细胞的基本功能

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,第一节 细胞膜的物质转运功能,细胞膜特性 是一种选择透过性膜。这种膜可以让水分子自由通过，细胞要选择吸收的离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。,物质跨膜运输 沟通了细胞内外的联系 保证了细胞代谢等生命活动中的物质交换 沟通了细胞内各细胞器间的功能联系 是生物膜的能量转换/信息传递等功能的基础,一、细胞膜,细胞膜（cell membrane）单位膜(unit membrane) 质膜(plasma membrane)内膜系统(endomembrane system)生物膜(biological membrane),（一）膜的化学组成和分子结构 组 成 -脂质，蛋白质，糖类,膜脂 (membrane lipid),脂质双分子层：屏障作用保持细胞内容物的相对稳定,磷脂结构示意图,膜蛋白 球蛋白类，是膜功能的体现者嵌入蛋白(mosaic protein) 又称内在蛋白或整合蛋白(integral protein) ：跨膜结合/ 具-螺旋结构形式 1次或多次贯穿脂双层表在蛋白(peripheral protein):结合在膜表面的膜蛋白功能: 膜通道蛋白，载体蛋白，酶 细胞内外物质、能量、信息交换,膜糖类 少量的寡糖和多糖链，糖脂或糖蛋白，主要分布在质膜外表面 细胞间的识别、信息交换、细胞免疫、细胞粘着以及对药物和激素的反应,被动转运 单纯扩散 易化扩散跨膜转运方式 原发性主动转运 主动转运 继发性主动转运 入胞、出胞,（passive transport）,（active transport ）,endocytosis,分类：,概念：脂溶性物质顺浓度差通过细胞膜的过程。转运物质：气体（O2，N2 ,CO2，尿素 ） 、激素 影响因素：膜两侧分子的浓度 差， 膜对物质的通透性 ,扩散面积,单纯扩散 (simple diffusion),概念:由膜蛋白介导或协助，从一侧运输到另一侧和特定的内在性膜蛋白的功能活动联系 和代谢能量无关影响因素: 膜两侧物质浓度差和电位差; 膜上载体的数量或通道开放的数量；选择性,易化扩散（facilitated diffusion）,概念：不溶于或难溶于脂质的物质在跨膜蛋白帮助下顺浓度差通过细胞膜的过程。转运物质：转运Glu、AA等,由载体蛋白分子介导的易化扩散（facilitated diffusion via carrier）,由载体蛋白分子介导的易化扩散（facilitated diffusion via carrier）,特点: 顺浓度梯度立体构象特异性(stereospecificity)饱和现象（saturation）竞争抑制(competitive inhibition),由载体蛋白分子介导的易化扩散（facilitated diffusion via carrier）,由 通道蛋白介导的易化扩散,概念：细胞内、外液中Na+、K+、Ca2+、Cl-等带电离子不能自由通过细胞膜的脂质双分子层，而需要借助于细胞膜上特殊的通道蛋白的帮助才能实现跨膜扩散。,通道蛋白（离子通道，ion channel) 特点：,（1） 选择性 Na+通道，K+通道，Cl-通道, Ca2 +通道（2）门控性 化学门控：膜外侧化学信号控制 电压门控：膜两侧电位差控制 机械门控通道:膜两侧机械牵拉力（3）开放和关闭的快速性（4）离子流的快速性,电压门控性通道,N型Ach阳离子通道,水通道（water channel)细胞膜上存在水孔蛋白aquaporin，因此，水分子除以单纯扩散方式通过膜，还可经water channel 进行跨膜流动。目前已克隆和鉴定的aquaporin有10种，分布在不同的组织中。,主动转运,概念：非脂溶性的物质或离子在膜蛋白帮助下逆电-化学差通过细胞膜的过程。