第一章 细胞的基本功能
【目的要求】
1.了解细胞膜的分子结构，掌握细胞膜物质转运的形式
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
3.掌握局部兴奋特点和产生机制
4.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
5.结合实例理解跨膜信息传递的类型和机理
【讲授重点】
1.细胞膜的物质转运形式和影响因素
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.兴奋性与细胞生物电现象的关系
【学习难点】
1.静息电位和动作电位形成的离子机制
2.理解跨膜信息传递的机理
【课时】3学时
【教学内容】
第一节 细胞膜的基本结构和跨膜物质转运功能
一、细胞膜的化学组成与分子结构（略，详见组织学）
1.脂质双分子层
磷脂分子为双极性（双嗜性）分子，这种结构热力学稳定，可以自动形成和维持。脂质的熔点（即相变温度Tc,凝胶态与液晶态互变）很低，体温条件下呈液晶态，即膜具有某种程度的流动性。
2.细胞膜蛋白质
膜蛋白质主要以两种形式同膜脂质相结合，占20%～30%的表面蛋白质（外周蛋白质）以带电的氨基酸或基团——极性基团与膜两侧的脂质结合；占70%～80%的结合蛋白质（内在蛋白质）通过一个或几个疏水的α-螺旋即膜内疏水羟基与脂质分子结合。
3.细胞膜糖类
细胞膜糖类主要是一些寡糖链和多糖链，它们都以共价键的形式和膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂和糖蛋白；这些糖链绝大多数是裸露在膜的外面（非细胞质）一侧的。
二、跨膜物质转运功能
1.单纯扩散（simple diffusion）
(1)概念
某些脂溶性物质，如O2、CO2等气体分子，通过细胞膜由高浓度一侧向低浓度一侧作跨膜运动或转运的过程。体内一些类固醇激素虽系脂溶性物质，理论上也能够靠单纯扩散由细胞外液进入胞浆内，但同时它们也可以在某些膜蛋白质的“帮助”下较快地进入细胞。
(2)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。
2.易化扩散（facilitated diffusion）
(1)概念
指非脂溶性或脂溶性甚小的物质（如葡萄糖、氨基酸，Na+、K+、Ca2+等无机离子）在细胞膜一些特殊蛋白质的“帮助”下，由膜的高浓度（高电位）一侧向低浓度（低电位）一侧扩散或 转运的过程。
(2)特点：①从高浓度到低浓度 ②特异性 ③受调节
(3)分类
①载体介导： 以蛋白质载体为中介（Carrier medialed）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。
②通道介导：以离子通道（ion 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。
分类：①化学门控通道（chemically-gated channel） ②电压门控通道（voltage-gated
channel） ③机械门控通道（mechanically-gated channel）
(4)影响因素：离子的易化扩散。
3.主动转运与继发性主动转运
(1)概念
主动转运（active transport）指细胞通过本身的某种耗能过程将某种物质的分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程。在细胞膜的主动转运中研究得最充分的是Na+和K+的主动转运过程。
钠-钾泵（sodium-potassium pump）：是镶嵌在膜的脂质双分子层中的、具有ATP酶活性的特殊蛋白质。它可被Na+、K+和Mg2+等离子所激活，通过分解ATP为物质主动转运提供能量。
钠-钾泵活动的生理意义：
①胞内低Na+，维持细胞体积
②胞内高K+，酶活性----新陈代谢正常进行
③势能储备
(2)分类：初级主动转运（例如Na+、K+的主动转运）
继发性主动转运（例如小肠上皮对葡萄糖的主动转运）
(3)主要特点：①专一性；②运送速度可达饱和；③方向性；④选择性抑制；⑤需能，即与能量传递系统偶联。
4.出胞与入胞
(1)入胞（endocytosis）：指细胞外某些大分子物质或团块（例如侵入动物体内的细菌、病毒或大分子蛋白质等）被整批转入细胞的过程。如进入的物质是固体物质，便称为吞噬（phagocytosis）；如进入的是液体物质，则称为吞饮（pinocytosis）。
(2)出胞（exocytosis）：指某些大分子物质或团块由细胞排出的过程。例如，腺细胞分泌某些酶和粘液，内分泌腺分泌激素以及神经末稍释放递质等都属于出胞作用。
