第二章细胞的基本功能 细胞(cell)是构成人体最基本的功能单位。根据不同的结构和功能进行分 类，人体的细胞有二百余种。每种细胞都分布于特定的部位，执行特定的功能， 但对某些细胞群体乃至所有细胞而言，许多基本的功能活动是共同的。本章主要 介绍细胞的这些具有共性的基本功能，包括细胞的物质跨膜转运功能、信号转导 功能、生物电现象和肌细胞的收缩功能。 第一节 细胞膜的结构和物质转运功能 细胞膜的结
构概述 机体的每个细胞都被细胞膜(cell。membrane)所包被。细胞膜也称质膜 (plasmalem—im)。质膜和细胞内包被各种细胞器的膜具有相同的化学组成和结 构，主要由脂质(1ipid)和蛋白质(protein)组成，此外，还有少量糖类物质。以 红细胞膜为例，膜内蛋白质、脂质和糖类在重量上分别占 52％、40％和 8％。但 这种比例在不同种类的细胞可相差很大。一般而言，功能活跃的细胞，其膜蛋白 含量较高，如在小肠绒毛上皮细胞，其膜蛋白与脂质的重量比可高达 4．6：1； 而功能简单的细胞， 膜蛋白质含量相对较低， 如在形成神经纤维髓鞘的施万细胞， 上述比例仅为 0．25：1。目前虽无可用于直接观察各种化学成分在膜中排列形 式的技术， Singer 和 Nicholson 于 1972 年提出的膜结构的液态镶嵌模型(uid 但 mosaic rood—e1)一直得到多方面研究结果的支持，已被大家公认。这一模型学 说认为， 膜的基架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。 (一)脂质双分子层 膜脂质主要由磷脂(phospholipid)、胆固醇(cholester01)和少量糖脂 (glycolipid)构成。在大多数细胞的膜脂质中，磷脂占总量的 70％以上，胆固 醇不超过．30％，糖脂不超过 10％。磷脂中含量最多的是磷脂酰胆碱，其次是 磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺，含量最少的是磷脂酰肌醇。磷脂、胆固醇和糖脂 都是双嗜性分子(amphiphilic molecule)。磷脂分子中的磷酸和碱基、胆固醇分 子中的羟基以及糖脂分子中的糖链等亲水性基团分别形成各自分子中的亲水端， 分子的另一端则是疏水的脂肪酸烃链。这些分子以脂质双层(hpidbilayer)的形 式存在于质膜中，亲水端朝向细胞外液或胞质，疏水的脂肪酸烃链则彼此相对， 形成膜内部的疏水区。 膜脂质双层中的脂质构成是不对称的， 含氨基酸的磷脂(磷 脂酰丝氨酸，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰肌醇)主要分布在膜的近胞质的内层，而磷 脂酰胆碱的大部分和全部糖脂都分布在膜的外层。 膜脂质的熔点较低，在体温条件下呈液态，因而膜具有流动性；但脂质双层 的流动性只允许脂质分子作侧向运动，形成一种二雏流体。膜脂质的流动性可使 嵌入脂质双分子层中的膜蛋白也发生移动、聚集和相互作用，细胞的许多基本活 动，如膜上功能蛋白的相互作用、入胞、出胞、细胞的运动、分裂、细胞间连接 的形成等都有赖于质膜保持适当的流动性。影响膜流动性的因素包括：①胆固醇 的含量。 胆固醇分子中的类固醇核与膜磷脂分子的脂肪酸烃链平行排列，在膜中 起“流度阻尼器”的功能，可降低膜的流动性。②脂肪酸烃链的长度和饱和度。 如果脂肪酸烃链较短，饱和度较低，则膜的流动性较大；反之，如果烃链较长， 饱和度较高，则膜的流动性就较小。⑧膜蛋白的含量。研究证实，环绕嵌入蛋白 质周围的脂质的运动是受限的，这部分运动受限的脂质占脂质总量的 20%-90％， 随蛋白质嵌入的数量而改变。因此，镶嵌的蛋白质越多，膜的流动性越低。 (二)细胞膜的蛋白细胞膜的功能主要是通过膜蛋白来实现的。根据膜蛋白在膜上的存在形式， 可分为表面蛋白(peripheral protein)和整合蛋白(integral protein)两类。表 面蛋白约占膜蛋白的 20％~30％，它们通过肽链中带电氨基酸残基与脂质的极性 基团以静电引力相结合，或以离子键与膜中的整合蛋白相结合，附着于膜表面， 主要是在膜的内表面。例如，红细胞膜内表面的骨架蛋白就属于表面蛋白。整合 蛋白约占膜蛋白的’70％～80％， 它们以其肽链一次或反复多次穿越膜的脂质双 层为特征。肽链也具有双嗜性，即可区分为亲水性和疏水性区段。穿越脂质双层 的肽段以疏水性残基为主，肽键之间易形成氢键，因而以仅螺旋结构存在；暴露 于膜外表面或内表面的肽段是亲水性的，形成连接这些 α 跨膜螺旋的细胞外环 或细胞内环。由于脂质双层中疏水区的厚度约 3nm，因而穿越质膜疏水区的跨膜 片段约需 18～21 个氨基酸残基， 以形成足够跨越疏水区厚度的 α 螺旋。 事实上， 目前正是根据肽链中所包含的足够长度的疏水性片断的数目， 来推测可能存在的 跨膜 α 螺旋的数目。例如，G 蛋白耦联受体蛋白的肽链包含 7 个疏水性片断， 因而推测它是一个 7 次跨膜的受体蛋白。与物质跨膜转运功能有关的功能蛋白， 如载体(CaITier， 或称转运体， transpolter)、 通道(channel)和离子泵(ion pump) 等，都属于整合蛋白。 (三)细胞膜的糖类 质膜中糖类的含量约为 2％～10％，主要是一些寡糖和多糖链，它们以共价 键的形式与膜蛋白或膜脂质结合，生成糖蛋白(glycoprotein)或糖脂 (g~ycolipid)。 结合于糖蛋白或糖脂上的糖链仅存在于细胞膜的外侧，通常具有 受体或抗原的功能。例如，霍乱毒素的受体就是一种称为 Gm1 的糖脂；而红细胞 膜上 ABO 血型系统的抗原，就是由结合于糖蛋白和糖脂上的寡糖链所决定的(见 第三章)。 二、物质的跨膜转运 质膜是细胞与周围环境之间的屏障， 各种离子和水溶性分子都很难穿越脂质 双层的疏水区， 因而胞质中溶质的成分和浓度与细胞外液显著不同。质膜不仅在 维持细胞正常的代谢活动中起重要的屏障作用， 而且在实现膜两侧物质有选择的 交流， 即物质跨膜转运中也起重要的参与作用。质膜对不同理化性质的溶质具有 不同的转运机制： 脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质可直接穿越细胞膜；大 部分水溶性溶质分子和所有离子的跨膜转运需要由膜蛋白介导来完成； 大分子物 质或物质团块则以复杂的人胞或出胞的方式整装进出细胞。 (一)单纯扩散 单纯扩散(simple diffusion)是一种简单的穿越质膜的物理扩散，没有生物 学转运机制参与。 能以单纯扩散跨膜流动的物质都是脂溶性的和少数分子很小的 水溶性物质，如 o：、CO2、N2、水、乙醇、尿素、甘油等。扩散的方向和速度 取决于该物质在膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性， 后者取决于物质的脂溶 性和分子大小。例如，o2、C02、N2 等脂溶性小分子的扩散速度很快；水(分子 量 18D)、乙醇(分子量 46D)、尿素(分子量 61D)和甘油(分子量 92D)等很小的极 性分子，扩散速度略慢。较大的极性分子，如葡萄糖(分子量 180D)，则很难以 单纯扩散方式直接通过质膜。此外，质膜对各种离子，尽管其直径很小，但都高 度不通透。实验表明，纯脂质双层对 Na+、K+等离子的通透能力比对水的通透能 力小约 10^9 倍。 (二)膜蛋白介导的跨膜转运 大部分水溶性溶质分子和所有离子的跨膜转运都是由膜蛋白介导的。 介导转运的膜蛋白可分为两大类， 即载体蛋白(简称载体)和通道蛋白(简称通道)。有些 载体具有 ATP 酶活性，称为离子泵。由膜蛋白介导的跨膜转运可分为被动转运 (passive transport)和主动转运(active transport)两大类。被动转运本身不 需要消耗能量， 是物质顺浓度梯度和(或)电位梯度进行的跨膜转运；主动转运是 消耗能量的、 逆浓度梯度和(或)电位梯度的跨膜转运，可分为原发性主动转运和 继发性主动转运两种形式。 1． 通道介导的跨膜转运 由于经通道介导的溶质几乎都是离子，因而通道也 称离子通道(ion channel)。离子通道是一类贯穿脂质双层、中央带有亲水性孔 道的膜蛋白。 所有的离子通道均无分解 ATP 的能力，因此通道介导的跨膜转运都 是被动的，称为经通道易化扩散({hcilitated diffusion vi。a i。on channel)。 当孔道开放时， 离子可顺浓度梯度和(或)电位梯度经孔道跨膜流动，无需与脂质 双层相接触， 从而使对脂质双层通透性很低的带电离子，能以极快的速度跨越质 膜。据测定，经通道扩散的转运速率可达每秒 10^6～10^8 个离子，远大于载体 的每秒 10^2～10^5 个离子或分子的转运速率，这是通道与载体之间最重要的区 别。但离子通道绝不仅仅是一种单纯的亲水性孔道，离子选择性(ion selectivity)和门控(gating)特性是它有别于简单孔道的两个基本特征， 也是它 调控离子跨膜转运的基本机制。 通道的离子选择性是指每种通道都对一种或几种离子有较高的通透能力， 而 对其他离子的通透性很小或不通透。例如，钾通道对 K’和 Na’的通透性之比约 为 100：1；乙酰胆碱受体阳离子通道对小的阳离子，如 Na’、K’都高度通透， 而 C1 则不能通透。根据通道对离子的选择性，可将通道分为钠通道、钙通道、 钾通道、氯通道和非选择性阳离子通道等。 离子通道的第二个特性是它的门控特性。 在通道蛋白分子内有一些可移动的 结构或化学基团，在通道内起“闸门”作用。许多因素可刺激闸门运动，导致通 道的开放或关闭，这一过程称为门控。在静息状态下，大多数通道都处于关闭状 态，只有受到刺激时才发生分子构象变化，引起闸门开放。根据对不同刺激的敏 感性，离子通道通常分为受膜电位调控的电压门控通道(voltage—gated ion channel)，受膜外或膜内化学物质调控的化学门控通道(chertficaUy—gated ion channel)，以及受机械刺激调控的机械门控通道(。