第二章 细胞的基本功能-2.ppt

Semluk,2007.11,第二章 细胞的基本功能,第一节,细胞跨膜物质转运和信号转导功能,第三节 肌肉的收缩功能,第二节,细胞的,生物电现象,第一节 细胞物质转运和信号转导功能,一、细胞膜的基本结构,生物,细胞都被一层薄膜所包被，称为,细胞膜,或,质膜（,plasma membrane）,。,细胞膜是一种半透膜,胞膜与胞内各种细胞器的膜结构基本相同，统称为,生物膜（,biological membrane）,。,组成：脂质、蛋白质、糖类,细胞膜的分子排列结构，,目前,公认的是“,液态镶嵌模型,”,（,fluid mosaic model）,。,其,基本内容为：细胞膜是以液态,脂质双分子层,为基架，其中镶嵌,有,不同,分子结构和,功能的蛋白质。,组成：磷脂、胆固醇、糖脂,特点：熔点低，体温下呈液态,影响膜流动性的因素：,胆固醇的含量；脂肪酸烃链的长度和不饱和度；膜蛋白的含量,磷酸,+,碱基,脂肪酸长烃链,（一）,脂质双分子层,外周蛋白(,peripheral protein),整合蛋白(,integral protein),1.两种形式,（二）,膜蛋白,2.作用：胞膜的功能取决于所含的蛋白质,（三）,胞膜上的糖类,1.组成：主要为寡糖和多糖链,2.,作用：细胞或所结合蛋白质的特异性“标志”,小分子物质或离子的跨膜运转根据其,是,顺浓度差,还是,逆浓度差,，或,消耗能量与否,，分为,被动转运,和,主动转运,两大类：,二、细胞膜的物质转运功能,（一）被动转运,(,passive transport),指物质,顺,浓度差,或,电位差,进出胞膜，且不需要消耗能量的转运过程。,特点,：不需要消耗能量,顺电-化学梯度进行,分类,：单纯扩散,易化扩散,1、单纯扩散,(,simple diffusion),指,细胞外液和细胞内液中的,脂溶性溶质分子,顺浓度差的跨膜转运。,如人体内,O,2,、CO,2,、NO、,尿素、,脂肪酸和类固醇,等,的跨膜扩散。,2、易化扩散(,facilitated diffusion),指一些非脂溶性或脂溶性很小的物质,在特殊膜蛋白质的,“,帮助,”,下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动扩散的过程。,1）,载体介导的易化扩散,载体蛋白,：（,结合位点,）,转运的物质：,葡萄糖、,氨基酸,特点：结构特异性高；,饱和现象；,竞争性抑制,载体介导的易化扩散,转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子亲水物质,2）,通道介导的易化扩散,离子通道,（,ion channel）,：（,水相孔道,）,转运的物质：,Na,+,、K,+,、Ca,2+,、,Cl,-,等,带电,离子,离子通道的特性,具有离子选择性（相对特异性）,离子跨膜,扩散的动力,膜两侧离子浓度差和电位差（亦称,电化学梯度,）所形成的扩散势能。,离子跨膜,扩散的条件：,离子通道必须是,开放,的。,门控过程,:,离子通道在未激活时是关闭的，在一定条件下,“闸门”,被打开，才允许离子通过，这一过程称为,门控过程,，时间一般都很短，为数个或数十个,ms。,门控离子通道的分类,电压门控通道膜两侧电位差（,Na,+,通道,）,化学门控通道化学物质（,Ach,）,机械门控通道,机械刺激（毛细胞）,通道的功能意义：,通过转运离子，,完成跨膜信号传递,（二）主动转运(,active transport),指物质,逆,浓度差,或,电位差,进出胞膜，且需要消耗能量的转运过程。,特点：,需要消耗能量，能量由分解,ATP,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。,分类：,原发性主动转运,继发性主动转运,（1）钠,-,钾泵（钠泵）：,钠,-,钾泵是镶嵌在细胞膜脂质双分子层中的一种特殊蛋白质，它本身具有,ATP,酶的活性，可以分解,ATP,获得能量，进行,Na,+,和,+,的主动转运，因此又称为,Na,+,-,K,+,依赖式,ATP,酶,。