動物生理學(xué)復(fù)習(xí)重點(diǎn)

第1章細(xì)胞的基本功能1-1細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)對細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能的研究從宏觀到微觀經(jīng)歷了細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平和分子水平幾個層次，與光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的研制、開發(fā)及其技術(shù)不斷向生物科學(xué)中滲透分不開。從低等生物到高等哺乳動物的細(xì)胞膜都有類似的結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡下可分為3層：膜的內(nèi)外兩側(cè)，即靠細(xì)胞質(zhì)側(cè)和細(xì)胞外液側(cè)是致密層，中間夾有透明層。細(xì)胞膜的化學(xué)分析結(jié)果表明，細(xì)胞膜主要由脂質(zhì)分子（lipidmolecule）和蛋白質(zhì)分子（proteinmolecule）組成，此外還有少量糖類物質(zhì)。關(guān)于這幾種物質(zhì)的分子在細(xì)胞膜中的排列形式及由其所決定的細(xì)胞膜的基本生物學(xué)特性，曾有多種假說，其中被較多實(shí)驗(yàn)事實(shí)所支持、目前仍被大多數(shù)學(xué)者所接受的是由Singer和Nicholson(1972)提出的液態(tài)鑲嵌模型（fluidmosaicmodel）。該模型的基本內(nèi)容是：膜以液態(tài)的脂質(zhì)雙分子層（lipidbilayer）為基架，其中鑲嵌著具有不同分子結(jié)構(gòu)和生理功能的蛋白質(zhì)分子。液態(tài)脂質(zhì)雙分子層基架由磷脂（占脂質(zhì)總量的70%以上）和膽固醇（低于30%）組成。脂質(zhì)雙分子層具有穩(wěn)定性和流動性，使細(xì)胞能承受相當(dāng)大的張力和外形改變而不至于破裂，即使膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些較小的斷裂，也容易自動融合和修復(fù)。由于細(xì)胞膜是以脂質(zhì)雙分子層為骨架，所以水和水溶性物質(zhì)一般不能自由通過細(xì)胞膜。不同細(xì)胞的細(xì)胞膜和細(xì)胞膜的不同部分，因脂質(zhì)的成分和含量不完全相同也影響到了細(xì)胞膜的特性和功能。如細(xì)胞膜外側(cè)面的脂質(zhì)多為磷脂酰膽堿和含膽堿的鞘脂；而細(xì)胞膜胞質(zhì)一側(cè)的脂質(zhì)多為磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸；膽固醇的含量在兩層脂質(zhì)中差別不大，但膽固醇含量高的細(xì)胞膜，流動性差；近年來發(fā)現(xiàn)含量較少、與跨膜信息傳遞有關(guān)的磷脂酰肌醇幾乎都在膜的靠胞質(zhì)的一側(cè)。膜蛋白約占細(xì)胞膜質(zhì)量的55%，它們具有不同的分子構(gòu)象和功能?，F(xiàn)已證明，各種細(xì)胞膜蛋白質(zhì)分子，它們以α螺旋或球形結(jié)構(gòu)鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層中。依據(jù)膜蛋白鑲嵌在脂質(zhì)雙層中的方式與牢固程度，可分為內(nèi)在蛋白(intrinsicorintegralprotein)和表面蛋白（surfaceorextrinsicprotein）兩大類。內(nèi)在蛋白（又稱整合蛋白，integralprotein）是跨膜蛋白，與膜結(jié)合緊密很難分離，其分子的疏水部分埋植于脂質(zhì)雙層內(nèi)，親水部分突出于細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)或外側(cè)面。表面蛋白分布在脂質(zhì)雙分子層的內(nèi)、外兩側(cè)面，好像被吸附在膜的表面，以非共價(jià)鍵與膜脂質(zhì)分子的親水性頭部或與內(nèi)在蛋白突向膜表面的親水性部分相結(jié)合；有些蛋白還通過連接一些脂肪酸鏈，以協(xié)助它們固定于膜表面。它們與膜的結(jié)合較為疏松，容易與膜分離。許多細(xì)胞內(nèi)表面的骨架蛋白就屬于表面蛋白。鑲嵌在脂質(zhì)雙分子層的蛋白質(zhì)的功能有：①形成細(xì)胞的骨架蛋白（anchoringprotein），可使細(xì)胞膜附著在另一細(xì)胞的膜上，或使其附著在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外的某物質(zhì)上；②作為“識別蛋白”（recorgnitionprotein），存在于免疫細(xì)胞膜上，能識別異體細(xì)胞的蛋白質(zhì)或癌細(xì)胞；③具有酶（enzyme）的特性，能催化細(xì)胞內(nèi)外的化學(xué)反應(yīng)；④作為“受體蛋白”（receptorprotein），能與信息傳遞物質(zhì)（激素或遞質(zhì)）進(jìn)行特異性結(jié)合，并引起細(xì)胞反應(yīng)；⑤作為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或載體蛋白（carrierprotein）、通道蛋白（channelprotein）和膜泵（membranepump），與細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能有關(guān)。細(xì)胞膜內(nèi)還含有少量糖類，主要是一些寡糖和多糖。它們都是以共價(jià)鍵的形式與膜的脂質(zhì)或蛋白質(zhì)結(jié)合，形成糖脂或糖蛋白。這些糖鏈絕大部分裸露在膜的外表面的一側(cè)。1-2滲透與溶劑拖曳滲透（osmosis）是擴(kuò)散的一種特例，是指水分子的跨膜擴(kuò)散過程。因?yàn)槿芤褐械乃肿訚舛缺燃兯械牡?，所以將同體積的水溶液和純水分別放在僅能使水通過而不能讓溶質(zhì)通過的半透膜兩側(cè)時(shí)，水分子則會因水的濃度差，從純水的一側(cè)跨膜到水溶液的一側(cè)，直到兩側(cè)水濃度達(dá)到平衡。這種水移動過程稱為滲透。如果在水溶液一側(cè)施加壓力，則可阻止水分子從純水向水溶液一側(cè)的轉(zhuǎn)移，所需要的壓力即是該溶液的滲透壓（osmoticpressure）。在生物體內(nèi)，許多細(xì)胞膜、細(xì)胞器膜、小血管及某些小管壁都具有這種半透膜特征。疏水性的脂質(zhì)雙分子層對水的通透性很低，水通過它的速度很慢，所以，水能快速地通過細(xì)胞膜乃是依靠細(xì)胞膜上特異性蛋白質(zhì)分子（水通道）而進(jìn)行的。當(dāng)水分子擴(kuò)散時(shí)，有些溶質(zhì)可隨著水分子一起被轉(zhuǎn)運(yùn)，稱為溶劑拖曳（solventdrag）。1-3離子通道、水通道的研究發(fā)現(xiàn)及2003年度的諾貝爾化學(xué)獎細(xì)胞膜對離子的通透性取決于通道開放時(shí)水相孔道的大小和孔道壁帶電情況。K+、Na+在水中均為水合狀態(tài)，當(dāng)它們通過離子通道時(shí)，必須脫去表層的水膜，以減小直徑才便于通過。1998年，美國MacKinnon實(shí)驗(yàn)室在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了一種對pH敏感的K+通道。通道由4個亞單位組成，每個亞單位含內(nèi)螺旋和外螺旋各一條。4個亞單位垂直于脂質(zhì)雙層的平面，使分子尖端稍傾斜地插入細(xì)胞膜內(nèi)形成圓錐形通道。各亞單位在細(xì)胞膜外連接兩條螺旋的為一段肽段，包括胞外環(huán)、孔螺旋和選擇性環(huán)3部分。每個亞單位的選擇性環(huán)構(gòu)成了通道外口的選擇性濾器，決定著K+通道對離子的選擇性。這是因?yàn)榇嬖谟谶x擇性濾器內(nèi)壁的羰基氧能提供能量、取代被水飽和的K+外圍的水膜，促進(jìn)K+通過該通道。但Na+因其直徑太小，不能充分地和該K+通道內(nèi)襯的羰基氧相互作用，水膜不易脫落，直徑較大而較難通過；Ca2+的直徑太大，自然不能通過該K+通道。水分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)有單純擴(kuò)散和水通道（waterchannel）兩種方式。水分子的單純擴(kuò)散存在于所有細(xì)胞，但速度較慢。人們很早就發(fā)現(xiàn)，腎遠(yuǎn)球小管和集合管重吸收水的量受抗利尿激素調(diào)節(jié)，這種現(xiàn)象不能用單純擴(kuò)散來解釋，因而推測細(xì)胞膜中有可受激素調(diào)節(jié)的水通道存在。美國科學(xué)家Agre發(fā)現(xiàn)了水通道，并于1992年完成了水通道的分子克隆和功能鑒定。組成水通道的蛋白稱為水孔蛋白（aquaporin，AQP），目前已鑒定出10多種水孔蛋白，包括AQP0~AQP9和MIWC，各種的組織分布和功能特性不同，AQP1分布于具有分泌和吸收功能的上皮細(xì)胞，如近端腎小管上皮、脈絡(luò)上皮、膽管和膽囊上皮、晶狀體和睫狀體上皮等，參與近端腎小管對水的重吸收、腦脊液的生成、膽汁的分泌和濃縮、房水的生成等生理過程。AQP2只分布于腎集合管上皮細(xì)胞頂端膜，抗利尿激素（血管升壓素）可通過調(diào)節(jié)水通道插入細(xì)胞膜的數(shù)量來調(diào)節(jié)集合管上皮對水的通透性。了解離子通道功能活動與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不僅有助于闡明離子本身跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制，而且可以從更深層次上來認(rèn)識生物電現(xiàn)象和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，揭示離子通道疾病的發(fā)病機(jī)制。因此，這方面的研究已成為當(dāng)前細(xì)胞生理學(xué)的一個熱點(diǎn)，Agre和MacKinnon一同獲得了2003年度的諾貝爾化學(xué)獎。1-4Na+-K＋-ATP酶及1957年諾貝爾化學(xué)獎20世紀(jì)50年代人們就在槍烏賊大神經(jīng)軸突細(xì)胞膜上直接證實(shí)了Na+逆著濃度梯度的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。并且這一轉(zhuǎn)運(yùn)過程必須在細(xì)胞外K+存在時(shí)才能達(dá)到最大轉(zhuǎn)運(yùn)率，表明Na+的外排與K+的內(nèi)入相耦聯(lián)，并計(jì)算出耦聯(lián)的比例是3Na+：2K+：1ATP。此外還證明，鈉泵可被強(qiáng)心苷特異性抑制。1957年丹麥科學(xué)家Skou在蟹的外周神經(jīng)膜上分離出一種ATP酶，這種酶在同時(shí)存在Na+和K+的條件下被激活，和細(xì)胞內(nèi)被K+激活的酶通常被Na+抑制的規(guī)律不同，同時(shí)該酶的活性能被強(qiáng)心苷抑制。因此他提出了Na+-K+-ATP酶就是鈉泵的設(shè)想，并在以后的大量實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。Skou也因此獲得1957年度諾貝爾化學(xué)獎。