中学生物竞赛辅导第六章动物生理上.docx
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1、第六章 动物生理一, 竞赛中涉及的问题依据国际生物学奥林匹克竞赛IBO纲要和全国中学生生物竞赛大纲试行要求,有关人体及动物生理的内容,主要包括消化, 汲取, 呼吸, 循环, 排泄, 免疫, 调整神经和激素和生殖。上述内容在中学生物学教学大纲中已有过一些简洁的介绍,这里只就竞赛中常常要用到的一些学问作进一步的补充说明。一细胞的生物电现象生物电现象是指生物细胞膜在宁静状态和活动时伴有的电现象。它及细胞兴奋的产生和传导有着亲密的关系。现以神经细胞为例来探讨细胞的生物电现象。1静息电位及产生原理1静息电位:细胞膜处于宁静状态下,存在于膜内外两侧的电位差,称为静息电位。如下列图所示,将两个电极置于宁静状
2、态下神经纤维外表任何两点时,示波器屏幕上的光点在等电位线作横向扫描,表示细胞膜外表不存在电位差。但如将两个电极中的一个微电极直径缺乏1m的尖端刺入膜内,此时示波器屏幕上光点快速从等电位下降到肯定水平接着作横向扫描,显示膜内电位比膜外电位低,表示细胞膜的内外两侧存在着跨膜电位差。此电位差即是静息电位。一般将细胞膜外电位看作零,细胞膜内电位用负值表示。静息电位测量示意图A膜外表无电位差 B膜内外两侧有电位差同类细胞的静息电位较恒定,如哺乳类动物神经细胞的静息电位为7090mV。宁静时,细胞膜两侧这种数值比拟稳定的内负外正的状态,称为极化。极化及静息电位都是细胞处于静息状态的标记。以静息电位为准,假
3、设膜内电位向负值增大的方向变更,称为超极化;假设膜内电位向负值减小的方向变更,称为去极化;细胞发生去极化后向原先的极化方向复原,称为复极化。从生物电来看,细胞的兴奋和抑制都是以极化为根底,细胞去极化时表现为兴奋,超极化时那么表现为抑制。2静息电位的产生原理:“离子流学说认为,生物电产生的前提是细胞膜内外的离子分布和浓度不同,以及在不同生理状态下,细胞膜对各种离子的通透性有差异。据测定,在静息状态下细胞膜内外主要离子分布及膜对离子的通透性见下表。主要离子离子浓度mmolL膜内及膜外离子比例膜对离子通透性膜内膜外NaKClA蛋白质141558601425110151103111144l通透性很小通
4、透性大通透性次之无通透性在静息状态下,由于膜内外K存在浓度差和膜对K有较大的通透性,因而一局部K顺浓度差向膜外扩散,增加了膜外正电荷;虽然膜内带负电的蛋白质A有随K外流的倾向,但因膜对A没有通透性,被阻隔在膜的内侧面。随着K不断外流,膜外的正电荷渐渐增多,于是膜外电位上升,膜内因负电荷增多而电位下降,这样便使紧靠膜的两侧出现一个外正内负的电位差。这种电位差的存在,使K的接着外流受到膜外正电场的排斥和膜内负电场的吸引,以致限制了K的外流。随着电位差的增大,K外流的阻力也随之增大。最终,当促使K外流的浓度差和阻挡K外流的电位差所构成的两种相互抬抗的力气相等时,K的净外流量为0,此时跨膜电位就相当于
