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1、 第二章 细胞的基本功能 第一节 细胞膜的基本结构和跨膜物 质 转运功能 第二节 细胞的跨膜信号转导功能 第三节 细胞的跨膜电变化 第四节 肌细胞的收缩功能 学习内容 一 细胞膜的结构和功能 细胞膜 plasma membrane 液态镶嵌模型 fluid mosaic model 以液态的脂质双分子 层为基架 其中镶嵌着 不同生理功能的蛋白质 脂质双分子层 成分 磷脂 70 胆固醇 30 鞘脂 磷脂分子中的 磷酸和碱基构成的基 团 亲水性极性基团 都朝向膜的外表 面或内表面 磷脂分 子中的脂肪酸烃链 疏水性非极性基团 则在膜的内部两两相 对 双嗜性分子 amphilicmolecule 脂质
2、小体 liposome 如果让脂质分子在水溶液中受到激烈扰动时 可形成脂质双分子层的含水小囊 人工膜囊 膜蛋白 表面蛋白质 peripheral protein 整合蛋白质 integrated protein 膜中的蛋白质具有不同的分子构象或构型 决定了 它们具有不同的功能 细胞和周围环境间的物质 能量和信息交换与膜 上蛋白质分子的特性有关 糖 细胞膜含糖类较少 主要是一些寡糖和多糖 以共价键的形式 和膜内脂质或蛋白质结合 形成糖脂或糖蛋白 糖脂和糖蛋白分子上的糖链多裸露于膜的外表面 可作为细胞的 标记 如 有些可作为抗原决定簇 表示某种免疫信息 有些作为膜受体的 可识别 部分 可以特异地与
3、某种 激素 递质或其它化学信号分子结合 二 细胞膜的跨膜物质转运功能 单纯扩散 simple diffusion 脂溶性物质从高浓度向低浓度区域的跨膜 转运 扩散通量 mol cm2 s 取决于该物质膜两侧的浓度差和膜对该物 质的通透性 通透性 permeability 物质通过膜的难易程度 适用于O2 CO2 甾体类激素 易化扩散 facilitated diffusion 物质在特殊蛋白质分子的 协助 下 由膜的高浓度 向低浓度区域的跨膜转运 只能由高浓度侧移向低浓度侧 起易化作用的蛋白质分子具有结构特异性 一种 蛋白质分子只能帮助一种或少数几种物质分子或离 子通过 即具有选择性 这些蛋白
4、质分子受膜外环境因素的调控 因而扩散 通量或其通透性不是固定不变的 通道的开放与关闭闭 电压门电压门 控通道 化 学门门控通道 机械门门控通道 通道的状态态 激活 开放 失活 关闭闭 备备用 除物质转质转 运外 还还有跨膜电电位的改变变 阻断药药 河豚毒 Na 通道 四乙基铵铵 K 通道 异搏定 Ca2 通道 l由通道 ion channel 介导的易化扩散 Na 通道 由载体 carrier 介导的易化扩散 结构特异性 饱和现象 竞争性抑制 主动转运 active transport Na K 依赖式ATP酶 的蛋白质 每分解一个ATP分子 可以使3个Na 移出膜 外 同时有2个K 移入 膜
5、内 细胞通过本身的某种耗能过程 将物质由膜的低 浓度一侧移向高浓度一侧的过程 钠 钾泵 sodium potassium pump 钠泵活动的意义 Na K 等离子在膜两侧的 不均衡分布 建立了势能贮备 这是神经 肌 肉等组织产生生物电信号的基础 也是一些其 他物质分子跨膜转运的能量来源 主动转运是人体最重要的物质转运形式 还有钙泵 Ca2 Mg2 依赖式ATP酶 H 泵 H K 依赖式ATP酶 碘泵等 继发性主动转运 secondary active transport 如 小肠上皮细胞吸 收葡萄糖 肾小管 上皮重吸收葡萄糖 和氨基酸 甲状腺 摄取 I 依靠Na泵建立的势能储备 逆浓度差转运
