生理-第2章 细胞的基本功能

第二章 细胞的基本功能,细胞的基本功能:1.物质转运功能 2.信号转导3.细胞的电活动 4.肌细胞的收缩,细胞(cell)是人体和其他生物体的基本结构和功能单位。,（一）掌握1. 细胞膜的物质转运功能2细胞的兴奋性和生物电现象 1）静息电位和动作电位产生的机制 2）兴奋性与兴奋的引起，阈值、阈电位和AP的关系 3）兴奋在同一细胞上传导的机制和特点3骨骼肌兴奋-收缩耦联 （1）神经-肌肉接头处的兴奋传递 （2）骨骼肌的兴奋-收缩耦联 （二）了解平滑肌的生理特点。,目的要求,第一节 细胞膜的物质转运功能,一、细胞膜(cell membrane)的分子结构细胞膜又称质膜，既是一道屏障，又是半透膜，允许物质分子选择性通过。脂质蛋白质：糖类,由Singer和Nicholson于1972年提出了膜结构的液态镶嵌模型(fluid mosaic model) 液态镶嵌模型的基本内容是： 膜的共同结构特点是以液态脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具有不同分子结构、因而也具有不同生理功能的蛋白质。,(一)脂质双分子层:,1.磷脂（70%）2.胆固醇（20%） 3.糖脂（10%）,均是双嗜性分子脂质双分子层具有流动性,(二) 细胞膜蛋白质（ membrane protein ）,1.表面蛋白（20%-30%）:2.整合蛋白（70%-80%）:,附着于膜表面,贯穿脂质双分子层,载体、通道、离子泵、受体、抗原,功能活跃的细胞，蛋白质含量高。,以糖蛋白或糖脂 的形式存在 糖链伸向细胞膜外成为抗原决定簇、受体可识别部分。,(三)细胞膜的糖类（membrane carbohydrates ）,二、跨细胞膜的物质转运,脂溶性小分子,小分子离子、溶质,大分子,通道 载体,单纯扩散,经通道易化扩散,经载体易化扩散主动转运,出胞入胞,单纯扩散 膜蛋白介导的跨膜转运 易化扩散（经通道、经载体） 主动转运 出胞和入胞,膜蛋白介导的跨膜转运可以分为： 被动转运(passive transport) :不耗能，顺浓度梯度和电位梯度。 主动转运(active transport):耗能，逆浓度梯度和电位梯度。,物质转运方式：,（一）单纯扩散（simple diffusion）：定义：一些脂溶性物质和少数小分子水溶性物质，可顺该物质浓度通过细胞膜，称单纯扩散。转运物质：O2、CO2、N2、水、乙醇、尿素影响因素： 1.浓度差； 2.膜通透性,重点！,O2,O2,O2,脂溶性分子大小,O2,特点：属被动转运（1）顺浓度梯度（2）不依靠膜蛋白（3）不耗能,（二）易化扩散（facilitated diffusion） 易化扩散：在膜蛋白的帮助下，非脂溶性的小分子物质或带电离子顺浓度梯度和（或）电位梯度进行的跨膜转运,1. 经通道易化扩散,定义：溶液中的K+、Na+、Ca2+、Cl-等离子在通道蛋白的介导下，顺浓度梯度或电位梯度通过细胞膜的过程，称经通道易化扩散。,1.离子选择性(ion selectivity) ：每种通道都对一种或几种离子有较高的选择性，其他离子则不易或不能通过。 根据离子选择性，可将通道分为钠通道、钾通道、氯通道、钙通道、非选择性阳离子通道等。,经通道易化扩散的特点：,Types of gated ion channels,2.门控（Gating）特性,离子通道可分为： A.电压门控通道：通道的开闭受膜两侧电位差控制。 B.化学门控通道：通道的开放受化学物质控制，也称为配体门控通道或递质门控通道。 C.机械门控通道：受牵张刺激影响而开闭。,脂溶性小分子,小分子离子、溶质,大分子,通道 载体,单纯扩散,经通道易化扩散,经载体易化扩散主动转运,出胞入胞,2. 