生理学课件之细胞膜的结构和功能

生理学第二章细胞的基本功能1生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024细胞是人体和其他生物的基本结构单位细胞生理学的主要内容①细胞膜和组成其他细胞器的膜性结构的基本化学组成和分子结构②物质（或离子）的跨膜转运功能③跨膜信号转换功能④（以带电离子跨膜运动为基础的）细胞生物电和有关现象⑤细胞膜电变化肌细胞机械性收缩2生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024第一节细胞膜的物质转运功能细胞膜脂质双分子层：特殊蛋白质：屏障作用与物质、能量和信息的跨膜转运和转换有关。一、细胞膜的分子结构3生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024脂质双分子层蛋白质疏水性基团亲水性基团液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel）4生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（一）脂质双分子层为骨架碱基：亲水性基团O-O-COCO甘油磷酸脂肪酸烃链：疏水非极性基团脂质熔点较低，体温下呈液态脂质小体(Liposome)磷脂：约占70%；胆固醇：约占30%；糖脂：少量5生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024膜兼有稳定性和流动性例：吞噬细胞通过毛细血管内皮细胞血管腔变形通过膜内外二层双分子层所含的脂质不同。吞噬细胞6生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（二）细胞膜蛋白质蛋白质以α-螺旋或球形结构分散镶嵌在双分子层中表面蛋白(peripheralprotein)占20%~30%整合蛋白(integralprotein)占70%~80%7生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（三）细胞膜糖类

糖与膜脂质或蛋白质结合，多在膜的外面一侧。可能成为抗原决定簇或受体的可识别部分 （特异性标志）。8生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024二、细胞膜的物质转运（一）单纯扩散(simplediffusion)扩散：高浓度区域中的溶质分子向低浓度区域移动。（例：桂花香）通量—mol或mol数/秒•cm2与观察平面两侧某物质的浓度差成正比（如有多种物质存在，与其他物质无关，但电解质受电场力影响）。9生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024单纯扩散细胞膜两侧的脂溶性溶质分子按扩散原理作跨膜运动或转运。某一物质跨膜通量的大小由膜两侧该物的浓度差、脂溶性的大小以及分子大小、所带电荷等决定被动，不消耗能量单纯扩散的实例：O2、CO2、H2O、乙醇、尿素等渗透是特殊形式的单纯扩散：水(溶剂)、渗透压驱动、逆(溶质)浓度梯度10生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（二）易化扩散：

(facilitateddiffusion)不溶于脂质或溶解度小的物质在一些特殊膜蛋白分子的协助下由膜的高浓度一侧向低浓度侧移动。其动力同单纯扩散一样，来自物质自身的热运动。11生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/20241.经载体(carrier)易化扩散高浓度低浓度物质载体变构结合位点特点：1、载体蛋白有较高的结构特异性。2、饱和现象3、竞争性抑制（两种结构类似的物质间）实例:葡萄糖和氨基酸等入红细胞12生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/20242.经通道(channel)易化扩散常与带电离子的跨膜转运有关。通道离子高浓度低浓度特异的通道蛋白质：Na+通道K+通道（7种以上）Ca2+通道（3种以上）水相孔道顺电-化学梯度13生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024通道的特点（与载体相比）：1、结构和功能状态因理化因素迅速改变，开放时离子极快速通过。2、对离子的选择性没有载体蛋白严格。3、开放时间十分短促，然后关闭。4、形成跨膜电流（离子电流），并常引起细胞的功能改变通道开放细胞生物电（跨膜电位）变化跨膜物质转运信号转导外来信号14生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024电-化学势：物质浓度差和电场力所具有的势能，为被动扩散的能量来源。（三）主动转运

(activetransport)：物质由膜以某种方式提供了能量，逆电—化学势差而跨膜移动。必伴能源物质（常常是ATP）的耗能。15生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024原发性主动转运：直接消耗ATP的，转运体介导的逆电-化学梯度转运Na+、K+的主动转运研究得最充分，且重要：Na+-K+泵（钠泵）2K+高K+（高

