《细胞的基本功能》PPT课件

1、第二章 细胞的基本功能,生理学与神经生物学教研室 王国红 Email: ,本章教学目标,掌握: 细胞膜的跨膜物质转运功能，生物电现象及其产生机制，组织的兴奋和兴奋性，兴奋的引起和传导机制，神经-肌接头处的兴奋传递，兴奋-收缩耦联，骨骼肌收缩的力学分析。 熟悉: 细胞的跨膜信号转导，骨骼肌细胞内的信号转导，肌肉收缩的机制，骨骼肌收缩的外部表现。 了解: 细胞膜的结构，骨骼肌的超微结构。,细胞是组成人体和其他生物体的基本结构和功能单位,第二章 细胞的基本功能,第一节 细胞膜的结构和物质转运功能 第二节 细胞的跨膜信号转导 第三节 细胞的生物电现象 第四节 肌细胞的收缩,第一节 细胞膜的结构和物质转

2、运功能,细胞膜的结构 Membrane structure,流态镶嵌模型（Fluid Mosaic Model）,脂质双分子层（Lipid bilayer）,构成：,磷脂（70%）：磷脂酰胆碱 磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺 磷脂酰甘油和磷脂酰肌醇 胆固醇 鞘脂,脂质双分子层具有流动性,细胞膜磷脂（phospholipid),磷脂是双嗜性分子 一个极性的 “头” (磷酸基团): 具有亲水性 两个非极性的 “尾巴” ( 两条脂肪酸链): 具有疏水性,细胞膜蛋白质（ membrane protein ）,表面蛋白（20%-30%）: 附着于膜表面 整合蛋白（70%-80%） :贯穿于脂质双分子层中,细

3、胞膜的糖类,（ membrane carbohydrates ）,以糖蛋白或糖脂的形式存在 糖链伸向细胞细胞膜外,物质的跨膜转运 transmembrane transport,常见的转运形式： 单纯扩散(Simple Diffusion) 易化扩散(Facilitated Diffusion) 主动转运(Active Transport) 入胞与出胞(Endocytosis and Exocytosis),单纯扩散（Simple Diffusion）,定义：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。,特点：,顺浓度梯度：高浓度低浓度 扩散速率高 无饱和性 不依靠特殊膜蛋白质的“帮

4、助” 不需另外消耗能量,影响扩散的因素：,浓度梯度 脂溶性 膜的通透性,以单纯扩散进行跨膜转运的物质： O2、CO2、NH3 、N2 、尿素、乙醚、乙醇、 类固醇类激素等少数几种。,易化扩散（facilitated Diffusion）,定义：一些非脂溶性或脂溶解度很小的物质,在细胞膜上某些特殊蛋白质的“帮助”下，由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。不需要消耗能量，属被动转运。,经载体易化扩散 经通道易化扩散,分类：,特点：,顺浓度梯度 不消耗能量 需要载体或通道蛋白,经载体易化扩散 Facilitated diffusion via carrier,经载体易化扩散,转运的物质：葡萄糖、氨

5、基酸等小分子亲水物质,饱和现象 化学结构特异性 竞争性抑制,经载体易化扩散的特点：,经通道易化扩散 Facilitated diffusion via ion channel,溶液中的Na+、K+等带电离子通过细胞膜上的跨膜蛋白通道顺浓度梯度或电位梯度跨膜移动的过程，称为经通道易化扩散。,离子通道的特点：,离子选择性（ionic selectivity） “门控的”（离子通道的开放或关闭受 其分子内部“闸门”的控制），闸门 的开放或关闭通常受三种刺激调控： 膜电位（电压门控离子通道） 化学信号（化学门控离子通道） 机械刺激（机械门控离子通道）,Types of gated ion channe

6、ls,主动转运（active transport）,定义：是指细胞通过本身的某种耗能过程，在细胞膜上一些蛋白质的协助下，将某些物质分子或离子经细胞膜逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程。,按其利用能量形式的不同，可分为：,原发性主动转运（primary active transport) 继发性主动转运( secondary active transport),原发性主动转运 primary active transport,特点： 消耗能量的能量由分解ATP来提供 依靠特殊膜蛋白质(离子泵)的“帮助” 是逆电-化学梯度进行的。,定义： 把直接利用分解ATP释放的能量进行的主动转运称原发性主

