人体及动物生理(1).ppt
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1、人体及动物生理, 生物奥林匹克竞赛辅导,Physiology: the logic of life!,生理学是生命科学的一个分支 是研究生物机体生命活动规律和机理的一门科学 是生命科学教育中唯一的一门讲授机体功能的课程 是医学科学的基础 参考书 生理学第六版,姚泰 主编,人民卫生出版社,2003.3 生理学第八版,朱大年 主编,人民卫生出版社,2013.3,Physiology: the logic of life!,根据国际生物学奥林匹克竞赛(IBO)纲要和全国中学生生物竞赛大纲(试行)要求,有关人体及动物生理的内容,主要包括消化、吸收、呼吸、循环、排泄、免疫、调节(神经和激素)和生殖 我们
2、的主要讲授内容 细胞的一般生理、血液与循环生理、呼吸生理、消化生理、排泄生理、神经生理、感觉器官、内分泌生理,第一章,机体的基本生理特征,一、新陈代谢 与环境进行物质交换和能量代谢。 二、应激性 对刺激发生反应的特性。 三、稳态 内环境保持相对稳定。 四、整合(调节) 适应,机体的基本生理特征,第二章,细胞生理学,第一节,细胞的物质转运,1.单纯扩散(simple diffusion) (1)概念 脂溶性高的物质由膜的高浓度一侧向低浓 度一侧移动的过程。,CO2i CO2o,O2o O2i,(2)特点 扩散速率高 无饱和性 不依靠特殊膜蛋白质的“帮助” 不需消耗能量 扩散量与浓度梯度、温度和膜
3、通透性呈正相关,用扩散通量(mol or mol数/min.cm2)表示。 (3)转运的物质 O2、CO2、NH3 、N2 、尿素、乙醚、乙醇、类固醇类激素等少数几种。,2.易化扩散(facilitated diffusion) (1)概念 非脂溶性或脂溶解度小的物质,在膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。 (2)分类 经通道的易化扩散 经载体的易化扩散,(1)经通道的易化扩散,转运的物质:各种带电离子,K+i K+o,Na+o Na+i,(2)经载体的易化扩散,转运的物质:葡萄糖(GL)、氨基酸(AA)等小分子亲水物质,(3)特点 需依靠特殊膜蛋白质的“帮助” 不需
4、另外消耗能量 选择性( 特殊膜蛋白质本身有结构特异性) 饱和性( 结合位点是有限的) 竟争性( 经同一特殊膜蛋白质转运) 浓度和电压依从性( 特殊膜蛋白质的变构是有 条件的,如化学门控通道、电压门控通道),(二)主动转运(active transport) 概念 指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。 特点 需要消耗能量,能量由分解ATP来提供; 依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”; 是逆电-化学梯度进行的。 分类,继发性主动转运(简称:联合转运);,原发性主动转运(简称:泵转运);,如:Na+-K+泵、Ca2+-Mg2+泵、H+-K+泵等,泵转运Na+-K+泵 Na+-K+泵又称Na+-K+-
5、ATPase,简称钠泵。,当Na+i K+o时,都被激活,ATP分解产生能量,将胞内3个Na+移至胞外和将胞外2个K+移入胞内。,通道转运与钠-钾泵转运模式图,2.继发性主动转运 概念 间接利用ATP能量的主动转运过程。 即物质逆浓度或逆电位梯度转运时,能量非直接来自ATP的分解,是来自膜两侧Na+差,而Na+差是Na+-K+泵分解ATP释放的能量建立的。,分类 同向转运 逆向转运,(三)入胞和出胞式转运 出胞 指细胞把成块的内容物由细胞内排出的过程。 主要见细胞分泌过程:激素、神经递质、消化液的分泌。,指细胞外大分子物质或团块进入细胞的过程。 分 为 吞噬=转运固体物质; 吞饮=转运液体物质
