组织编写了 “银领工程” 丛书。本丛书围绕培养符合社会主义市场经济和全面建设小

    康社会发展要求的 “银领” 人才的这一宗旨， 结合最新的教改成果， 反映了最新的职业教

    育工作思路和发展方向， 有益于固化并更好地推广这些经验和成果， 很值得广大高等职业

    院校借鉴。我们的这一想法和做法也得到了教育部领导的肯定， 教育部副部长吴启迪专

    门为首批 “银领工程” 丛书提笔作序。

    我社出版的高等职业教育各专业领域技能型紧缺人才培养培训工程系列教材也将陆

    续纳入 “银领工程” 丛书系列。

    “银领工程” 丛书适用于高等职业学校、 高等专科学校、 成人高校及本科院校举办的

    二级职业技术学院、 继续教育学院和民办高校使用。

    高等教育出版社! 年’ 月! !

    前! ! 言

    《正常人体功能》 是国家技能型紧缺人才护理专业系列教材之一。护理专业技能型

    紧缺人才的培养目标是， 为城乡医疗保健等卫生服务机构培养德、 智、 体、 美全面发展， 职

    业综合素质高， 技术应用能力强的高等技术应用型护理专门人才。因此， 教材的编写必须

    在突出教材的 “三基” (基本理论、 基本知识和基本技能) 和 “五性” (思想性、 科学性、 先进

    性、 启发性和实用性) 的前提下， 坚持 “必需、 够用” 的原则， 以充分体现职业教育的特色。

    本教材实际上包括生理学和生物化学两个学科的内容， 在编写过程中， 既要考虑系列

    教材的整体优化， 避免重复和遗漏， 还要解决好教材内部 “融合” 问题。因此， 必须淡化学

    科意识， 精选教材内容， 如将生物氧化与能量代谢合并； 将肾小管的分泌功能、 甲状旁腺

    素、 降钙素对钙磷代谢的调节与水、 盐代谢及酸碱平衡合并。略去诸如历史回顾、 机制探

    讨、 公式推导和测试方法等内容， 而将重点放在一些与正常人体功能直接相关的知识点

    上， 如物质代谢， 水、 盐代谢与酸碱平衡， 各器官、 系统的功能等， 并尽可能与临床实际相联

    系。另外考虑到护理专业的特点， 适当增加了社会心理因素对人体功能的影响。在编排

    顺序上， 力求使知识结构科学、 合理， 并符合学生的认知规律， 全书共分 章， 约 % 幅

    图。文字叙述尽量做到概念清楚、 定义准确、 名词术语规范统一， 为帮助学生掌握重点和

    难点， 培养学生分析问题和解决问题的能力， 每章前列有学习目标， 章后附有思考题。

    本教材的建议总学时为% 学时， 其中理论学时和实验学时分别为 % 和%。具体

    学时分配见下表：

    章次 章名 总学时 理论学时 实验学时

    第一章 绪论

    第二章 生物大分子的结构与功能 ( % (

    第三章 细胞的基本功能 ( (

    第四章 物质代谢 ) ( (

    第五章 能量代谢与体温

    第六章 遗传信息的传递 ( (

    第七章 血液 (

    第八章 血液循环 +!

    续表

    章次 章名 总学时 理论学时 实验学时

    第九章 呼吸 !

    第十章 消化与吸收

    第十一章 肾的排泄功能 %

    第十二章 水、 盐代谢及酸碱平衡

    第十三章 感觉器官

    第十四章 神经系统的功能

    第十五章 内分泌

    第十六章 生殖

    合计’( )( (

    本教材由张敏主编， 严秀辉副主编， 祁文秀、 闫瑞君、 杜友爱、 吴培林、 张立、 张光主、 周

    裔春、 赵汉英、 赵蕴珍等参加编写。编写工作得到编者所在院校的大力支持。在审定书稿

    过程中， 特邀浙江大学医学院夏强教授担任主审。九江学院医学院殷嫦嫦、 张义平老师参

    与部分章节的审稿工作， 吴建芳老师承担计算机绘图和修改部分插图的工作。在此对他

    们的辛勤劳动一并表示衷心的感谢。

    由于时间仓促， 加之我们的学识水平和编写能力有限， 书中缺点甚至错误在所难免，恳请各位读者批评指正。

    编者

    (( 年! 月! !

    目! ! 录

    第一章! 绪论 …………………………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 正常人体功能课程研究的内容及其与医学的关系 ……………………! ! ! ! 第二节! 生命的基本特征 …………………………………………………………! ! ! ! 第三节! 机体与环境 ………………………………………………………………! ! ! ! 第四节! 人体功能的调节 % …………………………………………………………

    第二章! 生物大分子的结构与功能 …………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 蛋白质 ……………………………………………………………………! ! ! ! 第二节! 核酸 ……………………………………………………………………! ! ! ! 第三节! 酶 ………………………………………………………………………

    第三章! 细胞的基本功能 …………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 细胞的跨膜物质转运功能 ……………………………………………! ! ! ! 第二节! 细胞的跨膜信号转导功能 % ……………………………………………! ! ! ! 第三节! 细胞的生物电现象 % ……………………………………………………! ! ! ! 第四节! 骨骼肌细胞的收缩功能 %) ………………………………………………

    第四章! 物质代谢 )% …………………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 糖代谢 )% …………………………………………………………………! ! ! ! 第二节! 脂质代谢 ………………………………………………………………! ! ! ! 第三节! 氨基酸代谢) ……………………………………………………………! ! ! ! 第四节! 核苷酸代谢 ……………………………………………………………

    第五章! 能量代谢与体温 % …………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 能量代谢 % ………………………………………………………………! ! ! ! 第二节! 体温 ……………………………………………………………………

    第六章! 遗传信息的传递 % …………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! +,- 生物合成 % ………………………………………………………! ! ! ! 第二节! .,- 生物合成 ( ………………………………………………………! ! ! ! 第三节! 蛋白质的生物合成 ( ……………………………………………………! ! ! ! 第四节! 基因工程概况 (’ …………………………………………………………

    第七章! 血液 % ………………………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 血液的组成及理化特性 % ………………………………………………!! ! ! ! 第二节! 血细胞 ………………………………………………………………! ! ! ! 第三节! 血液凝固与纤维蛋白溶解 % ……………………………………………! ! ! ! 第四节! 血型与输血 ……………………………………………………………

    第八章! 血液循环 …………………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 心脏的功能 ……………………………………………………………! ! ! ! 第二节! 血管的功能( ……………………………………………………………! ! ! ! 第三节! 心血管活动的调节 ( ……………………………………………………! ! ! ! 第四节! 器官循环 %)) ………………………………………………………………

    第九章! 呼吸 %)( ………………………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 肺通气 %) …………………………………………………………………! ! ! ! 第二节! 呼吸气体的交换 %% ………………………………………………………! ! ! ! 第三节! 气体在血液中的运输 % …………………………………………………! ! ! ! 第四节! 呼吸运动的调节 %%) ………………………………………………………

    第十章! 消化和吸收 %% ………………………………………………………………………! ! ! ! 第一节! 概述 %% ……………………………………………………………………! ! ! ! 第二节! 口腔内消化 %% ……………………………………………………………! ! ! ! 第三节! 胃内消化 %%+ ………………………………………………………………! ! ! ! 第四节! 小肠内消化 %% ……………………………………………………………! ! ! ! 第五节! 大肠内消化 %(% ……………………………………………………………! ! ! ! 第六节! 吸收 %(( ……………………………………………………………………! ! ! ! 第七节! 消化器官活动的调节 %(+ …………………………………………………! ! ! ! 第八节! 肝的功能 %) ………………………………………………………………

    第十一章! 肾的排泄功能 % …………………………………………………………………! ! ! ! ! 第一节! 肾的结构和血液循环特点 % …………………………………………! ! ! ! ! 第二节! 尿的生成 %+ ……………………………………………………………! ! ! ! ! 第三节! 尿生成的调节 %+ ………………………………………………………! ! ! ! ! 第四节! 尿的排放 %+) ……………………………………………………………

    第十二章! 水、 盐代谢及酸碱平衡 %+( ………………………………………………………! ! ! ! ! 第一节! 水、 盐代谢 %+( …………………………………………………………! ! ! ! ! 第二节! 酸碱平衡 %’) ……………………………………………………………

    第十三章! 感觉器官 %’+ ………………………………………………………………………! ! ! ! ! 第一节! 感受器及其一般功能特性 %’+ …………………………………………! ! ! ! ! 第二节! 视觉器官 %’’ ……………………………………………………………! ! ! ! ! 第三节! 听觉器官 % …………………………………………………………! !! ! ! ! ! 第四节! 前庭器官 ……………………………………………………………! ! ! ! ! 第五节! 其他感觉器官 % ………………………………………………………

    第十四章! 神经系统的功能 % ………………………………………………………………! ! ! ! ! 第一节! 神经元与神经胶质细胞的功能 % ……………………………………! ! ! ! ! 第二节! 突触的结构与功能 %’ …………………………………………………! ! ! ! ! 第三节! 神经系统的感觉功能 % ………………………………………………! ! ! ! ! 第四节! 脑电活动与觉醒、 睡眠 ……………………………………………! ! ! ! ! 第五节! 神经系统对躯体运动的调节 ( ………………………………………! ! ! ! ! 第六节! 神经系统对内脏活动的调节 ) ………………………………………! ! ! ! ! 第七节! 脑的高级功能 ……………………………………………………

    第十五章! 内分泌 ( …………………………………………………………………………! ! ! ! ! 第一节! 激素的概述 …………………………………………………………! ! ! ! ! 第二节! 下丘脑与垂体 ) ………………………………………………………! ! ! ! ! 第三节! 甲状腺 )) ………………………………………………………………! ! ! ! ! 第四节! 肾上腺 )( ………………………………………………………………! ! ! ! ! 第五节! 胰岛% …………………………………………………………………

    第十六章! 生殖 ……………………………………………………………………………! ! ! ! ! 第一节! 男性生殖 ……………………………………………………………! ! ! ! ! 第二节! 女性生殖) ……………………………………………………………

    参考文献 + ……………………………………………………………………………………书 书 书! !

    第一章! ! 绪! ! 论

    学习目标! 掌握兴奋性、 内环境和稳态的概念； 人体功能活动的主要调节方式； 反馈的概念及

    负反馈的意义。

    熟悉生命的基本特征。

    了解正常人体功能课程研究内容及其与医学的关系。

    第一节! 正常人体功能课程研究的

    内容及其与医学的关系

    一、正常人体功能课程研究的内容

    正常人体功能课程研究人体各种生命活动及其机制。它是一门重要的基础医学课

    程， 其主要任务是研究人体各组织、 器官以及系统在正常情况下的生命活动现象、 规律、 产

    生的机制和内在的生物化学反应以及影响因素等。

    人体是一个结构与功能极其复杂的整体， 要认识人体各种生命活动现象及其机制， 必

    须从不同的方面和水平来进行探讨。正常人体功能课程研究的内容包括： ! 人体的物质

    组成、 生物分子的结构与功能、 生命活动过程中物质化学变化规律以及细胞的功能， 如蛋

    白质分子的结构与功能、 物质的合成与分解以及肌细胞收缩的分子机制等； 各组织、 器

    官和系统的功能以及活动规律， 如心脏的射血、 肺的呼吸和肾的泌尿等； 完整机体内各

    器官、 系统之间的相互协调和相互影响， 以及环境变化对机体功能活动的影响， 如心脏的

    泵血与肺换气的功能联系、 整体情况下神经系统对各器官系统的调节等； 遗传信息的

    传递及调控。基因即 分子的功能片段， 它控制着机体的遗传、 变异、 生长及分化等生

    命过程， 的复制、 % 的转录、 蛋白质的生物合成等遗传信息传递过程及基因表达的

    调控都属于人体功能的研究范畴。

    二、正常人体功能课程与医学的关系

    正常人体功能课程与医学的关系非常密切。一方面， 正常人体功能课程是学习后续!

    医学基础课程如药理学、 临床医学所必需的重要基础， 只有熟悉和掌握了人体正常生命活

    动现象、 规律以及产生机制， 才能正确地认识疾病的发生与发展的规律， 为在临床医疗和

    护理实践中促进患者的康复和有效地防治疾病奠定理论基础； 另一方面， 正常人体功能课

    程与临床医学的发展密切相关并相互促进。临床医疗实践不断地为人体功能课程提出新

    的研究课题， 从而推动人体功能课程理论的不断发展， 而人体功能课程的发展又对临床医

    学的发展起着极大的促进作用， 如基因工程技术的飞速发展不仅使许多疑难疾病的发病

    机制相继被揭示， 而且基因工程技术和产品也已广泛应用于人类疾病的诊断和治疗。因

    此， 医学院校学生必须学好正常人体功能课程。

    第二节! 生命的基本特征

    生物体的生命现象非常复杂， 但任何一种生物体都具有两个基本特征， 即新陈代谢和

    兴奋性。

    一、新陈代谢

    机体在生命活动过程中需要从外界环境摄取营养物质， 转变成自身的组成成分， 并贮

    存能量； 同时， 又不断地分解自身的成分， 释放能量供生命活动所需， 并将分解所产生的终

    产物排出体外， 这一过程称为新陈代谢 (!%’!) 。前者称为合成代谢或同化作用， 后

    者称为分解代谢或异化作用。合成代谢与分解代谢是新陈代谢的两个方面， 两者相互依

    存、 对立统一。当物质合成时， 吸收并贮存能量， 物质分解时则释放能量， 因此， 在新陈代

    谢的过程中， 既有物质代谢又有能量代谢。机体通过新陈代谢不断地与外界环境进行物

    质交换， 以实现自我更新， 同时获得生命活动所必需的能量， 所以， 新陈代谢是一切生命活

    动的基础， 是生命活动最基本的特征。新陈代谢一旦停止， 生命也就终结。

    新陈代谢是一系列复杂的生物化学反应过程， 这些生物化学反应都是在细胞内进行

    的。单细胞生物可直接与外界环境进行物质交换， 实现新陈代谢。人体是一个复杂的多

    细胞生物体， 体内的绝大多数细胞都不能与外界环境直接接触。因此， 人体的新陈代谢至

    少包括 个阶段， 即消化吸收、 中间代谢和排泄。

    二、兴奋性

    活的细胞、 组织或机体对刺激产生反应的能力或特性称为兴奋性 (+,(%(’(-) ， 它是

    在新陈代谢的基础上产生的又一重要的生命特征。

    (一)刺激与反应

    细胞、 组织或机体生活在不断变化的环境中， 经常受到环境中各种因素的影响。能被

    细胞或机体感受的内、 外环境因素的变化， 统称为刺激 (!.’.)) 。刺激按其能量形式的! !

    不同可分为物理性刺激、 化学性刺激和生物性刺激等， 如温度、 声、 光、 电、 酸、 碱、 细菌及病

    毒等。此外， 值得注意的是人类生活的环境不只是自然环境， 还包括社会环境。因此， 当

    社会、 心理因素发生变化时， 如社会变化、 家庭的变故和情绪波动等， 都可作为刺激影响机

    体的功能活动。

    刺激能否引起机体产生反应， 取决于刺激强度、 刺激持续时间和强度 时间变化率。

    刺激的 个参数又可相互影响， 只有当刺激达到一定的强度、 时间和强度 时间变化率时

    才能引起机体发生反应。如临床上高频电热疗法， 是用高频电流通过人体， 虽然电流强度

    高达 余安， 但因电流频率快， 刺激作用时间短， 电流通过组织时只产生热效应， 而不引

    起组织兴奋。正常人体功能课程实验中常用的刺激是电刺激， 这是因为它的强度、 频率和

    作用时间较容易精确控制， 且可重复使用又不易损伤组织。

    反应是指刺激引起组织或机体功能活动的改变， 是刺激的结果。刺激作用于组织或

    机体， 首先影响其代谢过程， 进而导致功能状态的改变。不同的细胞或组织接受刺激后，反应的表现形式不一样， 如肌细胞表现为张力和长度的变化 (机械收缩) 、 腺细胞表现为

    分泌活动等。虽然不同的组织受刺激后反应的表现形式不一样， 但反应可归纳为两种基

    本类型， 即兴奋 (%’)(+,) 和抑制 ((,-(.(+,) 。兴奋是指组织或机体受刺激后， 由相对静

    止状态转变为活动状态， 或活动加强； 抑制是指组织或机体受刺激后， 由活动状态转变为

    相对静止状态， 或活动减弱。组织或机体接受刺激后究竟发生兴奋还是抑制， 除与刺激的

    质和量有关外， 还取决于组织当时的功能状态。在不受刺激影响时组织或机体所处的功

    能状态称为生理静息状态。

    (二)兴奋性与阈强度

    不同的组织细胞兴奋性的高低是不同的， 即使同一组织细胞在不同的功能状态下其

    兴奋性也有差异。衡量组织或细胞兴奋性的高低， 通常用阈强度作为指标。阈强度是指

    在保持刺激的时间和强度 时间变化率不变的情况下， 引起组织细胞发生反应的最小刺激

    强度， 其值称为阈值 -%0-+12) 。显然， 组织兴奋性的高低与阈值呈反变关系。阈值愈

    小， 兴奋性愈高； 阈值愈大， 兴奋性愈低。对于所给刺激而言， 强度大于阈值的刺激称为阈

    上刺激； 强度小于阈值的刺激称为阈下刺激； 强度等于阈值的刺激称为阈刺激 -%0-+12

    0)(34140) 。刺激要引起组织发生反应， 其强度通常必须等于或大于阈值， 一次阈下刺激通

    常是不能引起组织发生反应的。

    第三节! 机体与环境

    一、外环境与适应性

    外环境是指人体作为整体所生活的自然环境和社会环境， 是人体赖以生存的基础。!

