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1、第二章 细胞的基本功能2.1 细胞膜的物质转运功能细胞膜的物质转运功能 几种跨膜物质转运 transport across cell membrane 方式Passive transport Active transport simple diffusionfacilitated diffusioncarrier mediated diffusionchannel mediated diffusion Primary active transportSecondary active transportNa+-K+ pumpH+ pump Ca2+ Pump对于不带电荷的分子，影响其跨膜移动的力
2、是concentration gradient ，对于带电的离子，除了concentration gradient 外还有electrical gradient。二者的综合作用称有electrochemical gradient,or electrochemical potential, 产生作用力称 electrochemical driving force 。A molecule or ion that crosses the membrane by moving down a concentration or electrochemical gradient and without ex
3、penditure of metabolic energy is said to be transported passively 2.1.1 被动转运被动转运 passive transport n simple diffusion 能溶于水的脂溶性物质如 CO2， O2 等, 类固醇激素等n facilitated diffusion 一些不溶于脂质的物质在膜蛋白的帮助下，顺着concentration and electrical gradient 跨过 cell membrane. carrier mediated diffusionchannel mediated diffusion
4、 carrier mediated diffusion较小的有机分子如glucose, amino acid通过这种方式跨过细胞膜。载体是膜蛋白，目前研究比较清楚的是转运glucose的载体。这种transport 方式的特点（1）载体与被 转运的物质之间有高度的结构特异性，如右旋 glucose的转动速度比左旋的要快得多，木糖（C6）几乎不能被转运。（2） 有竞争性抑制现象，如在环境中加入半乳糖galactose会使glucose 的transport 减少。（3）有饱和现象（与enzyme 相似）channel mediated diffusion 如 Na+、K 、Ca+等，速度极快，1
5、07 个离子秒通道，carrier 转运glucose大约104，Na+-K+ pump 大约5*102 离子通道 ion channel 是细胞膜上的protein, 都是内在蛋白，molecular weight 25000-250000, 有的是单体有的是多聚体，如果是一条肽链，则要反复穿膜多次，形成一个中空的结构，channel 壁的外侧是蛋白质的疏水区域，与膜的膜质双层结合，而channel内侧壁是亲水区域，允许水在其中，因此离子可以快速通过。细胞膜上除有离子通道外还有水通道通道的分子结构模式图 ion channel 可以开放也可以关闭，这两种状态间的转换只需1 ms。 ion c
6、hannel 也有一定的选择性, 某一种通道允许某种离子通过，但专一性不如 carrier 高。Ion channel 根据开关的原理不同分为三类：电压门控通道 votage gated ion channel, 化学门控通道 chemically gated ion channel , 机械门控通道 mechanically gated ion channel 2.1.2 Active transport Solute moves uphill against a concentration or electrochamical gradient. The enegy to move the
7、 substance uphill is derived from a metabolic reaction, usually from the hydrolysis of ATP. 由ATP 直接供能的称原发性主动转运 primary active , 由ATP间接供能的称继发性主动转运 secondary active 。 (1) Primary active transport 目前研究得比较清楚的是Na+-K+ ATPase (Na+-K+ pump) Na泵的意义：Na pump 广泛存在于身体的各种细胞的质膜上，消耗的能量占人体总能耗的14。如此大的能量消耗究竟有何生理意义呢？现在
8、认为主要有三点， 胞内的高K是许多代谢反应进行的必要条件 如果胞外的Na+大量进入胞内，由于渗透压的关系，水也会大量进入，必然导致细胞结构的破坏 最重要的是它能建立一种势能储备，这是可兴奋细胞兴奋性的基础，也可供细胞的其它耗能过程使用。钙泵钙泵也称Ca2+-ATP酶，是广泛分布于细胞膜，肌浆网或内质网上的ATP酶。由一条肽链构成。真核细胞胞浆中游离的Ca2+浓度通常都保持在0.10.2m水平，而细胞外的浓度则高10000倍以上，如此大的浓度梯度是通过多种机制得维持的，钙泵是其中之一，主要在胞浆内Ca2+浓度较低时发挥作用，实现持续、精细的调节质子泵质子泵位于胃腺壁细胞和肾小管上皮细胞膜上（2）
