高职生生理学第二章.ppt
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1、,第一单元 生理学基础知识,北京出版集团公司北 京 出 版 社,第二章 细胞的基本功能,【学习目标】,识记细胞受体的类型和特点。,理解肌肉收缩的原理和兴奋-收缩耦联。,描述神经-肌肉接头处的兴奋传递的过程。,归纳细胞膜对物质转运的方式及特点。,解释静息电位和动作电位的概念及产生机制,理解兴奋在同一细胞的传导特点。,第一节 细胞膜的物质转运功能,细胞膜主要是由脂质、蛋白质和少量糖类等物质组成。液态镶嵌模型:细胞膜是以脂质双分子层为基架,其间镶嵌有多种结构和功能不同的蛋白质。脂质双分子层中的磷脂分子亲水端分别朝向细胞膜内表面和外表面,而疏水端朝向细胞膜内部,这样,细胞膜具有较好的稳定性,在细胞与环
2、境之间形成了一道屏障,支持和保护细胞。镶嵌在其中的膜蛋白也具有不同的结构和功能,如:细胞膜上的载体、通道和离子泵等蛋白质与细胞膜的物质转运功能密切相关;受体蛋白质能“辨认”和“接受”细胞环境中特异性化学刺激等。可以说膜蛋白质是膜各种功能的主要执行者。,物质经过细胞膜进出细胞的过程称为细胞膜的跨膜转运功能。物质以什么方式通过细胞膜主要取决于以下几个因素:分子量的大小。一般而言,脂溶性的小分子物质能直接通过细胞膜。物质在细胞膜内外的浓度差或电位差。物质如果是从细胞膜高浓度的一侧向低浓度的一侧转运(顺浓度差),就不需要消耗能量,若是从低浓度的一侧向高浓度的一侧转运(逆浓度差),细胞就要消耗能量物质的
3、溶解性。因为细胞膜的脂质结构,导致小分子的脂溶性物质比水溶性物质容易通过细胞膜。,一、单纯扩散单纯扩散(simple diffusion)指脂溶性的小分子物质从细胞膜浓度高的一侧向浓度低的一侧转运的过程。单纯扩散是物质跨膜转运中最简单的一种,不需要任何膜蛋白的帮助,因此这种方式仅适合于脂溶性很强的物质,在机体内以这种方式进出细胞膜的物质不多,比较肯定的是O2、CO2、NO、NH3等气体。在单纯扩散中,决定扩散量的因素主要取决于该物质在膜两侧的浓度差和细胞膜对该物质的通透性。一般,浓度差越大,通透性越大,扩散量就越多。,二、易化扩散易化扩散(facilitated diffusion)是指脂溶性
4、很小的物质或者水溶性的物质,在细胞膜特殊蛋白质的帮助下,从细胞膜浓度高的一侧向浓度低的一侧转运的过程。根据参与转运的蛋白质的构型不同,可将易化扩散分为载体转运(carrier transport)和通道转运(channel transport)两种。,(一)载体转运载体转运又称载体介导的易化扩散,是指借助于细胞膜上的载体蛋白质将物质从细胞膜高浓度的一侧向低浓度的一侧进行转运的过程。某些小分子的有机物质,如葡萄糖、氨基酸等在细胞膜两侧存在着浓度差,但无法通过细胞膜的脂质双分子层,而载体蛋白质分子上存在着一个或多个能与该物质结合的位点,物质在高浓度的一侧与载体蛋白质结合,此时,载体蛋白质的构型发生
5、改变,立刻将物质运载到低浓度的一侧,随后两者分离,载体蛋白质回复原来的结构,并可反复使用。,载体转运具有三个特点高度的特异性。通常一种载体蛋白质只能转运某种特定结构的物质,如葡萄糖载体只能转运右旋葡萄糖,而不能转运左旋葡萄糖。饱和现象。载体蛋白质上的结合位点有限,所以当被转运的物质占据了全部的结合位点时,转运即达到饱和。竞争性抑制。若某种载体能同时转运两种或两种以上结构非常相似的物质,其中一种物质浓度增加时,该物质的转运量增加,而其他物质的转运量会减少,该现象称为竞争性抑制。,(二)通道转运通道转运又称通道介导的易化扩散,是指借助于细胞膜上的通道蛋白质将物质从细胞膜高浓度的一侧向低浓度的一侧进
6、行转运的过程。通道蛋白质一般贯穿细胞膜的全层,主要转运各种离子,其内部存在着一条水相孔道,当该水相孔道打开时,亲水性离子可以迅速地从该孔道从细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧转运;一旦孔道关闭,即使在膜两侧存在着浓度差,离子不能通过。通道的开放和关闭是由“闸门”来调控的,所以通道又可称为门控通道。根据引起通道开与关的条件的不同,可将门控通道分类,如由膜电位变化引起闸门开与闭的称为电压门控性通道;由化学物质引起闸门开与闭的称为化学门控性通道。,三、主动转运主动转运(active transport)是指某些物质的分子或离子,在细胞膜特殊蛋白质的帮助下,从细胞膜浓度低的一侧向浓度高的一侧转运的过程。这些