    人与外环境之间是相互影响的。一方面是外环境中各种物理、 化学、 生物、 社会和心

    理等因素， 如温度、 酸、 碱、 细菌、 病毒、 环境压力和情绪波动等， 均可作为刺激影响人体的

    功能活动。值得注意的是语言、 文字和行为等可以影响人体的心理活动， 进而影响人体的

    功能活动， 因此， 作为护理工作者， 在临床工作中不但要注意自然因素对患者的影响， 还应

    注意自己的语言、 行为对患者心理活动的影响。另一方面， 人类的活动又会不断地影响和

    改变环境， 如人类一些活动可造成环境的污染、 生态平衡的破坏， 同时人类还能根据生活

    的需要改造环境。只有当人的活动与外环境之间相互协调， 人体的功能活动才能正常进

    行。事实上， 外环境中的各种自然因素和社会环境因素并不是一成不变的。在正常情况

    下， 环境因素发生变化时， 机体会不断地调整各器官、 系统的功能活动以保持与变化的环

    境相适应。机体的这种随环境因素的变化而相应地调整自身活动状态的能力， 称为适应

    性。如经常从事高温作业的人比较耐热， 而生活在寒带的人则比较耐寒。但是人体的适

    应能力又是有一定限度的。例如， 当机体处于高温环境中， 虽然可以通过减少产热、 增加

    散热， 以保持体温的相对恒定， 但当人体长时间处于温度过高的环境中时， 可因散热不足

    体温升高而中暑， 严重时可危及生命。

    适应性是在生物体进化过程中逐步发展起来的， 进化程度愈高的动物， 适应性愈强。

    人类不仅能被动地适应环境， 而且还能主动地适应自然环境， 尤其是随着科学技术的发

    展， 人类还通过改造环境， 使之能更好地适合于人类的生存。

    二、内环境与稳态

    机体内有大量的液体统称为体液 (! %’ 。成人体液总量约占体重的)， 其中

    约, - . 分布在细胞内， 称为细胞内液 ((01234’21 %’ ； 约 5 - . 分布在细胞外， 称为细胞

    外液 (4601234’21 %’ ， 包括血浆、 组织液、 脑脊液等。

    人体最基本的结构和功能单位是细胞， 细胞只有不断地与周围环境进行物质交换， 进

    行新陈代谢， 才能维持功能活动。人体内绝大多数细胞并不与外环境直接接触， 而是生活

    在细胞外液之中。体内细胞直接生活的环境， 即细胞外液称为机体的内环境 ((0412 47

    8(1940 ) 。内环境是相对于人体所处的外环境而言的。细胞新陈代谢所需的营养物质

    如葡萄糖、 氨基酸等和 :, 必须通过细胞外液才能进入细胞， 而细胞的代谢产物也是首先

    排至细胞外液， 然后再通过排泄器官排出体外的。

    内环境不同于外环境的一个重要特征是细胞外液中的化学成分及其理化特性， 如各

    种离子浓度、 温度、 酸碱度和渗透压等经常保持相对的稳定。这种内环境中各种理化因素

    保持相对稳定的状态称为内环境稳态 (;94<02<(<) 。内环境稳态是细胞进行正常功能活

    动的必要条件。因为细胞代谢的各种酶促反应和细胞的兴奋性等， 都必须在内环境相对

    稳定的条件下才能保持正常。如果内环境稳态遭到破坏， 如发热、 酸中毒和缺氧等将导致

    细胞功能的紊乱， 引发疾病， 严重时可危及生命。! !

    需要指出的是内环境稳态并不是说内环境中各种理化因素绝对不变， 而是在一定的

    范围内波动。这是因为， 一方面外环境中各种理化因素经常改变， 如气温， 一年四季， 甚至

    一天 小时都在变化， 这必然会对内环境产生影响； 另一方面， 在组织细胞新陈代谢过程

    中， 细胞不断地与内环境进行物质交换， 也会改变内环境的化学成分和理化性质， 这就必

    然会扰乱或破坏内环境稳态。但在正常情况下人体可通过细胞、 器官和系统活动使破坏

    了的稳态得以恢复。例如， 细胞新陈代谢不断地从内环境中摄取 ， 同时将产生的 %

    排入其中， 使内环境稳态遭到破坏； 呼吸系统则不断地从外环境中摄取 以补充 的消

    耗， 同时将 % 排出体外， 从而保持内环境中 和 % 的稳定。因此， 稳态是一种动态

    平衡。

    第四节! 人体功能的调节

    人体由各种器官系统构成， 不同器官系统的功能活动各不相同。但人体内任何器官

    系统的功能活动都是在人体这个整体内进行的， 因此， 人体内各个器官系统的功能活动必

    须相互协调， 紧密配合， 才能使人体的功能活动与内、 外环境的变化相适应。协调人体各

    部分之间的功能活动， 使之与内、 外环境变化相适应的过程， 称为人体功能调节。

    一、人体功能的调节方式

    人体功能活动的调节方式主要有 种， 即神经调节、 体液调节和自身调节， 在人体内

    种调节方式相互配合。

    (一)神经调节

    通过神经系统的活动对人体功能活动进行调节的过程， 称为神经调节 (’(,)-.

    01+’) 。神经调节是以反射的方式实现的。反射是指在中枢神经系统的参与下组织或机

    体对刺激作出的规律性应答。反射的结构基础是反射弧， 它由 2 个部分组成， 即感受器、传入神经纤维、 反射中枢、 传出神经纤维和效应器。反射弧结构和功能的完整是反射活动

    得以正常进行的基础， 如果其中任何一部分被破坏， 都可导致反射异常或消失。

    神经调节是调节人体功能活动的主要方式， 具有作用迅速而准确、 作用范围局限和作

    用时间短暂等特点。

    (二)体液调节

    通过体液中的某些化学物质对组织器官的功能活动进行调节的方式， 称为体液调节

    (3)4+.- (,)-.01+’) 。实现体液调节的主要物质是激素。如甲状腺分泌的甲状腺激素，通过血液运输到达全身各组织器官， 促进物质代谢和能量代谢、 促进机体的生长发育等过

    程。这种通过血液运输实现的体液调节， 称为全身性体液调节。此外， 组织细胞产生的某

    些特殊的化学物质或代谢产物， 如组织胺、 2 羟色胺、 激肽、 % 和 5 6

    等， 也可通过组织!

    液扩散， 改变邻近组织细胞的功能活动， 这种调节称为局部性体液调节。

    人体内大多数内分泌腺或内分泌细胞接受神经系统的调节， 在这种情况下， 内分泌腺

    或内分泌细胞实际上是神经调节的一个传出环节， 这种调节方式称为神经 体液调节 (图! !) 。人体功能活动的调节多为这种复合式调节。例如， 气温骤降， 冷刺激使交感神经

    兴奋， 结果甲状腺激素分泌增加， 后者通过血液运输作用于全身组织细胞， 使机体的产热

    量增加。

    图! ! 神经 体液调节示意图

    体液调节具有作用发挥缓慢， 作用范围广泛， 作用时间持久等特点。主要参与对机体

    新陈代谢、 生长发育和生殖等缓慢生理过程的调节。

    (三)自身调节

    自身调节是指组织或器官不依赖神经和体液调节， 而自身对刺激发生的适应性反应。

    如前负荷对心肌收缩力的影响 (详见第八章) 、 肾血流量的自身调节 (详见第十一章) 等。

    自身调节是一种比较简单、 局限的调节方式， 其调节幅度小， 灵敏度低。

    二、人体功能的自动控制

    尽管调节人体功能活动的方式和途径各不相同， 但大多数调节都具有自动控制的特

    点， 这种自动控制是通过反馈控制系统实现的。在反馈控制系统中控制部分有控制信号

    下达到受控部分， 同时受控部分不断有反馈信号返回到控制部分， 改变控制部分的活动，这称为反馈控制， 显然这种控制是双向的闭环系统。将反馈控制理论应用到人体功能活

    动的调节过程中， 可将反射中枢和内分泌腺看作控制部分， 而将效应器或靶细胞视为受控

    部分。受控部分在接受控制部分影响的同时， 通过反馈信号不断纠正或调整控制部分活

    动的过程称为反馈调节 (图 ! ) 。根据反馈调节的作用效果， 反馈调节又分为负反馈

    (%’% +%%,-’.) 和正反馈 (012)% +%%,-’.) 。

    图! 人体功能调节的自动控制系统模式图! !

    负反馈是指受控部分发出的反馈信息使控制部分的调节指令与原效应的作用相反。

    负反馈在人体功能调节中极为多见， 其意义在于维持机体功能活动的相对稳定。例如， 当

    某种原因引起心脏 (受控部分) 的活动加强， 血管 (受控部分) 收缩， 动脉血压升高时， 通过

    反馈联系将血压升高的信息反馈到心血管中枢 (控制部分) ， 结果导致心脏的活动减弱，血管舒张， 血压下降至变化前的水平 (详见第八章) 。

    正反馈是指受控部分发出的反馈信息使控制部分的调节指令与原效应的作用一致。

    正反馈的结果是使受控部分的活动加强。受控部分活动加强的信息再通过反馈联系使控

    制部分的活动进一步加强， 从而使受控部分的活动再加强； 如此循环反复， 直至功能活动

    完成。可见正反馈的意义在于促使某一功能活动尽快结束。如排尿反射、 血液凝固和分

    娩等过程都是正反馈的例子。

    思考题! 反应、 反射、 反馈有何区别？

    何谓机体的内环境及稳态？举例说明稳态的意义。

    试述人体功能活动调节的方式、 特点及生物学意义。

    % 何谓负反馈？举例说明其生物学意义。

    试述遗传信息传递与医学的关系。!

    第二章! 生物大分子的结构与功能

    学习目标! 掌握蛋白质、 核酸的元素组成及特点， 一级结构的概念及维持各级结构的化学键；

    维生素、 酶、 必需基团、 活性中心、 酶原、 酶原激活以及同工酶的概念； 酶促反应特点及影响

    酶促反应的因素， 竞争性抑制与非竞争性抑制的特点。

    熟悉蛋白质的空间结构， 结构与功能的关系， 理化性质， 蛋白质变性的临床意义；

    核酸的基本组成单位及水解产物， % 双螺旋结构要点， % 的变性、 复性， 分子杂交；

    酶的作用机制， 磺胺药的作用机制及 !’ 的意义； ( 族维生素的辅酶形式。) 了解氨基酸及蛋白质的分类， % 种类及 +% 的结构特点， 维生素的分类和维

    生素 、 、 , 的生理功能及缺乏症， 酶的分类与命名。

    第一节! 蛋! 白! 质

    蛋白质 (%’ 是构成生物体最重要的高分子有机化合物， 是生命活动的物质基础，是构成组织和细胞的主要组成成分， 约占人体干重的)。蛋白质种类繁多， 结构复杂，功能各异， 在生物体内许多重要的生命现象和生理活动都是通过蛋白质来实现的。例如

    酶的催化作用， 物质代谢的调节作用， 物质的转运和贮存， 免疫保护作用， 运动与支持作

    用， 生长、 繁殖、 遗传和组织修复作用， 生物膜功能和细胞信息传递作用， 高等动物的记忆

    和识别方面的作用等。可见， 蛋白质是生命功能重要的物质基础。

    一、蛋白质的化学组成

    (一)蛋白质的元素组成

    不同来源的蛋白质， 其元素组成相似， 主要含有碳、 氢、 氧、 氮和硫， 有些蛋白质含有少

    量磷或金属元素铁、 铜、 锌、 锰、 钴、 钼等， 个别蛋白质还含有碘。元素分析证实， 各种蛋白

    质的含氮量十分接近， 平均约为,-+， 这是蛋白质元素组成的一个重要特点， 即,.. 蛋

    白质中有,- 氮， 或, 氮相当于-0 1 蛋白质。由于蛋白质是生物体内主要含氮物质，因此， 欲测定一个生物样品中蛋白质的含量， 则应先测定该生物样品的氮含量， 再按下列

    公式计算：! !

    每克样品含氮量 %( ) + ) 样品蛋白质的含量 ( , ) )

    (二)蛋白质的基本组成单位— — —氨基酸

    蛋白质受酸、 碱或蛋白酶作用逐步降解为多肽、 寡肽、 三肽和二肽， 最终水解为各种氨

    基酸， 表明氨基酸是组成蛋白质的基本单位。存在于自然界的氨基酸约- 余种， 但组成

    蛋白质的氨基酸却仅有’ 种。

    . ! ! ! ! 0

    .11

    2

    3 ! 氨基酸) 氨基酸的结构特点! 组成蛋白质的’ 种氨基酸有共同的结构特

    点， 即在与羧基相邻的 ! 碳原子上都有一个氨基， 称为 ! 氨基酸 (脯氨

    酸为亚氨基酸) 。除甘氨酸的2 为 外， 其他氨基酸的! 碳原子都是不

    对称碳原子。不对称碳原子上4 个不同的基团在空间排列位置的差异使

    氨基酸形成 3 型与 5 型两种不同的构型。天然蛋白质中氨基酸均属 3

    型 (甘氨酸除外) ， 故称为 3 ! 氨基酸。

    氨基酸的分类! 组成蛋白质的’ 种氨基酸， 都具有特异的遗传密码， 故称为编码

    氨基酸， 根据其 2 基团的结构和理化性质不同， 通常分为4 类 (表’ )) 。

    表! 氨基酸的分类

    分类 名称

    结构式

    2 侧链 共同部分

    等电点

    (67)

    非

    极

    性

    中

    性

    氨

    基

    酸

    甘氨酸

    (89:、 8) —! !.

    0

    ! !.11

    ( ;<

    丙氨酸

    (=9>、 =) .-— ! !.

    0

    ! !.11

    %

    缬氨酸

    (?>9、 ?)

    .-! !.

    .

    ! !

    -! !.

    0

    ! !.11

    ( ;%

    亮氨酸

    (3@A、 3)

    .-! !.

    .

    -

    . ! ! ! ! ! !.

    0

    ! !.11

    ( ;B

    异亮氨酸

    (79@、 7)

    .- . ! !! !.

    .

    ! !

    -! !.

    0

    ! !.11

    %

    苯丙氨酸

    (CD@、 E

    ! !

    ) . ! ! ! !! !.

    0

    ! !.11

    ( 4B

    脯氨酸

    (CFG、 C) .’

    .’

    . ! !

    .

    .11

    0

    % -!

    续表

    分类 名称

    结构式! 侧链 共同部分

    等电点

    极

    性

    中

    性

    氨

    基

    酸

    色氨酸

    (%、 % %)

    % %

    ! ! ! ! ! )! !

    )

    ! !(++)

    ,- .

    丝氨酸

    (01%、 0) )+ ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    ,- 2.

    酪氨酸

    (3%、 4) ! !

    ! ! )+ ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    ,- 22

    半胱氨酸

    ((35、 )0 ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    ,- 67

    甲硫氨酸 (蛋氨酸)

    (819、 8) :! !0 ! ! ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    ,- 7;

    天冬酰胺

    (<5=、)) ! ! (

    +

    ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    ,- ;>

    谷氨酰胺

    (=、 A)) ! ! (

    +

    ! ! ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    ,- 2,苏氨酸

    (B%、 )

    :! !

    ! !

    +)! !

    )

    ! !(++)

    ,- 26

    酸

    性

    氨

    基

    酸

    天冬氨酸

    (<5、 C) )++( ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    - 7

    谷氨酸

    (D、 E) )++( ! ! ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    :-

    碱

    性

    氨

    基

    酸

    赖氨酸

    (F35、 G)

    ) ! !

    ! ! ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    - 7;

    精氨酸

    (<%H、 !)

    ! ! )’ (

    )

    ) ! !

    ! ! ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    >6- 72

    组氨酸

    I5、 ))

    )

    ( ! ! ! ! ! !

    )

    ! !(++)

    7- ,!! !

    非极性中性氨基酸! 其 基团为烃基的非极性基团， 具有疏水性质。

    极性中性氨基酸! 其 基团有羟基、 巯基或酰胺基等在水溶液中不电离的极性

    基团， 具有亲水性质。

    (%)酸性氨基酸! 其 基团上有羧基， 在水溶液中电离后能释放出氢离子而本身带

    负电荷。

    碱性氨基酸! 其 基团上有氨基、 胍基或咪唑基， 在水溶液中电离后能结合氢

    离子而本身带正电荷。

    二、蛋白质的分子结构

    蛋白质的分子结构十分复杂， 每一种蛋白质都有其特定的氨基酸组成、 排列顺序及特

    定的三维空间结构。蛋白质的分子结构分为一级结构、 二级结构、 三级结构和四级结构。

    其中一级结构称为基本结构， 二、 三和四级结构统称为空间结构。

    (一)蛋白质的一级结构

    肽键与肽! 在蛋白质分子中， 氨基酸之间通过肽键相连。肽键是指由 个氨基酸

    的 ! 羧基与另 个氨基酸的 ! 氨基脱水缩合而成的化学键 (———) 。它是蛋白

    质分子中的主键。

    (+ + ! !

