细胞的基本功能-课件

第二章细胞的基本功能1PPT课件细胞生理是生理学的基础细胞的基本功能物质转运细胞的电活动细胞的信号转导细胞的收缩2PPT课件第一节细胞膜的结构和物质转运功能3PPT课件一、细胞膜的结构概述4PPT课件5PPT课件二、细胞膜化学组成及意义脂质双分子层：屏障作用保持细胞内容物的相对稳定细胞膜蛋白质：通道，载体，酶细胞内外物质、能量、信息交换。细胞膜糖类：糖蛋白，糖脂作为膜蛋白受体识别部分

参与免疫反应6PPT课件三、细胞膜的物质转运功能被动转运

单纯扩散易化扩散主动转运原发性主动转运继发性主动转运7PPT课件（一）单纯扩散

扩散：溶质分子从高浓度向低浓度的净移动（顺化学梯度）单纯扩散：没有生物学转运机制参与的简单的穿越质膜的物理扩散。8PPT课件9PPT课件1.单纯扩散的特点顺浓度梯度不耗能（分子热运动的扩散）10PPT课件2.单纯扩散的条件

(1)浓度梯度（电-化学梯度）(2)膜通透性(3)脂溶性物质a.高脂溶性物质b.O2CO2N2高脂溶性小分子c.水不带电荷的极性小分子，也能以单纯扩散方式通过，但速度很慢11PPT课件（二）易化扩散1.

定义：不溶或难溶于脂质的物质，在细胞膜上某些特殊蛋白质的帮助下，从膜高浓度一侧向低浓度一侧转运的过程。12PPT课件2.特点(1)顺电化学梯度，不耗能(2)具有选择性（膜蛋白分子本身有结构特异性）(3)通透性可变13PPT课件3.类型(1)通道介导的易化扩散(2)载体介导的易化扩散14PPT课件通道介导的易化扩散

离子通道(ionchannel)——介导离子易化扩散15PPT课件离子通道的特性

(1)离子选择性

Na+通道，K+通道，Cl-通道,Ca+2通道(2)门控性化学门控：化学信号控制电压门控：电位差控制(3)离子转运速度快(4)开放和关闭的快速性16PPT课件钠离子钾离子氯离子17PPT课件18PPT课件19PPT课件载体介导的易化扩散载体（carrier)——

也称转运体，介导多种水溶性小分子物质或离子的转运。20PPT课件葡萄糖的易化扩散21PPT课件载体介导的异化扩散的特点

(1)结构特异性

(2)饱和现象

(3)竞争性抑制

22PPT课件(三)主动转运(activetransport)

1.定义：细胞通过本身的某种耗能过程，将某物质的分子或离子从膜的低浓度一侧向高浓度一侧移动的过程

2.特征

逆电化学梯度耗能23PPT课件3.主动转运和被动转运的区别

转运的方向转运的能量转运的后果24PPT课件4.主动转运分类

原发性装运直接利用代谢产生的能量将物质逆浓度梯度跨膜转运，即为原发性主动转运，一般说的主动转运指的是原发性主动转运25PPT课件继发性转运（联合转运，协同转运）主动转运所需的驱动力并不直接来自于ATP的分解，而是原发性主动转运所形成的浓度梯度，在这些离子顺浓度梯度扩散的同时使其他物质逆浓度梯度和/或电位梯度跨膜转运，这种间接利用ATP能量的主动转运过程称为继发性主动转运26PPT课件a.Na+-K+泵

(1)结构：简称钠泵，又称Na+-K+依赖ATP酶，具有ATP酶活性(2)功能：分解ATP，释放出能量，利用这一能量，不断地将Na+从胞内泵出胞外，将K+从胞外泵入胞内(3)特性：

3个Na+移出膜外2个K+移入膜内5.几种原发性主动转运27PPT课件Na+-K+泵28PPT课件(5)生理意义：

①建立一种势能贮备，供细胞其他耗能过程利用②产生和维持细胞内高K+

、细胞外高Na+的状态，是细胞产生生物电的基础③是人体最重要的物质转运形式29PPT课件b.其他泵：钙泵（Ca2+—Mg2+依赖式ATP酶）与肌肉舒张有关氢泵（H+—K+依赖式ATP酶）与胃酸分泌有关30PPT课件6.

