基础医学概论--人体机能学(高等医药院校系列教材)

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内容简介

**篇 总论
　　**章 人体机能学概述
　　基础医学是研究人的生命规律和疾病发生机制的科学，是临床医学及其他医学相关学科的基础。人体机能学是基础医学中关于机体功能范畴的多学科总称，内容涉及生物化学、生理学、病理生理学及药理学。生物化学主要研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节及遗传信息传递的分子基础与调控规律；生理学则是研究正常机体生命活动现象及其功能活动规律的科学；病理生理学是针对患病机体的机能和代谢变化及其发生机制，揭示疾病发生、发展和转归的科学；药理学则是阐明药物对机体的作用及作用原理、药物吸收和分布、生物转化和排泄等过程的科学。为适应医学科学发展和医学模式的转变，本着强调人的整体意识、淡化学科界限、体现多学科交叉融合的原则，本书以器官、系统为主要框架，将上述学科的核心内容进行有机整合，同时融入案例分析及机能实验内容，力求使学生熟悉人体机能运行的基本规律、疾病发生发展、疾病防治与药物治疗的概貌，以满足医学院校中“非医学专业”、“近医学专业”学生的知识需求和培养目标。
　　本书包括总论、各论、案例分析和实验项目四部分内容。其中，**篇总论除本章人体机能学概述外，还对上述四门学科中最基础的科学问题进行了一般性介绍，包括“生物大分子与物质代谢”、“内环境稳态与物质代谢”、“健康与疾病发病机制”及“药物发现与影响药效的因素”四个专题内容。通过学习总论内容，使学生对后续各论的内容有一个概括性的了解，并明晰主要的学习内容。
　　人体机能学的核心内容是机体功能，而生物大分子是生命的物质基础，机体所有的生命功能都是各种生物大分子运动和变化的结果。在本书第二篇各论中，首先对生物大分子的结构、功能及应用进行了详细介绍。常见的生物大分子包括蛋白质、核酸、酶。其中，蛋白质是构成细胞的主要成分，是生命活动的主要承担者；核酸在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用。本书重点阐述了蛋白质、核酸的结构特点、结构与功能关系、理化性质及其应用。酶是具有高度特异性和高效率催化作用的蛋白质或核酸（RNA）。酶支配着机体的新陈代谢、营养和能量转换等许多催化过程，与生命过程关系密切的反应大多是酶促反应。本书对酶的结构特点、功能特性、酶促反应动力学及其应用等也做了相应介绍。
　　细胞是构成人体的最基本结构和功能单位。在人体，不同的细胞群构成了各种组织和器官，功能相同的器官组成了系统。各系统功能各异，又相互配合，构成了机体生命活动的整体总和。本书介绍了细胞的基本功能，包括跨细胞膜物质转运功能、信号转导功能及生物电活动。这些功能广泛涉及蛋白质的作用，也与生物分子核酸、酶的作用有关，同时又是阐述各系统机能的前提和基础，因此起到承上启下的作用。
　　本书按照生物大分子—细胞—器官系统—案例分析—实验项目的思路编排各论内容。在介绍生物大分子、细胞相关内容的基础上，着重对人体各个系统展开论述，涉及生理功能、代表性的疾病发生发展机制、疾病的防治与药物治疗，内容包括血液循环系统、呼吸系统、消化系统、泌尿系统及内分泌系统。机体功能的正常运行是上述系统各司其职、互相关联、密切配合的结果，而各个系统疾病产生的影响又是广泛性、整体性的。本书采用系统整合的论述模式，体现了机体正常功能、疾病发生发展及疾病预防与治疗的逻辑关系，也体现了人体机能学着重从器官、系统乃至整体水平阐明生命活动本质的特点。
　　为了加深对各个器官系统知识的理解，学习运用所学知识解决实际问题，本书在第十四章安排了针对上述五大系统的典型案例分析，通过案例分析培养学生运用多学科知识解决实际问题的能力，逐步树立大健康和预防为主的理念。第十五章则以“高血压”案例为范本，介绍案例分析的一般流程和解题思路，引导学生掌握案例分析的方法。
