医学生理学 细胞的基本功能

第二章细胞的基本功能第一节细胞的跨膜物质转运功能第三节细胞的跨膜电变化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的跨膜物质转运功能一、膜的化学组成和分子结构(一)脂质双分子层

以液态的脂质双分子层为基架，具有稳定性和流动性。(二)细胞膜蛋白质

镶嵌或贯穿于脂质双分子层中，生物膜具有的各种功能大多与其有关。有些作为抗原决定族=免疫信息(血型)；(三)细胞膜糖类

多为短糖链，以共价键的形式与膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。有些作为膜受体的“可识别”部分，能特异地与激递质等结合。二、细胞膜的跨膜物质转运功能●被动转运●主动转运

指物质顺电位或化学梯度的转运过程。指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。（一）被动转运(passivetransport)

概念：物质顺电位或化学梯度的转运过程。

特点：①不耗能（转运动力依赖物质的电-化学梯度所贮存的势能）②依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”③顺电-化学梯度进行

分类：①单纯扩散②易化扩散1.单纯扩散(simplediffusion)(1)概念: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。[CO2]i＞[CO2]o[O2]o＞[O2]i

(2)特点:①扩散速率高②无饱和性③不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”④不需另外消耗能量⑤扩散量与浓度梯度、温度和膜通透性呈正相关，用扩散通量（molormol数/min.cm2)表示。

(3)转运的物质：O2、CO2、NH3、N2、尿素、乙醚、乙醇、类固醇类激素

等少数几种。

注：∵膜对H2O具高度通透性，∴H2O除单纯扩散外，还可通过水通道跨膜转运。2.易化扩散(facilitateddiffusion)

(1)概念:一些非脂溶性或脂溶解度甚小的物质,需特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。

(2)分类:

②经载体的易化扩散①经通道的易化扩散（1）经通道的易化扩散转运的物质:各种带电离子[K+]i＞[K+]o[Na+]o＞[Na+]i（2）经载体的易化扩散转运的物质：葡萄糖(GL)、氨基酸(AA)等小分子亲水物质

(3)特点:①需依靠特殊膜蛋白质的“帮助”②不需另外消耗能量③选择性（∵特殊膜蛋白质本身有结构特异性）④饱和性（∵结合位点是有限的）⑤竟争性（∵经同一特殊膜蛋白质转运）⑥浓度和电压依从性（∵特殊膜蛋白质的变构是有条件的，如化学门控通道、电压门控通道）

(二)主动转运(activetransport)

概念：指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。

特点：①需要消耗能量,能量由分解ATP来提供；②依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”；③是逆电-化学梯度进行的。

分类：

③入胞和出胞式转运。②继发性主动转运（简称：联合转运）；①原发性主动转运（简称：泵转运）；如:Na+-K+泵、Ca2+-Mg2+泵、H+-K+泵等泵转运——Na+-K+泵

Na+-K+泵又称Na+-K+-ATPase，简称钠泵。当[Na+]i↑[K+]o↑时，都可被激活，ATP分解产生能量，将胞内的3个Na+移至胞外和将胞外的2个K+移入胞内。通道转运与钠-钾泵转运模式图钠-钾泵的这种活动还为其它一些物质转运的提供了动力（如葡萄糖、氨基酸的吸收：Na+-载体-葡萄糖、Na+-载体-氨基酸的复合体形式进行的联合转运）。维持[Na+]o高、[K+]i高原先的不均匀分布状态2K+泵至细胞内;3Na+泵至细胞外分解ATP产生能量当[Na+]i↑/[K+]o↑激活钠-钾泵:2.继发性主动转运概念：间接利用ATP能量的主动转运过程。即逆浓度梯度或逆电位梯度的转运时，能量非直接来自ATP的分解，是来自膜两侧[Na+]差，而[Na+]差是Na+-K+泵分解ATP释放的能量建立的。分类：

