生理学课件PPT第2章细胞生理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,一、细胞膜的结构概述,1.,细胞膜的功能,*,保护作用,*,物质交换,*,通透屏障,*,参与细胞的细胞的信息传递、细胞分裂分化、免疫等过程。,2.,流体镶嵌模型,Fluid mosaic model:,脂质、蛋白质、糖类,由,液态的,脂质,双分子层为基架，其中镶嵌着结构,和功能不同的,蛋白质,。,1972,年,singer,和,nicolson,提出,（一）脂质双分子层（,Gorter Grendel,）,化学组成：,磷脂（,70%,）、胆固醇（,30%,）、少量糖脂,.,所有的膜脂质都是,双嗜性分子,一端是磷酸、碱基等,亲水性,极性基团，,另一端的长烃链是,疏水性,非极性基团。,（二）细胞膜蛋白质,膜蛋白质的存在方式,表面蛋白,整合蛋白,载体（转运体）、通道和泵,受体和抗原标志蛋白,酶类,（三）细胞膜糖类,主要是寡糖和多糖链，,与膜脂质或膜蛋白质结合。,可作为细胞或蛋白质的标志，,也可作为膜受体的“可识别”部分。,（一）,单纯扩散,Simple diffusion,：,一些脂溶性物质,顺浓度差或电位差,的跨膜物质转运。,P,高,P,低,浓度差和通透性,eg: O,2,，,CO,2,、胆固醇、酒精、类固醇激素,渗透作用：,溶剂受溶质的吸引由低浓度向高浓度的运动过程,H,2,O,进出细胞的方式，,P,渗低,P,渗高,二,.,物质的跨膜转运,（二）膜蛋白介导的跨膜转运,易化扩散,Facilitated diffusion,非脂溶性物质借助细胞膜蛋白质,(,通道、载体,),帮助,顺电化学梯度,的跨膜转运。,特点,:,由高到低,顺浓度差,扩散,(,离子扩散还,与电位差有关,),转运蛋白与转运物质间有,选择性,转运蛋白的功能,受环境因素的影响,1.,经通道,(Channel),易化扩散,:,离子通道,：,一类贯穿脂质双层的、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。,主要是,Na,+,K,+,Ca,2+,Cl,-,等离子,通道对离子的选择性，决定于通道开放时,水相孔道的大小、孔道的化学结构和带电情,况及环境因素。,特点：,1),高到低,速度较快,(10,6,-10,8,个离子,/,秒,),2),相对结构特异性,3),特异性阻断剂,Na,+,河豚毒,K,+,四乙胺,Ca,2+,异搏定,4,）,有不同的功能状态,通道的开关受某些理化因素影响,Na,+,通道具有静息、激活和失活状态,K,+,通道具有激活和去激活状态,（,2,）化学门控通道,Chemically-gated channel,配体门控通道,ligand-gated channel,乙酰胆碱受体阳离子通道,（,1,）电压门控通道,Valtage-gated channel,（,3,）机械门控通道,mechanically-gated ion hannel,受机械刺激而开闭的通道。,如：内耳的毛细胞的听毛在受声波作用发生弯曲时，会导致听毛根部的膜变形，直接激活了膜附近的机械门控通道，毛细胞可出现短暂的电位变化。,（,4,）非门控通道 持续开放,钾漏通道，缝隙连接等,通道的,调控,化学门控通道,电位门控通道,机械门控通道,定义,由化学信息决定通道机能状态的通道,由电位大小决定通道机能状态的通道,由机械刺激决定通道机能状态的通道,分布,胞,-,树突触后膜,视网膜感光细胞,终板膜,(,N,型,Ach,通道,),神经细胞,肌肉细胞,腺细胞,Na,通道,内耳毛细胞,开放结果,局部电位,动作电位,感受器电位,2,、载体介导的跨膜转运,经,载体,易化扩散,载体（,Carrier ),：,贯穿脂质双层的整合蛋白。