精品课程 生 理学教案 第二章 细胞的基本功能 [目 的要 求] 通过本章的学习, 掌握细胞膜的物质转运功能、 细胞的跨膜信息传递功能、 细胞的兴 奋性和生物电现象、肌细胞的收缩功能等。 [讲 授重 点] 1.细胞膜的 物质转运的形式和影响因素 2. 静息电位 和动作电位的概念和形成的离子机制 3. 局部兴奋 、动作电位的引起和兴奋在同一细胞上的传吧吧导机制 4. 神经-骨 骼肌接头处的兴奋传递及影响因素 5. 肌肉收缩 原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响 [讲 授难 点] 1.继发性主 动转运 2.静息电位 和动作电位形成的离子机制 3.前负荷、 后负荷及肌肉的收缩能力对肌肉收缩的影响 [基 本概 念] 单纯扩散 (s imple diffusion) ; 易化扩散 (fac ilitated diffusion) ; 主动转运 (act ive transport) ;第二信使(second messenger) ;蛋 白激酶(protein kinase) ;电压门控性通 道 (v oltage-gated channel) ; 配体门控 通道 (l igand-gated channel) ; 钙调素 (c almodulin, CaM) ; 即 刻 早期基因 (immediate-early gene, IEG) ; 静息电 位 ( resting potential, RP) ; 动作电位 (a ction potential, AP) ; 去极 化 (d epolarization) ; 超极化 (h yperpolarization) ; 复极化 (r epolarization) ; 阈电位 ( threshold potential) ; 兴 奋-收缩耦联 (excitation contraction coupling) ;等长收缩(i sometric contraction) ;等张收缩(i sotonic contraction) ; 强直收缩 (t etanus contraction) ; 前负 荷 ( preload) ; 后负荷 ( afterload) [使 用教 材] 生理学(1 版 ),王庭槐主编 ,高等教育出 版社,2004,北京 [授 课学 时] 7学时 [学 时分 配] 第一节 细胞 膜的结构和物质转运功能 2 学时 第二节 细胞 的信号转导 1 学时 第三节 细胞 的生物电现象 2.5 学 时 第四节 肌细 胞的收缩功能 1.5 学 时 细胞是组成人体和其他生物体的基本结构单位和功能单位。 体内所有的生理功能和生化 反应都是在细胞及其产物的物质基础上进行的。 只有在了解细胞和细胞器的分子组成和功能 的基础上,才能阐明整个人体和各器官、系统的功能活动及其机制。 一、 细胞膜 的物质转运功能 (一) 细胞 膜的结构 1.细胞膜的 分子组成 细胞膜主要由脂质和蛋白质组成, 外加少量糖类 (图 2-1)。 蛋白 质和脂类的重量比约 4:1; 数量比约为 1:100。 ( 1)膜脂质 在膜的脂 质中,主要为磷脂(约占 70%) 、 胆固醇( <30%)和少量鞘 1 脂类。 磷脂主要有四种: 磷脂酰胆碱、 磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。 磷脂 一 端的磷酸和碱基朝向细胞膜的内表面或外表面, 属亲水性极性基团; 而另一端的两条脂肪酸 烃链则朝向膜的内部两两相对, 属疏水性非极性基团。 因此, 膜的脂质具有双分子层、 双 嗜 性分子的性质。 磷脂酰肌醇可生成三磷酸肌醇 ( inositol trisphosphate, IP 3 ) 和二酰甘油 ( DG) , IP 3 和 DG作为 第二信使参与跨膜信号转导作用。 ( 2)膜蛋白 膜蛋白质 有两种存在形式: ( 1) 表面蛋白质( peripheral protein) ,附着 在膜的内、 外表面; ( 2) 整合蛋白质 ( integrated protein) , 贯穿整个脂质双分子层。 正是这 些蛋白质决定了细胞膜的各种功能,包括受体功能、物质转运功能、酶功能和免疫功能等, 从而保证了细胞与环境之间的物质、能量和信息的交换。 ( 3)糖类 含量很少, 主要是寡糖和多糖链,以共价键形式与膜脂质或蛋白质结合 , 形成糖脂或糖蛋白。糖类绝大多数裸露在膜的外表面,可作为细胞或蛋白质的特异性标志。 图 2-1 细 胞膜的分子结构模式图 2.膜的结构 模型 (1)单位膜 脂质双分子层的膜性 结构是细胞 中普遍存在 的基本结构 。电镜下细 胞 膜 呈二暗一明的三层结构,各层厚度均为 2.5 nm。 ( 2)液态相 嵌模型( fluid mosaic model) 以液态的脂 质双分子层 为基架 ,其中 镶嵌着具有 不同分子结 构和不同生 理功能的球 形蛋 白质(图 2-2)。 图 2-2 细胞 膜液态相嵌模型示意图 二、跨膜物质转运的方式 2 (一)单纯扩散 ( simple diffusion )( 图 2-3) 1.含义:脂 溶性物质分子顺浓度梯度的净移动现象(物质热运动)。 2.物质: CO2、O 2、NH 3、NO、尿素等。 3.指标:扩 散通量。 4.特点: 只 有脂溶性物质分子可扩散; 通过量取决于膜两侧浓度差 (扩散动力) ; 通过量还 取决于膜的通透性(扩散阻力)。 5.影响因素 : ( 1) 膜两侧物质浓度梯度, (对离子来说, 还有电位梯度); ( 2) 膜对物质的 通透性( permeability )。 6.意义:转 运物质有限,主要为CO 2,O 2等气体分子。甾体激素也可。 图 2-3 单纯 扩散示意图 ( 二 ) 易化扩 散 (facilitated diffusion) 非脂溶性 或 脂溶性低 的 物质,在 膜 蛋白质帮 助 下,顺着 浓 度梯度或 电 位梯度的 跨 膜 转 运现象叫做易化扩散。易化扩散的两种类型: 1.经通 道介 导的易化 扩 散 ( 1)通 道( channel) 的 共同特征: ①选择性: 即只允许一定离子通过, 但选择性不如 载体蛋白强。 ②高速性: 即转运速度快, 约 10 8 ~10 9 个离子, 如Na + 通道转运Na + 的速度是载 体 蛋白转运葡萄糖速度的 1000 倍。③顺 浓度差:即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散,其 动力来源于分子的热运动。 ④通道开、 关的瞬时性: 即通道开或关都很快, 受不同因素的 调 控。⑤不同 离子通道有 特异阻断剂 : Na + 、K + 、C a 2+ 通道的特异性阻断 剂分别是河 豚毒素、 四乙基胺和异搏定。 图 2-4 经通 道介导的易化扩散示意图 (2) 种类: ①电压门控通道 (voltage-gated channel) : 启 、 闭取决于膜两侧电压差, 如Na + 通 道、K + 通 道和C a 2+ 通道等 。② 化学门控通 道(c hemically-gated channel)或 配 体 门控通道 (ligand-gated channel) : 启 、 闭取决于膜两侧化学信息, 如N型乙酰胆碱门控通 道。③机械门控通道(mechanica lly-gated channel) :启、闭取决于 机 械牵拉刺 激 ,如皮 肤触压觉和内耳毛细胞的机械门控通道。 (3) 扩散物 质: 水、 尿素、 Na + 、K + 、C l - 、 Ca 2+ ,所有单 糖分子直径> 8?,故单糖 不能经 通道扩散。 2.