,钠泵活动时，它,泵出,Na,+,和,泵入,+,这两个过程是同时进行、耦联在一起的，称,排钠摄钾。,1、原发性主动转运(,primary active transport),图2-2钠泵主动转运示意图,钠结合位点、,ATP,磷酸化位点以及,ATP,结合位点位于,亚单位细胞内侧；钾结合位点和哇巴因结合位点位于,亚单位细胞外侧,维持细胞,外高,Na,+,o,、,细胞,内高,K,+,i,的特殊分布状态,将2,K,+,泵至细胞内；,3,Na,+,泵至细胞外,分解,ATP,获得能量,当,Na,+,i,/K,+,o,时被,激活,钠,-,钾泵的作用,钠泵活动的生理意义,钠泵活动形成的胞内高,K,+,是许多代谢,反应,的,必需条件,；,钠泵,活动有效地维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定,；,Na,+,在膜两侧的浓度差是其他许多物质继发性主动转运的,动力,。如葡萄糖、氨基酸的主动吸收。,钠泵活动造成的膜内外,Na,+,和,K,+,的浓度差是细胞生物电产生的,前提条件,。,（2）钙泵（,Ca,2+,-Mg,2+,-,ATPase,）,钙泵主要分布在骨骼肌和心肌细胞的肌浆网上，通过分解,ATP,获得能量，逆着浓度差将肌浆中的,Ca,2+,转运到肌浆网内。,（3）氢泵（,H,+,-K,+,-,ATPase,）,氢泵又称质子泵，主要分布在胃粘膜的壁细胞上，与胃酸的分泌有关。,同向,转运（葡萄糖、氨基酸）,协同转运,反向,转运（,Na,+,-,H,+,、,Na,+,-Ca,2+,交换）,2、继发性主动转运(,secondary active transport),ADP,Na+,K,+,ATP,Na+,Na,+,细胞,H,+,H+,钠泵,图2-3葡萄糖、氨基酸的继发性主动转运模式图,Na,+,-,H,+,和,Na,+,-Ca,2+,交换,的模式图,（三）胞纳和胞吐,胞吐,(,exocytosis,),:,是指胞质内的大分子物质以分泌,囊泡的形式排出细胞的过程,。如：,分泌,胞纳,(,endocytosis,),:,是指细胞外的大分子物质或某,些物质团块,(,如细菌、病毒、异物、血浆中的,脂蛋白颗粒、大分子营养物质等,),进入细胞的,过程。,如：,吞噬,；,吞饮,。,胞纳和胞吐,特点：,1.,通过细胞膜的变形和破裂实现,2.,均需消耗能量,，故也属于主动转运,被动与主动转运方式的比较：,被动转运,主动转运,单纯扩散 易化扩散,通道 载体,原发性 继发性,转运方向,高浓度,低浓度,低浓度,高浓度,膜,转运蛋白,否,需,需,需,需,饱和现象,无,有,无,有,有,化学特异性,无,有,有,有,有,消耗代谢能,及来源,不消耗,消耗,ATP,消耗,Na,+,离子浓差,转运的物质,O,2、,CO,2,脂肪酸,Na,+,K,+,Ca,2+,葡萄糖,氨基酸,Na,+,、K,+,Ca,2+,、H,+,葡萄糖,氨基酸,细胞的跨膜信号转导,跨膜信号转导的过程：,配体,受体,生物效应,（,细胞外信号物质,）（,细胞接受信息装置,）（,靶细胞,）,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,酶偶联受体介导的信号转导,离子通道介导的信号转导,一、,G,蛋白偶联受体介导的信号转导,以,cAMP,信号通路为例：,神经递质、激素等,（第一信使）,兴奋性,G,蛋白,(,G,S,),激活腺苷酸环化酶,(,AC),ATP,cAMP,细胞内生物效应,激活蛋白激酶,A,与,G,蛋白偶联受体结合,激活,G,蛋白,二、酶耦联受体介导的信号转导,生长因子、胰岛素等,与受体酪氨酸激酶结合,细胞内生物效应,通过酪氨酸激酶受体介导的信号转导,膜受体与酶是同一蛋白分子，受体本身具有酶的活性，又称,受体酪氨酸激酶,膜外,N,端：识别、结合,第一信使,膜内,C,端：具有酪氨酸激酶活性,三、离子通道介导的信号转导,化学性胞外信号,(,如递质,Ach,),递质与膜,受体结合,膜受体耦联的离子通道开放,离子（,Na,+,）,内流,产生局部电位,总和后细胞兴奋或抑制,活的细胞或组织不论在安静时还是在活动时，都具有电的变化，称为,生物电现象,(,bioelectricity phenomenon)。