,主动转运,原发主动转运（primary active transport）,继发主动转运(secondary active transport),逆电化学梯度 耗能,特征,转运的后果,钠-钾泵(sodium-potassium pump)钠泵(sodium pump)Na+K+ ATP酶(Na+K+ ATPase),原发主动转运,由细胞膜或内膜上具有ATP酶活性的的特殊泵蛋白，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。,钠泵,钠泵本质：钠-钾依赖式 ATP酶,特殊膜蛋白钠泵激活: 被细胞内钠增加或细胞外 钾增加激活钠泵作用：泵入钾泵出钠，形成并保持膜内高钾膜外高钠的分布钠泵转运量：3钠出、 2钾 入 /ATP,k+o、Na+i ATP酶激活分解ATP Na+ 、k+逆浓度差转运 恢复细胞内外不均衡分布,生理意义：,产生和维持细胞内高K+ 、细胞外高Na+的状态，是细胞产生生物电的基础。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它物质，如葡萄糖、氨基酸逆着浓度梯度进行继发主动转运，以及提供Na+H+交换及Na+Ca2+交换的动力等。,药理意义,心脏病治疗的药物，如洋地黄抑制钠泵,钙泵,分布: 细胞膜、肌浆网（SR）膜、内质 网膜（ER） 。功能：逆浓差将胞浆Ca2+转运至胞 外， 保持细胞内钙稳态。意义：钙泵功能障碍，造成细胞内钙超载 , 是导致细胞损伤的直接原因,继发主动转运,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,同向转运(symporter)；逆向转运（antiport）或交换（exchange）,继发主动转运,特点： 必须是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。 这些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只是间接为这些物质逆浓度梯度的转运供能，因而对这些物质而言是继发主动转运。,条件： 胞膜上存在转运体蛋白,主动转运的特点,1）从浓度低的一侧通过细胞膜向浓度高的一侧转运,2）需要细胞膜上的载体协助,3）需要消耗细胞内新陈代谢所 释放的能量,入胞,入胞（endocytosis）,吞噬（phagocytosis）,吞饮(pinocytosis),受体介导入胞(receptor-mediated endocytosis),细菌、异物的清除，药物、大分子营养物质的吸收,液相内吞（fluid-phaseendocytosis）吸附内吞（absorptionendocytosis）。,摄入直径大于1m的颗粒物质,吞噬,受体介导入胞,出胞（exocytosis）,激素、神经递质、酶的分泌,思考题,1. 细胞膜的跨膜物质转运形式有几种，举例说明之。 2比较单纯扩散和易化扩散的异同点? 3Na+-K+泵活动有何生理意义? 4. 水分子 是如何跨膜转运？,跨膜物质转运方式的比较,第二节 细胞的跨膜信号转导,概念：,外界信号作用于细胞时，通常不进入细胞或直接影响细胞内过程，通过细胞膜特殊蛋白质分子的变构（类固醇激素和甲状腺激素除外），将外界信号转导为新的信号形式传递到膜内，引起细胞功能改变（电反应或其他变化），称为跨膜信号转导（transmembrane signal transduction，TST）,类型：,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,酶耦联受体介导的信号转导,G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号传导,三种类型的特殊蛋白质,受体（receptor）,G蛋白（G protein）,G蛋白效应器分子,7次穿膜的多肽链构成 ；配体特异结合部位（非保守区域） ；G蛋白结合的部位 （非保守区域）,受体：特异识别和结合外来化学信号的功能蛋白,G蛋白耦联的膜受体有 500 个以上， 包括-和-肾上腺素受体，乙酰胆碱 M受体，5-羟色胺受体，腺苷受体， 嗅受体,视紫红质受体和肽类受体等,G蛋白的组成：1亚单位，1单位和1亚单位。 紧密结合在一起。失活的G蛋白GDP-异三聚体形式存在。