细胞的信号传导

1、第二节第二节 细胞的信号转导功能细胞的信号转导功能 外界信号外界信号细胞膜表面细胞膜表面膜蛋白分子变构膜蛋白分子变构新信号形成新信号形成的功能变化的功能变化靶细胞膜内靶细胞膜内信号分子：在细胞间传递信息的物质信号分子：在细胞间传递信息的物质 （神经递质、激素、细胞因子）（神经递质、激素、细胞因子）细胞膜的跨膜信息传递细胞膜的跨膜信息传递- 膜受体的功能膜受体的功能 受体具有三个特征受体具有三个特征： 特异性特异性 饱和性饱和性 可逆性可逆性 受体激动剂受体激动剂 受体阻断剂受体阻断剂 配体配体 ：被膜受体特异识别并结合的特定的外：被膜受体特异识别并结合的特定的外来化学物质来化学物质 跨膜信号转

2、导主要涉及到：胞外信号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、胞内效应等三的识别与结合、信号转导、胞内效应等三个环节。个环节。 跨膜信号转导方式大体有以下四类：跨膜信号转导方式大体有以下四类： 离子通道介导的信号转导离子通道介导的信号转导 酶偶联受体介导的信号转导酶偶联受体介导的信号转导 G G蛋白偶联受体介导的信号转导蛋白偶联受体介导的信号转导 细胞内受体介导的信号转导细胞内受体介导的信号转导 膜外膜外N N端：识别、结合端：识别、结合第一信使第一信使膜内膜内C C端：激活端：激活G G蛋白蛋白一、一、G G蛋白偶联受体介导的信号转导蛋白偶联受体介导的信号转导 ( (一一)

3、) cAMP信号通路信号通路神经递质、激素等神经递质、激素等（第一信使）（第一信使）兴奋性兴奋性G蛋白蛋白(G(GS S) )激活腺苷酸环化酶激活腺苷酸环化酶(AC)(AC)ATPATPcAMPcAMP（第二信使）（第二信使）细胞内生物效应细胞内生物效应激活激活cAMPcAMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶A A结合结合G蛋白偶联受体蛋白偶联受体激活激活G蛋白蛋白( (与与、亚单位分离亚单位分离) )膜外膜外N N端：识别、结合端：识别、结合第一信使第一信使膜内膜内C C端：激活端：激活G G蛋白蛋白( (二二) ) 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇信号通路信号通路激素激素（第一信使）（第一信使）兴奋性兴奋

4、性G蛋白蛋白(G(GS S) )激活磷脂酶激活磷脂酶C C(PLC)(PLC)PIPPIP2 2 ( (第二信使）第二信使） IPIP3 3 和和 DGDG激激 活活 蛋白激酶蛋白激酶C C内质网内质网 释放释放CaCa2+2+激活激活G蛋白蛋白( (与与、亚单位分离亚单位分离) )细胞内生物效应细胞内生物效应结合结合G蛋白偶联受体蛋白偶联受体二、离子通道介导的信号转导二、离子通道介导的信号转导 离子通道大体有：化学、电压、机械性门控通道离子通道大体有：化学、电压、机械性门控通道 如：如：化学性胞外信号化学性胞外信号( (ACh) )ACh + + 受体受体=复合体复合体终板膜变构终板膜变构=

5、离子通道开放离子通道开放Na+ +内流内流终板膜电位终板膜电位骨骼肌收缩骨骼肌收缩特点：信号传导速度快特点：信号传导速度快 1.不需要其他蛋白的参与不需要其他蛋白的参与 2.不需改变细胞内信使物质的产生不需改变细胞内信使物质的产生三、酶偶联受体介导的信号转导三、酶偶联受体介导的信号转导 1.1.酪氨酸激酶受体：受体本身具有酶的活性，酪氨酸激酶受体：受体本身具有酶的活性，又称受体酪氨酸激酶。又称受体酪氨酸激酶。生长因子生长因子与受体酪氨酸激酶结合与受体酪氨酸激酶结合细胞内生物效应细胞内生物效应膜外膜外N N端：识别、结合端：识别、结合第一信使第一信使 膜内膜内C C端：具有酪氨酸激酶活性端：具有