经载体易化扩散,载体也称转运体，是介导小分子物质跨膜转运的蛋白,定义：水溶性小分子物质经载体介导顺浓度梯度和(或)电位梯度进行的被动跨膜转运。,特 点：a.特异性(选择性)b.饱和现象 c.竞争性抑制,（三）主动转运（active transport）,定义：某些物质在膜蛋白的帮助下，由细胞代谢供能而进行的逆浓度梯度和电位梯度的跨膜转运,原发性主动转运：直接消耗ATP继发行主动转运：能量来自原发性主动转运,1.原发性主动转运(primary active transport),定义：指细胞直接利用分解ATP产生的能量，将物质逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程。被转运的物质通常为离子，因此介导此过程的膜蛋白也称为离子泵。本质：ATP酶种类：钠泵、钾泵、质子泵,（1）钠-钾泵（钠泵；Na+，K+-ATP酶）：定义：每分解1个ATP，可逆浓度梯度将3个Na+移出胞外，2个K+移入胞内。结 果：细胞内高钾(30倍)，细胞外高钠（10倍）,哇巴因：钠泵特异性抑制剂。,钠泵活动的生理意义,细胞内高钾是细胞内许多代谢反应所必须;维持胞浆渗透压和细胞容积的相对稳定 Na+跨膜的浓度差是其他许多物质继发性主动转运的动力造成膜内外钠、钾离子浓度差，是细胞电活动产生的前提每分解1分子ATP，可排出3个Na+，转入2个K+，因而它的活动是生电性的；,（2）钙泵：Ca2+ ATP酶,质膜钙泵：水解1分子ATP,将一个Ca2+泵出细胞外肌质网和内质网钙泵：水解1分子ATP,将2个Ca2+运至内质网内。作用：保持细胞内低钙,除Na+-K+泵，钙泵外，体内还有H+，K+-ATP酶(主要分布于胃腺壁细胞膜和肾小管闰细胞膜上)， H+-ATP酶(主要分布于各种细胞器膜上),2. 继发性主动转运（secondary active transport),定义：指驱动力并不直接来自ATP的分解，而是来自原发性主动转运所形成的离子浓度梯度,进行的物质逆浓度梯度和(或)电位梯度的跨膜转运方式。 形式：同向转运；反向转运。 种类：Na+-H+交换； Na+-葡萄糖交换 Na+ -氨基酸交换,X代表AA和葡萄糖,特点：经载体易化扩散与原发性主动转运相耦联的主动转运系统。,(四)膜泡转运,定义：大分子和颗粒物质进出细胞，并不直接穿过细胞膜，而是由膜包围形成囊泡，通过膜包裹、膜融合和膜离断等一系列过程完成转运。特点：需要能量，需要蛋白参与，属于主动运输。形式：出胞和入胞,1.出胞(exocytosis):是指细胞内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。如酶、粘液、递质及激素的释放。,(1)持续性出胞:自发(2)调节性出胞：刺激后,2.入胞(endocytosis）：定义：是细胞外大分子或物质团块被膜包裹后以囊泡的形式进入细胞的过程。 存在形式： （1）吞噬 （2）吞饮,（1）吞噬:被转运物质以固态形式进入细胞的过程 有吞噬功能的细胞：单核、巨噬、中性粒细胞 被转运物质：细菌、死亡细胞、组织碎片,（2）吞饮：被转运物质以液态形式进入细胞。 体内几乎所有细胞有此功能 包括：液相入胞、受体介导入胞。,几种常见的跨膜物质转运形式比较,第二节 细胞的信号转导 一、信号转导概述 信号转导：生物学信息在细胞间或细胞内转换或传 递，并产生生物学效应的过程 信号物质：激素、神经递质、细胞因子等化学物质 作用机制：与相应的受体结合 脂溶性：与膜内受体结合（胞质受体和核受体） 水溶性：与膜上的受体，再经细胞内的信号转导。 配体：能与受体发生特异性结合的活性物质。 