第二章细胞的基本功能

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1、第二章 细胞生理 （Cell Physiology）,一、细胞膜的基本结构与物质转运功能,二、细胞间的信息传递,学习目的和要求,了解细胞膜的结构和特性； 掌握细胞膜物质转运的主要方式和机理； 理解细胞膜的受体功能； 掌握细胞主要信号转导系统的功能； 自学细胞生长、增殖、凋亡及细胞保护的概念； 掌握细胞兴奋性的概念与生物电现象产生的机理。,细胞生理,“液态镶嵌模型” （Fluid mosaic model ）,膜以液态的脂质双分子层为支架，其中镶嵌的不同结构和功能的蛋白质（Singer & Nicolson 1972 ）,一、细胞膜的结构特点,细胞生理,膜 脂：磷脂、胆固醇,膜蛋白：镶嵌于脂质双

2、层（介导细胞功能的实现）,膜 糖： 糖脂、糖蛋白（起细胞标识的作用）,（构成膜的骨架）,脂质双分子层,功能： 液态，流动性 稳定性构成细胞膜的基架和细胞膜与外界环境的屏障 意义： 细胞可以承受相当大的张力和外形改变而不破裂；而且即使膜结构有时发生一些较小的断裂，也可以自动融合而修复，仍保持膜的完整性。,蛋白质,特点：分子大小不同 形态不同 镶嵌在膜内的深浅不同 功能不同,蛋白质功能,形成细胞的骨架蛋白,可使细胞膜附着在另一细胞的膜上，或使其附着在细胞内或细胞外的某物质上； 作为“识别蛋白质”,存在于免疫细胞膜上，能识别异体细胞的蛋白质或癌细胞； 具有酶的特性,能催化细胞内外的化学反应； 作为“

3、受体蛋白质”，能与信息传递物质（激素或递质）进行特异性结合，并引起细胞反应； 作为转运蛋白质或载体蛋白、通道蛋白质和膜泵与细胞膜的物质转运功能有关。,糖类, 免疫标志 传递信息,功能：,由于细胞膜是以脂质双分子为骨架，所以： 脂质双分子层具有稳定性和流动性，使细胞具有能承受相当大的张力，改变外形时不致于破裂。 具有不对称性，不同细胞的细胞膜和细胞膜的不同部分，因脂质的成分和含量不完全相同而影响到细胞膜的特性和功能。 限制水和水溶性物质自由通过细胞膜，使膜具有选择性通透。,表-细胞膜的结构与功能,二、细胞膜的物质转运功能,简单扩散（Simple diffusion）,易化扩散（Faciliate

4、d diffusion）,主动转运（Active transport）,入胞和出胞作用（Endocytosis and Exocytosis）,细胞生理,简单扩散（Simple diffusion）：,靠这种方式进行转运的物质较少，例如：二氧化碳、氧气,条 件,（1）细胞膜两侧存在物质的浓度差或电位差；,指一些小的脂溶性物质依靠分子运动从浓度高的一侧通过细胞膜的脂质双分子层向浓度低的一侧扩散的方式。,（2）细胞膜对该物质有通透性。,细胞生理,易化扩散（Facilitated diffusion）： 某些物质能够依靠细胞膜上的特殊蛋白的帮助，顺电-化学梯度（由高低）通过细胞膜的转运方式。,分 类

5、： （1）载体介导的易化扩散；,特 点： （1）顺电-化学梯度进行转运，转运过程不消耗ATP； （2）转运过程中必须有膜蛋白的帮助（介导）。,（2）离子通道介导的易化扩散。,细胞生理,载体介导的易化扩散,a、具有高度的结构特异性 b、具有饱和现象：扩散量与浓度梯度成正比，但浓度梯度大时，扩散量与载体数有关 c、存在竞争抑制：载体能转运A、B两种物质（结构相似），增A抑制B。,载体介导的易化扩散的特点,离子通道介导的易化扩散,某些离子必须借助于膜上的通道才能通过细胞膜由高浓度向低浓度一侧扩散的转运方式,离子通道介导的易化扩散特点,A. 速度快 B. 有选择性（但不像载体那样严格） C. 门控,化

