三_细胞的基本功能.ppt

第三章 细胞的基本功能,学习要点 物质跨膜转运的方式 细胞的跨膜信号转导 静息电位及其产生 动作电位及其产生 动作电位在同一细胞上的传导 兴奋与兴奋性 骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递 骨骼肌的收缩功能,第一节 细胞膜的物质转运功能,氧气,营养物质,细胞外信号分子,摄入体内的药物,排出,代谢产物,生物活性物质,细胞膜及其两侧,进入,被动转运,物质转运方式,主动转运,出胞与入胞,单纯扩散,易化扩散,一、被动转运（passive transport）,定义：,方式,单纯扩散（simple diffusion）,易化扩散（facilitated diffusion）,指分子或离子顺着浓度梯度或电-化学梯度进行转运，不需要额外消耗能量。,（一）单纯扩散,定义：,移动量的大小,转运的物质：O2、CO2及脂溶性小分子物质,物质完全以物理扩散的方式所作的跨膜运动，是物质分子随机热运动的结果。,单纯扩散,单纯扩散的特点,底物：脂溶性小分子物质。 转运方向：高浓度向低浓度方向。 动力：膜两侧物质的浓度梯度。 不需要膜上特殊蛋白质的参与。 不需要细胞额外供能。 结果：物质浓度在膜两侧达到平衡。,（二）易化扩散,定义：,类型,不溶于脂质或很难溶于脂质的某些物质，借助于细胞膜结构中某些特殊蛋白质（载体或通道）的帮助，顺浓度差（电位差）通过细胞膜，称为易化扩散。,1. 经载体的易化扩散,是细胞膜上的镶嵌蛋白质。与被运输的物质有特异结合点。在膜的一侧与处于高浓度的某一被运输物质结合后，移向膜的另一侧，然后与被运输物质分离。,载体：,特征,饱和现象：载体数、结合位点数有限,立体构象特异性：选择性地与某物质特异性结合,竞争性抑制：一种物质抑制另一种物质转运,转运的物质：葡萄糖、氨基酸等物质,2. 经通道的易化扩散,通道状态的变化：,理化因素构型变化功能状态改变,开放状态（激活）,关闭状态（失活）,备用状态,通道蛋白：,又称离子通道，是一类贯穿脂质双分子层的膜蛋白，在特定的条件下，当分子中的亲水性孔道开放时，离子可经孔道从高浓度的一侧向低浓度的一侧转运。,转运的物质：Na+、K+、Ca2+、Cl-等带电离子,通道蛋白,通道的特征:,电压门控通道:,化学门控通道:,机械门控通道:,通道的开关决定于通道蛋白所在的膜两侧的电位差。,通道的开关决定于膜所在的环境中存在化学物质（如递质、激素或药物等）的浓度。,通道的开关决定于通道蛋白接受的机械刺激。,（1）离子的选择性,（2）门控特性,决定于孔道内壁电荷性质、孔道大小,通道开放,离子进入膜内,神经递质 （ACh）,细胞外,细胞内,易化扩散转运的特点,底物：水溶性小分子物质。 转运方向：高浓度向低浓度方向。 动力：膜两侧物质的浓度梯度。 需要细胞膜提供结构(载体或通道) 支持。 细胞不消耗能量。,二、主动转运（active transport）,指细胞膜将物质分子或离子从浓度低的一侧向浓度高的一侧转运的过程。需要细胞代谢供给能量。与细胞代谢密切相关。,转运的物质：,类型：,原发主动转运,继发主动转运,Na+、K+、Ca2+、H+、I-、Cl-等离子,葡萄糖、氨基酸等分子。,是否需要ATP直接供能,重要的例子：Na+-K+泵（Na+泵）,ATP酶,Na+,K+,细胞外K+,细胞内Na+,由细胞膜或内膜上具有ATP酶活性的特殊泵蛋白，直接水解ATP提供能量而将一种或多种物质逆着各自的浓度梯度或电化学梯度进行跨膜转运。