mechanically—gated ionchannel)等。电压门控通道分子内具有带电的电位感受区，通常在膜去极化 (膜内电位负值减小)时发生移动，引起分子构象变化和闸门开放(图 2—1A)。电 压门控通道的开闭还涉及细胞的电活动，相关的门控机制将在第三节中予以阐 述。化学门控通道也称配体门控通道(】[igand—gated ion channel)，通道本 身具有受体功能，即是一个兼具通道和受体功能的蛋白分子。例如，乙酰胆碱受 体阳离子通道在膜外侧有两个乙酰胆碱(acetylcholine，Ach)结合位点，结合 ACh 分子后将引起通道构象变化和闸门开放(图 2—1B)。激动离子通道的配体也 可能来自胞内。 ATP 敏感钾通道是一种受胞内 ATP 抑制的钾通道，与 ATP 结合 如 后通道关闭；缺血或缺氧时，胞内 ATP 减少，部分与通道结合的 ATP 被解离而使 通道开放。机械门控通道通常由质膜感受牵张刺激而引起其中的通道开放或关 闭。 如下丘脑内有些对渗透压敏感的神经细胞，其质膜上的机械门控通道可在胞 外低渗时由于细胞肿胀、质膜张力增加而关闭(图 2—1c)。此外，也有少数几种 通道始终是持续开放的， 这类通道称为非门控通道， 如神经纤维膜上的钾漏通道， 细胞间的缝隙连接通道等。 通道的开启和关闭除调控物质的跨膜转运外，还与信 号的跨膜转导和细胞电活动有关(见下文)。2．载体介导的跨膜转运载体也称转运体，是介导小分子物质跨膜转运的另 一类膜蛋白。 与通道的离子选择性相似，每种载体也只能特异性地转运一种或几 种溶质， 但它完成这种选择性的机制与通道不同，它是通过载体分子上的结合位 点与被转运物在分子结构上的特异性结合而实现的。 被转运物与载体结合后可引 发载体蛋白的构象变化，分子构象的改变使被转运物从膜的一侧转移到另一侧， 并随之与载体解离，即经历一个结合一构象变化一解离的过程(图 2—2A)。这使 得溶质经载体转运的速度远低于离子通道(见前述)，并出现饱和现象 (SatUration)。如图 2—2B 所示，当底物(指被转运物)浓度达到一定数值时，转 运速度不再随底物浓度的增加而继续增大，此时转运速度达最大值，与底物浓度 的关系曲线形成平台。载体促进物质跨膜转运的过程类似于酶一底物反应的过 程， 跨膜扩散速度与底物浓度的关系曲线也很像酶促反应的初速度与底物浓度的 关系曲线，因此在酶一底物反应中使用的两个特征常数，最大反应速度 V～和米 氏常数(Michealis constant)K。，通常也被用来描述载体介导的跨膜转运。在 这里，V 一是指最大扩散速度，反映某种载体蛋白构象转换的最大速率；km 是指 达最大扩散速率一半时所需的底物浓度(见图 2—2B)，反映载体蛋白对被转运物 分子的亲和力和转运效率。Km 值越小，表示亲和力和转运效率越高，反之亦然。 如果有两种结构相似的物质能被同一载体转运， 则将发生竞争抑制(competitive inhibition)，Km 值较大或浓度较低的物质，其转运将受到抑制。此外，与经通 道转运不同的是， 经载体的转运有被动转运(经载体易化扩散)和主动转运两种方 式，后者可再分为原发性主动转运和继发性主动转运两种形式。 (1)经载体易化扩散： 经载体易化扩散(facili—tated diffusion via catTier。 ) 是指水溶性小分子物质经载体介导顺浓度梯度和(或)电位梯度进行的被动跨膜 转运(见图 2—2A)。有的载体只能将一种物质从膜的一侧转运至另一侧，这称为 单(物质)转运(um‘port)，其载体称为单(物质)转运体(uni—porter)，如质膜 上转运葡萄糖的载体。 有的载体则可同时转运两种或两种以上物质。如果被转运 的分子或离子都向同一方向运动，即称为同向转运(syrnport)，其载体称为同向 转运体(symporter)，如钠一葡萄糖同向转运体等；如果被转运物彼此向相反的 方向运动， 则称为反向转运(antiport)或交换(exchange)，其载体称为反向转运 体(antiporter)或交换体(exchanger)，如钠氢交换体、钠钙交换体等。经载体 易化扩散是物质跨膜转运的重要途径。 体内许多重要的物质， 如葡萄糖、 氨基酸、 核苷酸等都是经载体而跨膜转运的； 各种继发性主动转运(见下文)过程也都需要 载体的参与。 葡萄糖跨膜进入细胞的过程是典型的经载体易化扩散。 中介这一过程的栽体 是右旋葡萄糖载体，称为葡萄糖转运体(西 LIcose transporter，GIuT)。根据 分子克隆的研究，该蛋白至少有 5 种亚型，即 GLLJTl～5。它们各自分布于不同 的组织，并具有不同的功能特性。GLUTl 是分布于多种组织细胞上的一种基本的 葡萄糖载体；GI。UT2 主要分布于肝细胞；GLLJT5 分布于小肠黏膜上皮。肌肉和 脂肪等组织细胞有 GLUT1 和 GLUT4 两种葡萄糖载体，其中 GL，uT4 在膜上的数量 受胰岛素调节。在没有胰岛素的情况下，GI．uT4 以囊泡的形式储存于胞质中， 胰岛素与其受体结合后，经一系列信号转导过程，在几分钟内即可启动出胞。使 GLI．JT4 插入细胞膜中，提高细胞转运葡萄糖的能力。糖尿病病人常伴有 GLuT4 数量或功能的下降，是发生胰岛素抵抗的原因之一。 (2)原发性主动转运：原发性主动转运(primary active transport)是指离 子泵利用分解 ATP 产生的能量将离子逆浓度梯度和(或)电位梯度进行跨膜转运的过程。在哺乳动物细胞上普遍存在的离子泵有钠一钾泵(sodium potassium pump)和钙泵(calcium pump)。钠一钾泵主要分布在质膜上，而钙泵除存在于质 膜上外，更集中地分布于内质网或肌质网膜上。 钠一钾泵简称钠泵，也称 Na’．K 十一 ATP 酶(Na’，KLA'I’Pase)。钠泵 每分解 1 分子 A。TP 可将 3 个：Na’移出胞外，同时将 2 个 K’移人胞内，每个 转运周期约需 10ms。 由于钠泵的活动，可使细胞内的 K’浓度约为细胞外液中的 30 倍，而细胞外液中的 Na’浓度约为胞质内的 10 倍。当细胞内的 Na’浓度升 高或细胞外的 K’浓度升高时，都可使钠泵激活，以维持细胞内外的 Na’、K’ 浓度梯度。 细胞膜上的钠泵不断将 ATP 储存的化学能转变为维持 Na’、K’跨膜梯度的 位能，其消耗的能量在哺乳动物细胞占代谢产能的 20％～30％，在某些活动的 神经细胞甚至高达 70％。可见，钠泵的活动对维持细胞的正常功能具有重要作 用。钠泵的主要功能包括以下几个方面：①钠泵活动造成的细胞内高 K’为胞质 内许多代谢反应所必需。例如，核糖体合成蛋白质就需要高 K’环境。②维持胞 内渗透压和纽胞容积。 在静息状态下， 膜对 Na’、 K’、 一都有一定的通透性， cl 虽然对 K’的通透性相对较高，但由于膜内有机负离子(带负电的蛋白质、核苷 酸等)几乎不能跨膜移出， 因而限制了 K’的外漏，而 Na’和 C1 一却不断漏入胞 内。钠泵起着一条漏船上的排水泵的作用，把漏入胞内的 Na’不断转运出去， 以保持细胞正常的渗透压和容积。③建立 Na’的跨膜浓度梯度，为继发性主动 转运的物质提供势能储备。例如，在 Na’一 H’交换、Na’一 Ca。’交换，以 及葡萄糖和氨基酸在小肠和肾小管被吸收的过程中，H’、ca 外、葡萄糖和氨基 酸的逆浓度梯度转运，都是利用 Na’经主动转运造成的跨膜浓度梯度作为驱动 力的。④由钠泵活动形成的跨膜离子浓度梯度也是细胞发生电活动的前提条件 (见第三节)；⑤钠泵活动是生电性的，可直接影响膜电位，使膜内电位的负值增 大。 哇巴因是一种钠泵的特异性抑制剂。 临床上常使用小剂量的哇巴因类药物抑 制心肌细胞膜上的钠泵， 通过降低质膜两侧 Na’的浓度差以减小 NaLca。’交换 的驱动力，使胞质内 Cal2+浓度增加，从而产生强心效应。 体内广泛分布的另一种离子泵是钙泵(calcium pump)，也称 Ca“一 ATP 酶， 它位于质膜、 内质网或肌质网膜上。 质膜钙泵每分解 1 分子 A’TP， 可将 1 个 Ca2+ 由胞质内转运至胞外； 肌质网或内质网钙泵则每分解 1 分子 ATp 可将 2 个 Ca。 ’ 从胞质内转运至肌质网或内质网内。两种钙泵的共同作用可使胞质内游离 Ca2’ 浓度保持在 0． 1～0． 21~mol／L 的低水平， 仅为细胞外液中 ca。 ’浓度(1～2mmol ／L)的万分之一。在胞内如此低浓度的游离 ca。’背景下，细胞对胞质内 ca2+ 浓度的增加将变得非常敏感， 以致经钙通道流入胞质内的 ca2 十成为触发或激活 许多生理过程的关键因素，如肌细胞的收缩、腺细胞分泌囊胞中内容物的释放、 突触囊胞中递质的释放，以及某些酶蛋白和通道蛋白的激活等。 除钠泵和钙泵外，体内还有两种较为重要的离子泵，它们都是质子泵。一种 是主要分布于胃腺壁细胞膜和肾小管闰细胞膜上的}{+，I(十一 ATP 酶，其主要 功能是分泌 H’；另一种是分布于各种细胞器膜上的 H’一 ATP 酶，可将 H’由 胞质内转运至溶酶体、内质网、突触囊泡等细胞器内，以维持胞质的中性和细胞 器内的酸性，使不同部位的酶都处于最适 pH 环境中，同时也建立起跨细胞器膜 的 H’农度梯度，为溶质的跨细胞器膜转运提供动力(见下文)。 (3)继发性主动转运：继发性主动转运(secondary acti_ve transport)是指驱动力并不直接来自 ATp 的分解， 而是来自原发性主动转运所形成的离子浓度梯 度而进行的物质逆浓度梯度和(或)电位梯度的跨膜转运方式。事实上，继发性主 动转运就是经载体易化扩散与原发性主动转运相耦联的主动转运系统。 葡萄糖在 小肠黏膜上皮的主动吸收就是一个典型的继发性主动转运。 它是由 N 卜葡萄糖同 向转运体和钠泵的耦联活动而完成的(图 2—3)。用药物抑制钠泵活动一段时间 后，葡萄糖转运随即减弱或消失，表明葡萄糖转运对钠泵活动的依赖性。氨基酸 在小肠也是以同样的方式被吸收的。 继发性主动转运在体内广泛存在，如跨质膜的 NaLH’交换、NaLCa。’