细胞的基本功能 (2)

第二章 细胞的基本功能 CELLPHYSIOLOGY 到目录页 引言Introduction Cell是构成人体的最基本的功能单位 人体的细胞有二百多种 它们分布于特定的部位 执行特定的功能 但是 它们又有许多共同的功能活动 本章让我们首先来认识各种细胞所表现的具有共性的功能 这一章我们将讨论以下内容 细胞膜的物质转运功能 transportacrosscellmembrane 细胞的跨膜信号转导功能 transmembranesignaltransmissionbetweenthecells 细胞膜的生物电现象 bioelectricphenomenaofcell 肌细胞的收缩功能 mechanicsofskeletalmusclecontraction 第一节细胞膜的结构 第二节细胞的信号转导 第三节细胞的电活动 第四节肌细胞的收缩 目录Contents 第一讲第二讲 第一节 细胞膜的结构和物质转运功能TheBasicOrganizationandFunctionsofCellMembrane 本节学习目的要求 needtoholdthefollowingcontent transportofsubstancesthroughthecellmembrane simplediffusion facilitateddiffusion activetransport endocytosisandexocytosisneedtoknowthefollowingcontent chemicalcomponentandmolecularstructureofcellmembrane 一 细胞膜的结构概述 了解 Structureofcellmembrane 一 脂质双分子层 特点 膜脂质是双嗜性分子 其亲水端朝向 疏水的脂肪酸烃链朝向 膜脂质熔点较低 在体温条件下呈液态 使膜具有流动性 二 细胞膜蛋白质 细胞膜的功能主要是通过膜蛋白实现的 参与物质跨膜物质转运功能的蛋白有 载体 通道 离子泵 三 cellmembrane糖类 形式 糖蛋白或糖脂 功能 抗原功能 受体功能 二 物质的跨膜转运transportofsubstancesthroughthecellmembrane 单纯扩散膜蛋白介导的跨膜转运 通道介导的跨膜转运 经通道易化扩散 载体介导的跨膜转运 经载体易化扩散原发性主动转运继发性主动转运出胞和入胞 二 物质的跨膜转运形式 转运形式 一 单纯扩散simplediffusion概念 是指脂溶性小分子物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散的现象 单纯 简单的物理扩散转运的物质有 O2 CO2 N2 NH3 乙醇 尿素 类固醇类激素等 特点 不需要外力 不消耗能量 被动过程 单纯扩散的影响因素 膜两侧分子的浓度差 膜对物质的通透性 通透性大 通透性小 CO2 i CO2 o O2 o O2 i 二 膜蛋白介导的跨膜转运 可分为两大类 经通道介导的易化扩散被动转运经载体介导的易化扩散原发性主动转运主动转运继发性主动转运 Passivetransport Activetransport Channelmediatedfacilitateddiffusion Carriermediatedfacilitateddiffusion PrimaryActivetransport SecondaryActivetransport 1 通道介导的跨膜转运 又称为 经通道易化扩散 facilitateddiffusionviaionChannel 易化扩散概念 是指非脂溶性或脂溶性小的物质 在膜特殊蛋白质的帮助下 由高浓度一侧通过细胞膜向低浓度一侧扩散的现象 经通道易化扩散转运特点 转运的物质 各种带电离子 Na K Ca2 Cl 转运的特点 通道的离子选择性 有相对特异性 门控特性 有 开放 和 关闭 两种功能状态 转运速率远大于载体转运 通道易化扩散动画 通道 闸门 的门控机制 门控 gating 机制 电压门控通道 开 闭受膜两侧电位差控制化学门控通道 开 闭受某些化学物质控制机械门控通道 开 闭受机械刺激控制 2 经载体介导的跨膜转运 类型 被动转运主动转运 1 经载体易化扩散 2 原发性主动转运 3 继发性主动转运 1 经载体易化扩散 指水溶性小分子物质经载体 转运体 介导顺浓度梯度和 或 电位梯度进行的被动跨膜转运 形式 单 物质 