,葡萄糖、某些氨基酸、核苷酸,等小分子亲水物质。,特点：,1,）高到低且快速,2),高度结构特异性,3,）饱和性,4,）竞争性,3.,原发性,主动转运,primary Active Transport,：,物质在膜蛋白参与下，,逆浓度差或电位差,转,运的过程。,逆电化学梯度，耗能（动力）,eg,：,钠钾泵,Sodium-potassium pump,（,Na-K,泵、,Na-K,依赖式,ATP,酶）,构成特性：双亚基，,亚基的三位点结合性，,亚基的变构性。,激活：内外,Na,+,、,K,+,的不平衡,作用： 排,3 Na,+,摄,2 K,+,有,ATP,酶活性，分解,ATP,供能,Na,+,、,K,+,泵活动的意义：,1,）建立势能储备，供其它耗能过程利用；,2,）维持细胞内外离子分布，保证细胞正常,功能（维持细胞内渗透压和细胞容积的,相对稳定,）,3,）与细胞生物电有关（,可兴奋细胞兴奋性,和生物电基础,）,4,）细胞内高,K,+,是细胞内许多代谢反应的,必需条件。,4.,继发性主动转运,secondary,Active Transport,指某种物质的逆浓度梯度的转运是依赖于另一物质的浓度差造成的势能而实现的。,eg,：,G,，,AA,同向转运,同向转运体,逆向转运,逆向转运体,典型的继发性主动转运：,GS,和,AA,在小肠粘膜上皮的吸收；,GS,和,AA,在肾小管上皮的重吸收；, 神经递质在突触间隙被神经末梢,所重摄取；, 甲状腺上皮细胞的聚碘过程；,Na,+,-H,+,交换,Na,+,-Ca,2+,交换。,（三）出胞和入胞,1,出胞,Exocytosis,：,腺细胞分泌，,神经末梢分泌递质,形式：持续和间断,6,2,入胞,Endocytosis,：,吞噬,phagocytosis,（固体）,吞饮,pinocytosis,（液体）,液相入胞,fluid-phase endocytosis,受体介导式入胞,receptor-mediated,endocytosis,如：,低密度脂蛋白的入胞,（遗传性高胆固醇血症）,结合,Fe,2+,的运铁蛋白,单纯扩散,：,CO,2,、,O,2,等,被 动 转 运,（高低）,易化扩散：,通道、载体,Na,-K,依赖式,ATP,酶,(,钠泵,),原发性主动转运,Ca,2,-Mg,2,依赖式,ATP,酶,(,钙泵,),H,-K,依赖式,ATP,酶,(,氢离子泵,),葡萄糖,Na,同向转运,氨基酸,Na,主 动 转 运 继发性主动转运,碘泵,（低高）,Na,-K,交换,逆向转运,Na,-,交换,Na,-,a,2,交换,出胞和入胞,方式,物质转运方式,第三节 细胞的电活动,一、膜的被动电学特性和,电紧张电位,二、静息电位及其产生机制,三、动作电位及其产生机制,四、局部电位,五、可兴奋细胞及其兴奋性,静息时,枪乌贼大神经,膜内外各离子的浓度,离子膜内浓度膜外浓度平衡电位,（,mmol/L,） （,mmol/L,）,(mv),K,+,400 20 - 75,Na,+,50 440 + 55,Cl,-,52 560 - 60,A,-,385 - -,静息时,哺乳动物骨骼肌,膜内外各离子的浓度,离子膜内浓度膜外浓度平衡电位,（,mmol/L,） （,mmol/L,）,(mv),K,+,155 4 - 98,Na,+,12 145 + 67,Cl,-,4 120 - 90,A,-,155 - -,二,.,静息电位及其产生机制,（一）静息电位的记录和数值,1,静息电位,rest potential Rp,：,安静时，存在于细胞膜内外两侧的,电位差,骨骼肌、神经纤维：,-90mv,胃肠平滑肌：,-60mv,范围,:-10mV,-100mV(,随细胞种类而不同,);,2,特点：外,正内负、相对恒定,),3,、几个概念,去极化 