交 换、．NaLK’一 C1 一同向转运、葡萄糖和氨基酸在小肠黏膜上皮被吸收和在肾 小管上皮被重吸收、 甲状腺上皮细胞的聚碘、神经递质在突触间隙被轴突末梢重 摄取、 突触囊泡从胞质中摄取神经递质等都属于继发性主动转运。在绝大多数情 况下，溶质跨质膜转运的动力来自钠泵活动建立的 Na’的跨膜浓度梯度，而溶 质跨细胞器膜转运的动力则来自质子泵(H+_ATP 酶)活动建立的 H’的跨膜浓度 梯度。例如，去甲肾上腺素被神经末梢重摄取的过程需经过两次跨膜，首先是借 助于 Na’的跨膜梯度，将递质与 Na’、C1 一一起经位于神经末梢质膜上的去甲 肾上腺素转运体同向转运至胞质内，然后再利用 H’的跨膜梯度，经位于突触囊 泡膜上的单胺类递质转运体与 H’反向交换， 每进入囊泡 1 个去甲肾上腺素分子， 同时排出 2 个 H’。 (三)出胞和入胞 大分子物质或物质团块不能穿越细胞膜，它们可通过形成质膜包被的囊泡，以出 胞或人胞的方式完成跨膜转运(图 2—4)。 出胞(exocytosis)是指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。 例如， 外分泌腺细胞将合成的酶原颗粒和黏液排放到腺导管腔内，内分泌腺细胞 将合成的激素分泌到血液或组织液中， 以及神经纤维末梢将突触囊泡内神经递质 释放到突触间隙内等都属于出胞。分泌物通常是在粗面内质网的核糖体上合成， 再转移到高尔基体被修饰成由膜结构包裹的分泌囊泡， 这些囊泡逐渐移向细胞膜 的内侧，并与细胞膜发生融合、破裂，最后将分泌物排出细胞，而囊泡膜随即成 为细胞膜的组分。 由于在出胞过程中囊泡膜融人细胞膜，因而会使细胞膜表面积 有所增加。 出胞的完成有两种形式，一种是囊泡所含的大分子物质以上述方式不 间断地排出细胞， 它是细胞本身固有的功能活动，如小肠黏膜杯状细胞持续分泌 黏液的过程； 另一种是合成的物质首先储存于细胞膜内侧或某些特殊的部位，须 在细胞受到某些化学信号或电信号的诱导时才排出细胞， 因而是一种受调节的出 胞过程。如神经末梢递质的释放就是动作电位到达神经末梢时才引起的出胞过 程，这一过程最终由进入胞内的 ca。’触发。 入胞(endocytosis)是指大分子物质或物质团块(如细菌、细胞碎片等)借助 于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进人细胞的过程。 以吞噬泡或吞饮泡的形式 人胞的过程分别称为吞噬(phagocytosis)和吞饮(pinocytosis)。吞噬仅发生于 一些特殊的细胞，如单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞等，形成的吞噬泡直径较 大(1～2“m)；吞饮则可发生于体内几乎所有的细胞，形成的吞饮泡直径较小 (0．1～0．2 斗 m)。吞饮又可分为液相入胞(丑 uidphase endocytosis)和受体 介导入胞(receptor mediated endocytosis)两种形式。液相人胞是指细胞外液 及其所含的溶质以吞饮泡的形式连续不断地进人胞内，是细胞本身固有的活动。 进入细胞的溶质量和溶质的浓度成正比。与出胞时相反，入胞时由于一部分细胞膜形成吞饮泡， 因而会使细胞膜表面积有所减小。受体介导人胞则是通过被转运 物与膜受体的特异性结合， 选择性地促进被转运物进入细胞的一种人胞方式。如 图 2—4 所示，被转运物的分子首先与膜上的受体结合，并移行到膜上一些称为 有被小窝的部位。 有被小窝区域的质膜内表面含有许多网格蛋白，后者是一种三 脚蛋白， 有助于局部质膜形成吞饮泡。当受体复合物在有被小窝处聚集到一定程 度时便触发人胞， 形成有被囊泡并进入胞质。有被囊泡表面的网格蛋白随即与囊 泡分离， 并重新回到质膜的有被小窝部位。 有被囊泡失去网格蛋白后成为吞饮泡， 吞饮泡随即与胞内体融合。胞内体内部的 pH 值很低，这种酸性环境有助于受体 与其相结合的配体。(被转运物)分离。受体与配体分离后胞内体又分为两部分， 包含配体的囊泡转运到高尔基体或溶酶体被进一步利用； 包含受体的囊泡则向细 胞膜移动， 与细胞膜的内侧接触、 融合而成为细胞膜的组分， 实现受体的再利用， 而细胞膜表面积也能保持相对恒定。受体介导人胞是一种非常有效的转运方式。 溶质选择性地进入细胞时， 并不同时进入较多的细胞外液，而且即使溶质的浓度 很低，也不影响有效的人胞过程。许多大分子物质都是以这种方式进入细胞的， 如运铁蛋白、低密度脂蛋白、维生索 B，：转运蛋白、多种生长因子、一些多肽 类激素(如胰岛素)等。人体血浆中的低密度脂蛋白(10w density lipoprotein， LDL)就是在细胞膜上的 LDL 受体介导下入胞而被利用的。某些人由于缺乏 U)L 受体，使 LI)L 不能被正常利用，血浆中 LDL 浓度升高，LDL 颗粒中含有大量胆 固醇，因而可导致高胆固醇血症。 第二节细胞的信号转导 作为多细胞动物机体中的每一个细胞，都在一定的部位执行专门的功能；而 机体为适应内、 外环境变化所完成的任何一种生命活动，都需要其中许多细胞相 互协调、相互配合地工作，这就使各种细胞间形成复杂的信号交流机制。这些信 号主要是以各种类型的化学物质作为信息的载荷体，如激素、神经递质和细胞因 子等，也包括一些物理性的信号，如电、光和机械牵张等。这些生物信号主要由 体内的细胞产生和分泌，也可来自外环境。当它们作用于另一些细胞(靶细胞) 的受体后，便可对靶细胞的代谢、功能、分化、生长、形态结构、生存状态等方 面产生影响。这些能与受体发生特异性结合的活性物质也称配体(hgand)。根据 配体的不同作用方式， 可大体将它们分为两类：一类以疏水性的类固醇激素为代 表，它们以单纯扩散的方式透过细胞膜，与胞内受体结合并发挥作用(见第十一 章)；另一类是属于亲水性分子的信号物质，其数量较大，它们首先作用于质膜 上的受体，再经跨膜的和细胞内的信号转导(signal transduction)而产生生物 学效应。 物理信号也通过跨膜信号转导的方式发挥作用。根据膜受体的结构和功 能特性， 跨膜信号转导的路径大致可分为三类，即离子通道型受体介导的信号转 导、G 蛋白耦联受体介导的信号转导和酶联型受体介导的信号转导。 一、离子通道型受体介导的信号转导 离子通道型受体(ion channel receptor)分子是一种同时具有受体和离子通 道功能的蛋白质分子， 属于化学门控通道。它们接受的化学信号绝大多数是神经 递质，故也称递质门控通道(trar~smitter gated ion channel)，又由于激活后 可引起离子的跨膜流动，所以又称促离子型受体(ionotropic receptor)。这类 受体与神经递质结合后，引起突触后膜离子通道的快速开放和离子的跨膜流动， 导致突触后神经元或效应器细胞膜电位的改变， 从而实现神经信号的快速跨膜转 导。例如，骨骼肌终板膜上的．ACh 受体阳离子通道被神经末梢释放的 ACh 激活 后，引起 Na’和 K’的跨膜流动，使膜两侧离子浓度和电位发生变化，并进一步引发肌细胞的兴奋和收缩； 神经元膜上的 A 型 Y 一氨基丁酸受体是氯通道，在被 递质激活后可使通道开放，引起 c1 一内流，使膜内负电位增大，对突触后神经 元产生抑制效应。离子通道型受体介导信号转导的特点是路径简单，速度快，从 递质结合至产生电效应的时间仅约 0．5ms，这与神经电信号的快速传导是相适 应的。 电压门控通道和机械门控通道常不称为受体，但事实上，它们是接受电信号 和机械信号的“受体”， 并通过通道的开放、关闭和离子跨膜流动将信号转导到 细胞内部。例如，心肌细胞 T 管膜上的 L 型钙通道(L—type Ca'抖 channel)就 是一种电压门控通道，动作电位发生时，T 管膜的去极化可激活这种钙通道，它 的开放不仅引起 Ca2 十本身的内流，而且内流的 Ca：。’又作为细胞内信号， 进一步激活肌质网的钙释放通道，引起胞质内 Ca2+浓度升高和肌细胞收缩(见第 四节)，从而实现动作电位(电信号)的信号转导；神经末梢的电压门控钙通道可 被沿神经纤维传来的动作电位激活，内流的 ca2’作为细胞内信号可进一步触发 突触囊泡中递质的释放； 对血管壁的牵张刺激(如血压升高)可激活血管平滑肌细 胞的机械门控离子通道，使通道开放，引起 Ca。’内流，内流的 ca。’作为细 胞内信号，可进一步引发血管收缩，从而实现管壁牵张刺激的信号转导。以上例 子说明电压门控通道和机械门控通道不仅是物质(离子)的跨膜转运通路， 更重要 的是它们在实现体内各种电信号和机械信号的跨膜转导中所起的介导作用。 二、G 蛋白耦联受体介导的信号转导 G 蛋白耦联受体(G protein—linked receptor)本身不具备通道结构，也无 酶活性， 它是通过与脂质双层中以及膜内侧存在的包括 G 蛋白等一系列信号蛋白 质分子之间级联式的复杂的相互作用来完成信号跨膜转导的(图 2—5)，因此也 称促代谢型受体(metabotropic receptor)。这里所涉及的信号蛋白包括 G 蛋白 耦联受体本身、G 蛋白、G 蛋白效应器、第二信使和蛋白激酶等。 (一)主要的信号蛋白 1．G 蛋白耦联受体 G 蛋白耦联受体分布于所有的真核细胞，种类繁多，人 类基因组中编码这类受体的基因多达 200()个左右，它们构成细胞膜上最大的受 体分子超家族。 蛋白耦联受体的配体种类也很多， G 包括去甲肾上腺素、 多巴胺、 组胺、5 一羟色胺等生物胺，缓激肽、促甲状腺激素、黄体生成素、甲状旁腺激 素等多肽和蛋白类激素，乙酰胆碱、光子、嗅质和味质等。所有 G 蛋白耦联受体 分子都由一条包含 7 次跨膜 0【螺旋的肽链构成，N 端在胞外，C 端在胞质侧， 也称 7 次跨膜受体。 受体蛋白的胞外侧有配体结合部位，胞质侧有 G 蛋白结合部 位。受体在与配体结合后，其分子发生构象变化，引起对 G 蛋白的结合和激活。 2．G 蛋白 鸟苷酸结合蛋白(guanine nucleotide binding protein)简称 G 蛋白(Gprotein)， 是耦联膜受体与下游效应器(酶或离子通道)的膜蛋白，存在于 质膜的胞质面。