生理学：第二章 细胞的基本功能 (2)

1、生 理 学 PHYSIOLOGY,第二章 细胞的基本功能 The basic functions of cell,本章重点讨论： 1.细胞膜结构和物质转运功能 2.细胞的生物电活动 3. 肌细胞的收缩功能,第二章 细胞的基本功能,学习目标,了解细胞膜的结构,掌握细胞膜的物质转运功能。 掌握静息电位和动作电位的概念、形成条件、机制,兴奋性的周期性变化,熟悉动作电位在同一细胞上的传导。 掌握骨骼肌兴奋收缩耦联、肌肉收缩的原理；熟悉影响肌肉收缩的因素;了解骨骼肌收缩的外部表现和力学分析。,1. 细胞膜的结构和物质转运功能The cell membrane & its transport,细胞膜的作用

2、： 屏障作用 物质转运功能 跨膜信息传递功能 细胞膜的兴奋功能,其基本内容是： 1）基架：液态脂质(双嗜分子）双分子层。 磷脂：70%，胆固醇：30% 。 2）中间：镶嵌有不同分子结构和功能的蛋白质，其以-螺旋或球形结构形式存在。 3）外表面：糖脂或糖蛋白,液态镶嵌模型(fluid mosaic model): 1972年，Singer和Nicolson提出,细胞膜的结构Structure of the Cell Membrane,液态镶嵌模型,细胞膜的结构Structure of the Cell Membrane,化学组成：三种 脂质双分子层：多 （52%）,特点：熔点低，常温下呈液态,磷

3、酸+碱基,脂肪酸长烃链,（ *熔点、胆固醇含量决定C膜的流动性）,Composition of the cell membrane,磷脂：70%；胆固醇：30%, 膜蛋白：较多（重量）40%,表面蛋白 (peripheral protein) 20-30% 整合蛋白 (integral protein) 70-80%,两种形式, 糖类： 较少（8%） 主要为寡糖和多糖链 成为抗原决定簇、受体可识别部分,(载体或转运体、通道、离子泵),二、物质的物质转运功能Transport Across the Plasma Membrane,*跨膜转运的方式： 单纯扩散 易化扩散 主动转运 出胞和入胞,膜蛋

4、白介导 的跨膜转运,单纯扩散,出胞和入胞,. 单纯扩散（simple diffusion）,扩散的原理：布郎运动 （图示）,扩散：指溶质分子由高浓度处向低浓度处的运动,扩散通量：molcm2s 决定因素： 与该物质的浓度差成正比，与其他溶质无关,1.*概念： 脂溶性物质由细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧的 净移动过程，称为单纯扩散。如：O2，CO2。 2.决定因素： 1）膜两侧该物质浓度差 2）膜对该物质的通透性,3. 转运的物质： O2，CO2，N2，水，乙醇，尿素 水(还可通过水通道即水孔蛋白aquaprin来转运) 4 特点： 高浓度低浓度 不耗能,.易化扩散,*易化扩散（facilitat

5、ed diffusion） ： 大部分水溶性物质和所有离子，在膜蛋白质的协助下，由膜高浓度一侧向低浓度一侧的扩散，称为易化扩散。 特点： 1）顺浓度差转运 2）选择性转运（膜蛋白质结构） 3）受膜两侧因素改变的调控,膜蛋白介导的跨膜转运,1. 通道（ion channel）介导的易化扩散 由离子通道（贯穿脂质双层的、中央带有亲水性孔道的，不能水解ATP的膜蛋白）完成。 转运带电离子(Na+、K+、Ca2+),1. 通道(channel)中介的易化扩散 Facilitated diffusion via channel,通道基本特征：,不同的通道有不同的离子选择性：,Na+通道、K+通道、Ca2

6、+通道、Cl-通道,不同的通道有不同的开闭控制条件：,1）离子选择性（ion selectivity）,2） 门控特性（gating） 通道有 A. 激活(activation):通道开放 B. 失活(inactivation)：通道关闭 C. 静息(resting) ：通道关闭(closing),图2-2不同门控机制的离子通道 电压门控通道 (voltage gated) B. 化学门控通道 （chemical gated） C. 机械门控通道 (mechanically gated),通道开放,离子进入膜内,神经递质 （Ach）,细胞外,细胞内,毛细胞离子通道及其作用示意图,对血管壁的牵张

