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中南大学基础医学院:《生理学》课程教学资源(授课教案)第二章 细胞的基本功能

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精品课程生理学敏案 第二章细胞的基本功能 [目的要求] 1、了解细胞膜的分子结构,掌握细胞膜的物质转运的形式和影响因素 2、掌握静息电位和动作电位的概念、特点和形成的离子机制,并了解静息电位和动作电位形成的理论的主要证据 3、掌据局部兴奋特点和产生机制,掌拆动作电位的引起和兴奋在同一细胞 上的传导机制及特点 4、了解神经-骨酪肌接头的结构特点、掌握神经-骨路肌接头兴奋传递过程,热悉影响神经-骨酪肌接头兴奋传递的 主要因素及其临床意义 5、苹握肌肉收缩原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力的概念,熟悉前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的 影响 [讲授重点] 1细胞膜的物质转运的形式和影响因索 2静息电位和动作电位的概念和形成的高子机制 3.局部兴奋、动作电位的引起和兴奋在同一细跑上的传导机制 4,神经-骨酪肌接头处的兴奋传递及影响因素 5.肌肉收缩原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响 「授难占1 1.继发性主动转运 2.静息电位和动作电位形成的离子机制 3.前负荷、后负荷对肌肉收缩的影响 「教材1 生理学(5饭).雄表主给.人民卫生出版社,2000.北京 案例:某男性志者,16岁,近来运动后感到极度无力,尤其是在进食大量淀粉类食物后加重。门诊检查血清钾正常 (4.5E/L) 但运动后血清钾明显降低(2.2/L),经补钾治疗后症状缓解。 1,为什么低血钾会引起极度肌肉无力 2.为什么在进食大量淀粉后症状加重? 3.血钾增高时对肌肉收缩有何影响?为什么? 细胞是组成人体和其他生物体的基本结构单位和功能单位。体内所有的生理功能和生化反应都是在细胞及其产物的 物质基础上进行的。只有在了解细跑和细跑器的分子组成和功能的基础上,才能闸明整个人体和各器官、系统的功 能活动及其机制。 一、细胞膜的物质转运功能 (一)细胞膜的结构 1.细胞膜的分子组成主要由脂质、蛋白质和少量糖类组成(图-),膜中脂质的分子数超过蛋白质分子数100倍 以上

精品课程生理学教案 第二章 细胞的基本功能 [目的要求] 1、了解细胞膜的分子结构,掌握细胞膜的物质转运的形式和影响因素 2、掌握静息电位和动作电位的概念、特点和形成的离子机制,并了解静息电位和动作电位形成的理论的主要证据 3、掌握局部兴奋特点和产生机制,掌握动作电位的引起和兴奋在同一细胞 上的传导机制及特点 4、了解神经-骨骼肌接头的结构特点、掌握神经-骨骼肌接头兴奋传递过程,熟悉影响神经-骨骼肌接头兴奋传递的 主要因素及其临床意义 5、掌握肌肉收缩原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力的概念,熟悉前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的 影响 [讲授重点] 1.细胞膜的物质转运的形式和影响因素 2. 静息电位和动作电位的概念和形成的离子机制 3. 局部兴奋、动作电位的引起和兴奋在同一细胞上的传导机制 4. 神经-骨骼肌接头处的兴奋传递及影响因素 5. 肌肉收缩原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响 [讲授难点] 1.继发性主动转运 2. 静息电位和动作电位形成的离子机制 3. 前负荷、后负荷对肌肉收缩的影响 [教材] 生理学(5 版),姚泰主编,人民卫生出版社,2000,北京 案例:某男性患者,16 岁,近来运动后感到极度无力,尤其是在进食大量淀粉类食物后加重。门诊检查血清钾正常 (4.5 mEq/L),但运动后血清钾明显降低(2.2mEq/L),经补钾治疗后症状缓解。 1.为什么低血钾会引起极度肌肉无力? 2.为什么在进食大量淀粉后症状加重? 3.血钾增高时对肌肉收缩有何影响?为什么? 细胞是组成人体和其他生物体的基本结构单位和功能单位。体内所有的生理功能和生化反应都是在细胞及其产物的 物质基础上进行的。只有在了解细胞和细胞器的分子组成和功能的基础上,才能阐明整个人体和各器官、系统的功 能活动及其机制。 一、 细胞膜的物质转运功能 (一) 细胞膜的结构 1. 细胞膜的分子组成 主要由脂质、蛋白质和少量糖类组成(图 2-1)。膜中脂质的分子数超过蛋白质分子数 100 倍 以上