转运同向转运反向转运 或交换 经载体易化扩散的特点 转运的物质 葡萄糖 氨基酸等 转运的特点 顺浓度梯度进行 转运速度比单纯扩散快 有饱和现象 有高度的结构特异性 有竞争性抑制 载体介导的易化扩散动画 2 原发性主动转运 概念 转运的物质 是指细胞通过 膜蛋白 的活动 直接利用ATP供给的能量 将某物质逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程 主要是带电离子 因此 转运某离子的膜蛋白称为 离子泵 ionpump 常见的有钠 钾泵 钙泵 氢泵 氯泵 碘泵等 以钠 钾泵的活动最为重要 PrimaryActivetransport 钠 钾泵 钠泵 钠泵的本质 钠泵的激活 是镶嵌在膜上的一种特殊蛋白质 具有酶的功能 当细胞内Na 浓度增高或细胞外K 浓度增加时可被激活 激活的钠泵可分解ATP获得转运物质的能量 用于Na K 的转运 因此 钠泵又被称为Na K 依赖式ATP酶 Na pump活动的作用 钠泵活动的作用 钠泵每分解1分子ATP可将3个Na 移出胞外 同时将2个K 移入胞内 从而造成细胞内高钾 细胞外高钠环境 Na pump活动的生理意义 细胞内高钾是胞质内许多代谢反应所必需的 维持胞内正常渗透压和细胞容积的相对稳定 膜内外钠钾的浓度差是生物电产生的基础 建立Na 的跨膜浓度梯度 为许多物质继发性主动转运提供势能储备 动力 是生电性的 使膜内电位负值增大 3 继发性主动转运 特点 所需能量不直接来自ATP分解 转运体蛋白的类型 同向转运体 如Na 葡萄糖同向转运体 Na 氨基酸同向转运体 反向转运体 又称交换体 如Na Ca2 交换体Na H 交换体 概念 是指细胞通过膜上 转运体 蛋白的作用 借助于膜两侧Na 的浓度势能 所进行的同向或反向物质转运的过程 SecondaryActivetransport 三 出胞和入胞 入胞作用 endocytosis 出胞作用 exocytosis 是指大分子物质或物质的团块借助于与细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程 是指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程 如神经末梢释放神经递质的过程 出胞和入胞作用的模式图 出胞作用动画1 出胞作用动画2 受体介导入胞 指通过被转运物与膜受体的特异结合 选择性地促进其进入细胞的一种入胞方式 入胞作用动画 返回目录 第二节细胞的信号转导人体要实现自身复杂的功能及适应环境的各种变化 细胞之间必须有完善的信息联系 即具有信号转导功能 signaltransduction 细胞信号转导系统 细胞间的通讯细胞的跨膜信号转导细胞内的信号转导系统及其始动功能 跨膜信号转导的一般步骤 特定的细胞释放信息物质 信息物质经扩散或血循环到达靶细胞 与靶细胞的受体特异性结合 受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统 靶细胞产生生物学效应 膜受体介导的信息传递 胞内受体介导的信息传递 跨膜信号转导的路径有三 G蛋白耦联受体介导的信号转导 离子通道受体介导的信号转导 酶耦联受体介导的信号转导 离子通道型受体属于化学门控通道 其接受的化学信号绝大多数是神经递质 故也称递质门控通道 又由于激活后可引起离子的跨膜流动 故也称为促离子型受体 一 G蛋白耦联受体介导的信号转导 信号转导路径 受体配体膜受体 受体G蛋白ACh受体G蛋白效应器 AC GC PLC等 第二信使 cAMP IP3 DG Ca2 产生固有的生物学效应 二 G蛋白耦联受体信号转导的主要途径 1 受体 G蛋白 AC途径 G蛋白耦联受体 配体 受体复合物 配体 Gs Gi AC激活 AC抑制 生物效应 cAMP cAMP 2 受体 G蛋白 PLC途径 见第十一章图11 3 二 离子通道受体介导的信号转导 1 化学门控通道此类离子通道受体又称促离子型受体 其接受特殊化学物质 配体刺激 同时受体蛋白本身又是离子通道 2 电压门控通道和机械门控通道此类离子通道通常不称为受体 但它们是事实上的接受电信号和机械信号刺激的 受体 三 酶耦联受体介导的信号转导 一 酪氨酸激酶受体此类受体与酶是同一个蛋白分子或者可以直接激活胞质侧酪氨酸激酶 二 鸟苷酸环化酶 GC 受体此类受体与酶也是同属一个蛋白分子 一旦配体与该受体结合 便激活GCGTP环化生成cGMPPKG实现信号转导 