生理学-第二章-细胞-课件

1、第 二 章 细胞的基本功能,1.人体大约10万亿个细胞，每个细胞都是一个有生命的基本单位。 2.按功能细胞可分200余种，每一种细胞主要执行一种功能，也有的执行多种功能。例如心室肌细胞有收缩功能，物质跨膜转运功能，信号转导功能和生物电现象。 3.若想了解机体各系统和器官的功能，首先必须了解细胞的结构和功能，学习生理学就从细胞生理学开始。,2,第一节 细胞膜的结构和物质转运功能,第三节 细 胞 的 生 物 电 现 象,第四节 肌 细 胞 的 收 缩,第二节 细 胞 的 跨 膜 信 号 转 导,细胞膜的作用： 屏障作用 物质转运功能 跨膜信息传递功能 C膜的兴奋功能,第一节 细胞膜的结构和物质转运

2、功能,一、细胞膜的结构概述,1972年Singer等人提出的膜学说，液态脂质双分子层为膜的基本构架，不同结构和功能的蛋白质镶嵌其中，糖与脂质、蛋白结合附着于表面。,(一)脂质双分子层（lipid bilayer）,1.组成成分：磷脂（70%）磷脂酰-胆碱丝氨酸乙醇胺肌醇；磷脂酰胆碱和糖脂分布在膜外，而磷脂酰-丝氨酸乙醇胺肌醇分布在膜内.磷脂酰肌醇含量低，在磷脂酶C的作用下分解成第二信使IP3和DG ,胆固醇（30%）,糖脂（10%） 2.组成形式：脂质分子是双嗜性分子，具有亲水性和疏水性分子集团，亲水性朝向细胞外液和细胞质，疏水性朝向膜中间，因此脂质分子在细胞膜上以脂质双层形式存在。1925年

3、由Gorter等人提出。被实验所证实：红细胞膜表面积计算。膜脂质具有流动性，可使膜中蛋白质产生移动。细胞膜的很多生理特性和功能与膜脂质流动特性密切相关，如细胞的运动、膜蛋白的相互作用等。,(二)细胞膜的蛋白,1.细胞膜主要功能由膜蛋白质完成，膜蛋白组成：表面蛋白、整合蛋白 2.表面蛋白：膜蛋白的20-30%，可和膜表面亲水基团和整合蛋白结合。 3.整合蛋白：膜蛋白的70-80%，以其肽链穿越膜脂质双层部分的氨基酸为疏水性的，露在膜的内外表面的为亲水性的。”G” 蛋白偶联受体，是7次跨膜的整合蛋白。例如：通道、载体、G蛋白偶联受体及离子泵都是整合蛋白。,受体,(三)细胞膜糖类 细胞膜中的糖与膜蛋

4、白、膜脂质结合为糖蛋白或糖脂，起到受体标记物的作用。,二、物质的跨膜转运,细胞膜由脂质双分子层构成，理论上只有脂容性的物质才能透过它。但新陈代谢的细胞，不断和细胞周围环境进行物质交换，包括供能物质、细胞内合成新物质的原料、代谢中间产物和终产物，O2.CO2.Na+.K+.Ca2+离子进出细胞。它们之中少数能通过脂质直接进出细胞，多数依赖于膜上的蛋白质。大分子和颗粒物质则以出入胞形式进行。,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。,分类：,（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： 分

5、类：,不耗能（转运动力依赖物质的电-化学梯度所贮存的势能） 依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助” 顺电-化学梯度进行,单纯扩散 易化扩散,(1)概念:脂溶性物质或不带电荷的小分子物质从细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧的扩散。,CO2i CO2o,O2o O2i,1.单纯扩散（simple diffusion）,(2)特点: 扩散速率高 无饱和性 不依靠特殊膜蛋白质的“帮助” 不需另外消耗细胞本身的能量,单纯扩散的影响因素：,膜两侧扩散物质浓度梯度 膜对扩散物质的通透性 膜的有效面积,底 物 浓 度,流量,(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。,

6、注： 膜对H2O具高度通透性， H2O是单纯扩散，此外还可通过水通道（water channel）跨膜转运。,2.易化扩散(facilitated diffusion) 概念:非脂溶性的物质或带电离子，从细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧的扩散。 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,膜蛋白载体又称转运体，水溶性小分子物质借助于转运体进行跨细胞膜转运。是顺浓度梯度进行的。,载体中介的易化扩散,转运过程：转运体与转运物质 有结合位点，转运物质浓度结合位点与作用物结合构象改变被转运物质被封闭在转运体中，转运到另一侧时转运物被解离。 转运速度：转运速度较慢，是因“结合构象变解