图2-1A细胞膜的分子组成B砖脂的分子结构模式图 2.液态相嵌模型(1 uid mosaic ode1) 以液态的脂质双分子层为基架,其中嵌着具有不同分子结构和不同生理功能的球形蛋白质(图2-2) 图2-2细胞膜液态相嵌模型示意图 二、跨腿物质转运的方式 (一)单纯扩散(simple diffusion) 概念:脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运。体内依靠单纯扩散通过细胞膜的物质只有脂溶性气体分子2 和C02。 图2-3扩散示意图

图 2-1 A 细胞膜的分子组成 B 磷脂的分子结构模式图 2. 液态相嵌模型(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球形蛋白质(图 2-2)。 图 2-2 细胞膜液态相嵌模型示意图 二、跨膜物质转运的方式 (一)单纯扩散 (simple diffusion ) 概念:脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运。体内依靠单纯扩散通过细胞膜的物质只有脂溶性气体分子 O2 和 CO2。 图 2-3 扩散示意图

影响因素: *动力:浓度差 浓度差增大、通透性增高,扩散增大 (二)易化扩散(facilitated diffusion) *特异性 *受调节 3.分类: *投体(carrier)为中介的易化扩散 特点:结构特异性高:有饱和现象:有争性抑制现象:有饱和现象 通道(channel)为中介的易化扩散 特点:有一定特异性,但没有载体严格:可以处于开放或关闭的不同功能状态,其通透性变化快 化学门控通道(chemically-gated channel) 电压门控通道(voltage-gated channel) 机械门控通道(mechanically-gated channel) 影响因素 离子的 (ma 电位差 (三)主动转运(active transport 1.概念:通过细胞本身的耗能将物质从低浓度侧向高浓度侧跨膜转运 被动转运(passive transport)单纯扩散、易化扩散 2.分类: *原发性主动转运(primary active transport) (so 继发性主动转运(secondary active transport)

影响因素: *动力:浓度差 *阻力:通透性( permeability ) 通透性 :物质通过膜的难易程度 浓度差增大、通透性增高,扩散增大 (二)易化扩散(facilitated diffusion ) 1. 概念:在膜蛋白的帮助下物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运 2. 特点: * 从高浓度到低浓度 * 特异性 * 受调节 3. 分类: *载体( carrier)为中介的易化扩散: 特点:结构特异性高;有饱和现象;有竞争性抑制现象:有饱和现象 *通道( channel)为中介的易化扩散: 特点:有一定特异性,但没有载体严格;可以处于开放或关闭的不同功能状态,其通透性变化快 化学门控通道(chemically-gated channel) 电压门控通道(voltage-gated channel) 机械门控通道(mechanically-gated channel) 4. 影响因素 离子的易化扩散 (三)主动转运 ( active transport ) 1. 概念:通过细胞本身的耗能将物质从低浓度侧向高浓度侧跨膜转运 被动转运 ( passive transport )单纯扩散、易化扩散 2. 分类: *原发性主动转运 (primary active transport ) 钠-钾泵(sodium-potassium pump,钠泵) *继发性主动转运 (secondary active transport )

钠钾泵活动生理意义 胞内低a,维持细胞体积 *胞内高K,酶活性一一新陈代谢正常进行 *势能储备 钠、钾的易化扩散 继发性主动转运,联合转运(cotransport) 同向转运(symport) 逆向转运(antiport) C 图2-7跨摸物质转运示意图 同向转运(symport) B C糖的继发性主动转运D钙的跨膜转运 (四)入胞(endocytosis)和出胞(exocytosis) 入胞和出胞:大分子、团块 需膜的运动 被动转运、主动转运:小分子

