细胞的基本功能

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,本章重点：,细胞膜的基本化学组成和结构,(,复习）；,物质跨膜转运的形式和原理；,细胞的跨膜信号转导功能；,细胞的生物电和有关现象；,肌细胞的收缩活动。,第一节细胞膜的基本结构和物质转运功能,一、细胞膜的结构概要,组 成：,脂质，蛋白质，糖类,基本结构：,流体镶嵌模型,（,fluid mosaic model),（一）脂质双分子层,组成：,70,磷脂，,30, 胆固醇,存在形式：,双分子层,特点：,具有流动性,功能,：,1.,屏障作用,2.,传递信息,脂质双分子层,1.,磷脂,动物细胞膜中主要的 四种磷脂：,磷脂酰胆碱,(,膜外侧,),、,磷脂酰乙醇胺、,磷脂酰肌醇、,磷脂酰丝氨酸。,2.,鞘脂类,基本结构和磷脂类似，不含甘油,(,膜外侧,),。,3.,胆固醇,有一个甾体结构（环戊烷多氢菲）和一个,8,碳支链。,(,二,),细胞膜蛋白质,功能：,酶蛋白 转运蛋白 受体蛋白,转运物质 传递信息 免疫标志,结构：,主要以,-,螺旋或球形蛋白质的形式存在。,表面蛋白,存在形式,整合蛋白,特点：,流动性（横向移动）,表面蛋白,（,Peripheral proteins,）,占,20%30%,以静电引力或离子键与整,合蛋白结合,附着于膜表面，主要在内表面。,arg,p.ser.,-,+,+,+,+,-,-,-,（三）,细胞膜糖类,细胞膜所含糖类,2%10%,，,成分：,主要是一些寡糖和多糖链,形式：,共价键的形式和膜脂质或蛋白质结,合，形成糖脂或糖蛋白,部位：,糖链绝大多数是裸露在膜的外面一侧。,功能：, 免疫标志, 传递信息,（一）单纯扩散,概念：,高浓度区域中的溶质分子将向低浓度,区净移动，这种现象称为,单纯扩散,。,物质的移动方向和速度：,决定于各该物质的,浓度差,，膜对该物,质的,通透性,。,扩散的物质：,脂溶性高、分子量小的物质。,O,2,、,CO,2,、,N,2,、乙醇、尿素、水等。,1.,经载体易化扩散,特征：,（,1,）顺梯度,（,2,）饱和现象,（,3,）载体与溶质的结合有较高,的化学结构特异性。,（,4,）竞争性抑制,（二）,膜蛋白介导的跨膜转运：,根据转运方式的不同，,通道,膜蛋白分为 载体,离子泵,转运体,被动转运：通道、载体,膜蛋白介导的跨膜转运,（不耗能、顺梯度）,原发性,主动转运：泵 继发性,（耗能、逆梯度）,2,经通道易化扩散,概念,:,带电的离子如,Na,+,、,K,+,、,Ca,2+,、,CI,-,等借,助于,通道蛋白的介导,由膜的顺浓度梯度,或电位梯度的跨膜扩散。,特点,:,a.,通道具有开放和关闭状态,;,b.,对转运物质有选择性,但无载体蛋白那么严格,分类,:,化学门控通道：,膜两则（外测）出现,化学信号时开放。,电压门控通道,：,膜两则电位差改变决定,其开放或关门。,离子通道功能状态：,静息状态,-,通道关闭,：,(,备用状态,),刺激能开放,激活状态,-,通道开放,：,离子扩散,失活状态,-,通道关闭,:,刺激不能开放,离子通道功能状态的调控：,通道蛋白质有别于载体的重要特点之一，,结构和功能状态可以,因细胞内外各种理化因素,膜电位、化学信号、机械刺激,的影响而迅速改变。,通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门（,gate,）一类的基团，由它决定通道的功能状态。,-,门控,电压门控通道,-,膜两侧电位差,化学门控通道,-,化学物质（,Ach,）,机械门控通道,机械刺激,3.,原发性主动转运,概念,:,指细胞通过直接利用代谢产生的能量将物,质,(,离子,),逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜,转运的过程。,化学本质,：,钠泵是,Na,+,-K,+,依赖式酶的蛋白质。