细胞的基本功能

第二章细胞的基本功能 第一节细胞的跨膜物质转运功能 第三节细胞的跨膜电变化 第四节肌细胞的收缩功能 第二节细胞的跨膜信号转导功能 第一节细胞膜的结构和物质转运功能 掌握内容细胞膜的物质转运功能单纯扩散易化扩散主动 继发 转运入胞和出胞作用 第一节细胞膜的结构和物质转运功能一 化学组成和分子结构 一 脂质双分子层 脂质双分子层基架 稳定性和流动性 主要由磷脂 胆固醇和少量糖脂 二 蛋白质 镶嵌或贯穿于脂质双分子层中 有多功能 细胞膜及细细胞口器的膜具有相同的化学组成和结构 都由脂质 蛋白质和少量糖组成 如红细胞由52 的蛋白质 40 的脂质和8 的糖构成 液态镶嵌模型 1972年由Singer和Nicholson提出 有些作为抗原决定族 免疫信息 血型 三 糖类多为短糖链 与膜脂质或蛋白质结合 形成糖脂或糖蛋白 有些作为膜受体的 可识别 部分 特异地与激素递质等结合 影响细胞膜流动性的因素 膜脂质的熔点较低 在正常体温下呈液态 故膜具有流动性 细胞的许多功能 如入胞 出胞 细胞运动 分裂等都与膜的流动性相关 1 胆固醇的含量 在膜中 胆固醇分子与磷脂分子平行排列 起 流动阻尼器 的功能 2 脂肪酸碳链的长度和饱和程度 脂肪酸碳链较短 饱和度低 则膜的流动性大 反之 流动性小 3 膜蛋白的含量 膜蛋白的数量越多 膜的流动性就越低 二 细胞膜的跨膜物质转运功能 被动转运 主动转运 物质顺电位或化学梯度的转运过程 物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程 一 被动转运 passivetransport 概念物质顺电位或化学梯度的转运过程 特点1 不耗能2 依靠或不依靠特殊膜蛋白质的 帮助 3 顺电 化学梯度分类1 单纯扩散2 易化扩散 1 单纯扩散 simplediffusion 1 概念脂溶性高的物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程 CO2 i CO2 o O2 o O2 i 2 特点 扩散速率高 无饱和性 不依靠特殊膜蛋白质的 帮助 不需消耗能量 扩散量与浓度梯度 温度和膜通透性呈正相关 用扩散通量 molormol数 min cm2 表示 3 转运的物质O2 CO2 NH3 N2 尿素 乙醚 乙醇 类固醇类激素等少数几种 2 易化扩散 facilitateddiffusion 1 概念非脂溶性或脂溶解度小的物质 在膜蛋白质的 帮助 下 由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程 2 分类 经通道的易化扩散 经载体的易化扩散 1 经通道的易化扩散 转运的物质 各种带电离子 K i K o Na o Na i 2 经载体的易化扩散 转运的物质 葡萄糖 GL 氨基酸 AA 等小分子亲水物质 3 特点 需依靠特殊膜蛋白质的 帮助 不需另外消耗能量 选择性 特殊膜蛋白质本身有结构特异性 饱和性 结合位点是有限的 竟争性 经同一特殊膜蛋白质转运 浓度和电压依从性 特殊膜蛋白质的变构是有条件的 如化学门控通道 电压门控通道 概念指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程 入胞和出胞式转运 继发性主动转运 简称 联合转运 原发性主动转运 简称 泵转运 如 Na K 泵 Ca2 Mg2 泵 H K 泵等 二 主动转运 activetransport 