细胞的基本功能 (1)ppt课件

1、生生 理理 学学 Physiology Physiology 生理学教研室生理学教研室 liuweny4508sina liuweny4508sina 刘刘文彦文彦 细胞是构成人体最根本的功能单位细胞是构成人体最根本的功能单位第二章第二章 细胞的根本功能细胞的根本功能第一节第一节 细胞膜的构造和物质转运功能细胞膜的构造和物质转运功能第三节第三节 细胞的电活动细胞的电活动第四节第四节 肌细胞的收缩肌细胞的收缩第二节第二节 细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导第一节第一节 细胞膜的构造和物质转运功能细胞膜的构造和物质转运功能细胞膜细胞膜cell membranecell membrane，也称质膜

2、屏障，也称质膜屏障 参与物质交换参与物质交换一、细胞膜的构造概述一、细胞膜的构造概述 脂质脂质lipidlipid细胞膜组成细胞膜组成 蛋白质蛋白质proteinprotein 糖类糖类( (少量少量) )从分量上看：膜内蛋白质与脂质的从分量上看：膜内蛋白质与脂质的比例比例 大约在大约在4 4：1 11 1：4 4之之间，间， 这些物质分子在膜中是以怎样这些物质分子在膜中是以怎样的方式陈列的呢？即膜的分子构造的方式陈列的呢？即膜的分子构造如何呢？如何呢？ 液态镶嵌模型液态镶嵌模型fluid mosaic fluid mosaic modelmodel 膜的基架是液态膜的基架是液态的脂质双分子层

3、，的脂质双分子层，其中镶嵌着许多具其中镶嵌着许多具有不同构造和功能有不同构造和功能的蛋白质。的蛋白质。( (一一) )脂质双分子层脂质双分子层 磷脂磷脂phospholipidphospholipid: 70%: 70%以上以上 胆固醇胆固醇cholesterolcholesterol: :不超越不超越30%30% 糖脂糖脂sphingolipidsphingolipid: : 不超越不超越10%10% 1925 1925年年 Gorter Gorter 和和GrendelGrendel：测：测定红细胞膜中的脂质以单分子层在水定红细胞膜中的脂质以单分子层在水溶液外表平铺开来时所占的面积溶液外表

4、平铺开来时所占的面积 一个红细胞膜中脂质所占的面积，差一个红细胞膜中脂质所占的面积，差不多是该细胞所占面积的不多是该细胞所占面积的2 2倍倍 双分双分子层。子层。 双嗜性分子双嗜性分子 磷脂分子中的磷脂分子中的磷酸和碱基、胆固磷酸和碱基、胆固醇分子中的羟基以醇分子中的羟基以及糖脂分子中的糖及糖脂分子中的糖链等亲水性基团分链等亲水性基团分别构成各自分子中别构成各自分子中的亲水端，分子的的亲水端，分子的另一端那么是疏水另一端那么是疏水的脂肪酸烃链。的脂肪酸烃链。 特点：特点：流动性流动性: : 熔点较低熔点较低 液态液态 胆固醇的含量胆固醇的含量: :起流度阻尼器的功能起流度阻尼器的功能; ; 脂

5、肪酸烃链的长度和饱和度脂肪酸烃链的长度和饱和度: : 脂肪酸烃链较短脂肪酸烃链较短, ,饱和度较低饱和度较低流动流动性性 膜蛋白的含量膜蛋白的含量: : 蛋白质蛋白质流动性流动性稳定性稳定性: : 热力学分析热力学分析自在能最低自在能最低 意义意义: 1. 维持细胞膜的完好维持细胞膜的完好: * 接受相当大的张力和外形改动接受相当大的张力和外形改动 * 自动交融而修复自动交融而修复 2. 与细胞的许多根本活动有关与细胞的许多根本活动有关: 流动性流动性膜蛋白挪动、聚集和相互膜蛋白挪动、聚集和相互作用作用 入胞、出胞、细胞的运动等入胞、出胞、细胞的运动等根本活动根本活动 ( (二二) )细胞膜的

