基础医学细胞的基本功能.ppt

第一节、细胞膜的跨膜物质转运功能,方式：两大类 小分子和离子：跨膜运输： 单纯扩散与膜蛋白介导的跨膜运输。 大分子和颗粒物质：膜泡运输；,第六章 细胞的基本功能,一、被动转运 （一）单纯扩散（simple diffusion）,定义：细胞外液和细胞内液都是水溶液,脂溶性溶质分子从高浓度区域向低浓度区域通过细胞膜做跨膜运动或转运。 影响因素： 膜两侧的浓度差 脂溶性程度 其他因素如膜的性质 主体：氧气和二氧化碳,（二）、易化扩散（facilitated diffusion）,定义：非脂溶性物质，在膜结构中特殊蛋白质分子的帮助下也能较容易的由高浓度一侧通过膜向低浓度一侧移动。 特点： 从高浓度到低浓度 蛋白质分子本身结构的特异性 某种物质的扩散通量是变化的 主体：葡萄糖 钠离子 钾离子 钙离子 氯离子 类型： 载体蛋白介导的运输 通道蛋白介导的运输,1. 载体介导的易化扩散,物质与载体蛋白的位点结合,引起后者变构将物质移向另侧。如葡萄糖、氨基酸等非离子物质的转运。 具有结构特异性、饱和现象和竟争性抑制特点。,（葡萄糖、氨基酸、核苷酸）,2. 通道介导的易化扩散,离子通道蛋白（channel protein）：跨膜蛋白，中心亲水性通道对离子具有高度的亲和力，但不与离子结合。 通道蛋白受电、化学因素剌激而变构产生水相孔道(通道), 带电离子经通道顺浓度移动。 体内钠、钾、钙等离子的跨膜扩散, 均有其特异的通道蛋白参与, 分别称为钠通道、钾通道和钙通道等。 闸门：是通道蛋白的带电分子或基团（如羧基或磷酸基）所构成，可调控通道的开关。 通道有开放和关闭状态, 并由“闸门”控制。 运输特点：顺浓度梯度；速度快；高度选择性：只允许一种离子通过（离子类型决定于通道直径、形状及通道内部电荷的分布）；短暂开放；不消耗能量；,单纯扩散和易化扩散均系顺浓度差和电位差移动, 无需消耗能量, 称为被动转运。 如果转运的物质不带电，其最终达到的平衡点是两侧浓度差为零。 如果转运的物质是离子，则其最终的平衡点是电-化学势为零，此时浓度差并不消失。,二、主动转运,被运输的物质： 特定的离子（K + 、Na + 、Ca2+等） 细胞代谢必需的物质。 特点： 逆物质浓度梯度方向运输； 消耗代谢能。,（1）.原发性主动运输,定义：细胞通过本身的某种耗能过程，将某种物质分子或离子由膜的低浓度一侧向高浓度一侧的过程。 意义：建立一种势能储备，供细胞的其他耗能过程来用。 * 依赖式ATP酶： 本质是细胞膜上的一种蛋白质能分解ATP，使之释放能量，以供转运。,Na + -K + -ATP酶： Na+ - K +泵,Na + -K + -ATP酶： Na+ - K +泵,作用：同时具有载体和ATP酶活性。 催化ATP生成ADP，产生能量，经可逆性的磷酸化与去磷酸化，泵出Na+和泵入K+。水解一个ATP分子所产生的能量可供泵出3个Na+ ，泵入2个K+ 。 意义： 使细胞内高K+ , 利于细胞代谢活动； 建立钠、钾浓度势能贮备是产生生物电的基础； 维持细胞内外渗透压平衡； 也可用于其它物质的主动转运(继发性主动转运)。,（2）.继发性主动运输,定义：某些物质主动运输所需的能量是间接来自ATP 的分解。,继发性主动运输,主体：葡萄糖、氨基酸等 分类：同向转运和逆向转运,三、出胞和入胞,定义： 大分子物质或固态、液态物质团块， 可通过膜更为复杂的结构、功能改变，使之进出细胞。 实例： 细胞的分泌活动 细菌、病毒或营养物质进入细胞 受体介导式入胞,入胞,细胞表面发生内陷，由胞膜把细胞外的大分子和颗粒物质包围成小泡，最后脱离细胞膜进入细胞内的转运过程。 吞噬作用 （phagocytosis） 吞饮作用 （pinocytosis） 受体介导的入胞 （receptor-mediated endocytosis）,出胞,大分子物质或固态、液态物质团由细胞排出的过程。 出胞入胞均要耗能，消耗线粒体氧化工程中形成的ATP。,第二节 细胞的生物电现象,生物电：一切活组织的细胞，在安静状态和活动过程中均表现有电的变化，这种电的变化伴随着细胞生命活动出现。,+,+,+,+,+-+,+-+,一、静息电位(RP),定义： 未受刺激，细胞膜内外侧的电位差 数值： 膜外为零，膜内电位在-10mV -100mV 描述： 膜的极化：内负外正 膜的去极化：膜内负值减小 膜的超极化：膜内负值加大 膜的复极化：先去极化，再向静息电位数值恢复 超射：高于零电位的部分,RP的形成机理,Na+K+泵生电作用 K+平衡电位 K+i K+o K+外流 促进K+外流的浓度势能阻碍K+外流的电场力 K+的净外流为零,动作电位(AP),定义： 指膜受剌激时，在静息电位基础上产生的扩布性电位变化。 