生理学第二章-细胞的基本功能

第二章细胞的基本功能

细胞膜的物质转运功能细胞的跨膜信号传导

细胞的生物电现象

肌细胞的收缩一、细胞膜的分子结构化学组分：脂质、蛋白质、少量糖类液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)第一节细胞膜物质转运功能（一）脂质双分子层：细胞膜的基本骨架主要包括：磷脂、胆固醇、糖脂其中磷脂：磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰肌醇(二)细胞膜的蛋白

●表面蛋白如:骨架蛋白●整合蛋白如通道、载体、

离子泵、转运体

(三)细胞膜的糖类

主要类型：寡糖和多糖链，与脂质或蛋白结合

生成糖脂或糖蛋白。功能：细胞的特异性“分子标记”（受体

或抗原等）单纯扩散易化扩散通道介导的易化扩散载体介导的易化扩散主动转运原发性主动转运继发性主动转运膜泡运输

转运对象转运方向是否需要膜蛋白是否消耗能量二、物质的跨膜转运被动转运（一）单纯扩散(simplediffusion)对象：脂溶性物质（O2、CO2、N2、类固醇激素）

小分子水溶性物质（乙醇、尿素、甘油及H2O）不耗能无需膜蛋白介导转运方向——顺浓度梯度转运速度——膜对该物质的通透性（二）易化扩散(facilitateddiffusion)定义：非脂溶性或脂溶性甚小的物质，借助膜蛋白的介导，由细胞膜高浓度侧向低浓度侧转运的过程。要点：对象：非脂溶性或脂溶性甚小的物质不消耗能量，顺浓度梯度需要膜蛋白（载体或通道）的介导分类：经载体易化扩散

经通道易化扩散经通道易化扩散

(facilitateddiffusionviaionchannel)本质：贯穿脂质双层、中央带有亲水性孔道的膜蛋白对象：带电离子（K+、Na+

、Ca2+

、Cl-）特点：1、离子选择性（ionselectivity）孔道口径、内壁化

学结构、带电状况等2、门控性（gatedcontrol）通道状态：静息、激活、失活

调控因素：膜电位、化学信号、机械刺激特点：3、顺浓差或电位差，不耗能(ATP)

4、转运速率大于载体离子通道分类非门控通道门控通道电压门控通道(voltage-gatedionchannel)化学门控通道(chemical-gatedionchannel)机械门控通道(mechanically-gatedionchannel)钾漏通道缝隙连接电压门控通道化学门控通道化学通道蛋白状态：静息、激活、失活※离子通道研究进展

（请同学们任选一题，写一篇综述）离子通道（任选一种离子通道）与疾病水通道研究进展水孔蛋白（aquaporin）美国PeterApre等2003年被授予诺贝尔化学奖经载体易化扩散

(facilitateddiffusionviacarrier)本质：载体或转运体（transporter）:贯穿脂质双层整合蛋白对象：水溶性小分子（如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等）特点：

（1）结构特异性

（2）饱和现象

（3）竞争性抑制（4）顺浓差或电位差机制：

载体蛋白分子内部的变构（三）主动转运(activetransport)定义：某些物质在膜蛋白的帮助下，利用细胞代谢产生的能量将物质逆浓度差和/或电位差进行跨膜转运。要点：对象：较小分子物质逆电-化学梯度消耗能量，直接或间接来自于ATP需要离子泵或转运体的介导分类：原发性主动转运

继发性主动转运原发性主动转运

(primaryactivetransport)定义：直接利用代谢产生的能量（ATP）将离子逆浓度梯度和（或）电位梯度进行跨膜转运的过程。离子泵化学本质ATP酶较常见的离子泵钠-钾泵：质膜钙泵：质膜、肌质网和内质网膜，维持胞质内低Ca2+质子泵：H+，K+-ATP酶：胃腺壁细胞膜和肾小管闰细胞膜，分泌H+H+-ATP酶：细胞器膜，维持胞质的中性和细胞器的酸性钠-钾泵：钠泵、Na+-K+-ATP酶作用：每分解1分子ATP可将3个Na+移出胞外，同时将2分子K+移入胞内—胞外高Na+，胞内高K+。激活：细胞内Na+浓度升高，细胞外K+浓度升高。抑制剂：哇巴因细胞内高钾是细胞内许多代谢反应必需的条件；

e.g.核糖体合成蛋白。维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定；是细胞生物电产生的前提条件；为继发性主动转运的物质提供势能储备；生电效应影响静息电位的数值。