6、蛋白细胞膜的蛋白 实验实验: : 冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术 蛋白水解酶蛋白水解酶 细胞膜蛋白的种类及含量越多，细胞膜蛋白的种类及含量越多， 该细胞的功能也就越复杂。该细胞的功能也就越复杂。 根据膜蛋白在膜上根据膜蛋白在膜上 存在的方式：存在的方式： 外表蛋白：外表蛋白：20%-30%20%-30% peripheral peripheral proteinprotein 整合蛋白整合蛋白 integral integral proteinprotein 整合蛋白整合蛋白:70%:70%80% 80% 如载体、通道等如载体、通道等 特征特征: :肽链一次或反复多次穿越膜的脂质双肽链一次或反复多次

7、穿越膜的脂质双层。层。 肽链具有双嗜性肽链具有双嗜性: : 根据疏水性片段数目根据疏水性片段数目推测跨膜推测跨膜-螺螺旋数目旋数目 G 蛋白耦联受体(G-protein coupled receptors, GPCRs)G G蛋白耦联区蛋白耦联区又称七次跨膜受体又称七次跨膜受体/ /七螺旋受体七螺旋受体 / /蛇型受体蛇型受体serpentine receptorserpentine receptor( (三三) )细胞膜的糖类细胞膜的糖类: 2% : 2% 10%10% 主要是一些寡糖和多糖链；它们主要是一些寡糖和多糖链；它们以共价键的方式和膜脂质或蛋白质结以共价键的方式和膜脂质或蛋白质结合

8、合 糖脂或糖蛋白。糖脂或糖蛋白。 结合于糖脂或糖蛋白上的糖链结合于糖脂或糖蛋白上的糖链仅存在于膜的外侧，通常具有受体或仅存在于膜的外侧，通常具有受体或抗原的功能。抗原的功能。 如：寡糖链如：寡糖链RBCRBC膜上膜上ABOABO血型血型系统的抗原系统的抗原 意义：以其单糖陈列顺序上的特异性，作为意义：以其单糖陈列顺序上的特异性，作为 它们所在细胞或它们所结合的蛋白质它们所在细胞或它们所结合的蛋白质 的特异性标志。的特异性标志。二、物质的跨膜转运二、物质的跨膜转运 脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质 直接穿越细胞膜；直接穿越细胞膜； 大部分水溶性溶质分子和一切离

9、子的跨大部分水溶性溶质分子和一切离子的跨 膜转运膜转运有膜蛋白介导来完成；有膜蛋白介导来完成； 大分子物质或物质团块大分子物质或物质团块以复杂的出胞以复杂的出胞 或入胞的方式整装进出细胞。或入胞的方式整装进出细胞。 单纯分散单纯分散 膜蛋白介导的跨膜转运：膜蛋白介导的跨膜转运： 通道介导的跨膜转运经通道易化通道介导的跨膜转运经通道易化分散分散 载体介导的跨膜转运：载体介导的跨膜转运： 经载体易化分散经载体易化分散 原发性自动转运原发性自动转运 继发性自动转运继发性自动转运 出胞和入胞出胞和入胞一单纯分散一单纯分散simple diffusionsimple diffusion 1.1.概念：脂

10、溶性的和少数分子很小的水溶性概念：脂溶性的和少数分子很小的水溶性的物质的物质 经过脂质双层由高浓度一侧向低浓经过脂质双层由高浓度一侧向低浓度一侧度一侧 转运的过程转运的过程 。如如: :氧气氧气 氮气氮气二氧化碳二氧化碳 水水 乙醇乙醇 尿素尿素 甘油甘油CO2i CO2oO2o O2i2.2.影响要素：影响要素：“单纯单纯 简单的物理分散简单的物理分散 * * 通透性：某物质经过膜的难易程度。通透性：某物质经过膜的难易程度。 取决于物质的脂溶性和分子取决于物质的脂溶性和分子大小大小 * * 分散的方向和速度：膜两侧该物质浓分散的方向和速度：膜两侧该物质浓度差度差 膜对该物质的通透性膜对该物质

11、的通透性3.3.特点：不需求外力，不耗费能量特点：不需求外力，不耗费能量被动过被动过程程二膜蛋白介导的跨膜转运二膜蛋白介导的跨膜转运 通道蛋白通道蛋白ion channelion channel，简称通道，也称，简称通道，也称离子通道离子通道 载体蛋白载体蛋白carrriercarrrier，简称载体，也称转运，简称载体，也称转运体体 有些载体具有有些载体具有ATPATP酶活性，称为离子泵，酶活性，称为离子泵， 离子泵具有分解离子泵具有分解ATPATP的才干，也称的才干，也称ATPATP酶酶ATPaseATPase。 经通道易化分散经通道易化分散 经载体易化分散经载体易化分散 原发性自动转运原

