人体生理学2解读

1、二、细胞膜的物质转运机能Trans port Across Cell Membrane细胞在新陈代谢过程中，需要不断从环境中得到02和营养物质，排除CO2和代谢产物。但以脂质双分子层为基架的细胞膜，只能允许脂溶性的物质自由通过，其它水溶性的物质，如离子、小分子物质、 蛋白质大分子，团块物，液滴等的跨膜转运均与镶嵌在膜中的蛋白质有关。细胞膜的物质转运有以下三种 方式：被动转运 Passive trans port主动转运 Active trans port出胞和入胞 Exocytosis and endocytosis（一） 被动转运 Passive trans port被动转运是指物质依据其细

2、胞膜内外的电-化学势差，顺浓度梯度或电势梯度，由高浓度或高电势的一侧向低浓度或低电势的一侧转运。转运时物质移动所需的能量来自高浓度或高电势一侧溶液所含的势能，图2-1-2二杯水中的物质扩散因而不需细胞额外供能。被动转运最终达到的平衡点是膜两侧浓度 差和/或电势差为零。1. 扩散（Diffusion ）糖分予根据物理学原理，溶液中的一切分子都处于不断的热 运动当中（分子运动的平均动能与溶液的绝对温度成正 比），而高浓度区域中的溶质分子总有向低浓度区域的净 移动，这种现象称为扩散（图2-1-2 ）。一般条件下，物质通过膜的扩散量与膜两侧该物质的 浓度差成正比。如果溶液是含有多种溶质的混合溶液，则

3、其中每一种物质的扩散方向和扩散量，只决定于该物质的 浓度差，与其它物质的浓度或移动方式无关。但对电解质溶液，其中离子的移动除取决于浓度差外，还取决于离子所受的电场力，即 电位差。扩散可分为：单纯扩散和易化扩散。2. 单纯扩散（Simple diffusion）概念：依物理学扩散原理跨细胞膜的转运方式称为单纯扩散。特点：单位时间的扩散量不仅取决于膜两侧该物质的浓度梯度，还取决于细胞膜对该物质的 通透性（P ermeability ）。当细胞膜对某物质通透时，该物质单纯扩散的速度与膜两侧浓度差的关系是正相关的。单纯扩散的物质：由于细胞膜的基架为脂质双分子层，因此脂溶性高的分子，因膜对其有较高的通透

4、性而能够进行单纯扩散。比较肯定的有 O2和CO2等气体分子，它们溶于水， 也溶于脂质，可以依据各自 的浓度差自由通透细胞膜。3.渗透（Osmosis ）渗透是单纯扩散的一种特例，是指 水分子的跨膜转运。在选择 性通透水而不通透溶质的半透膜处，水将从低溶质浓度（水分子浓 度高，渗透压低）的溶液一侧向高溶质浓度（水分子浓度低，渗透压高）的溶液一侧转运。2-1-4）。B2渗透压：是由溶解在水溶液中的溶质颗粒数决定的，溶质颗粒 数越多，渗透压越高。渗透压的大小可以用 mmHg表示，但通常以 渗透浓度（mOsm/L）表示。正常人血浆的渗透浓度约为313mOsm/L（相当于5330 mmHg）； 1mmo

5、l/L葡萄糖的渗透浓度为 1mOsm/L ； 1mmol/L NaCl （Na+ + Cl-）的渗透浓度为2mOsm/L。水分子总是由 渗透压低的区域向渗透压高的区域转运 （图2-1-3 ）。渗透现象举例：各图显示红细胞在不同渗透压溶液中的形态（图细胞膜就是一个半透膜。红细胞在等渗溶液中形态正常，在咼渗溶液中皱缩（水渗出）。在低渗溶液中膨 胀（水渗入）。4.易化扩散不溶于脂质或脂溶性差的物质不能自由 通过细胞膜脂质双分子层，但在特殊的膜蛋白质的“帮助”下，它们也能以很快的速度顺浓度梯度或/和电势梯度转运。这种转运方式称为易化扩散（Facilitateddiffusion ） o其转运的能量与单

6、纯扩散一样，也是来自于高浓度或高电势一侧溶液所含的势能, 胞额外供能。单纯扩散和易化扩散是被动转运的两种基本方式。易化扩散又 扩散和以通道为中介的易化扩散。1）以载体为中介的易化扩散（Carrier mediated facilitated diffusion ）许多细胞生存必须的营养物质，如葡萄糖和氨基酸等都不溶于脂质，但在载体的帮助下，可以实现被动的跨膜转运（图2-1-5 ）o载体是细胞膜上的一类特殊蛋白质，具有一个或数个能与某种被转运物结合的位点或结构 域，因而可与膜一侧被转运物分子选择性地结合，并引起自身变构，将被转 运物移向膜的另一侧。若该侧被结合物的浓度较低，载体即与之分离并恢复