受体：能与配体特异性结合，并产生生物学效应的蛋白,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G蛋白耦联受体介导的信号转导酶联受体介导的信号转导,离子通道受体,二、离子通道型受体介导的信号转导,离子通道型受体分子：是一种同时具有受体和离子通道功能的蛋白质分子，属于化学门控通道，也称为促离子型受体。如：骨骼肌终板膜上的ACh受体阳离子通道。,化学性胞外信号(ACh),ACh + 受体=复合体,终板膜受体蛋白变构=离子通道开放,Na+内流,接头间隙,电压门控通道和机械门控通道通常不称为受体,三、G蛋白耦联受体介导的信号转导,（一）主要的信号蛋白 P284,1. G蛋白耦联受体(G protein-linked receptor),2. G蛋白(鸟苷酸结合蛋白),由、三个亚单位形成的异源三聚体G蛋白：蛋白具有结合GTP或GDP的能力、GTP酶活性。,GDP-,GTP- + ,（失活型）,（激活型）,激活型G蛋白可以进一步激活膜的效应器酶,3. G蛋白效应器(G protein effector),如:环-磷酸腺苷(cAMP)、三磷酸肌醇(IP3)、二酰甘油(DG)、环-磷酸鸟苷(cGMP)、Ca2+等。,包括酶和离子通道两类，如：腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase, AC）、磷脂酶C（phospholipase, PLC）、磷脂酶A2（phospholipase,PLA2 ）等。,4. 第二信使(second messenger),(二)主要的G蛋白耦联信号转导通路,1. 受体-G蛋白-AC-cAMP-PKA途径,激素（第一信使）,激活腺苷酸环化酶(AC),ATP,cAMP（第二信使）,激活cAMP依赖蛋白激酶A,与细胞膜上特异性受体结合,激活膜上的G蛋白,A,2. 受体-G蛋白-PLC途径,PIP2（二磷酸磷脂酰肌醇）,IP3 （三磷酸肌醇）DG（二酰甘油）,激 素,磷脂酶C(PLC),PIP2,IP3和 DG,PKC,Ca2+,G蛋白,细胞内生物效应,G蛋白偶联受体,四、酶联型受体介导的信号转导 酶联受体与G蛋白耦联受体的分子结构和特性完全不同，受体分子的胞质侧具有酶的活性。 其中较重要的有酪氨酸激酶受体、酪氨酸激酶结合型受体和鸟苷酸环化酶受体。,生长因子,与受体酪氨酸激酶结合,膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：具有酪氨酸激酶活性,细胞内生物效应,(一)酪氨酸激酶受体:本身具有酶的活性,酪氨酸激酶结合型受体:受体没有蛋白激酶活性,干扰素、白介素、生长激素等,与酪氨酸激酶结合型受体结合,在胞质侧结合并激活某种胞质内酪氨酸激酶,信号转导,细胞内生物效应,酪氨酸激酶,鸟苷酸环化酶受体： 由一条肽链组成，分子的N端有配体结合位点，位于膜外侧，C端有鸟苷酸环化酶(GC)的结构域。,引起细胞的生理效应,配体与受体结合即激活GC,使胞内的GTP环化生成cGMP,激活蛋白激酶G,GTP,cGMP,PKG,GC,五、招募型受体介导的信号转导,单个跨膜受体，没有酶的活性，但其与配体结合后，能够招募激酶或转接蛋白，产生效应。,六、核受体介导的信号转导,激素进入细胞膜,H-R复合物进入核内,此复合物结合在染色质的非组蛋白的特异位点上,调控DNA转录过程,细胞内生物效应,与胞浆受体结合H-R复合物,H-R复合物与核内受体结合,配体：脂溶性激素,第三节 细胞的电活动,细胞在进行生命活动时都伴有电现象，称为细胞生物电（bioelectricity）。