7、帮助物质完成逆浓度差转运的特殊膜蛋白称为“泵”,它们具有ATP酶的活性,可将细胞内的ATP分解,提供能量,该能量即可帮助物质完成逆浓度差的跨膜转运。机体内常见的离子泵有钠-钾泵、钙泵、氢泵等,其中钠-钾泵具有非常重要的生理意义。,钠-钾泵简称钠泵(sodium pump),即Na+-K+依赖式ATP酶。当细胞内Na+浓度增高和(或)细胞外K+浓度增高时,钠泵被激活,此时,分解ATP释放能量,并借此能量使膜外的K+逆浓度差进入膜内,同时使膜内的Na+逆浓度差移出膜外。一般情况下,每分解一分子ATP,可以将3个Na+移出膜外,同时将2个K+移入膜内,从而维持细胞膜外高钠膜内高钾的状态。钠-钾泵的生
8、理意义主要表现在以下几点钠泵活动维持细胞内外钠、钾离子分布不均衡的状态,是可兴奋细胞产生生物电的基础;为继发性主动转运提供能量来源;维持细胞内晶体渗透压的稳定,防止细胞水肿;为细胞代谢提供必需条件。钠泵活动造成的膜内高K+是许多代谢反应的必需条件。,四、入胞和出胞1入胞 又称胞吞(endocytosis),指大分子或物质团块进入细胞的过程。如细菌、病毒、大分子营养物质,血浆脂蛋白等。这些物质进入细胞时,首先与细胞膜上的受体识别并接触,然后接触部位的细胞膜向内凹陷或者伸出伪足,将物质包裹,此后包裹物质的细胞膜融合断裂,使物质和包裹它的细胞膜一起进入细胞内,从而完成了大分子物质或团块进入细胞的过程
9、。2出胞 又称胞吐(exocytosis),指大分子物质排出细胞的过程,主要见于细胞的分泌。如内分泌细胞分泌激素、神经末梢释放递质、消化腺细胞分泌消化酶等。往往大分子物质在细胞内形成后,即被一层膜性物质包裹形成囊泡,当分泌活动开始后,囊泡向着细胞膜方向移动,直至与细胞膜融合,破裂,至此,包裹在囊泡内的物质就一次性地排出细胞。,第二节 细胞的跨膜信号转导功能,一、受体的概念和特征凡是能与信号分子特异性结合,并引发细胞发生特定生理效应的特殊蛋白质称为受体(receptor)。受体可以存在于细胞膜、细胞质和细胞核内,但是通常提到的受体指的是膜受体。受体可以对某些特定的化学物质进行识别并与之结合,结合
10、后能激活细胞内的多种酶系,从而引起特定的生理效应。在此过程中,作为信号分子的化学物质并未进入到细胞膜内,它所携带的信息通过受体中介转导到细胞内。受体的特征:特异性饱和性可逆性,二、跨膜信号转导的方式(一)离子通道耦联受体介导的跨膜信号转导1化学门控性通道 这类通道蛋白质本身就是受体,所以又称为通道型受体。2电压门控性通道 这类通道广泛存在于神经细胞膜、心肌细胞膜和骨骼肌细胞膜上。3机械门控性通道 机械性刺激信号能影响此类通道蛋白质功能状态的改变,从而完成细胞跨膜信号的转导。如内耳毛细胞受刺激后出现的感受器电位就是此类信号转导。由离子通道耦联受体介导的跨膜信号转导的主要特点是作用部位精确,速度快
11、。,(二)G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导G蛋白耦联受体介导的跨膜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细胞质中的信号分子的共同活动而实现的。在此过程中,首先是细胞外的化学物质(如激素)与靶细胞受体结合,接着激活G蛋白,激活的G蛋白进而激活G蛋白效应器酶(如腺苷酸环化酶),G蛋白效应器酶再催化某些物质(如ATP)产生第二信使(如cAMP),第二信使再通过蛋白激酶或离子通道完成信号转导。,(三)酶耦联受体介导的跨膜信号转导此类受体分子既有受体的作用又有酶的特性,即它们既存在与信号分子结合的位点,又具有酶的催化性,通过它们的这些双重作用来完成信号的转导称之为酶耦
