第二章 細胞的基本功能
細胞是人體和其他生物體的基本結(jié)構(gòu)單位。體內(nèi)所有的生理功能和生化反應，都是在細胞及其產(chǎn)物（如細胞間隙中的膠原蛋白和蛋白聚糖)的物質(zhì)基礎上進行的。一百多年前，光學顯微鏡的發(fā)明促成了細胞的發(fā)現(xiàn)。此后對細胞結(jié)構(gòu)和功能的研究，經(jīng)歷了細胞水平、亞細胞水平和分子水平等具有時代特征的研究層次，從細胞這個小小的單位里揭示出眾多生命現(xiàn)象的機制，積累了極其豐富的科學資料。可以認為，離開了對細胞及構(gòu)成細胞的各種細胞器的分子組成和功能的認識，要闡明物種進化、生物遺傳、個體的新陳代謝和各種生命活動以及生長、發(fā)育、衰老等生物學現(xiàn)象。要闡明整個人體和各系統(tǒng)、器官的功能活動的機制，將是不可能的。事實上，細胞生理學和分子生物學的實驗技術和理論，已經(jīng)迅速地向基礎醫(yī)學和臨床醫(yī)學各部門滲透。因此，學習生理學應由細胞生理開始。
細胞生理學的主要內(nèi)容包括：細胞膜和組成其他細胞器的膜性結(jié)構(gòu)的基本化學組成和分子結(jié)構(gòu)；不同物質(zhì)分子或離子的跨膜轉(zhuǎn)運功能；作為細胞接受外界影響或細胞間相互影響基礎的跨膜信號轉(zhuǎn)換功能；以不同帶電離子跨膜運動為基礎的細胞生物電和有關現(xiàn)象；以及肌細胞如何在細胞膜電變化的觸發(fā)下出現(xiàn)機械性收縮活動。
第一節(jié) 細胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能
一切動物細胞都被一層薄膜所包被，稱為細胞膜或質(zhì)膜（plasma membrane)，它把細胞內(nèi)容物細胞周圍環(huán)境（主要是細胞外液)分隔開來，使細胞能相對地獨立于環(huán)境而存在。很明顯，細胞要維持正常的生命活動，不僅細胞的內(nèi)容物不能流失，而且其化學組成必須保持相對穩(wěn)定，這就需要在細胞和它所和的環(huán)境之間有起屏障作用的結(jié)構(gòu)；但細胞在不斷進行新陳代謝的過程中，又需要經(jīng)常由外界得到氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)。排出細胞的代謝產(chǎn)物，而這些物質(zhì)的進入和排出，都必須經(jīng)過細胞膜，這就涉及到物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運過程。因此，細胞膜必然是一個具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的半透性膜，它允許某些物質(zhì)或離子有選擇的通過，但又能嚴格地限制其他一些物質(zhì)的進出，保持了細胞內(nèi)物質(zhì)成分的穩(wěn)定。細胞內(nèi)部也存在著類似細胞膜的膜性結(jié)構(gòu)。組成各種細胞器如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等的膜性部分，使它們與一般胞漿之間既存在某種屏障，也進行著某些物質(zhì)轉(zhuǎn)運。
膜除了有物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能外，還有跨膜信息傳遞和能量轉(zhuǎn)換功能，這些功能的機制是由膜的分子組成和結(jié)構(gòu)決定的。膜成分中的脂質(zhì)分子層主要起了屏障作用，而膜中的特殊蛋白質(zhì)則與物質(zhì)、能量和信息的跨膜轉(zhuǎn)運和轉(zhuǎn)換有關。
一、膜的化學組成和分子結(jié)構(gòu)
從低等生物草履蟲以至高等哺乳動物的各種細胞，都具有類似的細胞膜結(jié)構(gòu)。在電鏡下可分為三層，即在膜的靠內(nèi)外兩側(cè)各有一條厚約2.5nm的電子致密帶,中間夾有一條厚2.5nm的透明帶,總厚度約7.0~7.5nm左右這種結(jié)構(gòu)不僅見于各種細胞的細胞膜，亦見于各種細胞器的膜性結(jié)構(gòu)，如線粒體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、溶酶體膜等，因而它被認為是一種細胞中普遍存在的基本結(jié)構(gòu)形式。
各種膜性結(jié)構(gòu)主要由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類等物質(zhì)組成；盡管不同來源的膜中各種物質(zhì)的比例和組成有所不同，但一般是以蛋白質(zhì)和脂質(zhì)為主，糖類只占極少量。如以重量計算，膜中蛋白質(zhì)約為脂質(zhì)的1~4倍不等，但蛋白質(zhì)的分子量比脂質(zhì)大得多，故膜中脂質(zhì)的分子數(shù)反較蛋白質(zhì)分子數(shù)多得多，至少也超過蛋白質(zhì)分子數(shù)100倍以上。
各種物質(zhì)分子在膜中的排列形式和存在，是決定膜的基本生物學特性的關鍵因素。分子生物學的研究成果表明，各種物質(zhì)特別是生物大分子在各種生物結(jié)構(gòu)中的特殊有序排列，是各種生命現(xiàn)象得以實現(xiàn)的基礎。盡管目前還沒有一種能夠直接觀察膜的分子結(jié)構(gòu)的較方便的技術和方法，但根據(jù)對生物膜以及一些人工模擬膜特性的分析研究，從30年代以來就提出了各種有關膜的分子結(jié)構(gòu)的假說，其中得到較多實驗事實支持而目前仍為大多數(shù)人所接受的則70年代初期（Singer和Nicholson,1972)提出的液態(tài)鑲嵌模型（fluid mosaic model)。這一假想模型的基本內(nèi)容是：膜的共同結(jié)構(gòu)特點是以液態(tài)的脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同分子結(jié)構(gòu)、因而也具有不同生理功能的蛋白質(zhì)，后者主要以а-螺旋或球形蛋白質(zhì)的形式存在（圖2-1)
圖2-1 膜的液態(tài)鑲嵌式模型
膜外側(cè)蛋白質(zhì)和脂質(zhì)分子上可能存在的糖鏈未畫出
�。ㄒ�)脂質(zhì)雙分子層
膜的脂質(zhì)中以磷脂類為主，約占脂質(zhì)總量的70%以上；其次是膽固醇，一般低于30%；還有少量屬鞘脂類的脂質(zhì)。磷脂的基本結(jié)構(gòu)是：一分子甘油的兩個羥基同兩分子脂酸相結(jié)合，另一個羥基則與一分子磷酸結(jié)合，后者再同一個堿基結(jié)合。根據(jù)這個堿基的不同，動物細胞膜中的磷脂主要有四種（圖2-2)：磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇。鞘脂類的基本結(jié)構(gòu)和磷脂類似，但不含甘油。膽固醇結(jié)構(gòu)很特殊，它含有一個甾體結(jié)構(gòu)（環(huán)戊烷多氫菲)和一個8碳支鏈。
最初提示膜中脂質(zhì)呈雙分子層形式存在的，是對紅細胞膜所作的化學測定和計算。Gortert和Grendel(1925)提取出紅細胞膜中所含的脂質(zhì)，并測定將這些脂質(zhì)以單分子層在水溶液表面平鋪時所占的面積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個紅細胞膜中脂質(zhì)所占的面積，差不多是該細胞表面積的2倍。因此導致以下結(jié)論：脂質(zhì)可能是以雙分子層的形式包被在細胞表面的。以后提出的雙分子層模型中，每個磷脂分子中由磷酸和堿基構(gòu)成的基團，都朝向膜的外表面或內(nèi)表面，而磷脂分子中兩條較長的脂酸烴鏈則在膜的內(nèi)部兩兩相對（圖2-1)。脂質(zhì)分子的這種定向而整齊的排列，是由脂質(zhì)分子本身的理化特性和熱力學定律所決定。所有的膜脂質(zhì)都是一些雙嗜性分子，磷脂的一端的磷酸和堿基是親水性極性基團，另一端的長烴鏈則屬疏水性非極性基團。當脂質(zhì)分子位于水表面時，由于水分子是極性分子，脂質(zhì)的親水性基團將和表面水分子相吸引，疏水性基團則受到排斥，于是脂質(zhì)會在水表面形成一層親水性基團朝向水面而疏水性基團朝向空氣的整齊排列的單分子層。從熱力學業(yè)角度分析，這樣組成的系統(tǒng)包含的自由能最低，因而最為穩(wěn)定，可以自動形成和維持。根據(jù)同樣的原理，如果讓脂質(zhì)分子在水溶液中受到激烈擾動時，脂質(zhì)有可能形成含水的小囊，但這囊只能是由脂質(zhì)雙分子層形成，外層脂質(zhì)的極性基團和囊外水分子相吸引，內(nèi)層脂質(zhì)的極性基團則和囊內(nèi)水分子相吸引，而兩層脂質(zhì)的疏水性烴鏈將兩兩相對，排斥水分子在囊膜中的存在，其結(jié)構(gòu)正和天然生物膜一致。這種人工形成的人工膜囊，稱為脂質(zhì)小體（liposome)，似人造細胞空殼，有很大的理論研究和實用價值。由此可見，脂質(zhì)分子在細胞膜中以雙分子層的形式存在，是由脂質(zhì)分子本身的理化特性所決定的。設想進化過程中最初有生物學功能的膜在原始的海洋中出現(xiàn)時（也可能包括新的膜性結(jié)構(gòu)在細胞內(nèi)部的水溶液中的生成)，這些基本的理化原理也在起作用。
圖2-2 磷脂的分子組成
脂質(zhì)的熔點較低，這決定了膜中脂質(zhì)分子在一般體溫條件下是呈液態(tài)的，即膜具有某種程度的流動性。脂質(zhì)雙分子層在熱力學上的穩(wěn)定性和它的流動性，能夠說明何以細胞可以承受相當大的張力和外形改變而不致破裂，而且即使膜結(jié)構(gòu)有時發(fā)生一些較小的斷裂，也可以自動融合而修復，仍保持連續(xù)的雙分子層的形式。觀察一下體內(nèi)某些吞噬細胞通過毛細血管壁內(nèi)皮細胞間隙時的變形運動和紅細胞通過纖細的毛細血管管腔時被扭曲而不破裂的情況，當會對細胞膜的可變性和穩(wěn)定性有深刻的印象。當然，膜的這些特性還同膜中蛋白質(zhì)和膜內(nèi)側(cè)某些特殊結(jié)構(gòu)（稱為細胞架)的作用有關。應該指出的是，膜的流動性一般只允許脂質(zhì)分子在同一分子層內(nèi)作橫向運動；由于分子的雙嗜性，要脂質(zhì)分子在同一分子層內(nèi)作“掉頭”運動；或由一側(cè)脂質(zhì)層移到另一側(cè)脂質(zhì)層，這意味著有極性的磷酸和堿基的一端要穿越膜內(nèi)部的疏水性部分，這是不容易或要耗能的。
不同細胞或同一細胞而所在部位不同的膜結(jié)構(gòu)中，脂質(zhì)的成分和含量各有不同；雙分子層的內(nèi)外兩層所含的脂質(zhì)也不盡相同，例如，靠外側(cè)的一層主要含磷脂酰膽堿和含膽堿的鞘脂，而靠胞漿側(cè)的一層則有較多的磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸。膽固醇含量在兩層脂質(zhì)中無大差別；但它們含量的多少和膜的流動性大小有一定關系，一般是膽固醇含量愈多，流動性愈小。近年來發(fā)現(xiàn)，膜結(jié)構(gòu)中含量相當少的磷脂酰肌醇，幾乎全部分布在膜的靠胞漿側(cè)；這種脂質(zhì)與細胞接受外界影響，并把信息傳遞到細胞內(nèi)的過程有關。
(二)細胞膜蛋白質(zhì)
膜結(jié)構(gòu)中含有蛋白質(zhì)早已證實，但有興趣的問題是膜中蛋白質(zhì)究以何種形式存在。70年代以前，多數(shù)人主張蛋白質(zhì)是平鋪在脂質(zhì)雙分子層的內(nèi)外兩側(cè)，后來證明，蛋白質(zhì)分子是以а-螺旋或球形結(jié)構(gòu)分散鑲嵌在膜的脂質(zhì)雙分子層中。
膜蛋白質(zhì)主要以兩種形式同膜脂質(zhì)相結(jié)合：有些蛋白質(zhì)以其肽鏈中帶電的氨基酸或基團，與兩側(cè)的脂質(zhì)極性基團相互吸引，使蛋白質(zhì)分子像是附著在膜的表面。這稱為表面蛋白質(zhì)；有些蛋白質(zhì)分子的肽鏈則可以一次或反復多次貫穿整個脂質(zhì)雙分子層，兩端露出在膜的兩側(cè)，這稱為結(jié)合蛋白質(zhì)。在用分子生物學技術確定了一個蛋白質(zhì)分子或其中亞單位的一級結(jié)構(gòu)、即肽鏈中不同氨基酸的排列順序后，發(fā)現(xiàn)所有結(jié)合蛋白質(zhì)的肽鏈中都有一個或數(shù)個主要由20-30個疏水性氨基酸組成的片段。這些氨基酸又由于所含基團之間的吸引而形成а-螺旋，即這段肽鏈沿一條軸線盤旋，形成每一圈約含3.6個氨基酸殘基的螺旋，螺旋的長度大致相當于膜的厚度，因而推測這些疏水的а螺旋可能就是肽鏈貫穿膜的部分，它的疏水性正好同膜內(nèi)疏水性烴基相吸引。這樣，肽鏈中有幾個疏水性а-螺旋，就可能幾次貫穿膜結(jié)構(gòu)；相鄰的а-螺旋則以位于膜外側(cè)和內(nèi)側(cè)的不同長度的直肽鏈連接（參看圖2-7和8)。
膜結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)，具有不同的分子結(jié)構(gòu)和功能。生物膜所具有的各種功能，在很大程度上決定于膜所含的蛋白質(zhì)；細胞和周圍環(huán)境之間的物質(zhì)、能量和信息交換，大都與細胞膜上的蛋白質(zhì)分子有關。
由于脂質(zhì)分子層是液態(tài)的，鑲嵌在脂質(zhì)層中的蛋白質(zhì)是可移動的，即蛋白質(zhì)分子可以在膜脂分子間橫向漂浮移位；不同細胞膜中的不同蛋白質(zhì)分子的移動和所在位置，存在著精細的調(diào)控機制。例如，骨骼肌細胞膜中與神經(jīng)肌肉間信息傳遞有關的通道蛋白質(zhì)分子，通常都集中在肌細胞膜與神經(jīng)未梢分布相對應的那些部分；而在腎小管和消化管上皮細胞，與管腔相對的膜和其余部分的膜中所含的蛋白質(zhì)種類大不相同，說明各種功能蛋白質(zhì)分子并不都能在所在的細胞膜中自由移動和隨機分布，而實際存在著的有區(qū)域特性的分布，顯然同蛋白質(zhì)完成其特殊功能有關。膜內(nèi)側(cè)的細胞骨架可能對某種蛋白質(zhì)分子局限在膜的某一特殊部分起著重要作用。
�。ㄈ�)細胞膜糖類
細胞膜所含糖類甚少，主要是一些寡糖和多糖鏈，它們都以共價鍵的形式和膜脂質(zhì)或蛋白質(zhì)結(jié)合，形成糖脂和糖蛋白；這些糖鏈絕大多數(shù)是裸露在膜的外面一側(cè)的。這些糖鏈的意義之一在于以其單糖排列順序上的特異性，可以作為它們所結(jié)合的蛋白質(zhì)的特異性的“標志”。例如，有些糖鏈可以作為抗原決定簇，表示某種免疫信息；有些是作為膜受體的“可識別性”部分，能特異地與某種遞質(zhì)、激素或其他化學信號分子相結(jié)合。如人的紅細胞ABO血型系統(tǒng)中，紅細胞的不同抗原特性就是由結(jié)合在膜脂質(zhì)的鞘氨醇分子上的寡糖鏈所決定的，A型抗原和B型抗原的差別僅在于此糖鏈中一個糖基的不同。由此可見，生物體內(nèi)不僅是多聚糖核苷酸中的堿基排列和肽鏈中氨基酸的排列可以起“分子語言”的作用，而且有些糖類物質(zhì)中所含糖基序列的不同也可起類似的作用。
二、細胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能
既然膜主要是由脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的，那么理論上只有脂溶性的物質(zhì)才有可能通過它。但事實上，一個進行著新陳代謝的細胞，不斷有各種各樣的物質(zhì)（從離子和小分子物質(zhì)到蛋白質(zhì)等大分子，以及團塊性固形物或液滴)進出細胞，包括各種供能物質(zhì)、合成細胞新物質(zhì)的原料、中間代謝產(chǎn)物和終產(chǎn)物、維生素、氧和二氧化碳，以及Na+、K+、Ca2+離子等。它們理化性質(zhì)各異，且多數(shù)不溶于脂質(zhì)或其水溶性大于其脂溶性。這些物質(zhì)中除極少數(shù)能夠直接通過脂質(zhì)層進出細胞外，大多數(shù)物質(zhì)分子或離子的跨膜轉(zhuǎn)運，都與鑲嵌在膜上的各種特殊的蛋白質(zhì)分子有關；至于一些團塊性固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的進出細胞（如細胞對異物的吞噬或分泌物的排出)，則與膜的更復雜的生物學過程有關。
現(xiàn)將幾種常見的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式分述如下：
�。ㄒ�)單純擴散
溶液中的一切分子都處于不斷的熱運動中。這種分子運動的平均動能，與溶液的絕對溫度成正比。在溫度恒定的情況下，分子因運動而離開某一小區(qū)的量，與此物質(zhì)在該區(qū)域中的濃度（以mol/L計算)成正比。因此，如設想兩種不同濃度的同種物質(zhì)的溶液相鄰地放在一起，則高濃度區(qū)域中的溶質(zhì)分子將有向低濃度區(qū)域的凈移動，這種現(xiàn)象稱為擴散。物質(zhì)分子移動量的大小，可用通量表示，它指某種物質(zhì)在每秒內(nèi)通過每平方厘米的假想平面的摩爾或毫爾數(shù)。在一般條件下，擴散通量與所觀察平面兩側(cè)的濃度差成正比；如果所涉及的溶液是含有多種溶質(zhì)的混合溶液，那么每一種物質(zhì)的移動方向和通量，都只決定于各該物質(zhì)的濃度差，而與別的物質(zhì)的濃度或移動方向無關。但要注意的是，在電解質(zhì)溶液的情況下，離子的移動不僅取決于該離子的濃度也取決于離子所受的電場力。
在生物體系中，細胞外液和細胞內(nèi)液都是水溶液，溶于其中的各種溶質(zhì)分子，只要是脂溶性的，就可能按擴散原理作跨膜運動或轉(zhuǎn)運，稱為單純擴散。這是一種單純的物理過程，區(qū)別于體內(nèi)其他復雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運機制。但單純擴散不同于上述物理系統(tǒng)的情況是：在細胞外液和細胞內(nèi)液之間存在一個主要由脂質(zhì)分子構(gòu)成的屏障，因此某一物質(zhì)跨膜通量的大小，除了取決于它們在膜兩側(cè)的濃度外，還要看這些物質(zhì)脂溶性的大小以及其他因素造成的該物質(zhì)通過膜的難易程度，這統(tǒng)稱為膜對該物質(zhì)的通透性。
人體體液中存在的脂溶性物質(zhì)的數(shù)量并不很多，因而靠單純擴散方式進出細胞膜的物質(zhì)也不很多。比較肯定的是氧和二氧化碳等氣體分子，它們能溶于水，也溶于脂質(zhì)，因而可以靠各自的濃度差通過細胞膜甚或肺泡中的呼吸膜（參見第五章)。體內(nèi)一些甾體（類固醇)類激素也是脂溶性的，理論上它們也能夠靠單純擴散由細胞外液進入胞漿，但由于分子量較大，近來認為也需要膜上某種特殊蛋白質(zhì)的“協(xié)作”，才能使它們的轉(zhuǎn)運過程加快。
�。ǘ�)易化擴散
有很多物質(zhì)雖然不溶于脂質(zhì)，或溶解度甚上，但它們也能由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)較容易地移動。這種有悖于單純擴散基本原則的物質(zhì)轉(zhuǎn)運，是在膜結(jié)構(gòu)中一些特殊蛋白質(zhì)分子的“協(xié)助”下完成的，因而被稱為易化擴散（facilitated diffusion)。例如，糖不溶于脂質(zhì)，但細胞外液中的葡萄糖可以不斷地進入一般細胞，適應代謝的需要；Na+、K+、Ca+等離子，雖然由于帶有電荷而不能通過脂質(zhì)雙分子層的內(nèi)部疏水區(qū)，但在某些情況下可以順著它們各自的濃度差快速地進入或移出細胞。這些都是易化擴散的例子。易化擴散的特點是：物質(zhì)分子或離子移動的動力仍同單純擴散時一樣，來自物質(zhì)自身的熱運動，所以易化擴散時物質(zhì)的凈移動只能是由它們的高濃度區(qū)移向低濃度區(qū)，但特點是它們不是通過膜的脂質(zhì)分子間的間隙通過膜屏障，而是依靠膜上一些具有特殊結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子的功能活動，完成它們的跨膜轉(zhuǎn)運。由于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)上的易變性（包括其構(gòu)型和構(gòu)象的改變)和隨之出現(xiàn)的蛋白質(zhì)功能的改變，因而使易化擴散得以進行，并使它處于細胞各種環(huán)境因素改變的調(diào)控之下。
