细胞生物电现象3.pptx

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1、一、生命的基本特征二、内环境与稳态三、机体机能活动的调节第1页/共78页1.新陈代谢(metabolism)概念：新陈代谢是指机体主动地与环境进行物质和能量交换，以及机体内部物质和能量的转变转移过程。同化作用：把从外界环境摄入体内的营养物质经过改造或转化，以提供建造自身结构所需的原料和能量，称为异化作用：将组成自身的物质或贮存于体内的物质分解，并把分解后的终产物排出体外，称为第2页/共78页2.兴奋性(excitability)一切活组织或细胞，当其周围环境条件迅速改变时，有产生动作电位并发生反应(response)的能力或特性，称为兴奋性或应激性(感应性，irritability)。刺激(s

2、timulus):引起反应的环境条件的迅速变化称为刺激。可兴奋细胞:在动物组织中，通常以神经细胞和肌细胞以及腺细胞表现出较高的兴奋性，因此被称为可兴奋细胞或可兴奋组织(excitabletissue)。兴奋(excitation)：由相对静止状态转变为显著活动状态，或由活动弱变为活动强。抑制(inhibition)：另一种是由显著活动状态转变为相对静止状态，或由活动强变为活动弱。第3页/共78页3.生殖(reproduction)生殖（自我复制，self-replication）：是个体生长发育到一定阶段时可产生相似的另一新个体的过程。新陈代谢、兴奋性和生殖是生命的基本特征，是从生命的普遍现象

3、和种群角度出发的，并不一定在每个生物个体表现出来，也不一定在个体生活史的每一个阶段表现出来。第4页/共78页1.内环境（internalenvironment）：血浆、淋巴 液、组 织 液 等 组 成 细 胞 外 液（extracellularfluid），也称细胞外液为机体的内环境。2.稳态（homeostasis）：机体依赖调节机制对抗内外环境变化的影响，维持内环境等生命指标和生命现象动态平衡的相对稳定状态。维持稳态的生理意义：稳态是新陈代谢的必要保证。细胞正常兴奋性的维持需要膜内外离子浓度的相对稳定。在外界环境剧烈变化（如温度）时，内环境保持相对稳定是机体具有适应能力的前提。第5页/共7

4、8页3.生物节律（biorhythm）：在生理学中，把按一定的时间顺序发生变化，即按一定的时间重复出现、周而复始的功能活动变化节律叫做生物节律。动物生物节律的形成既源于遗传的固有节律，又受环境影响，是动物对生存环境长期适应、世代积累的结果。第6页/共78页（一）机体机能活动的调节方式（一）机体机能活动的调节方式1、神经调节2、体液调节3、自身调节（二）机体机能活动的调控模式（二）机体机能活动的调控模式1.非自动控制系统2.反馈(feedback)控制系统3.前馈（feedforward）控制系统第7页/共78页 整整合合作作用用（integrationintegration）：机机体体不不断断

5、地地调调节节体体内内各各器器官官、系系统统的的活活动动，使使它它们们相相互互密密切切协协调调配配合合，同同时时也也要要不不断断地地调调节节机机体体的的各各种种机机能能活活动动，以以便便与与内内、外外环环境境的的变化相适应。机体的这种调节作用称为变化相适应。机体的这种调节作用称为 方方式式：通通过过神神经经调调节节与与体体液液调调节节以以及及器器官官、组组织织、细细胞的自身调节等三种方式进行的。胞的自身调节等三种方式进行的。1.1.神经调节神经调节(neuroregulation)neuroregulation)反反射射：在在中中枢枢神神经经系系统统参参与与下下，机机体体对对内内、外外环环境境刺

6、刺激所发生的反应。激所发生的反应。反射弧反射弧(reflex arc)reflex arc)：反射的结构基础称为反射的结构基础称为 反反射射弧弧组组成成：感感受受器器、传传入入神神经经、神神经经中中枢枢、传传出出神神经和效应器五个部分。经和效应器五个部分。第8页/共78页 2.体液调节(humoral regulation)概念：机体的内分泌细胞能产生某些特异性化学物质（如激素），通过血液循环输送到全身各处，对某些特定的组织起作用，以调节机体的 机能活动，这种激素调节就属于 局部性体液调节：组织细胞的一些代谢产物在组织中含量增加时，能引起局部的血管舒张，使局部血流量增加，从而使积蓄的代谢产物能

