1.3 脊椎动物的结构与机能调节
脊椎动物的构成
人和脊椎动物是由多个机能系统构成的，它们包括皮肤系统、骨骼系统（图1-8）、肌肉系统、消化系统、血液循环系统、淋巴和免疫系统、呼吸系统、排泄系统、生殖系统、内分泌系统和神经系统。这些系统分别又是由多种器官所组成，而各种器官则是由几种基本组织，如上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织所组成的。
构成人和动物体的机能系统的活动都是相互依赖，相互协调的。例如，步行活动就包含了多个系统的参与，除了肌肉系统和骨骼系统外，还要有其他系统的参与。神经系统协调肢体和躯干的运动，刺激某些肌肉的收缩，感受肌肉的紧张度和肢体的位置。循环系统输送血液给肌肉，运去营养物质，带走代谢废物和热量。呼吸系统供给氧，排出二氧化碳。排泄系统排出代谢废物，维持最适的血液成分。消化系统供给富含能量的代谢物。内分泌系统协助调节活动肌肉的血流，并提供各种代谢底物。由此可见，动物机体的活动需要多个系统的协调和整合。
脊椎动物的机能调节
在动物体活动的协调和整合中，神经系统和内分泌系统起着不可或缺的作用。神经系统负责快速而准确的调节，内分泌系统负责缓慢而广泛的调节。
图1-8 人体的骨骼系统(维萨里绘)
神经系统负责快速而准确的调节
神经系统包括中枢神经系统和周围神经系统两部分。神经系统的基本机能是接受来自体内和体外环境刺激所引起的感觉输入，整合这些输入，做出应对这些刺激的反应。作用于神经系统的刺激有多种形式，如味觉的和声音的刺激、血液pH的变化、平衡或运动方向的变化、压力或温度的变化等等。这些刺激都是由感受器转变成神经电信号传送到中枢神经系统的脑和脊髓。在脑和脊髓的感觉中枢，输入信号被迅速整合并产生反应。这类反应一般是运动性的输出，即传送到器官或组织引起活动，如心率的改变、激素释放或肢体运动等等。
神经系统的结构适合于分离的活动，它有大量的“专线”分别将信息送达某一个特定点。信息在神经上的传送依靠动作电位，而在神经细胞之间或神经与效应器之间的信息传送则要通过突触（synapse）。突触传递通常是通过神经末梢分泌特殊的化学物质——神经递质（neurotransmitter）——来完成的（图1-12B）。接受神经支配的细胞膜上有特殊的蛋白质分子（受体），这类分子有选择地与某种神经递质结合，因而引发特定的反应。
内分泌系统负责缓慢而广泛的调节
在刺激的作用下，内分泌系统分泌激素（hormone）参与建立和维持身体的稳态。与神经反应相比较，激素的反应速度慢得多（以秒或小时计），持续的时间则更长。激素由内分泌腺或组织分泌，进入血液并通过血液循环分送到全身各部分（图1-12A）。凡是具有适合受体的细胞就会对相应的激素发生反应。例如，抗利尿激素特定地增加肾收集管细胞的水通透性，但不改变其他细胞的水通透性。激素的作用也可以是很广泛的，影响全身的每一个细胞。例如，甲状腺素对全身的代谢具有普遍的刺激效应。
动物体内细胞与细胞之间的通讯
构成人体的细胞数量十分巨大，约为7.5×1019个。数量这么巨大的细胞如何在细胞与细胞之间交流信息呢？现在我们知道，在这么多的细胞之间只有两类生理学信号： 电学信号和化学信号。电学信号是细胞膜电位的改变。化学信号是细胞分泌到细胞外液中的分子。接受电学或化学信号的细胞叫做靶细胞。
图1-9 缝隙连接（引自Rhoades,2009）
人和动物体有多种方式在细胞之间传递信息。这些方式包括缝隙连接、接触依赖信号（contact-dependent signal）、局地通讯（local communication）（自分泌和旁分泌）以及长距离通讯（long-distance communication）（内分泌细胞和神经细胞释放的激素和神经递质）。
