中西结合生理学课件第二章细胞

1、第二章 细胞的基本功能,第二节 细胞的跨膜物质转运功能,第四节 细胞的生物电现象,第五节 肌细胞的收缩功能,第三节 细胞的跨膜信号转导功能,第一节 细胞的基本结构和功能特点,第一节 细胞的跨膜物质转运功能 一、细胞的结构和化学组成,(一)细胞膜 1.脂质双分子层 特点： 流动性；稳定性 功能： 屏障作用；传递信息,2.细胞膜蛋白质 外周蛋白；整合蛋白 特点： 流动性（横向移动） 功能： 转运物质 传递信息 转化能量,3.细胞膜的糖类 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。 功能： 免疫标志 传递信息,（二）细胞器：包括溶酶体、线粒体、内质网、高尔基复合体、过氧化物酶

2、体等，又称为细胞的内膜系统。 （三）细胞核 表面被覆核膜，主要成分是染色质。细胞核是细胞内遗传信息贮存、复制和转录的场所，也是细胞功能、生长、增殖、分化、衰老的控制中心。,二、细胞内液与细胞外液 细胞外液 Na+、 Cl- 高于细胞内液； 细胞内液K+高于细胞外液。,一、被动转运(passive transport) 概念：物质顺电位或化学梯度的转运过程。 特点： 不耗能（依赖电-化学势能） 依靠或不依靠膜蛋白质的“帮助” 顺电-化学梯度进行 分类： 单纯扩散 易化扩散,第二节 细胞膜的跨膜物质转运功能,（一）单纯扩散(simple diffusion) 概念:一些小分子脂溶性物质由膜的高浓度

3、一侧向低浓度一侧移动的过程。,特点: 扩散速率高，扩散量与浓度梯度、温度和膜通透性呈正相关 不需另外消耗能量 不依靠特殊膜蛋白质的“帮助” 转运的物质： O2、CO2、NO 、尿素、乙醚、乙醇等。,（二）易化扩散(facilitated diffusion) 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。 分类:经通道的易化扩散；经载体的易化扩散,（1）经载体的易化扩散,概念： 载体蛋白分子上有一个或数个能与某种转运物相结合的位点当转运物与位点相结合后,载体蛋白就发生构型改变,将转运物运到膜的另一侧,然后转运物与载体分离,从而完成

4、转运。 特点: 高度特异性（特殊膜蛋白质本身有结构特异性） 饱和现象（结合位点是有限的） 竟争抑制性（经同一特殊膜蛋白质转运） 转运的物质： 葡萄糖(GL)、氨基酸(AA)等小分子亲水物质,（2）经通道的易化扩散,K+i K+o,Na+o Na+i,概念： 细胞内外液中的带电离子通过脂质双层分子膜的嵌入蛋白质中的水相孔道进行转运。 特点: 通道开闭取决于膜电位或化学信号 相对特异性 转运的物质： 各种带电离子，如Na+、K+、Ca2+、Cl-等 门控离子通道： 电压门控通道（电压依从性通道） 配基门控通道 机械门控通道,二、主动转运(active transport) 概念：指物质逆浓度梯度或

5、电位梯度的转运过程。 特点：需要消耗能量,能量由ATP提供 依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助” 逆电-化学梯度进行转运 分类： 原发性主动转运 继发性主动转运,（一）原发性主动转运（泵转运） 直接分解ATP提供能量。Na+-K+泵又称Na+-K+-ATPas， 简称钠泵。,通道转运与钠-钾泵转运模式图,钠-钾泵活动的意义：维持细胞的正常体积与渗透压；维持细胞的正常兴奋性；为继发性主动转运提供能量；为代谢提供必须条件。,（二）继发性主动转运（协同转运） 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+-

6、K+泵分解ATP释放的能量建立的。,分类： 同向转运 逆向转运,三、胞纳与胞吐 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。 胞吐:指大分子物质或物质团块由细胞排出的过程。 主要见于细胞的分泌过程：如激素、神经递质、 消化液的分泌。 胞纳: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。,胞吐：,胞纳:,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

7、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,D,4、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,A,C,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沟通、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：神经递质、激素、细胞因子、气体分子等。 跨膜信号转导：外