Na+、K+的主動轉(zhuǎn)運(yùn)是由Na+-K+-ATP依賴式酶的磷酸化和去磷酸化循環(huán)過程所驅(qū)動的一種耗能過程。鈉泵是一個由α（催化）亞單位和β（調(diào)節(jié)）亞單位組成的二聚體蛋白質(zhì)。在α亞單位的細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)面有與Na+和ATP結(jié)合位點(diǎn)及磷酸化位點(diǎn)，細(xì)胞外側(cè)有與K+和一種細(xì)胞毒物（哇巴因，ouabain）的結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)在細(xì)胞內(nèi)α亞單位與Na+結(jié)合時(shí)，ATP也與之結(jié)合并且轉(zhuǎn)變?yōu)锳DP和磷酸，磷酸轉(zhuǎn)移到磷酸化位點(diǎn)使α亞單位磷酸化，蛋白質(zhì)構(gòu)象改變。磷酸化后的α亞單位對Na+的親和力下降，而對K+的親和力增高，因此，能將Na+釋放到細(xì)胞膜外；細(xì)胞膜外的K+卻同時(shí)與α亞單位上的相應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，結(jié)果又使α亞單位去磷酸化，再返回到原來的構(gòu)象。去磷酸化的α亞單位對Na+親和力升高，對K+的親和力降低，K+被釋放到細(xì)胞膜內(nèi)。1-5鈣泵、氫泵和Na+-I-泵鈣泵（calciumpump）也稱Ca2+-ATP酶，位于細(xì)胞膜、肌質(zhì)網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。細(xì)胞膜的鈣泵每分解1個ATP，可將1個Ca2+由胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外；肌質(zhì)網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣泵每分解1個ATP，可將2個Ca2+由胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到肌質(zhì)網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)。鈣泵的主動轉(zhuǎn)運(yùn)和Na+-Ca2+交換體的活動共同使靜息狀態(tài)下胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+濃度保持在0.1～0.2μmol/L的低水平，僅為細(xì)胞外Ca2+濃度的萬分之一，這一狀態(tài)對維持細(xì)胞的正常生理功能具有重要作用。氫泵也稱質(zhì)子泵，即H+-ATP酶，在腎的遠(yuǎn)曲小管和集合管上皮細(xì)胞的胞質(zhì)中有許多囊泡，囊泡內(nèi)含有H+-ATP酶，囊泡插入頂膜，就能發(fā)揮質(zhì)子泵排H+作用。另外還有H+-K＋-ATP酶，也稱為質(zhì)子泵，分布在胃黏膜壁細(xì)胞表面和腎小管上皮細(xì)胞頂端，與H+的分泌有關(guān)。Na+-I-泵也稱鈉-碘同向轉(zhuǎn)運(yùn)體（sodium-iodidesymporter），位于甲狀腺濾泡上皮細(xì)胞基底部，借助Na+-K+-ATP酶活動所提供的能量以一個I-和2個Na+協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)現(xiàn)I-的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)。1-6由受體介導(dǎo)的胞飲由受體介導(dǎo)的胞飲過程是：①環(huán)境中的配體被細(xì)胞膜上的受體所“識別”，并與受體發(fā)生特異結(jié)合，形成受體-配體復(fù)合物；②復(fù)合物在細(xì)胞膜上做橫向運(yùn)動，向細(xì)胞膜表面的一些稱為有被小窩(coatedpit)的部位集中；③約1min的時(shí)間，由于大量的受體-配體復(fù)合物的聚集，使凹陷進(jìn)一步加深至0.3μm時(shí)，有被小窩與細(xì)胞膜斷裂形成獨(dú)立的有被小泡；原來位于有被小窩內(nèi)層的蛋白性結(jié)構(gòu)現(xiàn)在位于有被小泡的外圍面向胞質(zhì)；④以后這種蛋白結(jié)構(gòu)消失（可能是溶解于胞質(zhì)，為有被小泡的形成提供能量，也可能再用于細(xì)胞膜上，形成新的有被小窩），有被小泡與胞質(zhì)中的初級溶酶體(primarylysosome)相融合成為次級溶酶體(secondarylysosome)；⑤次級溶酶體中的酶使配體與受體分離；⑥配體以擴(kuò)散或主動轉(zhuǎn)運(yùn)的方式再度被轉(zhuǎn)運(yùn)到能利用它的細(xì)胞器中；⑦保留在胞內(nèi)的受體與一部分膜結(jié)構(gòu)形成較小的循環(huán)小泡移到細(xì)胞膜處與細(xì)胞膜融合，重新成為細(xì)胞膜的一部分，使受體和膜結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用，稱為膜的再循環(huán)。與一般的胞飲作用相比較，以受體介導(dǎo)的胞飲速度快，特異性高。1-7大分子物質(zhì)的跨核膜轉(zhuǎn)運(yùn)真核細(xì)胞具有核膜。核膜是核與細(xì)胞質(zhì)的屏障，能將遺傳物質(zhì)的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成在時(shí)間和空間上分隔開來，保證各種生命活動之間互不干擾而又有條不紊地進(jìn)行。核膜由內(nèi)外兩層膜、核間隙、核孔（nuclearpore）和核纖層組成。核孔實(shí)際上是一個蛋白質(zhì)復(fù)合體，因此也稱核孔復(fù)合體（nuclearporecomplex，NPC），是細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核之間物質(zhì)交換的唯一通道，主要參與被動運(yùn)輸（自由擴(kuò)散）和主動運(yùn)輸兩種運(yùn)輸方式。作為一種被動運(yùn)輸通道，核孔復(fù)合體呈管狀，內(nèi)充滿液體，該通道具有親水性，允許離子和水溶性的小分子通過。直徑在10nm以下的物質(zhì)原則上均能自由通過，相對分子質(zhì)量小于5×103的分子可自由擴(kuò)散，大于17×103的分子其擴(kuò)散速度很慢，而超過60×103的分子則很難擴(kuò)散。在核孔復(fù)合體進(jìn)行的主動運(yùn)輸中，核孔復(fù)合體具有嚴(yán)格的雙向選擇性，這種選擇性主要表現(xiàn)在兩個方面：①限制運(yùn)輸物質(zhì)的大?。涸谥鲃舆\(yùn)輸中核孔直徑為10～20nm，有時(shí)甚至達(dá)到26nm，明顯大于被動運(yùn)輸中的直徑，而且核的直徑可根據(jù)物質(zhì)的大小自我調(diào)控。②核孔的主動運(yùn)輸是一個信號識別與載體介導(dǎo)的過程，需要消耗ATP來提供能量，而選擇性主要體現(xiàn)在運(yùn)入和運(yùn)出核物質(zhì)的限制，有些分子如DNA聚合酶、RNA聚合酶、組蛋白和核糖體蛋白只允許運(yùn)進(jìn)細(xì)胞核，而翻譯所需的RNA和裝配好的核糖體等物質(zhì)只能從細(xì)胞核運(yùn)出。但有些蛋白質(zhì)或RNA分子甚至兩次或多次越過核孔復(fù)合體，如核糖體蛋白、核小RNA（smallnuclearRNA，snRNA）等。（1）親核蛋白的入核轉(zhuǎn)運(yùn)親核蛋白（karyophillicprotein）系指在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成后能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮功能的一類蛋白質(zhì)。親核蛋白一般都含有一段特殊的氨基酸序列，具有特定的核定位特征，被用來作為細(xì)胞內(nèi)的分選信號，因此被命名為核定位序列或核定位信號（nuclearlocalizationsignal，NLS）。核定位信號的受體稱為核輸入受體（nuclearimportreceptor）。每一種核輸入受體可識別一組具有相似核定位信號的親核蛋白。核輸入受體是可溶性的細(xì)胞基質(zhì)蛋白，它既能與核定位信號結(jié)合，又可與核孔復(fù)合體的核孔蛋白（nucleoporin）結(jié)合，從而介導(dǎo)了蛋白質(zhì)通過核孔通道的運(yùn)輸。研究證明，核孔復(fù)合體的主動轉(zhuǎn)運(yùn)是借助NLS結(jié)合蛋白（NLS－bindingprotein，NBP）這一載體而完成的。NBP在運(yùn)輸NLS與核孔復(fù)合體運(yùn)輸裝置之間可能作為一種接頭分子而發(fā)揮作用。NBP分布在胞質(zhì)或核膜上，其作用的方式可能有：①NBP本身就是核孔復(fù)合體的組分之一，結(jié)合親核蛋白后直接將其運(yùn)到核內(nèi)；②作為一種停泊受體（dockingreceptor），在胞質(zhì)內(nèi)與NLS結(jié)合，然后把親核蛋白運(yùn)輸?shù)胶丝讖?fù)合體再向核內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)；③NBP作為一種穿梭受體，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)與親核蛋白NLS結(jié)合將其運(yùn)輸?shù)胶藘?nèi)然后再返回胞質(zhì)。（2）大分子物質(zhì)的出核轉(zhuǎn)運(yùn)大分子物質(zhì)（RNA、蛋白質(zhì)）的出核轉(zhuǎn)運(yùn)也是由類似NLS的核定位信號介導(dǎo)的，稱為出核運(yùn)送信號（nuclearexportsignal，NES）。被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的某些結(jié)構(gòu)域具有NES的作用。另外還發(fā)現(xiàn)一類特殊蛋白質(zhì)兼有NES和NLS的兩種功能，可迅速穿梭于細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間，該蛋白的某些序列復(fù)雜迅速地出核轉(zhuǎn)運(yùn)。有一些跨核膜轉(zhuǎn)運(yùn)體具有入核和出核雙向轉(zhuǎn)運(yùn)功能。Sutherland(1958)發(fā)現(xiàn)，胰高血糖素和腎上腺素促進(jìn)肝細(xì)胞分解糖的作用都是通過一種由他發(fā)現(xiàn)的新物質(zhì)——cAMP(cyclicadenosinemonophosphate，環(huán)腺苷一磷酸)實(shí)現(xiàn)的。1965年他提出了激素作用的第二信使學(xué)說，即激素并不進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，只作為第一信使將信號帶給細(xì)胞膜上特定的受體，再激活細(xì)胞膜上的效應(yīng)器酶系統(tǒng)，使細(xì)胞內(nèi)的ATP轉(zhuǎn)化為cAMP；另一方面，cAMP又作為第二信使，將信號傳送到效應(yīng)器分子，產(chǎn)生反應(yīng)。這是首次闡明信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，因此Sutherland獲得1971年的諾貝爾獎。這一理論的提出，又引發(fā)了轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，即G蛋白的研究。