由載體介導的易化擴散這種易化擴散的特點是膜結(jié)構(gòu)中具有可稱為載體（carrier)的蛋白質(zhì)分子，它們有一個或數(shù)個能與某種被轉(zhuǎn)物相結(jié)合的位點或結(jié)構(gòu)域（指蛋白質(zhì)肽鏈中的某一段功能性氨基酸殘基序列)，后者先同膜一側(cè)的某種物質(zhì)分子選擇性地結(jié)合，并因此而引起載體蛋白質(zhì)的變構(gòu)作用，使被結(jié)合的底物移向膜的另一側(cè)，如果該側(cè)底物的濃度較低，底物就和載體分離，完成了轉(zhuǎn)運，而載體也恢復了原有的構(gòu)型，進行新一輪的轉(zhuǎn)運，其終止點是最后使膜兩側(cè)底物濃度變得相等。上面提到的葡萄糖進入一般細胞，以及其他營養(yǎng)性物質(zhì)如氨基酸和中間代謝產(chǎn)物的進出細胞，就屬于這種類型的易化擴散。以葡萄糖為例，由于血糖和細胞外液中的糖濃度經(jīng)常保持在相對恒定的水平，而細胞內(nèi)部的代謝活動不斷消耗葡萄糖而使其胞漿濃度低于細胞外液，于是依靠膜上葡萄糖載體蛋白的活動，使葡萄糖不斷進入細胞，且其進入通量可同細胞消耗葡萄糖的速度相一致不同物質(zhì)通過易化擴散進出細胞膜，都需要膜具有特殊的載體蛋白。
以載體為中介的易化擴散都具有如下的共同特性：（1)載體蛋白質(zhì)有較高的結(jié)構(gòu)特異性，以葡萄糖為例，在同樣濃度差的情況下，右旋葡萄糖的跨膜通量大大超過左旋葡萄糖（人體內(nèi)可利用的糖類都是右旋的)；木糖則幾乎不能被載運。（2)飽和現(xiàn)象，即這種易化擴散的擴散通量一般與膜兩側(cè)被轉(zhuǎn)運物質(zhì)的濃度差成正比，但這只是當膜兩側(cè)濃度差較小時是如此；如果膜一側(cè)的濃度增加超過一定限度時，再增加底物濃度并不能使轉(zhuǎn)運通量增加。飽和現(xiàn)象的合理解釋是：膜結(jié)構(gòu)中與該物質(zhì)易化擴散有關的載體蛋白質(zhì)分子的數(shù)目或每一載體分子上能與該物質(zhì)結(jié)合的位點的數(shù)目是固定的，這就構(gòu)成了對該物質(zhì)的量并不能使載運量增加，于是出現(xiàn)了飽和。（3)競爭性抑制，即如果某一載體對結(jié)構(gòu)類似的A、B兩種物質(zhì)都有轉(zhuǎn)運能力，那么在環(huán)境中加入Ｂ物質(zhì)將會減弱它對Ａ物質(zhì)的轉(zhuǎn)運能力，這是因為有一定數(shù)量的載體或其結(jié)合位點競爭性地被Ｂ所占據(jù)的結(jié)果。目前已經(jīng)有多種載體從不同動物的各類細胞膜提純或克隆（clone)。與葡萄糖易化擴散有關的蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)由一條含近５００個氨基酸的肽鏈組成，而且此肽鏈有１２個疏水性跨膜а－螺旋（二級結(jié)構(gòu))，多次貫穿膜內(nèi)外，并互相吸引靠攏，形成球形蛋白質(zhì)分子（三級結(jié)構(gòu))，但其轉(zhuǎn)運葡萄糖時的具體變構(gòu)過程尚不完全清楚。
2．由通道介導的易化擴散 它們常與一些帶電的離子如Na+、K+ Ca+、 CI+等由膜的高濃度一側(cè)向膜的低濃度一側(cè)的快速移動有關。對于不同的離子的轉(zhuǎn)運，膜上都有結(jié)構(gòu)特異的通道蛋白質(zhì)參與，可分為別稱為Na+通道、K+通道、Ca+通道等；甚至對于同一種離子，在不同細胞或同一細胞可存在結(jié)構(gòu)和功能上不同的通道蛋白質(zhì)，如體內(nèi)至少已發(fā)現(xiàn)有三種以上的Ca+通道和７種以上的K+通道等，這種情況與細胞在功能活動和調(diào)控方面的復雜化和精密化相一致。通道蛋白質(zhì)有別于載體的重要特點之一，是它們的結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)可以因細胞內(nèi)外各種理化因素的影響而迅速改變：當它們處于開放狀態(tài)時，有關的離子可以快速地由膜的高濃度一側(cè)移向低濃度一側(cè)；其離子移動的速度是如此之大，因而在關于通道蛋白的分子結(jié)構(gòu)還知之甚少時，就推測是在這種蛋白質(zhì)的內(nèi)部出現(xiàn)了一條貫通膜內(nèi)外的水相孔道使離子能夠順著濃度差（可能還存在著電場力的作用)通過這一孔道，因而其速度遠非載體蛋白質(zhì)的運作速度所能比擬。這是稱為通道（channel)的原因。通道對離子的選擇性，決定于通道開放時它的水相孔道的幾何大小和孔道壁的帶電情況，因而對離子的選擇性沒有載體蛋白那樣嚴格。大多數(shù)通道的開放時間都十分短促，一般以數(shù)個或數(shù)十個ms計算，然后進入失活或關閉狀態(tài)。于是又推測在通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中可能存在著類似閘門（gate)一類的基團，由它決定通道的功能狀態(tài)。許多的離子通道蛋白質(zhì)已經(jīng)用分子生物學的技術被克隆，對其結(jié)構(gòu)的研究已證實了上述推測。
通道的開放造成了帶電離子的跨膜移動，這固然是一種物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式；但通道的開放是有條件的、短暫的，百離子本身并不像葡萄糖等是一些代謝物，從生理意義上看，載體和通道活動的功能不盡相同。當通道的開放引起帶電離子跨膜移動時（如Na+、Ca2+進入膜內(nèi)或K+移出膜外)，移動本身形成跨膜電流（即離子電流)；而移位的帶電離子在不導電的脂質(zhì)雙分子層（具有電容器的性質(zhì))兩側(cè)的集聚，將會造成膜兩側(cè)電們即跨膜電位的改變，而跨膜電位的改變以及進入膜內(nèi)的離子、特別是Ca2+，將會引起該通道所在細胞一系列的功能改變。由此可見，通道的開放并不是起轉(zhuǎn)運代謝的作用，而離子的進出細胞，只是把引起通道開放的那些外來信號，轉(zhuǎn)換成為通道所在細胞自身跨膜電位的變化或其他變化，因而是細胞環(huán)境因素影響細胞功能活動的一種方式。
（三)主動轉(zhuǎn)運
主動轉(zhuǎn)運指細胞通過本身的某種耗能過程，將某種物質(zhì)的分子或離子由膜的低濃度一側(cè)移向高濃度一側(cè)的過程。按照熱力學定律，溶液中的分子由低濃度區(qū)域向高濃度區(qū)域移動，就像舉起重物或推物體沿斜坡上移，或使電荷逆電場方向移動一樣，必須由外部供給能量。在膜的主動轉(zhuǎn)運中，這能量只能由膜或膜所屬的細胞來供給，這就是主動的含義。前述的單純擴散和易化擴散都屬于被動轉(zhuǎn)運，其特點是在這樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)運過程中，物質(zhì)分子只能作順濃度差、即由膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)的凈移動，而它所通過的膜并未對該過程提供能量。被動轉(zhuǎn)運時物質(zhì)移動所需的能量來自高濃度所含的勢能（圖示２－３左)，因而不需要另外供能（２－３右)。被動轉(zhuǎn)運最終可能達到的平衡點是膜兩側(cè)該物質(zhì)的濃度差為零的情況；如果被動轉(zhuǎn)運的是某種離子，則離子移動除受濃度差的影響外，還受當時電場力的影響，亦即當最終的平衡點達到時，膜兩側(cè)的電－化學勢*的差為應為零。主動轉(zhuǎn)運與此不同，由于膜以某種方式提供了能量，物質(zhì)分子或離子可以逆濃度或逆電－化學勢差而移動。體內(nèi)某種物質(zhì)分子或離子由膜的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)移動，結(jié)果是高濃度一側(cè)濃度進一步升高，而另一側(cè)該物質(zhì)愈來愈少，甚至可以全部被轉(zhuǎn)運到另一側(cè)。如小腸上皮細胞吸收某些已消化的營養(yǎng)物；腎小管上皮細胞對小管液中某些“有用”物質(zhì)進行重吸收，均屬此現(xiàn)象。由于此過程在熱力學上為耗能過程，不可能在無供能的情況下自動進行，因此如果在生物體內(nèi)出現(xiàn)這種情況，說明有主動的跨膜轉(zhuǎn)運在進行，必定伴隨了能源物質(zhì)（常常是ＡＴＰ)的消耗。
圖２－３ 物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運和被動轉(zhuǎn)運原理示意圖
物質(zhì)分子可由高濃度處自動向低濃度處擴散，而分子
由低濃度處移向高濃度處則需另行供能，正如滑雪者可
由高坡自動下滑，而上坡卻需要由人體費力一樣。
被動轉(zhuǎn)運和主動轉(zhuǎn)運的根本區(qū)別即在于此
在細胞膜的主動轉(zhuǎn)運中研究得最充分，而且對細胞的生存和活動可能是最重要的，是膜對于鈉和鉀離子的主動轉(zhuǎn)運過程。所有活細胞的細胞內(nèi)液和細胞外液中Na+和K+的濃度有很大的不同。以神經(jīng)和肌細胞為例，正常時膜內(nèi)K+濃度約為膜外的３０倍，膜外的Na+濃度約為膜內(nèi)的１２倍；這種明顯的離子濃度差的形成和維持，要依靠新陳代謝的進行，提示這是一種耗能的過程；例如，低溫、缺氧或應用一些代謝抑制劑可引起細胞內(nèi)外Na＋、K+的濃度差減小，而在細胞恢復正常代謝活動后，巨大的濃度差又可恢復。由此認為各種細胞的細胞膜上普遍存在著一種鈉－鉀泵（sodium-potassium pump)的結(jié)構(gòu)，簡稱鈉泵，其作用是在消耗代謝能的情況下逆烊濃度差將細胞內(nèi)的Na+移出膜外，同時把細胞外的K+移入膜內(nèi)，因而保持了膜內(nèi)高K+和膜外高Na+的不均衡離子分布。
鈉泵是鑲嵌在膜的脂質(zhì)雙分子層中的一種特殊蛋白質(zhì)，它除了有對Na+、K+的轉(zhuǎn)運功能外，還具有ＡＴＰ酶的活性，可以分解ＡＴＰ使之釋放能量，并能利用此能量進行Na+和K+的主動轉(zhuǎn)運；因此，鈉泵就是Na+-K+依賴式ＡＴＰ酶的蛋白質(zhì)。鈉泵蛋白質(zhì)已用近代分子生物學方法克隆出來，它們是由α－和β－亞單位組成的二聚體蛋白質(zhì)，肽鏈多次穿越脂質(zhì)雙分子層，是一種結(jié)合蛋白質(zhì)。α－亞單位的分子量約為１００kd，轉(zhuǎn)運Na+、K+和促使ＡＴＰ分解的功能主要由這一亞單位來完成；β－亞單位的分子量約為５０kd，作用還不很清楚。鈉泵蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運Na+、K+的具體機制尚不十分清楚，但它的啟動和活動強度與膜內(nèi)出現(xiàn)較多的Na+和膜外出現(xiàn)較多的K+有關。鈉泵活動時，它泵出Na+和泵入K+這兩個過程是同時進行或“耦聯(lián)”在一起的；根據(jù)在體內(nèi)或離體情況下的計算，在一般生理情況下，每分解一個ＡＴＰ分子，可以使３個Na+移到膜外同時有２個K+移入膜內(nèi)；但這種化學定比關系在不同情況下可以改變。
細胞膜上的鈉泵活動的意義是：（１)由鈉泵活動造成的細胞內(nèi)高K+，是許多代謝反應進行的必需條件；（２)如果細胞允許大量細胞外Na+進入膜內(nèi)，由于滲透壓的關系，必然會導致過多水分了進入膜內(nèi)，這將引起細胞的腫脹，進而破壞細胞的結(jié)構(gòu)；（３)它能夠建立起一種勢能貯備。如所周知，能量只能轉(zhuǎn)換而不能消滅，細胞由物質(zhì)代謝所獲得的能量，先以化學能的形式貯存在ＡＴＰ的高能磷酸鍵之中；當鈉泵蛋白質(zhì)分解ＡＴＰ時，此能量用于使離子作逆電－化學勢跨膜移動，于是能量又發(fā)生轉(zhuǎn)換，以膜兩側(cè)出現(xiàn)了具有高電－化學勢的離子（分別為K+和Na+)而以勢能的形式貯存起來；換句話說，泵出膜外的Na+由于其高濃度而有再進入膜內(nèi)的趨勢，膜內(nèi)高濃度的K+、則有再有再移了膜的趨勢，這就是一種勢能貯備。由鈉泵造成的離子勢能貯備，可用于細胞的其他耗能過程。如下節(jié)將詳細討論的Na+、K+等離子在膜兩側(cè)的不均衡分布，是神經(jīng)和肌肉等組織具有興奮性的基礎；由K+、Na+等離子在特定條件下通過各自的離子通道進行的順電－化學勢的被動轉(zhuǎn)運，使這些細胞表現(xiàn)出各種形式的生物電現(xiàn)象。
繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運鈉泵活動形成的勢能貯備，還可用來完成一些其他物質(zhì)的逆濃度差的跨膜轉(zhuǎn)運，這主要見于前面提到的腸上皮和腎小管上皮細胞對葡萄糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的較為安全吸收現(xiàn)象，這顯然有主動轉(zhuǎn)運過程的參與。但據(jù)觀察，這種理論上要耗能的過程并不直接伴隨ATP或其他供能物質(zhì)的消耗。這些物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運經(jīng)常要伴有Na+由上皮細胞的管腔側(cè)同時進入細胞；后者是葡萄糖等進入細胞的必要條件，沒有Na+由高濃度的膜外順濃度差進入膜內(nèi)，就不會出現(xiàn)葡萄糖等分子逆濃度差進入膜內(nèi)。在完整的在體腎小管和腸粘膜上皮細胞，由于在細胞的基底-外側(cè)膜（或基側(cè)膜，即靠近毛細血管和相鄰上皮細胞側(cè)的膜)上有鈉泵存在（圖2-4)，因而能造成細胞內(nèi)Na+濃度經(jīng)常低于小管液和腸腔液中Na+濃度的情況，于是Na+不斷由小管液和腸腔液順濃度差進入細胞，由此釋放的勢能則用于葡萄糖分子的逆濃度進入細胞。葡萄糖主動轉(zhuǎn)運所需的能量不是直接來自ATP的分解，而是來自膜外Na+的高勢能；但造成這種高勢能的鈉泵活動是需要分解ATP的，因而糖的主動轉(zhuǎn)運所需的能量還是間接地來自ATP，為此把這種類型的轉(zhuǎn)運稱為繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運，或稱為聯(lián)合轉(zhuǎn)運（cotransport)。每一種聯(lián)合轉(zhuǎn)運也都與膜中存在的特殊蛋白質(zhì)有關，稱為轉(zhuǎn)運體（transporter)；而且在不同的情況下，被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)分子有的與Na+移動的方向相同，有時兩者方向相反。甲狀腺細胞特有的聚碘作用，也屬于繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運。
圖2－4 葡萄糖和一些氨基酸的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運模式圖
上方彎曲的管腔側(cè)膜上的圓和方塊，分別表示同葡萄糖和某些氨
基酸的繼發(fā)性轉(zhuǎn)運有關的轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)
主動轉(zhuǎn)運是人體最重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式，除上述的鈉泵外，目前了解較多的還有鈣泵（Ca2+-Mg2+依賴式ATP酶)、H+-K+泵（H+-K+依賴式ATP酶)等。這些泵蛋白在分子結(jié)構(gòu)上和鈉泵有很大類似，都以直接分解ATP為能量來源，將有關離子進行逆濃度的轉(zhuǎn)運。鈣泵主要分布在骨骼醫(yī)學檢驗網(wǎng)肌和心肌細胞內(nèi)部的肌漿網(wǎng)上，激活時可將胞漿中的Ca+迅速集聚到肌漿網(wǎng)內(nèi)部，使胞漿中Ca+濃度在短時期內(nèi)下降達成100倍以上；這是誘發(fā)肌肉舒張的關鍵因素。H+-K+泵主要分布在胃粘膜壁細胞表面，與胃酸的分泌有關。
�。ㄋ�)出胞與入胞式物質(zhì)轉(zhuǎn)運
細胞對一些大分子物質(zhì)或固態(tài)、液態(tài)的物質(zhì)團塊，可通過出胞和入胞進行轉(zhuǎn)運。
出胞主要見于細胞的分泌活動，如內(nèi)分泌腺把激素分泌到細胞外液中，外分泌腺把酶株顆粒和粘液等分泌到腺管的管腔中，以及神經(jīng)細胞的軸突末梢把神經(jīng)遞質(zhì)分泌到突觸間隙中。根據(jù)在多種細胞進行觀察，細胞的各種蛋白性分泌物先是在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)生物合成；在它們由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基復合體的輸送過程中，逐漸被一層膜性結(jié)構(gòu)所包被，形成分泌囊泡；后者再逐漸移向特定部位的質(zhì)膜內(nèi)側(cè)，準備分泌或暫時貯存。有些細胞的分泌過程是持續(xù)進行的，有些則有明顯的間斷性。分泌過程或一般的出胞作用的最后階段是：囊泡逐漸向質(zhì)膜內(nèi)側(cè)移動，最后囊泡膜和質(zhì)膜在某點接觸和相互融合，并在融合處出現(xiàn)裂口，將囊泡一次性的排空，而囊泡的膜也就變成了細胞膜的組成部分（圖2-5)。這個過程主要是由膜外的特殊化學信號或膜兩側(cè)電位改變，引起了局部膜中的Ca2+通道的開放，由內(nèi)流的Ca2+(內(nèi)流的Ca2+也有的進而引發(fā)細胞內(nèi)Ca2+貯存庫釋放Ca2+)觸發(fā)囊泡的移動、融合和排放。最近在肥大細胞的研究表明，囊泡與質(zhì)膜的融合，可能與預先“裝配”在兩側(cè)膜上的類似形成細胞間通道的那種蛋白質(zhì)分子有關（見下節(jié))，當兩者“對接”時，囊泡內(nèi)容與細胞外液相溝通；以后由于組成通道的蛋白質(zhì)各亞單位分散開來，造成原孔洞的擴大，完成囊泡內(nèi)容的快速排出，囊泡膜也伸展開來，成為細胞膜的一部分。
圖2-5 分泌物的出胞過程 圖 2-6 受體介導式入胞過程示意圖
分泌囊泡逐漸向細胞膜內(nèi)側(cè)面靠近，兩者的膜
相互融合，融合處膜膜斷裂，分泌物排出，而后囊泡膜成為細胞膜的組成部分
入胞和出胞相反，指細胞外某些物質(zhì)團塊（如侵入體內(nèi)的細菌、病毒、異物或血漿中脂蛋白顆粒、大分子營養(yǎng)物質(zhì)等)進入細胞的過程。入胞進行時，首先是細胞環(huán)境中的某些物質(zhì)與細胞膜接觸，引起該處的質(zhì)膜發(fā)生內(nèi)陷，以至包被吞食物，再出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)的斷離，最后是異物連同包被它的那一部分膜整個地進入細胞漿中。
一種通過被轉(zhuǎn)運物質(zhì)與膜表面的特殊受體蛋白質(zhì)相互作用而引起的入胞現(xiàn)象，稱為受體介導式入胞。通過這種方式進入細胞的物質(zhì)已不下50余種，包括以膽固醇為主要成分的血漿低密度脂蛋白顆粒、結(jié)合了鐵離子的運鐵蛋白、結(jié)合了維生素B12的運輸?shù)鞍住⒍喾N生長調(diào)節(jié)因子和胰島素等一部分多肽類激素、抗體和某些細菌毒素，以及一些病毒（流感和小兒麻痹病毒)等（圖示2-6)。首先是細胞環(huán)境中的某物質(zhì)為細胞膜上的相應受體所“辨認”，發(fā)生特異性結(jié)合；結(jié)合后形成的復合物通過它們在膜結(jié)構(gòu)中的橫向移動，逐漸向膜表面一些稱為衣被凹陷（coated pit)的特殊部位集中。衣被陷處的膜與一般膜結(jié)構(gòu)無明顯差異，只是向細胞內(nèi)部呈輕度下凹，而且在膜的胞漿側(cè)有一層高電子密度的覆蓋物，后者經(jīng)分析是由多種蛋白質(zhì)組成的有序結(jié)構(gòu)；當受體復合物的聚集使衣被凹陷成為直徑約0.3μm的斑片時(可以在約1分鐘的時間內(nèi)完成),該處出現(xiàn)膜向胞漿側(cè)的進一步凹入,最后與細胞膜斷離,在胞漿內(nèi)形成一個分離的吞食泡,這稱為內(nèi)移(internalization)；原來附在衣被凹陷內(nèi)側(cè)的蛋白性結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在正好位于吞食泡膜的外側(cè)，仍面向胞漿；但在吞食泡形成后不久，這種蛋白結(jié)構(gòu)就消失，可能是溶解在胞漿中，大概還可以再用于在細胞膜上形成新的衣被凹陷。這類蛋白質(zhì)的功能，據(jù)認為是為吞食泡的形成提供所需的能量。失去了這種特殊的附膜蛋白結(jié)構(gòu)的吞食泡，進而再與胞漿中稱為胞內(nèi)體（endosome)的球狀或管狀膜性結(jié)構(gòu)相融合，此胞內(nèi)體的特點是內(nèi)部具有較低的PH值環(huán)境，有助于受體同與它結(jié)合的物質(zhì)分離；以后的過程是這些物質(zhì)（如進入細胞的低密度脂蛋白顆粒和鐵離子等)再被轉(zhuǎn)運到能利用它們的細胞器，而保留在胞內(nèi)體膜上的受體，則與一部分膜結(jié)構(gòu)形成較小的循環(huán)小泡，移回到細胞膜并與之融合，再成為細胞的組成部分，使受體和膜結(jié)構(gòu)可以重復使用（圖2-6)。據(jù)測算，在人工培養(yǎng)液中的吞噬細胞1小時內(nèi)通過形成吞食泡而進入胞漿的細胞膜面積，大約相當于原細胞膜總面積的50%-200%，而實際細胞膜的總面積并未明顯改變，可見通過上述以胞內(nèi)體為轉(zhuǎn)站的膜的再循環(huán)，不僅維持了細胞膜的總面積的相對恒定，而且使相應的受體可以反復使用。