6、某些物质 的过程 不直接消耗能量 间接地来自ATP 继发性主动转运简称联合转运 cotransport 同向转运 逆向转运 出胞和入胞式物质转运 出胞 exocytosis 常见于递 质的释放和腺体 的分泌 入胞 endocytosis 吞噬 巨 噬细胞和中性粒 细胞 吞饮 液 相和受体介导式 入胞 大分子物质或固态 液态的物质团块 出入细胞的过程 受体介导式入胞 第二节 细胞的跨膜信号转导功能 transmembrane signal transduction 一 跨膜信号转导的概念的提出 不同形式化学信号 激素 递质 细胞因 子 作用于细胞时 通常并不进入细胞或直接影 响细胞内过程 而是作
7、用于细胞膜表面 通过引 起膜结构中一种或数种特殊蛋白质分子的变构作 用 将外界环境变化的信息以新的信号形式传递 到膜内 再引发靶细胞功能改变 包括细胞出现 电反应或其他功能改变 二 几种主要的跨膜信号转导方式 受体 receptor 能与外来化 学信号作特异性结合的受体 蛋白质 这里它们不是一个 独立的蛋白质分子 称为通 道型受体或促离子型受体 配体 ligand 泛指能与受体 结构或受体分子特异性结合 的化学信号 通道蛋白质完成的跨膜信号转导 ACh 化学门控通道 肌细胞终板膜 神经细胞的突触 后膜 电压门控通道 神经轴突和骨骼肌 心肌细胞 机械门控通道 机械感受器细胞 细胞间通道 受体 G
8、蛋白 膜的效应器酶介导的 跨膜信号转导 受体 G 蛋白耦联受体 促代谢型受体 G 蛋白 鸟苷酸结合蛋白 膜的效应器酶 如 腺苷酸环化酶 磷脂酶C 引发胞浆中第二信使物质的生成增加或减少 第二信使 如 环磷腺苷 cAMP 三磷酸肌醇 IP3 二酰甘油 DG 蛋白激酶 如 蛋白激酶A PKA PKC等都能 引发底物蛋白的磷酸化 继而发挥生理作用 由酪氨酸激酶受体完成的跨膜信号转导 受体的膜外侧肽段同相 应的化学信号结合时 直 接激活受体的膜内侧肽段 的蛋白激酶活性 引发蛋 白质底物中的酪氨酸残基 发生磷酸化 没有G蛋白的参与 没有 第二信使的产生 跨膜信号转导和原癌基因 原癌基因 cellular
9、 proto oncogene 快速基因 即早基因 immediate early gene 与信号转导有关的一些蛋白质 如受体 G 蛋白和各种生长 因子 他们在细胞内的生成是由人体正常染色体中的原癌基因 所决定 原癌基因的碱基序列和一些能在动物中引起肿瘤的病 毒DNA的碱基排列顺序相一致 原癌基因的变异 可造成一定 的跨膜信号转导功能的异常 细胞膜上的变化或胞浆中第二信使经过某种介导过程 可激 活一类原癌基因 快速基因 使其表达 表达形成的蛋白质 又进入细胞核内 起转录调节因子的作用 诱导另一些基因进 行表达 细 胞 信 号 转 导 和 原 癌 基 因 第三节 细胞的跨膜电变化 n生物电现象
10、 bio electricity 生物体在生命活动过程中所表现的电现象 一切活体细胞都存在电活动 n兴奋性 Excitability 兴奋 Excitation 一 神经和骨骼肌细胞的生物电现象 可兴奋细胞或组织 单一细胞的跨膜静息电位 n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 内 外 极化 polarization 超极化 hyperpolarization 去极化 depolarization 反极化 动作电位 action potential n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 n去极化
11、超射 复极化 锋电位 AP 的主要部分 后电位 负后电位 去极化后电位 正后电位 超极化后电位 动作电位的形成 静息电位的产生机制 n膜内高K 膜外 高Na 的不均衡 分布 n在不同时间 膜 对离子有选择通 透性 nK 平衡电位 Nernst公式 动作电位的产生机制 n去极相 在受到刺激时出现了 膜对Na 通透性的突然 增大 n复极相 Na 通透性的消失 并伴随出现电压门控 性K 通道的开放 动作电位的特点 1 在单一可兴奋细胞或神经纤维上 刺激达到一定强度 阈强 度 就引起一个一定幅值的动作电位 再增加刺激强度 并 不能使动作电位的幅度进一步增大 2 动作电位在刺激部位产生后 可沿着细胞膜自
