人体及动物生理(1)

1、人体及动物生理 生物奥林匹克竞赛辅导1Physiology: the logic of life!生理学是生命科学的一个分支是研究生物机体生命活动规律和机理的一门科学是生命科学教育中唯一的一门讲授机体功能的课程是医学科学的基础参考书生理学第六版，姚泰 主编，人民卫生出版社，2003.3 生理学第八版，朱大年 主编，人民卫生出版社，2013.32Physiology: the logic of life!根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、吸收、呼吸、循环、排泄、免疫、调节（神经和激素）和生殖我们的主要讲授内容细胞

2、的一般生理、血液与循环生理、呼吸生理、消化生理、排泄生理、神经生理、感觉器官、内分泌生理3第一章机体的基本生理特征4一、新陈代谢 与环境进行物质交换和能量代谢。二、应激性 对刺激发生反应的特性。三、稳态 内环境保持相对稳定。四、整合（调节） 适应机体的基本生理特征5第二章细胞生理学6第一节细胞的物质转运7 1.单纯扩散(simple diffusion) (1)概念 脂溶性高的物质由膜的高浓度一侧向低浓 度一侧移动的过程。CO2i CO2oO2o O2i8 (2)特点 扩散速率高 无饱和性 不依靠特殊膜蛋白质的“帮助” 不需消耗能量 扩散量与浓度梯度、温度和膜通透性呈正相关，用扩散通量（mol

3、 or mol数/min.cm2)表示。 (3)转运的物质 O2、CO2、NH3 、N2 、尿素、乙醚、乙醇、类固醇类激素等少数几种。 9 2.易化扩散(facilitated diffusion) (1)概念 非脂溶性或脂溶解度小的物质,在膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。 (2)分类 经通道的易化扩散 经载体的易化扩散10（1）经通道的易化扩散转运的物质:各种带电离子K+i K+oNa+o Na+i11（2）经载体的易化扩散转运的物质：葡萄糖(GL)、氨基酸(AA)等小分子亲水物质12 (3)特点 需依靠特殊膜蛋白质的“帮助” 不需另外消耗能量 选择性（ 特殊膜

4、蛋白质本身有结构特异性） 饱和性（ 结合位点是有限的） 竟争性（ 经同一特殊膜蛋白质转运） 浓度和电压依从性（ 特殊膜蛋白质的变构是有 条件的，如化学门控通道、电压门控通道） 13 (二)主动转运(active transport) 概念 指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。 特点 需要消耗能量,能量由分解ATP来提供； 依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”； 是逆电-化学梯度进行的。 分类 继发性主动转运（简称：联合转运）；原发性主动转运（简称：泵转运）； 如:Na+-K+泵、Ca2+-Mg2+泵、H+-K+泵等14泵转运Na+-K+泵 Na+-K+泵又称Na+-K+-ATPase，简称钠泵。

5、 当Na+i K+o时，都被激活，ATP分解产生能量，将胞内3个Na+移至胞外和将胞外2个K+移入胞内。15通道转运与钠-钾泵转运模式图162.继发性主动转运概念 间接利用ATP能量的主动转运过程。 即物质逆浓度或逆电位梯度转运时，能量非直接来自ATP的分解，是来自膜两侧Na+差，而Na+差是Na+-K+泵分解ATP释放的能量建立的。分类 同向转运 逆向转运17(三)入胞和出胞式转运 出胞 指细胞把成块的内容物由细胞内排出的过程。 主要见细胞分泌过程：激素、神经递质、消化液的分泌。 指细胞外大分子物质或团块进入细胞的过程。 分 为 吞噬=转运固体物质; 吞饮=转运液体物质。入胞 18分泌物排出