6、学（配体）门控通道 电压门通道 机械门控通道,细胞膜上的离子通道主要有3类：,D. 通道没有饱和性,细胞生理,特 点：,主动转运（Active transport）：,在细胞膜上载体的帮助下，通过消耗ATP，将某种物质逆浓度梯度进行转运的过程。,（1）逆浓度梯度转运；,（2）耗能（ATP） 。,意义：细胞能按照其新陈代谢的要求主动地选择所需要的物质,主动转运 （据提供能量方式）,原发性主动转运,继发性主动转运,直接利用ATP水解产生的能量进行离子的跨膜转运。如Na的转运,能量不是直接来自ATP的水解，来自膜外的高势能Na。,钠泵(sodium pump),A.是镶嵌蛋白质， B.能逆着浓度差将

7、细胞内的Na+移出膜外，细胞外的K+移入膜内， C.主要是由于它本身还具有ATP酶的活性。,激活-细胞内Na+增加或细胞外K+增加时激活 作用-泵入K+泵出Na+ ，形成并保持膜内高钾膜外高钠的分布,细胞膜上的钠泵活动的意义,A. 造成细胞内高K+是许多代谢反应进行的必要条件 B. 维持细胞正常形态 C. 建立起一种势能贮备，即Na+、K+在细胞膜内外的不均匀分布，细胞内K+是外的30倍；细胞外Na+ 是内的12倍；膜上的离子通道一旦开放， Na+或K+便迅速顺浓度差进行跨膜扩散，这也是可兴奋细胞（组织）兴奋的基础 D.钠泵活动造成的Na+浓度梯度也是继发性主动转运的动力。,主动转运与被动转运

8、的区别,主动转运,被动转运,需由细胞提供能量,不需细胞提供能量,逆电-化学势差,顺电-化学势差,使膜两侧浓度差更大,使膜两侧浓度差更小,细胞生理,是指某些物质与细胞膜接触，导致接触部位的质膜内陷以包被该物质，然后出现膜结构融合和断裂，使该物质连同包被它的质膜一起进入胞浆的过程，含吞饮（Pinocytosis）和吞噬（Phagocytosis）。,出胞作用（Exocytosis）：,出胞与入胞相反，指某些大分子物质或颗粒从细胞排出的过程，主要见于细胞的分泌活动等。,入胞作用（Endocytosis）：,细胞生理,存在的部位不同可分为细胞膜受体、胞浆受体和核受体。,三、细胞膜的受体功能,受体（re

9、ceptor）：,细胞拥有的能够识别和选择性结合某种配体（化学物质）的蛋白质大分子，它与配体结合后，启动一系列过程，最终引发细胞的生物学效应。,分类：,膜受体的特征,a. 特异性 特定的受体只能与特定的物质结合，产生特定的效应。 b. 饱和性 膜受体仅占膜蛋白的1%2%，数量是有限的，与化学信号的结合也是有一定限度的。 c. 可逆性 受体与化学物质是以非共价键结合，因此在某种情况下也可分离，并可再次与同类化学物质结合,膜受体的激动剂和阻断剂,细胞生理,2 、细胞的生物电现象及其产生机制,1 、细胞膜的信号转导系统,四、细胞间的信息传递,动物体各种器官之间的功能协调以及整体统一性的维持主要依靠组

10、织与组织之间、细胞与细胞之间的信息传递来完成的。,细胞生理,各种化学物质以及非化学性的外界刺激信号，大多数作用到细胞膜上，通过跨膜信号传递（transmembrane signaling），引起细胞功能活动的改变。,（一）、细胞膜的信号转导系统：,外界刺激信号作用靶细胞时，通常并不进入细胞或直接影响细胞内过程，而是作用于细胞表面，通过膜结构中特殊蛋白质分子的变构，将外界环境变化的信息以新的信号形式传递到膜内，再引发靶细胞相应功能的变化，这个过程称为跨膜信号转导 。,跨膜信号转导过程,外界信号 细胞膜表面 一种或几 种膜蛋白分子构象改变 新的信号进入 胞内 膜电位或其他功能变化,第一信使：激素、

11、神经递质和细胞因子,第二信使：细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内的信号分子。 第一信使：细胞外的信号分子。,第二信使：环磷酸腺苷（cAMP）、环磷酸鸟苷（cGMP）、三磷酸酰肌醇（IP3）、二酰甘油（DG）、钙离子和NO等。功能是为调节各种蛋白激酶的活性和离子通道。,细胞生理,根据参与信号转导蛋白质种类的不同可将信号转导系统分为以下三大类：,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,细胞生理,G蛋白耦联受体介导信号转导的主要步骤,配体+受体,腺苷酸环化酶 依赖于cGMP的磷酸二酯酶 磷酯酶C Ca2+或K+通道,蛋白激酶A（PKA）