12、动地向周围扩 布 直至整个膜都依次兴奋 并产生一次同样大小和波形的 动作电位 其幅度不随传播距离的增加而衰减 n这种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 称作 全或无 all or none 现象 动作电位的幅度和持续时间 在不同的可兴奋细胞可以是不同的 膜片钳 patch clamp n单通道电流 i 为 一个个方波 只有 开放和关闭两种状 态 细胞兴奋后兴奋性的变化 n绝对不应期 absolute refractory period 兴奋性 0 n相对不应期 relative refractory period 兴奋性 正常 n相对不应期和超常期时间 上相当于去极化
13、后电位 n低常期 兴奋性 10 5 mol L 引起肌钙蛋白分子构象的改变 使原肌凝蛋白的阻 碍因素除去 横桥循环过程 横桥与肌纤蛋白发生结合 扭动 解离和再结合 再扭动 使细肌丝不断向暗带中央 移动 n舒张 当肌浆 Ca2 10 7 mol L 原肌凝蛋白的位置复原 肌凝蛋白 肌动蛋白 原肌凝蛋白 肌钙蛋白 收缩蛋白 调节蛋白 球 纤 原宁蛋白 兴奋 收缩偶联与肌肉收缩 舒张的全过程 肌膜产生动作电位 横管膜产生动作电位 终池释放Ca2 肌钙蛋白与Ca2 结合 原肌凝蛋白分子构象改变 肌动蛋白作用位点暴露 肌球蛋白与肌动蛋白结合 横桥摆动 细肌丝向M线滑行 分解ATP 肌节缩短 肌膜电位复原
14、 横管膜电位复原 终池膜Ca2 通透性降低 钙泵将Ca2 摄入终池 Ca2 与肌钙蛋白分离 原肌凝蛋白分子构象复原 肌动蛋白作用位点掩盖 肌球蛋白与肌动蛋白分离 细肌丝滑向Z线 肌节复原 骨骼肌收缩的外部表现 前负荷 preload 肌肉收缩前就遇到的的负荷 n它使肌肉在收缩前就处于某种程度的被拉长状态 使它具有一定的长度 初长度 后负荷 after load 肌肉收缩时才遇到的的负荷 n等长收缩 只有张力增加而无肌肉长度的缩短 等张收缩 只有肌肉长度缩短而无张力的增加 n单收缩 肌细胞受到一次刺激 产生一次收缩 n单收缩的复合 不完全强直收缩 紧接着一次机械收缩 后一刺激引起的收缩都出现在前
15、次收 缩的舒张期中 完全强直收缩 后一刺激引起的收缩都出 现在前次收缩的收缩期中 影响骨骼肌收缩的因素 n条件 后负荷 无限大 作 等长收缩 初长度 变量 n最适初长度 最适 前负荷 在这样的初长度情况 下进行收缩 产生 的张力最大 1 前负荷或肌肉初长度 长度 张力曲线 2 后负荷 张力 速度曲线 n条件 初长度 最适初长 后负荷 变量 n当后负荷 最大张力的 30 输出功率最大 等长收缩 3 肌肉收缩能力 contractility n影响肌肉收缩效果的肌肉内部功能状态 的改变 平滑肌的结构和生理特性 微细结构 n肌丝不像骨骼肌那样 平行而有序的排列 n细肌丝不含肌钙蛋白 n肌管系统不发达
16、 收缩机制 n钙调蛋白 胞浆 结合 4 个Ca2 使肌凝蛋 白激酶活化 分解 ATP 横桥被磷酸化 后激活 平滑肌在功能上的分类 多单位 multi unit 平滑肌 n类似骨骼肌 各个肌细胞在活动时独立 n如竖毛肌 虹膜肌 大血管平滑肌 n受外来神经支配或激素的影响 单一单位 single unit 平滑肌 n类似心肌组织 通过细胞间的电耦联可进行同步 性活动 n如胃肠 子宫 和输尿管平滑肌 n大多具有自律性 有产生动作电位的能力 平滑肌活动的控制和调节 n大多接受自主神经系统的外来神经支配 n曲张体 外来神经纤维在进入平滑肌时 多次分支 分支上每隔一定距离出现一 个膨大部位 内含分泌囊泡 消化道平滑肌的结构特点
