第二章 细胞的基本功能

学习目标

掌握：细胞膜的跨膜物质转运形式及其特点，静息电位、动作电位和阈电位的概念，神经肌接头处兴奋的传递过程，影响骨骼肌收缩的主要因素。

熟悉：静息电位和动作电位的产生机制，动作电位的传导，神经肌接头处兴奋的传递特点，骨骼肌收缩的原理，骨骼肌收缩的外部表现。

了解：细胞膜的基本结构及其跨膜信号转导功能。

细胞是一切生命活动的基本单位。因此，为了认识各器官、系统以及整个人体的功能，必须了解细胞的基本结构和功能。本章主要介绍细胞共有的一些基本功能活动，包括细胞膜的跨膜物质转运功能、跨膜信号转导功能、细胞的生物电现象以及肌细胞的收缩功能。

第一节 细胞膜的基本结构和功能

一、细胞膜的基本结构

细胞膜又称质膜，是细胞结构的边界。它把细胞内容物和细胞外环境分隔开来，维持细胞内的微环境相对稳定；同时又在细胞与环境之间进行物质、能量的交换及在信息传递过程中起决定性作用。

(一) 液态镶嵌模型学说

细胞膜主要由脂质、蛋白质和少量糖类组成。关于细胞膜的结构，现在比较公认的是液态镶嵌模型。该学说认为，细胞膜的基本结构是液态的脂质双分子层，其间镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质(图2-1)。

1. 脂质

细胞膜脂质主要由磷脂、胆固醇和少量的糖脂构成。磷脂是构成细胞膜脂质的基本成分，约占整个细胞膜脂质的70％以上；其次是胆固醇，一般低于30%。磷脂分子具有一个极性头部和两个非极性的尾部，以疏水性非极性尾部相对，亲水性极性头部朝向水相，形成的脂质双分子层构成细胞膜的基本结构成分。胆固醇主要参与调节细胞膜的流动性、增加细胞膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性等。不同细胞所含糖脂种类不同，功能也不同，例如，人红细胞表面糖脂决定ABO血型。

2. 蛋白质

细胞膜的很多功能需要通过膜蛋白来实现。膜蛋白的种类繁多，根据其在细胞膜中存在的形式可分为表面蛋白和整合蛋白。表面蛋白占膜蛋白的20％～30％，附着于细胞膜表面。整合蛋白占膜蛋白的70％～80％，镶嵌或贯穿于整个磷脂双分子层中。

根据膜蛋白功能的不同，又可将膜蛋白分为不同类型，例如，帮助非脂溶性小分子物质跨膜转运的载体蛋白，帮助离子跨膜转运的通道蛋白和离子泵，与信息传递和信号转导相关的受体蛋白，存在于免疫细胞膜上的识别蛋白等。

3. 糖类

细胞膜上的糖类较少，主要是一些寡糖和多糖链。糖类本身不参与细胞膜结构的构成，但与细胞膜功能密切相关，它们与细胞膜脂质和膜蛋白共价结合形成糖脂和糖蛋白。这些糖链仅存在于细胞膜外侧，通常具有受体或抗原的作用。

(二) 细胞膜的功能特性

1. 不对称性

以脂质双分子层的疏水端为界，细胞膜被分隔为近细胞质面和非细胞质面的内、外两层。其内、外两层的组分和功能有很大差异，称为细胞膜的不对称性。

2. 流动性

细胞膜脂质在体温条件下呈液态，因而细胞膜具有某种程度的流动性。细胞膜的流动性使细胞膜可以承受较大的张力，外形变化时不致破裂。其次，细胞膜的流动性使细胞具有变形能力。

二、细胞膜的跨膜物质转运功能

细胞进行功能活动时，必须不断地从细胞外摄取各种营养物质，同时也要把细胞内的某些物质和代谢产物排出去，细胞内、外的这些物质交流都要通过细胞膜才能进行。细胞膜会根据细胞功能活动和代谢需要有选择地进行跨膜物质转运。细胞膜的跨膜物质转运形式主要包括如下几种。

(一) 单纯扩散

单纯扩散(simple diffusion)一般是指脂溶性小分子物质从细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧或电势高的一侧向电势低的一侧跨膜转运的过程。该过程不需要膜蛋白的参与，主要转运一些具有脂溶性的小分子物质，如O₂、CO₂、N₂、乙醇、尿素、甘油等。物质扩散的速度主要受两种因素的影响：一是细胞膜两侧物质的浓度差或电势差，这种电化学梯度越大，扩散速度越快；二是细胞膜对该种物质的通透性，这主要取决于物质的脂溶性和分子大小。脂溶性较大、分子较小的物质更容易进行单纯扩散。

(二) 易化扩散

易化扩散(facilitated diffusion)是指一些非脂溶性的小分子物质在细胞膜中特定蛋白质的“帮助”下，从细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散的过程。根据参与易化扩散的膜蛋白不同，将易化扩散分为载体介导的易化扩散和通道介导的易化扩散。

1. 载体介导的易化扩散

载体蛋白(简称载体)通常是贯穿脂质双分子层的跨膜蛋白，具有与被转运物质特异性结合的位点。它能在浓度高的一侧与被转运物质结合，这种结合可迅速引起载体蛋白的构象发生变化，使被转运物质朝向低浓度的一侧，并且与被转运物质分离(图2-2)，完成跨膜转运，载体蛋白的构象恢复到原来状态。葡萄糖、氨基酸、核苷酸等物质从浓度高的一侧跨膜进入浓度低的一侧一般都是通过各自的载体进行的。

载体介导的易化扩散具有以下特点。①特异性：某种载体只能特异性地转运相应的某一种或某一类物质。例如，葡萄糖载体只能选择性地结合右旋葡萄糖进行转运，而对左旋葡萄糖基本不转运。这是因为载体的结合位点与被转运物质之间具有严格的化学结构上的适配性。②饱和现象：细胞膜上某一类型的载体数量是有限的，载体与被转运物质的结合位点也是有限的，因此被转运物质超过一定限度时，被转运物质浓度再增加，其转运数量也不会增加。③竞争性抑制：某一类载体可能转运两种或两种以上结构相似的物质，那么这些物质就会相互竞争同一载体，当一种物质转运量增加时，另一种物质的转运量必然会减少，这是因为转运量多者占据了更多数量的载体。

