第二章 细胞的基本功能

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1、第二章 细胞的基本功能,生理学与神经生物学教研室 王国红 Email: ,本章教学目标,掌握: 细胞膜的跨膜物质转运功能，生物电现象及其产生机制，组织的兴奋和兴奋性，兴奋的引起和传导机制，神经-肌接头处的兴奋传递，兴奋-收缩耦联，骨骼肌收缩的力学分析。 熟悉: 细胞的跨膜信号转导，骨骼肌细胞内的信号转导，肌肉收缩的机制，骨骼肌收缩的外部表现。 了解: 细胞膜的结构，骨骼肌的超微结构。,细胞是组成人体和其他生物体的基本结构和功能单位,第二章 细胞的基本功能,第一节 细胞膜的结构和物质转运功能 第二节 细胞的跨膜信号转导 第三节 细胞的生物电现象 第四节 肌细胞的收缩,第一节 细胞膜的结构和物质转

2、运功能,细胞膜的结构 Membrane structure,流态镶嵌模型（Fluid Mosaic Model）,脂质双分子层（Lipid bilayer）,构成：,磷脂（70%）：磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺磷脂酰甘油和磷脂酰肌醇 胆固醇 鞘脂,脂质双分子层具有流动性,细胞膜磷脂（phospholipid),磷脂是双嗜性分子 一个极性的 “头” (磷酸基团): 具有亲水性 两个非极性的 “尾巴” ( 两条脂肪酸链): 具有疏水性,细胞膜蛋白质（ membrane protein ）,表面蛋白（20%-30%）: 附着于膜表面 整合蛋白（70%-80%） :贯穿于脂质双分子层中,细胞膜

3、的糖类,（ membrane carbohydrates ）,以糖蛋白或糖脂的形式存在 糖链伸向细胞细胞膜外,物质的跨膜转运 transmembrane transport,常见的转运形式： 单纯扩散(Simple Diffusion) 易化扩散(Facilitated Diffusion) 主动转运(Active Transport) 入胞与出胞(Endocytosis and Exocytosis),单纯扩散（Simple Diffusion）,定义：一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。,特点：,顺浓度梯度：高浓度低浓度 扩散速率高 无饱和性 不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”

4、 不需另外消耗能量,影响扩散的因素：,浓度梯度 脂溶性 膜的通透性,以单纯扩散进行跨膜转运的物质：O2、CO2、NH3 、N2 、尿素、乙醚、乙醇、 类固醇类激素等少数几种。,易化扩散（facilitated Diffusion）,定义：一些非脂溶性或脂溶解度很小的物质,在细胞膜上某些特殊蛋白质的“帮助”下，由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。不需要消耗能量，属被动转运。,经载体易化扩散 经通道易化扩散,分类：,特点：,顺浓度梯度 不消耗能量 需要载体或通道蛋白,经载体易化扩散 Facilitated diffusion via carrier,经载体易化扩散,转运的物质：葡萄糖、氨基酸等

5、小分子亲水物质,饱和现象化学结构特异性竞争性抑制,经载体易化扩散的特点：,经通道易化扩散 Facilitated diffusion via ion channel,溶液中的Na+、K+等带电离子通过细胞膜上的跨膜蛋白通道顺浓度梯度或电位梯度跨膜移动的过程，称为经通道易化扩散。,离子通道的特点：,离子选择性（ionic selectivity）“门控的”（离子通道的开放或关闭受其分子内部“闸门”的控制），闸门 的开放或关闭通常受三种刺激调控： 膜电位（电压门控离子通道） 化学信号（化学门控离子通道） 机械刺激（机械门控离子通道）,Types of gated ion channels,主动转运

6、（active transport）,定义：是指细胞通过本身的某种耗能过程，在细胞膜上一些蛋白质的协助下，将某些物质分子或离子经细胞膜逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜转运的过程。,按其利用能量形式的不同，可分为：,原发性主动转运（primary active transport) 继发性主动转运( secondary active transport),原发性主动转运 primary active transport,特点：消耗能量的能量由分解ATP来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。,定义： 把直接利用分解ATP释放的能量进行的主动转运称原发性主动转运。,是存在于细