　　人体机能学是以实验为基础的学科。本书最后一部分介绍了机能学动物实验基本操作、机能学科普性实验项目、机能学综合性实验项目及机能学虚拟仿真实验项目，涵盖了血液、血液循环、呼吸、泌尿等系统的经典实验。通过学习相关的机能实验项目，能够促进学生掌握基本的实验技能、巩固所学基本理论知识、培养科学的思维方法，有利于培养学生的综合素质和创新实践能力，也为学生将来的相关医学实践、实验研究打好前期基础。
　　总之，人体机能学课程将生物化学、生理学、病理生理学、药物学相关内容有机整合，以五大系统为主要框架，对人体机能的运行规律、疾病的发生机制、药物干预进行综合论述，并通过案例分析和机能学实验项目，实现基础理论与临床案例、理论与实践的有机结合，在夯实人体机能学“三基”知识的同时，也培养了学生运用多学科知识解决实际问题的能力。
　　（董颀 章喜明）
　　蛋白质、核酸是生命体内主要的生物大分子，各有其结构特征，分别行使不同的功能，如核酸传递遗传信息，蛋白质几乎涉及所有的生理过程，是生命（如遗传、繁殖、生长、运动、物质代谢等）的物质基础。物质代谢是体内物质与外界环境中的物质不断进行交换的过程，是生命活动最基本的特征，也是生长、发育、遗传、繁殖及所有生理过程的基础。
　　本章主要概述蛋白质、核酸、酶等生物大分子的结构与功能，以及糖代谢、脂质代谢、生物氧化、氨基酸代谢的基本过程、特点、关键酶与生理意义，通过本章的学习，可对生物大分子与物质代谢的主要内容有一个概括性了解，为后续各论相关内容的学习打好基础。
　　第二章 生物大分子与物质代谢
　　**节 生物大分子的结构与功能
　　一、概述
　　体内生物大分子的种类繁多，结构复杂，但其结构有一定的规律性，都是由基本结构单位按一定顺序和方式连接而成的多聚体（polymer），分子量一般大于1×104。蛋白质、核酸、多糖、蛋白聚糖和复合脂类等是体内重要的生物大分子，它们都是由各自的基本组成单位构成的多聚体。例如，由核苷酸作为基本组成单位，通过磷酸二酯键连接形成多核苷酸链—核酸；由氨基酸作为基本组成单位，通过肽键连接形成多肽链—蛋白质；聚糖也是由一定的基本单位聚合而成的。生物大分子的重要特征之一是具有信息功能，由此也称之为生物信息分子。
　　对生物大分子的研究，除了确定其一级结构（基本组成单位的种类、排列顺序和方式）外，更重要的是研究其空间结构及其与功能的关系。分子结构是功能的基础，而功能则是结构的体现。生物大分子的功能还需通过分子之间的相互识别和相互作用而实现。例如，蛋白质与蛋白质的相互作用在细胞信号转导中起重要作用；蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、核酸与核酸的相互作用在基因表达调控中发挥着决定性作用。可见，分子结构、分子识别和分子的相互作用是执行生物信息分子功能的基本要素，而这一领域的研究是当今生物结构学的热点之一。
　　本节主要学习蛋白质、核酸、酶等生物大分子的结构与功能，重点是掌握体内这些生物分子的结构特点、功能、基本理化性质及其应用，这对理解生命本质具有重要意义。
　　二、主要内容
　　（一）蛋白质的结构、功能及应用
　　蛋白质是体内重要的生物大分子，而组成蛋白质分子的主要元素有碳、氢、氧、氮，部分蛋白质还含硫，此外，各种蛋白质含氮量很接近，平均为16%。
　　蛋白质在人体内含量丰富，种类繁多。每种蛋白质都有其特定的结构和生物学功能。蛋白质由20种L-α氨基酸组成，分为非极性氨基酸、不带电荷的极性氨基酸、芳香族氨基酸、带正电荷的碱性氨基酸及带负电荷的酸性氨基酸五类。氨基酸为两性电解质，在溶液pH等于pI（等电点）时，氨基酸呈兼性离子。氨基酸可通过肽键相连成肽，谷胱甘肽是体内重要的生物活性肽。
　　蛋白质分子结构包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。一级结构是蛋白质的基本结构，是指蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，一级结构的稳定主要由肽键维持。二级结构、三级结构和四级结构是蛋白质的空间结构，也是蛋白质的高级结构。蛋白质的二级结构是指多肽链上某段主链骨架原子的空间位置，不涉及侧链构象，主要有α螺旋、β折叠、β转角和无规卷曲四种形式；二级结构的稳定主要由氢键维持。蛋白质的三级结构是指多肽链主链和侧链全部原子的空间排布位置，包括主链构象和侧链构象；三级结构的形成和稳定主要靠次级键维持。四级结构是指由两条或两条以上多肽链各自形成具有三级结构的亚基，并通过次级键相互连接的空间排布；单独的亚基一般无生物学功能。
