细胞是构成人体的基本结构和功能单位虽然细胞的形态结.doc

一 细胞细胞是构成人体的基本结构和功能单位。虽然细胞的形态结构和功能活动千差万别，但一些基本功能活动却具有共同的特征。1.细胞膜的结构和物质转运功能。细胞膜由脂质双分子层构成基架，具有多种功能的蛋白质镶嵌其中。通过膜完成的物质交换是有选择性的，而且不同性质的物质也通过不同的方式转运。物质转运包括四种方式：单纯扩散，是指小分子脂溶性物质直接通过膜由高浓度向低浓度的跨膜扩散；易化扩散，是指水溶性物质通过膜上的一些蛋白质（通道蛋白或载体蛋白）实现的跨膜转运，分别称通道扩散或载体转运；主动转运，是指物质逆电-化学梯度的跨膜转运，通过离子泵同时需要消耗能量才能完成；出胞入胞作用，是指大分子物质或物质团块进出细胞的过程。2.细胞的信号转导。细胞通过信号转导的过程实现与外界的信息交换。细胞外的信号形式很多（主要是化学信号即神经递质和激素），但信号转导途径却很有限。它们包括：（1）G蛋白耦联受体介导的信号转导，当配体与膜受体结合后，通过激活膜上的G蛋白而生成胞内第二信使，最终通过活化蛋白激酶，使底物蛋白质磷酸化而发挥生物效应；（2）酶耦联的受体介导的信号转导，当配体与受体结合后，直接引起位于受体胞内段具有酪氨酸激酶的结构域的激活，最终引起MAPK的活化，参与基因转录的调控；（3）通道耦联的受体介导的信号转导，一些配体与受体结合后，直接引起与受体耦联的离子通道的开放，通过改变膜电位而影响细胞的功能活动；（4）核受体介导的信号转导，一些配体可穿膜直接进入细胞，与位于胞浆或胞核的受体结合后形成各种转录因子，参与基因转录的调控。3.细胞的生物电现象。生物电主要包括静息电位和动作电位。静息电位指静息时位于膜两侧的电位差。其形成是由于静息时K+在膜内外呈现不均衡分布，表现为膜内浓度高于膜外，同时在静息状态膜主要对K+具有通透性。K+的跨膜外移形成了跨膜电位，数值上近似于K+的电-化学平衡电位。动作电位大多是在刺激作用下，细胞产生的一过性、可扩布的电位变化。刺激对细胞的作用是使膜发生去极化，只要去极化达到阈电位，就能产生动作电位。动作电位具有全或无的特征，即不产生或产生最大幅度的动作电位，二者必具其一。若刺激强度较弱，如小于阈强度的刺激作用时，细胞只能产生局部电位。局部电位的特征为刺激依赖性、总和及电紧张性扩布。动作电位的跨膜电位变化是由于刺激使膜电导改变，而引起一系列离子跨膜移动形成的离子电流的结果。包括两个主要过程，即去极化和复极化过程，前者是指膜内电位升高的过程，而后者是在去极化后膜内电位降低而逐渐恢复的过程。在一次兴奋（动作电位）过程中，细胞的兴奋性即产生动作电位的能力会发生一系列变化，表现为在一段时间内细胞的兴奋性很低，必须经过一段时间才能恢复细胞的兴奋性。4.肌肉的收缩活动。肌细胞由肌原纤维构成，肌原纤维又由粗细肌丝构成，它们形成规律有序的排列，肌小节是肌纤维收缩的基本单位。肌肉的收缩是由于兴奋-收缩耦联的结果，Ca2+在其中发挥重要作用。肌纤维收缩过程是肌小节内细肌丝向粗肌丝中央的滑行过程，结果使肌小节乃至整个肌纤维缩短。肌肉的前负荷、后负荷、肌肉收缩能力可影响肌肉在收缩过程形成的张力及长度的缩短。前负荷通过影响初长度、肌小节长度、粗细肌丝重叠程度，最终决定参与收缩的横桥数目而影响肌肉在收缩过程产生的张力。最适初长度的情况下进行收缩时，肌肉产生的张力最大，初长度小于或大于此长度，收缩产生的张力都会减小。后负荷主要影响肌肉收缩时的缩短速度，后负荷增加时肌肉缩短速度降低。肌肉收缩能力是指影响肌肉收缩效能的肌肉内部的功能状态，它与前、后负荷无关，而取决于兴奋-收缩耦联过程胞浆内Ca2+的浓度及ATP酶的活性。二膜物质转运在进行正常新陈代谢的条件下，细胞与外环境的物质交换是非常活跃的。它包括不断地摄取营养物质和及时排出代谢产物的过程。而细胞膜是进行这种交换的惟一途径。细胞内外的物质交换是有选择性的，而且不同性质的物质需要通过不同的方式进行交换。依照膜的组成来看，似乎只有脂溶性物质才能通过膜实现交换。然而事实并非如此，水溶性物质仍然可以进出细胞，只是它们不能随意通过，需要借助膜上的特殊蛋白质实现交换。即膜上的脂质双分子层阻止了大多数物质的随意进出，而膜蛋白又提供了对需要通过膜的物质的选择通透性。这样既维持了细胞内稳定的环境，又满足了新陈代谢的需要。物质的跨膜转运通常以下列四种方式进行。（一）单纯扩散单纯扩散(simple diffusion)指小分子的脂溶性物质单纯依靠浓度差，而不需要膜蛋白的帮助进行的跨膜扩散。对脂溶性物质的跨膜扩散来说，浓度差是惟一的动力及决定因素。浓度差决定着物质能否扩散、扩散方向及扩散速率，而细胞膜既不能加速也不能减缓其扩散速率。由于细胞外液和内液均为水溶性，因此体内的脂溶性物质种类不多，主要是指CO2、O2、NO等气体分子以及尿素和一些类固醇激素，它们可迅速通过膜进行扩散。水分子虽然是极性分子，但因分子小且不带电荷，仍能快速通过膜，即可以通过单纯扩散的方式跨膜移动。而一些离子虽然分子也很小，但由于周围形成的水化层，因而难以通过脂质双分子层，需经其他方式转运。（二）易化扩散通过单纯扩散方式转运的物质是极少数的。由于绝大多数物质属于水溶性，因而需要通过膜蛋白的介导完成。膜蛋白的介导，使这些不能溶于脂质的物质进行跨膜扩散成为可能，变得容易化，故而得名易化扩散(facilitated diffusion)。