7、原有构型，从而完成被转运物的跨膜转运，并为下一次结合和转运做好准备（图以载体为中介的易化扩散具有以下特征：高度的结构特异性、饱和现象、因而不需细可分为：以载体为中介的易化以载体为中介的易化扩散（请点击动画）-咎2-1-6）竞争性抑制。载体与被转运的物质间有高度的结构特异性，例如葡萄糖载体只转运右旋葡萄糖，不转运左旋葡萄糖。由于某种物质的载体数目或每一载体上能与该物质结合的位点数目是固定的，所以在低浓度时，所结 合的载体数量随溶液中被转运物质的浓度升高而增多，转运速度可随被转运物质的浓度升高而增加，但在 高浓度时，当被转运物质将所有的载体都结合了，没有多余的可以再利用时，转运速度不再增加，因而达

8、 到饱和。M葡莓糖栽体图2-1-6易化扩散一葡萄糖进入一般细胞Na+通道：葡萄糖载体：Na+-K+-ATP酶（主动转运）=1 xg7： 1X104 : 5X102。很快进入 失活或关闭状态。离子通过通道进行跨膜移动即形成 跨膜电流。 k+通道、Ca2+通道等；甚至对同一种离子也存在结构和功能不同的通道Ca2+通道和七种以上的K+通道等。特征：高速度、有门控原理、离子选择性。外闿!5沫 (uicl/L)图 2-1-5如果某一载体对结构类似的两种物质都有转运能力，两者可以竞争载体，当两种物质同时存在 时，每一种物质的转运速度均比单独存在时减低。2） 以通道为中介的易化扩散（Channel medi

9、ated facilitated diffusion ）细胞膜对离子的通透性极差，但它们能在膜上的 离子通道的 帮助”下，以非常高的速度顺浓度梯度和电势梯度进行跨膜转运。离子通道为细胞膜上另一类特殊的蛋白质，其结构和功能状态可因细胞内外各种 理化因素的影响而迅速改变：当其处于开放状态时，相关离子可高速通过。以每秒钟每一个离子通道转运 的离子或溶质分子的最大量计算， 大多数通道的开放时间十分短促， 通道的种类很多，如 Na+通道、 型，如体内至少已发现三种以上的以通道为中介的易化扩散的依据门控的原理，可将 通道分为:电压门控离子通道：由膜内、外电势差的改变引起其开或关。配基门控离子通道（化学门控

10、离子通道）：由特异性的化学物质与通道上的受体结合后，引起其开或关。机械门控离子通道：膜的机械变形导致其开或关。（二）主动转运与被动转运不同，主动转运（Active trans port ）是逆电-化学梯度进行的转运，是需要细胞提供能量才 能进行的。其结果是被转运物质在高浓度一侧浓度进一步升高，而在低浓度一侧则愈来愈少。举例：小肠上皮细胞从肠腔中吸收葡萄糖；肾小管上皮细胞从小管液中重吸收葡萄糖。Na+、K+离子通过钠泵的逆浓原发性主动转运和继发性主动转运。度梯度转运，来维持细胞内外正常的离子浓度差，是维持细胞兴奋性的重要机制，其中钠泵可分解 为Na+、K+的主动转运提供能量。主动转运包括：是由A

11、TP直接供能的逆浓度差的转运方式。Na+-K+-ATP 钠泵是镶嵌在膜脂质双分子层中的特殊蛋白质，除具1. 原发性主动转运原发性主动转运（P rimary active trans port）酶（钠泵）是目前研究得最清楚的原发性主动转运。有对Na+、K+的转运功能外，还具有 ATP酶的活性，可分解 ATP释放能量，用于Na+、K+的主动转运。因 此，钠泵是Na+-K+依赖式的ATP酶，其对Na+、K+的主动转运是由其磷酸化和脱磷酸化循环驱动的，是一 种消耗ATP的活动。a- rt- iL: j 帚，上-朋俚点戈瞰化ta卓A.钠泵活确示ft图图2-1-7钠泵示意图钠泵活动时，泵出细胞 Na+和泵

