神经细胞的基本功能

1. 了解神经细胞膜的结构和物质转运功能

2. 熟悉神经细胞的跨膜信号转导过程

3. 掌握神经细胞生物电现象的各种机制

4. 了解肌细胞的收缩机制

 

 

一．神经细胞膜的结构

1. 细胞膜是细胞和环境之间的屏障，它可以使细胞相对独立地存在于环境之中。通过细胞膜，神经细胞可以获得营养物质并排出代谢产物；可以接受环境变化的刺激、产生反应以及传递信息。

2. 神经细胞膜主要由脂类、蛋白质和糖类组成。

根据“液态镶嵌模型”学说，细胞膜以液态的脂质双分子层为基础，其中镶嵌着具有不同分子结构和功能的蛋白质分子，在纸质双分子层中，磷脂分子的一段为亲水极，分别朝向细胞膜的内、外表面；另一端为疏水极，朝向双分子层的内部且两两排列。

膜脂质这种双分子层的结构排列，使细胞膜既具有较好的稳定性，同时也具有较好的流动性。镶嵌于细胞膜上的蛋白质主要以α螺旋或球形蛋白的形式存在，它们有的贯穿整个脂质双分子层，两端在膜内、外露出；有的连接在膜的内侧或外侧；有的则覆盖在膜表面。细胞膜所含的糖类大多数裸露在细胞膜的外侧，起到类似于识别信号的作用。

3. 脂质双分子层

在神经细胞膜的脂质成分中，主要以磷酯类为主，约占70%以上；其次是胆固醇，所占比例不到30%；其余的就是少量的鞘脂类。磷脂的基本结构为，一分子甘油中的两个羟基分别与两分子的脂酸相结合，另外一个羟基则与一分子磷酸结合，后者再与一个碱基相结合，根据结合碱基的不同可以将磷脂分为磷脂酰胆碱、磷脂酰氨醇、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇四种类型。胆固醇的结构很特殊，它含有一个甾体结构和一个8碳支链。鞘脂类的含量很少，其基本结构和磷脂类似，但不含甘油。

    脂质双分子层在热力学上的稳定性和流动性，可以很好地解释为什么神经细胞可以承受相当大的张力和外形改变而不破裂。胆固醇的含量在两层脂质中的差别不大，但其含量的多少盒细胞膜的流动性有着密切的关系。

4. 细胞膜蛋白

细胞膜蛋白是以跨膜α螺旋或球形蛋白结构分散地镶嵌在膜的脂质双分子层中的。细胞膜蛋白主要以两种形式与膜脂质相结合：一类是一些“表面蛋白”，它们主要以其肽链中带电的氨基酸或基团与两侧脂质的极性基团相吸引，使蛋白质分子附着在细胞膜表面；另一类是“结合蛋白”，它们的肽链可以一次或反复多次地贯穿整个脂质双分子层，两段露在细胞膜的内、外两侧。

细胞膜蛋白质主要的功能：（1）形成细胞的骨架蛋白，可以使细胞膜附着在细胞内或细胞外的某种物质上。并且神经细胞的许多功能都与骨架蛋白有关，如递质的分泌或再摄取、受体的内吞或上膜、突触功能的可塑性等；（2）作为“识别蛋白”，能够识别异体细胞的蛋白质或癌细胞；（3）具有酶的特性，能催化细胞内外的化学反应；（4）作为“受体蛋白”，能与信息传递物质（如激素或递质）进行特异性结合，并激活细胞内的信号转导通路；（5）作为转运蛋白、载体蛋白、通道蛋白或离子泵等等，参与细胞膜的物质转运与信息交流作用。

5. 细胞膜糖类

   细胞膜所含糖类很少，主要是一些寡糖和多糖链，它们可以通过共价键的形式与膜脂质或蛋白质相结合，形成糖脂或糖蛋白。神经细胞膜上的糖链绝大多数是裸露在细胞外侧的，其功能可能在于通过其单糖排列顺序上的特异性，作为与它们相结合蛋白质的特异性的“标志”。如，某些糖链可以作为抗原决定簇，表达某种免疫信息；有些糖链则作为膜受体的“可识别”部分，能特异地与某种递质、激素或其他信号分子相结合。

 

 

二．神经细胞膜的物质转运功能

1. 新陈代谢是所有细胞进行活动的基础。神经细胞要进行新陈代谢，就必然有各种物质进出细胞，如各种营养物质、代谢中间产物和终产物等，这些物质大多数是水溶性的，因而很少能直接通过膜脂质双分子层。且大多数物质进出细胞都与细胞膜上特定的蛋白质作用有关。

2. 常见的细胞膜物质转运形式有被动转运（单纯扩散和易化扩散）、主动转运（原发性和继发性）以及胞吞胞吐式转运。

3. 被动转运

   细胞膜两侧的溶质分子可以顺着电化学梯度（包括浓度差和电位差）的方向产生净流动的转运方式。该转运方式不需要另外提供其他形式的能量，其动力来源于浓度差或电位差本身所造成的电化学势能。

    并且某一物质的跨膜通量的大小，主要取决于该物质在膜两侧的浓度差，以及膜对该物质的通透性，此外，离子的移动还取决于它们所受到的电场力的驱动。

（1）单纯扩散

脂溶性的小分子物质顺着浓度差或电位差的方向直接通过细胞膜的转运方式称为单纯扩散，这是一种单纯的物理过程。能通过单纯扩散跨膜转运的物质很少，包括氧气、二氧化碳、一氧化氮和氮气等气体分子。