Rodbell和Gilman相繼發(fā)現(xiàn)幾種激素（胰高血糖素、腎上腺素、ACTH）都是通過效應(yīng)器酶系統(tǒng)催化ATP生成cAMP這一第二信使調(diào)節(jié)靶細(xì)胞活動。并認(rèn)為，在受體和cAMP之間存在著一種被他們稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)體的第三種分子，可將受體和效應(yīng)器酶耦聯(lián)起來。1987年Gilman成功地將能與GTP結(jié)合，并能將受體與效應(yīng)器酶聯(lián)系起來的轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白從膜制備中分離出來，稱為GTP的結(jié)合蛋白（簡稱G蛋白），即前面提到的轉(zhuǎn)導(dǎo)體。Gilman和Rodbell獲得1994年度的諾貝爾獎。曾一度認(rèn)為這只是激素類化學(xué)信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)方式，但隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)遞質(zhì)類物質(zhì)中除了少數(shù)氨基酸類遞質(zhì)外，不論小分子經(jīng)典遞質(zhì)，還是后來發(fā)現(xiàn)的數(shù)量眾多的肽類物質(zhì)（約50種），甚至NO、CO氣體也可以作為信使物質(zhì)通過環(huán)化酶-第二信使完成跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。Furchgott，Lgnarro(1986)和Moncade(1987)的三個研究小組由于發(fā)現(xiàn)并確定了NO的信使作用，而獲得1998年諾貝爾獎。關(guān)于跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究，早已超出了遞質(zhì)或激素作用機(jī)制的范疇，成為細(xì)胞生理學(xué)中一個有普遍意義的新篇章。1-9N型ACh門控通道的分子結(jié)構(gòu)典型的化學(xué)門控通道多數(shù)是由2個α亞單位和β、γ、δ各為一個的亞單位組成的α2βγδ五聚體，每個亞基肽段的N端、C端都在膜外，中間是4次穿過細(xì)胞膜的4個α螺旋（M1、M2、M3、M4，圖1-7）。5個亞單位在膜內(nèi)以非共價(jià)鍵相互吸引形成一個梅花樣結(jié)構(gòu)，并由M2螺旋的親水性氨基酸一側(cè)圍繞成離子孔道內(nèi)壁；由于M2上的電荷特征這些通道分為陽離子通道和陰離子通道，前者可以是調(diào)節(jié)Na+內(nèi)流的煙堿型ACh受體（nAChR）通道、調(diào)節(jié)Ca2+內(nèi)流的谷氨酸受體(GluR)離子通道以及調(diào)節(jié)Na+、K+和Li+等通過的5-羥色胺受體（5-HT3R）通道（該通道主要分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腸道中）；后者可以是調(diào)節(jié)Cl-流動的甘氨酸受體(GlyR)離子通道和γ-氨基丁酸受體（GABA4R）離子通道。目前研究較為清楚的是神經(jīng)-肌肉接點(diǎn)上的N型乙酰膽堿門控通道，在它的2個α亞單位上有結(jié)合ACh的位點(diǎn)，當(dāng)兩個ACh分子與亞單位結(jié)合后，便引起通道蛋白的構(gòu)象變化和通道開放。分布于突觸后膜的甘氨酸受體Cl-通道、5-羥色胺3型陽離子通道，以及谷氨酸、天冬氨酸受體陽離子通道，也是離子通道型受體。另外，分布于味覺細(xì)胞膜上的感受咸味（鈉鹽）刺激的受體，是化學(xué)門控通道，也屬于通道型受體。1-10電壓門控Na+、K+、Ca2+通道電壓門控的Na+、K+、Ca2+等通道都具有相似的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系模式，屬同一基因家族。以電壓門控Na+通道為例，它是一個由α、β1和β2三個亞單位組成的通道。其中α亞單位是形成孔道的單位。α亞單位整個鏈可分為4個氨基酸序列十分相似的結(jié)構(gòu)域（同源結(jié)構(gòu)域，Ⅰ～Ⅳ）。4個結(jié)構(gòu)域成正方形排列，其中心構(gòu)成跨膜孔道。每個結(jié)構(gòu)域又含有6個跨膜α螺旋，其中在第5至第6個α螺旋中間的細(xì)胞外環(huán)向內(nèi)折疊構(gòu)成了孔道的內(nèi)壁，決定著通道所選擇離子的性質(zhì)。如利用基因突變技術(shù)，將孔道內(nèi)的第1422位的賴氨酸和第1714位的丙氨酸用谷氨酸替代，則通道對離子的選擇就由Na+改為Ca2+。每個結(jié)構(gòu)域的第4個α螺旋都含有一定量的帶正電荷的精氨酸和賴氨酸，這一段被認(rèn)為是通道的電壓感受器（voltage-sensor），膜電位變化時(shí)，它可在電場作用下發(fā)生移動，導(dǎo)致通道構(gòu)象的改變，使通道激活（activation）。用免疫抗體和基因突變技術(shù)還證明電壓門控通道的關(guān)閉是位于結(jié)構(gòu)域Ⅲ～Ⅳ之間細(xì)胞內(nèi)環(huán)上第1489位的苯丙氨酸和它兩側(cè)的異亮氨酸和甲硫氨酸運(yùn)動引起通道失活(inactivation)的結(jié)果。膜除極化時(shí)，它們向孔道移動，并堵塞Na+通道。如果將這3個氨基酸全部用谷氨酸取代，Na+通道便不能失活。在下丘腦的滲透壓敏感神經(jīng)元膜上有一種牽張刺激引起失活的機(jī)械門控陽離子通道，當(dāng)血漿滲透壓降低時(shí)，該細(xì)胞因腫脹使細(xì)胞膜張力增大，致該通道失活，而陽離子通道失活則引起超極化，減少電壓門控Ca2+通道介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流，并減少抗利尿激素的釋放。除毛細(xì)胞外，單細(xì)胞的鞭毛蟲、大腸桿菌、螯蝦的牽張感受器、蛙肌梭中的初級感受神經(jīng)末梢、大鼠的心室肌細(xì)胞和一些神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等細(xì)胞的膜上，都有機(jī)械門控通道。1-12GTP酶循環(huán)G蛋白的分子有兩種構(gòu)象，即與GTP結(jié)合時(shí)的激活型和與GDP結(jié)合時(shí)的失活型。兩種狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換就構(gòu)成了GTP酶循環(huán)?？刂艷TP酶循環(huán)便是調(diào)節(jié)G蛋白活性的關(guān)鍵。在循環(huán)中將GDP轉(zhuǎn)換成GTP便激活了G蛋白。結(jié)合激動劑的受體使GDP/GTP轉(zhuǎn)換速率加快，增加了結(jié)合GTP的具有活性的G蛋白的數(shù)量。1-13關(guān)于第二信使物質(zhì)cAMP由ATP生成。cAMP能激活細(xì)胞內(nèi)的依賴于cAMP的蛋白激酶A（PKA）。IP3由磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）水解而來，是水溶性的小分子物質(zhì)，在離開膜后可與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體結(jié)合，IP3受體是一種化學(xué)門控的Ca2+釋放通道，激活后可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+釋放，使胞質(zhì)中的游離Ca2+濃度升高。DG由磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）水解而來，是脂溶性物質(zhì)，能特異性激活蛋白激酶C（proteinkinaseC，PKC）。Ca2+作為第二信使，在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有重要的作用。細(xì)胞內(nèi)凡能與Ca2+結(jié)合的蛋白統(tǒng)稱為鈣結(jié)合蛋白（Ca2+-bindingprotein，CaBP）。Ca2+可直接作用于底物蛋白發(fā)揮作用：在骨骼肌，Ca2+與肌鈣蛋白結(jié)合可引發(fā)肌肉收縮，因此肌鈣蛋白可視為Ca2+受體；在心肌，Ca2+可與肌質(zhì)網(wǎng)上的ryanodine受體結(jié)合，誘發(fā)肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+。Ca2+還可結(jié)合并激活PKC，使底物蛋白磷酸化，發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。Ca2+還有另外一個受體是鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM），CaM分子存在于所有細(xì)胞之中。在平滑肌細(xì)胞中CaM與Ca2+結(jié)合，Ca2+-CaM復(fù)合物可結(jié)合并激活肌球蛋白輕鏈激酶，導(dǎo)致肌球蛋白輕鏈磷酸化和平滑肌的收縮；在血管內(nèi)皮細(xì)胞，Ca2+-CaM復(fù)合物結(jié)合并激活一氧化氮合酶（nitricoxidesynthase，NOS），NOS將L-精氨酸轉(zhuǎn)換為NO和胍氨酸，生成的NO擴(kuò)散至平滑肌，引起血管舒張。Ca2+-CaM還可激活依賴于CaM的蛋白激酶，并使底物蛋白磷酸化。1-14酶耦聯(lián)受體（1）具有酪氨酸激酶的受體該受體都是貫穿脂質(zhì)雙分子層的膜蛋白，一般只有一個α螺旋，其膜外有與配體結(jié)合的位點(diǎn)，伸入胞質(zhì)的一端具有酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，因此被稱為具有酪氨酸激酶的受體或受體酪氨酸激酶（receptortyrosinekinase）。該類受體介導(dǎo)的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程如下：當(dāng)膜外段與相應(yīng)的化學(xué)信號結(jié)合時(shí)，受體分子的單體聚合成二聚體，直接激活膜胞質(zhì)側(cè)酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，導(dǎo)致受體自身及（或）細(xì)胞內(nèi)靶蛋白的磷酸化，由此再引發(fā)各種細(xì)胞內(nèi)功能的改變。胰島素、胰島素樣生長因子及一些肽類激素和其他與機(jī)體發(fā)育、生長、增殖甚至細(xì)胞癌變有關(guān)的各種生長因子（或細(xì)胞因子），都通過靶細(xì)胞膜上的受體酪氨酸激酶將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞核，從而引起基因轉(zhuǎn)錄的改變。（2）結(jié)合酪氨酸激酶的受體這類受體包括促紅細(xì)胞生成素受體、生長激素和催乳素受體以及許多細(xì)胞因子和干擾素的受體。這類受體的分子結(jié)構(gòu)中沒有蛋白激酶的結(jié)構(gòu)域，因此受體本身沒有蛋白激酶活性，但當(dāng)受體與配體結(jié)合后，膜內(nèi)結(jié)構(gòu)域可吸附胞質(zhì)內(nèi)的酪氨酸蛋白激酶，與之結(jié)合并使后者激活，因此稱為結(jié)合酪氨酸激酶的受體。