2. 通道介导的易化扩散

通道蛋白也是一类跨膜蛋白，其中间有亲水性孔道，允许溶液中的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl^–等带电离子在浓度梯度或电位梯度的推动下跨膜扩散(图2-3)。这些通道蛋白分别简称为Na⁺通道、K⁺通道、Ca²⁺通道、Cl^–通道等。

通道介导的易化扩散具有以下特点。①转运速度快：当通道开放的时候，被转运物质能大量、连续地跨膜转运。离子的跨膜转运受电化学梯度影响，电化学梯度越大，驱动力就越大。②具有选择性：每种通道通常只对一种或几种离子有较高的通透性，而对其他离子则不易或不能通过。例如，K⁺通道对K⁺通透性高，而对Na⁺通透性极小。③门控性：大多数通道具有一个闸门，当受到某些因素刺激时可引起闸门的开放或者关闭，从而决定物质跨膜转运是否发生或者发生的速度。根据引起闸门开关的因素，即门控特性的不同，通道可分为化学门控通道(由细胞膜两侧某种化学信号引起闸门开关)、电压门控通道(由细胞膜两侧电位差的变化引起闸门开关)和机械门控通道(由机械因素引起闸门开关)等类型。

单纯扩散和易化扩散转运物质的动力都来自细胞膜两侧存在的浓度差(或电位差)所含的势能，不需要细胞代谢提供能量，故将它们称为被动转运(passive transport)。被动转运是顺电化学梯度对物质进行转运的。

(三) 主动转运

主动转运(active transport)是指细胞通过消耗ATP(三磷腺苷二钠)，在膜蛋白的帮助下将某种分子或离子逆电化学梯度进行跨膜转运的过程。根据细胞是直接消耗ATP，还是间接消耗ATP，可将主动转运分为原发性主动转运和继发性主动转运。一般所说的主动转运是指原发性主动转运。

1. 原发性主动转运

细胞直接利用代谢产生的ATP，在某些膜蛋白的帮助下，将物质逆浓度差或逆电位差跨膜转运的过程称为原发性主动转运(primary active transport)。参与这一过程的膜蛋白称为离子泵，其本质是ATP酶，可将ATP水解成ADP，并释放能量来完成离子逆电化学梯度的转运。离子泵种类很多，常以它们转运的物质而命名。例如，转运Na⁺和K⁺的钠钾泵(简称钠泵)、转运Ca²⁺的钙泵、转运H⁺的质子泵等。其中，研究得最充分、对细胞生存最重要的是钠泵。钠泵是细胞膜上的跨膜整合蛋白，其上有Na⁺、K⁺和ATP三种物质的结合位点，具有ATP酶的活性。当细胞内的Na⁺或细胞外的K⁺增加时，钠泵被激活，于是分解ATP，释放能量，并利用此能量逆电化学梯度把细胞内的Na⁺泵出细胞外，把细胞外的K⁺泵入细胞内(图2-4)。因此，钠泵又称为Na⁺K⁺依赖式ATP酶。它每分解一个ATP分子可泵出3个Na⁺，同时泵入2个K⁺，故钠泵是一种生电性泵。

钠泵活动具有重要的生理意义：①由钠泵活动造成的细胞内高K⁺环境，这是细胞进行正常代谢活动的必要条件；②钠泵将漏入细胞内的Na⁺泵出细胞，这样可稳定细胞质的渗透压，维持细胞正常形态；③钠泵活动造成的细胞内、外Na⁺、K⁺浓度差是产生生物电的前提；④钠泵活动建立的细胞内、外Na⁺浓度势能是继发性主动转运的动力。

2. 继发性主动转运

钠泵活动形成的势能储备可“帮助”其他物质逆浓度的跨膜转运。例如，葡萄糖和氨基酸在小肠上皮细胞的吸收及在肾小管上皮细胞的重吸收过程等，这些物质逆浓度差转运所需要的能量不是直接来自于ATP，而是来自于钠泵活动形成的细胞内、外Na⁺的浓度势能，这种形式的转运是继发于钠泵的主动转运，故称为继发性主动转运(secondary active transport)(图2-5)。如果被转运物质与Na⁺扩散方向一致为同向转运；如二者方向相反为逆向转运。

(四) 入胞和出胞

大分子物质或团块物质如蛋白质、核苷酸、多糖等不能直接穿过细胞膜，需要通过入胞和出胞的过程来完成跨膜转运(图2-6)。入胞和出胞涉及细胞膜的融合与断裂，需要消耗能量，属于主动转运。入胞是指细胞外的某些大分子物质或物质团块进入细胞的过程。如果进入的物质是固体，入胞称为吞噬；如果进入的物质是水溶性的(如蛋白质)，将伴随一部分水进入，入胞称为吞饮。物质入胞时，先与细胞膜接触，引起该处的细胞膜发生内陷，通过细胞膜的融合和断裂，使物质连同包裹它的细胞膜一起移入细胞质中，形成吞噬囊泡或吞饮囊泡。

细胞内大分子物质或团块物质被排出细胞的过程称为出胞，例如，腺细胞的分泌过程或神经末梢释放神经递质的过程。待分泌的物质或者待释放的物质在内质网内经高尔基复合体浓缩、加工并封装成为分泌囊泡，分泌囊泡向细胞膜内侧移动，在与细胞膜融合时形成裂孔，分泌囊泡内的物质便经裂孔排出。

