《生理学》教学课件-第二章 细胞的基本功能

第一章细胞的基本功能,第一节细胞膜的基本结构和跨膜物质转运功能,第三节细胞的生物电现象,第四节肌细胞的收缩功能,第二节细胞的跨膜信号转导功能,第一节细胞膜的基本结构和跨膜物质转运功能,一、细胞膜的结构和化学组成,细胞膜是细胞最基本的膜结构形式，故称为单位膜。,细胞膜的分子排列结构，目前公认的是“液态镶嵌模型”（fluidmosaicmodel）。其基本内容为：细胞膜是以液态脂质双分子层为基架，其中镶嵌着不同生理功能的蛋白质。,二、细胞膜的跨膜物质转运功能小分子物质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(passivetransport)是指小分子物质顺电位差或化学梯度的转运过程。特点：不直接消耗能量；顺电-化学梯度进行分类：单纯扩散；易化扩散,（一）单纯扩散(simplediffusion)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。如人体内O2、CO2、NO、脂肪酸和类固醇等的跨膜扩散。,（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。易化扩散有两种形式：通道介导的易化扩散离子通道（ionchannel）：（水相孔道）Na+、K+、Ca2+、Cl-等离子的通道有几十种。载体介导的易化扩散载体蛋白：（结合位点）葡萄糖、氨基酸,依靠通道的易化扩散,转运的物质:各种带电离子,离子通道的特性与分类具有相对特异性离子跨膜扩散的动力膜两侧离子浓度差和电位差（亦称电化学梯度）所形成的扩散势能。离子跨膜扩散的条件离子通道必须是开放的。门控过程:离子通道在未激活时是关闭的，在一定条件下“闸门”被打开，才允许离子通过，这一过程称为门控过程，时间一般都很短，为数个或数十个ms。,门控离子通道的分类1.电压门控通道（Voltagegatedchannel）在膜去极化到一定电位（阈电位）时开放，如神经元膜上的Na+通道。2.化学门控通道（chemicallygatedchannel）受膜外某些化学物质的作用而开放，已知N型乙酰胆碱受体本身包含Na+、K+离子通道，当Ach与受体结合时通道开放，Na+、K+同时扩散转运。3.机械门控通道（mechanicallygatedchannel）膜的局部受牵拉变形时该类通道被激活，如触觉的神经末梢、听觉的毛细胞、血管壁上的内皮细胞以及骨骼肌细胞等都存在这类通道。,依靠载体的易化扩散,转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子亲水物质,依靠载体易化扩散的特点:结构特异性高饱和现象载体蛋白分子的数目、结合位点的数目竞争性抑制,渗透扩散：渗透压低渗透压高水的跨膜转运是由渗透压差所驱动。,（三）离子的主动转运细胞膜通过离子泵将一些离子逆浓度差或逆电位差进行的转运过程，称为离子的主动转运。主动转运消耗的能量几乎都是由ATP分解提供的。主动转运特点：需要消耗能量，能量由分解ATP提供；依靠特殊膜蛋白质（离子泵）的“帮助”；是逆电-化学梯度进行的。,钠-钾泵：钠-钾泵是镶嵌在细胞膜脂质双分子层中的一种特殊蛋白质，它本身具有ATP酶的活性，可以分解ATP获得能量，进行Na+和+的主动转运，因此又称为Na+K+依赖式ATP酶。,钠泵活动时，它泵出Na+和泵入+这两个过程是同时进行、耦联在一起的，称排钠摄钾。,离子通道转运与钠-钾泵转运模式图,维持细胞外高Na+o、细胞内高K+i的特殊分布状态,将2K+泵至细胞内；3Na+泵至细胞外,分解ATP获得能量,当Na+i/K+o时被激活,（1）钠-钾泵的作用,（2）钠泵活动的生理意义（P15）钠泵活动形成的胞内高K+是许多代谢过程的必需条件；钠泵将Na+排出细胞，将减少水分子进入胞内，对维持细胞的正常体积有一定意义；钠泵活动能逆着浓度差和电位差进行Na+、K+的主动转运，因而建立起一种离子的势能贮备；这种离子的势能贮备是细胞外Na+和细胞内K+等顺着浓度差和电位差扩散的能量来源。