级药学本科-细胞的基本功能

1 第 三 章 细 胞 的 基 本 功 能 目 录 2 第 一 节 细 胞 膜 的 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 活 动第 四 节 肌 肉 的 收 缩 功 能 （ 自 学 ） 1.掌 握 细 胞 膜 的 物 质 转 运 功 能 ；2.熟 悉 由 通 道 蛋 白 介 导 、 膜 的 特 异 受 体 蛋 白 质 、 G 蛋 白 和 膜 的 效 应 器 酶 组 成 的 跨 膜 信 号 传 导 系 统 ；3.掌 握 细 胞 的 生 物 电 现 象 及 其 产 生 机 制 ；4.掌 握 细 胞 的 兴 奋 和 兴 奋 性 教 学 目 的 与 要 求 4 第 一 节 细 胞 膜 的 物 质 转 运 功 能一 、 细 胞 膜 的 结 构 概 述 电 镜 下 细 胞 膜 形 态 ： 三 层 (7.5nm)内 外 两 层 电 子 致 密 带 ， 各 2.5nm 中 间 夹 层 为 透 明 带 ， 2.5nm化 学 组 成 ： 脂 质 磷 脂 （ 70%） 磷 脂 酰 胆 碱 、 磷 脂 酰 乙 醇 胺 、 磷 脂 酰 丝 氨 酸 、 磷 脂 酰 肌 醇 胆 固 醇 （ 30%） 鞘 脂 类 （ 少 量 ） 蛋 白 质 糖 类 5 液 态 镶 嵌 模 型 （ fluid mosaic model) 1972年 S.J.Singer 和 G .Nicholson， 冰 冻 蚀刻 技 术 和 免 疫 荧 光 标 记 技 术 以 液 态 的 脂 质 双 分 子 层 为 基 本 骨 架 ，其 中 镶 嵌 着 不 同 分 子 结 构 、 具 有 各 种 生 理功 能 的 蛋 白 质 。 蛋 白 质 主 要 以 -螺 旋 或 球 蛋 白 质 形 式 存 在 。 6 7 （ 一 ） 脂 质 双 分 子 层 脂 质 分 子 结 构 ： 羟 基 +脂 肪 酸 羟 基 +脂 肪 酸 疏 水 性 非 极 性 基 团 羟 基 +磷 酸 +碱 基 亲 水 性 极 性 基 团 8 9 （ 二 ） 细 胞 膜 蛋 白 质1.表 面 蛋 白 质 ： 蛋 白 质 肽 链 中 带 电 的 氨 基 酸 或 基 团 ， 与 膜 两 侧 脂 质 的 级 性 基 团 相 互 吸 引 而 附 着 在 膜 的 表 面2.整 和 蛋 白 质 ： 有 蛋 白 质 肽 链 中 某 些 疏 水 性 氨 基 酸 组 成 的 段 落 贯 穿 脂 质 双 分 子 层 10 11 （ 三 ） 细 胞 膜 糖 类 主 要 是 寡 糖 和 多 糖 链 ， 与 脂 质 或 蛋白 质 结 合 ， 形 成 糖 脂 质 或 糖 蛋 白 12 13 二 、 细 胞 膜 的 跨 膜 物 质 转 运 功 能 （ 一 ） 被 动 转 运（ 二 ） 主 动 转 运（ 三 ） 出 胞 与 入 胞 （ 胞 纳 与 胞 吐 ） 14 （ 一 ） 被 动 转 运 (passive transport) 概 念 ： 物 质 顺 电 位 或 化 学 梯 度 的 转 运 过 程 。 特 点 ： 不 耗 能 （ 依 赖 电 -化 学 梯 度 的 势 能 ） 依 靠 或 不 依 靠 特 殊 膜 蛋 白 质 的 “ 帮 助 ” 顺 电 -化 学 梯 度 进 行 分 类 ： 单 纯 扩 散 易 化 扩 散 15 扩 散 (diffusion): 同 种 物 质 两 种 浓 度 的 液 体 相 邻 时 ， 高 浓 度 侧 的 溶 质 向 低 浓 度 侧 移 动 的 现 象 高 浓 度 区 低 浓 度 区 细 胞 膜 单 纯 扩 散 的 物 质 ： 脂 溶 性 物 质 （ CO2、 O2、 脂 溶 性 激 素 ） 影 响 因 素 ： 脂 溶 性 程 度 、 浓 度 差 、 膜 的 通 透 性 16 1.单 纯 扩 散 : 脂 溶 性 物 质 （ CO2、 O2、 脂 溶 性 激 素 ）2.易 化 扩 散 : 借 助 细 胞 膜 上 的 特 殊 蛋 白 质 ， 使 物 质 从 高 浓 度 一 侧 向 低 浓 度 一 侧 移 动 的 形 式 。