它包括两种方式，即通道扩散和载体转运。1通道扩散通道扩散(channel diffusion)是指离子经通道完成的跨膜扩散。通道是一类贯穿脂质双分子层，中央带有水性孔道的跨膜蛋白。通道象沟通细胞外液、内液的桥梁或隧道，使不能溶于膜的离子能快速通过，因而得名。通道的共同特征是：通道对离子具有高度选择性，由于不同通道在开放时，形成不同的水性孔道，因此只能允许个别离子通过，其他离子不易或不能通过。因此，可依照离子的选择性将通道分为不同的种类如Na+通道、K+通道等； 通道转运离子的速度很快，大约108109/s个离子，远大于载体转运的每秒103105个离子或分子的速率；通道转运的离子只能顺浓度梯度由一侧向另一侧转运，其动力来源于分子的热运动。此外，对于带电离子来说，膜电位差也是促使或影响离子跨膜移动的动力。因此，离子经通道的跨膜移动是以电-化学梯度作为动力的；通道受不同的因素调控，从而决定其开放还是关闭。依照开闭的控制因素，又可将通道分为电压门控性通道(voltage-gated channel)、化学门控性通道(chemically-gated channel)以及少量的机械门控性通道。电压门控性通道指通道的开闭受膜两侧电位差的控制。常见的有电压门控性Na+通道、Ca2+通道、K+通道等，它们是可兴奋细胞产生电活动的基础。对每种通道来说，都有一个特定的激活电位。在膜电位经历此种变化时，通道将因构型改变而形成允许离子通过的水性孔道，即通道开放。进一步的研究证实，电压门控性通道都有一些被称作电压传感器(voltage sensor)的结构，通常是一些带电荷的氨基酸，它们在膜电位改变时，可在电场作用下发生位移，进而导致通道蛋白构象改变，从而形成水性孔道，即打开通道（图2-2A）另有一些离子通道其开闭受某些化学物质控制，因此称为化学门控性通道或配体门控通道(ligand-gated channel)。这些通道的结构特征是跨膜蛋白分为两部分。其一是作为受体的部分，即能识别并结合化学物质的位点，另一是作为通道的部分，即当膜蛋白与特定化学物质结合后，蛋白构型改变，形成水性孔道即相当于打开通道（图2-2B）。因此这类通道也可称作通道耦联的受体。它们是化学性突触传递过程的重要结构。在突触或神经肌肉接头的兴奋传递过程中，都有化学物质的释放，这些物质与膜蛋白的受体部分结合引起构型改变，打开通道引起离子跨膜移动，形成特定的膜电位变化，从而改变靶细胞的功能状态。此外，还有少数机械门控通道，它们位于皮肤触压觉感受器及内耳毛细胞的感受器等部位，机械震动可使这些通道开放（图2-2C）。上述通道的共同特征是都有某种门控装置，通过某种调控机制改变通道的功能状态。而也有一些通道无门控机制，即不受电、化学因素调控。只要有浓度差存在，离子即可扩散。静息时离子的跨膜扩散就是通过这种通道完成的。通道的另一特征是其结构受遗传决定，而且几乎所有通道均由几个亚单位构成，每个亚单位又是由数量不等的跨膜a-螺旋片段组成。由此构成了不同通道对离子选择性的差异及门控机制的区别。如电压门控性Na+通道是由三个亚单位组成，即大的a亚单位和两个b亚单位(b1、b2)构成，a亚单位是形成通道的主体。化学门控性通道如N2型ACh受体通道是由五个亚单位构成，每个亚单位具有4个跨膜的a-螺旋结构，其中的两个a亚单位执行受体功能即识别并结合配体，这种结合引起蛋白构型的改变，导致通道的开放（图2-3）。水的跨膜转运。水是细胞内液及外液含量最多，且活动频率最高的物质。水跨膜转运的特征是既可以通过单纯扩散的方式，也可以经通道的方式进行。另外水的移动总是与渗透压的变化联系在一起，即常常伴随其它物质的转运而转移。水的移动对维持细胞容积至关重要。水虽然是极性分子，但由于其分子极小，因此仍能通过脂质膜直接扩散，即通过单纯扩散的方式进行跨膜移动。然而水亦可通过通道扩散。从1992年成功克隆第一个水通道以来，现已发现至少10种水通道，命名为aquaporin(AQP)即水孔蛋白。像其它通道一样水通道也是跨膜蛋白，是四聚体蛋白，每个亚单位有6个跨膜a-螺旋，每个单体都可形成一个独立的通道。不同的水通道有相对特异的组织分布和功能特征，水通道密度大的是红细胞、肾小管、汗腺、唾液腺、脑组织，其中肾远曲小管和集合管的水通道受抗利尿激素调节而影响水的重吸收（见第九章第五节）。 2载体易化扩散与上述物质的跨膜转运不同，葡萄糖、氨基酸既不能通过膜直接扩散，也不能经由上述的通道进行跨膜扩散。它们是通过膜的另一种机制，即载体转运而实现跨膜转运。载体也是一种跨膜蛋白，载体转运的机制不甚明了。可能的过程是被转运物质如葡萄糖，首先与载体蛋白膜外的结合位点结合，使蛋白构型改变，将结合位点转向膜内，并将所结合的葡萄糖释放出来，之后蛋白质恢复构型，又将结合位点暴露于膜外以待下一次转运（图2-4）。载体转运的特征是：物质转运是顺浓度梯度进行的，如在上述的葡萄糖转运过程中，由于细胞内不断消耗葡萄糖，因此保持了胞内的低浓度，使葡萄糖得以由膜外向膜内的转运；由于载体是膜上的蛋白质，因而数量有限，这导致了膜对物质转运能力的上限，即具有饱和性；载体对被转运物质有严格的结构特异性，一种载体通常只转运一种具有特定结构的物质。上述通道扩散、载体转运以及前面提到的单纯扩散通常又被称作被动转运。