6、酪氨酸激酶活性2.酪氨酸激酶结合型受体酪氨酸激酶结合型受体 入胞质端无蛋白激酶活性，与入胞质端无蛋白激酶活性，与细胞外的配体结合后可以结合并激细胞外的配体结合后可以结合并激活活胞质内的酪氨酸激酶胞质内的酪氨酸激酶3.鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶受体N端：配体结合位点（膜外）端：配体结合位点（膜外）C端：端：GC结构域（膜内）结构域（膜内）+配体配体+受体受体GCcGMPPKG 膜内膜内NOsGCcGMPPKG+特点：特点：信号转导与信号转导与G蛋白无关；蛋白无关；无第二信使的产生；无第二信使的产生；无细胞质中蛋白激酶的激活。无细胞质中蛋白激酶的激活。 人体及生物体活细胞在安静和活动时都人体及生

7、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存在电活动，这种电活动称为生物电现象（bioelectricity）。）。细胞生物电现象是普遍存在的，临床上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。物电变化的表现。第三节第三节 细胞的生物电现象细胞的生物电现象神经和骨骼肌细胞的生物电现象神经和骨骼肌细胞的生物电现象1、可兴奋细胞：受刺激后能产生动作电位的细胞、可兴奋细胞：受刺激后能产生动作电位的细胞 （可兴奋组织）（可兴奋

8、组织）神经细胞神经细胞肌细胞肌细胞腺细胞腺细胞2、兴奋性和兴奋的含义、兴奋性和兴奋的含义 兴奋兴奋 (excitation) 细胞受刺激时而发生可传播的电变化。细胞受刺激时而发生可传播的电变化。变迁变迁活组织或细胞对刺激发生的反应。活组织或细胞对刺激发生的反应。刺激：能引起反应的内外环境条件的变化称为刺激：能引起反应的内外环境条件的变化称为刺激刺激(stimulus) 反应：刺激引起的机体或组织细胞活动的变化反应：刺激引起的机体或组织细胞活动的变化 兴奋性（兴奋性（excitability)： 活组织或细胞对刺激发生反应的能力。活组织或细胞对刺激发生反应的能力。 细胞受刺激时产生动作电位的能力

9、。细胞受刺激时产生动作电位的能力。变迁变迁刺激刺激 可兴奋细胞可兴奋细胞 动作电位动作电位 反应（兴奋和抑制反应（兴奋和抑制 ）本质表现本质表现 外在表现外在表现 前提前提 神经和肌肉细胞神经和肌肉细胞 刺激引起兴奋的条件：刺激引起兴奋的条件：要素：刺激的强度、刺激的持续时间以及刺要素：刺激的强度、刺激的持续时间以及刺激强度对时间的变化率。激强度对时间的变化率。阈强度（阈值）：引起组织兴奋即产生动作电阈强度（阈值）：引起组织兴奋即产生动作电位所需的最小刺激强度。位所需的最小刺激强度。 阈刺激阈刺激(Threshold sitimulus): 相当于阈强度的刺激相当于阈强度的刺激 衡量组织兴奋性

10、高低的指标：衡量组织兴奋性高低的指标：强度小于阈值的刺激，强度小于阈值的刺激， 为阈下刺激。为阈下刺激。(Threshold intensity)细胞的生物电现象细胞的生物电现象 2.RP2.RP实验现象：实验现象：一、静息电位一、静息电位( (resting potentialresting potential RP) RP) （一）（一）概概 念念 ：细胞处于相对安静状态时，细胞：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。膜内外存在的电位差。 1.1.实验现象实验现象：2.2.证明证明RPRP的实验：的实验：（甲）当（甲）当A A、B B电极都位于电极都位于细胞膜外，无电位改变，细胞