12、入细胞K+两个过程是 耦连在一起的，生理条件下，每分解一分 子ATP，可使3个Na+被泵出胞外，同时2个K+被泵回胞内（图2-1-7）。Na+泵广泛存在于身体各种细胞的细胞膜上，它们在维持细胞内外正常的 Na+、K+浓度差中起重要作用，在此过程中消耗的ATP能是人体代谢产能的1/4，其钠泵的生理意义如下： 维持细胞内高K+ （是胞内许多代谢反应的必需条件）；高渗引起的细胞肿胀）；势能贮备（即细胞内外的 Na+、K+浓度差），这是可兴奋细 防止细胞内Na+过多（从而防止由胞内 最重要的意义是，钠泵活动建立了一种 胞兴奋性的基础。均属原发性主动转运。除钠泵外，体内还有氢泵、钙泵和碘泵等，钠泵由a亚

13、单位（催化亚单位）和P亚单位（调节亚单位）组成。胞内Na+与a亚单位结合时，ATP也与之结合并被水解，释放出ADP ,使钠泵磷酸化而构象改变，高亲和K+而低亲和Na+，在细胞外一侧释放 Na+而结合K+。当胞外K+与a亚单位结合时，钠泵脱磷酸化，返回到原来的构象，高亲和Na+而低亲和K+，在细胞内一侧释放K+而再一次结合Na+，开始下一个循环。2. 继发性主动转运继发性主动转运 （Secondary active trans port）是由ATP间接供能 的逆浓度差 的转运方式。它是利用钠泵活动形成的势能贮备（细胞内、外离子的浓度差），来完成其它物质逆浓度差的跨膜转运。例如，葡萄糖在小肠上皮细

14、胞处的吸收、在肾小管上皮细胞处的重吸收，都 是继发性主动转运。在小肠和肾小管上皮细胞的基侧膜（靠近毛细血管的上皮细胞侧的膜）上有钠泵的存在，可将细胞内的 Na+环境（相对于肠腔液和肾小管液）。因此 的势能则用于葡萄糖分子逆浓度差进入细胞葡萄糖主动转运所需的能量不是直接来自 成这种高势能的钠泵活动是需要分解 性主动转运。y 继发性主动转运：1画1，动画.-空左Na+源源不断的泵出，造成细胞内的低Na+可不断从肠腔液和小管液中顺浓度差进入细胞，由此释放（图 2-1-8 ）。ATP的分解，而来自肠腔液和小管液中Na+的高势能，但造ATP的，即葡萄糖主动转运所需的能量间接来自ATP ,因而称为继发肠上

15、皮细胞小肠腔Na*Ttt Jt,萄糖转运蛋B毛细血管S织液衲泵图2-1-8继发性主动转运（三）出胞和入胞前面所叙述的被动转运和主动转运只涉及小分子物质或离子，细胞膜对一些大分子颗粒或物质团块的 转运，则需要通过更复杂的、需代谢供能的膜结构和功能的改变，才能转运出胞外-出胞，或转运进入胞内-入胞。1. 出胞（exocytosis）:见于内分泌细胞和外分泌细胞的分泌，以及神经轴突末梢释放递质。当分泌时， 小泡被运送到细胞膜内表面，并与细胞膜融合后，向胞外开口，将全部内容排出。胞饮（图2-1-9）。如果入胞的小泡是液体，则称为2. 入胞（endocytosis）：指细胞夕卜某些物质团块，例如细菌、病

16、毒、异物、血浆中的脂蛋白颗粒及大分 子营养物质等进入细胞的过程。入胞时，靠近物质团块的细胞膜向胞内方向凹陷，将物质团块包围，并在 细胞开始凹陷处断开，形成一个入胞的小泡，5*人胞/* 图2-1-9胞饮3. 受体介导式入胞 （Rece ptor-mediated endocytosis ）这是一种与细胞膜表面受体有关的入胞，近年来已逐渐受到重视。现在知道，通过这种方式入胞的 物质很多，包括胰岛素及一些多肽类激素、内皮生长因子、神经生长因子、低密度脂蛋白颗粒、结合了铁 离子的运铁蛋白、结合了维生素的运输蛋白质、抗体及一些细菌等。采用受体介导式入胞的物质，均可称 为配体，因为它们是通过与受体结合才发

