1.3 脊椎動物的結構與機能調節

脊椎動物的構成

人和脊椎動物是由多個機能系統構成的，它們包括皮膚系統、骨骼系統（圖1-8）、肌肉系統、消化系統、血液循環系統、淋巴和免疫系統、呼吸系統、排泄系統、生殖系統、內分泌系統和神經系統。這些系統分別又是由多種器官所組成，而各種器官則是由幾種基本組織，如上皮組織、結締組織、肌肉組織和神經組織所組成的。

構成人和動物體的機能系統的活動都是相互依賴，相互協調的。例如，步行活動就包含了多個系統的參與，除了肌肉系統和骨骼系統外，還要有其他系統的參與。神經系統協調肢體和軀干的運動，刺激某些肌肉的收縮，感受肌肉的緊張度和肢體的位置。循環系統輸送血液給肌肉，運去營養物質，帶走代謝廢物和熱量。呼吸系統供給氧，排出二氧化碳。排泄系統排出代謝廢物，維持最適的血液成分。消化系統供給富含能量的代謝物。內分泌系統協助調節活動肌肉的血流，并提供各種代謝底物。由此可見，動物機體的活動需要多個系統的協調和整合。

脊椎動物的機能調節

在動物體活動的協調和整合中，神經系統和內分泌系統起著不可或缺的作用。神經系統負責快速而準確的調節，內分泌系統負責緩慢而廣泛的調節。

圖1-8 人體的骨骼系統(維薩里繪)

神經系統負責快速而準確的調節

神經系統包括中樞神經系統和周圍神經系統兩部分。神經系統的基本機能是接受來自體內和體外環境刺激所引起的感覺輸入，整合這些輸入，做出應對這些刺激的反應。作用于神經系統的刺激有多種形式，如味覺的和聲音的刺激、血液pH的變化、平衡或運動方向的變化、壓力或溫度的變化等等。這些刺激都是由感受器轉變成神經電信號傳送到中樞神經系統的腦和脊髓。在腦和脊髓的感覺中樞，輸入信號被迅速整合并產生反應。這類反應一般是運動性的輸出，即傳送到器官或組織引起活動，如心率的改變、激素釋放或肢體運動等等。

神經系統的結構適合于分離的活動，它有大量的“專線”分別將信息送達某一個特定點。信息在神經上的傳送依靠動作電位，而在神經細胞之間或神經與效應器之間的信息傳送則要通過突觸（synapse）。突觸傳遞通常是通過神經末梢分泌特殊的化學物質——神經遞質（neurotransmitter）——來完成的（圖1-12B）。接受神經支配的細胞膜上有特殊的蛋白質分子（受體），這類分子有選擇地與某種神經遞質結合，因而引發特定的反應。

內分泌系統負責緩慢而廣泛的調節

在刺激的作用下，內分泌系統分泌激素（hormone）參與建立和維持身體的穩態。與神經反應相比較，激素的反應速度慢得多（以秒或小時計），持續的時間則更長。激素由內分泌腺或組織分泌，進入血液并通過血液循環分送到全身各部分（圖1-12A）。凡是具有適合受體的細胞就會對相應的激素發生反應。例如，抗利尿激素特定地增加腎收集管細胞的水通透性，但不改變其他細胞的水通透性。激素的作用也可以是很廣泛的，影響全身的每一個細胞。例如，甲狀腺素對全身的代謝具有普遍的刺激效應。

動物體內細胞與細胞之間的通訊

構成人體的細胞數量十分巨大，約為7.5×10¹⁹個。數量這么巨大的細胞如何在細胞與細胞之間交流信息呢？現在我們知道，在這么多的細胞之間只有兩類生理學信號： 電學信號和化學信號。電學信號是細胞膜電位的改變。化學信號是細胞分泌到細胞外液中的分子。接受電學或化學信號的細胞叫做靶細胞。

圖1-9 縫隙連接（引自Rhoades,2009）

人和動物體有多種方式在細胞之間傳遞信息。這些方式包括縫隙連接、接觸依賴信號（contact-dependent signal）、局地通訊（local communication）（自分泌和旁分泌）以及長距離通訊（long-distance communication）（內分泌細胞和神經細胞釋放的激素和神經遞質）。