11、膜外，无电位改变，证明膜外无电位差证明膜外无电位差。（乙）当（乙）当A A电极位于细胞电极位于细胞膜外，膜外， B B电极插入膜内时，电极插入膜内时，有电位改变，有电位改变，证明膜内、证明膜内、外间有电位差外间有电位差。（丙）当（丙）当A A、B B电极都位于电极都位于细胞膜内，无电位改变，细胞膜内，无电位改变，证明膜内无电位差证明膜内无电位差。规定：以细胞外电位为规定：以细胞外电位为0，为正极，则细胞内电位为负。，为正极，则细胞内电位为负。 B在细胞表面，无电流在细胞表面，无电流B插入细胞内，瞬间有电流插入细胞内，瞬间有电流B移动，电流不变移动，电流不变现象：现象：说明：说明： 细胞内和细胞

12、外之间存在着电位差，称细胞内和细胞外之间存在着电位差，称跨跨膜电位。膜电位。 细胞外电位高于细胞内电位，外高内低。细胞外电位高于细胞内电位，外高内低。 这种电位差值相对恒定。这种电位差值相对恒定。 RP值描述值描述: RP膜内负电位膜内负电位(-70-90mV)=超极化超极化 RP膜内负电位膜内负电位(-70-50mV)=去极化去极化RP值值:哺乳动物的神经、骨骼肌和心肌细胞哺乳动物的神经、骨骼肌和心肌细胞为为-70-90mV，红细胞约为，红细胞约为-10mV左左右。右。 3.3.与与RPRP相相关的概念：关的概念： 静息电位静息电位: :细胞处于相对安静状态时，细胞膜细胞处于相对安静状态时，

13、细胞膜内外存在的电位差。内外存在的电位差。 膜电位膜电位:因电位差存在于膜的两侧所以又称因电位差存在于膜的两侧所以又称为膜电位（为膜电位（membrane potential）。）。习惯叫法习惯叫法:因膜内电位低于膜外，习惯上因膜内电位低于膜外，习惯上RP指的是膜内负电位。指的是膜内负电位。极化：极化：膜两侧电荷的分布分布情况膜两侧电荷的分布分布情况（RP存在时细胞存在时细胞 膜所处的膜所处的“内负外正内负外正”状态）状态） 超极化：静息电位增大即细胞内负值增大超极化：静息电位增大即细胞内负值增大 （-70mv -90mv)去极化（除极化）：静息电位减小即细胞内去极化（除极化）：静息电位减小即

14、细胞内负值减小的过程（负值减小的过程（-70mv-90mv)。复极：细胞膜除极后再向复极：细胞膜除极后再向RP方向恢复的过程方向恢复的过程反极化：膜内电位由零变为正值的过程。反极化：膜内电位由零变为正值的过程。超射值：膜内电位由零到反极化顶点的数值。超射值：膜内电位由零到反极化顶点的数值。(1)(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀 Na+iNa+o1 13, K+iK+o28 1 Cl -i Cl-o 1 30, A-iA-o 4 1( (二）二）静息电位静息电位的产生机制的产生机制1 1）前提）前提条件条件(2)(2)静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选

15、择性静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性 通透性：通透性：K+ Cl- Na+ A- 重点重点哺乳动物神经轴突内外的离子浓度（哺乳动物神经轴突内外的离子浓度（mmol/Lmmol/L）细胞内细胞内细胞外细胞外细胞内外浓度比细胞内外浓度比离子流动方向离子流动方向K+140 528：1外流外流Na+131301：13内流内流Cl-41201：30内流内流通透膜通透膜选择性通透膜选择性通透膜 膜两侧膜两侧K+差差是促使是促使K+扩散的扩散的动力动力，但随着但随着K+的不断扩散，膜两侧不断加大的的不断扩散，膜两侧不断加大的电位差电位差是是K+继续扩散的继续扩散的阻力阻力，当动力和阻，当动力和阻力达

16、到动态平衡时，力达到动态平衡时，K+的净扩散通量为零的净扩散通量为零 (1)(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀 主要离子分布：主要离子分布：膜内：膜内：膜外：膜外：(2)(2)静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性 RP产生机制的膜学说产生机制的膜学说: : Ki顺浓度差向膜外扩散顺浓度差向膜外扩散 A-i不能向膜外扩散不能向膜外扩散K+i、A-i膜内电位膜内电位(负电场负电场) K+o膜膜外外电位电位(正电场正电场)膜外为正、膜内为负的极化状态膜外为正、膜内为负的极化状态当扩散动力与阻力达到动态平衡时当扩散动力