    ! !)+ , (+ + ! !

    ! !)+

    - +

    ( ! ! !)

    + ! ! (+

    ! !(

    )! !

    +! !(+

    ! !)+! ! ! ! ! ! 氨基酸! ! ! ! ! ! ! ! 氨基酸! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !)) )) )))

    肽键! !

    氨基酸通过肽键连接形成的化合物称为肽。由 个氨基酸缩合而成的肽称二肽， %

    个氨基酸缩合而成的肽称三肽， 依此类推。一般十肽以下称寡肽， 十肽以上称多肽。多肽

    呈链状化合物， 又称多肽链， 其结构如下：

    + ! !(+

    ! !(

    )! !

    +! !(+

    ! !(

    )! !

    +! !(+

    %! !(

    )! !

    +! !(+

    ! !(

    )………………

    +! !(+

    .! !)+! ! ! ! 端! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ( 端

    肽链中氨基酸分子因有部分基团参加肽键的形成， 其结构已不完整， 称为氨基酸残

    基。在多肽链中， 由肽键连接各种氨基酸残基形成的长链骨架称为主链， 而氨基酸残基中

    基团统称为侧链。

    每条肽链都有两个末端， 即一个游离的 ! 末端 ( 端) 和一个游离的 ! )+

    末端 (( 端) 。因为体内多肽链合成时是从 端开始， 延长到 ( 端终止， 故在书写肽链中

    氨基酸残基的顺序时， 通常 端在左， ( 端在右。!

    一级结构是蛋白质分子的基本结构。有些蛋白质分子只由一条肽链构成， 有些蛋白

    质分子则由两条或多条肽链组成。! 肽键平面 肽键的键长介于 —% 单键和 % 双键之间， 所以肽键具有部分双

    键性质， 不能自由旋转， 因此使肽键中的 、 、 %、 ( 个原子和与它们相连的两个 ! !碳

    原子共处于同一平面上， 该平面称为肽键平面。在多肽链中， 由于氨基酸残基上 ! 碳原

    子两侧所形成的单键可以自由旋转， 从而决定了两个肽键平面的相对位置关系， 是形成主

    链各种构象的结构基础 (图! )) 。

    图! ) 肽键平面

    蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子多肽链中氨基酸的排列

    顺序。维持一级结构的化学键是肽键， 有些蛋白质尚含有二硫键。胰岛素是首先被确定

    一级结构的蛋白质。人胰岛素是由 +、 , 两条多肽链通过两个二硫键相连， + 链含 !) 个

    氨基酸残基， , 链含- 个氨基酸残基， + 链本身第. 及第)) 位两个半胱氨酸残基间还形

    成一个链内二硫键。人胰岛素的一级结构如下：

    + 链! %! !甘 异 缬)

    谷 谷

    %’

    !

    半! ! ! ! ! ! ! !

    0 0

    半 苏 丝 异)-

    半 丝 亮 酪 谷)

    %’

    !

    亮 谷 天

    %’

    !

    酪 半 天!)

    %’

    !! !’

    0

    0

    半 甘!-

    谷 酪 亮 缬 亮)

    亮 缬 谷 丙 组)-

    甘 丝 半

    0

    0

    亮 丝

    谷

    %’

    !

    天

    %’

    !

    缬 苯)

    ! ! ! % , 链

    精 甘 苯 苯!

    酪 苏 脯 赖 苏

    -! !’

    自然界种类繁多的蛋白质， 其一级结构各不相同。一级结构是蛋白质空间结构和特

    异生物学功能的基础。阐明蛋白质的一级结构， 对揭示某些疾病的发病机制和指导疾病

    治疗有着十分重要的意义。

    (二)蛋白质的空间结构

    蛋白质分子的多肽链并非以完全伸展的线状形式存在， 而是在其一级结构的基础上! !

    通过分子中若干单键的旋转而折叠、 盘曲成特定的三维空间结构， 又称为蛋白质的构象。

    由于蛋白质分子内各原子和基团在三维空间上的排列和分布不同， 因而形成各种不同的

    构象。蛋白质的理化性质和生物学活性主要取决于它特定的构象。

    蛋白质的构象包括主链构象和侧链构象。主链构象是指多肽主链骨架上各原子的排

    布及相互关系； 侧链构象是指各氨基酸残基 侧链基团中原子的排布及彼此关系。两者

    相互依赖、 相互影响。蛋白质的空间结构可分为以下几个层次：

    蛋白质的二级结构! 蛋白质的二级结构是指多肽链中主链原子在各局部区段的

    空间排布， 不包括它与其他肽段的关系及各 侧链的空间排布。在蛋白质分子中， 由于

    肽键平面之间相对旋转的角度不同， 构成了不同类型的二级结构。! 螺旋和 折叠是

    蛋白质二级结构的主要形式。此外， 还有 转角和无规卷曲等。

    图% %! ! 螺旋

    ! 螺旋! ! 螺旋是指多肽链中

    多个肽键平面通过氨基酸的 ! 碳原子旋

    转， 所形成的相互紧密盘曲的螺旋状结

    构。其特点是： ! 为右手螺旋结构； 螺

    旋每上升一圈包含 个氨基酸残基， 螺

    距为( ) +,； 螺旋结构依靠氢键维持

    稳定， 氢键方向与螺旋长轴基本平行；

    侧链伸向螺旋的外侧， 其形状、 大小

    及所带电荷量的多少， 均影响 ! 螺旋的

    形成及稳定 (图% %) 。

    (%) 折叠! 折叠是指两条以上

    肽链或肽段平行排布并以氢键相连所形

    成的结构。其特点是! 多肽链呈高度伸

    展状态， 各肽键平面之间依次折叠成锯齿

    状结构， 侧链交替地位于锯齿状结构的

    上下方； 两条以上肽链或一条肽链内若

    干肽段可平行排列通过氢键相连维持结

    构稳定， 氢键的方向与折叠的长轴垂直；

    若两条肽链走向相同， 均从 - 端到 .

    端， 称为顺平行折叠； 反之， 若两条肽链走向相反， 一条从 - 端到 . 端， 另一条从 . 端到 -

    端， 称为反平行折叠 (图% ) 。

    转角! 在球状蛋白质分子中， 肽链主链常常会出现 (0回折， 回折部分称为

    转角。

    ()无规卷曲! 无规卷曲是指没有确定规律性的部分肽链构象。!

    图! ! 折叠! 蛋白质的三级结构 三级结构是指每一条多肽链在二级结构的基础上， 进一步盘

    曲折叠形成的所有原子在三维空间的整体排布。三级结构中多肽链的盘曲方式由氨基酸

    残基的排列顺序决定。形成和稳定三级结构的因素， 是 % 侧链之间相互作用形成的各种

    次级键， 如疏水键 、 氢键 、 盐键 ( 、 范德华引力 及二硫键 () 等 (图! +) 。

    图! + 次级键! !

    三级结构的蛋白质分子比较紧密， 亲水基团大多分布在分子表面； 而疏水基团大多掩盖在

    分子内部。在球状蛋白质的分子表面可出现一个凹陷的洞穴， 常是蛋白质功能活性部位所在。

    由一条多肽链构成的蛋白质， 具有完整的三级结构就具有全部生物学功能 (图 ) 。

    图 ! 三级结构

    图 ! 四级结构

    % 蛋白质的四级结构! 有些蛋白质分子由两条或两条以上的多肽链组成， 其中每条具

    有独立三级结构的多肽链称为这类蛋白质的亚基。蛋

    白质的四级结构是指各亚基间以非共价键相互聚合， 所

    形成的特定三维空间构象。独立的亚基一般没有生物

    学功能， 只有构成完整四级结构的蛋白质才能表现出生

    物学功能。维持四级结构的作用力主要是疏水键， 也包

    括氢键、 盐键及范德华力等非共价键 (图 ) 。

    三、蛋白质的理化性质

    (一)蛋白质的两性解离

    蛋白质分子多肽链两端除分别有自由的 ! 氨基!

    和 ! 羧基外， ! 侧链上也有游离的极性基团， 如赖氨酸的氨基、 精氨酸的胍基、 组氨酸的

    咪唑基、 谷氨酸和天冬氨酸的羧基等。它们在一定的溶液 条件下都可解离成带正电

    荷或带负电荷的基团。当蛋白质溶液处于某一 时， 蛋白质分子解离成正、 负离子的趋

    势相等， 即净电荷为零， 蛋白质颗粒呈兼性离子状态， 此时溶液的 称为该蛋白质的等

    电点 。蛋白质溶液的 大于其 时， 酸性基团电离度增强， 该蛋白质颗粒带负电

    荷， 反之则带正电荷。

    蛋白质在低于或高于其等电点的 溶液中都带有电荷， 利用这一特性， 可通过电泳

    技术将混合蛋白质彼此分离。电泳是指带电粒子在电场中向相反电极移动的现象。带电

    粒子在电场中泳动的方向和速度取决于所带电荷的性质、 数目以及蛋白质颗粒的大小和

    形状。在同一电场强度下， 蛋白质颗粒所带净电荷多、 相对分子质量小、 分子形状为球形

    者， 泳动速度快， 反之则慢。由于各种蛋白质分子的等电点不同、 相对分子质量不同， 故在

    同一 条件下， 所带净电荷多少不同， 在电场中的泳动方向和速度也不同， 因此可将蛋

    白质混合液中各种蛋白质彼此分开。

    体内大多数蛋白质的等电点接近于 %， 在体液 ( ) 的环境下， 解离成阴离子。

    (二)蛋白质的胶体性质

    蛋白质是生物大分子， 相对分子质量介于 万 +’ 万之间， 其分子大小可达 +

    ’ ,-胶粒范围之内， 故可将蛋白质溶液看作胶体溶液。因蛋白质颗粒表面大多为亲水基

    团， 可吸引水分子， 形成颗粒表面水化膜， 从而将蛋白质颗粒彼此分隔； 此外， 在大于或小于

    等电点的 溶液中， 蛋白质颗粒表面可带有同种电荷而相互排斥， 防止了蛋白质颗粒聚

    沉。若去除上述两个稳定因素， 蛋白质极易从溶液中析出， 称为蛋白质的沉淀 (图. 。

    蛋白质分子不能透过半透膜。当蛋白质溶液中混有小分子杂质时， 可利用半透膜使

    蛋白质得以纯化， 该方法称为透析。人体的细胞膜、 线粒体膜和毛细血管壁都具有半透膜

    性质， 有助于各种蛋白质规律地分布在生物膜和血管壁的内外， 对维持水和电解质平衡具

    有重要意义。

    (三)沉淀蛋白质的方法

    常用的蛋白质沉淀方法有以下几种：

    盐析 在蛋白质溶液中加入大量的中性盐， 如硫酸铵、 硫酸钠和氯化钠等， 破坏蛋

    白质胶体的稳定性， 使蛋白质自溶液中析出， 称为盐析。盐析沉淀的蛋白质不变性。

    . 有机溶剂沉淀 有机溶剂如甲醇、 乙醇和丙酮等， 能破坏蛋白质颗粒表面水化膜，使蛋白质沉淀。若适当调节溶液的 和离子强度， 则可使分离效果更好。在常温下， 有

    机溶剂沉淀蛋白质往往引起其变性。

    0 生物碱试剂与某些酸沉淀 生物碱试剂如苦味酸、 钨酸、 鞣酸等以及某些酸如三

    氯乙酸、 磺柳酸等化合物的酸根， 可与蛋白质正离子结合成不溶性的盐沉淀。沉淀的条件

    是 1 。这些沉淀剂常引起蛋白质变性。! !

    图 ! 蛋白质沉淀

    % 重金属盐沉淀! 重金属离子如

    (

    、 ) (

    、 +’

    (

    、 ,- (

    等， 可与蛋白质负离子结合

    成不溶性蛋白盐沉淀。沉淀的条件是 .+ .0。这些沉淀剂也容易引起蛋白质变性。临

    床上抢救重金属盐中毒的病人时， 首先向病人胃内灌入含蛋白质的液体如牛奶、 蛋清等，以生成不溶性的蛋白盐， 然后再通过洗胃或用催吐剂将其排出体外。

    (四)蛋白质变性与复性

    图 1! 蛋白质的变性与复性

    蛋白质在某些理化因素的作用下， 其特定空间构象受到破坏， 从而导致其理化性质改

    变和生物学活性丧失， 称为蛋白质的变性。蛋白质变性主要发生二硫键和各种次级键的

    破坏， 不涉及一级结构的改变或肽键的断裂。变性蛋白

    质的特征是溶解度降低、 黏度增加、 易被蛋白酶水解及

    生物活性丧失。引起蛋白质变性的因素有高温、 高压、紫外线及乙醇等有机溶剂、 重金属离子及生物碱试剂

    等。在临床上， 上述变性因素可导致病原微生物的变性

    失活， 常被用来消毒及灭菌。而当制备或有效保存酶、疫苗及免疫血清等蛋白质制剂时， 应防止蛋白质变性。

    当蛋白质变性程度较轻， 去除变性因素后， 使蛋白

    质恢复或部分恢复其原有的构象和功能， 称为复性 (图

    1) 。但是许多蛋白质变性后， 空间构象严重破坏， 不

    可能复性， 称为不可逆性变性。

    (五)蛋白质的紫外吸收及呈色反应! ! 蛋白质的紫外吸收 蛋白质分子中的芳香族氨基酸残基 (如色氨酸及酪氨酸残

    基) 的侧链基团具有紫外吸收能力， 最大吸收峰在%( 处， 故测定%( 处的光吸收

    值可用于蛋白质含量的测定。

    蛋白质的呈色反应 蛋白质分子中的肽键及组成氨基酸中的各种特殊基团可以

    和某些试剂呈现一定的颜色反应， 这些反应常被用于蛋白质的定性、 定量分析。如双缩脲

    反应、 印三酮反应及 ),’ 酚试剂反应等。

    四、蛋白质的分类

    蛋白质可按不同方式进行分类。

    (一)按组成分类! 单纯蛋白质 分子组成中只含有氨基酸的蛋白质称为单纯蛋白质。如清蛋白、 球

    蛋白、 谷蛋白、 精蛋白及硬蛋白等。

    缀合蛋白质 由蛋白质部分和非蛋白质部分结合而成的蛋白质称为缀合蛋白质。

    被结合的非蛋白质部分称为辅基。缀合蛋白质又可按辅基的不同分为核蛋白、 糖蛋白、 脂

    蛋白、 磷蛋白、 金属蛋白及色蛋白等。

    (二)按形状分类! 球状蛋白质 分子盘曲成球形或椭圆形， 多数可溶于水， 具有特殊生理活性。如

    酶、 转运蛋白、 蛋白质类激素及免疫蛋白等。

    纤维状蛋白质 分子长轴比短轴长 ! 倍以上， 形似纤维， 较难溶于水， 多数为结

    构蛋白质。如结缔组织中的胶原蛋白、 弹性蛋白， 以及毛发、 指甲中的角蛋白等。

    (三)按功能分类! 功能活性蛋白质 如酶、 蛋白质类激素、 运输和储存蛋白质、 运动蛋白质和受体蛋

    白质等。

    结构蛋白质 如角蛋白、 胶原蛋白等。

    第二节! 核! ! 酸

    核酸 (’-.+,. 0.,1) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸分为

    两类， 一类为脱氧核糖核酸 (1234,5’-.+,. 0.,1， 678) ， 另一类为核糖核酸 (4,5’-.+,.

    0.,1， 978) 。678 存在于细胞核的染色质中和线粒体内， 主要功能是作为遗传的物质基

    础， 携带遗传信息， 决定细胞和个体的基因型。978 存在于细胞质和细胞核内， 主要功能

    是参与细胞内 678 遗传信息的表达及蛋白质生物合成。678 分子上有遗传效应的片段

    称为基因， 一个生物体的全部基因称为基因组。! !

    一、核酸的化学组成

    (一)核酸的元素组成

    组成核酸分子的主要元素有 、 、 、 % 和 等， 其中含 量比较恒定， 约为

    ( ) (。

    (二)核酸的基本组成单位— — —核苷酸

    核酸在核酸酶的作用下水解为核苷酸 (,-.012340) ， 后者经完全水解生成戊糖、 碱基

    和磷酸。因此， 核酸的基本组成单位是核苷酸。

    核酸 ( 核苷酸 (! !

    磷酸! !核苷 (

    戊糖 (核糖或脱氧核糖 ! !