（ 1） 通 道 介 导 的 易 化 扩 散 （ facilitated diffusion via ion channel） ：（ 2） 载 体 介 导 的 易 化 扩 散 （ facilitated diffusion via carrier） 17特 点 ： （ 1） 由 高 浓 度 区 向 低 浓 度 区 扩 散 （ 2） 不 耗 能 18 (2)特 点 : 扩 散 速 率 高 无 饱 和 性 不 依 靠 特 殊 膜 蛋 白 质 的 “ 帮 助 ” 不 需 另 外 消 耗 能 量 扩 散 量 与 浓 度 梯 度 、 温 度 和 膜 通 透 性 呈 正 相 关 ， 用 扩 散 通 量 （ mol or mol数 /min.cm2)表 示 。 (3)转 运 的 物 质 ： O2、 CO2、 NH 3 、 N2 、 尿 素 、 乙 醚 、 乙 醇 、 类 固 醇 类 激 素 等 少 数 几 种 。注 : 膜 对 H 2O具 高 度 通 透 性 H 2O除 单 纯 扩 散 外 ， 还 可 通 过 水 通 道 跨 膜 转 运 。 19 易 化 扩 散 :（ 1） 通 道 介 导 的 易 化 扩 散 ： 离 子 扩 散 相 关 蛋 白 质 -离 子 通 道 在 细 胞 膜 蛋 白 质 的 帮 助 下 ， 物 质 顺 着 电 -化 学 梯 度 转 运 的 过 程 。化 学 门 控 通 道 ： 膜 两 侧 出 现 化 学 信 号 ;电 压 门 控 通 道 ： 膜 两 侧 的 电 位 发 生 变 化 ;机 械 门 控 通 道 ： 膜 受 到 机 械 性 刺 激 ; 20 经 通 道 的 易 化 扩 散转 运 的 物 质 :各 种 带 电 离 子 21 离子通道蛋白质的分子组成 离 子 通 道 -离 子 扩 散 相 关 膜 蛋 白 质 22 （ 2） 经 载 体 的 易 化 扩 散 转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子亲水物质 23 载 体 介 导 的 易 化 扩 散 :在 载 体 膜 蛋 白 质 的 帮 助 下 ， 物 质 顺 着 电 -化 学 梯 度 转 运 的 过 程 。易 化 扩 散 的 特 征 ： 1） 动 力 ： 物 质 自 身 的 热 运 动 ； 不 需 另 外 消 耗 能 量 ； 2） 饱 和 现 象 ： 载 体 和 载 体 结 合 位 点 3） 特 异 性 ： 帮 助 物 质 分 子 或 离 子 移 动 的 蛋 白 质 有 结 构 特 异 性 ； 4） 竞 争 性 ： 化 学 结 构 类 似 的 物 质 之 间 ； 5) 浓 度 和 电 压 依 从 性 ： 24 (二 )主 动 转 运 (active transport) 指 物 质 逆 浓 度 梯 度 或 电 位 梯 度 的 转 运 过 程 。 特 点 ： 需 要 消 耗 能 量 ,能 量 由 分 解 ATP来 提 供 ； 依 靠 特 殊 膜 蛋 白 质 (泵 )的 “ 帮 助 ” ； 是 逆 电 -化 学 梯 度 进 行 的 。 分 类 ： 原 发 性 主 动 转 运 ； 如 :Na+-K+泵 、 H +-K+泵 等 继 发 性 主 动 转 运 ； 入 胞 和 出 胞 式 转 运 。 25 1. 泵 转 运 Na+-K+泵 (Na+-K+-ATPase) 26 原 发 性 主 动 转 运 ： 靠 细 胞 膜 上 的 特 殊 蛋 白 质 ， 通 过 消 耗 能 量 ， 把 物 质 逆 着 电 -化 学 梯 度 转 运 的 形 式钠 -钾 泵 （ sodium-potassium pump） ： 具 有 ATP 酶 功 能 的 膜 蛋 白 ， 可 ATP释 放 能 量 ， 逆 着 浓 度 差 将 膜 内 的 Na+向 膜 外 、 膜 外 的 K+向 膜 内 转 运 。 细 胞 膜 内 K+ 30倍 细 胞 膜 外 Na+ 12倍 钠 泵 的 主 要 功 能 ： 1.造 成 胞 内 高 K+ 为 许 多 代 谢 反 应 所 需 。 2. 维 持 胞 内 渗 透 压 和 细 胞 容 积 。 3. 