6、融合处出现裂口囊泡向质膜内侧移动分泌囊泡高尔基复合体蛋白性分泌物出胞 囊泡膜与质膜融合19受体对物质的“辨认”发生特异性结合=复合物表面的“有被小窝”移动“有被小窝”处的膜凹陷吞食泡吞食泡与胞内体相融合入胞 20第二节信号的跨膜转导21第二节 细胞的跨膜信号转导功能 细胞间传递信息的物质多达几百种：如递质、激素、细胞因子等。 主要涉及到：胞外信号的识别与结合、信号转导、胞内效应等三个环节。 跨膜信号转导方式大体有以下五类： 离子通道介导的信号转导 酶偶联受体介导的信号转导 G蛋白偶联受体介导的信号转导招募型受体介导的信号转导核受体介导的信号转导22一、离子通道介导的信号转导 离子通道大体有：化

7、学、电压、机械性门控通道化学性胞外信号(ACh)ACh + 受体=复合体终板膜变构=离子通道开放Na+内流终板膜电位骨骼肌收缩23二、G蛋白偶联受体介导的信号转导(一) cAMP信号通路神经递质、激素等兴奋性G蛋白(GS)激活腺苷酸环化酶(AC)ATPcAMP细胞内生物效应激活蛋白激酶A结合G蛋白偶联受体激活G蛋白24(二) 磷脂酰肌醇信号通路激素（第一信使）兴奋性G蛋白(GS)激活磷脂酶C(PLC)PIP2(第二信使）IP3 和 DG激 活蛋白激酶C内质网释放Ca2+激活G蛋白生物效应结合G蛋白偶联受体25三、酶偶联受体介导的信号转导 受体酪氨酸激酶生长因子与受体酪氨酸 激酶结合细胞内生物效

8、应特点 信号转导与G蛋白无关；无第二信使的产生；无细胞质中蛋白激酶的激活。受体酪氨酸激酶介导的信号转导图示26第三节细胞的生物电现象27神经元的静息跨膜电位与动作电位神经元的基本特性可兴奋性刺激 神经元 神经冲动蛙坐骨神经腓肠肌实验静息时：无电位差神经表面各处电位相等适当强度的电刺激：负电位沿坐骨神经传导负电位动作电位神经冲动神经冲动的传导动作电位的传播细胞的生物电现象28神经元的静息跨膜电位与动作电位静息膜电位（resting membrane potential）静息状态：膜内电位 膜外电位膜外正电荷聚集；膜内负电荷聚集内负外正极化（polarization）状态动作电位（action p

9、otential）细胞膜受到刺激时，在静息电位的基础上发生一次可扩布的电位变化细胞的生物电现象29(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀 Na+iNa+o110, K+iK+o301 Cl-iCl-o114, A-iA-o 41 静息电位的产生条件主要离子分布：膜内：膜外：静息电位的产生30(2)静息状态下膜对离子有选择性通透性 通透性：K+ Cl- Na+ A-31静息电位的产生静息膜电位（极化状态）产生的根本原因静息膜对各种离子均有一定的通透性，其中对钾离子的通透性最大，K+依其在膜两侧的浓度差由胞内向胞外进行跨膜扩散，而膜内带负电荷的多为分子量较大的有机负离子，不能随K+扩散出细胞，因

10、而在K+跨膜扩散达到平衡时，就在细胞膜两侧建立起接近于K+平衡电位（胞内为负）的静息电位细胞的生物电现象Nernst公式：R：气体常数（8.31），T：绝对温度（273），Z：原子价（1）， F：法拉第常数（96500）， Ko和Ki：K+在膜外侧和膜内侧的浓度，EK的单位为V。32静息电位的产生静息电位是K+平衡电位静息状态下，膜对K+的通透性较高，这是由于膜上存在经常处于开放状态的非门控钾通道所致（如神经纤维膜上的钾漏通道、心肌细胞膜上的内向整流钾通道），这就使得静息电位非常接近于K+平衡电位。因此，一般认为静息电位是由于膜在静息状态下对K+的选择性通透造成的。细胞的生物电现象静息电位是K