G蛋白激活：激动剂与受体结合，使G蛋白的与分离，GDP-变为GTP-。G蛋白失活：G蛋白有内在的GTP酶活性，水解GTP, 使GTP-变成GDP-。,G基因有10多种，蛋白分4个家族： Gi，Gs，Gq , G12/13。形成Gi途径，Gs途径，Gq途径, 12/13途径。分别调节代谢酶，离子通道，转录机制，运动、收缩机制，分泌机制和学习记忆胚胎发育。,G蛋白效应器分子,腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase，AC）（cAMP）鸟苷酸环化酶(guanylyl cyclase，GC)(cGMP)磷脂酶C（phospholipase C，PLC）(IP3,DG)磷脂酶A（phospholipase A，PLA）磷酸二脂酶（(phosphodiesterase，PDE）,酶,离子通道,1. 肾上腺素+受体 Gs蛋白 激活腺苷 酸环化酶 ATP cAMP 一些蛋白质磷酸化 PKA 2. 乙酰胆碱+受体 Go蛋白 激活磷脂酶C 磷脂酰肌醇 三磷酸肌醇+二酰甘油 一些蛋白质磷酸化 PKC,通道介导的跨膜信号转导,化学门控通道(chemically-gated ion channel),电压门控通道(voltage-gated ion channel),机械门控通道(mechanically-gated ion channel),化学门控通道(chemically-gated ion channel),N2型Ach受体阳离子通道的分子结构,电压门控通道(voltage-gated ion channel),机械门控通道(mechanically-gated ion channel),酶耦联受体介导的信号转导,酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase receptor)介导的信号转导 结合酪氨酸激酶受体（receptor associated tyrosine kinase）介导的信号转导 鸟苷酸环化酶受体(guanylyl cyclase receptor)介导的信号转导,酪氨酸激酶受体介导的信号转导,膜外氨基端（受体合，20多种RTK被发现），膜内羧基端（激酶结合区，保守），跨膜疏水端,生长激素、催乳素、促红细胞生成素和细胞因子等受体本身不是酪氨酸蛋白激酶，但是，当这些受体激活时，它们与胞内的酪氨酸蛋白激酶形成复合物，引起细胞效应。,结合酪氨酸激酶受体介导的信号转导,鸟苷酸环化酶受体介导的信号转导,心房钠尿肽,药理学应用,激动剂(agonist):大多数化学药物也是通过作用于细胞膜上特异性的受体分子而发挥其药理作用。如果药物与受体结合使之激活，则称这类药物为受体的激动剂拮抗剂(antagonist):药物与受体结合但又不能使之激活，则称这类药物为受体的拮抗剂,讨论思考题,根据物质跨膜转运及细胞跨膜信号转导的特点，哪些环节可能作为药物作用的靶点？,第三节 细胞的生物电现象与兴奋性,生物电现象：心电图、脑电图、肌电图等 生物电的表现形式：静息电位（resting membrane potential，resting potential，RP ） 所有细胞在安静时均存在，不同的细胞其静息电位值不同。动作电位(action potential，AP) 可兴奋细胞受到阈或阈上刺激时产生。局部反应（local response）或局部兴奋（local excitation） 所有细胞受到阈下刺激时产生。,细胞生物电现象,扩散电位（diffusion potential） 膜电位（membrane potential）或跨膜电位 平衡电位（equilibrium potential ,E）,细胞生物电现象的产生机制,跨膜电位的形成必须具备两个基本条件：,1.细胞内、外存在着带电离子的浓度梯度,2.