波形： 如图，膜两侧电位的快速倒转和复原：先快速去极化，后复极化 峰电位：短促而尖锐的脉冲样变化 意义：是细胞兴奋的标志,特点：全或无 只有外加刺激达到一定强度时，动作电位才能出现 在同一细胞上的动作电位的大小不随刺激强度而改变，传导距离而改变,生物电产生的机制（离子学说）,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,A-,A-,A-,A-,A-,A-,A-,A-,A-,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,Cl_,A-,A-,细胞膜内外离子分布的浓度差异,为了保持细胞的兴奋性，维持膜内外钠离子和钾离子的浓度差异，细胞膜上的钠钾泵，可以把钠离子运出膜外，而把钾离子运回膜内。这种转运过程是逆浓度差进行的，需要消耗能量。,AP的形成机理,除极相(上升支)： 剌激 钠通道开放 (通透性 ) - 电-化梯度-Na+内流 膜除极 - 电-化学平衡 钠平衡电位(超射) 复极相(下降支)： 钠通道很快失活Na+通透性迅速 k+通道激活和k+外流 膜内电位向负 值恢复达到原先静息水平。 后电位，负后电位，正后电位,小结： 神经动作电位的除极是Na+内流, 复极是k+外流; 锋电位是动作电位的主要成分。 复极完毕后，膜钠泵活动, 以恢复两侧离子浓度，但不致改变膜两侧的电位差。,三、阈电位和局部兴奋,（1）阈刺激是产生Ap的必须条件,可兴奋组织（Rp） 阈电位 Ap,（2）阈强度为衡量组织兴奋性高低的指标，与兴奋 性大小成反比。,（3）阈电位：,膜去极化到一临界值，Na+ 通道爆发 性开放产生Ap，此膜电位称阈电位。,（4）局部电位及其特性 阈下刺激虽不能引起AP，但可引起膜电位有所变化。 阈下刺激少量Na+内流产生低于阈电位的去极化局部反应. 局部反应（电位）：阈下电流刺激时产生的电紧张电位和由膜自身产生的电活动（部分Na+通道开放）叠加在一起的膜去极化电位。,特性： a、等级性：其去极化幅度大小与阈下刺激大小呈 正比非“全或无”现象。 b、衰减性：其去极化幅度随传布距离而叫电 紧张性扩布（electrotonic propagation） c、总和现象 空间（spatial summation）：在同一细胞的不 同 部位阈下刺激引起的局部电位可叠加在一起。 时间（temporal summation）：在同一细胞上先后 的刺激引起的局部电位也可叠加在一起。 d、无不应期 总和或叠加后的局部电位若阈电位，则产生AP。,四、兴奋过程中兴奋性的变化,绝对不应期( absolute refractory period) 大多数钠通道失活 可兴奋组织在经历由刺激引起的时间内，不能接受新的刺激。 相对不应期(relative refractory period) 一些钠通道开始恢复 比阈刺激大的刺激，才能引起新的兴奋。 超常期( superanormal period) 膜电位接近阈电位兴奋性高于正常比阈刺激小的刺激，就能引起新的兴奋。 低常期(subnormal period) 膜电位远离阈电位兴奋性低于正常,电压箝技术,将膜电位固定在一个特定的水平，记录膜电流的变化； 观察膜电导的指标/计算膜电导；,Theory-与电压钳基本相同； trait-钳制和记录的仅仅是微吸管电极尖端下所限定的面积只有几平方微米的一片膜； 高阻抗封接； Func-可记录到单个离子通道电流； Sig-证实离子通道的存在和活动特性；,膜片箝技术,五、兴奋在同一细胞上的传导 神经冲动的传导（局部电流学说）,两种神经纤维传导的特点,有髓神经纤维：跳跃式，故速度快。,无髓神经纤维：无髓鞘和郎飞结，故其传导为非跳跃式，速度慢。,一、直接通讯,二、间接通讯,第三节 细胞通讯,神经肌接头超微结构图,神经肌接头超微结构图,神经末梢AP到来,轴突末梢去极化，膜上Ca+通道开放,Ca+内流,Ca+启动突触小泡出胞，ACh释放,ACh经间隙扩散,ACh与终板膜上ACh受体结合,终板膜上化学门控通道开放，对Na+、K+的（尤其是Na+）透性增加,Na+内流，K+外流,终板膜去极化，终板电位总和,肌细胞产生AP,邻近肌细胞去极化达阈电位,三、细胞的信号转导,外界信号作用于细胞膜表面，膜结构中一种或多种特殊蛋白质分子发生变构，外环境变化的信息以新的信号形式传导到膜内，引发靶细胞相应的功能改变，如电反应。,信号转导（signal transduction）,外界刺激信号细胞膜中的蛋白质膜内反应 信号物质：激素、神经递质、细胞因子等； 根据作用方式进行分类： 疏水性的：类固醇激素、维生素D、甲状腺激素；扩散透过胞膜，与胞内受体结合，发挥作用； 亲水性的：作用于胞膜表面的蛋白质，通过级联反应，信号转导，产生生物学效应。