7、动转运。,是存在于细胞膜上的一种具有ATP酶活性的特殊蛋白质,可被细胞膜内的Na+增加或细胞外K+的增加所激活，受Mg2+浓度的影响，分解ATP释放能量，进行Na+ 、K+逆浓度和电位梯度的转运。 ATP：Na+：K+1：3：2 (生电性泵Electrogenic Pump),钠钾泵 （Sodium-potassium Pump） 或称Na+-K+-ATP(Na+-K+-ATPase)：,钠钾泵 （Sodium-potassium Pump）,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:,钠钾泵的生

8、理意义： 细胞内高K+，是许多代谢反应进行的必需条件； 对维持正常细胞的渗透压与形态有着重要意义； 建立势能贮备，是神经、肌肉等组织具有兴奋性的基础，也是一些非离子性物质如葡萄糖、氨基酸等进行继发性主动转运的能量来源。,继发性主动转运 secondary active transport,定义： 把不直接利用分解ATP释放的能量,而利用Na+在膜内外浓度势能差进行的主动转运称继发性主动转运。而Na+差是Na+-K+泵利用分解ATP释放的能量建立的。,分为两种类型： 同向转运Cotransport 逆向转运Countertransport,出胞和入胞Exocytosis and Endocyto

9、sis,出胞：是指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。 入胞：是指细胞外的大分子物质或物质团块（细菌、细胞碎片等）进入细胞的过程。,吞噬（Phagocytosis） 吞饮（Pinocytosis） 受体介导式入胞（Receptor-mediated Endocytosis），现认为是一种最重要的 入胞形式）,出胞和入胞均要消耗能量,出胞：,入胞:,第二节 细胞的跨膜信号转导,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：,G蛋白偶联受体介导的信号转导 离子通道受体介导的信号转导 酶偶联受体介导的信号转导,G蛋白偶联受

10、体介导的信号转导,G蛋白偶联受体介导的信号转导是通过膜 受体、G蛋白、G蛋白效应器和第二信使等一系列存在于细胞膜和胞质中的信号分子的活动实现的。 参与G蛋白偶联受体跨膜信号转导的信号分子包括配体、G蛋白偶联受体、G蛋白、G蛋白效应器、第二信使等。,参与G蛋白偶联受体跨膜信号转导的信号分子,配体：细胞的信号分子，包括多种蛋白或肽类激素、神经递质、局部介质及氨基酸或脂肪酸的衍生物等。 G蛋白偶联受体：7次跨膜受体，与配体结合后，通过构象变化结合并激活G蛋白。 G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）：起分子开关作用。,通常由、三个亚单位形成的异源三聚体 亚单位同时具有结合GTP或GDP的能力和GTP酶活性：,激活

11、型G蛋白可以进一步激活膜的效应器酶,G蛋白效应器酶：主要是指催化生成（或分解）第二信使的酶。,主要有：腺苷酸环化酶、磷脂酶C、磷脂酶A2、鸟苷酸环化酶和cGMP磷酸二酯酶 这些效应器酶能催化使胞内生成第二信使，从而把胞外信号转导到胞内,第二信使：,是指激素、神经递质等胞外信号分子（第一信使）作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子，它们可把细胞外信号分子携带的信息转入胞内。 较重要的有：cAMP, IP3,DG, cGMP, Ca2+等 调节的靶蛋白：各种蛋白激酶和离子通道。,G蛋白偶联受体信号转导的主要通路,cAMP信号通路（Gs和Gi) 磷脂酰肌醇信号通路,神经递质、激素等（第一信使）,兴奋性G

12、蛋白(GS),腺苷酸环化酶(AC),ATP,cAMP,细胞内生物效应,蛋白激酶A,G蛋白偶联受体,cAMP信号通路,ATP,membrane,plasma,激素（第一信使）,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+,G蛋白,细胞内生物效应,G蛋白偶联受体,磷脂酰肌醇信号通路,离子通道介导的信号转导,化学门控通道（骨骼肌终板膜上的Ach受体） Ach +AchR 通道开放 Na+内流 终板电位 电压门控通道（心肌细胞L型钙通道） 机械门控通道（血管内皮细胞）,酶偶联受体介导的信号转导,受体分子的胞质侧自身具有酶的活性或直接结合并激活胞