因它们的共同特征是被转运物质都是由高浓度到低浓度一侧的跨膜转运，转运过程依靠贮存在膜两侧物质的浓度梯度或电位梯度中的势能，因而不需要额外提供能量。被动转运的结果是倾向于使物质在膜两侧的浓度梯度或电位梯度消失。（三）主动转运主动转运是指细胞通过耗能的过程将物质逆浓度梯度或逆电位梯度进行的跨膜转运过程。由于这一过程是逆浓度梯度或电位梯度的，因而必须有额外提供的能量才能完成。主动转运的结果是形成了物质在细胞内外的不均衡分布。如细胞外高浓度的Na+和细胞内高浓度的K+，这样使 Na+、K+在膜内外都具有浓度梯度。这种不平衡的分布是细胞完成其正常功能的重要条件，如产生生物电及进行正常的代谢活动等。实现离子主动转运的是各种离子泵，如转运Na+、K+的是钠-钾泵(sodium-potassium pump)，简称钠泵。取名为泵，意在形象地描述这种主动转运机制类似于水泵通过其作功将水逆势能差由低到高的输送过程。这里的离子泵则是将离子逆浓度差由低浓度到高浓度转运的过程。早已明确，Na+、K+在细胞内外有很大浓度差，Na+在细胞外的浓度远高于细胞内，约为胞内浓度的12倍，而K+在细胞内的浓度远高于细胞外，约为胞外浓度的30倍。而且这种离子的不均衡分布在低温、缺氧或应用代谢抑制剂阻断代谢时消失，说明离子的不平衡分布是能量依赖性的。正常情况下，通过代谢产生能量，消耗ATP维持钠泵的活动，从而维持离子在膜内外的不平衡分布。钠泵具有ATP酶的活性，因此又称作Na+-K+依赖性ATP酶。Na+泵可能有两种构型E1和E2，两种构型在结构上的主要区别是磷酸化和去磷酸化。与此相对应的是钠泵对离子亲和力的不同。ATP是引起构型改变的直接原因，而胞内Na+及胞外K+浓度是触发ATP水解的原因。其具体过程如下：Na+泵在胞浆侧有Na+的结合位点（能结合3个Na+）以及ATP的结合位点；在膜的外表面有K+的结合位点（能结合2个K+）。当胞内Na+浓度增加时，Na+与泵结合，并刺激ATP水解，使钠泵自身磷酸化，磷酸化的结果一是促使泵发生构型改变，将Na+的结合位点转向胞外；二是改变了泵对离子的亲和力，使其对Na+的亲和力降低，而对K+的亲和力增加，因而将Na+释放于胞外并同时结合了K+。与K+的结合激发了泵的去磷酸化反应，使泵再次发生构型改变，将K+的结合位点转向胞浆侧，并释放K+至胞内。最后蛋白构型又恢复原状。Na+泵的活动对维持细胞正常的结构及功能具有重要的意义：维持细胞容积，虽然细胞在静息状态下主要表现为对K+具有通透性，但对Na+的通透性并非等于零，因而仍有少量Na+会漏入细胞，随着Na+的漏入会引起水在胞内的不断聚积。Na+泵的作用是不断地将漏入的Na+泵出细胞，从而稳定细胞的容积防止细胞肿胀；细胞内高K+为许多代谢反应所必需，如核糖体合成蛋白质就需要高K+的环境；钠泵造成的胞内外Na+、K+的不均衡分布是产生生物电（如动作电位）从而维持兴奋性的重要前提条件（见第二节）；Na+的不均衡分布还构成了继发性主动转运的条件（见后）。除Na+-K+泵外，还有主动转运Ca2+的钙泵。真核细胞胞外Ca2+浓度比胞内高1万倍以上。Ca2+是细胞内重要的第二信使，在刺激的作用下通过Ca2+浓度的升高发挥多种生物学功能。而维持静息时细胞内低水平的Ca2+是发挥这些信使作用的重要前提。在此过程，Ca2+泵发挥着重要作用，通过Ca2+泵的作用将Ca2+由细胞内转运至细胞外，保持了胞内游离Ca2+始终维持在一个低水平。此外，还有质子泵、碘泵，它们通过主动转运质子和碘而在生成胃酸及甲状腺激素合成过程中发挥重要作用。上述提及的各种离子泵由于在离子转运过程中直接消耗能量因而也称作原发性主动转运。另一些物质虽然也是逆浓度梯度的主动转运，但却不直接消耗能量，而是依靠Na+在膜两侧的浓度差，即依靠存储在离子浓度梯度中的能量完成转运。由于造成这种浓度梯度的原因是钠泵分解ATP消耗能量的结果。因此，这是一种间接利用能量完成的主动转运过程，称继发性主动转运。这种转运往往是Na+和另一种物质的同时转运，所以又称作联合转运或协同转运(cotransport)。典型的例子是小肠黏膜重吸收葡萄糖和氨基酸的过程。在葡萄糖重吸收的过程中有一个类似载体的同向转运体，具有与Na+和葡萄糖的结合位点，它可同时结合Na+和葡萄糖，在浓度梯度的驱使下，Na+顺浓度梯度跨膜内移，与此同时葡萄糖逆浓度梯度随之进入细胞，之后葡萄糖再顺浓度差通过毛细血管壁跨膜进入血液。Na+泵的持续活动使细胞内Na+维持在一个低水平，保持了Na+在膜内外的浓度梯度，从而保证了葡萄糖的吸收。在此过程中Na+泵的活动是原动力，葡萄糖的重吸收是伴随Na+的易化扩散完成的。因此，抑制Na+泵的活动将使葡萄糖的重吸收受到抑制。三 信号转导生物体从受精卵开始直至整个生命过程，自始至终都要受遗传信息及环境变化信息的调节控制。遗传信息决定生物体新陈代谢、生长发育及各种生物功能活动的基本模式。而环境变化信息则调控上述所有这些过程，这些信息主要是指生物体外界及身体内部环境变化的信息，即各种刺激信号。这些刺激信号作用于细胞的特殊结构（通常是受体），通过一系列反应，实现对细胞功能活动调控的信息传递过程被称为信号转导。显而易见，细胞的信号转导是多细胞生物，尤其是高等动物细胞间信息交换、各种功能协调及生物个体的生存发育、繁衍的最基本最重要的细胞功能之一。