1、 第一章 緒 論第一章 教學綱要 目的要求 通過本章內容的學習，要求掌握生物電、機體功能的調節及基本概念。 本章共分六節，計4學時。 重點講授：內環境與穩態、機體功能的 調節和生物電現象。 第一節 動物生理學的內容及研究方法第二節 內環境與穩態第三節 機體功能的調節第四節 細胞膜的物質轉運和信息傳遞 第五節 細胞的興奮性和生物電現象第一節 動物生理學的 內容及研究方法 生理學（physiology） 是研究生物有機體功能的科學， 是生命科學重要的組成部分。 生理功能研究的核心： 揭示生命活動的規律及其調節機理 生理學的研究水平 1. 細胞和分子水平的研究 2. 器官和系統水平的研究 3. 整體

2、水平的研究二、研究方法 動物實驗方法 分為慢性實驗和急性實驗。 急性實驗：又可分為在體（in vivo）、離體（in vitro）兩類。 急性在體實驗： 動物處于麻醉或破壞大腦狀態，解剖暴露某種器官后，給予適當刺激，進行觀察記錄和分析稱為活體解剖法。 慢性實驗： 通過外科手術，以暴露、摘除或破壞某一器官或組織，或安置瘺管（如消化管和血管）或埋植電極（如神經組織）等，待動物手術恢復后，可在比較正常條件下進行長期的系統觀察。 優點：能較好地反映器官在機體的正常活動。 缺點：不便分析影響因素。 第二節 內環境與穩態 體液：動物體內所含的液體統稱為體液。約占體重的6070%。（人約占60%）細胞內液：

3、約占體液的2/3；構成細胞原生質的主體。 細胞外液：包括血漿、組織液、淋巴液和腦脊液等，約占體液的1/3。 血漿，占1/4 ；間質液，占3/4。 兩者彼此隔離，而又相互聯系。二、內環境（internal environment） 將構成細胞穩定的生活環境的細胞外液稱為機體的內環境。 三、穩態（homeostasis） 內環境能保持pH、滲透壓、各種離子濃度以及溫度等理化性質的相對穩定，呈現一種動態平衡。 美國生理學家坎農（WB Cannon ）稱其為穩態。 穩態保證了細胞的各種代謝活動（各種酶促反應過程）和生理功能的正常進行。 穩態調節： 穩態不是固定不變的，而是在一定范圍內波動，保持著動態的

4、平衡。 涉及機體不同水平的調節，極為復雜。 例如，消化系統活動，提供各種營養物質； 腎臟活動，內環境中代謝終產物得以 清除等。 第三節 機體功能的調節 機體各部分功能統一的整體活動，主要通過以下調節方式實現。 神經調節 體液調節 自身調節 神經調節： 起主導作用 一、機體功能調節的方式 1. 神經調節（neural regulation） 神經調節主要通過神經系統活動來完成。 反射： 是神經調節的基本方式。 例如，攝食唾液分泌 氣溫升高皮膚血管舒張 反射弧：完成反射活動所需的結構基礎。 包括：感受器、傳入神經、神經中樞、傳出神 經、效應器五個環節。 反射弧完整性 功能圖1-8 膝跳反射示意圖屈

5、肌 伸肌抑制性中間神經元反射活動區分：非條件反射和條件反射 非條件反射 由種族進化形成，具有先天性、遺傳性。 反射活動固定，中樞位于CNS較低級部位，屬于基本和較低級的神經調節方式。例如，吮吸反射、防御反射等。條件反射 后天形成，建立在非條件反射基礎上，不穩定，CNS的高級部位即大腦皮層的參與。 例如： 條件反射性唾液的分泌。 神經調節的特點： 迅速、精確、短暫， 具有高度的整合能力。 體內的內分泌系統分泌幾十種激素，分別調節不同的生理活動，還進行復雜的協同或頡頏的調節作用。 局部體液因素的調節 指組織細胞 生物活性物質，如組胺、激肽，代謝產物如CO2和乳酸等，通過細胞外液擴散到鄰近細胞并影響