17、挥作用的。配受体结合后一同凹入细胞内，再分离，细胞膜与受 体均可以重复使用（图 2-1-10）。它与一般的入胞比较， 速度快，特异性高。三、小结表2-1-1细胞膜物质转运的形式及其特点被动过程主动过程*单纯扩散易化扩散原发性主动转运继发性主动转运载体中介通道中介转运方向高浓度T低浓度低浓度T高浓度需否转运蛋白否是是是是有无饱和现象无有无有有化学特异性无有有有有需否代谢能量及来源否否否是ATP是离子梯度（Na* 泵活动形成）转运的物质02，C02， 脂肪酸葡萄糖，氨基酸Na+，K+， Ca2+Na+ ,K +，Ca2+，H+葡萄糖，氨基酸*入胞与出胞也是主动转运，但转运过程复杂，还涉及细胞内多种

18、细胞器的活动，在这里没有列入。第二节细胞的兴奋性和生物电现象人们对生物电现象的观察可以追溯到很久以前，但对生物电现象的研究，则是在人们对电学的物理知识有了深入了解之后，并随着电测量仪器的不断发展而逐渐深入。在生理学中，对生物电现象的研究，是与对细胞（或组织）的兴奋性的研究密不可分的，因而在本节中，二者经常交叉在一起讨论。一、兴奋性和刺激引起兴奋的条件Excitability and factors for stimulus inducing excitation（一）刺激、兴奋、兴奋性和可兴奋组织的概念1. 刺激（stimulus）:泛指组织（或细胞）所处环境因素的任何改变。包括机械、化学、温

19、度、电等多种环境变化。由于电变化的强度、 波形和持续时间容易由刺激器准确的发出和控制，一般不会造成组织损伤，因而在生理学中应用最多的是电刺激。2. 兴奋（excitation）:生理学中常常将生物体或组织（细胞）的活动加强，或从不活动到活动的过程，称为兴奋。但兴奋的严格概念应 是指产生动作电位的过程（见本节细胞的生物电现象）。某些刺激可引起组织（或细胞）兴奋。较弱的刺激即可引起某细胞产生动作电位,3. 兴奋性（excitability）:指活组织或细胞受到刺激时产生动作电位，即产生兴奋的能力。 则说明该细胞的兴奋性高；反之，较强的刺激才可引起另一细胞产生动作电位，说明后者的兴奋性较低。4. 可

20、兴奋组织（excitable tissue）:受刺激后可以产生动作电位的组织（或细胞）称为可兴奋组织（或细胞）。通常指神经、肌肉和腺细胞等。实际上，几乎所有活组 织或细胞都具有某种程度的针对外界刺激发生反应的能力，只是灵敏程度和反应的表现形式不同。在各种动物组织中，一般神经细胞（图2-2-1 ）、肌细胞和腺体细胞表现出较高的兴奋性，因此可兴奋组织（或细胞）常专指这三类组织（或细胞）。引起兴奋的刺激条件具有兴奋性的组织或细胞，并不是对任何程度的刺激都能表现兴奋或产生动作电位。可引起组织兴奋，即引起组织产生动作电位的刺激，需在三个方面达到某一临界值。这三个方面是：刺激强度、刺激的持续时间、刺激强度

21、对时间的变化率 （图2-2-2）。神经元不仅如此，这三方面的临界值参数可以互相影响，即任何一个变化时，其它的也跟着 变化。为说明刺激的各参数间的相互关系，可将其中某个参数固定于某一数值，再观图 2-2-1可兴奋组织在实验中固定 使用方波电刺激（刺激强度的变化率最高，组织不易发生适应）时, 即固定了刺激强度对时间的变化率。此时以刺激强度为纵坐标，刺 激的持续时间为横坐标，作图记录每一刺激持续时间下能引起组织 兴奋的最小刺激强度，即得到 强度-时间曲线（Strength-duration curve）。该曲线可以说明刺激强度和刺激持续时间的相互关系， 以及何种刺激才能引起组织兴奋并由此判定组织兴奋

22、性的高低。实验证明：在强度对时间变化率保持不变的情况下，在一定范围内，引起组织兴奋所需的最小刺激强度，与该刺激的持续时间成反变的关系。2-2-3 ）。曲线左下方的任何一点代表：这一刺激强度和刺激持续时间的组合不能引起组织兴奋，而曲线上及其右上 方的任何一点代表：此种刺激强度和刺激持续时间组合，可引起组织兴奋（图1.基强度（rheobase）:强度-时间曲线的延长时, 与横坐标不会相交，即不论刺激作用时间怎么延长， 引起组织兴奋的刺激强度均不能低于某一个刺激强图2-2-3时间强度曲线度，这一刺激强度称为基强度。2.时值（chronaxie）:用两倍于基强度的强度朿9 激组织时，所需要的最短作用时