①同向转运

②逆向转运3.入胞和出胞式转运一些大分子物质或团块进出细胞,是通过细胞本身的吞吐活动进行的,亦可属于主动转运过程。

出胞:指细胞把成块的内容物由细胞内排出的过程。

主要见于细胞的分泌过程：如激素、神经递质、消化液的分泌。

入胞:指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过程。分为：吞噬=转运物质为固体;吞饮=转运物质为液体。分泌物排出融合处出现裂口囊泡向质膜内侧移动膜性结构包被=分泌囊泡高尔基复合体粗面内质网合成蛋白性分泌物出胞：囊泡膜与质膜的某点接触并融合囊泡的膜成为细胞膜的组成部分细胞膜上的受体对物质的“辨认”发生特异性结合=复合物复合物向膜表面的“有被小窝”移动“有被小窝”处的膜凹陷凹陷膜与细胞膜断离=吞食泡吞食泡与胞内体的膜性结构相融合入胞:复习思考题1.简述细胞膜物质转运有哪些方式？2.Na+-K+泵的作用意义？3.在一般生理情况下,每分解一分子ATP,钠泵运转可使()A.2个钠离子移出膜外B.2个钾离子移入膜内C.2个钠离子移出膜外,同时有2个钾离子移入膜内D.3个钠离子移出膜外,同时有2个钾离子移入膜内E.2个钠离子移出膜外,同时有3个钾离子移入膜内D4、细胞膜的脂质双分子层是()A.细胞内容物和细胞环境间的屏障B.细胞接受外界和其他细胞影响的门户C.离子进出细胞的通道D.受体的主要成分E.抗原物质5、葡萄糖进入红细胞膜是属于()A.单纯扩散B.主动转运C.易化扩散D.入胞作用E.吞饮AC第二节细胞的跨膜信号转导功能多细胞生物体必须具备完善的信号转导系统以协调其正常的生理功能。细胞间传递信息的物质多达几百种：如递质、激素、细胞因子等。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：①离子通道介导的信号转导③酶偶联受体介导的信号转导②G蛋白偶联受体介导的信号转导一、离子通道介导的信号转导离子通道大体有：化学、电压、机械性门控通道如：化学性胞外信号(ACh)ACh+受体=复合体终板膜变构=离子通道开放Na+内流终板膜电位骨骼肌收缩膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：激活G蛋白二、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)ATPcAMP（第二信使）细胞内生物效应激活cAMP依赖的蛋白激酶A结合G蛋白偶联受体激活G蛋白(与β、γ亚单位分离)膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：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(与β、γ亚单位分离)细胞内生物效应结合G蛋白偶联受体三、酶偶联受体介导的信号转导

受体本身具有酶的活性，又称受体酪氨酸激酶。生长因子与受体酪氨酸激酶结合细胞内生物效应膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：具有酪氨酸激酶活性特点：①信号转导与G蛋白无关；②无第二信使的产生；③无细胞质中蛋白激酶的激活。受体酪氨酸激酶介导的信号转导图示复习思考题1.细胞间通讯有哪些方式？各种方式之间有何不同？2.通过细胞表面受体介导的跨膜信号转导有哪几种方式？比较各种方式之间的异同。3.试述细胞信号转导的基本特征。4.试比较G蛋白偶联受体介导的几种信号通路之间的异同。5.概述受体酪氨酸介酶介导的信号通路的组成、特点及其主要功能。

概述恩格斯在100多年前就指出：“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变化”。人体及生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（bioelectricity）。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。第三节细胞的跨膜电变化“一、细胞的生物电现象●静息电位：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的恒定电位差。●动作电位：细胞活动时，细胞膜内外存在的变化的电位波动。2.RP实验现象：（一）静息电位(restingpotentialRP)

1.概念：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。2.实验现象：3.证明RP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。

4.与RP相关的概念：静息电位:细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。膜电位:因电位差存在于膜的两侧所以又称为膜电位（membranepotential）。习惯叫法:因膜内电位低于膜外，习惯上RP指的是膜内负电位。

