第二章细胞的基本功能2文档资料.ppt

第一节 细胞物质转运和信号转导功能,一、细胞膜的基本结构,生物细胞都被一层薄膜所包被，称为细胞膜或质膜（plasma membrane）。细胞膜是一种半透膜胞膜与胞内各种细胞器的膜结构基本相同，统称为生物膜（biological membrane）。组成：脂质、蛋白质、糖类,细胞膜的分子排列结构，目前公认的是“液态镶嵌模型”（fluid mosaic model）。其基本内容为：细胞膜是以液态脂质双分子层为基架，其中镶嵌有不同分子结构和功能的蛋白质。,组成：磷脂、胆固醇、糖脂特点：熔点低，体温下呈液态影响膜流动性的因素：胆固醇的含量；脂肪酸烃链的长度和不饱和度；膜蛋白的含量,磷酸+碱基,脂肪酸长烃链,（一）脂质双分子层,外周蛋白(peripheral protein)整合蛋白(integral protein),1.两种形式,（二）膜蛋白,2.作用：胞膜的功能取决于所含的蛋白质,（三）胞膜上的糖类,1.组成：主要为寡糖和多糖链2.作用：细胞或所结合蛋白质的特异性“标志”,小分子物质或离子的跨膜运转根据其是顺浓度差还是逆浓度差，或消耗能量与否，分为被动转运和主动转运两大类：,二、细胞膜的物质转运功能,（一）被动转运(passive transport)指物质顺浓度差或电位差进出胞膜，且不需要消耗能量的转运过程。特点：不需要消耗能量 顺电-化学梯度进行 分类：单纯扩散 易化扩散,1、单纯扩散(simple diffusion)指细胞外液和细胞内液中的脂溶性溶质分子顺浓度差的跨膜转运。如人体内O2、CO2、NO、尿素、脂肪酸和类固醇等的跨膜扩散。,2、易化扩散(facilitated diffusion)指一些非脂溶性或脂溶性很小的物质,在特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动扩散的过程。,1）载体介导的易化扩散 载体蛋白：（结合位点）转运的物质：葡萄糖、氨基酸 特点：结构特异性高；饱和现象；竞争性抑制,载体介导的易化扩散,转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子亲水物质,2）通道介导的易化扩散 离子通道（ion channel）：（水相孔道）转运的物质：Na+、K+、Ca2+、Cl-等带电离子,离子通道的特性具有离子选择性（相对特异性）离子跨膜扩散的动力 膜两侧离子浓度差和电位差（亦称电化学梯度）所形成的扩散势能。离子跨膜扩散的条件：离子通道必须是开放的。门控过程:离子通道在未激活时是关闭的，在一定条件下“闸门”被打开，才允许离子通过，这一过程称为门控过程，时间一般都很短，为数个或数十个ms。,门控离子通道的分类,电压门控通道膜两侧电位差（Na+通道）化学门控通道化学物质（Ach）机械门控通道机械刺激（毛细胞）,通道的功能意义：通过转运离子，完成跨膜信号传递,（二）主动转运(active transport)指物质逆浓度差或电位差进出胞膜，且需要消耗能量的转运过程。特点：需要消耗能量，能量由分解ATP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。分类：原发性主动转运 继发性主动转运,（1）钠-钾泵（钠泵）：钠-钾泵是镶嵌在细胞膜脂质双分子层中的一种特殊蛋白质，它本身具有ATP酶的活性，可以分解ATP获得能量，进行Na+和+的主动转运，因此又称为Na+-K+依赖式ATP酶。,钠泵活动时，它泵出Na+和泵入+这两个过程是同时进行、耦联在一起的，称排钠摄钾。,1、原发性主动转运(primary active transport),图2-2钠泵主动转运示意图钠结合位点、ATP磷酸化位点以及ATP结合位点位于亚单位细胞内侧；钾结合位点和哇巴因结合位点位于亚单位细胞外侧,维持细胞外高Na+o、细胞内高K+i的特殊分布状态,将2K+泵至细胞内；3Na+泵至细胞外,分解ATP获得能量,当Na+i/K+o时被激活,钠-钾泵的作用,钠泵活动的生理意义 钠泵活动形成的胞内高K+是许多代谢反应的必需条件；钠泵活动有效地维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定；Na+在膜两侧的浓度差是其他许多物质继发性主动转运的动力。