细胞膜对某些带电离子有选择的通透性（permeability）或称电导（conductance）,静息状态下细胞膜对各种离子的通透性不同： 通透性：K+ Cl- Na+ A-,静息状态下细胞膜内、外离子分布不均：,静息电位(resting potential，RP),静息电位(resting potential，RP)形成的机制：,静息时，细胞膜对钾离子通透性高，而对钠离子相对不通透浓度差促进细胞内的钾外流；而钾外流时建立的电位差则阻止K+继续外流当浓度差与电位差各自作用达到相对平衡时， （K+净移动=0）即形成静息电位。接近于K+的平衡电位EK,RP的影响因素,其大小主要受细胞外液中K+浓度的影响其维持的关键因素是钠泵膜对Na+和K+的相对通透性也可影响RP的大小,动作电位的产生机制,动作电位的概念细胞受到刺激时膜电位所经历的快速而可逆的倒转和复原 。,极化（polarization）去极化（depolarization）,超射（overshoot）,超极化（hyperpolarization）,锋电位（spike potential）,复极化（repolarization）,负后电位,正后电位,内向电流：正电荷流入膜内，使膜电位差值减小，引起膜去极化,电位达到阈电位,受到刺激时，刺激达到阈刺激,外向电流：正电荷流出膜外，使膜电位差值增大，引起膜超或复极化,动作电位产生的条件,动作电位的形成过程和机制,阈刺激细胞部分去极化Na+少量内流去极化至阈电位水平Na+内流与去极化形成正反馈（Na+爆发性内流）达到Na+平衡电位（膜内为正膜外为负）形成动作电位上升支。,AP上升支的产生机制,(细胞膜电压门控性Na+通道激活开放，Na+内流),Na+内流的动力：顺电-化学梯度,Na+内流的条件： Na+通道的大量开放,复极的产生,在Na+通道失活的同时，膜的去极化电位会激活膜结构中的K+通道（电压门控式），使之开放，产生K+外流，膜复极化。,K+外流,K+外流的动力：顺电-化学梯度,K+外流的条件：K+通道的大量开放,证 据,使用K+通道的阻断剂四乙胺后，AP的复极相延长，很难下降。,动作电位的形成过程和机制,AP下降支的产生机制,实验证据,ENa计算值 实测的AP超射值膜内、外的Na+浓度之比决定锋电位的高度（人工改变细胞外液的Na+浓度，AP的幅度随之改变）用Na+通道的阻断剂河豚毒处理后，细胞不能再产生AP,负后电位,复极时迅速外流的K+蓄积在膜外侧附近，暂时阻碍了K+的外流，使复极减慢。,正后电位,K+的膜电导高于静息电位水平，外出的正电荷多，膜超极化。,动作电位的形成过程,后电位,细胞受到刺激时,细胞膜上少量Na+通道开放,Na+少量内流膜内外电位差,当膜内电位变化到阈电位时Na大量内流,膜发生去极化和反极化（AP上升支）,达Na+平衡电位Na+通道关 Na+内流停止,K通道开放K外流,膜发生复极化（AP下降支）, Na+i、K+O激活Na+K+泵,Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平,AP的产生机制,膜电导的分子基础钠、钾通道的结构和功能特点,静息态；激活态；失活态；,激活门和失活门,钠通道的结构与功能特点 ： Na+电导的增加是一个电压依赖性的过程，同时又具有时间依赖性。 Na+通道具有激活门和失活门，钠通道 属于快通道，其激活与失活都很快。 静息态；激活态；失活态；钾通道的结构与功能特点 ： 钾通道只有一个闸门，因而只有激活没有失活，并且其激活缓慢,局部反应（local response）或局部兴奋 （local excitation）,概念：去极化的刺激强度不足以使膜去极化达到阈电位，触发动作电位，但仍然可以引起细胞膜发生一定程度的去极化,时间性总和,空间性总和,局部兴奋的特点,不表现“全或无”的特征，反应幅度随刺激强度的增加而增大。 