RP值:哺乳动物的神经、骨骼肌和心肌细胞为-70～-90mV，红细胞约为-10mV左右。RP值描述:RP↑→膜内负电位↑(-70→-90mV)=超极化RP↓→膜内负电位↓(-70→-50mV)=去极化（二）动作电位(actionpotentialAP)

1.概念：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动称为动作电位。2.AP实验现象：去极化上升支下降支3.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（负、正）后电位4.动作电位的特征：①是非衰减式传导的电位。②具有“全或无”的现象：即同一细胞上的AP大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。

5.动作电位的意义：

AP的产生是细胞兴奋的标志。

6.与AP相关的概念:极化:以膜为界，外正内负的状态。

去极化:膜内外电位差向小于RP值的方向变化的过程。超极化:膜内外电位差向大于RP值的方向变化的过程。复极化:去极化后再向极化状态恢复的过程。反极化: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。阈电位:引发AP的临界膜电位数值。局部电位:低于阈电位的去极化电位。后电位：锋电位下降支最后恢复到RP水平以前，一种时间较长、波动较小的电位变化过程。包括：负后电位=去极化后电位，

正后电位=超去极化后电位。二、生物电现象的产生机制（一）化学现象要在膜两侧形成电位差，必须具备两个条件：①膜两侧的离子分布不均，存在浓度差；②对离子有选择性通透的膜。膜两侧[K+]差是促使K+扩散的动力，但随着K+的不断扩散，膜两侧不断加大的电位差是K+继续扩散的阻力，当动力和阻力达到动态平衡时，K+的净扩散通量为零→膜两侧的平衡电位。通透膜选择性通透膜(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀

[Na+]i＞[Na+]o≈1∶10,[K+]i＞[K+]o≈30∶1[Cl-]i＞[Cl-]o≈1∶14,[A-]i＞[A-]o≈4∶1（二）静息电位的产生机制1.静息电位的产生条件主要离子分布：膜内：膜外：(2)静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性

通透性：K+＞Cl-＞Na+＞A-

静息状态下细胞膜内外主要离子分布及膜对离子通透性2.RP产生机制的膜学说:∵静息状态下①细胞膜内外离子分布不均；②细胞膜对离子的通透具有选择性:K+＞Cl-＞Na+＞A-∴[K＋]i顺浓度差向膜外扩散[A-]i不能向膜外扩散[K+]i↓、[A-]i↑→膜内电位↓(负电场)[K+]o↑→膜内电位↑(正电场)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=RP结论:RP的产生主要是K＋向膜外扩散的结果。

∴RP=K+的平衡电位证明：①Nernst公式的计算EK=RT/ZF•ln[K+]O/[K+]i=59.5log[K+]O/[K+]i同理可算出ENa,因K+的通透性大于Na+近100倍,EK的权重明显大于ENa,故RP是权重后的EK和ENa的代数和,非常接近于EK。②Hodgkin和Katz的实验

在枪贼巨大神经纤维测得RP值为-77mv,与Nernst公式的计算值（-87mv）基本符合。

③人工改变[K+]O/[K+]i，RP也发生相应改变，如：轴突管内置换等张Nacl,RP消失（即[K+]i↓→RP↓）。1.AP产生的基本条件:①膜内外存在[Na+]差:[Na+]i＞[Na+]O≈1∶10；②膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：

即电压门控性Na+、K+通道激活而开放。（三）动作电位的产生机制2.AP的产生机制:AP上升支AP下降支当细胞受到刺激细胞膜上少量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＋通道大量开放Na+顺电化学差和膜内负电位的吸引→再生式内流∵[Na+]i↑、[K+]O↑→激活Na+－K+泵2.AP的产生机制:膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支）Na+通道关→Na+内流停+同时K+通道激活而开放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+泵出、K+泵回，∴离子恢复到兴奋前水平→后电位结论：①AP的上升支由Na＋内流形成，下降支是K＋外流形成的，后电位是Na＋－K＋泵活动引起的。②AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（Na＋－K＋泵的活动）。

