人体解剖生理学：第三章 细胞的基本功能

第二章第二章 细胞的基本功能细胞的基本功能第一节第一节 细胞膜的物质转运功能细胞膜的物质转运功能第三节第三节 细胞的生物电活动细胞的生物电活动第四节第四节 肌肉的收缩功能肌肉的收缩功能第二节第二节 细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导学习要求 掌握：掌握：细胞膜的跨膜物质转运功能；细胞静息电细胞膜的跨膜物质转运功能；细胞静息电位和动作电位的概念、特征及其长生机制；动作位和动作电位的概念、特征及其长生机制；动作电位的引起和传导；神经电位的引起和传导；神经- -肌肉接头的兴奋传导；肌肉接头的兴奋传导；兴奋和兴奋性。兴奋和兴奋性。 熟悉：熟悉：骨骼肌的收缩机制；兴奋骨骼肌的收缩机制；兴奋- -收缩偶联收缩偶联 了解：了解：细胞跨膜信号转导细胞跨膜信号转导；骨骼肌收缩的外部表；骨骼肌收缩的外部表现和力学分析；影响肌肉收缩的因素；现和力学分析；影响肌肉收缩的因素； 第一节第一节 细胞膜的物质转运功能细胞膜的物质转运功能一、被动转运一、被动转运(顺浓度梯度或电化学梯度顺浓度梯度或电化学梯度)（一）单纯扩散（一）单纯扩散（二）易化扩散（二）易化扩散二、主动转运二、主动转运（一）原发主动转运（一）原发主动转运（二）继发主动转运（二）继发主动转运三、入胞和出胞三、入胞和出胞（一）（一）被动转运被动转运(passive transport)(passive transport) 概念概念：物质顺浓度梯度或电化学梯度的转运：物质顺浓度梯度或电化学梯度的转运过程。过程。 特点特点： 不耗能（转运动力依赖物质的电不耗能（转运动力依赖物质的电- -化学梯化学梯度所贮存的势能）度所贮存的势能） 依靠或不依靠特殊膜蛋白质的依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助帮助” 顺电顺电- -化学梯度进行化学梯度进行 分类分类： 单纯扩散单纯扩散 易化扩散易化扩散 1.1.单纯扩散单纯扩散(simple diffusion)(simple diffusion) (1) (1)概念概念: :一些一些脂溶性小分子物质脂溶性小分子物质由膜的高浓度一侧由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。向低浓度一侧移动的过程。COCO2 2 i i COCO2 2 o oOO2 2 o o OO2 2 i i (2)(2)特点特点: : 不不依靠特殊膜蛋白质的依靠特殊膜蛋白质的“帮助帮助” 不不需另外消耗能量需另外消耗能量 顺顺浓度梯度浓度梯度 终点：膜两侧达到平衡终点：膜两侧达到平衡 (3)(3)转运的物质：转运的物质： O O2 2、COCO2 2、NHNH3 3 、N N2 2 、尿素、乙醚、乙醇、类固醇、尿素、乙醚、乙醇、类固醇类激素类激素 等少数几种等少数几种脂溶性，小分子，不带电荷。脂溶性，小分子，不带电荷。2.2.易化扩散易化扩散(facilitated diffusion)(facilitated diffusion) (1) (1)概念概念: : 一些一些非脂溶性或脂溶解度甚小非脂溶性或脂溶解度甚小的物质的物质, ,需特殊膜蛋白质的需特殊膜蛋白质的“帮助帮助”下下, ,由膜的由膜的高高浓度一侧向浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。低浓度一侧移动的过程。 (2)(2)分类分类: : 经经通道通道的易化扩散的易化扩散经经载体载体的易化扩散的易化扩散（1 1）经）经载体载体（carrier，又称转运体，又称转运体，transporter）的易化扩散的易化扩散转运的物质：葡萄糖转运的物质：葡萄糖(GL)、氨基酸、氨基酸(AA)等小分子亲水物质等小分子亲水物质载体载体运输的特点：运输的特点：饱和现象饱和现象(saturation)(saturation)立体立体构构象象特异性特异性(stereospecificity)(stereospecificity)肾近曲小管肾近曲小管GLUTGLUT，D-glucoseD-glucose 竞争性抑制竞争性抑制(competitive inhibition)(competitive inhibition)D-Galactose D-Galactose