钠泵的生理意义继发性主动转运(又称联合转运)

(secondaryactivetransport)间接利用钠泵分解ATP释放的能量完成的主动转运。即细胞膜利用钠泵分解ATP释放的能量所建立起的膜内外Na+浓度差的势能储备，使其他物质逆浓度梯度和（或）电位梯度的跨膜转运。转运体transporter：同向转运体反向转运体（交换体）Na+-H+交换和Na+-Ca+交换、Na+-K+-2Cl-同向转运过程。葡萄糖、氨基酸在小肠粘膜上皮的吸收及在肾小管上皮被重吸收的过程。甲状腺上皮细胞的聚碘过程。神经递质在突触间隙被神经末梢重摄取的过程。突触囊泡从胞质中摄取神经递质。典型的继发性主动转运大分子或颗粒物质通过由质膜包围形成囊泡，通过膜包裹、膜融合、膜离断等过程，进出细胞的过程。又称批量运输特点：主动、耗能、蛋白质参与、膜面积改变形式：出胞（exocytosis）、入胞（endocytosis）（四）膜泡运输（vesiculartransport）出胞(exocytosis)

胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。例如外分泌腺细胞排放酶原颗粒和粘液内分泌腺细胞分泌激素神经纤维末梢神经递质的释放。形式持续性出胞：安静自发调节性出胞：诱导释放入胞(endocytosis)大分子物质或物质团块被细胞膜包裹后以囊泡的形式进入细胞的过程形式：

吞噬：单核细胞、巨噬细胞、

中性粒细胞

吞饮液相入胞：连续不断受体介导入胞：选择性受体介导入胞如:结合Fe2+的运铁蛋白、低密度脂蛋白的入胞一、信号转导概述第二节细胞的跨膜信号转导信号转导（Signaltransduction）：生物学信息（兴奋或抑制）在细胞间或细胞内转换和传递，并产生生物效应的过程。跨膜信号转导（Transmembranesignaltransduction）：生物活性物质（激素、递质或细胞因子等）通过受体或离子通道的作用激活或抑制细胞功能的过程，也就是信号从胞外转入胞内的过程。细胞通讯（cellcommunication）接触性依赖的通讯：细胞粘附、识别化学通讯：

内分泌(endocrine)旁分泌(paracrine)自分泌(autocrine)化学突触(chemicalsynapse)缝隙连接：如电突触、闰盘外泌体(exosomes

)：细胞信号分子物理信号：如：声、光、热、电、磁等。化学信号：是最广泛的信号分子。

如：激素、神经递质、细胞因子等。根据溶解性分：水溶性和脂溶性跨膜信号转导的基本过程三个阶段：胞外信号的识别胞内信号转换和放大胞内效应产生受体：是一类存在于靶细胞膜上或胞内可识别并结合外源信号分子（配体），进而引起靶细胞内产生相应的生物效应的分子。其化学本质是蛋白质，个别为糖脂。胞内受体：少数疏水性信号分子穿过质膜进入胞内（如：类固醇激素、甲状腺激素、维生素D等）膜受体：大部分亲水性的信号作用于膜受体配体：能与受体特异性结合的信号分子脂溶性分子：可直接穿膜进入靶细胞水溶性分子：不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，所以又称为第一信使(primarymessenger)。主要信号转导通路一、离子通道型受体介导的信号转导受体蛋白本身就是离子通道，例如：N2型ACh受体、谷氨酸促离子