酪氨酸激酶被該受體激活后，可使自身和胞質(zhì)中的另一種酪氨酸激酶STAT的酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化，后者又通過使能進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)的一類轉(zhuǎn)錄因子磷酸化，最終導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄的功能改變而發(fā)揮生物學(xué)作用。（3）鳥苷酸環(huán)化酶受體此類受體也稱受體鳥苷酸環(huán)化酶(receptor-guanylylcyclase)，只有一個跨膜α螺旋，分子的N端有與配體結(jié)合的位點(diǎn)，C端位于膜內(nèi)側(cè)有鳥苷酸環(huán)化酶(guanylylcyclase，GC)。當(dāng)它與配體（如心房鈉尿肽，atrialnatriureticpeptide，ANP）結(jié)合后，即將鳥苷酸環(huán)化酶(GC)激活，催化胞質(zhì)內(nèi)的GTP生成cGMP。cGMP又可結(jié)合與激活cGMP依賴性的蛋白激酶G(PKG)，PKG可使底物蛋白質(zhì)磷酸化，產(chǎn)生效應(yīng)。如心房鈉尿肽就是通過此途徑刺激腎排泄鈉和水，并使血管平滑肌舒張。近年來又發(fā)現(xiàn)NO的受體也是GC，但這種GC存在于胞質(zhì)中，稱為可溶性GC(solubleGC)。它由兩個亞單位構(gòu)成，NO作用于可溶性GC，使胞質(zhì)中的cGMP濃度和PKG活性升高，引起細(xì)胞的相應(yīng)效應(yīng)。1-15生物電的發(fā)現(xiàn)和諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎20世紀(jì)生物科學(xué)的重大進(jìn)展之一是對細(xì)胞的興奮和生物電的闡明。早在18—19世紀(jì)很長一段時(shí)間內(nèi)，人們都是利用蛙的神經(jīng)-肌肉標(biāo)本，以肌肉收縮為指標(biāo)研究神經(jīng)的興奮性。首先是萊頓瓶的發(fā)明，使人們發(fā)現(xiàn)用萊頓瓶放電刺激神經(jīng)可引起該神經(jīng)支配的肌肉收縮。18世紀(jì)末，意大利醫(yī)生和生理學(xué)家Galvani用一個鐵銅弓的兩端與神經(jīng)肌肉標(biāo)本相接觸時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以引起肌肉的收縮。Galvani認(rèn)為這是生物電現(xiàn)象，并解釋為肌肉宛如一個蓄有電荷的萊頓瓶，其電荷可以通過金屬導(dǎo)體放電，而引起肌肉的收縮。這一觀點(diǎn)遭到了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家伏特（Voltn）的反對。伏特重復(fù)了Galvani的實(shí)驗(yàn)，并解釋為刺激肌肉收縮的電流來自兩種金屬與溶液接觸時(shí)產(chǎn)生的電位差，而肌肉在其中只不過起了導(dǎo)體的作用。事實(shí)上伏特的解釋也是正確的，伏特還以此發(fā)明了銅、鋅伏特電池。而Galvani為了證實(shí)和維護(hù)自己的觀點(diǎn)，又完成了被稱為“無金屬收縮”的實(shí)驗(yàn)。他將神經(jīng)-肌肉標(biāo)本上的神經(jīng)干的新鮮切口直接觸及肌肉表面，即可引起肌肉收縮，從而無可懷疑地證實(shí)了生物電的存在。事實(shí)上，這是由于神經(jīng)干切口處產(chǎn)生了損傷電位，肌肉收縮是由于損傷電流刺激而引起?，F(xiàn)在認(rèn)為損傷電位實(shí)際是靜息電位的顯示。Galvani是生物電的發(fā)現(xiàn)者，Galvani和Voltn的學(xué)術(shù)爭論促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展，這是科學(xué)史上最值得注意的事件之一，我們從中可以獲得教益?？茖W(xué)上意見不同是常有的事，但要開展自由的爭論，是否正確要靠科學(xué)實(shí)驗(yàn)來證明，只有這樣才能促進(jìn)科學(xué)蓬勃發(fā)展。19世紀(jì)中葉，物理學(xué)中發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)。1820年電流計(jì)問世，1827年物理學(xué)家Nobeli改進(jìn)了電流計(jì)，并在肌肉的橫斷面和完整的縱表面之間記錄到了電流，其損傷部位為負(fù)，完整面為正。隨后，意大利生理學(xué)家CarloMatteucci在上述基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刺激神經(jīng)-肌肉標(biāo)本的神經(jīng)引起肌肉收縮時(shí)，損傷電位降低乃至消失，這表明肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生了與損傷電流方向相反的電流，并將其稱為負(fù)電變化，這就是“動作電位”。1842年他又完成了有名的“二次收縮”實(shí)驗(yàn)，將左側(cè)神經(jīng)-肌肉標(biāo)本的神經(jīng)搭在右側(cè)神經(jīng)-肌肉標(biāo)本的肌肉上，然后刺激右側(cè)的神經(jīng)干，使其肌肉收縮，發(fā)現(xiàn)左側(cè)的肌肉隨之也產(chǎn)生了收縮。他還發(fā)現(xiàn)肌肉收縮時(shí)伴有電的變化，說明左側(cè)肌肉的收縮是由于右側(cè)肌肉興奮引起的。生理學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)乃至生物電研究的迅速發(fā)展都與其他學(xué)科和科學(xué)技術(shù)發(fā)展及它們之間更為廣泛地協(xié)同、交叉與滲透有關(guān)。隨著一些研究生物電的儀器、設(shè)備，如電鍵、乏極化電極、感應(yīng)線圈和更為靈敏的電流計(jì)相繼出現(xiàn)和在大腦皮質(zhì)、皮膚、腺體、眼球等器官記錄到了生物電，1849年德國生理學(xué)家DuBoisReymond又在神經(jīng)干上記錄到損傷電位和活動時(shí)產(chǎn)生的負(fù)電變化，即靜息電位和動作電位，第一次提出了生物電產(chǎn)生機(jī)制的學(xué)說。1902年DuBoisReymond的另一位學(xué)生，德國生理學(xué)家JuliusBerntein在電化學(xué)研究進(jìn)展的影響下，提出了現(xiàn)在看來仍為正確的、并推動了生物電研究的膜學(xué)說。20世紀(jì)20年代Gasser和Erlanger將陰極射線示波器等近代電子學(xué)儀器設(shè)備引入神經(jīng)生理學(xué)研究，促進(jìn)了對生物電的深入研究。1944年他們由于對神經(jīng)纖維電活動的卓越分析而共同獲得諾貝爾獎。1936年，J.Z.Young報(bào)道了烏賊神經(jīng)干中含有直徑達(dá)500μm的巨軸突。1939年生理學(xué)家A.L.Hodgkin和A.F.Huxley在英國，H.J.Curtis和K.S.Cole在美國將毛細(xì)玻璃微電極從巨軸突切口縱向插入巨軸突內(nèi)，首次實(shí)現(xiàn)了靜息電位和動作電位的細(xì)胞內(nèi)記錄，證實(shí)并發(fā)展了Berntein關(guān)于靜息電位的膜學(xué)說。1949年A.L.Hodgkin和B.Katz根據(jù)用細(xì)胞內(nèi)記錄方法所得結(jié)果對Berntein的膜學(xué)說進(jìn)行了修正，提出動作電位的鈉學(xué)說（離子學(xué)說）。接著他們（1952）又用電壓鉗技術(shù)，在烏賊巨軸突上記錄了動作電流，在此研究基礎(chǔ)上提出雙離子通道模型。Hodgkin和Huxley等關(guān)于動作電位離子機(jī)制的研究（包括實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論研究兩個方面）對于闡明生物電現(xiàn)象中興奮的本質(zhì)有重要意義，他們于1960年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。1949年凌寧（G..Ling）在Gerard實(shí)驗(yàn)室研制出尖端直徑小于1μm的玻璃微電極，建立了微電極技術(shù)。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)將神經(jīng)細(xì)胞生理學(xué)研究推上了新的進(jìn)程。Eccles開始應(yīng)用玻璃微電極對脊髓神經(jīng)元及其突觸的電生理研究，發(fā)現(xiàn)了興奮性和抑制性突觸后電位。基于對神經(jīng)生理學(xué)的貢獻(xiàn)，Hodgkin、Huxley、Eccles三人分享了1963年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。Katz則因應(yīng)用微電極技術(shù)對神經(jīng)-肌肉接頭突觸的研究，獲得了1970年的諾貝爾獎。1-16引起興奮的刺激條件和強(qiáng)度-時(shí)間曲線無論是在體還是離體情況，組織的興奮性大多由刺激引起。由于電刺激的強(qiáng)度、波形、持續(xù)時(shí)間容易控制，而且不易損傷組織，可重復(fù)使用，因而是研究興奮時(shí)最普遍使用的刺激。任何刺激要引起組織興奮必須在強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度對時(shí)間變化率三個方面達(dá)到最小值，稱為刺激的三要素。為了研究三個參數(shù)之間的相互關(guān)系，常利用矩形方波電刺激。因?yàn)榫匦畏讲姶碳さ膹?qiáng)度對時(shí)間變化率最高，組織不易發(fā)生適應(yīng)；同時(shí)不同大小和持續(xù)時(shí)間的矩形方波的上升（或下降）支的斜率都是一樣的，因此可以認(rèn)為它們的強(qiáng)度對時(shí)間變化率是固定不變的，這樣就可以單純地分析刺激強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間兩個因素之間的相互關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)引起組織興奮所需的刺激強(qiáng)度與該刺激的作用時(shí)間呈反比關(guān)系。也就是說，當(dāng)所用的刺激較強(qiáng)時(shí)，它只需要較短的作用時(shí)間就可以引起組織興奮；而當(dāng)刺激強(qiáng)度較弱時(shí)則必須作用較長的時(shí)間才能引起組織興奮。如果把能夠引起興奮的不同刺激強(qiáng)度和與它們相對應(yīng)的作用時(shí)間描繪在坐標(biāo)紙上，便可得到一條雙曲線，稱為強(qiáng)度-時(shí)間曲線（strength-durationcurve）。由曲線可以看出，強(qiáng)度越小，引起興奮所需刺激時(shí)間越長。但當(dāng)刺激強(qiáng)度小到一定程度時(shí)，即使延長時(shí)間也不能引起興奮。把能引起興奮所需要的最低刺激強(qiáng)度稱為基強(qiáng)度。用二倍于基強(qiáng)度的電流（2b）刺激組織，引起興奮所需的最短時(shí)間（T）稱為時(shí)值[chronaxie(法文)]，時(shí)值可作為衡量組織興奮性的指標(biāo)。除時(shí)值外，還可利用閾強(qiáng)度作為衡量組織興奮性的指標(biāo)。