(1) 縫隙連接（gap junction）是最簡單的直接傳送電學和化學信號的方式（圖1-9）。它是由兩個相鄰細胞膜上的連接蛋白組成的。在一個細胞膜上，6個連接蛋白組成半個通道，與相鄰的細胞膜上的另半個通道對接形成縫隙連接，允許離子和小分子（如氨基酸、ATP、cAMP等）通過。電學信號只有通過縫隙連接才能從一個細胞到另一個細胞（圖1-10A）。

(2) 接觸依賴信號需要細胞與細胞的直接接觸，一個細胞膜上的表面分子與另一細胞的膜蛋白結合。這種接觸依賴信號發生在生長發育過程以及免疫系統的活動中。細胞膜上的細胞黏著分子是一種膜蛋白，連接著細胞骨架和細胞內的酶，能與細胞外的信號分子結合，將其所帶的信息傳過細胞膜進入細胞質（圖1-10B）。

圖1-10 直接接觸的通訊（引自Silverthorn,2010）

(3) 局地通訊是由旁分泌（paracrine）和自分泌（autocrine）所完成的(圖1-11)。旁分泌信號是一個細胞分泌的物質擴散到附近，對其他的細胞發生作用。自分泌信號則是細胞分泌的物質作用于自身。例如，組胺就是這類分泌物。當你的手被針刺傷，不久就會出現局部紅腫。這是由于受傷的組織分泌的組胺擴散到附近的微血管，提高它們對白細胞和抗體的通透性，使白細胞、抗體和血漿都進入受傷處。

圖1-11 自分泌與旁分泌
自分泌信號作用于分泌它的同一細胞，旁分泌信號是由一個細胞分泌，然后擴散到相鄰的細胞（引自Silverthorn,2010）

(4) 長距離通訊是由內分泌細胞分泌的激素和神經細胞分泌的神經遞質來完成的。

激素通過血液循環分布到全身（圖1-12A）。

神經系統結合電學信號與化學信號進行長距離交流。神經電信號沿著神經細胞（神經元）傳播到神經元的末端，在此轉化為化學信號，即由神經元分泌神經遞質（neurotransmitter）。神經遞質擴散穿過狹窄的細胞外間隙到達靶細胞產生快速的效果（圖1-12B）。如果神經元的分泌物擴散進入血液循環再運送到全身，則稱為神經激素（neurohormone）（圖1-12C）。

圖1-12 長距離交流（引自Silverthorn,2010）

信號轉導途徑

化學信號包括旁分泌和自分泌分子、激素等，都是從某一細胞釋放到細胞外間隙中，再通過血液循環運抵全身細胞的。但細胞并不對所有到來的信號都發生反應。為什么有的細胞對某種化學信號發生反應，而對其他的信號不反應呢？這是由于有的細胞膜上有能與這種化學信號結合的受體蛋白。如果一個細胞沒有能與這種化學信號結合的受體蛋白，就不能對這種化學信號發生反應。

如果一個靶細胞有適合一種信號分子的受體，則信號分子與受體蛋白的結合就會引發一系列反應。這一系列反應（信號轉導途徑）包括下列共同特征：

(1) 信號分子是與受體結合的配體（ligand）。配體也被稱為第一信使（first messenger）,因為它給靶細胞帶來信息。

(2) 配體與受體結合便會激活受體。

(3) 被激活的受體再激活細胞內的信號分子，被激活的信號分子也可以再激活下一批信號分子。

(4) 在轉導途徑中，最后被激活的信號分子引發合成靶蛋白或修飾已有的靶蛋白而產生一個特定的反應。

下面介紹幾種基本的信號轉導途徑。

化學信號按其脂溶性分為親脂類和疏脂類信號。親脂類信號分子能擴散穿過細胞膜的脂雙層與胞質受體或核受體結合。與核受體的結合常作用于細胞核，產生新的mRNA。新mRNA提供模板以合成新蛋白質。這是一個緩慢的過程。在某些情況下被激活的受體也能阻止基因活動。許多親脂類信號分子是激素，它們的活動將在以后的章節中討論。

疏脂類信號分子不可能擴散通過細胞膜的脂雙層。這些信號分子與細胞膜上的受體蛋白結合。（不過某些親脂類信號分子也與細胞膜受體結合。）一般地說，與膜受體蛋白結合產生反應很迅速，反應時很短。

信號分子的蛋白質受體在生理學和醫學中發揮重要作用。現在應用的藥物大約有一半是作用于受體蛋白的。

受體蛋白可以分為四大類（圖1-13）： 受體通道（receptor-channel），受體-酶（receptor-enzyme），G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor），整聯蛋白受體（integrin receptor）。