如葡萄糖、氨基酸的主动吸收。钠泵活动造成的膜内外Na+和K+的浓度差是细胞生物电产生的前提条件。,（2）钙泵（Ca2+-Mg2+-ATPase）钙泵主要分布在骨骼肌和心肌细胞的肌浆网上，通过分解ATP获得能量，逆着浓度差将肌浆中的Ca2+转运到肌浆网内。（3）氢泵（H+-K+-ATPase）氢泵又称质子泵，主要分布在胃粘膜的壁细胞上，与胃酸的分泌有关。,同向转运（葡萄糖、氨基酸）协同转运 反向转运（Na+-H+、Na+-Ca2+交换）,2、继发性主动转运(secondary active transport),图2-3葡萄糖、氨基酸的继发性主动转运模式图,Na+-H+和Na+-Ca2+交换的模式图,（三）胞纳和胞吐胞吐(exocytosis):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。如：分泌,胞纳(endocytosis):是指细胞外的大分子物质或某 些物质团块(如细菌、病毒、异物、血浆中的 脂蛋白颗粒、大分子营养物质等)进入细胞的 过程。如：吞噬；吞饮。,胞纳和胞吐特点：1.通过细胞膜的变形和破裂实现 2.均需消耗能量，故也属于主动转运,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ATP,消耗Na+离子浓差,转运的物质,O2、CO2脂肪酸,Na+K+Ca2+,葡萄糖氨基酸,Na+、K+Ca2+、H+,葡萄糖氨基酸,细胞的跨膜信号转导,跨膜信号转导的过程：配体 受体 生物效应（细胞外信号物质）（细胞接受信息装置）（靶细胞）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 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信号转导 以cAMP信号通路为例：,神经递质、激素等（第一信使）,兴奋性G蛋白(GS),激活腺苷酸环化酶(AC),ATP,cAMP,细胞内生物效应,激活蛋白激酶A,与G蛋白偶联受体结合,激活G蛋白,二、酶耦联受体介导的信号转导,生长因子、胰岛素等,与受体酪氨酸激酶结合,细胞内生物效应,通过酪氨酸激酶受体介导的信号转导膜受体与酶是同一蛋白分子，受体本身具有酶的活性，又称受体酪氨酸激酶,膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：具有酪氨酸激酶活性,三、离子通道介导的信号转导,化学性胞外信号(如递质Ach),递质与膜受体结合,膜受体耦联的离子通道开放,离子（Na+）内流,产生局部电位,总和后细胞兴奋或抑制,活的细胞或组织不论在安静时还是在活动时，都具有电的变化，称为生物电现象(bioelectricity phenomenon)。如：心电图、脑电图、肌电图等,第二节 细胞的生物电现象,生物细胞以膜为界，膜内外的电位差称为跨膜电位，简称膜电位（membrane potential）。生物电现象的两种表现形式：安静状态静息电位(resting potential,RP)兴奋状态动作电位(action potential,AP),二、神经和骨骼肌细胞的生物电现象,1.细胞的静息电位（Resting Potential,RP）：静息电位:指细胞在未受刺激时（静息状态 下）存在于胞膜内、外两侧的电位差。静息电位的范围：-10-100mV之间 特点：外正内负 为稳定的直流电,（一）静息电位及其产生原理,极化(polarization)：外正内负的状态。超极化(hyperpolarization):静息电位的绝对值增大(如-70-90mV)去极化/除极(depolarization)：膜内、外电位差向小于RP值的方向变化的过程。(如-70-50mV)反极化/超射(overshoot):细胞膜由外正内负的极化状态变为内正外负的极性反转过程。复极化(repolarization):胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程。