它是一个非常复杂的过程，涉及多个环节，包括细胞外各种信号（如神经递质及激素）、细胞的接受系统（受体），胞内参与信息传递的信号分子（如cAMP）及细胞内反应系统（各种效应蛋白及靶基因）。一、 信号转导概述（一）细胞外刺激信号可作用于机体的刺激信号种类繁多，性质各异。体外信号包括物理性（光、声、电、温度）、化学性（空气、环境中的各种化学物质）、生物性（细菌、病毒、寄生虫）信号。体内信号通常指化学信号，即各种生物活性物质（如激素、递质等）所携带的信号。激素或递质在体内的主要功能就是传递信息，即告知靶细胞在其周围环境中存在着某种刺激因素，从而诱导细胞的适当反应。依据其产生方式可将细胞外各种刺激信号分为三种基本类型：即来源于神经细胞的递质、内分泌系统的激素、免疫系统产生的各种细胞因子以及以类似的方式产生的生长因子。还有一些特殊物质，如气体分子NO等。（二）受体及其特征1受体的概念及分类受体是位于质膜或细胞内能与胞外信号物质结合并能引起特定生物效应的大分子物质。受体也是刺激信号作用于细胞发挥调节作用的第一个环节，换句话说受体是细胞接受刺激的门户。依照受体的结构及跨膜信号转导方式通常将受体分为四种基本类型：G蛋白耦联受体、具有酶活性的受体、离子通道型受体及核受体。2受体与配体结合的主要特征配体是指能与受体结合的特异性物质，通常是体内的各种化学信号如激素或递质。受体与配体的结合是受体被激活，引起信号传递并产生生物学效应的初始因素。其特征是：特异性，受体与配体的识别和结合是一个复杂过程，但重要的特征是具有特异性类似于酶和底物的结合过程。由于受体能识别并结合特殊的信号物质，因而保证了信号传递的特异性；高亲和力，虽然配体分子（如激素）在体液中浓度很低，通常在109mol/L或更低，但仍能与受体特异性结合并发挥巨大的生物学效应，说明配体与受体的亲和力很高，这保证了信号传递的可靠性；饱和性，由于受体数量有限，因此配体与受体的结合有个上限，当用浓度递增的配体与之相互作用时，会发现当配体达到某一浓度时，结合作用达到平衡，即表现出受体结合的饱和性。（三）信号转导的基本过程不同类型的受体介导的信号转导过程虽有很大差别，但也有共同之处。下面以G蛋白为例简单说明膜受体介导的信号转导的基本过程。从信号物质（配体）与受体结合开始，跨膜信号转导过程包括膜的信号转换、胞内信号传递以及最终引发生物学效应的不同环节。由于大多数信号物质不能进入胞内，而最终产生的生物学效应是在胞内，因此胞外信号必须经过一个跨膜转换的中间环节，否则将由于膜的阻隔而使信号中断。膜的信号转换除受体外还涉及膜上的G蛋白及G蛋白的效应器，其结果是形成了第二信使；胞内信号传递过程涉及第二信使、蛋白激酶等；整个信号转导过程是一个以酶促反应为主的级联反应。在此过程，胞外信号逐次由膜传至胞内，同时其生物学作用也得到了逐级放大，并最终产生各种生物学效应。通过信号转导引起的细胞内反应，通常包括三个方面，即膜电位改变或细胞兴奋性改变及由此引起的细胞功能改变；各种效应蛋白由于构型改变引起的功能变化，如酶蛋白活性改变及由此引起的代谢反应改变；基因表达过程的改变，如某一个基因转录的启动或关闭。二、 跨膜信号转导途径（一）G蛋白耦联受体介导的信号转导G蛋白耦联受体是迄今为止发现的最大的受体家族。当受体与配体结合使受体活化后，都要与一组能与GTP结合的称之为G蛋白的调节蛋白相互作用，完成胞内信号传递作用。与其它信号转导途径相比，该途径涉及的信号分子以及级联反应最多。除涉及膜上的一些蛋白质，如受体、G蛋白、及G蛋白效应器外，还涉及细胞内的第二信使、蛋白激酶及效应蛋白，即引起细胞反应的功能蛋白，如酶或转录因子。以下首先介绍该信号系统的信号分子，然后再描述具体的信号转导过程。1G蛋白耦联受体信号通路中的信号分子（1）G蛋白耦联受体G蛋白耦联受体是最大的受体家族。此类受体共同的结构特征是由一多肽链组成，并形成7个跨膜区段(TM)。各区段之间由数量不同的氨基酸残基组成的3个胞外环和3个胞内环相连。受体多肽链的N末端位于胞内。该家族中的不同受体，其组成跨膜区段的氨基酸残基同源性较高，而N末端、C末端及胞内、胞外环的氨基酸残基在组成和数量上都有很大差异，这正是不同信号转导途径中，受体与配基选择性识别、结合及对G蛋白选择性作用的结构基础。当配体与受体结合后，引起受体构型改变，激活G蛋白，通过G蛋白再将信号依次传至下游的信号分子。（2）G蛋白G蛋白是指GTP结合蛋白。最早由Rodbell、Gilmam 等分离纯化并命名。已经证实的G蛋白已达20多种，其共同特征是：静息时由a、b、三个亚单位组成三聚体；存在有两种形式，即结合GDP的非活性形式和结合GTP的活性形式；可被受体与配体的结合而激活，活化后结合的GDP变成GTP，同时静息时的三聚体蛋白分为两部分，即b、亚单位复合体和a亚单位GTP复合体；由于a亚单位具有鸟苷酸（GTP或GDP）结合位点、以及与受体及效应蛋白的作用位点，同时还具有GTP酶的活性，因而在G蛋白激活及信号转导中发挥至关重要的作用。如通过a亚单位与受体相互作用、与GDP和GTP交替结合调控G蛋白活性及激活其效应蛋白，使信号转至胞内。在人体各组织中，G蛋白具有不同的类型。通常是以a亚单位的结构与活性，将其分为三类：Gs、Gi及Gq。Gs即兴奋型G蛋白，它们活化后可对效应蛋白（如腺苷酸环化酶）发挥激活作用；Gi即抑制型G蛋白，它们可抑制效应蛋白的活性，如抑制腺苷酸环化酶的活性，从而减少cAMP的生成；而Gq型则主要作用于磷酯酶C，参与对IP3、DG的调节。