（2）易化扩散

非脂溶性或脂溶性很小的小分子物质，在细胞膜上某些特殊蛋白质的“协助”下由高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程称为易化扩散。

特点为：①物质从高浓度向低浓度方向扩散，因此不需要额外提供能量；②需要细胞膜上特殊蛋白质提供“帮助”，具有特异性；③主要受膜外环境因素的调节，由膜脂质上的特殊蛋白所决定；④转运结果可以使被转运的物质在膜两侧达到平衡。

通过易化扩散进行跨膜转运的物质有葡萄糖、氨基酸以及钾离子、钠离子和钙离子等。

a. 由载体协助的易化扩散

载体是分布在神经细胞膜上某些功能特化的蛋白质。一般情况下，载体蛋白分子上有一个或数个能与某种转运物相结合的位点，当转运物与这些位点结合后载体蛋白就发生构型改变，将转运物运载到膜的另一侧，然后，转运物与载体分离，从而完成转运。此时，载体又重新恢复至原来的构型，可重复使用。

载体转运有以下特点：①高度特异性，一种载体只能转运某种特定物质；②饱和现象，载体蛋白数量和其上的与转运物结合的位点数目有限；③竞争性抑制，若一种载体对两种转运物都有转运能力，两种之间就会存在竞争从而抑制对方的与位点的结合。

b. 由通道协助的易化扩散

    离子通道也是分布在神经细胞膜上某些功能特化的蛋白质。一般来说，不同的离子由各自特殊的通道来转运，如钾离子、钠离子和钙离子就可以分别由钾离子通道、钠离子通道和钙离子通道来进行转运。而钙离子还可以通过多种不同的非选择性阳离子通道。

当通道蛋白开放时，在通道蛋白的内部出现了一条贯通膜内外的水相孔道，从而使相应的水溶性离子能够顺着其浓度差或电位差迅速通过这一孔道，因而，其移动的速度远远地超过载体蛋白质的转运速度。

通道蛋白区别于载体的重要特点：①受细胞内外各种理化因素的影响，它们的结构和功能状态可以发生迅速地改变：当它们处于开放（激活）状态时，有关的离子可以迅速地由膜的高浓度一侧移向低浓度一侧，而当它们处于关闭（失活）状态时，这种快速的离子运动又可以迅速停止；②通道蛋白对离子的选择性没有载体蛋白那样严格，原因在于通道蛋白对离子的选择性主要决定于通道开放时其水相孔道的大小和孔道壁的带电情况；③大多数离子通道开放的时间都非常短暂，然后就很快进入关闭或失活的状态。

4. 主动转运

借助细胞膜上某些功能特化蛋白质的帮助，通过某种耗能过程，神经细胞浆非脂溶性物质逆着电化学梯度（浓度差或电位差）进行跨膜转运的过程。根据消耗的能量是否直接来源于ATP，可以将主动转运分为原发性主动转运和继发性主动转运。

（1）原发性主动转运

     原发性主动转运是指细胞直接利用代谢产生的能量（ATP）将带电离子逆着浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运过程。介导这一过程的膜蛋白称为离子泵，典型的是钠钾泵（简称钠泵）。

钠泵又称钠离子-钾离子依赖性ATP酶，其本身具有ATP酶的活性，因此它可以依靠分解ATP而获得能量，并利用此能量进行钠离子和钾离子的主动转运。钠泵活动的作用主要是将细胞内的钠离子移到细胞外，并将细胞外的钾离子移到细胞内，由于逆浓度差进行所以需要消耗能量，其消耗的能量直接来源于钠泵活动时对ATP的分解，故是一种主动转运过程。一般情况下，每分解一个ATP分子，钠泵可将3个钠离子泵出膜外，同时将2个钾离子泵入膜内。

钠泵活动具有重要的生理意义，如钠泵活动造成的细胞内高钾是许多代谢过程的必需条件；且细胞内高钾低钠对阻止细胞外水分大量进入细胞内、维持细胞一定的结构和功能也具有重要意义；此外细胞内高钾低钠与细胞外的高钠低钾这样的一种势能储备，可以为生物电的产生，以及完成一些物质的继发性主动转运过程提供能量。

（2）继发性主动转运

     继发性主动转运也是一种逆着浓度梯度或电位梯度进行的跨膜物质转运过程，但它是一种实质上需要耗能但但并不直接伴随ATP或其他供能物质消耗的主动转运方式。这种转运过程通常与钠泵的活动协同进行，其消耗的能量也来源于钠泵活动时对ATP的分解。

    协同转运中，如果被转运分子与钠离子扩散的方向相同，称为同向转运；如果二者的方向相反，则称为逆向转运。

5. 胞吞和胞吐式转运

胞吞或胞吐式转运是指某些大分子物质或某些物质团块进出细胞的方式。

（1）胞吐过程

胞吐过程是指神经细胞将大分子物质或某些物质团块转运到细胞外的过程。转运的基本方式是，由于细胞外的某些特殊化学信号或者膜两侧的电位改变，引起局部膜结构中的钙离子通道开放，产生钙离子内流，从而触发细胞内的囊泡产生移动、锚靠、融膜和破裂等一系列连续的反应，最后造成囊泡内容物全部释放，进入到细胞外液。胞吐是一种“量子式”的释放，神经元突触末梢对递质的释放过程就属于胞吐转运。