建 立 Na+ 的 跨 膜 浓 度 梯 度 ， 为 继 发 性 主 动 转 运 的 物 质 提 供 势 能 储 备 。 4. 由 钠 泵 造 成 的 跨 膜 离 子 浓 度 梯 度 也 是 细 胞 发 生 电 活 动 的 前 提 条 件 。 5. 生 电 性 的 ， 可 直 接 影 响 膜 电 位 ， 使 膜 内 电 位 的 负 值 增 大 。 特 异 性 抑 制 剂 ： 哇 巴 因 强 心 钙 泵 ： 胞 质 Ca 2+0.1 0.2mol 质 子 泵 ： H +-ATP酶 ， H +,K+- ATP酶 27 28 2. 继 发 性 主 动 转 运 ： 经 载 体 易 化 扩 散 +主 动 转 运 逆 浓 度 梯 度 或 逆 电 位 梯 度 的 转 运 时 ， 能 量 来 自 膜 两侧 Na+差 ， 而 Na+差 是 Na+-K+泵 分 解 ATP释 放 的 能量 建 立 的 。同 向 转 运 ： Na+ -G lu、 Na+ -AA、 Na+ -K+-CI-逆 向 转 运 ： H +-Na+、 Na+ -Ca2+ 29 （ 三 ） 出 胞 与 入 胞 大 分 子 或 固 态 ， 液 态 团 快 物 质 的 跨 膜 转 运 方 式 入 胞 （ 胞 纳 endocytosis) 吞 噬 （ phagocytosis） ： 特 殊 细 胞 ， 单 核 细 胞 、 巨 噬 细 胞 、 中 性 粒 细 胞 等 吞 饮 （ pinocytosis） ： 几 乎 所 有 细 胞 液 相 入 胞 ： 受 体 介 导 入 胞 ： 运 铁 蛋 白 、 LDL等 出 胞 （ 胞 吐 exocytosis) 30出 胞 31 入 胞 :指 细 胞 外 的 大 分 子 物 质 或 团 块 进 入 细 胞 的 过 程 ， 包 括 吞 噬 和 吞 饮 。 32 第 二 节 细 胞 的 跨 膜 信 号 转 导 细 胞 之 间 信 号 的 传 递 ， 通 过 激 素 、 神 经 递 质 或 细胞 因 子 进 行 。 这 些 都 是 化 学 信 号 。 细 胞 间 信 号 的 作 用 方 式 ： 1、 疏 水 性 分 子 ： 可 扩 散 入 细 胞 内 而 发 挥 作 用 （ 类 固 醇 激 素 -维 生 素 D、 甲 状 腺 素 等 ） 2、 亲 水 性 分 子 ： 借 助 细 胞 膜 上 的 受 体 或 受 体 样 蛋 白 质 ， 把 信 号 传 给 细 胞 内 。 33 几 种 主 要 的 跨 膜 信 号 传 递 方 式一 、 G 蛋 白 耦 联 受 体 介 导 的 信 号 转 导 二 、 酶 耦 联 受 体 介 导 的 信 号 转 导 三 、 离 子 通 道 受 体 介 导 的 信 号 转 导 34 一 、 G 蛋 白 耦 联 受 体 介 导 的 信 号 转 导 通 过 膜 受 体 蛋 白 、 G 蛋 白 、 G 蛋 白 效 应 器 、 第 二 信 使 共 同 完 成 信 号 的 转 导 。（ 一 ） 参 与 G 蛋 白 耦 联 受 体 跨 膜 信 号 转 导 的 信 号 分 子 1. G 蛋 白 耦 联 受 体 ： 2. G -蛋 白 ： 3. G 蛋 白 效 应 器 ： 4 第 二 信 使 （ second messenger） ： 5. 蛋 白 激 酶 （ protein kinase） ： 35 1. G 蛋 白 耦 联 受 体 ： 与 到 达 膜 表 面 的 化 学 信 号 可 特 异 性 结 合 的 膜 蛋 白 质 ， 可 激 活 G -蛋 白 。 结 构 ： 蛋 白 质 的 N-末 端 由 22-28个 疏 水 性 氨 基 酸 组 成 的 -螺 旋 形 成 不 具 有 通 道 样 结 构 的 球 形 蛋 白 质 （ 能 识 别 、 结 合 信 号 ） ； C- 端 与 膜 内 G -蛋 白 （ 鸟 苷 酸 结 合 蛋 白 ） 有 关 36 2. G -蛋 白 ： 由 、 、 3个 亚 单 位 组 成 ， 其 中 亚 单 位 起 催 化 作 用 。 