生理学课件：第二章-细胞基本功能

2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系1第二章细胞基本功能细胞Cell——basicstructuralandfunctionalunitMorethan200differentcelltypes——carryoutdifferentfunctionsGeneralfunctionofcell——共性（本章主要内容）2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系2细胞的基本结构细胞膜(cellmembrane)：提供相对独立环境，完成正常功能胞浆(cytoplasm)：细胞器(organelle)线粒体(mitochondria)、内质网(endoplasmicreticulum)、溶酶体(lysosome)细胞核(nucleus)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系3膜的化学组成和分子结构Components:脂质(lipid)+蛋白质(protein)（4:1-1:4)+糖70年代，液态镶嵌模型（fluidmosaicmodel）骨架——脂质双分子层(Lipidbilayer)(phospholipid+cholesterol)

双嗜分子膜蛋白：表面(peripheralprotein)、镶嵌(integralprotein)细胞膜糖类——特异性标志(glycoproteinandglycolipid)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系4跨膜物质转运——膜功能之一防止内容物流出，化学成分相对稳定，维持正常功能物质跨膜转运(transmembranetransport)外界获得氧(oxygen)和营养物质(nutrients)排除代谢产物(metabolites)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系5跨膜转运方式：交换物质多样——多样性单纯扩散(simplediffusion)易化扩散(facilitateddiffusion)经通道易化扩散(facilitateddiffusionviaionchannel)经载体易化扩散(facilitateddiffusionviacarrier)主动转运(activetransport)原发性主动转运(primaryactivetransport)继发性主动转运(secondaryactivetransport)膜泡运输：出胞(exosytosis)和入胞(endosytosis)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系6单纯扩散(simplediffusion)分子热运动：高浓度到低浓度(concentrationgradientacrossmembrane)膜屏障存在：脂溶性，小分子物质(O2、CO2、甾体激素steroidhormone)水通透性(permeability)：2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系7易化扩散(facilitateddiffusion)高浓度——低浓度不消耗ATP特殊蛋白介导载体(carrier)：也称转运体(transporter)通道(channel)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系8经载体介导的易化扩散葡萄糖(glucose)、氨基酸(aminoacid)等特点：高度特异(specificity)

饱和现象(saturation)

竞争抑制(competition)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系9经通道介导的易化扩散钠、钾、钙、氯等无机离子特点（与载体比较）：转运速度快开放时间短选择性较差受理化因素精细调节2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系10通道分类化学门控通道(chemically-gatedionchannel)电压门控通道(voltage-gatedionchannel)机械门控通道(mechanically-gatedionchannel）2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系11化学门控通道(chemically-gatedionchannel)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系12电压门控通道(voltage-gatedionchannel)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系13机械门控通道（mechanically-gatedionchannel）2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系14原发性主动转运(primaryactivetransport)低浓度到高浓度耗能借助蛋白的作用典型：离子泵（ionpump）Na+-K+-ATP酶(sodium-potassiumpump)Calciumpump(钙泵)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系15Sodium-potassiumpump存在于所有细胞1分子ATP转运3个钠和2个钾离子维持细胞内高钾，外高钠激活：细胞内钠升高或外钾升高阻断剂:哇巴因（ouabain）2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系16继发性主动转运(Secondaryactivetransport)肠道、肾小管：葡萄糖，氨基酸没有直接利用ATP伴有钠同向进入细胞必须条件钠：高浓度到低浓度葡萄糖：低浓度到高浓度2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系17Secondaryactivetransport分类：同向转运(symport)钠-葡萄糖同向转运体逆向转运(antiport)（交换exchange）钠－钙交换体2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系18出胞(exocytosis)与入胞(endocytosis)出胞：细胞分泌入胞：吞噬：单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞吞饮：所有细胞液相入胞受体介导入胞2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系19体内细胞间的信息传递外环境变化——多样性体内：信号在细胞间传递——化学、电信号从细胞外到细胞内——跨膜信号转导2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系20跨膜信号转导(transmembranesignaltransduction)60年代以前，几乎一无所知特点：外界信号不进入细胞内通过几种类似途径实现——符合生物学经济原则2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系21跨膜信号转导方式G蛋白耦联受体酶耦联受体离子通道胞内受体：核受体招募型受体2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系22细胞的生物电(bioelectricity)现象生物电现象——普遍存在心电图(electrocardiogram)脑电图(electroencephalogram)肌电图(electromyogram)基础－细胞生物电2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系23跨膜电位的测量膜电位(transmembranepotential)Squidaxon2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系24细胞静息电位(restingpotential)-90mv去极化depolarization超极化hyperpolarization复极化repolarization0mv极化(polarization)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系25Restingpotential产生机制1902年，Bernstein:膜只对钾高度通透性(permeablity)——钾平衡电位(K+equilibriumpotential)Nernstformula：膜电导(membraneconductance)：钾远大于钠（少量钠内流）钠-钾泵的生电作用：5mV2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系26动作电位(actionpotential)的波形SpikepotentialAfterpotential2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系27动作电位(actionpotential)的特点刺激达到一定强度“全或无”特性(All-or-none)可扩播性(propagable)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系28动作电位(actionpotential)产生机制去极化——内向电流(inwardcurrent)？Na＋内流葡萄糖代替NaCl溶液（Hodgkin,Huxley）电压钳(voltageclamp)——测定膜电导(membraneconductance)改变膜片钳(patchclamp)——离子通道的活动2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系29跨膜电流的离子成分——电压钳2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系30膜片钳(patchclamp)技术总和2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系31动作电位的发生去极化刺激——部分钠通道激活——局部反应(localresponse)（局部兴奋）去极化刺激——钠内流足以超过钾外流——进一步去极化——正反馈——钠平衡电位（动作电位）全或无——动作电位特性之一2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系32动作电位的发生——复极化2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系33动作电位的发生阈电位(thresholdpotential)——引起正反馈的临界电位(firinglevel)阈刺激(thresholdstimulus)——达到阈电位的最小刺激2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系34局部反应(localresponse)及特点阈下刺激——局部反应(localresponse)不是“全或无”电紧张扩播(electrotonicpropagation)没有不应期(后面讲)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系35局部反应(localresponse)及特点可以叠加（总和summation）时间总和(temporalsummation)空间总和(spatialsummation)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系36动作电位的传导(conductance)——局部电流(localcurrent)学说2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系37动作电位的传导有髓神经纤维(myelinatedfiber)郎飞结处跳跃式传导(saltatoryconduction)生物进化的结果特点：快，节能2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系38影响动作电位传导的因素膜的被动电学特性：直径(diameter)去极化的速度(velocity)和幅度(altitude)钠通道功能状态钠内流的驱动力2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系39缝隙连接(gapjunction)Connexonchannelconnexin2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系40兴奋性(excitability)和兴奋(excitation)兴奋性：环境改变——相应反应生命的基本特征之一兴奋(excitation)：活动少——多抑制(inhibition)：活动多——少2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系41关于兴奋性(excitability)不一定要完整生物体才具有兴奋性神经、肌肉、腺细胞——可兴奋细胞(excitablecell)（可兴奋组织）2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系42兴奋的本质外在表现不同电生理研究：有细胞膜两侧的电位变化——动作电位兴奋——产生动作电位兴奋性——能产生动作电位兴奋性高低——阈刺激衡量2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系43刺激(stimulus)定义：能引起机体或组织反应的环境变化三要素：强度(intensity)持续时间(duration)强度时间变化率(changeratioofintensity/time)三者相互关联2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系44细胞兴奋时的兴奋性变化AB:绝对不应期BC:相对