继发性主动转运1.定义：是指某些物质逆浓度梯度的主动转运过程，所需能量间接来自ATP的分解，也称联合转运。31PPT课件继发性主动转运32PPT课件2.特点：Na+从胞外被动扩散至胞内释放的能量用于另一种物质的主动转运3.条件：存在转运体33PPT课件（四）囊泡运输1.出胞：大分子物质或固态、液态物质从细胞内排出的过程

持续性出胞：如小肠杯状细胞分泌粘液的过程调节性出胞：如动作电位到达末梢时引起的神经递质释放34PPT课件35PPT课件2.入胞：一些大分子物质或团块物质进入细胞的过程

吞噬：被转运物质以固态形式进入细胞，只出现在一些特殊细胞，如单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞等吞饮：被转运物质以液态形式进入细胞

36PPT课件37PPT课件

小结38PPT课件第二节

细胞膜的信号转导

39PPT课件一、细胞信号转导的概念1.信号:

含有信息内容的一种物质或刺激2.人体内的信号:

存在于细胞外液中含有信息内容的化学物质,或机械的、电的、电磁波等刺激40PPT课件3.

信号的类型

化学信号激素,递质,细胞因子机械信号声音电磁信号光电信号电流41PPT课件4.信号转导

(transmembranetranduction)外界信号细胞膜表面一种或几种膜蛋白分子构象改变新的信号进入胞内膜电位或其他功能变化

42PPT课件二、细胞信号转导的方式膜通道介导的信号转导G蛋白偶联受体介导的信号转导酶联型受体介导的信号转导酪氨酸激酶受体

鸟苷酸环化酶受体细胞内受体介导的信号转导43PPT课件（一）膜通道介导的信号转导信号胞膜上的通道型受体离子通道打开或关闭离子跨膜流动膜电位变化（去极化、超极化）新的信号进入细胞内

44PPT课件1.化学信号—化学门控离子通道

神经突触谷氨酸，门冬氨酸，甘氨酸神经肌肉接头乙酰胆硷45PPT课件运动神经末梢AchAch门控通道蛋白（a亚单位）通道开放大量Na+流入胞内胞膜去极化产生终板电位完成化学信号向生物电信号的转换

46PPT课件(1)特点：化学门控通道具有受体功能，可称为通道型受体，它们被激活时能引起跨膜离子流动，也称为促离子型受体(2)分布：神经肌接头信息传递神经细胞之间的突触传递47PPT课件2.电信号—电压门控离子通道

刺激细胞膜电位的变化电压门控离子通道开放或关闭离子内流或外流新信号形成

48PPT课件49PPT课件50PPT课件(1)Na+通道电信号膜内负电荷消失Na+通道突然开放胞外Na+涌入胞内膜电位变化51PPT课件(2)K+通道膜内形成正电荷

K+通道开放胞内K+流出胞外

膜电位变化52PPT课件3.机械信号-机械门控离子通道前庭和耳蜗的毛细胞的静纤毛上机械信号（声）静纤毛偏曲机械门控离子通道开放离子内流膜电位变化53PPT课件（二）G蛋白偶联受体介导的信号转导