型受体、甘氨酸受体、GABAa受体包括化学门控通道电压门控通道机械门控通道N2-ACh受体介导的信号转导ACh与受体结合—通道开放—Na+、Ca2+内流—细胞去极化—ACh被AChE分解—通道关闭。ACh不能被AChE分解—通道持续激活—受体脱敏。离子通道型受体介导的信号转导阳离子通道受体Cl--通道受体电压门控通道受体机械门控通道受体调控因素化学物质膜电位机械刺激调控机制一些化学物质（激素、递质）和通道蛋白的特殊位点结合，引起通道蛋白构象变化，使通道开放膜电位变化时，引起通道蛋白分子的构象变化，使通道开放或关闭质膜感受牵张刺激后引起其中的通道开放或关闭常见例子N2型乙酰胆碱受体，离子型谷氨酸受体GABAa受体、甘氨酸受体电压门控性K+、Na+、Ca2+通道耳蜗毛细胞膜中的机械门控K+通道、动脉血管平滑肌细胞膜的机械门控Ca2+通道二、G蛋白耦联受体介导的信号转导G蛋白偶联受体（GPCR）：G蛋白（Gprotein）：G蛋白效应器（Effector）：第二信使（Secondmessenger）：蛋白激酶（Proteinkinase）：主要的信号蛋白和第二信使G蛋白耦联受体种类多如：肾上腺素能受体

5-HT受体、N1胆碱受体、氨基酸类递质、肽类激素受体无通道和酶活性7次跨膜2012

TheNoblePrizeinChemistry:Lefkowitz&KobilkaG蛋白-鸟苷酸结合蛋白α、β、γ三个亚单位α亚基能与GTP或GDP结合和GTP酶活性分子开关GDP-αβγGTP-α+βγ（失活型）（激活型）GTP酶“分子开关”失活型G蛋白激活型G蛋白Ｇ蛋白循环G

种类效应分子细胞内信使靶分子

sAC活化↑cAMP↑PKA活性↑

iAC活化↓cAMP↓PKA活性↓

qPLC活化↑Ca2+、IP3、DAG↑PKC活化↑

tcGMP-PDE活性↑cGMP↓Na+通道关闭哺乳动物细胞中的G

亚基种类及效应G蛋白的种类很多，每一类还有许多亚型不同的G蛋白可激活不同的酶，产生不同的信使分子主要的信号蛋白和第二信使G蛋白效应器（Gproteineffector）

效应器酶：催化生成第二信使

腺苷酸环化酶(AC)、磷脂酶C(PLC)、

磷脂酶A2(PLA2)、鸟苷酸环化酶(GC)离子通道转运蛋白第二信使（secondmessenger）环磷酸腺苷(cAMP)、三磷酸肌醇(IP3)、二酰甘油(DG)、环磷酸鸟苷(cGMP)、Ca2+作用：使靶蛋白（蛋白激酶、离子通道）磷酸化、构象变化G蛋白耦联受体信号转导的主要途径受体-G蛋白-AC-cAMP-PKA途径

失活型PKA激活型PKA生物效应例如：运动时，心率，心肌收缩力运动交感神经兴奋释放去甲肾上腺素心肌细胞膜上β1肾上腺素能受体Gs蛋白ACcAMPPKA功能蛋白磷酸化心率↑，心肌收缩力↑受体-G蛋白-PLC-IP3-Ca2+和DG-PKC途径

■IP3激活IP3R促进Ca2+释放Ca2+依赖性生理反应■DG激活PKC磷酸化下游蛋白质

生理反应。G蛋白偶联受体的信号转导特点效应出现较慢（多级酶催化）反应较灵敏（生物放大效应）作用较广泛配体较多受体分布广泛效应器酶、第二信使的多样性第二信使在胞浆扩散效应器较多Ca2+信号系统Ca2+总结：G蛋白偶联受体介导的信号转导过程效应器酶G蛋白第一信使第二信使蛋白激酶或通道GDPαβγGTPαGTPG蛋白细胞功能改变αβγGDP……G蛋白耦联受体三、酶联型受体介导的信号转导酶联型受体：自身具有酶的活性或能与酶结合的膜受体结构特征：仅一个跨膜区段胞外结构域含有可结合配体的部位胞内结构域则具有酶的活性或含能与酶结合的位点分类：酪氨酸激酶受体和酪氨酸激酶结合型受体

