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1、第二章 细胞的基本功能学习目的和要求：掌握物质通过细胞膜的基本原理。掌握细胞跨膜信号转导的途径。掌握细胞生物电活动产生和兴奋传导的原理。掌握肌肉收缩的原理以及收缩的外部表现和力学分析。细胞是生物体的基本结构单位。机体生理功能和生化反应，都是在细胞及其产物（如细胞间隙中的胶原蛋白和蛋白聚糖）的物质基础上进行的。学习生 理学应由细胞生理开始。细胞生理学的主要内容包括：细胞膜和组成其他细胞器的膜性结构的基本化学组成和分子结构；不同物质分子或离子的跨膜转运功能；作为细胞接受外界影响或细胞间相互影响基础的跨膜信号转换功能；以不同带电离子跨膜运动为基础的细胞生物电和有关现象；以及肌细胞如何在细胞膜电变化的
2、触发下出现机械性收缩活动。第一节细胞膜的基本结构和物质转运功能一、膜的化学组成和分子结构（一）脂质双分子层 (二)细胞膜蛋白质（三）细胞膜糖类二、细胞膜的跨膜物质转运功能既然膜主要是由脂质双分子层构成的，那么理论上只有脂溶性的物质才有可能通过它。但事实上，一个进行着新陈代谢的细胞，不断有各种各样的物质进出细胞，包括各种供能物质、合成细胞新物质的原料、中间代谢产物和终产物、维生素、氧和二氧化碳，以及Na+、K+、Ca2+离子等。它们理化性质各异，且多数不溶于脂质或其水溶性大于其脂溶性。这些物质中除极少数能够直接通过脂质层进出细胞外，大多数物质分子或离子的跨膜转运，都与镶嵌在膜上的各种特殊的蛋白质
3、分子有关；至于一些团块性固态或液态物质的进出细胞（如细胞对异物的吞噬或分泌物的排出），则与膜的更复杂的生物学过程有关。常见的跨膜物质转运形式如下:（一）单纯扩散单纯扩散（simple diffusion）是指脂溶性物质通过细胞膜由高浓度侧向低浓度侧扩散的过程。人体体液中的脂溶性物质（如氧气、二氧化碳、一氧化氮和甾体类激素等）可以单纯依靠浓度差进行跨细胞膜转运。跨膜转运物质的多少以通量表示，其大小取决于两方面的因素： 细胞膜两侧该物质的浓度差，这是物质扩散的动力，浓度差愈大，扩散通量也愈大； 该物质通过细胞膜的难易程度，即通透性（permeability）的大小，细胞膜对该物质的通透性减小时，扩
4、散通量也减小。水分子虽然是极性分子，但它的分子极小，又不带电荷，故膜对它是高度通透的。另外，水分子还可通过水通道跨膜转运。（二）膜蛋白介导的跨膜转运带电离子和分子量稍大的水溶性分子，其跨膜转运需要由膜蛋白的介导才能完成。根据转运方式不同，介导物质转运的膜蛋白可分为载体、通道、离子泵和转运体等。由它们介导的跨膜转运根据是否消耗能量又可分为被动转运(passive transport)和主动转运(active transport)两大类。1易化扩散 水溶性小分子或离子（Na、K、Ca2等）在特殊膜蛋白的帮助下，由细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧扩散的过程，称为易化扩散(facilitated dif
5、fusion)。（1）经载体易化扩散 载体是一些贯穿脂质双层的整合蛋白，它与溶质的结合位点随构象的改变而交替暴露于膜的两侧。当它在溶质浓度高的一侧与溶质结合后，即引起膜蛋白质的构象变化，把物质转运到浓度低的另一侧，然后与物质分离。在转运中载体蛋白质并不消耗，可以反复使用。许多重要的营养物质如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等都是以经载体易化扩散方式进行转运的。经载体易化扩散具有以下特性：结构特异性。即某种载体只选择性地与某种物质分子作特异性结合。以葡萄糖为例，右旋葡萄糖的跨膜通量超过左旋葡萄糖，木糖不能被运载。饱和现象。即被转运物质在细胞膜两侧的浓度差超过一定限度时，扩散通量保持恒定。其原因是由于载体蛋