D-glucose D-Galactose D-glucose（2 2）经经通道（通道（channelchannel）的易化扩散的易化扩散转运的物质转运的物质: :各种带电离子各种带电离子KK+ + i i KK+ + o oNaNa+ + o o NaNa+ + i i通道运输的特点：通道运输的特点： 离子的选择性离子的选择性(ionic selectivity): Na+, K+, Ca 2+ , Cl-等等 转运速度快：转运速度快：106-108/s 门控特性门控特性(gating)：通道开闭取决于膜电位：通道开闭取决于膜电位或化学信号或化学信号：电压门控通道，化学（配体）电压门控通道，化学（配体）门控通道和机械门控通道门控通道和机械门控通道 激活门激活门激活门激活门激活门激活门失活门失活门失活门失活门失活门失活门Na+Ca2+K+失活状态失活状态除极化除极化复极化复极化配体门控通道配体门控通道(ligand gated channel) 特点：特点：受体受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改与细胞外的配体结合，引起通道构象改变，变， “门门”打开，又称打开，又称离子通道型受体离子通道型受体。分为分为： 1）阳离子通道阳离子通道，如，如乙酰胆碱激活钾通道，乙酰胆碱激活钾通道， 2）阴离子通道阴离子通道，如，如 -氨基丁酸激活的氯离子通道氨基丁酸激活的氯离子通道M-R AchAchK+-+AchAch敏感敏感钾通道钾通道超极化超极化Nicotinic acetylcholine receptor电压门控通道电压门控通道(voltage gated channel) 特点：膜电位变化可引起构象变化，特点：膜电位变化可引起构象变化，“门门”打开。打开。 结构：四聚体，每个单体跨膜结构：四聚体，每个单体跨膜6次。次。 Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。远祖基因演化而来。Structure of the voltage-gated sodium channela. The molecule consists of four domains, I-IV.b. An expanded view of one domain showing the voltage sensor of alpha helix S4 and the pore loop (red).c. The molecule arrange of domains form a pore between them.Patch clamping record ionic currents through single channels The patch contains a voltage-gated Na+ channel, Changing the membrane potential from 65 mV to 40 mV,Cause the channel to open,and current (I) will flow through it (e).The amplitude of the measured current at a constant membrane voltage reflects the channel conductance, and the duration of the current reflects the time the channel is open. a. A glass electrode onto the membrane of the neuronB. Applying suction through the electrode tip.c. Withdraw the electrode from the cell, the membrane patch was torn away.D. Ionic currents was measured as steady voltages across the membrane.The opening and closing of Na+ channels upon membrane depolarization(a): The electrical potential across a patch of membrane. When the membrane potential is changed from 65-40mV, the Na+ channels pop open.