G蛋白的激活起始于配体与受体的结合。在静息状态G蛋白与受体是分离的，此时a亚单位结合GDP，并与b、亚单位形成三聚体。当配体与受体结合后，受体发生构型改变，与G蛋白的a亚基结合并激活G蛋白，被活化后的G蛋白，其a亚单位与鸟苷酸的亲和力发生改变，表现为对GDP的亲合力下降，而对GTP的亲合力增加。导致a亚单位与GDP解离并与GTP结合。与GTP的结合诱发了G蛋白的构象改变，导致a亚单位与受体分离，同时也与b、亚单位分离，使静息时的三聚体G蛋白解离而形成两个部分：即b、亚单位复合体，a亚单位GTP复合体，后者是发挥调节作用的功能形式。G蛋白激活是短暂的，当a亚单位GTP复合物作用于效应蛋白触发信号传递的同时，a亚单位的GTP酶活性表现出来，将结合的GTP水解为GDP。a亚单位与GDP的结合导致其与效应蛋白分离，并重新与b、亚单位结合从而恢复到静息状态非活性形式的三聚体G蛋白。在上述的激活过程中，a亚单位与GTP的结合及GTP的水解是控制G蛋白活性的关键。另有资料表明，b、亚单位复合体也可调节某些效应蛋白的活性。（3）G蛋白效应器G蛋白活化后进一步作用于膜上的另一类蛋白质，即G蛋白效应器。它们多数是能催化生成第二信使的酶，如生成cAMP的腺苷酸环化酶以及生成cGMP的鸟苷酸环化酶等。因此，当G蛋白被激活并作用于这些下游分子时，通过生成胞内的第二信使并由此将信号传至胞内。（4）第二信使cAMP是第一个被证实的第二信使(second messenger)，它是基于肾上腺素对肝糖原分解代谢的实验观察而发现的。体外实验证实，肾上腺素可加速肝细胞糖原分解的过程。在此过程，肾上腺素可明显提高糖原磷酸化酶的活性，这是糖原分解过程主要的限速酶。但同时发现，肾上腺素直接加入糖原磷酸化酶的纯制剂，却不能将其激活，必须再加入肝细胞匀浆（包含有细胞膜、细胞器的碎片）才能使酶激活。说明肾上腺素不能直接激活糖原磷酸化酶。随后的实验证实，肾上腺素通过作用于细胞膜，在胞内产生一种被称作cAMP的小分子物质，由此导致酶的激活及糖原分解。之后陆续发现许多激素在细胞内都通过cAMP发挥作用。基于上述事实，发现者Surtherland提出了第二信使学说，即胞外信号首先作用于膜受体，通过膜的信号转换过程，产生了胞内的信号分子及胞内的信号传递过程，由此诱发细胞的各种反应。以膜为界，将胞外的信号物质如激素或递质称作第一信使，而胞内的信号分子如cAMP称作第二信使。第二信使学说的创立奠定了跨膜信号转导机制的理论基石。在发现胞内第二信使之前，由于膜的阻隔，我们对细胞内发生的各种功能活动了解甚少。而随着这一学说的创立，以及之后一系列跨膜转导机制的研究成果，使我们的视线伴随着胞外信号一同跨越质膜，而深入到细胞内部，使我们开始了解刺激信号在细胞内引起的各种调节活动及最终产生的生物学效应。显然，这是理解正常的生理功能、生化代谢、基因表达过程及各种病理机制的非常重要的基础。为此，诺贝尔奖评选委员会将1971年度生理学及医学奖授予了发现cAMP并创立第二信使学说的伟大科学家Surtherland，以表彰他所做的开创性工作。除cAMP外，第二信使物质还包括cGMP、IP3、DG、Ca2+等。（5）蛋白激酶蛋白激酶是指能催化蛋白质磷酸化的酶系统。依照磷酸化的底物蛋白的不同，可将其分为两种类型，即丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶。前者是使蛋白质中的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，这占了蛋白激酶中的绝大多数；后者是使蛋白质中的酪氨酸残基磷酸化，是为数不多的蛋白激酶，主要涉及酶耦联受体的信号转导通路。磷酸化是一个可逆的过程，涉及蛋白激酶、蛋白磷酸酶和底物蛋白。蛋白激酶的作用是催化底物蛋白的磷酸化，即将磷酸根转移到底物蛋白的特定氨基酸残基上。由于磷酸根携带大量负电荷，当它与蛋白质结合后，通过影响多肽链的折叠改变蛋白质的空间构型，因而改变其生物学效应。与磷酸化相反的过程是脱磷酸化，依靠磷酸酶催化这一过程。从而使磷酸化成为一个可逆性的过程，保证了在信号分子的作用减弱或消除时，由磷酸化引起的生物效应及时终止。不管信号转导通过何种途径进行，完成其终端反应的效应器都是细胞内各种功能蛋白，如受体、收缩蛋白、离子通道及酶或各种转录调节因子，而这些蛋白质的功能状态往往取决于它们的磷酸化程度。即这些功能蛋白由于发生了磷酸化或去磷酸化反应，而导致其功能改变，表现出相应的生物学效应。如酶活性改变引起的代谢反应的改变；通道功能改变引起的离子跨膜移动及由此形成的膜电位的改变；收缩蛋白功能改变引起的收缩或舒张以及转录因子活性改变引起的基因表达的改变等等。因此，蛋白质的磷酸化反应构成了细胞内最基本和最重要的调节反应，涉及几乎所有生理及病理过程。2G蛋白耦连受体信号转导途径（1）受体-G蛋白-cAMP-PKA 途径配体与受体的结合激活了G蛋白，被活化的G蛋白作用于膜上的另一种蛋白质，即G蛋白效应器，腺苷酸环化酶(adenylate cyclase，AC)是重要的一种，它的作用是催化生成第二信使cAMP。能作用于AC的G蛋白有两种类型，即Gs和Gi。