5.细胞间通道
即组织学中的缝隙连接(gapjunction)，膜上6聚体蛋白质通道性结构对接（非永久，与细胞间不沟通，受环境因素影响）。允许1.0～1.5Kd以下或分子直径小于1nm的物质分子通过，包括了电解质分子、氨基酸、葡萄糖和核苷酸等。
第二节 细胞的兴奋性和生物电现象
一、细胞的生物电现象
生物电现象：细胞在静息或活动状态下所伴随的各种电现象（离子电流、溶液导电、静息电位、动作电位等）总称为生物电现象。
（一）静息电位（resting potential，RP）
1.概念
静息电位是指细胞未受刺激时，存在于膜内外两侧的电位差。
表现：细胞同侧表面上各点间电位相等，细胞内外两侧存在电位差。所有动物细胞（及绝大多数植物细胞）的电位为外正内负。不同细胞静息电位值不同。但每种细胞静息电位值一般是稳定的。
2.形成机制
“膜学说”认为是由于膜内外两侧离子分布的不均匀以及细胞膜的选择通透性。静息状态下，细胞膜对钾离子有相对中等的通透性，对钠离子的通透性只及前者约1/100等。
K+在浓度差作用下向细胞外扩散，并滞留在细胞外表面形成向内的电场，当达到电-化学平衡时，K+净流量为零。因此，可以说静息电位相当于K+外流形成的跨膜平衡电位。
（二）动作电位（action potential，AP）
1.概念
细胞膜受到刺激后，在静息电位的基础上膜两侧电位所发生的快速、可逆的倒转和复原。
特点： ①波幅大小与刺激强度无关，②可沿细胞表面进行不衰减传导，③不能融合。
2.形成机制
先弄懂几个相关概念：
极化(polarization)：静息状态下，细胞膜外为正电位、膜内为负电位的状态，称为极化。
去极化（depolarization）：生物膜受到刺激或损伤后，膜内外的电位差逐渐减小，极化状态逐步消徐，此种过程称为去极化。
超极化（hyperpolarization）：原有极化程度增强，静息电位的绝对值增大，兴奋性降低的状态。
复极化（repolarization）：由去极化状态恢复到静息时膜外为正、膜内为负的极化状态的过程，称为复极化。
锋电位（spikepotential）：构成动作电位主要部分的一次短暂而尖锐的脉冲样变化，是细胞兴奋的标志。
后电位（afterpotential）：继锋电位后所出现的电位波动。可分为负后电位（去极化后电位）和正后电位（超极化后电位）。它代表细胞兴奋后兴奋性的恢复过程。
动作电位产生的机制与静息电位相似，都与细胞膜的通透性及离子转运有关。
(l)去极化过程 当细胞受刺激而兴奋时，膜对Na+通透性增大，对K+通透性减小，于是细胞外的Na+便会顺其波度梯度和电梯度向胞内扩散，导致膜内负电位减小，直至膜内电位比膜外高，形成内正外负的反极化状态。当促使Na+内流的浓度梯度和阻止Na+内流的电梯度，这两种拮抗力量相等时，Na+的净内流停止。因此，可以说动作电位的去极化过程相当于Na+内流所形成的电-化学平衡电位。
(2)复极化过程 当细胞膜除极到峰值时，细胞膜的Na+通道迅速关闭，而对K+的通透性增大，于是细胞内的K+便顺其浓度梯度向细胞外扩散，导致膜内负电位增大，直至恢复到静息时的数值。
可兴奋细胞每发生一次动作电位，总会有一部分Na+在去极化中扩散到细胞内，并有一部分K+在复极过程中扩散到细胞外。这样就激活了Na+-K+依赖式ATP酶即Na+-K+泵，于是钠泵加速运转，将胞内多余的Na+泵出胞外，同时把胞外增多的K+泵进胞内，以恢复静息状态的离子分布，保持细胞的正常兴奋性。如果说静息电位是兴奋性的基础，那么，动作电位则是可兴奋细胞兴奋的标志。
3.动作电位时相与兴奋性时期
(1)动作电位时相
①锋电位 上升支：去极化，反极化
下降支：复极化始段、中段
②后电位 负后电位：复极化末段
正后电位：超极化
(2)兴奋性时期
①绝对不应期(absduterefrectoryperiod）
②相对不应期(relativerefrectoryperiod)
③超常期(supranomalrefrectoryperiod)
④低常期(subnormalrefrectoryperiod)
(3)二者对应关系(见右图)
二、兴奋的引起和兴奋的传导机制
1.刺激引起兴奋性的条件和阈刺激
(1)刺激的强度
阈强度（threshold intensity）：引起组织细胞产生兴奋的最小刺激强度。
阈刺激(threshold stimulation)：达到阈强度的刺激才是有效刺激，称为阈刺激。
阈下刺激(subliminal stimulus)：低于阈强度的刺激，不能引起兴奋。
阈上刺激：高于阈强度的刺激，能引起兴奋。
(2)刺激的持续时间
时间阈值：引起组织产生兴奋的最短刺激作用时间。
(3)强度-时间变化率