三、细胞膜的受体及其信号转导功能

机体的新陈代谢，不仅依赖于细胞的物质代谢和能量代谢，还有赖于细胞之间的信号联系，从而实现不同细胞的功能相互协调。细胞外的各种信息常作用于细胞膜表面(少数的类固醇激素和甲状腺激素除外)，通过引起细胞膜结构中一种或数种特殊蛋白质分子的变构作用，引起细胞内的代谢活动发生变化，称为跨膜信号转导或跨膜信号传递。所有化学信号都是与受体结合，通过几种相近的方式将信号传递到细胞内。

(一) 受体的概念及分类

细胞之间的信号分子称为配体。受体(receptor)是一种能够识别和选择性结合某种特定配体的蛋白质分子，当受体与配体结合后，通过信号转导作用将细胞外信号转换成细胞内信号，从而引起细胞的生物学效应。根据受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体和细胞表面受体；根据受体的分子结构和功能特征，受体分为离子通道受体、G蛋白耦联受体和酶耦联受体。

(二) 受体与配体结合的主要特征

(1) 特异性：受体与配体的结合具有专一性，通常一种受体只与一种配体结合。

(2) 高亲和性：受体与配体的结合能力称为受体的亲和力，且这种亲和力很强，极低浓度的配体即可与受体结合产生很明显的生物学效应。

(3) 饱和性：细胞表面受体的数量有限，较低浓度的配体就能使受体处于饱和状态。

(4) 可逆性：受体与配体结合引起生物学效应后，受体和配体就解离，受体可恢复到原来状态，受体可再次被利用。

(三) 细胞膜的跨膜信号转导功能

1. 离子通道受体介导的跨膜信号转导

有些细胞膜上的化学门控通道就具有受体的功能。例如，神经骨骼肌接头的兴奋传递就是离子通道介导的跨膜信号转导。神经末梢释放的乙酰胆碱(acetylcholine，Ach)与终板膜上的胆碱能受体结合，而这种胆碱能受体实际上也是离子通道，因此，离子通道的构象发生变化，离子通道开放，Na⁺、K⁺等离子跨膜流动，引起终板电位和动作电位，从而实现跨膜信号转导。

2. G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导

有些细胞膜上存在一类整合蛋白，具有受体功能，但它必须与细胞膜上的另一种叫做G蛋白的蛋白质发生耦联才能发挥作用。这种受体与配体(第一信使)结合后，激活细胞膜内侧G蛋白，激活的G蛋白使细胞内产生某种物质(如环磷酸腺苷等)，这种物质作为第二信使，再由第二信使激活细胞内相应的蛋白激酶，使细胞内的功能蛋白如离子通道、受体等发生磷酸化，从而调节细胞的生理功能。含氮激素和神经肽类物质的作用机制多是通过这种跨膜信号转导的。

3. 酶耦联受体介导的跨膜信号转导

酶耦联受体介导的跨膜信号转导主要是酪氨酸激酶受体介导的信号转导。具有酪氨酸激酶的受体与相应配体结合后，通过跨膜部分可以直接激活细胞膜内侧的蛋白激酶，通过对自身或细胞内靶蛋白的磷酸化，再引发细胞内功能的改变，把细胞外信号传入细胞内。生长素、胰岛素、红细胞生成素和细胞因子等就是通过这种方式进行跨膜信号转导的。

第二节 细胞的生物电现象

一切活细胞不论其在安静状态下还是在活动过程中都伴随着电的变化，这种电变化称为生物电。生物电是细胞实现各种功能活动的基础。临床检测的心电、脑电和肌电等都是对生物电现象的应用。细胞生物电发生在细胞膜的两侧，故称为跨膜电位，简称膜电位。膜电位包括细胞处于安静状态时的静息电位和受到刺激后出现的动作电位。

一、静息电位及其产生机制

(一) 静息电位的概念

静息电位(resting potential，RP)是指细胞在未受刺激、处于静息状态时，存在于细胞膜内、外两侧的电位差。图2-7是记录神经纤维静息电位的示意图，在一根神经纤维的表面安放A、B两个微电极，将它们与放大器相连，放大器则与示波器相连，此时示波器荧光屏上的光点在等电位线(零点)做横向扫描(图2-7(a))，表明细胞膜表面不存在电位差。如果将其中的一个微电极插入神经纤维内，则可见光点立即从零点下降，并停留在一个较稳定的负值水平继续做横向扫描(图2-7(b))。这说明细胞膜两侧存在电位差，此负电位为静息电位。

大多数细胞的静息电位都是一种稳定的电位。细胞处于静息状态时细胞膜内电位比细胞膜外低，即细胞膜内带负电而细胞膜外带正电，通常将细胞膜外电位定义为零，故细胞膜内的电位为负电位，以负电位表示静息电位的值。例如，神经纤维静息电位为-90～-70 mV，平滑肌的静息电位为-60～-50 mV。静息状态时细胞膜内为负、细胞膜外为正的状态称为极化(polarization)；静息电位的增大也就是负值增大(如由-70 mV变化为-90 mV)，称为超极化；静息电位的减小也就是负值减小(如由-90 mV变化为-70 mV)，称为去极化(也称除极化)；如果静息电位负值减小后成为正值，也就是细胞膜内电位比细胞膜外高，称为反极化；细胞在去极化后或反极化后，再向静息电位方向恢复的过程，称为复极化。

(二) 静息电位产生的机制

生物电的产生是通过离子跨膜转运形成的，离子跨膜转运取决于两个因素，即细胞膜两侧离子的浓度差和细胞膜对离子的通透性。正常时细胞膜内的K⁺浓度和有机阴离子(A^–)浓度比细胞膜外高，而细胞膜外的Na⁺、Cl^–浓度比细胞膜内高，表2-1所示为哺乳动物骨骼肌细胞膜内、外离子的浓度。这种细胞膜，其内、外Na⁺、K⁺分布不均匀，主要是钠泵活动的结果。静息时细胞膜对K⁺的通透性大，对Na⁺和Cl^–的通透性很小，而对A^–几乎完全不通透。K⁺可顺着浓度梯度向细胞膜外扩散，带负电的A^–有随同K⁺外流的趋势，但它不能通过细胞膜，只能聚集在细胞膜的内侧；由于正负电荷相吸引，外流的K⁺不能离开细胞膜很远，只能聚集在细胞膜的外侧。这就形成了细胞膜内为负，细胞膜外为正的电位差，而这种电位差又成为阻止K⁺外流的力量。随着K⁺外流的增加，阻止K⁺外流的电位差也增大。当促使K⁺外流的浓度差和阻止K⁺外流的电位差达到平衡时，将不再有K⁺的净移动，细胞膜内、外的电位差也就会稳定在一定水平，此即K⁺的平衡电位。因此，静息电位主要是K⁺外流所形成的电化学平衡电位。

