第二章__细胞的基本功能.ppt

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1、第二章 细胞的基本功能,一、 细胞膜的结构和物质转运功能,内容： 1.细胞膜的结构 2.单纯扩散 3.易化扩散 4.主动转运 5.继发转运 6.出胞和入胞,被动转运,“液态镶嵌模型” 1、脂质双分子层为基架：膜具流动性 2、镶嵌蛋白质：-螺旋或球形结构、 构型不同、功能不同 3、糖类在表面：与脂质或蛋白结合成 糖脂、糖蛋白、成为 抗原,一、细胞膜的化学组成和分子结构, 细胞膜脂质 磷脂类（70） 胆固醇（30） 鞘脂类（少量） 特点：双嗜性分子 熔点低, 细胞膜蛋白 结构：- 螺旋或球形结构 存在形式 表面蛋白：附着于膜的内表面或外表面。 整合蛋白：肽链一次或多次穿越脂质双层 如：载体、离子通

2、道、离子泵 3.功能： 细胞骨架、酶蛋白、转运蛋白、 受体蛋白 细胞膜的糖类 以糖脂、糖蛋白形式存在,二、膜的跨膜物质转运功能,（一）单纯扩散 （二）易化扩散 （三）主动转运 （四）出胞和入胞,被动转运,1.概念：脂溶性物质顺浓度差通过细胞膜的过程。 2.影响因素： 膜两侧分子的浓度差 膜对物质的通透性 3.单纯扩散物质：O2、CO2,（一）单纯扩散 （Simple diffusion）,（二）易化扩散（facilitated diffusion）,概念：不溶于或难溶于脂质的物质在细胞膜结构中的特殊蛋白帮助下顺浓度差通过细胞膜的过程。 分类：1.载体介导的易化扩散 2.通道介导的易化扩散,1.

3、经载体介导的易化扩散,特征 : （1）转运方向顺浓度梯度 （2）饱和现象（膜上的载体和载体的结合位点是有限的） （3）载体与溶质的结合具有化学结构特异性 （4）化学结构相似的溶质经同一载体转运时会出现竞争性抑制,2.经通道易化扩散,特征：离子选择性和门控特性 1. 离子选择性:每种通道只对一种或几种离子有较高的通透特性，而对其它离子则不易或不能通过。 2.门控特性:通道对离子的导通,表现为开放和关闭两种状态.处于激活状态的通道是开放的,处于失活状态的通道是关闭的.可分为:电压门控通道、化学门控通道和机械门控通道。,电压门控通道,水的跨膜转运 水分子由渗透压低的一侧向渗透压高的一侧移动。转运速度

4、主要取决于对水的通透性 水通道：（AQP）水孔蛋白,易化扩散共同特点：,1、由高浓度到低浓度扩散（离子 扩散与电位差有关） 2、转运蛋白与转运物质间有选择性 3、转运蛋白的功能受环境因素的影响,被动转运 单纯扩散及经载体和通道介导的易化扩散（不耗能量；顺浓度梯度或电位梯度） 主动转运 分原发性和继发性主动转运（消耗能量；逆浓度梯度或电位梯度）,（三）主动转运,定义：细胞直接利用代谢产生的能量将物质逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程。 代表例子： Na-K-ATP酶（NaK泵） 分类：原发性和继发性,化学本质和功能特点 Na+泵是Na+/K+依赖式ATP酶，当细胞膜 内Na+和膜外K+浓度升

5、高时泵激活。 逆电-化学梯度转运，消耗能量 耦联转运Na+和K+ 每分解1分子ATP，移出3个Na+至细胞 外，2个K+移入细胞内。 哇巴因抑制其作用,Na-K-ATP酶（NaK泵）,(2)Na-K泵的生理意义, 造成细胞内外离子分布不均是细胞生物电活动的前提；且胞内高钾也是细胞代谢活动所必须的 防止胞内钠升高，维持胞浆渗透压和细胞形态 逆浓度差电位差转运，建立起一种势能储备，这种势能是细胞内外Na-K等顺着浓度差和电位差移动的能量来源,继发性主动转运,定义：物质在进行逆浓度梯度或电位梯度跨膜转运时，所需的能量并不直接来自ATP的分解，而是利用钠泵分解ATP释放能量建立起来的膜两侧Na的浓度势