不能进行不衰减传播 总和现象 ： 空间总和(spatial summation) 时间总和(temporal summation),动作电位特征,产生和传播都是“全或无”式的 刺激强度和动作电位幅度无关（阈刺激） 传导过程中不衰减,动作电位的传导,动作电位在同一细胞的传导： 局部电流（local current） 动作电位在不同细胞之间的传导,传导,影响传导的因素,细胞直径的大小：动作电位去极化的幅度： 对于神经纤维而言：,传导,动作电位通过缝隙连接的传导,传导,缝隙连接(gap junction),连接体(connexon),连接子(connexin),动作电位通过神经突触或神经肌接头的传导,传导,Neuromuscular Transmission:Step by Step,Depolarizationof terminalopens Ca channels,K+,Outside,Inside,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,Ca+2 induces fusion ofvesicles with nerveterminal membrane.,ACh is released anddiffuses acrosssynaptic cleft.,Binding of ACh openschannel pore that ispermeable to Na+ and K+.,K+,Muscle membrane,Nerveterminal,终板电位 (EPP, End Plate Potential ),Outside,Inside,Muscle membrane,Presynapticterminal,Muscle MembraneVoltage (mV),Time (msec),-90 mV,0,Threshold,The movement of Na+ and K+depolarizes muscle membranepotential (EPP),ACh Receptor Channels,Voltage-gatedNa Channels,Inward RectifierK Channels,Outside,Inside,ACh unbinds fromits receptor,Muscle membrane,so the channel closes,Nerveterminal,ACh is hydrolyzed byAChE into Cholineand acetate,Choline is taken upinto nerve terminal,Choline resynthesizedinto ACh and repackagedinto vesicle,神经肌肉接头处兴奋传递过程,神经冲动传到轴突末梢电压门控式Ca2+通道开放膜外Ca2+内流触发囊泡移动与前膜融合破裂囊泡内ACh释放与接头后膜（终板膜）上化学门控通道（受体）结合引起接头后膜对Na+、K+通透性增加（但Na+内流 K+外流）终板膜去极化（终板电位，局部兴奋（肌膜去极化达阈电位引发肌膜产生动作电位整个肌膜全或无式传导。,传导,神经-肌接头兴奋传递的特征及影响因素,（1）单向传递 （2）时间延搁 （3）易受环境因素和药物的影响,特征：,影响因素：,密胆碱肉毒杆菌毒素 筒箭毒和三碘季铵酚 有机磷农药 ，新斯的明,细胞的兴奋和兴奋性,兴奋(excitation)：传统生理学将细胞或组织对刺激发生的反应称为兴奋现代生理学中，兴奋被看作是动作电位的同义语或动作电位产生的过程.,可兴奋细胞(excitable cell) ：凡是受刺激后能产生动作电位的细胞,可兴奋细胞 肌细胞收缩 神经细胞产生冲动 腺细胞分泌,兴奋性(excitability) ：细胞受刺激后产生动作电位的能力 刺激(stimulation) ：指细胞所处环境因素的变化,细胞的兴奋和兴奋性,* 刺激能否引起反应的三要素： 刺激强度、刺激时间、强度-时间变化率,刺激强度的表示方法：阈强度或阈值：刚好引起组织产生兴奋的最小刺 激强度： 阈刺激、阈上刺激、阈下刺激,阈值：衡量兴奋性的指标，兴奋性 1/阈值,绝对不应期 兴奋性降低到零，任何刺激都不能引起反应。相对不应期 兴奋性开始恢复但仍低于正常，需要阈上刺激才能引起兴奋。超常期 兴奋性高于正常水平，施予阈下刺激即可引起第二次兴奋。低常期 组织的兴奋性又开始降低，只有用阈上刺激才能引起第二次兴奋。,细胞一次兴奋后兴奋性的周期性变化,膜电导的分子基础钠、钾通道的结构和功能特点,静息态；激活态；失活态；,激活门和失活门,神经肌接头(neuromuscular junction)的结构,第四节 骨骼肌的收缩功能,每条运动神经纤维分出数十至数百分支，每一分支支配一条肌纤维,（a）电镜扫描照片,神经-肌接头的兴奋传递,1.