12、蛋白激酶C（PKC） Na+、K+和Ca2+通道蛋白,环磷酸腺苷（cAMP） 环磷酸鸟苷（cGMP） 三磷酸酰肌醇（IP3） 二酰甘油（DG） 钙离子和NO等,G蛋白偶联受体,环腺苷酸信号转导系统,G蛋白偶联受体,肌醇信号转导系统,（1）无G蛋白参与 （2）无第二信使产生和胞浆中蛋白激酶的激活 （3）该受体的膜内肽段具有磷酸激酶活性，磷酸化的位点是底物蛋白中的酪氨酸残基，并由此实现细胞外信息对细胞功能的调节。,酶耦联受体介导的信号转导,1.作用特点：,具有酪氨酸激酶的受体 受体具有酪氨酸激酶的结构域, 当细胞外的信号分子与它的受体位点结合时,直接激活自身的酪氨酸激酶结构域,导致受体自身或细胞内

13、靶蛋白的磷酸化。 结合酪氨酸激酶的受体 受体本身没有蛋白激酶的结构域，但与配体结合后被激活，可和细胞内的酪氨酸蛋白激酶形成复合物，并通过对自身和底物蛋白的磷酸化作用，把信号传入细胞内 。 具有鸟苷酸环化酶受体 该受体也只有一个跨细胞膜的螺旋，其膜内侧有鸟苷酸环化酶，当配体与它结合后，即将鸟苷酸环化酶激活，催化细胞内GTP生成cGMP,cGMP又可激活蛋白激酶G（PKG），PKG促使底物蛋白质磷酸化，产生效应。,离子通道介导的跨膜信号转导,电压门控通道（voltage gated channel） 接受电信号的受体，并通过通道的开放、闭合和离子跨膜流动的变化把信号传递到细胞内部。 机械门控通道(

14、mechanically gated channel) 接受机械信号的受体，通过通道把信号传递到细胞内部，引起细胞功能的改变。 化学门控通道(chemically gated channel) 接受化学信号的受体，只有在同特异性化学物质结合时才开放，把信号传递到细胞内部，引起生理效应。如细胞膜上乙酰胆碱受体只有在与乙酰胆碱结合时才开放，属于化学门控通道。,许多低等动物或动物的某些细胞如，平滑肌细 胞、心肌细胞及中枢的某些神经细胞之间存在着缝隙 连接（gap iunction），当某些因素存在时，在缝 隙连接处的两侧膜蛋白颗粒发生对接，形成沟通相邻 细胞浆的通道，而在另一些因素存在时，沟通的通道

15、 消失。,细胞间通道,细胞生理,（1）细胞的静息电位（Resting potential）,（2）细胞的动作电位（Action potential）,（3）兴奋的引起与传导,一个活的细胞无论是它处于安静状态还是活动状态都是存在电活动，这种电活动称为生物电现象。其中包括静息电位和动作电位。,（二）、细胞的生物电现象及其产生机制：,细胞生理,静息电位,细胞在静息状态下存在于细胞膜两侧的电位差，称为静息电位，也称跨膜静息电位或膜电位。,静息电位产生的机制,细胞生理,静息电位,静息电位产生的机制,在静息状态下，细胞膜内K+的高浓度和安静时膜主要对K+的通透性，是大多数细胞产生和维持静息电位的主要原因。

16、（K+的平衡电位）,膜内外K+的浓度差是外流动力（易化扩散），电位差是外流阻力。 * RP的大小主要决定于膜对K+的通透性和膜内外K+的浓度差。,静息电位,极化（polarization）膜两侧存在的内负外正的电位状态。 去极化（Depolarization）膜电位绝对值逐渐减小的过程。 复极化（Repolarization）膜电位去极化后逐步恢复极化状态的过程。 超极化（Over-polarization）膜电位绝对值高于静息电位的状态。,术语,静息电位产生的机制,细胞生理,动作电位,动作电位产生的机制,指可兴奋细胞受到刺激而兴奋时，在静息电位的基础上膜两侧的电位发生快速而可逆的倒转和复原的过程。,细胞生理,动作电位,动作电位产生的机制,第一阶段：动作电位上升支的形成 （去极化相的形成） 产生原因：由于刺激引起膜对Na+的通透性瞬间增大（Na离子通道被激活），膜外的Na+内流，使膜电位由-7