當(dāng)刺激持續(xù)時(shí)間固定于某一適當(dāng)數(shù)值時(shí)，引起組織興奮的最低刺激強(qiáng)度稱為強(qiáng)度閾值（thresholdintensity），簡稱閾值（threshold），該刺激稱為閾刺激（thresholdstimulation）。強(qiáng)度低于它的刺激稱為閾下刺激（subthresholdstimulus），高于它的刺激稱為閾上刺激（suprathresholdstimulus）。低于閾值[強(qiáng)度閾值或時(shí)間閾值]的刺激是不能引起組織興奮的。強(qiáng)度閾值或時(shí)間閾值可近似地反映該組織的興奮性的高低，組織的閾值越低說明其興奮性越高，相反則越低。1-17檢測興奮性變化的實(shí)驗(yàn)神經(jīng)受到刺激后興奮性的變化可以用實(shí)驗(yàn)加以證明，首先用一個足以引起整個神經(jīng)干興奮的有效刺激（最適刺激）刺激神經(jīng)引起其興奮，然后以不同的時(shí)間間隔再給予第二個刺激（其強(qiáng)度是可調(diào)的），檢查神經(jīng)對檢驗(yàn)性刺激是否反應(yīng)（用第二個刺激能引起神經(jīng)興奮的強(qiáng)度閾值）和所引起的動作電位幅度的變化，來判定神經(jīng)組織興奮后的興奮性的變化。第二個刺激稱為檢測刺激。以兩個刺激間隔測出神經(jīng)干的不應(yīng)期。當(dāng)?shù)诙€刺激引起的動作電位幅度開始降低時(shí)（設(shè)為t2），說明第二個刺激開始落入第一次興奮的相對不應(yīng)期內(nèi)。當(dāng)?shù)诙€動作電位開始完全消失，表明此時(shí)第二個刺激開始落入第一次興奮后的絕對不應(yīng)期內(nèi)（設(shè)為t1），那么t2-t1即為相對不應(yīng)期。1-18觀察生物電的方法早期生理學(xué)家們通過對蟾蜍（或蛙）的神經(jīng)-肌肉（坐骨神經(jīng)-腓腸肌）標(biāo)本的神經(jīng)施加刺激或直接刺激肌肉，以肌肉的收縮為指標(biāo)，推論在神經(jīng)或肌肉表面接受刺激的點(diǎn)一定產(chǎn)生了某種信號，而且這種信號可沿著神經(jīng)纖維或肌細(xì)胞傳導(dǎo)，最后導(dǎo)致整個肌肉發(fā)生收縮；以后確認(rèn)這個信號就是電信號。隨著電生理實(shí)驗(yàn)技術(shù)和電子儀器的使用，對這個電信號有了進(jìn)一步的觀察和記錄。（1）細(xì)胞膜的電學(xué)特性細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的絕緣層將含有電解質(zhì)的細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液分開，其形式類似于一個平行板電容器，因此細(xì)胞膜具有電容特性。但該電容的電阻要比單純的脂質(zhì)雙分子層電阻（10-9~10-6Ω）小得多，只有10-3Ω左右。這主要是由于細(xì)胞膜中插入了許多通道蛋白，開放的通道蛋白有如插入脂質(zhì)雙分子層中的小導(dǎo)體，能允許離子通過。當(dāng)離子通道開放而引起離子跨膜流動時(shí)，就相當(dāng)于在電容器上充電和放電，因而在膜的兩側(cè)產(chǎn)生電位差，即跨膜電位（transmembranepotential）簡稱膜電位（membranepotential）。離子通道開放時(shí)，電阻低，所以通道蛋白數(shù)量越多，膜電阻（mebraneresistance）就越小。由于細(xì)胞膜兼有電容和電阻的特性，因此可以用并聯(lián)的阻容耦合的等效電路來描述它的電學(xué)特征。對于神經(jīng)和肌肉這種長形細(xì)胞，還應(yīng)考慮胞質(zhì)（軸漿）的軸向電阻。當(dāng)給細(xì)胞施加一個小于閾值的刺激（即向細(xì)胞內(nèi)注入電流）時(shí)，由于胞質(zhì)（軸漿）電阻的存在和沿途有電流的流出，并隨著距刺激原點(diǎn)的距離增加不論是軸漿電流還是跨膜電流都在減小，由此形成的跨膜電位也在減少，其變化規(guī)律與電纜上發(fā)生的情況相似，即刺激處的跨膜電位最大，外周一定距離以外的跨膜電位將隨距離的平方呈衰竭現(xiàn)象。此時(shí)神經(jīng)元膜的電學(xué)特性稱之為靜態(tài)電學(xué)特性。如果刺激高于閾值，此時(shí)膜的離子通道選擇性開放，出現(xiàn)主動的離子跨膜移動，此時(shí)的膜電路就會改變原來電路的靜態(tài)電學(xué)特性，被稱為細(xì)胞膜的動態(tài)電學(xué)特性。細(xì)胞的生物電現(xiàn)象即是細(xì)胞膜電學(xué)特性的不同表現(xiàn)形式。（2）雙向動作電位與單向動作電位在沒有損傷的神經(jīng)或肌肉表面上放置兩個電極（b、c）為記錄電極，兩電極中間連一記錄儀（電位計(jì)或示波器）以觀察兩電極下方膜的電位變化。在靜息時(shí)兩電極之間沒有電位差。若在神經(jīng)干游離端（a）施加刺激(如向細(xì)胞內(nèi)注入正電流)，引起其（神經(jīng)干）興奮時(shí)，則可看到靠近刺激端的電極下方（b）產(chǎn)生了動作電位，而且是雙向的，稱為雙向動作電位。圖中紅塊（陰影）表示動作電位的產(chǎn)生和傳導(dǎo)過程。這里的電位變化實(shí)際是組成神經(jīng)干的眾多單根神經(jīng)纖維或組成肌肉的眾多單個肌細(xì)胞電變化的物理性疊加的結(jié)果。如果用機(jī)械的或化學(xué)的方法對第二個電極下的膜加以處理，使該處不能產(chǎn)生興奮，那么當(dāng)刺激神經(jīng)一端（a）時(shí)，在記錄儀上只能看到一次電位波動，稱為單向動作電位。（3）細(xì)胞外記錄和細(xì)胞內(nèi)記錄對單一細(xì)胞的生物電現(xiàn)象觀察方法之一是利用某些無脊椎動物特有的巨大神經(jīng)或肌肉，如槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突（其直徑最大可達(dá)到1000μm左右，便于單獨(dú)剝離出來），進(jìn)行細(xì)胞外電位記錄和細(xì)胞內(nèi)記錄。對脊椎動物的單一細(xì)胞內(nèi)的記錄，是將一個金屬或毛細(xì)玻璃管制成的，內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液，尖端直徑僅有1.0μm的微電極刺入某一在體或離體細(xì)胞或神經(jīng)纖維的膜內(nèi)，因?yàn)樗挥屑舛四軐?dǎo)電，因此能測量細(xì)胞在不同功能狀態(tài)時(shí)膜內(nèi)電位與另一位于膜外的參考電極之間的電位差。這樣記錄的電位變化只與該細(xì)胞有關(guān)，幾乎不受其他細(xì)胞電位的影響。（4）電壓鉗技術(shù)(voltageclamp)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根據(jù)是：離子作跨膜移動時(shí)形成了跨膜離子電流（I），膜對離子的通透性即是離子通過膜的難易程度，是膜電阻的倒數(shù)，稱電導(dǎo)（G）。因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用了一種負(fù)反饋原理的電子學(xué)裝置，在維持跨膜電位恒定的情況下，測量跨膜電流的強(qiáng)度改變，由此計(jì)算出膜電導(dǎo)（即膜通透性）的變化情況。（5）膜片鉗技術(shù)（patchclamp）如圖1-24所示；A圖表示用一玻璃微電極的尖端開口吸緊一小片質(zhì)膜，使之與膜的其他部分形成電學(xué)分離，此膜正好含一個Na+通道。B圖表示人工地使跨膜靜息電位除極化，并穩(wěn)定在約-10mV的水平。C圖表示在多次除極化的觀察中可看到的同一Na+通道開放的情況。D圖表示將多次實(shí)驗(yàn)中看到的Na+通道開放引起的Na+內(nèi)流疊加，可以模擬出整段膜除極化時(shí)的Na+內(nèi)流情況，足以解釋膜動作電位上升支的形成。1-20跨膜電位是各種離子流過細(xì)胞膜的綜合結(jié)果很多實(shí)際情況是，在靜息時(shí)細(xì)胞膜除了對有機(jī)負(fù)離子幾乎沒有通透性外，對K+、Na+、Cl-都是可通透的，因此各種離子的相對通透性是影響靜息電位的重要因素，可以認(rèn)為靜息電位是經(jīng)權(quán)衡后的各種離子平衡電位的代數(shù)和（Em）。一般認(rèn)為細(xì)胞膜對Cl-不存在原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)，因此Cl-在膜兩側(cè)的分布是被動的，它不決定膜電位，但是膜電位卻決定它在膜內(nèi)的濃度。細(xì)胞膜對K+、Na+的相對通透性就成了決定靜息電位的主要因素，內(nèi)流的Na+會中和一部分膜內(nèi)的負(fù)電荷。但細(xì)胞膜對Na+的通透性大約是K+通透性的1/10000，則靜息電位就更接近于K+的平衡電位，但向Na+的平衡電位的方向偏離，所以實(shí)際測定的靜息電位較理論計(jì)算出來的值略小。因此可以認(rèn)為決定靜息電位的因素有3點(diǎn)：①細(xì)胞膜內(nèi)外的K+濃度差。②膜對K+、Na+的相對通透性，如果膜對K+通透性增大，靜息膜電位增大，更趨于EK；反之，膜對Na+通透性增大，靜息膜電位減小，更趨于ENa。如心肌和骨骼肌細(xì)胞，K+與Na+上述比值為20～100，靜息電位為-80～-90mV；而平滑肌細(xì)胞的K+與Na+的比值為7～10，靜息電位也只有-55mV。③鈉－鉀泵活動水平。關(guān)于動作電位形成的離子機(jī)制方面，20世紀(jì)70年代Neher和Sakmann通過用膜片鉗技術(shù)對單個離子通道進(jìn)行了觀察提出，細(xì)胞膜上至少有兩種電壓門控離子通道：選擇Na+通過的Na+通道和選擇K+通過的K+通道。細(xì)胞膜對Na+的通透性的增加，實(shí)際上是通道開放結(jié)果；當(dāng)跨膜電位向膜除極化方向改變時(shí)，Na+通道就開放，而且隨著除極化程度的增加，通道開放概率將增加；在膜除極化時(shí)會有眾多的Na+通道隨機(jī)開放，因此，整段膜的電流的變化乃是Na+通過眾多的Na+通道而造成的電流的物理性疊加。