(1) 缝隙连接（gap junction）是最简单的直接传送电学和化学信号的方式（图1-9）。它是由两个相邻细胞膜上的连接蛋白组成的。在一个细胞膜上，6个连接蛋白组成半个通道，与相邻的细胞膜上的另半个通道对接形成缝隙连接，允许离子和小分子（如氨基酸、ATP、cAMP等）通过。电学信号只有通过缝隙连接才能从一个细胞到另一个细胞（图1-10A）。
(2) 接触依赖信号需要细胞与细胞的直接接触，一个细胞膜上的表面分子与另一细胞的膜蛋白结合。这种接触依赖信号发生在生长发育过程以及免疫系统的活动中。细胞膜上的细胞黏着分子是一种膜蛋白，连接着细胞骨架和细胞内的酶，能与细胞外的信号分子结合，将其所带的信息传过细胞膜进入细胞质（图1-10B）。
图1-10 直接接触的通讯（引自Silverthorn,2010）
(3) 局地通讯是由旁分泌（paracrine）和自分泌（autocrine）所完成的(图1-11)。旁分泌信号是一个细胞分泌的物质扩散到附近，对其他的细胞发生作用。自分泌信号则是细胞分泌的物质作用于自身。例如，组胺就是这类分泌物。当你的手被针刺伤，不久就会出现局部红肿。这是由于受伤的组织分泌的组胺扩散到附近的微血管，提高它们对白细胞和抗体的通透性，使白细胞、抗体和血浆都进入受伤处。
图1-11 自分泌与旁分泌
自分泌信号作用于分泌它的同一细胞，旁分泌信号是由一个细胞分泌，然后扩散到相邻的细胞（引自Silverthorn,2010）
(4) 长距离通讯是由内分泌细胞分泌的激素和神经细胞分泌的神经递质来完成的。
激素通过血液循环分布到全身（图1-12A）。
神经系统结合电学信号与化学信号进行长距离交流。神经电信号沿着神经细胞（神经元）传播到神经元的末端，在此转化为化学信号，即由神经元分泌神经递质（neurotransmitter）。神经递质扩散穿过狭窄的细胞外间隙到达靶细胞产生快速的效果（图1-12B）。如果神经元的分泌物扩散进入血液循环再运送到全身，则称为神经激素（neurohormone）（图1-12C）。
图1-12 长距离交流（引自Silverthorn,2010）
信号转导途径
化学信号包括旁分泌和自分泌分子、激素等，都是从某一细胞释放到细胞外间隙中，再通过血液循环运抵全身细胞的。但细胞并不对所有到来的信号都发生反应。为什么有的细胞对某种化学信号发生反应，而对其他的信号不反应呢？这是由于有的细胞膜上有能与这种化学信号结合的受体蛋白。如果一个细胞没有能与这种化学信号结合的受体蛋白，就不能对这种化学信号发生反应。
如果一个靶细胞有适合一种信号分子的受体，则信号分子与受体蛋白的结合就会引发一系列反应。这一系列反应（信号转导途径）包括下列共同特征：
(1) 信号分子是与受体结合的配体（ligand）。配体也被称为第一信使（first messenger）,因为它给靶细胞带来信息。
(2) 配体与受体结合便会激活受体。
(3) 被激活的受体再激活细胞内的信号分子，被激活的信号分子也可以再激活下一批信号分子。
(4) 在转导途径中，最后被激活的信号分子引发合成靶蛋白或修饰已有的靶蛋白而产生一个特定的反应。
下面介绍几种基本的信号转导途径。
化学信号按其脂溶性分为亲脂类和疏脂类信号。亲脂类信号分子能扩散穿过细胞膜的脂双层与胞质受体或核受体结合。与核受体的结合常作用于细胞核，产生新的mRNA。新mRNA提供模板以合成新蛋白质。这是一个缓慢的过程。在某些情况下被激活的受体也能阻止基因活动。许多亲脂类信号分子是激素，它们的活动将在以后的章节中讨论。
疏脂类信号分子不可能扩散通过细胞膜的脂双层。这些信号分子与细胞膜上的受体蛋白结合。（不过某些亲脂类信号分子也与细胞膜受体结合。）一般地说，与膜受体蛋白结合产生反应很迅速，反应时很短。
信号分子的蛋白质受体在生理学和医学中发挥重要作用。现在应用的药物大约有一半是作用于受体蛋白的。