返回目录 第三节 细胞的生物电现象 BioelectricPhenomenaofCell 一 膜的被动电学特性和电紧张电位 一 膜电容和膜电阻 二 电紧张电位 二 静息电位及其产生机制 一 细胞的静息电位1 静息电位的概念 conceptoftherestingpotential 是指细胞在未受刺激时存在于细胞膜内 外两侧的电位差 2 静息电位的引导方法 见下图 MechanismoftheRestingPotential 静息电位的引导方法示意图 methodofrecordoftherestingpotential 探察电极 参考电极 示波器 放大器 神经标本 接地 静息电位的测量 二 静息电位模拟实验 一 细胞的静息电位 3 与静息电位相关的几个名词概念极化 polarization 与静息电位相对应 指内负外正的状态 超极化 hyperpolarization 指静息电位负值增大 去极化 depolarization 指静息电位负值减小 反极化 antipolarization 和超射 overshoot 前者指细胞内电位的翻转 后者指膜电位高于零电位的部分 复极化 repolarization 细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程 二 静息电位产生的机制1 1 细胞膜两侧K Na Cl 分布不均匀 如表2 1 2 细胞膜对各种离子具有选择性通透 细胞在安静时 对K 通透性大 对Na 通透性小 仅为的1 1 50 而对A 细胞内有机负离子 则几乎不通透 3 静息电位是K 的平衡电位 即是K 的单独移动达到平衡时的电位值 细胞膜内外离子的不均匀分布 表2 1哺乳动物神经元细胞内外液中主要带电离子的浓度和平衡电位 温度 37 离子细胞外液 mmol L 胞质 mmol L 平衡电位 mv Na 14518 56 K 3140 102 Cl 1207 76 Ca2 1 20 1 mol L 125 二 静息电位产生的机制2 K 的平衡电位 K equilibriumpotential Ek 产生过程 1 安静时 离子跨膜扩散的驱动力有二 浓度差和电位差 2 Ek是电化学驱动力为零时的膜电位值 3 Ek主要是由膜两侧K 浓度差决定的 并可利用Nernst公式来计算 不同细胞静息电位测量值不同动画 静息电位形成机制小结 1 Ek主要是由膜两侧K 浓度差决定的 因而Ek受细胞外K 浓度改变的影响 2 静息电位的大小受细胞膜对Na K 相对通透性改变的影响 3 静息电位的大小也受钠泵活动水平的影响 静息电位产生机制复习 静息电位产生机制复习 动画 三 动作电位及其产生机制MechanismoftheActionPotential 一 细胞的动作电位1 动作电位的概念 动画 2 锋电位 Spike 后电位及其产生机制 动画 3 动作电位的特点 动画 1 动作电位的产生是 全或无 all or none 的 2 可从刺激点向周围进行不衰减性地传播 其幅度和波形始终保持不变 二 动作电位产生机制 1 安静时 Na 的电化学驱动力为 Em Ena 70mv 60mv 130mv2 动作电位期间膜电导的变化 细胞膜受刺激时 膜对Na 电导迅速增加 Na 在很强的电化学驱动力作用下形成Na 内向电流 inwardcurrent 动作电位产生机制动画 3 膜电导与离子通道 利用膜片钳 patchclamp 技术可以记录到单个离子通道的电流 单个通道仅呈现关闭和开放两种状态 膜电导变化实质是众多离子通道开 闭的总和效应 膜片钳实验图片 返回目录 4 动作电位的引起 阈电位 thresholdpotential 概念 是指能引起细胞产生动作电位的临界膜电位值 阈电位相当于可燃物质的燃点 外加刺激的作用仅起点燃 触发 的作用 钠通道的开放是电压依赖性的 钠通道激活与Na 内流之间表现有正反馈效应 动作电位的引起动画 钠通道开放与Na 内流之间的正反馈效应图示 动作电位产生机制小结1 局部反应 localresponse 局部反应 或局部兴奋 概念 局部电位特点 具有等级性 不表现 全或无 的特征 只能在刺激局部形成电紧张性传播 即向周围呈衰减性的传导 没有不应期 具有总和效应 局部电位在体内见于 终板电位 感受器电位 突触后电位 电紧张性传播图示 局部电位的特点动画 局部电位与动作电位的区别 三 动作电位在同一细胞上的传导 局部电流学说 