分类 特点 需要消耗能量 能量由分解ATP来提供 依靠特殊膜蛋白质 泵 的 帮助 是逆电 化学梯度进行的 泵转运 Na K 泵Na K 泵又称Na K ATPase 简称钠泵 当 Na i K o 时 都被激活 ATP分解产生能量 将胞内3个Na 移至胞外和将胞外2个K 移入胞内 通道转运与钠 钾泵转运模式图 2 继发性主动转运概念间接利用ATP能量的主动转运过程 即物质逆浓度或逆电位梯度转运时 能量非直接来自ATP的分解 是来自膜两侧 Na 差 而 Na 差是Na K 泵分解ATP释放的能量建立的 分类 同向转运 逆向转运 2013年诺贝尔生理学或医学奖在瑞典卡罗琳医学院揭晓 获奖者为三人 他们分别是 美国科学家詹姆斯 罗思曼 兰迪 谢克曼以及德国科学家托马斯 祖德霍夫获奖项目 细胞运输系统的膜融合 3 入胞和出胞式转运 出胞指细胞把成块的内容物由细胞内排出的过程 主要见细胞分泌过程 激素 神经递质 消化液的分泌 指细胞外大分子物质或团块进入细胞的过程 分为吞噬 转运固体物质 吞饮 转运液体物质 入胞 分泌物排出 融合处出现裂口 囊泡向质膜内侧移动 分泌囊泡 高尔基复合体 蛋白性分泌物 出胞 囊泡膜与质膜融合 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 2013诺贝尔医学奖得主 细胞内囊泡交通运行与调节机制 细胞运输系统的膜融合 詹姆斯 E 罗斯曼JamesE Rothman 1947年出生 66岁 耶鲁大学细胞生物学系系主任 纪念FergusF Wallace生物医学教授 曾获多种荣誉 包括哥伦比亚大学的露依莎 格罗斯 霍维茨奖 拉斯克奖基础医学奖 2002年 费萨尔国王奖 兰迪 W 谢克曼RandyW Schekman 1948年出生 65岁 加州大学伯克利分校细胞生物学家 曾任 美国国家科学院院刊 主编 1992年当选美国国家科学院院士 2002年与詹姆斯 罗思曼因对细胞膜传输的研究获拉斯克基础医学奖 托马斯 C 苏德霍夫 1955年出生 58岁 德国生物化学家 以研究突触传递知名 自1986年以来聚德霍夫博士的研究已经阐明了许多主要的蛋白介导突触前功能 2013年和理查德 舍勒分享了拉斯克基础医学奖 詹姆斯 E 罗斯曼的工作 詹姆斯 E 罗斯曼则发现了让这些囊泡得以与其目标相融合的蛋白质机制 从而可以实现对所运 货物 的传递 詹姆斯 E 罗斯曼 JamesE Rothman 耶鲁大学细胞生物学系系主任 FergusF Wallace名誉生物医学教授 他曾获得多种荣誉 包括哥伦比亚大学的露依莎 格罗斯 霍维茨奖 拉斯克奖基础医学奖 2002年 费萨尔国王奖 他在耶鲁大学取得硕士学位 在哈佛获博士学位 2013年获诺贝尔生理学或医学奖 兰迪 W 谢克曼的工作 兰迪 W 谢克曼发现了一系列与细胞囊泡输运机制有关的基因 托马斯 C 苏德霍夫工作 托马斯 C 苏德霍夫则揭示了信号是如何实现对囊泡的控制 使其得以精确分配其所载 货物 细胞内囊泡交通的运行与调节机制 生物体内每一个细胞都是一个生产和运输分子的工厂 比如 胰岛素在这里被制造出来并释放进入血液当中 以及神经传递素从一个神经细胞传导至另一个细胞 这些分子在细胞内都是以 小包 的形式传递的 即细胞囊泡 这三位获奖科学家发现了这些 小包 是如何被在正确的时间输运至正确地点的分子机制 工作的意义 在这项发现过程中 三位科学家 罗斯曼 谢克曼和苏德霍夫揭示了细胞内输运体系的精细结构和控制机制 