30倍）高Na+（高12倍）每分解1分子ATP3Na+sodium-potassiumpump16生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024Na+泵活动的意义：1、细胞内高K+是许多代谢反应的必需条件。2、建立细胞内外的电-化学势能储备（即膜外高Na+要进入细胞内，细胞内高K+

要移出细胞），为神经、肌肉组织具有兴奋性、产生生物电现象的基础。17生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024钙泵（Ca2+-Mg2+依赖式ATP酶）质子泵(H+,K+-ATPase;H+-ATPase)存在于细胞膜和内(肌)质网膜上，激活许多生理过程:如兴奋-分泌(收缩)耦联、动作电位等存在于胃黏膜、肾小管18生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/20242.继发性主动转运耗能但不直接消耗ATP（能量来自细胞外Na+的高势能）、逆浓度(和/或电位)梯度。在体内广泛存在。高Na+Na+葡萄糖细胞外细胞内细胞间隙转运体钠泵Na+Na+水平葡萄糖水平实例：肠或肾小管上皮吸收葡萄糖、氨基酸等；Na+-H+（逆向）交换19生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（四）出胞(exocytosis)和入胞(endocytosis)大分子、物质团块（固态或液态）1,出胞粗面内质网排出（囊泡膜成为细胞膜的一部分）融合囊泡的移动由膜内外特殊的化学信号或膜电位改变，膜上Ca2+

通道开放Ca2+

内流触发。实例：激素的分泌、神经递质的释放20生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024吞饮(pinocytosis)：大分子、液体；发生在所有细胞液相入胞小肠上皮细胞等活跃受体介导入胞：如运铁蛋白，低密度脂蛋白吞噬(phagcytosis)：颗粒或固体；主要发生在特殊细胞中性粒细胞单核-巨噬系统2,入胞21生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024再循环小泡细胞膜可反复循环使用低pH胞内体内移吞饮小泡附膜蛋白受体衣被凹陷22生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024第二节体内信息传递一、体内细胞间信息传递内、外环境变化细胞间信息传递感受器电化学细胞因子神经递质激素缝隙连接缝隙连接23生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024各种化学分子（除少数可进入细胞外）非化学刺激：电、机械、电磁波靶细胞上特异性受体细胞二、细胞的跨膜信号转导(transmembranesignaling)（一）跨膜信号转导概念的提出24生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024各种外界刺激跨膜信号转导细胞膜变化或其他细胞内功能变化种类非常多transmembranesignaltransduction其途径为数不多，作用形式较类似，涉及的膜蛋白也为数不多。因不同的细胞而异25生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（二）几种主要的跨膜信号转导方式1，G蛋白耦联受体(GPCR)介导的跨膜信号转导鸟苷酸结合蛋白（G-蛋白）guaninenucleotide-bindingproteinR-Gprotein-AC(A)AC-cAMP-PKAR-Gprotein-PDE(B)PDE-cGMP-channelR-Gprotein-PLC(C)PLC-IP3-Ca2+-CaMPLC-DG-PKC26生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024离子通道受体蛋白膜效应器酶αβγ第二信使前体第二信使(secondmessenger)inositoltriphosphatediacylglycerolG-蛋白（激活或抑制）

ATP

磷脂酰肌醇cAMP

IP3，DG蛋白激酶及其他13121腺苷酸环化酶磷脂酶C三磷酸酰肌醇二酰甘油27生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/20242，酶耦联型受体介导的跨膜信号转导28生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024化学刺激细胞膜表面的酪氨酸激酶受体(tyrosinekinasereceptor，激活后具有磷酸激酶活性）膜内底物（的酪氨酸残基）磷酸化细胞内效应举例：29生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/20243，离子通道型受体介导的跨膜信号转导（1）化学(配体，ligand)门控通道 chemicallygatedchannel化学物质细胞膜上特异性通道蛋白通道蛋白变构而开放相应的离子易化扩散膜电位变化30生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024以神经-肌接头乙酰胆碱（acetylcholine,ACh）介导的信号转导为例：通道变构、开放肌细胞膜（终板）Na+内流（K+外流）终板电位肌细胞兴奋收缩N末梢ACh31生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024αβαγδAChα亚基单位为ACh结合点α2βγδ五聚体梅花型通道32生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（2）电压门控通道