心肌的動作電位和神經(jīng)元、骨骼肌細(xì)胞的動作電位不同，延續(xù)的時(shí)間要長，共分5個時(shí)期，而且在它的下降支多了個平臺期（見第3章），這是由于參與心肌動作電位形成的離子不單有Na+，還有Ca2+，是Na+、K+、Ca2+流動的綜合效應(yīng)。在生理學(xué)中，將正離子由膜外向膜內(nèi)流動或負(fù)離子由膜內(nèi)向膜外流動稱內(nèi)向電流（inwardcurrent），內(nèi)向電流能促使膜除極化。通常Na+和Ca2+由細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)流動，都是內(nèi)向電流。將正離子由膜內(nèi)向膜外流動或負(fù)離子由膜外向膜內(nèi)流動稱外向電流(outwardcurrent)，外向電流導(dǎo)致膜復(fù)極化或超極化。通常K＋的外流和Cl-的內(nèi)流都是外向電流。不難理解，動作電位的上升支（除極化相）是內(nèi)向電流形成，而下降支（復(fù)極化相）是外向電流形成的。引起離子跨膜流動的原因，主要來自膜兩側(cè)對離子的電-化學(xué)驅(qū)動力和動作電位期間對離子的通透性的瞬間變化。在動作電位形成過程中大部分離子的跨膜運(yùn)動（離子流）是通過細(xì)胞膜上的通道蛋白中央的親水性孔道（pore），是一種經(jīng)離子通道的易化擴(kuò)散，屬被動轉(zhuǎn)運(yùn)；另外一些離子跨膜流動是由離子泵實(shí)現(xiàn)的離子轉(zhuǎn)運(yùn)與交換，屬于主動轉(zhuǎn)運(yùn)，如常見的Na+-K+泵、Ca2+泵能利用細(xì)胞代謝產(chǎn)生的ATP作為能量，逆著電化學(xué)梯度將離子進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。另一種是細(xì)胞膜上Na+-Ca2+交換體，是以跨膜Na+的內(nèi)向性濃度梯度為動力（勢能），實(shí)現(xiàn)Na+-Ca2+交換，是一種繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)，由Na+-K+泵的活動提供能量，它也受膜內(nèi)外的電位差的影響。帶電離子在流動的過程中參與細(xì)胞的電活動。1-21Na+、K+通道的激活與失活Na+通道有兩道門，靜息時(shí)，位于中間的激活門關(guān)閉著，位于膜內(nèi)側(cè)的失活門開放著；而K+通道只有一道門，靜息時(shí)是關(guān)閉著的。除極化時(shí)，使Na+通道激活，激活門和失活門全都開放，Na+內(nèi)流；Na+通道被激活后很快就失活，激活門仍開著，但失活的門卻關(guān)著，Na+不能內(nèi)流；以后才恢復(fù)到靜息狀態(tài)。K+通道則延遲被激活，開放較晚，K+外流起步晚；而且K+通道沒有失活狀態(tài)，可直接恢復(fù)到靜息時(shí)的關(guān)閉狀態(tài)。鈉泵的活動對膜內(nèi)外Na+、K+濃度的增加十分敏感，膜內(nèi)Na+濃度輕微增加就能促進(jìn)鈉泵的活動，所以每一次興奮后的靜息期鈉泵活動都有一定程度的增強(qiáng)，將興奮時(shí)進(jìn)入膜內(nèi)Na+泵出，而把復(fù)極化時(shí)流出膜外的K+移入，使興奮前原有的離子分布不均勻狀態(tài)得以恢復(fù)。以此形成的（濃度）勢能儲備可保證細(xì)胞多次興奮，而不需要當(dāng)時(shí)再耗氧供能。Na+泵活動時(shí)由于兩種離子轉(zhuǎn)運(yùn)同時(shí)進(jìn)行，出入的離子總數(shù)又近于相等，故一般不伴隨電位的明顯變化。但是在膜內(nèi)Na+蓄積過多而使鈉泵活動過度增強(qiáng)時(shí)，這種定比關(guān)系就可以改變，結(jié)果是泵出的Na+量超過K+量，最高時(shí)可達(dá)3?2的程度，這時(shí)就有可能使膜內(nèi)負(fù)電荷增加。泵的活動是生電的，使膜電位向超極化的方向變化，在鋒電位之后出現(xiàn)正后電位；至于負(fù)后電位則可能是復(fù)極化時(shí)迅速外流的K+蓄積在膜外，而暫時(shí)阻止了K+外流的結(jié)果。1-22突觸小泡的分泌活動神經(jīng)遞質(zhì)的胞吐（即釋放）過程可分為5個時(shí)相：①突觸小泡靠近突觸前膜活動區(qū)，即入塢或靠錨（docking）；②由ATP水解提供能量，使小泡貼靠突觸柵欄結(jié)構(gòu)（致密突起），稱為啟動（priming）;③神經(jīng)沖動到達(dá)后，胞內(nèi)Ca2+濃度上升到1mmol/L左右，介導(dǎo)小泡與突觸前膜接觸和融合（fusion），向突觸間隙釋放遞質(zhì)，稱之胞吐；④小泡膜回收成為有被小泡，即胞吞；⑤有被小泡脫去包被釋出空的小泡，并重新裝入神經(jīng)遞質(zhì)，稱為再生（recycling）時(shí)相。該小泡的入塢、啟動、融合是通過小泡蛋白（v-SNARE，包括小突觸蛋白、突觸結(jié)合蛋白、小泡蛋白rab3）和相應(yīng)突觸膜蛋白（t-SNARE，突觸融合蛋白，電壓門控Ca2+通道及起抑制作用的蛋白n-sec1）共同完成的。這種釋放是以小泡為單位的傾囊而出，被稱為量子釋放（quantalrelease），突觸小泡所含神經(jīng)遞質(zhì)分子數(shù)被稱為量子大小（quantumsize）。一次動作電位能誘發(fā)釋放的小泡數(shù)（量子數(shù)）為量子含量（quantumcontent）。一個小泡所引起的突觸后電位，被稱為微突觸后電位（miniaturepostsynapticpotential）。1-23縫隙連接——細(xì)胞間通道在許多動物（包括腔腸動物、環(huán)節(jié)動物、節(jié)肢動物、軟體動物、低等及高等脊椎動物）身上的某些細(xì)胞（如平滑肌細(xì)胞、心肌細(xì)胞、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的某些神經(jīng)元、感受器細(xì)胞與感覺神經(jīng)的軸突）之間存在著縫隙連接（gapjunction）。在縫隙連接處的細(xì)胞間隙僅有2～3nm。超微結(jié)構(gòu)的觀察和分子生物學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在每一側(cè)細(xì)胞膜上都有許多整齊排列貫穿于細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)顆粒。每一個蛋白質(zhì)顆粒實(shí)際上是由6個蛋白質(zhì)亞單位構(gòu)成的多聚體，中間包繞著一個水相孔道。有適宜因素存在時(shí)，兩側(cè)細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)顆粒發(fā)生對接，形成一條條溝通兩細(xì)胞胞質(zhì)的通道，但該通道并不與細(xì)胞外液相通。在另一些因素下，如細(xì)胞內(nèi)的Ca2+、H+濃度增加，可使細(xì)胞間通道關(guān)閉。細(xì)胞間通道的存在，有利于功能相同而又緊密連接的一組細(xì)胞之間進(jìn)行離子、營養(yǎng)物質(zhì)甚至一些信息物質(zhì)的交換和溝通，使同步性活動成為可能。1-24關(guān)于突觸傳遞機(jī)制的研究和諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎關(guān)于突觸傳遞的機(jī)制是電傳遞還是化學(xué)傳遞經(jīng)歷了跨越兩個世紀(jì)近50年的爭論（19世紀(jì)的70年代—20世紀(jì)的20年代）。最早認(rèn)為，突觸間的傳遞如同興奮在細(xì)胞內(nèi)傳播一樣，是單一的電過程。直至電子顯微鏡對突觸結(jié)構(gòu)的觀察和微電極應(yīng)用化學(xué)性突觸傳遞才得到確認(rèn)。正當(dāng)化學(xué)性突觸傳遞的觀點(diǎn)在大多數(shù)突觸上被證實(shí)時(shí)，在神經(jīng)系統(tǒng)中又發(fā)現(xiàn)了為數(shù)不多見的電突觸傳遞。1976年Neher和Sakmann創(chuàng)建了膜片鉗技術(shù)成功地記錄到骨骼肌終板膜處單一乙酰膽堿門控通道電流，開創(chuàng)了直接通過實(shí)驗(yàn)研究離子通道功能的先河，為此他們獲得1991年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎?，F(xiàn)在這一技術(shù)已擴(kuò)展到對多種細(xì)胞的多種通道功能的觀察。1-25骨骼肌細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)骨骼肌細(xì)胞也稱肌纖維（musclefiber），與收縮功能有關(guān)的結(jié)構(gòu)是其內(nèi)許多平行排列的肌原纖維和管道系統(tǒng)。（1）肌原纖維肌原纖維中含有若干肌節(jié)（sarcomere），肌節(jié)是肌原纖維的最小結(jié)構(gòu)和功能單位。每個肌節(jié)又由粗肌絲（thickfilament）、細(xì)肌絲（thinfilament）以及作為收縮蛋白附著點(diǎn)，維持粗、細(xì)肌絲精確幾何位置的細(xì)胞骨架（cytoskelelton）構(gòu)成。細(xì)胞骨架包括橫向的M線區(qū)（Mline）和Z線區(qū)（Zline或Z盤，Zdisk）及縱向的肌聯(lián)蛋白(titin)和伴肌動蛋白(nebulin)。肌聯(lián)蛋白跨越M線區(qū)，分子中間部分作為粗肌絲形成的模板并成為粗肌絲的組成，兩側(cè)與Z線相連，并具有彈性。伴肌動蛋白存在于細(xì)肌絲中，作為細(xì)肌絲形成的模板。心肌細(xì)胞中無此蛋白（圖1-29）。粗肌絲和細(xì)肌絲是由一系列蛋白質(zhì)分子聚合而成，一共有4種蛋白質(zhì)：①肌球蛋白（myosin，MS，也稱肌凝蛋白）：由兩條重鏈相互纏繞構(gòu)成桿狀的尾部，兩條重鏈的前端分別與一對輕鏈連接。輕鏈形成一對球狀膨大的頭部，稱為橫橋（crossbridge）②肌動蛋白（actin，AT，也稱肌纖蛋白）：由兩列球形肌動蛋白分子單聚合體相互扭纏成雙螺旋體構(gòu)成細(xì)肌絲的主干。細(xì)肌絲的一端固定在肌纖維上的Z線上，另一端插入粗肌絲之間；粗肌絲與細(xì)肌絲相重疊部分構(gòu)成肌節(jié)的暗帶，暗帶兩端明亮部分僅有細(xì)肌絲，稱為明帶。③原肌球蛋白（tropomyosin，TM，也稱原肌凝蛋白）：為雙螺旋狀結(jié)構(gòu)，嵌在肌動蛋白的雙螺旋體的淺溝里，與肌動蛋白的雙螺旋體平行排列。肌肉靜息時(shí)，原肌球蛋白的位置正好處在肌動蛋白和橫橋之間，起到阻礙二者結(jié)合的作用。④肌鈣蛋白（troponin，也稱肌寧蛋白）：存在于細(xì)肌絲中，為由T、C、I三個亞單位組成的復(fù)合體。其中C亞單位（TnC）帶有雙負(fù)電荷的結(jié)合位點(diǎn)，對肌質(zhì)中出現(xiàn)的Ca2+有很大的親和力，而且每一個原肌球蛋白分子可與一個肌鈣蛋白復(fù)合體結(jié)合。T(TnT)與I(TnI)亞單位位于C亞單位兩側(cè)，分別與原肌球蛋白和肌動蛋白相結(jié)合。原肌球蛋白和肌鈣蛋白雖不直接參與肌絲的滑行，但可影響和控制收縮蛋白之間的相互作用，故稱它們?yōu)檎{(diào)節(jié)蛋白。（2）肌管系統(tǒng)肌纖維中有兩套肌管系統(tǒng)，一套是橫管（transversetube）系統(tǒng)，簡稱T管。橫小管是由肌細(xì)胞膜在肌纖維的Z線處向內(nèi)凹陷而形成，并與肌原纖維的長軸相垂直的小管。在哺乳動物的骨骼肌中它的位置在明暗帶交界處；在哺乳動物的心肌和兩棲類的骨骼肌中它位于Z線處。細(xì)胞外液經(jīng)肌膜上的開口與T小管的內(nèi)容物相溝通；T小管的膜具有與肌膜相類似的特性，可以產(chǎn)生以Na+為基礎(chǔ)的除極化和動作電位。另一套是縱管系統(tǒng)，即肌質(zhì)網(wǎng)(sarcoplasmicreticulum，SR)，簡稱L小管（縱小管，longitudinaltubule）。L小管與肌原纖維平行，包繞于肌節(jié)中間部分，稱縱行肌質(zhì)網(wǎng)（longitudinalSR，LSR）。L小管在接近肌節(jié)兩端的T小管處，形成特殊的膨大，稱為終末池（在心肌中稱為連接肌質(zhì)網(wǎng)，junctionalSR，JSR），內(nèi)儲存大量Ca2+，其濃度是肌質(zhì)中的數(shù)千倍。骨骼肌中80％的T小管與其兩側(cè)的終末池形成三聯(lián)管（triad）結(jié)構(gòu)。終末池雖與T小管不相通，但在靠近T小管的終末池上有Ca2+釋放通道（或稱ryanodinereceptor，RYR），靜息時(shí)Ca2+釋放通道是關(guān)閉著的。不同組織細(xì)胞中的SR膜上的RYR的類型不一樣，骨骼肌SR膜上的RYR主要是RYR1型，在心肌主要是RYR2型，在腦細(xì)胞中主要是RYR3型。在與之對置的橫管膜或肌膜上有一種L型的Ca2+通道（L-typeCa2+channel）。