7、胞膜上的一种具有ATP酶活性的特殊蛋白质,可被细胞膜内的Na+增加或细胞外K+的增加所激活，受Mg2+浓度的影响，分解ATP释放能量，进行Na+ 、K+逆浓度和电位梯度的转运。 ATP：Na+：K+1：3：2 (生电性泵Electrogenic Pump),钠钾泵 （Sodium-potassium Pump） 或称Na+-K+-ATP(Na+-K+-ATPase)：,钠钾泵 （Sodium-potassium Pump）,维持Na+o高、K+i高 原先的不均匀分布状态,2K+泵至细胞内;3Na+泵至细胞外,分解ATP产生能量,当Na+i/K+o激活,钠-钾泵:,钠钾泵的生理意义： 细胞内高K

8、+，是许多代谢反应进行的必需条件； 对维持正常细胞的渗透压与形态有着重要意义； 建立势能贮备，是神经、肌肉等组织具有兴奋性的基础，也是一些非离子性物质如葡萄糖、氨基酸等进行继发性主动转运的能量来源。,继发性主动转运 secondary active transport,定义： 把不直接利用分解ATP释放的能量,而利用Na+在膜内外浓度势能差进行的主动转运称继发性主动转运。而Na+差是Na+-K+泵利用分解ATP释放的能量建立的。,分为两种类型：同向转运Cotransport逆向转运Countertransport,出胞和入胞 Exocytosis and Endocytosis,出胞：是指胞质

9、内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。入胞：是指细胞外的大分子物质或物质团块（细菌、细胞碎片等）进入细胞的过程。,吞噬（Phagocytosis） 吞饮（Pinocytosis） 受体介导式入胞（Receptor-mediated Endocytosis），现认为是一种最重要的 入胞形式）,出胞和入胞均要消耗能量,出胞：,入胞:,第二节 细胞的跨膜信号转导,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 离子通道受体介导的信号转导酶偶联受体介导的信号转导,G蛋白偶联受体介导的信号转导,G蛋白偶

10、联受体介导的信号转导是通过膜 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胞质中的信号分子的活动实现的。 参与G蛋白偶联受体跨膜信号转导的信号分子包括配体、G蛋白偶联受体、G蛋白、G蛋白效应器、第二信使等。,参与G蛋白偶联受体 跨膜信号转导的信号分子,配体：细胞的信号分子，包括多种蛋白或肽类激素、神经递质、局部介质及氨基酸或脂肪酸的衍生物等。 G蛋白偶联受体：7次跨膜受体，与配体结合后，通过构象变化结合并激活G蛋白。 G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）：起分子开关作用。,通常由、三个亚单位形成的异源三聚体 亚单位同时具有结合GTP或GDP的能力和GTP酶活性：,激活型G蛋白可以进一步激活膜

11、的效应器酶,G蛋白效应器酶：主要是指催化生成（或分解）第二信使的酶。,主要有：腺苷酸环化酶、磷脂酶C、磷脂酶A2、鸟苷酸环化酶和cGMP磷酸二酯酶 这些效应器酶能催化使胞内生成第二信使，从而把胞外信号转导到胞内,第二信使：,是指激素、神经递质等胞外信号分子（第一信使）作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子，它们可把细胞外信号分子携带的信息转入胞内。 较重要的有：cAMP, IP3,DG, cGMP, Ca2+等 调节的靶蛋白：各种蛋白激酶和离子通道。,G蛋白偶联受体 信号转导的主要通路,cAMP信号通路（Gs和Gi)磷脂酰肌醇信号通路,神经递质、激素等（第一信使）,兴奋性G蛋白(GS),腺苷酸环化