17、与阻力达到动态平衡时=RP结论: RP的产生主要是的产生主要是K向膜外扩散向膜外扩散的结果。的结果。 RP=K+的平衡电位的平衡电位 K+外流：外流： 动力：跨膜的动力：跨膜的K+浓度梯度浓度梯度 条件：细胞安静时，条件：细胞安静时，K+通道开放通道开放 阻力：阻力：K+外流引起的外正内负的电场力外流引起的外正内负的电场力 当动力当动力=阻力时，阻力时，K+外流停止外流停止 结果：外正内负，此时的电位值，称结果：外正内负，此时的电位值，称K+的平衡电位。的平衡电位。影响静息电位的因素影响静息电位的因素细胞内外细胞内外K+影响影响:K+o细胞内外细胞内外+浓度差浓度差RP细胞代谢障碍：细胞代谢障

18、碍： 细胞缺血、缺细胞缺血、缺、酸中毒酸中毒影响钠泵影响钠泵膜对膜对Na+、K+的相对通透性的相对通透性 K+-RP Na+- RP二、动作电位及其产生机制二、动作电位及其产生机制(AP) 可兴奋细胞受到刺激，细胞膜在静息电位基础上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。动称为动作电位。APAP实验现象：实验现象：去去 极极 化化上上 升升 支支下降支下降支（一）动作电位的形态（一）动作电位的形态刺激刺激局部电位局部电位阈电位阈电位去极化去极化零电位零电位反极化（超射）反极化（超射）复

19、极化复极化（负、正）后电位（负、正）后电位上升支：去极化上升支：去极化+反极化（外负内正）反极化（外负内正） 极化演变：极化状态极化演变：极化状态减弱减弱消失消失反转反转 电位演变：膜内电位电位演变：膜内电位-90mV0正正下降支：复极化下降支：复极化 幅度：幅度：120mV 时程：时程：2.0mS 锋电位是动作电位的锋电位是动作电位的标志标志波形：波形：5.5.与与AP相关的概念相关的概念: : 去极化去极化: :膜内外电位差向小于膜内外电位差向小于RPRP值的方向变化的值的方向变化的过程过程。 超极化超极化: :膜内外电位差向大于膜内外电位差向大于RPRP值的方向变化的值的方向变化的过程。

20、过程。 复极化复极化: :去极化后再向极化状态恢复的过程。去极化后再向极化状态恢复的过程。 反极化反极化: :细胞膜由外正内负的极化状态变为内正细胞膜由外正内负的极化状态变为内正外负外负 的极性反转过程。的极性反转过程。 阈电位阈电位: :引发引发APAP的临界膜电位数值。的临界膜电位数值。 局部电位局部电位: :低于阈电位的去极化电位。低于阈电位的去极化电位。 后电位：后电位：锋电位下降支最后恢复到锋电位下降支最后恢复到RPRP水平以前，水平以前，一种时间较长、波动较小的电位变化过一种时间较长、波动较小的电位变化过程。程。 包括：包括：负后电位负后电位= =去极化后电位，去极化后电位， 正后

21、电位正后电位= =超去极化后电位。超去极化后电位。1.AP产生的基本条件产生的基本条件: 膜内外存在膜内外存在Na+差差:Na+i Na+O 1 10 膜在受到膜在受到阈刺激阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：而兴奋时，对离子的通透性增加： 即电压门控性即电压门控性Na+、K+通道激活而开放通道激活而开放。（二）动作电位的产生机制（二）动作电位的产生机制APAP上升支上升支APAP下降支下降支刺激刺激膜上膜上少量少量NaNa+ +通道开放通道开放NaNa+ +顺浓度差少量内流顺浓度差少量内流局部电位局部电位 阈电位阈电位NaNa通道大量开放通道大量开放再生式内流再生式内流NaNa+ + i i