6、其功能活動。 體液調節的特點： 緩慢、廣泛和持久。 對持續性生理活動，尤其代謝過程起重要作用。 內分泌的激素若直接或間接受神經系統的控制，這類調節稱為： 神經體液調節 如 交感神經腎上腺系統 二、機體功能的反饋調節根據控制論，控制部分發出的信號稱為控制信息；由受控部分返回控制部分，調整控制部分活動的信息稱為反饋信息。反饋是穩態調節的基礎。（一）反饋控制系統反饋（feedback）由效應器發出反饋信息調整控制部分活動的作用稱之。1.負反饋 反饋信息抑制或減弱控制部分活動。分為：簡單負反饋和復雜負反饋。簡單負反饋如： 胰島細胞胰島素血糖作用： 重新建立穩態。復雜負反饋是由一系列激素組成的連鎖體系，

7、包括很多個負反饋。效應細胞可以接受兩種不同的信號。作用：建立復雜的功能穩態。見下圖2. 正反饋 反饋信息促進和加強控制部分活動。 激素受體 細胞激素細胞 激素b 調節結果，內分泌與靶細胞的相互作用 不能達到穩態。(二) 適應性控制系統 機體的某些活動發生的特別快所產生的適應性調節。 大腦 前饋控制機制 受控部分 調節前饋信號 信號 作用: 機體做出正確的反應。 反饋調節，不僅感受器和中樞可通過反射調節效應器的活動；效應器也能影響感受器和中樞的活動。 不僅高級中樞調節低級中樞的活動，反過來低級中樞也能影響高級中樞的活動，從而達到機體的整體性與對環境更加完善的適應性。 第四節 細胞膜的物質 轉運和

8、信息傳遞 生物膜或單位膜： 指細胞外表面的細胞膜和細胞內的核膜與各種細胞器膜的總稱。 細胞膜作為通透性屏障，可保持細胞質的化學組成相對穩定，從而維持其生命活動。細胞膜含有酶、受體和抗原，在細胞與其他細胞、細胞外液的激素等相互作用中起了十分重要的作用。 一、細胞膜的結構 細胞膜：主要由蛋白質和脂質和糖類組成。呈脂質雙分子層結構。（見圖1-3） （一）脂質雙分子層 細胞膜上的脂質主要是磷脂，其次是膽固醇和少量的糖脂。 1. 磷脂 是一種兩性分子。 主要是磷酸甘油脂（最簡單的是磷脂酸）和鞘磷脂。 圖1-3 生物膜磷脂分子雙層結構及鑲嵌模型示意圖（磷脂酰堿基）（脂酰基鏈） 2. 磷脂酸的基本結構 膽

9、堿 | 磷 酸 親水的極性端 | 甘 油 | | 脂肪酸 脂肪酸 疏水的非極性端 磷脂結構圖1-4 磷脂的結構（二）蛋白質 分為 內在蛋白和外周蛋白 內在蛋白 大多數鑲嵌在脂質雙層中。 肽鏈中親水性氨基酸常露出膜外， 疏水性氨基酸則與磷脂的脂酰基相連而深嵌在脂質雙層中。 外周蛋白 結合于磷脂雙層的表面。有時因基質離子組成改變而脫離細胞膜。根據功能不同膜蛋白分類：第一類 與物質轉運有關的載體蛋白、通道蛋 白和離子泵等。第二類 受體蛋白，具有辨認、接受信號，引 起細胞發生反應的功能。第三類 抗原蛋白，起到細胞“標志”的作用。（三）細胞膜糖類 以低聚糖或多聚糖鏈形式共價結合于膜蛋白，形成糖蛋白，或與

10、膜脂結合形成糖脂，成樹枝狀伸向細胞膜的外表面，構成細胞外表面的微環境。 膜糖類的特殊結構 細胞具有各自抗原性及血型 的分子基礎。 二、細胞膜的物質轉運功能 （一）簡單擴散（simple diffusion） 脂溶性物質順濃度梯度跨膜擴散的現象。1. 脂溶性物質 依靠分子運動從濃度高的一側通過細胞膜的脂質雙層，向濃度低的一側擴散。 決定擴散通量 濃度梯度（電解質-電場力） 膜的通透性 2. 小分子水溶性物質 物質可以順著濃度差，擴散通過膜的含水微孔。決定擴散通量因素 濃度梯度 （電解質-電場力） 分子本身大小 （二）易化擴散（facilitated diffusion ） 非脂溶性或脂溶性小的物