7、刺激-机械门控通道开放- Ca2+内流-血管收缩,2. 载体(carrier)介导的的易化扩散,1）特点： 高度特异性,Vmax,substrate,flux,载体,扩散, 竞争性抑制 (competitive inhibition), 饱合现象 (saturation),1/2Vmax,Km,是水溶性小分子物质经载体介导顺浓度梯度和(或)电位梯度进行的被动跨膜转运。,2.经载体的易化扩散 Facilitated diffusion via carrier,转运的物质：葡萄糖(GL)、氨基酸(AA)等小分子亲水物质,（三）主动转运（active transport）,细胞直接利用分解ATP产生

8、的能量,将离子逆浓度差进行跨膜转运的过程。 * 钠钾泵（*钠泵） 1) 钠泵的本质: 钠钾依赖式ATP酶,2）作用: 分解ATP供能，逆浓度差转运Na+、K+ （泵入 2个K+、泵出3个Na+ ）,1. 原发性主动转运（primary active transport）,膜蛋白介导的跨膜转运,通道转运与钠-钾泵转运模式图,钠泵的作用：,钠泵活动造成的膜内外Na+和K+的浓度差， 是细胞生物电活动产生的前提条件。 维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定。 Na+在膜两侧的浓度差也是其它许多物质 继发性主动转运的动力。 钠泵活动造成的细胞内高K+是许多代谢 反应进行的必要条件。 钠泵活动是生电性的影响

9、膜电位的数值。,3）钠泵活动的意义（P17）,4）钠泵抑制剂:哇巴因ouabain,其他重要的泵,（1）钙泵( Ca2+-Mg2+依赖式ATP酶 ),（2）H+-K+泵( H+-K+依赖式ATP酶 ),存在于肌细胞内的肌浆网膜上，将肌浆中的Ca2+泵入肌浆网储存，与肌肉的舒张过程有关。,存在于胃粘膜壁细胞膜上，参与胃酸分泌,还可能存在于肾小管细胞的管腔膜上，分 泌 H+ ，与酸碱平衡有关。,2. 继发性主动转运(secondary active transport）,1）特点： 间接耗能（钠泵势能储备） 与膜中特殊蛋白质有关 2）转运体（transporter）： 同向转运体 逆向转运体,*

10、主动转运特点： 1）逆浓度差； 2）耗能,泵,Na+,K+,ATP,ADP,Na+,Na+,继发性主动转运,细胞,G,（四）出胞与入胞 exocytosis and endocytosis膜泡运输 -膜包裹、膜融合、膜离断等过程,1. 出胞 (exocytosis)：指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。 1）细胞的分泌活动 ；2）神经递质的释放,膜蛋白介导的跨膜转运,出胞,3. 入胞(endocytosis)：大分子物质或物质团块借助于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程，包括吞噬和吞饮。如：白细胞吞噬细菌、异物等 （吞噬phagocytosis、吞饮pinocytos

11、is）,受体对物质的“辨认”,发生特异性结合=复合物,表面的“有被小窝”移动,“有被小窝”处的膜凹陷,吞食泡,吞食泡与胞内体相融合,入胞,受体介导式入胞过程,物质的跨膜转运： 脂溶性小分子物质可通过物理扩散透过质膜； 水溶性小分子物质和带电离子需要借助于一系列相关膜蛋白的介导来完成转运； 大分子物质和物质颗粒通过细胞膜的整装转运进出细胞；,转运方式 转运物质 顺逆差 细胞是否耗能 单纯扩散 脂小分子,水 顺差 不 经通道易化扩散 带电离子 顺差 不 经载体易化扩散 水溶性分子 顺差 不 原发性主动转运 离子 逆差 耗能 继发性主动转运 葡萄糖等 逆差 靠他物势能差 出胞与入胞 大分子物质 无关