,（一）原发主动转运（primary active transport）,结构支持：泵，即起泵作用的转运蛋白,定义：,原发主动转运,Na+-K+ 泵模型,钠泵活动的意义,形成和保持细胞内外Na+、K+的不均衡分布 K+iK+o 30倍、Na+oNa+i 10倍,细胞生物电产生的重要条件 细胞内高K浓度是细胞内许多代谢反应所必需 维持细胞内液的正常渗透压和细胞容积的相对稳定 细胞外较高的Na浓度所贮存的势能 可用于其他物质的转运,(二) 继发主动转运 (secondary active transport),一些物质借助于钠泵的工作所建立的Na+离子在细胞膜两侧的浓度势能，逆浓度梯度所进行的跨膜转运。,特点：,以原发主动转运为基础，通过钠泵的活动首先建立起细胞内、外Na+离子浓度梯度。,物质逆浓度梯度的转运与Na+离子顺浓度梯度的转运耦联进行。,ATP间接为这些物质逆浓度梯度的转运供能。,定义：,继发主动转运示意图,同向转运：,逆向转运：,分型：,物质转运与Na+离子顺浓度梯度方向一致。,物质转运与Na+离子顺浓度梯度方向相反。,例：葡萄糖、氨基酸在小肠的吸收,例：Na+-H+交换、Na+-Ca2+交换,葡萄糖和氨基酸在小肠粘膜上皮细胞的吸收,主动转运的特点,底物：水溶性小分子物质。 转运方向：低浓度向高浓度方向。 动力：细胞膜需要提供结构（泵）支持。 细胞消耗能量。,被动转运与主动转运方式的比较：,被动转运,主动转运,单纯扩散 易化扩散,通道 载体,原发性 继发性,转运方向,高浓度低浓度,低浓度高浓度,膜转运蛋白,否,需,需,需,需,饱和现象,无,有,无,有,有,化学特异性,无,有,有,有,有,消耗代谢能 及来源,不消耗,消耗 钠泵,消耗 离子浓差钠泵,转运的物质,O2, CO2 脂肪酸,Na+ K+ Ca2+,葡萄糖 氨基酸,Na+、K+ Ca2+、H+,葡萄糖 氨基酸,三、入胞和出胞,一些大分子物质或物质团块进出细胞是通过细胞的入胞和出胞形式来实现的。,又称内吞，是指细胞外某些物质团块进入细胞的过程。,（一）入胞（endocytosis）：,吞噬：固体,吞饮：液体,又称胞吐，是指某些物质由细胞排出的过程，这主要见于细胞的分泌活动。,（二）出胞（exocytosis）：,受体介导入胞,细胞的入胞和出胞过程,（1）配体与膜上的受体结合。 （2）结合处膜内陷形成囊泡。 （3）囊泡与膜再分离。 （4）进入细胞后，配体与受体分离。 （5）配体弥散至胞浆中。 （6）失去配体的小泡，与其膜上的受体一起转运至细胞膜处，以出胞的形式重新成为细胞膜的一部分。,受体介导入胞,第二节 细胞的跨膜信号转导,定义：通过配体实现对细胞的调节及其作用过程为细胞的跨膜信号转导。,历史：19世纪末，Langley、Dale等科学家提出细胞表面有受体设想，以解释药物或毒物对细胞的作用途径。以后实验证明，所有的多细胞生物体内都进行着细胞间通讯，并大多数以化学信号分子实现。,配体：能与受体发生特异结合的活性物质。包括激素、递质、药物、光子等，又称第一信使。 受体：能识别相应配体并与之结合能完成信号转导的蛋白质。