山东大学医学院生理探究所PPT课件

.,1,山东大学医学院生理研究所,.,2,第二章细胞的基本功能,.,3,本章重点：,细胞膜的基本化学组成和结构(复习）；物质跨膜转运的形式和原理；细胞的跨膜信号转导功能；细胞的生物电和有关现象；肌细胞的收缩活动。,.,4,第一节细胞膜的基本结构和物质转运功能,一、细胞膜的结构概要组成：脂质，蛋白质，糖类基本结构：流体镶嵌模型（fluidmosaicmodel),.,5,（一）脂质双分子层组成：70磷脂，30胆固醇存在形式：双分子层特点：具有流动性功能：1.屏障作用2.传递信息,.,6,脂质双分子层,.,7,1.磷脂动物细胞膜中主要的四种磷脂：磷脂酰胆碱(膜外侧)、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸。2.鞘脂类基本结构和磷脂类似，不含甘油(膜外侧)。3.胆固醇有一个甾体结构（环戊烷多氢菲）和一个8碳支链。,.,8,(二)细胞膜蛋白质,功能：酶蛋白转运蛋白受体蛋白转运物质传递信息免疫标志结构：主要以-螺旋或球形蛋白质的形式存在。表面蛋白存在形式整合蛋白特点：流动性（横向移动）,.,9,表面蛋白（Peripheralproteins）占20%30%,以静电引力或离子键与整合蛋白结合,附着于膜表面，主要在内表面。,arg,p.ser.,-,+,+,+,+,-,-,-,.,10,（三）细胞膜糖类,细胞膜所含糖类2%10%，成分：主要是一些寡糖和多糖链形式：共价键的形式和膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白部位：糖链绝大多数是裸露在膜的外面一侧。功能：免疫标志传递信息,.,11,（一）单纯扩散概念：高浓度区域中的溶质分子将向低浓度区净移动，这种现象称为单纯扩散。物质的移动方向和速度：决定于各该物质的浓度差，膜对该物质的通透性。,.,12,扩散的物质：脂溶性高、分子量小的物质。O2、CO2、N2、乙醇、尿素、水等。,.,13,1.经载体易化扩散特征：（1）顺梯度（2）饱和现象（3）载体与溶质的结合有较高的化学结构特异性。（4）竞争性抑制,.,14,（二）膜蛋白介导的跨膜转运：根据转运方式的不同，通道膜蛋白分为载体离子泵转运体被动转运：通道、载体膜蛋白介导的跨膜转运（不耗能、顺梯度）原发性主动转运：泵继发性（耗能、逆梯度）,.,15,2经通道易化扩散概念:带电的离子如Na+、K+、Ca2+、CI-等借助于通道蛋白的介导,由膜的顺浓度梯度或电位梯度的跨膜扩散。特点:a.通道具有开放和关闭状态;b.对转运物质有选择性,但无载体蛋白那么严格,.,16,分类:化学门控通道：膜两则（外测）出现化学信号时开放。,电压门控通道：膜两则电位差改变决定其开放或关门。,.,17,离子通道功能状态：静息状态-通道关闭：(备用状态)刺激能开放激活状态-通道开放：离子扩散失活状态-通道关闭:刺激不能开放,.,18,离子通道功能状态的调控：通道蛋白质有别于载体的重要特点之一，结构和功能状态可以因细胞内外各种理化因素膜电位、化学信号、机械刺激的影响而迅速改变。通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门（gate）一类的基团，由它决定通道的功能状态。-门控电压门控通道-膜两侧电位差化学门控通道-化学物质（Ach）机械门控通道机械刺激,.,19,3.原发性主动转运,概念:指细胞通过直接利用代谢产生的能量将物质(离子)逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程。化学本质：钠泵是Na+-K+依赖式酶的蛋白质。也称Na+-K+-酶。启动机制：启动和活动强度与膜内多Na+和膜外多K+有关。