这一系统的失稳将导致有害结果 如神经系统疾病 糖尿病或免疫系统紊乱 囊泡运输之一 囊泡运输之二 囊泡运输之三 囊泡运输之四 第二节细胞的信号转导 细胞的跨膜信号转导通道蛋白完成的跨膜信号转导化学门控 电压门控 机械门控 蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜信号转导酪氨酸激酶受体完成的跨膜信号转导 掌握内容 细胞间传递信息的物质多达几百种 如递质 激素 细胞因子等 主要涉及到 胞外信号的识别与结合 信号转导 胞内效应等三个环节 跨膜信号转导方式大体有以下三类 离子通道型受体介导的信号转导 酶联型受体介导的信号转导 G蛋白偶联受体介导的信号转导 第二节细胞的信号转导 一 离子通道型受体介导的信号转导离子通道大体有 化学 电压 机械性门控通道 化学性胞外信号 ACh ACh 受体 复合体 终板膜变构 离子通道开放 Na 内流 终板膜电位 骨骼肌收缩 二 G蛋白偶联受体介导的信号转导 一 cAMP信号通路 神经递质 激素等 兴奋性G蛋白 GS 激活腺苷酸环化酶 AC ATP cAMP 细胞内生物效应 激活蛋白激酶A 结合G蛋白偶联受体 激活G蛋白 二 磷脂酰肌醇信号通路 激素 第一信使 兴奋性G蛋白 GS 激活磷脂酶C PLC PIP2 第二信使 IP3和DG 激活蛋白激酶C 内质网释放Ca2 激活G蛋白 生物效应 结合G蛋白偶联受体 三 酶联型受体介导的信号转导酪氨酸激酶受体和酪氨酸激酶结合型受体 生长因子 与受体酪氨酸激酶结合 细胞内生物效应 特点 信号转导与G蛋白无关 无第二信使的产生 无细胞质中蛋白激酶的激活 受体酪氨酸激酶介导的信号转导图示 1 细胞间通讯有哪些方式 各种方式之间有何不同 2 通过细胞表面受体介导的跨膜信号转导有哪几种方式 比较各种方式之间的异同 3 试述细胞信号转导的基本特征 4 试比较G蛋白偶联受体介导的几种信号通路之间的异同 5 概述受体酪氨酸介酶介导的信号通路的组成 特点及其主要功能 复习思考题 第三节细胞的电活动 掌握内容细胞的兴奋性和生物电静息电位和动作电位及其产生的机制兴奋的引起 阀值 局部电位 阀电位和峰电位兴奋在同一细胞上的传导机制 概述恩格斯在100 多年前就指出 地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变化 人体及生物体活细胞在安静和活动时都存在电活动 这种电活动称为生物电现象 bioelectricity 细胞生物电现象是普遍存在的 临床上广泛应用的心电图 脑电图 肌电图及视网膜电图等就是这些不同器官和组织活动时生物电变化的表现 第三节细胞的电活动 一 细胞的生物电现象 静息电位 细胞处于相对安静状态时 细胞膜内外存在的恒定电位差 2 RP实验现象 一 静息电位 restingpotential RP 1 概念细胞处于相对安静状态时 细胞膜内外存在的电位差 2 实验现象 3 证明RP的实验 甲 当A B电极都位于细胞膜外 无电位改变 证明膜外无电位差 乙 当A电极位于细胞膜外 B电极插入膜内时 有电位改变 证明膜内 外间有电位差 丙 当A B电极都位于细胞膜内 无电位改变 证明膜内无电位差 4 与RP相关的概念 静息电位 细胞处于相对安静状态时 细胞膜内外存在的电位差 膜电位 因电位差存在于膜的两侧所以又称为膜电位 membranepotential RP值 哺乳动物神经 骨骼肌和心肌细胞为 70 90mV 红细胞约为 10mV左右 