11、+平衡电位的实验证据（枪乌贼大轴突）：A：增加细胞外K+浓度，静息电位减小（去极化）。B：静息电位与细胞外K+浓度之间的关系（半对数曲线）。黑色直线是根据Nernst公式计算的理论值，红色曲线为实测值。33静息电位的产生影响静息电位的其他因素 钠钾泵：钠钾泵逆浓度差主动转运Na+和K+，该活动建立和维持了Na+和K+在细胞内外的浓度差；钠泵的活动还可直接影响静息电位（生电作用），这是因为它对Na+和K+的转运是不平衡的（1ATP:3Na+:2K+），使得每一转运过程移到膜外的Na+比进入膜内的K+多出一个，结果给膜内增加了一个负电荷，使膜内电位的负值增大（加大静息电位）Na+：虽然膜在静息状态

12、下对Na+亦有一定的通透性，但通透性较小，仅为K+的1/101/100。因此，Na+由胞外向胞内的跨膜扩散仅部分地中和了膜内侧的负电荷，这就是静息电位与根据Nernst公式计算的K+平衡电位有所偏离的原因之一Cl-：一般细胞对Cl-没有主动转运，所以其在膜两侧的分布是被动的，主要由静息电位决定它在膜两侧的浓度，而不是其参与构成静息电位细胞的生物电现象34动作电位的产生动作电位的变化曲线形态升支、降支和锋电位：细胞接受刺激后，膜电位由静息电位水平迅速去极化，形成升支，随后迅速复极化至静息电位水平，为降支；两者共同形成的尖峰状电位变化，称锋电位（spike potential）。锋电位持续约1 m

13、s，是动作电位的主要特征和细胞发生兴奋的标志后电位：指锋电位后出现的低幅、缓慢的电位波动，包括一个膜电位仍小于静息电位的负后电位（negative after-potential）或后去极化（after-depolarization），以及随后的电位大于静息电位的正后电位（positive after-potential）或后超极化（after- hyperpolarization）细胞的生物电现象负后电位正后电位351.动作电位产生的基本条件 (1)膜内外存在Na+差:Na+i Na+O 110；(2)膜受到阈刺激时，对离子通透性增加：即电压门控性Na+、K+通道激活而开放动作电位的产生36

14、刺激膜上少量Na+通道开放Na+顺浓度差少量内流局部电位 阈电位Na通道大量开放再生式内流Na+i、K+O 激活Na+K+泵2.动作电位的产生机制AP上升支Na+内流停+同时K+通道激活K迅速外流（AP下降支）离子恢复到兴奋前水平37动作电位的产生动作电位产生的机制细胞膜上具有电压依赖性的Na+、K+通道去极化刺激 Na+通道开放 Na+涌入 Na+内向电流超过K+外向电流 膜去极化 更多Na+通道开放（正反馈） Na+大量涌入 外负内正（超射、反极化） Na+通道快速失活（关闭）、K+通道开放 膜内的正电位对K+有很强的外向驱动力 K+迅速涌出 恢复外正内负（复极化） K+持续涌出 更加外正

15、内负（回射、超极化）细胞的生物电现象38动作电位的产生动作电位的峰值应该等于Na+平衡电位细胞的生物电现象A-C：细胞外液中Na+浓度正常时枪乌贼大轴突的动作电位；降低细胞外液中的Na+浓度，动作电位幅值减小；恢复细胞外液中的Na+浓度，动作电位恢复正常。D：动作电位幅值与细胞外液中Na+浓度之间的关系。黑色直线根据Nernst公式算出，红色曲线为实测值。E：细胞外液Na+浓度变化不影响静息电位。39动作电位的产生动作电位的“全或无”特性：动作电位要么不发生；一旦发生，其幅度就会达到最大值细胞的生物电现象向细胞内注入的正向电流未达阈值，细胞不产生动作电位。电流达到阈值，细胞产生动作电位。加大电

16、流，动作电位频率增高，但幅度和波形不改变。阈值（阈刺激）阈下刺激阈上刺激40动作电位的产生动作电位的传导动作电位产生后，并不局限于受刺激局部，而是沿质膜迅速向周围传播，直至整个细胞都依次产生动作电位。而且，动作电位在同一个细胞上的传导是不衰减的，即它的幅度和波形始终保持不变（为什么？）细胞的生物电现象RmRi膜的被动电学特性并联的阻容耦合等效电路41动作电位的产生动作电位的传导局部电流学说：在发生动作电位的部位，膜外侧的电位较前方静息部位的为负，而膜内侧相对较正，因而在两者之间产生局部电流。局部电流将依据膜的被动电学性质，在动作电位前方的静息部位引起局部电位，并因局部电位达到阈电位而引起静息部

