第三章 细胞的生物电现象.ppt.ppt

第三章 细胞的生物电现象,第一节 细胞的跨膜信号转导第二节 细胞的生物电现象与兴奋性第三节 骨骼肌的收缩,离子通道偶联的受体G-蛋白偶联的受体与酶耦联的受体,第一节 细胞表面受体介导的信号跨膜转导,一、细胞跨膜信号转导的概念,信号:含有信息内容的一种物质或刺激人体内的信号:存在于细胞外液中含有信息内容的化学物质,或机械的、电的、电磁波等刺激,信号的类型,化学信号 激素,递质,细胞因子 机械信号 声音 电磁信号 光 电信号 电流,跨膜信号转导(transmembrane tranduction),外界信号 细胞膜表面 一种或几种膜蛋白分子构象改变 胞内信号分子变化 引起相应的效应,二、细胞跨膜信号转导的方式,G蛋白耦联受体介导信号转导酶耦联受体介导的信号转导离子通道介导的信号转导,三、G蛋白耦联受体介导的 信号转导（signal transduction mediated by G protein-linked receptor),1.G protein-linked receptor,位于细胞膜、具有特意地识别和解和外来化学信号的功能蛋白质,2.G protein(GTP binding protein),位于受体与效应器之间,G蛋白的工作原理,3.G protein effector:Adenylate cyclase,ACPhospholipase C,PLCPhospholipase A2,PLA2Ion channel,4.second messenger,Definition:是细胞外信号分子作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子。细胞外信号分子称first messenger,细胞内的信号分子则称为second messenger.,Types:环磷酸腺苷(cAMP)、环磷酸鸟苷(cGMP)三磷酸肌醇（IP3）二酰甘油(DG)Ca2+,5.Protein kinase,分类：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 酪氨酸蛋白激酶另一分类：cAMP-dependent protein kinase,PKA Calcium-dependent protein kinase,PKC,6.cAMP-PKA pathway,AC,5-AMP,PDE,PKA,蛋白激酶A,7.IP3-Ca2+/DG-PKC pathway,PIP2,Gq,receptor,Ligand,PLC,IP3,DG,PKC,四、酶耦联受体介导的信号转导,1.具有酪氨酸激酶的受体,特点：酶与受体是同一膜蛋白 这类受体一般只有一个-螺旋，膜外 侧肽链有与配体结合位点，膜内侧肽链有 蛋白激酶的活性。,2.结合酪氨酸激酶的受体,特点：受体本身没有酶的活性，当它与配体结合后，就可与酪氨酸激酶结合，并激活酪氨酸激酶,促红细胞生成素生长激素催乳素,3.具有鸟苷酸环化酶的受体,特点：只有一个跨膜-螺旋，膜外侧肽链（N端）有与配体结合位点，而膜内侧肽链（C端）有鸟苷酸环化酶（guanylyl cyclase,GC），,受体 GC,信号转导过程,GTP,cGMP,PKG,配体,ANP心房钠尿肽,五、离子通道介导的信号转导,信号转导过程,信号 胞膜上的通道蛋白 离子通道打开或关闭 离子跨膜流动 膜电位变化（去极化、超极化）细胞功能改变,1.化学信号化学门控离子通道,神经突触谷氨酸，门冬氨酸，甘氨酸,神经肌肉接头 乙酰胆硷,运动神经末梢 Ach Ach 门控通道蛋白（a亚单位）通道开放 大量Na+流入胞内 胞膜去极化产生终板电位完成化学信号向生物电信号的转换,2 电信号电压门控离子通道,刺激 细胞膜电位的变化 电 压门控离子通道开放或关闭 离子内流或外流 新信号形成,3机械信号-机械门控离子通道,机械信号（声）耳蜗毛细胞纤毛弯曲毛细胞上机械门控离子通道开放 离子跨膜流动 耳蜗微音器电位,离子通道型受体,离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gated channel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。