反极化,depolarization,reversepolarization,100mv,90mv(Rp),80mv,0mv,+30mv,复极化,repolarization,超极化,极化,polarization,hyperpolarization,(1),静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀,Na,+,i,Na,+,o,110, K,+,i,K,+,o,301,Cl,-,i,Cl,-,o,114, A,-,i,A,-,o, 41,静息电位的产生条件,（二）静息电位,产生的机制,(2),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,-,证明,：,Nernst,公式的计算,EK=RT/ZF,lnK,+,O,/K,+,i,=59.5 logK,+,O,/K,+,i, Hodgkin,和,Katz,的实验,枪贼巨大神经纤维测得,RP,值为,-77mv,与,Nernst,公式的计算值（,-87mv,）基本符合。,人工改变,K,+,O,/K,+,i,，,RP,也发生相应改变，,如：轴突管内置换等张,NaCl,RP,消失（即,K,+,i,RP,）。, 四乙胺阻断,K,+,通道,影响,RP,因素：,胞内、外的,K,+,差,:,K,+,o,与,K,+,i,的差值决定,E,K,，,K,+,o, ,E,K,膜对,K,+,、,Na,+,通透性,:,K,+,的通透性,则,RP,更趋向于,E,K,Na,+,的通透性,则,RP,更趋向于,E,Na, Na,+,-K,+,泵的活动水平,三,.,动作电位及其产生机制,（一）细胞的,动作电位,Action potential,Ap,可兴奋细胞受刺激后，膜两侧出现迅速而可,逆的,连续电位变化。,Ap,分期（以神经细胞为例）,锋电位去 极化 （,-90,0,）,反极化 （,0,+ 30 ),复极化 （,+30,0,-80,）,后电位：锋电位后持续时间较长，波动,较小的电位变化,负后电位,negative after-potential,（去极化后电位）：峰电位的下降支到达静息电位之前所经历的微小而缓慢的电位波动。,正后电位,positive after-potential,（超极化后电位）：峰电位的下降支到达静息电位之后所经历的微小而缓慢的电位波动。,AP,产生的基本条件,:,膜内外存在,Na,+,差,:Na,+,i,Na,+,O, 110,膜在受到,阈刺激,而兴奋时，对离子的通透性增加：即电压门控性,Na,+,通道激活而开放。,（二）,Ap,产生机制,1,、,Ap,产生机制,1,）去极化：细胞受刺激时,Na,+,通道开放，,Na,+,快速内流（内正外负）,膜内外,Na,+,浓度 浓度差,比约,1,10(,动力,),（动力）,Na,+,内流, ,Na,+,平衡电位,受刺激时,Na,+,电位差,通道开放 （,-90- 0,动力,(,通透性,) 0- + 30,阻力）,即,Ap,去极化至,+30mv,时,2,）复极化：细胞去极化至一定程度,Na,+,通道关闭，电压门控,K,+,通道开放，在细胞内外,K,+,浓度差的作用下,K,+,外流，形成复极化,3,）,负后电位,(,后去极化,):,复极时外流的,K,+,蓄积在膜外,阻碍了,K,+,外流,4,）正后电位,(,后超极化,):,生电性钠泵作用的结果,结论,：,AP,的上升支由,Na,内流形成，下降 支是,K,+,外流形成的，,负后电位,:,复极时外流的,K,+,蓄积在膜外,阻碍了,K,+,外流；正后电位,:,生电性钠泵作用的结果,AP,的产生是不消耗能量的，,AP,的恢复是消耗能量的（,Na,K,泵的活动）。