23、间称为时值，时值也可以作为兴奋性高低的指标（以时间来度量）。3. 阈强度（threshold intensity，常用阈值 threshold表示）：在实验室中，比较组织的兴奋性时，一般使 用方波刺激、而且刺激的作用时间常固定于某一适当 数值。固定上述两个参数时，引起组织兴奋的最低刺 激强度称为阈强度，简称阈值。阈强度可作为衡量组 织兴奋性高低的指标。组织的兴奋性X 1/阈强度，阈 强度越低，表示该组织的兴奋性越高，阈强度越高，组织的兴奋性越低。4. 阈下刺激（subthreshold stimulus）:强度低于阈值的刺激称为阈下刺激。5. 阈上刺激（suprathreshold stimu

24、lus）: 强度高于阈值的刺激称为阈上刺激。（三）组织兴奋及其恢复过程中兴奋性的变化体内不同组织具有不同的兴奋性，且即使是同一组织，其兴奋性也不是永远不变的，境发生改变（如Ca2+浓度、酸碱度等）或自身状态改变时，兴奋性也会发生改变。此外，胞一个普遍存在的现象是： 在组织或细胞接受一次刺激而兴奋的当时，和以后的一小段时间内， 奋性将经历一系列有次序的变化，然后才恢复正常（图2-2-4）。用两个连续的刺激作用于组织，第一个刺激的强度采用阈强度；第二个刺激的强度可任意选择。通过 任意改变两个刺激间的时间间隔，可以观察到第一个刺激引起组织兴奋过程中和过程后，组织兴奋性的改 变。当组织所处的环 可兴奋

25、组织或细 它们的兴图2-2-4神立与兴奋性变化的关系1.神经和骨骼肌纤维兴奋后兴奋性的改变，按时 间顺序简述如下：电位变化 只斎性变化4-X局都电位J员后电拉正后电位滝伏期/超枷!1不应期绝对不应期（absolute refractory period）:在接受第一个刺激产生兴奋的一段极短的时间内，无论再给 予多么强大的刺激，也不能使组织细胞产生第二次兴 奋。此时组织的兴奋性为零。相对不应期（relative refractory period）:在绝对 不应期后，第二个刺激有可能引起新的兴奋，但所用 的刺激强度必须大于该组织细胞的阈强度，即必须使 用阈上刺激。超常期 （supranormal

26、 period）和 低常期（subnormal period）:更精密的实验还说明，在相对不应期后，该组织细胞还要经历一段兴奋性先增高（超常期）继而又低于正常的（低常期）缓慢变化的时期。2. 不应期的意义：在绝对不应期时，兴奋性为零，任何刺激均 无效”因此理论上，细胞产生兴奋的最大频率不可能超过该细胞绝对不应期持续时间的倒数。例如，蛙有髓神经纤维的绝对不应期经历的时间 约为2ms,则每秒钟所能产生的最大兴奋次数不可能超过500次。二、细胞膜的生物电现象及其原理细胞膜的生物电现象主要有两种表现形式，即安静时的静息电位和受刺激时产生的膜电位的改变（包括 生物电现象是以细胞为单位产生的， 和离子的选

27、择性跨膜转运为基础 必须记录和测量单一细胞的生物电。局部电位和动作电位）。以细胞膜两侧带电离子的不均衡分布 ，因此要深入探讨生物电现象的机制，就 但一般的细胞纤小脆弱，产生的生物电也非常微弱，造成记录的困难。二十世纪三十年代末，生物物理学家将微电极插入一种很粗的神经轴突一枪乌贼巨轴突（直径接近1mm ）中，终于第一次准确记录和测定了细胞膜两侧存在的跨膜电位差，成为生物电研 究史上的里程碑（图 2-2-5）。（一）静息电位及其形成原理1.静息电位（resting potential，RP）：指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。将一对测量电极中的一个放在细胞的外表面，另一个7呈tt神经节

28、巨轴突图2-2-5枪乌贼的巨轴突与微电极相连，准备刺入细胞膜内。当两个电极都位于膜外时，电极之间不存在电位差。在微电极尖端刺入膜内的一瞬间，示波器上显示一突然的电位跃变，表明两个电极间出现电位差，膜内侧的电位低于膜外侧电位。该电位差是细胞安静时记录到的，因此称为静息电位。几乎所有的动、植物细胞的静息电位都表现为膜内电位值较膜外为负，如规定膜外电位为 0,膜内电位可以负值表示，即大多数细胞的静息电位在-10-100mV之间。神经细胞的静息电位约为 -70mV，红细胞的约为-10mV。细胞膜两侧存在电位差，以及此电位差在某种条件下会发生波动，使细胞膜处于不同的电学状态。人们将 细胞安静时膜两侧保持