正如前述，Gs是兴奋型G蛋白，活化后可激活AC；而Gi是抑制型G蛋白，它的作用是抑制AC的活性。生成的cAMP通过磷酸二酯酶迅速降解，从而保证了cAMP作为第二信使发挥作用的敏感性。cAMP广泛存在于真核细胞，并发挥重要的信号作用。它们绝大多数通过活化依赖cAMP的蛋白激酶(PKA)，促进蛋白质的磷酸化，从而诱发多种细胞反应。这种作用取决于磷酸化的靶蛋白或效应蛋白。若靶蛋白为细胞内的功能蛋白如酶则引起生化代谢的改变。若磷酸化的是转录因子则会影响基因表达过程。如PKA可使一种称作cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)的转录因子磷酸化从而被激活，活化的CREB则可与DNA分子上的特定区域，也称cAMP反应元件(cAMP response element，CRE)结合，从而启动基因的表达。（2）受体-G蛋白-DG/PKC途径一些胞外信号与膜受体结合后，还可激活另一种G蛋白(Gq)，后者激活膜上的一种特异的脂质水解酶-磷脂酶C(phospholipase，PLC)。PLC水解膜脂质中的二磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol-biphosphate，PIP2)，同时生成三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DG)。生成的DG可以通过激活胞内的另一种蛋白激酶即蛋白激酶C(PKC)而发挥作用。PKC有多种亚型，通过使底物蛋白磷酸化，发挥多种生物效应，包括对许多生理功能及生化代谢的调节。如PKC可使Ca2+泵激活，加速Ca2+的转运从而参与胞内Ca2+稳态的维持；可使胰岛素受体磷酸化从而调节其活性；另外，PKC还参与基因转录过程的调节，如参与MAPK（见后）的活化过程等。（3）受体-G蛋白-IP3/Ca2+系统如上所述，在PLC被激活生成DG的同时也生成了IP3。IP3与DG虽然同时生成，但它们的作用途径和方式却不相同。DG通过激活PKC发挥作用，而IP3则主要通过作用于内质网或肌浆网膜的IP3受体，调节胞内Ca2+浓度而参与Ca2+信号的调节。实验证实，IP3受体是一种化学门控性Ca2+通道，被IP3及其它物质激活而开放，导致胞内Ca2+库的Ca2+释放至胞浆，使胞内Ca2+浓度升高。而Ca2+作为第二信使，在信号转导过程和细胞功能调节中发挥广泛和重要的作用。Ca2+主要通过与钙结合蛋白如钙调蛋白(calmodulin，CaM)结合形成CaM-Ca2+复合物，该复合物再激活依赖CaM的蛋白激酶，催化底物蛋白的磷酸化反应，从而发挥调节作用。（4）受体-G蛋白-离子通道途径绝大多数情况下，G蛋白是通过第二信使、蛋白激酶促使蛋白质磷酸化来发挥作用的，但也可直接或通过第二信使调节离子通道，从而影响细胞的功能活动。如心肌细胞膜上的M2受体与ACh结合后激活了Gi，后者直接作用于K+通道使其开放，发挥对心肌的抑制作用。但G蛋白对离子通道的影响更多的是通过第二信使来发挥作用。如视杆细胞外段存在有cGMP门控的Na+通道。无光照时，cGMP维持其通道开放，而有光照刺激时，经过一系列光化学反应激活了一种被称作Gt的G蛋白，并由此激活了磷酸二酯酶，后者引起了cGMP的水解，使cGMP依赖的Na+通道关闭，从而产生了相应的电位变化即视杆细胞的感受器电位。（二）具有酶活性的受体介导的信号转导具有酶活性的受体包括两大类：一是受体分子本身具有酶（酪氨酸激酶）的活性，即受体与酶是同一蛋白分子，被称作酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase receptor)；另一类是受体分子本身不具有酶的活性，活化后的下游靶蛋白具有激酶功能，因而称为酪氨酸激酶耦联受体。对酪氨酸激酶受体来说，其特异性配体主要是各种类型的生长因子，如神经营养因子、表皮生长因子、胰岛素样生长因子。这类受体通常由一条肽链组成，只有一个跨膜a-螺旋。按功能将整个分子分为三个结构区，即胞外的配体结合区、跨膜区及胞内具有酪氨酸激酶活性的区域。当配体与受体结合后，导致受体形成二聚体而被活化，然后通过Ras-MAPK信号系统发挥作用。Ras是一种被称之为小G蛋白的信号分子，因其结构是单亚基蛋白，分子量也小故取名为小G蛋白。但它同样能与GTP结合而处于活化形式，只是这种信号分子主要参与酪氨酸激酶受体的信号传递过程。丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)，被活化后进入核内作为转录因子影响基因的表达。酪氨酸激酶耦联受体的配体，大多是细胞因子，如白介素、干扰素等。该类受体的特征是受体本身不具有酶的活性，但可激活具有酪氨酸激酶活性的一些靶蛋白，它们通常也作为转录因子参与基因表达的调控。同G蛋白受体介导的信号转导途径相比，酪氨酸激酶受体介导的信号转导途径呈现如下特征：简单快捷，当配体与受体蛋白的胞外段结合后，通过构型改变直接激活了位于受体胞内段的酪氨酸激酶，再通过对下游靶蛋白的磷酸化反应完成其调节活动。因而省去了受体与配体结合之后，G蛋白及效应器激活的中间过程，因此无需G蛋白中介，也不产生第二信使；此类受体的配体是各种生长因子和细胞因子；该信号系统在细胞内激活的效应蛋白大多是转录因子，因而最终产生的生物学效应通常都是基因转录的调节。