6、能差，这种间接利用ATP能量的主动转运过程成为继发性主动转运。,继发性主动转运（肾小管的重吸收）,使膜两侧浓度差更小,（四）出胞和入胞,1.出胞是指胞质内大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。如：外分泌腺的分泌；突触囊泡的释放 2.入胞是指大分子物质或物质的团块借助于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程，并分为吞噬和吞饮。 吞饮又分为液相入胞和受体介导入胞,受体介导入胞,第二节 细胞的跨膜信号转导功能,一、跨膜信号转导概念的提出,不同形式的细胞接受外来多种多样的刺激信号并引起相应反应时有明显的共性： 1.外界信号通过跨膜信号转导（transmembrane singnal tran

7、sduction）或跨膜信号传递（transmembrane signaling）过程来影响靶细胞 2.转导过程是通过几种类似的途径或方式实现的，相应的蛋白质分子具有很大的同源性。,配体：细胞间传递信息的物质通称为配体，包括各种神经递质、激素、细胞因子、气体分子 受体：是指存在于细胞膜或细胞内的特殊蛋白，能特异性识别生物活性分子（配体）并与之结合，进而诱发生物效应。,二、跨膜信号转导方式,1 G蛋白耦联受体介导的信号转导 2 酶耦联受体介导的信号转导 3 离子通道介导的信号转导,1 G蛋白耦联受体介导的信号转导,参与G蛋白耦联受体介导的信号转导的信号分子： 膜受体（ G蛋白耦联受体） GTP结

8、合蛋白（G蛋白） G蛋白效应器：酶和离子通道 第二信使（细胞外信号作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子） 蛋白激酶,第二信使及其作用,1.cAMP 激活蛋白激酶A（PKA），PKA使酶蛋白或通道蛋白磷酸化 2.IP3和DG 3.cGMP 激活cGMP依赖性Na+通道 4.Ca2+ 激活依赖于Ca2+的钙调蛋白,AC,ATP,cAMP,PLC,PIP2,IP3,DG,内质网或肌浆网中Ca2+的释放,化学门控的Ca2+释放通道,激活蛋白激酶C(PKC),GC,GTP,cGMP,G蛋白耦联受体介导的几种主要信号转导方式,（1）cAMP-PKA途径,（2）IP3-Ca2+途径（3）DG-PKC途径,（4

9、）G蛋白-离子通道途径 G蛋白可间接或直接通过第二信使调节离子通道的活动以进行信号的转导 例如：心肌M受体耦联Gi，激活Ach门控K通道,2 酶耦联受体介导的信号转导,（1）通过酪氨酸激酶受体介导的信号转导 具有酪氨酸激酶的受体 结合酪氨酸激酶的受体,(2)通过鸟苷酸环化酶受体介导的信号转导,3 离子通道介导的信号转导,种类： 化学门控通道 电压门控通道 机械门控通道,第三节 细胞的兴奋性和生物电现象,刺激 反应 兴奋 抑制 兴奋性 可兴奋组织,一、神经和骨骼肌细胞的生物电现象,神经肌肉标本 现象：刺激神经后可以看到肌肉一次快速的缩舒 结论：神经纤维受刺激处产生了电信号，以一定的速度传向肌肉，

10、在肌肉表面产生类似的电变化，肌肉的缩舒发生在肌肉的电变化之后。 兴奋性：组织细胞对外界刺激产生反应的能力。 兴奋：组织细胞受外界刺激产生的反应。,组织细胞受外界刺激产生动作电位的能力。,组织细胞受外界刺激产生了动作电位,（一）生物电现象的观察和记录方法,1复合动作电位 2单细胞动作电位 电压钳 膜片钳,（二）细胞的跨膜静息电位和动作电位,胞膜两侧的电位差，称为跨膜电位，简称为膜电位。 1静息电位 2动作电位,1、静息电位（Resting Potential）,（一）概念 ：一切细胞，或兴奋细胞处于静息状态时的跨膜电位，称为静息电位。,（二）产生机制 细跑膜是一种具有选择性通透的半透膜，在膜内外