,.,20,.,21,钠泵活动时泵出Na+和泵入K+同时进行或“耦联”在一起,.,22,细胞膜上的钠泵活动的意义：（1）由钠泵活动造成的细胞内高K+，是许多代谢反应进行的必需条件；（2）Na+和K+浓度梯度使细胞生物电活动产生的前提条件。（3）维持胞质渗透压和细胞容积相对稳定。Na+和Cl-漏入K+漏出。哇巴因抑制钠泵活动大量细胞外Na+、Cl-漏入膜内，胞质渗透压升高，过多水进入膜内，引起细胞的肿胀，进而破坏细胞的结构；,.,23,（4）维持细胞内pH相对稳定。Na+-H+交换（5）维持细胞内Ca2+浓度的稳定。Na+和K+浓度梯度是Na+-Ca2+交换动力。（6）生电性。个Na+移到膜外同时个K+移入膜内。（7）Na+浓度梯度是其他物质继发转运的动力。,.,24,通道转运与钠-钾泵转运模式图,.,25,4.继发性主动转运,概念：许多物质在进行逆浓度梯度或电位梯度的跨膜转运时，所需的能量并不直接来自ATP的分解，而是来自Na+在膜两侧的浓度势能差，后者是钠泵利用分解ATP释放的能量建立的。这种间接利用ATP能量的主动过程称为继发性主动转运。,.,26,机制：转运体（膜蛋白）利用膜两侧Na+浓度梯度或电位梯度跨膜转运。没有Na+由高浓度的膜外顺浓度差进入膜内，就不会出现葡萄糖、氨基酸等分子逆浓度差进入膜内。,.,27,转运体：膜蛋白同向转运：被转运的物质与Na+移动的方向相同。相应的转运体称为同向转运体。反向转运：被转运的物质彼此与Na+移动的方向相反。相应的转运体称为反向转运体或交换体。,.,28,被动转运主动转运比较单纯扩散、易化扩泵异同点转运物质脂溶性、小分水溶性、小分子、离子水溶性、小分子、离子动力浓度差浓度差、电压差ATP顺梯度顺梯度逆梯度特点扩散速度取决于膜蛋白介导膜蛋白介导浓度差通道载体原发性、继发性膜通透性浓度差饱和膜通透性特异性电压差竞争抑制不耗能不耗能耗能,.,29,主动转运与被动转运的区别,主动转运,被动转运,需由细胞提供能量,不需外部能量,逆电-化学势差,顺电-化学势差,使膜两侧浓度差更大,使膜两侧浓度差更小,.,30,第二节细胞的跨膜信号转导一、G蛋白耦联受体介导的信号转导,主要途径：1.受体-G蛋白-AC途径:物质膜表面的特异受体Gs-(兴奋性G蛋白)激活腺苷酸环化酶胞浆中的ATP分解膜内侧胞浆中cAMP(有时是减少),实现激素对细胞内功能的调节,.,31,2.受体-G蛋白-PLC途径外界剌激信号膜受体Go的G蛋白激活磷脂酶C磷脂酰肌醇三磷酸肌醇(IP3)二酰甘油第二信使影响细胞内过程,完成跨膜信号转导。,.,32,二、离子通道受体介导的信号转导1.离子通道受体-促离子型受体（化学门控通道）因化学门控通道具有受体功能，也称为通道型受体；激活时直接引起跨膜离子流动，也称促离子型受体。控制通道开、关的因素-化学物质。主要分布：肌细胞终板膜、神经细胞突触后膜、嗅、味感受细胞膜中,使所在膜产生终板电位、突触后电位以及感受器电位等局部电反应。,.,33,2.电压门控通道：主要分布:神经轴突、骨骼肌、心肌细胞的一般质膜中,控制这类通道开、关的因素是通道所在膜两侧的跨膜电位的变化。3.机械门控通道：细胞表面膜存在能感受机械性刺激并引起细胞功能改变的通道样结构。特点：速度快、对外界刺激反应的位点局限。,.,34,三、酶耦联受体介导的信号转导特点：受体分子的胞质侧自身具有酶的活性，可直接激活胞质中酶。受体只有一跨膜-螺旋和一个较短的膜内肽段。酪氨酸激酶受体重要的受体有鸟苷酸环化酶受体,.,35,（一）酪氨酸激酶受体特点：膜外侧-配位体结合点深入胞质端-酪氨酸激酶结构域受体与酶是同一蛋白分子肽类激素如胰岛素和细胞因子相应的靶细胞时,激活细胞膜酪氨酸激酶受体胞质侧酶活性部位活化胞质酪氨酸激酶结合、激活完成跨膜信号转导一系列细胞内信号分子细胞核内基因转录改变。,.,36,（二）鸟苷酸环化酶受体膜外侧-螺旋分子N端-配位体结合点膜内侧-螺旋分子C端-鸟苷酸环化酶（GC）结构域,与配位体结合活化。