12、酶(AC),ATP,cAMP,细胞内生物效应,蛋白激酶A,G蛋白偶联受体,cAMP信号通路,ATP,membrane,plasma,激素（第一信使）,磷脂酶C(PLC),PIP2,(第二信使） IP3 和 DG,激 活 蛋白激酶C,内质网 释放Ca2+,G蛋白,细胞内生物效应,G蛋白偶联受体,磷脂酰肌醇信号通路,离子通道介导的信号转导,化学门控通道（骨骼肌终板膜上的Ach受体）Ach +AchR 通道开放 Na+内流 终板电位 电压门控通道（心肌细胞L型钙通道） 机械门控通道（血管内皮细胞）,酶偶联受体介导的信号转导,受体分子的胞质侧自身具有酶的活性或直接结合并激活胞质中的酶，不需要G蛋白参与

13、。,酪氨酸激酶受体,是贯穿脂质双层的膜蛋白，膜外侧有配体结合位点，而胞质侧的部分则具有酪氨酸激酶的结构域。有些受体本身不具有酶活性部位，而是可直接与胞质中的酪氨酸激酶相结合。 配体与受体结合，激活受体，使受体胞质侧的酪氨酸激酶活性被激活或者导致胞质侧的受体部分结合并激活胞质中的酪氨酸激酶。 生长因子、胰岛素和一部分肽类激素通过此类受体将信号转导入细胞内。,配体,鸟苷酸环化酶(GC),GTP,cGMP,细胞内生物效应,依赖cGMP的蛋白激酶G,鸟苷酸环化酶受体,鸟苷酸环化酶受体,如：心房钠尿肽（ANP）,第三节 细胞的生物电现象,静息电位动作电位,静息电位 resting potential,跨

14、膜电位 细胞内外液之间，由于所含电解质成分的不同，通常存在着电位差，即膜电位,静息电位的定义,细胞在未受刺激时（静息状态下）的膜电位即静息电位（resting potential）。绝大多数细胞的静息电位都是稳定的、分布均匀的负电位，范围在-10-100mV之间。绝对值增大，即静息电位增大。绝对值减小，即静息电位减小。,平衡电位,K+外流产生的电场力大到足以对抗驱动K+外流的化学浓差力时，K+出入细胞的比率相同，跨膜净移动停止。此时的跨膜电位差称为钾离子平衡电位（equilibrium potential, EK）或称Nernst电位。,跨膜电位差的产生的条件：,离子的化学浓度梯度,细胞膜对离

15、子的选择性通透作用,Nernst 方程,德国物理学家Nernst根据物理化学理论推导出的Nernst方程，很好地反映膜内外某种离子浓度梯度与膜电位的比例关系 。 平衡电位方程为：,R代表气体常数；T为绝对温度；z为离子价；F为法拉弟常数； iono和ioni分别表示膜外和膜内离子浓度,在体温（37）下几种重要离子平衡电位的Nernst方程可被简化式：,电化学驱动力 electrochemical driving force,电化学驱动力=Em EionEm:跨膜电位 Eion:离子平衡电位,极化（polarization)：静息电位时细胞膜电位外正内负的状态 去极化（depolarizatio

16、n)：膜内负电位减小甚至由负转正 超极化（hyperpolarization)：膜内负电位增大 复极化（Repolarization）：先去极化，再向静息电位水平恢复,膜电导,膜电导是指膜对带电离子的通透程度。 （通常用G代表 ）,与膜电阻成倒数。,膜对离子的通透程度由膜上开放的离子通道的数目决定。,开放的离子通道 膜对离子的通透程度,所以：,开放的离子通道 通透程度 膜电导,离子的跨膜分布,枪乌贼巨大轴突膜内外离子分布的情况 ： K+胞内 :K+胞外 = 20:1 Na+胞内 :Na+胞外 = 1:9,1902年Bernstin提出了静息电位产生机制的膜假说，根据这一学说，安静状态下的膜只对K+有通透性，因此静息电位就相当于K+的平衡电位。,1936年，英国生理学家Hodgkin和 Huxley 在枪乌贼巨大神经轴突进行的一系列实验结果才验证了Bernstin的假说是基本正确的。,