,也称,Na,+,-K,+,-,酶。,启动机制,：,启动和活动强度与膜内多,Na,+,和膜外多,K,+,有关。,钠泵活动时,泵出,Na,+,和泵入,K,+,同时进行或“耦联”在一起,细胞膜上的钠泵活动的意义：,（,1,）由钠泵活动造成的细胞内高,K,+,，是许多代谢,反应进行的必需条件；,（,2,）,Na,+,和,K,+,浓度梯度使细胞生物电活动产生的,前提条件。,（,3,）维持胞质渗透压和细胞容积相对稳定。,Na,+,和,Cl,-,漏入,K,+,漏出。,哇巴因抑制钠泵活,动,大量细胞外,Na,+,、,Cl,-,漏入膜内，胞质渗透,压升高，过多水进入膜内，引起细胞的肿,胀，进而破坏细胞的结构；,（,4,）维持细胞内,pH,相对稳定。,Na,+,-H,+,交换,（,5,）维持细胞内,Ca,2+,浓度的稳定。,Na,+,和,K,+,浓度梯度是,Na,+,- Ca,2+,交换动力。,（,6,）生电性。个,Na,+,移到膜外同时个,K,+,移,入膜内。,（,7,）,Na,+,浓度梯度是其他物质继发转运的动,力。,通道转运与钠,-,钾泵转运模式图,4.,继发性主动转运,概念：,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,能量并不直接来自,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,释放的能量建立的。,这种间接利用,ATP,能量的主动过程称为继发性主动转运,。,机制：,转运体（膜蛋白）利用,膜两侧,Na,+,浓度梯度或电位梯度,跨膜转运。,没有,Na,+,由高浓度的膜外顺浓度差进入膜内，就不会出现葡萄糖、氨基酸等分子逆浓度差进入膜内。,转运体：,膜蛋白,同向转运：,被转运的物质与,Na,+,移动的方向相同。相应的转运体称为,同向转运体,。,反向转运：,被转运的物质彼此与,Na,+,移动的方向相反。相应的转运体称为,反向转运体或交换体。,被动转运 主动转运,比较,单纯扩散、,易化扩,泵,异同点,转运物质,脂溶性、小分,水溶性、小分子、离子,水溶性、小分子、离子,动力,浓度差,浓度差、,电压,差,ATP,顺梯度,顺梯度,逆梯度,特点,扩散速度取决于,膜蛋白介导,膜蛋白介导,浓度差,通道 载体,原发性、继发性,膜通透性,浓度差,饱和,膜通透性,特异性,电压,差,竞争抑制,不耗能,不耗能,耗能,主动转运与被动转运的区别,主动转运,被动转运,需由细胞提供能量,不需外部能量,逆电,-,化学势差,顺电,-,化学势差,使膜两侧浓度差更大,使膜两侧浓度差更小,第二节 细胞的跨膜信号转导,一、,G,蛋白耦联受体介导的信号转导,主要途径：,1.,受体,-G,蛋白,-AC,途径,:,物质 膜表面的特异受体,Gs-(,兴奋性,G,蛋白,),激活腺苷酸环化酶 胞浆中的,ATP,分解 膜内侧胞浆中,cAMP (,有时是减少,),实现激素对细胞内功能的调节,2.,受体,-G,蛋白,-PLC,途径,外界剌激信号 膜受体,Go,的,G,蛋白,激活磷脂酶,C,磷脂酰肌醇 三磷酸肌醇,(IP,3,),二酰甘油,第二信使,影响细胞内过程,完成跨膜信号转导。,二、离子通道受体介导的信号转导,1,.,离子通道受体,-,促离子型受体（化学门控通道）,因化学门控通道具有受体功能，也称为通道型受体；激活时直接引起跨膜离子流动，也称促离子型受体。,控制通道开、关的因素,-,化学物质。,主要分布,：,肌细胞终板膜、神经细胞突触后膜、嗅、味感受细胞膜中,使所在膜产生终板电位、突触后电位以及感受器电位等局部电反应。,2.,电压门控通道：,主要分布,:,神经轴突、骨骼肌、 心肌细胞的一般质膜,中,控制这类通道开、关的因素是通道所在,膜两侧的跨膜电位的变化,。,3.,机械门控通道：,细胞表面膜存在能,感受机械性刺激,并引起,细胞功能改变的通道样结构。,特点：,速度快、对外界刺激反应的位点局限。,三、酶耦联受体介导的信号转导,特点：,受体分子的胞质侧自身具有酶的活性，可直接激活胞质中酶。