机制GTPCGCGMP蛋白激酶G（PKG）PKG活化底物磷酸化,.,37,第三节细胞的生物电现象,一、细胞膜的被动电学特性（一）膜电容和膜电阻细胞膜的电缆学说细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作为两个导体，有一定的电阻；膜电容：细胞膜脂质双层类似于一个平板电容器，相对地视作绝缘体，因此细胞膜具有显著的电容特性。,.,38,跨膜电位：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的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。膜电阻：通常用它的倒数膜电导G来表示。对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的通透性。,.,39,细胞膜相当于一条电缆一点给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜电位变化：在电源附近电位上升快，达到的最高电位也较大；离开电源越远，则不但电位上升的慢，而且最终的最高电位也较低。电位改变变慢，是膜电容引起的后果；电位依距离变小，是膜外电阻、膜电阻及膜内电阻引起的后果。,.,40,细胞膜的被动电学特性与电学特性,相同点：欧姆定律电阻、电容、电流、电紧张异同点：膜离子通道-离子流泵电流-生电性Na+-K+泵,.,41,（二）电紧张电位概念：细胞膜的电学特性相当于并联的阻容耦合电路，跨膜电流随着距原点距离的增加而逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规律的膜电位分布，这种由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。,.,42,产生：向神经纤维的某一点注入不同方向的电流；用正、负电极从膜外侧施加电刺激，胞质内的负电荷流向正极下方，正电荷流向负极的下方，因而在正、负电极下分别产生一个彼此方向相反的电紧张电位。,.,43,二、细胞的静息电位,安静时静息电位受刺激时动作电位,.,44,（一）电生理学研究方法：1.细胞内记录：微电极,.,45,细胞内记录：微电极,.,46,2.膜片钳实验技术,是一种能够记录膜结构中单一的离子通道蛋白质分子的开放和关闭，亦即测量单通道离子电流和电导的技术。,.,47,(二)静息电位(restingpotential)1.概念：是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。2.测量方法：细胞内电位记录方法静息电位表现为膜内较膜外为负。,.,48,记录装置记录仪器:电极:一对测量电极一个放在细胞的外表面，另一个连接玻璃微电极。当微电极刺入膜内时，记录仪器上显示一个突然的电位跃变，表明细胞膜内外两侧存在着电位差。存在于安静细胞的表面膜两侧的，故称为跨膜静息电位，简称静息电位。,.,49,特征：静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位,但不同细胞的静息电位数值可以不同;只要细胞未受刺激、生理条件不变,这种电位将持续存在。,.,50,静息电位时膜两侧所保持的外正内负状态称为膜的极化(polarization)；膜内外电位差的数值向膜内负值加大的方向变化时，称为膜的超极化(hyperpolarization)；膜内电位向负值减小的方向变化，称为去极化或除极化(depolarization)；,.,51,去极化至零电位后膜电位进一步变为正值称为反极化，膜电位高于零电位的部位称为超射（overshoot）。细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称作复极化(repolarization),.,52,研究方法1902年-Bernstein膜学说安静状态下膜只对K+有通透性，静息电位相当于K+平衡电位。