(voltage-gatedchannel)跨膜电位改变膜上某些通道蛋白的构型改变（通道的激活）通道的开放跨膜离子流新的电变化（通道所在部位膜的特有跨膜电位改变）其他细胞内功能变化（如肌细胞收缩）跨膜信号转换33生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024电

通道构型改变的机制，以Na+通道的α亚单位为例：电变化α螺旋位移通道构型变化第4个跨膜α螺旋带正电通道样结构（0.3×0.5)nm6个α螺旋6个α螺旋6个α螺旋6个α螺旋4个结构域34生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（3）机械门控通道激活细胞膜中的机械门控通道例：声波振动耳蜗毛细胞听毛受力激活机械门控通道跨膜离子流机械刺激跨膜电位变化跨膜信号转导35生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024第三节细胞的生物电活动膜学说：细胞生物电现象是由于某些带电离子在细胞膜两侧的不均衡分布，以及膜对这些离子的通透性发生改变所造成的。细胞的生物电现象d=1mm193936生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（一）概念指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差，膜内较膜外为负，在大多数细胞是一种稳定的直流电位，哺乳动物的肌肉和神经细胞为-70~-90mv。一、静息电位（restingpotential）细胞-70mv去极化静息电位超极化复极化0mv超极化37生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态称为膜的极化(polarization)当静息电位的数值向膜内负值加大的方向变化时，称作膜的超极化

(hyperpolarization)如果膜内电位向负值减少的方向变化，称作去极化或除极

(depolarization)细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，称作复极化(repolarization)38生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（二）静息电位的产生机制细胞内外离子存在浓度梯度:细胞外高Na+,细胞内高K+静息时膜对各种离子有不同通透性

(K+:Na+=50~100:1)钠泵的生电作用：每消耗1分子ATP,转运出3Na+,转运入2K+，因出入电荷不对等,使膜内负电荷↑,导致膜向超极化方向改变细胞静息电位主要由K+

产生，接近(但略小于)钾平衡电位(EK)，详见后一页39生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024K+化细胞内高K+膜内高K+、膜对K+通透（对Na+几乎不通透）K+外移膜内负电、膜外正电K+浓度势能差=（阻碍K+外移的）电势能差，即膜两侧电-化学势代数和为零膜内外形成一稳定的电位差，称为K+平衡电位电40生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024静息电位值：Nernst公式：EK=59.5lgK+

K+Oi(mv)EK:K+平衡电位，K+

K+

Oi、：膜两侧K+浓度29.2℃时41生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（一）概念细胞在膜两侧产生的特殊形式的电变化。可兴奋细胞(神经细胞、肌肉细胞、部分腺细胞)在受到刺激发生兴奋时，细胞膜在原有静息电位的基础上发生一次迅速而短暂的电位倒转和复原。这种电位波动可向周围扩布，称为动作电位，是各种可兴奋细胞发生兴奋时所具有的特征性表现。二、动作电位（actionpotential）42生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/20240-70mV超射局部电位正后电位(超极化后电位)负后电位(去极化后电位)复极化阈电位去极化43生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024锋电位下降支最后恢复到静息电位水平以前，膜两侧电位还要经历的微小、缓慢波动，称后电位(afterpotential)，一般先有负后电位（去极化后电位），再出现正后电位（超极化后电位）。动作电位上升支中零位线以上的部分，称为超射值(overshoot)。动作电位在描记的图形上表现为一次短促而尖锐的脉冲样变化，称锋电位