12、 细胞主动活动,课后复习题,概念：单纯扩散易化扩散 主动转运钠-钾泵 2.细胞膜物质转运的方式有几种？ （概念、转运的物质、特点） 3.被动转运与主动转运有何区别？ 4. Na+-K+泵活动有何生理意义?,2 细胞的生物电活动Bioelectrical phenomena of the cell,电 生物电 血流,300000Km/s 2-120m/s 1-20cm/s,从脚尖到脑的痛信号-32ms 从脑-到脚尖的激素信号-60s 以上,一切活细胞无论处于安静或活动状态都存在电的活动，这种电的活动称为生物电。,不同形式的生物电现象：,肌电图、心电图、脑电图,静息电位的记录,48岁女性患者，患有

13、胰岛素依赖型糖尿病，伴高血压症，医生同时给她使用胰岛素和普萘洛尔治疗。患者近来感觉明显的肌肉无力。血液检查发现其血钾为6.5mmol/L（正常值是4.5mmol/L）。医生决定减少其服用普萘洛尔的剂量并增加了胰岛素的用量。数日后，血钾降至4.7mmol/L，她的肌力也恢复正常。 诊断：高血钾性肌无力。 问题与思考 1血钾的变化对细胞的兴奋性有何影响？ 2试分析患者肌无力的原因？ 3医生调整患者胰岛素的用量为何有利于改善肌无力的症状？,案例2-1,2 细胞的生物电活动Bioelectrical phenomena of the cell,一、细胞的跨膜电位 二、膜电位的产生机制 三、局部电位及其

14、特性 四、兴奋在同一细胞上的传导机制 五、细胞兴奋后其兴奋性的变化,一、细胞的跨膜电位, 细胞的静息电位（Resting Potential,RP） 1. *概念 静息时，存在于细胞膜两侧内负外正的电位差, 安静时 静息电位 受刺激时 动作电位,表现形式：,2.特点：,1）膜内膜外 2）为稳定的直流电,3.RP的数值 ：不同组织细胞其数值不同,0 mV,-70 -90mV,神经纤维,RP,静息电位的测量实验,*电生理学名词：,RP: -90mV,1.极 化(polarization): Rp时，膜两侧保持的内负外正状态 2.除（去）极化(depolarization）： 膜内电位（RP值）向负

15、值减小的方向变化,*电生理学名词：,RP: -90mV,3.复极化(repolarization）： 膜去极后，向膜内负电位（RP）恢复的过程 4.超极化(hyperpolarization）： 膜内电位（Rp值）向负值加大的方向变化, 细胞的动作电位 (Action Potential , AP),0mV,神经纤维,AP, 细胞兴奋的共有标志,指细胞受刺激时，在RP基础上，膜电位产生的迅速可逆并可传播的电位波动。,2. AP的波形及组成,1) 锋电位（spike potential）,2) 后电位,负后电位 negative after-potential （去极化） 正后电位 positi

16、ve after-potential （超极化）,1. *AP的概念,时间（ms）,动作电位的波形及组成,时间（ms）,动作电位的波形及组成,去极相,复极相,超射(overshoot）,3. *AP的特征 ：,AP,刺激,R,S,“全或无” all or none：同一细胞，AP的幅度不随刺激强度和传导距离而发生改变的现象。 可传播性:不减衰传导(幅度波形不变),1.细胞膜对某种或某些离子有通透性（通道开放） 2. 跨膜的离子浓度差和电位差 K+iK+o 30倍,二、膜电位的产生机制, 电化学驱动力(electrochemical driving force),Na+oNa+i 10倍,= 6

17、0 log,离子平衡电位可由Nernst 公式计算,（mV）,ENa+=+50+70mv,EK+=-90-100mv,EX =,RT,ZF,ln,计算后得出,实际某些离子跨膜流动的电化学驱动力 电化学驱动力=Em-E离子 = *动力为负值时：推动正电荷流入胞(内向 电流 inward current，如Na+,Ca2+内流) *动力为正值时：推动正电荷出胞(外向电 流outward current，如K+外流,Cl-内流),Na+=-130mV（安静时） K+=+20mV （安静时）,RP条件下，Na+受到很强的内向驱动力, 电化学驱动力(electrochemical driving for