9、Secondary active transport 也称cotransport 联合转运、共转运）Na+-葡萄糖同向转运体 小肠上皮，肾小管上皮细胞吸收Glc时，Glc逆浓度差跨膜移动，能量来自于Na泵建立起来的Na+浓度差的势能。Na+-Ca2+交换体 是一个938个氨基酸构成的、包含11个疏水性跨膜片段的蛋白质，是一个细胞膜上的逆向转运系统。在大多数组织细胞，以3个Na+内入Ca2+外排的化学计量进行活动。2.1.3 exocytosis and endocytosis2.2 Signal transduction of cells 多细胞生物的生命活动有赖于细胞之间的相互协调和配合。因
10、此，细胞间的通讯就显得特别重要。 细胞浸浴在有enternal environment 当中，出现在enternal environment 中的各种化学分子是它们最常感受到的刺激或信息，如hormone, transmitter (递质）， cytokine（细胞因子）等。有的细胞也可以接受物理信号，如电、光、机械等。Chemical signalLigandCell Surface Receptor Types: 1) ion channel receptor 2) G-Protein Coupled Receptor 3) Enzyme-linked Receptor 2.2.1 Sig
11、nal Transduction mediated by ion channel receptorchemically gated ion channel votage gated ion channel mechanically gated ion channel Ion channel receptorUsually not referred as receptorIon channelnion channel receptor介导的信号转导的特点是路径简单，速度快，从递质与受体结合到到产生电效应的时间仅约0.5ms.n这类受体存在于突触和 nerve末梢效应器的细胞膜上。至少已发现有5类
12、acetylcholine receptor- channel 5-HT-3 receptor-channel GABAA receptor-channel Gly receptor-channelGlu receptor-channel目前研究最清楚的是acetylcholine receptor- channel，MW 270 000，由5个亚基组成2、，每个亚单位都有4个2025个疏水氨基酸组成的螺旋，穿膜4次，都以第二个螺旋（M2）向内构成channel 的内壁，M2带负电，所经此通道可以通过正离子，如Na+、K。这种receptor-channel 系统的信息传递方式是快突触传递的原
13、理。 Signal Transduction mediated by ion channel receptor2.2.2 G-Protein Coupled Receptor2.2.3 Enzyme-linked Receptor 生物电 （bioelectricity） 是一种极普遍的生理现象，是活组织的基本特征之一，广泛存在于各种动物甚至植物的生理活动中。人们注意到生物电现象 bioelectrical phenomenon 最早是从电鱼击人 开始的。2.3 细胞的电活动生物电现象的观察和记录方法 生物电可用灵敏电流计 、放大器和示波器以及计算机控制的采集处理系统进行测量 。 细胞外记录细
14、胞外记录2个记录电极均在细胞外，通常使用金属电极，记录多个细胞电活动造成的综合电信号。如心电图，脑电图，神经干的双相动作电位等 细胞内记录细胞内记录1个记录电极在细胞内，另1个在细胞外，细胞电极通常是玻璃微电极，尖端直径可达到1 m以下，内充导电溶液（KCl ），可记录单个细胞的电活动。细胞内记录2.3.1 膜的被动电学特性和电紧张电位膜电容和膜电阻膜电容和膜电阻细胞膜脂质双层的绝缘层把含有电解质的细胞内液和细胞外液分隔开，其形式类似于一个平行板电容器。膜电容membrane capacitancekpsitns ：约为1F/cm2膜电阻membrane resistance：单纯的脂质双层几
15、乎是绝缘的，其电阻高达106109，但生物膜的电阻要小的多，只有103 左右。这主要是由于生物膜的脂质双层中嵌入了许多离子通道和转运体。膜电阻通常用它的倒数膜电导membrane conductance G来表示由于质膜兼有电容和电阻特性，因此可用并联的阻容耦合电路来描述它的电学特性。电紧张电位电紧张电位electrotonic potential随着距离逐渐衰减的跨膜电流引起的膜电位变化电位变化称作电紧张电位，其空间分布是由膜的被动电学特性所决定的。电紧张电位如果幅度较小，一般也不会引起膜自身所包含的离子通道的激活和膜电导的变化。如果幅度较大呢？在细胞水平上生物电表现为静息电位和动作电位静息