29、的内负外正的的状态称为膜的膜的超极化；相反，膜电位向膜内负值减小的方向变化，称为膜的 再向膜内为负的静息电位水平恢复，称为膜的复极化。2.静息电位形成的原理（1）细胞膜内、外的离子浓度差1939年Hodgkin和Huxley在枪乌贼巨轴突上首次记录到极化；当膜电位向膜内负值加大的方向变化时，称为去极化；细胞受刺激后先发生去极化,RP。么该电位差是内负外正的？由于细胞内外的离子带有电荷，他们推测他们测量了几种主要离子在枪乌贼巨轴突的细胞膜两侧的浓度，列表如下：为什么膜内外两侧会有电位差？为什RP的形成与这些离子有关。离子胞浆（mmol/L）细胞外液（mmol/L）平衡电位（mV）*K+40020

30、-75Na+50440+55Cl-52560-60A-385-表2-2-1枪乌贼巨轴突细胞膜两侧主要离子浓度*平衡电位的概念见（2）。由表可见，细胞膜内外的离子呈不均衡分布，膜内K+多于膜外，Na+和Cl-低于膜外，即细胞内为 高钾低钠低氯的状态。此外，A-表示带负电的蛋白质基团，仅存在于膜内。（2）细胞膜对离子的选择通透性和K+平衡电位Hodgkin和Huxley推测：由于细胞内外存在 K+的浓度差（细胞内高钾），K+具有从膜内侧向膜外侧扩 散的趋势。如果细胞膜在安静时只能允许K +自由通透（K+通道开放），K+即可顺浓度差外流到细胞外。虽然胞内A-的浓度也很高，但细胞膜对 A-不能通透，它

31、只能因正负电荷的相互吸引作用，排列于细胞的内侧 面。而扩散出细胞的 K+也不能远离膜，而排列在膜的外侧面。这样在膜的内外两侧就形成了 位差。K+的这种外向扩散不能无限制的进行，因为 K+外流造成的外正内负的电场力，将阻碍带正电的 流，而且K+外流愈多，这种电势的阻碍就会愈大。当促使 K+外流的膜两侧K+浓度差势能，内负外正的电K+继续外 与阻碍K+外流的电位差势能相等时，即膜两侧电 -化学势的代数和为零时，K+外流量与回收（回到胞内）的量达到了 动 态平衡，K+的跨膜净移动为零，此时膜两侧电位差就稳定在某一不再增大的数值，即 静息电位。因其是K+ 移动达到平衡时的膜电位，又可称作 K+平衡电位

32、（EK）。上述理论是否就是事实，还需要进一步的证实。根据物理化学原理，已知枪乌贼巨轴突膜内外的K+浓度， 通过Nernst方程（见下）可计算出此时的 K+平衡电位（-87mV ）。这一数值与 Hodgkin用微电极 实际测得的RP值（ -77mV ）十分接近。这部分证明了上述假说的合理性。Hodgkin又通过人工改变细胞外液中的K+浓度，进一步观察到RP的K+平衡电位相一致（图2-2-6）。但改变细胞外液中的 Na+浓度则对值随胞外K+ 的改变而改变，且改变后的RP值仍与Nernst方程计算出昧二站5 1。吕RP没有影响。这说明 RP的产生确实与K+密切相关。后人通过采用带有放射性的 K +

33、,发现安静时细胞膜确实对 明显。综上所述，细胞内K+细胞外K+，和细胞膜在安静时对（3） RP不等于-40-GC-SO-10C-12C k-140-16010 如 30 50灼.伽1/0DK+具有通透性，而对其它离子的通透性不K+选择性通透是RP产生的根本原因。 维持细胞膜内外离子浓度差的机制 K+平衡电位的原因：RP的实测值总是比计算值稍大一些。用标有放射活性的离子仔细观察时，发现细胞安静时膜不仅对 K+通透，对Na+也有通透性，只是与K+的通 透性相比，Na+的通透性要小得多（约为 K+通透性的1/50 - 1/100），即静息时也有极少量的Na+从膜外通透到膜内（Na+ 的浓度差和电位差