如：生长因子、胰岛素、肽类激素鸟苷酸环化酶受体

如：心房钠尿肽(ANP)、脑钠尿肽（BNP）、NO丝氨酸/苏氨酸激酶受体

如：TGF-β酪氨酸激酶受体：胞内结构域具有酪氨酸激酶活性。酪氨酸激酶结合型受体：其本身无酶的活性，激活后与

胞内酪氨酸激酶结合，磷酸化下游酪氨酸残基。鸟苷酸环化酶受体（guanylylcyclasereceptor）1998年诺贝尔生理学或医学奖RobertF.FurchgottLouisJ.IgnarroFeridMurad硝酸甘油治疗心绞痛：

硝酸甘油→NO↑→结合可溶性鸟苷酸环化酶（GC）→三磷酸鸟苷（GTP）转变成cGMP→激活PKG→舒张血管，增加血流量.丝氨酸/苏氨酸激酶受体四、招募型受体介导的信号转导单个跨膜结构，胞内结构无酶活性，不能进行信号放大。五、核受体介导的信号转导核受体分类：类固醇激素受体、维生素D3受体甲状腺激素受体、维甲酸受体第三节细胞的生物电活动细胞在进行生命活动时都伴有电现象，称为细胞生物电（bioelectricity）。

两种主要表现形式：

●静息电位（restingpotential，RP）

所有细胞都具有RP

●动作电位（actionpotential，AP）

神经、肌肉和部分腺细胞——细胞的跨膜电位（transmembranepotential）

或膜电位（membranepotential）细胞生物电是由带电离子跨膜流动产生的（一）静息电位的测定和概念一、静息电位细胞内电位记录

（一）静息电位的概念

安静状态下，细胞膜两侧存在的外正内负且相对平稳的电位差。

范围：-10mV~-100mV。通常是平稳的直流电位（但在中枢内的某些神经细胞和具有自律性的心肌和平滑肌细胞可出现自发性的静息电位波动）。描述细胞膜两侧电荷分布状态的术语：极化

(polarization):安静时细胞膜两侧处于外正内负的状态。去极化(depolarization):静息电位减小的过程或状态。超级化(hyperpolarization):静息电位增大的过程或状态。

反极化(reversepolarization)：去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值。超射(overshoot):膜电位高于零电位的部分。复极化(repolarization):细胞膜去极化后再向静息电位方向

恢复的过程。

1902年，Bernstein提出了膜学说，认为生物电现象的各种表现，主要是由于离子跨膜扩散的结果。1、细胞内外离子分布不均匀，产生浓度差；2、在不同状态下，细胞膜对不同离子的通透性不同。（二）静息电位的产生机制1.细胞膜两侧离子的浓度差与平衡电位（1）

细胞膜内外存在离子浓度差：膜内K+高，膜外Na+高（钠-钾泵活动的结果）离子胞内胞外内外浓度比平衡电位Na+121451:12+67K+1554.534:1-95Cl-4.21161:29-89Ca2+10-41.010000+123表哺乳动物骨骼肌内外离子的浓度(mmol/L)K＋平衡电位2.细胞膜在不同情况下对各种离子通透性不同，

安静时对K+通透性大K+外流后，细胞膜内侧形成电位差。K+外流的动力：浓度差K+外流的阻力：电位差动力阻力＝K＋电-化学驱动力=0Nernst方程理论证据Ex；

平衡电位，R：气体常数，T：绝对温度，F：法拉第常数，Z：离子价，[X]：离子浓度VmVENa+=+67mVEK+=-95mVECl-=-89mVECa2+=+123mV静息电位实测值≠K+平衡电位？静息状态时，细胞膜对Na+