经载体介导的易化扩散 载体( carrier)蛋白 质分 子像渡 船一 样, 3 图 2-5 经载 体介导的易化扩散示意图 将物质从高浓度一侧摆渡到低浓度一侧。主要转运的物质是葡萄糖、氨基酸等非离子物质。 其特点是:①高度的结构特异性; ( 2)有饱和现 象; (3)有 竞争性抑制现象;④顺浓度差: 即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。 上述两种转运方式是顺浓度梯度进行, 未消耗细胞膜的能量, 故称为被动转运 ( passive transport) 。 ( 三 ) 主动转 运 (active transport) 是 指细 胞通过 本身 某种耗 能过 程将物 质分 子或离 子逆 浓度梯 度或 逆电位 梯度 而进行 的 跨膜转运过程。其结果是形成了物质在细胞内外的不均衡分布,如细胞外高浓度 Na + 和细胞 内高浓度的 K + 。 主要转运的物质是葡萄糖、 氨基酸等营养物和 Na + 、 K + 、 Ca 2+ 、H + 、C l - 、I - 等离子。 1.原发 性主动 转运 (primary active transport) 直接由细胞代谢提供 ATP 的逆向转 运过程称为原发性主动转运。如钠泵、钙泵、氢泵 等由 ATP 供 能完成的主动转运。 正常情况下, 细胞内 K + 浓度约为膜外的 30 倍, 膜外 Na + 浓度约为膜内的 12 倍。 这种浓 度差的形成和维持与细胞膜上普遍 存在的钠—钾泵(sodiu m-potassium pump, Na +_ K + 泵, 简称钠泵 ) 有关。 钠泵的作 用 :耗能地逆 浓 度梯度将 膜 内 Na + 移 出 膜 外,将胞 外 K + 移入 膜内, 以保持膜内 高 K + 和膜外高 Na + 的不均衡的离子分布。在生理情况下,每分解一个ATP分子可以移出 3 个 Na + ,移入 2个 K + 。 图 2-6 Na + - K + 泵主动转运 钠泵的生理意义: ①由钠泵活动形成及维持的胞内高 K + 是许多生化代谢反应的必需条 件;②阻止胞外 Na + 和水进入膜内,从而维持细胞的结构和功能;③建立的势能贮备是可 兴 奋组织兴奋的基础,也提供了细胞其它的耗能过程。 2.继发 性主 动转运 (secondary active transport) 也称联 合转 运( cotransport) , 是 指 某 一物质 逆浓 度差转 运要 依赖另 一物 质的浓 度差 所 造成的势能而实现的主动转运。该转运有转运体蛋白或转运体( transporter)参与,包 括 同 向转运和逆向转运。 主要见于肠粘膜上皮和肾小管上皮细胞对葡萄糖、 氨基酸等的吸收以及 递质分子的再摄取和甲状腺细胞的聚碘作用。 4 图 2-6 继发 性主动转运示意图 (四 ) 出胞和入 胞 出胞和 入胞是细胞对一些大分子物质或固态、液态的物质团块的转运形式。 1.出胞 (exocytosis) 作用 也称胞吐 , 是细胞排 出 物质过程 。 主要见于 神 经递质释 放 、内分泌 细 胞分泌激 素 、 外 分泌腺的分泌以及酶原颗粒的分泌等。 Ca 2+ 在此 过程起重要作用。 2.入胞 (endocytosis) 作用 指 胞 外 某些物 质团 块进入 细胞 过程。 入胞 物质以 固态 性质进 入细 胞称为 吞 噬 ( phagocytosis) ; 入胞物质以液态性质进入细胞称为吞饮 ( pinocytosis) 。 细 菌、 病毒、 异物 的侵入, 血浆中脂蛋白、 大分子营养物进入细胞过程均是入胞作用。 近年来发现一种新的称 之为受体介导式入胞,即被转运物质与膜表面的特异性受体相互作用而引起的入胞现象。 图 2-7 出胞 和入胞作用 细胞膜的 物 质转运方 式 小结: 单纯扩 散 通 道中介 小分子物 易化扩 散 质或离子 载 体中介 原发 性 物质 离子泵转 运 转运 继发性 入胞( 胞 饮、吞噬 ) 主 大分子物 质 或物质团 块 出 胞 (胞吐) 第二节 细胞的信号转导功能 一、信号转导概述 外界信号作用于细胞时,通常不进入细胞或直接影响细胞内过程,通过细胞膜特殊蛋 白质分子的变构(类固醇激素和甲状腺激素除外) ,将外界 膜内,引起细胞功能改变(电反应或其他变化) ,称为跨膜信号转导( transduction, TST) 。 (一)细 胞 外刺激信 号 5 动转运 ( 细 胞耗能 ) 被动转运 ( 细胞不耗 能 ) 被动转运 ( 细胞不耗 能 ) 信号转导为新的信号形式传递到 transmembrane signal 体外信号: 包括物理性 (光、 声、 电 、 温度) 、 化 学性 (空气、 环境中的各种化学物质) 、 生物性(细菌、病毒、寄生虫) 。 体内信号:是指化学信号,包括各种生物活性物质(如激素、递质等)所携带的信号。 细胞外信号:有三种类型,即神经递质、激素和细胞因子。气体分子 (二)受 1 受体是指位于质膜或细胞内能与胞外信号物质结合并能引起特定生物效应的大分子物 质。按结构和 和核受体。 2 ①特异性:某一受体只能与某一特定的配体结合; ②高亲和力: 发挥巨大的生物学效应; ③饱和性:受体的数量有限,故与配体结合时可达到平衡。 (三)信 跨膜信号转导过程包括: 节。 通过信号转导引起细胞内反应包括三个方面, 起的细胞功能改变; 引起的代谢反应改变;基因表达过程的改变,如某一个基因转录的启动或关闭。 二、 胞内环相连。 聚体;②存在结合 后使 鸟苷酸( 故在 苷酸环化酶( 内的信号 酸肌醇( /苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶两种类型。 激素、递质等 +受体 6 NO 属此类。 体 及其特征 、受体 的概 念及分类 TST 方式分为 4 类: G 蛋白耦联受体、具有酶活性的受体、离子通道型受体 、受体 与配 体结合的 主 要特征 配体分子 (如激素)的浓度很低 (10 - 9 mol/L或更低) , 但与受体结合后可 号 转导的基 本 过 程 膜的信号转换、 胞内信号传递和最终引发生物学效应的不同环 即膜电位改变或细胞兴奋性改变及由此引 各种效应蛋白由于构型改变引起的功能变化, 如酶蛋白活性改变及由此 TST 途径 (一) G 蛋 白耦联受 体 介导的 TST 1. G 蛋 白 耦 联受体信 号 通路中的 信 号分子 ( 1) G 蛋白耦联受体 有 7 个跨膜 区段,N 末端 位胞内,各区段有 3 个 胞外环和 3 个 ( 2) G 蛋白 有 20 多 种,其共同特征是:①静息时由α、β、γ 3 个亚单位组成三 GTP 的非活化和活化两种形式;③可被受体与配体的结合而激活,活化 GDP→ GTP,同时 三聚体分为β-γ复合体和α- GTP 复合体;④α亚单位既具有与 GTP 或 GDP)结合位点以及与受体和效应蛋白的作用位点,又具有 GTP 酶活性, G 蛋白活化和信号转导中起重要作用。 ( 3) G 蛋白 效应器 是 能催化生成第二信使的酶, 如生成环一磷酸腺苷 ( cAMP)的腺 CA)和环一磷酸鸟苷( cGMP)的鸟苷酸环化酶( GA)等 。 ( 4) 第二信 使 是指胞 外信号首先作用于膜受体, 通过膜的信号转换过程, 产生了胞 分 子及胞内 的 信号传递 过 程,由此 诱 发细胞的 各 种反应。 如 cAMP、 cGMP、三 磷 IP3) 、二酰甘油 ( DG)和 Ca 2+ 。 ( 5) 蛋白激 酶 是指能 催化蛋白质磷酸化的酶系统。 按磷酸化底物不同可分为丝氨酸 2.G 蛋白 耦 联受体信 号 转导途径 ( 1)受体- G 蛋白- cAMP- KPA 途径 G蛋白中介 激活腺苷 酸环化酶(AC) Mg 2+ ATP cAMP 蛋白磷酸 化 KPA cAMP:环一磷 酸腺苷 KPA:依 赖 cAMP 蛋白激酶 生物学效应 图 2-8 受体 - G 蛋白- cAMP- KPA 途径 上述过程的特点是:①经 细胞膜受体;②G蛋白介导;③第二信 使为 cAMP;④ 三级放大。 