(b): Three different channels respond to the voltage step.(C) A model for how changes in the conformation of the Na+ channel protein might yield its functional properies.机械门控通道机械门控通道 感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 目前比较明确的有两类机械门通道，目前比较明确的有两类机械门通道， (1)(1)对对牵拉敏感牵拉敏感，为，为2 2价或价或1 1价的阳离子通道，有价的阳离子通道，有NaNa+ +、K K+ +、CaCa2+2+，以，以CaCa2+2+为主，几乎存在于所有的细为主，几乎存在于所有的细胞膜胞膜研究较多的有血管内皮细胞、心肌细胞研究较多的有血管内皮细胞、心肌细胞以及内耳中的毛细胞等以及内耳中的毛细胞等。 (2)(2)对对剪切力剪切力敏感敏感 ，仅发现于内皮细胞和心肌细，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。胞。水通道水通道 19911991年年AgreAgre发现第一个水通道蛋白发现第一个水通道蛋白CHIP28 CHIP28 （28 28 KD KD ）。）。 目前在人类细胞中已发现至少目前在人类细胞中已发现至少1111种此类蛋白，被种此类蛋白，被命名为水通道蛋白（命名为水通道蛋白（AquaporinAquaporin，AQPAQP）。）。The Nobel Prize in Chemistry 2003for discoveries concerning channels in cell membranesfor the discovery of water channelsfor structural and mechanistic studies of ion channels Peter Agre Roderick MacKinnon Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, MD, USA Rockefeller University, Howard Hughes Medical Institute New York, NY, USA Ion channels with different activation mechanisms易化扩散的影响因素易化扩散的影响因素膜两侧物质浓度差和电位差膜两侧物质浓度差和电位差膜上载体的数量或通道开放的数量膜上载体的数量或通道开放的数量4.4.易化扩散的易化扩散的特点特点顺电顺电-化学差扩散化学差扩散不直接耗能不直接耗能 二、二、主动转运主动转运(active transport)(active transport) 概念概念：指物质指物质逆逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。浓度梯度或电位梯度的转运过程。 特点特点：需要消耗能量需要消耗能量, ,能量由分解能量由分解ATPATP来提供；来提供； 依靠特殊膜蛋白质依靠特殊膜蛋白质( (泵泵) )的的“帮助帮助”； 是是逆逆电电- -化学梯度进行的。化学梯度进行的。 分类分类： 继发性主动继发性主动转运转运（简称：联合转运）；（简称：联合转运）；原发性主动转运原发性主动转运（简称：（简称：泵转运泵转运）；）； 如如:Na:Na+ +-K-K+ +泵、泵、CaCa2+2+-Mg-Mg2+2+泵、泵、H H+ +-K-K+ +泵等泵等1.1.泵转运泵转运NaNa+ +-K-K+ +泵泵(sodium pump)(sodium pump) NaNa+ +-K-K+ +泵泵又称又称NaNa+ +-K-K+ +-ATPase-ATPase，简称钠泵。，简称钠泵。当当 NaNa+ + i i K K+ + o o时，时，都可被激活，都可被激活，ATPATP分解产分解产生能量，将生能量，将胞内的胞内的3 3个个NaNa+ +移至胞移至胞外和将胞外外和将胞外的的2 2个个K K+ +移移入胞内。