11、質在膜蛋白的幫助下順濃度梯度跨膜擴散。 特點：細胞不耗能 順濃度梯度 膜蛋白參與 分兩類：1. 以載體為中介 （載體運輸） 如葡萄糖的轉運 高度的結構特異性 飽和現象 競爭性抑制，如A、B兩種物質共用載體。 2. 以通道為中介（channel transport） 如+ ， a + ，a2+等離子的轉運。 膜通道由蛋白質構成，隨著蛋白質分子構型的改變，通道可以迅速開放或關閉，并受閘門的控制，閘門受化學物質及膜電位的控制。 通道分為： 化學依從性通道、電位依從性通道和 時間依從性通道。 見下圖 圖1-5 Na+、K+轉運的蛋白通道 （三）主動轉運 細胞通過本身的耗能過程，將某些物質的分子或離子逆

12、電-化學梯度跨膜轉運的過程。 特點：耗能 逆濃度梯度跨膜轉運 需要載體 如a +、+ 依靠a +-+ 泵（特殊蛋白質）完成轉運。a +-+ 泵通過構型的改變轉運物質。 能量： 由膜的三磷酸腺苷（ATP）的分解供給。 原發性主動轉運： 直接利用ATP水解產生的能量，如：a+的轉運。 繼發性主動轉運： 利用膜外的高勢能a+，跨膜轉運依賴鈉泵的活動，如葡萄糖的轉運，是間接利用ATP。（四）入胞和出胞作用 1.入胞作用（endocytosis） 細胞外的大分子物質或團塊進入細胞內的過程。是與細胞膜的特殊蛋白質結合附著在胞膜上，該部位向胞內凹陷形成小泡，包裹這種物質，繼而小泡與細胞膜斷離進入細胞內部。

13、吞噬 細胞攝取的是固體物質稱之 吞飲 細胞攝取液體物質稱之 （吞噬體與吞飲泡之分） 部分物質由受體介導入胞，內吞作用是一種選擇性濃縮機制 2.出胞作用（ exocytosis ） 細胞把大分子或團塊物質由細胞內向外排出的過程。其過程與入胞作用類似而走向相反。 例如 神經遞質從神經細胞釋放，腺細胞分泌 酶蛋白質等。 三、細胞膜的受體功能受體（receptor） 指細胞擁有的能夠識別和選擇性結合某種配體（化學物質）的蛋白質大分子，與配體結合后，啟動一系列過程，引發細胞的生物學效應。分類：細胞膜受體、胞漿受體和核受體（）膜受體的分子結構 膜受體是鑲嵌于細胞膜上的特殊蛋白，一般包括三個部分。 1.分辨

14、部或識別器 2.效應部或效應器 3.轉換部或傳導物 分別起到識別、結合、催化的作用，轉換部將分辨部接受的信息轉換為蛋白質的構象變化，傳給催化亞單位。 （二）膜受體的的特征 1.特異性 受體與物質的特定結合，產生特定的效 應。某種物質結合的受體的種類可以大于 1。命名決定于所結合的化學信號； 2.飽和性 膜受體的數量是有限的，結合有限； 3.可逆性 非共價鍵結合，結合與解離是可逆 的過程。 大多數神經遞質的受體是閥門離子通道。離子通道細胞膜上鑲嵌的能夠運載離子通過的膜蛋白質，稱為通道蛋白，或離子通道，簡稱通道。 該通道可發生構象變化，而作閥門式的開啟與關閉，所以稱為閥門離子通道。 通道與神經遞質

15、調節分子（配體）結合誘發配體離子流。因此，閥門離子通道既是神經遞質作用的受體，又是它的效應器。（三）膜受體的激動劑和阻斷劑 與受體結合的物質分為兩類：激動劑 是一類與受體結合后引起特定的生物學效應的物質。阻斷劑 是一類與受體結合后不能引起特定的生物學效應的物質。只是占據了受體，使激動劑不能發揮結合及作用。四、細胞的胯膜信號轉導功能 動物體各器官之間的相互協調以維持整體統一性，是靠信息傳遞來完成。主要的信號轉導系統有三條： 環腺苷酸信號轉導系統 肌醇信號轉導系統 酪氨酸激酶相連的信號轉導系統與信息傳遞有關的活性物質 信使 信息的載體或攜帶者稱之。 第一信使 激素和其他調節物質。 第二信使 由膜結