,钙泵主要分布在骨骼肌和心肌细胞的肌浆网上，通过分解ATP获得能量，逆着浓度差将肌浆中的Ca2+转运到肌浆网内。3.氢泵（H+-K+-ATPase）氢泵又称质子泵，主要分布在胃粘膜的壁细胞上，与胃酸的分泌有关。,2.钙泵（Ca2+-Mg2+-ATPase）,继发性主动转运或协同转运协同转运正向协同转运（同向转运）反向协同转运（逆向转运）,（三）胞纳和胞吐细胞通过膜的变形和破裂，使某些大分子物质或团块进出细胞的过程，分别称为出胞和入胞。出胞和入胞均需消耗能量，故也属于主动转运。胞吐:是指细胞内某些大分子物质或物质团块排出细胞的过程，又称出胞。如：分泌胞纳:指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过程，又称胞纳入胞。如：吞噬；吞饮。,胞吐示意图,胞纳示意图,第二节细胞的跨膜信号转导,跨膜信号转导的过程：配体受体生物效应（细胞外信号物质）（细胞接受信息装置）（靶细胞）跨膜信号转导主要涉及到：胞外信号的识别与结合、信号转导、胞内效应等三个环节。跨膜信号转导方式大体有以下三类：G蛋白偶联受体介导的信号转导酶偶联受体介导的信号转导离子通道介导的信号转导,一、G蛋白偶联受体介导的信号转导(一)cAMP信号通路,神经递质、激素等（第一信使）,兴奋性G蛋白(GS),激活腺苷酸环化酶(AC),ATP,cAMP,细胞内生物效应,激活蛋白激酶A,与G蛋白偶联受体结合,激活G蛋白,(二)磷脂酰肌醇信号通路,激素（第一信使）,兴奋性G蛋白(GS),激活磷脂酶C(PLC),PIP2,(第二信使）IP3和DG,激活蛋白激酶C,内质网释放Ca2+,激活G蛋白,细胞内生物效应,与G蛋白偶联受体结合,二、酶耦联受体介导的信号转导,生长因子、胰岛素等,与受体酪氨酸激酶结合,细胞内生物效应,膜受体与酶是同一蛋白分子，受体本身具有酶的活性，又称受体酪氨酸激酶。,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,三、离子通道介导的信号转导,化学性胞外信号(如递质Ach),递质与膜受体结合,膜受体耦联的离子通道开放,离子（Na+）内流,产生局部电位,总和后细胞兴奋或抑制,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（bioelectricity）。如：心电图、脑电图、肌电图等,第三节细胞的生物电现象,一、神经和骨骼肌细胞的生物电现象,（一）生物电现象的观察和记录方法（略）,阴极射线示波器：,微电极（细胞内）记录单一细胞生物电变化电压钳技术记录含有大量离子通道的膜行为膜片钳技术记录单一离子通道的电流和电导,（二）细胞的跨膜静息电位和动作电位膜电位:生物细胞以膜为界，膜内外的电位差简称跨膜电位。（membranepotential）生物电现象的两种表现：安静状态静息电位(RP)兴奋状态动作电位(AP),1.细胞的跨膜静息电位：(RP)静息电位:细胞处于安静状态时，膜内外存在的电位差。静息电位的范围：-10-100mV之间极化:以膜为界，外正内负的状态。,2.细胞的动作电位：(AP)动作电位：神经细胞、肌肉细胞在受到刺激发生兴奋时细胞膜在原有静息电位的基础上发生一次迅速而短暂的电位波动，细胞兴奋时发生的这种短暂的电位波动是细胞兴奋的指标。,去极化上升支反极化或超射锋电位下降支复极化动作电位后电位负后电位正后电位单一神经或肌细胞动作电位的特性：1.“全或无”定律2.可扩播性3.不衰减传导,去极相,上升支,下降支,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,后电位（负、正）,复极相,锋电位、后电位,去极化（除极）：膜内、外电位差向小于RP值的方向变化的过程。