17、位的动作电位，从而实现沿细胞膜的传导。细胞的生物电现象42动作电位的产生动作电位的传导跳跃传导学说：在有髓鞘神经纤维，由于脂质髓鞘的高电阻特性，阻止了局部电流沿细胞膜的顺序性流动，因而局部电流只能在低电阻的郎飞氏结上发生，使得动作电位在郎飞氏结上跳跃式传导细胞的生物电现象跳跃传导的优越性：由于跳跃传导不是局部电流沿细胞膜的顺序性流动，因而可极大地加快动作电位的传导速度和减少动作电位过后膜电位恢复过程中钠钾泵运转的能量消耗43动作电位的传导方式无髓鞘N纤维的兴奋传导：近距离局部电流；有髓鞘N纤维的兴奋传导：远距离局部电流(跳跃式)。44兴奋和可兴奋细胞兴奋（excitation）：在现代生理学中

18、，是动作电位的同义语或动作电位的产生过程可兴奋细胞（excitable cell）：受刺激后能产生动作电位的细胞，包括神经细胞、肌细胞和腺细胞可兴奋细胞的共性和个性：都具有产生动作电位所必需的电压门控Na+通道或Ca2+通道，因而能够在接受刺激后产生基于这些离子通道再生性激活过程的动作电位兴奋性（excitability）：可兴奋细胞接受刺激后产生动作电位的能力；阈强度（threshold intensity）做为衡量细胞兴奋性大小的指标细胞的生物电现象45兴奋和可兴奋细胞细胞兴奋后兴奋性的变化绝对不应期（absolute refractory period）：在兴奋发生的当时以及兴奋后最初的

19、一段时间内（大约相当于锋电位发生的时间），无论施加多强大的刺激也不能使细胞再次兴奋，此时细胞失去了兴奋性；原因是在降支期间，大部分通道处于失活过程或失活状态，不能再次接受刺激进入激活状态相对不应期（relative refractory period）：在绝对不应期之后，细胞的兴奋性逐渐恢复，受刺激后可发生兴奋，但刺激强度必须大于原来的阈强度（大约相当于负后电位出现的时期）超常期（supranormal period）：细胞的兴奋性高于正常水平（大约相当于负后电位快接近膜电位的时期）低常期（subnormal period）：细胞的兴奋性低于正常水平（相当于正后电位出现的时期）细胞的生物电现象

20、负后电位正后电位46典型例题在生物体内不断有生物电产生。产生生物电的直接原因是：生物体内有微型“生理发电机”新陈代谢过程的必然结果细胞膜内外的电位差有机营养物质在生物体内“燃烧”的结果2003全国中学生生物学联赛理论试题细胞的生物电现象47典型例题在生物体内不断有生物电产生。产生生物电的直接原因是：生物体内有微型“生理发电机”新陈代谢过程的必然结果细胞膜内外的电位差有机营养物质在生物体内“燃烧”的结果2003全国中学生生物学联赛理论试题细胞的生物电现象48典型例题下列有关神经细胞离子通透性和膜电位变化的叙述，其中正确的是：Na+通透性增大时会造成去极化现象 神经细胞膜对K+的通透没有限制神经细

21、胞的静息膜电位为零K+流入细胞时有利于膜极化状态的恢复2006全国中学生生物学联赛理论试题细胞的生物电现象49典型例题下列有关神经细胞离子通透性和膜电位变化的叙述，其中正确的是：Na+通透性增大时会造成去极化现象 神经细胞膜对K+的通透没有限制神经细胞的静息膜电位为零K+流入细胞时有利于膜极化状态的恢复2006全国中学生生物学联赛理论试题细胞的生物电现象50典型例题单个可兴奋细胞的动作电位波形不能完全融合，其原因是：刺激强度不够刺激频率不够钙离子通道有一个失活期钠离子通道有一个失活期2007全国中学生生物学联赛理论试题细胞的生物电现象51典型例题单个可兴奋细胞的动作电位波形不能完全融合，其原因