图 2-9 受体 - G 蛋白示意图 (2)受体- G 蛋白-DG/PKC 途径 (3)受体- G蛋白-IP 3 /Ca 2+ 系统 G蛋白中介 激素、递质等 +受体 磷脂酶 C( PLC) PIP 2 DG + IP 3 + PKC 胞 浆Ca 2+ 释放 生理生化反应 离子通道的影响更多的是通过第二信使起作用, 应的感受器电位。 耦联受体。 素样生长因子等。与 单快捷;②无 的效应蛋白大多是转录因子, 胞因子, 性的靶蛋白,从而参与基因表达的调控。 为配体门控的通道。如烟碱型乙酰胆碱受体( 酸型受体等。 胞内其他信号分子的参与。 7 DG:二酰甘油 IP 3 :三磷酸肌醇 PIP2:磷脂酸二磷酸肌醇 PKC:蛋白激酶 C 图 2-10 受体 - G蛋白-IP 3 /Ca 2+ 系统 (4)受体- G 蛋白-离子通道途径 如心肌 细胞 膜M 2 受体 于ACh结 合后 激活 了 Gi, 而使 K + 开放 , 引起心 肌的 抑制。 但G蛋 白 对 如视杆细胞有 cGMP门控Na + 通道, 可产生相 (二)具 有 酶活性的 受 体介导的 信 号转导 具有酶活性的受体有两类,即酪氨酸激酶受体( tyrosine kinase receptor) 和酪氨酸激酶 前者的特异性配体主要是各种生长因子, 如神经营养因子、 表皮生长因子、 胰 岛 G 蛋白受体介导的信号转导途径相比,具有下列特点:①转导过程简 G 蛋白参与;③与第二信使物质无关;④无胞内蛋白激酶激活;⑤胞内激活 故产生的生物学效应是基因转录的调节。 后者的配体多数是细 如白介素、 干扰素等。 其特征是受体本身无酶的活性, 但可激活具有酪氨酸激酶 活 (三)通 道 耦联的受 体 介导的信 号 转 导 通道耦联 的 受体既可 识 别、结合 特 异的配体 发 挥受体的 功 能,同时 又 是通道, 故 又 称 nAChR) 、谷 氨酸的离子型受体、γ-氨基丁 其整个信号转导过程只涉及膜功能改变, 包括膜电位和兴奋性的改变, 而没有 因此, 通常把胞外信号引起的靶细胞的这种反应称为快反应途径, 通过 G 蛋白、第二信使引起的靶细胞的功能变化称作慢反应途径。 化学 门控通 道 电压 门控通 道 机械 门控通 道 跨膜 信号转 导 途径 之一: 门 控通 道 图 2-11 三 类通道示意图 (四)核 受 体 因为一些受体在未被激活时, 可能位于胞浆, 但发挥作用的部位均在核内, 因此将存在 于胞浆或胞核内的一类特异蛋白质统称为核受体。 如类固醇激素受体 (肾上腺皮质激素、 性 激素受体家族) 、甲状腺 激素受体家族、维生素受体家族、维甲酸受体家族等。 第三节 细胞的生物电现象 一、生物电现象 ( 一 ) 静息电 位 (resting potential, RP) 1.含义: RP 是指细胞未受刺激(安静状态)时存在于膜内外两侧的电位差。 2.记录方法 :细胞内记录,测定膜两侧电位差。如膜外为零电位,则膜内为负电位。 图 2-12 生 物电的测量模式图 3.正常值: 神经、骨骼肌和心肌细胞为 –70 ~ -90mV;消化 道平滑肌细胞为 -60mV; 人 RBC 为 -10mV。 (二)与 生 物电相关 的 几个概念 1.极化 (polarization): 静息时细胞膜两侧存在的相对稳定的内负外正的状态。 2.超极化 (hyperpolarization):RP 数 值向膜内负值加大的方向变化。 3.去极(除 )化(depolariz ation) :RP 数值向 膜内负值减小的方向变化。 4.复极化 (repolarization):细胞先 发生去极化,然后再恢复到静息时的极化状态。 5.超射值 (overshoot potential):动 作电位上升支中零位线以上的正电位数值。 ( 三 ) 动作电 位 (action potential, AP) 8 1.含义 细胞膜受刺激后,在原有 RP 基础上发生一次膜两侧电位的快速的倒转和复原。即先出 现膜的快速去极化而后又出现复极化。 2.组成 ( 1)去极相 (上升支) : 包括去极化 和反极化( 超射值) 。上 升支电位幅 值为静息电 位 绝对值和超射值之和,如神经纤维受刺激后膜内电位从 -70 ~ -90 mv→ +20~+40 mv,电位变 化幅度为 90~130 mv。 ( 2) 复极相 (下降支) : 去极相时膜内电位的倒转只是暂时的, 它很快由动作电位峰值 又恢复到静息电位水平。 神经纤维和骨骼肌细胞 AP 的主要部分约在 0.5~2.0 ms 内完 成, 呈 短速而尖锐脉冲样变化,状似尖锋状,故亦称锋电位 (spike potential)。在锋电位后至完全恢 复到 RP 水平过程中, 存在着持续时间较长的缓慢、 微小的电位波动称后电位 (负后电位和 正后电位) 。 因此,也可以认为 AP 是由锋电位和后电位两部分组成的。 神经、骨骼肌和心室肌的R P和 AP 神经和骨骼肌 RP和 AP 心室肌细胞 RP和 AP 0 - 图 2-13 细 胞的静息电位和动作电位 图 2-14 细 胞动作电位测量及其图形 3.特点 ( 1) AP 是兴奋的标志,对神经和肌细胞来说,兴奋即意味着 AP 的产生; ( 2) “全或 无” ( all-or-none) 现象: 在单一细胞上 AP 的大小不随刺激强度和传导距离 而改变,要产生就达到最大; ( 3)不衰减 性传导: AP 在刺激部位产生后,可沿着细胞膜扩布,直至整个细胞膜都 依次兴奋,并产生一次同样大小和波形的 AP; ( 4) AP 后有不应期: 一次刺激引起的 AP 主要是在锋电位期间, 细胞失去对其它刺激 的反应能力,此时细胞的兴奋性极低(几乎为零) 9 二、生物电现象产生机制 (一) RP形 成原理— — K + 平衡电位 1.细胞内外 K + 浓度分布不均 (胞内> > 胞 外) → K + 外流 2.静息膜对 K + 有选择的通透性 3.带负电荷 的蛋白质( A - )留在胞内→ K + 与 → A - 隔膜相吸呈极化 → 对抗 K + 的净流动 可见, RP主要由 K + 平衡电位所形成,其大小取决于膜两侧 K + 浓度差和膜对 K + 通透性。 K + 平衡电位( E K )可用 Nernst公式计 算: E K =RT/ZF· ln[K + ] o /[K + ] i =59.5 log[K + ] o /[K + ] i (mv) 式中 R为通用常数, T是绝对温度, Z是离子价, F是 Faraday常数, [K + ] o 为胞外钾离子浓 度, [K + ] i 为胞内钾离子浓度。 实际上, K + 平衡电位的实测值较理论计算值略小。 这是因为构成静息电位除 K + 外流外, 可能还有其他离子的少量流动有关。 (二) AP 的 产生机制 1.AP的产生 ——锋电位和 Na + 平衡电位 ( 1) AP上升支: 当细胞受刺激时, 膜上 Na + 通道被激活而开放, Na + 顺浓度梯度和电位 梯度瞬间大量内流, 细胞内正电荷迅速增加, 电位上升, 膜内电位由负到 0 再到正 (+30 mv), 形成 AP上升 支(去极化和反极化) 。即 ① [Na + ]o>>[Na + ]i( 12 倍) ②静息时的电位差(外正内负) → Na + 内流↑→ AP上升支 ③膜对 Na + 的通透性↑ ↓ 膜两侧电位差稳定某 一数值( K + 平衡电位) 膜内正电位↑≈浓度差 ↓ 膜两侧电位差稳定某一数值( Na + 平衡电位) ( 2) AP下降支:当膜内正电荷足以抵抗 Na + 内流,膜电位达到一个新的平衡点 +30 mv (即 Na + 的平衡电位) , Na + 通道逐渐失活而关闭, K + 通道逐渐被激活开放→ Na + 内流停止, K + 快速外流, 胞内电位迅速下降, 恢复到兴奋前负电位状态 (复极化) 。 