,G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号传导,通道介导的跨膜信号转导,酶耦联受体介导的跨膜信号转导,分类,一、G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导,受体,G蛋白效应器分子,G-蛋白,组成,酶分子：催化底物生成第二信使（cAMP 等）,离子通道（ G-蛋白调节）,化学信息,（第一信使）,+ 受体,G蛋白,效应器酶,第二信使 （cAMP）,改变细胞内的生理过程,变构,(+),+,or,以酶分子作为效应器分子的信号转导：,（腺苷酸环化酶）,蛋白激酶,（蛋白激酶A）,蛋白质磷酸化,G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导,第二信使：在配体的作用下，细胞内产生的能携带配体信息的化学物质称为第二信使 其他第二信使有：环鸟苷酸（cGMP），三磷酸肌醇（IP3），二酰甘油（DG），Ca2+等。,二、通道介导的跨膜信号转导,（一）化学门控通道：化学信号控制 （二）电压门控通道：对膜电位敏感 （三）机械门控通道：对机械刺激敏感,N2型ACh门控通道,N2型ACh门控通道,三、酶耦联受体介导的信号转导,(一) 酪氨酸激酶受体介导的信号转导,(二) 结合酪氨酸激酶受体介导的信号转导,（三）鸟苷酸环化酶受体介导的信号转导,第三节 细胞的生物电现象与兴奋性,一、 细胞生物电现象及其产生机制 二 、细胞的兴奋和兴奋性,一、细胞生物电现象及其产生机制,生物电现象及历史（Galvani）。 细胞在安静或活动时，都有生物电现象。 采用微电极技术对细胞内电位变化进行研究。 方法：细胞水平研究。 材料：微电极、电位仪、枪乌贼大神经。,(一)两个重要的细胞生物电现象,微电极测量单一神经纤维的膜电位示意图,1. 静息电位（resting potential, Rp）,指细胞在未受刺激时（静息状态下），存在于细胞膜内外两侧的电位差。,概念：,特点：,A. 内负外正（极化状态）,B. 大小：有差异，均为mV级,C. 稳定的直流电位,2. 动作电位（Action potential, Ap）,活体细胞在静息电位的基础上接受刺激时，受刺激处细胞膜两侧出现的快速可逆的电位逆转和复原。,概念：,是细胞兴奋的标志。,组成：,去极化,反极化或超射,复极化,0 mV,神经纤维,AP,与动作电位有关的概念,极化 去极化 复极化 超极化,锋电位 后电位 负后电位 正后电位 阈电位,去极化：,由内负外正变为外负内正。,反极化或超射：,膜内电位由零变为正值。,复极化：,恢复至静息时内负外正的状态。,极化：,静息时内负外正的状态。,超极化：,原有静息电位值进一步降低。,与极化相关的概念：,时间（ms）,去极化,复极化,超射,动作电位的波形及组成,阈电位：,细胞受刺激后，膜内去极化，达到某一临界值后产生快速的膜内电位上升变化，此临界值称为阈电位。 通常比原有静息电位小1020 mV。,后电位：,锋电位：,描记动作电位曲线，可见其快速的上升支（即去极相）和快速的下降支（即复极相）成一尖锐的脉冲，称为锋电位。,在锋电位下降支最后恢复到静息电位水平以前，膜两侧电位还有一些微小而缓慢的波动，称为后电位。,与电位相关的概念：,负后电位（去极化电位） 正后电位,时间（ms）,动作电位的波形及组成,神经纤维动作电位示意图,动作电位的特点,“全”或“无”；不减衰；不重叠。,“全”,Ap的幅度不随有效刺激强度的增强而增大,膜各部分的极化状态一致，则Ap在传导过程中不衰减,“无”,阈下刺激不产生动作电位,可传播性,神经纤维的动作电位,锋电位,上升支,去极相,下降支,复极相,后电位,负后电位：15 ms,正后电位：80 ms,（二）细胞生物电现象的产生机制,1.基本原理 膜学说,2. 静息电位的产生机制,（1）膜内、外的离子分布不均 膜外：Na+和Cl 浓度高 膜内：K+和A浓度高 由于存在离子的浓度梯度（浓度差），因此离子有顺浓度梯度，向膜内外扩散的趋势。