22、是：刺激强度不够刺激频率不够钙离子通道有一个失活期钠离子通道有一个失活期2007全国中学生生物学联赛理论试题细胞的生物电现象52典型例题随着刺激强度的增大，复合动作电位将表现为:“全或无”出现复合动作电位的振幅可随刺激强度的增加而增大复合动作电位的频率可随刺激强度的增加而增大，后期不变化复合动作电位的振幅可随刺激强度的增加而增大，后期不变化2009全国中学生生物学联赛理论试题细胞的生物电现象53典型例题随着刺激强度的增大，复合动作电位将表现为:“全或无”出现复合动作电位的振幅可随刺激强度的增加而增大复合动作电位的频率可随刺激强度的增加而增大，后期不变化复合动作电位的振幅可随刺激强度的增加而增大

23、，后期不变化2009全国中学生生物学联赛理论试题细胞的生物电现象54典型例题阈电位是指：成膜对K+通透性突然增大的临界膜电位造成膜对Na+通道性突然增大的临界膜电位造成膜对K+通道性突然减小的临界膜电位造成膜对Na+通过性突然减小的临界膜电位在神经细胞动作电位上升支，通透性最大的离子是：A. Cl- B. Ca2+ C. K+ D. Na+ E. A-细胞的生物电现象55典型例题阈电位是指：成膜对K+通透性突然增大的临界膜电位造成膜对Na+通道性突然增大的临界膜电位造成膜对K+通道性突然减小的临界膜电位造成膜对Na+通过性突然减小的临界膜电位在神经细胞动作电位上升支，通透性最大的离子是：A.

24、Cl- B. Ca2+ C. K+ D. Na+ E. A-细胞的生物电现象56典型例题在神经纤维一次兴奋后的相对不应期时：多数K+通道失活较强的刺激也不能引起动作电位全部Na+通道失活部分Na+通道已复活膜电位处在去极化过程中细胞的生物电现象57典型例题在神经纤维一次兴奋后的相对不应期时：多数K+通道失活较强的刺激也不能引起动作电位全部Na+通道失活部分Na+通道已复活膜电位处在去极化过程中细胞的生物电现象58第四节肌细胞的收缩功能59肌肉与肌肉收缩骨骼肌细胞的大体解剖粗肌丝和细肌丝肌 肉肌纤维束肌纤维（肌细胞）肌原纤维肌球（凝）蛋白肌动蛋白原肌球蛋白肌钙蛋白60骨骼肌细胞的结构61肌纤维的

25、收缩暗带（粗、细肌丝）：宽度不变明带（细肌丝）：变窄H带（暗带中M线两侧没有细肌丝插入）：变窄粗、细肌丝的长度不变，但重叠程度变化肌丝滑行学说细肌丝滑入粗肌丝丛中 肌小节缩短 肌纤维缩短 肌肉与肌肉收缩Z lineZ lineM line62肌动蛋白肌钙蛋白原肌凝蛋白粗肌丝肌凝蛋白细肌丝63肌纤维的收缩肌丝滑行的机制粗肌丝上突起的横桥与细肌丝某位点结合 横桥摆动 推动细肌丝滑行（很小位移） 横桥离开原先的结合位点（需ATP供能） 更换与细肌丝的接触位点 横桥摆动 推动细肌丝滑行（很小位移） 反复多次 肌纤维收缩肌肉与肌肉收缩64肌纤维的收缩神经肌肉接头突触（synapse）神经末梢与肌肉连接处