如：乙酰胆碱受体以三种构象存在，两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象，但该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰胆碱与之解离，受体则恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备。离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,生物电现象是以细胞为单位产生的，以细胞膜两侧带电离子的不均衡分布和离子的选择性跨膜转运为基础。细胞膜的生物电现象主要有两种表现形式，即安静时的静息电位和受刺激时产生的膜电位的改变（包括局部电位和动作电位）。,第二节 细胞的生物电现象,一、静息电位（resting potential）细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。极化：静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态称为膜的极化。超极化：当静息时膜内外电位差的数值向膜内负值加大的方向变化时,RP由-70-90mV，称为膜的超极化。去极化（除极化）：与超极化相反，膜内电位向负值减少的方向变化,RP由-70-50mV。复极化：细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称为复极化。动作电位：可兴奋细胞兴奋时细胞内产生的可扩布的电位变化过程。“全或无”现象：在同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。,静息电位的测量,（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。,静息电位形成的原理（1）细胞膜内、外的离子浓度差,枪乌贼巨轴突细胞膜两侧主要离子浓度,（2）细胞膜对离子的选择通透性和K+平衡电位,K+外流量与回收（回到胞内）的量达到了动态平衡，K+的跨膜净移动为零，此时膜两侧电位差就稳定在某一不再增大的数值，即静息电位。因其是K+移动达到平衡时的膜电位，又可称作K+平衡电位。,静息电位的维持机制 钠泵（sodium pump）的活动维持了安静时细胞内外的离子平衡：引起细胞膜上钠泵活动的因素是细胞内Na+的增加和细胞外K+的升高。只要细胞内外的Na+、K+平衡稍有变化，Na+泵就被激活，在泵出胞内多余的Na+的同时，将胞外 多余 的K+泵回，从而维持了细胞内外正常的离子浓度梯度。,二、动作电位及其形成机制1.动作电位（action potential,AP）：指膜受刺激后在原有的静息电位基础上发生的一次膜两侧电位的快速而可逆的倒转和复原。,2.动作电位形成的原理AP的峰出现超射，即膜电位由静息时的内负外正转变成内正外负，AP的形成不是单纯由于膜对K+通透性发生改变（如仅对K+不再通透，膜电位至多能达到零电位水平），而是受刺激时膜对Na+产生通透的结果。而AP的复极化过程是由于膜重新对K+通透造成的。,3.动作电位的特点 动作电位刺激强度不随刺激强度增强而增强 动作电位的传导是不衰减的 相继产生的动作电位不能发生重合,失活门,激活门,4.细胞产生动作电位时的兴奋性变化,0.5-2 3 12 70 ms,三、动作电位的引起和传导 刺激引起细胞膜去极化，可以使电压门控Na+、K+通道开放，从而产生动作电位（action potential,AP)。但并不是任何强度的刺激都可使细胞产生AP。（一）去极化与Na+内流的正反馈当细胞膜受到刺激去极化时，膜上电压门控Na+通道开放，其开放的数量可随膜去极化幅度的增加而增加。Na+通道开放使Na+内流增加，又导致膜的进一步去极化，从而使更多的Na+通道开放。,去极化与Na+内流示意图,（二）阈电位与动作电位的引起 细胞受到刺激时，细胞膜发生去极化，即膜电位值升高。当膜电位值达到阈电位（Threshold potential）水平时，动作电位才能被触发。