此外，内流的钙离子在某些细胞还可以引发细胞内的钙离子贮存库释放钙离子。

（2）胞吞过程

胞吞过程是指神经细胞将大分子物质或某些物质团块转运到胞浆内的过程。这种转运的基本方式是，首先细胞环境中的某些物质与细胞膜接触，引起该处的质膜发生内陷并包裹该异物，然后与质膜结构离断，异物连同包裹它的那部分质膜一起进入细胞浆中。

此外，细胞膜上还有一种受体介导式胞吞，是指某些特殊的物质在进入细胞时，必须通过与细胞膜表面的特殊蛋白质（即受体）的相互作用才能发生入胞过程。这种受体介导式的胞吞过程为：首先这种物质被细胞膜表面某种特殊的受体识别，并与之发生特异性结合；二者结合后所形成的复合物通过在膜表面的横向运动而聚集于细胞膜上的有被小窝，进而导致此处的细胞膜凹陷并发生离断，于是有被小窝包裹的复合物形成一个吞噬小跑进入胞浆；进入胞浆的吞噬小泡进而与胞浆内的球状或管状膜性结构相融合，形成胞内体，此时受体与被转物分离；分离后的转运物最后被转运到相应的细胞器；而留在胞内体中的受体则重新与一部分膜性结构形成较小的循环小泡，再移回细胞膜并与之融合，使受体和膜结构可以重复使用，这一过程称为膜的再循环--意义在于不仅维持了细胞膜总面积的性对恒定，而且使相应的受体可以重复使用。

在生理学上，通常将液体物质的胞吞过程称为胞饮，将固体物质的胞吞过程称为吞噬。

 

 

三．神经细胞的跨膜信号转导过程

1. 细胞信号转导是指外界环境刺激因子或胞间通讯分子等作用于细胞表面或细胞内受体，经过一系列生物化学的瀑布式级联反应，引起细胞发生生理反应或诱导基因表达的过程。

细胞膜受体大致分为细胞膜7次贯穿型构造的三聚体G蛋白偶联型受体、离子通道镶嵌型受体以及酶偶联型受体。

在三聚体G蛋白偶联型受体和离子通道镶嵌型受体中，主要结合激素、神经递质和神经多肽，但在前者中，与受体结合的G蛋白作为转导物，控制腺苷酸环化酶和磷脂酶C等的效应器的活性，通过cAMP、二酰基甘油、三磷酸肌醇等第二信使的产生，控制信息传递系统；后者受体自身是离子通道，当与细胞外信号结合后，钠离子、钾离子、氯离子等向细胞内流入，通过细胞膜电位的变化控制信号传递系统。酪氨酸激酶型受体与细胞增殖因子、细胞黏着因子、细胞因子结合后，酪氨酸激酶被活化，受体自身和其他蛋白质被磷酸化，通过下游的激酶级联反应完成上述各类因子的信号传递过程。

2. G蛋白偶联受体介导的信号转导

（1）G蛋白偶联受体胞浆面第三个环能够与鸟苷酸结合蛋白（简称G蛋白）相偶联，从而影响腺苷酸环化酶（AC）或磷脂酶C（PLC）等的活性，使细胞内产生第二信使。这类受体的信息传递可归纳为：配体->受体->G蛋白->酶->第二信使->蛋白激酶->酶或功能蛋白->生物学效应。此类受体分布极广，主要参与细胞物质代谢的调节和基因转录的调控。

（2）主要途径

a. 受体-G蛋白-AC途径：激素作为第一信使，带着内外界环境变化的信息，作用于靶细胞膜上的相应受体，经G蛋白偶联，激活细胞内的腺苷酸环化酶，在镁离子的作用下，腺苷酸环化酶催化ATP转变为环磷酸腺苷（cAMP），引起细胞内cAMP浓度的升高，cAMP作为第二信使，激活cAMP依赖的蛋白激酶A（PKA），进而催化细胞内多种底物磷酸化，最后导致细胞发生一系列生理和生物化学的反应，如细胞膜通透性改变、细胞内各种酶促反应、肌细胞的收缩以及细胞的分泌等。

b. 受体-G蛋白-PLC途径：胰岛素、宫缩素、催乳素以及下丘脑调节肽等与受体结合使其活化后，经G蛋白偶联作用，激活膜内效应器--磷脂酶C（PLC），它使磷脂酰二磷酸肌醇（PIP2）分解，生成三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）。IP3和DG作为第二信使，在细胞内发挥信息传递作用。IP3首先与内质网外膜上的钙离子通道结合，使内质网释放钙离子入胞浆，导致胞浆内钙离子浓度明显增加，钙离子与细胞内钙调蛋白（CAM）结合，激活蛋白激酶，促使蛋白酶磷酸化，从而调节细胞的功能活动。DG的作用主要是特异性激活蛋白酶C（PKC）。PKC与PKA一样可使多种蛋白质或酶发生磷酸化反应，进而调节细胞的生物效应。