18、ce),用电压钳(voltage clamp）, 固定膜电位,测量膜电流)技术的研究结果表明: 动作电位期间，膜GNa首先增加，随即又衰减，在其衰减的同时GK增大。, 膜的离子通透性（Gm）的变化与测定,Gm变化的机制是离子通道的活动（P20） 膜片钳(patch clamp):钳制一小片膜， 记录单个通道离子电流的技术。,膜片钳技术,用膜片钳技术研究的结果说明： 膜电导变化的实质是实质是膜上离子通道随机开放和关闭的总和效应,K+外流形成-K+平衡电位 （ K+ equilibrium potential，Ek）, 静息电位的产生机制,1）K+外流动力-电化学驱动力 C内外离子的浓度差：K+i

19、K+o 30倍,2）K+外流条件 静息时，C膜对K+的通透性高（K+通道开放）,EK = 60 log,K+平衡电位可由Nernst 公式计算,2.决定RP的因素,RP实测值略计算值。,K+o,K+i,（mV）,why？,1）跨膜K+浓差： 2）膜对K+的通透性 3）Na+-K+泵的活动水平,K+o RP,RP,RP,1.AP期间的离子通道 ion channels 活动：,Na+通道：通道特异性阻断剂 河豚毒(tetrodotoxin,TTX) K+通道：通道特异性阻断剂 四乙铵(tetraethylammonium,TEA),膜片钳的实验研究表明，AP期间有两种离子通道活动：, 动作电位的

20、形成机制,2. Na +通道的失活和膜电位的复极,激活,失活,复活（静息）,当膜去极化达一定水平（阈电位）时，可 引起Na+通道迅速开放，之后迅速关闭。,表现为当膜的去极化仍然存在或再进一步 去极化，都不会使Na+通道再次开放。,Na+通道的三种状态（蛋白质构象）,只有当去极化消除（复极）后， Na+通道才恢复到静息状态，当新的膜去极化出现时才能再次激活、开放。,失活,复活,复极到RP,去极,自动,静息状态,失活状态,激活状态,2）复极相： A. K+外流形成（Na+通道关闭） B. Na+泵活动,Na+、K+交换,泵出3Na+ 泵入2K+,1）去极相： Na+通道开放，Na+快速内流形成。超

21、射值相当于Na+平衡电位（ENa）,3. 动作电位的形成机制,-,-,+,Na+,Na+,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,细 胞 外,细 胞 内,1NaCl,Na+ 浓度差,12 NaCl,RP,AP产生的机制：,1）去极相,RP,K+,K+,细胞外,1NaCl,12 NaCl,细胞内,Na+,K+,2）复极相,升支:Na+内流； 降支:K+外流； 静息水平: Na+- K+ 泵活动,离子恢复静息 时的分布状态； 负后电位(后去极化,after depolarization): 复极时外流的K+蓄积在膜外,阻碍了K+外流； 正后电位(后超极化,after hyperpolariza

22、tion): 生电性钠泵作用的结果,小结AP的形成的离子基础：,AP,刺激, 引起动作电位的条件,1. 阈电位和锋电位的引起(P23),*阈电位 (threshold potential ）,1）概念 能诱发AP（钠通道大量激活）的临界膜电位值 2）数值：比RP的绝对值小 10 20 mV 3）意义：是AP产生的条件,再生性循环(regenerative cycle) (P23),三、局部电位(Local Potential)及其特性,1.概 念 阈下刺激引起膜局部电位的较小去极化,2.产生机制 少量Na+内流形成,3.特 点 1)不是“全或无”的,时间 temporal summation

23、空间 spatial summation,2)呈电紧张性扩布 3)可以叠加(总和),局部电位与AP的区别:,不衰减扩布,电紧张扩布,传播特点,无,有,总和现象,有,无,全或无特点,大,小,膜电位变化幅度,多,少,钠通道开放数,阈或阈上刺激,阈下刺激,刺激强度,AP,局部电位,区别,1.无髓神经纤维传导机制局部电流 local current,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,- +,- +,- +,四、兴奋在同一细胞上的传导机制,神经冲动：神经纤维上传导着的Ap,神经纤维,2.有髓神经纤维跳跃式传导saltatory con