G 蛋白通常是指由仪、p 和^y 三个亚单位构成的三聚体 G 蛋白。 根据其 a 亚单位基因序列的同源性可将 G 蛋白分 4 类，即 G。、G。、Ga 和 G。： 家族，每类又分为若干亚型，总计 20 多种。所有 G 蛋白的共同特征是具有结合 GTP 或 GDP 的能力和具有 GTP 酶活性。 G 蛋白的分子构象有结合 GDP 的失活态和结合 G’TP 的激活态两种，在信号 转导中两种构象相互交替， 起着分子开关(molecular。 switch)的作用(图 2—6)。 经受体活化进入激活态的 G 蛋白可进一步激活下游的效应器(酶或离子通道)， 使 信号通路瞬间导通；在回到失活态后，信号转导即终止。 3．G 蛋白效应器 G 蛋茸效应器(G protein。effector)包括酶和离子通道两类。主要的效应器酶有腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase，AC)、磷脂酶 C(phosptaolipase C，PLc)、磷酸酶 A2(phospholipase A2，PLA2)和磷酸二酯 酶(phosphodiesterase，PDE)等，它们催化生成(或分解)第二信使物质，将信号 转导至细胞内。 此外，某些离子通道也可接受 G 蛋白直接或间接(通过第二信使) 的调控(见下文)。 4．第二信使第二信使(second messenger)是指激素、递质、细胞因子等信 号分子(第一信使)作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子。 通常是由效应器酶作 用于胞内底物产生的小分子物质， 可通过进一步激活蛋白激酶或离子通道等方式 产生以靶蛋白构象变化为塞础的级联反应和细胞功能改变。 较重要的第二信使有 环一磷酸腺苷(cyclic adenosinemonoplaosphate， cAMP)、 三磷酸肌醇(inositol triphosphate， IP3)、 二酰甘油(diacvlgl~c—erol， DG)、 环一磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)和 ca”等。 (二)主要的 G 蛋白耦联受体信号转导途径 1．受体一 G 蛋白一 AG 途径参与这一信号转导途径的 G 蛋白属于 G。和 Gi 家族，如果活化受体耦联的 G 蛋白属于 G。家族，则激活态的 G。可进一步激活 腺苷酸环化酶(Ac)。Ac 是一类 12 次穿膜的大分子蛋白质，其催化活性部位位于 胞质侧，可催化胞内的 ATP 生成 cAMp。如果活化受体激活的 G 蛋白属于 G。家族 中的某一亚型，这类 G 蛋白被活化后则可抑制 AC 的活性，从而降低胞质内 cAMP 的水平。 作为细胞内的一个信号分子，cAMP 主要通过激活蛋白激酶 A(PKA)来实现其 信号转导作用。PKA 属于丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶，可通过对底物蛋白的磷酸化 而发挥其生物学效应。 由于 PKA 磷酸化的底物蛋白不同，因此在不同的靶细胞中 具有不同的效应。例如，在肝细胞内，：PKA 可激活磷酸化酶激酶，后者促使肝 糖原分解；在心肌细胞，PKA 可使钙通道磷酸化，增加细胞膜上有效钙通道的数 量，因而可增强心肌收缩；在胃黏膜壁细胞，PKA 的激活可促胃酸分泌；而在海 马锥体细胞，PKA 则可抑制 caz’激活的钾通道，使细胞去极化，延长其放电时 间。 2．受体一 G 蛋白一 PLC 途径 许多配体与受体结合后，可经 G。家族或 G。 家族中的某些亚型激活磷脂酶 c(PLC)， 可将膜脂质中含量甚少的二磷酸磷脂 PLc 酰肌醇(phos—phatidylinositol bisphosphate，PIP2)迅速水解为两种第二信 使物质，即三磷酸肌醇(IR)和二酰甘油(DG)。IP，是水溶性的小分子物质，它在 生成后离开细胞膜，与内质网或肌质网膜上的 IP3 受体(IP，receptor，IP 皿) 结合。IP3R 是一种化学门控的钙释放通道(caz+release channel)，激活后可导 致内质网或肌质网中的 ca。 ’释放和胞质中 ca2’浓度升高。脂溶性的二酰甘油 生成后仍留在细胞膜内，它与 Ca2’和膜磷脂中的磷脂酰丝氨酸共同将胞质中的 蛋白激酶 C(PKC：)结合于膜的内表面，并使之激活。胞质内增加的 Ca2 十和激 活的 PK(：可进一步作用于下游的信号蛋白或功能蛋白。 ca。’既是电流的载荷体，又可起信号分子的作用。ca。’作为第二信使， 通过与多种底物蛋白结合而发挥其调节作用。细胞内这种与 ca。’结合的蛋白 统称为钙结合蛋白(ca”一 binding protein，(2aBP)，它们的种类很多，其中 分布最广、功能最多的是钙调蛋白(calmodulin，(；aM)。ca。。与 c 删的复合 物(ca2+?(；aM)有多种生理功能。如在平滑肌，ca 计‘(&aM 可结合于肌球蛋白 轻链激酶(1nyosin fight chain kinase，MLcK)并使之活化，导致肌球蛋白轻链 磷酸化和平滑肌收缩；在血管内皮细胞，ca。’?(2aM 可结合并激活一氧化氮合酶(nl。tric oxide synthase，Nos)，由后者催化生成的 NO 扩散至平滑肌，可 引起血管舒张。ca。～CaM 还可通过激活依赖于(；aM 的蛋白激酶，促使底物蛋 白磷酸化来发挥调节作用。除(；aM 外，Ca。’还可通过其他(；aBP 发挥作用。 如在骨骼肌，Ca2+与肌钙蛋白结合可引发肌肉收缩；在心肌，ca。’可与肌质网 上的 ryanodine 受体结合，诱发肌质网释放 Ca2’(见第四节)；ca2+还可结合并 激活．PKC，使底物蛋白磷酸化而发挥调节作用。 PK(：也是丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶，激活的 PK(：可使底物蛋白磷酸化而 产生多种生物效应。例如，：PKc 可使 Na+-。H’交换体磷酸化，增强 NaLH’交 换，提高细胞内的 pH 值；PK(：对豚鼠心室肌细胞质膜的钠泵、钙泵和 Na’一 ca。’交换体的磷酸化作用可增强它们的活性，促进胞内 Ca。’的外排。 除通过 PLc 产生 IP，、DG 和升高细胞内 ca2+浓度而起信号转导作用外，G 蛋白还可通过激活磷脂酶 A：、磷酸二酯酶，以及调节离子通道等途径实现和影 响跨膜信号转导。 G 蛋白耦联受体介导的信号转导过程，需要多级信号分子的中继，因而也需 要较长的反应时间， 从几百毫秒到几分钟，较离子通道受体介导的信号转导慢得 多。但是，较慢的转道过程也可扩展信号分子作用的空间范围，包括胞质的各个 部分和细胞核， 调制基因的转录过程。多级信号转导还能明显增强信号的放大作 用。一个被配体活化的受体分子，可激活数百个 G 蛋白，一个被 G 蛋白激活的效 应器酶又可催化生成许多第二信使分子， 而每个第二信使分子又可激活许多蛋白 激酶或离子通道，如此便可产生至少几千倍的放大效应。． G 蛋白功能的丧失或亢进和许多疾病的发生有关。假性甲状旁腺功能低下就 是由于病人甲状旁腺激素靶细胞中的 G,et 亚单位不能对激素和受体的刺激发生 反应， 导致甲状旁腺功能低下的一系列症状； 但病人血浆中的激素水平并不降低， 因而称之为假性甲状旁腺功能低下。目前发现，约 40％垂体生长激素细胞肿瘤 的瘤细胞膜有 Gsot 亚基的突变，突变的 G,cx 亚单位自身的 GTlp 酶活性降低， 导致激活态 G。失活减慢，使 AC 持续被激活，最终使胞内 cAMP 的基础水平显著 升高(可迭正常的 20 余倍)。 过分增高的 cAMP 可引起垂体生长激素细胞增生和肿 瘤形成。 霍乱引起的水样腹泻也是由 G 蛋白功能异常所造成的。位于肠黏膜上的 霍乱弧菌可分泌霍乱毒素，毒素的 A 亚单位进入细胞后可将辅酶 1 分子的 ADp 一核糖转移至 Gsa 亚单位， 使后者失去 GTp 酶活性而长久保持激活状态，从而导 致腺苷酸环化酶被持续活化，cAMP 大量生成。肠腺细胞膜上有一种依赖于 cAMP 的氯通道， 后者在高浓度 cAMP 的作用下持续开放， 造成胞内 Cl 一大量外流， Na’ 和水也随之大量流入肠腔，从而形成水样腹泻。 三、酶联型受体介导的信号转导 酶联型受体也是一种跨膜蛋白，但每个受体分子只有 1 次穿膜。它结合配体 的结构域(受体部分)位于质膜的外表面，而面向胞质的结构域则具有酶活性，或 者能与膜内侧其他酶分子直接结合，调控后者的功能而完成信号转导。酶联型受 体有几个类型， 其中较重要的有酪氨酸激酶受体、酪氨酸激酶结合型受体和鸟苷 酸环化酶受体。 (一)酪氨酸激酶受体和酪氨酸激酶结合型受体 酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase。receptor，。TKR．)也称受体酪氨酸激 酶(receptor 七 y—rosine kinase)，是指受体分子的膜内侧部分本身具有酪氨 酸激酶活性的受体。 能与这类受体结合而完成信号转导的细胞外信号分子主要是 各种生长因子，如表皮生长因子、血小板源生长因子、成纤维细胞生长因子、肝细胞生长因子和胰岛素等。 当受体的细胞外部分与配体结合后便可引起受体分子 胞质侧部分酪氨酸激酶的活化，继而触发各种信号蛋白沿不同路径的信号转导。 酪氨酸激酶结合型受体(tyrosine kinase associated receptor)与前一类受体 不同， 受体分子本身没有蛋白激酶活性，但一旦与配体结合即可在胞质侧结合并 激活某种胞质内的酪氨酸激酶。 当胞质内的酪氨酸激酶被激活后又可磷酸化下游 的信号蛋白， 从而实现信号转导或产生生物学效应。这类受体可接受的细胞外信 号主要是由巨噬细胞和淋巴细胞产生的各种细胞因子和一些肽类激素，如干扰 素、白细胞介素、生长激素、催乳素和促红细胞生成素等。