3. 离子通道受体介导的信号转导

（1）离子通道受体也称促离子型受体或配体门控离子通道，受体蛋白本身就是离子通道，通道的开放既涉及离子神经递质本身的跨膜转运，又可实现化学信号的跨膜转运转导。直接激活离子通道是介导靶神经元兴奋性变化最简单的方式，这也是配体门控离子通道作用的共同机制。

（2）由于配体结合位点和离子通道是细胞膜上同一大分子或大分子复合物的一部分，神经递质与受体的结合直接导致与受体紧密连接的离子通道构想的改变，从而改变通道的性质，使静息状态下关闭的通道在神经递质作用后开放，允许离子顺浓度梯度流过细胞膜。配体门控离子通道通常见于神经细胞和神经-肌接头处。由于受体结合后所导致的空间构想改变是轻易可逆的，一旦受体不再与递质结合，通道即恢复其静息状态。

（3）多数的离子通道型受体是由相互间具有相似氨基酸序列的5个亚基组成的5聚体，主要由烟碱型乙酰胆碱受体、毒蕈碱型乙酰胆碱受体、GABA受体、谷氨酸受体、甘氨酸受体、5-羟色胺受体。

4. 酶偶联受体介导的信号转导

（1）大多数神经营养因子和细胞因子采用直接激活酪氨酸激酶的信号转导方式，有些神经营养因子如NTF受体本身就具有酪氨酸激酶的活性，称为受体酪氨酸激酶（RTK），如NGF受体。

（2）较重要的的酶偶联受体有酪氨酸激酶受体和鸟苷酸环化酶受体。

a. 酪氨酸激酶受体本身具有酪氨酸蛋白激酶（PTK）。当激素与受体结合后，可使位于膜内区段上的PTK激活，进而使自身肽链和膜内蛋白底物中的酪氨酸残基磷酸化，激发胞内一系列级联反应，引起细胞核内基因转录过程的改变，最终导致细胞内相应的生物效应。大部分生长因子、胰岛素和一部分肽类激素都是通过该类受体信号转导；

b. 鸟苷酸环化酶受体与配体（新房钠尿肽）结合，将激活鸟苷酸环化酶（GC），GC使胞质内的GTP环化，生成cGMP，cGMP结合并激活G（PKG），PKG对底物蛋白磷酸化，从而实现信号转导。

5. 第二信使

通常以细胞膜为界，将膜外的信号分子（神经递质、神经调质和激素）称为第一信使，而将膜内的小分子化合物称为第二信使（胞内信使）。

（1）概述

第二信使是指能把激素或神经递质的信息传到细胞内，并引起相应生理效应的细胞内一类化学物质。

（2）G蛋白

G蛋白是一类存在于细胞膜内侧的调节蛋白，它们都是由三个不同亚单位α、β、γ 组成的三聚体；静息状态时与GDP结合；相应受体激活后，GDP-α、β、γ复合体在镁离子参与下，结合的GDP与胞浆中GTP交换，GTP-α与β、γ分离并与相应的效应机制结合，同时配体与受体分离。α亚单位内在的GTP酶活性促使GTP水解为GDP，激活效应机制，从而恢复原来静息状态。Gs激活腺苷酸环化酶，使cAMP增加。Gi抑制腺苷酸环化酶，使cAMP减少，G蛋白还激活磷脂酶C，调节钙离子、钾离子等离子通道，对鸟苷酸环化酶也有激活作用，作用非常广泛，介导多种效应。G蛋白还介导激活磷脂酶A2（PLA2）产生花生四烯酸（AA），后者是各种前列腺及白三烯的前体。

（3）几种主要的第二信使

a. cAMP

    cAMP是ATP经腺苷酸环化酶作用的产物。cAMP被磷酸二酯酶（PDE）水解为5’-AMP后失活，茶碱抑制磷酸二酯酶而使胞内cAMP增多。cAMP能激活蛋白激酶A（PKA），使胞内许多蛋白酶通过磷酸化（ATP提供磷酸基）而活化。而钙离子通道磷酸化后激活，钙离子内流使神经、心肌、平滑肌等兴奋。

b. 环磷鸟苷（cGMP）

     cGMP是GTP经鸟苷酸环化酶作用的产物，也会被磷酸二酯酶水解而灭活。cGMP作用与cAMP相反，使心脏抑制，血管舒张，肠腺分泌等。cGMP可激活蛋白酶G而引起各种效应。

c. 肌醇磷脂

    某些受体与对应的受体激动药结合后，通过G蛋白介导激活磷脂酶C（PLC）。PLC使4,5-二磷酸肌醇磷脂（PIP2）水解为DAG及IP3。DAG在细胞膜上激活蛋白激酶C（PKC），使许多靶蛋白磷酸化而产生效应，如腺体分泌，血小板聚集，中性粒细胞活化及细胞生长、代谢、分化等。IP3能促进细胞内钙池释放钙离子，也有重要的生理意义。

d. 钙离子

    钙离子对细胞功能有着重要的调节作用，如肌肉收缩。腺体分泌、白细胞及血小板活化等。细胞内钙离子可以从细胞外经细胞膜上的钙离子通道流入，也可从细胞内肌浆网等钙池释放，两种途径相互促进。前者受膜电位、受体、G蛋白、蛋白激酶A等调控，后者受IP3作用而释放。细胞内钙离子激活蛋白酶C，与DAG由协同作用，共同促进其他信息传递蛋白及效应蛋白活化。