第二節(jié) 細胞的跨膜信號傳遞功能
不論是單細胞生物或組成多細胞有機體的每一個細胞，在它們的生命過程中，都會不斷受到來自外部環(huán)境的各種理化因素的影響。在多細胞動物，由于絕大多數(shù)細胞是生活在直接浸浴它們的細胞外液、即內(nèi)環(huán)境之中，因此出現(xiàn)在內(nèi)環(huán)境中的各種化學分子，是它們最常能感受到的外來刺激：這不僅是指存在于細胞外液中的激素或其他體液性調(diào)節(jié)因子；而且就是在神經(jīng)調(diào)節(jié)過程中，當神經(jīng)信息由一個神經(jīng)元向其他神經(jīng)元傳遞或由神經(jīng)元傳給它的效應器細胞時，在絕大多數(shù)情況下，也都要通過一種或多種神經(jīng)遞質(zhì)和調(diào)質(zhì)為中介，通過這些化學分子在距離極小的突觸間隙液中的擴散，才能作用到下一級神經(jīng)元或效應器細胞。盡管激素和遞質(zhì)（或調(diào)質(zhì))等分子作為化學信號在細胞外液中播散的距離和范圍有所不同，但對接受它們影響的靶細胞并不存在本質(zhì)的差別。
細胞外液中的各種化學分子，并不需要自身進入它們的靶細胞后才能起作用（一些脂溶性的小分子類固醇激素和甲狀腺激素例外，詳見第十一章)它們大多數(shù)是選擇性地同靶細胞膜上具有特異的受體性結(jié)構(gòu)相結(jié)合，再通過跨膜信號傳遞（transembrane signaling)或跨膜信號轉(zhuǎn)換（transmembranesognal transduction)過程，最后才間接地引起靶細胞膜的電變化或其他細胞內(nèi)功能的改變。
機體和細胞也可能受到化學信號以外的其他性質(zhì)的刺激，如機械的、電的和一定波長電磁波等來自外界環(huán)境的刺激的影響；但在動物進化的過程中，這些刺激信號大都由一些在結(jié)構(gòu)和功能上高度分化了的特殊的感受器細胞來感受，引起相應的感受器細胞出現(xiàn)某種電反應。仔細分析各種感受器細胞接受它們所能感受的某種特異刺激信號的過程時發(fā)現(xiàn)（如耳蝸毛細胞接受聲波振動和視網(wǎng)膜光感受細胞接受光刺激等)，它們也涉及到外來刺激信號的跨膜傳遞，即刺激信號也要先作用于膜結(jié)構(gòu)中的感受性結(jié)構(gòu)，才能引起感受器細胞的電變化和隨后的傳入神經(jīng)沖動。
不論是化學信號中的激素分子和遞質(zhì)（包括數(shù)十種可能起調(diào)質(zhì)作用神經(jīng)肽類物質(zhì))分子，以及非化學性的外界刺激信號，當它們作用于相應的靶細胞時，都是通過為數(shù)不多、作用形式也較為類似的途徑來完成跨膜信號傳遞的；這些過程所涉及的膜蛋白質(zhì)也為數(shù)不多，在生物合成上由幾類特定基因家族所編碼；正因為如此，由每個特定基因家族所表達生成的蛋白質(zhì)分子，在肽鏈的氨基酸排列順序上有較大的相同性（或同源性，homogeneity)，功能上也較為類似。因此，關于跨膜信號傳遞的研究，早已超出了遞質(zhì)或激素作用機制的范疇，成為細胞生理學中一個有普遍意義的新篇章。試想，人體細胞都具有相同的遺傳基因，因而一個感光細胞或一個普通體細胞，通過細胞膜上類似的蛋白質(zhì)，以類似的方式接受它們所受到的外來刺激，可引起細胞本身功能的改變；而且各種不同的細胞通過少數(shù)幾類膜蛋白質(zhì)和幾種作用方式，就能接受多種多樣可能遇到的外界刺激信號的影響，顯然符合“生物經(jīng)濟”的原則。
一、由具有特異感受結(jié)構(gòu)的通道蛋白質(zhì)完成的跨膜信號傳遞
（一)化學門控通道
對這種跨膜信號的傳遞方式的研究，最早是從對運動神經(jīng)纖維末梢釋放的乙酰膽堿（Ach)如何引起它所支配的骨骼肌細胞興奮的研究開始的。早已知道，當神經(jīng)沖動到達神經(jīng)末梢處時，先是由末梢釋放一定數(shù)量的Ach分子，后者再同肌細胞膜上稱為終板（指有細胞膜上同神經(jīng)末相對的那部分膜，其中所含膜蛋白與一般肌細胞膜不同)處的“受體”相結(jié)合，引起終板膜產(chǎn)生電變化，最后引起整個肌細胞的興奮和收縮。由于神經(jīng)-肌接頭處的“受體”也可同煙堿相結(jié)合，因而過去在藥理學分類中稱它為N-型Ach受體。80年代后期，我國學者李鎮(zhèn)源發(fā)現(xiàn)α-銀環(huán)蛇毒同N-型受體有極高的特異性結(jié)合能力又有人發(fā)現(xiàn)一些電魚的電器官中有密集的這種受體蛋白質(zhì)分子存在；再依靠70年代以來蛋白質(zhì)化學和分子生物學技術的迅速發(fā)展，目前不僅已將這種蛋白質(zhì)分子提純，而且基本上搞清了它的分子結(jié)構(gòu)和它們在膜中的存在形式。原來它是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)（圖2-7)，總分子量約為290kd；每種亞單位都由一種mRNA編碼，所生成的亞單位在膜結(jié)構(gòu)中通過氫鍵等非共價鍵式的相互吸引，形成一個結(jié)構(gòu)為α2βγδ的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)（圖2-7，A和B)，而其中的兩個α-亞單位正是同兩分子ACH相結(jié)合的部位，這種結(jié)合可引起通道結(jié)構(gòu)的開放，其幾何大小足以使終板膜外高濃度的Na+內(nèi)流，同時也能使膜內(nèi)高濃度的K+外流結(jié)果是使原來存在兩側(cè)的靜息電位近于消失，亦即使該處膜內(nèi)外電位差接近于0值，這就是終板電位，于是完成了Ach這種化學信號的跨膜傳遞，因為肌細胞后來出現(xiàn)的興奮和收縮都是以終板電位為起因的。
圖2-7 N-型Ach門控通道的分子結(jié)構(gòu)示意圖
A：N-型Ach門控通的5個亞單位和它們所含α-螺旋在膜中存在形式的平面示意圖
B：5個亞單位相互吸引，包繞成一個通道樣結(jié)構(gòu) C：在跨膜通道結(jié)構(gòu)中，各
個亞單位億含α-螺旋在通道結(jié)構(gòu)中的位置
用分子生物學實驗技術證明，同其他膜結(jié)合蛋白質(zhì)類似，在上述4種不同的亞單位肽鏈中，都存在有4種主要由20-25個疏水性氨基酸形成的α-螺旋，因而推測每個亞單位的肽鏈都要反復貫穿膜4次（圖2-7，A)，而5個亞單位又各以其第2個疏水性跨膜α-螺旋構(gòu)成了水相孔道的“內(nèi)壁”（圖2-7C)。
由上述分子水平的研究成果可以知道，原初將終板膜上完成Ach跨膜信號傳遞的蛋白質(zhì)稱作“受體”是不符合實際情況的；它們是一種通道樣結(jié)構(gòu)，只是在組成通道的蛋白質(zhì)亞單位中有兩個亞單位具有同Ach分子特異地相結(jié)合的能力，并能因此引起通道蛋白質(zhì)的變構(gòu)作用而使通道開放，然后靠相應離子的易化擴散而完成跨膜信號傳遞。因此，這種蛋白質(zhì)應稱為N-型（或煙堿型)Ach門控通道，屬于化學門控通道或化學依從性通道中的一種。
Ach在神經(jīng)-肌接頭處的跨膜信號傳遞機制的闡明，曾一度錯誤地推測，其他一些神經(jīng)遞質(zhì)也都是以類似的方式作用于下一級神經(jīng)元或相應的效應器細胞的；但后來的研究表明并非如此。目前只證明了一些氨基酸遞質(zhì)，包括谷氨酸、門冬氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸等，主要是通過同N-型Ach門控通道結(jié)構(gòu)類似的化學門控通道影響其靶細胞。
�。ǘ�)電壓門控通道
應用類似的技術，在80年代還陸續(xù)克隆出幾種重要離子（如Na+、K+和Ca2+等離子)的電壓門控通道，它們具有同化學門控能道類似的分子結(jié)構(gòu)，但控制這類通道開放與否的因素，是這些通道所在膜兩側(cè)的跨膜電位的改變；也就是說，在這種通道的分子結(jié)構(gòu)中，存在一些對跨膜電位的改變敏感的基團或亞單位，由后者誘發(fā)整個通道分子功能狀態(tài)的改變。
在動物界，除了一些特殊的魚類，一般沒有專門感受外界電刺激或電場改變的器官或感受細胞，但在體內(nèi)有很多細胞，如神經(jīng)細胞和各種肌細胞，在它們的細胞膜中卻具有多種電壓門控通道蛋白質(zhì)，它們可由于同一細胞相鄰的膜兩側(cè)出現(xiàn)的電位改變而再現(xiàn)通道的開放，并由于隨之出現(xiàn)的跨膜離子流而出現(xiàn)這些通道所在膜的特有的跨膜電位改變。例如，前述的終板膜由Ach門控通道開放而出現(xiàn)終板電位時，這個電位改變可使相鄰的肌細胞膜中存在的電壓門控式Na+通道和K+通道相繼激活（即通道開放)，出現(xiàn)肌細胞的所謂動作電位；當動作電位在神經(jīng)纖維膜和肌細胞膜上傳導時，也是由于一些電壓門控通道被鄰近已興奮的膜的電變化所激活，結(jié)果使這些通道所在的膜也相繼出現(xiàn)特有的電變化。由此可見，電壓門控通道所起的功能，也是一種跨膜信號轉(zhuǎn)換，只不過它們接受的外來刺激信號是電位變化，經(jīng)過電壓門控通道的開閉，再引起細胞膜出現(xiàn)新的電變化或其他細胞內(nèi)功能變化，后者在Ca2+通道打開引起膜外Ca2+內(nèi)流時甚為多見。
根據(jù)對Na+、K+、Ca2+三種離子的電壓門控通道蛋白質(zhì)進行的分子結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)它們一級結(jié)構(gòu)中的氨基酸排列有相當大的同源性，說明它們屬于同一蛋白質(zhì)家族，與之有關的mRNA在進化上由同一個遠祖基因演化而來。圖2-8是與體內(nèi)動作電位(見后)產(chǎn)生至關重要的Na+通道在膜內(nèi)結(jié)構(gòu)的模式圖,它主要由一個較大的α-亞單位組成，分子量約260kd；有時還另有一個或兩個小分子量的亞單位，分別稱為β1和β2。但Na+通道的主要功能看來只靠α-亞單位即可完成。這個較長的α-單位肽鏈中包含了4個結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)域（domain,每個結(jié)構(gòu)域大致相當于上述Ach門控通道中的一個亞單位，但結(jié)構(gòu)域之間由肽鏈相連，是一個完整的肽鏈，應由一個mRNA編碼和合成)，而每個結(jié)構(gòu)域中又各有6個由疏水性氨基酸組成的跨膜α-螺旋段（圖示2-8，A)；這4 個結(jié)構(gòu)域及其所包含的疏水α-螺旋，在膜中包繞成一個通道樣結(jié)構(gòu)（圖2-8，B)�，F(xiàn)已證明，每個結(jié)構(gòu)域中的第4個跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特點，即每隔兩個疏水性氨基酸，就再現(xiàn)一個帶正電荷的精氨酸或賴氨酸；這些α-螺旋由于自身的帶電性質(zhì)，在它們所在膜的跨膜電位有改變時會產(chǎn)生位移，因而被認為是該通道結(jié)構(gòu)中感受外來信號的特異結(jié)構(gòu)，由此再誘發(fā)通道“閘門”的開放；還有實驗提示，每個結(jié)構(gòu)域中的第2、第3個α-螺旋構(gòu)成了該通道水相孔道的“內(nèi)壁”；據(jù)測算，水相孔道內(nèi)徑最窄處橫斷面積約為0.3×0.5nm差不多剛能通過一個水化的Na+(圖2-8,B)。
圖2-8 電壓門控Na+通道的分子結(jié)構(gòu)示意圖
A：構(gòu)成電壓門控Na+通道的α-亞單中的4個結(jié)構(gòu)以及每個結(jié)構(gòu)域中6個
α-螺旋在膜中存在形式平面 ～P表示磷酸化位點
B：4個結(jié)構(gòu)域及其α-螺旋形成通道時的相對位置
�。ㄈ�)機械門控通道
體內(nèi)存在不少能感受機械性刺激并引致細胞功能改變的細胞。如內(nèi)耳毛細胞頂部的聽毛在受到切和力的作用產(chǎn)生彎曲時，毛細胞會出現(xiàn)暫短的感受器電位，這也是一種跨膜信號轉(zhuǎn)換，即外來機械性信號通過某種結(jié)構(gòu)內(nèi)的過程，引起細胞的跨膜電位變化。據(jù)精細觀察，從聽毛受力而致聽毛根部所在膜的變形，到該處膜出現(xiàn)跨膜離子移動之間，只有極短的潛伏期，因而推測可能是膜的局部變形或牽引，直接激活了附近膜中的機械門控通道。
細胞間通道 還有一種通道，不是溝通胞漿和細胞外液的跨膜通道，而是允許相鄰細胞之間直接進行胞漿內(nèi)物質(zhì)交換的通道，故稱為細胞間通道。這種通道研究，是從縫隙連接超微結(jié)構(gòu)觀察開始的。在縫隙連接處相鄰兩細胞的膜僅隔開2.0nm左右，而且像是有某種物質(zhì)結(jié)構(gòu)把兩者連接起來；將兩側(cè)細胞膜分離進行超微結(jié)構(gòu)觀察和分子生物學分析，發(fā)現(xiàn)每一側(cè)的膜上都整齊地地排列著許多蛋白質(zhì)顆粒，每個顆粒實際是由6個蛋白質(zhì)亞單位（分子量各為25kd)構(gòu)成的6聚體蛋白質(zhì)，中間包繞一個水相孔道；構(gòu)成顆粒的蛋白質(zhì)和中心孔道貫穿所在膜的脂質(zhì)雙分子層；在兩側(cè)細胞膜靠緊形成細胞間的縫隙連接時，兩側(cè)膜上的各顆粒即通道樣結(jié)構(gòu)都兩兩對接起來，于是形成了一條條溝通兩細胞胞漿的通路，而與細胞間液不相溝通。這種細胞間通道的孔洞大小，一般可允許分子量小于1.0~1.5kd或分子直徑小于1.0nm的物質(zhì)分子通過，這包括了電解質(zhì)離子、氨基酸、葡萄糖和核苷酸等。這種縫隙連接或細胞間通道多見于肝細胞、心肌細胞、腸平滑肌細胞、晶狀體細胞和一些神經(jīng)細胞之間。縫隙連接不一定是細胞間的一種永久性結(jié)構(gòu)；至少在體外培養(yǎng)的細胞之間的縫隙連接或其中包含顆粒的多少，可因不同環(huán)境因素而變化；似乎是細胞膜中經(jīng)常有單方面裝配好的通道顆粒存在，在兩側(cè)膜靠近并有其他調(diào)控因素存在時，就有可能實現(xiàn)對接，而在另一些因素存在時，兩方面還可再分離。已對接的通道是否處于“開放”狀態(tài)，也要受到多種因素的調(diào)控，例如當細胞內(nèi)Ca2+、H+濃度增加時，可促使細胞間通道關閉。細胞間通道的存在，有利于功能相同而又密接的一組細胞之間進行離子、營養(yǎng)物質(zhì)，甚至一些信息物質(zhì)的溝通，造成它們進行同步性活動的可能性。
二、由膜的特異受體蛋白質(zhì)、G-蛋白和膜的效應器酶組成的跨膜信號傳遞系統(tǒng)
這是另一類型的跨膜信號傳遞。最初是從對激素作用機制的研究開始的。60年代在研究腎上腺素引起肝細胞中糖原分解為葡萄糖的作用機制時，發(fā)現(xiàn)如果使腎上腺素單獨和分離出的細胞膜碎片相互作用，可以生成一種分子量小、能耐熱的物質(zhì)，當把這種物質(zhì)同肝細胞的胞漿單獨作用時，也能引起其中糖原的分解，同腎上腺素作用于完整的肝細胞時有類似的效應。實驗提示，在腎上腺素正常起作用時，它只是作用于肝細胞的膜表面。通過某種發(fā)生在膜結(jié)構(gòu)中的過程，先在胞漿中生成一種小分子物質(zhì)，后者再實現(xiàn)腎上腺素分解糖原的作用。這種小分子物質(zhì)不久被證明是環(huán)-磷酸腺苷（即cAMP，環(huán)磷腺苷)。以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，很多其他激素類物質(zhì)作用于相應的靶細胞時，都是先同膜表面的特異受體相結(jié)合，再引起膜內(nèi)側(cè)胞漿中cAMP含量的增加（有時是它的減少)，實現(xiàn)激素對細胞內(nèi)功能的影響。這樣就把cAMP稱作第二信使，這是相對于把激素分子這類外來化學信號看作第一信使而言的。
導致cAMP產(chǎn)生的膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的過程頗為復雜：它至少與膜中三類特殊的蛋白質(zhì)有關。第一類是能與到達膜表面的外來化學信號作特異性結(jié)合的受體蛋白質(zhì)，這是一些真正可以稱作受體的物質(zhì)。目前已用分子生物學的方法證明，它們是一些獨立的蛋白質(zhì)分子；已經(jīng)確定的近100種這類受體，都具有類似的分子結(jié)構(gòu)，也屬于同一蛋白質(zhì)家族：即它們都由約300~400個氨基酸殘基組成，有一個較長的細胞外N-末端，接著在肽鏈中出現(xiàn)7個由22~28個主要為疏水性氨基酸組成的α-螺旋，說明這肽鏈至少要反復貫穿膜7次，形成一個球形蛋白質(zhì)分子，還有一段位于膜內(nèi)側(cè)的肽鏈C-末端。目前認為，受體分子中第7個跨膜螺旋是能夠識別、即能結(jié)合某種特定外來化學信號的部位；在受體因結(jié)合了特異化學信號而激活時，將進而作用于膜中另一類蛋白質(zhì)，即G-蛋白質(zhì)。
G-蛋白是鳥苷酸結(jié)合蛋白（guaninenucleotide-binding protein)的簡稱，也是存在于膜結(jié)構(gòu)中的一類蛋白質(zhì)家族，根據(jù)它們分子結(jié)構(gòu)中少數(shù)氨基酸殘基序列上的不同，已被區(qū)分出有數(shù)十種，但結(jié)構(gòu)和功能極為相似。G-蛋白通常由α-、β-、和γ-3個亞單位組成；α-亞單位通常起催化亞單位的作用，當G-蛋白未被激活時，它結(jié)合了一分子的GDP（二磷酸鳥苷)；當G-蛋白與激活了的受體蛋白在膜中相遇時，α-亞單位與GDP分離而又與一分子的GTP（三磷酸鳥苷)結(jié)合，這時α-亞單位同其他兩個亞單位分離，并對膜結(jié)構(gòu)中（位置靠近膜的內(nèi)側(cè)面)的第三類稱為膜的效應器酶的蛋白質(zhì)起作用，后者的激活（或被抑制)可以引致胞漿中第二信使物質(zhì)的生成增加（或減少)。上述腎上腺素的作用，就是先由激素激活膜上相應的受體后，通過一種稱為Gs（興奮性G-蛋白)的G-蛋白的中介，激活了作為效應器酶的腺苷酸環(huán)化酶（圖2-9箭頭1)，使胞漿中的ATP生成了起第二信使作用的cAMP（圖2-9中箭頭2)。由于第二信使物質(zhì)的生成經(jīng)過多級催化作用，少數(shù)幾個膜外化學信號分子同受體的結(jié)合，就可能在胞漿中生成數(shù)目眾多的第二信使分子，這是這種類型的跨膜信號傳遞的重要特點之一。
圖2-9 由膜受體-G-蛋白-膜效應器酶組成的跨膜信號
傳遞系統(tǒng)和第二信使類物質(zhì)的生成
目前發(fā)現(xiàn)膜的效應器酶并不只腺苷酸環(huán)化酶一種，因而第二信使物質(zhì)也不只cAMP一種，如近年來還發(fā)現(xiàn)，有相當數(shù)量的外界刺激信號作用于受體后，可以通過一種稱為Go的G-蛋白，再激活一種稱為磷脂酶C的膜效應器酶，以膜結(jié)構(gòu)中稱為磷脂酰肌醇的磷脂分子為間接底物，生成兩種分別稱為三磷酸酰肌醇（IP3)和二酰甘油（DG)的第二信使，影響細胞內(nèi)過程，完成跨膜信號傳遞。雖然如此，對應于細胞所能接受的多種刺激和與它們相對應的受體數(shù)目而言，膜內(nèi)G-蛋白、效應器酶和最后生成的第二信使類物質(zhì)的種類，還是相對地少得多。這說明，上述由膜中蛋白質(zhì)酶促反應生成第二信使的途徑，具有相當程度的“通用”性質(zhì)。