(spikepotential)。44生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024动作电位的特点“全或无”(“allornone”)现象阈下刺激：无AP阈刺激或阈上刺激：引起AP的波形和波幅一致不衰减传导传导至整个细胞的过程中，保持原有的波形和波幅。脉冲式

连续刺激→多个AP，不发生融合45生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（二）动作电位的产生机制阈电位局部电位钠通道开放、激活，Na+迅速内流Na+通道很快失活(inactivation)。Na+通透性消失K+通透性K+外流Na+的平衡电位低Na+高K+局部高Na+46生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024去极化达到阈电位水平进一步加大Na+通道开放的机率，形成正反馈，称为再生性循环，形成动作电位陡峭的上升支。锋电位的形成阈电位局部电位钠通道开放、激活，Na+迅速内流47生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024观察某离子通道的开关，即观察某离子的电导经典的电压钳（或电压固定）实验对带电离子来说，膜电导（电阻的倒数）就是膜通透性的同义语。为了研究动作电位的产生机制，即各种离子如何通过膜形成动作电位的，Hodgkin等设计了电压钳（voltageclamp)如何通过实验研究上述内容？48生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024电压钳实验：欧姆定律：I=VG跨膜电流，易测膜电导，要测膜两侧电位差，此电位随离子跨膜移动而变，用带负反馈放大器（FBA）的特殊装置使膜两侧电位固定在某一设定值测得I，再算出G的方法称电压钳实验49生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024电压门控钠通道的特点激活态→失活态↑

静息态去极化m:激活门；h:失活门-70mV到+20mV+20mV恢复到-70mV钠电导的电压依赖性和时间依赖性复极化50生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024电压门控钾通道的特点钾电导：延迟、持续51生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024膜片钳实验和单通道离子电流的记录一种能够记录膜结构中单一的（或少数几个）离子通道蛋白分子的开放和关闭、亦即测量单（或少数几个）通道离子电流和电导的技术，称膜片钳实验(patchclamp)52生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（三）动作电位的引起和它在同一细胞的传导1，动作电位的引起必要条件：膜去极化达到阈电位(thresholdpotential)一次阈刺激或阈上刺激多次阈下刺激使局部反应发生总和膜内负电位必须去极化到某一临界值时，才能在整段膜引发一次动作电位，这个临界值大约比正常静息电位的绝对值小10~20mv，称为阈电位。53生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024阈电位局部电位钠通道开放、激活，Na+迅速内流Na+通道很快失活(inactivation)。Na+通透性消失K+通透性K+外流Na+的平衡电位54生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/20242，动作电位在同一细胞上的传导（不衰减传导）局部电流未兴奋段膜去极化并达阈电位细胞外细胞内大量Na+通道开放出现动作电位动作电位相邻膜仍处于静息状态已兴奋和未兴奋部位之间形成局部电流(localcurrent)，以电紧张的形式传播55生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024传导速度快，节能髓鞘，不导电朗飞结，动作电位、局部电位只能在此产生局部电流有髓神经纤维上的跳跃式传导 (saltatoryconduction)56生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024影响传导的因素：细胞直径大→纵向电阻小→传播快动作电位幅度大→局部电流强→传播快髓鞘的影响有髓鞘→传播快57生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024动作电位在不同细胞之间的传递细胞间电阻大，无法形成有效的局部电流直接传递AP通过缝隙连接

细胞之间：局部电流流经缝隙连接通过神经突触或神经-肌肉接头58生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024（四）细胞兴奋性及其变化1，兴奋性兴奋性(excitability)：兴奋(excitation)：组织或细胞受刺激后，产生动作电位的过程。可继而表现出某种反应（如细胞收缩或分泌）。活组织或细胞受刺激后产生反应（动作电位）的能力。59生理学课件之细胞膜的结构和功能5/9/2024细胞产生兴奋的条件细胞本身的兴奋性（E）刺激(stimulus)的性质刺激的三要素：刺激强度刺激