5、K的平衡电位。K的平衡电位及实际测得的静息电位略有差异,通常比测定值略高即值略小,这是由于在静息状态下,膜对Na也有较小的通透性,有少量Na顺浓度差向膜内扩散的原因。简言之,静息电位主要是K外流所形成的电一化学平衡电位。 2动作电位及其产生原理 1动作电位:细胞膜受到刺激时,在静息电位的根底上发生一次可扩布的电位变更,称为动作电位。动作电位可用上述微电极插入细胞内测量记录下来。在测出静息电位的根底上,赐予神经纤维一个有效刺激,此时在示波器屏幕上即显示出一个动作电位如右图所示。动作电位包括一个上升相和一个下降相,上升相表示膜的去极化过程,此时膜内原有的负电位快速消逝,并进而变为正电位,即由709
6、0mV变为2040mV,出现膜两侧电位倒转外负内正,整个膜电位变更的幅度可达90130mV。其超出零电位的局部称为超射。下降相代表膜的复极化过程,是膜内电位从上升相顶端下降到静息电位水平的过程。神经纤维的动作电位,主要局部由于幅度大, 时程短不到2ms,电位波形呈尖峰形,称为峰电位Spike potential。在峰电位完全复原到静息电位水平之前,膜两侧还有微小的连续缓慢的电变更,称为后电位。从细胞的生物电角度来看,动作电位及兴奋两者是同义语,而兴奋性是指细胞或组织产生动作电位的实力。动作电位一旦产生,细胞的兴奋性也相应发生一系列变更。从时程上来说,峰电位相当于细胞的肯定不应期;后电位的前段相
7、当于相对不应期和超常期;后电位的后段相当于低常期如下列图所示。膜电位复原到静息电位水平,兴奋性也就复原正常。 2动作电位的引起及产生原理:细胞膜受到刺激后,首先是该部位细胞膜上Na通道少量开放,膜对Na的通透性稍有增加,少量Na由膜外流入膜内,使膜内外电位差减小,称为局部去极化或局部电位,局部电位不能远传。但Na内流使膜内负电位减小到某一临界数值时,受刺激部位的膜上Na通道全部开放,使膜对Na的通透性突然增大,于是膜外Na顺浓度差和电位差快速大量内流,从而爆发动作电位。Na内流是一个正反响过程再生性。使膜对Na通透性突然增大的临界膜电位数值,称为阈电位。阈电位比静息电位约小1020mV。任何刺
8、激必需使内负电位降到阈电位水平,才能爆发动作电位。动作电位上升相是由于膜外Na大量内流,膜内电位快速高,使原来的负电位消逝并高出膜外电位,在膜的两侧形成一个正外负的电位差。这种电位差的存在,使Na的接着内流受到内正电荷的排斥,当促使Na内流的浓度差及阻挡Na内流的位差所构成的两种相互拮抗的力气相等时,Na的净内流停顿。此时膜电位为Na的平衡电位。简言之,动作电位的上升相是Na内流所形成的电一化学平衡电位,是膜由K平衡电位转为Na平衡电位的过程。在上升相到达Na平衡电位时,膜上Na通道已关闭,Na的通透性快速下降。及此同时,膜对K的通透性大增。于是,K顺浓度差和顺电位差快速外流,使膜内外电位又复
9、原到原来的内负外正的静息水平,形成动作电位的下降相。简言之,动作电位下降相是K外流所形成,是膜由Na平衡电位转变为K平衡电位的过程。细胞膜在复极化后,跨膜电位虽然复原,但膜内Na有所增多,而K有所削减。这时便激活了细胞膜上的钠一钾泵,通过Na, K的主动转运,重新将它们调整到原来静息时的水平,以维持细胞正常的兴奋性。3动作电位的特点:动作电位具有“全或无现象,刺激达不到阈强度,不能产生动作电位无,一旦产生,幅度就到达最大值全。幅度不随刺激的强度增加而增加。4动作电位的传导特点:动作电位在同一细胞沿膜由近及远地扩布称为动作电位的传导。其传导特点有:不衰减性传导。动作电位传导时,电位幅度不会因距离
