第二章细胞的基本功能

.,第二章细胞的基本功能,第一节细胞膜的基本结构和物质转运功能第二节细胞膜的生物电现象第三节肌的收缩功能,.,掌握：细胞膜的物质转运功能;静息电位、动作电位的概念及产生原理.熟悉：极化与去极化、负极化与超极化、兴奋-收缩偶联、等长收缩与等张收缩的概念;细胞膜的受体功能,.,细胞膜是每个细胞把自己的内容物包围起来的一层薄膜，也称为质膜。厚度7.5nm。其一般结构为液态镶嵌模型。,液态镶嵌模型：以液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌有不同生理功能的球形蛋白质。,第一节细胞膜的基本结构和物质转运功能,一、细胞膜的基本结构,.,.,二、膜的化学组成和分子结构,(一)脂质双分子层,以液态的脂质双分子层为基架，具有稳定性和流动性。,.,.,构成细胞膜的脂质主要以磷脂类分子为主，以双分子层的形式包被在细胞表面。,磷脂类约占膜脂质的70%，包括磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇；其次是胆固醇，一般低于30%。,.,所有的膜磷脂分子都是双嗜性分子，磷脂一端的磷酸和碱基是亲水性极性基团，另一端酯酰基长烃链则是疏水性非极性基团。每个磷脂分子中由磷酸和碱基构成的基团，都朝向膜的外表面或内表面，而两条较长的脂酸烃链则在膜的内部两两相对。,.,脂质双分子层的主要功能：是限制膜两侧水溶性物质的自由通过，发挥屏障作用。胆固醇分子散步于磷脂分子之间，其意义在于可以稳固磷脂分子形成的双分子层，从而保持膜的稳定性。,.,(二)细胞膜蛋白质,镶嵌或贯穿于脂质双分子层中，生物膜具有的各种功能大多与其有关。,.,.,细胞膜蛋白质约占细胞膜重量的55%。有表面蛋白和整合蛋白两种形式：表面蛋白肽链中带电的氨基酸或基团与膜两侧的脂质极性基团相互吸引，使蛋白分子附着在膜的表面，因此叫表面蛋白。整合蛋白肽链一次或多次反复贯穿整个脂质双分子层，两端露出在膜的两侧。,.,(三)细胞膜糖类多为短糖链，以共价键的形式与膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。,有些作为抗原决定族=免疫信息(血型)；,.,.,三、细胞膜的功能特性1.流动性2.不对称性,.,二、细胞膜的跨膜物质转运功能,细胞膜的物质转运功能是细胞维持正常代谢，进行各项生命活动的基本功能。,.,常见的细胞膜物质转运形式有1.单纯扩散易化扩散2.膜蛋白介导的跨膜转运主动转运3.出胞和入胞,.,小分子或离子的跨膜运转根据其是顺浓度差还是逆浓度差，或消耗能量与否，分为被动转运和主动转运两大类。,.,被动转运是指小分子物质顺电位差或化学梯度转运过程。特点：不直接消耗能量；顺电-化学梯度（浓度差）进行,分类：单纯扩散；易化扩散,.,主动转运通过某种耗能过程将一些离子或物质分子逆浓度差或逆电位差进行的跨膜转运过程，称为主动转运。特点：需要消耗能量,能量由分解ATP来提供；依靠特殊膜蛋白(如离子泵)的“帮助”；逆电-化学梯度（浓度差）进行。,.,分类：原发性主动转运；Na+-K+泵、H+-K+泵继发性主动转运；葡萄糖的跨膜转运入胞和出胞。吞噬过程、腺体分泌,.,（一）单纯扩散单纯扩散：细胞外液和细胞内液中的一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。特点：脂溶性物质；顺浓度差如人体内O2、CO2、NO、脂肪酸和类固醇等的跨膜扩散。,.,.,通过单纯扩散转运的物质有O2、CO2、NH3、N2、尿素、乙醚、乙醇、类固醇类激素等少数几种。体内一些甾体（类固醇）类激素也是脂溶性的，也能够靠单纯扩散由细胞外液进入胞浆，但近来认为它们也可以在膜上某些特殊蛋白质的“帮助”下较快地进入细胞。,.,（二）易化扩散一些非脂溶性或脂溶性很小的物质,在特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。,.,易化扩散的两种形式：依靠通道的易化扩散依靠载体的易化扩散,.,依靠通道的易化扩散能使离子通过其水相孔道越膜进行扩散的蛋白质称为离子通道。目前发现在细胞膜上转运Na+、K+、Ca2+、Cl-等离子的通道有几十种。,.,转运的物质:各种带电离子,.,依靠载体的易化扩散载体蛋白具有一个至数个与某种被转运物质相结合的位点，当与某种物质分子选择性地结合时，载体蛋白的变构作用使被结合的底物移向膜的另一侧。葡萄糖、氨基酸顺浓度差的跨膜转运就属于这种类型的易化扩散。