    )

    碱基 (嘌呤碱或嘧啶碱 ! ! )

    5 戊糖! 核苷酸中所含戊糖均为! 6 型。6%7 含6 8 脱氧核糖， 9%7 含6 核

    糖。为区别于碱基中的碳原子编号， 戊糖上碳原子的编号加 “ : ” 表示。核糖与脱氧核糖

    的结构式如下：

    85 碱基! 核酸分子中的碱基有嘌呤碱和嘧啶碱两类。嘌呤碱主要有腺嘌呤 (7) 和

    鸟嘌呤 (;) 8 种； 嘧啶碱主要有胞嘧啶 、 尿嘧啶 (<) 和胸腺嘧啶 (=) > 种。6%7 水解得

    到 7、 ;、 、 =； 9%7 水解得到 7、 ;、 、 <， 各种碱基结构式如下：! ! 核苷 碱基与戊糖缩合后的生成物称为核苷。核苷分子中戊糖的 %与嘧啶

    %或与嘌呤 ( 以糖苷键相连。常以碱基第一个字母表示含相应碱基的核苷， 前面

    加 ) 表示含相应碱基的脱氧核苷， 以下是部分核苷的结构式：

    核苷酸 核苷酸是指核苷分子中戊糖的羟基与磷酸通过磷酯键相连生成的化合

    物。核糖核苷的戊糖在+、 !和,位上有! 个自由羟基， 能和磷酸缩合形成+、 !和, 核

    苷酸。脱氧核糖核苷的戊糖只在!、 ,位上有 + 个自由羟基， 只能和磷酸缩合形成 ! 和

    , 脱氧核苷酸。作为核酸基本单位的是, 核苷酸， 简称核苷酸， 其结构式如下：! !

    与 % 的碱基、 核苷及核苷酸组成 (表 ) 。

    表! ! % 与 % 碱基、 核苷及核苷酸组成

    碱基 核苷 核苷酸

    腺嘌呤 腺苷 腺苷酸 (’

    鸟嘌呤 鸟苷 ) 鸟苷酸

    胞嘧啶 () 胞苷 () 胞苷酸 (’

    尿嘧啶 (+) 尿苷 (+) 尿苷酸 (+’

    % 碱基 核苷 核苷酸

    腺嘌呤 脱氧腺苷 (,) 脱氧腺苷酸 (,’

    鸟嘌呤 脱氧鸟苷 (,)) 脱氧鸟苷酸 (,)’

    胞嘧啶 () 脱氧胞苷 (,) 脱氧胞苷酸 (,’

    胸腺嘧啶 (-) 脱氧胸苷 (,-) 脱氧胸苷酸 (,-’!!

    (三)体内重要的游离核苷酸! 多磷酸核苷酸 含有! 个磷酸的核苷酸称为核苷一磷酸 (%) 。含有’ 个磷酸

    的核苷酸称为核苷二磷酸 ( 。含有 ) 个磷酸的核苷酸称为核苷三磷酸 () 。例

    如， 腺苷一磷酸 (+%) 、 腺苷二磷酸 (+ 和腺苷三磷酸 (+) 。脱氧核苷酸需在英文

    缩写前面加个 “,” 以示区别。如 ,+%、 ,+(、 ,+。多磷酸核苷酸的结构式如下：

    多种 和 , 都是高能磷酸化合物， 是合成 (+ 和 -+ 的前体， 核苷三磷酸在

    多种物质的合成中， 起活化或供能作用， 尤其是腺苷三磷酸， 在细胞的能量代谢中意义十

    分重要。

    环化核苷酸 . 核苷酸的磷酸基与核糖 0 )上的羟基缩合成酯键， 形成)， .

    环化腺苷酸 (1+%) 和)， . 环化鸟苷酸 (12%) ， 它们作为激素作用的第二信使， 在信! !

    息传递中发挥重要生理作用。

    二、核酸的分子结构

    (一)核酸的一级结构

    核酸是由许多单核苷酸分子之间通过、 磷酸二酯键相互连接的多核苷酸链。即

    % 个核苷酸戊糖 上的羟基与另% 个核苷酸戊糖 上的磷酸以酯键相连。后一核

    苷酸分子戊糖中 上的羟基再与第 个核苷酸戊糖上 磷酸以酯键相连。如此

    通过核酸分子中相同的戊糖及磷酸借， 磷酸二酯键反复交替连接而形成多聚核苷酸

    链， 构成核酸的骨架结构。而’ 种不同碱基则伸展于骨架一侧。碱基排列顺序即代表核

    苷酸排列顺序， 称为核酸的一级结构。以下为核酸一级结构的片段及其简化式：

    核苷酸的连接具有严格的方向性， 由前一核苷酸的 与下一位核苷酸的位磷!

    酸间形成!， 磷酸二酯键， 从而构成一个没有分支的线性大分子。在多聚核苷酸链中

    一端为未形成磷酸二酯键的 磷酸基， 称末端； 另一端为未被酯化的戊糖的! %，称!末端。习惯上将 磷酸基端写在左边， 将 ! % 端写在右边， 即按 (!方向

    书写。

    核酸的一级结构也可用简式表示， 如 、、 (、 ) 代表不同的碱基， 竖线代表戊糖， 和

    斜线代表!， 磷酸二酯键。也可写成)’(……或) ( ……或)’(……

    形式。各种简化式的读向是从左到右， 所表示的碱基序列是从到!。这几种缩写形式

    对 +, 也适用。

    (二)! 的空间结构

    -, 是由许多脱氧单核苷酸组成的线形双螺旋大分子， 生物的各种遗传信息均蕴藏

    于它们的碱基序列中。

    . -, 的二级结构0 .1! 年 234567 和89:; 提出了 -, 双螺旋结构模型

    (图< 1) 。该模型的要点如下：

    图< 10 -, 双螺旋

    (.)-, 分子由两条相互平行但走向相反 (一条链为(!方向， 另一条链为!(

    方向) 的多聚脱氧核苷酸链组成， 两条链围绕同一中心轴以右手螺旋方式盘绕成双螺旋

    结构。双螺旋表面形成大沟和小沟， 大沟是蛋白质识别 -, 的碱基序列并发生相互作用! !

    的结构基础。

    在 % 双链结构中， 两条主链位于螺旋的外侧， 碱基位于螺旋内侧， 两条链间存

    在 % 与 和 与 ( 之间严格的碱基配对关系 (%—，— ， % 与 之间形成 个氢键，’ 与 ( 之间形成) 个氢键。每一碱基对的两个碱基彼此互补， 称为互补碱基， 同一 %

    分子的两条脱氧多核苷酸链称互补链。

    )螺旋每旋转一周包含有 个碱基对， 每个碱基对的两个碱基共处同一平面， 各

    碱基平面垂直于螺旋纵轴， 螺旋直径为 ,-， 螺距为 ). ,-， 相邻碱基间的堆积距离为

    +. ) ,-。

    ()% 双螺旋结构稳定的主要因素是碱基平面间纵向的碱基堆积力和碱基对之

    间的氢键。

    . % 的三级结构! % 的三级结构是指双螺旋进一步盘曲所形成的构象。它可

    以在一定条件下进一步扭曲成超螺旋， 这是 % 三级结构中的一种常见形式。其主要意

    义是有规律地压缩分子体积， 减少所占空间， 使 % 以非常致密的形式存在于细胞核内。

    在真核生物细胞核内， % 与组蛋白共同构成核小体。组蛋白 0 %、 0 1、 0) 和 0

    各两分子组成核小体的核心， 称为组蛋白八聚体。% 双螺旋分子缠绕在这一核心上构

    成了核小体核心颗粒。核心颗粒之间再由% 和组蛋白0 构成的连接区连接形成串珠

    状结构。这种串珠状核小体再进一步卷曲折叠， 最后形成棒状染色单体， 分子长度压缩近

    万倍 (图 ) 。

    图 ! 环状 % 的超螺旋及核小体结构

    (三)! 的分子结构! ! 是由 %、 %、%、 (% 等) 种核苷酸以， ,+ 磷酸二酯键连接而成的多聚

    核苷酸链。在有些 ! 分子中， 尚含有少量的稀有碱基。! 的一级结构是指 ! 链

    中核苷酸的排列顺序。! 分子比 - 分子小得多， 由十几个至数千个核苷酸组成， 主

    要是以单链形式存在。但 ! 的多核苷酸链可以回折， 在局部区域盘曲形成双链螺旋，双链内相对应的碱基可以形成氢键相互配对 ( 与 (， 与) ， 一些没有配对关系的碱基

    则膨出成环， 构成 ! 的二级结构或三级结构。! 依其结构和功能的不同可分为以下 种：

    . 信使 ! (0!) 的分子结构1 0! 在细胞内含量最少， 约占 ! 总量的

    2。其功能是从 - 转录遗传信息， 并作为遗传信使指导蛋白质的生物合成， 是蛋白质

    合成的直接模板。真核细胞的成熟的 0! 包括编码区和非编码区， 它的结构特点如

    下： ! 绝大多数 0! 分子在,+端接上. 个3 甲基鸟嘌呤核苷三磷酸， 同时在原始转录

    产物的第.、 4 个核苷酸残基的4+羟基上也可甲基化， 这种结构被称为帽子结构； 0!

    分子在端有多聚腺苷酸 (多聚 ) ， 称为多聚 尾。一般由数十个至一百几十个腺苷酸

    组成； 各种 0! 的二级结构没有共同的形态和规律。

    4 转运 ! (5!) 的分子结构1 5! 的相对分子质量最小， 已知的 5! 都由

    36 7 86 个核苷酸组成。其功能是作为载体把各种氨基酸转运到核蛋白体上， 参与蛋白质

    的生物合成过程。其结构特点如下：

    (.)5! 一级结构的特点： ! 含有较多的稀有碱基， 如双氢尿嘧啶 (-9 、 假尿嘧

    啶 和次黄嘌呤 (:) 等； 分子,+端多为 ;， 端均有’—<9， 5! 所转运的氨基

    酸就连接在此末端上。

    (4)5! 二级结构的特点： 含有) 个局部互补配对的螺旋区、 个环及. 个附加叉，呈三叶草形 (图4 ..) 。两环根据其含有的稀有碱基， 分别称为 - 环和 =’ 环， 位于下

    方的环称为反密码环。反密码环中间的 个碱基称为反密码子， 不同的 5! 有不同的

    反密码子， 它是识别 0! 密码的关键结构， 可与 0! 上相应的三联体密码子碱基互

    补， 使氨基酸在密码的指导下， 正确地定位在合成的肽链上。

    ()5! 三级结构的特点： 均呈倒立的 “>” 形。其中一端是含—’’—<9 的端，另一端为反密码环。- 环和 =’ 环构成 > 型结构的拐角 (图4 .4) 。

    核蛋白体 ! (?!) 的分子结构1 ?! 在细胞内含量最多， 约占 ! 总量的

    @62， 与多种蛋白质共同构成核蛋白体， 其功能是作为细胞内蛋白质生物合成的场所。

    核蛋白体由大小两个亚基组成， 真核细胞核蛋白体小亚基由.@A ?! 和6 多种蛋

    白质构成； 大亚基由,A、 , @A 和4@A 种 ?! 及近,6 种蛋白质构成。目前， 各种 ?!

    的碱基序列测定均已完成， 并据此推测出其二级结构。! !

    图 ! %’ 的二级结构 图 ! %’ 三级结构

    三、核酸的理化性质

    (一)核酸的一般性质

    核酸分子中含有酸性的磷酸基及碱基上的碱性基团， 故为两性电解质。因其磷酸的

    酸性较强， 故具有较强的酸性。在中性或偏碱性的 溶液中常带有负电荷， 在外加电场

    力作用下向阳极泳动， 利用核酸这一性质可将相对分子质量大小不同的核酸分离。

    是线性高分子， 其长度与直径之比可达+,， 溶液中黏度极大， 提取时易发生断

    裂。%’ 远比 分子小， 黏度也小得多。

    由于核酸分子中所含碱基都有共轭双键， 使核酸分子对紫外线有强烈的吸收作用， 其

    最大吸收峰在-+ . 波长处。利用这一特性， 可以对核酸进行定性定量分析。

    (二)! 的变性、 复性与杂交

    0 的变性! 的变性是指 分子在某些理化因素作用下， 使互补碱基对

    间的氢键断裂， 双螺旋结构松散解开成单链的过程。在变性过程中， 磷酸二酯键不被破

    坏。能引起核酸变性的因素有加热、 酸、 碱、 乙醇、 丙酮、 尿素和甲酰胺等。核酸变性后， 由

    于双螺旋内部的碱基暴露， 使其对-+ . 紫外光吸收值增加。加热引起的 变性称

    为热变性。如 受热变性时， 在-+ . 波长处吸收值增加， 并与解链程度呈一定比例!

    关系， 称为增色效应。如果在连续加热 ! 的过程中以温度对波长 %( 吸光值的关

    系作图， 所得到的曲线称为解链曲线 (图 )) 。

    图 ) ! 解链曲线

    从曲线可以看出， ! 的热变性是爆发式的， 只在一个相当狭窄的温度范围内发生。

    通常将紫外吸收值达到最大吸收值的 ,-时的温度称为 ! 的解链温度或溶解温度

    (! 。在 !( 时， ! 分子,-的双链被解开。特定 ! 分子 !( 值的高低与其所含碱

    基中的 . 0 比例相关。因为 . 与 0 比 与 1 多一个氢键， 所以 . 0 配对连接能量高

    于 1 配对， 因此 . 0 比例越高， !( 值越高。

    2 ! 的复性+ ! 的热变性是可逆的。当 ! 热变性后， 温度再缓慢下降， 可

    使两条彼此分离的互补链重新缔合而形成双螺旋结构。这个过程称为复性或退火。复性

    后的 ! 可基本恢复其原有的理化性质及生物学活性。! 热变性后， 将其迅速冷却

    至34以下， 则几乎不可能发生复性。实验证实， 最适宜的复性温度是比 !( 约低,4。

    2 核酸分子的杂交+ 如果将不同来源的! 或! 与5 变性以后混合在一起，只要这些核酸分子含有互补碱基对的序列， 复性也会发生在它们之间， 形成不同来源的! 单链与! 单链或! 单链与5 单链之间的杂交双链， 这个过程称为分子杂交

    (图 )3) 。这一原理可以用来研究 ! 分子中某一种基因的位置， 两种核酸间的相似

    性即同源性， 也可以用于检测某些专一序列在待测样品中存在与否等。! !

    图 ! 核酸变性、 复性与杂交

    第三节! 酶

    体内各种物质代谢反应能在体内温和的条件下迅速有序地进行， 是因为体内存在着

    一些特殊的生物催化剂— — —酶 (%’%) 。酶是由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质。

    年， ,%-. 发现个别核酸也具有特异催化活性， 称为核酶 (012’%) ， 它们参与部分

    345 的剪接过程。正是由于酶的催化作用， 才使得机体处于不断的新陈代谢中。

    体内由酶催化的反应称为酶促反应。在酶促反应中被酶催化的物质称为底物， 生成

    的物质称为产物。酶催化化学反应的能力称为酶的 “活性” 。

    一、酶的分子组成及结构

    (一)酶的分子组成

    以蛋白质为化学本质的酶分子， 按其分子组成可分为单纯酶和结合酶两类。

    6 单纯酶! 仅以氨基酸构成的酶称为单纯酶。

    6 结合酶! 由蛋白质部分和非蛋白质部分组成的酶称为结合酶。其中蛋白质部分

    称为酶蛋白， 非蛋白质部分称为辅因子， 两者结合形成的复合物称为全酶。酶蛋白和辅因

    子单独存在均无活性， 只有全酶才有活性。酶蛋白决定酶作用的对象 (特异性) ， 而辅因

    子则决定酶促反应的类型。结合酶的辅因子有两类： 一类是金属离子， 另一类是小分子有

    机化合物。

    金属离子是最多见的辅因子， 常见的有7 8

    、 49

    8

    、 :;

    8

    、 ,< 8

    = ,< 8

    、 > 8

    和?%

    8

    = ?%

    @ 8

    等。金属离子在多种酶中有以下作用： 作为活性中心基团， 参与催化反应、 传递电子； 或作

    为酶与底物之间的桥梁， 便于酶对底物的催化； 或为稳定酶的构象所必需； 或中和阴离子，!

    降低反应中的静电斥力。

    小分子有机化合物多是 ! 族维生素的衍生物， 主要作用是在反应中传递电子、 质子

    或一些基团。这些辅因子也可分为两类： 通常将与酶蛋白结合疏松， 可用透析、 超滤等方

    法分离者称为辅酶； 而与酶蛋白结合牢固， 不能用透析、 超滤等方法分离者称为辅基。有

    时也将二者统称为辅酶。维生素与辅酶的关系及传递的基团 (表 ) 。

    表! 维生素与辅酶的关系及传递的基团

    维生素 辅酶或辅基 (维生素的活性形式) 转移的基团

    尼克酰胺 %

    (尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸， 辅酶!) 氢原子 (质子)

    %(

    (尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸， 辅酶) 氢原子 (质子)

    维生素 ! ) (黄素单核苷酸) 氢原子)% (黄素腺嘌呤二核苷酸) 氢原子

    维生素 !+ ,(( (焦磷酸硫胺素) 醛基

    泛酸 -.% (辅酶 %) 酰基

    硫辛酸 硫辛酸 酰基

    维生素 !+ 钴胺素辅酶类 烷基

    生物素 生物素 二氧化碳

    吡哆醛 磷酸吡哆醛 氨基

    叶酸 四氢叶酸 0) 一碳单位

    一般来说， 促进裂解反应或水解反应的酶类， 都是单纯酶。多数促进氧化还原反应、基团转移反应、 分子异构反应和连接反应的酶类多属结合酶。

    (二)酶的分子结构

    +1 酶的活性中心2 酶分子中少数与酶的活性密切相关的化学基团称为酶的必需基

    团。由必需基团组成具有特定空间构象， 能与底物特异地结合并能将底物转化为产物的

    区域称为酶的活性中心。对结合酶来说， 辅酶或辅基是酶活性中心的组成部分。

    酶活性中心内的必需基团有两种： 参与酶与底物结合的称结合基团； 能影响底物中的

    某些化学键的稳定性， 催化底物反应并将其转变为产物的称催化基团。活性中心内也有

    些必需基团可同时具有这两方面的功能。常见的构成酶活性中心的必需基团有组氨酸残

    基的咪唑基、 丝氨酸残基的羟基和半胱氨酸残基的巯基等。还有一些必需基团虽然不参

    加活性中心的组成， 但对维持活性中心的构象有重要作用， 称为活性中心外必需基团 (图

    +3) 。

    1 酶原与酶原的激活2 机体内有些酶在刚合成或初分泌时只是酶的无活性前体， 称! !