RP值描述 RP 膜内负电位 70 90mV 超极化RP 膜内负电位 70 50mV 去极化 1 概念可兴奋细胞受到刺激 膜在RP基础上发生一次短暂的 可逆的 可扩布的电位波动 二 动作电位 actionpotential AP 去极化 上升支 下降支 3 动作电位的图形 刺激 局部电位 阈电位 去极化 零电位 反极化 超射 复极化 负 正 后电位 4 AP的特征 1 不衰减传导 2 全或无 现象 3 脉冲式 5 AP的意义AP是细胞兴奋的客观标志 6 与AP相关的概念极化 膜外正内负的状态去极化 膜内外电位差向小于RP值的方向变化超极化 膜内外电位差向大于RP值的方向变化复极化 去极化后再向极化状态恢复的过程反极化 由极化状态变为内正外负的极性反转过程阈电位 引发AP的临界膜电位数值局部电位 低于阈电位的去极化电位后电位 锋电位下降支最后恢复到RP水平以前 一种时间较长 波动较小的电位变化过程负后电位 去极化后电位正后电位 超去极化后电位 二 生物电现象的产生机制 一 化学现象 两个条件 膜两侧的离子分布不均 存在浓度差 对离子有选择性通透的膜 K 差是促使K 扩散的动力 电位差是K 继续扩散的阻力 当动力和阻力达到动态平衡时 K 的净扩散通量为零 平衡电位 通透膜 选择性通透膜 1 静息状态下细胞膜内 外离子分布不匀 Na i Na o 1 10 K i K o 30 1 Cl i Cl o 1 14 A i A o 4 1 二 静息电位的产生机制 1 RP的产生条件 主要离子分布 膜内 膜外 2 静息状态下膜对离子有选择性通透性通透性 K Cl Na A 静息状态下细胞膜内外主要离子分布及膜对离子通透性 2 RP产生机制的膜学说静息状态下 细胞膜内外离子分布不均 细胞膜对离子的通透具有选择性 K Cl Na A K i顺浓度差向膜外扩散 A i不能向膜外扩散 K i A i 膜内电位 负电场 K o 膜内电位 正电场 膜外为正 膜内为负的极化状态 当扩散动力与阻力达到动态平衡时 RP 结论 RP的产生主要是K 向膜外扩散的结果 证明 Nernst公式的计算EK RT ZF ln K O K i 59 5log K O K i算出ENa 因K 通透性大于Na 近100倍 Hodgkin和Katz的实验在枪贼巨大神经纤维测得RP值为 77mv 与Nernst公式的计算值 87mv 基本符合 改变 K O K i RP也发生相应改变 轴突管内置换等张NaCl RP消失 即 K i RP 三 动作电位的产生机制 1 AP产生的基本条件 1 膜内外存在 Na 差 Na i Na O 1 10 2 膜受到阈刺激时 对离子通透性增加 即电压门控性Na K 通道激活而开放 三 动作电位的产生机制 2 AP的产生机制 AP上升支 AP下降支 刺激 膜上少量Na 通道开放 Na 顺浓度差少量内流 局部电位 阈电位 Na 通道大量开放 再生式内流 Na i K O 激活Na K 泵 2 AP的产生机制 AP上升支 Na 内流停 同时K 通道激活 K 迅速外流 AP下降支 离子恢复到兴奋前水平 结论 AP上升支由Na 内流形成 下降支是K 外流形成 后电位与Na K 泵活动有关 AP Na 的平衡电位 Nernst公式的计算AP达到的超射值相当于计算所得的ENa值 应用Na 通道阻断剂河豚毒后 内向电流全部消失 AP消失 证明 几点说明1 刺激 1 在细胞膜内施加负相电流 或膜外施加正相电流 刺激时 会引起超极化 不会引发AP 