1-26橫紋肌肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+的釋放和再聚集（1）Ca2+的釋放肌質(zhì)中的Ca2+可來自終末池和細(xì)胞間隙液，前已述及骨骼肌和心肌T小管的終末池上的釋放通道類型不同，釋放的過程也就有很大的差別：①骨骼肌靜息時(shí)，橫小管上的L型通道對終末池膜上的Ca2+釋放通道開口起到堵塞的作用，只有當(dāng)橫小管膜上的電信號達(dá)到此處時(shí)，L型Ca2+通道發(fā)生構(gòu)型改變，才會消除對終末池膜上Ca2+釋放通道的堵塞作用，而使終末池內(nèi)的Ca2+大量進(jìn)入肌質(zhì)。需要說明的是，骨骼肌SR膜上的RYR主要是RYR1型，對Ca2+不敏感，當(dāng)動作電位傳到T小管膜時(shí)L型Ca2+通道激活相當(dāng)慢，完全開放需要幾百毫秒，所以在動作電位持續(xù)的幾個毫秒期間幾乎沒有Ca2+內(nèi)流，因此L型Ca2+通道此時(shí)僅作為一個對電位變化敏感的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，而不是作為離子通道來發(fā)揮作用的。②心肌的SR膜上的RYR主要是RYR2型，RYR2型對Ca2+非常敏感，μmol/L級濃度的Ca2+即可使其激活。當(dāng)心肌細(xì)胞產(chǎn)生興奮時(shí)，先是橫小管液（即細(xì)胞外液）中的Ca2+少量進(jìn)入肌質(zhì)，接著Ca2+進(jìn)一步激活終末池膜的Ca2+通道，使之開放釋放Ca2+，而使肌質(zhì)中Ca2+的濃度升高。由于心肌動作電位持續(xù)時(shí)間通常都在100ms以上，所以動作電位期間會有許多Ca2+經(jīng)肌膜、T小管膜上的L型Ca2+通道進(jìn)入胞質(zhì)并激活JSR上的RYR2，引起Ca2+的釋放。（2）Ca2+的再聚集骨骼肌和心肌細(xì)胞的LSR上均有鈣泵，是Ca2+-Mg2+依賴式ATP酶，可逆著Ca2+濃度梯度將肌質(zhì)中的主動轉(zhuǎn)運(yùn)至SR內(nèi)。在心肌細(xì)胞膜上還有Na+-Ca2+交換體使胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+與胞外的Na+進(jìn)行交換。這是一個繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)，利用Na+在膜兩側(cè)的濃度差作為動力，每進(jìn)入3個Na+，排出1個Ca2+；肌膜上的鈣泵每分解1個分子的ATP，可排出1個Ca2+。它們與SR上的鈣泵共同保持胞質(zhì)內(nèi)較低的Ca2+濃度。由此看出肌肉的舒張也是一個耗能的主動過程。被回收的Ca2+流入終末池中，與腔內(nèi)的集鈣蛋白（calsequestrin）結(jié)合，使肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)游離Ca2+濃度下降，這有助于鈣泵的轉(zhuǎn)運(yùn)和在終末池內(nèi)儲存更多的Ca2+。事實(shí)上，鈣泵轉(zhuǎn)運(yùn)能力的提高，不僅加速了胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度的下降，有助于肌肉的舒張；而且由于肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+儲存量的增加，還能增加肌肉收縮時(shí)肌質(zhì)網(wǎng)釋放更多的Ca2+，從而加強(qiáng)肌肉的收縮能力。1-27肌肉的收縮在整體情況下，一個運(yùn)動神經(jīng)元的軸突在肌肉內(nèi)有許多分支，每一個分支支配著一條肌纖維，當(dāng)該神經(jīng)元興奮時(shí)，它所支配的肌纖維將全部收縮。一個運(yùn)動神經(jīng)元及其軸突末梢所支配的全部肌纖維總稱為一個運(yùn)動單位（motorunit）。在整體情況下，運(yùn)動單位才是肌肉收縮的功能單位。而運(yùn)動單位收縮活動的特征有許多地方又與肌纖維相似。（1）等張收縮與等長收縮根據(jù)肌肉收縮時(shí)期張力及長度是否變化，單收縮又可分為兩種：等張收縮（isotoniccontraction）和等長收縮(isometriccontraction)。等張收縮時(shí)，肌肉的張力幾乎不發(fā)生變化，而肌肉的長度卻縮短。如從地面上提起一小桶水時(shí)，上肢曲屈，肌肉的張力僅等于水桶受到的重力，始終未變，而肌肉縮短了。等長收縮是肌肉的兩端被固定，肌肉收縮時(shí)長度幾乎不發(fā)生變化，而張力卻發(fā)生了變化。如提一很重的物體，未提起時(shí)前上肢的活動，肌肉的長短未變，而張力不斷增加，直至克服物體所受的重力。在整體情況下，肌肉的活動中很難將這兩種收縮分開，如前述，提起重物之前是等長收縮，而提起重物之后則是等張收縮，僅是二者復(fù)合的程度的不同。在整體情況下刺激對肌肉收縮的影響更多的是通過神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控調(diào)動更多的運(yùn)動單位參與收縮，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動單位的數(shù)量總和。整體中運(yùn)動單位的大小差別很大，不同的運(yùn)動單位所包含的肌纖維數(shù)量可從幾根到上千根，而收縮時(shí)產(chǎn)生的張力竟能相差50倍。弱刺激只能動員那些比較小的運(yùn)動神經(jīng)元所支配的小運(yùn)動單位收縮，隨著刺激強(qiáng)度的增加，則動員越來越多和越來越大的運(yùn)動單位收縮，產(chǎn)生的張力也越來越大。肌肉舒張時(shí)，首先停止放電和縮短的是那些較大的運(yùn)動單位，最后才是較小的運(yùn)動單位。肌肉這種調(diào)節(jié)肌肉收縮強(qiáng)度的方式稱為大?。技┰瓌t（sizeprinciple）。（2）刺激頻率對肌肉收縮的影響當(dāng)支配肌纖維的運(yùn)動神經(jīng)末梢傳來的動作電位的頻率較低時(shí)，由于下一次動作電位到來之前，肌質(zhì)中的Ca2+濃度已恢復(fù)到靜息水平，肌節(jié)也已返回靜息時(shí)的長度（即在肌肉舒張期之后），因此只會產(chǎn)生一系列與動作電位頻率一致的單收縮。當(dāng)動作電位出現(xiàn)的頻率較高時(shí)，由于前一次動作電位引起的Ca2+釋放尚未完全從肌質(zhì)中回收，第二次Ca2+釋放又開始了，于是未完全舒張的肌纖維將進(jìn)一步縮短，出現(xiàn)了多次收縮的總和（summationofcontraction），得到一條鋸齒狀收縮曲線，稱不完全強(qiáng)直收縮（incompletetetanus）。當(dāng)傳來的動作電位的頻率更高時(shí)，結(jié)果會使肌質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+持續(xù)釋放，肌質(zhì)中的Ca2+濃度持續(xù)上升，橫橋作用不斷發(fā)生，因而肌纖維持續(xù)收縮而不舒張，得到一條平滑的收縮總和曲線，稱完全強(qiáng)直收縮（completetetanus）。產(chǎn)生強(qiáng)直收縮的另一個原因是，動作電位持續(xù)的時(shí)間短于機(jī)械性收縮的時(shí)間，因而，能保證第二次動作電位引起的肌纖維收縮活動出現(xiàn)在前一次動作電位引起的收縮的縮短期內(nèi)。每一組曲線中上方為肌肉收縮的機(jī)械變化記錄，下方為肌肉的動作電位記錄，每個動作電位表示肌肉受到一次刺激；注意刺激的頻率加大時(shí)，可以有機(jī)械反應(yīng)的復(fù)合，而不會有動作電位的復(fù)合在整體中，骨骼肌纖維的收縮幾乎都是強(qiáng)直收縮。心肌不同，由于它的動作電位持續(xù)時(shí)間比收縮的時(shí)間還要長，當(dāng)?shù)诙€動作電位到達(dá)時(shí)，已開始舒張了。所以正常的心肌不會產(chǎn)生強(qiáng)直收縮，這對心臟泵血功能很有意義（見第3章）。1-28負(fù)荷對肌肉收縮的影響（1）前負(fù)荷對肌肉收縮的影響肌肉的收縮有一個最適前負(fù)荷和最適初長度（肌節(jié)的最適初長度為2.2μm）；小于或超過最適初長度，肌肉的收縮力都會下降。因?yàn)榧∪馐湛s時(shí)產(chǎn)生的張力與能和細(xì)肌絲結(jié)合的橫橋數(shù)目成比例，在最適初長度時(shí)，粗、細(xì)肌絲間橫橋作用達(dá)到最大限度，收縮產(chǎn)生的張力最大；而小于最適初長度時(shí)由于細(xì)肌絲過分深入，甚至細(xì)肌絲過分重疊、卷曲而阻礙了橫橋作用；大于最適初長度，則粗、細(xì)肌絲重疊太少，甚至相互脫離，使部分（或全部）橫橋不能發(fā)揮作用，所以這兩種情況都使肌肉收縮產(chǎn)生的張力小于最適長度時(shí)收縮所產(chǎn)生的張力。（2）后負(fù)荷對肌肉收縮的影響后負(fù)荷越大，肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的張力越大；產(chǎn)生肌肉收縮的時(shí)間越晚（即潛伏期越長），肌肉縮短的初速度和縮短的總長度也越小。這可以從兩方面進(jìn)行解釋，一方面是由于肌肉本身具有彈性，對后負(fù)荷是一種對抗和緩沖，因此肌肉收縮時(shí)必須先對由后負(fù)荷產(chǎn)生的伸展加以對抗之后才能出現(xiàn)縮短，則潛伏期要長，縮短的程度也小。另一方面，無論后負(fù)荷如何大，引起收縮的動作電位是相同的，即肌質(zhì)中Ca2+濃度增加的時(shí)間是相同的，因此后負(fù)荷增加時(shí)，使開始收縮的時(shí)間錯過了肌質(zhì)中高Ca2+時(shí)期，由Ca2+引起的肌絲滑行的效應(yīng)正處于變小狀態(tài)，因此肌肉縮短的長度也就變小。另外，后負(fù)荷對橫橋周期持續(xù)時(shí)間及產(chǎn)力效應(yīng)的影響。較輕負(fù)荷時(shí)，橫橋擺動和與肌動蛋白解離的速度快（縮短速度快），所以每瞬間產(chǎn)生張力的橫橋數(shù)量較少，產(chǎn)生的張力自然就??；較重負(fù)荷時(shí)，橫橋擺動的速度較慢，橫橋周期延長，因而每瞬間處于擺動和產(chǎn)生、維持張力狀態(tài)的橫橋數(shù)增多，因而收縮力增加。1-29骨骼肌的種類某些節(jié)肢動物和脊椎動物的骨骼肌纖維雖都是橫紋肌，但因?yàn)楣δ懿煌煞譃榭旒±w維與慢肌纖維，它們在形態(tài)及神經(jīng)支配上都有自己的特點(diǎn)?？旒∮址Q顫搐纖維（twitchfiber）或相位性纖維（phasicfiber），相對粗短；它們的肌原纖維排列整齊，明暗帶清晰可見，Z線是直線，微管系統(tǒng)廣泛存在；肌纖維中不含肌紅蛋白，顏色淺，因此又稱為白肌，白肌中的肌糖原和乳酸脫氫酶含量高，適于糖原酵解代謝，所以快肌適于快速收縮，但容易疲勞。慢肌又稱為緊張性纖維（tonicfiber），它們的肌原纖維束大小不一致，Z線呈鋸齒狀，微管系統(tǒng)不發(fā)達(dá)；重要的是慢肌中肌紅蛋白含量高，肌紅蛋白能結(jié)合氧，顏色鮮紅，因此又稱為紅?。患t肌內(nèi)磷酸化酶、細(xì)胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶含量高，能夠進(jìn)行糖原有氧代謝，因而慢肌適于持久、緩慢的運(yùn)動，不易疲勞?？旒　⒙≡诓煌瑒游镏兄饕硪姳?-3。慢肌的作用在于維持姿勢，即在動物該部分沒有運(yùn)動時(shí)，它們能夠產(chǎn)生足夠的張力以使肌肉保持在一個特殊的位置上。在魚類，慢肌的反應(yīng)可以節(jié)省呼吸O2。相對空氣而言，水中的O2不足，因此在正常游泳時(shí)利用慢肌要經(jīng)濟(jì)得多，只有需要快速前進(jìn)時(shí)才用快（白）肌纖維。