11、离子分布不均一性的基础上，细胞膜对某种离子的通透性(即离子电导)发生改变将导致细胞膜两侧发生电位变化。,哺乳动物骨骼肌细胞内、外主要离子的浓度,生成机理,静息电位的生成有两个因素： 其一是钠泵在向细胞膜外转运Na+的过程中，造成膜内负离子过剩； 其二，当膜处于静息状态下，钾通道开放，膜的gK+增高，因此，膜内的K+顺浓度梯度向膜外扩散而产生膜内负离子过剩。 还有，细胞膜外K+的浓度会影响静息电位水平,1、细胞内钾浓度高于细胞外，安静时膜对钾的通透性较大，故钾外流聚于膜外，带负电的蛋白不能外流而滞于膜内，使膜外带正电，膜内带负电。 2、当促使钾外流的钾浓度势能差同阻碍钾外流的电势能差（钾外流导致

12、的外正内负）相等时，钾跨膜净移动量为零，故RP相当于钾平衡电位。,其精确数值可按Nernst公式计算：,R:气体常数 T:绝对温度 Z:离子价 F:法拉第常数,R:气体常数 T:绝对温度 Z:离子价 F:法拉第常数,计算值比测定值稍高，主要是静息时有少量Na+内移，抵消部分K+外移造成的电位差数值。,2、动作电位,（一）概念 细胞受刺激时，细胞膜在静息电位基础上发生的一次迅速而短暂的可扩布性电位。,（二）动作电位的时相,极 化 静息电位存在时膜两侧保持的内负外 正的状态。 去极化 静息电位减小甚至消失的过程。 反极化 膜内电位由零变为正值的过程。 超射值 膜内电位由零到反极化顶点的数值。 复极

13、化 去极化、反极化后恢复到极化的过程。 超极化 静息电位增大的过程。,Ap的特点,“全或无”(all-or-none) ：动作电位一旦产生就达到最大值，其变化幅度不会因刺激的加强而增大，也就是说，动作电位要么不产生(无)，一旦产生就达到最大(全)，这称为“全或无” ； 可扩播性：动作电位产生后迅速向周围扩播，直至整个细胞的细胞膜都依次产生动作电位； 不衰减性传导：在扩播过程中，它的幅度不会因为扩布距离的增加而减小,（三）产生机理钠平衡电位,1、上升支：细胞受刺激时，膜对钠的通透性增加，因膜外钠浓度高于膜内且受膜内负电的吸引，故钠内流引起上升支直至内移的钠在膜内 形成的正电位足以阻止钠的净移入时

14、为止（ENa)。 （河豚毒） 2、下降支：钠通道关闭，钾通道开放，钾外 流引起。随后钠泵工作，泵出钠、泵入钾， 恢复膜两侧原浓度差。 （四乙胺）,去极化,复极化,动作电位的离子机制,上升支,下降支,正后电位,阈刺激,.AP过程中细胞膜通透性的改变 ：,上升支：膜对Na+的通透性增加，超过对K+的通透性 。 当内移的Na+在膜内形成的正电位足以阻止Na+的净移入时，此时的膜两侧的电位差为Na+的平衡电位。 下降支：膜对Na+的通透性突然减小，对K+的 通透性逐渐增大 负后电位：复极时快速外流的K+蓄积在膜外侧 暂时阻碍K+外流 正后电位：生电性钠泵活动,二、兴奋的引起和兴奋在同一细胞上的传导,（

15、一）刺激引起兴奋的条件 （二）阈电位与动作电位 （三）阈下刺激、局部反应及其总和 （四）细胞兴奋及其恢复过程中兴奋性的周期变化及其本质 （五）兴奋在同一细胞上的传导,（一）刺激引起兴奋的条件,刺激和兴奋 刺激； 兴奋 ；兴奋性 刺激：细胞所处环境因素的变化 兴奋：AP 兴奋性：可兴奋细胞受刺激后产生动作电位的能力,刺激的三要素： 1、强度; 2、时间; 3、强度-时间变化率 在保持强度时间变化率不变的条件下，如刺激持续时间不受限制，引起组织兴奋所需的最小刺激强度称为基强度。 用基强度作为刺激，引起细胞兴奋所需要的最短时间称为利用时 两倍基强度的刺激引起组织兴奋的最短刺激持续时间称为时值。,阈值