13、质中的酶，不需要G蛋白参与。,酪氨酸激酶受体,是贯穿脂质双层的膜蛋白，膜外侧有配体结合位点，而胞质侧的部分则具有酪氨酸激酶的结构域。有些受体本身不具有酶活性部位，而是可直接与胞质中的酪氨酸激酶相结合。 配体与受体结合，激活受体，使受体胞质侧的酪氨酸激酶活性被激活或者导致胞质侧的受体部分结合并激活胞质中的酪氨酸激酶。 生长因子、胰岛素和一部分肽类激素通过此类受体将信号转导入细胞内。,配体,鸟苷酸环化酶(GC),GTP,cGMP,细胞内生物效应,依赖cGMP的蛋白激酶G,鸟苷酸环化酶受体,鸟苷酸环化酶受体,如：心房钠尿肽（ANP）,第三节 细胞的生物电现象,静息电位 动作电位,静息电位 resti

14、ng potential,跨膜电位 细胞内外液之间，由于所含电解质成分的不同，通常存在着电位差，即膜电位,静息电位的定义,细胞在未受刺激时（静息状态下）的膜电位即静息电位（resting potential）。绝大多数细胞的静息电位都是稳定的、分布均匀的负电位，范围在-10-100mV之间。绝对值增大，即静息电位增大。绝对值减小，即静息电位减小。,平衡电位,K+外流产生的电场力大到足以对抗驱动K+外流的化学浓差力时，K+出入细胞的比率相同，跨膜净移动停止。此时的跨膜电位差称为钾离子平衡电位（equilibrium potential, EK）或称Nernst电位。,跨膜电位差的产生的条件：,离

15、子的化学浓度梯度,细胞膜对离子的选择性通透作用,Nernst 方程,德国物理学家Nernst根据物理化学理论推导出的Nernst方程，很好地反映膜内外某种离子浓度梯度与膜电位的比例关系 。 平衡电位方程为：,R代表气体常数；T为绝对温度；z为离子价；F为法拉弟常数； iono和ioni分别表示膜外和膜内离子浓度,在体温（37）下几种重要离子平衡电位的Nernst方程可被简化式：,电化学驱动力electrochemical driving force,电化学驱动力=Em Eion Em:跨膜电位 Eion:离子平衡电位,极化（polarization)：静息电位时细胞膜电位外正内负的状态 去极化

16、（depolarization)：膜内负电位减小甚至由负转正 超极化（hyperpolarization)：膜内负电位增大 复极化（Repolarization）：先去极化，再向静息电位水平恢复,膜电导,膜电导是指膜对带电离子的通透程度。 （通常用G代表 ）,与膜电阻成倒数。,膜对离子的通透程度由膜上开放的离子通道的数目决定。,开放的离子通道 膜对离子的通透程度,所以：,开放的离子通道 通透程度 膜电导,离子的跨膜分布,枪乌贼巨大轴突膜内外离子分布的情况 ： K+胞内 :K+胞外 = 20:1 Na+胞内 :Na+胞外 = 1:9,1902年Bernstin提出了静息电位产生机制的膜假说，根据

17、这一学说，安静状态下的膜只对K+有通透性，因此静息电位就相当于K+的平衡电位。,1936年，英国生理学家Hodgkin和 Huxley 在枪乌贼巨大神经轴突进行的一系列实验结果才验证了Bernstin的假说是基本正确的。,静息电位的产生机制,静息电位与细胞外钾离子浓度的关系,Em为膜电位； gK、 gNa 和 gCl分别为膜的钾电导、钠电导和氯电导； g为 gK、 gNa 和 gCl之和； EK、 ENa 、EK分别为K+、Na+和Cl-的平衡电位。,膜对哪一种离子的通透性高，膜电位就更接近于该种离子的平衡电位。,氯离子平衡电位与静息电位,一般认为，膜对Cl-不存在原发性主动转运，因此，Cl-