7、较迅速地被运走，这可称为第9页/共78页 神经调节的特点：是迅速而精确，作用部位准确，持续时间较短；体液调节的特点：是出现缓慢，作用部位较广泛，持续时间较长。神经-体液调节（neurohumoral regulation）：在人和大多数高等动物有神经调节和体液调节两种机制，二者相辅相成，共同完成机体机能调节的任务。大多数内分泌腺也直接或间接受到神经系统的控制，使体液调节成为神经调节的一环，相当于反射弧传出路径上的一个延续部分，这种情况称为第10页/共78页 3.自身调节(autoregulation)自身调节：指细胞、组织、器官在不依赖于外来的神经或体液调节情况下，自身对刺激发生的适应性反应过

8、程。特点：自身调节的调节幅度较小，也不十分灵敏，但对生理功能的调节仍有一定意义。第11页/共78页运用20世纪40年代发展起来的控制论（cybernetics）原理分析机体的调节活动，可将其分为以下三类控制系统。1.非自动控制系统2.反馈(feedback)控制系统3.前馈（feedforward）控制系统第12页/共78页 1.1.非非自自动动控控制制系系统统 象象各各种种有有害害刺刺激激引引起起动动物物应应激激这这样样的的调调节节活活动动，刺刺激激决决定定着着反反应应，而而反反应应不不能能改改变变控控制制部部分分的的活活动动，属属开开环环系系统统。这这种种控控制制系系统统无无自自动动控控制

9、制的的能能力，只要刺激存在，反应就将继续下去。非自动控制系统在体内不多见。力，只要刺激存在，反应就将继续下去。非自动控制系统在体内不多见。第13页/共78页 2.反馈(feedback)控制系统 反馈调节：由受控部分送回到控制中枢的信息称为“反馈”信息，这种调节方式称为 负反馈(negative feedback)；正反馈(positive feedback)。第14页/共78页 3.3.前馈（前馈（feedforwardfeedforward）控制系统控制系统 在在前前馈馈控控制制系系统统中中监监测测装装置置（感感受受器器）不不是是检检测测输输出出变变量量的的波波动动，而而是是直直接接检检测

10、测到到干干扰扰信信息息（条条件件刺刺激激）后后发发出出前前馈馈信信息息，作作用用于于控控制制系系统统，调调整整控控制制信信息息以以对对抗抗干干扰扰信信息息对对受受控控系系统统的的作作用用，从从而而使使输输出出变变量量保保持持稳稳定定。它它可可以以避避免免反反馈馈调调节节的的波波动动性性和和反应滞后，更好地保持稳态，其预见性更具有适应性意义。反应滞后，更好地保持稳态，其预见性更具有适应性意义。第15页/共78页细胞生理学(cellphysiology)的主要内容包括：细胞膜和组成其他细胞器的膜性结构的化学组成和分子结构；不同物质分子或离子的跨膜物质转运机理；以不同带电离子跨膜运动为基础的细胞生物

11、电现象；作为细胞接受外界影响或细胞间相互影响基础的跨膜信号传递功能；以及肌细胞如何在细胞膜电变化的触发下出现机械性收缩活动(见第八章)。第16页/共78页一、细胞膜结构及物质转运功能二、细胞的兴奋性与生物电现象三、兴奋的细胞间传递第17页/共78页（一）膜的化学组成和分子结构（一）膜的化学组成和分子结构（二）细胞膜的跨膜物质转运功能（二）细胞膜的跨膜物质转运功能1.被动转运2.主动转运（activetransport）3.胞吐(exocytosis)与入胞(endocytosis)式物质转运第18页/共78页 在电子显微镜下分为三层由脂类、蛋白质和糖类等物质组成，以蛋白质和脂质为主，糖类只占极