也具有通透性。但通透性较低（仅为K+通透性的1/100～1/50）。Na+进入细胞内，可抵消K+外流形成的膜内负电位。静息电位实测值：K+和Na+跨膜流动后共同作用形成。K＋Na＋静息状态下质膜对不同离子的通透性:①

K+的通透性较高：非门控钾通道神经细胞膜→钾漏通道心肌细胞膜→内向整流钾通道②Na+有一定通透性;③

Cl-不存在原发性主动转运→被动分布;④

Ca2+通透性很低→忽略⑤

有机负离子几乎不通透3.Na+-K+泵的生电作用Na+-K+泵活动维持细胞膜内高K+、膜外高Na+的离子分布状

态，是K+、Na+跨膜扩散形成静息电位的基础。Na+-K+泵活动具有生电作用，使膜内负值更大。影响静息电位水平的因素细胞内外K+浓度差膜对K+和Na+的相对通透性钠泵活动的水平（一）动作电位的概念和特点一、动作电位动作电位：细胞在静息电位基础上接受有效刺激后产生的一个迅速的可向远处传播的膜电位波动。锋电位：动作电位的标志后电位：后去极化电位（负后电位）后超极化电位（正后电位）去极相复极相负后电位正后电位“全或无”(allornone)动作电位的幅度不因刺激的增强而随之增大。不衰减传播动作电位在同一细胞膜上的传播的幅度和波形保持不变。脉冲式发放，不融合动作电位的特点（二）动作电位的产生机制1.电-化学驱动力及其变化静息状态：Em=-70mVNa+电-化学驱动力=Em–ENa=-70–(+60)=-130mV（内向电流）K+电-化学驱动力=Em-EK=-70-（-90）=+20mV（外向电流）-130mV+20mV电-化学驱动力超射状态：Em=+30mVNa+电-化学驱动力=Em–ENa=+30–(+60)=-30mV（内向电流）K+电-化学驱动力=Em-EK=+30-（-90）=+120mV（外向电流）-30mV+120mV2.动作电位期间细胞膜通透性的变化（1）电压钳技术验证（voltageclamp）内向电流：膜发生去极化外向电流：膜发生复极化Hodgkin、Huxley1963年诺贝尔生理学或医学奖只有外向电流只有内向电流电压钳技术与药理学手段结合记录到的全细胞膜电流电压钳技术的基本原理就是欧姆定律:I=V/R

细胞膜对钠电导和钾电导的电压和时间依赖性示意图单个离子通道活动的离子电流膜片钳技术验证（patchclamp）1991年，Neher，Sakaman获得诺贝尔生理学或医学奖离子通道的功能状态离子通道的功能状态Na+通道K+通道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→局部电位当膜内电位达阈电位时→Na

通道大量开放Na+顺浓度差和电位差（正反馈）→向膜内扩散

[Na+]i、[K+]o升高→激活Na+-K+泵，离子分布复到兴奋前水平

AP的产生机制总结:膜内负电位减小到零→并变为正电位（AP上升支)Na+通道关闭→Na+内流停止＋同时K+通道开放增加细胞膜对K

通透性增加→K

顺浓度差迅速外流膜内电位迅速下降，恢复到RP水平（AP下降支)三、动作电位的触发阈刺激→外在条件刺激（stimulus）

刺激参数：刺激强度、刺激的持续时间、刺激强

度-时间变化率阈值（thresholdvalue）/阈强度能引发动作电位的最小刺激强度。阈刺激：相当于阈强度的刺激

有效刺激：能产生AP的阈刺激或阈上刺激阈电位（thresholdpotential）→内在条件可兴奋细胞受到刺激发生兴奋时，其膜电位去极化到某一临界点就立刻爆发动作电位，这一临界点的膜电位称为阈电位。一般比静息电位小10~20mv（四）动作电位的传播局部电流：细胞兴奋区和邻旁未兴奋区之间的