8、界信号作用于细胞膜，膜上某些特异性蛋白质能选择性的接受某种特定信号，将外界环境变化的信息以新的信号形式，引起被作用细胞相应的功能改变。 三个环节：胞外信号的识别与结合、信号转导、胞内效应。 跨膜信号转导方式：G蛋白偶联受体介导的信号转导 酶偶联受体介导的信号转导 离子通道介导的信号转导,一、G蛋白偶联受体介导的跨膜信号转导 （一）参与G蛋白偶联受体信号转导的有关组件及其效应 G蛋白由、三个亚基组成。非活化的G蛋白在膜内是与受体分离的，其亚基与二磷酸鸟苷（GDP）相结合。被激活的G蛋白，-GTP可与G蛋白效应器结合。,组件：G蛋白偶联受体；G蛋白；G蛋白效应器；第二信使；蛋白激酶；磷酸化酶及蛋白

9、质可逆磷酸化（最后公路）,（二）G蛋白偶联受体介导的主要信息转导通路 1.cAMP-PKA信息转导通路,2.肌醇磷脂信号转导系统,二、酶偶联受体介导的跨膜信号转导 （一）通过络氨酸激酶受体介导的信号转导 1.具有络氨酸激酶的受体 这类受体都是贯穿脂质双分子层的膜蛋白，只有一个跨膜螺旋,在膜外侧有与配体结合的受体位点，深入胞浆的一端具有络氨酸激酶结合域。 2.结合络氨酸激酶受体 这类受体本身没有蛋白激酶活性，但可结合并激活络氨酸蛋白激酶。如促红细胞生成素受体。,特点： 信号转导与G蛋白无关 无第二信使的产生 无蛋白激酶的激活,受体酪氨酸激酶介导的信号转导图示,（二)通过鸟苷酸环化酶受体介导的信号

10、转导 这类受体只有一个跨膜螺旋,分子的N端有配体结合点，位于膜外侧，C端有鸟苷酸环化酶（GC）在膜内侧结构域，一旦配体与受体结合，将激活GC的活性。受体鸟苷酸环化酶的配体是心房钠尿肽（ANP）。 NO广泛存在于中枢和外周神经系统中，与多种机体调节功能有关。NO受体存在于胞浆中，也是一种GC，由和两个亚基,称为可溶性GC。NO作用于GC能提高胞浆内cGMP浓度和PKG活性，参与多种细胞内功能调节。,三、离子通道介导的信号转导 （一）化学门控通道,终板膜化学门控通道,（二）电压门控通道和机械性门控通道 电压门控通道：钠通道,钠通道4个结构域形成通道,钠通道：,毛细胞离子通道及其作用 机械性门控通道

11、：,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。,机体的组织细胞无论是处于安静状态，还是在活动过程中，都具有电的变化，称为生物电现象(bioelectricity phenomenon)。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。,第四节 细胞的生物电现象,一、生物电

12、现象的观察和记录方法 微电极 电压钳技术 膜片钳技术 膜片钳技术：可记录细胞膜结构中单一离子通道的电流和电导。为从分子水平了解生物膜离子通道的开启和关闭、动力学选择性和通透性等膜信息提供了直接的手段。,二、静息电位及其产生原理 （一）静息电位(resting potential RP) 细胞安静状态时，存在于细胞膜内外两侧的电位差。,2.RP实验现象：,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。,(1)

13、细胞膜内、外离子分布不匀 Na+iNa+o110, K+iK+o301 Cl-iCl-o114, A-iA-o 41,（二）静息电位产生原理,1. 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.产生机制,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。 结论:RP的产生主要是K外流产生。,Nernst公式： EK=RT/ZFlnK+O/K+i

14、=59.5 logK+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。RP是权重后的EK和ENa的代数和,非常接近于EK。RP并略 EK。 各种不同的细胞各有相对稳定的静息电位，不同的细胞静息电位数值不同，一般以细胞内的电位值来表示静息电位。如哺乳类的动物神经和肌细胞的静息电位值为7090mV，人的红细胞静息电位为610mV。,3. 相关概念: 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

15、极化状态变为内正外负 的极性反转过程。,三、动作电位及其产生原理 （一）动作电位(action potential AP) 可兴奋细胞受到有效刺激，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。,去 极 化,上 升 支,下降支,1.动作电位波形的基本特征,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,2.动作电位特征 “全或无”定律：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特性。 可扩播性：不局限于受刺激部位，迅速向周围扩播。 不衰减传导：其幅度不因传导距离的增加而减小。,（二）动作电位产生原理 产生条件: 膜内外存在Na+差