12、少量。流体镶嵌模型(fluid mosaic model):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蛋白质，后者主要以-螺旋或球形蛋白质的形式存在。第19页/共78页第20页/共78页 1.1.脂质双分子层（脂质双分子层（lipid bilayarlipid bilayar）磷磷脂脂的的基基本本结结构构是是：一一分分子子甘甘油油的的两两个个羟羟基基同同两两分分子子脂脂酸酸相相结结合合，另另一一个个羟羟基基则则同同一一分分子子磷磷酸酸结结合合，后后者者再再同同一一个个碱碱基基结结合合。动动物物细细胞胞膜膜中中的的磷磷脂脂主主要要有有四四种种：磷磷脂脂酰胆碱、磷脂酰乙

13、醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。第21页/共78页第22页/共78页第23页/共78页 2.2.膜蛋白质膜蛋白质 表表面面蛋蛋白白质质:蛋蛋白白质质以以其其肽肽链链中中带带电电的的氨氨基基酸酸或或基基团团，与与膜膜两两侧侧的的脂脂质质极极性性基基团团相相互互吸引，使蛋白质分子像是附着在膜的表面，这称吸引，使蛋白质分子像是附着在膜的表面，这称 结结合合蛋蛋白白质质:有有些些蛋蛋白白质质分分子子的的肽肽链链则则可可以以一一次次或或反反复复多多次次贯贯穿穿整整个个脂脂质质双双分分子子层层，疏疏水的水的-螺旋正好与膜内疏水性烃基相吸引，肽链两端露出在膜的

14、两侧，这称为螺旋正好与膜内疏水性烃基相吸引，肽链两端露出在膜的两侧，这称为第24页/共78页3.3.细胞膜糖类细胞膜糖类 细细胞胞膜膜所所含含糖糖类类甚甚少少，主主要要是是一一些些寡寡糖糖和和多多糖糖链链，它它们们都都以以共共价价键键的的形形式和膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂和糖蛋白；式和膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂和糖蛋白；糖糖链链的的意意义义:以以其其单单糖糖排排列列顺顺序序上上的的特特异异性性，作作为为它它们们所所在在细细胞胞或或它它们们所所结合的蛋白质的特异性结合的蛋白质的特异性“标志标志”。第25页/共78页 1.被动转运（passive transport）概念:物质从高浓度的一侧，

15、通过细胞膜运送到低浓度的一侧，即顺浓度的方向跨膜转运的过程称为 特点:物质的转运速率既依赖于膜两侧被转运物的浓度差，又与被转运物质的分子大小、电荷和在脂质层中的溶解性有关。被 动 转 运 包 括 单 纯 扩 散（simple diffusion）和 易 化 扩 散（facilitated diffusion）。第26页/共78页第27页/共78页第28页/共78页第29页/共78页 1.1.被动转运被动转运 单单纯纯扩扩散散 疏疏水水性性小小分分子子及及极极性性分分子子能能迅迅速速地地经经扩扩散散通通过过脂脂双双层层膜膜。是是单单纯的物理过程的跨膜物质转运方式称为单纯扩散。纯的物理过程的跨膜物

16、质转运方式称为单纯扩散。易易化化扩扩散散 稍稍大大些些的的极极性性分分子子和和小小的的带带电电离离子子通通过过细细胞胞膜膜需需要要借借助助膜膜蛋蛋白白的帮助，扩散速率显著增大，称为易化扩散。的帮助，扩散速率显著增大，称为易化扩散。第30页/共78页 易化扩散 类型：1、以载体为介导的易化扩散（carrier-mediated diffusion）“载体”是指细胞膜上一类特殊蛋白质，它能在物质高浓度一侧与其发生特异性结合，诱发具体过程尚不完全清楚的构象变化，把物质转运到低浓度一侧并解离。2、以通道为介导的易化扩散 常与一些带电离子的跨膜扩散有关。通道蛋白质有多种，如Ca2+通道有3种，K+通道达

17、7种以上。通道区分为化学依从性通道（如ACh道）和电压依从性通道（如Na+道）等。第31页/共78页第32页/共78页第33页/共78页第34页/共78页第35页/共78页第36页/共78页 2.主动转运（active transport）一些离子在细胞内外的分布存在显著差别。细胞之所以能维持这种恒定的离子梯度差，是由于细胞膜具有逆浓度梯度转运物质的功能，称为主动转运。表1-1 典型的哺乳动物细胞内外离子浓度的比较 单位：mmol/L 第37页/共78页 2.主动转运 电化学梯度(electrochemical gradient)：被运送物质如果带有电荷，则转运逆两个梯度，一是浓度梯度，二是电