18、在膜两侧的分布是被动的，主要不是由它决定膜电位，而是由膜电位决定它在膜内的浓度。所以，ECl总是等于或者非常接近静息电位。,Chord电导方程：,细胞膜对K+和Na+的通透性是静息电位的主要决定因素 细胞膜在安静状态下对K+的通透性远大于对Na+的通透性，因此，静息电位总是接近于EK，但比EK略小（略趋向于ENa),钠-钾泵在静息电位产生中的作用,Na-K泵在每一活动周期中，从胞内泵出3个Na+，而只摄入2个K+，从而引起一个净正电荷出胞。是离子浓度梯度的建立和维持基础,对于静息电位的产生具有重要作用。,具有生电作用，可直接影响静息电位，随细胞种类和状态有差异，在2-16mV之间。,影响静息电

19、位水平的因素：,胞外K+浓度：K+OEKRP 膜对K+和Na+的相对通透性： gKRP(更趋向于EK) gNaRP(更趋向于ENa) 钠-钾泵的活动水平,动作电位 action potential,在静息电位的基础上，如果细胞受到一个适当的刺激，其膜电位会发生迅速的一过性的波动，这种膜电位的波动称为动作电位（action potential)。,细胞的动作电位,去极化期（depolarizing phase） 超射（overshoot） 复极化期（repolarizing phase） 锋电位（spike potential） 后电位 （after-potential） 负后电位（negati

20、ve after-potential） 正后电位（positive after-potential）,动作电位的特性,阈值（threshold):刺激神经或肌肉产生动作电位，需要一定的刺激强度。能引起动作电位的最小刺激强度，称为刺激的阈值。,“全”或“无” 不衰减传播,动作电位的产生机制,电化学驱动力： 若：静息电位Em=70mV, ENa=+60mV,EK=90mV 那么, Na+受到的电化学驱动力为： Em ENa= 70mV (+60mV) = 130mV K+受到的电化学驱动力为： Em EK= 70mV (90mV) = +20mV,动作电位期间膜电导的变化,升支（去极化期）：Na+

21、电导（膜对Na+的通透性）迅速增加， Na+在很强的电化学驱动力的作用下迅速内流，使细胞膜迅速去极化，构成锋电位的升支。 降支（复极化期）： Na+电导减小，同时K+电导增大，使K+迅速外流，使细胞膜迅速复极化，从而形成锋电位的降支。,Na+内流的再生性循环 Regenerative Cycle,阈电位和动作电位的引起,阈电位的定义能够导致膜对Na+通透性突然增大的临界膜电位数值，一般可兴奋细胞的阈电位比静息电位绝对值小约 1020mV（钠通道激活对膜去极化的正反馈）。,电紧张电位和局部反应,电紧张电位： 由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。很弱的刺激引起细胞膜产生电紧张电

22、位。 局部反应：指用稍强的阈下去极化刺激时，少量Na+通道开放产生的低于阈电位值的去极化电位，称局部电位Local Potential或局部反应Local response。,局部反应的特点：,反应幅度随刺激强度的增加而增大，不表现“全”或“无”的特征 在局部进行衰减性地传播 能以空间总和或时间总和的方式发生电位的叠加 （肌细胞的终板电位，感受器细胞的感受器电位及神经元突触处的突触后电位等）,动作电位的传导,传导机制：局部电流,无髓鞘神经纤维上的传导 （近距离局部电流）,有髓鞘神经纤维上的传导 （远距离局部电流）,跳跃式传导,组织的兴奋和兴奋性,兴奋和可兴奋细胞,兴奋：细胞对刺激发生反应的过程

23、。在现代生理学中，兴奋被看做是动作电位的同义语或动作电位的产生过程。 可兴奋细胞：指在受刺激后能产生动作电位的细胞。一般认为，神经细胞、肌细胞和腺细胞都属于可兴奋细胞。,兴奋性和阈刺激,兴奋性：在生理学中，可兴奋细胞受刺激后产生动作电位的能力 刺激：细胞所处环境因素的变化。 刺激引起组织或细胞兴奋的三要素：,刺激强度 刺激持续时间 强度时间变化率,阈值（阈强度）：使组织发生兴奋的最小刺激强度。,阈值1/ 兴奋性；阈刺激；阈上刺激；阈下刺激,细胞兴奋后兴奋性的变化,分 期 兴奋性 机 制 绝对不应期 降至零 钠通道失活 相对不应期 渐恢复 通道部分恢复 超常期 正常 通道大部恢复 低常期 正常