光刺激（视网膜的感光细胞）多数的肽类激素多数的神经递质（神经突触后膜）54PPT课件（1）概念：鸟核苷酸调节蛋白(guaninenucleosideregulatoryproteins,G蛋白)是受体与效应器的转导蛋白。（2）结构：存在于细胞膜上，由3个亚单位构成（）。亚单位是功能亚单位，亚单位通常组成紧密的二聚体，共同发挥作用。（3）分类：亚单位是功能亚单位，不同的亚单位就构成不同的G蛋白。１.G蛋白55PPT课件２.受体—G蛋白—第二信使跨膜信号转导56PPT课件3.G蛋白参与多种信号转导通过多种第二信使参与跨膜信号转导可对电压依赖性离子通道直接发挥调制作用，对钙通道以抑制作用为主，对钾通道以兴奋作用为主。57PPT课件４.胞浆内第二信使细胞内外信息联系有赖于一定组织分泌特异的化学物质作为信息分子，经一定的途径传给另一个细胞，这一过程称为化学信息传递（chemicalsignaling）。具有信息传递功能的信息分子又称为信使物质。58PPT课件第一信使：细胞外信使物质，有激素、神经递质和调质、各种细胞因子等。第二信使：由第一信使作用于靶细胞后在胞内产生的信息物质，主要有核苷酸类cAMP、肌醇磷脂水解产物IP3、DG以及Ca2+。第三信使：是一类在细胞核内外传递信息的物质，参与基因调控、细胞增殖和分化，以及肿瘤形成等过程。（1）信使物质的分类：59PPT课件（２）第二信使的作用：cAMP通过蛋白激酶A（PKA），催化底物磷酸化，始动一系列级联反应，产生生物效应。60PPT课件指细胞膜上的一些蛋白质分子，既有受体的作用又有酶的作用，酶耦连受体有多种，如酪氨酸激酶受体、鸟苷酸环化酶受体。（三）酶耦连受体介导的信号转导61PPT课件信号

结合受体胞质内的酪氨酸激酶活化

细胞功能变化酪氨酸激酶受体介导的信号转导过程鸟苷酸环化酶受体介导的信号转导过程信号

结合受体激活受体的鸟苷酸环化酶活性

细胞功能变化62PPT课件（四）细胞内受体介导的信号转导某些脂溶性信号分子，如类固醇激素和甲状腺激素，可以穿过细胞膜进入细胞内，与胞质受体结合，再进入核内，调节基因表达而完成信号转导。63PPT课件第三节细胞的生物电现象64PPT课件1.兴奋性：

活组织或细胞对外界刺激发生反应的能力2.兴奋：

组织或细胞对外界刺激发生反应3.可兴奋细胞：

神经细胞、肌细胞、腺细胞65PPT课件4.生物电：生命活动时伴有的电现象，是带电离子流动产生的，表现为一定的跨膜电位。表现形式有两种：静息电位和动作电位。所有细胞都有静息电位，有些细胞无动作电位。心电图、脑电图、肌电图、视网膜电图是细胞生物电的总和。66PPT课件67PPT课件一、静息电位及其产生机制（一）静息电位在静息状态下，存在于细胞膜内外两侧的电位差（膜内为负，膜外为正）。

68PPT课件1.

神经纤维细胞-70mV2.肌细胞-70mV~-90mV3.红细胞-20mV69PPT课件几个相关概念：极化：静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态。去（除）极化：膜内负电位值减小，即膜内外电位差减小。超极化：膜内负值增大，即膜内外电位差增大。复极化：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。超射：膜电位高于零电位的部分。反极化：去极化到零电位后膜电位进一步变为正值，使电位极性与原来的极化状态相反。70PPT课件（二）静息电位形成的机制

1.静息状态下细胞膜内外Na+、K+分布不均衡

细胞膜外细胞膜内Na+142mEq/l14mEq/l10:1K+4mEq/l140mEq/l1:35Na+有从膜外向膜内扩散的趋势

K+有从膜内向膜外扩散的趋势71PPT课件2.静息状态下细胞膜对K+的选择性通透

K

+的通透性大

Na+的通透性极小

72PPT课件K+++--73PPT课件3.达到K+

的平衡电位（Nernst公式）Ek=RT/ZF

ln[K+]o/[K+]iR：气体常数T：绝对温度F：法拉第常数Z：原子价ln[K+]o和ln[K+]i分：别为膜外侧和膜内侧浓度平衡电位：离子净扩散为零时的跨膜电位差称为该离子的平衡电位。74PPT课件4.生物电现象产生基础：膜内外离子分布不均衡膜对离子通透性的变化75PPT课件5.静息电位和K+平衡电位