这两类受体的信号转 导过程需要多种细胞内信号蛋白逐级反应， 有些过程最终通过基因表达的改变而 产生生物学效应， 因此从接受刺激到引起生物学效应，通常需要几分钟乃至几小 时以上。主要的生物学效应大多涉及细胞的代谢、生长、增殖、分化和存活等相 对缓慢的过程。 (二)鸟苷酸环化酶受体 鸟苷酸环化酶受体(g,alanylyl cyclase receptor)的分子只有一个跨膜仅 螺旋， 分子的 N 端有配体结合位点， 位于膜外侧； 端有鸟苷酸环化酶(guanylyl c cyclase，GC)结构域，位于膜内侧。受体一旦与配体结合，将激活 GC 活性。与 AC 激活不同的是此过程不需要 G 蛋白参与。GC 被激活后可催化胞质内的 GT’p 生成 cGMp， 后者可结合并激活依赖 cGMP 的蛋白激酶 G(protein kinase G，PKG)。 和．PKA、PKC：一样，PKG 也是丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶，通过对底物蛋白的磷 酸化而实现信号转导。心房钠尿肽(atrial natriureticpeptide，ANP)和脑钠尿 肽(1~rain natriuretic peptide，．BNP)是鸟苷酸环化酶受体的重要配体，可 刺激肾脏排泄钠和水，并使血管平滑肌松弛。 一氧化氮(nitric oxide，NC))的受体也是一种 GC：，但这种 GC：存在于胞 质内，称为可溶性 GC—NO 作用于可溶性 GC 后，可使胞质内 cGMP 的浓度和 PKG 活性升高，引起血管平滑肌舒张等反应。 细胞跨膜的和胞内的信号转导是目前生命科学研究的热点之一。 本节只是纲 要性地叙述跨膜信号转导的主要通路。事实上，每条通路上都存在着许多精细的 调节， 各通路之间也存在着复杂的相互联系和相互作用，形成一个错综复杂的信 号网络。 第三节 细胞的电活动 神经、 肌肉等组织在进化过程中获得了高度精确和快速产生与传播一种特殊 信号的能力， 在这些组织中， 它们可以非常快的速度在同一细胞膜表面和细胞之 间传播； 前文述及的化学信号经血流运行或分子扩散传播的速度，以及信号跨膜 和在细胞内转导的速度都无法与之相比。这种快速传播的信号就是电信号，它与 神经、肌肉等组织的功能活动紧密相关。临床上，用放置于体表一定部位的电极 把这种电信号引导并记录下来，就成为心电图、脑电图、肌电图等临床诊断用的 体表电图。但是，电信号的产生和传播都是在质膜两侧进行的，所以要了解细胞 电活动的机制和各种体表电图的产生原理， 需首先了解跨膜电位的特性及其产生 机制。 细胞的跨膜电位大体上有两种表现形式，即安静状态下相对平稳的静息电 位和受刺激时发生的可传播的、迅速波动的动作电位。 一、膜的被动电学特性和电紧张电位 细胞膜作为一个静态的电学元件时所表现的电学特性， 称为膜的被动电学特 性．它包括静息状态下的膜电容、膜电阻和轴向电阻等。《一)膜电容和膜电阻 细胞膜脂质双层构成的绝缘层把含有电解质的细胞内液和细胞外液分隔开， 其形式类似于一个平行板电容器，因此细胞膜具有电容的特性。以脂质双层为基 质的细胞膜具有较高的介电常数， 3～5， 为 膜的厚度仅 6nm， 故膜电容(membrane capacitance，C。)较大，约 1IJLF／cm~。。当膜上的离子通道开放而引起带电 离子跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电，从而在膜两侧产生电位差， 即跨膜电位(transmembrane potential)，简称膜电位(membrane potenti~I)。 按膜电容 1I-~F／cm。推算，使 1 弘 m2 的细胞膜膜电位改变 10mV，需要 660 个 单价离子的跨膜流动。 单纯的脂质双层几乎是绝缘的，在 1cm。的面积上，其电阻高达 106~10m；但生 物膜的电阻要小得多，只有 10 矶左右。这主要是由于生物膜的脂质双层中嵌入 了许多离子通道和转运体， 犹如嵌入了许多小的导体，离子通道和转运体的数量 越多，膜电阻就越小。膜电阻(membrane resistance，R。)通常用它的倒数膜电 导(membrane condIlctance)G 来表示，单位是 Siemens，缩写为 s。对带电离子 而言， 膜电导是膜对离子通透性的观测指标(见下文)。绝大多数有关膜对离子通 透性的研究都是利用电学方法进行的。 质膜除具有膜电容和膜电阻的特性外，沿细胞的长轴还存在轴向电阻(Ri)。它的 数值决定于胞质溶液本身的电阻和细胞的直径；细胞直径越大。轴向电阻越小。 由于质膜兼有电容和电阻的特性， 因此可用并联的阻容耦合电路来描述它的电学 特性。如图 2_7A 所示，细胞膜可分成许多小的片段，每一小片膜都有各自的膜 电容(Cm)和膜电阻(Rm)， 彼此间在膜内由轴向电阻(Ri)相连，在膜外由细胞外液 (由于电阻很小，通常忽略不计)短路连接。利用膜的等效电路，可分析在静息时 和受刺激时膜电流与膜电位的变化规律。 (二)电紧张电位 实验证明， 如果在神经纤维的某一点向轴浆内注入电流，该电流将沿轴浆向该点 的两侧流动(轴向电流)，由于轴向电阻的存在及沿途不断有电流跨膜流出(跨膜 电流)，不论是轴向电流还是跨膜电流，都将随着距原电流注入点距离的增加而 逐渐衰减(图 2—7B)。前文已指出，膜本身的电学特性相当于并联的阻容耦合电 路，跨膜电流流过时必然产生膜电位的变化，随着跨膜电流的逐渐衰减，膜电位 也逐渐衰减，并形成一个规律的膜电位分布(图 2—7C)，即注入电流处的膜电位 最大， 其周围一定距离外的膜电位将作为距离的指数函数衰减，这种由膜的被动 电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位(eleccrotonicpotential)。 用正、 负两个电极从膜外侧施加电刺激也会出现类似的效应，只是在正电极和负 电极下发生电紧张电位的极性不同。胞质内的正电荷会流向负电极的下方，相当 于上述经插入胞内的电极注入电流，因而在负电极下方产生去极化电紧张电位 (图 2—7c)L；胞内的负电荷则流向正电极下方，相当于从细胞膜接触电极的部 位向膜内注入了负电荷， 因而在正电极下方会产生与图 2—7c 方向相反的超极化 电紧张电位。这样，当用细胞外电极刺激组织时，只有在出现去极化电紧张电位 的负电极下方才可能产生动作电位(见下文)。 电紧张电位完全是由膜固有的静息电学特性所决定的。 其产生过程中如果幅 度较小， 一般也不会引起膜自身所包含的离子通道的激活和膜电导的改变。但它 与动作电位的产生和传播有着密切关系。一个去极化电紧张电位，如果其幅度达 到一定水平，就会引起相当多的钠通道或钙通道激活，从而引发动作电位(图 2—12)； 细胞膜电紧张电位发生的速度和扩布的范围也是影响动作电位产生和传播速度的重要因素(见下文)。 二、静息电位及其产生机制 (一)静息电位的记录和数值 静息时，质膜两侧存在着外正内负的电位差，称为静息电位(resthlg potendal， RP)。 记录静息电位时，可将无关电极置于细胞外，记录电极插入细胞内，这种记录方 式称为细胞内电位记录。图 2—8 是记录神经纤维跨膜电位的示意图，图中置于 细胞外的电极接地，因此记录到的电位是以细胞外为零电位的膜内电位。例如， 骨骼肌细胞的静息电位约一 90mV，神经细胞约一 70mY，平滑肌细胞约一．55mY， 红细胞约一 10mV。膜内电位负值的减小称为静息电位减小，反之，则称为静息 电位增大。 静息电位通常是平稳的直流电位，但在中枢内的某些神经细胞和具有 自律性的心肌和平滑肌细胞， 也会出现自发性的静息电位波动。人们通常把平稳 的静息电位存在时细胞膜电位外正内负的状态称为极化(polarization)； 静息电 位增大的过程或状态称为超极化(】~yperpolarizafion)；静息电位减小的过程 或状态称为去极化(depolarizadon)；去极化至零电位后膜电位如进一步变为正 值，则称为反极化，膜电位高于零电位的部分称为超射(overshoot)；质膜去极 化后再向静息电位方向恢复的过程称为复极化(repolarization)。 (二)静息电位产生的机制 静息电位仅存在于膜的内、外表面之间。在膜的外表面有一薄层正离子，内 表面有一薄层负离子，每一离子层的厚度都不足 1nm，两层之间可形成很大的电 位梯度。例如，当静息电位为一 80mV 时，在厚度约 6nm 的质膜两侧可形成并保 持 133 000V／cm 的电位梯度。形成这种状态的基本原因是离子的跨膜扩散。产 生离子扩散的条件有两个：一是钠泵的活动，可形成膜内、外离子的浓度差(表 2—1)， 使细胞外 Na’浓度约为细胞内的 10 倍，而细胞内 K’浓度约相当于细胞 外液的 30 倍；二是静息时膜对某些离子，主要是对壬(+具有一定的通透性。某 种离子在细胞静息时的通透性越大， 这种离子的跨膜扩散对静息电位的贡献就越 大。 1．离子跨膜扩散的驱动力和平衡电位当某种离子跨膜扩散时，它受到来自 浓度差和电位差的双重驱动力，两个驱动力的代数和称为电化学驱动力 (ekctrochemical drivingforce)。例如，当质膜只对溶液中的一种离子有通透 性时， 该离子将顺浓度差跨膜扩散，但扩散的同时也在膜两侧形成逐渐增大的电 位差， 且该电位差造成的驱动力与浓度差的驱动力的方向相反，成为阻止离子进 一步跨膜扩散的力量，直至电位差驱动力增加到等于浓度差驱动力时达到稳态， 此时的跨膜电位差称为该离子的平衡电位。可见。当膜电位处于某一离子的平衡 电位时，该离子的电化学驱动力为零，此时尽管膜对该离子有通透性，但没有离 子的跨膜净移动。 每种离子都可以根据它在膜两侧的浓度，利用 Nemst 公式计算 出它的平衡电位，即 (2—1) 式中 E。为某离子 X 十的平衡电位，R 为气体常数，T 为绝对温度，F 为法拉 第常数，z 为原子价， 【X+]。和 p(+】t 分别为该离子在膜外侧和膜内侧溶液 中的浓度。