6、白质分子的数目和/或与物质结合的位点的数目固定，出现饱和。竞争性抑制。如果一个载体可以同时运载A和B两种物质，而且物质通过细胞膜的总量又是一定的，那么当A物质扩散量增多时，B物质的扩散量必然会减少，这是因为量多的A物质占据了更多的载体的缘故。（2）经通道易化扩散 溶液中的Na、K、Ca、Cl-等带电离子，借助于镶嵌于膜上的通道蛋白质的介导，顺浓度梯度或电位梯度的跨膜扩散，称为经通道易化扩散。中介这一过程的膜蛋白称为离子通道(ion channel)。离子通道的特征主要是： 离子选择性。即离子通道的活动表现出明显的对离子的选择性，每一种离子通道都对一种或几种离子有较大的通透性，而其它离子则不易或
7、不能通过。 门控特性。通道内具有“闸门”(gate)样的结构控制离子通道的开放（激活）或关闭（失活），这一过程称为门控(gating)。根据通道的门控机制，离子通道又可分为电压门控通道(voltage-gated ion channel)、化学门控通道 (chemically-gated ion channel)和机械门控通道(mechanically-gated ion channel)。需要指出的是，以单纯扩散和易化扩散的方式转运物质时，物质分子移动的动力是膜两侧存在的浓度差（或电位差）所含的势能，它不需要细胞另外提供能量，因而这两类转运又称为被动转运（passive transport）
8、。2主动转运 主动转运（active transport）指细胞通过本身的耗能过程，将物质分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程。主动转运按其利用能量形式的不同，可分原发性主动转运（由ATP直接供能）和继发性主动转运（由ATP间接供能）。（1）原发性主动转运 原发性主动转运(primary active transport)是指细胞直接利用代谢产生的能量，将物质分子或离子逆浓度梯度或电位梯度跨膜转运的过程。介导这一过程的膜蛋白称为离子泵(ion pump)。离子泵可将细胞内的ATP水解为ADP，并利用高能磷酸键贮存的能量完成离子的跨膜转运。由于离子泵具有水解ATP的能力，所以也把它称作
9、ATP酶(ATPase)。在哺乳动物的细胞膜上普遍存在的离子泵就是钠-钾泵(sodium-potassium pump),简称钠泵(sodium pump)，也称Na-K-ATP酶(Na-K-ATPase)。细胞内Na升高或细胞外K升高时都可激活钠泵。钠泵每分解1分子ATP，可将3个Na移出胞外，同时将2个K移入胞内。由于钠泵的活动，使细胞内K浓度为细胞外液中的30倍，而细胞外Na的浓度为细胞内液中的12倍。钠泵的活动具有重要的生理意义： 钠泵活动造成的细胞内高K，是胞浆内许多代谢反应所必需的。 钠泵活动能维持胞浆渗透压、细胞容积和 pH等的相对稳定。 钠泵活动造成的膜内外Na和K的浓度差，是
10、细胞生物电活动的前提条件。 Na在膜内外的浓度差也是继发性主动转运的动力。其他生物泵：钙泵(calcium pump，也称Ca-ATP酶)，转运I-的碘泵，转运H+的质子泵等 （2）继发性主动转运 许多物质在进行逆浓度梯度或电位梯度的跨膜转运时，所需的能量并不直接伴随供能物质ATP的分解，而是来自Na+在膜两侧的浓度势能差，后者是钠泵利用分解ATP释放能量建立的，这种间接利用ATP能量的主动转运过程称为继发性主动转运(secondary active transport)。 葡萄糖和氨基酸在小肠粘膜上皮处的吸收以及它们在肾小管上皮处的重吸收，甲状腺上皮细胞的聚碘，Na/ Ca2+交换，Na、K
11、+、Cl-同向转运等生理过程，均属于继发性主动转运。 如果被转运的离子或分子都向同一方向运动，称为同向转运(symport)，相应的转运体也称为同向转运体(symporter)；如果被转运的离子或分子彼此向相反方向运动，称为反向转运(antiport)或交换(exchange)，相应的转运体也称为反向转运体(antiporter)或交换体(exchanger)。 （五）出胞与入胞式物质转运 细胞对一些大分子物质或固态、液态的物质团块，可通过出胞和入胞进行转运。出胞：主要见于细胞的分泌活动，膜外的特殊化学信号或膜两侧电位改变，引起了局部膜中的Ca2+通道的开放，由内流的Ca2+触发囊泡的移动、融