入胞内。K+o Na+i通道转运与钠通道转运与钠-钾泵转运模式图钾泵转运模式图Na-K 泵泵 钠钠- -钾泵的这种活动还为其它一些物质转钾泵的这种活动还为其它一些物质转运的提供了动力运的提供了动力（如葡萄糖、氨基酸的吸收：（如葡萄糖、氨基酸的吸收：NaNa+ +- -载体载体- -葡萄糖、葡萄糖、NaNa+ +- -载体载体- -氨基酸的复合体形式进氨基酸的复合体形式进行的联合转运）。行的联合转运）。维持维持NaNa+ + o o高高、KK+ + i i高高原先原先的的不均匀分布状态不均匀分布状态2K2K+ +泵至细胞内泵至细胞内;3Na;3Na+ +泵至细胞外泵至细胞外分解分解ATPATP产生能量产生能量当当NaNa+ + i i/K/K+ + o o激活激活钠钠- -钾泵钾泵: :钠泵的意义：钠泵的意义：细胞生物电产生的重要条件之一细胞生物电产生的重要条件之一细胞内高钾是许多代谢反应的必要条件细胞内高钾是许多代谢反应的必要条件维持正常渗透压和细胞容积维持正常渗透压和细胞容积建立建立势能势能贮备，细胞外贮备，细胞外高钠高钠具有生电作用具有生电作用2.2.继发性主动转运继发性主动转运(secondary active transport)概念概念：间接利用间接利用ATPATP能量能量的主动转运过程。的主动转运过程。 即即逆逆浓度梯度或浓度梯度或逆逆电位梯度的转运时，能量电位梯度的转运时，能量非直接来自非直接来自ATPATP的分解，是来自膜两侧的分解，是来自膜两侧NaNa+ + 差，而差，而NaNa+ + 差是差是NaNa+ +-K-K+ +泵分解泵分解ATPATP释放的能量建立的。释放的能量建立的。分类分类： 同向转运同向转运 逆向转运逆向转运同向转运，小肠上皮细胞葡萄糖吸收同向转运，小肠上皮细胞葡萄糖吸收逆向转运：近曲小管上皮细胞的逆向转运：近曲小管上皮细胞的Na+-H+交换交换 主动转运与被动转运的区别主动转运主动转运被动转运被动转运需由细胞提供能量需由细胞提供能量不需外部能量不需外部能量逆电逆电-化学势差化学势差顺电顺电-化学势差化学势差使膜两侧浓度差更大使膜两侧浓度差更大使膜两侧浓度差更小使膜两侧浓度差更小三、入胞和出胞三、入胞和出胞 指指大分子物质大分子物质或物质团块，通过细胞膜复杂的或物质团块，通过细胞膜复杂的结构及功能改变来实现跨膜转运。结构及功能改变来实现跨膜转运。 入胞入胞 出胞出胞（exocytosis）吞噬作用吞噬作用吞饮作用吞饮作用（endocytosis）液相入胞液相入胞受体介导入胞受体介导入胞 大 分 子 物大 分 子 物质或物质团块质或物质团块进出细胞的过进出细胞的过程。程。 是指大分子或物质团块借助于细胞膜是指大分子或物质团块借助于细胞膜所形成的囊泡进入细胞的过程。所形成的囊泡进入细胞的过程。 （一）入胞（一）入胞（endocytosisendocytosis）入胞入胞吞噬作用吞噬作用吞饮作用吞饮作用（endocytosis）液相入胞液相入胞受体介导入胞受体介导入胞 1.1.吞噬吞噬( (phagocytosis) )：细胞摄取大颗粒的过程，细胞摄取大颗粒的过程，如吞噬细菌和细胞碎片。如吞噬细菌和细胞碎片。 哺乳动物大多数细胞没有吞噬作用，只有少数特哺乳动物大多数细胞没有吞噬作用，只有少数特化细胞具有这一功能，起着化细胞具有这一功能，起着防御的功能防御的功能。专用于。专用于对抗细菌、尘埃等外来的有害异物，如对抗细菌、尘埃等外来的有害异物，如单核单核- -吞噬吞噬细胞系统的巨噬细胞、单核细胞和多形核白细胞细胞系统的巨噬细胞、单核细胞和多形核白细胞等。它们广泛分布于组织和血液中，共同防御细等。它们广泛分布于组织和血液中，共同防御细菌的侵入，并清除衰老和死亡的细胞等。菌的侵入，并清除衰老和死亡的细胞等。巨噬细胞每天要清除巨噬细胞每天要清除10101111个衰老的红细胞。个衰老的红细胞。细胞的吞噬作用2.2.吞饮吞饮(pinocytosis) 指细胞摄取指细胞摄取液体液体和溶质和溶质的过程。由细的过程。由细胞膜包裹的液体内陷胞膜包裹的液体内陷而形成的小泡，称为而形成的小泡，称为吞饮小泡或吞饮体。吞饮小泡或吞饮体。受体介导入胞受体介导入胞( (receptor-mediated endocytosireceptor-mediated endocytosi) )：大分子与细胞表面的受体结合，通过有被小窝进大分子与细胞表面的受体结合，通过有被小窝进入细胞，此过程称为受体介导的胞吞作用。