相反 会引起去极化 引发AP 2 刺激 阈刺激 阈上刺激 阈下刺激 前二者能使膜电位去极化达到阈电位引发AP 后者只能引起局部电位 2 阈电位 指激活电压门控性Na 通道的临界值当膜电位达到阈电位后 导致Na 通道开放与Na 内流之间出现再生性循环 三 细胞兴奋后兴奋性的变化 一 有关概念兴奋性 活组织或细胞对外界刺激发生反应的能力 或活组织或细胞对外界刺激产生AP的能力 兴奋 组织受刺激后由静息 活动或由活动弱 强的过程 抑制 组织受刺激后由活动 静息或由活动强 弱的过程 刺激 引起细胞或组织发生反应的所有内 外环境的变化 二 细胞兴奋后兴奋性的变化 绝对不应期 无论多强的刺激也不能再次兴奋的期间 相对不应期 大于原先的刺激强度才能再次兴奋期间 超常期 小于原先的刺激强度便能再次兴奋的期间 低常期 大于原先的刺激强度才能再次兴奋的期间 组织兴奋后兴奋性变化的对应关系 分期兴奋性与AP对应关系机制绝对不应期降至零锋电位钠通道失活相对不应期渐恢复负后电位前期钠通道部分恢复超常期 正常负后电位后期钠通道大部恢复低常期 正常正后电位膜内电位呈超极化 四 局部兴奋 概念阈下刺激引起的低于阈电位的去极化 即局部电位 称局部反应或局部兴奋 特点 不具有 全或无 现象 其幅值可随刺激强度的增加而增大 电紧张方式扩布 其幅值随着传播距离的增加而减小 具有总和效应 时间性和空间性总和 时间性总和 空间性总和 五 兴奋在同一细胞上的传导 郎飞氏结 髓鞘 轴膜 轴浆 五 兴奋在同一细胞上的传导 一 传导机制 局部电流 无髓鞘N纤维的兴奋传导 近距离局部电流有髓鞘N纤维的兴奋传导 远距离局部电流 跳跃式 二 传导方式 三 传导特点 1 生理完整性 2 双向性 3 相对不疲劳性 4 绝缘性 5 不衰减性或 全或无 现象 复习思考题1 静息电位产生的原理是什么 如何证明 2 动作电位是怎么发生的 如何证明动作电位是钠的平衡电位 3 发生兴奋过程中 如何证明有兴奋性的变化 为什么会发生这些变化 4 兴奋是如何传导的 影响传导速度的因素有哪些 5 试比较局部电位和动作电位的区别 6 刺激引起神经兴奋的内因和外因是什么 7 绝对不应期是否指潜伏期 潜伏期是否等于引起兴奋所需的最短刺激作用时间 8 神经干上某点发生兴奋后 除向前传导外 能否逆传 为什么 9 试比较改变刺激强度 单一神经纤维与神经干的动作电位变化 为什么 10 血K 浓度对兴奋性 RP和AP有何影响 第四节肌细胞的收缩功能 骨骼肌的收缩功能神经 骨骼肌接头处的兴奋传递骨骼肌的兴奋 收缩耦联前 后负荷对肌肉收缩的影响 掌握内容 第四节肌细胞的收缩功能 一 肌细胞的收缩功能 一 N M接头处的兴奋传递 第四节肌细胞的收缩功能 1 N M接头的结构 接头间隙 约50 60nm 接头后膜 又称终板膜 含ACh受体 N2受体 与ACh发生特异性结合 无电压性门控性钠通道 接头前膜 囊泡内含ACh 第四节肌细胞的收缩功能 2 N M接头处的兴奋传递过程 AP传到轴突末稍 膜Ca2 通道开放 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ACh门控通道结合 膜对Na K 尤其是Na 通透性 终板膜去极化 终板电位 EPP EPP电紧张性扩布至肌膜 去极化达到阈电位 爆发肌细胞膜AP 3 N M接头处的兴奋传递特征 1 电 化学 电的过程N末梢AP ACh 受体 EPP 肌膜AP 2 1对1的关系 接头前膜一个AP 能引起肌细胞兴奋和收缩一次 