（三）通道耦联的受体介导的信号转导受体最主要的功能，是通过识别并结合特异性的配体而接受信息。但随着研究的深入，发现受体的功能越来越复杂。如前述的酪氨酸激酶受体，除具有受体功能外，还兼具酪氨酸激酶的功能。而这里描述的通道耦联的受体，同样是具有复合功能的跨膜蛋白。它们既可识别、结合特异的配体发挥受体的功能，同时又是通道，因此也称作配体门控的通道或通道耦联的受体。这类受体包括烟碱型乙酰胆碱受体(nAChR)、谷氨酸的离子型受体、-氨基丁酸的离子型受体等，它们的配体通常是神经递质。配体与受体结合后直接影响通道的状态，使其开放并允许离子跨膜移动，从而改变细胞膜电位，改变其兴奋性。整个信号转导过程只涉及膜通道功能的改变，及随之引起的膜电位的变化，没有胞内其它信号分子的参与，这是胞外信号对靶细胞作用的一种简单直接的方式。因此，通常把胞外信号引起的靶细胞的这种反应称为快反应途径，而通过G蛋白、第二信使引起的靶细胞的功能变化称作慢反应途径。（四）核受体核受体是存在于胞浆或核内的一类特异蛋白质。各种核受体蛋白的编码基因在结构上有一定的同源性，故形成一个超家族。一般可分为下列几种：类固醇激素受体，包括肾上腺皮质激素、性激素受体家族；甲状腺激素受体家族；维生素D受体家族；维甲酸受体家族。此类受体虽然都称之为核受体，但一些受体在未被激活时，可能位于胞浆，但发挥作用的部位均是在核内。核受体通常处于非活化状态，需经活化才能发挥作用。活化是指核受体由无转录活性转为能与靶基因结合，并启动转录的过程，受体的活化通常是配体依赖性的。在无相应配体结合时，它们也能与靶基因结合，但不启动转录，可能是由于结合着一些抑制蛋白所致，在结合了配体之后，使抑制蛋白移除，同时还使受体磷酸化修饰，改变其构象，促进其与靶基因结合，并启动基因转录。 第三节 细胞的生物电现象生物电即生物体内的电现象，是极其普遍而又重要的生命活动。同时生物电又与其它重要的生命活动紧密联系在一起，临床上一些常用的辅助检查如心电图，脑电图就是心肌及脑组织的电活动描记图。因此研究生物电对了解基本的生命活动尤其是一些特定组织，如神经系统和肌肉的机能活动具有极其重要的意义。就细胞水平来说，生物电是指位于细胞膜两侧的电位差，通常也称作跨膜电位。因为对于具有正常结构及功能的细胞来说，膜两侧的电位总是不相等的，即膜两侧具有电位差。而且不同类型的细胞或细胞在不同的功能状态下，电位差也不是恒定不变的。研究生物电即探讨细胞的跨膜电位、跨膜电位的产生原理及其变化规律。生物电现象主要包括细胞在安静时具有的静息电位和受刺激后产生的动作电位及局部电位。四 生物电现象（一）静息电位静息电位(resting potential，RP)是指细胞在静息未受刺激时存在于膜两侧的电位差。静息电位的记录需要一些特殊的实验装置，主要包括能显示电位变化的示波器和尖端很细并能插入细胞的记录电极。如图（2-6）所示，当两电极都处于膜外时，示波器不显示电位变化，而且任意移动电极位置，结果亦无差异。这意味着细胞外表面任意两点间电位相等而无电位差。若将其中一个尖端很细（1m）的金属微电极或灌注有导电液体的玻璃微电极刺入膜内，另一个仍留在膜外时，示波器上立即显示有明显的电位变化，说明膜两侧具有电位差，此即静息电位。在膜电位测量时通常将膜外电极接地，使其固定在零电位，则安静时记录到的膜内电位一般均为负值，范围在10100mV。如骨骼肌细胞约为90mV，而神经元细胞体为70mV。静息电位是一稳定的直流电位，只要细胞未受刺激并且代谢维持正常，膜内负电位就恒定地持续下去。静息电位（以及其它形式的膜电位）习惯上以膜外电位为零时的膜内电位的数值来表示。膜电位的绝对值代表电位差的大小，而膜电位的符号说明了膜内电位与膜外电位的关系。例如，静息电位为90mV的表述有两层含义，一是说明膜内外电位差为90mV，又由于膜内电位是负值，说明膜内电位低于膜外90mV。而膜电位发生变化时，如由90mV变为100mV，负值增大（绝对值增大），也称为膜电位增大（电位差增大）；反之，当90mV变为70mV时，则称为膜电位减小，而此时膜内电位较静息时升高了。静息电位的产生是由于膜两侧不同极性的电荷积聚的结果（见后），把这种静息时位于膜两侧电荷（外正内负）的分极状态称作极化(polarization)。当膜电位增大（如90mV变为100mV）时，称为超极化(hyperpolarization)；当膜电位减小（如由90mV变为70mV）时，称为去极化(depolarization)；细胞在发生去极化后膜电位再向静息电位方向恢复的过程，称为复极化(repolarization）。（二）动作电位以神经和骨骼肌为代表的可兴奋细胞(excitable cells)，在受到适当刺激后，其膜电位将发生短暂的、可扩布的电位变化，称之为动作电位(action potential，AP)。神经细胞的动作电位包括锋电位和后电位两部分，其过程为受刺激后膜电位由静息时的70mV快速地升高，并逆转成为+30mV，即膜电位发生了快速和大幅度的去极化变化。通常将去极化超过0mV的部分称为超射(overshoot)。随后，膜电位又迅速复极化恢复至静息电位水平，动作电位的去极化和复极化过程进行得非常快，产生的电位变化形似尖耸的锋，称为锋电位(spike or spike potential)，神经和骨骼肌的锋电位持续时间约12ms。