10、增大而减小。双向性传导。假如刺激神经纤维中段,产生的动作电位可从产生部位沿膜向两端传导。二肌细胞的收缩功能人体各种形式的运动,主要是靠肌肉细胞的收缩活动来完成。不同肌肉组织在构造和功能上虽各有特点,但收缩的根本形式和原理是相像的。现以骨骼肌为例来说明。1骨骼肌收缩的形式肌肉兴奋后引起的收缩,可因不同状况而有不同的收缩形式。1等长收缩和等张收缩:肌肉收缩按其长度和张力的变更可分为两种:一种是肌肉收缩时,只有张力增加而长度不变的收缩,称为等长收缩;一种是肌肉收缩时,只有长度缩短而张力不变的收缩,称为等张收缩。等长收缩和等张收缩及其负荷大小有关。肌肉承受的负荷分为前负荷和后负荷两种。前负荷是指肌肉收
11、缩前就加在肌肉上的负荷,它可以增加肌肉收缩的初长度收缩前的长度,进而增加肌肉收缩力。后负荷是指肌肉收缩开场时才遇到的负荷,它能阻碍肌肉的缩短。在有后负荷的状况下,肌肉不能马上缩短而增加张力,出现等长收缩。当张力增加到超过后负荷时,肌肉缩短而张力不再增加,呈现等张收缩。在整体内,骨骼肌收缩时,既变更长度又增加张力,属于混合形式。但由于机体内肌肉的功能特点和附着部位的不同,在收缩形式上有所侧重,如咬肌收缩偏于等长收缩;眼外肌收缩偏于等张收缩。2单收缩和强直收缩:整块骨骼肌或单个肌细胞受到一次短促而有效的刺激时,被刺激的肌细胞出现一次收缩过程包括肌细胞的缩短和舒张,称为单收缩。肌肉受到连续的有效刺激
12、时,出现强而长久的收缩,称为强直收缩。由于刺激频率不同,强直收缩又可分为不完全强直和完全强直两种。前者是新刺激引起的收缩落在前一个收缩过程的舒张期所形成的;后者是新刺激引起的收缩落在前一个收缩过程的缩短期所形成的。强直收缩是各次单收缩的融合如下列图所示,其收缩幅度比单收缩大。在整体内的各种骨骼肌收编是以整块肌肉为单位进展的。由于支配骨骼肌的运动神经冲动是连续多个动作电位,因此体内骨骼肌收缩都是强直收缩。单收缩及强直收缩曲线图1收缩曲线 2刺激记号2骨骼肌收缩的原理肌细胞收缩的原理,目前用滑行学说来说明。该学说认为,肌肉的收缩并非是肌细胞肌纤维中构成肌原纤维的肌丝本身长度的缩短或卷曲,而是由于细
13、肌丝向粗肌丝之间滑行,使肌节长度两Z线间距缩短,从而出现肌纤维和肌肉的收缩如下列图所示。肌丝滑行示意图简洁地说,肌肉的收缩和舒张,就是由于细肌丝向粗肌丝间滑行造成的。肌丝的滑行过程,就是在肯定的Ca2浓度下,构成细肌丝的肌动蛋白和构成粗肌丝的肌球蛋白结合和解离的过程。三血浆渗透压1血浆渗透压形成及数值血浆渗透压由两局部溶质所形成:一局部是血浆中的无机盐, 葡萄糖, 尿素等小分子晶体物质形成的血浆晶体渗透压,另一局部是血浆蛋白等大分子物质所形成的血浆胶体渗透压。由于血浆中小分子晶体物质的颗粒特别多,因此血浆渗透压主要是晶体渗透压。5葡萄糖液或0.9NaCl溶液的渗透压及血浆渗透压相近,故称为等渗
14、溶液。血浆胶体渗透压很小,仅为3.33kPa25mmHg左右。通常血浆蛋白中白蛋白的含量较多, 分子量较小,因此在维持血浆胶体渗透压中,白蛋白尤为重要。2血浆渗透压的生理意义血浆渗透压具有吸取水分透过生物半透膜的力气。由于细胞膜和毛细血管壁不同,因而晶体渗透压及胶体渗透压表现出不同的生理作用如下列图所示。血浆渗透压示意图图示血浆及红细胞内晶体渗透压相等,可维持红细胞内外的水平衡,维持红细胞正常形态;血浆及组织液胶体渗透压不等,使组织液的水转移到血管内,维持血容量。1晶体渗透压的作用:细胞膜允许水分子通过,不允许蛋白质通过,对一些无机离子如Na, Ca2等大多严格限制,不易过。这就造成细胞膜两侧