如果离子 x’为单价，环境温度设定为 29．2℃，同时将自然对数转 换为常用对数，E。的单位用 mV 表示，则式 2—1 可改写为(2-2)将膜内侧和膜外侧溶液中的 K’浓度代人式中，即可计算出 K’平衡电位 (K’e—quilibrium potential，EK)，而将膜内、外侧的 Na’浓度代入式中， 则同样可计算出 Na’平衡电位(Na’equilibrium potential，E 卜 h)。在哺乳 动物，多数细胞的 EK 为一 90—一 100mV，E№为+50～+70mV(图 2—9)。其他离 子的平衡电位也可按此式计算。 在静息状态下，质膜对各种离子具有不同的通透 性，某种离子的平衡电位对静息电位的影响，决定于膜对这种离子的通透性。 2．膜对离子的通透性和静息电位的形成如前所述，静息电位主要是由于静息时 离子跨膜扩散形成的， 因此膜对哪一种离子的通透性较高，则该离子的跨膜扩散 对静息电位的影响就较大，静息电位也就更接近于该离子的平衡电位。事实上， 在静息状态下，质膜对 K’的通透性较高，大约是 Na’的 10～100 倍。这是由于 质膜上存在经常处于开放状态的非门控钾通道，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(见第四章)等。这使静息电位非常接近 K’平衡电 位。但以神经和骨骼肌为检测对象时，静息电位通常都在一 7 沪一 90mV’，其 负值总是不同程度地小于 K’平衡电位(图 2—9)，这是因为膜对 Na’亦有一定 的通透性，扩散内流的 Na’可部分抵消由 K’扩散外流所形成的膜内负电位。除 K’和 Na’外， 膜两侧溶液中的主要离子还有 c1 一、ca2+和有机负离子。 一般认为．膜对 cl 一不存在原发性主动转运，因此，Cl 一在膜两侧的分布是被 动的；膜电位并不决定于 Cr 平衡电位(Cr eqttilibrium potential，Ecl)，相 反，膜电位的大小可决定 Cl 一在膜内的浓度(可用 Nemst 方程式算出)；并且， cl 一平衡电位总是等于或接近静息电位。Ca2’在细胞膜两侧的浓度都很低(表 2—1)，且膜对 Ca。’的通透性也很低，其作用可以忽略。有机负离子，如带负 电的蛋白质和核苷酸等， 是使细胞内液保持电中性酶主要负离子，膜对它们几乎 不通透，它们聚积在膜内侧，是膜内侧负电荷的主要栽荷体。 3． 钠泵的生电作用通过钠泵活动，除可建立和维持膜两侧的离子浓度差外， 还可直接影响静息电位。钠泵每分解一分子 A’TP，可使 3 个．Na’排出胞外和 2 个 K’进入胞内，结果使膜内电位的负值增大(超级化)，但钠泵的生电作用对 静息电位的贡献并不很大。且可因细胞的不同种类和状态有所差异。例如，消化 道平滑肌细胞静息时出现的慢波电位(见第六章)， 就与钠泵活动的周期性增强有 关。 根据以上静息电位的形成机制， 可将影响静息电位水平的因素归纳为以下三 点：①由于膜内、外 K’浓度差决定 EK，因而细胞外 K’浓度的改变可显著影响 静息电位， 如细胞外 l(+浓度升高将使 EK 的负值减小， 导致静息电位相应减小(去 极化)；②膜对 K’和 Na+的相对通透性可影响静息电位的大小，如果膜对 K’的 通透性相对增大，静息电位将增大(更趋向于 Ex)，反之，膜对 Na’的通透性相 对增大，则静息电位减小(更趋向于 E。)，如在心肌和骨骼肌细胞，K’与 Na’ 通透性的比值为 20～100，静息电位为一 80—一 90mV，而平滑肌细胞的上述比 值为 7～10，静息电位仅一 55mV；③钠泵活动的水平也可直接影响静息电位，活 动增强将使膜发生一定程度的超级化。 动作电位及其产生机制 (一)细胞的动作电位 在静息电位的基础上， 给细胞一个适当的刺激，可触发其产生可传播的膜电位波动，称为动作电位(action potential，AP)。不同细胞的动作电位具有不同 的形态。例如，枪乌铡大神经轴突动作电位时程很短，呈尖峰状，而心室肌细胞 动作电位时程较长， 期间形成一个平台。图 2—8B 是细胞内记录的神经纤维动作 电位。膜电位首先从一’70mV 迅速去极化至+50mY，形成动作电位的升支’(去 极相)，随后迅速复极至接近静息电位水平，形成动作电位的降支(复极相)，两 者共同形成尖峰状的电位变化，称为锋电位(spike potential)。锋电位是动作 电位的主要组成部分，具有动作电位的主要特征。锋电位持续约 1ms，在锋电位 后出现的膜电位低幅、缓慢的波动，称为后电位。后电位包括两个成分，前一个 成分的膜电位仍小于静息电位，称为负后电位(negative after-一 potential)， 后一个成分大于静息电位，称为正后电位(1~ositive after．一 potential)。 负后电位和正后电位是沿用电生理学发展早期使用细胞外记录方法时对动作电 位后电位的命名， 如果使用现代电生理学的细胞内记录方法，也可将它们分别称 为后去极化(after depolarization)和后超极化(after hyperpolarization)。 动作电位有两个重要的特性， 即它的“全或无”特性和可传播性。 刺激神经、 肌肉引发动作电位需要一定的强度。能引发动作电位的最小刺激强度，称为刺激 的阈值(thresh—old)。刺激强度未达到阈值，动作电位不会发生；刺激强度达 到阈值后，即可触发动作电位，而且其幅度立即到达该细胞动作电位的最大值， 也不会因刺激强度的继续增强而随之增大。 这一现象称为动作电位的“全或无” 特性。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一次动作电位，这称为动作电位的可传播性。而且动作 电位在同一细胞上的传播是不衰减的，其幅度和波形始终保持不变。 (二)动作电位的产生机制 前文已述，细胞在静息状态下，膜内、外表面各有一层负电荷和正电荷，以 形成静息电位。 发生膜电位波动的原因是离子跨膜流动引起的膜内、外表层电荷 的改变。 物理学上通常是以正离子的移动方向来表示电流的方向。如果细胞受刺 激时引起离子流动，造成膜外的正电荷流入膜内，称为内向电流(inward current)。 内向电流使膜内电位的负值减小， 引起膜的去极化。 通常 Na’和 Ca2+ 由细胞外向细胞内的流动都属于内向电流。反之，如果离子流动造成正电荷由胞 内流出胞外，则称为外向电流(01atward current)。外向电流使膜两侧外正内负 的电位差增大，引起膜的复极化或超极化。通常 K’由胞内流出，或 cl 一由胞 外流人胞内，都属于外向电流。据此不难想象，动作电位的去极相是内向电流形 成的， 而复极相则是外向电流形成的。离子跨膜流动的产生需要两个必不可少的 因素：一是膜两侧对离子的电化学驱动力；二是膜对离子的通透性。 1． 电化学驱动力 电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度。当膜受到 刺激而通透性发生改变时， 带电离子将依从电化学驱动力的方向跨膜流动，并引 起膜电位变化，这是发生任何膜电位变化，包括发生动作电位的基础。离子在膜 两侧受到的电化学驱动力是由该离子在膜两侧溶液中的浓度和膜电位共同决定 的。 离子在膜两侧溶液中的浓度决定该离子的平衡电位，即电化学驱动力等于零 的电位。在动作电位期间，尽管离子发生跨膜流动，但离子的平衡电位不会有明 显变化。 据测定， 每次动作电位进入胞内的 Na’和流出的 K’均只占胞质内离子 总量的几万分之一，因此，不会显著影响膜两侧的离子浓度差。驱动力的改变主 要由膜电位变化而引起。实际上，只要膜电位偏离平衡电位，就会对该离子产生 相应的驱动力。换言之，某离子在膜两侧受到的电化学驱动力应为膜电位(E。)与该离子的平衡电位(E。)之差，即(E。一 E。) (图 2—9)。例如，静息时的膜 电位 E。为一’70mV，En 和 Ek 分别为+60mV 和一 90mV，此时对 Na’的驱动力为 E。一 EN。=一 70mV 一 (+60mV)=一 1 30tnV 对 K’的驱动力则为 E。一．EK=一 70 mV 一(一 90mV)：+20mV 在这里，负值代表内向驱动力，推动产生内向电流；正值代表外向驱动力， 推动产生外向电流。 但在整个动作电位期间， 膜电位将发生大幅度的改变， 因此， 膜对离子的每个瞬间的电化学驱动力也将随着膜电位的变化而发生相应变化。 当 膜电位去极化至+3()mV 的锋电位水平时，膜对 Na’的驱动力为 E。一 EPqa~--+30m&V 一(+60mV)=一 30mV 对 K’的驱动力则为 E，。一 EK：+30mV 一(一 90mV)：+120mV 由此可见，在静息电位条件下，Na，‘受到很强的内向驱动力，一旦膜对 Na’的通透性增大， 将出现很强的引起去极化的内向电流； 而在锋电位期间， K’ 受到很强的外向驱动力。 2． 动作电位期间膜电导的变化 直接测定动作电位期间膜对离子通透性的动 态变化， 是揭示动作电位产生原理的关键。为了实现对快速变化的离子通透性的 动态测量，通常是使用电学测量的方法，测量参数包括膜电容、膜电流、膜电位 和膜电导(膜电阻的倒数)等。 其中膜电导相当于膜对离子的通透性，反映膜对离 子的通透能力。 由于离子跨膜流动时会产生膜电流，这就为测定膜电导提供了一 个很方便的途径，即可以在电化学驱动力(El。一 E。)保持不变的条件下直接测 量某种离子 x 的膜电流(I。)，再利用欧姆定律来计算该离子的膜电导(G。)，即 G。=去 (2_3) 但是，如前所述，动作电位期间，各种离子的电化学驱动力并不恒定，总是 随膜电位的变化而变化。 因此， 只有在膜电位保持不变的情况下观测膜电流的变 化， 才能反映出膜对该离子的通透性， 亦即膜电导的改变。 电压钳(voltage clamp) 技术采用一个反馈电路，能使膜电位 E。被钳制(固定)于任一水平，因而能保证 在测量膜电流期间的电化学驱动力保持不变。例如，要测量膜的钠电导 Gw。， 首先要利用电压钳装置把膜电位 E。 