22、、KK+ + O O 激活激活NaNa+ +K K+ +泵泵2.AP2.AP的产生机制的产生机制APAP上升支上升支NaNa+ +内流停内流停+ +同时同时K K+ +通道激活通道激活K K迅速外流迅速外流（APAP下降支下降支）离子恢复到兴奋前水平离子恢复到兴奋前水平重点重点 AP的产生的产生上升支：上升支：Na+快速内流快速内流 条件：细胞受刺激，膜上条件：细胞受刺激，膜上Na+通道开放通道开放 动力：细胞内外动力：细胞内外Na+ 差差 阻力：阻力：Na+内流后形成的电场力内流后形成的电场力 动力动力= =阻力时，阻力时，Na+内流停止，形成内流停止，形成Na+的电的电- -化学平衡电位化

23、学平衡电位下降支：下降支：K+外流外流 条件：条件：Na+通道失活，通道失活，K+通道开放通道开放 结果：恢复膜内的负电位状态结果：恢复膜内的负电位状态后电位：钠泵激活，恢复兴奋前细胞内外后电位：钠泵激活，恢复兴奋前细胞内外Na+、 K+分布的不均衡状态。分布的不均衡状态。结论：结论：AP的上升支由的上升支由Na内流形成，下降内流形成，下降 支是支是K外流形成的，后电位是外流形成的，后电位是NaK泵活动引起的。泵活动引起的。 AP的产生是不消耗能量的，的产生是不消耗能量的，AP的的恢复是消耗能量的（恢复是消耗能量的（NaK泵的泵的活动）。活动）。 AP=Na的平衡电位。的平衡电位。 （三）动作

24、电位的特征：（三）动作电位的特征： 具有具有“全或无全或无”的现象：即同一细的现象：即同一细胞上的胞上的AP大小不随刺激强度和传导大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。距离而改变的现象。 是非衰减式传导的电位。是非衰减式传导的电位。 连续刺激不融合脉冲式连续刺激不融合脉冲式动作电位的意义：动作电位的意义： AP的产生是细胞兴奋的标志。的产生是细胞兴奋的标志。 1.1.阈电位：阈电位：先决条件先决条件（一般比（一般比RP绝对值约少绝对值约少1020mv) 概念：能使膜对概念：能使膜对Na+通透性突然大量增加的临界通透性突然大量增加的临界膜电位数值。膜电位数值。 兴奋性高低兴奋性高低 1/RP与

25、阈电位之间的差值与阈电位之间的差值(差值大，兴奋性低反之）差值大，兴奋性低反之）与细胞兴奋性的关系与细胞兴奋性的关系:（四）动作电位的引起（四）动作电位的引起2.局部兴奋局部兴奋局部兴奋局部兴奋概念概念 阈下刺激阈下刺激引起的低于阈引起的低于阈电位的去极化电位的去极化（即局部电（即局部电位），称局部位），称局部反应或局部兴反应或局部兴奋。奋。反应幅度随阈下刺激强度增大而增大，反应幅度随阈下刺激强度增大而增大，不表现不表现“全或无全或无”特征；特征；呈衰减性扩布即电紧张性扩布；呈衰减性扩布即电紧张性扩布； 总和现象总和现象（时间性、空间性）（时间性、空间性）特性：特性：1.1.绝对不应期绝对不应

26、期（absolute refractory period, ARP) 无论多强的刺激也不能再次兴奋的期间。无论多强的刺激也不能再次兴奋的期间。 Na+、Ca2+离子通道处于失活状态离子通道处于失活状态 膜电位复极化至膜电位复极化至-40mv 3.组织的兴奋性及其周期性变化组织的兴奋性及其周期性变化2.相对不应期相对不应期(relative refractory period，RRP)： 大于原先的刺激强度才能再次兴奋期间。大于原先的刺激强度才能再次兴奋期间。 Na+、Ca2+离子通道处于部分失活状态离子通道处于部分失活状态4.低常期低常期(subnormal period)：大于原先的刺激强度才能再次兴奋的期间。大于原先的刺激强度才能再次兴奋的期间。3.超常期超常期( (supernormal