16、：时间和强度-时间不变，最小刺激强度 阈刺激：相当于阈强度的刺激,低于或高于阈强度的刺激，分别称为阈下刺激或阈上刺激 时值和基强度可以作为衡量组织兴奋性高低的指标 阈值是反映组织兴奋性高低的良好指标,（二）阈电位与动作电位,能产生动作电位时的膜电位水平，称为阈电位。无论是电刺激或是神经递质的作用，都必须达到阈电位水平：才能产生兴奋，即引起扩布性的动作电位。 能够导致膜对Na+通透性突然增大的临界膜电位数值，称为阈电位 在达到阈电位水平以前的刺激量，均称为阈下刺激。不同的兴奋细胞，阈电位水平也不同 。,阈电位：细胞本身膜电位数值 阈刺激：是从外部加给细胞的刺激强度,刺激作用的机制,刺激 膜的除极

17、,N a+内流,Na+通道开放,阈电位,（三）阈下刺激、局部反应及其总和,局部反应：细胞受阈下刺激时膜电位的轻微去极化。（少量Na+通道激活而产生的轻微去极化 ） 特点： 1.衰减性 局部反应，总是局限于刺激的局部，其去极化的幅度可随阈下刺激强度的大小而增减，随着扩布距离的增加而迅速衰减和消失。 2总和 先后多个或相邻多处的阈下刺激所引起的局部反应可叠加总和，分别称为时间总和与空间总和。当局部反应的总和现象发展到一定程度时，便可引起产生动作电位。 3.在阈下刺激范围内，它可随刺激的增强而增大,（四）细胞兴奋及其恢复过程中兴奋性的周期变化及其本质,绝对不应期 （absolute refracto

18、ry period）,相对不应期 （relative refactory period）,动作电位的组成及其兴奋性周期的对应关系,兴奋性周期性变化的本质,胞膜离子通道存在三种功能状态： 备用 激活 失活,(五) 兴奋在同一细胞上的传导机制,传导机制 兴奋部位与邻近未兴奋部位之间形成局部 电流，以局部电流作为刺激，使邻近部位相继 产生新的动作电位而扩布直至神经末梢。 影响传导速度的因素 髓鞘物质：跳跃式传导，更快更节能 纤维直径：直径越大，电阻越小，传导速度越快,神经纤维某处受阈上刺激产生动作电位，该处由静息时的内负外正状态变为内正外负，而其相邻的神经段仍处于内负外正状态。 因此，在兴奋段和相邻

19、的未兴奋段间存在电位差，电荷移动形成局部电流： 膜内：兴奋段未兴奋段； 膜外 ：未兴奋段兴奋段 未兴奋段去极化达阈电位，诱发动作电位，未兴奋段兴奋。,动作电位的两种传导方式,第四节 肌肉收缩功能,一、骨骼肌的微细结构,（一）肌原纤维和肌小节 (二)肌管系统,（一）肌原纤维和肌小节,肌小节：肌原纤维上相邻两条Z线之间的区域，是肌肉收缩和舒张的最基本单位。,肌小节=2个 明带+1个暗带,肌丝：电子显微镜下，肌小节的明带和暗带包含有细的、纵向平行排列的丝状结构，称为肌丝 粗肌丝 细肌丝,(二)肌管系统,横管（T管）：传导Ap至肌肉深部 纵管（L管）：末梢膨大为终池，能储存、释放、回收钙 3. 三联体