34、均驱使其内流），部分抵消K+外流造成的膜内负电位，导致 RP的实测值比Nernst方程计算的EK值 稍大。RP较EK稍大的后果：由于未达到K+平衡电位，K+仍 然会不断少量外流， 而RP与Na+平衡电位相差甚远，也会使 Na+不断地内流，如此下去，细胞安静时膜内外稳定的离子浓 度差将遭到破坏。钠泵（sodium pump）的活动维持了安静时细胞内外的离子平衡：引起细胞膜上钠泵活动的因素是细胞内Na+的增加和细胞外K+的升高。只要细胞内外的Na+、K+平衡稍有变化，Na+泵就被激活，在泵出胞内多余 的Na+的同时，将胞外 多余 的K+泵回，从而维持了细胞内外正常的离子浓度梯度。（4）静息电位小结

35、：教授讲课片段几乎所有的细胞均有膜内较膜外为负的RP。细胞的RP是由膜内外的K+离子浓度差及安静时膜对 K有通透性形成的。RP的值接近于K+平衡电位。由于RP不等于K+平衡电位（因为在静息时也有少量 Na+内流），经常有少量的 K+外流。然而，细胞 膜上Na+泵的经常性活动，将胞内多余的 Na+泵出，将胞外多余的 K+泵回，从而维持了细胞内、外的正常 离子浓度。可兴奋细胞的RP及膜两侧的离子浓度差（势能）是产生兴奋的基础。近年来已认识到，安静时K+离子通过细胞膜弥散的实质是因为膜上有非门控的K+离子通道。这种离子通道没有门，总是开着的。K+离子是否通过和通过多少是由膜两侧的离子浓度差和电位差决

36、定的。图2-2-7 AP的成分（二）动作电位及其形成原理1.动作电位（action potential, AP ）:指膜受刺激后在原有的静息电位基础上发生的一次膜两侧电位的快速而可逆的倒转和复原。AP是由锋电位和后电位组成的。锋电位是tf负后电桂片正后电位J户 一 一 J 飓亠10 ms-70AP的主要成分，因此通常说 AP时主要指的是锋电位（图 2-2-7）。AP的幅度约为90-130mV，神经和骨骼肌纤维的 AP的去极化上升支超过 0mV电位水平约35mV，这一段称 为超射。神经纤维的AP 般历时0.5-2.0ms,可沿膜扩布， 又称神经冲动（im pulse ）。因此，兴奋和神经冲动是动

37、作 电位的同意语。2.动作电位形成的原理由于AP的峰出现超射，即膜电位由静息时的内负外正转变成内正外负，Hodgkin认为：AP的形成可能不是单纯由于膜对 K+通透性发生改变（如仅对K+不再通透，膜电位至多能达到零电位水平），而很可能是受刺激时膜对Na+产生通透的结果。他们降低细胞外液中的Na+浓度时，观察到AP峰电位的幅度和上升支的斜率均降低，说明AP确是由于膜对Na+的通透性增加而造成的。而AP的复极化过程可能是由于膜重新对K+通透造成的。（1）AP产生的离子学说：电压钳方法的研究关于细胞受刺激时膜对Na+的通透性增加的原因，Hodgkin 和 Huxley 认为， 可能是电刺激改变了膜的

38、极化状态（膜电位改变），导致膜 的通透性改变而出现离子流 的结果。要证实这一猜想，只 需人为改变膜电位的大小并 观察其对离子流的影响。然而，由欧姆定律可知，电阻一 定时， 电流发生改变，必然 引起膜电位随之变化，这样就 无法观察膜电位对离子流的 影响。于是他们创造性地设计并进行了著名的电压钳实验，通过将膜电位钳制在不同水平，以避免离子流 反过来影响电压值。电压钳方法：通过电压电极施加指令电压，若该电压变化引起了膜对Na+或K+的通透性发生改变，膜上将出现相应的离子流。电流电极记录到的膜电流值一方面作为实验结果，一方面又作为电压钳放大器发 出的对抗电流的参考值，该对抗电流的大小与膜离子流相等，但

39、方向相反，因而可维持指令电压（图2-2-8）。如果要单独观察 Na+电流，可用TEA（ tetraethylammonium，四乙基胺）阻断 K+外流后得到；单独观察 K 外流，则用TTX （tetrodotoxin，河豚毒）阻断 Na+内流后得到。压钳方法得到的结果：图 2-2-9中的上图表示膜去极化引起的 电导（GNa和Gk）的变化（是由钳制在指令电压V时，观察到的离子电流I，用欧姆定律计算出的）。电导（G）: G是电阻的倒数。膜对某离子的电阻，是指膜对该离子通过的阻力大小，其倒数，GNa 和 Gk 表示了 Na+和 K +Cnw)G,则是该离子通过的容易程度，换句话说，也就是指通透性的大