不应期CD:超常期DE:低常期2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系45影响细胞兴奋性的因素——静息电位减小——兴奋性升高过小——降低（阈电位上移）2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系46影响细胞兴奋性的因素——阈电位上移——兴奋性降低决定阈电位水平的因素钠通道密度钠通道功能状态2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系47影响兴奋性的因素ABCD2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系48影响细胞兴奋性的因素－胞外钙胞外钙离子浓度(concentrationofextracellularcalcium)细胞外钙浓度升高——兴奋性降低原因：膜蛋白等电点为酸性2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系49肌细胞的收缩肌肉组织：分类：功能：骨骼肌(skeletalmuscle)、心肌(cardiacmuscle)、平滑肌(smoothmuscle)形态学特点：横纹肌(striatedmuscle)、平滑肌神经支配：随意肌(voluntarymuscle)（躯体神经）、非随意肌(involuntarymuscle)（自律神经）2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系50骨骼肌神经-骨骼肌接头(neuromuscularjunction)处兴奋传递细胞的细微结构收缩过程兴奋-收缩耦联(excitation-contractioncoupling)影响收缩效能的因素2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系51神经-骨骼肌接头结构和兴奋传递过程接头前膜(prejunctionalmembran)终板膜（接头后膜）(endplatemembrane)接头间隙(junctionalcleft)突触小泡(synapticvesicle)神经递质（acetylcholineACh）终板电位(endplatepotential)量子释放(quantalrelease)微终板电位(miniatureendplatepotential)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系52神经-骨骼肌接头重症肌无力——自身免疫，破坏ACh受体肌无力综合症——自身免疫，破坏突触末梢钙通道肉毒梭菌——毒素阻碍ACh释放筒箭毒——阻碍ACh受体有机磷——抑制胆碱脂酶2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系53骨骼肌结构肌原纤维(myofibril)和肌节(sarcomere)肌原纤维明带（lightband），暗带(darkband)H带，M线，Z线肌节肌丝（filament）:粗肌丝，细肌丝细胞骨架横向：M线，Z线纵向：肌联蛋白，伴肌动蛋白2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系54骨骼肌的细微结构肌管系统(sarcotubularsystem)横管（T管）纵管（肌浆网sarcoplasmicreticulum）纵行肌浆网——RYR连接肌浆网（终末池）——L－型钙通道三联管2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系55（三）横纹肌收缩机制1954年，肌丝滑行理论(myofilamentslidingtheory)：内容：肌丝长度不变粗细肌丝相互滑动，证据：肌小节缩短明带缩短，暗带不变，同时H带变窄2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系56肌丝的分子结构粗肌丝(Thickfilament)肌球蛋白（myosin）横桥（300-400个）细肌丝(thinfilament)肌动蛋白（actin）调节蛋白原肌球蛋白(tropomyosin)肌钙蛋白(troponin)肌钙蛋白T——原肌球蛋白肌钙蛋白I——肌动蛋白肌钙蛋白C——钙离子2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系57骨骼肌收缩过程横桥的作用：当胞内钙离子浓度升高横桥与肌动蛋白结合横桥周期(crossbridgecycling)肌球蛋白肌动蛋白原肌球蛋白肌钙蛋白2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系58横纹肌的兴奋-收缩耦联(excitation-contractioncoupling)定义：中介电兴奋和机械收缩的过程基本过程：动作电位进入T管激活L型钙通道激活ryanodine受体胞内钙升高和回收SR释放钙的机制：钙触发钙释放心肌和骨骼肌不同2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系59影响横纹肌收缩的因素根据外在表现：等张收缩(isotoniccontraction)等长收缩(isometriccontraction)影响因素：前负荷(preload)后负荷(afterload)肌肉收缩能力(contractility)S1S22023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系60前负荷对肌肉收缩的影响前负荷——肌肉初长(initiallength)被动张力(passivetension)主动张力(activetension)最适初长(optimalinitiallength)2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系61最适初长产生的原因最适初长(optimalinitiallength)——最适肌小节长度（2.0-2.2微米）——有效横桥数最多2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系62后负荷对骨骼肌收缩的影响——张力-速度关系曲线后负荷为0——最大收缩速度后负荷无穷大——最大收缩张力后负荷约为1/3最大收缩张力——输出功率最大2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系63肌肉收缩能力(contractility)与前后负荷无关神经递质、体液因素、病理因素、药物NE:增加钙通道开发时间、几率H＋:竞争钙钙增敏剂2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系64单收缩和强直收缩单收缩(twitch)总和（融合）(tetanus)不完全强直收缩完全强直收缩融合——肌张力增加体内——完全强直收缩最低融合频率2023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系652023/11/2复旦大学上海医学院生理与病理生理学系66（一）G蛋白耦联受体介导的信号转导受体G