RP的形成机制：细胞内外K+的不均衡分布和安静状态下细胞膜主要对K+有通透性。

K+平衡电位：当K+外移所建立的电场力足以对抗K+外移时，K+的跨膜净移动为0，这样形成的膜内外电位差即为K+平衡电位。76PPT课件K+平衡电位的大小是由膜两侧存在的K+浓度差的大小决定的。它的数值可根据Nernst公式计算。77PPT课件CompanyLogo78PPT课件CompanyLogoRP形成机制K+顺浓度差从膜内向膜外扩散（带负电荷的物质不能外移，极少Na+内移）→膜外侧形成一层正电荷（正电位）、膜内侧形成一层负电荷（负电位）→膜外侧的正电场力与[K+]差的动力达到平衡时，K+不再外移即净通量为零，此时即形成RP，相当于K+的平衡电位（EK）。79PPT课件二、动作电位及其产生机制（一）动作电位（activepotential)

膜受一定强度的刺激后,在原有静息电位的基础上发生的快速而短暂的可向周围扩布的电变化，不同细胞动作电位不同。意义：兴奋的标志,传播信息,触发各种外部活动.80PPT课件内向电流：外向电流：81PPT课件82PPT课件-70mVNa+K+K+K+K+StTPRP＋－3Na+2K+ATP2K+3Na+83PPT课件（二）动作电位过程

上升支下降支去极化后电位

(负后电位)

超极化后电位

(正后电位)锋电位后电位84PPT课件上升支：-70mv→0mv→+35mv锋电位超射下降支：+35mv→0mv→-70mv后电位：膜电位恢复至静息电位前所经历的缓慢微小的电位波动负后电位（去极化后电位）正后电位（超极化后电位）85PPT课件超射值阈电位静息膜电位局部电位负后电位正后电位峰电位86PPT课件（三）动作电位形成机制

1.锋电位和Na+平衡电位膜去极化达到一定数值膜对Na+通透性突然增大Na+内流至平衡为止锋电位=Na+平衡电位87PPT课件Na+平衡电位：是指当Na+内移所建立的电场力足以对抗Na+内移时建立的膜内为正膜外为负的电位差。它相当于锋电位的超射值。88PPT课件2.Na+通道的失活和复极化(1)

Na+通道失活:在去极化开始后的几个毫秒内开放（激活）,随后就失活。(2)

K+通道的开放:膜去极化时被激活,在Na+通道失活时开放，K+外流，膜电位复极(3)

Na+通道的失活和膜电位的复极构成锋电位的下降支89PPT课件上升支：膜对Na+通透性增大，少量Na+内流，引起膜轻度去极化，当去极化达到一定程度时，电压门控性Na+通道开放，Na+大量迅速内流，形成正反馈，相互促进，形成锋电位的上升支90PPT课件下降支：Na+通道失活，K+通道开放，K+快速外流。恢复：细胞内外的浓度差改变，引起钠泵运转，逆浓度差将胞外多余的K+运入胞内，将胞内多余的Na+运至细胞外，使细胞内外的离子分布恢复到原来的静息水平。91PPT课件动作电位产生机制上升支：Na+内流（Na+的平衡电位）下降支：K+外流负后电位:K+外流暂时性减弱正后电位：Na+-K+泵的活动92PPT课件3.Na+通道的状况和细胞兴奋性的变化（1）Na+通道的状况：激活——失活——功能恢复——激活激活是通道开放。失活是指通道处于关闭状态，离子不能通过，受新的刺激后也不开放。93PPT课件（2）Na+通道特性1.Na+通道的开放是电压门控性的静息电位关闭膜超极化关闭膜去极化开放(去极化达阈电位大量开放)2.Na+通道的开放(激活)与关闭(失活)快速性3.Na+通道的三种状态：关闭（备用）、激活、失活94PPT课件（3）细胞兴奋过程中兴奋性的变化：