16、:Na+iNa+O 110； 膜在受到阈刺激而兴奋时，对Na+离子的通透性增加。,AP上升支,AP下降支,1.去极相（上升支） 细胞受刺激时，膜对钠的通透性增加，因膜外钠浓度高于膜内且受膜内负电的吸引，钠内流引起上升支。,2.复极相（下降支） 钠通道关闭，钾通道开放，钾外流引起下降支。随后钠泵工作，泵出钠、泵入钾，恢复膜两侧原浓度差。,产生过程：,结论： AP的上升支由Na内流形成，下降支是K外流形成的，后电位是NaK泵活动引起的。 AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复消耗能量（NaK泵的活动）。 AP达到的超射值（正电位值）相当于计算所得的ENa值，RPNa的平衡电位。 通过电压钳和膜片钳实

17、验证实。,电压钳实验1,电压钳实验2：四乙基铵,（三）膜电导、离子通道与动作电位,膜电导变化取决于离子通道开放、关闭状态以及通道开放的数量。 电压依从性，由去极化激活，GNa激活早，是AP上升支基础；GK激活晚，是AP下降支基础。 GNa有失活状态而GK没有此特性。,神经纤维AP和膜电导改变的关系,四、细胞的兴奋与兴奋性 （一)刺激与兴奋 1.刺激引起兴奋的条件 （1）刺激量 刺激强度 能够引起可兴奋细胞产生兴奋的最小刺激强度，称为阈强度。与兴奋性成反变关系。此刺激阈刺激。为在刺激作用时间足够长的条件下，能引起兴奋的最小刺激强度为基强度。 刺激的持续时间 利用时，时值 刺激的强度-时间变化率

18、（2）强度-时间曲线,2.阈电位与动作电位 能引起膜对Na+通透性突然增大并产生动作电位的临界膜电位为阈电位。本质是激活电压门控性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。 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。 阈刺激与阈电位都是导致细胞产生动作电位的关键条件。,3.阈下刺激、电紧张电位和局部兴奋,概念：阈下刺激引起的低于阈电位的去极化效应增大

19、的膜电位改变，称局部反应或局部兴奋。,特点： 不符合“全或无”定律。其幅值可随刺激强度的增加而增大。 电紧张方式扩布。其幅值随着传播距离的增加而减小。 总和现象：时间性和空间性总和。,时间性总和,空间性总和,局部反应 阈下刺激引起 钠通道少量开放 反应等级性 有总和效应 衰减性传播,动作电位 阈(上)刺激引起 钠通道大量开放 “全或无” 无 非衰减性传播,局部反应与AP的区别,（二)可兴奋细胞的兴奋性,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的期间。 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

20、。,（三）兴奋在同一细胞上的传导 1.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 ：,2.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)。,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

21、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离子通道都处于关闭状态 B.细胞受刺激刚开

22、始去极化时,钠离子通道就大量开放 C.在动作电位去极相,钾离子通道也被激活,但出现较慢 D.钠离子通道关闭,出现动作电位的复极相 E.钠、钾离子通道被称为化学依从性通道 12、刺激阈指的是( ) A.刺激强度不变,引起组织兴奋的最适作用时间 B.刺激时间不变,引起组织发生兴奋的最小刺激强度 C.用最小刺激强度,刚刚引起组织兴奋的最短作用时间 D.刺激时间不限,能引起组织兴奋的最适刺激强度 E.刺激时间不限,能引起组织最大兴奋的最小刺激强度,C,B,第五节 肌细胞的收缩功能 一、骨骼肌细胞的收缩功能 （一）骨骼肌细胞的细微结构,1.肌原纤维和肌小节 粗肌丝和细肌丝按一定规律排列组成肌原纤维。 肌