,（2）细胞膜的通透性,安静时 对 Na+和Cl 通透性小 对A几乎不通透 对K+的通透性较大 （K+通道开放）,K+外流,内负外正电位差 =K+的浓度差,K+净通量为0,静息电位=K+的平衡电位,+,K+,K+,K+外流形成 K+平衡电位,神经纤维,电势能,30 K+,1 K+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,A -,浓差势能,3. 动作电位的产生,（1）去极化：,Na+内流,阈电位,（高1020 mV）,Na+通道开放,去极化,Na+的平衡电位=超射值,正反馈或自生性增加,去极化电位,产生条件：阈刺激、阈上刺激、多次阈下刺激。,（2）复极化：K+外流,（3）动作电位后：Na+-K+交换,过度去极化,Na+通道失活,电压门控K+通道开放,K+外流,细胞内Na+,细胞外K+,Na+-K+泵,恢复离子分布,AP,刺激,阈电位的产生,记录,刺激,神经纤维,4. 局部反应或局部兴奋,（1）局部兴奋（局部反应）:,（2）局部兴奋的特征：,阈下刺激,Na+通道少量开放,少量Na+内流,局部去极化,无不应期,叠加,时间总和,空间总和,没有“全”或“无”现象,向周围电紧张性扩布,可以总合,衰减性的,幅度,速度,局部兴奋与动作电位的区别：,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、阈上刺激、多次阈下,阈下刺激,刺激强度,动作电位,局部兴奋,区别,（三）动作电位的传导,1动作电位在同一细胞的传导,A. 无髓神经纤维,局部电流,未兴奋段去极化,兴奋,沿神经纤维传导,神经冲动,（1）传导机制,局部电流,神经纤维传导机制模式图,传导机制局部电流,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,- +,- +,- +,神经纤维,无髓神经纤维,B. 有髓神经纤维：跳跃式传导,A,B,髓鞘不导电， 不允许离子通过,局部电流在郎飞结间形成,跳跃式传导,有髓神经纤维跳跃式传导,（2） 影响传导的因素,细胞直径大小,动作电位去极化幅度,神经纤维：有髓 无髓,细胞膜各处膜电位的均一性,（3）动作电位传导的特征,完整性：结构和生理功能的完整 双向性：向相反的两个反向传导 绝缘性：使神经的调节更为精确 相对不疲劳：耗能较少,2. 动作电位在不同细胞之间的传递,心肌和平滑肌的细胞间存在缝隙连接。 由6个称为连接子的单体蛋白形成同源六聚体。,（1）动作电位通过缝隙连接的传递,（2）动作电位通过神经突触或神经肌接头的传递（化学性传递）,二、细胞的兴奋和兴奋性,(一)细胞的兴奋和可兴奋细胞,传统生理学将细胞或组织对刺激发生的反应称为兴奋（excitation）。 在现代生理学中，兴奋被看作是动作电位的同义语或动作电位产生的过程。,凡是受刺激后能产生动作电位的细胞，称为可兴奋细胞。神经细胞、肌细胞和腺细胞都属于可兴奋细胞。,(二) 细胞产生兴奋的条件,1. 兴奋性（excitability）,可兴奋细胞或组织对刺激发生反应的能力称兴奋性。 从生物电的角度看，可兴奋细胞受到刺激产生动作电位的能力，称为兴奋性。,2. 刺激（stimulation）,内、外环境变化,有效刺激：,无效刺激,有反应的刺激,刺激的三个条件,刺激的形式：,机械刺激，物理刺激（电刺激），化学刺激，生物刺激等。,一定的强度,一定的持续时间,一定的强度对时间的变化率,3. 反应：,刺激作用下，机体作出的应答。