由于上述這種跨膜信號傳遞的形式是在研究激素的作用機制時發(fā)現(xiàn)的，而且后來發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)肽類激素都是通過這一形式起作用的，因此曾一度錯誤地認為，這只是激素性化學信號跨膜信號傳遞方式。但近年的資料說明，事實并非如此：在神經(jīng)遞質(zhì)類物質(zhì)中，除了上述氨基酸類遞質(zhì)外，其余不論是小分子的經(jīng)典遞質(zhì)還是后來發(fā)現(xiàn)的數(shù)量眾多的神經(jīng)肽類物質(zhì)（目前已近50種)，都主要是以在突觸后細胞中產(chǎn)生第二信使類物質(zhì)來完成跨膜信號傳遞的，這些第二信使物質(zhì)通過在胞漿中的擴散，在膜的內(nèi)側(cè)面作用于某些特殊的離子通道（圖2-9中箭頭3)，引起突觸后膜較廣泛而緩慢的電變化。最近證明，在視網(wǎng)膜信號轉(zhuǎn)換過程中，光量子被作為受體的視色素如視紫紅質(zhì)（也具有7個跨膜α-螺旋的結(jié)構(gòu)特點)吸收后，也是先激活稱為Gt（轉(zhuǎn)換蛋白)的G-蛋白，再激活作為效應器的磷酸二酯酶，使視桿細胞外段中cGMP的分解加強，最后使光刺激轉(zhuǎn)變?yōu)橥舛文さ碾娮兓ㄒ姷诰耪?。
上述兩種主要的跨膜信號傳遞方式的作用過程，有以下幾點值得注意。第一，這兩種作用形式并不是絕對分離的，兩者之間可以互相影響或在作用上有交叉。一些第二信使類物質(zhì)可以調(diào)節(jié)某些電壓門控通道和化學門控通道蛋白質(zhì)的功能狀態(tài)；而且被某種受體激活了的G-蛋白，有的不通過第二信使就能直接作用于膜結(jié)構(gòu)中的通道結(jié)構(gòu)（圖2-9中的箭頭5)，如上述Gs激活時可以直接打開Ca2+通道。第二，對于許多外來化學信號分子，并不是一種化學信號只能作用于兩種跨膜信號傳遞系統(tǒng)中的一種；以ACh為例，當它們作用于神經(jīng)-肌接頭處時，終板膜上有同它們作特異結(jié)合的化學門控通道；但當ACh作用于心肌或內(nèi)臟平滑肌時，遇到的卻是受體－G-蛋白－第二信使系統(tǒng)（受體稱為M-型毒蕈鹼型受體)。由此可見，同一種刺激信號通過何種跨膜信號傳遞系統(tǒng)起作用，關鍵因素在于靶細胞膜上具有何種感受結(jié)構(gòu)；近年還發(fā)現(xiàn)，即便是M-型ACh受體，也可再區(qū)分出許多種亞型，有的亞型以cAMP為第二信使，有的以IP3和DG為第二信使。不同細胞甚或同一細胞的膜上具有對應于同一化學信號的不同受體型或其亞型，在跨膜信號傳遞中并不少見。近年來發(fā)現(xiàn)基本嗅覺刺激（大約是7種)全都是通過嗅上皮中不同的膜受體-第二信使系統(tǒng)起作用的，但在4種基本味覺刺激中，只有咸和酸刺激是通過細胞上相應的化學門控上通道起作用的，甜味物質(zhì)是通過受體-第二信使系統(tǒng)起作用的，而苦味物質(zhì)則因物質(zhì)分子不同而分別通過通道和受體兩種途徑起作用。第三，跨膜信號傳遞的方式雖然相對地較少，但也不一定只限于上述兩種。近年來有一些特殊的化學信號影響其靶細胞的方式受到廣泛的重視，很可能成為跨膜信號傳遞的一種新類型；這就是發(fā)現(xiàn)胰島素等一些肽類激素和其他與機體發(fā)育、生長、修復、增生、甚至細胞癌變有關的因子，如神經(jīng)生長因子、表皮生長因子、血小板源生長因子、纖維母細胞生長因子、以及與細胞生成有關的集落刺激因子等，都是通過靶細胞表面一類稱為酪氨酸激酶受體（tyrosine kinase riceptor)的蛋白質(zhì)起作用的，這類受體結(jié)構(gòu)簡單，只有一個跨膜α-螺旋，當位于膜外側(cè)的較長的肽鏈部分同特定的化學信號結(jié)合后，可以直接引起受體肽鏈的膜內(nèi)段激活，使之具有磷酸激酶活性，通過使自身肽鏈和膜內(nèi)蛋白質(zhì)底物中的酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化，因而產(chǎn)生細胞內(nèi)效應。這方面的新資料正在積累之中。
癌基因和跨膜信號傳遞近年發(fā)現(xiàn)與上述跨膜信號傳遞有關的一些蛋白質(zhì)，如受體、G-蛋白、各種生長刺激因子和營養(yǎng)因子、以及各種蛋白激酶等，它們在細胞內(nèi)的生物合成，是由人正常染色體中被稱為細胞原癌基因（cellular proto-oncogene,進行表達時稱細胞癌基因)的一類基因所編碼和表達生成的。這些基因所以被稱為原癌基因，是因為它們的鹼基排列順序同一些（近100種)能在動物引起腫瘤的病毒DNA（或稱病毒癌基因，viral oncogene)的鹼基排列順序相一致。關于細胞癌基因與人類腫瘤發(fā)生的關系目前尚不清楚，但它們的正常表達產(chǎn)物，卻是人體無時無刻不在進行著的各種跨膜信號傳遞過程所必需的。試設想，如果由于遺傳和變異等原因使細胞不能合成結(jié)構(gòu)和功能正常的G-蛋白，對人體將會有何等廣泛而重要的影響！另外，在細胞原癌基因中，有一類可被胞漿中產(chǎn)生的第二信使等物質(zhì)所激活，生成某種蛋白質(zhì)；但它們在胞漿中生成后，一般又進入核內(nèi)，進而誘導另一些基因進行表達。這類癌基因從激活到蛋白質(zhì)生成，比一般基因表達為快，稱為快速基因（或即早基因)，而它們生成的蛋白質(zhì)的作用則是激活另一些（可能在細胞功能活動中更重要)基因的表達，故快速基因的表達產(chǎn)物可稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或第三信使。所以稱為第三信使是因為它們由第二信使類物質(zhì)的作用而生成，而它們自身的作用又引起新的基因表達，生成一些可能對細胞結(jié)構(gòu)和功能有較長遠影響的蛋白質(zhì)。這樣外來信號（第一信使)不僅通過第二信使的合成在胞漿中引起一些即時反應，還可能通過第三信使引起細胞功能和結(jié)構(gòu)長時間的適應性改變。
第三節(jié) 細胞的興奮性和生物電現(xiàn)象
恩格斯在100多年前總結(jié)自然科學成就時指出：“地球幾乎沒有一種變化發(fā)生而不同時顯示出電的現(xiàn)象”；生物體當然也不例外。事實上，在埃及殘存史前古文字中，已有電魚擊人的記載；但對于生物電現(xiàn)象的研究，只能是在人類對于電現(xiàn)象一般規(guī)律和本質(zhì)有所認識以后，并隨著電測量儀器的精密化而日趨深入。目前，對健康人和患者進行心電圖、腦電圖、肌電圖，甚至視網(wǎng)膜電圖、胃腸電圖的檢查，已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)、診斷和估量疾病進程的重要手段；但人體和各器官的電現(xiàn)象的產(chǎn)生，是以細胞水平的生物電現(xiàn)象為基礎的，并且在生理學的發(fā)展歷史上，生物電現(xiàn)象的研究是同生物組織或細胞的另一重要特性--興奮性--的研究相伴隨進行。
一、興奮性和刺激引起興奮的條件
（一)興奮性和興奮含義及其變遷
上世紀中后期的生理學家用兩棲類動物做實驗時，發(fā)現(xiàn)青蛙或蟾蜍的某些組織在離體的情況下，也能在一定的時間內(nèi)維持和表現(xiàn)出某些生命現(xiàn)象。這些生命現(xiàn)象的表現(xiàn)之一是：當這些組織受到一些外加的刺激因素（如機械的、化學的、溫熱的或適當?shù)碾姶碳?作用時，可以應答性出現(xiàn)一些特定的反應或暫時性的功能改變。這些活組織或細胞對外界刺激發(fā)生反應的能力，就是生理學最早對于興奮性(excitability)的定義。例如，把蟾蜍的腓腸肌和支配它的神經(jīng)由體內(nèi)剝離出來，制成神經(jīng)-肌肉標本，這時如果在神經(jīng)游離端一側(cè)輕輕地觸動神經(jīng)，或通以適當?shù)碾娏鳎敲丛诮?jīng)過一個極短的潛伏期后，可以看到肌肉出現(xiàn)一次快速的縮短和舒張；如把刺激直接施加于肌肉，也會引起類似的收縮反應；而且只要刺激不造成組織的損傷，上述反應可以重復出現(xiàn)。這就是神經(jīng)和肌肉組織具有興奮性能證明。實際上，幾乎所有活組織或細胞都具有某種程度的對外界刺激發(fā)生反應的能力，只是反應的靈敏度和反應的表現(xiàn)形式有所不同。在各種動物組織中，一般以神經(jīng)和肌細胞，以及某些腺細胞表現(xiàn)出較高的興奮性；這就是說它們只需接受較小的程度的刺激，就能表現(xiàn)出某種形式的反應，因此稱為可興奮細胞或可興奮組織。不同組織或細胞受刺激而發(fā)生反應時，外部可見的反應形式有可能不同，如各種肌細胞表現(xiàn)機械收縮，腺細胞表現(xiàn)分泌活動等，但所有這些變化都是由刺激引起的，因此把這些反應稱之為興奮（excitation)。人和高等動物的細胞和組織一樣具有興奮性，但在離體情況下要保持它們的興奮性，需要嚴格的環(huán)境條件，因此在研究組織的興奮性時，常用較低等動物的組織作為觀察對象。
隨著電生理技術的發(fā)展和資料的積累，興奮性和興奮的概念有了新的含義。大量事實表明，各種可興奮細胞處于興奮狀態(tài)時，雖然可能有不同的外部表現(xiàn)，但它們都有一個共同的、最先出現(xiàn)的反應，這就是受刺激處的細胞膜兩側(cè)出現(xiàn)一個特殊形式的電變化（它由細胞本身所產(chǎn)生,不應與作為刺激使用的外加電刺激相混淆)，這就是動作電位；而各種細胞所表現(xiàn)的其他外部反應，如機械收縮和分泌活動等，實際上都是由細胞膜的動作電位進一步觸發(fā)和引起的。在神經(jīng)細胞，特別是它的延續(xù)很長、起著信息傳送作用的軸突（神經(jīng)纖維)，在受刺激而興奮時并無肉眼可見的外部反應，其反應只是用靈敏的電測量儀器才能測出的動作電位。在多數(shù)可興奮細胞（以神經(jīng)和骨骼肌、心肌細胞為主)，當動作電位在受刺激部位產(chǎn)生后，還可以沿著細胞膜向周圍擴布，使整個細胞膜都產(chǎn)生一次類似的電變化。既然動作電位是大多數(shù)可興奮細胞受刺激時共有的特征性表現(xiàn)，它不是細胞其他功能變化的伴隨物，而是細胞表現(xiàn)其他功能的前提或觸發(fā)因素，因此在近代生理學中，興奮性被理解為細胞在受刺激時產(chǎn)生動作電位的能力，而興奮一詞就成為產(chǎn)生動作電位的過程或動作電位的同義語了。只有那些在受刺激時能出現(xiàn)動作電位的組織，才能稱為可興奮組織；只有組織產(chǎn)生了動作電位時，才能說組織產(chǎn)生了興奮。這樣的理解顯然比原定義更嚴格些。
據(jù)此定義，可以對上述神經(jīng)-肌標本的現(xiàn)象描述如下：當刺激作用于坐骨神經(jīng)某一點時，由于神經(jīng)纖維具有興奮性而出現(xiàn)興奮，即產(chǎn)生了動作電位，此動作電位（常稱為神經(jīng)沖動)沿著神經(jīng)纖維傳向它們所支配的骨骼肌纖維，通過神經(jīng)-肌接頭處的興奮傳遞（即ACh參加的跨膜信號轉(zhuǎn)換)，再引起骨骼肌細胞興奮而產(chǎn)生動作電位，以后是動作電位沿整個肌細胞膜傳遍整個肌細胞，并觸發(fā)了細胞內(nèi)收縮蛋白質(zhì)的相互作用，表現(xiàn)出肌肉一次快速的收縮和舒張。
�。ǘ�)刺激引起興奮的條件和閾刺激
具有興奮性的組織和細胞，并不對任何程度的刺激都能表現(xiàn)興奮或出現(xiàn)動作電位。刺激可以泛指細胞所處環(huán)境因素的任何改變；亦即各種能量形式的理化因素的改變，都可能對細胞構(gòu)成刺激。但實驗表明，刺激要引起組織細胞發(fā)生興奮，必須在以下三個參數(shù)達到某一臨界值：刺激的強度、刺激的持續(xù)時間以及刺激強度對于時間的變化率（即強度對時間的微分)；不僅如此，這三個參數(shù)對于引起某一組織和細胞的興奮并不是一個固定值，它們存在著相互影響的關系。在實驗室中，常用各種形式的電刺激作為人工刺激，用來觀察和分析神經(jīng)或各種肌肉組織的興奮性，度量興奮性在不同情況下的改變。這是因為電刺激可以方便地由各種電儀器（如電脈沖和方波發(fā)生器等)獲得，它們的強度、作用時間和強度-時間變化率可以容易地控制和改變；并且在一般情況下，能夠引起組織興奮的電刺激并不造成組織損傷，因而可以重復使用。
為了說明刺激的各參數(shù)之間的相互關系，可以先將其中一個參數(shù)固定于某一數(shù)值，然后觀察其余兩個的相互影響。例如，當使用方波刺激時，由于不同大小和持續(xù)時間的方波上升支都以同樣極快的增加速率達到某一預定的強度值，因而可以認為上述第三個參數(shù)是固定不變的，而每一方波電刺激能否引起興奮，就只決定于它所達到的強度和持續(xù)的時間了。在神經(jīng)和肌組織進行的實驗表明，在強度-時間變化率保持不變的情況下，在一定的范圍內(nèi)，引起組織興奮所需的最小刺激強度，與這一刺激所持續(xù)的時間呈反變的關系；這就是說，當刺激的強度較大時，它只需持續(xù)較短的時間就足以引進組織的興奮，而當刺激的強度較弱時，這個刺激就必須持續(xù)較長的時間才能引起組織的興奮。但這個關系只是當所用強度或時間在一定限度內(nèi)改變時是如此。如果將所用的刺激強度減小到某一數(shù)值時，則這個刺激不論持續(xù)多么長也不會引起組織興奮；與此相對應，如果刺激持續(xù)時間逐資助縮短時，最后也會達到一個臨界值，即在刺激持續(xù)時間小于這個值的情況下，無論使用多么大的強度，也不能引起組織的興奮。
上述情況給比較不同組織的興奮性高低或測量同一組織在不同生理或病理情況下的興奮性改變時造成了許多困難。如果不仔細思考，可以認為那些用較小的刺激強度就能興奮的組織具有較高的興奮性；據(jù)上述，這個強度小的程度，還要決定這個刺激的持續(xù)時間和它的強度-時間變化率。因此，簡單地用刺激強度這一個參數(shù)表示不同組織興奮性的高低或同一組織興奮性的波動，就必須使所用刺激的持續(xù)時間和強度-時間變化率固定某一（應是中等程度的)數(shù)值；這樣，才能把引起組織興奮、即產(chǎn)生動作電位所需的最小刺激強度，作為衡量組織興奮性高低的指標；這個刺激強度稱為閾強度或閾刺激，簡稱閾值（threshold)。強度小于閾值的刺激，稱為閾下刺激；閾下刺激不能引起興奮或動作電位，但并非對組織細胞不產(chǎn)生任何影響。
（三)組織興奮及其恢復過程中興奮性的變化
體內(nèi)不同組織具有不同的興奮性；而且同一組織在不同生理和病理情況下，強環(huán)境中離子成分特別是鈣離子、酸堿度、溫度的改變，以及存在著特殊毒物或藥物等情況，都可以引起興奮性的改變。但一個普遍存在于各種可興奮細胞的現(xiàn)象是，在細胞接受一次刺激而出現(xiàn)興奮的當時和以后的一個短時間內(nèi)，它們的興奮性將經(jīng)歷一系列有次序的變化，然后才恢復正常。這一特性說明，在細胞或組織接受連續(xù)刺激時，有可能由于它們接受前一刺激而改變了對后來刺激的反應能力，因而是一個有重要功能意義的生理現(xiàn)象。
為了示證這一特性，可以讓兩個刺激連續(xù)作用于組織，這時讓第一個刺激的強度相當于閾強度，以便使它能引起組織興奮，并以此閾強度的值作為該組織興奮性的“正�！睂φ罩�；對于第二個刺激，在實驗中要能任意地選定它們和第一刺激的間隔，并且可以按需要改變它們的強度。這樣，可以檢查組織在因第一個刺激后的不同時間內(nèi)，接受新刺激的能力是否發(fā)生了改變。實驗證明，在組織接受前面一個刺激而興奮后一個較短的時間內(nèi)，無論再受到多么強大的刺激，都不能再產(chǎn)生興奮；即在這一時期內(nèi)出現(xiàn)的任何刺激均“無效”；這一段時期，稱為絕對不應期。在絕對不應期之后，第二個刺激有可能引起新的興奮，但使用的刺激強度必須大于該組織正常的閾強度；這個時期稱為相對不應期。上述絕對和相對不應期的存在，反映出組織在一次興奮后所經(jīng)歷的興奮性改變的主要過程；即在絕對不應期內(nèi)，由于閾強度成為無限大，故此時的興奮性可認為下降到零；在相對不應期內(nèi)，興奮性逐漸恢復，但仍低于正常值，此時需使用超過對照閾強度的刺激強度，才能引起組織的興奮；到相對不應期結(jié)束時，興奮性才逐漸恢復到正常。用更精密的實驗發(fā)現(xiàn)，在相對不應期內(nèi)之后，組織還經(jīng)歷了一段興奮性先是輕度增高，繼而又低于正常的時期，分別稱為超常期和低常期。以上各期的長短，在不同細胞可以有很大差異；一般絕對不應期較短，相當于或略短于前一刺激在該細胞引起的動作電位主要部分的持續(xù)時間，如它在神經(jīng)纖維或骨骼肌只有0.5~2.0ms左右，在心肌細胞可達200~400ms；其他各期的長短變化較大，易受代謝和溫度等因素的影響。在神經(jīng)纖維，相對不應期約持續(xù)數(shù)毫秒，超常期和低常期可達30~50ms。
組織在每次興奮后都要發(fā)生一系列興奮性的改變，如果在這期間組織受到新的刺激，它的反應能力將異于“正�！�。既然絕對不應期的持續(xù)時間相當于前次刺激所引起的動作電位主要部分的持續(xù)時間，那么在已有動作電位存在的時期就不可能產(chǎn)生新的興奮或動作電位，亦即細胞即便受到連續(xù)的快速刺激，也不會出現(xiàn)兩次動作電位在同一部位重合的現(xiàn)象；由于同樣的理由，不論細胞受到頻率多么高的連續(xù)刺激，它在這一細胞所能引起的興奮或動作電位的次數(shù)，總不會超過某一個最大值；因為落于前一刺激所產(chǎn)生的絕對不應期內(nèi)的后續(xù)刺激將“無效”，因此這個最大值理論上不可能超過該細胞和組織的絕對不應期的倒數(shù)。例如，蛙的有髓神經(jīng)纖維的絕對不應期或動作電位的持續(xù)時間約為2ms，那么此纖維每秒鐘內(nèi)所能產(chǎn)生的動作電位的次數(shù)不可能超過500；實際上神經(jīng)纖維在體內(nèi)自然情況下所能產(chǎn)生和傳導的神經(jīng)沖動的頻率，遠遠低于它們理論上可能達到的最大值。
二、細胞的生物電現(xiàn)象及其產(chǎn)生機制
�。ㄒ�)生物電現(xiàn)象的觀察和記錄方法
前已指出，神經(jīng)在接受刺激時，雖然不表現(xiàn)肉眼可見的變化，在受刺激的部位產(chǎn)生了一個可傳導的電變化，以一定的速度傳向肌肉，這一點可以用陰極射線示波器為主的生物電測量儀器測得，如圖2-10所示。圖中由射線管右側(cè)電子槍形成的電子束連續(xù)射向熒光屏，途中經(jīng)過兩對板狀的偏轉(zhuǎn)電極；當電子束由水平偏轉(zhuǎn)板兩極之間通過時，由于板上有來自掃描發(fā)生器裝置的鋸齒形電壓變化，使射向熒光屏的電子束以一定的速度作水平方向的反復掃動；這時，如果把由兩個測量電極引導來的生物電變化經(jīng)放大器放大后加到垂直偏轉(zhuǎn)板的兩極，那么電子束在作橫掃的同時又作垂直方向的移動。這樣，根據(jù)移動電子束在熒光屏上形成的光點的軌跡，就能準確地測量出組織中的微弱電變化的強度及其隨時間變化的情況。如果神經(jīng)干在右端受到刺激，神經(jīng)纖維將產(chǎn)生一個傳向左端的動作電位，當它傳導到同放大器相導到同放大器相連的第一個引導電極處時，該處的電位暫時變得相對地較負，于是在一對垂直偏轉(zhuǎn)板上再現(xiàn)電位差，在熒光屏上可看到一次相應的光點波動；當動作電位傳導到第二個引導電極處時，該處也將變得較負，于是熒光屏上會出現(xiàn)另一次方向相反的光點波動；這樣記到的兩次電位波動，稱作雙相動作電位。把神經(jīng)標本作一些特殊處理，如將第二個記錄電極下方的神經(jīng)干損傷（如圖2-10所示)，使該處不能產(chǎn)生興奮，那么再刺激神經(jīng)右端時，在示波器上只能看到一次電位波動，這稱為單相動作電位。另外，用其他技術方法還可使記錄電極中的一個電極處的電位保持恒定或經(jīng)常處于零電位狀態(tài)，亦即使此電極成為參考或無關電極，于是在實驗中記錄到的電變化就只反映與另一電極（稱為有效電極)接觸處的組織或細胞的電變化，這稱為單極記錄法。
圖2-10 用陰極射線示波器及有關設備觀察生物電現(xiàn)象的基本實驗布置
（二)細胞的靜息電位和動作電位
雙相或單相動作電位，是在神經(jīng)干或整塊肌肉組織上記錄到的生物電現(xiàn)象，是許多在結(jié)構(gòu)和功能上相互獨立的神經(jīng)纖維或肌細胞的電變化的復合反映；由于測量電極和組織有較大的接觸面積，而且組織本身又是導電的，許多細胞產(chǎn)生的電變化可被同一電極所引導，所以記錄和測量出的電變化是許多單位的電變化和代數(shù)疊加。但目前已經(jīng)確知，生物電現(xiàn)象是以細胞為單位產(chǎn)生的，是以細胞膜兩側(cè)帶電離子的不均衡分布和選擇性離子跨膜轉(zhuǎn)運為基礎的。因此，只有在單一神經(jīng)或肌細胞進行生物電的記錄和測量，才能對它的數(shù)值和產(chǎn)生機制進行直接和深入的分析。由于一般的細胞纖小脆弱，單一細胞生物電是通過以下方法測量的：一是利用某些無脊椎動物特有的巨大神經(jīng)或肌細胞，如槍烏賊的神經(jīng)軸突，其直徑最大可達100μm左右，便于單獨剝出進行實驗觀察，脊椎動物的單一神經(jīng)纖維也可以設法剝出，但它們的直徑最粗也不過20μm左右，方法上較為困難。另一種方法是進行細胞內(nèi)微電極記錄，即用一個金屬或細玻璃管制成的充有導電液體而尖端直徑只有1.0μm或更細的微型記錄電極（凌寧和Gerard,1949)，由于它只有尖端導電，可用它刺入某一個在體或離體的細胞或神經(jīng)纖維的膜內(nèi)，測量細胞在不同功能狀態(tài)時膜內(nèi)電位和另一位于膜外的參考電極之間的電位差（即跨膜電位)，這樣記錄到的電變化，只與該細胞有關而幾乎不受其他細胞電變化的影響。