40、小。因此 的通透性。可以看出： 膜的GNa和Gk都是电压依赖性 的。去极化时，GNa和Gk都增加，而且增加的幅度随去极化增 加而加大； 去极化时，膜的GNa和Gk变化的时程不同，GNa增加出现快，短时间内达到高峰，又很快下降；而Gk则在去极化开始后延迟一段时间才缓慢增加，逐渐达到最大，只要去极化持续，就不会减弱，去 极化结束后，再缓慢恢复。从多次实验中，Huxley等得出了完满的数学模型。：图2 -的下图是他们用一次短暂的去极化刺激后引起的GNa和Gk变化，和以其为基础重建（计算）的动作电位（虚线）。这种计算的动作电位 与实验中记录到的几乎完全相同。结论：动作电位的上升支（去极相）是因为膜对N

41、a+的通透性增加导致的 Na+内流引起的，而下降支（复极相）则是膜对 K+的通透性增加导致的 K+外流引起的。（2） AP与电压门控离子通道：膜片钳方法的研究膜片钳（Patch clamp）技术：是将微电极尖端细胞膜上的单个离子通道的电流经高分辨放大后记录的技术。 为单通道电流）是全或无的（见图 B），电流很小，是 pA （ 10-12a）级的。河豚毒和四乙基胺能单独阻断GNa和Gk而不影响对方，同位素标记的两种毒素显示它们分别与细胞膜上不同的点”寺异结合。这使人们推断细胞膜中有特殊的 蛋白质离子通道的存在。而所谓膜对离子的通透性的改变，实际上是决定于这些离子通道蛋白质分子的功能 状态。因此有

42、必要对单个通道的特性进行研究。膜片钳技术在这样的研究背景下被催生出来。它通过与细胞膜接触的微电极尖端将一小片膜吸入尖端开口，并形成 高阻封接，从而使这一小片膜与其余的细胞膜在电学上完全隔离开，这样就可对这一小片膜上的单个离子通道的电学 特征进行研究。膜片钳的研究结果：从图2-2-10中可以看出，通道的开放和关闭都是突然的，说明通道蛋白可以从一种构象快速跃变到另一种构图2-2-9电压钳记录结果单个离子通道的电流（简称象。 通道开放时具有恒定的电导，即通道只有 开”或 关”两种状态，没有中间状态。 同一个通道每次开放持续时间不一致，即通道开放的长短具有随机性 。 若化学门控通道结合了相应的信号分子

43、，或电压门控通道处于特定的膜电位水平 时，通道的开放几率增大。膜片钳实验证明：不论是单个Na+通道电流或K+通道电流（B）,将多次单个通道的电流总和后（C）,与电压钳记录的全细胞膜（许多个）通道的电流（D）结果一致，进一步证明了细胞生物电现象的 离子学说 是正确的。（3）电压门控离子通道的结构和性质：分子生物学方法的研究Hodgkin和Huxley虽然预言了细胞膜上离子通道在不同条件下的开闭（即膜离子通透性变化）是 揭示离子通道的结构和调控机制。随着分子生物学的飞速发展，人们对生物电现象的理解也深入到分子层面。图2-2-10膜片钳实验结果（左图为单通道电流，右图为总和结果）RP和AP产生的原因

44、，却无法进一步离子通道蛋白质结构研究路线用毒素（例如放射标记的 TTX）与电压门控Na+通道结合分离纯化并进行结构分析得出分子结构进行人工构建膜片钳方法研究其功能特点如构建的通道与毒素结合的通道功能相同，则证明结构分析是正确的。通过上述方法准确揭示了 电压门控Na+通道的分子结构:它由2个a ft和協共4个亚基组成。a亚基上具有四个相似的结构域I，II，III，IV，它们可以围出一个中间孔道。每一个结构域又由六个a螺旋组成。目前认为，所有的电压门控离子通道可能属于同一个基因家族，因此在结构上是相似的。3.兴奋性、动作电位与电压门控离子通道的内在联系(1)枪乌贼巨轴突膜上至少有两种电压门控的离子通道，即Na+通道和K+通道。它们各具有不同的功能状态。电压门控Na+通道有两道门，三种功能状态(图 关闭时，是备用状态，激活门关着，失活门开着； 激活时，是开放状态，两道门都开着； 失活时，是不能被激活的关闭状态，激活门开着， 态，然后才能逐渐恢复到关闭状态以备下次被激活。2-2-11 ）。图2-2-11电压门控INa+通道有两道门,K+通