12、联受体介导的跨膜信号转导。体内大部分生长因子和一部分激素(如胰岛素)就是通过这种方式进行信号转导的。,第三节 细胞的生物电现象,在生命活动的过程中,细胞始终存在着电,我们把这种电现象称为生物电现象。生物电是一切活细胞存在的基本生命现象,也是生理学重要的基础理论。它主要包括静息电位和动作电位两部分,一、静息电位及其产生机制(一)静息电位的概念静息电位(resting potential,RP)是指细胞处于静息状态下,细胞膜两侧存在的电位差。它是一切生物电产生或变化的基础。,机体细胞静息时膜两侧的电荷都是呈内负外正的分布。生理学中,通常规定膜外电位为0,则膜内电位值就是负值了。静息电位的大小通常只
13、看静息电位负值的绝对值,如从70mv变化到90mv称为静息电位的增大,反之为变小。静息电位时细胞膜两侧内正外负的状态称为极化。而把细胞膜两侧内负外正的状态称为反极化。静息电位的增大为超极化。静息电位的减小称为去极化。细胞去极化后向着静息电位的方向恢复称为复极化。超极化时细胞膜两侧的电位差变大,表示细胞抑制;而去极化时细胞膜两侧的电位差变小,表示细胞兴奋。,(二)静息电位的产生机制1静息电位产生的前提条件 静息电位的产生主要与细胞内外离子的分布不均和细胞膜对离子的通透性不同有关,即静息电位的产生两个前提条件:细胞内外离子分布不均,即存在浓度差,在安静状态时,在膜内的K+浓度是膜外的30倍,而Na
14、+在膜外的浓度是膜内的12倍左右;细胞膜在不同的状态下对离子的通透性不同,安静状态下,细胞膜主要对K+通透性较大,对Na+、Cl-通透性很小,而对蛋白质负离子不通透。,2静息电位的产生机制 安静状态时,细胞膜内外存在K+的浓度差,并且细胞膜对K+的通透性大,因此K+在浓度差的驱使下,从细胞膜内向细胞膜外扩散,即K+外流。带正电荷的K+外流时肯定会吸引带负电荷的蛋白质同行,但此时的细胞膜对大分子的蛋白质没有通透性,所以这些蛋白质分子会被阻隔在细胞膜内表面,而外流的K+在蛋白质分子的吸引下排列在膜的外表面,形成了内负外正的电位差。可见,K+外流是静息电位形成的基础。,实验所述,静息电位是一个稳定的
15、电位差,即K+外流最终会达到平衡。因为K+逐渐外流,它会形成的内负外正的电场力,而这种电场力会阻止带正电荷的K+向外流,随着K+逐渐外流,浓度差会逐渐减弱,而电场力会逐渐增强,当促使K+外流的浓度差形成的扩散动力与阻止K+外流的电场力达到平衡时,K+外流停止,K+的净通量等于零,即达到稳定的静息电位。由此可见,静息电位主要是K+外流达到平衡时的电位,所以又称为K+的平衡电位。静息电位的大小,主要由细胞内外K+的浓度决定。通常,细胞内的K+浓度变动很小,因此造成细胞内外K+浓度差改变的主要是细胞外的K+浓度。如细胞外K+增高,会使细胞内外K+浓度差减小,从而使K+外流的动力减小,K+外流减少,最
16、终导致静息电位减小。,二、动作电位及其产生机制(一)动作电位的概念动作电位(action potential,AP)是指可兴奋细胞在受到有效刺激后,在静息电位的基础上,细胞膜产生的一次快速的可传播的电位变化。动作电位和静息电位不同,是一个电位连续变化的过程,动作电位是细胞兴奋的标志。,(二)动作电位的形成过程在给神经纤维一次有效的刺激后,示波器上会显示出一个动作电位的波形,即在受刺激局部的细胞膜上产生了一次快速的,连续的电位变化。该电位变化主要由两部分构成:锋电位和后电位。,(三)动作电位的产生机制l去极化过程 当细胞受到刺激时,使受刺激的局部细胞膜上少量Na+通道开放,此时Na+会顺着浓度差
17、少量内流,引起细胞膜去极化,当去极化达到某一程度时,膜上大量Na+通道开放,于是细胞外的大量Na+顺浓度差和电位差向细胞内迅速扩散,导致膜内负电位减小,直至膜内电位比膜外高,形成内正外负的反极化状态。当促使Na+内流的浓度差和阻止Na+内流的电位差,这两种拮抗力量相等时,Na+的净内流停止,此时膜电位达到峰值。因此,可以说动作电位的峰值相当于Na+内流所形成的电-化学平衡电位。,2复极化过程 当膜电位达到峰值时,细胞膜的Na+通道迅速关闭,而K+通道开放,于是细胞内的K+顺浓度差向细胞外扩散,导致膜内负电位增大,直至恢复到静息时的数值。如此一来,一部分Na+在去极化中扩散到细胞内,并有一部分K
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