e. 一氧化氮（NO）

     NO由激活的一氧化氮合酶（NOS）催化精氨酸产生。已知NOS由三种亚型，有神经型（nNOS）、内皮型（eNOS）、诱导型（iNOS），这三种NOS均广泛分布于大脑及外周组织。在中枢神经系统中，NO的作用主要是通过激活可溶性鸟苷酸环化酶来实现的。NO可通过两条途径作用于靶分子而发挥生物效应：皮摩尔级（pmol）或飞摩尔级（fmol）水平的NO主要发挥细胞信息传递作用，NO激活鸟苷酸环化酶，激活的鸟苷酸环化酶产生大量cGMP，NO-cGMP通路在多种组织、细胞中发挥作用；纳摩尔级（nmol）水平的NO主要引起细胞毒性，如通过产生超氧阴离子，介导谷氨酸的细胞毒性。

f. 前列腺素

前列腺素，特别是前列腺素E与环腺苷酸的关系密切，如前列腺素E可以增加许多组织细胞内环腺苷酸的含量。有人提出，在某些激素的机制中，可能先引起前列腺素的释放，进而激活腺苷酸环化酶，生成腺苷酸，继续传递信息。

（4）介导的信号转导途径

a. 腺苷酸环化酶/cAMP-依赖性蛋白激酶系统

   该途径以靶细胞内cAMP浓度改变和激活蛋白激酶A为主要特征。

    cAMP信号系统含有三个存在于细胞膜上的组分，即受体、G蛋白和腺苷酸环化酶。当腺苷酸环化酶被激活后，催化胞质内ATP生成cAMP，cAMP作为第二信使通过激活蛋白激酶A使靶蛋白磷酸化，包括许多类型的离子通道、受体、骨架蛋白及核转录因子。

蛋白激酶A对代谢的调节作用主要通过催化部分参与物质代谢的酶的磷酸化。

对基因表达的调节主要是通过基因转录调控区中的一类cAMP反应元件（CRE）实现的。当cAMP浓度低时，蛋白激酶A主要分布于胞浆，cAMP浓度增高，诱导蛋白激酶A全酶解离出催化亚基并转位到细胞核，可催化cAMP反应元件结合蛋白（CREB）特定部位的丝氨酸残基磷酸化，磷酸化的CREB形成二聚体与CRE结合，从而激活受CRE调控的基因的转录。

b. 鸟苷酸环化酶/cGMP-依赖性蛋白激酶系统

   鸟苷酸环化酶催化GTP生成cGMP，cGMP与鸟苷酸环化酶一起构成细胞信息传递中另一重要的第二信使系统。虽然在细胞内cGMP的水平比cAMP低得多，但在某些可兴奋组织中也起某种特异的调节作用。

    在少数情况下，膜受体含有鸟苷酸环化酶，如心房利钠肽受体，胞外信号分子激活该类受体引发调节作用；大多数情况下，胞内可溶性鸟苷酸环化酶可被NO激活。

c. 膜磷脂代谢产物介导的不同的第二信使系统

   神经递质等细胞外信号作用于靶细胞的相应受体，通过G蛋白，激活细胞膜上特异的PLC-β，使磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）分解产生溶于胞浆的IP3和保留在膜上的DAG两种信使物质，二者分别激活两条独立又相互联系的信号传递途径。

IP3的主要作用是通过作用于内质网上的IP3受体，释放细胞内库储存的钙离子，使胞浆游离的钙离子水平增高，通过钙离子浓度升高影响神经元离子通道的活动和许多其他细胞功能。细胞内游离钙离子水平稍高就可诱导蛋白激酶C从胞质转移到细胞膜而成“待激活态”。

    质膜上增多的DAG在钙离子和磷脂酰丝氨酸（PS）的配合下特异地激活蛋白激酶C，从而催哈细胞内各种底物蛋白（包括一些离子通道）丝氨酸和（或）苏氨酸残基磷酸化，产生多种生物效应。

d. 胞内钙信号途径

    神经外液钙离子通过钙通道进入细胞或亚细胞器内储存的钙离子释放到胞浆时，都会使胞浆内钙离子水平急剧升高。

    在大多数神经元，静息细胞内游离钙离子浓度大约100nmol/L，细胞的肌浆网、内质网和线粒体可作为细胞内钙离子的储存库。钙离子是细胞内最重要的第二信使之一，进入胞质后有许多蛋白参与介导其生化反应，其中最为重要的是与钙调蛋白（CaM）形成复合物以调节包括CaMPK、蛋白磷酸酶和腺苷酸环化酶在内的许多酶的活性。通过这些酶来改变神经元已有的突触蛋白活性或激活相应的基因表达，发挥神经生物学作用。

 