機(jī)體的肌肉絕大多數(shù)是由快肌、慢肌混合組成，只有少數(shù)完全（或主要）由快肌纖維或慢肌纖維組成。快肌、慢肌的形成與其神經(jīng)支配有關(guān)，而且可以互相轉(zhuǎn)化。支配快肌的神經(jīng)纖維粗，傳導(dǎo)速度快，每個肌纖維上只有一個運(yùn)動終板，而且神經(jīng)末梢含突觸小泡多，快肌纖維都可產(chǎn)生動作電位。支配慢肌的神經(jīng)纖維較細(xì)，傳導(dǎo)速度慢，在兩棲類每個肌纖維上可能有多個運(yùn)動終板，神經(jīng)末梢含突觸小泡少，在哺乳類和鳥類的慢肌纖維上可記錄到動作電位，而在兩棲類只能記錄到終板電位。初生的動物，四肢肌收縮的速度都很緩慢，出生3～6周后，收縮速度普遍增加，以后發(fā)育中快肌的速度繼續(xù)增加，而慢肌不再增加，因而在個體發(fā)育中出現(xiàn)了快肌、慢肌的差別。在成年動物中進(jìn)行交叉神經(jīng)移植，可以使快肌轉(zhuǎn)化為慢肌，慢肌轉(zhuǎn)化為快肌。目前認(rèn)為，神經(jīng)沖動發(fā)放的形式可影響到肌纖維的性質(zhì)，運(yùn)動神經(jīng)元持續(xù)不斷地發(fā)放沖動，促使肌纖維長時(shí)間處于緊張性收縮狀態(tài)，因而形成了慢肌的特點(diǎn)；運(yùn)動神經(jīng)元快速發(fā)放脈沖式?jīng)_動引起肌纖維快速收縮就形成了快肌結(jié)構(gòu)和功能。另外，神經(jīng)元可能釋放某些營養(yǎng)物質(zhì)參與纖維結(jié)構(gòu)的形成過程。支配昆蟲飛翔的肌肉大都是橫紋肌，其收縮一般都是由中樞傳來的神經(jīng)沖動引起。也有例外的，如有些昆蟲包括蒼蠅、蚊子、蜜蜂、黃蜂和甲蟲等。它們的翅每秒振動100～300次，少數(shù)甚至高達(dá)2000次。如果這些昆蟲每次振動都是由一個動作電位引起的一次肌肉收縮所發(fā)動，那么每次肌肉收縮的周期至少要小于1ms，而最快的神經(jīng)、肌肉的動作電位持續(xù)的時(shí)間也有2ms。這很難用一般的橫紋肌收縮的原理來解釋。昆蟲的飛翔肌的收縮并不與傳出的神經(jīng)沖動同步，因此這些肌肉又稱異步肌（asynchronousmuscle）或稱原肌纖維（fibrillarmuscle）。實(shí)際上這類昆蟲飛翔肌的收縮活動雖然是神經(jīng)沖動所發(fā)起和終止，但是收縮活動一旦開始后，收縮頻率就不取決于傳出的神經(jīng)沖動。這些昆蟲翅的上下拍動主要依靠背腹肌和背縱肌的交替收縮。背腹肌收縮時(shí)將背板往下拉，使翅上舉；這時(shí)候又牽扯了背縱肌，使之進(jìn)入活動狀態(tài)，產(chǎn)生收縮，同時(shí)也使背腹肌進(jìn)入松弛狀態(tài)，背板向上拱起，翅向下拍；當(dāng)背縱肌收縮時(shí)又牽扯了背腹肌，使之進(jìn)入活動狀態(tài)……背腹肌和背縱肌交替收縮，互相引發(fā)，產(chǎn)生高頻率的翅振動。有些鳥類如蜂鳥，可以靠高頻振動的翅膀使其懸浮在空中，是否也有類似的機(jī)制值得探討。1-30平滑肌的微細(xì)結(jié)構(gòu)平滑肌與骨骼肌、心肌的區(qū)別在于沒有明顯的肌節(jié)結(jié)構(gòu)，所以沒有橫紋。平滑肌有發(fā)達(dá)的細(xì)胞骨架，包括致密體（densebody）和中間絲。致密體卵圓形，分布于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)面。在功能上致密體與骨骼肌的Z盤相似，上有類似于骨骼肌Z帶中的蛋白質(zhì)，有3~5條細(xì)肌絲固定在其上，是傳送張力的結(jié)構(gòu)；致密體之間由一種稱為結(jié)蛋白質(zhì)的聚合體（中間絲）相連接。細(xì)肌絲一端連接在致密體上，另一段游離在胞質(zhì)中，粗肌絲的數(shù)量明顯少于細(xì)肌絲，插在細(xì)肌絲之間。平滑肌的粗肌絲的直徑是細(xì)肌絲的2.5倍。和橫紋肌相比，平滑肌的肌動蛋白、肌球蛋白、ATP及CP含量低，ATP酶的含量及活性也較低，因此平滑肌收縮速度和緊張度都比橫紋肌弱；另外，粗肌絲在不同方位上伸出橫橋的朝向是相反的，這使得粗、細(xì)肌絲的滑動范圍可以延伸到細(xì)肌絲的全長，同時(shí)粗、細(xì)肌絲沒有形成肌節(jié)式嚴(yán)整的排列，因此當(dāng)平滑肌即使被拉伸到相當(dāng)大的長度時(shí)，粗細(xì)肌絲之間幾乎總有某些重疊，這就是為什么平滑肌具有較大的伸縮性和主動緊張性的原因（橫紋肌如果過度地被牽拉，將使粗細(xì)肌絲重疊部分脫開，而喪失主動緊張，只剩下彈性回縮）。平滑肌細(xì)胞的細(xì)肌絲中沒有肌鈣蛋白，但有一種能與Ca2+結(jié)合的鈣調(diào)蛋白（CaM）。分布于膜內(nèi)側(cè)面的致密體又稱為致密區(qū)與相鄰肌細(xì)胞膜內(nèi)的致密區(qū)相對，連接十分緊密，形成一種機(jī)械性耦聯(lián)，以完成細(xì)胞間的張力傳遞。相鄰肌細(xì)胞之間還有縫隙連接，可完成細(xì)胞之間的電學(xué)及化學(xué)的耦聯(lián)。平滑肌細(xì)胞沒有橫小管，細(xì)胞膜僅向內(nèi)陷呈縱向的袋狀結(jié)構(gòu)；肌質(zhì)網(wǎng)也不發(fā)達(dá)（有些平滑肌中的肌質(zhì)網(wǎng)相對發(fā)達(dá)，在靠近肌膜內(nèi)陷處的縱小管仍膨大為側(cè)囊，其內(nèi)儲存著Ca2+），肌絲主要被肌膜而不是SR包繞。SR膜上有對Ca2+敏感的RYR（鈣釋放通道，鈣受體）和對IP3敏感的IP3受體（IP3R）以及能吸收肌質(zhì)中Ca2+的鈣泵；肌膜上有能將Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞的鈣泵和Na+-Ca2+交換體。與骨骼肌相比平滑肌中的鈣泵和Na+-Ca2+交換體的功能都較弱。1-31平滑肌的緊張性收縮平滑肌可以長時(shí)間地維持一種穩(wěn)定的收縮狀態(tài)，稱為緊張性收縮。這一方面是由于Ca2+被SR鈣泵回收的過程和被肌膜Na+-Ca2+交換體與鈣泵排出的過程非常緩慢，另一方面是由于胞內(nèi)Ca2+濃度下降后，橫橋與細(xì)肌絲中肌動蛋白的結(jié)合仍然繼續(xù)保持一段時(shí)間，即所謂鎖橋（latchbridge）現(xiàn)象。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制可能是由于去磷酸化的橫橋ATP酶活性降低，因而橫橋擺動的速度下降，橫橋周期延長，橫橋與肌動蛋白結(jié)合的時(shí)間也延長。較長的橫橋周期使每瞬間與肌動蛋白結(jié)合的橫橋數(shù)目增多，產(chǎn)生較大的張力，也節(jié)省了能量消耗。據(jù)測定在產(chǎn)生同等張力的情況下，平滑肌收縮所需能量僅為骨骼肌的1/300~1/10。1-32平滑肌的分類體內(nèi)各器官的平滑肌總體上可分為兩大類，一類為一單位平滑?。╯ingle-unitsmoothmuscle），又稱內(nèi)臟平滑肌（visceralsmoothmuscle），分布于消化管、子宮、輸尿管等器官上。其中各細(xì)胞間可以通過縫隙連接進(jìn)行同步收縮；大部分細(xì)胞具有自動節(jié)律性，在沒有外來神經(jīng)支配時(shí)也能進(jìn)行正常的收縮活動。另一類為多單位平滑?。╩ulti-unitsmoothmuscle），如豎毛肌、虹膜肌、瞬膜肌、大血管及大氣管平滑肌等。所含的平滑肌細(xì)胞的活動受支配它的神經(jīng)釋放遞質(zhì)或擴(kuò)散來的激素的影響，各自獨(dú)立不具自律性；肌細(xì)胞與其支配的神經(jīng)元形成一個“運(yùn)動單位”，一個肌細(xì)胞可以同時(shí)接受多個神經(jīng)元的影響，因而“運(yùn)動單位”可以相互重疊。體內(nèi)還有一些平滑肌兼有兩方面的特點(diǎn)很難歸入哪一類，如小動脈、小靜脈平滑肌一般認(rèn)為屬于多單位平滑肌，但又有自律性；膀胱平滑肌沒有自律性，但遇到牽拉時(shí)又可作為一個整體進(jìn)行反應(yīng)，而被列為一單位平滑肌。1-33生物電在動物機(jī)體中的體現(xiàn)及在醫(yī)學(xué)中的意義在人類尚未認(rèn)識電魚放電本質(zhì)之時(shí)，古羅馬、古埃及人就熟知地中海的電鰩與尼羅河的電鲇能使人產(chǎn)生震擊、麻手的不愉快感覺。18世紀(jì)，歐洲曾流行利用電魚放電來治療關(guān)節(jié)炎、痛風(fēng)等疾病，這種古老的電療技術(shù)沿用了約2000年。現(xiàn)在對“動物機(jī)體生物電現(xiàn)象”的認(rèn)識已經(jīng)是不容置疑的了，電魚也成為研究生物電的微電極技術(shù)、離子通道機(jī)制的優(yōu)良實(shí)驗(yàn)材料，在電鰻的電器官中先后純化和克隆出Na+通道α亞單位、N2型乙酰膽堿受體陽離子通道。隨著人們對生物電特性與產(chǎn)生機(jī)制的認(rèn)識的不斷深入，不斷設(shè)計(jì)和制造出許多先進(jìn)的儀器設(shè)備運(yùn)用到動物生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)實(shí)踐，更好地為人類服務(wù)。下面擬通過電魚放電和動物機(jī)體正常心電圖形成原理，闡述生物電在動物體的生存和現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)方面的意義，希望對如何學(xué)習(xí)和應(yīng)用生理學(xué)理論知識起到一個引導(dǎo)的作用。（1）魚類的發(fā)電器官及其放電放電雖不是動物的基本生理功能，不像呼吸、消化等功能那樣普遍存在于動物界，但它卻是某些動物的特殊功能。電是由一些特化了的電細(xì)胞組成的發(fā)電器官所發(fā)放。生物界只有某些魚類能放電，包括電鯰、電鰩、電鰻。這些魚都具有一個能放電的發(fā)電器官，有的屬于板鰓類，全部是海洋類的；有的屬于真骨魚類，除科（Uranocopidea）外，全屬熱帶淡水魚類。電魚的發(fā)電器官大多分布于頭部、尾部、背部或胸鰭與頭部之間體側(cè)部皮下；絕大多數(shù)魚的電器官是由骨骼肌演化而來，這些骨骼肌已喪失了收縮特性，如電鰩的發(fā)電器官起源于鰓??；星魚的發(fā)電器官起源于眼??；鰩科魚類的發(fā)電器官起源于尾側(cè)肌肉；早些時(shí)候認(rèn)為電鯰的發(fā)電器官起源于腺體，而近期證明它也起源于骨骼??；唯有小尾電鰻科的發(fā)電器官起源于脊神經(jīng)。①發(fā)電器官的一般結(jié)構(gòu)和神經(jīng)支配：構(gòu)成發(fā)電器官的基本單位是電細(xì)胞（electrocyte），為扁圓形，又稱為電板（electroplates）。電細(xì)胞浸埋在由結(jié)締組織包圍而成的小室內(nèi)的透明膠質(zhì)中；神經(jīng)及血管深入小室，分布到電細(xì)胞。神經(jīng)纖維僅僅分布于電細(xì)胞的一個側(cè)面，而另一側(cè)面沒有神經(jīng)纖維，其膜突起形成皺褶。一個小室中只有一個電細(xì)胞，若干個這樣的小室疊連在一起，堆砌成細(xì)胞柱；若干個細(xì)胞柱又作平行排列構(gòu)成發(fā)電器官。由運(yùn)動神經(jīng)元軸突演化來的發(fā)電器官，如鰭電魚（Sternarchus）的運(yùn)動神經(jīng)元的軸突從脊椎伸出后，先向前伸展，曲折后再向后延伸，軸突末梢呈盲管，已失去與肌肉的聯(lián)系。這些變異的軸突在脊柱兩側(cè)形成發(fā)電器官。發(fā)電器官的放電活動受中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制。發(fā)