,分类,膜表面受体主要有三类： 离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）； G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor）； 酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）,1、离子通道跨膜信号传递,1、定义： 物质可以通过细胞膜上的通道蛋白质可实现转运过程，从而实现细胞之间、细胞与外界刺激信号之间的信号传递。,通道类型,配体闸门通道：闸门的开关受化学物质调节。 如乙酰胆碱通道。 电压闸门通道：闸门的开关受膜电压的控制。 如Na+ 、K+ 、Ca2+ 通道等。 机械力闸门通道：闸门的开关受机械力的牵张控制。,（1）化学门控通道,定义：只有某种化学信号出现时，通道才会与之特异性结合，再打开。然后出现相应离子的易化扩散，从而完成信号的跨膜传递。 实例：ACh（乙酰胆碱） N型Ach受体 N型通道,（2）电压门控通道 定义： 外界刺激信号为电压变化，引起膜电位的改变，使通道开放，造成离子流动或其他胞内功能的改变。 实例： 神经和肌细胞膜上的Ca 2+通道-动作电位 *主要与动作电位的形成有关 *Na + ，K + ， Ca 2+通道,（3）机械门控通道 定义： 外界的机械性信号，直接激活膜中的机械门控通道，引起细胞跨膜电位的变化。 实例： 内耳毛细胞顶部的听毛受到切向力作用时，会发生短暂的感受器电位。,神经肌接头超微结构图,神经末梢AP到来,轴突末梢膜上Ca+通道开放,Ca+内流,Ca+启动突触小泡出胞，ACh释放,ACh经间隙扩散,ACh与终板膜上ACh受体结合,终板膜上化学门控通道开放，对Na+、K+的（尤其是Na+）透性增加,Na+内流，K+外流,终板膜去极化，终板电位总和,肌细胞产生AP,邻近肌细胞去极化达阈电位,2、 G蛋白耦联受体介导的信号转导,（一）定义： 化学信息物质与胞膜上的特异性受体结合，激活膜内的G-蛋白，然后激活或抑制膜内的效应器蛋白，引起信使的生产增加或减少，蛋白激酶的活性改变，影响胞内功能，最终调节细胞内的功能。 （二）组成： 受体蛋白：又名G-蛋白耦联受体 1、作用：与外界化学信号作特异性结合。 2、 结构：7次跨膜受体 3、name-促代谢型受体； 4、eg-肾上腺素能受体、乙酰胆碱受体、5-羟色胺受体、嗅觉受体、视紫红质以及多数肽类激素的受体等；,* G蛋白,1、结构：三个亚单位， 2、分类：激活型蛋白- 亚单位结合GTP 失活型蛋白- 亚单位结合GDP 3、how- 当外信号与受体结合后，受体便与G蛋白的亚单位结合，失活型G蛋白发生构象变化， 变成激活型G蛋白；同时， 亚单位与-亚单位分离，与活化受体分离， -亚单位和亚单位- GTP两部分均进一步激活膜的效应器蛋白。亚单位具有GTP酶活性，可将GTP水解生成GDP，并与GDP和-亚单位相继结合，形成失活型G蛋白，终止信号转导。 4、func-分子开关；,第二信使,What-信号分子作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子； 环一磷酸腺苷(cAMP) 三磷酸肌醇(IP3) 二酰甘油(DG) 环一磷酸鸟苷(cGMP) 钙离子 Func-调节靶蛋白（蛋白激酶和离子通道）构象变化为基础的级联反应和细胞功能改变。,* 膜的效应器酶,Func-其激活或抑制，引起胞浆中信使的生成增加或减少； Eg-腺苷酸环化酶(AC)，-环一磷酸腺苷(cAMP) 磷脂酶C(PLC)，-磷酸磷脂酰肌醇 磷脂酶A2(PLA2)， 鸟苷酸环化酶(GC)，-环一磷酸鸟苷(cGMP) cGMP磷酸二酯酶(PDE)；,（一）cAMP信号通路,细胞外信号与相应受体结合， 调节腺苷酸环化酶活性， 通过第二信使cAMP水平的变化， 将细胞外信号转变为细胞内信号；,组分,.激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）； .活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）； . 腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase，AC）：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。 . 蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。