    图 ! 酶的活性中心

    为酶原。由酶原转变成活性酶的过程称为酶原的激活。酶原的激活实际上是酶活性中心

    的形成或暴露的过程。例如， 胰蛋白酶原进入小肠后， 在 %

    存在下被肠激酶激活， 从 (

    端水解下一个六肽， 促使肽链的构象发生改变， 形成酶的活性中心， 从而成为有催化活性

    的胰蛋白酶。该酶一方面促进胰蛋白酶原自身激活， 另一方面又促进胰凝乳蛋白酶原、 羧

    基肽酶原和弹性蛋白酶原的激活， 从而加速对食物的消化过程 (图 )) 。

    图 )! 酶原与酶原激活!

    酶原及酶原的激活具有重要的生理意义。如胰腺以酶原的形式合成并分泌多种消化

    管蛋白质水解酶类， 既可避免胰腺组织被蛋白酶水解损伤， 又可保证酶在消化管发挥最大

    催化作用， 水解食物蛋白质。又如当血管破损时， 少数凝血酶原被激活后， 便可通过瀑布

    式级联放大效应迅速使大量凝血酶原激活为凝血酶， 引发快速而有效的凝血反应， 防止继

    续出血。! 同工酶 同工酶是指催化相同的化学反应， 但酶蛋白分子结构、 理化性质及免疫

    学性质均不同的一组酶。同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不

    同亚细胞结构中。目前已发现一百余种酶类有同工酶， 其中人们了解最早的是乳酸脱氢

    酶 (%) 同工酶。该酶是四聚体， 由骨骼肌型 (’ 型) 和心肌型 ( 型) 两种亚基组成。这

    两种亚基以不同的比例组成 ( 种同工酶： %) ( ) 、 %+ (!’) 、 %! (+’+ ) 、 %

    (’!)和 %( (’) 。该组同工酶在电泳时， 向正极泳动的速度依次递减。% 同工酶

    在不同组织中的含量与分布比例不同， 从而形成各组织特有的同工酶谱。

    尽管同工酶都催化同一化学反应， 但对底物乳酸和丙酮酸表现出不同的 !, 值， 故具

    有不同的亲和力。%) 倾向与乳酸结合， 其主要作用是使乳酸脱氢生成丙酮酸， 心肌中

    %) 含量最高， 有利于心肌利用乳酸氧化供能。%( 倾向与丙酮酸结合， 其主要作用

    是使丙酮酸还原成乳酸。骨骼肌主要含%(， 有利于骨骼肌中糖原酵解的中间产物丙酮

    酸还原为乳酸。

    基于各种组织 % 同工酶分布的百分比不同， 某一组织发生病变时， 细胞膜通透性

    增强， 使血液中相应的 % 同工酶活性增高， 这将有助于疾病的诊断。如心肌梗塞时，%) 大于 %+； 肝脏损害时， %( 明显增高。

    二、酶作用的特点与作用机制

    (一)酶作用的特点) 极高的催化效率 在常温条件下， 酶的催化效率通常比非催化反应高)-.

    )-+-

    倍

    以上， 比一般催化剂高)-0

    )-)!

    倍， 如过氧化氢酶催化水解 + 1+ 的速度比 23

    + 4

    催化高5

    6 )-(

    倍左右。

    + 高度的特异性 酶对其所催化的底物具有较严格的选择性。一种酶仅作用于某

    一种或某一类化合物， 催化一定的化学反应， 生成一定的产物， 该特性称为酶的特异性或

    专一性。根据酶对其底物选择的严格程度， 可分为以下! 类：

    )绝对特异性： 此类酶只能作用于一种特定结构的底物， 进行一种专一的反应， 生

    成一种特定结构的产物。这种特异性称为绝对特异性。如脲酶仅能催化尿素水解为 71+

    和 8!， 而不能水解甲基尿素。

    (+)相对特异性： 有些酶可作用于具有特定化学键的一类化合物， 这种不太严格的选

    择性称为相对特异性。如脂肪酶不仅能水解脂肪， 也能水解简单脂肪酸生成的酯键。!! !

    立体异构特异性： 某些酶对底物的立体构型有特殊要求， 称为立体异构特异性。

    如乳酸脱氢酶仅催化 乳酸脱氢， 而不作用于 乳酸。

    % 酶促反应的可调节性! 酶促反应不断受到多种因素的调控， 以适应机体内外环境

    的变化， 维持正常的生命活动。体内有许多机制可以改变酶的催化活性， 这些调节机制是

    酶在长期进化过程中形成的。

    (二)酶的作用机制

    % 降低反应活化能! 酶和一般催化剂加速化学反应的机制都是降低反应所需的活

    图’ (! 酶促与非酶促反应

    化能。在一个反应体系中， 底物分子含能量

    各不相同， 平均能量水平较低。在分子相互

    碰撞的一瞬间， 只有那些含能量较高， 达到

    或超过一定能量水平的底物分子 (称为活

    化分子) 才能发生化学反应。活化分子高

    出底物平均水平的能量称为反应活化能。

    活化分子愈多， 反应速度愈快。酶通过其特

    有的作用机制， 比一般催化剂能更有效地降

    低反应所需的活化能， 使底物分子只需吸收

    较少能量即可转变为活化分子， 极大地增加

    酶促反应速度 (图’ 。

    % 酶 底物复合物的形成与诱导契合

    假说! 酶促反应时， 酶 与底物 () 先结

    合形成酶 底物复合物 ) ， 后者迅速分

    解， 生成产物 (+) 并释放出酶， 称为中间产

    物学说。这一反应方式只需很少的活化能即可进行， 从而加快酶促反应速度。) , ( ! ! ) ) , +

    酶与底物结合形成 ) 复合物， 是由于酶与底物相互接近时， 其结构相互诱导、 相互

    变形和相互适应，最后相互结合。这一过程称为酶 底物结合的诱导契合假

    说 (图’ -) 。

    % 其他! 关于酶的作用机制还有邻近效应与定向排列、 多元催化以及表面效应等多

    种学说。

    三、影响酶促反应速度的因素

    酶作为生物催化剂， 某些环境因素的改变可影响酶促反应速度。这些因素包括酶浓

    度、 底物浓度、 .、 温度、 抑制剂和激活剂等。!

    图! 酶与底物结合的诱导契合

    (一)底物浓度对反应速度的影响

    在其他因素不变的情况下， 底物浓度 [%] 的变化对反应速度 ! 的影响如图 ! 所

    图! 底物浓度对酶促反应的影响

    示。当底物浓度较低时， 反应速度随底物浓

    度的增加以正比关系急骤增加。随着底物浓

    度的进一步增高， 反应速度的增加趋缓。继

    续加大底物浓度达到某一数值后， 反应速度

    达到最大值， 称为最大反应速度 (’。此

    时酶的活性中心已被底物饱和， 反应速度不

    再增加。

    米 曼氏方程式 根据中间产物学

    说， +, -.0(12.3 和 -, -14514 提出了反应速

    度与底物浓度关系的数学表达式， 即米 曼氏

    方程式， 简称米氏方程。! 6

    [%]

    7 [%]

    式中为最大反应速度， [%] 为底物浓度， 为米氏常数， ! 为反应速度。! 值的意义 值是酶学研究的重要常数， 意义如下：

    值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度：

    !

    6

    7 [%]

    进一步整理得 6 [%] 。

    值可用来表示酶对底物的亲和力： 值愈大， 表示酶与底物的亲和力愈小；’! !

    值愈小， 酶与底物的亲和力愈大， 表明不需要很高的底物浓度便可达到最大反应速度。

    ! 值是酶的特征性常数：! 值只与酶的结构、 酶所催化的底物和反应环境有

    关， 与酶的浓度无关。同一种酶对不同的底物或不同的酶对同一种底物其 ! 值不同。

    大多数酶的 ! 值在%

    ( % )

    , - 之间。

    (二)酶浓度对反应速度的影响

    图) )%! 酶浓度对反应速度的影响

    在酶促反应系统中， 当底物浓度远远大于酶

    的浓度， 使酶被底物饱和时， 反应速度与酶浓度成

    正比关系 (图) )%) 。

    (三)温度对反应速度的影响

    酶是催化剂， 又是蛋白质， 温度对酶促反应速

    度具有两方面的影响： 一方面酶促反应速度随温度

    的升高而加快， 这是因为温度升高可加快分子热运

    动的速度， 从而增加分子间的碰撞机会； 另一方面，温度升高也会加速酶蛋白的变性， 而使酶促反应速

    图) )! 温度对酶促反应速度的影响

    度降低。大多数酶在温度升高到’%.以上时开始

    变性， 一般温度达%.时， 多数酶的变性已不可逆。综合上述两方面的影响， 酶在一定温度

    范围内反应速度最快。酶促反应速度最快时的环境温度称为酶的最适温度 (人体内酶的最

    适温度为0.) 。当环境温度低于最适温度时， 升高温度， 可加快酶促反应速度。温度每升

    高%.， 反应速度可加大 ( ) 倍。温度

    高于最适温度时， 反应速度则因酶蛋白变

    性而降低 (图) )) 。

    酶的最适温度不是酶的特征性常

    数， 它与酶促反应进行的时间有关。酶

    可以在短暂时间内耐受较高温度。如延

    长反应时间， 酶的最适温度会降低。低

    温时酶活性虽降低， 但酶蛋白没有变性，温度升高时酶又可恢复活性， 故保存菌

    种和酶制剂需低温条件。临床上低温麻

    醉也是利用酶的这一性质以减慢组织细

    胞的代谢速度。测定酶活性时常控制反

    应体系在最适温度。

    (四)! 对酶促反应速度的影响

    在不同的 12 条件下， 酶分子中肽

    链残基上极性基团解离状态及所带电荷!

    的种类和数量各不相同。同时， ! 也影响底物分子和辅酶分子中的可解离基团的解离状

    态， 酶活性中心以及底物分子和辅酶分子中的可解离基团往往在某一解离状态时才最有

    利于酶与底物的结合， 并发挥最大的催化活性。酶发挥最大的催化活性时的溶液 ! 称

    为酶的最适 !。不同的酶最适 ! 不同， 动物体内多数酶的最适 ! 接近中性。! 的改变可影响酶的催化活性 (图 ) 。溶液的 ! 高于或低于最适 ! 时， 酶

    的活性降低， 远离最适 !， 甚至会导致酶的变性失活。在测定酶活性时， 应选用适宜 !

    的缓冲液以保持酶活性的相对稳定。

    图 ! 对酶促反应速度的影响

    (五)激活剂对酶促反应速度的影响

    凡能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质统称为酶的激活剂。激活剂大

    多为金属离子， 如%

    、 (

    和%)

    等； 少数为阴离子或有机化合物， 如

    ,、 胆汁酸盐等。

    其中使酶由无活性变为有活性的激活剂称为必需激活剂。各种金属离子属此类激活剂。

    例如 %

    就是激酶的必需激活剂。能使酶的活性增加者称为非必需激活剂。少数阴离

    子及某些有机化合物属此类激活剂。例如，

    ,可增强唾液淀粉酶的活性。

    激活剂的作用是能与酶、 底物或酶 底物复合物结合参加反应， 或参与酶活性中心的

    构成， 加快酶促反应的速度。

    (六)抑制剂对酶促反应速度的影响

    凡能使酶的活性下降或使酶的活性消失而不引起酶蛋白变性的物质， 统称为酶的抑

    制剂。抑制剂可与酶的活性中心内、 外必需基团结合， 而抑制酶的活性。除去抑制剂可使

    酶的活性恢复。酶的抑制作用通常分为可逆性抑制和不可逆性抑制两种。

    -. 不可逆性抑制作用 抑制剂以共价键与酶活性中心中的必需基团结合， 使酶失

    活， 且不能用透析、 超滤等方法去除抑制剂， 使酶恢复活性， 称为不可逆抑制作用。有机磷

    化合物 (如农药敌百虫、 敌敌畏和 -01 等) 能特异地通过共价键与胆碱酯酶活性中心丝

    氨酸残基上的羟基进行不可逆的结合， 使酶磷酸化而失活。这些具有专一作用的抑制剂! !

    常被称为专一性抑制剂。

    %

    ( ! ! ! ( )

    %

    (!

    有机磷! !

    羟基酶

    (有活性) !

    磷酰化的羟基酶! ! (失活) !

    酸

    重金属离子如 (+

    ,

    、 -+

    、 -.

    等可与酶分子中的巯基进行共价结合， 使酶失活。由

    于这些抑制剂所结合的巯基不局限于必需基团， 所以此类抑制剂又称为非专一性抑制剂。

    如化学毒气路易士气是一种含砷的化合物， 它能抑制体内的巯基酶， 使人畜中毒。

    -.

    01

    01! ! 0( 0(01

    2(

    ( ! ! !

    2(

    2

    2! ! -. 0( 0(01 ,(01! ! ! ! ! ! 路易士气! ! ! ! ! ! ! 巯基酶! ! ! 失活的酶! ! ! ! ! ! ! ! ! 酸

    二巯基丙醇可解除重金属盐引起的巯基酶中毒， 二巯基丙醇含两个巯基， 在体内达到

    一定浓度后， 可与毒剂结合， 使被抑制的酶释放， 恢复酶活性。

    ,3 可逆性抑制! 抑制剂以非共价键与酶结合， 不同程度地抑制酶活性， 能用透析、 超

    滤等方法去除抑制剂， 使酶恢复活性， 称为可逆性抑制。可逆抑制又分为竞争性抑制、 非

    竞争性抑制和反竞争性抑制三种情况。

    (4)竞争性抑制： 这类抑制剂的结构与底物结构相似， 可与底物竞争酶的活性中心，形成不能生成正常产物的酶 抑制剂复合物 (5) ， 阻碍酶与底物结合成 2 复合物， 从而

    抑制酶的活性， 称为竞争性抑制作用。由于抑制剂与酶的结合是可逆的， 抑制程度则取决

    于抑制剂与酶的相对亲和力和与底物浓度的相对比例。抑制剂与酶的亲和力愈高， 或对

    酶的竞争性结合愈强， 抑制程度愈高。而增加底物浓度， 则可使抑制作用减弱以至消除。

    竞争性抑制有如下反应过程：

    2 ( ! ! 2

    5

    5

    式中 5 为抑制剂。

    从上式可见， [5] 增加时， 引起的平衡移动使 5 增加， 2 减少， 但 5 不能生成产物，导致酶促反应速度降低。但 [2] 增加引起的平衡移动使 2 增加， 5 减少。当 [2] 足够高!

    时能够减弱甚至解除抑制剂的抑制作用， 酶促反应速度仍然可以达到 !!， 但 ! 相应

    提高。

    磺胺类药物属于酶的竞争性抑制剂， 可抑制四氢叶酸的合成酶类， 达到抑菌目的。这

    是因为细菌的生长繁殖有赖于核苷酸及核酸的合成， 核苷酸合成过程中的辅酶之一四氢

    叶酸是由二氢叶酸还原而成。细菌不能直接利用环境中的叶酸， 而是在菌体内二氢叶酸

    合成酶的催化下， 以对氨基苯甲酸等为底物合成二氢叶酸。磺胺类药物的化学结构与对

    氨基苯甲酸相似， 能作为二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂， 抑制二氢叶酸的合成， 使细菌

    合成核苷酸及核酸障碍， 从而影响其生长繁殖。人类能直接利用食物中的叶酸， 所以核苷

    酸与核酸的合成不受磺胺类药物的干扰。根据竞争性抑制作用的特点， 服用磺胺类药物

    时必须保持血液中药物的高浓度， 以发挥其有效的竞争性抑菌作用

    ! ! 。

    % ! ! (% ! ! ! ! ! ! ) +(( ! ! %

    磺胺类药物 对氨基苯甲酸

    许多属于抗代谢物的抗癌药物， 几乎都属于酶的竞争性抑制剂。如甲氨蝶呤抑制四

    氢叶酸的合成， , 氟尿嘧啶抑制脱氧核苷酸的合成， - 巯基嘌呤抑制嘌呤核苷酸的合成。

    它们都有抗肿瘤生长的作用。

    (%)非竞争性抑制： 有些抑制剂可与酶活性中心外的必需基团可逆地结合， 不影响酶

    与底物的亲和力， 酶与底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合， 因此二者无竞争关系， 但

    酶 底物 抑制剂复合物 (.’) 不能进一步释放出产物， 因而抑制酶的活性。这种抑制作

    用称为非竞争性抑制作用。反应过程如下：

    . 0

    0

    . 0

    .’