16、电位静息电位(Resting potential,RP)(Resting potential,RP)的记录和数值的记录和数值：静息电位是指细胞未受到刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。Potential difference exists across every cells plasma membrane. Cytoplasm side is negative pole, and extracellular fluid side is positive pole.内负外正状态称为极化polarized细胞的静息电位及其产生机制细胞的静息电位及其产生机制静息电位的数值(近似值,规定细胞外电势为
17、O）枪乌贼巨大神经轴突、蛙骨骼肌细胞-50 -70mV、哺乳动物骨骼肌细胞-90mV哺乳动物神经细胞-70mV；哺乳动物平滑肌 -55mV人的红细胞 -10mVRP产生的机制产生的机制离子的跨膜势能差取决于其跨膜浓度差和电位差红色箭头表示电梯度，黄色箭头表示浓度梯度综合考虑浓度差和电位差对离子运动的作用，得到一个值称电化学势能差电化学势能差 electrochemical potential difference电化学势能差(x)=A(X)-B(X) =膜两侧的电化学势能差R理想气体常数T热力学温度z =离子的电荷数（如2，1）F=法拉第常数EAEB=跨膜电位差由浓度差引起的X由A向B的运动趋
18、势由电位差引起的X由A向B的运动趋势X+将趋于自发地由电化学势能高侧向电化学势能低侧运动。如果要使X+从低侧向高侧运动就必须对它做功。离子所具有的电化学势能也能做功，如glucose和amino acids的继发性主动转运。处于跨膜平衡的离子满足Nernst方程如果浓度差和电势差对离子产生的作用力大小相等方向相反，即：0则这时，离子没有净跨膜移动Nernst 方程 静息电位和静息电位和K+平衡电位平衡电位Equilibrium Potential 细胞膜在安静状态时，假定只对K+有通透性，由于浓度差， K+倾向于由膜内向膜外扩散，使膜内变负而膜外变正。当外移的K+浓度势能差等于膜两侧阻止外移的
19、电势能差时，细胞膜上不再有K+的净移动，而膜两侧由于已经外移的K+所造成的电位差，也稳定于某一数值不变，此电位差称为K+平衡电位：用Nernst公式可以计算 RT K+0 ZF K+i R:气体常数（8.31）；T:绝对温度； Z:离子价；1F:法拉第常数（96500） 对枪乌贼的神经元轴突计算结果为：-87 mV ，Hodgkin(1939)用精密仪器测出的静息电位为：-77mV 。Ek=ln影响静息电位水平的因素：影响静息电位水平的因素：膜外K+浓度与膜内K+浓度的差值决定EK，因而细胞外K+浓度的改变会显著影响静息电位，例如细胞外K+浓度升高会使EK的绝对值减小（去极化）。膜对K+和Na
20、的相对通透性可影响静息电位的大小，如果膜对K+的通透性相对增大，静息电位也就增大（更趋向于EK ），反之，膜对Na+的通透性相对增大，则静息电位减小（更趋向于ENa）。在心肌和骨骼肌细胞， K+与Na+的通透性之比为20100，静息电位为-80 -90mV，而平滑肌的上述比值为710，静息电位仅为-55mV。钠钾泵活动的水平对静息电位也有一定的影响。2.3.3 动作电位及其产生机制动作电位及其产生机制2.2.3.1 动作电位动作电位 Action potential在resting potential的基础上，给细胞一个适当的刺激，可触发其产生可传播的膜电位波动，称为动作电位action po
21、tential.Action potential is a rapid, reversible, and conductive change of the membrane potential after the cell is stimulated.当神经纤维在安静的情况下受到一次短促的刺激时，细胞膜内的负电位迅速消失，并且进而转变成正电位，但是膜两侧电位的倒转只是暂时的，它很快就恢复到受刺激前静息时的状态。在神经纤维它一般只持续0.52ms，这使它在描记图形上形成一次短促而尖锐的脉冲，构成了神经动作电位的主要部分，特称之为锋电位（Spike Potential) （去极化、超射、复极化）
22、不同细胞细胞的动作电位形状有所不同不同细胞细胞的动作电位形状有所不同 动作电位动作电位 action potential (AP) 是膜受到刺激后在原有RP的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。 thresholdDepolarizing phaseovershootrepolarizing phase Spikeafter potnetilrising phase falling phasenegative after-potential positive after-potentialAction potential300306090 动作电位的全或无现象动作电位的全或无现
23、象 同一细胞上的动作电位的大小不随着刺激强度和传导距离而改变的现象，称为“全或无”现象。 Throughout depolarization, the Na+ continues to rush inside until the action potential reaches its peak and the sodium gates close. If the depolarisation is not great enough to reach threshold, then an action potential and hence an impulse are not produce