12、合和排放。入胞：与出胞相反，细胞外某些物质团块（如侵入体内的细菌、病毒、异物或血浆中脂蛋白颗粒、大分子营养物质等）进入细胞的过程。入胞进行时，首先是细胞环境中的某些物质与细胞膜接触，引起该处的质膜发生内陷，以至包被吞食物，再出现膜结构的断离，最后是异物连同包被它的那中。第二节 细胞信号转导功能调节机体内各种细胞在时间和空间上有序的增殖、分化，协调它们的代谢、功能和行为，主要是通过细胞间数百种信号物质实现的。这些信号物质包括激素、神经递质和细胞因子等。概括它们作用方式的不同，大体可分为两类：一类是疏水性的类固醇激素、维生素D和甲状腺激素，它们可弥散透过细胞膜，与胞内受体结合而发挥作用；另一类是为
13、数更多的信号物质，在化学上属于亲水性分子，只能作用于细胞膜表面的受体或起受体样作用的蛋白质，再通过细胞内一系列以蛋白质构象和功能变化为基础的级联反应来产生生物学效应。这一信号转导过程还具有信号放大功能，使少量的细胞信号分子得以引发靶细胞显著的反应。根据细胞膜上感受信号物质的蛋白质分子的结构和功能的不同，跨膜信号转导（transmembrane signal transduction）的路径大致可分为G 蛋白耦联受体介导的信号转导、离子通道受体介导的信号转导和酶耦联受体介导的信号转导三类。一、G 蛋白耦联受体介导的信号转导G 蛋白耦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
14、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。（一）参与G 蛋白耦联受体介导的信号转导的信号分子1G 蛋白耦联受体(G protein-linked receptor)。2G 蛋白 鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide-binding protein）简称G蛋白(G protein)，G蛋白的种类很多，依a亚单位的不同可将其分为4类，即Gs、Gi、Gq和G12，每一类又分为若干亚型。G蛋白通常由a、b、g 三个亚单位组成。3G蛋白效应器 G蛋白效应器(G protein effector)主要指催化生成或分解第二信使的酶。G调控的效应器酶主要有腺苷酸环化酶(adeny
15、lyl cyclase，AC)，磷脂酶C(phospholipase C，PLC)，磷脂酶A2(phospholipase A2，PLA2)，鸟苷酸环化酶(guanylyl cyclase，GC)和cGMP磷酸二脂酶(phosphodiesterase，PDE)。 4第二信使 第二信使(second messenger)是指激素、递质和细胞因子等信号分子即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所携带的信息转入细胞内。重要的第二信使有环-磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)，三磷酸肌醇(inositol triphosphate，IP3)，二酰甘油(diacylglycerol，DG)、环-磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)和钙离子等。（二）G 蛋白耦联受体介导的信号转导的主要途径 1受体-G蛋白-AC途径 这一途径参与调节AC活性的G蛋白有兴奋性G蛋白(Gs)和抑制性G蛋白(Gi)。如果配体受体复合物与Gs结合可激活AC，在Mg2+存在的条件下，活化的AC使ATP水解产生第二信使cAMP。与此相反，如果配体受体复合物与Gi结合可抑制AC的活性，从而降低细胞