二、动作电位及其产生机制

(一) 动作电位的概念

动作电位(action potential，AP)是指细胞在受到有效刺激时产生的一次迅速、短暂、可以向周围传播的电位变化。动作电位是细胞兴奋的标志。图2-8显示了细胞产生动作电位时膜电位的变化过程。在安静状态下，当细胞受到一个有效刺激时，膜电位首先从-70 mV迅速去极化至+30 mV，形成动作电位的上升支，随后又迅速复极化至接近静息电位水平，形成动作电位的下降支。迅速去极化的上升支和迅速复极化的下降支共同形成尖峰状电位变化，称之为锋电位。锋电位被视为动作电位出现的标志，其中，超过0 mV以上的部分称为超射，此时细胞膜两侧电位处于“内正外负”的反极化状态。在锋电位之后还要出现一个缓慢的微弱的电位变化：由负后电位转向正后电位，统称为后电位。

(二) 动作电位产生的机制

1. 上升支

当细胞受刺激时细胞膜会发生一定程度的去极化，这引起细胞膜上少量Na⁺通道开放，Na⁺内流使细胞内的正电荷增多，细胞膜内电位进一步去极化，细胞膜上有更多的Na⁺通道被激活而开放，更多的Na⁺顺电化学梯度内流，这又进一步去极化并触发细胞膜上更多的Na⁺通道开放，细胞内的正电荷越来越多，导致细胞膜内负电位迅速减小至零并转为正电位。但是这种正电位已经成为Na⁺继续内流的阻力，虽然Na⁺在浓度梯度下继续内流，但阻止Na⁺内流的阻力也越来越大，当浓度梯度所造成的促使Na⁺内流的动力与电位梯度所造成的阻止Na⁺内流的阻力相等时，Na⁺的净移动停止，细胞膜内、外的电位差就达到其峰值，这就是Na⁺的平衡电位。可见动作电位的上升支是Na⁺内流产生的，其峰值相当于Na⁺的平衡电位。

2. 下降支

当细胞膜去极化达到峰值时，Na⁺通道迅速失活而关闭，此时细胞膜上K⁺通道开放，细胞膜内的K⁺顺电化学梯度向细胞膜外扩散，使细胞膜内电位负值迅速增大，直至恢复到静息状态时的水平。所以动作电位的下降支是K⁺外流所形成的。

3. 后电位

虽然细胞膜电位已恢复到静息水平，但细胞膜内、外离子分布尚未恢复。此时钠泵被激活，将进入细胞膜内的Na⁺泵出细胞，同时把扩散到细胞膜外的K⁺泵入细胞，从而恢复静息时的细胞膜内、外的离子分布，以维持细胞的正常兴奋性。

三、兴奋的引起和传导

可兴奋细胞在兴奋时可以有各种外部表现形式，例如，肌细胞的收缩、腺细胞的分泌等。但它们都有一个共同的内在变化，即在受刺激后必然产生动作电位。因此，动作电位是细胞兴奋的客观标志或同义语。只有当细胞产生了动作电位时，才能说它发生了兴奋。

(一) 兴奋的引起

动作电位可由一次阈刺激或阈上刺激使细胞去极化至阈电位引起，也可由多次阈下刺激使细胞去极化至阈电位引起。

1. 阈电位

动作电位的产生是由于刺激使细胞膜上的Na⁺通道开放，Na⁺大量内流的结果。Na⁺通道属于电压门控通道，这种通道只有当刺激使细胞膜去极化达到某一临界值时才能被大量激活和开放，引起动作电位。这个能够引起细胞膜上Na⁺通道突然大量开放并触发动作电位的临界膜电位值称为阈电位(threshold potential)(图2-8、图2-9)。阈电位比静息电位高10～20 mV，例如，神经纤维的静息电位是-70 mV，其阈电位约为-55 mV。静息电位去极化到阈电位是产生动作电位的必要条件，任何刺激只要能使细胞膜从静息电位去极化到阈电位，就能发生动作电位。单个阈下刺激之所以不能形成动作电位，正是因为不能使细胞膜的去极化达到阈电位水平。

2. 局部电位

单个阈下刺激虽然不能引起动作电位，但也可以引起细胞膜上Na⁺通道少量开放，使静息电位产生小幅的电位变化，称为局部电位(又称为局部反应或局部兴奋)(图2-9)。与动作电位相比，局部电位具有以下特点：①不具有“全或无”特性，在阈下刺激范围内，其电位变化幅度随刺激强度的增大而增大；②传导呈衰减式，局部电位随传播距离的增加而逐渐衰减，直至消失，故不能向远处传导，这种传播方式称为电紧张性扩布；③反应可以总和。总和有两种方式：一种是时间总和，即细胞膜的同一部位先后接受两次或两次以上的阈下刺激，这几次阈下刺激所引起的局部电位可以叠加起来达到阈电位而引起动作电位；另一种是空间总和，即几个阈下刺激同时作用于同一细胞膜的邻近部位，也可引起动作电位。总和现象对同一部位先后接受或邻近部位接受多个信号刺激的感受器、神经细胞的兴奋或抑制等具有重要意义。

(二) 兴奋的传导

细胞膜上任何一处产生的动作电位都将沿着细胞膜传遍整个细胞。动作电位在同一细胞上的传播称为传导。动作电位在神经纤维上传导又称为神经冲动。

1. 兴奋传导的机制(以神经纤维为例)