(例如由-70-50mV)反极化（超射）:细胞膜由外正内负的极化状态变为内正外负的极性反转过程。复极化:去极化后再向极化状态恢复的过程。超极化:RP的绝对值增大(例如由-70-90mV),（三）生物电现象产生的机制,细胞膜对各种离子的通透性不同：安静时：K+Cl-Na+A-兴奋时：膜对Na+的通透性突然增大,1.细胞膜内外两侧的离子分布,2.静息电位与K+的平衡电位细胞处于安静状态时，膜内外两侧存在的电位差，称为静息电位(restingpotentialRP)。,RP实验现象：,1.证明静息电位的实验,（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。,静息状态下细胞膜内、外离子分布不均：细胞膜外的主要是Na+、Cl-细胞膜内的主要是K+、A-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-静息状态下细胞膜主要对K+有通透性。,静息电位的产生条件,膜内：,膜外：,静息状态下细胞膜主要对K+有通透性：,促使K+外流的动力：膜两侧K+的浓度差，阻止K+外流的阻力：膜两侧的电位差当动力（浓度差）阻力（电位差）K+的跨膜净通量零，此时的电位差值称为K+的平衡电位。,静息电位（RP）=K+的平衡电位,3.动作电位与Na+的平衡电位动作电位（AP）是细胞受到刺激后，在静息电位基础上发生的一次可扩布的快速而可逆的电位变化，,（1）动作电位产生的条件膜内外存在Na+的浓度差:Na+iNa+O110；即细胞膜外Na+浓度比细胞膜内高10倍左右。膜受到刺激时，对Na+的通透性突然增加：即细胞膜上的电压门控性Na+通道激活开放。,3.动作电位的产生机制,细胞膜电压门控性Na+通道激活开放，Na+内流,促使Na+内流的动力：Na+浓度差、电场引力阻止Na+内流的阻力：电位差,当动力和阻力达到动态平衡时，Na+的净扩散通量为零，此时的电位差值称为Na+的平衡电位。,Na+通道失活，K+继续外流，使膜电位恢复到RP水平。,Na+i、K+O激活Na+K+泵,细胞受到刺激时,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大量内流,膜内负电位减小到零并变为正电位（超射）,Na+通道关Na+内流停+同时K+通透性增加,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+i、K+O激活Na+K+泵,Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平后电位,（1）AP的产生机制,结论：AP的去极相：由Na快速内流形成Na通道阻断剂：河豚毒（TTX）AP的复极相：是Na内流停止、K外流形成K通道阻断剂：四乙胺（TEA）复极后：NaK泵加速活动，排Na摄K,二、兴奋的引起和兴奋在同一细胞上的传导,（一）刺激引起兴奋的条件刺激的种类：化学、机械、温度、光、电、声等。刺激需要具备三个条件：一定的强度一定的持续时间一定的时间强度变化率,电刺激仪提供的电刺激操作方便、刺激的条件易于控制，对组织、细胞不易损伤且重复性好。,为研究刺激的各参数之间的相互关系，可固定一个参数值，观察其余两个参数的相互关系。例如：当使用方波电脉冲作为刺激时,时间强度变化率固定不变。,强度,刺激的持续时间,时间,实验结果描绘曲线如下：,时间强度曲线,日常应用中，最简便的方法是采用阈值作为衡量组织兴奋性高低的指标。即：在刺激作用时间和强度时间变化率固定不变的条件下，能引起组织细胞兴奋所需的最小刺激强度即为强度阈值。阈值1/兴奋性达到强度阈值的刺激称为阈刺激，强度小于阈值的刺激称为阈下刺激，强度大于阈值的刺激称为阈上刺激。,（二）阈电位与动作电位,直流电刺激仪,阈电位：膜电位去极化达到能触发细胞膜产生动作电位的临界膜电位。