钠-钾泵活动生理意义 *胞内低 Na,维持细胞体积 *胞内高 K,酶活性----新陈代谢正常进行 * 势能储备 钠、钾的易化扩散 继发性主动转运,联合转运 (cotransport) 同向转运(symport) 逆向转运(antiport) (四)入胞(endocytosis)和 出胞(exocytosis) 入胞和出胞:大分子、团块,需膜的运动 被动转运、主动转运:小分子

6 学 图2-8入胞作用示意图 二、细驹的生物电活动 (一)静息电位(Resting potential,Rp) 1.概念安静状态下细跑膜两侧的电位差 极化(po):外正内负,膜两侧电位差等于 去极化(depolarization):膜两侧电位差低于R即 复极化(repolarization):由去极化恢复极化 超极化(hyperpolarization):膜两侧电位差高于即 图2.9即测症示意图.· 2.RP的形成机理: CK]P[K]◆K外流 pt高, 促进K外流的浓度势能 =,阻碍K外流的电场力 K的净外流为零 证明: 1、Nernst公式 Ek=59.5 Log [K+]o/[K+]i (mV) 理论值-87m,实际值-7a

二、 细胞的生物电活动 (一) 静息电位(Resting potential, RP) 1.概念 安静状态下细胞膜两侧的电位差 极化 (polarization):外正内负,膜两侧电位差等于 RP 去极化(depolarization):膜两侧电位差低于 RP 复极化(repolarization):由去极化恢复极化 超极化(hyperpolarization):膜两侧电位差高于 RP 证明: 1、Nernst 公式 Ek= 59.5 Log [K+ ]o/[K+ ]i (mV) 理论值 -87mV,实际值 -77mV

Z、改变细胞外液中的K+浓度,即变化与Nernst公式预期的理论值相似 (二)动作电位 L.概念细胞受刺激后在P基础上发生的一次膜两侧电位快速倒转和复原,称动作电位Action Potential,A) (图2-10 兴奋(excitation):产生AP 兴奋性(excitability):接受刺激产生AP的能力 上升支去极化(-70mV到0mv) 「峰电位 招射(0mV到+30mW) 下古 复极化(+30rmV到-70mV) 去极化后电位(负后电位) 后电位 超极化后电位(正后电位) 翠 2.Action Potential,产生机制 去极化膜内外Na+不均匀分布(外高内低) 膜突然对+通透增大(+通道开放) 内流达平衡电位 复极化:阳通道关闭,K+通道开放,K+外流 证据: (1)ernst公式 ENa=59.5 Log [Na+]o/[Na+]i (mV) 超射值B (2)改变细胞外波的Na+浓度,AP变化与Nernst公式预期的理论值相似 图2-12降低细胞外液的十浓度对 AP的响w (3)河豚毒(tetrodotoxin.,TTX)阻断钠通道,AP不再产生 (4)电压钳或膜片钳测定不同离子膜电流和膜通透性变化

2、改变细胞外液中的 K+浓度,RP 变化与 Nernst 公式预期的理论值相似 (二)动作电位 1.概念 细胞受刺激后在 RP 基础上发生的一次膜两侧电位快速倒转和复原,称动作电位(Action Potential, AP) (图 2-10) 兴奋(excitation):产生 AP 兴奋性(excitability):接受刺激产生 AP 的能力 2. Action Potential,产生机制 去极化 膜内外 Na+不均匀分布(外高内低) 膜突然对 Na+通透增大( Na+通道开放) Na+内流达 Na+平衡电位 复极化 :Na+通道关闭, K+通道开放, K+外流 证据: (1)Nernst 公式 ENa= 59.5 Log [Na+]o/[Na+]i (mV) 超射值= ENa (2)改变细胞外液的 Na+浓度,AP 变化与 Nernst 公式预期的理论值相似 (3)河豚毒(tetrodotoxin,TTX)阻断钠通道,AP 不再产生 (4)电压钳或膜片钳测定不同离子膜电流和膜通透性变化