15、溶液的渗透压梯度,从而导致渗透现象的产生。由于晶体比胶体溶质颗粒多,形成的渗透压高,因此血浆晶体渗透压对维持细胞内, 外水分的正常交换和分布,保持红细胞的正常形态有重要作用。例如,当血浆晶体渗透压降低时,进入细胞内的水分增多,致使红细胞膨胀,直至膜裂开。红细胞裂开使血红蛋白逸出,这种现象称为溶血。反之,当血浆晶体渗透压高时,红细胞中水分渗出,从而发生皱缩。2胶体渗透压的作用:毛细血管壁只允许水分子和晶体物质通过,不允许蛋白质通过,因而毛细血管内, 外水分的沟通取决于胶体渗透压。血浆中胶体渗透压比组织液中胶体渗透压大,故血浆胶体渗透压对调整毛细血管内外水分的正常分布,促使组织 中水分渗入毛细血管
16、以维持血容量,具有重要作用。当血浆蛋白削减,血浆胶体渗透压降低时,组织液增多,引起水肿。四心脏泵血过程心脏泵血过程,左心和右心的活动根本一样。现以左心为例来探讨心脏泵血过程和泵血过程中的各种变更。1室缩期依据心室内压力和容积等变更,室缩期可分为等容收缩期和射血期。1等容收缩期:心室收缩前,室内压低于主动脉压和心房内压,此时半月瓣关闭而房室瓣开放,血液不断流入心室。心室收缩开场后,室内压快速上升,在室内压超过房内压时,心室内血液推动房室瓣使其关闭,防止血液倒流入心房。但在心室内压力未超过主动脉压之前,半月瓣仍处于关闭状态。在此段时间内,由于房室瓣及半月瓣均处于关闭状态,心室容积不变,故称为等客收
17、缩期。等容收缩期历时约0.06s,该期的长短及心肌收缩力的强弱及动脉血压的上下有关,在心肌收缩力减弱或动脉血压上升时,等容收缩期将延长。心室收缩期 心室舒张期心脏的射血及充盈 2射血期:随着心室肌的接着收缩,心室内压接着上升,一旦心室内压超过主动脉压,心室的血液将半月瓣冲开,快速射入动脉,心室容积随之相应缩小。此期称为射血期,历时约0.24s。血液射入动脉起初,速度快,血量多,约占射血量的8085;随后心室肌收缩力减弱,室内压开场下降,射血速度减慢,射血量削减。2室舒期室舒期按心室内压和容积的变更可分为等容舒张期和充盈期。1等容舒张期:心室舒张开场,室内压下降,在心室内压低于主动脉压时,动脉内
18、血液逆流推动半月瓣关闭,防止血液返流入心室。当在心室内压还高于心房内压之前,房室瓣仍处于关闭状态,无血液进出心室,此时心室舒张但其容积不变,称为等容舒张期,历时约0.08s。2充盈期:随着心室接着费张,室内压接着下降,直至心室内压低于房内压时,心房内的血液冲开房室瓣而流入心室,心室容积随之增大。血液不断由静脉和心房进入心室的这段时间,称为充盈期。此期历时约0.42s。起初血流速度较快, 血流量较多,以后随着心室内血液增多,流入的速度减慢。在下一个心动周期的心房收缩时,血液又较快进入心室。从心室的充盈量来看,通过心房收缩进入心室的血液量仅占30,其余大局部血液都是由于心室舒张,室内压低于房内压将