受体蛋白可以分为四大类（图1-13）： 受体通道（receptor-channel），受体-酶（receptor-enzyme），G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor），整联蛋白受体（integrin receptor）。
图1-13 四类膜受体（引自Silverthorn,2010）
受体通道
最简单的受体是化学门控离子通道，叫做受体通道（receptor-channel）。配体与受体通道的结合会打开或关闭通道，改变跨膜离子流。
这种受体通道的激活引发最快的细胞内反应。这些受体常常位于神经肌肉等可兴奋组织上。当细胞外信号分子结合到受体通道蛋白上，通道门控打开或关闭，改变细胞对某种离子的通透性。例如，骨骼肌乙酰胆碱门控正离子通道就是受体通道。来自附近神经元的神经递质乙酰胆碱结合到乙酰胆碱受体并打开通道，引发肌肉收缩。
并不是所有的配体门控离子通道都是由细胞外信号分子直接激活的。某些配体门控通道是由细胞内第二信使控制，如cAMP控制。
对另外三类受体——受体-酶、G蛋白偶联受体、整联蛋白受体来说，从信号分子带来的信息必须穿越膜去引发细胞内反应。利用膜蛋白受体从膜的一侧将信息传到膜的另一侧称为信号转导（signal transduction）。
信号转导过程首先是细胞外信号分子激活膜受体；其次，被激活的膜受体改变细胞内分子；再次，改变了的细胞内分子产生反应。细胞外的信号分子是第一信使，而细胞内分子则形成第二信使系统。
G蛋白偶联受体
G蛋白偶联受体是一个大而复杂的跨膜蛋白家族。它穿过脂双层七次，其尾部在细胞质内与膜转导蛋白——G蛋白相连。现在已知存在几百种G蛋白偶联受体。与G蛋白偶联受体结合的配体包括激素、生长因子、嗅分子、视色素、神经递质。
G蛋白因结合鸟嘌呤核苷酸而得名。非活性的G蛋白结合的是鸟苷二磷酸（GDP），当GDP被转化成鸟苷三磷酸即可激活G蛋白。当G蛋白被激活，它们就会打开膜上的离子通道，或在细胞膜内改变酶活性。
G蛋白-偶联腺苷酸环化酶-环腺苷酸（cAMP）系统是第一个确定的信号转导途径。
在腺苷酸环化酶-环腺苷酸（cAMP）系统中，腺苷酸环化酶是扩增酶，它将ATP转化为第二信使分子cAMP。cAMP再激活蛋白激酶A（PKA）,PKA再磷酸化其他的细胞内蛋白质，使它们成为信号级联反应的一部分。G蛋白-偶联腺苷酸环化酶-cAMP系统是许多蛋白质激素的信号转导系统。
整联蛋白受体
整联蛋白受体从细胞外基质传递信息。跨膜蛋白的整联蛋白介导血液凝固、伤口修复、免疫反应中的细胞黏附和识别以及发育中的细胞运动。在细胞膜的外侧，整联蛋白受体既结合细胞外基质，也结合配体，如抗体、血液凝固中的分子。在细胞内，整联蛋白附着于细胞骨架。配体与受体结合，引起整联蛋白激活细胞内酶，或改变细胞骨架的组构。
受体-酶
受体-酶包括两部分： 受体区在细胞膜的外侧，酶区在细胞质一侧。在某些情况下，受体区和酶区是同一蛋白质的两部分。在其他的情况，酶区是一分离的蛋白质。配体与受体结合便激活与之相关的酶。受体-酶的酶既可以是蛋白激酶，如酪氨酸激酶；也可以是鸟苷酸环化酶，一种转化鸟苷三磷酸（GTP）为环鸟苷酸（cGMP）的扩增酶。受体-酶的配体包括许多生长因子和细胞因子，如胰岛素。
【思考题】
1. 生物学、生理学与医学有什么关系？
2. 为什么生理学是一门实验科学？
3. 什么是观察？什么是实验？在生理学研究中观察与实验有什么关系？
4. 为什么生理学的研究需要强调分析方法与综合方法的统一？
5. 为什么近代生理学起源于欧洲而不是亚洲？
6. 为什么学习生理学要强调思考和理解而不是记忆？
7. 为什么人和动物必须维持内环境的稳定？
8. 反馈调节在维持动物内环境稳定中有什么作用？
9. 比较神经系统调节机制与内分泌系统调节机制的异同。
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