,AP,产生的实质是受刺激后,Na,+,、,K,+,通道状态改变导致膜对,Na,+,、,K,+,通透性（电导）改变的结果。,证明：,Nernst,公式的计算,AP,达到的超射值（正电位值）相当于计算所得的,ENa,值。,应用,Na,通道特异性阻断剂河豚毒后，内向电流全部消失（,AP,消失）。, 人工改变,Na,O,/Na,i,，,AP,也发生相应改变，,葡萄糖溶液替代细胞外液,?,动作电位的特点：,1,“,全或无,”,现象,All or none,：,同一细胞上的,AP,大小不随刺激强度和传导距,离而改变的现象。,2,不衰减性传导,(,可传播性,),3,脉冲式产生,(,有不应期,),：,因绝对不应期的存在，,动作电位不可能融合,神经和肌肉细胞,兴奋,刺激,可兴奋细胞,动作电位,反应 抑制,前提,本质表现,外在表现,胞 外,胞 内,K,+,K,+,Na,+,Na,+,+,+,Na,+,Na,+,+,+,内,+,外,不变,不变,不变,不变,RP,幅度,不变,不变,不变,不变,Na,+,Na,+,外,Na,+,内,不变,不变,不变,不变,AP,幅度,钠,-,钾离子对,AP,幅值的影响,（三）动作电位的传导,局部电流流动学说（细胞膜依次产生,Ap,的结果）,传导机制：局部电流,无髓神经纤维,:,扩布式传导,有髓神经纤维：,跳跃式传导,saltatory conduction,（四）缝隙连接,Gap Junction,一种细胞间兴奋传递方式（,低电阻，几乎无,潜伏期，双向传导,传导速度快,） 。,有利于实现细胞群反应的同步化，也是以局部,电流形式传递的。,存在于,神经系统、心肌组织,、肝组织和晶状体,上皮细胞。,神经细胞间的缝隙连接又称,电突触,。,心肌细胞间的缝隙连接又称,闰盘,四、局部电位,1.,局部电位,Local potential,（局部兴奋、局部反应 ）,阈下刺激,少量,Na,+,内流,产生低于阈电,位的去极化,局部兴奋,（终板电位、感受器电位、突触后电位）,2.,阈电位,Threshold potential,：,刚能引起膜去极化，,Na,+,通道爆发性开放,产生,Ap,的,临界膜电位,一般比静息电位小,10-20 mV,3,、,局部电位的特点,1,）无,“,全或无,”,现象 ：,其大小随刺激强度的变化而变化,2,）递减式传播（电紧张性扩布）：,传播很小的距离就消失（指数衰减）,3,）总和：时间总和,temporal summation,空间总和,Spatial summation,4,）没有不应期,脉冲式,不衰减扩布,电紧张扩布,传播特点,无,有,总和现象,有,无,全或无,特点,大,小,膜电位变化幅度,多,少,钠通道开放数,阈或阈上刺激,阈下刺激,刺激强度,动作电位,局部兴奋,区别,局部兴奋与动作电位的区别,:,不应期,有,无,五、可兴奋细胞及其兴奋性,（一）兴奋和可兴奋细胞：,兴奋,:,细胞对刺激发生反应的过程。,反应：接受刺激后，细胞发生活动状态的改变。,可,兴奋细胞：,受刺激后能产生兴奋,(AP),的细胞。,神经、肌肉、腺体的细胞。,（二）组织的兴奋性和阈刺激,兴奋性：细胞受刺激产生兴奋,(AP),的能力,。,细胞兴奋的本质表现。,刺激,stimulation,1,）刺激三要素：,刺激强度、时间、强度,-,时间变化率,2,）分类,性质：机械性、化学性、生物性、精神性等,强度：阈刺激、阈下刺激、阈上刺激,3,）阈上刺激、阈刺激,Ap,反应,阈下刺激,局部反应,不需任何刺激,Rp (,可兴奋细胞,),阈电位,Ap,阈刺激、阈上刺激,阈刺激,threshold stimulus:,刚能引起组织产生兴奋,(AP),的,最小刺激,阈强度,threshold