1936年-Young发现直径1mm头足类软体动物枪乌贼的巨大神经轴突1939年英国生理学家Hodgkin、Huxley将直径0.1mV充满海水的毛细玻璃管纵向插入乌贼大神经轴突的断端。细胞外电极:置于浸泡细胞的海水中.实测膜内电位约-60mV,.,53,(二)静息电位的产生机制：1.K+驱动力：K+浓度、电位势能。2.基础条件：安静状态下膜对K+有通透性，K+外流钾外流，带负电的蛋白不能外流，使膜外带正电荷，膜内带负电荷。当促使钾外流的浓度势能差同阻碍钾外流的电势能差相等时，钾跨膜净移动量为零，相当于Ek。膜两侧的电位差也稳定于某一数值不变，这个电位差称为K+的电化学平衡。3.少量的Na+和Cl-内流抵消一部分由K+外流引起的膜内电位。4.Na+一K+泵外流K+和漏入的Na+可激活钠泵，生电作用。,.,54,三、动作电位及其产生机制(一)细胞的动作电位概念：在静息电位的基础上，可兴奋组织或细胞受到一个适当刺激时，其膜电位发生迅速的一过性的波动，这种短暂可逆的、扩布性电变化称为动作电位(actionpotential)。,.,55,特征：“全或无”性质。当刺激未达阈值时，动作电位不会出现，一旦达到阈电位水平，动作电位便迅速产生，并达到最大值，其幅度和波形不随刺激的强度增强而增大。动作电位能沿细胞膜向周围不衰减性传导，其幅度和波形始终保持不变。具有不应期，峰电位不可融合叠加。,.,56,0mV,神经纤维,AP,兴奋的共有标志:动作电位,.,57,上升支去极化（-70到0mV）峰电位超射（0到+30mV）动作电位下降支复极化（+30到-70mV）负后电位-后去极化后电位正后电位-后超极化（负值大于-70mV）,.,58,（二）产生机制：研究方法,间接法：1949.Hodgkin和Huxley葡萄糖溶液替代海水。同位素24Na+定量研究计算每次动作电位进入膜内Na+21000个/m2膜电容算出Na+流量使去极化达100mV以上。直接法：电压钳,.,59,1.电化学驱动力：它决定离子跨膜流动的方向和速度。动力：电-化学梯度;基础条件：膜对离子的通透性增大，当膜电位等于某离子的平衡电位时，该离子的电化学驱动力为零，因此，某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差。假定静息电位Em为-70mV，ENa为+60mV，EK为-90mV：Na+驱动力:Em-ENa=-70mV-(+60mV)=-130mVK+驱动力:Em-ENa=-70mV-(-90mV)=+20mV,.,60,2.动作电位期间膜电导的变化电压钳（voltageclamp）技术直接测定动作电位期间膜对离子通透性动态变化。原理：根据通道膜电流的大小和时间，可精确测定细胞生物电过程中，各种离子流的大小、方向和时程、方向和时程利用欧姆定律来计算膜电导。优缺点：适用于各种直径较大的细胞，只能观察膜电流的方向和幅度，不能区分那种离子电流。,.,61,电压钳技术装置,方法：负反馈电路使膜电位钳制在一个设定的水平.记录膜电流变化作为膜电导的观察指标。,.,62,实验设计根据：离子跨膜移动时形成跨膜离子电流（I），膜对离子通透性（难易程度）是膜的电阻（R）或其倒数电导（G），膜电导是通透性同义词。根据欧姆定律I=VG固定V，测定I，作为膜电导变化的度量。记录膜电位Vm高阻抗前极放大,.,63,电导及动作电位,GNa和GK变化曲线的特点：,电压依从性，由去极化激活，GNa激活早，是动作电位上升支基础；GK激活晚，是动作电位下降支基础。GNa有失活状态而GK没有此特性,.,64,记录膜电流变化作为膜电导的观察指标：记录膜电位(Vm)高阻抗前极放大（x1）反馈放大器（FBA）电极与FBA输出端连接，向细胞内注入电流（指令电位），FBA两者电位相等I=0FBA两者出现差异FBA经电极输出端向细胞内注入电流，在膜两侧产生趋向于指令电位变化，构成一个使膜电位=指令电位反馈电路，此时记录电流反映膜电导G的变化。