在无髓神经纤维上，当某一处受刺激而兴奋时，该部位发生膜电位的倒转，膜电位即变为内正、外负，而邻近未兴奋部位的膜电位仍处于内负、外正的极化状态，于是兴奋部位与相邻的未兴奋部位出现电位差而有电荷移动，形成局部电流。局部电流的方向：在细胞膜外侧，电流由未兴奋部位流向兴奋部位；在细胞膜内侧，电流由兴奋部位流向未兴奋部位。局部电流对相邻未兴奋部位的细胞膜予以有效刺激，使细胞膜去极化达到阈电位而暴发动作电位。这样的过程在细胞膜上连续进行下去，就表现为动作电位在整个细胞膜上的传导(图2-10)。这样的传导原理称为局部电流学说。

上述兴奋传导机制虽然以无髓神经纤维为例，但兴奋在其他可兴奋细胞(如骨骼肌细胞)的传导，基本上遵循同样的原理。有髓神经纤维外包裹着一层电阻大、对离子不通透的髓鞘，动作电位只能在无髓鞘的郎飞结处产生，而局部电流也只能发生在相邻的郎飞结之间。因此，兴奋传导是从一个郎飞结到下一个郎飞结跳跃式进行的，故称为跳跃式传导(图2-10)。有髓神经纤维的兴奋传导不仅速度要比无髓神经纤维快得多，而且是一种更“节能”的传导方式。

2. 兴奋传导的特点

兴奋在同一细胞上的传导有以下特点。①双向传导：兴奋能从受刺激的部位向相反的两个方向进行传导。②不衰减传导：动作电位的幅度不会因传导距离的增大而减小，从而保证了远程信息传导的准确性。③全或无：动作电位要么不产生(无)，一旦产生就达到最大(全)，其幅度不随刺激强度的增大而增大。

第三节 肌细胞的收缩功能

肌细胞具有收缩功能，人体各种形式的运动，主要靠肌细胞的收缩活动来完成。骨骼肌、心肌和平滑肌在结构和功能上虽有差异，但从分子水平上看，其收缩机制有许多共同之处。下面以骨骼肌为例来说明肌细胞的收缩功能。

一、神经肌接头的兴奋传递

(一) 神经肌接头的结构

神经肌接头是运动神经纤维末梢与骨骼肌细胞接触并传递信息的部位。由接头前膜、接头间隙和接头后膜(又称终板膜)组成(图2-11)。运动神经纤维轴突末梢的膜为接头前膜，与接头前膜相对的肌细胞膜为终板膜，接头前膜与终板膜之间是充满细胞外液的接头间隙。在轴突末梢的轴浆中有大量囊泡，内含Ach。终板膜上有胆碱能(N₂₎受体，能与Ach结合；终板膜上还有大量能水解Ach的胆碱酯酶，可使Ach发挥作用后被水解失效。

(二) 神经肌接头处兴奋的传递过程

兴奋传递是指动作电位由一个细胞传给另一个细胞的过程。神经肌接头处兴奋的传递是将运动神经上的动作电位传给骨骼肌细胞，是离子通道介导的跨膜信号转导的典型例子。

神经肌接头处兴奋的传递过程：动作电位沿神经纤维传至轴突末梢，使接头前膜去极化，接头前膜上电压门控Ca²⁺通道开放，Ca²⁺顺电化学梯度内流，轴突末梢内Ca²⁺浓度升高，使突触小泡向接头前膜移动，并与接头前膜发生融合、破裂，以出胞方式释放Ach至接头间隙，Ach通过接头间隙扩散到终板膜，并与终板膜上的胆碱能受体结合，离子通道开放，导致Na⁺内流和K⁺外流，但Na⁺内流远大于K⁺外流，引起终板膜去极化，产生终板电位；终板电位(属于局部电位)向邻近的肌膜传递，引起邻近的肌膜去极化达到阈电位，暴发动作电位，引起肌肉收缩。神经肌接头处每次兴奋所释放的Ach，在引起肌细胞兴奋收缩后被终板膜上的胆碱酯酶及时水解失活，故一次神经兴奋只引起一次肌肉收缩。

知识链接

神经肌接头与疾病

许多药物或病理变化可作用于神经肌接头兴奋传递中的不同环节，影响兴奋的正常传递和肌肉的收缩。例如，肉毒杆菌的毒素能抑制运动神经末梢释放Ach，引起神经肌接头兴奋传递阻滞，故中毒者可出现肌无力；筒箭毒能与Ach竞争终板膜上胆碱能受体，阻断神经肌接头兴奋传递，故筒箭毒可作为肌肉松弛药；重症肌无力患者是因为自身免疫性抗体破坏了终板膜上的胆碱能受体，使终板膜上的胆碱能受体数目减少，使得肌肉很难兴奋，出现肌肉收缩无力甚至瘫痪。新斯的明是一种抗胆碱酯酶药，可延长Ach的作用时间，因而能改善肌无力患者的症状。有机磷农药中毒，使胆碱酯酶丧失活性，造成Ach在接头间隙堆积，故有机磷农药中毒时出现肌肉震颤。解磷定可恢复胆碱酯酶活性，是有机磷农药中毒的特效解毒药。

二、骨骼肌的收缩原理

(一) 骨骼肌的微细结构

骨骼肌细胞也叫骨骼肌纤维，其内含有排列规则有序的肌原纤维和丰富的肌管系统。

1. 肌原纤维和肌小节

每个骨骼肌细胞内都含有大量的肌原纤维，每条肌原纤维沿长轴呈现规律的明、暗交替，分别称为明带和暗带。暗带中央有一条横向的暗线，称为M线，M线两侧相对透明的区域称为H带；明带中央也有一条横向的暗线，称为Z线。每两条相邻Z线之间的区域称为一个肌小节，肌小节是肌肉收缩和舒张的基本单位(图2-12)。