每次ACh释放量 产生EPP是引起肌膜AP所需阈值3 4倍 神经末梢的一次AP只能引起一次肌细胞兴奋和收缩 终板膜含丰富的胆碱酯酶 能迅速水解ACh 4 影响N M接头处兴奋传递的因素 1 阻断ACh受体箭毒 银环蛇毒 肌松剂 2 抑制胆碱酯酶活性有机磷 新斯的明 3 自身免疫性疾病重症肌无力 抗体破坏ACh受体 肌无力综合征 抗体破坏N末梢Ca2 通道 4 接头前膜ACh释放 肉毒杆菌中毒 5 EPP的特征无 全或无 现象 无不应期 有总和现象 大小与ACh释放量呈正比 二 骨骼肌细胞的结构 二 骨骼肌细胞的结构 是肌细胞收缩的基本结构和功能单位 1 肌管系统横管系统 T管 纵管系统 L管 三联管 T管 终池 2 2 肌小节 3 肌原纤维粗肌丝由肌球或称肌凝蛋白组成 头部一膨大部横桥 1 能与细肌丝上结合位点可逆性结合 2 具有ATP酶作用 与结合位点结合后 分解ATP提供横桥扭动 肌丝滑行 和作功的能量 横桥 3 肌原纤维 细肌丝肌动蛋白 有与横桥结合位点 静息时被原肌球蛋白掩盖 原肌球蛋白 静息时掩盖横桥结合位点 肌钙蛋白 与Ca2 结合变构后 使原肌球蛋白位移 暴露出结合位点 1 兴奋 收缩耦联2 肌丝滑行 三 骨骼肌收缩机制 1 兴奋 收缩耦联 三个主要步骤 1 肌膜电兴奋的传导 2 三联管处的信息传递 3 肌浆网释放Ca2 Ca2 是兴奋 收缩耦联的耦联物 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 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 2 肌丝滑行 肌肉舒张 肌肉收缩 肌质网的终末池 细肌丝 粗肌丝 肌质网 横桥Z线 生物电冲动 肌膜 肌质 肌质网的终末池 横管 T管 生物电冲动从运动终板 神经 肌接头 传来 并沿着肌细胞膜 肌膜 传到横管 然后沿横管影响肌质网 使钙离子流出而引起收缩 这种收缩是由横桥的 划船 样动作使粗肌丝和细肌丝之间发生滑行而形成的 肌丝滑行几点说明1 肌细胞收缩时肌原纤维缩短 并不是肌丝本身缩短 而是细肌丝向肌节中央 粗肌丝内 滑行 2 横桥的循环摆动 细肌丝向肌节中央 粗肌丝内 滑行 滑行中由于肌肉的负荷而受阻 便产生张力 3 横桥的循环摆动在肌肉中是非同步地 从而肌肉产生恒定的张力和连续的缩短 4 横桥循环摆动的参入数目及摆动速率 是决定肌肉缩短程度 速度和肌张力的关键因素 四 骨骼肌舒张机制 兴奋 收缩耦联后 肌膜电位复极化 终池膜对Ca2 通透性 肌浆网膜Ca2 泵激活 肌浆网膜 Ca2 Ca2 与肌钙蛋白解离 原肌凝蛋白复盖的横桥结合位点 骨骼肌舒张 二 骨骼肌收缩的形式 一 收缩形式1 单收缩与复合收缩 单收缩肌肉受到一次刺激 引起一次收缩和舒张的过程 复合收缩肌肉受到连续刺激 前一次收缩和舒张尚未结束 新的收缩在此基础上出现的过程 不完全强直收缩新刺激落在前一次收缩的舒张期 所出现强而持久的收缩过程称之 完全强直收缩新刺激落在前一次收缩的缩短期 所出现强而持久的收缩过程称之 2 等长收缩与等张收缩 等长收缩收缩时 只有张力增加而长度不变的收缩 称为等长收缩 isometriccontraction 等张收缩收缩时 只有长度缩短而张力不变的收缩 称为等张收缩 isotoniccontraction 注等长收缩和等张收缩与肌肉收缩时所遇的负荷大小有关 负荷小于肌张力时 出现等张收缩 负荷等于或大于肌张力时 出现等长收缩 正常人体骨骼