绝对不应期：组织细胞在兴奋后的一个较短时期内不能再接受新的刺激而兴奋，即兴奋性降低为0。相当于锋电位期间，此时Na+通道失活。相对不应期：绝对不应期后细胞能在较强的刺激下再兴奋；即兴奋性开始恢复但仍低于正常。超常期：膜处于负后电位时（去极化）兴奋性高于正常，低于阈值的刺激就可引起组织兴奋。低常期：膜电位处于正后电位时（超极化），兴奋性低于正常。95PPT课件4.电-化学驱动力及其变化动作电位是在静息电位基础上离子的电-化学驱动力和离子的通透性发生改变的结果。内向电流和外向电流96PPT课件离子受到的电-化学驱动力=膜电位Em-离子的平衡电位Ex差值越大，受到的驱动力越大数值前的正号为外向，负号为内向神经细胞安静时，Em=-70mV，ENa=+60mV，EK=-90mV动作电位期间ENa和EK基本不变静息电位和超射值时驱动力不同97PPT课件5.动作电位期间通透性的改变电压钳和膜片钳技术98PPT课件a.电压钳技术与膜电导的测定膜电导Gx：膜电阻的倒数，反映膜对离子的通透性，测定原理是欧姆定律动作电位期间，电化学驱动力不断变化，使用电压钳技术可以使Em被钳制在任意水平，以测定某离子的电流变化。99PPT课件

电压钳（voltageclamp）技术是通过一个反馈电路使膜电位保持在指定的水平，通过插入细胞内的一根微电极向胞内补充电流，补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子流，这样即使膜通透性发生改变时，也能控制膜电位数值不变。100PPT课件101PPT课件102PPT课件

经过离子通道的离子流与经微电极施加的电流方向相反，数量相等。因之可以定量测定细胞兴奋时的离子电流。膜通透性的改变是迅速的，但如使用一个高频响应的放大器，可以连续、快速、自动地调整注入电流，达到保持膜电位恒定的目的。103PPT课件钠电导和钾电导的变化：104PPT课件利用计算机程序施加一系列钳制电压，并持续一定时间105PPT课件都有电压依赖性：GNa为正反馈激活都有时间依赖性：GNa表现为快速一过性激活由以上实验可知动作电位产生机制为：106PPT课件6.膜电导改变的实质膜电导的实质是离子通道的开放和关闭，在电压钳技术基础上发展出来的膜片钳技术可以很好的研究离子通道。膜片钳技术是将微电极下方的一小片膜（可能包含一个或几个离子通道）进行电压固定，观测单个离子通道的活动。107PPT课件膜片钳技术是用尖端直径1~2μm的玻璃微电极吸管与经蛋白酶处理干净的细胞膜接触，通过20~30cmH2O的负压吸引造成电极尖端与细胞膜形成高阻封接（10~100GΩ），使电极尖端下的小块膜片与膜的其它部分在电学上绝缘，并在此基础上固定膜片电位，监测几个μm2膜片上1~3个离子通道活动的方法。膜片钳技术可用一根玻璃微电极同时完成膜片（或全细胞）电位的监测、钳制及通道电流的记录。108PPT课件膜片钳技术具有1pA的电流分辨率，10μs的时间分辨率和1μm2的空间分辨率，使其成为在活体细胞上进行电生理学研究的重要手段。109PPT课件外面向外式膜片钳记录模式示意图110PPT课件111PPT课件112PPT课件单通道的开放和关闭是全或无的开放和关闭的转换速度快开放或关闭持续时间是随机的因此，单通道电流表现为一个个宽窄不同的矩形波。根据记录的单通道电流，可计算出单通道电导、通道开放概率、平均开放时间和平均关闭时间等指标。113PPT课件

Na+宏膜电流:全细胞或一段神经纤维记录的Na+电流。宏膜电流（I）和单通道电流关系：

N:通道开放数目PO:通道开放概率i：单通道电流114PPT课件7.离子通道的功能状态静息、激活、失活目前认为，通道有2个闸门：激活门和失活门，两个闸门具有不同特征，运动速度不等，只有两个闸门都开放，通道才会开放。钠通道有具有两个闸门，钾通道只有激活门。115PPT课件（四）动作电位的特点

1、不衰减性传导2、“全或无”现象3、存在不应期,脉冲式传导（绝对不应期和相对不应期）116PPT课件二、动作电位的引起和传导（一）阈电位和锋电位的引起阈电位（thresholdmembranepotential)

膜去