,表现形式,静息电位动作电位,静息电位的细胞内测量,一、静息电位(resting potential，RP)及其产生机制(一)静息电位的测定和数值（1）定义：静息时，质膜两侧存在内负、外正的电位差。,（2）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）当一电极位于细胞膜外， 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。,（3）RP的正常值：-10-100 mV之间.（神经、骨骼肌、心肌细胞一般为-70-90 mV之间）,（4）几个相关概念：极化:静息时，细胞膜电位外正内负的状态。超极化:当静息电位增大的过程或状态。去极化:当静息电位减小的过程或状态。超射：去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值，称为反极化，也称为超射。复极化:质膜去极化后,再向静息电位方向恢复的过程。,1. 细胞膜两侧离子的浓度差与平衡电位,当某种离子跨膜扩散时，它受到来自浓度差和电位差的双重驱动力，两种驱动力的代数和称为电化学驱动力。,(二) 静息电位产生的机制,X+X+X+X+X+X+,X+ X+,当电位差驱动力=浓度差驱动力时，离子的跨膜净移动为0，此时的跨膜电位称为该离子的平衡电位。,浓度差：动力电位差：阻力,每种离子根据它在膜两侧的浓度，利用Nernst公式计算平衡电位。,EX表示X离子平衡电位，R为气体常数，T为绝对温度，Z为离子价，F为法拉弟常数,K+平衡电位多数细胞：-90mV -100mVNa+平衡电位: +50mV +70mV,骨骼肌细胞膜内外主要离子浓度及平衡电位,产生的条件：静息状态下钠泵活动产生的膜内外离子分布不匀静息状态下膜对离子的通透性具有选择性：对K+高通透，其它离子(Na+、Ca2+)通透性很小或 (A-)几乎不通透,K+ 30倍,Na+ 10倍,K+,K+,K+,K+,K+,A-,A-,A-,A-,A-,2.安静时膜对离子的通透性和静息电位的形成,实际测得的静息电位略小于用Nernst公式计算出来钾离子平衡电位，说明：细胞膜在安静状态下可能对其他离子也有一定的通透性。,静息电位的形成,K+的平衡电位接近静息电位。静息电位主要由K+平衡电位形成,影响静息电位水平的因素：膜内、外钾离子的浓度差值，决定Ek。如：细胞外钾离子浓度升高，会使Ek负值减小，RP值减小。b.膜对钾离子和钠离子的相对通透性，可影响静息电位的大小。如：膜对钾的通透性增加，RP值大；对钠的通透性增加，RP值小。c.钠-钾泵活动的水平也直接影响静息电位，活动增强时使膜发生一定程度的超极化。,3.钠泵的生电性作用：对静息电位影响不大。,二、动作电位（Action potential, AP）,(一) 动作电位的概念和特点1.定义：在RP基础上，细胞受到一个有效的刺激后产生的迅速的可向远处传播的膜电位波动。,上升支：去极相下降支：复极相,锋电位,后电位,后去极化电位后超极化电位,（后超极化）,（后去极化）,2.AP的构成,AP,3. 动作电位的特性：(1)“全或无”现象(all or none phenomenon): 刺激强度未达到阈值，AP不会产生，刺激强度到达阈值后，AP的幅度保持恒定，不随刺激强度的增大而变化。(2)可传播性：AP产生后沿整个细胞膜进行的不衰减的传导。(3)脉冲式发放，连续刺激产生的多个动作电位总有一定时间间隔，不会融合,(二) AP产生的机制 1.电化学驱动力：电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度。