固定于给定的水平， 从而使电化学驱动力(E。 一 E。 )也保持恒定， 。 与此同时记录 Na’电流 I。 ， 。 就可以利用欧姆定律由 I。 。 推算出膜的钠电导 GN。，即 G 扩≤安 c2 叫 同样可利用记录的钾电流 I。，推算出膜的钾电导 GK，即 GK。矗 (2_5) 为了观测动作电位期间膜对离子通透性变化的时间依赖性和电压依赖性， 通 常是将膜电位固定在一个给定值后持续一段时间，同时记录膜电流的变化，用观 测到的膜电流的变化，就可计算出膜电导随时间的变化，即对时间的依赖．陛。 如图 2—10A 所示，将枪乌铡大神经纤维从一 65rnV 迅速钳制到一 9m&v，持续时 间 5ms，由于膜的突然去极化，可引起对离子通透性的变化(产生机制见下文)， 表现为膜电流的幅度随时间而变化，即在膜电位钳制于一 9mv 期间，首先出现一 个向下的内向电流，随后又出现一个向上的外向电流(图 2—10B)。但单纯利用 电压钳只能观察膜电流的方向和幅度的变化，不能区分电流由哪种离子所携带， 因此需要与其他研究方法结合起来分析电流的离子成分。图 2—10c 和 D 是利用药理学方法来分析膜电流的实验结果。当应用钠通道特异性阻断剂河豚毒后，内 向电流全部消失，表明这一内向电流是 Na’电流(I。)；而当应用钾通道特异性 阻断剂四乙铵后．延迟出现的外向电流完全消失，表明这部分外向电流是 K’电 流(Ix)。 利用被钳制的电位值和记录的膜电流值，根据公式 2—4 和 2—5 便可分 别计算出膜的 G№和瓯。如果每次将膜电位钳制到不同的水平，则每次也均可记 录到不同_的 In 和 Ix，计算出不同的 G№和 G。。如此便可观测膜的离子通透性 (膜电导)对电压的依赖性(图 2—11)。 上述利用电压钳技术的研究表明， 在相当于神经纤维静息电位的膜电位水平上迅 速去极化(相当于动作电位的去极相)，可引起膜对离子通透性的快速变化。首先 是对 Na’的通透性在不足 1ms 时间内迅速增加到峰值， 随后下降并开始对 K’通 透性增加，且保持恒定。与这种时间依赖性变化存在的同时，膜对离子的通透性 还表现出明显的电压依赖性， 即膜电位去极化程度越大，膜对离子的通透性就越 高(图 2—11)。这一点在动作电位起始过程中至关重要。 3．动作电位产生的过程如前所述， 随着膜的去极化，Na’的内向驱动力减小，而 K’的外向驱动力增大；因此，当 膜受到一个较弱的去极化刺激后，增强的 K’外向电流将使膜迅速恢复到起始的 膜电位，这种电位变化称为局部电位(图 2—12) (见下文)。但如果将去极化的 刺激增强，使膜去极化，增加 Na’电导和 Na’内向电流，从而增强对 K’外向 电流的抗衡，并且随着刺激的加强，膜电位可去极化到某一 l 临界值(阈电位， 见下文)，此时 Na’内向电流刚超过 K’外向电流，于是在净内向电流的作用下 膜进一步去极化， 而根据膜 Na’电导的电压依赖性(图 2—11)，膜去极化的幅度 越大，就会引起更大的钠电导和 Na’内向电流，如此便形成 Na’电流与膜去极 化之间的正反馈，即发生再生性循环(regenera 七 iVe cycle)，使膜在不足 1ms 时间内迅速去极化到接近 E。。的水平(此时膜的钠电导迅速增高，但钾电导并 未降低，所以动作电位的峰值达不到 E№的水平)。动作电位升支去极化的速度 和幅度就是由这一正反馈过程决定的，只要刺激强度足以触发这一过程，均可引 发相同幅度的动作电位，这也就是动作电位全或无特性的原因所在。膜对 Na’ 的通透性在达峰值后便迅速下降(其机制见下文)， 而此时的膜电位正处于动作电 位的峰值，对 l(+外向驱动力很强，再加上此时对 K’的通透性也开始增加(图 2—11)，便产生很强的 K’外向电流，使膜迅速复极化，形成动作电位的降支， 并与升支共同构成尖峰状的锋电位。 以上对动作电位产生过程的分析表明， 钠电导的电压依赖性和由此产生的去 极化过程中的正反馈机制，是动作电位起始的关键因素。除钠电导外，膜的钙电 导也有相似的电压依赖性，因此许多细胞动作电位的上升支是 ca。’内流产生 的，如平滑肌细胞、某些心肌细胞和内分泌细胞等。 。 4．膜对离子通透性变化的机制离子通透性变化的实质是由于膜上离子通道 的开放和关闭造成的。这个结论是利用膜片钳(‘patch clamp)技术在观测单个 离子通道活动的基础上得出的。利用膜片钳技术可以记录单通道电流(single channel current)，观测单个离子通道是如何活动的，以及它们的活动与膜电导 和整个细胞电活动的关系。 2—13 就是利用膜片钳技术记录的典型的单通道电 图 流。可见单个通道的开闭是全或无式的，每次开放可产生皮安级(pA，10。。安 培)的电流，每次停留于开放或关闭状态的时间是随机的。由于开、闭状态之间 的转换速度非常快， 因而单通道电流都表现为一个个宽窄不同的方波。根据记录的单通道电流，可以计算出单通道电导、通道的开放概率、平均开放时间、平均 关闭时间等指标来反映通道功能活动的特征。 利用计算机将大量单通道电流叠加 平均后所得的总体平均电流(图 2—13)与用全细胞或一段神经纤维进行的经典 电压钳技术记录的膜电流，即宏膜电流(macroscopical current)非常相似，说 明宏膜电流就是许多随机开放的单通道电流发生总和而形成的， 它们之间的关系 可用下式表示 I=i?P。?N (2—6) 式中 I 为全细胞的宏膜电流，i 代表单通道电流，p。代表通道处于开放状 态的平均概率，N 为全细胞上该通道的数目。利用膜片钳技术对单通道活动的研 究揭示了动作电位期间膜电导的变化，以及由此引起的膜电流变化，都是基于膜 上单个离子通道行为的改变； 宏膜电流反映的则是膜上所有离子通道作为时间和 膜电压函数的群体活动行为特征。某种离子膜电导的增大，可能是由于该离子通 道开放概率的增大，也可能是单通道电导的增大或通道数量的增加。如上所述， 静息状态下，膜的钾电导较高，用以维持静息电位，这是由于有相当数量的钾漏 通道(K’leak channel)随机开放的结果。动作电位期间钠电导的迅速增大则由 于膜上的电压门控钠通道大量激活(开放)而引起。 正是由于钠通道激活的电压依 赖性， 才产生钠电导的电压依赖性， 也才会发生钠电流与膜去极化之间的正反馈。 从记录的单通道离子电流来看，离子通道表现为关闭和开放两种状态，但事 实上由于通道的分子构象不同，每种离子通道的功能状态可能有很多种。图 2—14 是对神经纤维施加去极化刺激引起的 Na’电流曲线。去极化开始时：Na’ 电流迅速增大，随后 Na’电流又减小到原来水平，尽管去极化电压持续存在。 这表明，钠通道至少存在三种功能状态，即刺激前状态、刺激后钠电流增大的状 态，和刺激仍持续而钠通道却无反应的状态，分别称为关闭(close)、激活 (activation)和失活(inactivafion)状态。 其中在关闭和失活两种状态下的钠通 道都是不开放的， 只有在激活状态下通道才开放。三种状态的形成与分子内部存 在两种门控机制有关。有人提出假设，分子内部有两个“闸门”，即与激活有关 的 m 门和与失活有关的 h 门，两者呈串联排列，只有都开放时通道才导通。它们 的开、闭都受膜电位的控制，具有各自的电压依赖性；开闭的速度也相差很大， 具有各自的时间依赖性。通道的激活和失活机制如图 2—14 所示，膜电位在一 70mV 时，m 门完全关闭，h 门接近完全开放，通道处于关闭状态。当膜去极化至 ?~-20mV 时，依据 m 门和 h 门各自的电压依赖性，m 门应完全开放，h 门应完全 关闭； 但由于 h 门关闭的速度比 m 门开放的速度慢得多，激活状态就是在 m 门迅 速开放而 h 门尚未关闭之前的瞬间出现的。以后随着 h 门的关闭，通道就进入 m 门开放而 h 门关闭的失活状态。因此，钠通道的激活是 m 门开启的过程，失活则 是 h 门关闭的过程。关闭状态和失活状态的通道从电流描记上看虽然都不导通， 但它们是两种完全不同的功能状态。 处于失活状态的通道无论如何刺激也不能直 接进入激活状态， 它必须随着膜电位的复极化首先进入关闭状态，才能被再次激 活。从失活进入关闭状态的过程称为复活(recovery from inactivation)，是 m 门迅速关闭和 h 门较慢开启的过程。以上分析表明，钠通道的关闭状态和失活状 态是稳态，而激活只是一个瞬态；激活的通道会自动进入失活状态。电压门控钙 通道和一些电压门控钾通道也具有与钠通道相似的门控机制。 在图 2—11 中， 钠通道关闭、激活和失活的三种状态均可反映在钠电导首先 迅速增加，而后又自动下降的变化上。但钾电导的变化曲线与钠电导明显不同， 除激活速度缓慢外， 它在膜电位持续去极化期间不会自动降低，只有当钳制电压回到起始水平时钾电导才减小。这是由于这种钾通道只有一个激活门，称为 n 门，没有失活门。n 门的开放过程称为激活，使通道进入激活(开放)状态；n 门 的关闭过程称为去激活(deactivation)，使通道进入去激活或关闭状态。失活和 去激活都是通道的关闭过程， 表现为流经该通道的膜电流减小或消失，但去激活 状态相当于关闭状态， 通道可再次接受刺激而重新被激活， 而失活的通道则不能， 它必须首先复活到关闭状态后才能再次被激活开放。 5． 电压门控离子通道的分子结构 与细胞电活动有关的离子通道主要是电压 门控离子通道。 它们属于同一分子大家族，具有相似的分子结构和结构一功能关 系。电压门控钠通道是最具代表性的一个，在多数组织，它的分子由 0【、p1 和 B2 三个亚单位组成，其中仅亚单位是形成孔道的单位。仪肽链包括 4 个氨基 酸序列十分相似的部分，即结构域 I～Ⅳ(图 2—15A，B)。每个结构域含 6 个跨 膜 a 螺旋，即 S1～S6。利用基因突变技术已经证实，四个相似结构域中的 s5 和 s6 跨膜螺旋共同形成孔道．它们之间向膜内折叠的细胞外环构成孔道的内壁(图 2—15B)， 并决定通道的离子选择性和通透性。每个结构域中的 s4 跨膜段是导致 通道激活的电压传感器， 该跨膜段上每隔两个疏水性氨基酸残基就出现一个精氨 酸或赖氨酸，因此是一个带正电的跨膜段。