12、发性自动转运 继发性自动转运继发性自动转运 被动转运被动转运自动转运自动转运1.1.通道介导的跨膜转运通道介导的跨膜转运 离子通道是一类贯穿脂质双层、中离子通道是一类贯穿脂质双层、中央带央带 有亲水性孔道的膜蛋有亲水性孔道的膜蛋白；白； 无分解无分解ATPATP的的才干才干 被动过程被动过程 称经通道易化称经通道易化分散分散 特征：特征：高速度：转运速率高速度：转运速率106-108/106-108/秒载体的秒载体的102-105/102-105/秒秒 通道与载体之间最重要通道与载体之间最重要的区别；的区别；离子选择性：取决于通道开放时水相孔道的大小离子选择性：取决于通道开放时水相孔道的大小

13、和孔道壁的带电情况；和孔道壁的带电情况；门控：在通道蛋白分子内有一些可挪动的构造或门控：在通道蛋白分子内有一些可挪动的构造或 化学基团，在通道内起化学基团，在通道内起“闸门作用，许闸门作用，许多多 要素可刺激闸门运动，导致通道的开放或要素可刺激闸门运动，导致通道的开放或 封锁，这一过程称为门控封锁，这一过程称为门控gatinggating。 根据对不同刺激的敏感性，离子通道可分为：根据对不同刺激的敏感性，离子通道可分为： 化学门控通道化学门控通道chemically-gated ion chemically-gated ion channel channel 电压门控通道电压门控通道volta

14、ge-gated ion voltage-gated ion channel channel 机械门控通道机械门控通道(mechanically-gated ion (mechanically-gated ion channel)channel) 留意：留意： 1. 也有少数几种通道一直是继续也有少数几种通道一直是继续开放开放 的，这类通道称为非门控通道。的，这类通道称为非门控通道。 如如:钾漏通道、缝隙衔接通道等钾漏通道、缝隙衔接通道等 2.通道的开关除调控物质的转运外通道的开关除调控物质的转运外, 还与信号转导和细胞电活动有关还与信号转导和细胞电活动有关. 经通道易化分散：经通道易化分散：

15、转运的物质转运的物质: :各种带电离子各种带电离子K+i K+i K+oK+oNa+o Na+o Na+iNa+i2.2.载体介导的跨膜转运：结合载体介导的跨膜转运：结合构象变构象变化化解离解离 特征：特征： 转运速率存在饱和景象；转运速率存在饱和景象； 载体与溶质结合具有构造特异载体与溶质结合具有构造特异性；性； 构造类似的溶质经同一载体转构造类似的溶质经同一载体转运时运时 有竞争抑制。有竞争抑制。 KmKm米氏常数：达最大分散速率一半时米氏常数：达最大分散速率一半时所所 需的底物浓度，反映载体蛋白对被转运需的底物浓度，反映载体蛋白对被转运 物分子的亲和力和转运效率。物分子的亲和力和转运效率

16、。机制：机制：饱和景象：饱和景象：1 1经载体易化分散：指水溶性小分子经载体易化分散：指水溶性小分子物质物质 经载体转运体介导顺浓经载体转运体介导顺浓 度梯度和或电位梯度度梯度和或电位梯度 进展的被动跨膜转运。进展的被动跨膜转运。 方式： 单物质转运 同向转运 反向转运或交换 经载体易化分散经载体易化分散: :转运的物质：葡萄糖转运的物质：葡萄糖(GL)(GL)、氨基酸、氨基酸(AA)(AA)等小分子亲水物质等小分子亲水物质2 2原发性自动转运：离子泵利用分解原发性自动转运：离子泵利用分解ATPATP产产 生的能量将离子逆浓度梯度和或生的能量将离子逆浓度梯度和或电位电位 梯度进展跨膜转运的过程