　　蛋白质的一级结构决定了其特定的空间结构，从而决定了其生物学功能。体内蛋白质的种类成千上万，功能也千差万别。一级结构相似的蛋白质，其空间结构和功能也相近。若蛋白质的一级结构发生改变则功能受影响，由此引起的疾病称为分子病。蛋白质在合成、加工和成熟过程中的正确折叠对其正确构象和功能的发挥至关重要，错误的折叠可导致蛋白质构象病。蛋白质空间结构的变化可导致蛋白质功能的改变。
　　分离纯化蛋白质是研究蛋白质结构和功能的先决条件。通常利用蛋白质的理化性质而采用不同的物理方法分离纯化蛋白质。常用的技术有透析、沉淀、电泳、层析、超速离心等方法。
　　蛋白质变性是指在某些理化因素（如加热、紫外线）作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，导致理化性质改变及生物学活性丧失。蛋白质变性有如下特点：空间结构破坏，一级结构完整；生物学活性丧失；易被蛋白酶水解；易沉淀；多数蛋白质变性后不能复性。蛋白质变性有重要应用，如在医学上可用碘酒、乙醇等进行消毒。
　　（二）核酸的结构、功能及其应用
　　核酸（nucleic acid）是一类含磷的生物大分子，其元素组成有C、H、O、N和 P，其中 P的含量较为恒定，占9%～10%，可用于核酸含量的测定。
　　核酸是以核苷酸为基本单位组成的高分子化合物，是生物遗传的物质基础。核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。3′，5′-磷酸二酯键是基本结构键。核苷酸由碱基、戊糖（脱氧戊糖）和磷酸组成。DNA分子中的碱基成分为A、G、C和T四种，戊糖是β-D-2′脱氧核糖；而RNA分子中的碱基成分则为A、G、C和U四种，戊糖为β-D-核糖。
　　DNA的一级结构是指多核苷酸链中脱氧核苷酸的排列顺序，脱氧核苷酸之间通过3′，5′-磷酸二酯键连接。其二级结构是右手双螺旋结构，由两条反向平行的脱氧多聚核苷酸链组成。维持双螺旋稳定的力是横向的碱基互补氢键及纵向的碱基堆积力。DNA在形成双链螺旋式结构的基础上还将进一步折叠成为超螺旋结构，并且在蛋白质的参与下以核小体为基本单位形成染色体。DNA的基本功能是以基因的形式携带遗传信息，并成为基因复制和转录的模板。
　　基因是DNA链的某一区段，具有编码多肽链、RNA或调控的功能。基因组是一个生物体的全套基因。人类基因组计划是描述人类基因组和其他基因组特征，包括物理图谱、遗传图谱、基因组DNA序列测定。人类基因组计划采用了先产生“工作草图”的策略，即获取能覆盖全基因组的有用数据，然后再补充很多未知序列的间隙和验证不确切序列。2001年2月由人类基因组计划和Cerela共同公布了人类基因组草图，这是人类生命科学历史上的一个重大里程碑，它揭示了人类遗传学图谱的基本特点，将为人类的健康和疾病的研究带来根本性变革。 RNA的一级结构是指多核苷酸链中核苷酸的排列顺序，其功能主要是参与遗传信息表达。RNA主要分为三大类：①信使RNA（mRNA）的功能是作为遗传信息的传递者，将核内DNA的碱基顺序按碱基互补原则抄录并转送至核糖体，指导蛋白质的合成。②转运RNA（tRNA）的功能是在蛋白质生物合成过程中作为各种氨基酸的运载体，并发挥识别密码子的作用。③核糖体RNA（rRNA）的功能是与多种核蛋白体蛋白构成核糖体，作为蛋白质合成的场所，在蛋白质生物合成中起着“装配机”的作用。
　　核酸具有多种重要理化性质。核酸分子在紫外线260nm波长处有最大吸收峰，这一特点常被用来对核酸进行定性、定量分析。核酸在酸、碱或加热情况下可发生变性，即空间结构遭到破坏。变性DNA在适宜条件下，两条互补的单链可恢复成双螺旋结构的过程，称为DNA复性。