,反应的形式,机体由相对静止转变为活动状态或由活动弱转变为活动强的状态（动作电位）,兴奋：,抑制：,机体由活动转变为相对静止状态或由活动强转变为活动弱的状态（超极化）,4. 阈强度（threshold intensity）,强度-时间变化率固定，刺激持续时间恒定和足够时，能引起组织或细胞发生兴奋或产生动作电位的最小刺激强度，又称阈值。,意义：,反映组织兴奋性的高低。 阈强度低，兴奋性高。 阈强度高，兴奋性低。,概念：,（三）细胞一次兴奋过程中兴奋性的 周期性变化,动作电位的组成与兴奋性周期的对应关系,第四节 骨胳肌的收缩功能,运动单位：,一个运动神经元和所支配的所有肌纤维。,神经元模式图,一、神经-肌接头的兴奋传递,神经-肌接头：,神经纤维末梢膜与肌膜相接触的部位。,接头前膜,接头后膜（终板膜）,接头间隙：,囊泡（ACh),N2型ACh受体,50 nm,（一）神经-肌接头的结构,线粒体,小皱褶,胆碱酯酶,神经-肌接头的结构,神经肌接头的结构,（二）神经-肌接头的兴奋传递,神经冲动,接头前膜产生AP,电压门控Ca2+通道开放,Ca2+内流,降低轴浆粘滞性,囊泡的可移动性,中和负电荷,囊泡易与前膜融合,囊泡向前膜移动、融合、释放ACh,ACh+N2受体,受体变构,离子通道开放,主要Na+内流,去极化（终板电位），是局部兴奋,（终板膜）,电紧张方式传导,达到阈电位水平,AP（肌膜）,在肌膜上传导,促进,总和,（三）神经-肌接头兴奋传递的特征及影响因素,化学性兴奋传递：电 化学性 电 单向传递：接头前膜 终板膜 时间延搁 相对易疲劳 易受药物和其他环境因素的影响,1神经-肌接头兴奋的传递的特征,2. 影响神经-肌接头兴奋传递的因素,机制：与ACh竞争N受体，无活性，称受体阻断剂。,机制：与N受体结合，不易被胆碱酯酶水解。,箭毒类药物：作用于N受体,琥珀酰胆碱（司可林）：作用于N受体,二、骨骼肌的机械收缩活动,（一）骨骼肌细胞超微结构及分子组成,骨骼肌肌纤维,肌浆,细胞核,肌原纤维,肌管系统,肌膜,粗肌丝,细肌丝,横管,纵管,1. 肌原纤维,肌节：,是肌细胞的基本功能单位。,粗肌丝,细肌丝,相邻Z线间的一段肌原纤维，,1/2明带 + 暗带 + 1/2明带，,肌原纤维超微结构模式图,肌原纤维超微结构模式图,肌节,（1）粗肌丝,分子组成：,肌球蛋白（肌凝蛋白）,杆状部主干,球状头横桥,200300个,横桥的特点：,A.是ATP酶，可水解ATP供能,B.与细肌丝中的肌动蛋白可逆性地结合。,结合一个位点,头向M线方向扭动，拖拉细肌丝,分离,再结合下一个位点,激活,M线,横桥扭动与细肌丝滑行图解,（2）细肌丝,分子组成,肌动（纤）蛋白,原肌球（凝）蛋白,肌钙蛋白,球形单体双螺旋体主干,每一个单体上有一个与肌球蛋白的结合位点,纤维状单体双螺旋结构,安静时，覆盖肌动蛋白上各结合位点,球形,T：结合至原肌球蛋白,C：与Ca2+亲和,I: 信息传递,细肌丝的分子组成,肌浆Ca2+浓度增加导致肌纤蛋白上的结合点暴露图解,收缩蛋白,调节蛋白,肌动蛋白,肌钙蛋白,肌球蛋白,原肌球蛋白,（二） 骨骼肌收缩的机制,1. 肌浆中Ca2+浓度增加到阈值，肌钙蛋白和原肌 凝蛋白发生构型改变，肌纤蛋白上结合位点暴露。,2. 横桥头部与结合位点接触并结合 横桥周期,3. 头向M线扭动，细肌丝随之拖向M线方向。,4. 解离 恢复 与新位点结合 扭动 肌小节,5. 肌浆中Ca2+浓度降低到另一阈值，肌钙蛋白与Ca2+分离，结合位点被覆盖，细肌丝退回原位。,Ca2+与肌钙蛋白的结合和分离是触发和终止肌丝滑行的关键因素。,2. 肌管系统,横管系统,纵管系统,凹入细胞内的肌膜,肌质网,（肌浆网）,（T管）