24、duction,3. 影响兴奋传导的因素,1） 细胞直径 2） 髓鞘 3） 温度,0,mV,-70,-90,+20,五、细胞兴奋后其兴奋性的变化,1.绝对不应期(相当于锋电位) absolute refractory period 兴奋性=0 Na+通道全部关闭 2.相对不应期(相当于负后电位) relative refractory period 正常兴奋性0 Na+通道渐恢复 3.超常期(相当于负后电位) supranormal period 兴奋性正常 Na+通道恢复 4.低常期(相当于正后电位) subnormal period 兴奋性正常 Na+通道渐静息,绝对不应期的意义：,使Ap

25、不会重合,其长短决定细胞兴奋的最高频率,例：绝对不应期 2 ms 兴奋的最高频率?,1000/2 =500 Hz,课后复习题,试述RP、AP的概念、特点、形成机制及影响因素 Ap是如何在同一细胞传导的？ 名词： 兴奋性与兴奋 局部电位 极化与超极化 全或无现象 神经冲动 阈值与阈电位 Rp是形成的；Ap去极相是形成的，复极相是形成的 C外液中钠浓度，Ap幅度 C外液中钾离子浓度，Rp幅度,比正常兴奋性低, 但可引起更大振幅动作电位的是 A绝对不应期 B相对不应期 C超常期 D低常期,下列有关局部兴奋的叙述, 错误的是 A去极化反应随阈下刺激的强度增大而增大 B可由产生部位向周围作短距离扩布 C

26、不表现不应期 D不能引起时间性和空间性总合,动作电位: A可以局部电流的方式扩布 B是可兴奋细胞具有的共同特征 C多个阈下刺激共同作用也不能引发 D具有全或无特性 E可以进行总合,3. 肌细胞的收缩功能Muscle Contraction,横纹肌(striated muscle),23岁女大学生，近来感觉全身乏力和易疲劳，甚至梳头也感到吃力，不时有眼睑下垂，上楼梯时几次跌倒在地，这些症状休息后可缓解。检查发现，血中抗胆碱能受体抗体数量增多，重复刺激运动神经元时骨骼肌的反应下降。使用新斯的明治疗后肌力恢复。 诊断：重症肌无力。 问题与思考 1.神经-肌接头处的兴奋传递的过程及影响因素。 2.根据

27、临床检查分析患者肌无力的原因。 3.为什么新斯的明能恢复肌力？,案例2-2,3. 肌细胞的收缩功能Muscle Contraction,一、神经肌接头处的兴奋传递 二、骨骼肌的微细结构 三、骨骼肌的兴奋收缩耦联 四、肌细胞的收缩过程 五、肌肉收缩的力学分析和影响因素 六、运动对机体功能活动的影响(自学) 七、骨骼肌、心室肌的结构和功能特点,一、神经肌接头处的兴奋传递Neuromuscular transmission,（一）神经肌接头的结构,（二）*神经肌接头兴奋传递的过程,运动N兴奋冲动传至神经末梢,总和,肌C膜AP,接头前膜去极化,Ca2+ 通道开放，Ca2+进入神经末梢,囊泡与接头前膜融

28、合,ACh量子式释放,ACh与后膜N2受体结合,Na+内流*、K+外流,后膜去极化 (终板电位end-plate potential，EPP),1. 兴奋传递的过程,N-M接头处的兴奋传递过程,膜Ca2通道开放，膜外Ca2向膜内流动,接头前膜内囊泡移动、融合、破裂， 囊泡中的ACh释放(量子释放),ACh与终板膜上的N2受体结合， 受体蛋白分子构型改变,终板膜对Na、K (尤其是Na)通透性,作用,ACh,乙 酸 + 胆 碱,2ms,胆碱酯酶,胆碱酯酶存在于接头间隙和接头后膜上,意义,防止终板膜持续去极化， 维持接头处的正常功能。,2.胆碱酯酶的作用,AP在两个细胞之间的传递方式,化学传递,A