入细胞，此过程称为受体介导的胞吞作用。 有被小窝：有被小窝：在细胞膜表面有摄取蛋白质的特化在细胞膜表面有摄取蛋白质的特化部位，该部位细胞膜向内凹陷，在膜的细胞质面部位，该部位细胞膜向内凹陷，在膜的细胞质面覆盖了一层与有被小泡相似的包被结构，此特化覆盖了一层与有被小泡相似的包被结构，此特化区域称为区域称为有被小窝有被小窝。 有被小泡：有被小泡：直径约直径约5050250nm250nm之间，其细胞质之间，其细胞质面覆盖了毛刺状的包被，故称为有被小泡。面覆盖了毛刺状的包被，故称为有被小泡。受体介导的细胞内吞作用网格蛋白的功能：网格蛋白的功能： 第一、从有被小窝处选择或排除分子；第一、从有被小窝处选择或排除分子； 第二、为细胞膜凹陷提供结构支架。第二、为细胞膜凹陷提供结构支架。( (二二) )出胞出胞( (exocytosis) ) 出胞作用出胞作用: :主要见于主要见于内分泌细胞的激素内分泌细胞的激素分泌和神经分泌和神经末梢的递质释放以及细胞内代谢产物的排出。其过末梢的递质释放以及细胞内代谢产物的排出。其过程是在细胞内形成由膜包被的小泡，逐渐移动到细程是在细胞内形成由膜包被的小泡，逐渐移动到细胞膜的内表面与细胞膜接触，在接触点两者的膜蛋胞膜的内表面与细胞膜接触，在接触点两者的膜蛋白发生构象变化，膜互相融合，产生通道，使物质白发生构象变化，膜互相融合，产生通道，使物质排出。排出。 包含内容物的囊泡移至细胞表面，包含内容物的囊泡移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外。与质膜融，将物质排出细胞之外。exocytosisExocytosis细胞膜上的受体对物质的细胞膜上的受体对物质的“辨认辨认”发生特异性结合发生特异性结合= =复合物复合物复合物向膜表面的复合物向膜表面的“有被小窝有被小窝”移移动动“有被小窝有被小窝”处的膜凹处的膜凹陷陷凹陷膜与细胞膜断离凹陷膜与细胞膜断离= =吞食泡吞食泡吞食泡吞食泡与与胞内体胞内体的膜性结构相融合的膜性结构相融合入胞入胞分泌物排出分泌物排出融合处出现裂口融合处出现裂口囊泡向质膜内侧移动囊泡向质膜内侧移动膜性结构包被膜性结构包被= =分泌囊泡分泌囊泡高尔基复合体高尔基复合体粗面内质网合成蛋白性分泌物粗面内质网合成蛋白性分泌物出胞出胞囊泡膜与质膜的某点接触并融合囊泡膜与质膜的某点接触并融合囊泡的膜成为细胞膜的组成部分囊泡的膜成为细胞膜的组成部分第二节第二节 细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导 多细胞生物体必须具备完善的信号转导系统以协调多细胞生物体必须具备完善的信号转导系统以协调其正常的生理功能。细胞间传递信息的物质多达几百种：其正常的生理功能。细胞间传递信息的物质多达几百种：如递质、激素、细胞因子等。如递质、激素、细胞因子等。 跨膜信号转导主要涉及到：胞外信号的识别与结合、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。信号转导、胞内效应等三个环节。 一、细胞信号转导的概念一、细胞信号转导的概念细胞对外界刺激做出应答反应的基本生物学方式。细胞对外界刺激做出应答反应的基本生物学方式。 细胞通过位于胞膜或胞内的细胞通过位于胞膜或胞内的受体受体感受胞外感受胞外信息分子信息分子的刺的刺激，经细胞内信号转导系统转换而影响其生物学功能的过程。激，经细胞内信号转导系统转换而影响其生物学功能的过程。二、细胞信号转导系统的组成二、细胞信号转导系统的组成 ：1、配体（信号）、配体（信号）2、接收信号的受体或离子通道、黏附分子、接收信号的受体或离子通道、黏附分子3、信号转导通路、信号转导通路4、靶蛋白、靶蛋白 1、配体：（、配体：（ligand） 能与受体特异性结合的物质被称为配体，如激素、神能与受体特异性结合的物质被称为配体，如激素、神经递质、生长因子、细胞因子、代谢物、药物、毒素等，一经递质、生长因子、细胞因子、代谢物、药物、毒素等，一种配体常可以有两种以上的受体。种配体常可以有两种以上的受体。 2、受体：、受体：（receptor） 靶细胞中能识别配体，并与其特异结合后靶细胞中能识别配体，并与其特异结合后, , 引起一引起一定生物效应的蛋白质。