,受体只有一跨膜,-,螺旋和一个较短的膜内肽段。,酪氨酸激酶受体,重要的受体有,鸟苷酸环化酶受体,（一）酪氨酸激酶受体,特点：,膜外侧,-,配位体结合点,深入胞质端,-,酪氨酸激酶结构域,受体与酶是同一蛋白分子,肽类激素如胰岛素和细胞因子 相应的靶细胞时,激活,细胞膜酪氨酸激酶,受体,胞质侧酶活性部位活化 胞质,酪氨酸激酶结合、激活,完成跨膜信号转导,一系列细胞内信号分子 细胞核内基因转录改变。,（二）鸟苷酸环化酶受体,膜外侧,-,-,螺旋,分子,N,端,-,配位体结合点,膜内侧,-,-,螺旋,分子,C,端,-,鸟苷酸环化酶,（,GC,）结构域,与配位体结合活化。,机制,GTP,CG,C,GMP,蛋白激酶,G,（,PKG,）,PKG,活化,底物磷酸化,第三节 细胞的生物电现象,一、细胞膜的被动电学特性,（一）膜电容和膜电阻,细胞膜的电缆学说,细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作为两个导体，有一定的电阻；,膜电容：,细胞膜脂质双层类似于一个平板电容器，相对地视作绝缘体，因此细胞膜具有显著的电容特性。,跨膜电位：,当膜上的,离子通道开放,而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在,电容器上充电或放电,而产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。,膜电阻：,通常用它的倒数膜电导,G,来表示。对带电离子而言，,膜电导就是膜对离子的通透性。,细胞膜相当于一条电缆一点给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜电位变化：,在电源附近电位上升快，达,到的最高电位也较大；,离开电源越远，则不但电位,上升的慢，而且最终的最高,电位也较低。,电位改变变慢，是膜电容引,起的后果；电位依距离变,小，是膜外电阻、膜电阻及,膜内电阻引起的后果。,细胞膜的被动电学特性与电学特性,相同点： 欧姆定律,电阻、电容、电流、电紧张,异同点：膜离子通道,-,离子流,泵电流,-,生电性,Na,+,-K,+,泵,（二）电紧张电位,概念：,细胞膜的电学特性相当于并联的阻容耦合电路，跨膜电流随着距原点距离的增加而逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规律的膜电位分布，这种由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。,产生：,向神经纤维的某一点注入不同方向的电流；,用正、负电极从膜外侧施加电刺激，胞质内的负电荷流向正极下方，正电荷流向负极的下方，因而在正、负电极下分别产生一个彼此方向相反的电紧张电位。,二、细胞的静息电位,安静时,静息电位, 受刺激时,动作电位,（一）电生理学研究方法：,1.,细胞内记录：微电极,细胞内记录：微电极,2.,膜片钳实验技术,是一种能够记录膜结构中,单一的离子通道蛋白质分子的开放和关闭,，亦即测量单通道离子电流和电导的技术。,(,二,),静息电位,(resting potential) 1.,概念：,是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两 侧的电位差。,2.,测量方法：,细胞内电位记录方法,静息电位表现为膜内较膜外为负。,记录装置,记录仪器,:,电极,:,一对测量电极,一个放在细胞的外表面，,另一个连接玻璃微电极。,当微电极刺入膜内时，记录仪器上显示一个突然的电位跃变，表明细胞膜内外两侧存在着电位差。,存在于安静细胞的表面膜两侧的，故称为跨膜静息电位，简称静息电位。,特征：,静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位,但不同细胞的静息电位数值可以不同,;,只要细胞未受刺激、生理条件不变,这种电位将持续存在。