四．神经细胞生物电现象的各种机制

1. 兴奋性

(1)定义：兴奋性是由可兴奋细胞或组织对外界刺激发生反应的能力。

        神经细胞的兴奋性可以理解为在受到刺激时产生动作电位的能力。

 (2)刺激可以泛指神经细胞所处环境因素的任何改变。

  引起神经细胞兴奋的三个条件：一定的刺激强度、一定的刺激持续时间和一定的强度-时间变化率。

  如果使刺激的作用时间保持不变，将引起神经细胞发生兴奋的最小刺激强度称为阈强度。

 (3)兴奋过程的兴奋性变化

  a.绝对不应期：当神经细胞接收一个阈上刺激而发生兴奋后，在其后一个较短时间内，无论该细胞再受到多么强大的刺激，都不能再发生兴奋。即在这段时间内神经细胞的兴奋性几乎降低到零，这一时期称为“绝对不应期”。

  b.相对不应期：经过一定的恢复期，神经细胞有可能恢复对刺激的兴奋，但需要的刺激强度必须远远大于阈强度，提示在这段时期内，神经细胞的兴奋性正在逐渐恢复，但仍然低于正常值，这一时期被称为“相对不应期”。

  c.超常期：在相对不应期之后，神经细胞可以出现一个短暂的兴奋性稍高于正常水平的时期，称为“超常期”。此时，低于正常阈值的刺激就能够引起神经细胞的兴奋。然而，由于此时神经细胞的兴奋性并没有完全恢复到正常水平，因此，在这段时期内，神经细胞所产生的兴奋仍然是不正常的。

  d.低常期：在超常期后，神经细胞的兴奋性还要经历一个“低常期”，即此时神经细胞的兴奋性又低于正常水平。在这之后，神经细胞的兴奋性才完全恢复正常。

 

2. 膜电学基础

 (1)脂质双分子层构成膜电容器，蛋白质离子通道构成膜电阻，分隔和储存在膜电容器两侧极板的正负离子则形成跨膜电势差，这样就使神经细胞形成一个完整的等效电路，这就是神经细胞产生兴奋的膜电学基础。

(2)神经细胞发生兴奋的基本表现形式是爆发可扩布的动作电位。动作电位产生的基础是由于神经细胞膜上离子通道开放引起离子流的出入所形成的。

 

3. 静息电位

(1)在静息状态下，细胞膜的电位差称为静息电位。

(2)细胞内高钾离子浓度和静息时细胞膜主要对钾离子有通透性，是神经细胞产生和维持静息膜电位的主要原因。     

(3)极化：在静息状态下，细胞膜两侧所呈现的“内负外正”的状态，称为膜的极化。

去极化：在某种因素的影响下，使静息膜电位的数值向膜内负值减小的方向变化，称为膜的去极化。

超极化：使膜电位向负值增大的方向变化则称为超极化。

复极化：细胞膜先发生去极化后再向正常静息电位的负值恢复的过程称为复极化。

 

4.动作电位

(1)定义：当神经细胞收到一个阈上刺激而发生兴奋时，神经细胞将在静息膜电位的基础上发生一次迅速而短暂的、可以向远距离扩布的电位波动，称为动作电位。

(2)产生过程：当神经细胞在静息状态上收到一次阈上刺激时，膜内的负电位迅速减小以致消失，进而变成正电位。即细胞膜电位由原来的“内负外正”迅速变为“内正外负”。一般情况下，膜内电位在短时间内可由原来的-60~-90mV变为+20~+40mV，这样整个细胞膜内、外电位变化的幅度就是80~130mV，于是就构成了动作变化曲线的上升支，称为“去极相”。其中，动作电位上升支中零位线以上的部分（即超出静息电位的部分），称为“超射值”。一般神经细胞的超射值约为+20~+40mV，然而在神经细胞中，这种由刺激所引起的膜电位的迅速倒转只是暂时的。超射出现后，膜内正电位很快就减小并发展到刺激前原有的负电位状态，这就构成了动作电位的下降支，称为“复极相”。

(3)特点：①只要刺激强度达到了阈值（即阈强度），再继续增加刺激强度则不能使动作电位的幅度有所增加，也即动作电位可因刺激强度过弱而不出现，但当刺激强度达到阈值以后，就不再随刺激的强弱而改变其固有的大小和波形。

②动作电位在神经细胞膜的受刺激部位产生后，可以沿着细胞膜向周围传播，直至整个细胞膜都依次发生兴奋，并产生一次同样大小和波形的动作电位。即动作电位在细胞膜上传播的范围和距离并不因原先刺激的强弱而有所不同。

动作电位或锋电位的产生是神经细胞兴奋的标志。

“全或无”现象：在同一细胞上动作电位的大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。

 

(4)产生机制：①当细胞膜电位在静息电位的基础上向去极化方向改变时，细胞膜上的电压门控通道开放，出现快速、大量的钠离子内流；②通道蛋白分子的构型变化决定钠通道的激活、失活与恢复；③几乎在钠通道失活的同时，电压门控钾通道开放，于是出现钾离子的外流。

电压门控钠通道和钾通道的开放与关闭时神经细胞动作电位产生的基础。

动作电位去极相的产生主要是由于细胞膜上电压门控钠通道开放，引起大量钠离子快速内流所形成的；动作电位去极相的产生主要是由于钠通道的快速关闭，以及细胞膜上电压门控加通道开放，引起钾离子外流所形成。

 

5.阈电位

   这种引起细胞膜上电压门控钠离子通道开放而爆发动作电位的膜电位临界值称为阈电位。

   阈电位是神经细胞的内在膜特性。阈电位的大小可以直接反映出神经细胞兴奋性的高低。阈电位的水平距离静息膜电位的水平愈接近，则细胞就愈容易兴奋，因此也就表明神经细胞的兴奋性愈高。