,激素G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录,Adenylyl cyclase signal transduction pathway,不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同， 在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原的合成，促进葡萄糖生成。 在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMP response element ）是DNA上的调节区域。,Reaction- 4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）； Process-胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），导致，IP3和DG为两个第二信使；胞外信号转换为胞内信号； Where-质膜上； Name- “双信使系统”（double messenger system）,（二）磷脂酶C途径,IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。 DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中； 当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化（图8-22），PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化； 不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。,靶蛋白 磷酸化,Phospholipase C signal transduction pathway,（三）其它,1化学感受器中的G蛋白 气味分子与化学感受器中的G蛋白耦联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶（AC），产生环一磷酸腺苷(cAMP)，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。,2视觉感受器中的G蛋白,黑暗条件下，视杆细胞(或视锥细胞)中环一磷酸鸟苷（ cGMP ）浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。 视紫红质（rhodopsin, Rh）为7次跨膜蛋白，含一个11顺-视黄醛。是视觉感受器中的G蛋白耦联型受体，光照使Rh视黄醛的构象变为反式，Rh分解为视黄醛和视蛋白（opsin），构象改变的视蛋白激活G蛋白（transducin, Gt），G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶，将细胞中的cGMP水解。从而关闭钠通道，引起细胞超极化，产生视觉。可见胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用。,视觉感受器的换能反应,光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na+离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应,3、酶耦联受体介导的信号转导,过程：化学信号与受体在膜外侧肽链结合，受体在膜内侧肽段的蛋白激酶被激活，肽链自身和靶蛋白质的酪氨酸残基磷酸化，引发细胞内效应。 主体：肽类激素（胰岛素、细胞因子）,分类,本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体； 本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。 Trait-通常为单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。 已知六类：受体酪氨酸激酶、酪氨酸激酶连接的受体、受体酪氨酸磷脂酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体鸟苷酸环化酶、组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。,1）、酪氨酸激酶,分类： 受体酪氨酸激酶，为单次跨膜蛋白，在脊椎动物中已发现50余种； 胞质酪氨酸激酶，如Src家族、Tec家族、ZAP70、家族、JAK家族等； 核内酪氨酸激酶如Abl和Wee。,受体酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）,胞外区是结合配体结构域， 配体是可溶性或膜结合的多