所谓阈电位，即指恰好能使膜的去极化与Na+内流之间形成正反馈的临界膜电位值。,（三）局部电位与膜的兴奋性阈下刺激引起的膜局部去极化电位（未达到阈电位的膜电位）称为局部电位（Local potential）。阈下刺激引起膜的去极化，膜上少量Na+通道开放，Na+内流形成局部电位。,（四）动作电位的传导及其原理 只要细胞膜上的某一位点受到刺激产生AP，这个AP就会沿着细胞膜向周围传播，使整个细胞的膜都经历一次类似于受刺激部位的离子电导的改变，表现为AP沿整个细胞膜的传导,（五）影响动作电位传导速度的因素 神经纤维的传导速度很快，但不同神经纤维的传导速度有所不同。人体一些较粗的有髓神经纤维，传导速度可达120米/秒，而某些较细的无髓纤维的传导速度甚至不超过1米/秒。影响动作电位传导速度的因素有：1轴突直径 2 动作电位去极化的幅度 3髓鞘脊椎动物的许多神经纤维都包有髓鞘，这是AP传导速度增加的重要原因，比单纯增加纤维的直径更有效。髓鞘是沿细胞膜间断排列的，每隔一段髓鞘就有一个无髓鞘的朗飞氏结（Ranviers node）存在。由于髓鞘具有高电阻低电容的特性，产生AP的结区，只能与相邻的结区形成局部电流，而仅有很少的电流能从髓鞘漏过。AP只在结区处产生，就好象AP由一个结区跳到另一个结区。因此，有髓神经纤维上AP的传导是跳跃式传导。,四、神经信息传递的特点和神经干的动作电位由于单根神经纤维的AP是“全或无”的，因此，在传导信息时，信息的强弱不可能以AP的幅度表示，只能表现为AP的频率不同。,第三节 细胞间生理功能的联系 一、细胞间信息的传递 细胞间信息传递的方式主要有两种：通过细胞间的缝隙连接，允许无机离子和水溶性小分子物质的沟通，如电传递；通过细胞产生的化学信号分子传递信息，即化学传递。,（二）细胞间的化学传递 1.化学信号分子细胞分泌的化学信号分子通过与“靶”细胞的受体结合，改变受体的性质来传递信息。划分为两类：亲脂性信号分子（甾类激素、甲状腺素等）亲水性信号分子（大多数激素、神经递质、细胞因子等）。,2.激素的分泌和远距离传递 3.激素的旁分泌和自分泌作用 4.神经内分泌细胞的神经分泌,激素远距离分泌和作用,旁分泌,5.神经突触的信息传递 每一神经元的轴突末梢仅与其它神经元的胞体或突起相接触，此接触部位称为突触。神经元间的信息传递是通过突触实现的。每个突触都由三部分构成：突触前膜突触后膜突触间隙,6神经-肌肉接头处的信息传递 神经系统对骨骼肌运动的控制是靠运动神经末梢将神经信号通过神经-肌肉接头传递到骨骼肌纤维的。它与神经突触信息传递的过程类似，即也是电-化学-电的传递，但接头前膜释放的神经递质为乙酰胆碱（ACh），它与接头后膜上的特异受体结合，只引起接头后膜的兴奋，即AP。,第四节 肌纤维的收缩功能 人体各种形式的运动，主要由各种肌细胞（骨骼肌、心肌、平滑肌）的收缩活动来完成。不同肌肉组织在功能和结构上各有特点，但从分子水平上看，各种收缩活动都与细胞内的收缩蛋白质，主要与肌凝蛋白和肌纤蛋白的相互作用有关。,骨骼肌是由大量成束的肌纤维组成的，每条肌纤维就是一个肌细胞（内含肌管组织）。肌纤维平行排列成肌束，两端与由结缔组织构成的肌腱相融合，后者附着在骨上。通常四肢的骨骼肌在附着点之间至少要跨过一个关节，通过肌肉的收缩和舒张，就能导致肢体的屈曲和伸直。骨骼肌纤维接受运动神经末梢的支配，在有神经冲动传来时，发生收缩。当神经冲动传导到神经末梢，首先进行神经-肌肉接头的兴奋传递，使骨骼肌纤维产生自己的AP；肌纤维内部的兴奋-收缩偶联(在横桥作用下，细肌丝沿粗肌丝之间的间隙，向肌小节中央（M线）作相对滑动，使肌小节缩短而产生收缩。)机制导致肌纤维产生收缩。,一、骨骼肌纤维 的结构 骨骼肌 骨骼肌纤维（肌细胞）肌原纤维 肌小结 粗肌丝 细肌丝,神经肌肉接头,神经信息,粗细肌丝的空间排列相当规则。每条细肌丝周围有三条粗肌丝环绕，每条粗肌丝周围有六条细肌丝环绕。,粗肌丝,细肌丝,A带的暗区域,二、肌管系统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，由来源和功能都不同的两组独立的管道系统组成。横管（transverse tubule）系统，或T管。它是肌膜向细胞深处的延续。