26、结构：突触前膜神经末梢细胞膜 突触后膜肌膜（终膜） 突触间隙递质：乙酰胆碱（ACh）神经元的结构和功能65按任意键飞入横桥摆动动画肌节缩短=肌细胞收缩牵拉细肌丝朝肌节中央滑行横桥摆动横桥与结合位点结合，分解ATP释放能量原肌球蛋白位移，暴露细肌丝上的结合位点Ca2+与肌钙蛋白结合肌钙蛋白的构型改变终池膜上的钙通道开放终池内的Ca2+进入肌浆2.肌丝滑行66肌纤维的收缩神经肌肉接头的兴奋-收缩耦联骨骼肌收缩由脊髓a运动神经元兴奋、轴突末梢释放ACh引起N型受体通道开放，突触后肌膜去极化（产生EPSP）电压门控Na+通道开放，肌纤维产生一个动作电位T管（横管）去极化使肌浆网释放Ca2+Ca2+与肌

27、钙蛋白结合引起肌球蛋白发生位移，产生肌丝滑行肌肉与肌肉收缩横桥循环67肌纤维的收缩影响神经肌肉接头传递的因素N型ACh受体阻断剂（如筒箭毒和银环蛇毒）可特异性地阻断受体通道，使接头传递功能丧失，肌肉松弛胆碱酯酶抑制剂（如新斯的明）可增加ACh在接头间隙的浓度，改善肌无力症状胆碱酯酶活性减弱或丧失（如有机磷农药中毒），可造成ACh在接头间隙内大量蓄积，引起肌肉强直肌肉与肌肉收缩68肌肉收缩的外部表现和力学变化等张收缩：刺激肌肉 收缩、缩短肌肉收缩时长度变化；张力几乎不变肢体屈曲等长收缩：刺激肌肉 不缩短、张力肌肉收缩时长度几乎不变；张力变化用力握拳复合收缩：大多躯体运动肌肉与肌肉收缩69肌肉收缩

28、效能收缩时缩短的程度或张力的大小，以及产生缩短或张力的速度影响因素：收缩时承受的负荷（前负荷和后负荷）、自身收缩能力和总和效应负荷（前负荷和后负荷）前负荷：肌肉在收缩前所承受的负荷松开旋动螺钉在杠杆的短臂端加上前负荷（肌肉被拉长）拧紧螺钉即决定了前负荷，也决定了肌肉的初长度后负荷：肌肉在收缩过程中所承受的负荷在决定了前负荷（肌肉的初长度）之后在杠杆的短臂端加上后负荷该负荷仅在肌肉收缩时才呈现出来在有后负荷的情况下，肌肉不能立即缩短而增强张力，出现等长收缩；当张力增强到超过后负荷时，肌肉缩短而张力不再增加，呈现等张收缩肌肉与肌肉收缩70肌肉收缩效能收缩的总和（summation）可增强骨骼肌的收

29、缩强度（但心肌的收缩是“全或无”的，不会发生收缩总和）肌肉与肌肉收缩骨骼肌收缩的总和有两种形式，即运动单位数量的总和以及频率效应的总和运动单位：一个运动神经元及其轴突分支所支配的所有肌纤维运动单位的募集引起的数量效应总和：激活的运动单位越多，肌肉产生的张力就越大71肌肉收缩效能收缩的总和（summation）运动神经元发放频率增加引起的频率效应总和：中枢神经系统增强肌肉收缩效能的另一个办法是增加运动神经元发放的频率（频率募集），使肌肉产生强直收缩而加大收缩的张力单收缩：当骨骼肌受到一次短促刺激时，可发生一次动作电位，随后出现一次收缩和舒张。在一次单收缩中，肌细胞膜动作电位的时程仅2 4 ms，而肌肉收缩的过程可达几十，甚至几百毫秒肌肉与肌肉收缩72肌肉收缩效能收缩的总和（summation）收缩的总和与强直收缩：由于骨骼肌的收缩过程可达几十甚至几百毫秒，因而在其的机械收缩过程中接受新的刺激时，肌细胞可以发生新的兴奋（产生动作电位），并由此引起新的收缩；而且，收缩可以叠加起来，导致总和现象和收缩张力的加大。骨骼肌的收缩总和有两种形式：不完全性强直收缩：如果刺激的频率不太高且落在上一次收缩的舒张期内，肌肉发生不完全性强直收缩强直收缩：如果刺激的频率足够高且落在上一次收缩的收缩期内，肌肉出现完全性强直收缩，简称强直收缩；在生理条件下，支配骨骼肌的传出神