,静息电位时膜两侧所保持的外正内负状态称为膜的,极化,(polarization),；,膜内外电位差的数值向膜内负值加大的方向变化时，称为膜的,超极化,(hyperpolarization),；,膜内电位向负值减小的方向变化，称为,去极化,或,除极化,(depolarization),；,去极化至零电位后膜电位进一步变为正值,称为,反极化,，,膜电位高于零电位的部位称为,超射（,overshoot,）,。,细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称作,复极化,(repolarization),研究方法,1902,年,-Bernstein,膜学说,安静状态下膜只对,K,+,有通透性，静息电位相当于,K,+,平衡电位,。,1936,年,-,Young,发现直径,1mm,头足类软体动物枪乌贼的巨大神经轴突,1939,年英国生理学家,Hodgkin,、,Huxley,将直径,0.1mV,充满海水的毛细玻璃管纵向插入乌贼大神经轴,突的断端。,细胞外电极,:,置于浸泡细胞的海水中,.,实测膜内电位约,-60,mV,(,二,),静息电位的产生机制：,1.K,+,驱动力,：,K,+,浓度、电位势能。,2.,基础条件：,安静状态下膜对,K,+,有通透性，,K,+,外,流,钾外流，带负电的蛋白不能外流，使膜外带正电荷 ，膜内带负电荷。,当促使钾外流的浓度势能差同阻碍钾外流的电势能差相等时，钾跨膜净移动量为零，相当于,Ek,。膜两侧的电位差也稳定于某一数值不变，这个电位差称为,K,+,的电化学平衡。,3.,少量的,Na,+,和,Cl,-,内流,抵消一部分由,K,+,外流引起的膜内电位 。,4. Na,+,一,K,+,泵,外流,K,+,和漏入的,Na,+,可激活钠泵，生电作用。,三、动作电位及其产生机制,(,一,),细胞的动作电位,概念：,在静息电位的基础上，可兴奋组织或细胞受到一个适当刺激时，其膜电位发生迅速的一过性的波动，这种短暂可逆的、扩布性电变化称为动作电位,(action potential),。,特征：,“,全或无,”,性质。当刺激未达阈值时，动作电位不会出现，一旦达到阈电位水平 ，动作电位便迅速产生，并达到最大值，其幅度和波形不随刺激的强度增强而增大。,动作电位能沿细胞膜向周围不衰减性传导，其幅度和波形始终保持不变。,具有不应期，峰电位不可融合叠加。,stimulatr,0mV,神经纤维,AP,兴奋的共有标志,:,动作电位,上升支 去极化,（,-70,到,0,mV,）,峰电位 超射,（,0,到,+30,mV,）,动作电位 下降支 复极化,（,+30,到,-70,mV,）,负后电位,-,后去极化,后电位,正后电位,-,后超极化,（负值大于,-70,mV,）,（二）产生机制：,研究方法,间接法：,1949. Hodgkin,和,Huxley,葡萄糖溶液替代海水。,同位素,24,Na,+,定量研究计算每次动作电位进入膜内,Na,+,21000,个,/,m,2,膜电容算出,Na,+,流量使去极化达,100mV,以上。,直接法：,电压钳,1.,电化学驱动力,：,它决定离子跨膜流动的方向和速度。,动力：电,-,化学梯度,;,基础条件：,膜对离子的通透性增大，当膜电位等于某离子的平衡电位时，该离子的电化学驱动力为零，因此，某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差。,假定静息电位,E,m,为,-70mV,，,E,Na,为,+60mV,，,E,K,为,-90mV,：,Na,+,驱动力,:E,m,-E,Na,=-70mV-(+60mV)=-130mV,K,+,驱动力,: E,m,-E,Na,=-70mV-(-90mV)=+20mV,2.,动作电位期间膜电导的变化,电压钳（,voltage clamp,）技术,直接测定动作电位期间膜对离子通透性动态变化。