    能够引起静息膜电位降低到阈电位的水平而爆发动作电位的最小刺激强度。

 

6.局部兴奋

(1)定义：由于阈下刺激只能使受刺激局部细胞膜上的钠通道少量开放，引起少量的钠离子内流，导致局部膜电位出现一个小的去极化，但这种去极化不能达到阈电位水平，因此不能爆发动作电位。由于这种膜电位变化只局限在受刺激的局部范围内而不能向远处传播，所以被称为“局部反应”或“局部兴奋”。

(2)特点：①不是“全或无”的，它可以随刺激强度的增大而增大，持续时间也会随刺激强度的增大而延长；②呈衰减性扩布（电紧张扩布），即局部兴奋在细胞膜上向周围扩布的过程中，随着扩布距离的增加其去极化的幅度会迅速减小以致消逝；③总和现象：局部兴奋没有不应期现象，可以叠加，包括“时间性总和”（同一部位先后接受两个阈下刺激，在前一个局部兴奋消失之前后一个局部兴奋与之相叠加）和“空间性总和”（邻近部位同时给予两个阈下刺激，局部兴奋通过紧张扩布而叠加）。

 

7.兴奋的传导

(1)机制：在静息状态下，细胞膜电位处于“内负外正”的极化状态。如果给细胞膜施加一个阈刺激或阈上刺激，就可以引起受刺激的局部细胞膜发生去极化达阈电位水平而产生兴奋，由此爆发的动作电位使局部细胞膜发生短暂的电位倒转，导致兴奋部位的膜电位由静息状态时的“内负外正”而转化为“内正外负”。

(2)特点：①完整性②安全性③双向传导④不衰减传导。

五．肌细胞的收缩机制

1.骨骼肌

(1)骨骼肌细胞由于其特化又称肌纤维，一条肌纤维胞质中由许多肌原纤维组成，每条肌原纤维由许多平行排列的粗肌丝和细肌丝组成，并被膜状的微管结构所环绕。骨骼肌的两端与由结缔组织构成的肌腱融合，借肌腱附着在骨骼上，牵引骨骼产生运动。骨骼肌在光镜下可见明暗相间的横纹，属于横纹肌。

(2) 骨骼肌的肌膜系统

    肌膜系统包括内膜系统和外膜系统。

①骨骼肌纤维外层被膜包绕，膜内含有极细的纤维物质形成的网状结构，组成外膜系统，具有传导兴奋的功能。

②在肌细胞内部，存在于每一条肌原纤维周围的膜状微管结构，统称为内膜系统。

    内膜系统（肌管系统）由结构和功能上相互独立的横管和纵管组成。

    横管又称T管，走向与肌原纤维的长轴垂直，实质上是肌细胞间隙在细胞内的扩展。

    纵管又称L管，大致与肌原纤维的长轴平行，是由肌细胞的光面内质网特化而成，又称肌质网。构成肌质网的主要蛋白质是钙泵（一种ATP酶），它可将肌浆中的钙离子泵入肌质网，以便调节和控制肌浆中钙离子的浓度。 纵管在Z线附近管腔变宽并相互吻合，形成终末池（终池）或侧囊。在Z线两侧，分属两个肌节相邻的两个终池和Z线处围绕肌纤维并将两个终池间隔开的横管形成三联体（三联管）。

    肌管系统对钙离子的吸收、贮存、释放及细胞内外的信息传递发挥重要作用。

(3) 肌原纤维在光镜下的结构

    光镜下观察碱性材料染色后的肌纤维的纵切面，可见每条肌原纤维都呈现相间的明暗交替，分别称明带和暗带，这就是称为横纹肌的原因。暗带又称为A带，A带中央着色较淡称为H带。H带的正中有一条着色较深的线称为M线。相邻两A带间的明带称为I带，I带正中一条着色较深的线称为Z线。

    以Z线为界，肌原纤维被划分成许多个肌节，肌节由A带和其两侧各1/2的I带组成，是肌细胞的基本功能单位。

(4) 肌原纤维的超微结构

    肌丝分粗肌丝和细肌丝。

粗肌丝位于肌节的A带，中部由M线固定，两端游离，表面有许多称为横桥的突起，由许多豆芽状的肌球蛋白分子集合成束组成。肌球蛋白分子头部（横桥）具有ATP酶的活性，当肌球蛋白分子头部与肌动蛋白作用位点接触时，ATP酶被激活，分解所结合的ATP并释放能量，使横桥发生屈伸运动。

细肌丝由Z线伸出，纵贯I带全长，并伸长至A带内部，与粗肌丝交错对插。细肌丝由肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白三种蛋白组成。每7个单体激动蛋白分子组成双链螺旋的半圈，随之还有一个原肌球蛋白嵌于其内。肌钙蛋白复体由三个亚基组成：肌钙蛋白C（TnC），是与钙离子结合的亚单位；肌钙蛋白I（TnI），是调控肌动蛋白和原肌球蛋白相互结合的亚单位；肌钙蛋白T（TnT），是将整个肌钙蛋白结合于原肌球蛋白上的亚单位。

 