18、荷梯度，这二者总和称为 钠泵（sodium pump）：由催化亚单位和一个糖蛋白以四聚体形式存在于膜上。钠泵的活动需要Na+和K+的特定分布（Na+在膜内、K+位于膜外）时才能分解胞内的ATP提供能量而进行，因此又被称为Na+-K+依赖式ATP酶。钠泵生理意义：首先细胞内高K+水平是许多代谢反应的必备条件；其次维持细胞内外离子不均匀分布，建立起一种势能贮备可以完成许多生理功能。第38页/共78页第39页/共78页第40页/共78页 2.主动转运 继发性主动转运：间接利用了细胞提供的能量完成的逆梯度物质转运又可称为或次级主动转运(secondary active transport)。原发性主动

19、转运（primary active transport）：像Na+泵活动则称为或初级主动转运。同方向进行，叫做同向协同转运（symport concerted transport），反向进行叫做反向(antiport)协同转运。第41页/共78页 3.3.胞吐胞吐(exocytosis)exocytosis)与入胞与入胞(endocytosis)endocytosis)式物质转运式物质转运 细细胞胞从从外外界界吸吸附附的的大大分分子子或或颗颗粒粒，逐逐渐渐被被细细胞胞膜膜的的一一小小部部分分包包围围、内内陷陷，其其后后从从细细胞胞膜膜上上脱脱落落下下来来而而形形成成含含有有摄摄入入物物质质的的

20、细细胞胞内内囊囊泡泡的的过过程程，称称为为入入胞胞或或内内吞吞作作用用。其过程与出胞作用类似而走向相反。其过程与出胞作用类似而走向相反。第42页/共78页第43页/共78页第44页/共78页 入胞作用分3种形式：细胞摄取的是固体物质，可形成大的囊泡称吞噬作用（phagocytosis）；以小的囊泡形式将细胞周围的微滴状液体吞入细胞内的过程称胞饮作用（pinocytosis）；以被内吞物（配体）与细胞表面的专一性膜蛋白（受体）结合为起始的入胞称为受体介导式入胞（receptor-mediated endocytosis，）。第45页/共78页小结：通过对细胞跨膜物质转运过程的学习，有助于掌握生物

21、电现象、细胞间小结：通过对细胞跨膜物质转运过程的学习，有助于掌握生物电现象、细胞间信息传递等生理机制，有助于理解诸如神经递质释放、细胞分泌、小肠吸收、信息传递等生理机制，有助于理解诸如神经递质释放、细胞分泌、小肠吸收、肾小管重吸收等生理功能，为学习后续章节做好必要准备。肾小管重吸收等生理功能，为学习后续章节做好必要准备。第46页/共78页(一一)细胞生物电现象细胞生物电现象1.细胞的静息电位（restingpotential）和动作电位（actionpotential）2.生物电现象产生的机理（二）兴奋性和刺激引起兴奋的条件（二）兴奋性和刺激引起兴奋的条件1.刺激引起兴奋的条件2.组织兴奋性的

22、变化3.阈 电 位(threshold potential)和锋电位的引起4.局部反应（localresponse）及其特性（三）兴奋在同一细胞上的传导（三）兴奋在同一细胞上的传导第47页/共78页生物电现象(bioelectric phonomenon):生命活动过程中出现的电现象称为。静息电位（resting potential）:细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差，称为静息电位或膜电位（membrane potential）。其表现为膜同侧表面上各点间电位相等，通常呈膜外为正、膜内为负的极化(polarization)状态。动作电位（action potential）:可兴奋组织

23、受到刺激而发生兴奋时，细胞膜原来的极化状态迅速消失，并继而发生倒转和复原等一系列电位变化，称为动作电位。第48页/共78页第49页/共78页 神经细胞的动作电位可大体看作两部分：锋电位（spike potential）：开始是一个短促而尖锐的脉冲，习惯称后电位（after-potential）：其后是在静息电位水平上下的微小而缓慢的电位波动称 锋电位包括:去极化、反极化（也称超射，overshoot）和恢复极化的下降支3个阶段。后电位包括:负后电位和正后电位（超极化状态）两个阶段。神经冲动（impulse）:是指一个个沿着神经纤维传导的动作电位或锋电位。第50页/共78页第51页/共78页静息