    0

    .’

    ( ! ! . 0 1

    从上式可见， [] 增加时， 引起的平衡移动朝向生成 . 和 .’ 的方向进行， 使反应体

    系中的 [.] 和 [.’] 下降。但 [’] 增加时， 引起的平衡移动使在 [.’] 增加的同时， [.’] 也

    增加， 而且不论 [’] 增加到何种程度， 只要有 [] 存在， [.’] 就无法生成产物， 所以 [’] 的

    增加， 并不能减弱 [] 对酶的抑制程度。因此， 非竞争性抑制作用中 ! 不变， 而 !!降低，且降低的幅度与抑制剂的浓度相关。

    (2)反竞争性抑制作用： 此类抑制剂并不直接与酶结合， 而是仅与 .’ 结合， 形成 .’

    复合物， 但 .’ 同样不能生成产物， 因而抑制酶的活性。这种抑制作用称为反竞争性抑制

    作用。反应过程如下：! !

    ( ! ! % ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !! ! ! ! !

    从上式可见， [] 增加时， 引起平衡朝生成 的方向进行， 有利于 (， 因

    很快生成 ， 故 的实际含量下降。此类抑制作用使 !’ 和均降低。

    四、酶的调节

    各种代谢途径的调节主要是对代谢途径中限速酶的调节。改变代谢途径中限速酶的

    活性与含量是机体对酶活性调节的主要方式。

    (一)酶活性的调节

    酶活性的调节包括酶的变构调节和共价修饰两个方面， 均属快速调节方式。

    酶的变构调节! 特定小分子代谢物可与某些酶活性中心外的调节部位非共价可

    逆地结合， 使酶发生构象改变， 引起催化活性改变， 称为酶的变构调节。受变构调节的酶

    称为变构酶。能引起酶发生变构效应的物质称为变构效应剂。变构后酶活性增强者称为

    变构激活剂； 反之， 称为变构抑制剂。变构酶常为寡聚酶， 很多变构酶亚基之间存在协同

    效应， 即一种变构效应剂分子与酶的调节亚基结合后引起其余亚基构象改变， 酶与底物结

    合力加大， 催化活性增强， 称为正协同效应； 反之， 称为负协同效应。

    ,+ 酶的共价修饰调节! 某些酶蛋白肽链上的侧链基团在另一种酶的作用下可与某

    种化学基团发生共价结合或解离， 从而改变酶的活性， 称为酶的共价修饰调节。酶的共价

    修饰形式有磷酸化与去磷酸化、 乙酰化与去乙酰化和甲基化与去甲基化等， 其中以磷酸化

    与去磷酸化最为常见。

    (二)酶含量的调节

    酶含量的调节包括酶蛋白合成的诱导与阻遏及酶降解的调控两个方面， 属于缓慢而

    长效的调节。

    酶蛋白合成的诱导与阻遏! 为适应内、 外环境的需要， 细胞可增加或减少某些酶

    的生物合成。一般在转录水平上促进酶合成的化合物称为诱导剂。某些底物、 产物、 激素

    和药物等都可以作为诱导剂诱导一些酶的生物合成； 在转录水平上减少酶生物合成的物

    质称为阻遏剂。阻遏剂与无活性的阻遏蛋白结合， 影响基因的转录， 称为阻遏作用。

    ,+ 酶降解的调控! 通过改变酶分子的降解速度来调节细胞内酶的含量， 称为酶降解

    的调控。细胞内酶的降解速度与机体的营养和激素的调节有关。!

    五、酶的分类和命名

    (一)酶的分类

    国际系统分类法将酶按其催化反应的性质分为! 大类：

    氧化还原酶类 催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如， 乳酸脱氢酶、 琥珀酸

    脱氢酶和细胞色素氧化酶等。

    % 转移酶类 催化底物分子之间某些基团转移或交换的酶类。例如， 氨基转移酶、甲基转移酶和磷酸化酶等。

    水解酶类 催化底物发生水解反应的酶。例如， 淀粉酶、 脂肪酶和蛋白酶等。

    裂解酶类 催化从底物移去一个基团并形成双键的反应或其逆反应的酶。例如，醛缩酶、 碳酸酐酶和柠檬酸合酶等。

    ( 异构酶类 催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。例如， 磷酸己糖异构酶和

    消旋酶等。! 合成酶类 催化两分子底物合成为一分子化合物并伴随 ) 高能磷酸键断裂释

    放能量反应的酶类。例如， 谷氨酰胺合成酶和 ,-) 连接酶等。

    国际系统分类法除按上述! 类将酶依次编号外， 还根据酶所催化的化学键的特点和

    参加反应的基团不同， 将每一大类又进一步分类命名。

    (二)酶的命名

    酶的命名有习惯命名法和系统命名法% 种。

    习惯命名法 一般根据酶所催化的底物、 反应的性质以及酶的来源而定。如蛋白

    酶、 乳酸脱氢酶和唾液淀粉酶等。

    % 系统命名法 系统命名法规定每一种酶均有一个系统名称， 它标明酶的所有底物

    与反应的性质。如果底物不止一个， 则在底物名称之间以 “： ” 分开。这种系统命名和酶

    的分类编号组合在一起， 使每一种酶只有一个名称和一个由’ 个数字组成的酶的分类编

    号， 编号前标以 .。为了应用方便， 又从每种酶的习惯名称中选定一个简便实用的推荐

    名称。例如， 乳酸脱氢酶的系统命名是 . %0 (编号) ， 乳酸： -), 1

    氧化还原酶 (系

    统名称) ， 乳酸脱氢酶 (推荐名称) 。

    六、维生素

    维生素 (2345637) 不是大分子物质， 在体内既不参与机体组成也不供给热能， 但大多

    数维生素是许多酶的辅酶， 它们在调节物质代谢和维持生理功能等方面发挥着重要的作

    用。绝大部分维生素在体内不能合成或合成量很少， 必须由食物提供。体内长期缺乏某

    种维生素， 则可能出现相应维生素缺乏的典型症状和体征， 称为维生素缺乏症。维生素种

    类很多， 化学结构差异很大， 通常按其溶解性分为脂溶性和水溶性两大类。! !

    (一)脂溶性维生素

    脂溶性维生素有 、 、 、 % 种， 它们可溶于脂质及脂溶剂， 而不溶于水， 在食物中多

    与脂质共存， 并随脂质一同吸收。长期过量摄取脂溶性维生素可引起中毒症。

    ( 维生素 ! 天然维生素 有 和 ) 两种， 即视黄醇， 在体内视黄醇可以被氧

    化成视黄醛， 后者可被进一步氧化成视黄酸。视黄醇、 视黄醛和视黄酸都是维生素 在

    体内的活性形式。植物中含有 ! 胡萝卜素， 它在体内可转化生成视黄醇， 故称为维生素

    原。维生素 的化学性质活泼， 易在空气中氧化而失去活性， 也易受紫外线破坏。

    维生素 的主要生理功能是： ! 构成视觉细胞内的感光物质! 视杆细胞内有感受弱

    光和暗光的视紫红质， 它是由’’ 顺视黄醛与视蛋白结合而成的。当视紫红质感受弱光

    时，’ 顺视黄醛发生光异构作用而转变成全反型视黄醛， 并与视蛋白分离而失色， 同时

    产生视觉。当维生素 缺乏时，’ 顺视黄醛得不到及时补充， 使视杆细胞内的视紫红质

    合成减少， 感受弱光的能力降低， 严重时会发生 “夜盲症” ； 参与糖蛋白的合成! 维生素

    为组织细胞的发育和分化所必需， 当维生素 缺乏时， 可引起上皮组织干燥、 增生和角

    化等； 其他作用! 维生素 及 ! !胡萝卜素是重要的抗氧化成分， 有清除自由基、 抗肿

    瘤和抗衰老的作用。)( 维生素 ! 维生素 有 ) (麦角钙化醇) 和 (胆钙化醇) 两种。维生素 的活

    性形式是’， )+ 二羟维生素 (见第十二章) 。人体皮下, 脱氢胆固醇经紫外线照射可

    转变成维生素 ， 故称为维生素 原。维生素 耐热， 对氧、 酸及碱不敏感。

    维生素 主要是以’， )+ 二羟维生素 的形式参与钙磷代谢， 促进骨骼生长及代

    谢更新 (详见第十二章) 。

    ( 维生素 ! 维生素 又分为生育酚及生育三烯酚两大类， 在无氧条件下对热稳

    定， 但对氧极为敏感， 极易自身氧化。

    维生素 是体内最重要的抗氧化剂。它能对抗生物膜磷脂中多不饱和脂肪酸的过

    氧化反应， 从而避免脂质过氧化物的产生， 保护生物膜的结构与功能。维生素 还可捕

    捉和消灭自由基。临床常用维生素 治疗先兆流产和习惯性流产。

    ( 天然维生素 % 有 %’ (存在于动植物) 和 %) (肠道细菌合成) 两种。临床上应用的

    为人工合成的 % 和 %， 能溶于水， 可以口服及注射。维生素 % 对热稳定， 易受光和碱的

    破坏。

    维生素 % 的主要作用是参与体内凝血因子、 %、 、的活化过程。维生素 % 缺乏

    时， 上述羧化作用受阻， 凝血因子、 %、 、的活性降低， 主要症状表现为凝血时间长，易出血。

    (二)水溶性维生素

    水溶性维生素包括 - 族维生素和维生素 .， 它们均溶于水， 不溶于脂质及脂溶剂。除

    -’)外， 其余在体内均无一定储存， 一旦体液中浓度超过其肾阈值时， 多余的即从尿中排!

    出， 因此必须经常由食物供给。水溶性维生素罕见有中毒现象。! 维生素 ! 维生素 ! 又名硫胺素， 它在体内以焦磷酸硫胺素 (%) 这一活性形

    式存在。维生素 ! 耐热、 耐酸， 但在碱性环境中加热或有氧化剂存在时易使其破坏。

    维生素 ! 的主要生理功能是： ! % 是 ! 酮酸氧化脱羧酶的辅酶 % 作为 !

    酮酸氧化脱羧酶的辅酶参与糖代谢过程中 ! 酮酸的氧化脱羧反应。正常情况下机体所

    需能量主要靠糖代谢所产生的丙酮酸氧化供给， 维生素 ! 缺乏时， 丙酮酸氧化脱羧反应

    发生障碍， 不能氧化供能， 以致影响细胞、 特别是神经组织的正常功能， 严重时会发生 “脚

    气病” ； % 是转酮酶的辅酶 % 作为转酮酶的辅酶参与磷酸戊糖途径。! 缺乏时，戊糖代谢障碍， 从而使核苷酸合成及神经髓鞘中磷酸戊糖代谢以及 的供应受到

    影响； 维生素 ! 抑制胆碱酯酶的活性 维生素 ! 缺乏时， 胆碱酯酶活性增强， 乙酰胆

    碱分解加快， 胃肠蠕动减慢， 引起食欲不振， 消化不良等。

    + 维生素 + 维生素 + 又名核黄素， 其异咯嗪环上的第! 及第!, 位氮原子分别与

    活泼的双键相连， 可反复接受和释放氢， 因而具有可逆的氧化还原特征。维生素 + 被吸

    收后， 在小肠黏膜转变成黄素单核苷酸 (-.’) ， 在体细胞内还可进一步在焦磷酸化酶的

    催化下， 生成黄素腺嘌呤二核苷酸 (-。-.’ 及 - 是维生素 + 的活性形式。维生

    素 + 在中性和酸性溶液中稳定、 耐热， 在碱性环境易于破坏， 对光敏感。

    -.’ 及 - 是体内多种氧化还原酶的辅基， 在生物氧化过程中起氢传递体的作用。

    + 缺乏时， 可引起口角炎、 唇炎、 舌炎、 眼睑炎和阴囊炎等。

    维生素 维生素 又名抗癞皮病因子， 包括尼克酸及尼克酰胺， 二者均属于

    吡啶衍生物， 在体内可互相转化。尼克酰胺在体内可经酶促反应与核糖、 磷酸和腺嘌呤组

    成多种不需氧脱氢酶的辅酶， 主要包括尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (’ 0) 和尼克酰胺腺

    嘌呤二核苷酸磷酸 (’ 0) ， 它们是维生素 在体内的活性形式。维生素 性质稳

    定， 不易被酸、 碱或加热破坏。

    0

    和 0

    在体内作为多种不需氧脱氢酶的辅酶， 它们分子中的尼克酰胺部分

    具有可逆的加氢加电子和脱氢脱电子的特性， 作为递氢体广泛参与体内的生物氧化反应。

    长期缺乏维生素 可导致 “癞皮病” 。

    1 维生素 2 维生素 2 包括吡哆醇、 吡哆醛和吡哆胺， 在体内均以磷酸酯的形式存

    在。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可相互转变， 均为活性型。维生素 2 对光和热敏感， 高温

    下迅速被破坏。

    磷酸吡哆醛是氨基酸代谢中转氨酶和脱羧酶的辅酶， 可催化相应的脱氨基、 脱羧基反

    应。它还是 氨基 酮戊酸 ((3 合成酶的辅酶， 而 (3( 合成酶是血红素合成的限速

    酶， 因此， 维生素 2 缺乏时， 有可能引起低色素小细胞性贫血。

    4 泛酸 泛酸又名遍多酸， 泛酸在体内经磷酸化并获得巯基乙胺而成为 1 磷酸泛

    酰巯基乙胺， 后者是辅酶 ( (56 及酰基载体蛋白 ((5) 的组成部分， 所以 56( 及 (5! !

    均为泛酸在体内的活性形式。泛酸在中性溶液中对热稳定， 对氧化剂、 还原剂也极为稳

    定， 但遇酸碱易被破坏。

    泛酸在体内构成酰基转移酶的辅酶 及酰基载体蛋白 (%) 的组成成分， 广泛

    参与糖、 脂质、 蛋白质代谢及肝的生物转化作用。

    生物素! 生物素耐酸而不耐碱， 高温和氧化剂可使其破坏。生物素是体内多种羧

    化酶的辅酶， 在羧化反应中， 它可与 结合， 起着 载体的作用。

    叶酸! 叶酸因绿叶中含量丰富而得名， 又称蝶酰谷氨酸。叶酸进入体内后， 在肠

    黏膜细胞被还原为四氢叶酸 (+,-) ， 它是叶酸在体内的活性形式。叶酸在中性及碱性溶

    液中耐热， 在酸性溶液中不稳定， 对光照敏感。

    +,- 是体内一碳单位 (含有一个碳原子的基团) 转移酶的辅酶， 参与体内多种物质的

    合成， 如嘌呤、 胸腺嘧啶、 脱氧核苷酸等。当叶酸缺乏时， 嘌呤、 胸腺嘧啶、 脱氧核苷酸的合

    成减少， . 合成必然受到抑制， 骨髓幼红细胞中 . 合成减少， 红细胞分裂速度降低，细胞体积增大， 细胞核内染色质疏松， 形成巨幼红细胞。这种红细胞大部分在骨髓内成熟

    前就被破坏， 造成巨幼红细胞性贫血。

    0’ 维生素 12) ! 维生素 12)又名钴胺素， 是唯一含有金属元素 (钴) 的维生素。其活性

    形式为甲钴胺素和34 脱氧腺苷钴胺素。维生素 12)的水溶液在弱酸环境下相当稳定， 在

    强酸及碱性环境下极易分解， 对日光、 氧化剂及还原剂敏感。

    维生素 12) 的主要生理功能是： ! 参与同型半胱氨酸甲基化生成甲硫氨酸的反

    应! 催化这一反应的是甲基转移酶。甲钴胺素作为甲基转移酶的辅酶， 参与甲基的转移，!3

    甲基四氢叶酸是甲基的供给者。12)缺乏时， !3

    甲基四氢叶酸上的甲基不能转移， 这

    样既不利于甲硫氨酸的生成， 又影响四氢叶酸的再生， 使组织中游离的四氢叶酸减少， 从

    而影响嘌呤、 嘧啶的再生， 最终导致核酸合成障碍， 影响细胞分裂， 结果可能产生巨幼红细

    胞贫血， 即恶性贫血； 34 脱氢腺苷钴胺素是 5 甲基丙二酰 变位酶的辅酶! 催化

    5 甲基丙二酰 转变为琥珀酰。12)缺乏时， 5 甲基丙二酰大量堆积， 因其结构与

    脂肪酸合成的中间产物丙二酰 相似， 所以影响脂肪酸的正常合成。

    6’ 维生素 ! 维生素 又称 5 抗坏血酸， 其分子中 ) 及 7 位上的两个相邻的烯

    醇式羟基极易释放出 , 8

    ， 因而呈酸性。又因其能放出氢原子， 使许多物质还原， 故维生

    素 属于较强的还原剂。维生素 在酸性环境中较为稳定， 在中性及碱性环境中极不稳

    定， 对光、 热、 重金属离子和氧化剂极为敏感。

    维生素 的主要生理功能是： ! 参与体内的羟化反应! 维生素 是羟化酶的辅酶，它参与体内许多物质的羟化反应， 如胶原蛋白的羟化反应； 胆固醇、 芳香族氨基酸及肾上

    腺皮质激素的羟化反应等。胶原是结缔组织、 骨及毛细血管壁的重要成分。维生素 长

    期缺乏时， 胶原蛋白合成障碍， 可出现毛细血管破裂， 皮下、 黏膜出血， 易骨折等症状， 此即

    坏血病。 参与氧化还原反应! 维生素 能使巯基酶的—9, 维持还原状态， 还可使氧!!