2. 躯体运动

（1）反射性运动

反射性运动是最简单最基本的运动，不受意识的控制，反应快捷，通常由特异的感觉刺激引起，产生的运动又定型的运动轨迹。

反射是指在中枢神经系统的参与下集体对内外刺激所发生的规律性反应，其结构基础是反射弧，根据刺激条件不同，反射一般分为两类：条件反射和非条件反射。

非条件反射是人生来就有的先天性反射，是一种比较低级的神经活动，由大脑皮层以下的神经中枢（如脑干、脊髓）参与即可完成。如膝跳反射、眨眼反射、缩手反射、婴儿的吮吸反射和排尿反射等。

条件反射是人出生以后在生活过程中形成的后天性反射，条件反射的建立是利用一个与非条件反射无关的刺激条件和非条件反射多次结合，这个无关的刺激条件就成了条件反射的刺激信号。

（2）随意运动

    随意运动是指意识支配下受大脑皮层运动区直接控制的躯体运动。具有一定的目的性和方向性，可以是对感觉刺激的反应或因主观意愿而产生，运动形式更为复杂，一般为后天形成。

（3）节律性运动

节律性运动可以随意开始或中止，在开始和中止时都受高级神经中枢大脑的控制，但在运动过程中与大脑的意识无关，而是低级中枢的自激行为，它是由位于脊髓（脊椎动物）或腹神经节（无脊椎动物）中的中枢模式发生器（CPG）所产生和控制的时空运动模式。节律运动具有规则的表现形式，有高度的稳定性和自适应性。

 

3. 运动机理

（1）神经肌肉接头的结构

神经肌肉接头是指运动神经元轴突末梢与骨骼肌肌纤维的接触部位，属于化学突触。运动神经元同一根轴突末梢的全部分支以及其所支配的所有肌纤维成为一个运动单位。

在神经肌肉接头处，神经和肌肉是分离的，二者并没有原生质的沟通。且神经肌肉传递是由囊泡释放乙酰胆碱为中介而完成的。

（2）神经肌肉接头的信息传递机制

运动神经元的神经冲动（电信号）传到轴突末梢时，轴突末梢膜去极化，去极化作用导致膜上的钙离子通道开放，钙离子沿其电化学梯度由突触前膜外流向轴突终末内，钙离子激活了钙依赖蛋白激酶（钙离子-钙调蛋白依赖蛋白激酶II）或可能由于囊泡含有负电荷，膜内为负，膜外为正，而钙离子进入是异性相吸的结果；还可能钙离子进入激活囊泡的细丝导致的等等，促使突触囊泡向突触前膜移动并与神经细胞膜上的ACh受体结合，进而引起ACh受体的通道开放，钾离子和钠离子沿着电化学梯度进行易化扩散，由于钠离子的电化学梯度远远大于钾离子的电化学梯度，因此进入终板膜内的钠离子数量远远大于流出终板膜的钾离子的数量，使终板膜瞬间去极化产生终板电位（EPP）（在终板膜上产生的这种瞬时去极化的电位称为终板电位），EPP的产生使邻近的肌膜去极化至阈电位水平，产生动作电位并沿肌膜扩布。

由于乙酰胆碱受体被乙酰胆碱酯酶迅速水解为胆碱和乙酸，失去与受体结合的活性，乙酰胆碱受体的通道也就随之关闭。水解后形成的胆碱被摄入突触前轴突终末内，重新成为合成乙酰胆碱的原料。乙酰胆碱的迅速失活使一次神经冲动只能引起一次肌肉冲动，保证了神经肌肉传递的秩序性和准确性。

（3）骨骼肌收缩机制

骨骼肌受脊髓前角运动神经元的支配，运动神经元的轴突终末与骨骼肌形成神经肌肉接头，当神经冲动到达运动神经元的轴突终末时，经过一系列电化学转化过程，肌细胞膜上产生了动作电位，并沿肌细胞的横管膜传导到肌细胞深处，直至三联体附近，引起纵管终池释放大量钙离子进入肌浆，钙离子到达细丝所在部位并与细丝上的肌钙蛋白C（TnC）相结合，导致细丝上肌钙蛋白构象的改变，进而引起原肌球蛋白构想的变化，从而使细肌丝上的肌动蛋白分子与粗肌丝上横桥的结合位点暴露，粗肌丝球头部组成的横桥与细肌丝上肌动蛋白分子暴露的位点结合，同时分解ATP释放能量，并向M线方向摆动，牵引细肌丝向粗肌丝之间滑行，引起肌细胞的收缩。肌肉收缩时，在形态上表现为整个肌肉和肌纤维的缩短，但在肌细胞内并无肌丝或它们所含分子结构的缩短，而只是在每一个肌节内发生了细肌丝向粗肌丝之间的滑行。

（4）感觉信息反馈

前馈控制作用是指在运动发起之前，神经系统就已经根据所获得的感觉信息尽可能精确地计算出下行的运动指令，当运动开始后，不再依靠反馈信息，前馈控制运动适宜于快速运动，这些运动一旦执行，就再也无法接受反馈信息而调整动作，因为前馈控制性运动很容易失误。

反馈控制作用是指运动进行过程中，可以接受相关的感觉信息的反馈，这些反馈信息主要是把运动状态结果汇报给控制中枢，使控制中枢参照实际情况不断地纠正和调整发出的信息，以达到对运动的精确控制。