在膜发生去极化时，它可在电场作用 下发生旋转和移位，导致通道构象改变，使通道激活。位于结构域Ⅲ、Ⅳ之间的 细胞内环是引起通道失活的关键部位，其中位于 1488 至 1490 位的异亮氨酸、苯 丙氨酸和甲硫氨酸(IFM)三个残基最为重要(图 2—15C)。当膜去极化时，它向孔 道内口移动，并与分别位于结构域Ⅲ和Ⅳs4 一 s5 胞内环的第 1329 位丙氨酸 (A1329)和第 1662 位天冬酰氨(N1662)相连接，从而阻断通道。这一过程也称为 电压门控钠通道失活的“球一链”机制(图 2 一 15C)。 6。 干预细胞电活动的药物及其应用 离子通道是细胞电活动的分子基础，也 是许多影响细胞电活动的药物的作用靶点， 可通过改变离子通道的活动来发挥治 疗作用。例如，钠通道阻断剂可通过抑制神经纤维动作电位的产生和传导，产生 局部麻醉作用；也可通过抑制中枢神经元异常的放电活动来治疗癫痫。I 类抗心 律失常药也属于钠通道阻断剂， 可抑制异常兴奋环路中动作电位的传导，终止快 速心律失常。钠通道激动剂可增加心肌动作电位期间。Na‘和(2a2’的流入，是 一类有待深入研究的强心药。钙通道阻断剂可阻断血管平滑肌的电压门控钙通 道，减少 Ca。’的流入，从而发挥舒张血管的作用，因而广泛用于高血压病和 各种缺血性疾病的治疗。新型的钙通道激动剂可选择性地激动心肌细胞钙通道， 也是一类有发展前景的强心药。 钾通道阻断剂可通过阻断心肌细胞钾通道使动作 电位延长，不应期也随之延长，藉此发挥抗心律失常作用。另一类钾通道阻断剂 可阻断胰岛 p 细胞的钾通道， 使细胞膜静息电位的负值减小，更接近于激活钙通 道的阈电位，从而增加钙通道的开放概率和 ca。’的流入，触发更多胰岛素的 释放，因而用于糖尿病的治疗。钾通道激动剂可使血管平滑肌静息电位增大，因 而能减少钙通道开放概率和 ca。’内流，具有舒张血管的作用．可用干缺血性 疾病的治疗． (三 J 动作电位的传播细胞膜某一部分产生的动作电位可沿细胞膜不衰减地传播 至整个细胞。图 2—16A 示动作电位沿细胞膜从右向左传导。在动作电位的发生 部位，细胞膜外侧的电位较前方(左侧)静息部位的为负，而膜内则相对较正；由 于这种电位差的存在， 在动作电位的发生部位和邻接的静息部位之间便产生箭头 所示的局部电流。 这个局部电流将依据膜的被动电学性质，在动作电位前方的静 息部位首先形成电紧张电位(图 2—16B)，并在电紧张电位达到阈电位的细胞膜上引起动作电位。如此，动作电位便通过局部电流沿细胞膜传导，并带有一个电 紧张电位的波前(wave 仔 ont)。 实际上，动作电位的传导是一个由电紧张电位引 起的沿细胞膜不断产生新动作电’f 立的扩布过程，有如多米诺骨牌倾倒的过 程， 也称为是动作电位的传播或兴奋的传播，这是它的幅度在长距离传导中不衰 减的原因。 膜的被动电学特性对动作电位的传播具有重要的影响， 因为动作电位在传播 时，其前方电紧张电位的形成速度和扩布范围决定于膜的被动电学特性。例如， 在直径较大的神经纤维， 局部电流沿轴突纵向流动的轴向电阻(Ri)较小，可使电 紧张电位的波前扩布更远的距离，即可使前方更远部位的膜达到闽值，同时电紧 张电位的形成速度也加快， 因而动作电位的传播较快；神经纤维的髓鞘化可使膜 电容(C。)减小而跨膜电阻(R|T1)增大．这种改变可加快电紧张电位的形成速度， 增大电紧张电位的扩布范围，从而明显增加动作电位的传导速度。 上述兴奋的传导过程和机制是在无髓鞘神经纤维和肌纤维等细胞上发生的， 在有髓鞘神经纤维， 局部电流仅在郎飞结之间发生，即在发生动作电位的郎飞结 与静息的郎飞结之间产生。这种传导方式称为跳跃式传导(saltatory conduction)。有髓鞘神经纤维及其跳跃式传导是生物进化的产物。在无脊椎动 物，提高动作电位传导速度的方式是增加轴突直径，因而在枪乌铡出现直径达 1mm 的大神经轴突；而高等动物则以轴突的髓鞘化来提高传导速度。这使得直径 仅 4 斗 m 的有髓鞘神经纤维和直径 600~m 的无髓鞘神经纤维具有相同的传导速度 (25 斗 m／s)。在有髓鞘神经纤维，最高的传导速度可达 100m／s 以上，而许多 无髓鞘神经纤维的传导速度尚不足 1m／s。髓鞘不仅能提高神经纤维的传导速 度，还能减少能量消耗。因为动作电位只发生在郎飞结，因而传导过程中跨膜流 入和流出的离子将减少，它们经主动转运返回时所消耗的能量也将减少。 (四)缝隙连接 由于细胞之间的电阻很大， 无法形成有效的局部电流，因此动作电位通常只 在同一细胞范围内传播。但在某些组织，如神经组织、心肌组织、肝组织和晶状 体上皮细胞，细胞间普遍存在缝隙连接(gap junction)，这是一种特殊的细胞间 连接方式，使兴奋得以在细胞间直接传播。在缝隙连接处，相耦联的两个细胞的 质膜靠得很近(&3nm)， 如图 2—17 所示，每侧细胞膜上都规则地排列着一些蛋白 颗粒．它们是由六个连接蛋白(connexin)单体形成的同源六聚体，称为连接子 (connexon)。每个连接子中央有一个亲水性孔道。两侧膜上的连接子端端相连， 使两个连接子的亲水性孔道对接，形成缝隙连接通道(gapjuncn‘on channel)， 每侧膜上的连接子相当于一个半通道。这些缝隙连接通道通常是开放的，允许水 溶性分子和离子通过， 同时也形成细胞间的一个低电阻区。一个细胞产生的动作 电位可通过流经缝隙连接的局部电流直接传播到另一个细胞。 缝隙连接通道可在 细胞内 Ca 抖浓度过高或酸中毒等情况下关闭。 四、局部电位 以上分析表明，引起细胞产生动作电位的刺激必须是使膜发生去极化的刺 激，而且还要有足够的强度使膜去极化到膜电位的一个临界值，即阈电位 (threshold potenfifl)。阈电位通常较静息电位小 10～20mV，如枪乌铡大轴突 的静息电位约一 70mV，阈电位约一 55mV。当去极化的刺激很弱时，钠通道并未 被激活，仅在膜的局部产生电紧张电位；当给予稍大的去极化刺激时，可引起部 分钠通道激活和内向离子电流， 使膜在电紧张电位的基础上进一步去极化，但此时膜的去极化可增加 K’的外向驱动力，且外向 K’电流大于内向 Na’电流，遂 使膜电位又复极到静息电位水平，如此形成的膜电位波动称为局部电位(10cal po—tential) (图 2—12)。去极化的局部电位多是由于去极化电紧张电位和少 量离子通道开放产生的主动反应叠加而形成的。 局部电位中尽管包含一部分细胞 的主动反应(即少量钠通道开放和钠离子内流形成的膜去极化)， 但它仍具有电紧 张电位的电学特征。表现为：①其幅度与刺激强度相关，因而不具有全或无的特 征； ②只在局部形成向周围逐渐衰减的电紧张扩布，而不能像动作电位一样沿细 胞膜进行不衰减的传播； ③没有不应期， 可以发生空间总和(spatial summation) 和时间总和(temporal sun2_~xation)。除局部电位外，体内有许多重要的电信 号，如终板电位、突触后电位(包括兴奋性的和抑制性的)、感受器电位、发生器 电位等， 其产生过程都涉及离子通道激活等膜的主动反应，因而不属于严格意义 上的电紧张电位的范畴， 但它们都具有上述电紧张电位的特征。这些电信号可以 通过幅度的变化、 空间总和和时间总和的效应，以模拟信号的方式实现信息的编 码和整合，成为除动作电位之外的体内另一类重要的电信号。五、可兴奋细胞及其兴奋性 (一)兴奋和可兴奋细胞 在现代生理学中，兴奋(excitation) 已被看作是动作电位的同义语或动作电位的产生过程。 受刺激后能产生动作电位的细胞， 称 为可兴奋细胞(excitable cell)或电可兴奋细胞。一般认为，神经细胞、肌细胞和腺细胞都属于 可兴奋细胞。 如前所述， 产生动作电位的关键环节是电压门控钠通道或电压门控钙通道的电 压依赖性及其激活过程中与膜电位之间的正反馈。 因此， 所有可兴奋细胞都必然具有电压门 控钠通道或电压门控钙通道， 它们在受刺激后首先发生的共同反应就是基于这些离子通道激 活而产生的动作电位。然后，肌细胞通过兴奋一收缩耦联(excitation—contt&action coupling) 产生收缩；腺细胞通过兴奋一分泌耦联(excitation．secretion。couphng)引起分泌；而神经细 胞则以动作电位沿细胞膜传播而形成的神经冲动作为其活动特征。 (二)组织的兴奋性和阈 刺激 ? 可兴奋细胞受刺激后并不一定发生兴奋。兴奋的发生一方面取决于刺激量的大 小， 另一方面还与细胞的反应能力有关。 生理学中将可兴奋细胞接受刺激后产生动作电位的 能力称为细胞的兴奋性(excitability)。为了了解兴奋性的观测指标，首先要了解构成刺激的 参数。刺激(stimulation)是指细胞所处环境因素的变化，任何能量形式的理化因素的改变都 可能构成对细胞的刺激。但刺激要能使细胞发生兴奋，就必须达到一定的刺激量。刺激量通 常包括三个参数，即刺激的强度、刺激的持续时间和刺激强度对时间的变化率。三个参数之 间存在相互影响的关系。 在实验中通常使用的是电刺激， 且常将其强度对时间的变化率固定， 这里主要讨论刺激强度和刺激持续时间。这两个参数也互相影响。在一定范围内，如果刺激 持续时间较短，引起细胞兴奋所需的刺激强度就较大； 。反之，刺激持续时间越长，则所需 的刺激强度就越小。在实际测量中，常将这两个参数中的一个也固定，只用一个参数即可观 测和衡量细胞的兴奋性。 在多数场合是将刺激的持续时间固定， 测定能使组织发生兴奋的最 小刺激强度，即阈强度(threshold intensity)。相当于阈强度的刺激称为阈刺激(threshold stimulus)，大于阈强度的刺激称为阈上刺激，而小于阈强度的刺激则称为阈下刺激。阈刺激 和阈上刺激都可引起组织兴奋。 阈刺激或阈强度一般可作为衡量细胞兴奋性的指标， 阈刺激 增大表示细胞兴奋性下降；反之， 。则表示细胞兴奋性升高。
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