7、离”需时间。 例如：葡萄糖、氨基酸的转运都是经载体异化扩散进行的。,载体,扩散,特点：,特异性： 膜蛋白载体能够识别具有结构特殊性的被转运物质。 饱和现象：转运体数量受限，被转运物质浓度再提高，转运速度不再提高。此现象称载体转运的饱和现象。此时转运速度写为Vmax，12 Vmax时的被转运底物浓度被称为米氏常数（Km），此常数愈小表明转运载体对底物亲和力高，转运速率大。 竞争性抑制：结构相似的被转运物与同一载体具有竞争性抑制现象，浓度较低或Km较大者易被抑制。,（2）经通道的易化扩散,带电离子在通道蛋白的介导下，顺浓度梯度从高浓度一侧向低浓度一侧的跨膜转运，此通道蛋白又称离子通道：离子通道处在

8、开放，离子可通过；关闭时不能通过。,K+i K+o,Na+o Na+i,通道开放,离子进入膜内,神经递质 （Ach）,细胞外,细胞内,通道特点：,（1）离子选择性（Na+）,静息态（关）,激活态（开）,刺激不能开放,失活态（关） A.激活们 I. 失活门,每种通道仅对一种或几种离子有通透能力，对其它离子通透能力很低， 例如：钾通道； 根据对离子通透能力：又称为钾、钠、钙通道。 选择性的大小：和通道口径、结构及带电电荷有关。,刺激能开放,离子扩散, 电压门控通道 化学门控通道 机械门控通道,（2）门控性,电压门控通道：此类通道受细胞膜膜电位的调节控制，简称调控，膜两侧电位差膜电位改变时，通道状态

9、改变。去极化时，开放。 例如 ：细胞膜上的钠、钾离子通道。 化学门控通道：此类通道受膜内外化学物质的调控，这类通道蛋白还具有受体的结构，和一些特殊的化学物质（配体）特异性结合，被称为“配体门控通道”。 例如：神经肌接头处肌细胞膜部位的终板膜，膜上的乙酰胆碱受体，其本身即是通道，又可和配体乙酰胆碱结合引起通道开放，为配体门控通道。 机械门控通道：受机械性刺激，例如耳毛细胞机械门控钾通道受牵张刺激。,(二)主动转运(active transport) 概念：细胞通过本身的某耗能过程将物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。 特点： 分类：,入胞和出胞式转运。,继发性主动转运（简称：联合转运）；,原发性

10、主动转运（简称：泵转运）；,如:Na+-K+泵、Ca2+-Mg2+泵、H+-K+泵等,需要消耗能量,能量由分解ATP来提供； 依靠特殊膜蛋白质(泵、转运体)的“帮助”； 是逆电-化学梯度进行的。,1.原发性主动转运(primary active transport) Na+-K+泵(又称Na+-K+-ATPase，简称钠泵)。,细胞直接利用代谢产生的能量，经膜蛋白的介导将转运物质逆浓度梯度或电位梯度跨膜转运被转运的物质多为钠钾钙离子，这一膜蛋白称为离子泵 ,其化学本质是ATP酶，可将细胞内ATP水解成ADP。,细胞外,细胞内,2K+,2K+,3Na+,3Na+,钠泵,ATP催化部位,Na+浓差

11、,K+浓差,钠钾泵转运：,钠-钾泵的这种活动还为其它一些物质的转运提供了动力（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:,A. 哺乳类动物细胞膜上普遍存在，简称“钠泵” B. 由、二个亚单位组成的蛋白质, 亚单位是催化亚单位，需要膜内Na+和膜外K+ 的共同参与下具有ATP酶活性，因此钠泵又被称为钠钾依赖式ATP酶。 C亚单位有2种构象：E1、E2。与ATP结合时呈E1构象，亚单位在膜内呈现E1构象，

12、对K+亲和力弱，对Na+亲和力强，解离K+，结合Na+。在膜外呈现E2构象。 D. 钠泵每分解1分子ATP可将3个Na+移出膜外，2个K+移至膜内。产生1个正电荷的净外运，钠泵有生电效应，1个周期大约10mS。 E. 依靠钠泵的活动，细胞内K+浓度高于细胞外30倍，Na+细胞外高于细胞内10倍。当细胞外Na+或细胞内K+浓度增加时，都会激活钠泵，以维持细胞外、内的Na+、K+浓度。,(5)钠泵活动的意义 细胞内高钾环境，胞质内代谢反应所必须。 维持细胞内渗透压和容积 细胞内、外钠钾浓度梯度是细胞生物电发生基础。 可使膜内负电位加大 钠在膜两侧浓度梯度为继发性主动转运提供基础,2.继发性主动转运