24、d.This is called the All-or-None Principle.2.2.3.2 动作电位的产生机制动作电位的产生机制When the cell membranes are stimulated, there is a change in the permeability of the membrane to sodium ions (Na+).The membrane becomes more permeable to Na+ and K+, therefore sodium ions rush into the cell down a concentration gra
25、dient. The entry of Na+ disturbs the resting potential and causes the inside of the cell to become more positive relative to the outside.EmENa=90mV(+65mV)=155mV弦电导方程Em=(gk/g)EK+(gNa/g)ENa+(gCl/g)ECl 其中g=膜对下标所示离子的电导ggk+gNa+gCl膜对某一特定离子的电导越大，膜电位就越接近这种离子的平衡电位。神经元动作电位由膜Na+和K+电导的变化动作电位期间膜电导的变化动作电位期间膜电导的变化
26、膜电导的测量膜电导的测量 在电化学驱动力(可以只考虑电势差EmEx)保持I不变的情况下，测定某种离子的膜电流。再用欧姆定律来计算该离子的膜电导。电导欧姆定律1939年Hodgkin将微电极（0.5m）插入到枪乌贼的巨大神经纤维中，直接测量膜内外的电位差，并刺激神经，观察神经冲动经过电极时，膜电位的变化情况，结果发现动作电位大于膜电位。说明发生兴奋时，神经或肌肉细胞的膜不仅是极化状态的消失，而且是反方向的电位差。1949年，Hodgkin等根据新的实验事实，在膜学说的基础上提出了离子学说。离子学说认为各种生物电现象的表现，主要时由于某些带电离子在细胞膜两侧的不均衡分布以及在不同情况下对这些离子的
27、通透性改变所引起的。为了进一步证实这一理论Hodgkin设计了著名的电压钳实验（电压固定技术：），测定了在动作电位期间离子电流的变化，进一步证明了离子学说。The Squid and its Giant Nerve Fiber was filmed in the 1970s at Plymouth Marine Laboratory in England. This is the laboratory where Hodgkin and Huxley conducted experiments on the squid giant axon in the 1940s. Their experi
28、ments unraveled the mechanism of the action potential, and led to a Nobel Prize. Long out of print, the film is an historically important record of the voltage-clamp technique as developed by Hodgkin and Huxley, as well as an interesting glimpse at how the experiments were done. 小电影研究离子通道的方法研究离子通道的方
29、法 一种方法是将纯化的离子通道蛋白或一小片膜融合入分隔两个常常想小室的平面脂质双分子层中。置于水相小室内的电极可用来监测或施加跨膜电流或电压。另一种方法是利用所谓的膜片电极patch electrode或膜片钳patch clamp方法。 这是上世纪70年代Neher和Sakmann在电压钳技术的基础上开发出的一种方法。for their discoveries concerning the function of single ion channels in cellsThe Nobel Prize in Physiology or Medicine (1991)Erwin NeherBer
30、t Sakmann电压门控离子通道的分子结构电压门控离子通道的分子结构连接III和IV结构域的胞内环行使失活门的功能，通道开放后经过一个短暂的延迟，该环明显向上摆动，进入通道口，阻断离子流电压门控NaNa+ +离子通道蛋白模型第IV结构域，连接5和6螺旋并浸入膜内的细胞外环部分帮助形成通道的选择性滤器。图9在发生动作电位时，由于Na+通道开放导致内流。每个Na+通道的活动都是随机的，当膜去极化至阈电位时，每个Na+通道处于开放状态的概率升高，随后开放概率降低（通道失活）。宏观的Na+电流是通道成千上万个Na+通道的总（平均）电流。“平均通道”随去极化迅速开放（激活），短暂的延迟后，即膜仍处于去极化状态，通道关闭（失活）。河豚毒素(tetrodotoxin, TTX)，已知毒性最大的毒素之一，是Na+通道的一种特异性阻断剂，它结合在该通道的细胞外侧。四乙胺（TEA）阻断K+通道，它从胞质侧进入K+通道并将其阻断。