,.,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）,.,(二)主动转运概念：指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。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。,.,分类：,如:Na+-K+泵、Ca2+-Mg2+泵、H+-K+泵等,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）；,.,泵转运Na+-K+泵Na+-K+泵又称Na+-K+-ATPase，简称钠泵。,当Na+iK+o时，都可被激活，ATP分解产生能量，将胞内的3个Na+移至胞外和将胞外的2个K+移入胞内。,.,.,通道转运与钠-钾泵转运模式图,.,维持Na+o高、K+i高原先的不均匀分布状态,2K+泵至细胞内;3Na+泵至细胞外,分解ATP产生能量,当Na+i/K+o激活,钠-钾泵:,.,2.继发性主动转运概念：间接利用ATP能量的主动转运过程。即逆浓度梯度或逆电位梯度的转运时，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,.,3.入胞和出胞式转运一些大分子物质或团块进出细胞,是通过细胞本身的吞吐活动进行的,亦可属于主动转运过程。出胞:指细胞把成块的内容物由细胞内排出的过程。主要见于细胞的分泌过程：如激素、神经递质、消化液的分泌。,.,.,入胞:指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过程。分为：吞噬=转运物质为固体;吞饮=转运物质为液体。,.,.,第二节细胞的跨膜电变化,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。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。,.,人体及其他生物体的可兴奋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。跨膜电位：生物细胞以膜为界，膜内外的电位差，称跨膜电位或简称膜电位。跨膜电位有两种表现形式：即安静状态下的静息电位与兴奋时的动作电位。,.,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。动作电位：细胞活动时，细胞膜内外存在的变化的电位波动。,.,要在膜两侧形成电位差，必须具备两个条件：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。,.,概念：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。,一、静息电位,.,1.证明静息电位的实验,（1）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。,.,（2）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、外之间有电位差。,.,（3）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。,.,2.与静息电位（RP）相关的概念极化:以膜为界，膜电位呈外正内负的状态。超极化:膜内外电位差的绝对值增大称为超极化(例如由-70-90mV)。去极化:膜内外电位差的绝对值减小称为去极化(例如由-70-50mV)。复极化:去极化后再向极化状态恢复的过程。,.,3.静息电位的产生机制,1.静息电位的产生条件,Na+oNa+i101（膜外高Na+）K+iK+o311（膜内高K+）Cl-oCl-i141A-iA-o41,(1)静息状态下细胞膜内外离子分布不均,.,.,(2)静息状态下细胞膜对离子的通透性不同膜通透性的大小：K+（最大）Cl-Na+A-膜通透性的本质：K+通道处于开放状态，Na+通道则处于关闭状态。,.,.,静息状态下细胞膜内外主要离子分布及膜对离子通透性,.,（二）动作电位1.概念：可兴奋细胞受到刺激，细胞膜在静息电位基础上发生一次短暂的、可逆的,并可向周围扩布的电位波动称为动作电位。,.,去极化,上升支,下降支,2.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,.,3.动作电位的特征：是非衰减式传导的电位。具有“全或无”的现象：即同一细胞上的AP大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。4.动作电位的意义：AP的产生是细胞兴奋的标志。