,如：,心电图、脑电图、肌电图,等,第二节 细胞的生物电现象,生物细胞以膜为界，膜内外的电位差称为跨膜电位，简称,膜电位,（,membrane potential）。,生物电现象的两种表现形式：,安静状态,静息电位,(,resting potential,RP),兴奋状态,动作电位,(,action potential,AP),二、神经和骨骼肌细胞的生物电现象,1.,细胞的静息电位（,Resting Potential,RP,）：,静息电位,:,指细胞在未受刺激时（静息状态,下）存在于胞膜内、外两侧的电位差。,静息电位的范围：,-10,-100,mV,之间,特点：,外正内负,为稳定的直流电,（一）静息电位及其产生原理,极化(,polarization)：,外正内负的状态。,超极化(,hyperpolarization,):,静息电位的绝对值增大(如-70-90,mV),去极化/除极(,depolarization)：,膜内、外电位差向小于,RP,值的方向变化的过程。(如-70-,50,mV),反极化/超射(,overshoot):,细胞膜由,外正内负,的极化状态变为,内正外负,的极性反转过程。,复极化(,repolarization,):,胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程。,2.静息电位产生原理,细胞膜对各种离子的通透性不同：,安静时,：,K,+,Cl,-,Na,+,A,-,兴奋时,：膜对,Na,+,的通透性突然增大,（1）细胞膜内外两侧的离子分布,静息状态下细胞膜内、外离子分布不均：,细胞膜外,的主要是,Na,+,、,Cl,-,细胞膜内,的主要是,K,+,、A,-,静息状态下细胞膜对各种离子的通透性不同：,通透性：,K,+,Cl,-,Na,+,A,-,静息状态,下细胞膜主要对,K,+,有通透性。,膜内：,膜外：,（2）静息电位的产生条件,静息状态下细胞膜主要对,K,+,有通透性：,促使,K,+,外流的,动力,：,膜两侧,K,+,的,浓度差,阻止,K,+,外流的,阻力,：,膜两侧的,电位差,当,动力,（浓度差）,阻力,（电位差）,K,+,的跨膜净通量 零，此时的电位差,值称为,K,+,的,平衡电位,。,静息电位主要是由,K,+,外流所造成,1.,动作电位的概念,：,在原有静息电位的基础上，如果胞膜受到一个适当的刺激，其膜电位会发生一次迅速的、短暂的、可扩布性的电位波动，这种膜电位的波动称为,动作电位,(,action potential,，,AP),，,是细胞兴奋的标志。,2.,AP,的波形及组成,负后电位,正后电位,后电位,动作电位,锋电位,去极化,反极化或超射,复极化,去极相（上升支）,复极相（下降支）,（1）,AP,产生的条件,膜内外存在,Na,+,的浓度差,:,Na,+,i,Na,+,O,110；,即细胞膜外,Na,+,浓度,比细胞膜内高,10,倍左右。,膜受到,刺激,时，对,Na,+,的通透性突然增加：,即细胞膜上的电压门控性,Na,+,通道,激活开放,。,3.,AP,产生的机制,（2）,AP,产生的机制,去极相：,Na,+,通道开放，,Na,+,快速内流,形成。,超射值,相当于,Na,+,平衡电位,（,E,Na,）,促使,Na,+,内流的,动力,：,Na,+,浓度差、电位差,阻止,Na,+,内流,的,阻力,：,Na,+,内流造成的膜内正电位,当动力和阻力达到动态平衡时，,Na,+,的净扩散通量为零，此时的电位差值称为,Na,+,的平衡电位,。