16、構信息傳遞系統誘發產生存在 于膜內（胞漿中）的物質。蛋白（鳥苷酸結合蛋白的簡稱） 細胞內側的一種結合蛋白（調節蛋白）。 蛋白的狀態： （見圖13） 活性蛋白 對GTP有較高的結合力； 非活性蛋白易與GDP（二磷酸鳥苷）結合。 活性蛋白具有GTP酶活性，（可水解GTP生成GDP而失活）能與許多效應器蛋白（大多數為酶或通道）相互作用，改變其活性。 蛋白激酶 使蛋白磷酸化 蛋白磷酸酶 使磷酸與蛋白分離圖1-6 G蛋白的活性循環1. 環腺苷酸信號轉導系統 配體受體蛋白腺苷酸環化酶 cAMP（第二信使）細胞的生物學效應 2. 肌醇信號轉導系統 配體受體蛋白磷脂酶C 磷脂酰肌醇水解二酰甘油（DG）、三磷酸

17、肌醇（IP3） （第二信使）細胞的生物學效應 3. 酪氨酸激酶信號轉導系統 配體酪氨酸激酶受體膜外側特異性肽鏈受體膜內側肽鏈的激活，具有磷酸激酶的活性酪氨酸殘基磷酸化細胞的生物學效應圖 1-7磷脂酰肌醇 第五節 細胞的興奮性 和生物電現象 一、細胞的興奮性 （）興奮性 興奮性（excitability）細胞受到刺激后能產生動作電位的能力稱之。機體內以神經細胞的興奮性為最高。 興奮（excitation） 在體內條件下，細胞產生動作電位的過程。 刺激（stimulus） 內、外環境因素的作用。 反應（reaction） 機體、組織、細胞對內外環境因素的作用做出的相應的變化稱之。 （二）刺激與反應

18、 例如，一定頻率的聲波能引起內耳聽細胞的興奮反應，稱適宜刺激；而對機體其他細胞則不起反應，則稱不適宜刺激。 適宜刺激引起細胞反應需要一定的強度，和刺激作用一定的時間。 閾刺激 在一定的時間內，引起細胞興奮或產生動作電位的最小刺激強度稱之。 閾下刺激 劣性刺激 引起細胞發生反應的必要條件： 刺激的強度 作用時間 細胞對刺激的反應一般出現兩種情況： 興奮或抑制 興奮 刺激的作用，使從相對靜止的狀態轉為活動，或是活動增強的狀態的過程。 抑制 刺激的作用，使從活動狀態轉為相對靜止，或活動減弱的狀態的過程。興奮和抑制即對立又相互依存， 如：骨骼肌的收縮與舒張；吸氣與呼氣的交替等。細胞接受刺激后引起何種反

19、應，取決于： 刺激的性質和強度 細胞所處于的功能狀態 例如：適中刺激常引起細胞發生興奮 劣性刺激常引起細胞發生抑制 機能上 刺激： 原抑制興奮，原興奮抑制 細胞膜電位變化有兩種形式： 1. 可興奮組織 如神經、肌肉、腺體等，接受刺激后膜電位的變化表現為可傳播的動作電位。 2. 非可興奮組織 如結締組織等，膜電位變化僅表現為局部膜電位下降，并不產生動作電位。后者接受刺激產生膜電位變化的能力或特性特稱為應激性。（三）興奮性的變化 以神經細胞和肌肉細胞為例 1.絕對不應期 細胞完全缺乏興奮性的時期，對任何新刺激都不發生反應，所以也稱絕對乏興奮期。 2. 相對不應期 細胞的興奮性開始逐漸恢復，但還沒有

20、達到正常水平，原來的閾刺激不能引起反應，較強的刺激才能引起反應。 3. 超常期繼相對不應期之后出現，這時細胞的興奮性略高于正常水平，原來的閾下刺激也能引起反應。 4. 低常期細胞興奮性又降低至正常水平以下，低常期后興奮性逐漸恢復正常。二、生物電現象 生命活動過程中出現的電現象稱為生物電現象，它是細胞基本特性之一。 （）靜息電位 （resting membrane potential， RMP） 概念：細胞在安靜時，膜內外兩側的電位差（膜外為正、膜內為負）稱為靜息電位或膜電位。神經細胞和肌細胞的膜電位約-65至- 100之間。 細胞膜經常保持這種內負外正的電生理狀態稱為極化狀態。 膜電位圖1-8