    化型谷胱甘肽还原为还原型谷胱甘肽， 起保护细胞膜的作用； 使三价铁 (!

    ) 还原成二

    价铁 (!

    % ) ， 有利于铁的吸收； 使红细胞中高铁血红蛋白 (’ 还原成血红蛋白 (’ ，有利于氧的运输； 促进叶酸转变成四氢叶酸， 预防巨幼红细胞性贫血。

    各种维生素的基本性质 (表% )) 。

    表! 维生素的主要来源、 活性形式、 生理功能及缺乏症

    名称 主要来源 活性形式 生理功能 缺乏症

    维生素 + 肝、 奶、 蛋黄绿

    叶蔬菜、 胡萝卜等

    + ,, 顺视黄醛、 视

    黄醇、 视黄酸

    + ,- 构成视紫红质

    + %- 维持上皮组织结构的完整

    + - 抗氧化作用

    + 夜盲症

    + 干眼病

    维生素 . + 肝、 奶、 蛋黄皮

    下 脱氢胆固醇

    经紫外线照射变

    为 .

    + ,， %0 (1’) % . + ,- 调节钙、 磷代谢， 促进钙、磷吸收

    + %- 促进骨盐代谢和骨的更新

    + 佝偻病

    + 软骨病

    维生素 2 + 植物油、 坚果、豆类、 海产品

    + 生育酚 + ,- 抗氧化作用

    + %- 抗不育作用

    + - 促进血红素合成

    维生素 3 + 肝、 菠菜

    + 肠道细菌合成

    + % 甲基,， ) 萘醌 + 促进肝合成凝血因子

    维生素 4, + 瘦 肉、豆 类、坚果

    + 566 + ,- ! 酮酸氧化脱羧酶的

    辅酶

    + %- 转酮酶的辅酶

    + - 抑制胆碱酯酶的活性

    + 脚气病

    维生素 4% + 动 物 性 食 品

    豆类

    + !7

    + !.

    + 构成黄素酶的辅基， 参与体

    内生物氧化体系

    + 口 角

    炎、唇炎、舌 炎、阴

    囊炎

    维生素 66 + 谷 类、瘦 肉、花生

    + 7.

    + 7.6

    + 构成脱氢酶的辅酶， 参与生

    物氧化体系

    + 癞皮病

    维生素 48 + 谷类、 蛋黄、 肝

    肠道细菌合成

    + 磷酸吡哆醛

    + 磷酸吡哆胺

    + ,- 构成转氨酶和脱羧酶的

    辅酶

    + %- 构成 9 合成酶的辅酶! !

    续表

    名称 主要来源 活性形式 生理功能 缺乏症

    泛酸 ! 动植物食品 ! % !( 构成酰基转移酶的辅酶

    成分! )( 构成酰基载体蛋白的组成

    成分， 参与酰基转移作用

    生物素 ! 动植物体内、 肠

    道细菌合成! 生物素 ! 构成羧化酶的辅酶， 参与)

    的固定

    叶酸 ! 肝、 瘦肉、 水果、绿色蔬菜

    肠道细菌合成! +, ! 构成一碳单位转移酶的辅

    酶， 参与一碳单位的转移! 巨 幼

    红 细 胞

    性贫血

    维生素 -’) ! 动物性食物、 肠

    道细菌合成! 甲基钴胺素! . 脱氧腺苷钴

    氨素!( 构成甲基转移酶的辅酶，参与甲基的转移! )( 促进 01 合成! 2( 促进红细胞成熟! 巨 幼

    红 细 胞

    性贫血

    维生素 ! 新鲜水果、 蔬菜 ! 抗坏血酸 !( 参与体内的羟化反应! )( 参与氧化还原反应! 坏血病

    思考题! 蛋白质的元素组成特点是什么？该特点有何实际应用？

    试述将蛋白质混合液中各种蛋白质彼此分开的机制。

    比较 %’ 与 (’ 在基本组成单位和水解产物上的异同。) %’ 双螺旋结构的要点如何？

    比较三种可逆性抑制剂存在时， 酶的 !+ 值及 + 各有何变化？

    , 说出磺胺药的作用机制。

    - 写出. 种 族维生素的辅酶形式及所参与的生化反应。!

    第三章! 细胞的基本功能

    学习目标! 掌握易化扩散和主动转运的特征及机制， 主动转运的意义， 静息电位和动作电位

    的概念以及产生机制， 动作电位的变化过程、 阈电位与动作电位的引起， 神经 骨骼肌接头

    处兴奋的传递过程， 影响骨骼肌收缩的主要因素。

    熟悉单纯扩散、 入胞和出胞， 动作电位的传导与局部电流， 骨骼肌兴奋 收缩偶联

    的过程， 骨骼肌细胞的收缩机制以及收缩形式。

    了解细胞的跨膜信号转导， 生物电的记录方法， 骨骼肌的组织结构。

    细胞是人体结构和功能的基本单位。人体的一切生理功能和生化反应都是在细胞的

    基础上进行的。只有了解细胞的基本功能， 才能阐明整个人体和各个系统、 器官生命现象

    最根本的原理。本章主要讨论细胞的一些基本功能， 如细胞的跨膜物质转运功能、 细胞的

    跨膜信号转导功能、 细胞的生物电现象和骨骼肌细胞的收缩功能。

    第一节! 细胞的跨膜物质转运功能

    细胞膜是由液态的脂质双分子层为基架， 其中镶嵌着各种形态结构和功能各不相同

    的蛋白质。因此， 理论上只有脂溶性的物质才能通过细胞膜。然而， 在细胞新陈代谢过程

    中， 不断地有各种物质 (包括小分子、 离子物质和大分子或团块物质) 进出细胞。其中大

    多数小分子和离子物质是水溶性的， 水溶性物质不能直接通过细胞膜， 它们必须借助细胞

    膜结构中特殊蛋白质的帮助。大分子和团块物质通过细胞膜则是通过细胞膜本身复杂的

    变形运动来实现的。细胞跨膜物质转运的方式有多种， 现将跨膜物质转运的方式介绍

    如下：

    一、单纯扩散

    单纯扩散 (%’ )+,) 是脂溶性小分子物质由细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧

    移动的跨膜物质转运方式， 是一种物理现象。决定单纯扩散速度的因素有两个： ! 细胞

    膜两侧该物质的浓度差， 这是物质单纯扩散的动力。浓度差越大， 单纯扩散速度也就越

    快； 物质通过细胞膜的难易程度即通透性的大小。细胞膜对物质的通透性越大， 单纯! !

    扩散速度也就越快。

    体内以单纯扩散方式通过细胞膜的物质较少， 目前肯定的只有 和 等气体小

    分子。它们具有脂溶性， 能顺着浓度差进出细胞， 而细胞本身不消耗能量。

    二、易化扩散

    非脂溶性或脂溶性小的小分子、 离子物质在膜蛋白质的帮助下， 由高浓度一侧向低浓

    度一侧移动通过细胞膜的方式称为易化扩散 (%’(, ,(%%-.(0) 。易化扩散也是顺浓度

    差进行的， 所以细胞也不消耗能量。根据参与易化扩散的膜蛋白质的不同， 可将易化扩散

    分为通道扩散 (’100+) 20.32) 和载体转运 (’22(+2 20.32) 两种。

    (一)通道扩散

    通道扩散是由镶嵌在膜上的通道蛋白来完成的一种易化扩散方式。通道蛋白就像贯

    通细胞膜并带有闸门装置的一条管道。通道开放时， 物质从浓度高的一侧经过通道向浓

    度低的一侧扩散； 通道关闭时， 即使细胞膜两侧存在物质的浓度差， 物质也不能通过细胞

    膜 (图 4 5) 。通道扩散所转运的物质主要是一些小的离子， 如 6 7

    、 8

    7

    、

    7

    、 )

    9

    等。

    因此， 与这些离子转运有关的膜蛋白也称为离子通道 ((0100+)) 。由于通道蛋白的结

    构特异性， 通道扩散具有选择性， 如钾通道、 钠通道和钙通道等， 它们分别只允许相应的离

    子通过。

    :! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ;

    图4 5! 通道扩散示意图

    :< 通道开放! ;< 通道关闭

    通道的开放 (激活) 与关闭 (失活) 是通过 “闸门” (=) 来控制的， 所以离子通道又称为

    门控离子通道。根据引起通道开放和关闭的条件不同， 可将通道分为电压门控通道、 化学门

    控通道和机械门控通道。由膜两侧电位差控制其开放与关闭的通道称为电压门控通道， 如

    神经纤维和肌细胞膜上的8

    7

    通道； 由化学物质控制其开放与关闭的通道称为化学门控通

    道， 如骨骼肌细胞终板膜上的乙酰胆碱 (:’1) 受体通道； 由机械刺激控制其开放与关闭的通!

    道称为机械门控通道， 如内耳毛细胞上就存在着感受机械刺激的机械门控通道。

    (二)载体转运

    载体转运是由细胞膜的载体蛋白来完成的一种易化扩散方式。载体蛋白简称为载

    体， 是镶嵌在细胞膜脂质双分子层上的一类特殊蛋白质， 其上有与被转运物质结合的位

    点。当载体与被转运物质结合时， 引起载体的构象改变， 可将被转运物质由膜的高浓度一

    侧转运到低浓度一侧 (图! ) 。载体转运的物质主要是一些亲水性有机小分子物质， 如

    葡萄糖、 氨基酸等顺浓度差通过细胞膜时就是以载体转运的方式来完成的。

    %

    图! 载体转运示意图

    载体蛋白在膜的一侧与被转运的物质结合

    % 载体蛋白在膜的另一侧与被转运的物质分离

    载体转运具有以下特点： ! 特异性： 即载体只能选择性地与某种物质分子作特异性

    结合而转运该种物质， 这是由载体和被转运物质之间高度的结构特异性决定的； 饱和

    现象： 在一定时间内， 每种载体只能转运一定数量的某种物质， 若该物质超过这一数量， 载

    体的转运能力也不能再增加。这是因为载体的数量有限， 所能结合的物质数量因此受到

    限制； 竞争抑制性： 如果一个载体可以同时转运 和 % 两种物质， 那么 物质转运增

    多时， % 物质的转运必然会减少。

    易化扩散是细胞跨膜物质转运的一种重要而普遍存在的形式， 人体许多重要的生理

    功能， 如营养物质进入细胞、 生物电的产生和兴奋的传导， 以及肌肉的收缩等都与易化扩

    散有密切关系。

    在单纯扩散和易化扩散的过程中， 物质转运的动力是细胞膜两侧该物质的浓度差或

    电位差， 因而细胞本身不需要消耗能量， 故将它们称为被动转运。

    三、主动转运

    主动转运 (’, )-’.01-)) 是细胞通过自身的耗能、 作功过程， 将小分子或离子物质! !

    逆浓度差和 (或) 电位差， 即逆电 化学梯度转运， 通过细胞膜的一种跨膜物质转运方式。

    在主动转运过程中所消耗的能量来源于细胞膜上生物泵的活动。

    生物泵 (%’ 是镶嵌在细胞膜上的一种特殊蛋白质， 能将物质从细胞膜低

    浓度一侧 “泵” 到高浓度一侧。生物泵活动时消耗的能量来源于细胞的代谢过程， 如果细

    胞代谢发生障碍， 生物泵的功能就会受到影响， 进而影响物质的主动转运。生物泵有多

    种， 常以被它转运的物质而命名。例如， 转运 +,-

    和 . -

    的称为钠 钾泵， 转运 ,0 -

    的称为

    钙泵等。在各种生物泵中， 钠 钾泵的作用最重要、 最广泛， 对其研究也最多。

    钠 钾泵也简称为钠泵 (12) ， 它具有 345 酶的活性， 能将 345 分解为 365

    并释放出能量， 供主动转运时使用， 所以钠泵也称为 +,-

    . -

    依赖性 345 酶。正常状态

    下， 人体细胞内液与细胞外液的 . -

    、 +,-

    浓度有很大不同， 膜内 . -

    浓度比膜外高 07 倍，膜外 +,-

    浓度比膜内高89 倍， 这就是因为钠泵不断地逆浓度梯度主动转运 +,-

    和 . -

    的

    结果。一般情况下， 钠泵每分解8 个 345 分子， 可以将9 个 +,-

    逆浓度差移出膜外， 同时

    将0 个 . -

    逆浓度差移入膜内 (图9 9) ， 但钠泵转运离子的具体机制还不太清楚。实验

    中观察到， 当细胞外液 . -

    或细胞内液 +,-

    增加时， 钠泵的活性就升高， 主动转运 +,-

    、 . -

    的过程就加速。

    图9 9! 钠泵主动转运示意图

    钠泵将 345 分解为 365 释放能量， 可将9 个 +, -

    逆浓度

    差转运到膜外， 同时将0 个 . -

    逆浓度差转运到膜内

    钠泵活动的结果是形成并维持 +,-

    、 . -

    在细胞内外的不均衡分布， 这种不均衡的分

    布具有重要的意义： ! 是细胞生物电产生的基础； +,-

    在细胞膜两侧的浓度差是其他

    一些物质继发性主动转运的动力； 细胞内高 . -

    是胞浆内许多代谢反应所必需的；

    钠泵不断地将漏入细胞内的 +,-

    转运出胞外， 以维持胞浆渗透压和细胞容积的相对

    稳定。!

    四、入胞和出胞

    上面叙述的! 种物质转运方式， 主要涉及小分子物质或离子， 大分子或团块状物质进

    出细胞是通过细胞膜本身更为复杂的结构和功能的改变来完成的， 这些过程需要细胞提

    供能量。大分子或团块状物质进出细胞， 根据其方向的不同分为入胞和出胞。

    (一)入胞

    入胞又称为胞吞 (%’(%))) ， 是指细胞外大分子或团块状物质进入细胞内的过程。

    例如， 血浆中的脂蛋白颗粒、 大分子营养物质、 细菌和异物等进入细胞都是通过入胞的方

    式来实现的。入胞的过程首先是这些物质被细胞识别并相互接触， 然后接触处的细胞膜

    向内凹陷或伸出伪足把物质包裹起来， 包裹的细胞膜再融合断裂， 使物质连同包裹它的细

    胞膜一起进入细胞。如果入胞的物质是固态， 称为吞噬； 如果入胞的物质是液态， 则称为

    吞饮。

    (二)出胞

    出胞又称为胞吐 (+%’(%))) ， 是指细胞将大分子物质排出膜外的过程。出胞主要见

    于细胞的分泌活动。例如， 消化腺分泌消化酶、 内分泌细胞分泌激素， 以及神经末梢释放

    递质等。大分子内容物在细胞内形成后， 被一层膜性结构包裹形成囊泡。当分泌活动开

    始时， 囊泡向细胞膜移动， 最后囊泡膜与细胞膜融合， 进而在融合处向外破裂， 结果是囊泡

    内储存的物质一次性全部排出细胞。

    第二节! 细胞的跨膜信号转导功能

    各种形式的信号作用于细胞时， 一般并不进入细胞， 而是作用于细胞膜的表面， 通过

    引起膜结构中一种或多种特殊蛋白质分子的变构作用， 将外界环境变化的信息以新的信

    号形式传递到膜内， 再引起被作用的细胞相应的功能改变， 这一过程称为跨膜信号转导。

    在细胞之间传递信息的物质统称为信号物质， 如神经递质、 激素和细胞因子等。信号物质

    需要与细胞的受体结合而发挥作用。受体 (,-(%,) 是指能与信号物质作特异性结合而

    参与跨膜信号转导作用的蛋白质。根据受体所在部位的不同， 受体可分为膜受体、 胞浆受

    体和核受体。有关细胞跨膜信号转导的研究进展很快， 下面简要介绍目前可以确定的 !

    种跨膜信号转导方式。

    一、由特异性膜通道完成的跨膜信号转导

    (一)化学门控通道

    有些细胞膜上的化学门控通道本身就具有受体的功能， 它们具有与信号物质 (主要

    是神经递质) 结合的位点。当与信号分子结合后， 引起通道的开放或关闭， 实现化学信号! !