,电化学驱动力：决定于膜两侧离子浓度（平衡电位）和膜电位,外,内,-,+,A+,B+,外,内,-,+,Na+,K+,假定膜电位 Em为-70mV, ENa和EK分别为+60和-90mV: Na+的驱动力：Em-ENa= -70mV-（+60mV）= -130mVK+的驱动力：Em-EK=-70mV-（-90mV）=+20mV,负值表示驱动力向内，正值表示驱动力为外向,静息电位时：,外,内,-,+,Na+,K+,动作电位时：,膜电位变化，膜电位+30mV Na+驱动力= +30mV -（+60mV）= -30mV K+驱动力= +30mV -（-90mV）= +120mV,表明 在RP，钠离子受到很强的内向驱动力; 在锋电位，钾离子受到很强的外向驱动力。,2. 动作电位期间膜通透性的变化,测定动作电位期间膜对离子通透性的动态变化，是揭示动作电位产生原理的关键；,GX =,IX,Em-EX,利用电压钳技术通过测量膜电流，再利用欧姆定律来计算膜电导。,RX,1,=,不同程度去极化对膜钠电导和钾电导的影响,上升支（去极化相）产生原因:由于刺激引起膜对Na+的通透性增加，膜电位去极化达到阈电位时，膜对Na+的通透性瞬间增大（Na通道被激活，再生循环），膜外的Na+内流，使膜电位在1ms内由-70mV增加至0mV，进而上升+30mV，Na+通道随之失活。,3.动作电位的产生过程,锋电位（动作电位标志）,动作电位主要是由钠离子的平衡电位形成的,下降支（复极化相） Na+通道失活后，膜恢复了对K+的通透性，大量的K+外流。使膜电位由正值向负值转变，形成了动作电位的下降支。,负后电位（去极化电位）一般认为是负极化迅速外流的K+ 在细胞膜外蓄积，K+ 外流减慢所致。正后电位（超极化电位）Na+ - K+泵的活动(3:2 )。,4.离子通道的功能状态,钠通道至少存在三种功能状态，分别称为关闭(close)、激活(activation)、失活(inactivation)。 其中在关闭和失活两种状态下，钠通道都是不开放的，只有在激活状态下，通道才开放。,（1）电压门控钠离子通道的功能状态,（2）电压门控钙离子通道的功能状态 类似钠离子通道，但激活和失活过程缓慢，称为慢钙通道。（3）电压门控钾离子通道 静息状态和激活状态两种，但激活时速度比电压门控钠离子通道慢得多。,（三）动作电位的触发1.阈刺激,刺激：凡是引起组织发生反应的所有理化因素统称为刺激。刺激量：刺激强度、刺激时间、强度-时间变化率。,刚能引起组织产生反应的最小刺激强度称为该组织的阈强度，简称阈值（threshold）。 兴奋性1/阈值 （ 阈下刺激 阈刺激 阈上刺激）,2.阈电位,阈电位：能引起细胞膜对Na+通透性突然增加的膜电位的临界值。阈刺激：能引起膜电位达到阈电位的刺激。阈下刺激：低于阈刺激的刺激。,（四）动作电位的传播1.无髓神经纤维和肌纤维局部电流,局部电流的形成是由于神经纤维膜内侧和膜外侧的兴奋区与前方未兴奋区之间的电位差引起的。,2.有髓神经纤维跳跃式传导(saltatory conduction),有髓鞘神经的局部电流是在郎飞结之间发生的，即在发生动作电位的郎飞结(node of Ranvier)与静息的郎飞结之间产生，称为跳跃式传导。,2.动作电位在细胞之间的传播,由于细胞之间的电阻很大，无法形成有效的局部电流，因此动作电位通常只在同一细胞范围内传播。但是神经组织，心肌细胞，肝组织和晶状体上皮细胞，细胞间存在缝隙连接（低电阻区），使兴奋得以在细胞间直接传播。,（五）兴奋性及其变化 兴奋：动作电位的产生过程。可兴奋细胞：凡在受刺激后能产生动作电位的细胞（神经细胞、肌细胞、腺细胞）。,兴奋性：可兴奋细胞接受刺激产生Ap的能力。,2.