负后电位由于复极 开始 K + 外流 ↑→ K + 在 膜外蓄积↑ → K + 外流↓ 所致;而正 后电位可能 是电压门控 的 K + 通 道在膜电位恢复到静息电位后,延迟一段时间后才关闭,或是生电性钠泵所致。 2.AP 过程中 膜电导的变化及测量 膜电导是指膜电阻的倒数, 即 G =1/R。 它是膜允许离子从一侧运动到另一侧的能力的大 小,可理解为通透性。 膜片钳 ( patch clamp) 实 验: 膜片钳是用负反馈电子线路装置, 保持跨膜电位维持在特 定的去极化数值下, 测定单个或几个通道蛋白中跨膜离子流 (ion current) , 再 计 算出膜电 导的实验技术。该技术是由 Neher 和 Sakmann 等 (1975 年 ) 建立的,1980 年后被应 用 于离子通 道 的研究。 膜 片 钳可记录 单 通道离子 电 流,证实 了 膜 对离子通 透 性的改变 其 实质是离 子 通 道的开放 和 关闭,从 而 说明离子 电 流 的形成机 制 。与分子 生 物学技术 和 形 态学方法 在 离子通道 研 究中的联 合 应 用,证实 了 通道蛋白 的 分子结构 和 结 10 构-机能关系 。 图 2-15 膜片钳装置 3.AP 产生的 条件 (1)阈电位 和锋电位的引起 当可兴奋细胞接受刺激后使膜内去极化达到某一临界值时, 就可在已经去极化的基础上 产生一次动作电位。这个去极化的临界值称为阈电位 (threshold potential, TP)。阈电位的本 质是引起再 生性正反馈 Na + 内流所需 的膜电位去 极化的临界 值。 Na + 再生 性循环过程 的结果 是出现一个 不再依赖于 原刺激而使 膜内 Na + 通道 迅速而大量 开放,使膜 外 Na + 快速内 流的过 程,直至达到 Na + 的平衡电位,使这过程停下来,形成锋电位的上升支。可见,只要刺激 强 度达到能引起 Na + 再生性循环,膜的去极化速度不再决定于刺激强度的大小;整个动作电 位 上升支幅度只取决原静息电位值和膜内外 Na + 浓度差,而与引起此次动作电位的刺激大小 无 关。即动作电位“全或无”现象的机制。 ( 2)阈刺激 ①刺激 (stimulus): 是指细 胞所处环 境 因素的任 何 理化变化 。 刺激的种 类 有电、温 度 、 机械和化学等,实验常用电刺激。任何刺激要引起组织细胞发生兴奋,必需使“刺激强度、 刺激持续时 间和刺激强 度对时间的 变化率(即 强度对时间 的微分) ”这 三个要素要 达到某一 临界值。刺激的三个参数可相互影响。 ②阈值 (threshold): 刚能使 组织或细胞 发生兴奋( 动作电位) 的最小刺激 强度称为阈强 度, 简称阈值。 阈值是衡量组织兴奋性高低的主要指标, 与兴奋性呈反变关系。 强度大于 或 小于阈值的刺激分别称为阈上刺激和阈下刺激。 (3)阈电位 与阈值的区别 阈值是从外部加给细胞各种刺激的强度来考虑的, 而阈电位是从细胞本身的膜电位的数 值来考虑的。 阈值的作用是使细胞膜由 RP 去极化到阈电位; 而当膜电位达阈电位时, 去极 化不再依赖原来所给刺激强度的大小,也不管刺激是否继续存在。 4.局部兴奋 及其特点 局部兴奋或局部反应 (local excitation or local response)是指阈下刺激虽然不能使 RP 的 去极化达到阈电位,但可在受刺激的膜局部出现一个较小的去极化。 局部反应的特点是: ①等级性现象: 非 “全或无 ” 的 , 即局部 反应的电位变化可随刺激 强度的增 加 而变大; ② 电紧张性 扩 布 ( electrotonic propagation) :局部电位可向周 围 扩布, 但随着距离增加而呈指数函数式衰减; ③局部反应无不应期; ④总和现象: 局部反应可互相 叠加,出现空间性总和( spatial summation)及时 间性总和( temporal summation) 。 5.复极后离 子的恢复:主要是 Na + —K + 泵活动↑的结果。 6.Na + 通道的功能状态 Na + 通道有三种功能状态, 即激活 (a ctivation) 、 失活 (i nactivation) 、 备用 (res ting) 。 膜电位 静息电位(- 90 mV) 阈电位(-70 mV) 去极化 ~复极化-55 mV 功能状态 备用 激活 失活 通道位置 关闭 开放 关闭 11 图 2-16 钠通道模式 图 (三) AP 的传 导 在神经 或肌 细胞膜 上任 何部位 给予 有效刺 激所 引起的 兴奋 会沿着 整个 细胞膜 传导 。 此传导过程是由于已兴奋部位的膜两侧电位暂时倒转, 呈内正外负, 而邻近未兴奋膜仍处于 内负外负, 在已兴奋部位与未兴奋膜之间出现了电位差而有电荷的流动, 形成局部电流 ( local current) 。其 方向是膜外由未兴奋部位流向已兴奋部,而膜内由已兴奋部流向未兴奋部位 。 因此,未兴奋部位的膜电位迅速去极化达到阈电位,并产生再生性正反馈式的 Na + 内流, 导 致动作电位产生,并依次向前传导。 无髓神经 纤 维和肌细 胞 的兴奋传 导 就是通过 这 样局部电 流 传播来实 现 的。但是 脊 椎 动 物和人有许多神经是有髓鞘的, 其兴奋所产生的局部电流是沿着轴浆穿过朗飞结之间作跳跃 式传导 (saltatory conduction)。 图 2-17 跳 跃式传导 三、组织的兴奋和兴奋性 (一)刺 激 与兴奋 1.刺激 刺激( stimulus) 是 指 能 引起组 织或 机体发 生反 应的内 、外 环境的 理化 变化。 无论 在 体或离体条件,组织的兴奋大多由刺激引起。在人工刺激的条件下,常用的刺激是电刺激。 2.兴奋 (excitation) ( 1)传统概 念:机体由静止变为活动,或由活动弱变为活动强; ( 2)近代概 念:兴奋则是指产生 AP 的过程,或 AP 的同义语。 3.相关的几 个概念 (1) 强度——时间曲线: 当把电流固定在某一强度时, 逐渐延长通电时间, 直至引起 兴奋, 然后依次改变刺激强度, 重复上述过程由此便可求出刺激强度与必需的最短通电时间 的相互关系,依两者的关系做出的曲线称之。 (2) 基强度 : 指在刺激作用不受时间限制的条件下, 能引起组织兴奋的最小刺激强度。 (3) 时值: 用 2 倍的基 强度作为刺激引起组织兴奋所需要的时间, 称之。 时值可作为 12 衡量组织兴奋性的指标。 (二)兴 奋 性和可兴 奋 组 织 1.兴奋性 (excitability):是指活组织或细胞对刺激发生反应(或动作电位)的能力。 2.可兴奋细 胞 (excitable cell)或可兴奋 组织: 是神经、 肌肉和腺细胞的统称。 它们的兴奋 性较高,其外部反应形式分别为电变化、收缩和分泌。 (三)细 胞 兴奋后兴 奋 性的变化 可兴奋细胞接受一次刺激而出现兴奋的当时和随后的一小段时间内, 它 们的兴奋性将经 历一系列有序的变化,然后才恢复正常。 ( 1) 绝对不应期 ( absolute refractory period, ARP) : 在组织接受一个刺激而兴奋后的一 个短暂时间内, 无论再受到多强的刺激, 都不能再产生兴奋, 即在此时间内出现的任何刺激 均归于 “无效” , 兴奋性 降为零。 这段时期称为绝对不应期。 提示Na + 通道进入失活状态而不 再开放。 ( 2) 相对不应期 ( relative refractory period, RRP) : 在绝对不应期后阈强度大于正常才 能引起新 的 兴奋,但 兴 奋性低于 正 常。这个 时 期称为相 对 不应期。 标 志着一些 失 活 Na + 通道 的已开始恢复。 ( 3)超常期 ( supranormal period, SNP) :在相对不应期后阈强度低于正常而兴奋性高 于正常的时期称为超常期。 ( 4) 低常期 ( subnormal period) : 在 超 常期后组织的兴奋性低于正常的时期称为低常期。 图 2-18 细 胞兴奋后兴奋性的变化 第四节 肌细胞的收缩功能 机体的生 命 活动离不 开 肌细胞的 收 缩,如躯 体 各种运动 和 呼吸活动 由 骨骼肌收 缩来 完 成;心脏泵血活动离不开心肌收缩;胃肠、膀胱、子宫及血管活动则由平滑肌收缩完成的。 人体内三种不同的肌肉组织虽有不同的结构和功能特点; 但从分子水平看, 它们的收缩及调 节机制有惊人的类似, 如它们的收缩和舒张的控制及它们的收缩活动都是肌细胞中收缩蛋白 (肌凝蛋白 和肌纤蛋白 )的相互作 用所致等。 骨骼肌是人 体内最多的 组织,约占 体重的 40 %。人体各种生产劳动和体力活动都依赖于骨骼肌的收缩,而且对骨骼肌的研究也较充分。 本节将主要介绍骨骼肌的结构、收缩功能、调节和收缩力学分析。 一、骨骼肌细胞收缩的兴奋和收缩机制 (一)神 经 -骨骼肌 接 头处的兴 奋 传 递 1.神经 -肌肉接头的形态结构 运动神经 元 的裸露神 经 末梢嵌入 至 肌细胞表 面 所形成的 凹 陷中。神 经 末梢与肌 细 胞 接 触部位称为神经-骨骼肌接头。 13 ( 1)接头 前 膜:有大 量 囊泡,内 含 乙 酰胆碱( acetylcholine, ACh) 。 ( 2)接头间 隙:约 20 nm,充满细胞 外液。 ( 3)接头 后 膜:又称 终 板膜,有 大 量 N — 型 ACh 受体和灭 活 ACh的胆碱酯酶 ( AChE) 。 图 2-19 神 经-肌肉接头 2.神经-骨骼 肌接头处的兴奋传递过程 运动神经 元 兴奋时,AP 到达神经 末 梢→末梢 膜 去极化→Ca 2+ 通道开放 →Ca 2+ 内流→囊泡 移动、融合、破裂, ACh呈量子式释 放( quantal release)→ ACh与终板膜上 NR结合→ Na + 内 流, K + 外流→终板膜去极化 (终板电位, endplate potential) →总和达 到阈电位→肌细胞 产生AP。完 成神经-骨骼肌接头处的兴奋传递后,ACh在AChE作用下被 清除 。 3.神经-骨骼 肌接头处的兴奋传递特点 ( 1)单向性 传递:只从前膜传往后膜,不能逆传。 ( 2)一比一 关系:运动神经末梢传来一个冲动,诱发一次骨骼肌收缩。 ( 3) 时间延 搁: 此传递属化学传递过程, 耗时较长。 一次兴奋传递约耗时 0.5- 1.0 ms。 ( 4)易疲劳 性:因为 ACh 贮存量和合 成速度均有限,鼓容易造成疲劳而终止传递。 ( 5)易受药 物和环境因 素影响:如 美洲箭毒或 α-银环蛇毒 可与 ACh竞 争结合终板 膜 上 N 2 受体,因而阻断接头传递,使肌细胞不能兴奋、收缩。另终板膜上 N 2 型受体数量不足 或功能障碍 会导致重症 肌无力。有 机磷农药和 新斯的明选 择性抑制 AchE, 引 起 接头处 和其 它部位的 ACh大量积聚, 引起种种中毒症状。 (二)骨 骼 肌细胞的 微 细结构 1.肌原纤 维和肌小节 每个肌细胞 或肌纤维都 包含大量直 径为 1~2μ m 的纤 维状 结构,称为 肌原纤 维 ( myofibril) 。呈平行排列,纵贯肌纤维全长。 肌原纤维上每一段位于相邻两条 Z 线之间的区域, 称为肌小节 ( sarcomere) , 是肌肉 收 缩和舒张的基本功能单位, 它包括中 间暗带和两侧各 1/2的明 带。 长度变动 范围在 1.5- 3.5μm 之间,在体静息状态下的长度约为 2.0- 2.2μm。暗带含粗肌丝,明带含细肌丝,在空间结 构上呈规则排列。 图 2-20 肌 小节模式图 .肌管系统 2 14 肌 管 系 统 是 指 包 绕 在 每 条 肌 原 纤 维 周 围 的 膜 性 囊 管 状 结 构 。 它由横管系统 ( T管) 和纵 管 系 内 并 无 肌 丝 或 它 们 所 含 的 蛋 白 质 分 子 结 构 的 缩 短 , 而 子 组成和横桥运动 组 成 肌 丝 的 蛋 白 质 分 子 结 构 变 化 。 白 呈长干状, 头部 呈 球 2)细肌 丝 :由肌纤 蛋 白 ( actin,亦 称 肌 动蛋白 ) 、原肌 凝 蛋白( tropomyosin)和 肌 钙 蛋 肌 丝 滑 行 而导致肌 肉 收缩,故 合 称 为 收缩蛋白;而细肌丝中原肌凝蛋白和肌钙蛋白则是参与肌收缩调节过程,则称为调节蛋白。 管传入→ 三 联管结构 → 终末池 Ca 2+ 释放→肌 浆 中 Ca 2+ 浓度升 高 (约 统 ( L管, 也称肌质网) 组成。 T管 是将肌细胞膜的兴奋传入细胞内部, 而 L管 则 是 贮 存 、 释放和再积聚 Ca 2+ , 从 而 触发肌小节的收缩和舒张。 T管和 L管两侧的终末池 (也称钙池) 构 成 三 联 管 结 构 , 此 结 构 是 把 肌 细 胞 膜 的 电 变 化 与 肌 细 胞 的 机 械 收 缩 耦 联 起 来 的 关 键 性 部 位 。 (三)骨 骼 肌收缩的 分 子机制 1.肌丝滑行学 说( sliding theory) 主要内 容是: 肌肉收缩时, 肌 细 胞 只是发生了细肌丝向粗肌丝之间的滑行, 即由 Z 线发出的细肌丝向暗带中央 ( M 线) 移 动 , 结果相联的 Z 线相互靠近,肌小节长度缩短,从而表现为整个肌原纤维、肌细胞乃至整块 肌肉的收缩。 2.肌 丝 的 分 上 述 促 进 肌 丝 滑 行 过 程 的 关 键 是 ( 1)粗肌丝 :由肌凝蛋 白( myosin,亦称肌球 蛋白)组成 。 肌 凝 蛋 状 , 是该分子生物活性部位, 并有规则地裸露在主干表面, 形成横桥。 横桥的主要特 征 有二:一是具有 ATP 酶活性,使 ATP 分解获得能量,作为横桥扭动和作工的能量来源;二 是横桥可与细肌丝中肌纤蛋白分子发生可逆性结合,拖动细肌丝滑行。 图 2-21 横 桥的作用 ( 白 ( troponin,亦称原 宁蛋白)三种分子组成。 粗肌丝中 肌 凝蛋白和 细 肌丝中肌 纤 蛋白直接 参 与 3.肌丝滑行的 基本过程 肌细胞膜 上 的兴奋沿 横 100 倍) , Ca 2+ 与肌钙 蛋白结合→肌钙蛋白分子构象改变→原肌凝蛋白构型改变、移位 →横桥与肌纤蛋白上特殊位点结合, 同时分解 ATP释放能量→横桥向 M线方向扭动、 原横桥 与 结 合 位 点 解 离 、 复 位 、 再 与 下 个 位 点 结 合 → 拖 动 细 肌 丝 向 粗 肌 丝 之 间 滑 行 , 即 肌 肉 收 缩 。 钙泵将 Ca 2+ 泵入终末池→肌浆中 Ca 2+ 浓度降低 (< 10 -7 mol)→ Ca 2+ 与肌钙蛋白分离→原肌 凝 蛋白恢复原先构型→阻止了横桥和肌纤蛋白的结合→细肌丝退回到原先部位, 表现为肌肉舒 张。 15 图 2-22 肌 肉收缩的分子模式图 (四)骨 骼 肌细胞的 兴 奋-收缩 耦 联 在以肌细胞膜的电位变化为特征的兴奋过程和以纤维机械变化为基础的收缩过程之间, 存在着某种中介把二者联系起来的过程称为兴奋-收缩耦联 (excitation-contraction coupling)。 它 包括三 个主 要步骤 :⑴ 电兴奋 通过 T管传向 肌细 胞深部 ;⑵ 三联管 结构 处的信 息传递; ⑶肌质网中的 Ca 2+ 释放到胞浆以及 Ca 2+ 由胞 浆向肌质网的再聚集。 