細胞水平的生物電現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式,這就是它們在安靜時具有的靜息電位和它們受到刺激時產(chǎn)生的動作電位。體內(nèi)各種器官或多細胞結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的多種形式的生物電現(xiàn)象，大都可以根據(jù)細胞水平的這些基本電現(xiàn)象來解釋。
靜息電位指細胞未受刺激時存在于細胞內(nèi)外兩側(cè)的電位差。測量細胞靜息電位的方法如圖2-11所示。R表示測量儀器如示波器，和它相連的一對測量電極中有一個放在細胞的外表面，另一個連了微電極，準備刺入膜內(nèi)。當兩個電極都處于膜外時，只要細胞未受到刺激或損傷，可發(fā)現(xiàn)細胞外部表面各點都是等電位的；這就是說，在膜表面任意移動兩個電極，一般都不能測出它們之間有電位差存在。但如果讓微電極緩慢地向前推進，讓它刺穿細胞膜進入膜內(nèi)，那么在電極尖端剛剛進入膜內(nèi)的瞬間，在記錄儀器上將顯示出一個突然的電位躍變，這表明細胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在著電位差。因為這一電位差是存在于安靜細胞的表面膜兩側(cè)的，故稱為跨膜靜息電位，簡稱靜息電位。
在所有被研究過的動植物細胞中（少數(shù)植物細胞例外)，靜息電位都表現(xiàn)為膜內(nèi)較膜外為負；如規(guī)定膜外電位為0，則膜內(nèi)電位大都在－10～－100mV之間。例如，槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突和蛙骨骼肌細胞的靜息電位為－50～－70mV，哺乳動物的肌肉和神經(jīng)細胞為－70～－90mV，人的紅細胞為－10mV，等等。靜息電位在大多數(shù)細胞是一種穩(wěn)定的直流電位（一些有自律性的心肌細胞和胃腸平地滑肌細胞例外)，只要細胞未受到外來刺激而且保持正常的新陳代謝，靜息電位就穩(wěn)定在某一相對恒定的水平。
在近代生理學文獻中，一些過去單純用來描述膜兩側(cè)電荷分布狀態(tài)的術語，仍被用來說明靜息電位的存在及其可能出現(xiàn)的改變。例如，人們常常把靜息電位存在時膜兩側(cè)所保持的內(nèi)負外正狀態(tài)稱為膜的極化(polarization)，原意是指不同極性的電荷分別在膜兩側(cè)的積聚；當靜息電位的數(shù)值向膜內(nèi)負值加大的方向變化時，稱作膜的超級化（hyperpolarization)；相反，如果膜內(nèi)電位向負值減少的方向變化，稱作去極化或除極（depolarization)；細胞先發(fā)生去極化，然后再向正常安靜時膜內(nèi)所處的負值恢復，則稱作復極化（repolarization)。
現(xiàn)通過圖2-11中的實驗布置，觀察單一神經(jīng)纖維動作電位的產(chǎn)生和波形特點，由圖中可見，當神經(jīng)纖維在安靜狀況下受到一次短促的閾刺激或閾上刺激時，膜內(nèi)原來存在的負電位將迅速消失，并且進而變成正電位，即膜內(nèi)電位在短時間內(nèi)可由原來的－70～－90mV變到+20～+40mV的水平，由原來的內(nèi)負外正變?yōu)閮?nèi)正外負。這樣，整個膜內(nèi)外電位變化的幅度應是90～130mV，這構(gòu)成了動作電位變化曲線的上升支；如果是計算這時膜內(nèi)電位由零值變正的數(shù)值，則應在整個幅值中減去膜內(nèi)電位由負上升到零的數(shù)值，在圖2-11中約為35mV，即動作電位上升支中零位線以上的部分，稱為超射值。但是，由刺激所引起的這種膜內(nèi)外電位的倒轉(zhuǎn)只是暫時的，很快就出現(xiàn)膜內(nèi)電位的下降，由正值的減小發(fā)展到膜內(nèi)出現(xiàn)刺激前原有的負電位狀態(tài)，這構(gòu)成了動作電位曲線的下降支。由此可見，動作電位實際上是膜受刺激后在原有的靜息電位基礎上發(fā)生的一次膜兩側(cè)電位的快速而可逆的倒轉(zhuǎn)和復原；在神經(jīng)纖維，它一般在0.5～2.0ms的時間內(nèi)完成，這使它在描記的圖形上表現(xiàn)為一次短促而尖銳的脈沖樣變化，因而人們常把這種構(gòu)成動作電位主要部分的脈沖樣變化，稱之為鋒電位。在鋒電位下降支最后恢復到靜息電位水平以前，膜兩側(cè)電位還要經(jīng)歷一些微小而較緩慢的波動，稱為后電位，一般是先有一段持續(xù)5～30ms的負后電位，再出現(xiàn)一段延續(xù)更長的正后電位，如圖2-11下所示（這里負后和正后電位兩個術語仍沿用動作電位細胞外記錄時的命名；確切地說，負后電位應稱為去極化后電位，而正后電位應稱為超極化后電位)。鋒電位存在的時期就相當于絕對不應期，這時細胞對新的刺激不能產(chǎn)生新的興奮；負后電位出現(xiàn)時，細胞大約正處于相對不應期和超常期，正后電位則相當于低常期。
圖 2-11 單一神經(jīng)纖維靜息電位和動作電位的實驗模式圖
R表示記錄儀器，S是一個電刺激器。當測量電極中的一個
微電極刺入軸突內(nèi)部時可發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)持續(xù)處于較膜外低70mV的負電位狀態(tài)。
當神經(jīng)受到一次短促的外加刺激時，膜內(nèi)電位快速上升到+35mV的水平，
約經(jīng)0.5～1.0ms后再逐漸恢復到刺激前的狀態(tài)。其他說明見正文
動作電位或鋒電位的產(chǎn)生是細胞興奮的標志，它只在刺激滿足一定條件或在特定條件下刺激強度達到閾值時才能產(chǎn)生。但單一神經(jīng)或肌細胞動作電位產(chǎn)生的一個特點是，只要刺激達到了閾強度，再增加刺激并不能使動作電位的幅度有所增大；也就是說，鋒電位可能因刺激過弱而不出現(xiàn)，但在刺激達到閾值以后，它就始終保持它某種固有的大小和波形。此外，動作電位不是只出現(xiàn)在受刺激的局部，它在受刺激部位產(chǎn)生后，還可沿著細胞膜向周圍傳播，而且傳播的范圍和距離并不因原初刺激的強弱而有所不同，直至整個細胞的膜都依次興奮并產(chǎn)生一次同樣大小和形式的動作電位。圖2-11的實驗布置中，神經(jīng)受刺激部位和記錄部位之間有一段距離；但不論記錄電極在職一神經(jīng)纖維上如何移動（除非是在纖維末梢處有了纖維形態(tài)的改變，或纖維的離子環(huán)境等因素發(fā)生了改變)，我們一般都能記錄到同樣大小和波形的鋒電位，所不同的只是刺激偽跡和鋒電位之間的間隔有所變化，這顯然與動作電位在神經(jīng)纖維上“傳導”到記錄電極所在部位時所消耗的時間長短有關。這種在同一細胞上動作電位大小不隨刺激強度和傳導距離而改變的現(xiàn)象，稱作“全或無”現(xiàn)象，其原因和生理意義將在下面討論。
在不同的可興奮細胞，動作電位雖然在基本特點上類似，但變化的幅值和持續(xù)時間可以各有不同。例如，神經(jīng)和骨骼肌細胞的動作電位的持續(xù)時間以一個或幾個毫秒計，而心肌細胞的動作電位則可持續(xù)數(shù)百毫秒；雖然如此，這些動作電位都表現(xiàn)“全或無”的性質(zhì)。
（三)生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生機制
早在1902年，Bernstein就提出膜學說，他根據(jù)當時關于電離和電化學的理論成果提出了經(jīng)典的膜學說來解釋當時用粗劣的電測量儀器記錄到的生物電現(xiàn)象。他認為細胞表面膜兩側(cè)帶電離子的不同分布和運動，是產(chǎn)生物電的基礎。但在當時和以后相當長的一段時期內(nèi)，還沒有測量單一細胞電活動的手段和其他有關技術，因此他的學說長期未能得到證實。直到本世紀40～50年代，Hodgkin 和Huxley等開始利用槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突和電生理學技術，進行了一系列有意義的實驗，不僅對經(jīng)典膜學說關于靜息電位產(chǎn)生機制的假設予以證實，而且對動作電位的產(chǎn)生作了新的解釋和論證。通過這一時期的研究，對于可興奮細胞靜息電位和動作電位的最一般原理已得到闡明，即細胞生物電現(xiàn)象的各種表現(xiàn)，主要是由于某些帶電離子在細胞膜兩側(cè)的不均衡分布，以及膜在不同情況下對這些離子的通透性發(fā)生改變所造成的。但是由于當時對細胞膜的分子結(jié)構(gòu)和膜中蛋白質(zhì)的存在形式和功能還知之甚少，因此Hodgkin等對生物電的理解只能是宏觀的，對微細過程只能用數(shù)學模型來說明。隨著70年代以來蛋白質(zhì)化學和分子生物學技術的迅速發(fā)展，蛋白質(zhì)分子從膜結(jié)構(gòu)中克隆出來，并從它們的分子結(jié)構(gòu)的特點來說明通道的功能特性；特別是70年代中期發(fā)展起來的膜片鉗（patch clamp)技術，可以觀察和記錄單個離子通道的功能活動，使宏觀的所謂膜對離子通透性或膜電導的改變，得到了物質(zhì)的、可測算的證明。
1.靜息電位和K+平衡電位 Bernstein最先提出，細胞內(nèi)外鉀離子的不均衡分布和安靜狀態(tài)下細胞膜主要對K+有通透性，可能是使細胞能保持內(nèi)負外正的極化狀態(tài)的基礎。已知所有正常生物細胞細胞內(nèi)的K+濃度超過細胞外K+很多，而細胞外Na+濃度超過細胞內(nèi)Na+濃度很多，這是Na+泵活動的結(jié)果；在這種情況下，K+必然會有一個向膜外擴散的趨勢，而Na+有一個向膜內(nèi)擴散趨勢。假定膜在安靜狀態(tài)下只對K+有通透的可能，那么只能有K+移出膜外，這時又由于膜內(nèi)帶負電荷的蛋白質(zhì)大分子不能隨之移出細胞，于是隨著K+移出，出現(xiàn)膜內(nèi)變負而膜外變得較正的狀態(tài)。K+的這種外向擴散并不能無限制地進行，這是因為移到膜外的K+所造成的外正內(nèi)負的電場力，將對K+的繼續(xù)外移起阻礙作用，而且K+移出的愈多，這種阻礙也會愈大。因此設想，當促使K+外移的膜兩側(cè)K+濃度勢能差同已移出K+造成的阻礙K+外移的電勢能差相等，亦即膜兩側(cè)的電-化學（濃度)勢代數(shù)和為零時，將不會再有K+的跨膜凈移動，而由已移出的K+形成的膜內(nèi)外電位差，也穩(wěn)定在某一不再增大的數(shù)值。這一穩(wěn)定的電位差在類似的人工膜物理模型中稱為K+平衡電位。Bernstein用這一原理說明細胞跨膜靜息電位的產(chǎn)生機制。不難理解，K+平衡電位所能達到的數(shù)值，是由膜兩側(cè)原初存在K+濃度差的大小決定的，它的精確數(shù)值可根據(jù)物理化學上著名的Nernst公式（1889)算出：
（1)
(1)式中Ek表示K+平衡電位，R是通用氣體常數(shù)，Z是離子價，F(xiàn)是Farady常數(shù)，T是絕對溫度；式中只有[K+]o和[K+]i是變數(shù)，分別代表膜兩側(cè)的K+濃度。如果把有關數(shù)值代入，室溫以27°С計算，再把自然對數(shù)化為常用對數(shù)，則式（1)可簡化為；(2)
�。�2)
如果，Bernstein應用當時物理化學最新成果說明細胞靜息電位產(chǎn)生機制的理論是正確的，那么在細胞實際測得的靜息電位的數(shù)值，應相當于把當時細胞內(nèi)外K+濃度值代入式（2)時計算所得的Ek值。1939年Hodgkin等利用了槍烏賊的巨大神經(jīng)纖維和較精密的示波器等測量儀器，第一次精確地測出此標本的靜息電位值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此值和計算所得的K+平衡電位值非常接近而略小于后者；如在一次實驗中測得的靜息電位值為－77mV，而按當時[K+]o和[K+]i值算出的Ek為－87mV，基本上符合膜學說關于靜息電位產(chǎn)生機制的解釋。
為了進一步證實這一理論，Hodgkin等又用人工地改變標本浸溶液中K+濃度即[K+]o，因而也改變了[K+] o/[K+] i值的實驗方法，觀察到所記錄的靜息電位的什也隨[K+]o的改變而改變，而改變的情況基本上同根據(jù)式（2)計算出的預期值相一致。隨后用微電極細胞內(nèi)記錄法在纖細的哺乳類標本也進行了類似的實驗，得到類似的結(jié)果，如在骨骼肌細胞測得的靜息電位為－90mV，而計算所得的Ek值為－95mV。這些實驗都說明，大多數(shù)細胞的靜息電位的產(chǎn)生，是由于正常細胞的細胞內(nèi)液高K+而膜在安靜時又主要對K+有通透能力的結(jié)果；至于靜息電位的數(shù)值為何略小于理論上的Ek值，一般認為是由于膜在靜息時對Na+也有極小的通透性（大約只有K+通透性的1/50～1/100)的緣故；由于膜外Na+濃度大于膜內(nèi)，即使小量的Na+逸入膜內(nèi)也會抵消一部分K+外移造成的膜內(nèi)負電位。
2．鋒電位和Na+平衡電位 Hodgkin等根據(jù)興奮時膜內(nèi)不僅出現(xiàn)負電位的消失，而且出現(xiàn)一定數(shù)值的正電位（相當于前面提到的超射值)的事實，因而認為對動作電位上升支的出現(xiàn)，不能像Bernstein那樣簡單地解釋為膜對K+通透性的消失，因為這樣最多也只能使膜內(nèi)原有的負電位回升到零。他們據(jù)此設想膜在受到刺激時可能出現(xiàn)了膜對Na+通透性的突然增大，超過了K+的通透性，由于細胞外高Na+，而且膜內(nèi)靜息時原已維持著的負電位也對Na+的內(nèi)流起吸引作用，于是Na+迅速內(nèi)流，結(jié)果先是造成膜內(nèi)負電位的迅速消失；而且由于膜外Na+的較高的濃度勢能，Na+在膜內(nèi)負電位減小到零電位時仍可繼續(xù)內(nèi)移，直至內(nèi)移的Na+在膜內(nèi)形成的正電位足以阻止Na+的凈移入時為止。不難設想，這時膜內(nèi)所具有的電位值，理論上應相當于根據(jù)膜內(nèi)外Na+濃度差代入Nernst公式時所得出的Na+平衡電位值（可寫為ENa)。實驗數(shù)據(jù)證明，動作電位所能達到的超射值，即膜內(nèi)正電位的數(shù)值，正相當于計算所得的ENa；而且實驗中隨著標本浸溶液中Na+被同等數(shù)目的葡萄糖分子所代替（使[Na+]o逐漸減小)，可以看到所能記錄到的動作電位的超射值和整個動作電位的幅度也逐漸減小，其程度也同按Nernst公式算出的預期值基本一致。
但是，膜內(nèi)電位停留在ENa水平的時間極短；隨后很快出現(xiàn)膜內(nèi)電位向靜息時的狀態(tài)恢復，亦即出現(xiàn)復極，造成了鋒電位曲線的快速下降支。如后來的實驗證明，這下降支的出現(xiàn)是由于Na+通透性的消失，并伴隨出現(xiàn)了K+通透性的增大。
細胞每興奮一次或產(chǎn)生一次動作電位，總有一部分Na+在去極化時進入膜內(nèi)，一部分K+在復極時逸出膜外，但由于離子移動受到各該離子的平衡電位的限制，它們的實際進出量是很小的；據(jù)估計，神經(jīng)纖維每興奮一次，進入膜內(nèi)的Na+量大約只能使膜內(nèi)的Na+濃度增大約八萬分之一，復極時逸出的K+量也類似這個數(shù)量級；即便神經(jīng)連續(xù)多次產(chǎn)生興奮，短時間內(nèi)也不大可能明顯地改變膜內(nèi)高K+和膜外高Na+這種基本狀態(tài)，而只要這種不均衡離子分布還能維持，靜息電位就可以維持，新的興奮就可能產(chǎn)生。細胞膜兩側(cè)K+、Na+離子的不均衡分布，主要是靠鈉泵蛋白質(zhì)消耗代謝能建立起來的，而由此形成的勢能貯備卻可供細胞多次產(chǎn)生興奮而不需當時耗氧供能。不過實際上鈉泵的活動又受膜內(nèi)外Na+、K+濃度的調(diào)控，它對膜內(nèi)Na+濃度增加十分敏感，Na+的輕微增加就能促使鈉泵的活動，因此在每次興奮后的靜息期內(nèi)，都有鈉泵活動的一定程度的增強，將興奮時多進入膜內(nèi)的Na+泵出，同時也將復極時逸出膜外的K+泵入，使興奮前原有的離子分布狀態(tài)得以恢復。這時由于兩種離子的轉(zhuǎn)運同時進行，出入的離子總數(shù)又近于相等，故一般不伴有膜兩側(cè)電位的明顯改變。但在膜內(nèi)Na+蓄積過多而使鈉泵的活動過度增強時，上述的定比關系可以改變，結(jié)果是泵出的Na+量有可能明顯超過泵入的K+量，這就可能使膜內(nèi)負電荷相對增多，使膜兩側(cè)電位向超極化的方向變化；這時的鈉泵，就稱為生電性鈉泵。有人認為，鋒電位以后出現(xiàn)的正后電位，是由于生電性鈉泵作用的結(jié)果。至于負后電位，則一般認為是在復極時迅速外流的K+蓄積在膜外側(cè)附近，因而暫時阻礙了K+外流的結(jié)果。
3.經(jīng)典的電壓鉗（或電壓固定)實驗 從上述可知，Hodgkin等對于動作電位產(chǎn)生機制的說明，關鍵在于膜受刺激時對Na+、K+的通透性發(fā)生了有選擇而時間亦有先后的改變，但這只是根據(jù)所測得的膜內(nèi)外電位改變對照Nernst公式進行的推論，實驗并沒有對膜的通透性進行直接的測量和動態(tài)描述。為此，他們又應有當時最先進的電子學技術，設計和進行了著名的電壓鉗（voltage clamp)實驗。實驗的設計根據(jù)是：離子作跨膜移動時形成了跨膜離子電流（I)，而通透性亦即離子通過膜的難易程度，就是膜的電阻（R)或其倒數(shù)電導（G)，因此所謂膜對某種離子通透性增大時，實際是膜對該離子的電導加大；對于帶電離子來說，膜電導就是膜通透性的同義語。根據(jù)歐姆定律，I=VG，可知在膜兩側(cè)電位差（V)固定不變的條件下，測出的跨膜電流I的變化，就可作為膜電導變化的度量。測定膜在受刺激時跨膜電流的改變在技術上是容易的，但在這過程中要保持膜電位固定不變卻不容易；因為當存在跨膜離子電流時，離子的進出膜會使不導電而有電容（C)特性的脂質(zhì)膜充電或放電，因而根據(jù)V=Q/C的關系（其中Q為電量，相當于I和時間t的乘積)，跨膜離子的移動必然要引起跨膜電位的改變；實際上記錄到的動作電位就是這種改變。正因為如此，Hodgkin等自行設計了一種應用負反饋原理的電子學裝置，使它們能在跨膜電位維持恒定（恒定的數(shù)值可由實驗者通過實驗裝置預先設定)的情況下，測量跨膜離子電流的強度改變，并由此計算出膜電導即膜通透性的變化情況。電壓鉗實驗的基本原理模式圖如圖2-12所示。圖中電極1插入巨大神經(jīng)軸突內(nèi)一定距離，用來測量和監(jiān)察這一段軸突膜內(nèi)的電位，此電極先連到一個電壓放大器，再在一個示波器上顯示；電極1測得電位值經(jīng)放大后同時輸給一個負反饋放大器（FBA)，這是整個儀器設計的關鍵部分，它可把測得的膜內(nèi)電位同來自一個電壓源的、由實驗者預先設定的要求保持恒定的電位值進行比較，如果二者有差值，F(xiàn)BA就會通過電極2向軸突膜內(nèi)輸出相應強度和方向的電流，由于儀器線路的精密設計和快速反應，電極2輸出電流的改變正足以補償標本由于跨膜離子電流使膜充放電而引起的跨膜電位的變動，于是與電極1相邊的示波器上顯示出膜內(nèi)電位固定在設定的數(shù)值，而在電流放大器IA上測得的跨膜離子電流的變化，就反映了膜電導的變化。
圖 2-12 電壓鉗實驗布置模式圖