③AP=Na＋的平衡电位。证明：①Nernst公式的计算AP达到的超射值（正电位值）相当于计算所得的ENa值。②应用Na＋通道特异性阻断剂河豚毒后，内向电流全部消失（AP消失）。几点说明：

1.刺激：①在细胞膜内施加负相电流（或膜外施加正相电流）刺激时，会引起超极化，不会引发AP；相反，会引起去极化，引发AP；②刺激分：阈刺激、阈上刺激、阈下刺激，前二者能使膜电位去极化达到阈电位引发AP；后者只能引起低于阈电位的去极化（即局部电位）不会引发AP。

2.阈电位：是激活电压门控性Na+通道的临界值。即阈电位先引发一定数量的Na+通道开放，Na+迅速大量内流后，再引发更多数量的Na+通道开放，爆发AP。因此，当膜电位达到阈电位后，导致Na+通道开放与Na+内流之间出现再生性循环。三、细胞兴奋后兴奋性的变化（一)有关概念兴奋性：活组织或细胞对外界刺激发生反应的能力；或活组织或细胞对外界刺激产生AP的能力。

兴奋：组织受刺激后由静息→活动或由活动弱→强的过程。抑制：组织受刺激后由活动→静息或由活动强→弱的过程。刺激：能引起细胞或组织发生反应的所有内、外环境的变化。反应：可兴奋性组织对刺激的应答表现。（二)细胞兴奋后兴奋性的变化

绝对不应期：无论多强的刺激也不能再次兴奋的期间。相对不应期：大于原先的刺激强度才能再次兴奋期间。超常期：小于原先的刺激强度便能再次兴奋的期间。低常期：大于原先的刺激强度才能再次兴奋的期间。

组织兴奋后兴奋性变化的对应关系分期兴奋性与AP对应关系机制绝对不应期降至零锋电位钠通道失活相对不应期渐恢复负后电位前期钠通道部分恢复超常期＞正常负后电位后期钠通道大部恢复低常期＜正常正后电位膜内电位呈超极化

四、局部兴奋概念：阈下刺激引起的低于阈电位的去极化（即局部电位），称局部反应或局部兴奋。特点：

①不具有“全或无”现象。其幅值可随刺激强度的增加而增大。②电紧张方式扩布。其幅值随着传播距离的增加而减小。③具有总和效应：时间性和空间性总和。。

时间性总和空间性总和五、兴奋在同一细胞上的传导（一）传导机制：局部电流静息部位膜内为负电位，膜外为正电位兴奋部位膜内为正电位，膜外为负电位在兴奋部位和静息部位之间存在着电位差膜外的正电荷由静息部位向兴奋部位移动膜内的负电荷由兴奋部位向静息部位移动形成局部电流膜内：兴奋部位相邻的静息部位的电位上升膜外：兴奋部位相邻的静息部位的电位下降去极化达到阈电位，触发邻近静息部位膜爆发新的AP局部电流：（二）传导方式：无髓鞘N纤维的兴奋传导为近距离局部电流；有髓鞘N纤维的兴奋传导为远距离局部电流(跳跃式)。（三）传导特点

1、生理完整性2、双向性3、相对不疲劳性4、绝缘性5、不衰减性或“全或无”现象复习思考题1.静息电位产生的原理是什么？如何证明？2.动作电位是怎么发生的？如何证明动作电位是钠的平衡电位？3.发生兴奋过程中，如何证明有兴奋性的变化？为什么会发生这些变化？4.兴奋是如何传导的？影响传导速度的因素有哪些？5.试比较局部电位和动作电位的区别。6.刺激引起神经兴奋的内因和外因是什么？7.绝对不应期是否指潜伏期？潜伏期是否等于引起兴奋所需的最短刺激作用时间？8.神经干上某点发生兴奋后，除向前传导外，能否逆传？为什么？9.试比较改变刺激强度，单一神经纤维与神经干的动作电位变化？为什么？10.血K+浓度对兴奋性、RP和AP有何影响？11、以下关于细胞膜离子通道的叙述,正确的是()A.在静息状态下,Na、K离子通道