24、内电位呈超极化,ab: 绝对不应期 bc: 相对不应期 cd: 超常期 de: 低常期,细胞在兴奋及其恢复过程中的兴奋性变化,Chord电导方程：,细胞膜对K+和Na+的通透性是静息电位的主要决定因素 细胞膜在安静状态下对K+的通透性远大于对Na+的通透性，因此，静息电位总是接近于EK，但比EK略小（略趋向于ENa),1.RP的产生机制:,当细胞受到刺激,细胞膜上少量Na+通道激活而开放,Na+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+引迅速大量内流，形成很强的内向电流再生式内流,膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支：去极化期）,Na+通道关Na+内流

25、停+同时K+通道激活而开放,K在强大电化学驱动力的作用下K迅速外流,膜内电位迅速下降，恢复到RP水平（AP下降支：复极化期）, Na+i、K+O激活Na+K+泵,Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平后电位,2.AP的产生机制:,第四节 肌细胞的收缩,肌肉的分类,据形态学特点分： 横纹肌（voluntary muscle) 平滑肌（involuntary muscle) 据神经支配分： 随意肌（voluntary muscle) 不随意肌（involuntary muscle) 据功能特性分： 骨骼肌（skeletal muscle) 心肌 （cardiac muscle) 平滑肌（smo

26、oth muscle),横纹肌 voluntary muscle,骨骼肌神经-肌接头处兴奋的传递 横纹肌细胞的微细结构 横纹肌的收缩机制 横纹肌的兴奋-收缩耦联 影响横纹肌收缩的因素,神经肌接头的结构,接头前膜(prejunctional membrane) 终 板 膜 (endplate membrane)或接头后膜 接头间隙(junctional cleft) 突触小泡(junctional cleft) N2型Ach受体(N2 Ach receptor),骨骼肌神经-肌接头处兴奋的传递,N-M接头处的兴奋传递过程：,神经冲动传到轴突末稍,接头前膜去极化，Ca2通道开放，Ca2内流， Ca

27、2内,突触小泡移动并与突触前膜融合，小泡内ACh释放到接头间隙,ACh与终板膜上的Ach受体结合并激活Ach受体阳离子通道,终板膜对Na、K (尤其是Na)通透性,终板膜去极化终板电位（EPP）,EPP电紧张性扩布至周围肌膜,去极化达到阈电位,爆发肌细胞膜动作电位,chemical transmission,Ach的释放,Ca2+是关键 胞外高Ca2+时，Ach释放多；胞外低Ca2+，高Mg2 +时，Ach释放少。 量子释放（quantal release) 一个突触小泡中所含的Ach，称为一个量子的Ach。 微终板电位（endplate poteial, MEPP) 0.4mV 终板电位（e

28、ndplate poteial, EPP) 50mV, 250突触小泡。,肌原纤维和肌节,肌原纤维(myofibril) 明带(light band) 暗带(dark band) M线(M line) Z线(Z line) 肌节(sarcomere) 粗肌丝(thick filament) 细肌丝(thin filament),横纹肌细胞的微细结构,横管（T管） 纵管（肌质网，SR）,肌管系统,- 纵行肌质网（LSR）： 膜上有钙泵 - 连接肌质网（JSR）： 内Ca2+ ,膜上有钙释放通道 - 终池,三联管,横纹肌的收缩机制,肌丝滑行理论（myofilament sliding theory

29、）,内容：横纹肌的肌原纤维是有粗、细两组与其走向平行的蛋白丝构成，肌肉的缩短和伸长均通过粗、细肌丝在肌节内的相互滑动而发生，肌丝本身的长度不变 直接证据：肌肉收缩时暗带长度不变，只有明带发生缩短，同时H带相应变窄,细肌丝:,肌丝的分子组成,粗肌丝: 由肌球（肌凝）蛋白组成，头部和桥臂构成横桥,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：静息时掩盖横桥结合位点 肌钙蛋白：与Ca2+结合后变构,使原肌球蛋白位移，暴露出结合位点,肌肉收缩的过程,横桥周期：横桥与肌动蛋白结合、摆动、复位和再结合的过程。周期长短决定肌肉的缩短速度,胞内Ca2+ 或是引起肌肉收缩和舒张的关键,概念：将电兴奋和肌丝滑行联系起来的过程。 主要步骤: 肌膜电兴奋通过横管传到肌