19、血液抽吸入心室的。总的说来,心脏泵血能按肯定方向流淌是取决于心瓣膜的开闭,而心瓣膜开闭又取决于心瓣膜两侧压力大小;心内压大小取决于心肌的舒缩,特殊是心室肌的舒缩活动。现将心动周期中心脏内各种变更归纳如下表。心动周期中心腔内压力, 容积, 辩膜, 血流等变更五心脏的生理特性心肌的生理特性包括自动节律性, 传导性, 兴奋性和收缩性。前三者为电生理特性,后者为机械特性。1自动节律性心脏在离体和脱离神经支配下,仍能自动地产生节律性兴奋和收缩的特性,称为自动节律性简称自律性。心脏的自律性源于心肌自律细胞4期自动去极化。由于心脏特殊传导系统各局部的自律细胞4期去极化速度快慢不一,因而各局部的自律性上下不同
20、。窦房结的自律性最高,约为100次min;房室交界次之,约为50次min;心室内传导组织最低,约为2040次min。正常心脏的节律活动是受自律性最高的窦房结所限制,因而窦房结是心脏兴奋的正常起搏点。其他特殊传导组织,其自律性不能表现出来,称为潜在起搏点。当窦房结的自律性异样低下,或潜在起搏点的自律性过高时,潜在起搏点的自律性就可表现出来,成为异位起搏点。以窦房结为起搏点的心脏活动,称为窦性节律;由异位起搏点引起的心脏活动,称为异位节律。2传导性心脏特殊传导系统和心肌工作细胞都有传导兴奋的实力。其传导兴奋的根本原理和神经纤维一样。正常心脏内兴奋的传导主要依靠特殊传导系统来完成。当窦房结发出兴奋后
21、,通过心房肌传布到整个右心房和左心房;同时,沿着心房肌组成的“优势传导通路快速传到房室交界。心房内传导历时约0.060.11s。房室交界是正常兴奋由心房传入心室的惟一通路,但其传导速度缓慢,尤以结区最慢,因而占时较长,约需0.1s,这种现象称为房室延搁。房室延搁具有重要的生理意义,它使心房及心室的收缩不在同一时间进展,只有留神房兴奋和收缩完毕后才引起心室兴奋和收缩,使心室得以充分充盈血液,有利于射血。心室内特殊传导组织的传导速度快,历时约0.060.1s,其中以浦肯野纤维最快,只要兴奋传到浦肯野纤维,几乎马上传到左, 右心室肌,引起两心室兴奋。兴奋从窦房结传到心室肌,总共约需0.22s。现将兴
22、奋的传导途径和速度简示如图。传导系统任何部位发生功能障碍,都会引起传导阻滞,导致心律失常。六心脏的内分泌功能自1984年以来,国内外学者从大鼠和人的心房组织中提取纯化的心房钠尿肽以后,人们对心脏功能有了新的相识,即心脏不仅是血液循环的动力器官,而且还是一个内分泌器官。心房钠尿肽是由心房肌细胞产生和分泌的一类具有活性的多肽,又称为心房肽或心钠素。它的主要作用是:利钠, 利尿,舒张心管, 降低血压。因而心钠素参及水盐平衡, 体液容量和血压的调整。七肺容量及肺通气量肺容量和肺通气量是衡量肺通气功能的指标,在不同状态下气量有所不同。1肺容量肺容量指肺容纳的气量。在呼吸周期中,肺容量随着进出肺的气体量的
23、变更而变更。其变更幅度主要及呼吸深度有关,可用肺量计测定和描记见下列图。肺容量变更的记录曲线1潮气量:每次呼吸时吸入或呼出的气量,称为潮气量。正常成人安静呼吸时,潮气量为400600ml。深呼吸时,潮气量增加。每次安静呼气终点都稳定在同一个水平上,这一水平的连线称为安静呼气基线。2补吸气量和深吸气量:安静吸气末再尽力吸气所能增加的吸入气量,称为补吸气量,正常成人为1500ml2000ml。补吸气量及潮气量之和,称为深吸气量。深吸气量是衡量肺通气潜力的一个重要指标。3补呼气量:安静呼气末再尽力呼气所能增加的呼出气量,称为补呼气量。正常成人为900ml1200ml。最大呼气终点构成了最大呼气水平。
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