2. 肌管系统

肌管系统是指包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊状结构，由横管和纵管两个独立的系统组成(图2-12)。横管是由肌细胞膜向内凹陷形成，其走行方向与肌原纤维相垂直。横管中的液体即细胞外液。横管的作用是将肌膜上动作电位传到肌细胞深处。纵管与肌原纤维平行，沿肌细胞纵向排列，且相互吻合相通成网状，故又称肌质网(肌浆网)。肌质网在靠近横管处管腔膨大，称为终末池。终末池储存有大量Ca²⁺。一条横管和其两旁的终末池构成三联管(也称三联体)结构，三联体是骨骼肌兴奋收缩耦联的结构基础。

(二) 骨骼肌肌丝滑行学说

目前，公认的骨骼肌细胞收缩机制是肌丝滑行学说。该学说认为：骨骼肌细胞收缩时肌原纤维的缩短，并不是由于骨骼肌细胞中肌丝本身的缩短或卷曲，而是细肌丝在粗肌丝之间向M线方向滑行的结果。细肌丝为什么会在粗肌丝之间滑行呢？这个问题涉及肌丝的分子组成。

(三) 骨骼肌收缩的分子机制

1. 粗肌丝

粗肌丝由许多肌凝蛋白(肌球蛋白)构成(图2-13(a))。每个肌凝蛋白分子又分为头部和杆部，杆部朝向M线而聚合成束，形成粗肌丝的主干，头部有规律性地分布在粗肌丝的表面，形成横桥。横桥具有ATP酶的活性，在一定条件下可与细肌丝上的肌纤蛋白发生可逆性结合。当横桥分解ATP释放能量后，横桥可以发生扭动，拖动细肌丝向M线方向滑行。

2. 细肌丝

细肌丝由肌纤蛋白(肌动蛋白)、原肌凝蛋白(原肌球蛋白)和肌钙蛋白组成(图2-13(b))。肌纤蛋白构成细肌丝的主干，其上有与横桥结合的位点。

3. 肌丝滑行过程

当肌肉处于舒张状态时(图2-14(a))，细肌丝上的原肌凝蛋白遮盖了肌纤蛋白上的位点，使粗肌丝上的横桥无法与细肌丝上的肌纤蛋白结合。肌钙蛋白以一定间隔出现在原肌凝蛋白上，其上有与Ca²⁺结合的位点，当终末池内的Ca²⁺大量进入肌浆(兴奋收缩耦联的结果)时，肌浆中的Ca²⁺浓度升高，Ca²⁺与肌钙蛋白结合，使肌钙蛋白构型改变，引起原肌凝蛋白的构型也发生改变，从而暴露出肌纤蛋白上的横桥结合位点，横桥与肌纤蛋白结合。此时横桥ATP酶激活，分解ATP释放能量，横桥头部发生摆动，牵拉细肌丝向M线方向滑行，肌小节缩短，骨骼肌细胞收缩(图2-14(b)、图2-14(c))。横桥发生摆动之后又会与肌纤蛋白解离，回到原来的位置。如果肌浆中的Ca²⁺浓度仍然很高，横桥可与细肌丝上下一个位点再结合、再解离，反复进行，使肌肉收缩。因终末池对Ca²⁺的回收作用使肌浆中Ca²⁺浓度降低时，肌钙蛋白与Ca²⁺分离，原肌凝蛋白复位并又盖住了肌纤蛋白上的结合位点，横桥停止扭动，与肌纤蛋白脱离，细肌丝被动回位，肌小节恢复到原来的长度，肌肉舒张。

三、骨骼肌的兴奋收缩耦联

骨骼肌细胞兴奋后可产生收缩。将骨骼肌细胞的兴奋与骨骼肌细胞的机械收缩过程联系起来的中介过程称为兴奋收缩耦联。这一过程是通过神经肌接头处兴奋的传递，肌膜产生的动作电位沿横管迅速传到三联体，使终末池细胞膜上的Ca²⁺通道开放，Ca²⁺顺着浓度差由终末池向肌浆中扩散，导致肌浆中Ca²⁺浓度迅速升高，Ca²⁺与肌钙蛋白结合，引起肌丝滑行、肌细胞缩短；当神经冲动停止时，终末池细胞膜上的Ca²⁺通道关闭，同时，骨骼肌细胞收缩时释放到肌浆中的Ca²⁺可将终池膜上的钙泵激活，将肌浆中的Ca²⁺泵回终末池内储存，肌浆中Ca²⁺浓度降低，肌钙蛋白便与结合的Ca²⁺解离，结果如前所述引起骨骼肌细胞舒张。

综上所述，骨骼肌的兴奋收缩耦联的结构基础是三联体，兴奋收缩的耦联因子是Ca²⁺。

四、骨骼肌收缩的外部表现

骨骼肌的收缩主要表现在长度缩短和张力增加两个方面，肌肉长度和张力的改变取决于肌肉所承受的负荷(外力)和所受的刺激频率。根据肌肉所受负荷的不同，肌肉收缩可表现为等长收缩或等张收缩；根据所受刺激频率的不同，肌肉收缩可表现为单收缩或强直收缩。

(一) 等长收缩和等张收缩

等长收缩(isometric contraction)是指肌肉收缩时，表现为肌肉的长度不变，而肌肉的张力增加。等张收缩(isotonic contraction)表现为肌肉的长度缩短而张力保持不变。在有后负荷作用的情况下，当肌肉收缩产生的张力小于所承受的后负荷时，肌肉收缩只表现为肌张力的增加，而肌肉长度不缩短。在整体情况下，肌肉收缩常常既有长度变化也有张力变化。如维持姿势的肌肉收缩以张力变化为主，近于等长收缩；四肢肌肉运动以长度变化为主，近于等张收缩。