,2.静息电位产生原理,细胞膜对各种离子的通透性不同：安静时：K+Cl-Na+A-兴奋时：膜对Na+的通透性突然增大,（1）细胞膜内外两侧的离子分布,静息状态下细胞膜内、外离子分布不均：细胞膜外的主要是Na+、Cl-细胞膜内的主要是K+、A-静息状态下细胞膜对各种离子的通透性不同：通透性：K+Cl-Na+A-静息状态下细胞膜主要对K+有通透性。,膜内：,膜外：,（2）静息电位的产生条件,静息状态下细胞膜主要对K+有通透性：,促使K+外流的动力：膜两侧K+的浓度差 阻止K+外流的阻力：膜两侧的电位差 当动力（浓度差）阻力（电位差）K+的跨膜净通量 零，此时的电位差 值称为K+的平衡电位。,静息电位主要是由K+外流所造成,1.动作电位的概念：在原有静息电位的基础上，如果胞膜受到一个适当的刺激，其膜电位会发生一次迅速的、短暂的、可扩布性的电位波动，这种膜电位的波动称为动作电位(action potential，AP)，是细胞兴奋的标志。,2.AP的波形及组成,负后电位,正后电位,后电位,动作电位,锋电位,去极化,反极化或超射,复极化,去极相（上升支）,复极相（下降支）,（1）AP产生的条件 膜内外存在Na+的浓度差:Na+iNa+O 110；即细胞膜外Na+浓度比细胞膜内高10倍左右。膜受到刺激时，对Na+的通透性突然增加：即细胞膜上的电压门控性Na+通道激活开放。,3.AP产生的机制,（2）AP产生的机制,去极相：Na+通道开放，Na+快速内流形成。超射值相当于Na+平衡电位（ENa）,促使Na+内流的动力：Na+浓度差、电位差阻止Na+内流的阻力：Na+内流造成的膜内正电位,当动力和阻力达到动态平衡时，Na+的净扩散通量为零，此时的电位差值称为Na+的平衡电位。,Na+通道的阻滞剂：河豚毒（TTX）,复极相：K+外流形成（Na+通道失活）K+通道的阻滞剂：四乙铵（TEA）后电位：负后电位:K+蓄积于膜外而进一步阻止K+的外流所致 正后电位:Na+i、K+O激活Na+-K+泵，泵出3Na+泵入2K+，直至回复到静息电位,动作电位一旦产生，其幅度一般是固定的，即使再增加刺激强度，动作电位的幅度也不再因刺激强度的增大而增大。这种特性被称为“全或无”定律(all-or-none law)；动作电位在扩布过程中其幅度和波形不因传导距离的加大而改变，这种特性称为不衰减传导；可扩播性：动作电位产生后并不局限于受刺激部位，而是迅速向周围扩布，直至整个胞膜都依次产生动作电位。,4.单一神经或肌细胞动作电位的特性：,（一）刺激引起兴奋的条件刺激的种类：化学、机械、温度、光、电、声等。刺激需要具备三个条件：一定的强度 一定的持续时间 一定的时间强度变化率,电刺激仪提供的电刺激操作方便、刺激的条件易于控制，对组织、细胞不易损伤且重复性好。,三、兴奋的引起和兴奋在同一细胞上的传导,日常应用中，最简便的方法是采用阈值（threshold）作为衡量组织兴奋性高低的指标。即：在刺激作用时间和强度时间变化率固定不变的条件下，能引起组织细胞兴奋所需的最小刺激强度即为强度阈值，也称阈强度（thresholdintensity）。阈值1/兴奋性达到强度阈值的刺激称为阈刺激，强度小于阈值的刺激称为阈下刺激，强度大于阈值的刺激称为阈上刺激。,（1）阈电位（threshold potential）：膜电位去极化达到能触发细胞膜产生动作电位的临界膜电位。数值：比RP的绝对值小 10 20 mV 神经细胞：RP（-70mV）；TP（-55mV）心室肌细胞：RP（-90mV）；TP（-70mV）（2）局部反应（local response）：较弱刺激（阈下刺激）引起的低于阈电位的去极化（即局部电位），又称局部兴奋（local excitation）。机制：少量Na+内流形成,局部反应的特点：以电紧张方式扩布，随距离增加逐渐减小；非“全或无”，一定范围内，幅度与刺激强度成正比；具有总和效应。即可产生时间性和空间性总和。,局部兴奋与AP的区别:,（二）细胞兴奋后兴奋性的周期性变化,细胞在一次兴奋后其兴奋性要经历一个周期性变化过程。（兴奋周期）,绝对不应期的长短决定了组织在单位时间内所能接受刺激产生兴奋的次数。