電壓固定實驗獲得了許多有意義的結(jié)論。首先一點是，只有設定的膜內(nèi)電位固定在去極化水平時，才有可能出現(xiàn)膜的Na+電導（GNa)和K+電導（Gk)的增大，并且設定電位愈接近零值，電導的增大也愈明顯；相反，如果設定的膜內(nèi)電位值是超極化的，則不可能引起跨膜離子電流和膜電導的改變，這一點以后還要談到。以圖2-13的記錄曲線為例，分析不同離子的電導在一次興奮過程中的變化情況。圖中最上方曲線表示在一次電壓鉗實驗中，把膜內(nèi)電位由靜息時的－65mV突然固定（這就是（clamp)的意思)在－9mV，結(jié)果很快引起一次如曲線A的跨膜電流變化曲線，這曲線的開始部分是內(nèi)向的，以后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥庀螂娏�。只記錄到�?nèi)向或外向電流還不能說明電荷的攜帶者是何種離子，根據(jù)過去的實驗者有理由認為，先出現(xiàn)的內(nèi)向電流可能是Na+電流（INa)，外向電流則可能是K+電流（Ik)。用附加的實驗觀察證明了這點：假定把標本浸浴液中的NaCI用相同摩爾數(shù)的氯化膽堿來代替，則在同樣的條件下只能記錄到較晚出現(xiàn)的曲線B，它是外向的，這顯然是因為不能出現(xiàn)內(nèi)向的INa的結(jié)果；把曲線A和B逐點相減，就能得到曲線C，它就是內(nèi)向的INa；由INa、Ik兩條曲線，就可算出GNa和Gk的變化曲線，其特點是：（1)GNa和Gk都是電壓依從性的，只能由跨膜電位的去極化所激活，但GNa被激活得早，是動作電位上升支出現(xiàn)的基礎，而Gk激活出現(xiàn)緩慢，是動作電位復極到靜息電位水平的基礎；（2)GNa有失活（inactivation)狀態(tài)而Gk沒有此特性，其證明是圖2-13中曲線C只存在1～2ms，以后跨膜電壓雖仍固定在－9mV的水平，但GNa早已恢復到原初水平，而代表Gk的曲線B雖然出現(xiàn)較晚，但它在設定電位持續(xù)期間一直維持在較同的水平。GNa失活的出現(xiàn)和Gk的激活是造成神經(jīng)纖維和骨骼肌細胞表現(xiàn)短促的鋒電位的原因；在膜復極以后GNa的失活狀態(tài)才能消失，這時GNa才能因膜的去極化而再出現(xiàn)增大。
圖2-13 電壓鉗實驗結(jié)果示意圖
將巨大神經(jīng)纖維的膜電位由原來的-65mv突然上升并固定于-9mv的水平時，
膜的離子電流的變化情況（曲線A、B、C的意義見正文)
根據(jù)圖2-13中INa和Ik兩條電流曲線，即可計算出同這兩者相對應的GNa和Gk曲線，再根據(jù)這一段膜所具有的電容的數(shù)值（有人測得每cm2的槍烏賊軸突膜的電容約為1μF)，就可算出如果“允許”每一瞬間的離子移動在電容上形成電位改變時，有可能造成怎樣的跨膜電位的改變，這正是不進行“電壓固定”時的情況，而由此作出的電位變化曲線正好同在一般實驗中記錄到的動作電位的波形特點一致，如圖2-14所示。這進一步說明了電壓鉗實驗證明動作電位產(chǎn)生機制的正確性。
4．膜片鉗實驗和單通道離子電流的記錄通過上節(jié)關于電壓門控通道的特性分析已知，所謂膜對某種離子通透性的改變，實際上決定于膜結(jié)構(gòu)中有關離子通道蛋白質(zhì)分子的功能狀態(tài)；例如，Hodgkin等測出的GNa的變化，實際是那一段軸突膜上眾多的電壓門控式Na+通道因膜的去極化而開放的結(jié)果。在Hodgkin等當時進行的膜電導改變的數(shù)學模擬中，已經(jīng)明確提示，GNa和Gk的改變不是均勻地發(fā)生在整個膜平面上，而是與膜上某些特定的“點”有關，不久又發(fā)現(xiàn)，有些藥物可以選擇性地阻斷某種離子的跨膜移動，如河豚毒可以單獨阻斷GNa而不影響Gk，四乙基銨可以單獨阻斷Gk而不影響GNa；以同位素標記的河豚毒只能與膜上某些特殊的“點”作特異性結(jié)合，而標記的四乙基銨只能與另一些“點”結(jié)合。這些實驗以及興奮過程中離子移動數(shù)目之多與快，逐漸使人們推斷膜結(jié)構(gòu)中有特殊的蛋白質(zhì)離子通道的存在。這說明，“通道”概念的提出，遠在通道的實質(zhì)被闡明以前，是前者促進了對后者的進一步探索。70年代中期由Neher和Sakmann等發(fā)展出一種能夠記錄膜結(jié)構(gòu)中單一的離子通道蛋白質(zhì)分子的開放和關閉、亦即測量單通道離子電流和電導的技術，稱為膜片鉗實驗。
圖 2-14 電導變化與電位變化的關系示意圖
根據(jù)電壓鉗實驗中測得的Na+電導（GNa)和K+電導（Gk)的變化過程，
可以算出在膜電位不進行人為固定時，相應的Na+、K+離子電流在膜電容
上引起的電位變化（實線)，其形狀正同在標本上記錄到的動作電位的波形一致
膜片鉗實驗的基本原理如圖2-15A所示：用一個尖端光潔、直徑約0.5～3μm的玻璃微電極同神經(jīng)或肌細胞的膜接觸而不刺入，然后在微電極另一端開口施加適當?shù)呢搲�，將與電極尖端接觸的那一小片膜輕度吸入電極尖端的纖細開口，這樣在這小片膜周邊與微電極開口處的玻璃邊沿之間，會形成緊密的封接，在理想的情況下其電阻可達數(shù)個或數(shù)十千兆歐（其物理過程目前尚不清楚)，這實際上把吸附在微電極尖端開口處的那一小片膜同其余部分的膜在電學上完全隔離開來；如果在這一小片膜中只包含了一個或少數(shù)幾個通道蛋白質(zhì)分子，那么通過此微電極就可能測量出單一通道開放時的離子電流和電導，并能對單通道的其他功能特性進行分析。
圖2-15 膜片鉗實驗布置示意圖
A：圖中Ip為記錄到的單通道電流，VCMD決定設定的膜電位數(shù)值
B：在大鼠胚胎骨骼肌細胞膜片上記錄到的由ACH激活的單通道
離子電流，強度為pA（皮安)級
從Neher等最初用膜片鉗技術觀察骨骼肌終板膜處的單一ACh-門控通道機能特性開始，已經(jīng)對多種通道進行了觀察，發(fā)現(xiàn)它們一般有如下共同特性：（1)不論是化學門控或電壓門控通道，它們的開放和關閉都是突然的，使描繪出的電流曲線呈方波狀，說明相應的蛋白質(zhì)分子可以從一種構(gòu)象快速地躍變到另一種構(gòu)象；（2)每種通道開放時具有恒定的電導，即在恒定的情況下，只能看到“開”或“關”兩種狀態(tài)，很少看到“半開”或“部分開”的情況；（3)即使是同一通道分子，每次開放的持續(xù)時間長短也不一致，似乎說明蛋白質(zhì)分子可在開放和關閉兩種構(gòu)象之間“擺動”，停留在某種狀態(tài)的長短具有隨機的性質(zhì)；（4)在化學門控通道結(jié)合了相應的化學信號分子，或電壓門控通道所在膜兩側(cè)處于特定的電位差的情況下，“擺動”的次數(shù)增多，開放的機率增大，而“失活”使開放的機率減小。
用單通道記錄可說明在自然情況下整段膜的離子電導和離子電流的形成機制；以上述GNa增大為例，它顯然是該段膜中眾多的Na+通道在去極化的影響下出現(xiàn)開放的機率增加所決定的，而在每一瞬間同時出現(xiàn)的各通道的電導或離子電流相互疊加，于是如圖2-16B所示，這種疊加形成的Na+電流曲線，正好和圖2-13中的曲線C相似。
膜片鉗實驗可用于各種細胞，由于微電極不刺入細胞，即使用于纖小的細胞也不致造成損傷。膜片鉗實驗已有各種變式，如吸著在微電極尖端的小膜片可以隨電極而同原細胞脫離，把它們浸入人工浸浴液中，就可以觀察某些因素在膜的胞漿側(cè)怎樣影響通道功能；也可以形成膜的胞漿側(cè)面向微電極尖端開口而膜表面?zhèn)让嫦蚪∫旱膶嶒災Ｊ剑鹊�。膜片鉗實驗也已用于細胞生物電以外的功能研究，如細胞的分泌過程等。
圖2-16 電壓門控Na+通道的膜片鉗記錄A：
隨著靜息電位（Em)由－110mV突然固定到－50mV，
在3次膜片鉗實驗記錄到的離子電流 B：將144次膜片鉗記錄
到的離子電流曲線進行平均疊加，得到一條類似圖
2-13中曲線C的Na+電流曲線，說明后者是多數(shù)Na+通道激活的結(jié)果
三、興奮的引起和興奮的傳導機制
�。ㄒ�)閾電位和鋒電位的引起
膜內(nèi)負電位必須去極化到某一臨界值時，才能在整段膜引發(fā)一次動作電位，這個臨界值大約比正常靜息電位的絕對值小10～20mV，稱為閾電位。例如，巨大神經(jīng)軸突的靜息電位為－70mV，它的閾電位約為－55mV。這不是由于小于閾電位的去極化不引起GNa的增加，實際情況是這時也有一定數(shù)目的Na+通道開放，但由于膜對K+的通透性仍大于Na+，因而少量的Na+內(nèi)流及其對膜內(nèi)電位的影響隨即被K+的外流所抵消，因而去極化不能繼續(xù)發(fā)展下去，不能形成動作電位。只有當外來刺激引起的去極化達到閾電位水平時，由于較多量Na+通道的開放造成了膜內(nèi)電位較大的去極化，而此去極化已不再能被K+外流所抵消，因而能進一步加大膜中Na+通道開放的機率，結(jié)果又使更多Na+內(nèi)流增加而造成膜內(nèi)進一步的去極化，如此反復促進，就形成一種正反饋的過程，稱為再生性循環(huán)，其結(jié)果使膜內(nèi)去極化迅速發(fā)展，形成動作電位陡峭的升支，直至膜內(nèi)電位上升到近于Na+平衡電位的水平。由此可見，閾電位不是單一通道的屬性，而是在一段膜上能使Na+通道開放的數(shù)目足以引起上面描述的再生性循環(huán)出現(xiàn)的膜內(nèi)去極化的臨界水平。由此也不難理解，只要刺激大于能引起再生性循環(huán)的水平，膜內(nèi)去極化速度就不再決定于原刺激的大�。徽麄�動作電位上升支的幅度也只決定于原來靜息電位的值和膜內(nèi)外的Na+濃度差，而與引起此次動作電位的刺激大小無關。此即動作電位所以能表現(xiàn)“全或無”現(xiàn)象的機制。
閾電位是用膜本身去極化的臨界值來描述動作電位的產(chǎn)生條件。所謂閾強度，是作用于標本時能使膜的靜息電位去極化到閾電位的外加刺激的強度；這就是閾強度和閾電位在概念上的區(qū)別。
�。ǘ�)局部興奮及其特性
一個閾下刺激會對可興奮細胞產(chǎn)生何種影響？可通過圖2-17中的實驗回答。在巨大神經(jīng)軸突放置一對刺激電極，但其中一個電極穿入膜內(nèi)，再在附近放置一個作膜內(nèi)電反應記錄的記錄電極。假定先把膜內(nèi)的刺激電極連到電源正極，那么電路接通時將會產(chǎn)生去極化；如果這個去極化未能達到閾電位，則說明所用電刺激強度屬于閾下刺激。但如前所述，閾下刺激雖未能膜電位達到閾電位的去極化，也能引起該段膜中所含Na+通道的少量開放，只是開放的機率少，于是少量內(nèi)流的Na+和電刺激造成的去極化疊加起來，在受刺激的膜局部出現(xiàn)一個較小的膜的去極化反應，稱為局部反應或局部興奮，局部興奮由于強度較弱，且很快被外流的K+所抵消，因而不能引起再生性循環(huán)而發(fā)展成真正的興奮或動作電位。圖2-17B就記錄了一組這樣的實驗曲線，說明在閾下刺激的范圍內(nèi)，刺激強度愈強，引起的膜的去極化即局部興奮的幅度愈大（由表示靜息電位水平的線段上方的各條曲線表示)，延續(xù)的時間也愈長；只有當局部興奮的幅度大到足以引發(fā)再生性循環(huán)的水平時，膜的去極化的速度才突然加大，這樣局部興奮就發(fā)展成為動作電位。
局部興奮有以下幾個基本特性：（1)不是“全或無”的，而是隨著閾下刺激的增大而增大；（2)不能在膜上作遠距離的傳播，雖然由于膜本身有電阻特性且膜內(nèi)外都是電解質(zhì)溶液，發(fā)生在膜的某一點的局部興奮，可以使鄰近的膜也產(chǎn)生類似的去極化，但隨距離加大而迅速減小以至消失，這個局部興奮所波及的范圍在一般神經(jīng)細胞膜上不超過數(shù)十乃至數(shù)百微米，但有的細胞本身也不很大，如神經(jīng)元細胞體，局部興奮的這種電緊張性擴布(eletrotonic propagation)還是有重要生理意義的；（3)局部興奮是可以互相疊加的，也就是說，當一處產(chǎn)生的局部興奮由于電緊張性擴布致使鄰近處的膜也出現(xiàn)程度較小的去極化，而該處又因另一刺激也產(chǎn)生了局部興奮，雖然兩者（當然不一定限于兩者)單獨出現(xiàn)時都不足以引發(fā)一次動作電位，但如果遇到一起時可以疊加起來，以致有可能達到閾電位而引發(fā)一次動作電位。稱為興奮的空間性總和；局部興奮的疊加也可以發(fā)生在連續(xù)受數(shù)個閾下刺激的膜的某一點，亦即當前面刺激引起的局部興奮尚未消失時，與后面刺激引起的局部興奮發(fā)生疊加，稱為時間性總和�？偤同F(xiàn)象在神經(jīng)元細胞的功能活動中十分重要和常見。另外，由圖示2-17B中還可看到，當刺入膜內(nèi)的刺激電極和電源負極相連時，通電時只能引起膜的超級化（圖中水平線下方的那組曲線)；刺激愈強，超極化程度愈大，但不引起Na+通道開放，更不能引發(fā)鋒電位。事實上，這時由于膜內(nèi)電位和閾電位之間差值加大，因而該處膜變得更不容易興奮了。體內(nèi)某些感受器細胞、部分腺細胞和平滑肌細胞，以及神經(jīng)細胞體上的突觸后膜和骨骼肌細胞的終板膜，它們在受刺激時不產(chǎn)生“全或無”形式的動作電位，而只出現(xiàn)原有靜息電位的微弱而緩慢的變動，分別稱為感受器電位、慢電位、突觸后電位和終板電位。這些電位也具有類似局部興奮的特性。這些形式的電變化，實際是使另一細胞或同一細胞的其他部分的膜產(chǎn)生“全或無”式動作電位上的過渡性電變化。
圖2-17 局部興奮的實驗布置（A)和實驗結(jié)果（B)示意圖說明見正文
�。ㄈ�)興奮在同一細胞上的傳導機制
可興奮細胞的特征之一是它任何一處的膜產(chǎn)生的動作電位，都可沿著細胞膜向周圍傳播，使整個細胞的膜都經(jīng)歷一次類似于被刺激部位的離子電導的改變，表現(xiàn)為動作電位沿整個細胞膜的傳導。傳導的機制實際已包含在興奮膜的上述特性之中。設想一條槍烏賊的無髓神經(jīng)纖維的某一小段，因受到足夠強的外加刺激而出現(xiàn)了動作電位（圖2-18，B左端)，即該處出現(xiàn)了膜兩側(cè)電位的暫時性倒轉(zhuǎn)，由靜息時的內(nèi)負外正變?yōu)閮?nèi)正外負，但和該段神經(jīng)相鄰接的神經(jīng)段仍處于安靜時的極化狀態(tài)；由于膜兩側(cè)的溶液都是導電的，于是在已興奮的神經(jīng)段和與它相鄰的未興奮的神經(jīng)段之間，將由于電位差的存在而有電荷移動，稱為局部電流。它的運動方向是：膜外有正電荷由未興奮段移向已興奮段，膜內(nèi)有正電荷由已興奮段移向未興奮段。這樣流動的結(jié)果，是造成未興奮段膜內(nèi)電位升高而膜外電位降低，亦即引起該處膜的去極化；這一過程開始時，就相當于電緊張性擴布。根據(jù)上述關于興奮產(chǎn)生的醫(yī)學全.在線m.zxtf.net.cn機制的分析，當任何原因使膜的去極化達到閾電位的水平時，都會大量激活該處的Na+通道而導致動作電位的出現(xiàn)。因此，當局部電流的出現(xiàn)使鄰接的未興奮的膜去極化到閾電位時，也會使該段出現(xiàn)它自己的動作電位。所謂動作電位的傳導，實際是已興奮的膜部分通過局部電流“刺激”了未興奮的膜部分，使之出現(xiàn)動作電位；這樣的過程在膜表面連續(xù)進行下去，就表現(xiàn)為興奮在整個細胞的傳導。由于鋒電位產(chǎn)生期間電位變化的幅度和陡度相當大，因此在單一細胞局部電流的強度超過了引起鄰近膜興奮所必需的閾強度數(shù)倍以上，因而以局部電流為基礎的傳導過程是相當“安全”的，亦即一般不易因某處動作電位不足以使鄰接的膜產(chǎn)生興奮而導致傳導“阻滯”，這一點與一般化學性突觸處的興奮傳遞有明顯的差別。
圖2-18 神經(jīng)纖維傳導機制的模式圖彎箭頭表示膜內(nèi)外
局部電流的流動方向，下方直箭頭表示沖動傳導方向。
A：靜息時 B：發(fā)生興奮后 C：傳導過程中
興奮傳導機制雖然以無髓神經(jīng)纖維為例，但在其他可興奮細胞（如骨骼肌細胞)的興奮傳導，基本上遵循同樣的機制。有髓神經(jīng)纖維在軸突外面包有一層相當厚的髓鞘，髓鞘主要成分的脂質(zhì)是不導電或不允許帶電離子通過的，因此只有在髓鞘暫時中斷的朗飛結(jié)處，軸突膜才能和細胞外液接觸，使跨膜離子移動得以進行。因此，當有髓纖維受到外加刺激時，動作電位只能在鄰近刺激點的朗飛結(jié)處產(chǎn)生，而局部電流也只能發(fā)生在相鄰的朗飛結(jié)之間，其外電路要通過髓鞘外面的組織間液，因此，動作電位表現(xiàn)為跨過每一段髓鞘而在相鄰朗飛結(jié)處相繼出現(xiàn)，這稱為興奮的跳躍式傳導。
跳躍式傳導時的興奮傳導速度，顯然比上述無髓纖維或一般細胞的傳導速度快得多；而且由于跳躍式傳導時，單位長度內(nèi)每傳導一次興奮所涉及的跨膜離子運動的總數(shù)要少得多，因此它還是一種“節(jié)能”的傳導方式。看來，神經(jīng)髓鞘的出現(xiàn)是進化過程中既能增加神經(jīng)纖維傳導速度、又能減少生物能量消耗的一種方式。無脊椎動物沒有有髓神經(jīng)纖維，而無髓纖維增加增加傳導速度的一個可能途徑是增大軸突的直徑，因為這樣可以減少膜內(nèi)液體的電阻而增加局部電流的強度，使動作電位的傳導速度加快；這大概就是需要進行快速神經(jīng)反應的槍烏賊在進化中出現(xiàn)巨大的無髓神經(jīng)纖維的道理所在。但徐科（1993)等人指出，某些無脊椎動物的神經(jīng)纖維也可以一種特殊的方式進行跳躍式傳導。
如果一條神經(jīng)纖維在它的中間部受到刺激，將會有動作電位由中間向纖維兩端傳送，這是由于局部電流可以出現(xiàn)在原興奮段兩側(cè)之故。由此可以理解，興奮在同一細胞上的傳導，并不限于朝向某一方向；體內(nèi)神經(jīng)纖維所以有傳入和傳出之分，只是由于在整體的自然條件下，傳入纖維只能在它們和感受器相連接的外周端被刺激，而傳出纖維只能在它們的細胞體產(chǎn)生沖動而傳向外周，并非是由于這些纖維本身只能單方向傳導興奮的緣故。以動作電位為興奮出現(xiàn)的指標，可以測定興奮在各種細胞的傳導速度。例如，人體一些較粗的有髓神經(jīng)纖維的傳導速度，最快可達每秒100m以上，而一些細胞的無髓纖維每秒傳導距離還不到1m；構(gòu)成心臟內(nèi)部傳導系統(tǒng)的浦肯野細胞，每秒傳導速度約4～5m，是心肌細胞中傳導速度最快的。
第四節(jié) 肌細胞的收縮功能
人體各種形式的運動，主要是靠一些肌細胞的收縮活動來完成的。例如，軀體的各種運動和呼吸動作由骨骼肌的收縮來完成；心臟的射血活動由心肌的收縮來完成；一些中空器官如胃腸、膀胱、子宮、血管等器官的運動，則由平滑肌的收縮來完成。不同肌肉組織在功能和結(jié)構(gòu)上各有特點，但從分子水平來看，各種收縮活動都與細胞內(nèi)所含的收縮蛋白質(zhì)，主要與肌凝蛋白和肌纖蛋白的相互作用有關；收縮和舒張過程的控制，也有某些相似之處。本節(jié)以研究最充分的骨骼肌為重點，說明肌細胞的收縮機制。
骨骼肌是體內(nèi)最多的組織，約占體重的40%。在骨和關節(jié)的配合下，通過骨骼肌的收縮和舒張，完成人和高等動物的各種軀體運動。骨骼肌由大量成束的肌纖維組成，每條肌纖維就是一個肌細胞。成人肌纖維呈細長圓柱形，直徑約60μm，長可達數(shù)毫米乃至數(shù)十厘米。在大多數(shù)肌肉中，肌束和肌纖維都呈平行排列，它們兩端都和由結(jié)締組織構(gòu)成的腱相融合，后者附著在骨上，通常四肢的骨骼肌在附著點之間至少要跨過一個關節(jié)，通過肌肉的收縮和舒張，就可能引起肢體的屈曲和伸直。我們的生產(chǎn)勞動、各種體力活動等，都是許多骨骼肌相互配合的活動的結(jié)果。每個骨骼肌纖維都是一個獨立的功能和結(jié)構(gòu)單位，它們至少接受一個運動神經(jīng)末梢的支配，并且在體骨骼肌纖維只有在支配它們的神經(jīng)纖維有神經(jīng)沖動傳來時，才能進行收縮。因此，人體所有的骨骼肌活動，是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制下完成的。
一、神經(jīng)-骨骼肌接頭處的興奮傳遞
運動神經(jīng)纖維在到達神經(jīng)末梢處時先失去髓鞘，以裸露的軸突末梢嵌入到肌細胞膜上稱作終板的膜凹陷中，但軸突末梢的膜和終板膜并不直接接觸，而是被充滿了細胞外液的接頭間隙隔開，其中尚含有成分不明的基質(zhì)；有時神經(jīng)末梢下方的終板膜還有規(guī)則地再向細胞內(nèi)凹入，形成許多皺褶，其意義可能在于增加接頭后膜的面積，使它可以容納較多數(shù)目的蛋白質(zhì)分子，它們最初被稱為N-型乙酰膽堿受體，現(xiàn)已證明它們是一些化學門控通道，具有能與ACh特異性結(jié)合的亞單位。在軸突末梢的軸漿中，除了有許多線粒體外還含有大量直徑約50nm的無特殊構(gòu)造的囊泡（圖2-19)。用組織化學的方法可以證明，囊泡內(nèi)含有ACh；此ACh首先在軸漿中合成，然后貯存在囊泡內(nèi)。據(jù)測定，每個囊泡中貯存的ACh量通常是相當恒定的，且當它們被釋放時，也是通過出胞作用，以囊泡為單位“傾囊”釋放，被稱為量子式釋放。在神經(jīng)末梢處于安靜狀態(tài)時，一般只有少數(shù)囊泡隨機地進行釋放，不能對肌細胞產(chǎn)生顯著影響。但當神經(jīng)末梢處有神經(jīng)沖動傳來時，在動作電位造成的局部膜去極化的影響下，大量囊泡向軸突膜的內(nèi)側(cè)面靠近，通過囊泡膜與軸突膜的融合，并在融合處出現(xiàn)裂口，使囊泡中的ACh全部進入接頭間隙。據(jù)推算，一次動作電位的到達，能使大約200～300個囊泡的內(nèi)容排放，使近107個ACh分子被釋放。軸突末梢處的電位變化引起囊泡排放的過程十分復雜，但首先是軸突末梢膜的去極化，引起了該處特有的電壓門控式Ca2+通道開放，引起細胞間隙液中的Ca2+進入軸突末梢，觸發(fā)了囊泡移動以至排放的過程。Ca2+的進入量似乎決定著囊泡釋放的數(shù)目；細胞外液中低Ca2+或（和)高Mg2+，都可阻礙ACh的釋放而影響神經(jīng)-肌接頭的正常功能。已故馮德培院士在30年代對神經(jīng)-肌接頭的化學性質(zhì)傳遞進行過重要的研究。