29、P在同一细胞上的传导方式,电传导,双向传导,迅 速,安全可靠,单向传递,时间延搁,易受影响,（局部电流）,（电-化学-电）,3.传导与传递的区别,4. 传递特征,1）单向传递 2）化学性传递 3）1:1传递 4）时间延搁 5）易受环境因素影响,美洲箭毒、a-银环蛇毒：竞争受体,肉毒杆菌：阻止递质释放,有机磷农药：抑制胆碱酯酶肌痉挛,肌松弛,重症肌无力:N受体减少或功能障碍,肌无力综合症:Ca2+通道破坏,肌松弛,二、骨骼肌的微细结构,（一）肌原纤维和肌小节,细胞液,1.肌原纤维,肌小节,（肌肉收缩、舒张的最基本单位）,肌(球)凝蛋白(Myosin ）组成,*横桥的特性： 具有ATP酶活性，供能

30、 与细肌丝可逆结合、向线摆动, 粗肌丝：,长杆状主干,球状部横桥,2. 肌丝的分子组成,原肌凝蛋白（tropomyosin）,肌纤蛋白（actin）,肌钙蛋白（troponin）, 细肌丝: 三种蛋白7:1:1, 肌动(纤)蛋白（actin）, 原肌球(凝)蛋白（tropomyosin）, 肌钙蛋白（troponin）,（收缩蛋白质）,调节蛋白质,图2-21 从肌丝的横断面上示意 Ca2+ 激活收缩蛋白 ：静息时，肌钙蛋白中的 TnI 和 TnT 使原肌球蛋白保持在遮盖肌动蛋白结合位点的位置， TnC 与 Ca2+ 的结合使肌钙蛋白构象改变， TnI 与肌动蛋白的结合松动，遂使原肌球蛋白向双螺

31、旋的沟槽方向滑动，暴露了肌动蛋白的结合位点（图中移除了横桥）； ：显示肌动蛋白的结合位点暴露后横桥与肌动蛋白的结合,（二） 肌管系统,1）横管系统（T管）:有L型钙通道 将兴奋传向肌C深部 2）纵管系统（肌质网、L管） 储存、释放、再积聚钙 纵行肌质网（longitudinal SR，LSR）有钙泵 连接肌质网（junctional SR，JSR）或终池 (terminal cisterna) 有钙释放通道 3）三联管 连接兴奋收缩的关键部位,肌管系统,按任意键 飞入横桥摆动动画,肌节缩短=肌细胞收缩,牵拉细肌丝朝肌节中央滑行,横桥摆动,横桥与结合位点结合， 分解ATP释放能量,原肌球蛋白位移

32、， 暴露细肌丝上的结合位点,Ca2+与肌钙蛋白结合 肌钙蛋白的构型改变,终池膜上的钙通道开放 终池内的Ca2+进入肌浆,四.肌细胞的收缩过程P28,肌丝滑行过程,图 横桥扭动时产生张力和缩短的示意图,肌丝滑行几点说明:,1、横桥摆动使细肌丝向M线方向滑行时，由于肌肉的负荷而受阻，因而产生张力。 2、肌肉中横桥的摆动是非同步的，从而肌肉产生恒定的张力和连续的缩短。 3、参与摆动的横桥数目及摆动速率，是决定肌肉缩短程度、速度和肌张力的关键因素。,三.*骨骼肌的兴奋收缩耦联（P27-28),1.兴奋收缩耦联 (excitation-contraction coupling) 把肌纤维兴奋和收缩连接起

33、来的中介过程 .基本过程,3.关键部位及耦联因子： 三联管、 Ca2+,图2-19 横纹肌肌质网Ca2+ 释放机制示意图,五、肌肉收缩的力学分析和影响因素,肌肉收缩效能（performance contraction） 表现为收缩时产生的张力和（或）缩短程度，以及产生张力或缩短的速度。,收缩形式,1. 等长收缩 (isometric contraction),肌肉收缩时，长度不变而张力增加,意义：维持人体的位置和姿势,2.等张收缩 (isotonic contraction),肌肉收缩时，张力不变而长度缩短,意义：作功,2.影响 在一定范围内前负荷肌张力 最适前负荷 （最适 optimal 初长度） 指产生最佳收缩效果的前负荷 最适前负