24、电位产生的机制 细胞内的K+约为膜外的28倍，另外带负电荷的蛋白质也远高于膜外；静息状态下，细胞膜主要对K+有通透性，在浓度差作用下K+外流。带正电荷的K+外流吸引了带负电的蛋白质分子有外流倾向。但膜对蛋白质不通透，蛋白质被阻隔积累在膜的内表面，相应地吸引流出的K+集中分布于膜的外表面，这样产生外正内负的极化状态。这种极化状态对K+的继续外流构成阻力，并随外流K+的增多而迅速增大。显然当K+受到向外的扩散力和向内的电场力相等时，跨膜净移动为零，即达到电化学平衡（electrochemical equilibrium）。第52页/共78页动作电位产生的机制 膜在受到刺激时可能是Na+通透性的突然

25、增大，以致超过K+通透性,使大量Na+涌入膜内的结果。实验数据表明，动作电位所能达到的膜内正电位的数值相当于Na+的平衡电位；并且实验中随着标本浸浴液中Na+被同等数目的葡萄糖分子所代替（使膜外Na+浓度逐渐减小），所记录的超射值和整个动作电位也随之下降，与Na+平衡电位计算值基本一致。但精确地说，动作电位并不能达到Na+平衡电位。这主要是由于在动作电位高峰时，虽然膜对Na+不能自由通透，但是尚有残余的K+和Cl-通透。第53页/共78页动作电位产生的机制 以神经细胞为，外来刺激先引起膜对Na+通透性突然增大，Na+大量内流，导致膜电位迅速去极化乃至反极化，构成动作电位的上升支，时间少于1ms

26、；在此过程中Na+通道很快关闭而K+通道（不同于形成静息电位时的K+泄漏通道）大量开放，膜内K+大量外流使膜电位迅速恢复，构成动作电位下降支（图为电导反映膜的通透性）。负后电位表示迅速涌出的K+蓄积在膜外侧附近，暂时阻碍了K+进一步外流所致复极化变慢，而正后电位是由于膜上钠钾泵启动，在恢复膜两侧离子分布状态过程中生电性作用（泵出3个Na+同时泵入2个K+，造成超极化）等原因引起,与兴奋后的恢复有关。第54页/共78页第55页/共78页其性质可分为：物理性刺激、化学性刺激和生物刺激。适宜刺激：是指感受器对该性质的变化最敏感（即阈值最低）、或引起兴奋所需能量最低。阈刺激（threshold sti

27、mulus）：强度时间曲线上的任何一点都表示一个刚能引起组织兴奋的最小刺激，称为。曲线右上方各点表示阈上刺激，左下方各点表示阈下刺激。时值（chronaxie法文）阈强度（threshold intensity）:即固定刺激的强度时间变化率和作用时间，测定引起组织兴奋所需的最小刺激强度,又简称阈值（threshold）第56页/共78页第57页/共78页绝对不应期（absolute refractory period）：兴奋一个非常短暂出现时期。此期内无论第二次刺激强度多大，都不能使它再次兴奋，又称为乏兴奋期。相对不应期（relative refractory period）：绝对不应期后出现

28、。此期内，第二个刺激有可能引起新的兴奋，但所用的刺激强度必须超过该组织通常所需的阈强度。在相对不应期之后，组织还要经历一段兴奋性，先是轻度增高继而又低于正常的较缓慢的变化时期，分别称为超常期（supranormal period）和低常期（subnormal period）。第58页/共78页第59页/共78页 细胞受到电刺激时，先引起局部膜的去极化，膜对Na+通透性增大，Na+内流。外来刺激较小时，Na+内流的去极化倾向可被K+外流所纠正，只会发生局部微小的电位波动；而外来刺激足够大，使静息电位的绝对值减小到一个临界值（称阈电位）时，Na+通道大量开放，Na+大量内流，膜电位进一步去极化。如