圖2-19 神經(jīng)-肌接頭處的超微結(jié)構(gòu)示意圖
當ACh分子通過接頭間隙到達終板膜表面時，立即同集中存在于該處的特殊通道蛋白質(zhì)的兩個α-亞單位結(jié)合，每分子的通道將結(jié)合兩個分子的ACh，由此引起的蛋白質(zhì)分子內(nèi)部構(gòu)象的變化會導致它的通道結(jié)構(gòu)的開放。這種通道開放時，孔道的橫截面比前面提到的Na+通道的面積為大，可允許Na+、K+甚至少量Ca2+同時通過；由于這幾種離子正常時在膜內(nèi)處的分布特點，實際出現(xiàn)的是Na+的內(nèi)流和K+的外流，其總的結(jié)果是使終板膜處原有靜息電位減小，向零值靠近，亦即出現(xiàn)膜的去極化；這一電變化，稱為終板電位，它的出現(xiàn)約較神經(jīng)沖動到達接頭前膜處晚0.5～1.0ms。有人曾在運動神經(jīng)無沖動到達末梢時，記錄到由于個別囊泡的自發(fā)釋放在終板膜上引起的微小的電變化，稱為微終板電位。終板電位與前述的局部興奮電反應有類似的性質(zhì)：不表現(xiàn)“全或無”特性，其大小與接頭前膜釋放的ACh的量成比例；無不應期，可表現(xiàn)總和現(xiàn)象等，如我們一般記錄到的終板電位就是多數(shù)微終板電位總和的結(jié)果。終板電位產(chǎn)生時，它將以電緊張性擴布的形式影響終板膜周圍一般肌細胞膜。一般的肌細胞膜與神經(jīng)軸突的膜性質(zhì)類似，其中主要含電壓門控式Na+通道和K+通道；因而當同終板膜鄰接的肌細胞膜的靜息電位由于終板電位的影響而去極化到該處膜的閾電位水平時，就會引發(fā)一次向整個肌細胞膜作“全或無”式傳導的動作電位，后者再通過所謂“興奮-收縮耦聯(lián)”，引起肌細胞出現(xiàn)一次機械收縮。
正常情況下，一次神經(jīng)沖動所釋放的ACh以及它所引起的終板電位的大小，大約超過引起肌細胞膜動作電位所需閾值的3～4倍，因此神經(jīng)肌接頭處的興奮傳遞通常是1對1的，亦即運動纖維每有一次神經(jīng)沖動到達末梢，都能“可靠地”使肌細胞興奮一次，誘發(fā)一次收縮；這一點與將來要講的神經(jīng)元之間的興奮傳遞有明顯不同（見第十章)。接頭傳遞能保持1對1的關系，還要靠每一次神經(jīng)沖動所釋放的ACh能夠在它引起一次肌肉興奮后被迅速清除，否則它將持續(xù)作用于終板而使終板膜持續(xù)去極化，并影響下次到來的神經(jīng)沖動的效應。已知，ACh的清除主要靠膽鹼酯酶的降解作用來完成，此酶主要分布在接頭間隙中和接頭后膜上，它們大約可以在2.0ms的時間內(nèi)將一次神經(jīng)沖動所釋放的ACh清除掉。許多藥物可以作用于接頭傳遞過程中的不同階段，影響正常的接頭功能。例如，美洲箭毒和α-銀環(huán)蛇毒可以同ACh競爭終板膜的ACh受體亞單位，因而可以阻斷接頭傳遞而使肌肉失去收縮能力；有類似作用的藥物稱為肌肉松弛劑；有機磷農(nóng)藥和新斯的明對膽堿酯酶有選擇性的抑制作用，可造成ACh在接頭和其他部位的大量積聚，引起種種中毒癥狀。重癥肌無力是由于體內(nèi)骨骼肌終板處的ACh門控通道數(shù)量不足或功能障礙所引起。
二、骨骼肌細胞的微細結(jié)構(gòu)
骨骼肌細胞在結(jié)構(gòu)上最突出之點，是含有大量的肌原纖維和豐富的肌管系統(tǒng)，且其排列高度規(guī)則有序。肌細胞是體內(nèi)耗能作功，完成機體多種機械運動的功能單位。
�。ㄒ�)肌原纖維和肌小節(jié)
每個肌纖維含有大量直徑1～2μm的纖維狀結(jié)構(gòu)，稱為肌原纖維，它們平行排列，縱貫肌纖維全長，在一個細胞中可達上千條之多（圖2-20)。每條肌原纖維的全長都呈現(xiàn)規(guī)則的明、暗交替，分別稱為明帶和暗帶；而且在平行的各肌原纖維之間，明帶和暗帶又都分布在同一水平上；暗帶的長度比較固定，不論肌肉處于靜止、受到被動牽拉或進行收縮時，它都保持1.5μm的長度；在暗帶中央，有一段相對透明的區(qū)域，稱為H帶，它的長度隨肌肉所處狀態(tài)的不同而有變化；在H帶中央亦即整個暗帶的中央，又有一條橫向的暗線，稱為M線。明帶的長度是可變的，它在肌肉安靜時較長，并且在一定范圍內(nèi)可因肌肉所受的被牽引而變長；但明帶在肌肉收縮時可變短。明帶中央也有一條橫向的暗線，稱為z線（或z盤)。目前已經(jīng)肯定，肌原纖維上每一段位于兩條z線之間的區(qū)域，是肌肉收縮和舒張的最基本單位，它包含一個位于中間部分的暗帶和兩側(cè)各1/2的明帶，合稱為肌小節(jié)（sarcomere)。由于明帶的長度可變，肌小節(jié)的長度在不同情況下可變動于1.5～3.5μm之間；通常在體骨骼肌安靜時肌小節(jié)的長度約為2.0～2.2μm。
圖2-20 骨骼肌細胞的肌原纖維和肌管系統(tǒng)
注意肌小節(jié)能的組成和不同部位肌小節(jié)橫斷布粗、細肌絲的幾何排列
用X-線衍射等更精密的方法進一步發(fā)現(xiàn)，肌小節(jié)的明帶和暗帶包含有更細的、平行排列的絲狀結(jié)構(gòu)，稱為肌絲。暗帶中含有的肌絲較粗，直徑約10nm，稱為粗肌絲，其長度與暗帶相同；實際上暗帶的形成就是由于粗肌絲的存在，M線則是把成束的粗肌絲固定在一定位置的某種結(jié)構(gòu)。明帶中的肌絲較細，直徑約5nm，稱為細肌絲；它們由z線結(jié)構(gòu)向兩側(cè)明帶伸出，每側(cè)的長度都是1.0nm，它的游離端在肌小節(jié)總長度小于3.5nm的情況下，必然有一段要伸入暗帶，和粗肌絲處于交錯和重疊的狀態(tài)；如果由兩側(cè)z線伸入暗帶的細肌絲未能相遇而隔有一段距離，這就形成了H帶。肌肉被拉長時，肌小節(jié)長度增大，這時細肌絲由暗帶重疊區(qū)拉出，使明帶長度增大，H帶也相應地增大（圖2-20，下)。
粗、細肌絲相互重疊時，在空間上也呈現(xiàn)規(guī)則排列，這可從肌原纖維的橫斷面上看出。圖2-20下方表示在肌小節(jié)的不同位置將肌原纖維橫節(jié)時，斷面上所能看到的兩種肌絲的分布情況。在通過明帶的橫斷面上只有細肌絲，它們的所在位置相當于一個正六邊形的各頂點；在通過H帶的橫斷面上只有粗肌絲，它們都處于正三邊形的各頂點上；而在H帶兩側(cè)的暗帶的橫斷面上，則可看到粗、細肌絲交錯存在的情況，這里，每一條粗肌絲正處在以六條細肌絲為頂點的正六邊形的中央，而這就為收縮時粗細肌絲之間的相互作用準備了條件。
�。ǘ�)肌管系統(tǒng)
肌管系統(tǒng)指包繞在每一條肌原纖維周圍的膜性囊管狀結(jié)構(gòu)，由來源和功能都不相同的兩組獨立的管道系統(tǒng)組成。一部分肌管的走行方向和肌原纖維相垂直，稱為橫管系統(tǒng)或稱T管，是由肌細胞的表面膜向內(nèi)凹入而形成；它們穿行在肌原纖維之間，并在z線水平（有些動物是在暗帶和明帶銜接處的水平)形成環(huán)繞肌原纖維的管道；它們相互交通，管腔通過肌膜凹入處的小孔與細胞外液相通。將標記物加入到細胞的浸浴液中，這些物質(zhì)可以很快在每一條環(huán)繞肌小節(jié)的橫管系統(tǒng)中出現(xiàn)，但不能進入肌漿和肌漿網(wǎng)中去。肌原纖維周圍還有另一組肌管系統(tǒng)，就是肌漿網(wǎng)，它們的走行方向和肌小節(jié)平行，稱為縱管系統(tǒng)或稱為L管；縱管系統(tǒng)或肌漿網(wǎng)主要包繞每個肌小節(jié)的中間部分，這是一些相互溝通的管道，但是在接近肌小節(jié)兩端的橫管時管腔出現(xiàn)膨大，稱為終末池，它使縱管以較大的面積和橫管相靠近。每一橫管和來自兩側(cè)肌小節(jié)的縱管終末池，構(gòu)成了三聯(lián)管結(jié)構(gòu)（圖2-20，上)。據(jù)研究，橫管和縱管的膜在三聯(lián)管結(jié)構(gòu)處并不接觸，中間尚隔有約12nm的間隙，說明兩組管道的內(nèi)腔并不直接溝通，但這樣的結(jié)構(gòu)顯然有利于細胞內(nèi)外之間某種形式的信息傳遞。目前普遍承認的看法是，橫管系統(tǒng)的作用是將肌細胞興奮時出現(xiàn)在細胞膜上的電變化沿T管膜傳入細胞內(nèi)部，肌漿網(wǎng)和終末池的作用是通過對鈣離子的貯存、釋放和再積聚，觸發(fā)肌小節(jié)的收縮和舒張；而三聯(lián)管結(jié)構(gòu)是把肌細胞膜的電變化和細胞內(nèi)的收縮過程銜接或耦聯(lián)起來的關鍵部位。
三、骨骼肌的收縮機制和興奮-收縮耦聯(lián)
Huxley等在50年代初期就提出了用肌小節(jié)中粗、細肌絲的相互滑行來說明肌肉收縮的機制。這一被稱為滑行理論（sliding theory)的主要內(nèi)容是：肌肉收縮時雖然在外觀上可以看到整個肌肉或肌纖維的縮短，但在肌細胞內(nèi)并無肌絲或它們所含的分子結(jié)構(gòu)的縮短，而只是在每一個肌小節(jié)內(nèi)發(fā)生了細肌絲向粗肌比之間的滑行，亦即由z線發(fā)出的細肌絲在某種力量的作用下主動向暗帶中央移動，結(jié)果各相鄰的z線都互相靠近，肌小節(jié)長度變短，造成整個肌原纖維、肌細胞乃至整條肌肉長度的縮短。滑行現(xiàn)象最直接的證明是，肌肉收縮時并無暗帶長度的變化，而只能看到明帶長度的縮短；并且與此同時也看到暗帶中央H帶相應地變窄。這只能說明，細肌絲在肌肉收縮時也沒有縮短，只是它們更向暗帶中央移動，和粗肌絲發(fā)生了更大程度的重疊。這種變化只能用粗、細肌絲之間出現(xiàn)了相對運動即滑行現(xiàn)象來解釋。滑行理論需要進一步說明的問題是：肌肉收縮時究竟是什么力量促使細肌絲向粗肌絲之間滑行，以及怎樣把這些過程和肌肉膜的興奮過程聯(lián)系起來。近年來，由于肌肉生物化學及其他細胞生物學技術的發(fā)展，肌絲滑行的機制已基本上從組成肌絲的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的水平得到闡明，對于與滑行的開始和終止有關的各種控制因素，也有了較較深入的了解。
（一)肌絲的分子組成和橫橋的運動
滑行現(xiàn)象的引起與組成肌絲的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和它們的特性有直接的關系。粗肌絲主要由肌凝蛋白（亦稱肌球蛋白)所組成，它們的分子在粗肌絲中呈獨特的有規(guī)則的排列。一條粗肌絲大約含有200～300個肌凝蛋白分子，每個分子長150nm，呈長桿狀而在一端有球狀膨大部。在組成粗肌絲時，各桿狀部朝向M線而聚合成束，形成粗肌絲的主干，球狀部則有規(guī)則地裸露在M線兩側(cè)的粗肌絲主干的表面，形成橫橋（圖2-21，左)。當肌肉安靜時，橫橋與主干的方向相垂直，由粗肌絲表面突出約6nm。用X-線衍射法證明，橫橋在粗肌絲表面的分布位置也是嚴格有規(guī)則的，即在粗肌絲的同一周徑上只能有兩個相隔180°的橫橋突出；在與此周徑相隔14.3nm的主干上又有一對橫橋突出，但與前一對有60°的夾角；如此反復，到第四對橫橋出現(xiàn)時，其方向正好與第一對橫橋相平行，且與第一對橫橋相隔42.9nm（圖示-21，右)。上述橫橋的分布情況，正好與一條粗肌絲為6條細肌絲所環(huán)繞的情況相對應，亦即在所有橫橋出現(xiàn)的位置，正好有一條細肌絲與之相對；而對于每條細肌絲來說，粗肌絲表面每隔42.9nm就伸出一個橫橋與之相對（圖2-21)。這種對應關系，對于粗、細肌絲之間的相互作用顯然是十分有利的。
圖2-21 粗肌絲中肌凝蛋白分子的排列示意圖
左、肌凝蛋白分子的長桿狀部橫向聚合，形成粗肌絲主干，球狀部裸露在表面，形成橫橋
右、橫橋在粗肌絲表面的幾何排列
現(xiàn)已證明，橫橋所具有的生物化學特性對于肌絲的滑行有重要意義。橫橋的主要特性有二：一是橫橋在一定條件下可以和細肌絲上的肌纖蛋白分子呈可逆性的結(jié)合，同時出現(xiàn)橫橋向M線方向的扭動，繼而出現(xiàn)橫橋和細肌絲的解離、復位，然后再同細肌絲上另外的點結(jié)合，出現(xiàn)新的扭動，如此反復，使細肌絲繼續(xù)向M線方向移動；二是橫橋具有ATP酶的作用，可以分解ATP而獲得能量，作為橫橋擺動和作功的能量來源。由此可見，橫橋和細肌絲的相互作用，是引起肌絲滑行的必要條件。
細肌絲至少由三種蛋白質(zhì)組成，其中60%是肌纖蛋白（亦稱肌動蛋白)。肌纖蛋白與肌絲滑行有直接的關系，故和肌凝蛋白一同被稱為收縮蛋白質(zhì)。肌纖蛋白分子單體呈球狀，但它們在細肌絲中聚合成雙螺旋狀，成為細肌絲的主干（圖2-22)。細肌絲中另外有兩種蛋白質(zhì)，它們不直接參與肌絲間的相互作用，但可影響和控制收縮蛋白質(zhì)之間的相互作用，故稱為調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)；其中一種是原肌凝蛋白，也呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，在細肌絲中和肌纖蛋白雙螺旋并行，但在肌肉安靜時原肌凝蛋白的位置正好在肌纖蛋白和橫橋之間（圖2-23，左)這就起了阻礙兩者相互結(jié)合的作用；另一種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)稱為肌鈣蛋白（亦稱原寧蛋白)，肌鈣蛋白在細肌絲上不直接和肌纖蛋白分子相連接，而只是以一定的間隔出現(xiàn)在原肌凝蛋白的雙螺旋結(jié)構(gòu)之上。肌鈣蛋白的分子呈球形，含有三個亞單位（圖2-22)：亞單位C中有一些帶雙負電荷的結(jié)合位點，因而對肌漿中出現(xiàn)的Ca2+（以及其他可能出現(xiàn)的兩價正離子和H+)有很大的親和力；亞單位T作用是把整個肌鈣蛋白分子結(jié)合于原肌凝蛋白；而亞單位I的作用是在亞單位C與Ca2+結(jié)合時，把信息傳遞給原肌凝蛋白，引起后者的分子構(gòu)象發(fā)生改變，解除它對肌纖蛋白和橫橋相互結(jié)合的阻礙作用。
圖 2-22 細肌絲的分子組成
I、T、C分別代表肌鈣蛋白的三個亞單位
肌絲滑行的基本過程一般公認為：當肌細胞上的動作電位引起肌漿中Ca2+濃度升高時，作為Ca2+受體的肌鈣蛋白結(jié)合了足夠數(shù)量的Ca2+，這就引起了肌鈣蛋白分子構(gòu)象的某些改變，這種改變“傳遞”給了原肌凝蛋白，使后者的構(gòu)象也發(fā)生某些改變，其結(jié)果是使原肌凝蛋白的雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生了某種扭轉(zhuǎn)，這就把安靜時阻止肌纖蛋白和橫橋相互結(jié)合的阻礙因素除去，出現(xiàn)了兩者的結(jié)合。在橫橋與肌纖蛋白的結(jié)合、扭動、解離和再結(jié)合、再扭動構(gòu)成的橫橋循環(huán)過程中，使細肌絲不斷向暗帶中央移動；與此相伴隨的是ATP的分解消耗和化學能向機械能的轉(zhuǎn)換，完成了肌肉的收縮（圖示2-23)。
圖2-23 Ca2+通過和肌鈣蛋白的結(jié)合，誘發(fā)橫橋和肌纖蛋白之間的相互作用
上述的橫橋循環(huán)在一個肌小節(jié)以至整個肌肉中都是非同步地進行的，這樣才可能使肌肉產(chǎn)生恒定的張力和連續(xù)的縮短。至于能參與循環(huán)的橫橋數(shù)目以及橫橋循環(huán)的進行速率，則是決定肌肉縮短程度、縮短速度以及所產(chǎn)生張力的關鍵因素，這將在分析肌肉收縮的力學表現(xiàn)時再作討論。下面敘述正常條件下引發(fā)和終止橫橋循環(huán)的肌漿中Ca2+濃度的突然升高和快速下降是怎樣發(fā)生的。
（二)骨骼肌的興奮-收縮耦聯(lián)
在整體情況下，骨骼肌總是在支配它的軀體傳出神經(jīng)的興奮沖動的影響下進行收縮的；直接用人工刺激作用無神經(jīng)支配的骨骼肌，也可引起收縮。但不論何種情況，刺激在引起收縮之前，都是先在肌細胞膜上引起一個可傳導的動作電位，然后才出現(xiàn)肌細胞的收縮反應。這樣，在以膜的電變化為特征的興奮過程和以肌絲的滑行為基礎的收縮過程之間，必然存在著某種中介性過程把兩者聯(lián)系起來，這一過程，稱為興奮-收縮耦聯(lián)。目前認為，它至少包括三個主要步驟：電興奮通過橫管系統(tǒng)傳向肌細胞的深處；三聯(lián)管結(jié)構(gòu)處的信息傳遞；肌漿網(wǎng)（即縱管系統(tǒng))對Ca2+釋放和再聚積。
橫管系統(tǒng)對正常肌細胞的興奮-收縮耦聯(lián)是十分必要的。用含有甘油的高滲任氏液浸泡肌肉一段時間，再把它放回到一般任氏液中，這樣的處理可以選擇性地破壞肌細胞的橫管系統(tǒng)；這時如果再給肌肉以外加刺激，雖然仍可在完好的肌細胞膜上引起動作電位，但不再能引起細胞收縮。近年來證明，橫管膜和一般肌細胞膜有類似的特性，又是后者的延續(xù)部分，因而它也可以產(chǎn)生以Na+內(nèi)流為基礎的膜的去極化甚或動作電位；當一般細胞膜因興奮而產(chǎn)生動作電位時，這一電變化可沿著凹入細胞內(nèi)部的橫管膜傳導，深入到三聯(lián)管結(jié)構(gòu)和每個肌小節(jié)的近旁。
實際測定還證明，肌肉安靜時肌漿中的Ca2+濃度低于10-7mol/L，但在膜開始去極化的很短時間內(nèi)，可以在1～5ms內(nèi)升高到10-5mol/L的水平，亦即增高100倍之多。這樣多的Ca2+由何而來？用放射性45Ca自顯影等技術證明，肌肉安靜時Ca2+主要停留和聚積在z線附近，相當于肌漿網(wǎng)的終末池部位；肌肉收縮時，Ca2+由這里向暗帶區(qū)擴散，觸發(fā)橫橋循環(huán)。這樣問題就歸結(jié)為：當肌膜上的電變化沿橫管系統(tǒng)到達三聯(lián)管部分時，一定有某種因子把橫管膜上發(fā)生的變化傳遞給了相距不遠的肌漿網(wǎng)膜上的類似Ca2+通道的結(jié)構(gòu)，引起后者分子的變構(gòu)作用，使通道開放，于是肌漿網(wǎng)內(nèi)高濃度的Ca2+就不需耗能而靠易化擴散進入肌漿，到達肌絲區(qū)。傳遞這一信號的因子，有人認為是橫管膜上存在的一種特殊蛋白，平時對肌漿網(wǎng)Ca2+通道外側(cè)開口有機械堵塞作用，但在橫管膜有電變化時發(fā)生變構(gòu)作用，使原來的堵塞作用解除；也有人認為橫管膜可因電變化而產(chǎn)生了第二信使類物質(zhì)IP3（見本章第二節(jié))，由后者作用于Ca2+通道使之開放。由于三聯(lián)管外有關的膜和膜中蛋白質(zhì)幾乎可以相互接觸，因而第一種控制形式還是有可能的。
釋放到肌漿中的Ca2+怎樣被迅速除去，目前已證明是由于肌漿網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)中存在的一種特殊的離子轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)即鈣泵活動的結(jié)果。鈣泵是一種Ca2+依賴式ATP酶，目前已被分離提純，它占肌漿網(wǎng)膜蛋白質(zhì)總量的60%；在肌漿中Ca2+增高情況上，它可以分解ATP獲得能量，將Ca2+在逆濃度差的情況下由肌漿轉(zhuǎn)運到肌漿網(wǎng)內(nèi)腔中去；由于肌漿中Ca2+濃度的降低，和肌鈣蛋白結(jié)合的Ca2+也解離，引起肌肉舒張。
四、骨骼肌收縮的外部表現(xiàn)和力學分析
骨骼肌在體內(nèi)的功能，就是它們在受刺激時能產(chǎn)生縮短或（和)張力，藉以完成軀體的運動或（和)抵抗外力的作用。當肌肉克服某一外力而縮短，或肌肉因縮短而牽動某一負荷時，肌肉就完成了一定量的機械功，其數(shù)值等于它所克服的阻力（或負荷)和肌肉縮短長度的乘積；如以縮短速度乘以負荷，則得出肌肉的輸出功率。但肌肉在收縮時究竟以產(chǎn)生張力為主或縮短為主，以及收縮時能作多少功，則要看肌肉收縮時所遇到的負荷條件和肌肉本身的功能狀態(tài)。
肌肉在體內(nèi)或?qū)嶒灄l件下可能遇到的負荷主要有兩種：一種是在肌肉收縮前就加在肌肉上的，如把一條肌肉順著它的肌原纖維的走行方向懸掛起來而把上端固定，再在另一端懸掛一定數(shù)量的重物，后者就是前負荷。前負荷使肌肉在收縮前就處于某種程度的被拉長狀態(tài)，使它具有一定的長度，這稱為初長度；這樣由于前負荷的不同，同一肌肉就要在不同的初長度條件下進行收縮。另一種負荷稱為后負荷，它是在肌肉開始收縮時才能遇到的負荷或阻力，它不增加肌肉的初長度，但能阻礙收縮時肌肉的縮短�？梢岳斫�，對于某一具體的肌肉來說，實驗中所加負荷、特別是前負荷不應當過大，因為后者在肌肉收縮前就可能因過度的牽拉而損傷肌肉本身的結(jié)構(gòu)；至于后負荷，它在大到一定程度就足以抵抗肌肉收縮所產(chǎn)生的最大張力，因而肌肉不再表現(xiàn)縮短，出現(xiàn)等長收縮，亦即這時肌肉雖進行了收縮，并未有長度改變；在這種情況下繼續(xù)增加后負荷，顯然不會對肌肉的收縮有什么影響。