肌肉收缩时, Ca 2+ 从终末池 向 暗带区扩 散 ,触发肌 丝 的相互移 动 ;肌质网 上 钙泵( Ca 2+ - Mg 2+ 依赖 式ATP酶 ) 将肌浆中 Ca 2+ 主动运转回终末池重新贮存, 导致肌肉舒张。 可见, 兴奋-收缩耦联的结构 基 础是三联管结构,而中介的耦联因子是 Ca 2+ 。 二、骨骼肌收缩的外部表现和力学分析 (一)几 个 基本概念 1.前负荷 (preload):是指肌 肉收缩之前加在肌肉上的负荷。 2.初长度( initial length) : 肌肉收缩前处于某种程度被拉长的肌肉长度,称为初长度。 3.后负荷 (afterload):是指 肌肉开始收缩时才遇到的阻力或负荷。 4.等张收缩 (isotonic contraction):指肌 肉收缩时,张力不变,长度缩短的收缩。 5.等长收缩 (isometric contraction):指肌 肉收缩时,长度不变,张力增加的收缩。 6.单收缩 (single twitch):指骨骼肌受到一次有效刺激后产生一次收缩。 7.复合收缩: 指多个有效刺激引起重叠的收缩形式。 ( 1) 不完全 强直收缩 (incomplete tetanus): 给肌肉以多个有效的连续刺激时, 后一个刺 激落在前一次收缩的舒张期内,表现锯齿形的收缩曲线,称为不完全强直收缩。 ( 2) 完全强 直收缩 (complete tetanus): 随着刺激频率的进一步增加, 后一刺激落在前一 次收缩的收缩期内,无锯齿形收缩曲线,表现为机械反应的平缓增加,称为完全强直收缩。 在体内,骨骼肌的收缩形式都是完全强直收缩。完全强直收缩的力量一般比单收缩大 4 倍。 16 图 2-23 肌 肉单收缩、复合收缩和强直收缩 (二)前 负 荷或肌肉 初 长度对肌 肉 肌收缩的 影 响:长度 -张 力曲线 长度 -张力 曲 线表明, 如 果逐渐增 加 肌肉收缩 的 前负荷, 肌 肉的初长 度 即逐渐增 加, 肌 肉收缩所产生的主动张力也随着增加; 当肌肉处于最适前负荷或最适初长度 ( 2.2 μ m)时 , 产生的张力最大, 这是由于粗肌丝上的每个横桥与细肌丝相互作用处于最佳效果所致; 如再 增加前负荷,则肌肉增加的张力将随着前负荷的增加而逐渐减小。 (三)肌 肉 后负荷对 肌 肉收缩的 影 响:张力 -速 度曲线 张力 -速度 曲 线表示肌 肉 收缩产生 张 力和缩短 的 速度之间 成 反变关系 。 在一定范 围内 , 后负荷增加, 肌肉收缩产生的张力增大, 但缩短的速度减小。 当后负荷达到某值时, 张力 达 到最大值 ( P) , 此时肌肉完全不能缩短, V 为零; 当后负荷为零时, 张力也为零, 理论上缩 短速度将达到最大值( Vmax) 。 (四)肌 肉 收缩能力 的 改变对肌 肉 收缩的影 响 肌肉收缩能 力 (contractility)是 指与前 、 后负荷改变 都无关的肌 肉本身的功 能状态和内 在 能力。 肌肉收缩能力受神经、 体液等因素影响。 如缺氧、 酸 中毒、 肌肉中能源物质缺乏以及 影响兴奋-收缩耦联、 肌肉内蛋白质或横桥功能特性的改变等因素, 均可使肌肉收缩能力降 低;而 Ca 2+ 、咖啡因及肾上腺素等体液因素可提高肌肉收缩能力。 思考题 1.给患者口 服补充含Na + 的电解质液体时,为什么要加入适量的葡萄糖? 2.当兴奋在 球形细胞上传导时,为什么不会沿细胞膜反复在细胞上循环不停? 3.为什么动 作电位的大小不因传导的距离增大而降低,这是否有违能量守恒定律? 4. 血K + 浓度变化对兴奋性、静息电位和动作电位分别有何影响?说明其机制。 5.为什么终 板电位无超射现象? 6.刺激神经 肌肉标本的神经,肌肉不发生收缩,可能有哪些原因?如何鉴别? 案例: 案例:某男, 15 岁,运动后 感到肌肉无 力,进食大 量淀粉类食 物后加重。 门诊检查 血清钾正常 ( 4.5 mEq/ L) , 但运动后血清钾明显降低 ( 2.2mEq/ L) , 经补钾治疗后症状缓 解。 问题: 1、为什么低 血钾会引起肌肉无力? 2、为什么在 进食大量淀粉后肌肉无力症状加重? 3、血钾增高 时对肌肉收缩有何影响?为什么? 参考文献 1. 姚泰 主编 . 生理学,第 五版,北京:人民卫生出版社, 2002 2. 姚泰 主编 . 人体生理学 ,第三版,北京:人民卫生出版社, 2002 3. 姚泰,罗 自强.. 生理 学. 北京: 人民卫生出版社. 2001 4.Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 10th ed, WB Saunders Co, Philadelphia, 2000 5.Ganong WF. Review of medical physiology. 20th ed, McGraw-Hill publishing Co, New York, 1999 6. Kandal ER,S chwartz JH, Jessell T. Principles of Neuroscience. 4th ed. New York: McGraw-Hill. 2000. 7. Hammond C. Cellular and Molecular Neurobiology. 2nd ed London: Sad Diego Academic 17 Press. 2001 8. Guyton AC, Hall JE. Textbook of Medical Physiology. 10th ed. Philadelphia: W.B.Saunders Co. 2000 summary This chapter describes the basic functions or features of all kinds of tissue cells, and it is an important foundation for understanding physiology. These functions include: ⑴ the structure of cell membrane and transmembrane transport of substances; ⑵ transmembrane signal transduction; ⑶ electrical phenomena of the cells; ⑷ contraction function of the skeleton muscle . Protein and lipid are the two major components of the plasma membrane of the mammalian cell. The lipid composition of the cell membrane acts as a barrier, which only permits lipid-solutes cross the membrane down their concentration gradients by simple diffusion. Some of the proteins in the membrane, however, form structures that permit transmembrane movement for certain water-soluble molecules. The membrane is therefore described as semi-permeable, through which different kinds