13、(secondary active transport) 概念：某些离子原发性主动转运（钠泵作用）所形成的膜内外浓度梯度，这些离子顺其浓度梯度扩散同时，而其它物质逆浓度梯度跨细胞膜转运。属于间接利用ATP能量。,例如：肾小管周膜钠泵将Na+逆浓度梯度泵出细胞肾小管细胞内Na+浓度肾小管腔膜两侧呈现Na+浓度梯度Na+顺浓度梯度进入细胞内由此释放的势能用于葡萄糖逆浓度梯度进入细胞。,分类：同向转运、逆向转运 同向转运：被转运的分子或离子向同一方向的转运，其转运体称为同向转运体。钠-葡萄糖同向转运体（近端肾小管上皮细胞1:1；小肠粘膜2:1）。Na+-K+-2Cl同向转运体。 逆向转运：被转运的分

14、子或离子向相反方向的 转运，其转运体称为反向转运体或反向交换体。 两种重要的反向交换体： Na+-Ca+交换体：机体几乎所有的细胞都具有Na+-Ca+交换体，Na+顺浓度梯度进入细胞，Ca+逆浓度梯度出细胞，3:1比例转运。 Na+-H+交换体：肾小管上皮细胞具有Na+-H+交换体，Na+进入细胞，H+出细胞，1:1比例,29,泵,Na+,K+,ATP,ADP,Na+,Na+,继发性主动转运,细胞,G,H+,H+,主动转运的特点,逆浓度梯度和电位梯度 饱和现象 需特殊膜蛋白的帮助 有特异性 原发性主动转运能量直接来自ATP；继发性主动转运能量直接来自Na+的势能，间接来自ATP,3.出胞和入胞

15、式转运 大分子物质和颗粒物质进出细胞不是直接穿过细胞膜，而是先接触细胞膜并被其包被形成囊泡 出胞(exocytosis):指胞质内大分子物质以分泌囊泡形式排出细胞的过程。 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(endocytosis):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,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,出胞：,细胞膜上的受体对物质的“辨认”,发生特异性结合=复合物,

16、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,吞食泡与内容物相分离， 其膜性结构与细胞膜相融合,入胞:,被动与主动转运方式的比较：,被动转运,主动转运,单纯扩散 易化扩散,通道 载体,原发性 继发性,转运方向,高浓度 低浓度,低浓度 高浓度,膜转运蛋白,否,需,需,需,需,饱和现象,无,有,无,有,有,化学特异性,无,有,有,有,有,消耗代谢能 及来源,不消耗,消耗 钠泵,消耗 离子浓差钠泵,转运的物质,O2 CO2 脂肪酸,Na+ K+ Ca+,葡萄糖 氨基酸,Na+、K+ Ca+、H+,葡萄糖 氨基酸,第二节 细胞的信号转导,细胞功能的改变,刺激信号

17、 （激素或递质）,靶细胞膜 （效应器细胞）,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、物理性信号等。,根据受体的结构和功能特性，跨膜信号转导方式大体有以下三类：, 离子通道型受体介导的信号转导, 酶联型受体介导的信号转导, G蛋白偶联受体介导的信号转导,一、离子通道型受体介导的信号转导,离子型受体又称为促离子型受体， 离子通道大体有：化学、电压、机械性门控通道，如：,化学门控性,电压门控性,机械门控通道 受机械刺激而开闭的通道，如内耳的毛细胞的听毛在受声波作用发生弯曲时，会导致听毛根部的膜变形，直接激活了膜附近的机械门

18、控通道，毛细胞可出现短暂的电位变化。,二、G蛋白耦联受体介导的信号转导 （一）主要的信号蛋白 1、G蛋白耦联受体：又称为促代谢型受体，最大的细胞表面受体家族，共有300多种；受体由一条7次穿膜的肽链构成，膜外侧和膜内有配体的结合部位，胞浆侧有结合G蛋白的部位，通过与配体结合后的构象变化来结合和激活G蛋白。,2、G蛋白：也称GTP结合蛋白，是耦联膜受体与效应器的一种特定蛋白，由、和三个亚单位组成，其中亚单位具有鸟苷酸的结合位点和GTP酶活性。非活化的G蛋白在膜内与受体分离，其亚单位结合一分子的GDP；当配体与受体结合后，受体构象改变，从而激活G蛋白，此时亚单位与GDP解离，结合一分子GTP，并与另两个亚单位分离，继而激活其靶蛋白。,3、G蛋白效应器： A、效应器酶： 包括: 腺苷酸环化酶(AC) 磷脂酶C(PLC) 磷酸二脂酶(PDE) 磷脂酶A2(PLA2)等 B、 离子通道:,4、第二信使： 它是激素、递质、细胞因子等信号分子作用于细胞膜后细胞内产生的信号因子，间接地把细胞外信号转入细胞内。包括cAMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰甘油(DG)、环-磷酸鸟苷(cGMP)和Ca2+等。,