E 2 图2-13电压钳实验布置示意图 图2-14神经AP和膜Na+、K+ 电导改变在时间上的相互关系 3. 钠通透性变化的本质和细胞兴奋性周期性变 ,图215膜片谢实验布置示意图: A:咨中p万正录到的单通道电流,VCMD决定设定的膜电位数值, B:在大鼠胚胎骨路肌细胞膜片上记录到的由ACH激活的单通道。 离子电流,强度为A(皮安)级

3. 钠通透性变化的本质和细胞兴奋性周期性变化

-110mV 60 射间(ms) 图2-16电压门控+通道的膜片钳记录 110rmv突然固定到-50mV, 在3次膜片钳实验 B:将144次莫片钳记录到的离子电流曲线进行平均叠加,得到一条娄似图2-13 中曲线C的a+电流曲线,说明后者是多数Na+通道激活的结果 用态 动 颜活快态 图2-17N+通道三种状态示意图+ 个图2.18神经细胞AP产生 离子机制示意图 4.兴奋性的周期性变化: 绝对不应期(absolue refractory period) 相对不应期((relative refractory period) 超常期(superanor图1 period)

4.兴奋性的周期性变化: 绝对不应期( absolute refractory period) 相对不应期(relative refractory period) 超常期( superanormal period)

低常期(subnormal period) 反后电位的产生机制 去极化后电位(负后电位):细胞外一过性K蓄积 超极化后电位(正后电位):泵活动增强 6,电位的引起和传导 阂电位(threshold membrane potential) 能引起a通道大量开放而爆发P的临界膜电位水平。有效刺激本身可以引起膜部分除极,当除极水平达到阀电位 时,便通过再生性循环机制而正反馈地使a+通道大量开放。 A. 图2-19?局都兴奋的女验布()和实结)示感明见正文 再生性循环 一Na通道开 一→Na内流去极化一AP升支 K通道开 K外流一AP降支 了动作电位的传导 局部电流(local current) 在膜的已兴奋区与相邻接的未兴奋区之间,由于存在电位差而产生局部电流。局部电流的强度数倍于阀强度,并且局 部电流对于未兴奋区是可以引起除极的出膜方向,因此,局部电流是一个有效刺激,使未兴奋区的膜除极达到阀电

低常期(subnormal period) 5.后电位的产生机制 去极化后电位(负后电位):细胞外一过性 K 蓄积 超极化后电位(正后电位):Na 泵活动增强 6.电位的引起和传导 阈电位(threshold membrane potential) 能引起 Na 通道大量开放而爆发 AP 的临界膜电位水平。有效刺激本身可以引起膜部分除极,当除极水平达到阈电位 时,便通过再生性循环机制而正反馈地使 Na+通道大量开放。 7 动作电位的传导 局部电流(local current ) 在膜的已兴奋区与相邻接的未兴奋区之间,由于存在电位差而产生局部电流。局部电流的强度数倍于阈强度,并且局 部电流对于未兴奋区是可以引起除极的出膜方向,因此,局部电流是一个有效刺激,使未兴奋区的膜除极达到阈电

位而产生动作电位。兴奋在同一细胞上的传导,实际上是由局部电流引起的逐步兴奋过程。 Direction of Acticn Poteatial ea e 图2-20AP传导的局部电流学说示意图· 跳跃传导(saltatory conduction) 有髓神经纤维的髓椭有电绝缘性,局部电流只能产生在两个郎飞结之间,称为洗跃传导。速度快 节能 de ef 图221AP跳跃传导的示意图 8动作电位的特点 *大小与刺激强度无关 *不衰减传导 *不能融合 9局部电位((local potential 由阀下刺激引起的小的电位变化

位而产生动作电位。兴奋在同一细胞上的传导,实际上是由局部电流引起的逐步兴奋过程。 跳跃传导(saltatory conduction ) 有髓神经纤维的髓鞘有电绝缘性,局部电流只能产生在两个郎飞结之间,称为跳跃传导。 速度快 节能 8 动作电位的特点: * 大小与刺激强度无关 * 不衰减传导 * 不能融合 9 局部电位(local potential) 由阈下刺激引起的小的电位变化

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