17、。梯度进展跨膜转运的过程。 留意：留意：在物质转运过程中，细胞要代谢在物质转运过程中，细胞要代谢供能；供能； 物质转运是逆电物质转运是逆电- -化学梯度进展化学梯度进展的。的。 * *钠钠- -钾泵钾泵sodium-potassium pumpsodium-potassium pump： 上世纪上世纪5050年代，在枪乌鲗宏大神经轴突细胞膜年代，在枪乌鲗宏大神经轴突细胞膜上证明了上证明了Na+Na+逆浓度梯度的跨膜转运逆浓度梯度的跨膜转运钠泵；还证钠泵；还证明此过程必需在细胞外明此过程必需在细胞外K+K+存在时才干发生存在时才干发生Na+Na+的的外排与外排与K+K+的内入相耦联的内入相耦联钠

18、钠- -钾泵。钾泵。 19571957年，丹麦的年，丹麦的SkouSkou在蟹的外周神经膜上分别在蟹的外周神经膜上分别出一种出一种ATP ATP 酶，这种酶的不寻常之处是它在同时酶，这种酶的不寻常之处是它在同时存在存在Na+Na+和和K+K+的条件下被激活，此酶的活性还可被的条件下被激活，此酶的活性还可被强心苷抑制强心苷抑制提出提出Na+-K+-ATPNa+-K+-ATP酶就是钠泵的想象，酶就是钠泵的想象，并在以后的大量实验中得到证明。并在以后的大量实验中得到证明。 Skou Skou 也因此也因此获得获得20192019年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 当膜内当膜内Na+Na+或膜外或膜外K

19、+K+激活钠泵激活钠泵每每分解分解1 1分子分子ATPATP将将3 3个个Na+Na+移出移出膜外，将膜外，将2 2个个K+K+移入膜内移入膜内维持膜内高维持膜内高K+K+和膜外高和膜外高Na+Na+的不平衡离子的不平衡离子分布。分布。 通道转运与钠通道转运与钠-钾泵转运方式图钾泵转运方式图钠泵的主要功能钠泵的主要功能 ：耗能：耗能202030%30% 钠泵活动呵斥的细胞内高钠泵活动呵斥的细胞内高K+K+是许多代谢反响进展的是许多代谢反响进展的必要条件必要条件; ;维持胞内浸透压和细胞容积维持胞内浸透压和细胞容积: :排水泵排水泵不断的将顺浓不断的将顺浓度梯度漏入的度梯度漏入的Na+ Na+

20、转运回去；转运回去； c. c. 建立建立Na+Na+的跨膜浓度梯度，为继发性自动转运的的跨膜浓度梯度，为继发性自动转运的物质提供势能贮藏；物质提供势能贮藏； d. d. 钠泵活动呵斥的跨膜浓度梯度，是细胞发生电活钠泵活动呵斥的跨膜浓度梯度，是细胞发生电活动的前提条件；动的前提条件；e. e. 钠泵活动是生电性的，可直接影响膜电位，使膜钠泵活动是生电性的，可直接影响膜电位，使膜内电位的负值增大。内电位的负值增大。 强心苷地高辛、哇巴因等：钠泵特异性阻强心苷地高辛、哇巴因等：钠泵特异性阻断剂断剂 小剂量时小剂量时心肌钠泵心肌钠泵30%30%40%40%被抑制被抑制膜内外膜内外Na+ Na+ 浓度

21、差浓度差 Ca2+ Ca2+经经Na+-Ca2+Na+-Ca2+交换交换的驱动力的驱动力胞质内胞质内Ca2+ Ca2+ 浓度浓度收缩力加强。收缩力加强。 * * 钙泵钙泵(calcium pump(calcium pump， Ca2+-ATPCa2+-ATP酶酶) ) 分布：质膜、内质网或肌质网膜上；分布：质膜、内质网或肌质网膜上； 作用：作用： 质膜钙泵每分解质膜钙泵每分解1 1分子分子ATPATP 将将1 1个个Ca2+Ca2+移到膜外；移到膜外； 胞内胞内Ca2+ Ca2+ 内质网或肌质网钙泵每分解内质网或肌质网钙泵每分解 1 1分子分子ATPATP将将2 2个个Ca2+Ca2+移到移到 内质网或肌质网内；内质网或肌质网内；(0.1-0.2umol/L)为细为细胞外液量的万分之一胞外液量的万分之一3 3继发性自动转运继发性自动转运secondary active secondary active transporttransport：指驱动力并不指驱动力并不直接来自直接来自ATPATP的的分解，而是来分解，而是来自原发性