29、此反复促进形成一种正反馈过程，称为Na+内流的再生性循环（或Hodgkin循环）。第60页/共78页第61页/共78页 阈电位不是单一通道的属性，而是在一段膜上能使通道开放的数目足以引起上述再生性循环出现的膜内去极化的临界水平。因此，只要外来刺激大于能引起再生性循环的水平，膜内去极化的速度就不再决定于原刺激的大小，而取决于原来静息电位的值和膜两侧浓度差。就是说动作电位要么不产生（无），一旦产生就达到最大值（全），符合“全或无定律”（all-or-none law）。第62页/共78页局部反应：细胞受到单个阈下刺激的作用不会产生动作电位，但不是无反应，也将引起去极化，但未达到阈电位水平，仅能使N

30、a+少量通道开放，这时的Na+内流叫做局部兴奋有以下几个基本特性：不是“全或无”的，而是随着阈下刺激的增大而增大；只能呈递减性传播，传播数十至数百微米即消失，称为电紧张扩布。具有总和(summation)效应。第63页/共78页不衰减性传导（conduction）：动作电位一旦在细胞膜的某一部位产生，它就会向整个细胞膜传播，而且它的幅度不会因为传播距离的增加而减弱。跳跃式传导（saltatory conduction）：有髓神经纤维外面包裹着一层既不导电、离子又不能通过的髓鞘，动作电位只能在没有髓鞘的朗飞结处才能传导，因此动作电位是越过每一段带髓鞘的神经纤维呈跳跃式传导第64页/共78页第65

31、页/共78页多细胞生物是一个统一的整体，细胞之间互相影响、协同活动。细胞间信息传递（transmission）包括:内分泌或远距分泌、突触传递、神经内分泌、旁分泌和自身分泌等几种类型。此外，离子和化学信使还可通过细胞间通道（缝隙连接）到达另一细胞起调节作用，实现同步活动。电突触（electrical synapse）:化学递质参与的直接电联系称为第66页/共78页第67页/共78页（一）由具有特异感受结构的通道蛋白质完成的跨膜物质转运 1.化学门控通道 2.电压门控通道 3.机械门控通道（二）受体G-蛋白第二信使系统（三）酪氨酸激酶受体 第68页/共78页1.化学门控通道:在神经-肌肉接头处，

32、当神经末梢有冲动到达时可释放神经递质（neurotransmitter）乙酰胆碱（ACh）,ACh扩散过间隙到运动终板膜，与终板膜上N-ACh化学门控通道的-亚单位结合，打开通道使Na+和K+跨膜易化扩散，产生终板电位而完成跨膜信号传递。2.电压门控通道:同一细胞相邻的膜两侧出现的电位改变而出现通道的开放，并由于随之出现的跨膜离子流，而出现这些通道所在膜的特有的跨膜电位改变或细胞内功能变化。3.机械门控通道:外来机械性信号通过某种膜结构内的过程，引起细胞的跨膜电位变化。第69页/共78页第70页/共78页第71页/共78页第72页/共78页受受体体(receptor)receptor)：细细胞

33、胞膜膜存存在在能能专专一一性性结结合合激激素素、神神经经递递质质以以及及其其它它化化学学物物质质并并引引起特定反应的特殊结构，称为起特定反应的特殊结构，称为受受体体的的本本质质:是是镶镶嵌嵌于于脂脂质质双双分分子子层层中中的的大大分分子子复复合合蛋蛋白白质质或或酶酶系系，由由结结合合和和催催化化两部分组成。两部分组成。G-G-蛋白蛋白:由由-、-和和-3-3个亚单位组成。个亚单位组成。第73页/共78页第74页/共78页第75页/共78页酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase receptor)这类受体结构简单，只有一个跨膜-螺旋。当位于膜外侧的较长的肽链部分（链）同特定的化学信号结合后，可以直接引起受体肽链的膜内段（链）激活，使之具有磷酸激酶活性，通过使自身肽链和膜内蛋白质底物中的酪氨酸残基发生磷酸化，因而产生细胞内效应，如胰岛素作用于肌肉细胞使葡萄糖易于渗入。第76页/共78页第77页/共78页感谢您的观看！第78页/共78页