,.,65,利用药理学分析膜电流的实验结果应用Na+通道阻断剂TTX（河豚毒）,内向电流消失。应用K+通道阻断剂TEA（四乙胺），外向电流消失。,.,66,膜电流的记录和分析,.,67,3.膜电导与离子通道膜片钳实验技术(Neder和Sakmann等)（1）直接观察单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透活动的特征.（2）记录单个离子通道开放后的电流.（3）计算出通道的开放概率和单通道电导。（4）证明在完整细胞上记录到的膜电流是许多单通道电流总和的结果，单通道的开放概率或单通道电导增加，或离子通道的数目增加，都会使膜电导增大。,.,68,70年代的膜片钳实验技术膜片钳记录方法和单通道电流,.,69,钠电流,.,70,阈电位当剌激引起膜内去极化达到引起正反馈Na+内流的临界膜电位称为阈电位(thresholdpotential)。它一般比静息电位小1020mV。,.,71,动作电位上升支：1.细胞受剌激时，迅速增加Na+电导，2.动力：Na+在很强的电化学驱动力作用下，形成Na+内向电流，膜内负电位的迅速消失；3.超射:膜外Na+较高的浓度势能，Na+在膜内负电位减小到零时仍可继续内移，出现超射。4.阻力:内移的Na+在膜内形成的正电位足以阻止的Na+静移动为止；这时膜内所具有的电位值，理论上应相当于根据膜内、外Na+浓度差代入Nernst公式时所得出的Na+平衡电位值。,.,72,动作电位降支：Na+通道失活，Na+电导减小形成峰电位降支，同时K+电压门控性通道的开放。在膜内电-化学梯度的作用下,出现了K+外向电流，使膜内电位变负，加速了膜的复极，参与峰电位降支的形成。后电位：正后电位一般认为是生电性钠泵作用的结果。,.,73,局部反应或局部兴奋特征：1.不表现“全或无”特征；2.不能向远处传播,只能以电紧张的方式,使邻近的膜也产生类似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；3.电紧张电位(局部兴奋)没有不应期,一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位,可叠加或总和后导致膜去极化到阈电位,从而爆发动作电位。空间性总和：多个阈下刺激在相邻部位同时发生，叠加起来。时间总和：阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。,.,74,局部反应或局部兴奋特征：1.不表现“全或无”特征；2.不能向远处传播,只能以电紧张的方式,使邻近的膜也产生类似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；3.电紧张电位(局部兴奋)没有不应期,一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位,可叠加或总和后导致膜去极化到阈电位,从而爆发动作电位。空间性总和：多个阈下刺激在相邻部位同时发生，叠加起来。时间总和：阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。,.,75,电紧张扩布,.,76,局部兴奋与动作电位的区别:,不衰减扩布,电紧张扩布,传播特点,无,有,总和现象,有,无,全或无特点,大,小,膜电位变化幅度,多,少,钠通道开放数,阈或阈上刺激,阈下刺激,刺激强度,动作电位,局部兴奋,区别,.,77,（三）动作电位的传导无髓鞘神经纤维上的传导方式1.某一小段纤维受到足够强的外加剌激；2.局部出现膜两侧电位的暂时性倒转；3.在已兴奋的神经段和相邻的未兴奋神经段之间，电位差的出现而