,Na,+,通道的阻滞剂：,河豚毒（,TTX）,复极相：,K,+,外流,形成（,Na,+,通道失活）,K,+,通道的阻滞剂：,四乙铵（,TEA）,后电位：,负后电位,:,K,+,蓄积于膜外而进一步阻止,K+,的外流所致,正后电位,:,Na,+,i、K,+,O,激活,Na,+,-K,+,泵，,泵出,3,Na,+,泵入,2,K,+,，,直至回复到静息电位,动作电位一旦产生，其幅度一般是固定的，即使再增加刺激强度，动作电位的幅度也不再因刺激强度的增大而增大。这种特性被称为,“全或无”定律,(,all-or-none law,)；,动作电位在扩布过程中其幅度和波形不因传导距离的加大而改变，这种特性称为,不衰减传导,；,可扩播性：,动作电位产生后并不局限于受刺激部位，而是迅速向周围扩布，直至整个胞膜都依次产生动作电位。,4.,单一神经或肌细胞动作电位的特性：,（一）刺激引起兴奋的条件,刺激的种类,：,化学、机械、温度、光、电、声等。,刺激需要具备三个条件,：,一定的强度,一定的持续时间,一定的时间强度变化率,电刺激仪,提供的,电刺激,操作方便、刺激的条件易于控制，,对组织、细胞不易损伤且重复性好。,三、兴奋的引起和兴奋在同一细胞上的传导,日常应用中，最简便的方法是采用,阈值（,threshold）,作为衡量,组织兴奋性高低,的指标,。,即：在,刺激作用时间,和,强度时间变化率,固定不变,的条件下，能引起组织细胞兴奋所需的最小刺激强度即为,强度阈值,，也称,阈强度（,threshold,intensity）。,阈值,1/,兴奋性,达到强度阈值的,刺激,称为,阈刺激,，,强度,小于阈值,的刺激称为,阈下刺激,，,强度,大于阈值,的刺激称为,阈上刺激,。,（1,）阈电位,（,threshold potential）：,膜电位去极化达到能触发细胞膜产生动作电位的,临界膜电位。,数值：比,RP,的绝对值小,10 20,mV,神经细胞：,RP（-70mV）；TP（-55mV）,心室肌细胞：,RP（-90mV）；TP（-70mV）,（2）,局部反应,（,local response）：,较弱,刺激（阈下刺激）,引起的,低于,阈电位的去极化（即,局部电位,），又称,局部兴奋,（,local excitation）。,机制：,少量,Na,+,内流形成,局部反应的特点：,以电紧张方式扩布，随距离增加逐渐减小；,非,“,全或无,”,，一定范围内，幅度与刺激强度成正比；,具有,总和效应,。即可产生,时间性,和,空间性,总和。,项目,动作电位,局部兴奋,刺激强度,阈或阈上刺激,阈下刺激,钠通道开放数,大量,少量,电位变化幅度,膜去极化达,E,Na,较小的膜去极化,全或无现象,有,无,传导,不衰减传导,电紧张扩布,总和,无,有,局部兴奋与,AP,的区别,:,（二）,细胞兴奋后兴奋性的周期性变化,分 期,与,AP,对应关系,兴奋性,刺激,绝对不应期,锋电位,无,任何强大刺激,相对不应期,负后电位前期,渐恢复,阈上刺激,超常期,负后电位后期,正常,阈下刺激,低常期,正后电位,正常,阈上刺激,细胞在一次兴奋后其兴奋性要经历一个,周期性,变化过程。（,兴奋周期,）,绝对不应期的长短,决定了组织在单位时间内所能接受刺激,产生兴奋的次数,。,（三）兴奋在同一细胞上的传导,传导,(,conduction)：,动作电位在同一细胞,上的传播。,神经冲动,(,nerve impulse)：,在神经纤维上,传导的动作电位,。,（2）传导方式,：,无髓鞘,神经纤维,:,依次传导,(,为近距离局部电流,),有髓鞘,神经纤维,:,跳跃式传导,(,为远距离局部电流,),第 三,节,肌肉,的收缩功能,一、,神经骨骼肌接头处的兴奋传递,1、,N-M,接头的结构,接头前膜,：囊泡内含,ACh,并以囊泡为单位释放,ACh,（,称量子释放）。,接头间隙,：约50-60,nm。,接头后膜,：又称,终板膜,。,存在,ACh,受体（,N,2,受体），,能与,ACh,发生特异性结合。,属化学,性门控性钠通道。