纵管系统，又称L管则是肌原纤维周围的另一组肌管系统，即肌浆网（sarcoplasmic reticulum），分支多，相互连通，走行与肌小节平行，包绕每个肌小节的中间部分。终末池（terminal cisternae），其中贮存了大量钙离子，因此又称为细胞内的钙库。三联管结构（triad system）每一个横管和来自两侧肌小节的纵管终末池构成。横管系统的作用是将肌细胞的兴奋沿T管膜传导到细胞内部，而肌浆网和终末池的作用是控制钙离子的贮存、释放和再积聚，触发肌小节的收缩和舒张。,三、神经、神经肌肉接头、肌细胞（纤维）、肌管系统的联系,二、神经-骨骼肌接头处兴奋的传递,（一）兴奋传递的接头前过程轴突末梢的轴浆中，含有大量囊泡，每个囊泡中储存有恒量的乙酰胆碱（ACh）分子，约5000-10000个，它们可通过出胞作用进行“量子式释放”。在安静状态时，末梢内的Ca2+浓度很低，只有少数囊泡与接头前膜随机融合，自发释放ACh。当有神经冲动传来时，轴突末梢的膜局部去极化，导致电压门控Ca2+通道开放，Ca2+的内流触发大量囊泡出胞，将所含全部ACh释放到接头间隙。一次AP可引起200-300个囊泡释放，使106以上个ACh分子进入接头间隙。,（二）兴奋传递的接头后过程 在接头后膜上，存在化学门控离子通道受体，每个通道受体分子含有两个能与ACh特异结合的位点，也叫做 N-型乙酰胆碱受体。当其与通过接头间隙扩散到接头后膜的ACh结合后，构象改变导致通道开放。这种通道允许Na+、K+通透，Na+内流和K+外流的总体结果是使接头后膜去极化，这一局部去极化电位称为终板电位。终板电位产生后，由于终板电位的幅度很高（60mV），约超过引起肌细胞膜AP所需的刺激阈值的3-4倍，因此它扩布到周围很容易引起肌膜去极化达到阈电位水平，使Na+内流和膜去极之间形成再生式循环，触发AP产生。,三、兴奋-收缩耦联兴奋-收缩耦联（Excitation-contraction coupling）是指连接肌纤维的兴奋和收缩的中介过程。它包括三个步骤：电兴奋通过横管系统传到肌细胞的深处；三联管结构处的信息传递；肌浆网（即纵管系统）对Ca2+释放和再聚积，及其导致的肌肉收缩和舒张。兴奋传递引起终池Ca2+释放,兴奋传递引起终池Ca2+释放 当横管膜发生去极化，该蛋白质构象改变，不再堵住Ca2+通道而使其开放，于是终池内的Ca2+被大量释放到肌浆中 进入肌浆中的Ca2+触发肌丝的滑行进入肌浆中的高浓度Ca2+与细肌丝上的肌钙蛋白结合，引起细肌丝构象改变，暴露出其上的横桥结合位点，粗肌丝上的横桥与之结合，并发生扭动、解离和再结合、再扭动的循环过程，拉动细肌丝不断向粗肌丝间隙中滑动，使肌小节缩短，肌肉产生收缩。由于Ca2+的作用使每一肌小节中细肌丝向粗肌丝的间隙中滑行，使粗细肌丝重叠程度增加，肌小节缩短肌肉收缩，这就是肌丝滑行理论。,肌丝滑行的结构基础,肌动蛋白丝,肌球蛋白分子,粗肌丝,肌丝滑行机制微观解释横桥周期（cross-bridge cycling）,钙泵的活动导致肌纤维的舒张肌浆网膜上的钙泵是一种Ca2+-Mg2+依赖的ATP酶。当肌浆中的Ca2+浓度升高时，钙泵被激活，通过分解ATP获得能量，将Ca2+逆浓度梯度转运回肌浆网中。肌浆中Ca2+浓度随之降低，Ca2+从肌钙蛋白上解离下来，引起肌纤维的舒张。,骨骼肌收缩的全过程,骨骼肌收缩的形式及其影响因素,1 等张收缩和等长收缩等长收缩 肌肉收缩时长度保持不变而只产生张力等张收缩 首先产生张力克服阻力产生的收缩现象,提起重物,提起轻物,肌肉的收缩力学受以下因素的影响前负荷 肌肉在收缩前承受的负荷，前负荷决定肌肉在收缩前的长度，即肌肉的初长度。后负荷 肌肉在收缩开始后所承受的阻力称为后负荷.肌肉的收缩能力缺氧、酸中毒、肌肉中能源物质缺乏，以及其他原因引起的兴奋-收缩耦联、肌肉蛋白质或横桥功能特性的改变，都可能降低肌肉收缩的效果，而钙离子、咖啡因、肾上腺素等体液因素则可能通过影响肌肉的收缩机制而提高肌肉的收缩效果,肌肉收缩的长度-张力关系曲线,肌肉长度与产生张力的关系,2 肌纤维收缩的总和 整块骨骼肌收缩时产生力量的大小，与两个因素有关。一是单根肌纤维收缩的总和；二是同一时间内参与收缩的肌纤维数量。,