    的跨膜转导， 如神经 骨骼肌接头处和神经轴突处兴奋的传递 (详见本章第四节和第十四

    章) 。

    (二)电压门控通道

    在神经和肌细胞膜 (突触后膜和终板膜除外) 上， 存在着电压门控通道。当电压门控

    通道受膜两侧电位变化的作用而开放时， 能选择性地允许某些离子通过， 进而引起膜本身

    产生动作电位， 实现跨膜信号转导。

    (三)机械门控通道

    有些细胞表面存在着能感受机械性刺激的通道样结构， 当它们受到机械刺激， 如声波

    振动时， 能引起相应的离子通道开放， 导致膜电位发生改变， 继而实现跨膜信号转导。例

    如， 内耳毛细胞表面就存在着机械门控通道， 当声波振动传到内耳时， 使毛细胞表面的听

    毛发生弯曲， 引起毛细胞表面的机械门控通道开放， 导致跨膜离子流和膜电位的改变， 从

    而实现由机械振动向电信号的转变。

    二、由 ! 蛋白耦联受体完成的跨膜信号转导

    蛋白耦联受体是存在于细胞膜上的一类特殊蛋白质， 它与信号物质结合后可激活

    细胞膜上的 蛋白 (鸟苷酸结合蛋白) ， 激活的 蛋白进而激活 蛋白效应器酶 (如腺苷

    酸环化酶等) ， 蛋白效应器酶催化某些物质 (如% 等) 产生第二信使 (如’% 等) ， 第

    二信使再通过蛋白激酶或离子通道发挥跨膜信号转导的作用。

    目前发现膜的效应器酶并不是只有腺苷酸环化酶一种， 第二信使也不是只有%

    一种。含氮激素大多是通过 蛋白耦联受体来完成跨膜信号转导过程的 (详见第十五

    章) 。

    三、由酪氨酸激酶受体完成的跨膜信号转导

    近年来发现， 一些肽类激素如胰岛素等， 它们作用于相应的靶细胞时， 是通过细胞膜

    中一类称为酪氨酸激酶受体的特殊蛋白质来完成跨膜信号转导的。当其与细胞外信号物

    质结合时， 可以引起其本身的酪氨酸残基或者胞浆中底物蛋白质的酪氨酸残基发生磷酸

    化， 由此再引发细胞内功能的改变而完成跨膜信号的转导。

    第三节 细胞的生物电现象

    一切活的细胞无论处于静息或活动状态都存在着电现象， 这种电现象称为生物电

    (,+-.))-) 。生物电是一种普遍存在而又十分重要的生命现象。机体各个器官中生

    物电现象的产生， 是以细胞水平的生物电现象为基础的。由于细胞的生物电现象表现为

    细胞膜两侧的电位差， 故称为跨膜电位 (-.0123+3(.01+ 4-+1-)0,) 或膜电位 (3+3(.01+ 45! !!%) ， 它包括静息电位和动作电位两种形式。

    一、静息电位

    (一)静息电位的概念

    静息电位(’(!) !!%， ,-) 是指细胞未受刺激时， 存在于细胞膜两侧的稳定的电

    位差。测量显示， 细胞膜内任意两点间的电位相等， 细胞膜外任意两点间的电位也相等；

    但细胞膜两侧存在着电位差， 且膜内电位低于膜外电位。通常将膜外电位看作为零， 则膜

    内电位为负。在细胞未受刺激时， 膜两侧的电位表现为内负外正的状态称为极化 (%’.

    %!+) 。

    不同的细胞静息电位的数值不同， 大多数细胞的静息电位都在 0 12 3 0 122 45 之

    间。例如， 枪乌贼巨大神经轴突的静息电位为 0 62 3 0 72 45； 哺乳动物的骨骼肌细胞或

    神经细胞约为 0 82 45； 而人的红细胞为 0 9 3 0 12 45 等。应该注意的是， 上述静息电

    位的负值是指膜内电位低于膜外电位的数值。如果静息电位减小， 即膜内外电位差减小，称为去极化或除极化 (:%’%!+) ； 反之， 如果静息电位增大， 即膜内外电位差增大， 称

    为超极化 (;<’%’%!+) 。

    (二)静息电位产生的机制

    生物电的产生机制， 一般用 “膜离子流学说” 来解释。膜离子流学说包括两个基本

    点： ! 细胞膜内外各种离子的分布不均匀； 在不同状态下， 细胞膜对各种离子的通透

    性不同。现以哺乳动物神经纤维为例说明静息电位的产生机制。

    哺乳动物神经纤维膜内的 = >

    浓度约为膜外的 倍， 而膜外的 A%

    >

    和 B

    0

    浓度分别

    约为膜内的1C 倍和C2 倍； 膜内的负离子主要是带负电荷的蛋白质分子 (D 0) 。当神经纤

    维处于静息状态时， 纤维膜主要是对 = >

    有一定的通透性， 对 A%

    >

    的通透性很小， 仅约为

    = >

    通透性的1 E 62， 而对 D 0

    则几乎没有通透性。因此， 静息时发生的离子流动主要是 = >

    的外流。= >

    的外流必然导致膜内的正电荷减少， 而膜外的正电荷增多， 从而形成神经纤

    维膜外高而膜内低的电位差。但是， = >

    的外流并不会无限地进行下去。因为， 随着 = >

    顺

    浓度差外流所形成的内负外正的电场力又会反过来阻止 = >

    继续外流。当促使 = >

    外流

    的动力 (浓度差) 与阻止 = >

    外流的阻力 (电位差) 达到平衡时， = >

    的净移动就会等于零。

    此时， 神经纤维膜两侧就形成了一个稳定的电位差， 这个稳定的电位差就是静息电位。由

    此可见， 静息电位主要是 = >

    外流达到平衡时的电位， 即 = >

    的平衡电位。

    静息电位的大小， 主要受膜内外 = >

    浓度的影响。一般情况下， 膜内的 = >

    浓度变化

    很小， 造成膜内外 = >

    浓度差改变的主要原因是膜外 = >

    浓度的变化。当膜外 = >

    浓度升

    高时， 可使膜内外 = >

    浓度差减小， 从而使 = >

    向外扩散的动力减弱， = >

    外流减少， 结果是

    静息电位减小。反之， 当细胞外的 = >

    浓度降低时， 将导致静息电位的增大。

    细胞代谢障碍可影响静息电位。当组织缺血、 缺氧或酸中毒时， 细胞代谢障碍， 影响! !

    细胞向钠泵提供能量。如果钠泵的功能受到抑制，

    不能顺利泵回细胞内， 将使细胞内

    外

    的浓度差逐渐减小， 导致静息电位逐渐减小甚至消失。由此可见， 钠泵转运是维持

    正常静息电位的关键因素， 静息电位的维持是需要消耗能量的。

    二、动作电位

    (一)动作电位的概念

    动作电位 (%’ (+)’,， -.) 是指细胞受到刺激时， 在静息电位的基础上产生的一

    次迅速而短暂的、 并可沿细胞膜迅速向周围扩布的电位变化。动作电位与静息电位的主

    要区别是：! 动作电位是膜电位的连续变化过程， 而静息电位是一个稳定的电位差；

    动作电位一旦在细胞膜的某一部位产生， 就会迅速向周围扩布； 动作电位标志着细

    胞处于兴奋状态， 而静息电位则标志着细胞处于静息状态。

    (二)动作电位的变化过程和特征

    不同细胞的动作电位在变化的过程、 幅度和持续的时间等方面可不同， 但所有细胞的

    动作电位都包括去极化和复极化 (+(,’0’ ) 两个基本过程 (图 1 2) 。现仍以神经

    纤维为例来介绍动作电位的变化过程。

    图1 2! 神经纤维动作电位模式图

    3： 锋电位上升支! 3%： 锋电位下降支! %4： 负后电位! 4+： 正后电位

    56 去极化! 神经纤维受到刺激后， 膜内电位由静息时的 7 89 :; 迅速上升到 9 :;

    再到 19 :;， 构成了动作电位变化的上升支 (图1 2) ， 这个过程即为动作电位的去极化

    时相。上升支历时很短， 大约为96 < :=。其中从 7 89 :; 到9 :;， 膜内负电位减小直至

    为零即去极化。而从 9 :; 到 19 :;， 膜内的电位变为正电位， 称为反极化， 又称为超

    射 ((>+=?( 。反极化是指极化状态的反转， 膜电位转变为内正外负的状态。! ! 复极化 膜电位去极化上升到 %( 后即快速下降， 直至接近静息电位水平，构成动作电位变化的下降支 (图% )) ， 这个过程即为动作电位的复极化时相。所谓复极

    化是指在去极化的前提下， 恢复膜极化状态的过程。复极化后膜电位经历微小而缓慢的

    变化， 称为后电位 (,-. 0,-1,23) 。

    神经纤维动作电位的变化过程极为迅速， 一般不超过 ! 4。其上升支和下降支形

    成一个尖锋样的波形， 故称为锋电位 (425- 0,-1,23) 。动作电位波形包括锋电位和后电

    位两个部分。在后电位结束之后， 膜电位才完全恢复到静息电位的水平。

    动作电位有两个基本特征： 一是 “全或无” 性， 即动作电位要么不产生， 一旦产生就会

    达到其最大值， 动作电位的变化幅度不会因为刺激强度的增大而增大； 二是可扩布性传

    导， 即动作电位一旦在细胞膜的某一部位产生， 就会立即向整个细胞膜扩布， 直至整个细

    胞膜先后依次产生动作电位， 而且动作电位扩布的速度和幅度不会因为扩布距离的增加

    而减小。

    不同的可兴奋细胞在兴奋时的表现可不同， 但是所有的可兴奋细胞在兴奋时都有一

    个共同的本质性的变化， 这就是动作电位。因此， 动作电位的产生是可兴奋细胞兴奋时的

    客观标志。由此， 也可以说兴奋性就是组织细胞受到刺激时产生动作电位的能力。

    (三)动作电位的产生机制

    动作电位是在静息电位的基础上产生的。细胞在静息状态时， 细胞外 6

    的浓度约

    为细胞内的7% 倍， 6

    有从细胞外向细胞内扩散的趋势， 但静息时细胞膜对 6

    的通透

    性极低。当细胞受到刺激时， 细胞膜对 6

    的通透性增大， 少量的 6

    顺浓度差流入细

    胞， 使膜电位差减小。当膜电位减小到某一数值 (即阈电位) 时， 就会引起大量的电压门

    控钠通道开放， 膜对 6

    的通透性在短时间内突然增大。此时， 6

    在浓度差和内负外正

    的电位差的作用下大量、 快速地内流， 导致细胞膜内电位急剧上升， 产生去极化， 形成锋电

    位的上升支。当膜内电位增高到约 %( 并足以阻止 6

    内流时， 膜电位就达到一个

    新的平衡点， 这就是 6

    平衡电位。但是， 膜电位并不会停留在 6

    平衡电位的水平上，而是立即开始复极化。这是因为在去极化过程中， 电压门控 8

    通道被激活而开放， 细胞

    膜对 8

    的通透性迅速增大， 于是细胞内的 8

    在浓度差和电位差的作用下迅速外流， 膜

    内电位迅速下降， 开始复极化， 构成锋电位的下降支。当膜电位下降基本恢复到静息电位

    水平时， 膜内外离子的分布并未恢复到兴奋前的状态， 细胞内增加了去极化过程中进入的

    6

    ， 细胞外增加了复极化过程中流出的 8 。细胞内外离子浓度的这种改变， 可激活细

    胞膜上的钠泵， 将流入细胞的 6

    泵出， 将流出细胞的 8

    泵入， 以恢复兴奋前细胞膜两

    侧 6

    、 8

    的分布状态， 以维持细胞的兴奋性。钠泵的转运是形成神经纤维动作电位后

    电位的主要机制。

    由此可见， 神经纤维动作电位的去极化是由于 6

    以易化扩散方式快速内流而形成

    的； 复极化是由于 8

    以易化扩散方式快速外流而形成的； 膜电位基本恢复到静息电位水!! !

    平后， 钠泵活动增强， 以恢复兴奋前膜内外

    、 %

    的分布状态， 是形成神经纤维动作电

    位后电位的主要机制。

    (四)阈电位和动作电位的引起

    如前所述， 刺激作用于可兴奋细胞时可引起动作电位， 但不是任何刺激都能引起动作

    电位。如果刺激引起细胞膜发生超极化， 就不能引起动作电位； 如果刺激虽可引起膜发生

    去极化， 但去极化程度太小， 也不能引起动作电位。只有当刺激引起膜去极化到某一临界

    膜电位水平， 使细胞膜上大量钠离子通道开放时， 才能触发动作电位。这个能触发动作电

    位的膜电位的临界值称为阈电位 (’’+,- .+)0,) 。由此可见， 膜电位去极化达到阈电

    位是产生动作电位的必要条件。通常阈电位比静息电位小 12 3 42 56。不难理解， 细胞

    兴奋性的高低与细胞的膜电位与阈电位之间的差值呈反变关系， 即差值愈大， 细胞的兴奋

    性愈低； 差值愈小， 细胞的兴奋性愈高。超极化时膜电位增大， 使它与阈电位之间的差值

    增大， 因此需要更大的刺激才能使膜电位去极化达到阈电位， 所以超极化使细胞的兴奋性

    降低。

    阈电位与阈强度是两个不同的概念。所谓阈强度， 是指作用于细胞， 能使膜的静息电

    位刚好去极化到阈电位的刺激强度。刺激引起膜去极化， 只是使膜电位达到阈电位水平，而动作电位的爆发则是膜电位去极化达到阈电位后其本身进一步去极化的结果， 与施加

    于细胞的刺激强度没有关系。

    单个阈下刺激不能触发动作电位， 因为单个阈下刺激只能引起少量的

    内流， 产

    生较小的去极化， 这种去极化不足以使膜电位达到阈电位的水平。这种产生于膜的局部、较小的去极化称为局部去极化或局部电位， 也可称为局部兴奋或局部反应。局部去极化

    的特点是：! 电位幅度小且呈衰减性传导； 无 “全或无” 现象， 局部去极化可随阈下刺

    激的增强而增大； 有总和效应， 单个阈下刺激引起的单个局部反应虽然不能引发动作

    电位， 但多个阈下刺激引起的多个局部反应可叠加起来， 就可能使膜的去极化达到阈电

    位， 从而引发动作电位。因此， 动作电位可以由单个阈刺激或阈上刺激引起， 也可由多个

    阈下刺激的总和引起。局部去极化虽然不能引发动作电位， 但它可以提高细胞的兴奋性，因为局部去极化减小了膜电位与阈电位之间的差值。

    (五)动作电位的传导与局部电流

    动作电位一旦在细胞膜的某一点产生， 就会沿着细胞膜向周围迅速传播， 使整个细胞

    膜依次先后产生动作电位， 这称为动作电位的传导 (7+-870+) 。在神经纤维上传导的动

    作电位又称为神经冲动 ()(9) 05.8,)) 。下面还是以神经纤维为例来说明动作电位在同

    一细胞上的传导机制。

    动作电位在同一细胞上的传导机制可用局部电流学说来解释。静息时神经纤维表现

    为膜内为负膜外为正的极化状态， 当受到刺激产生兴奋时， 膜出现内正外负的反极化状

    态。这时膜的外表面以及膜的内表面， 在兴奋部位与相邻未兴奋部位之间都存在着电!

    位差。 由于膜两侧的液体都具有导电性， 因此在膜!

    图 % 动作电位在神经纤维上的传导!、 动作电位在无髓神经纤维上的传导

    动作电位在有髓神经纤维上的传导

    内侧和膜外侧， 电位差都可以导致电荷的定向移

    动。在膜外侧， 正电荷由未兴奋部位向兴奋部位

    移动； 在膜内侧， 正电荷则由兴奋部位向未兴奋部

    位移动。在膜的两侧， 电荷的这种局部定向流动

    称为局部电流。局部电流造成相邻的未兴奋部位

    膜内侧电位升高， 膜外侧电位降低， 即产生去极

    化。如果这种去极化达到阈电位水平， 即可触发

    相邻未兴奋部位爆发动作电位。这样， 动作电位

    就由兴奋部位通过局部电流的方式传导到相邻的

    未兴奋部位， 直至整个神经纤维先后依次产生动

    作电位 (图 %!、 ) 。

    体内可兴奋细胞动作电位的传导都是以局部

    电流的方式进行的， 但在有髓神经纤维上， 兴奋表

    现为 “跳跃式” 传导。这是因为有髓神经纤维的

    髓鞘具有绝缘性， 只有在郎飞结处， 神经纤维膜与

    细胞外液接触， 才能实现离子的跨膜移动， 因此动

    作电位只能在没有髓鞘的郎飞结处产生。兴奋传

    导时， 局部电流只能在相邻的两个郎飞结之间产

    生。所以， 兴奋是从一个郎飞结跳跃传导到下一个郎飞结 (图 %) 。由于兴奋在有髓

    神经纤维上的传导是跳跃式的， 加上有髓神经纤维较粗、 电阻较小， 所以有髓神经纤维上

    动作电位的传导速度要比无髓神经纤维快得多。

    目前， 生物电已广泛应用于医学研究和临床实践。例如， 临床常用检查心电图、 肌电

    图和脑电图等来帮助诊断某些疾病。

    第四节! 骨骼肌细胞的收缩功能

    人体各种躯体运动以及各种姿势的维持都是由骨骼肌的收缩和舒张来完成的。在整

    体情况下， 骨骼肌的收缩活动受躯体运动神经的支配。当支配骨骼肌的运动神经纤维兴

    奋时， 可使骨骼肌兴奋而收缩。

    一、神经 骨骼肌接头处兴奋的传递

    (一)神经 骨骼肌接头处的结构

    神经 骨骼肌接头处是指运动神经纤维末梢与骨骼肌细胞相接触的部位。如图 (! !

    所示， 神经 骨骼肌接头处由接头前膜、 接头后膜和接头间隙三部分组成。运动神经纤维

    末梢到达骨骼肌时失去髓鞘， 以裸露的末梢嵌入到相应的骨骼肌细胞膜， 这部分神经纤维

    的末梢膜构成接 ......