intensity,(,阈值,Threshold,）,刚能引起组织产生兴奋,(AP),的,最小刺激强度,为,衡量组织兴奋性高低的指标,，与兴奋性成反比,（三）细胞兴奋后兴奋性的变化,绝对不应期的意义：,决定两次兴奋的最小间隔时间,分期,对应于,Ap,Na,+,通道,兴奋性,绝对不应期,锋电位,失活,0,相对不应期,负后电位（前）,部分复活,低于正常,超常期,负后电位（后）,复活,高于正常,低常期,正后电位,备用状态,低于正常,第四节 肌细胞的收缩,一、横纹肌,（一）骨骼肌神经,-,肌肉接头处兴奋的传递,1,、,N-M,接头（,neuromuscular junction,）,结构,接头前膜：突触小泡（含乙酰胆碱,Ach,）,膜上有,Ca,2+,通道,接头间隙：,50nm,，,细胞外液,接头后膜（,终板膜,endplate membrane,）：,有,N,2,型,ACh,受体,、,AChE,等,2,、,传递过程,：,神经纤维上动作电位,至,前膜而去极化,前膜,Ca,2+,通道开放，,Ca,2+,内流,大量（量子式）,Ach,释放至间隙,Ach,扩散至后膜，与后膜上,Ach,受体阳离子通道（,Ach-N,2,受体）结合,终板膜上,Ach,受体阳离子通道开放,Na,+,内流为主,终板电位（局部电流）,总和,相近肌膜产生动作电位。,Ach,被胆碱酯酶分解为胆碱和乙酸,3,、传递特点,1,）电,化学,电传递,2,）单向传递：只能从神经,肌肉,3,）时间延搁：因为是化学传递，而非电传递,4,）易受环境因素影响,（二）横纹肌细胞的微细结构,1,肌原纤维和肌节,暗带（粗肌丝）：,M,线连接，中间较明的为,H,区,明带（细肌丝）：,Z,线连接,肌节,： 结构和功能单位,包括：,1,个暗带,+ 2,个,1/2,的明带,一般,m,，安静时,m,2,肌管系统,横管（,T,管）：肌膜延续，内为细胞外液,传递电,信号至,三联管，,T,管膜或肌膜上有,L,型钙通道,甘油高渗任氏液可破坏横管系统,纵管（,L,管、肌质网）：,纵行肌质网,Ca,2+,泵,连接肌质网 终池（钙池）,贮存、释放,Ca,2+,钙释放通道,(,Ryanodine,受体,RYR,）,RYR:,一种对生物碱,ryanodine,有亲和力的,Ca,2+,释放通道。,（三）横纹肌的收缩机制,肌丝滑行学说,：,肌细胞的收缩是通过细肌丝向粗肌丝内滑动实现的，肌细胞无论收缩还是舒张，肌丝的长度保持不变。,1,、肌丝的分子组成,（,1,）粗肌丝：肌球蛋白（肌凝蛋白）,( Myosin),杆状部,+,头状部（横桥,Cross bridge),横桥的空间分布：,1,）同一水平周径上只有两个相隔,180,的横桥伸出,2,）与此周径相隔,14.3nm,处有一对横桥出现。,横桥间有,60,夹角,3,）每一粗肌丝分别与,6,条细肌丝相对应。,横桥的作用,:,1,）可与肌纤蛋白可逆结合，通过横桥,棘齿作用,，,牵拉细肌丝向暗带中央滑行。,2,）具有,ATP,酶的作用。,（,2,）细肌丝：由三种蛋白组成,1,）肌动蛋白（肌纤蛋白）,Actin,：球形单体,可与横桥可逆结合，被拖动滑行,2,）原肌球蛋白（原肌凝蛋白）,Tropomyosin,：,长度约肌动蛋白的,7,个球形单体的总长度,阻碍横桥与肌动蛋白的结合,3,）肌钙蛋白,Troponin,：,（钙受体）（连接 ）亚基（传递 ）,收缩蛋白、调节蛋白,2,、肌肉收缩的过程,横桥发挥,ATP,酶活性分解,ATP,为,ADP,和无机,磷酸并处于高势能状态，对肌动蛋白有高亲和,力,肌浆中,Ca,2+,Ca,2+,与亚基结合,亚基传递信息,原肌凝蛋白变构,暴露横桥与,肌动蛋白结合位点,横桥与肌动蛋白结合,拖,动细肌丝滑行,肌肉收缩,（肌小节、明带、,H,区变短 暗带长度不变）,（四）横纹肌的兴奋,-,收缩耦联,将肌细胞兴奋与肌纤维收缩联系起来的中介机制,1,、横纹肌细胞的电活动,2,、基本过程：肌膜,Ap,激活,T,管膜和肌膜的,L,型钙通道,激活,终池,膜,ryanodine,受体,（,RYR,或称钙释放通道）,Ca,2+,通道开放,Ca,2+,由终池释放入肌浆,肌浆中,Ca,2+,（,关键物质,）,肌丝滑行肌肉收缩。