细胞兴奋后兴奋性的变化 组织在一次刺激产生兴奋过程中，兴奋性有周期 性的变化，包括：绝对不应期、相对不应期、超 常期、低常期。,bc: 相对不应期,cd: 超常期,de: 低常期,ab: 绝对不应期,分 期 兴奋性 机 制绝对不应期 降至零 钠通道失活相对不应期 渐恢复 通道部分恢复超常期 正常 通道大部恢复低常期 正常 内电位呈超极化,细胞兴奋后兴奋性的变化,一、细胞膜的被动电学特性和电紧张电位膜的被动电学特性：细胞膜作为一个静态的电学元件时所表现的电学特性；包括静息状态下膜的电容、电阻以及它们所决定的膜电流、膜电位的变化特征。,（一）膜电容： 细胞膜具有显著的电容特性，且电容较大；当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生电位差，即跨膜电位或简称膜电位。,三、电紧张电位和局部电位,2.膜电阻 单纯的脂质双层几乎是绝缘的，电阻很大； 细胞膜中的离子通道和转运体（犹如导体），使膜电阻减小。 膜电阻通常用它的倒数膜电导来表示,膜电导：对带电离子而言，膜对某种离子的电导，就是膜对它的通透性；,除了膜电容和膜电阻以外，沿细胞长轴还存在轴向电阻。,（二）电紧张电位,图2-7注入电流处的膜电位最大,其周围一定距离外的膜电位将作为膜的指数函数而衰减。,电紧张电位：随距离逐渐衰减的跨膜电流引起的膜电位变化。,电紧张电位意义：与细胞电信号的产生和传播有直接的关系。去极化电紧张电位达到一定程度（阈电位）可以爆发动作电位电紧张电位产生的速度和扩布的范围：影响动作电位的产生和传播速度。,局部电位：阈下刺激引起小幅度膜电位变化。 因为：少量Na+通道开启，少量Na+内流，被K+外流抵消 所以：达不到阈电位水平,AP的特点： a.具有“全或无”现象； B.不衰减性传导； C.有不应期。 局部电位的特点： a.不具有“全或无”的特性； b.电紧张性扩布； c.没有不应期，可以总和。,肌肉的分类,据形态学特点分： 横纹肌（voluntary muscle) 平滑肌（involuntary muscle)据功能特性分： 骨骼肌（skeletal muscle) 心肌 （cardiac muscle) 平滑肌（smooth muscle),第四节 肌细胞的收缩,一. 横纹肌（包括骨骼肌和心肌）,（一）骨骼肌神经-肌接头处兴奋的传递,接头前膜：囊泡内含 ACh。接头间隙：充满细胞外液。接头后膜：又称终板膜。 ACh受体乙酰胆碱酯酶，可分解ACh为胆碱和乙酸。,1. N-M(neuromuscullar junction)接头的结构,2. 神经肌肉接头处兴奋的传递过程,电压门控钙通道,N2-ACh 受体,电压门控钠通道,重点！,终板电位(endplate potential, EPP)：在终板膜上，由于Na+少量内流形成的电位。终板电位是局部电位，不同于AP。,（2）传递特点：电-化学-电的传递单向性传递时间延搁易受环境变化的影响 终板膜上无电压门控通道，因而不会产生动作电位。,(二)横纹肌细胞的微细结构,横纹细胞在结构上含有大量的肌原纤维和高度发达的肌管系统。1. 肌原纤维和肌小节,肌束,肌纤维,肌原纤维,两 线,两 带,一 区,M 线Z 线暗带明带H 区,肌小节,2. 肌管系统(sarcotubular system)：指包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊管状结构。,横管系统：（T管） 有L型钙通道纵管系统：（L管）即肌质网；末端膨大称终池，含有大量钙离子。膜上有钙释放通道。三联管结构 ：,(三)横纹肌的收缩机制,（一）粗肌丝（Thick Filament),成分：肌球蛋白,结构：头部 ATP酶的活性杆部,横桥,（二