,2.神经肌肉接头处的兴奋传递过程,神经冲动传至轴突末梢（,接头前膜,）,前膜,Ca,2,通道开放，膜外,Ca,2,内流,前膜内囊泡移动、融合、破裂，,ACh,释放,(量子释放),ACh,与,终板膜,上的,N,2,受体,结合,终板膜对,Na,、,K,(,尤其是,Na,),通透性,终板膜去极化,终板电位（,EPP）,EPP,总和达到阈电位,骨骼肌膜爆发动作电位,神经肌肉接头处的兴奋传递过程,3.神经-肌接头的兴奋传递的特点,化学性传递：,兴奋传递依靠,Ach,单向性传递：,运动神经末梢肌肉,时间延搁：,兴奋通过一个神经一肌接头，至少需要0.51.0,ms。,易受药物或其他环境因素的影响,肉毒杆菌毒素：抑制,Ach,释放；,黑寡妇蜘蛛毒：促进,Ach,释放；,箭毒、,-,银环蛇毒：结合受体，阻断,Ach,传递；,重症肌无力：自身抗体破坏,Ach,受体通道；,有机磷农药：灭活胆碱酯酶活性，致,Ach,堆积。,二、骨骼肌细胞的微细结构,（一）肌原纤维和肌小节,肌小节（,sarcomere,）,是肌肉收缩和舒张的,基本结构和功能单位。,肌小节,M,线,横管系统,：,T,管,将肌细胞膜上电的变化沿横管传入细胞内。,纵管系统,：,L,管,通过对,Ca,2+,的,贮存、,释放和再积聚，触发肌小节的收缩和舒张。,三联管,把肌细胞膜上电的变化和细胞内的收缩过程衔接或偶联起来的关键部位。,Ca,2+,是兴奋收缩偶联的因子,（二）肌管系统,肌管系统,三、骨骼肌的兴奋,-,收缩偶联,兴奋,-,收缩耦联,：,肌细胞的兴奋,肌细胞的收缩,Ca,2+,（电变化）,（机械变化）,三个主要步骤,：,电兴奋通过横管系统传向肌细胞的深处,三联管结构处的信息传递,肌质网（纵管系统）中,Ca,2+,的释放、再聚积,Ca,2+,是兴奋收缩偶联的因子,骨骼肌的兴奋收缩偶联示意图,三、骨骼肌收缩的分子机制,肌丝的蛋白质分子结构：,粗肌丝,:,肌凝蛋白（肌球蛋白）,杆状部分,支架、,球状部分,横桥,横桥有两个主要特性：,1.能与肌动蛋白呈,可逆性,结合，同时向,M,线方向扭动；,2.具有,ATP,酶,活性，作为横桥,扭动,和,做功,的能量来源。,细肌丝,:,肌动蛋白（肌纤蛋白）,：,成为细肌丝主干，,表面有与横桥结合的,位点,，,原肌凝蛋白,（原肌球蛋白）,：静息时掩盖横桥结合位点；,起,位阻效应,作用,肌钙蛋白（,原宁蛋白,）,：有,Ca,2+,受体，,与,Ca,2+,结合变构后,使原肌球蛋白位移，暴露出结合位点。,肌丝滑行的过程,肌细胞,Ap,肌浆,Ca,2+,TnC,与,Ca,2+,结合，其构形改变,原肌凝蛋白暴露其位点,横桥与肌纤蛋白结合,分解,ATP,供能，横桥向线摆动,细肌丝滑向粗肌丝,肌小节缩短（横桥循环）,收缩,骨骼肌舒张：,钙泵,被激活，将钙逆浓度差摄回管，肌浆中,Ca2,+,浓度降低,(10,-,mol/L),以下时,，,Ca,2+,与肌钙蛋白解离，,，引起,肌肉舒张,。,1.,等张收缩与等长收缩,等张收缩,:,肌肉承受负荷肌肉本身收缩力时，,只有,长度缩短,而,张力不变,的收缩,称,为等张收缩。,等长收缩,:,肌肉承受负荷,肌肉本身收缩力时,，,只有,张力增加,而,长度不变,的收缩,称,为等长收缩。,四、骨骼肌收缩的形式与力学分析,(一),肌肉收缩的形式,根据肌肉的,张力,与,长度,的改变，肌肉收缩时可分为等张收缩和等长收缩两种形式：,2.,单收缩与强直收缩,根据所给肌肉的,刺激频率,不同，肌肉兴奋收缩时可呈单收缩和强直收缩两种形式：,单收缩：,肌肉受,一次刺激,引发,一次,动作电位,出现的,一次,机械收缩,，可分为,收缩期,与,舒张期,两部分。,强直收缩,:,肌肉受到,连续刺激,，前一次收缩和,舒张尚未结束，新的收缩在此基础上出现的过程。,强直收缩机制,:,强直收缩是各次单收缩的,机械叠加现象,不完全强直收缩：,由新刺激落在前一个收,缩过程的,舒张期,所形成。,完全强直收缩：,由新刺激落在前一个收缩过,程的,收缩期,所形成。,