21、 膜電位示意圖圖1-9 神經細胞膜的極化 （二）動作電位（active potential） 可興奮組織接受刺激而發生興奮時，細 胞膜原來的極化狀態立即消失，并在膜的內外兩側發生一系列電位變化，這種電位變化稱為動作電位。 見圖110。 圖1-10 （B圖） 示波器記錄圖1-11神 經 纖 維 的 動 作 電 位 動作電位曲線組成如下 峰電位后電位上升相下降相負后電位正后電位去極化反極化 復極化動作電位 通常所說的神經沖動：是以一定頻率和速度在N F上傳導著的動作電位。動作電位與興奮性的關系（哺乳動物大N F） ： 動作電位 興奮性 時間 上升相、下降相 絕對不應期 0.3 ms 的前大部分 下

22、降相的末端 相對不應期 3 ms 負后電位 超常期 12 ms 正后電位 低常期 70 ms （三）靜息電位形成機理 原因： 1. 膜內外離子分布存在差異； 2. 細胞膜的通透性差異。見下圖細胞 K+ 2040蛋白質-10Na+ 20Cl- 20細胞膜內外離子分布示意圖 細胞膜內外兩側存在離子濃度差和電位差。 細胞膜上存在微孔，直徑34埃。 直徑： k+ 3.96埃，Na+ 5.12埃。安靜狀態下，膜對Na+ 的通透性小，而膜對k+ 有較大的通透性。 細胞在靜息狀態下，膜對Na+的通透性小，而膜對K+有較大的通透性，于是K+濃度差推動+從膜內向膜外擴散，正電荷隨鉀離子外流，而帶負電荷的蛋白質不

23、能外流而留在膜內，于是膜外積累正電荷，膜內積累負電荷，出現內負外正的極化狀態。見下圖K+ 2040蛋白質-10細胞Na+ 20Cl- 20 K+外向電流+K+外流使膜出現內負外正的極化狀態 這種電位差隨著+的外流逐漸增大，并對+外流產生阻礙作用。 當膜內外+濃度差（+外流動力）與電位差（+外流阻力）達平衡時，+跨膜凈轉運等于，膜內外電位動態穩定于一定水平，即形成靜息電位。 因此，細胞的靜息電位主要由+外流所產生，反映+的平衡電位。 （四）動作電位形成機理 刺激細胞興奮時膜兩側Na+濃度差的推動 下， Na+內流，同時+外流減少，膜內正電 荷積累去極化和反極化（超射）過程。 隨后膜對Na+通透性

24、迅速降低+通透性 +外流增多恢復靜息電位（復極化） 峰電位上升相形成過程示意圖 外流減少 外流減少K+ 2040蛋白質-10K+ 2040蛋白質-10 Na+ 20Cl- 20Na+ +大量（a）細胞膜去極化，膜內外電位差為“0”。（b）細胞膜反極化，出現膜內為正、膜外為負。大量Na+峰電位下降相及后電位形成過程示意圖 Na+Na+ 20Cl- 20 K+外向電流+（c）膜對Na+ 通透性降低，K+大量外流，形成膜的復極化。大量漸停 Na+ K+ 鈉-鉀泵K+ 被動擴散Na+被動擴散（）膜復極化后，除Na+、+的被動擴散外，逆濃度差的主動轉運作用，構成后電位。K+ATP+ 后電位時相形成： Na+、+的被動擴散外，還有賴于逆濃度差的主動轉運作用。 在ATP分解供能使鈉一鉀泵運轉下，膜內增多的Na+被排出膜外，同時把膜外增多的+吸進膜內，使膜內外的Na+、+濃度完全恢復到靜息狀態水平。 圖1-12 動作電位形成原理 可興奮細胞 興奮性這一特性在N、腺細胞表現得特別明顯，這一類細胞稱之。閾電位 能造成膜對Na+通透