阈刺激：是从外部加给细胞的刺激强度，是膜被动去极化到阈电位的外部条件。阈电位：是从细胞膜本身膜电位的数值来考虑，是膜自动去极化产生动作电位的膜本身条件。,简而言之，外部给细胞一个阈刺激，使细胞的膜电位到达阈电位因而爆发动作电位。阈刺激和阈电位的概念不同，但对于导致细胞最后产生动作电位的结果相同，故都能反映细胞的兴奋性。阈电位一般比静息电位的绝对值小1020mV，如：神经和肌肉细胞，阈电位为-50-70mV。,（三）阈下刺激、局部反应及其总和概念：阈下刺激引起的低于阈电位的去极化（即局部电位），称局部兴奋。,不具有“全或无”现象。依电紧张方式扩布。具有总和效应。即可产生时间性和空间性总和。,局部反应的特点：,时间性总和,空间性总和,（四）细胞兴奋及其恢复过程中兴奋性的规律变化及其本质,分期与AP对应关系兴奋性刺激绝对不应期锋电位无任何强大刺激相对不应期负后电位前期渐恢复阈上刺激超常期负后电位后期正常阈下刺激低常期正后电位正常阈上刺激,细胞在一次兴奋后其兴奋性要经历一个周期性变化过程。（兴奋周期）,绝对不应期的长短决定了组织在单位时间内所能接受刺激产生兴奋的次数。,离子通道的三种功能状态：以钠通道为例备用状态：通道处于静息状态，但能因刺激而使之开放。激活状态：细胞受刺激而兴奋时，钠通道被激活开放，钠离子大量内流，形成动作电位去极相。失活状态：超射值的顶点后钠通道开放的概率几乎下降到零，已进入失活状态而不再打开。这种由膜电位决定其功能状态的通道，称为电压依赖式通道。,（五）兴奋在同一细胞上的传导1.传导机制：局部电流,2.传导方式：,无髓鞘神经纤维:依次传导(为近距离局部电流),有髓鞘神经纤维:跳跃式传导(为远距离局部电流),一、骨骼肌细胞的微细结构,第四节肌肉的收缩功能,（一）肌小节是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。,（二）肌管系统横管系统：T管将肌细胞膜上电的变化沿横管传入细胞内。纵管系统：L管通过对钙的储备、释放和再积聚，触发和终止肌小节的收缩。三联管把肌细胞膜上电的变化和细胞内的收缩过程衔接或耦联起来的关键部位。,二、骨骼肌的兴奋-收缩耦联三个主要步骤：肌膜电兴奋的传导三联管处的信息传递肌浆网（纵管系统）中Ca2+的释放、再聚积,兴奋-收缩耦联：肌细胞的兴奋肌细胞的收缩,Ca2+,Ca2+是兴奋-收缩耦联的耦联物,（电变化）,（机械变化）,三、骨骼肌收缩的分子机制,肌丝的蛋白质分子结构：粗肌丝:肌球（肌凝蛋白）杆状部分支架、球状部分横桥横桥有两个主要特性：1.能与肌动蛋白呈可逆性结合，同时向M线方向扭动。2.具有ATP酶活性，作为横桥扭动和做功的能量来源,细肌丝:肌动蛋白：成为细肌丝主干，表面有与横桥结合的位点，原肌球蛋白：静息时掩盖横桥结合位点；起位阻效应作用肌钙蛋白：有Ca2+受体，与Ca2+结合变构后,使原肌球蛋白位移，暴露出结合位点。,横桥摆动动画,骨骼肌收缩机制：肌丝滑行理论,骨骼肌舒张:,肌丝滑行的基本过程：肌细胞兴奋终池释放Ca2+肌浆中Ca2+浓度升高(10-5mol/L)Ca2+与肌钙蛋白结合肌钙蛋白变构原肌球蛋白变构移位横桥与肌动蛋白相互结合横桥作用,触发肌丝滑行肌肉收缩。钙泵被激活，将钙逆浓度差摄回管，肌浆中Ca2+浓度降低(10-mol/L)以下时，Ca2+与肌钙蛋白解离，引起肌肉舒张。,1.等张收缩与等长收缩等张收缩:肌肉承受负荷肌肉本身收缩力时，只有长度缩短而张力不变的收缩,称为等张收缩。等长收缩:肌肉承受负荷肌肉本身收缩力时，只有张力增加而长度不变的收缩,称为等长收缩。,四、骨骼肌收缩的外部表现,(一)肌肉收缩的外部表现,根据肌肉的张力与长度的改变，肌肉收缩时可分为等张收缩和等长收缩两种形式：,2.单收缩与强直收缩根据所给肌肉的刺激频率不同，肌肉兴奋收缩时可呈单收缩和强直收缩两种形式：,单收缩：肌肉受一次刺激引发一次动作电位出现的一次机械收缩，可分为收缩期与舒张期两部分。,强直收缩:肌肉受到连