20、结构：每一横管和来自两侧肌小节的纵管终池构成，是骨骼肌兴奋-收缩耦联的关键部位。,二、骨骼肌的兴奋收缩偶联,以膜的电变化为特征的兴奋和以肌纤维机械变化为基础的收缩联系起来的中介过程： 电兴奋通过横管系统向 肌细胞的深处传导 三联体结构处的信息传递 肌质网中的Ca2+释放入胞浆以及Ca2+由胞浆向肌质网的再积聚,骨骼肌的兴奋收缩偶联,三、骨骼肌收缩的分子机制,“滑行学说”（sliding theory）：肌肉收缩时肌细胞内的肌丝并未缩短，只是细肌丝向粗肌丝滑行，使相邻的各Z线互相靠近，肌小节长度变短，从而导致肌原纤维以至整个肌细胞和整块肌肉的收缩。肌肉的收缩和舒张均耗能。,（一）肌丝的分子组成与

21、横桥运动,粗肌丝：肌凝蛋白 (肌球蛋白) 细肌丝：肌纤蛋白 （肌动蛋白）、 原肌凝蛋白 （原肌球蛋白）、 肌钙蛋白,横桥特性： 1 与肌纤蛋白结合，扭动、解离、复位、再结合. 2 有ATP酶活性,Ca2+和肌钙蛋白的结合诱发横桥与 肌纤蛋白之间的相互作用示意图,肌小节缩短,改变横桥头部与臂部的结合力量,横桥向M线扭动,拖动细肌丝向粗肌丝中央方向滑行,横桥头部迅速与结合位点分离，恢复与粗肌丝主干垂直的方位,横桥头部与下一结合位点结合,肌浆中的Ca2+浓度突然达阈值,肌钙蛋白结合足够的Ca2+,肌钙蛋白变构,原肌凝蛋白变构、移位,暴露肌纤蛋白上的结合位点,横桥不断发挥ATP酶的 作用，分解ATP供

22、能,横桥与结合 位点结合,（二）肌丝滑行的基本过程,肌浆中的Ca2+浓度,肌钙蛋白与Ca2+分离,肌钙蛋白与原肌凝蛋白构型构型恢复,肌纤蛋白上的结合位点被覆盖,横桥头部不能与结合位点结合,细肌丝从粗肌丝中退出并复位,肌肉舒张,综上所述，触发和终止肌丝滑行的关键是Ca2+与肌钙蛋白的结合和分离，即Ca2+的浓度是高还是低。Ca2+的浓度变化与骨骼肌的兴奋收缩偶联有关。 肌肉滑行的结构基础是粗细肌丝各蛋白质的结构和特性；横桥ATP酶分解ATP为之供能；而整个过程触发和终止的关键是Ca2+与肌钙蛋白的结合和分离，即Ca2+的浓度是高还是低。,四、骨骼肌收缩的外部表现和力学分析,（一）骨骼肌收缩的外部

23、表现 （二）骨骼肌收缩的力学分析,（一）骨骼肌收缩的外部表现,1.等张收缩和等长收缩 等张收缩：肌肉收缩时长度明显缩短，但张力始终不变 等长收缩：肌肉收缩时长度不会缩短，但肌肉张力增大,2 单收缩和强直收缩 单收缩：肌肉受低频刺激而出现的独立收缩。 强直收缩：肌肉受高频刺激而出现的叠加收缩。,不同频率的连续刺激对骨骼肌收缩的影响,（二）骨骼肌收缩的力学分析,1 前负荷：肌肉收缩前遇到的负荷。,前负荷,前负荷对肌肉收缩的影响,1、在一定范围内，前负荷愈大，初长度愈长，收缩力愈大； 2、最适初长度时，肌肉收缩能使肌肉产生最大张力； 3、前负荷过大，初长度过长，收缩力降低。,2 后负荷对肌肉收缩的影响,后负荷：肌肉收缩时才遇到的负荷。,后负荷影响,1 先产生张力，后出现缩短，缩短发生后张力不再增加。 2 后负荷愈大，张力愈大，缩短出现愈迟，缩短的初速度和总长度愈小,3 肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响,概念：能影响肌肉收缩效果的肌肉内部功能状态。 主要取决于兴奋收缩耦联期间胞浆内Ca2+的水平和肌球蛋白ATP酶活性,