,.,5.动作电位（AP）的产生机制,(1)AP产生的基本条件:膜内外存在Na+差:Na+iNa+O110；膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：即电压门控性Na+、K+通道激活而开放。,.,.,当细胞受到刺激,细胞膜上少量Na+通道激活而开放,Na+顺浓度差少量内流膜内外电位差局部电位,当膜内电位变化到阈电位时Na通道大量开放,Na+顺电化学差和膜内负电位的吸引再生式内流,Na+i、K+O激活Na+K+泵,(2)AP的产生机制:,膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支）,Na+通道关Na+内流停+同时K+通道激活而开放,K顺浓度差和膜内正电位的吸引K迅速外流,膜内电位迅速下降，恢复到RP水平（AP下降支）,Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平后电位,.,1.AP的上升支是由Na内流形成的，下降支是K外流形成的，后电位是NaK泵活动增强引起的。2.AP的产生是不消耗能量的，AP后期膜内外离子浓度的恢复是消耗能量的过程（因为NaK泵分解ATP）。3.动作电位（AP）Na的平衡电位,总结：,.,6.动作电位的引起与传导,动作电位的引起与阈电位(1)阈电位与动作电位：阈电位是细胞膜膜电位的数值，当膜电位去极化到某一临界值，就出现膜上的钠通道大量开放，Na+大量内流而产生动作电位，膜电位的这个临界值称为阈电位。,.,阈电位一般比静息电位的绝对值小1020mV，在神经和肌肉细胞，阈电位为-50-70mV。,.,凡是能引起细胞兴奋的外加刺激，必定是其强度和作用时间等参数足以使膜电位去极化到阈电位的那些刺激。简而言之，外部给细胞一个阈刺激即使细胞的膜电位到达阈电位因而爆发动作电位。,.,（2）局部反应和总和局部反应：阈下刺激不能产生动作电位，但可使受刺激局部细胞膜的钠离子通道少量开放，钠离子少量内流，使受刺激的膜局部出现较小的膜的去极化反应称局部反应，也称局部兴奋。,.,特点：不具有“全或无”现象。局部电位的幅度随刺激量的增强而增大。依电紧张方式扩布。局部电位的幅度随传播距离增大而逐渐减小直至消失。具有总和效应：时间性总和与空间性总和。,.,动作电位的传导（1）传导机制细胞膜某一部分产生动作电位，沿着细胞膜不衰减地传导至细胞的其他部位，这一过程可以理解为在动作电位的反极化状态下，产生了从兴奋局部的膜内向邻近未兴奋部位膜内的电流，以及从邻近未兴奋部位的膜外向兴奋局部的膜外的电流，这种现象称为局部电流。,.,静息部位膜内为负电位，膜外为正电位兴奋部位膜内为正电位，膜外为负电位,在兴奋部位和静息部位之间存在着电位差,膜外的正电荷由静息部位向兴奋部位移动膜内的负电荷由兴奋部位向静息部位移动,形成局部电流,膜内：兴奋部位相邻的静息部位的电位上升膜外：兴奋部位相邻的静息部位的电位下降,去极化达到阈电位，触发邻近静息部位膜爆发新的AP,局部电流：,.,（2）传导特点1、生理完整性2、不衰减性或“全或无”现象3、双向性,.,第三节肌的收缩功能,骨骼肌的收缩是在中枢神经系统控制下完成的，每个肌细胞都受到来自运动神经元轴突分支的支配，当神经冲动传到末梢时，兴奋经神经骨骼肌接头传递给肌肉，引起肌肉的兴奋和收缩。,.,1.神经递质在神经-肌接头处的信息传递过程,当神经冲动传到轴突末,膜Ca2通道开放，膜外Ca2向膜内流动,囊泡中的ACh释放(量子释放),ACh与终板膜上的受体结合，受体蛋白分子构型改变,终板膜对Na、K(尤其是Na)通透性,终板膜去极化终板电位（EPP）,去极化达到阈电位,爆发肌细胞膜动作电位,.,.,2.骨骼肌的收缩过程,粗肌丝:由肌球蛋白组成，其头部有一膨大部横桥,（1）骨骼肌肌原纤维主要由粗、细肌丝规则排列形成的肌节而组成的。,细肌丝：由肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白组成,.,细肌丝:肌动蛋白（肌纤蛋白）：表面有与横桥结合的位点，静息时被原肌球蛋白掩盖。原肌球蛋白（原肌凝蛋白）：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,.,（2）兴奋-收缩偶联：动作电位引发了骨骼肌收缩的机制,骨骼肌的兴奋-收缩耦联三个主要步骤：电兴奋沿肌膜和横管系统向肌细胞深处传导三联管（体）处的信息传递肌浆网释放Ca2+，触发肌丝滑行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,终池膜上的钙通道开放终池内的Ca2+进入