当 G -蛋 白 未 被 激 活 时 ， 亚 单 位 与 一 分 子 G DP 结 合 ， 被 激 活 时 则 与 G DP 分 离 ， 而 与 G TP 结 合 ， 同 时 与 其 他 亚 单 位 分 离 ， 并 影 响 效 应 器 酶 的 活 性 37 3. G 蛋 白 效 应 器 ： 被 激 活 后 使 胞 浆 中 的 第 二 信 使 生 成 增 加 或 减 少4 第 二 信 使 （ second messenger） ： 各 种 信 号 分 子 （ 第 一 信 使 ） 作 用 于 细 胞 膜 后 产 生 的 细 胞 内 另 一 个 信 号 分 子 （ 第 二 信 使 ） ， 把 细 胞 外 的 信 号 传 给 细 胞 内 的 。 40 较 重 要 的 第 二 信 使 环 一 磷 酸 腺 苷 （ cyclic adenosine monophosphate, cAMP） 三 磷 酸 肌 醇 （ inositol triphosphate, IP3） 二 酰 甘 油 （ diacylglycerol, DG ） 环 一 磷 酸 鸟 苷 （ cyclic guanosine monophosphate, cG MP） 41 5. 蛋 白 激 酶 （ protein kinase） ： 分 类 ： 根 据 他 们 磷 酸 化 底 物 蛋 白 机 制 的 差 别 1） 丝 氨 酸 /苏 氨 酸 蛋 白 激 酶 ： 2） 酪 氨 酸 蛋 白 激 酶 ： 42 （ 二 ） G 蛋 白 耦 联 受 体 信 号 转 导 的 主 要 途 径 配 体 （ ligand） ： 能 与 受 体 结 构 或 受 体 分 子 特异 性 结 合 的 化 学 物 质 众 多 的 配 体 与 受 体 结 合 后 ， 仅 通 过 几 条 有 限 的 途 径 把 信 号 转 导 给 细 胞 内 ， 引 发 生 物 效 应 。 较 为 重 要 的 途 径 有 ： 1 cAMP-PKA途 径 ： 2 IP3-Ca2+途 径 ： 3. DG -PKC途 径 : 4. G -蛋 白 -离 子 通 道 途 径 : 43 44 (1) cAMP信 号 通 路神 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 cAMP依 赖 的 蛋 白 激 酶 A结 合 G 蛋 白 偶 联 受 体激 活 G 蛋 白 45 cAMP-PKA途 径 : 参 与 该 途 径 的 G 蛋 白 属 于 G s和 G i家 族 。 如 果 受 体 活 化 后 激 活 的 G 蛋 白 属 于 G s， 可 激 活 细 胞 膜 上 的 G 蛋 白 效 应 器 酶 -腺 苷 酸 环 化 酶 (AC)， AC进 一 步 分 解 ATP生 成 cAMP。 * 一 个 受 体 -配 体 复 合 物 可 激 活 100多 个 G s蛋 白 ， 一 个 G s蛋 白 可 激 活 一 个 AC， 一 个 AC可 催 化 生 成 多 个 cAMP. 如 果 受 体 活 化 后 激 活 的 G 蛋 白 属 于 G i家 族 ， 则 激 活 后 可 抑 制 AC的 激 活 , 从 而 降 低 细 胞 内 cAMP 的 水 平 。 46 (2) 磷 脂 酰 肌 醇 信 号 通 路激 素 （ 第 一 信 使 ）兴 奋 性 G 蛋 白 (G S)激 活 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 Ca 2+激 活 G 蛋 白细 胞 内 生 物 效 应 结 合 G 蛋 白 偶 联 受 体 47 IP3-Ca2+途 径 ： 一 些 配 体 与 受 体 结 合 后 ， 可 经 G i家 族 或 G q家 族 中 的 某 些 亚 型 激 活 磷 脂 酶 C(PLC)， 以 后 水 解 膜 脂 质 中 的 二 磷 酸 磷 脂 酰 肌 醇 产 生 两 种 第 二 信 使 ； 三 磷 酸 肌 醇 (IP3) 和 二 酰 甘 油 (DG )。 IP3： 可 激 活 钙 释 放 通 道 ， 使 内 质 网 或 肌 质 网 内 的 钙 离 子 释 放 入 胞 质 。 DG ： 留 在 细 胞 膜 内 ， 可 激 活 胞 质 内 的 蛋 白 激 （ PKC） 激 活 。 