據(jù)上述，能影響肌肉收縮時作功能力或其力學表現(xiàn)的因素至少有三個，即前負荷、后負荷和肌肉本身的功能狀態(tài)（即肌肉收縮能力)。要分析某一因素影響的最簡單辦法，就是使其他因素保持在某一恒定值而改變要觀察因素的值，得到一組數(shù)據(jù)并作成一條座標曲線來進行分析。
�。ㄒ�)前負荷或肌肉初長度對肌肉收縮的影響棗長度-張力曲線
為了保持在實驗過程中肌肉本身的功能狀態(tài)基本保持不變，通常選用代謝速度較慢的兩棲類如蛙腓腸或縫匠進行實驗，實驗布置如圖2-24A所示。肌肉在下方被固定，并且邊了一個靈敏的張力換能器來記錄肌肉收縮前和收縮后的張力產(chǎn)生情況；肌肉的上方連一個可移動的按鈕，可以上下移動而改變肌肉的初長度，但不論初長度固定在什么長度，同旋鈕相連的固定桿是不能動的，這就意味著把后負荷固定在無限大時的位置，肌肉在收縮時不可能縮短而只能產(chǎn)生張力（即前面所說的等長收縮)，于是就可以觀察初長度不同時對同一肌肉所能產(chǎn)生張力的影響了。
圖2-24 肌肉初長度對肌肉收縮的影響
A：在實驗布置中，下方是張力換能器，它位置固定，能把所受張力轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?br>電信號，上方旋鈕可將肌肉初長在給肌肉刺激前固定于預定長度
B：3條曲線分別代表肌肉在初長度改變時的張力改變情況，被動張力指改變初長而尚未收縮的
肌肉的張力改變，總張力是在已有被動張力的基礎上肌肉收縮時產(chǎn)生的主動張力與前者之和
圖2-24B的長度-張力曲線反映了在依次改變肌肉的初長度時（橫座標)在張力換能器上記錄到的肌肉的張力產(chǎn)生的情況（縱座標)。曲線1是只改變肌肉初長度并不刺激肌肉收縮時肌肉所受的拉力，稱為被動張力曲線，它反映安靜肌肉具有某種彈性，在受到牽拉時產(chǎn)生某種回彈力，但牽拉超過某種程度，達到了彈性限度，被動張力急速增大，有可能造成組織損壞，其過程有如拉長一個彈簧時類似。曲線2是肌肉在具有不同前負荷即已具有被動張力的條件下進行一次收縮時記錄到的張力變化，曲線的每一點都代表那個初長度時肌肉已有的被動張力和收縮時新產(chǎn)生的張力之和，故整個曲線稱為總張力曲線；因此，由曲線2代表的不同初長度時的總張力減去同一初長度時的被動張力，就能得到曲線3，它表示肌肉在不同前負荷時進行收縮所能產(chǎn)生的張力，故稱為主動張力曲線，它反映了本實驗中要觀察的內(nèi)容，即不同前負荷或初長度對肌肉收縮所能產(chǎn)生的張力影響：當前負荷開始增加時，每次收縮所產(chǎn)生的主動張力也相應地增大，但在超過某一限度后，再增加前負荷反而使主動張力越來越小，以致于為零，如曲線3右端所示。這個結(jié)論也可以表達為，對于肌肉在等長度收縮條件下所產(chǎn)生的主動張力大小，存在著一個最適前負荷和與之相對應的最適初長度，相當于圖2-24B橫座標上Lo的位置，在這樣的初長度情況下進行收縮，產(chǎn)生的張力最大。
肌肉在最適初長度條件下進行收縮何以能產(chǎn)生最大的張力，很容易根據(jù)肌肉被前負荷拉長時對每一肌小節(jié)中粗、細肌絲相互關系的改變來解釋。已知，肌肉產(chǎn)生張力和縮短，靠的是粗肌絲表面的橫橋和細肌絲之間的相互作用；肌肉初長度的大小，決定著每個肌小節(jié)的長度，亦即細肌絲和粗肌絲重疊的程度，而后者又決定于肌肉收縮時有多少橫橋可以與附近的細肌絲相互作用。從理論上分析，粗肌絲的長度是1.5μm，但在M線兩側(cè)各為0.1μm的范圍內(nèi)正常時沒有橫橋，因此在M線兩側(cè)有橫橋的粗肌絲長度各為0.65μm，這樣當每側(cè)細肌絲伸入暗帶0.65μm（尚未于明帶的細肌絲長度為0.35μm)，亦即肌小節(jié)總長度為2.2μm時，粗肌絲上的每個橫橋都能與細肌絲作用，因而收縮時能出現(xiàn)最佳的效果。當肌肉處于最適前負荷或最適初長度時，每個肌小節(jié)的長度正是2.2μm，如圖2-25箭頭3所示。如果稍稍減少前負荷使肌小節(jié)長度2.0μm（箭頭2)，盡管每側(cè)細肌絲又多伸入暗帶0.1μm（這時兩側(cè)細肌絲正好相遇)，但這一段正是粗肌絲上無橫橋伸出的部分，因而肌肉收縮時起作用的橫橋數(shù)目并未增多（相當于圖2-25中的箭頭2)。至于再減小肌小節(jié)的長度，則細肌絲可能穿過M線或兩側(cè)肌絲相互重合和卷屈，因而造成收縮張力下降（圖中箭頭1)。反之，如果前負荷超過最適前負荷，收縮前肌小節(jié)的長度將大于2.2μm，細肌絲和粗肌絲相互重合的程度逐漸變小，使得肌肉收縮時起作用的橫橋數(shù)也減少，造成所產(chǎn)生張力的下降；當前負荷使肌小節(jié)長度增加到3.5μm時，細肌絲將全部由暗帶拉出，這時肌肉受刺激時不再產(chǎn)生主動張力（圖中箭頭4)。由此可見，通過前負荷對肌小節(jié)中粗、細肌絲重合程度的影響，可以說明骨骼肌長度-張力曲線的特點。
圖2-25 不同初長度時粗、細肌絲重合程度和產(chǎn)生張力的關系示意圖
用肌小節(jié)在不同前負荷時粗、細肌絲相對位置的改變，來說明不同前負荷時所產(chǎn)生的主動張力的不同：在箭頭1所指的初長度時，每個肌小節(jié)中兩側(cè)細肌絲伸入暗帶過多，互相重疊或發(fā)生卷屈，不利于與橫橋間的相互作用；在箭頭2和3所指的情況下，肌小節(jié)中全部橫橋都可與細肌絲相互作用，產(chǎn)生出最大主動張力；在箭頭4的情況下，細肌絲相互全部由暗帶被拉出，失去產(chǎn)生張力的條件
圖2-26 肌肉的張力-速度關系曲線
在肌肉前負荷固定在適當值的條件下，改變后負荷對肌肉產(chǎn)生張力（橫座標)
和速短速度（左側(cè)縱座標)相互關系的影響，這稱為張力-速度關系曲線（曲線1)，
由此曲線可以算出不同后負荷時的輸出功率（右側(cè)縱座標)，組成了曲線2
（二)肌肉后負荷對肌肉收縮的影響－張力-速度曲線
據(jù)前述，如在實驗室裝置的設計中使一條骨骼肌的前負荷固定不變而可以人為地改變后負荷，即可觀察不同后負荷對肌肉收縮的影響。一般情況下，可以把肌肉的前負荷固定在它的最適前負荷（這時出現(xiàn)的被動張力極小（見圖2-24B)，然后，在逐次改變后負荷的情況下觀察肌肉收縮時的情況。不論在任何前負荷的情況下，如果所加后負荷超過了肌肉收縮時所能產(chǎn)生的最大張力（注意負荷的重量值和肌肉產(chǎn)生的張力的值可以用相同的物理單位度量，而且有相同的值)，那么肌肉收縮時將只產(chǎn)生張力而不出現(xiàn)肌肉長度的改變。因此，在改變后負荷的實驗中所加的后負荷都應小于這個最大張力，那么肌肉在收縮時產(chǎn)生的主動張力超過這個后負荷的值時，它將會出現(xiàn)一定程度的長度縮短，使移動酌相同的距離，并且由于后者也可以算出一個縮短速度來（可以是初速度或平均速度)。后負荷愈小，肌肉產(chǎn)生的張力將較早地超過這個負荷，并且出現(xiàn)較大的縮短長度和縮短速度，但相當于負荷值的肌肉張力卻在縮短的過程中保持不變。這樣就得到了改變后負荷時，肌肉產(chǎn)生張力和其縮短速度變化的關系曲線（為了計算輸出功率，一般只分析縮短速度和張力的關系)，即圖2-26曲線1，稱為張力-速度曲線。該曲線類似一條雙曲線，橫座標表示肌肉所產(chǎn)生的張力，縱座標表示收縮速度，雙曲線的性質(zhì)則說明這二者大致呈反比的關系，即后負荷減小時，使肌肉產(chǎn)生的張力減小，但可得到一個較大的縮短速度；在曲線同縱軸相交的點，說明后負荷理論上為零時，可以得到該肌肉在當時的功能狀態(tài)下的最大收縮速度，在圖2-26中用V0表示；但這時因無負荷，肌肉并未作功，亦無功率輸出。在曲線同橫軸相交的點，后負荷的值相當于肌肉所能產(chǎn)生的最大張力，這時不能移動負荷，也沒有作功和功率輸出；在這兩個極端之間，在不同的后負荷時都能看到肌肉在產(chǎn)生與負荷相同的張力的情況下使負荷移動一定距離，這種類型的收縮，稱為待張收縮，都可作功和有功率輸出，但以后負荷相當于最大張力的30%左右時，肌肉的輸出功率最大，如圖2-26中曲線2所示。
（三)肌肉收縮能力的改變對肌肉收縮的影響
上述的前、后負荷的改變對肌肉收縮時張力產(chǎn)生、縮短速度以及作功能力等力學表現(xiàn)的影響，顯然是在肌肉功能狀態(tài)恒定的情況下對所處負荷條件改變所作的不同反應。但肌肉的狀態(tài)也是可以改變的，它也可以影響肌肉收縮的效率。例如，缺氧、酸中毒、肌肉中能源物質(zhì)缺乏，以及其他原因引起的興奮-收縮耦聯(lián)、肌肉蛋白質(zhì)或橫橋功能特性的改變，都可能降低肌肉收縮的效果，而鈣離子、咖啡因、腎上腺素等體液因素則可能通過影響肌肉的收縮機制而提高肌肉的收縮效果。將影響肌肉收縮效果的肌肉內(nèi)部功能狀態(tài)的改變，定義為肌肉收縮能力（contractility)的改變，以區(qū)別于肌肉收縮時外部條件即前、后負荷改變所導致的收縮效果的改變。這樣的區(qū)分雖然在概念上比較容易，但在具體情況下要區(qū)分哪些改變是由于肌肉收縮能力的改變所引起，哪些是由于負荷條件的改變所引起，常常十分困難。例如，一個肌肉的最大張力變大了，可能是由于肌肉收縮能力的提高，但也可能是由于在這次收縮前它處于最適初長度；一個肌肉等張收縮時的收縮速度增大了，可能是由于后負荷的減小，也可能是它處于最適初長，但也可能是由于肌肉收縮能力的提高，或三者兼而有之。這就是說，很難簡單地根據(jù)肌肉某項力學指標的改變，確定是否發(fā)生了肌肉收縮能力的改變。從理論上講，肌肉收縮能力的改變對肌肉收縮的各力學表現(xiàn)的影響是“非選擇性”的，即收縮能力的提高可使圖2-24B中的長度-張力曲線（主動張力)和圖2-26中的張力-速度曲線的位置都升高。顯然，為了檢查收縮能力是否改變而再繪制一條條座標曲線是十分復雜的；為了簡便，如果能讓同一肌肉所處的前、后負荷條件不變而發(fā)現(xiàn)有肌肉收縮速度的改變，或使肌肉維持最適初長度而有最大張力的改變，則都表示肌肉收縮能力發(fā)生了改變；因為在這些條件下可以肯定，這些收縮效果的改變并不是由于前、后負荷的改變所引起，因而只能是由于肌肉的內(nèi)在性能的改變引起的。
（四)肌肉的單收縮和單收縮的復合
整塊骨骼肌或單個肌細胞受到一次短促的刺激時，先是產(chǎn)生一次動作電位，緊接著出現(xiàn)一次機械收縮，后者稱為單收縮；根據(jù)收縮時肌肉所處的負荷條件不同，單收縮可以是等長的，也可以是等張的。前面敘述的肌肉收縮時各種力學表現(xiàn)，就是以單收縮為觀察對象而進行分析的。但在正常體內(nèi)，當骨骼肌在運動神經(jīng)的支配下進行自然收縮時，幾乎是無例外地接受來自神經(jīng)的連續(xù)刺激，因此有必要進一步分析肌肉有受到不同頻率的連續(xù)刺激時可能發(fā)生的情況。為了便于分析，先觀察一下肌肉單收縮時電變化和機械變化在時間上的關系。圖2-27是貓脛前有一次等長單收縮時張力變化的全過程，同時記錄了肌肉的動作電位。注意圖中電反應的開始要較張力增加的開始為早，而且電變化在張力達到頂點以前早已結(jié)束；以張力最高點為界，收縮全過程可分為收縮期和舒張期，前者持續(xù)時間較后者為短。整個單收縮的時間因肌肉不同而有顯著差異，如人的眼外肌的一次單收縮不超過10ms，而腓腸肌可達100ms以上。
圖2-27 貓脛前肌的等長單收縮曲線
M：肌肉收縮時的張力變化曲線
E：肌肉的雙相動作電位記錄時標每 格相當于0.01s
如果給肌肉以連續(xù)的脈刺激，肌肉的收縮情況將隨刺激的頻率而有不同。如圖2-28所示，在刺激的頻率較低時，因每一個新的刺激到來時由前一次刺激引起的單收縮過程（包括舒張期)已經(jīng)結(jié)束，于是每次刺激都引起一次獨立的單收縮；當刺激頻率增加到某一限度時，后來的刺激有可能在前一次收縮的舒張期結(jié)束前即到達肌肉，于是肌肉在自身尚處于一定程度的縮短或張力存在的基礎上進行新的收縮，發(fā)生了所謂收縮過程的復合，這樣連續(xù)進行下去，肌肉就表現(xiàn)為不完全強直收縮，其特點是每次新的收縮都出現(xiàn)在前次收縮的舒張期過程中，在描記曲線上形成鋸齒形；如果刺激頻率繼續(xù)增加，那么肌肉就有可能在前一次收縮的收縮期結(jié)束以前或在收縮期的頂點開始新的收縮，于是各次收縮的張力或長度變化可以融合而疊加起來，使描記曲線上的鋸齒形消失，這就是完全強直收縮。
圖2-28 不同頻率的連續(xù)刺激對骨骼肌收縮的影響
每組曲線中，上方曲線是肌肉等長收縮的記錄，下方曲線是肌肉動作電位的記錄，
注意由上而下當刺激頻率依次增加時，機械收縮可出現(xiàn)逐漸融合，
表現(xiàn)不完全和完全強直收縮，但動作電位始終彼此分離，不發(fā)生融合和疊加
由于正常體內(nèi)由運動神經(jīng)傳到骨骼肌的興奮沖動都是快速連續(xù)的，體內(nèi)骨骼肌收縮幾乎都屬于完全強直收縮，只不過強直收縮的持續(xù)時間可長可短。強直收縮顯然可以產(chǎn)生更大的收縮效果，例如，強直收縮所能產(chǎn)生的最大張力可達單收縮的4倍左右。這是因為肌肉在只接受一次刺激時，釋放到肌漿中的Ca2+很快被肌漿網(wǎng)上的Ca2+泵回收入肌漿網(wǎng)，而連續(xù)刺激可使肌漿中的Ca2+維持在一個飽和的高濃度水平。不同肌肉單收縮的持續(xù)時間不同，因而能引起肌肉出現(xiàn)完全強直收縮的最低臨界頻率在不同肌肉也不同，例如，單收縮快速的眼球內(nèi)直肌需要每秒約350次的高頻刺激才能產(chǎn)生完全強直收縮，而收縮緩慢的比目魚肌只需每秒約30次的頻率就夠了。但不論在不完全強直收縮或完全強直收縮，伴隨每次刺激出現(xiàn)的肌肉動作電位只出現(xiàn)頻率加快，卻始終各自分離而不會發(fā)生融合或總和；這是由于肌肉的動作電位只持續(xù)1～2ms，當刺激頻率加速到下一次刺激落于前一次刺激引進起的動作電位持續(xù)期間時，組織又正好處于興奮的絕對不應期，這時新的刺激將無效，既不能引起新的動作電位產(chǎn)生，也不引起新的收縮。
五、平滑肌的結(jié)構(gòu)和生理特性
平滑肌廣泛分布于人體消化道、呼吸道以及血管和泌尿、生殖等系統(tǒng)；它和骨骼肌不同，不是每條肌纖維（即肌細胞)的兩端都通過肌腱同骨骼相連；平滑肌細胞互相連接，形成管狀結(jié)構(gòu)或中空器官；在功能上可以通過縮短和產(chǎn)生張力使器官發(fā)生運動和變形，也可產(chǎn)生連續(xù)收縮或緊張性收縮，使器官對抗所加負荷而保持原有的形狀，前者如胃和腸，后者如動脈血管、括約肌等。此外，也不能像在骨骼肌和心肌那樣，把分布在不同器官的平滑肌看作具有相同功能特性和調(diào)節(jié)機制的組織，例如有些器官的平滑具有和心臟一樣的自動節(jié)律性，有些則像骨骼肌那樣，只有在支配它的神經(jīng)纖維有神經(jīng)沖動到來時才出現(xiàn)收縮，而在這兩個極端之間，還存在著各種的過渡形式，致使平滑肌的分類困難。
�。ㄒ�)平滑肌的微細結(jié)構(gòu)和收縮機制
平滑肌雖然也具有同骨骼肌類似的肌絲結(jié)構(gòu)，但由于它們不存在像骨骼肌那樣平行而有序的排列（平滑肌的肌絲有它自己的“有序的”排列)，圖2-29是根據(jù)最近觀察提出的平滑肌細胞內(nèi)部假想結(jié)構(gòu)圖，它的特點是細胞內(nèi)部存在一個細胞骨架，包含一些卵圓形的稱為致密體的結(jié)構(gòu)，它們也間隔地出現(xiàn)于細胞膜的內(nèi)側(cè)，稱為致密區(qū)，并且后者與相鄰細胞的類似結(jié)構(gòu)相對，而且兩層細胞膜也在此處連結(jié)甚緊，因而共同組成了一種機械性耦聯(lián)，藉以完成細胞間張力的傳遞；細胞間也存在別的連接形式，如縫隙連接，它們可以實現(xiàn)細胞間的電耦聯(lián)和化學耦聯(lián)。在致密體和致密區(qū)中發(fā)現(xiàn)有同骨骼肌Z帶中類似的蛋白成分，故認為這兩種結(jié)構(gòu)可能是與細肌絲連接的部位。另外，在致密體和致密區(qū)之間還有一種直徑介于粗、細肌絲之間的絲狀物存在，它們是一種稱為結(jié)蛋白（desmin)的聚合體。這樣由絲狀物聯(lián)結(jié)起來的致密體和膜內(nèi)側(cè)的致密區(qū)就形成了完整的細胞內(nèi)構(gòu)架。
平滑肌細胞中的細肌絲有同骨骼肌類似的分子結(jié)構(gòu)，但不含肌鈣蛋白；同一體積的平滑肌所含肌纖蛋白的量是骨骼肌的2倍，推測平滑肌肌漿中有大量細肌絲存在，它們的排列大致與細胞長軸平行。與此相反，胞漿中肌凝蛋白的量卻只有骨骼肌的1/4。估計連接在致密體上的3～5根細肌絲會被較少數(shù)目粗肌絲包繞，形成相互交錯式的排列，這可能就是類似于骨骼肌中肌小節(jié)的功能單位。
圖2-29平骨肌內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互關系模式圖
一般平滑肌細胞呈梭形，直徑2～5μm；其長度可變性很大，大約長度為400μm時是產(chǎn)生張力的最適長度。它們沒有骨骼�。ê托募�)那樣發(fā)達的肌管系統(tǒng)。肌細胞膜只有一些縱向排列的袋狀凹入，但其功能尚不清楚，不過這使得細胞膜表面積和細胞體積之比更為加大，因此和肌絲靠近的不是橫管或肌漿網(wǎng)系統(tǒng)，而是肌膜。細胞被激活時，細胞外Ca2+進入膜內(nèi)，但平滑肌細胞中靠近膜的肌漿網(wǎng)也構(gòu)成了細胞內(nèi)Ca2+貯存庫。一些興奮性遞質(zhì)、激素或藥物同肌膜受體結(jié)合時，通過G-蛋白在胞漿中產(chǎn)生第二信使，引起Ca2+庫中的Ca2+釋出。因平滑肌的細肌絲中不存在肌鈣蛋白，因而Ca2+引起平滑肌細胞中粗、細肌絲相互滑行的橫橋循環(huán)的機制與骨骼肌不同。目前認為，橫橋的激活開始于它的磷酸化，而這又依賴一稱為肌凝蛋白激酶的活化；其過程是Ca2+先結(jié)合于胞漿中一種稱為鈣調(diào)蛋白（calmodulin)的特殊蛋白質(zhì)，后者結(jié)合4個Ca2+之后才使肌凝蛋白激酶活化，使ATP分解，由此產(chǎn)生的磷酸基結(jié)合于橫橋并使橫橋處于高自由狀態(tài)。比起平滑肌來，平滑肌橫橋激活的機制需要較長的時間，這和平滑肌收縮的緩慢相一致。
�。ǘ�)平滑肌在功能上的分類
盡管體內(nèi)各器官所含平滑肌在功能特性上判別很大，但一般可分為兩大類：一類稱為多單位（multi-unit)平滑肌，其中所含各平滑肌細胞在活動時各自獨立，類似骨骼肌細胞，如豎毛肌、虹膜肌、瞬膜肌（貓)、以及大血管平滑肌等，它們各細胞的活動受外來神經(jīng)支配或受擴散到各細胞的激素的影響；另一類稱為單位（single-unit)平滑肌，類似心肌組織，其中各細胞通過細胞間的電耦聯(lián)而可以進行同步性活動，這類平滑肌大都具有自律性，在沒有外來神經(jīng)支配時也可進行近于正常的收縮活動（由于起搏細胞的自律性和內(nèi)在神經(jīng)叢的作用)，以胃腸、子宮、輸尿管平滑肌為代表。還有一些平滑肌兼有兩方面的特點，很難歸入哪一類，如小動脈和小靜脈平滑肌一般認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，但在遇到牽拉時可作為一個整體起反應，故也列入單位平滑肌。
�。ㄈ�)平滑肌活動的控制和調(diào)節(jié)
和平滑肌本身的特性具有多樣性一樣，它們活動所受的調(diào)控也是多種多樣的，不象骨骼肌那樣單純。大多數(shù)平滑肌接受神經(jīng)支配，包括來自自主神經(jīng)系統(tǒng)的外來神經(jīng)支配，其中除小動脈一般只接受交感系統(tǒng)一種外來神經(jīng)支配外，其他器官的平滑肌通常接受交感和副交感兩種神經(jīng)支配。平滑肌組織、特別是消化管平滑肌肌層中還有內(nèi)在神經(jīng)叢存在，后者接受外來神經(jīng)的影響，但其中還發(fā)現(xiàn)有局部傳入性神經(jīng)元，可以引起各種反射。平滑肌的神經(jīng)-肌接頭有些類似骨骼肌，但不具有后者那樣特殊結(jié)構(gòu)形式。支配平滑肌的外來神經(jīng)纖維在進入靶組織時多次分支，分支上每隔一定距離出現(xiàn)一個膨大，呈念珠狀，稱為曲張體，其中含有分泌囊泡，它們在神經(jīng)沖動到達時可以釋放其中遞質(zhì)或其他神經(jīng)活性物質(zhì)；每個曲張體和靶細胞的距離亦不固定，平均約為80～100nm，這說明由神經(jīng)末梢釋放出來的遞質(zhì)分子要擴散較遠距離才能達到靶細胞，而靶細胞和神經(jīng)末梢的關系也不可能是固定的；凡是遞質(zhì)分子可以到達而又具有該遞質(zhì)受體的平滑肌細胞，都可能接受外來神經(jīng)的影響。
平滑肌細胞約保持－55～－60mV的靜息電位，產(chǎn)生機制和骨骼肌類似。單位平滑肌細胞有產(chǎn)生動作電位的能力，而且通過細胞間通道可使相鄰細胞也產(chǎn)生動作電位。