,原理：,根据通道膜电流的大小和时间，可精确测定细胞 生物电过程中，各种离子流的大小、方向和时程、方向和时程利用欧姆定律来计算膜电导。,优缺点：,适用于各种直径较大的细胞，只能观察膜电流的方向和幅度，不能区分那种离子电流。,电压钳技术装置,方法：,负反馈电路使膜电位钳制在一个设定的水平,.,记录,膜电流,变化作为,膜电导,的观察指标。,实验设计根据：,离子跨膜移动时形成跨膜离子电流（,I,），,膜对离子通透性（难易程度）是膜的电阻,（,R,）或其倒数电导（,G,），,膜电导是通透性同义词。,根据欧姆定律,I = V G,固定,V,，测定,I,，,作为,膜电导变化的度量。,记录膜电位,V,m,高阻抗前极放大,电导及动作电位,G,Na,和,G,K,变化曲线的特点：,电压依从性，由去极化激活，,GNa,激活早，是,动作电位,上升支基础；,GK,激活晚，是,动作电位,下降支基础。,G,Na,有失活状态而,G,K,没有此特性,记录膜电流变化作为膜电导的观察指标：,记录膜电位,(Vm),高阻抗前极放大（,x1,） 反馈放大器（,FBA,）,电极与,FBA,输出端连接,，向细胞内注入电流（指令电位），,FBA,两者电位相等,I = 0,FBA,两者出现差异,FBA,经电极输出端向细胞内注入电流，在膜两侧产 生趋向于指令电位变化，构成一个使膜电位,=,指令电位反馈电 路，,此时记录电流反映膜电导,G,的变化。,利用药理学分析膜电流的实验结果,应用,Na,+,通道阻断剂,TTX,（河豚毒）,内向电流消失。,应用,K,+,通道阻断剂,TEA,（四乙胺），外向电流消失。,膜电流的记录和分析,3.,膜电导与离子通道,膜片钳实验技术,(Neder,和,Sakmann,等,),（,1,）直接观察单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透活动的特征,.,（,2,）记录单个离子通道开放后的电流,.,（,3,）计算出通道的开放概率和单通道电导。,（,4,）证明在完整细胞上记录到的膜电流,是许多单通道电流总和的结果，单通道的开放概率或单通道电导增加，或离子通道的数目增加，都会使膜电导增大。,70,年代的膜片钳实验技术,膜片钳记录方法和单通道电流,钠 电 流,阈电位,当剌激引起膜内去极化达到引起正反馈,Na+,内流的临界膜电位称为阈电位,(threshold potential),。它一般比静息电位小,10,20mV,。,动作电位上升支：,1.,细胞受,剌激,时，迅速增加,Na,+,电导,，,2.,动力：,Na,+,在很强的电化学驱动力作用下，形成,Na,+,内向电流，膜内负电位的迅速消失；,3.,超射,:,膜外,Na,+,较高的浓度势能，,Na,+,在膜内负电位减小到零时仍可继续内移，出现超射。,4.,阻力,:,内移的,Na,+,在膜内形成的正电位足以阻止的,Na,+,静移动为止；,这时膜内所具有的电位值，理论上应相当于根据膜内、外,Na,+,浓度差代入,Nernst,公式时所得出的,Na,+,平衡电位值,。,动作电位降支：,Na,+,通道失活，,Na,+,电导减小形成峰电位降支，同时,K,+,电压门控性通道的开放。在膜内电,-,化学梯度的作用下,出现了,K,+,外向电流，使膜内电位变负，加速了膜的复极，参与峰电位降支的形成。,后电位,：正后电位一般认为是生电性钠泵作用的结果。,局部反应或局部兴奋特征,：,1.,不表现,“,全或无,”,特征；,2.,不能向远处传播,只能以电紧张的方式,使邻近的膜也产生类似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；,3.,电紧张电位,(,局部兴奋,),没有不应期,一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位,可叠加或总和后导致膜去极化到阈电位,从而爆发动作电位。