of substances pass across in different ways. Lipid-soluble molecules are capable of moving freely down their concentration gradients across the cell membrane by simple diffusion. Most of the molecules inside and outside of cells, however, cannot cross membrane without assistance. Two kinds of proteins in the cell membrane, called channels and carriers, provide permeability for these water-soluble substances, through which ions and glucose/amino acid can pass across membrane down their concentration/potential gradients. Those two kinds of transmembrane movement are called facilitated diffusion. In some situations, the molecules pass though the membrane against a concentration / potential gradient and this process is called active transport. The energy derived from ATP is necessary for this process, and the protein involved in active transport is named pump. If the molecules are bigger, they cannot cross the membrane through the channel or carrier, and those substances get into or out of the cell through even more complicated mechanisms called endocytosis and exocytosis, respectively. Signal transduction refers to the processes by which intercellular messengers (such as neurotransmitters, hormones and cytokines) which bind to specific receptors on or in the target cell, are converted into biochemical and/or electrical signals within that cell. In turn, such signals can modify cellular function in different ways. Three general patterns of signal transduction occur in almost all mammalian cells. One is signal transduction mediated by G-protein coupled receptor. G-protein serve as intermediaries between receptor and the enzymes or ion channels that activated by agonist binding. The second is signal transduction mediated by ion channel-coupled receptors which help regulate the intracellular concentration of specific ions. The third pattern, some membrane receptors are protein kinases called tyrosine protein kinase that are activated directly by agonist binding. The plasma membranes of all excitable cells exhibit a small difference in electrical charge in the resting state between the inside and the outside of the cell called the membrane potential( or resting potential) . Two characteristics of cells contribute to their ability to maintain this electrical potential. First, the cell membrane is differentially permeable to ions, in the resting state all cells are highly permeable to K + , and relatively impermeable to other ions. Second, different types of ions are unequally distributed across the cell membrane. Generally, there are higher concentrations of K + and P - and lower concentrations of Na + and Cl - inside of the cell than there are outside. In the resting state, K + flows down its concentration gradient from the inside to the outside of the cell. 18 Positive charges in this way accumulate outside of the cell membrane and because the P - cannot cross the membrane in company with the K + , an electrical potential develops across the membrane. The net movement of K + between inside and outside of the cell membrane stops when the electrical force repelling further flow of K + out of the cell equals to the force of the concentration gradient. At this point K + has reached its equilibrium potential (Ek), which can be estimated with the Nernst equation. The action potential is a rapid depolarisation of the membrane potential, which can be propagated over the surface of the cell. At the peak of action potential, the membrane potential becomes positive, quite close to the equilibrium potential for ENa. Before generation of the action potential, membrane potential must first decreases (depolarize) to reach a special value called the threshold potential, at which the permeability of Na + increases rapidly and in turn triggers the action potential. However, the increase of the Na + conductance lasts only a short time (1-2ms), and K + channels open more slowly to repolarise the membrane.. Both these factors contribute to the process of the returning the membrane potential to its resting value. All action potentials (or spikes) in a given cell are the same size regardless of their amplitude of stimulus and this phenomena is called the all-or-none rule. During the time course of a spike, the cell becomes completely inexcitable, or refractory, meaning that the cell will not fire again no matter how large the stimulus. Muscles can be classified into three categories: skeletal, cardiac and smooth muscle. skeletal muscles are characterized by the regular striations seen under the microscope and are responsible for body movement and cardiac muscles that are responsible for the pumping action of the heart. The contractile proteins of muscle are arranged into two overlapping sets of myofilaments,one predominantly myosin-containing(thick), and one predominantly actin-containing (thin). Under the electron microscope, myofibrils can be seen to consist of two kinds of longitudinally oriented filaments called thick and thin filaments. The thick filaments are aggregates of a protein called myosin and contain ATP splitting enzyme activity (ATPase) in a cross-bridge which swings out from the thick filament.. The thin filaments are largely made up of the protein actin. The basic unit of contraction of muscle is sarcomere and it is a special structure between two Z lines. The excitation of a muscle cell results from excitatory transmission through a nerve-muscle junction leading to the generation of an action potential of the muscle cell. This action potential initiates contraction of the muscle cell by the process of excitation-contraction coupling, in which the elevation of Ca 2+ is the critical factor to trigger muscle contraction. In the process of contraction, neither the thick or thin filaments change in their length. Rather, shortening occurs because the thick filaments pull the thin filaments past them. These thin filaments slide between thick filaments towards the middle line of the sarcomere. Force developed during the contraction is due to the interaction of thick and thin filaments and can be affected by different factors, including initial length, which is the length before muscle contraction. The maximum force can be produced if the muscle reaches a special length called optimal initial length before contraction. The mechanism underlying this phenomena is the maximum overlap between the thick and thin filaments allowing interaction by all cross-bridges and ultimately leading to the creation of maximum force. 19