,（三）兴奋在同一细胞上的传导,传导(conduction)：动作电位在同一细胞 上的传播。神经冲动(nerve impulse)：在神经纤维上 传导的动作电位。,（2）传导方式：,无髓鞘神经纤维:依次传导(为近距离局部电流),有髓鞘神经纤维:跳跃式传导(为远距离局部电流),第 三 节 肌肉的收缩功能,一、神经骨骼肌接头处的兴奋传递,1、N-M接头的结构 接头前膜：囊泡内含 ACh,并以囊泡为单位释放ACh（称量子释放）。接头间隙：约50-60nm。接头后膜：又称终板膜。存在ACh受体（N2受体），能与ACh发生特异性结合。属化学性门控性钠通道。,2.神经肌肉接头处的兴奋传递过程,神经冲动传至轴突末梢（接头前膜）,前膜Ca2通道开放，膜外Ca2内流,前膜内囊泡移动、融合、破裂，ACh释放(量子释放),ACh与终板膜上的N2受体结合,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总和达到阈电位,骨骼肌膜爆发动作电位,神经肌肉接头处的兴奋传递过程,3.神经-肌接头的兴奋传递的特点,化学性传递：兴奋传递依靠Ach单向性传递：运动神经末梢肌肉时间延搁：兴奋通过一个神经一肌接头，至少需要0.51.0ms。易受药物或其他环境因素的影响 肉毒杆菌毒素：抑制Ach释放；黑寡妇蜘蛛毒：促进Ach释放；箭毒、-银环蛇毒：结合受体，阻断Ach传递；重症肌无力：自身抗体破坏Ach受体通道；有机磷农药：灭活胆碱酯酶活性，致Ach堆积。,二、骨骼肌细胞的微细结构,（一）肌原纤维和肌小节肌小节（sarcomere）是肌肉收缩和舒张的基本结构和功能单位。,肌小节,M线,横管系统：T管将肌细胞膜上电的变化沿横管传入细胞内。纵管系统：L管通过对Ca2+的贮存、释放和再积聚，触发肌小节的收缩和舒张。三联管把肌细胞膜上电的变化和细胞内的收缩过程衔接或偶联起来的关键部位。,Ca2+是兴奋收缩偶联的因子,（二）肌管系统,肌管系统,三、骨骼肌的兴奋-收缩偶联,兴奋-收缩耦联：肌细胞的兴奋 肌细胞的收缩,Ca2+,（电变化）,（机械变化）,三个主要步骤：电兴奋通过横管系统传向肌细胞的深处 三联管结构处的信息传递 肌质网（纵管系统）中Ca2+的释放、再聚积,Ca2+是兴奋收缩偶联的因子,骨骼肌的兴奋收缩偶联示意图,三、骨骼肌收缩的分子机制,肌丝的蛋白质分子结构：粗肌丝:肌凝蛋白（肌球蛋白）杆状部分支架、球状部分横桥,横桥有两个主要特性：1.能与肌动蛋白呈可逆性结合，同时向M线方向扭动；2.具有ATP酶活性，作为横桥扭动和做功的能量来源。,细肌丝:肌动蛋白（肌纤蛋白）：成为细肌丝主干，表面有与横桥结合的位点，原肌凝蛋白（原肌球蛋白）：静息时掩盖横桥结合位点；起位阻效应作用肌钙蛋白（原宁蛋白）：有Ca2+受体，与Ca2+结合变构后,使原肌球蛋白位移，暴露出结合位点。,肌丝滑行的过程,肌细胞Ap肌浆Ca2+,TnC与Ca2+结合，其构形改变,原肌凝蛋白暴露其位点,横桥与肌纤蛋白结合,分解ATP供能，横桥向线摆动,细肌丝滑向粗肌丝,肌小节缩短（横桥循环）,收缩,骨骼肌舒张：钙泵被激活，将钙逆浓度差摄回管，肌浆中Ca2+浓度降低(10-mol/L)以下时，Ca2+与肌钙蛋白解离，引起肌肉舒张。,1.等张收缩与等长收缩 等张收缩:肌肉承受负荷肌肉本身收缩力时，只有长度缩短而张力不变的收缩,称 为等张收缩。等长收缩:肌肉承受负荷肌肉本身收缩力时，只有张力增加而长度不变的收缩,称 为等长收缩。,四、骨骼肌收缩的形式与力学分析,(一)肌肉收缩的形式,根据肌肉的张力与长度的改变，肌肉收缩时可分为等张收缩和等长收缩两种形式：,2.单收缩与强直收缩 根据所给肌肉的刺激频率不同，肌肉兴奋收缩时可呈单收缩和强直收缩两种形式：,单收缩：肌肉受一次刺激 引发一次动作电位出现的一次机械收缩，可分为收缩期与舒张期两部分。,强直收缩: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。强直收缩机制:强直收缩是各次单收缩的机械叠加现象 不完全强直收缩：由新刺激落在前一个收 缩过程的舒张期所形成。完全强直收缩：由新刺激落在前一个收缩过 程的收缩期所形成。,