,胞质内,Ca,2+,浓度升高,激活,LSR,膜上钙泵,Ca,2+,泵入肌质网肌浆,Ca,2+,浓度降低肌肉舒张,Ap,在神经纤维上传导,N-M,接头处兴奋传递,Ap,在骨骼肌细胞上传导,骨骼肌的兴奋,-,收缩耦联,骨骼肌肌丝滑行收缩,骨骼肌细胞兴奋、收缩过程：,局部电流流动传导,电,化学,电传导,局部电流流动传导,(,五,),影响横纹肌收缩效能的因素,横纹肌收缩效能表现在收缩时产生的张力和缩短程度，及产生张力或缩短的速度,等长收缩,Isometic contraction,：,长度不变，张力改变,见于负荷,肌张力，维持位置和姿势,等张收缩,Isotonic contraction,：,张力不变，长度改变,见于负荷,肌张力，造成肢体运动,(,与关节屈曲有关的肌肉的收缩,),比较项,等长收缩,等张收缩,肌肉长度,不变,缩短,肌肉张力,增加,不变,肌小节,有的缩短，有的被拉长,全部肌小节缩短,肌丝滑行,无（不明显）,有,功能,不能做外功，耗能产热，维持姿势,可做外功,等长收缩与等张收缩的比较,1,前负荷,Preload,（初长度）,1,）概念：肌肉收缩前遇到（承受）的负荷，并,处于被拉长状态,2,）长度,-,张力曲线：,反映初长度与肌肉收缩力关系的曲线,3,）最适初长度：,肌肉收缩力最大,最适初长度,肌小节长度为,2.2m,2,后负荷,After- load,1,）概念：肌肉收缩时,(,过程中）遇到的阻力,2,）张力,-,速度曲线 ：反映后负荷与肌肉收缩,力关系的曲线,既产生张力，又出现缩短，且每一收缩开始后，张力不再增加，故为等张收缩,等长收缩,肌肉在有后负荷下收缩时，总是张力产生在前，缩短产生在后；后负荷愈大产生的张力愈大,但缩短开始的时间愈晚，缩短的初速度和缩短的总长度也愈小。,3,肌肉的收缩能力,Contractlity,1,）概念：除前、后负荷外，肌肉内部功能状,态改变,2,）,影响因素,:,(1),兴奋,-,收缩耦联过程,特别是,Ca,2+,(2),肌肉蛋白质或横桥功能特性的改变,特别是,ATP,酶活性；,(3),神经、体液、药物及病理因素,4,、收缩的总和,运动单位数量的总和,频率效应的总和,（,1,）运动单位及其总和,运动单位,motor unit,:,一个脊髓前角运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维。,运动单位总和,:,大小原则,不同运动单位所包含的,肌纤维数不同,可以从几根到上千根。,收缩时,:,弱收缩时,小,运动单位先参与,随着收缩的增强,会有多个和,大,的运动单位参与。,舒张时,:,最,大,运动单位先停止放电和收缩,最后才是,小,运动单位停止活动。,（,2,）收缩频率的总和,1,）单收缩,Single twich,：,一 次刺激，一 次收缩和舒张,一 次刺激,1,次,Ap,一 次收缩，,包括：潜伏、收缩和舒张期,2,） 单收缩的复合,不完全强直收缩,Incomplete tetanus,：,分类 锯齿状,2,在,1,的舒张期,完全强直收缩,Complete tetanus,：,直线,2,在,1,的收缩期,机制,:,强直收缩是各次单收缩的机械叠加现象,(,虽产生,多个,AP,但,AP,时程仅,1-2ms,相当于不应,期,而收缩时程比其长得多,故收缩波融合,AP,则,否,),，强直收缩的收缩幅度和收缩力比单收缩大,（,胞质内,Ca,2+,浓度持续升高,）,。,