电流。AP在同一细胞的传播无髓神经纤维、肌纤维：局部电流有髓神经纤维：跳跃式传导动作电位的传导(conduction)无髓鞘神经纤维的兴奋传导为近距离局部电流；有髓鞘神经纤维的兴奋传导为远距离局部电流(跳跃式)动作电位的传播无髓鞘神经纤维有髓鞘神经纤维AP在细胞之间的传播：缝隙连接（gapjunction）6个连接蛋白单体

(亲水性孔道)(五)兴奋性及其变化兴奋性(excitability)机体的细胞或组织接受刺激产生反应的能力或特性。兴奋(excitation)、抑制（inhibition）可兴奋细胞(excitablecell)受刺激后能产生动作电位的细胞。如：神经细胞、肌细胞、腺细胞兴奋性：可兴奋细胞受刺激后产生动作电位的能力。兴奋：产生AP的过程或AP本身阈值/阈强度：是衡量细胞兴奋性的指标。细胞兴奋后兴奋性周期性变化ab:绝对不应期bc:相对不应期cd:超常期de:低常期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Na+通道激活、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

膜内呈超极化

三、电紧张电位和局部电位电紧张电位：由膜的被动电学特性（膜电容、膜电阻、轴向电阻）决定其空间分布和时间变化的膜电位。特征：等级性电位衰减性传导电位可融合局部电位局部电位：由少量Na+通道激活而产生的去极化膜电位波动（也称为局部反应、局部兴奋）。特征：等级性电位衰减性传导没有不应期（总和现象）如：感受器电位、终板电位特征：●等级性电位●衰减性传导●没有不应期（总和现象）空间性总和时间性总和根据功能特性根据神经支配根据形态学特点

第四节肌细胞的收缩

横纹肌平滑肌

骨骼肌心肌平滑肌随意肌非随意肌

第四节肌细胞的收缩神经-肌接头处的兴奋传递兴奋-收缩耦联肌丝滑行一、骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递结构基础：神经-肌接头

(neuromuscularjunction)接头前膜：ACh突触小泡接头间隙：细胞外液接头后膜：N2型ACh-R、AChE

(即终板膜)神经-肌接头处兴奋传递的过程（电-化学-电）运动神经末梢动作电位↓接头前膜去极化↓电压门控钙通道开放↓Ca2+进入运动神经末梢↓突触囊泡出胞、ACh释放↓ACh激活N2-ACh受体通道↓终板膜对Na+、K+通透性增高

(Na+内流为主)↓终板膜去极化（终板电位）↓激活电压门控钠通道↓肌膜动作电位胆碱酯酶分解筒箭毒碱α-银环蛇毒肉毒杆菌除皱术有机磷中毒重症肌无力（二）横纹肌细胞的结构特征1.肌原纤维和肌节2.肌管系统：指包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊管状结构。

●横管(T管):肌细胞膜垂直于肌原纤维向内凹陷而形成的管道。作用：将AP→细胞内部●纵管（L管，肌质网）：与肌原纤维平行。作用：对Ca2+储存、释放和再聚集→收缩和舒张纵行肌质网（LSR）：在肌原纤维周围的肌质网（SR），

LSR上有钙泵；

连接肌质网（JSR）：与T管相接触的末端膨大或呈扁平状,

称为JSR或终池；

JSR上有钙释放通道（ryanodine受体，RYR），与JSR相对的T管膜上有L型钙通道三联管结构粗肌丝:

肌球（凝）蛋白头部—横桥与肌动蛋白可逆结

合、具有ATP酶活性杆部—构成主干细肌丝细肌丝：三种蛋白肌动蛋白—构成主干、具有横

桥结合位点原肌球蛋白—阻止肌动蛋白与

横桥结合肌钙蛋白—通过构象改变启动

收缩过程肌丝的分子结构(三)横纹肌的收缩机制：肌丝滑行理论

证据：暗带不变，明带和H带变化一致。肌丝滑行理论肌丝滑行的过程横桥周期：肌球蛋白横桥与肌动蛋白结合、扭动和复位的过程。动作电位沿肌膜、T管膜传播→激活T管膜上L型钙通道L型钙通道变构(骨骼肌)激活JSR的RYR→JSR内Ca2+释放