以 后 ， Ca 2+和 PKC进 一 步 作 用 于 下 游 的 信 号 蛋 白或 功 能 蛋 白 ， 完 成 细 胞 内 的 信 号 转 导 。 48 PLC-IP3/DG -CaM pathway磷 脂 酶 C 二 酰 甘 油磷 脂 酰 二 磷 酸 肌 醇三 磷 酸 肌 醇 钙调蛋白 49 (3) G C-cG MP-PKG pathway 50 二 、 酶 耦 联 受 体 介 导 的 信 号 转 导 （ 一 ） 酪 氨 酸 激 酶 受 体 ： 类 型 很 多 ， 主 要 的 区 别 在 其 肽 链 的 膜 外 部 分 结 构 的 共 同 性 ： 膜 外 肽 端 -配 体 结 合 部 位 膜 内 肽 端 -酪 氨 酸 蛋 白 激 酶 酪 氨 酸 蛋 白 激 酶 的 膜 外 端 与 配 体 结 合 时 具 有 活 性 , 可 促 进 其 他 蛋 白 质 底 物 中 酪 氨 酸 残 基 磷 酸 化 - 改 变 细 胞 的 功 能 活 动 51 52 （ 二 ） 鸟 苷 酸 环 化 酶 受 体 配 体 与 受 体 结 合 即 可 激 活 鸟 苷 酸 环 化 酶 （ G C） ， 进 而 发 挥 作 用 。 如 ： ANP-G C-cG MP-PKG （ 三 ） 结 合 酪 氨 酸 激 酶 的 受 体 无 酶 的 活 性 如 ： EPO， GH， PRL 53 三 、 离 子 通 道 受 体 介 导 的 信 号 转 导 受 体 本 身 就 是 离 子 通 道 ， 某 些 外 部 信 号 与 受 体 结 合 即 可 改 变 通 道 的 功 能 状 态 。 类 型 ： 化 学 门 控 通 道 ； 电 压 门 控 通 道 ； 机 械 门 控 通 道 ； 激 动 剂 (agonist)： 拮 抗 剂 (antagonist)： TTX， TEA 54 化 学 性 胞 外 信 号 (ACh)ACh + 受 体 =复 合 体终 板 膜 变 构 =离 子 通 道 开 放Na+内 流终 板 膜 电 位骨 骼 肌 收 缩 55 第 三 节 细 胞 的 生 物 电 活 动生 物 电 现 象 (bioelectricity): 人 体 及 生 物 体 活 细 胞 在 安 静 和 活 动 时 都 存 在电 活 动 ， 这 种 电 活 动 称 为 生 物 电 现 象 。 一 、 细 胞 的 生 物 电 现 象 二 、 细 胞 的 兴 奋 和 兴 奋 性 56 一 、 细 胞 的 生 物 电 现 象 （ 一 ） 静 息 电 位 及 其 产 生 机 制 （ 二 ） 动 作 电 位 及 其 产 生 机 制 57 58 RP实 验 现 象 ： 59 60 （ 一 ） 静 息 电 位 及 其 产 生 机 制 静 息 电 位 ： 细 胞 未 受 刺 激 时 存 在 于 细 胞 膜 内 外 的 电 位 差 特 点 ： 膜 外 为 正 、 膜 内 为 负 (-10 -100 mv) 极 化 （ polarization)： 静 息 状 态 时 存 在 的 细 胞 膜 内 为 负 膜 外 为 正 的 状 态 超 极 化 （ H ypepolarization)： 膜 内 外 电 位 差 加 大 低 极 化 （ H ypopolarization)： 膜 内 外 电 位 差 减 少 61 静 息 状 态 下 细 胞 膜 对 离 子 的 通 透 性 具 有 选 择 性 通 透 性 ： K+ Cl- Na+ A- 62 静 息 电 位 产 生 机 制 静 息 电 位 和 K+平 衡 电 位3Na +2K+高 钾 (30) 高 钠 (12)K+ Na+ + + +- - - - -SO42- PO42- P- 63 静 息 电 位 的 产 生 机 制1. 细 胞 膜 内 外 离 子 分 布 及 其 浓 度 差 ; 膜 外 Na+ 高 于 膜 内 12倍 ; 膜 内 K+ 高 于 膜 外 30倍2. 安 静 状 态 下 细 胞 膜 只 对 K+有 通 透 性 ;3. K+借 浓 度 差 , 由 细 胞 内 向 细 胞 外 移 动 ;4. K+的 净 移 动 停 止 , 达 到 平 衡 .