(二) 单收缩和强直收缩

整块骨骼肌或单个骨骼肌细胞受到一次刺激后产生一次机械收缩，称为单收缩。其收缩过程可分为收缩期和舒张期。当刺激频率较低时，每一次刺激都落在前一次单收缩过程(包括收缩期和舒张期)之后，则每一次刺激都引起一次独立的单收缩；如果刺激频率加快，使后一次刺激落在前一次收缩过程的舒张期，则肌肉还未完全舒张又进行新的收缩，就会形成不完全强直收缩，在描记曲线上形成锯齿形。如果刺激频率较高，使每一次新的收缩都出现在前一次收缩活动的收缩期，各次收缩将会融合而使肌肉处于持续性的收缩状态，称为完全强直收缩(图2-15)。在正常人体内，由于运动神经传至骨骼肌的兴奋都是连续的，所以体内骨骼肌的收缩几乎都属于完全强直收缩。

(三) 影响骨骼肌收缩的主要因素

影响骨骼肌收缩的主要因素有前负荷(preload)、后负荷(afterload)和肌肉的收缩能力。前负荷、后负荷是作用于肌肉的外力，而肌肉的收缩能力则是骨骼肌内在的功能状态。

1. 前负荷

前负荷是指肌肉开始收缩之前所承受的外力，它主要影响肌肉的初长度。前负荷使肌肉收缩前就处于某种被拉长的状态，肌肉这时所处的长度，称为肌肉的初长度。肌肉的初长度在一定范围内与肌张力成正比关系，但是超过一定限度，则呈反比关系。肌肉收缩时能产生最大张力的初长度，称为肌肉的最适初长度。若超过肌肉的最适初长度，肌肉的张力不但不增加，反而会减小，这是因为肌肉只有在最适初长度下收缩时，粗肌丝、细肌丝才处于最理想的重叠状态，粗肌丝上的横桥与细肌丝上的结合数量才最多，肌肉收缩的效果才会最好。一般认为，骨骼肌在体内所处的自然长度是它们的最适初长度。

2. 后负荷

后负荷是指肌肉开始收缩时所遇到的阻力，它不影响肌肉的初长度，只影响肌肉缩短的速度和程度。肌肉在有后负荷作用的情况下收缩，总是先有张力的增加以克服后负荷的阻力，然后才有长度的缩短。后负荷越大，肌肉收缩产生的张力越大，而肌肉缩短出现得越晚，缩短速度越慢，因此，后负荷的大小影响肌肉收缩的张力、时间和缩短速度。从肌肉做功而言，适度的后负荷才能获得肌肉做功的最佳效率。

3. 肌肉收缩能力

肌肉收缩能力是指与前负荷、后负荷无关的肌肉内在的收缩特性。肌肉收缩能力的大小主要取决于兴奋收缩耦联期间肌浆中Ca²⁺的水平和横桥的ATP酶活性。在其他因素不变的情况下，肌肉收缩能力增强，可使肌肉收缩的张力增加、收缩速度加快、做功效率增加。凡能影响肌丝蛋白的性质、横桥的功能、兴奋收缩耦联过程等的因素均可改变肌肉的收缩能力。如缺氧、酸中毒、能源物质缺乏时肌肉收缩能力降低，而Ca²⁺和肾上腺素等体液因素则能提高肌肉收缩能力，体育锻炼能增强肌肉收缩能力。

五、平滑肌的结构和特性

平滑肌广泛分布于呼吸道、消化道、血管、泌尿系统、生殖系统等内脏器官。它收缩时为这些器官的运动提供动力或改变这些器官的形态。平滑肌还可以产生持续性或紧张性收缩，以对抗外加的负荷，保持器官的形状。

(一) 平滑肌的分类

根据功能活动特征可将平滑肌分为单一单位平滑肌和多单位平滑肌两大类。但许多平滑肌的特性介于二者之间。单一单位平滑肌也称内脏平滑肌，是构成中空的内脏器官管壁的细胞，以胃肠道、子宫和输尿管平滑肌为代表。这类平滑肌细胞之间具有大量缝隙连接，一个平滑肌细胞的兴奋可迅速引起相邻平滑肌细胞发生兴奋，故所有平滑肌细胞的电活动和机械活动近于同步。这类平滑肌大都具有自律性。多单位平滑肌包括竖毛肌、睫状肌、虹膜肌以及气道和大血管的平滑肌。这类平滑肌细胞间很少有缝隙连接，平滑肌细胞活动彼此独立，一般没有自律性，其活动主要受外来神经支配。

(二) 平滑肌的结构特点

与骨骼肌比较，平滑肌的结构具有以下特征：①直径较小，且常只有一个细胞核；②没有像骨骼肌那样平行而有序的粗肌丝、细肌丝排列，外观不表现横纹；③无肌钙蛋白，由另一种钙结合蛋白即钙调蛋白与Ca²⁺结合触发收缩；④无Z线，由细肌丝的附着点即致密体执行Z线的功能；⑤无横管系统，但有由肌膜形成纵向走行的袋状凹陷，一方面可增加膜面积，另一方面由肌膜上的Ca²⁺通道形成的Ca²⁺内流，构成兴奋收缩耦联过程中Ca²⁺浓度升高的重要来源。

(三) 平滑肌的功能特点

与骨骼肌比较，平滑肌具有以下功能特征：①肌质网不发达，细胞内Ca²⁺有限，故平滑肌收缩时对细胞外液Ca²⁺的依赖性很大；②收缩缓慢而持久，不易疲劳；③对牵拉刺激十分敏感，牵拉平滑肌可引起平滑肌细胞去极化，从而产生动作电位，使肌张力增加，具有重要的生理意义；④具有自律性，可以在无刺激和神经冲动的情况下产生自动的收缩和舒张；⑤受自主神经支配，对各种体液因素的作用敏感。

平滑肌和骨骼肌的收缩机制最大的区别：①骨骼肌细胞收缩只依靠细胞内终末池的Ca²⁺释放，而平滑肌细胞收缩需要依靠外源性Ca²⁺；②与Ca²⁺结合的结构，在骨骼肌是肌钙蛋白，而在平滑肌是钙调蛋白。

小结

细胞膜的基本结构是液态的脂质双分子层，细胞膜对物质的转运方式有单纯扩散、易化扩散、主动转运以及出胞和入胞。其中，单纯扩散和易化扩散不需要细胞代谢提供能量，故将它们称为被动转运。被动转运是顺电化学梯度进行跨膜物质转运的。而主动转运需要消耗ATP，在膜蛋白的协助下逆电化学梯度进行跨膜物质转运。