当动作电位 电压门控的Ca2+通道开放,2.Ca2+ 内流,3.含有ACh的囊泡量子释放(quantal release),4.微终板电位（miniature endplate potential, MEPP） 终板电位(endplate potential, EPP),5.肌细胞膜动作电位产生,6.胆碱脂酶水解，动作电位终止,骨骼肌组成示意图,肌原纤维：myofibril,细肌丝,一端固定于Z线，另一端游离,两端游离，中间固定于M线,粗肌丝,Z,Z,横纹 明、暗相间的带,明带（light band）：I带，含Z线,暗带（dark band）：A带，含H带,M线,明带,暗带,Z,H,M,Z,肌节：相邻两条Z线之间的一段肌原纤维 包括：1/2 I带+1A带+1/2 I带 是肌原纤维结构和功能的基本单位,I带,A带,I带,Z线,Z线,分子水平骨骼肌组成示意图（肌管系统及肌节）,粗肌丝：大约由200-300个肌球蛋白(myosin)分子聚合而成*横桥（cross-bridge）,粗肌丝示意图,细肌丝 由肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白组成。 肌动蛋白：大分子球形蛋白质，构成细肌丝的主体。 原肌球蛋白：其位置在肌动蛋白与横桥之间，阻碍二者的结合 肌钙蛋白： 球形分子，含有C、T、 3个亚单位。每隔 40nm就与原肌球蛋白分子结合。,骨骼肌纤维收缩原理滑动学说,肌肉收缩的滑动机制,骨骼肌收缩的过程和机制,滑行学说（sliding theory）：Huxley等在20世纪50年代初期提出了肌小节中粗、细肌丝的相互滑行是肌肉收缩的根本原因这一学说，称为滑行学说（sliding theory）。 主要内容： 肌细胞内并无肌丝或分子结构的缩短， 肌小节内发生了细肌丝向粗肌丝之间的滑行， 即由Z线发出的细肌丝在某种力量的作用下主动向暗带中央移动,肌丝的相互滑行结果： 各相邻的Z线互相靠近，肌小节长度变短，使肌原纤维、肌细胞乃至整条肌肉长度的缩短。,滑行现象最直接的证明：肌肉收缩时暗带无长度变化，而有明带长度的缩短；同时也看到暗带中央H带相应地变窄。,滑行过程的分子变化,1.肌钙蛋白与Ca2+结合 2.肌动蛋白分子上与肌球蛋白结合的位点暴露 3.粗肌丝的横桥头部与肌动蛋白分子间相互作用进入横桥周期 4. 肌质网膜上的钙泵激活，肌细胞回到舒张状态,骨骼肌纤维收缩原理滑动学说,横桥周期(cross-bridge cycling),横桥扭动时产生张力和缩短的示意图,1. 横管(transverse tubule)，T管(T tubule) L型钙通道 ，双氢吡啶受体（dihydropyridine receptor） 2.纵管(longitudinal tubule) ，肌浆网(sarcoplasmic reticulumSR) ，纵行肌质网(longitudinal sarcoplasmic reticulum，LSR) 连接肌质网(junctional SR，JSR) ，终池(terminal cisterna)钙扣押素（calsequestrin） ryanodine受体 ，钙泵 3.三联管(triad),肌管系统(sarcotubular system)：,结构基础,横小管：（T小管）,肌膜向胞质内凹陷形成位置：明暗带交界处环绕在肌原纤维周围，同一平面的T小管互相吻合。功能： 将膜兴奋传入细胞内部。,肌浆网：（纵小管）,其两端为环形扁囊，称终池,三联体：终池+横小管+终池,横小管与终池不相通，但能将兴奋从肌膜传递到肌浆网膜，使钙通道开放。,肌纤维中特化的滑面内质网，,骨骼肌的兴奋-收缩耦联,兴奋-收缩耦联概念：在以肌细胞膜的电位变化为特征的兴奋过程和以纤维机械变化为基础的收缩过程之间，存在着某种中介把二者联系起来的过程称为兴奋收缩耦联(excitation-contraction coupling),兴奋-收缩耦联过程,三个主要步骤：,电兴奋通过T管传向肌细胞深