,空间性总和：,多个阈下刺激在相邻部位同时,发生，,叠加起来。,时间总和：,阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应,尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。,局部反应或局部兴奋特征,：,1.,不表现,“,全或无,”,特征；,2.,不能向远处传播,只能以电紧张的方式,使邻近的膜也产生类似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；,3.,电紧张电位,(,局部兴奋,),没有不应期,一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位,可叠加或总和后导致膜去极化到阈电位,从而爆发动作电位。,空间性总和：,多个阈下刺激在相邻部位同时,发生，,叠加起来。,时间总和：,阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应,尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。,电紧张扩布,局部兴奋与动作电位的区别,:,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,（三）动作电位的传导,无髓鞘神经纤维上的传导方式,1.,某一小段纤维受到足够强的外加剌激；,2.,局部出现膜两侧电位的暂时性倒转；,3.,在已兴奋的神经段和相邻的未兴奋神经段之间，电位差的出现而发生电荷移动，称为局部电流,(local current),，,4.,方向：巳兴奋的膜部分向未兴奋的膜部分。,特点,:,直径大的细胞电阻较小传导的速度快。,传导机制,局部电流,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,-,+,-,+,神经冲动：,神经纤维上传导,神经纤维,有髓鞘神经纤维上的传导方式,跳跃式传导（,saltatory conduction,）,（三）细胞兴奋后兴奋性的变化,细胞在发生一次兴奋后，将经历一系列兴奋性的变化。,绝对不应期,：,当出现锋电位的时期内，不能再接受任何强大的刺激而出现新的锋电位，因而也不可能发生两次锋电位的叠加。这一时期称为绝对不应期,(absolute refractory period),。处在绝对不应期的细胞，,Na+,通道是失活状态，细胞兴奋性降低到零。,绝对不应期之后的一定时间内，细胞对阈上剌激可发生兴奋。标志着一些失活的,Na+,通道已开始逐渐复活，细胞兴奋性从无到有逐渐向正常恢复的时期。,相对不应期,(relative refractory period),：,超常期：,相对不应期之后，阈下剌激就可引起细胞再兴奋，表明此时的兴奋性轻度的高于正常。膜电位接近静息电位，相当于动作电位的负后电位后期。,低常期：,需用阈上剌激才能引起细胞产生动作电位，细胞的兴奋性轻度的低于正常。膜电位处于超极化状态，与阈电位距离加大。,动作电位与兴奋性各时期的对应关系是,:,峰电位,-,绝对不应期，,负后电位,-,相对不应期和超常期,;,正后电位,-,低常期。,分 期 兴 奋 性 原 因 时 间,绝对不应期 钠通道均失活,0 -60 mV,相对不应期 正常 少数钠通道复活,-60 -80 mV,超常期 正常 多数钠通道复活,-80 -90 mV,低常期 正常 超极化,-90 mV,1.,兴奋性变化分期：,2.,绝对不应期的意义：,其长短决定细胞兴奋的最高频率,例：绝对不应期 ,2 ms,兴奋的最高频率,?,1000/2 =500 Hz,使动作电位不会重合,0,mV,-70,-90,20,绝对不应期,相对不应期,超常期,0,100,兴奋性,低常期,组织,兴奋后,其,兴奋性周期性的变化,