锋电位在恢复至静息水平之前，会经历一个缓慢而小的电位波动称为后电位，它包括负后电位和正后电位。前者指膜电位复极到静息电位水平前维持一段较长时间的去极化状态，后者是紧随其后的一段超过静息电位水平的超极化状态，最后才恢复到受刺激前的静息电位水平。负后电位和正后电位的名称都是延用细胞外记录时的命名。因为在采用细胞外记录方法时，两个电极都被放置在细胞外以记录细胞外两点间的电位差。此时发生超极化的部位其电位会高于正常部位，因而将超极化的电位变化取名为正后电位。不同类型细胞的动作电位其时程及形状会有很大差异。如心肌细胞的动作电位持续时间会超过100ms，而且电位变化还会包含有不同的时相（见第四章第一节）。但所有细胞的动作电位都具有一些共同的特征：动作电位是兴奋的标志，对神经细胞和肌细胞来说兴奋即意味着动作电位的产生；动作电位具有全或无特性，动作电位是由刺激引起细胞产生的去极化过程。而且刺激必须达到一定强度，使去极化达到一定程度（见后），才能引发动作电位。对于同一类型的单细胞来说一旦产生动作电位，其形状和幅度将保持不变，即使增加刺激强度动作电位幅度也不再增加，这种特性称为动作电位的全或无(all or none)现象。即动作电位要么不产生要产生就是最大幅度；动作电位可以进行不衰减的传导，动作电位产生后不停留在受刺激的部位，而是迅速沿细胞膜向周围扩布，直到整个细胞都历经相同的电位变化。在此传导过程中，动作电位的波形和幅度始终保持不变；动作电位之后具有不应期，一次刺激引起的动作电位主要是在锋电位期间，细胞将失去对其它刺激的反应能力，这段时间称作不应期。此时细胞的兴奋性很低，必须经过一段时间的恢复，方能再接受刺激产生动作电位。1、生物电的产生机制对膜电位机制的探讨至少可追溯到上世纪初，Bernstein依据当时电化学的理论最先提出膜电位可能是由离子跨膜移动而形成。为了验证有关理论，后来的研究者做了大量工作，其中三十年代由剑桥大学Hodgkin和Huxley在枪乌贼巨轴突所做的实验尤为引人注目。枪乌贼是一种软体动物，其轴突直径可达1mm。因此在当时没有微电极的条件下，可以使用较粗的电极对膜内电位进行测量。Hodgkin和Huxley分析了细胞电变化和膜两侧离子分布以及膜通透性随刺激而改变的关系，并创立了生物电产生机制的一整套理论，因此荣获了诺贝尔生理学及医学奖。（一） 静息电位形成原理-K+平衡电位在生理条件下细胞内外的离子呈现不均匀分布。如细胞外正离子以Na+为主，而负离子以Cl为主，它们的浓度远高于胞内Na+、Cl的浓度；而细胞内正离子以K+为主，负离子以大分子蛋白质为主，其浓度同样远高于胞外。假定静息时膜只对K+有通透性，则K+由于浓度差而由膜内向膜外扩散。由于带负电荷的蛋白质不能同时随K+扩散，而且对K+的跨膜扩散还具有静电吸引作用。因此，K+的扩散形成了两个结果，一是扩散出来的K+只能分布在膜外近1m厚度的表面，而不能自由扩散到细胞外液；二是扩散至膜外的K+在膜的外表面聚积形成一个正电场，由此而形成排斥细胞内K+进一步向外扩散的力量。因此，在K+跨膜扩散过程中，通常有两个作用力在同时起作用，即K+的浓度梯度促使离子跨膜移动的驱动力及膜外聚积的K+形成的阻止其继续扩散的作用力。浓度差、电位差（电场力）对离子作用力的代数和构成该离子跨膜扩散的电化学推动力。对于K+来说，浓度梯度促使K+向外扩散而电场力阻止K+向外扩散。随着K+的外向扩散，膜的外表面积聚的K+越来越多，即电场力的作用将越来越大，当它最后增大到与K+离子向外扩散的驱动力相等时，不再出现K+的净外流，而膜电位也将维持在这一平衡状态。此时的跨膜电位（静息电位）亦称K+的平衡电位(equilibrium potential，Ek)。早期枪乌贼巨轴突的电生理实验也证实了静息电位是由K+跨膜移动而形成的事实。在记录静息膜电位时，人为改变灌流液中K+的浓度即改变了K+的浓度差时，记录到的膜电位会因此改变。随着膜内外K+浓度差的减小，膜电位将会减小直至为零。Ek取决于细胞内外K+的浓度差，其数值可通过Nernst公式进行计算，即其中Ek代表K+的平衡电位，R是通用气体常数，T是绝对温度，Z是离子价，F是Faraday常数，K+o和K+i分别代表膜外和膜内K+的浓度。为计算方便，这个公式也可简化为将细胞内外K+的浓度（分别为140和5mmol/L）带入公式，计算出K+的平衡电位数值为87mV。然而实际测得的静息电位虽然和理论值相近，却总是小于由Nernst公式计算的平衡电位值。这是因为静息时膜并非只对K+通透，而对Na+也有一定的通透性，但远小于对K+的通透性，一般认为膜对K+的通透性至少是Na+的50倍。Na+的内流使膜电位虽偏离了K+的平衡电位，但由于通透性很小，Na+的内流量也很少，因此，静息电位仍然非常接近K+的平衡电位。Nernst公式只适用于膜对一种离子具有通透性的情况，即只有一种离子跨膜扩散而形成的膜电位。对于离子来说，跨膜扩散的动力来源于浓度梯度和电位梯度，膜电位一旦达到该离子的平衡电位，离子的电化学推动力则为零，即电场力与浓度梯度对离子的推动力大小相等，方向相反。反之，只要膜电位偏离平衡电位就会出现离子的跨膜移动。因此对一个离子来说，其电化学驱动力等于膜电位与平衡电位之差，即FEmEi。其中F代表推动力，Em代表膜电位，Ei代表离子的平衡电位。除