细胞膜的跨膜信号转导方式包括：离子通道受体介导的跨膜信号转导、G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导和酶耦联受体介导的跨膜信号转导。

细胞在安静或活动时均伴有电变化，称为生物电。生物电包括细胞处于安静状态时的静息电位和受到刺激后出现的动作电位。静息电位都表现为细胞膜外相对为正，而细胞膜内相对为负，并且这种电位差值相对恒定。静息电位主要是由K⁺外流所形成的电化学平衡电位。动作电位是细胞兴奋的标志，其波形包括一个上升支(去极化)和一个下降支(复极化)。一般所说的动作电位是指锋电位。动作电位上升支主要是Na⁺内流形成的，下降支主要是K⁺外流形成的。动作电位在神经纤维上传导称为神经冲动，有髓神经纤维上的神经冲动呈跳跃式传导，比无髓神经纤维传导快。

骨骼肌细胞的收缩是肌小节中粗肌丝和细肌丝相对运动的结果。其基本过程：运动神经冲动通过神经肌接头→骨骼肌细胞膜兴奋→兴奋沿横管迅速传到三联体→终末池释放Ca²⁺→Ca²⁺与肌钙蛋白结合引起原肌凝蛋白移位→横桥与肌纤蛋白结合，横桥上的ATP酶被激活→细肌丝向粗肌丝(M线)滑行→肌小节缩短，肌肉收缩。肌浆中Ca²⁺增加→激活钙泵→Ca²⁺泵回终末池→肌浆中Ca²⁺减少→Ca²⁺与肌钙蛋白解离引起原肌凝蛋白复位→肌肉舒张。故Ca²⁺是兴奋收缩耦联的关键因子，三联体是兴奋收缩耦联的结构基础。骨骼肌的收缩形式有等长收缩和等张收缩及单收缩和强直收缩(包括不完全强直收缩和完全强直收缩)，体内骨骼肌的收缩几乎都是完全强直收缩。

能力检测

一、名词解释

单纯扩散易化扩散主动转运静息电位动作电位极化阈电位兴奋收缩耦联

二、单项选择题

(一) A型题

1. O₂和CO₂的跨膜转运方式是( )。

A. 单纯扩散 B. 通道介导的易化扩散

C. 载体介导的易化扩散 D. 主动转运

E. 入胞或出胞

2. 可兴奋细胞产生兴奋的共同特征是产生( )。

A. 收缩反应 B. 分泌活动 C. 动作电位 D. 离子运动 E. 静息电位

3. 下列生理过程需要直接消耗能量的是( )。

A. 维持静息电位的K⁺外流

B. 引起动作电位去极化的Na⁺内流

C. 引起动作电位复极化的K⁺外流

D. 肌质网摄入Ca²⁺

E. 细胞外液中的Ca²⁺进入细胞

4. 与细胞膜内、外Na⁺、K⁺分布不均有关的过程是( )。

A. 单纯扩散 B. 易化扩散 C. 离子通道作用

D. 钠泵活动 E. 载体作用

5. 神经骨骼肌接头处传递兴奋的神经递质是( )。

A. 去甲肾上腺素 B. Ach C. 肾上腺素

D. K⁺ E. Ca²⁺

6. 细胞膜上实现原发性主动转运功能的蛋白质是( )。

A. 载体蛋白 B. 通道蛋白 C. 离子泵 D. 酶 E. 受体

7. 静息电位形成的离子基础是( )。

A. Na⁺内流 B. Na⁺外流 C. Ca²⁺内流 D. K⁺内流 E. K⁺外流

8. 以下关于动作电位的描述，正确的是( )。

A. 动作电位是细胞受刺激时出现的快速而不可逆的电位变化

B. 膜电位由内正外负变为内负外正

C. 动作电位分为锋电位和后电位

D. 刺激强度越大，动作电位幅度也越高

E. 一次阈下刺激即可产生动作电位

9. 下列有关同一细胞兴奋传导的叙述，哪项是错误的？( )

A. 动作电位可沿细胞膜传导到整个细胞

B. 传导方式是通过产生局部电流刺激未兴奋部位，使之也出现动作电位

C. 在有髓神经纤维上的神经冲动呈跳跃式传导

D. 有髓神经纤维传导动作电位的速度比无髓神经纤维快

E. 动作电位的幅度随传导距离增加而减小

10. 有机磷农药中毒引起骨骼肌痉挛的主要原因是( )。

A. 胆碱酯酶释放增多 B. 胆碱酯酶释放减少

C. 乙酰胆碱释放增多 D. Ach释放减少

E. 胆碱酯酶活性降低

(二) B型题

A. 极化 B. 去极化 C. 复极化 D. 超极化 E. 反极化

1. 细胞受刺激而兴奋时，细胞膜内电位负值减小称为( )。

2. 静息电位时细胞膜内电位负值增大称为( )。

3. 处于静息状态时细胞膜内为负、细胞膜外为正的状态称为( )。

4. 动作电位产生过程中，K⁺大量外流出现( )。

5. 细胞膜两侧电位处于“内正外负”的状态称为( )。

A. 一次单收缩 B. 一连串单收缩

C. 不完全强直收缩 D. 完全强直收缩

E. 无收缩反应

6. 当连续刺激的时距短于收缩期时，肌肉出现( )。

7. 当连续刺激的时距大于收缩期而小于单收缩时程时出现( )。

8. 肌肉受到一次阈下刺激时，出现( )。

9. 当肌肉受到一次阈上刺激时，出现( )。

10. 当连续刺激的时距大于单收缩的时程时，肌肉出现( )。

三、简答题

1. 细胞膜的物质转运方式主要有哪些？各有何特点？

2. 简述动作电位传导的特点。

3. 简述神经肌接头处兴奋传递的过程。

(孙玉锦)