23、小节是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。 即：1/2明带暗带1/2明带 = 2条Z线间的区域,2.肌管系统 横管：T管（肌膜内凹而成。传AP至肌细胞深部。 ） 纵管：L管（也称肌浆网。L管两端称终末池，富含Ca2+。贮存、释放、聚积钙。) 三联管：（T管+终末池2）。兴奋- 收缩耦联部位。,（二）肌丝的分子结构 .粗肌丝: 由肌球或称肌凝蛋白组成，其头部有一膨大部横桥，每个横桥都能分别同环绕它们的条细肌丝相对。 横桥： 能与细肌丝上的肌动蛋白发生可逆性结合。 具有ATP酶的作用, 分解ATP提供能量。,.细肌丝 肌动蛋白：表面有与横桥结合的位点，静息时被原肌球蛋白掩盖。 原肌球蛋白：静息时掩盖横

24、桥结合位点。 肌钙蛋白：与Ca2+结合变构后,使原肌球蛋白位移，暴露出结合位点。 肌动蛋白和肌球蛋白称为收缩蛋白。原肌球蛋白和肌钙蛋白成为调节蛋白。,以膜的电变化为特征的兴奋和以肌纤维机械变化为基础的收缩过程之间的中介过程称为兴奋-收缩耦联。 步骤： 兴奋通过横管系统传向肌细胞内部:指肌膜产生AP后,AP迅速传向肌细胞深处，到达三联管结构。 三联管结构处的信息传递：（尚不很清楚） 肌浆网释放Ca2+由胞浆向肌质网的再聚积:指终池膜上的钙通道开放，终池内的Ca2+ 顺浓度梯度进入肌浆，触发肌丝滑行，肌细胞收缩。 Ca2+是兴奋-收缩耦联的中介因子，三联管是兴奋-收缩耦联的结构基础。,（三）骨骼肌

25、的收缩原理 1.骨骼肌的兴奋-收缩耦联,2.肌丝滑行过程,肌节缩短，肌细胞收缩,牵拉细肌丝向肌节中央滑行,横桥摆动,横桥与结合位点结合， 分解ATP释放能量,原肌球蛋白位移， 暴露细肌丝上的结合位点,Ca2+与肌钙蛋白结合 肌钙蛋白的构型改变,终池内的Ca2+进入肌浆,（）收缩过程,（）舒张过程,兴奋-收缩耦联后,肌膜电位复极化,终池膜对Ca2+通透性 肌浆网膜Ca2+泵激活,肌浆网膜Ca2+,Ca2+与肌钙蛋白解离,原肌凝蛋白复盖的 横桥结合位点,骨骼肌舒张,肌丝滑行原理：并不是肌丝本身缩短,而是细肌丝向肌节中央(粗肌丝内)滑行。,.等长收缩与等张收缩 等长收缩:只有肌肉张力增加而长度不变的

26、收缩形式。 等张收缩:肌肉长度明显缩短而张力始终不变的收缩形式。 等长收缩和等张收缩与肌肉收缩时所遇到的负荷大小有关。当负荷小于肌张力时,出现等张收缩；当负荷等于或大于肌张力时,出现等长收缩。正常人体骨骼肌的收缩大多是混合式的,而且总是等长收缩在前,当肌张力增加到超过后负荷时,才出现等张收缩。,（四）骨骼肌收缩的形式,前负荷：指在肌肉收缩之前肌肉所承受的负荷，使肌肉在收缩前就处于某种被拉长的状态，即有一定的初长。 后负荷：指肌肉开始收缩时才遇到的负荷或阻力。,.单收缩与强直收缩 （）单收缩：肌肉受到一次刺激，可发生一次，随后引起肌肉产生一次迅速而短暂的收缩。可分为收缩期和舒张期。 （）收缩的总和:肌肉受到连续刺激，前一次收缩和舒张尚未结束，新的收缩在此基础上出现的过程。 不完全强直收缩:当后刺激落在前一次收缩的舒张期,所出现的收缩过程。 完全强直收缩: 当新刺激落在前一次收缩的缩短期,所出现的张力变化和长度缩短完全融合的收缩。,(五)骨骼肌收缩的力学分析 1.前负荷对肌肉收缩的影响 被动张力 总张力 主动张力 当前负荷初长度增加到一定程度时，收缩产生的主动张力最大。能产生最大收缩张力的前负荷、初长度，分别称为最适前负荷、最适初长度。,前负荷肌节初长度粗细肌丝的重叠程度肌张力。 肌节最适初长（2.0-2.2m）时，粗细肌丝重叠佳，肌缩速度、幅度和张力最大；大于最适初长