刺激动作电位在膜上产生局部电流局部电流的流动成为新的刺激产生新的动作电位 如此循环往复直至兴奋传遍整个细胞膜 兴奋在同一细胞上的传导动画 兴奋在有髓鞘神经纤维上的传导动画1 四 缝隙连接 四 组织的兴奋和兴奋性 一 兴奋和可兴奋细胞 兴奋 excitation 是指细胞接受刺激发生反应 产生动作电位 的过程 可兴奋细胞 excitablecell 包括神经细胞 肌细胞和腺细胞 当接受刺激时 它们首先发生的共同反应是动作电位 然后 再通过兴奋 收缩耦联 兴奋 分泌耦联产生各自具体反应 二 组织的兴奋性和阈刺激 兴奋性 excitability 的概念 可兴奋细胞接受刺激产生动作电位的能力 刺激的三要素 刺激的强度 刺激的时间 刺激强度对时间的变化率 衡量细胞兴奋性高低的常用指标 阈强度 thresholdintensity 复习 刺激能否引起反应的三要素 1 刺激强度2 作用时间3 时间 强度变化率 刺激的强度 时间曲线 三 细胞兴奋后兴奋性的变化图片 细胞兴奋后兴奋性的变化小结 返回目录 第四节 肌细胞的收缩mechanicsofskeletalmusclecontraction 一 横纹肌 一 骨骼肌神经 肌接头处兴奋的传递1 神经 肌接头的结构 2 神经 肌接头处兴奋传递的过程 神经 骨骼肌接头处兴奋传递的过程 AP传到轴突末梢 接头前膜去极化 电压门控钙通道开放 钙内流 ACh量子式释放 向前膜扩散 ACh与终板膜ACh受体通道结合 终板膜对Na K 通透性 Na 内流大于K 外流 终板电位 引发肌膜AP ACh被胆碱酯酶及时水解 使信号1 1传递 神经 肌肉接头兴奋的传递特点 1 1传递 单向传递 时间延搁 对内环境变化和药物敏感与易疲劳 返回 神经 肌肉接头兴奋传递的影响因素 表2 2影响神经 肌肉接头兴奋传递的因素 影响环节代表性疾病作用机制 Ach的释放 递质与受体的结合 Ach的降解 细胞外Mg2 浓度升高与Ca2 竞争 使Ca2 内流减少细胞外Ca2 浓度降低Ca2 内流减少 Ach释放减少肉毒毒素中毒抑制Ach释放肌无力综合症自身免疫性抗体破坏了神经末梢Ca2 通道 重症肌无力自身免疫性抗体破坏了终板膜上的N2受体通道筒箭毒阻断终板膜上的N2受体通道 新斯的明抑制胆碱酯酶的活性有机磷农药抑制胆碱酯酶的活性解磷定恢复胆碱酯酶的活性 二 横纹肌细胞的微细结构 2 三联管结构 LSR JSR 终池 三联管处信息传递作用动画 三 横纹肌的收缩机制 肌丝滑行理论1 1 肌丝的分子组成 细肌丝 横纹肌的收缩机制 Ca2 激活收缩蛋白 2 横纹肌的收缩过程 横桥周期 横桥周期越短 肌肉收缩速度越快 1 舒张 2 舒张 4 收缩 3 收缩 横纹肌的收缩过程 横桥扭动 等长收缩 桥臂产生弹性变 横桥的作用动画 四 横纹肌的兴奋 收缩耦联 肌肉收缩过程要点 1 收缩蛋白质是指 调节蛋白质是指 2 三联管是肌肉收缩的关键部位 Ca2 是兴奋 收缩耦联的关键离子 3 肌肉的收缩和舒张均是耗能的 4 横桥周期的长短决定肌肉的缩短速度 心肌与骨骼肌收缩特点比较 心肌 骨骼肌 80 90 来自SR的释放 胞质内Ca2 的来源 100 来自SR的释放 肌质网Ca2 释放特点 表现为钙触发钙释放 不需要细胞外液Ca2 内流触发 胞质内Ca2 的回收形式 钙泵和Na Ca2 交换 全部被肌质网膜上的钙泵回收 五 影响横纹肌收缩效能的因素 肌肉收缩效能 performanceofcontraction 包括产生的张力 缩短程度 张力变化或缩短的速度 肌肉收缩的形式 等长收缩 等张收缩 单收缩 强直收缩 不完全强直收缩和完全强直收缩 生理情况下 骨骼肌的收缩都是强直收缩 骨骼肌单收缩曲线 肌肉收缩的形式图1 1 前负荷 肌肉的长度 张力关系曲线 前负荷 preload 初长度 initiallength 最适初长度 optimalinitiallength 的概念 前负荷 preload 实验图示 前负荷 preload 作用 因为前负荷肌节初长度粗细肌丝的重叠程度肌张力 肌节最适初长 2 0 2 2 m 时 粗细肌丝重叠最佳 肌肉收缩速度 幅度和张力最大 大于最适初长时 粗细肌丝重叠减少 肌肉收缩速度 幅度和张力下降 小于最适初长时 粗细肌丝重叠也减少 肌肉收缩速度 幅度和张力增大 但不如最适初长时 所以 前负荷增大或减小肌节长度都远离最适初长度肌张力减小 肌肉等长收缩时的长度 张力关系 前负荷对肌肉收缩的影响小结 在一定范围内 初长度增加 收缩张力增加 在最适