6、。,入胞,分泌物排出,融合处出现裂口,囊泡向质膜内侧移动,分泌囊泡,高尔基复合体,蛋白性分泌物,出胞,囊泡膜与质膜融合,受体对物质的“辨认”,发生特异性结合=复合物,表面的“有被小窝”移动,“有被小窝”处的膜凹陷,吞食泡,吞食泡与胞内体相融合,入胞,第二节,信号的跨膜转导,第二节 细胞的跨膜信号转导功能 细胞间传递信息的物质多达几百种:如递质、激素、细胞因子等。 主要涉及到:胞外信号的识别与结合、信号转导、胞内效应等三个环节。 跨膜信号转导方式大体有以下五类:, 离子通道介导的信号转导, 酶偶联受体介导的信号转导, G蛋白偶联受体介导的信号转导,招募型受体介导的信号转导,核受体介导的信号转导,
7、一、离子通道介导的信号转导 离子通道大体有:化学、电压、机械性门控通道,化学性胞外信号(ACh),ACh + 受体=复合体,终板膜变构=离子通道开放,Na+内流,终板膜电位,骨骼肌收缩,二、G蛋白偶联受体介导的信号转导 (一) cAMP信号通路,神经递质、激素等,兴奋性G蛋白(GS),激活腺苷酸环化酶(AC),ATP,cAMP,细胞内生物效应,激活蛋白激酶A,结合G蛋白偶联受体,激活G蛋白,(二) 磷脂酰肌醇信号通路,激素(第一信使),兴奋性G蛋白(GS),激活磷脂酶C(PLC),PIP2,(第二信使) IP3 和 DG,激 活 蛋白激酶C,内质网 释放Ca2+,激活G蛋白,生物效应,结合G蛋
8、白偶联受体,三、酶偶联受体介导的信号转导 受体酪氨酸激酶,生长因子,与受体酪氨酸 激酶结合,细胞内生物效应,特点 信号转导与G蛋白无关;无第二信使的产生;无细胞质中蛋白激酶的激活。,受体酪氨酸激酶介导的信号转导图示,第三节,细胞的生物电现象,神经元的静息跨膜电位与动作电位 神经元的基本特性可兴奋性 刺激 神经元 神经冲动 蛙坐骨神经腓肠肌实验 静息时:无电位差神经表面各处电位相等 适当强度的电刺激:负电位沿坐骨神经传导 负电位动作电位神经冲动 神经冲动的传导动作电位的传播,细胞的生物电现象,神经元的静息跨膜电位与动作电位 静息膜电位(resting membrane potential) 静息
9、状态:膜内电位 膜外电位 膜外正电荷聚集;膜内负电荷聚集 内负外正 极化(polarization)状态 动作电位(action potential) 细胞膜受到刺激时,在静息电位的基础上发生一次可扩布的电位变化,细胞的生物电现象,(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀 Na+iNa+o110, K+iK+o301 Cl-iCl-o114, A-iA-o 41,静息电位的产生条件,主要离子分布:,膜内:,膜外:,静息电位的产生,(2)静息状态下膜对离子有选择性通透性 通透性:K+ Cl- Na+ A-,静息电位的产生 静息膜电位(极化状态)产生的根本原因 静息膜对各种离子均有一定的通透性,其
10、中对钾离子的通透性最大,K+依其在膜两侧的浓度差由胞内向胞外进行跨膜扩散,而膜内带负电荷的多为分子量较大的有机负离子,不能随K+扩散出细胞,因而在K+跨膜扩散达到平衡时,就在细胞膜两侧建立起接近于K+平衡电位(胞内为负)的静息电位,细胞的生物电现象,Nernst公式:R:气体常数(8.31),T:绝对温度(273),Z:原子价(1), F:法拉第常数(96500), Ko和Ki:K+在膜外侧和膜内侧的浓度,EK的单位为V。,静息电位的产生 静息电位是K+平衡电位 静息状态下,膜对K+的通透性较高,这是由于膜上存在经常处于开放状态的非门控钾通道所致(如神经纤维膜上的钾漏通道、心肌细胞膜上的内向整
11、流钾通道),这就使得静息电位非常接近于K+平衡电位。因此,一般认为静息电位是由于膜在静息状态下对K+的选择性通透造成的。,细胞的生物电现象,静息电位是K+平衡电位的实验证据(枪乌贼大轴突): A:增加细胞外K+浓度,静息电位减小(去极化)。 B:静息电位与细胞外K+浓度之间的关系(半对数曲线)。黑色直线是根据Nernst公式计算的理论值,红色曲线为实测值。,静息电位的产生 影响静息电位的其他因素 钠钾泵:钠钾泵逆浓度差主动转运Na+和K+,该活动建立和维持了Na+和K+在细胞内外的浓度差;钠泵的活动还可直接影响静息电位(生电作用),这是因为它对Na+和K+的转运是不平衡的(1ATP:3Na+:
12、2K+),使得每一转运过程移到膜外的Na+比进入膜内的K+多出一个,结果给膜内增加了一个负电荷,使膜内电位的负值增大(加大静息电位) Na+:虽然膜在静息状态下对Na+亦有一定的通透性,但通透性较小,仅为K+的1/101/100。因此,Na+由胞外向胞内的跨膜扩散仅部分地中和了膜内侧的负电荷,这就是静息电位与根据Nernst公式计算的K+平衡电位有所偏离的原因之一 Cl-:一般细胞对Cl-没有主动转运,所以其在膜两侧的分布是被动的,主要由静息电位决定它在膜两侧的浓度,而不是其参与构成静息电位,细胞的生物电现象,动作电位的产生 动作电位的变化曲线形态 升支、降支和锋电位:细胞接受刺激后,膜电位由
13、静息电位水平迅速去极化,形成升支,随后迅速复极化至静息电位水平,为降支;两者共同形成的尖峰状电位变化,称锋电位(spike potential)。锋电位持续约1 ms,是动作电位的主要特征和细胞发生兴奋的标志 后电位:指锋电位后出现的低幅、缓慢的电位波动,包括一个膜电位仍小于静息电位的负后电位(negative after-potential)或后去极化(after-depolarization),以及随后的电位大于静息电位的正后电位(positive after-potential)或后超极化(after- hyperpolarization),细胞的生物电现象,负后电位,正后电位,1.动作
14、电位产生的基本条件 (1)膜内外存在Na+差:Na+i Na+O 110; (2)膜受到阈刺激时,对离子通透性增加:即电压门控性Na+、K+通道激活而开放,动作电位的产生,刺激,膜上少量Na+通道开放,Na+顺浓度差少量内流局部电位,阈电位Na通道大量开放,再生式内流,Na+i、K+O 激活Na+K+泵,2.动作电位的产生机制,AP上升支,Na+内流停+同时K+通道激活,K迅速外流,(AP下降支),离子恢复到兴奋前水平,动作电位的产生 动作电位产生的机制 细胞膜上具有 电压依赖性的Na+、K+通道 去极化刺激 Na+通道开放 Na+涌入 Na+内向电流超过K+外向电流 膜去极化 更多Na+通道
15、开放(正反馈) Na+大量涌入 外负内正(超射、反极化) Na+通道快速失活(关闭)、K+通道开放 膜内的正电位对K+有很强的外向驱动力 K+迅速涌出 恢复外正内负(复极化) K+持续涌出 更加外正内负(回射、超极化),细胞的生物电现象,动作电位的产生 动作电位的峰值应该等于Na+平衡电位,细胞的生物电现象,A-C:细胞外液中Na+浓度正常时枪乌贼大轴突的动作电位;降低细胞外液中的Na+浓度,动作电位幅值减小;恢复细胞外液中的Na+浓度,动作电位恢复正常。 D:动作电位幅值与细胞外液中Na+浓度之间的关系。黑色直线根据Nernst公式算出,红色曲线为实测值。 E:细胞外液Na+浓度变化不影响静
16、息电位。,动作电位的产生 动作电位的“全或无”特性:动作电位要么不发生;一旦发生,其幅度就会达到最大值,细胞的生物电现象,向细胞内注入的正向电流未达阈值,细胞不产生动作电位。,电流达到阈值,细胞产生动作电位。,加大电流,动作电位频率增高,但幅度和波形不改变。,阈值(阈刺激),阈下刺激,阈上刺激,动作电位的产生 动作电位的传导 动作电位产生后,并不局限于受刺激局部,而是沿质膜迅速向周围传播,直至整个细胞都依次产生动作电位。而且,动作电位在同一个细胞上的传导是不衰减的,即它的幅度和波形始终保持不变(为什么?),细胞的生物电现象,膜的被动电学特性并联的阻容耦合等效电路,动作电位的产生 动作电位的传导
17、 局部电流学说:在发生动作电位的部位,膜外侧的电位较前方静息部位的为负,而膜内侧相对较正,因而在两者之间产生局部电流。局部电流将依据膜的被动电学性质,在动作电位前方的静息部位引起局部电位,并因局部电位达到阈电位而引起静息部位的动作电位,从而实现沿细胞膜的传导。,细胞的生物电现象,动作电位的产生 动作电位的传导 跳跃传导学说:在有髓鞘神经纤维,由于脂质髓鞘的高电阻特性,阻止了局部电流沿细胞膜的顺序性流动,因而局部电流只能在低电阻的郎飞氏结上发生,使得动作电位在郎飞氏结上跳跃式传导,细胞的生物电现象,跳跃传导的优越性:由于跳跃传导不是局部电流沿细胞膜的顺序性流动,因而可极大地加快动作电位的传导速度
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