圖1-13 四類膜受體（引自Silverthorn,2010）

受體通道

最簡單的受體是化學門控離子通道，叫做受體通道（receptor-channel）。配體與受體通道的結合會打開或關閉通道，改變跨膜離子流。

這種受體通道的激活引發最快的細胞內反應。這些受體常常位于神經肌肉等可興奮組織上。當細胞外信號分子結合到受體通道蛋白上，通道門控打開或關閉，改變細胞對某種離子的通透性。例如，骨骼肌乙酰膽堿門控正離子通道就是受體通道。來自附近神經元的神經遞質乙酰膽堿結合到乙酰膽堿受體并打開通道，引發肌肉收縮。

并不是所有的配體門控離子通道都是由細胞外信號分子直接激活的。某些配體門控通道是由細胞內第二信使控制，如cAMP控制。

對另外三類受體——受體-酶、G蛋白偶聯受體、整聯蛋白受體來說，從信號分子帶來的信息必須穿越膜去引發細胞內反應。利用膜蛋白受體從膜的一側將信息傳到膜的另一側稱為信號轉導（signal transduction）。

信號轉導過程首先是細胞外信號分子激活膜受體；其次，被激活的膜受體改變細胞內分子；再次，改變了的細胞內分子產生反應。細胞外的信號分子是第一信使，而細胞內分子則形成第二信使系統。

G蛋白偶聯受體

G蛋白偶聯受體是一個大而復雜的跨膜蛋白家族。它穿過脂雙層七次，其尾部在細胞質內與膜轉導蛋白——G蛋白相連?，F在已知存在幾百種G蛋白偶聯受體。與G蛋白偶聯受體結合的配體包括激素、生長因子、嗅分子、視色素、神經遞質。

G蛋白因結合鳥嘌呤核苷酸而得名。非活性的G蛋白結合的是鳥苷二磷酸（GDP），當GDP被轉化成鳥苷三磷酸即可激活G蛋白。當G蛋白被激活，它們就會打開膜上的離子通道，或在細胞膜內改變酶活性。

G蛋白-偶聯腺苷酸環化酶-環腺苷酸（cAMP）系統是第一個確定的信號轉導途徑。

在腺苷酸環化酶-環腺苷酸（cAMP）系統中，腺苷酸環化酶是擴增酶，它將ATP轉化為第二信使分子cAMP。cAMP再激活蛋白激酶A（PKA）,PKA再磷酸化其他的細胞內蛋白質，使它們成為信號級聯反應的一部分。G蛋白-偶聯腺苷酸環化酶-cAMP系統是許多蛋白質激素的信號轉導系統。

整聯蛋白受體

整聯蛋白受體從細胞外基質傳遞信息?？缒さ鞍椎恼摰鞍捉閷а耗?、傷口修復、免疫反應中的細胞黏附和識別以及發育中的細胞運動。在細胞膜的外側，整聯蛋白受體既結合細胞外基質，也結合配體，如抗體、血液凝固中的分子。在細胞內，整聯蛋白附著于細胞骨架。配體與受體結合，引起整聯蛋白激活細胞內酶，或改變細胞骨架的組構。

受體-酶

受體-酶包括兩部分： 受體區在細胞膜的外側，酶區在細胞質一側。在某些情況下，受體區和酶區是同一蛋白質的兩部分。在其他的情況，酶區是一分離的蛋白質。配體與受體結合便激活與之相關的酶。受體-酶的酶既可以是蛋白激酶，如酪氨酸激酶；也可以是鳥苷酸環化酶，一種轉化鳥苷三磷酸（GTP）為環鳥苷酸（cGMP）的擴增酶。受體-酶的配體包括許多生長因子和細胞因子，如胰島素。

【思考題】

1. 生物學、生理學與醫學有什么關系？

2. 為什么生理學是一門實驗科學？

3. 什么是觀察？什么是實驗？在生理學研究中觀察與實驗有什么關系？

4. 為什么生理學的研究需要強調分析方法與綜合方法的統一？

5. 為什么近代生理學起源于歐洲而不是亞洲？

6. 為什么學習生理學要強調思考和理解而不是記憶？

7. 為什么人和動物必須維持內環境的穩定？

8. 反饋調節在維持動物內環境穩定中有什么作用？

9. 比較神經系統調節機制與內分泌系統調節機制的異同。

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