基强度（rheobase）：当刺激持续时间超过一定的限度时，时间因素不再影响强度阈值，或者说，存在一最低的或最基本的阈强度，称为基强度。
时值（chronaxie）：当刺激强度为基强度的2倍时，刚能引起反应所需的最短刺激持续时间为时值。
2.阈电位和锋电位的引起
膜内负电位必须去极化到某一临界值时，才能整段膜引发一次动作电位，这个临界值大约比正常静息电位小10～20mV，称为阈电位(threshold membrane potential)。未达到阈电位时，不能产生动作电位。阈电位不是单一通道的属性，而是在一段膜上能使Na+通道开放的数目足以引起Na+内流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，（整个动作电位上升支的幅度也只决定于原来静息电位的值和膜两侧钠离子浓度差），即“全或无”机制。
3.局部反应及其特性
单个阈下刺激能造成去极化，未达到阈电位水平，少量Na+道开，Na+内流叠加产生局部反应（局部兴奋），很快被K+外流所抵消。
基本特性：
（1）不是“全或无”的，而是随着阈下刺激的增大而增大。
（2）不能在膜上作远距离的传播。
（3）可以互相叠加（时间性和空间性总和）。
（4）不表现不应期。
4.兴奋在同一细胞上的传导机制
可兴奋细胞任何一处膜产生动作电位，在兴奋膜反极化时与临近膜电位的差值可达90～130mV，这对临近的处于静息电位状态的膜足以构成阈刺激（数倍以上），具体讲就是电势差通过导电的膜两侧而有电荷移动，称为局部电流（local
current），引起静息膜去极化并且爆发动作电位。即实现了动作电位的传播。以此类推，可以使整个细胞膜依次兴奋一遍。
动作电位传播特征：可以双向传导，NF本身无传入、传出之分；不衰减，幅度不变，浓度梯度直接能源；相对不疲劳性。
第三节 细胞的跨膜信息传递功能
一、通过特殊感受结构的通道蛋白质完成的跨膜信号传递
(例如：神经-肌肉接头，突触含有此类跨膜信号传递)
1.化学门控通道
例如神经-肌肉接头处。兴奋（神经冲动）传到神经末梢处，末梢释放一定数量的Ach分子，扩散过间隙到运动终极膜，与终极膜上的烟碱型Ach化学门控通道的α-亚单位结合，使通道开放，带电离子内流，产生终板电位。即实现了兴奋由神经到肌肉的传递，最后引起整个肌细胞的兴奋与收缩。
2.电压门控通道
Na+、K+和Ca2+等离子通道，虽具有与化学门控通道类似的分子结构，但控制其开放与否的因素却是通道所在膜两侧的跨膜电位的改变；也就是说，在电压门控通道的分子结构中，存在一些对跨膜电位的改变敏感基因或亚单位，由后者诱发整个通道分子功能状态的改变。
二、由膜的特异性受体蛋白质、G-蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜信号传递系统
（理解跨膜信息传导的概念，其具体内容可结合激素作用机理讲授）
受体（receptor）：指细胞中（包括细胞膜和细胞内）某些能与激素、递质和其它生物活性物质结合，并能引起特定生物学效应的特殊结构。通常是存在于细胞膜或细胞内的特殊蛋白质，主要是球状蛋白，也有的是糖蛋白或脂蛋白。
G蛋白：鸟苷酸结合蛋白的简称，有10多种亚型，但其结构和功能极为相似。G蛋白通常由α、β和γ3个亚单位组成，其中α亚单位起催化作用。无活性的G蛋白（抑制性G蛋白）与1分子GDP结合；已激活的G蛋白（兴奋性G蛋白）其α亚单位与GDP和其它2个亚单位分离，而与1分子GTP结合，并对膜的效应器酶起催化作用，后者的激活可引起胞浆中第二信使生成增加或减少。
第二信使：在细胞内继续传递激素所携带的调节信息的特殊化学物质，称为第二信使。含氮类激素的第二信使为cAMP，甾体类激素的第二信使为细胞内的激素-受体复合物。此外，Ca2+、cGMP、前列腺素、三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）也可作为第二信使。根据第二信使的不同可分为：
①由膜受体、G蛋白和腺苷酸环化酶组成的跨膜信息传递系统
②由膜受体、G蛋白和磷脂酶C组成的跨膜信息传递系统
【思考题】
1.细胞膜转运物质的形式有几种？它们是怎样实现物质转运的？
2.跨膜物质转运中易化扩散与主动转运的关系如何？
3.什么叫兴奋性、兴奋？可兴奋细胞有何特点？
3.当兴奋在球形细胞上传导时，为什么不会沿细胞膜反复在细胞上循环不停？
4.为什么动作电位的大小不因传导的距离增大而降低？
5.刺激坐骨神经，兴奋是怎样传到骨骼肌细胞膜上的？
【参考文献】
1. 姚泰 主编. 生理学，第五版，北京：人民卫生出版社，2002 P7～46
2. 陈杰主编 家畜生理学，第四版，北京：中国农业出版社，2003.12 P11~31
3. 杨秀平主编 动物生理学，北京：高等教育出版社，2002.9 P9~59