绝大多数受体具有信号转导功能。定生物效应的蛋白质。绝大多数受体具有信号转导功能。 有关概念有关概念 细胞信号转导的基本过程和机制细胞信号转导的基本过程和机制（一）信号的接收和转导（一）信号的接收和转导信号信号 化学化学物理物理受体受体核受体核受体膜受体膜受体细胞信号转导通路细胞信号转导通路 （级联反应）（级联反应）诱发特定的应答反应诱发特定的应答反应 cascade1.1. G-G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导；蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导；2.2. 离子通道受体介导的跨膜信号转导；离子通道受体介导的跨膜信号转导；3.3. 酶耦联受体介导的信号转导酶耦联受体介导的信号转导膜受体膜受体： 类固醇激素受体家族类固醇激素受体家族 甲状腺素受体家族甲状腺素受体家族 孤儿受体孤儿受体核受体核受体：Membrane Receptor ClassesFigure 6-5: Four classes of membrane receptors一、一、G-蛋白耦联受体介导的信号转导蛋白耦联受体介导的信号转导( (G-Protein-coupled Receptors)膜外膜外N N端：识别、结合端：识别、结合第一信使第一信使膜内膜内C C端：激活端：激活G G蛋白蛋白二、二、G G蛋白偶联受体介导的信号转蛋白偶联受体介导的信号转导导( (一一) ) cAMPcAMP信号通路信号通路神经递质、激素等神经递质、激素等（第一信使）（第一信使）兴奋性兴奋性G蛋白蛋白(G(GS S) )激活腺苷酸环化酶激活腺苷酸环化酶(AC)(AC)ATPATPcAMPcAMP（第二信使）（第二信使）细胞内生物效应细胞内生物效应激活激活cAMPcAMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶A A结合结合G蛋白偶联受体蛋白偶联受体激活激活G蛋白蛋白( (与与、亚单位分离亚单位分离) )膜外膜外N N端：识别、结合端：识别、结合第一信使第一信使膜内膜内C C端：激活端：激活G G蛋白蛋白( (二二) ) 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇信号通路信号通路激素激素（第一信使）（第一信使）兴奋性兴奋性G蛋白蛋白(G(GS S) )激活磷脂酶激活磷脂酶C C(PLC)(PLC)PIPPIP2 2( (第二信使）第二信使）IPIP3 3 和和 DGDG激激 活活蛋白激酶蛋白激酶C C内质网内质网释放释放CaCa2+2+激活激活G蛋白蛋白( (与与、亚单位分离亚单位分离) )细胞内生物效应细胞内生物效应结合结合G蛋白偶联受体蛋白偶联受体 通过具有特异感受结构的通道蛋白质完成通过具有特异感受结构的通道蛋白质完成的跨膜信号转导的跨膜信号转导二、离子通道介导的跨膜信号转导二、离子通道介导的跨膜信号转导 离子通道离子通道 激活门激活门激活门激活门激活门激活门失活门失活门失活门失活门失活门失活门Na+Ca2+K+失活状态失活状态除极化除极化复极化复极化1.1.化学门控通道化学门控通道（chemically-gated ion channel）化学物质控制：化学物质控制： 递质、递质、 激素激素等等主要分布：肌细胞的终板膜、神经细胞的突触后膜主要分布：肌细胞的终板膜、神经细胞的突触后膜及某些嗅、味感受细胞的膜中。及某些嗅、味感受细胞的膜中。作用：产生作用：产生局部电位局部电位例：骨骼肌终板膜化学门控通道例：骨骼肌终板膜化学门控通道运动终板膜电位是由于运动终板膜电位是由于AchAch受体阳离子通道开放而产生受体阳离子通道开放而产生N2型乙酰胆碱受体（型乙酰胆碱受体（ Nicotinic acetylcholine receptor ） 开放时允许开放时允许Na+内流和少量内流和少量K+外流外流 除乙酰胆碱（除乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）外，还可选择性地）外，还可选择性地与烟碱结合与烟碱结合 四种亚单位组成的五聚体四种亚单位组成的五聚体Three conformation of the acetylcholine receptorNa+ K+ Na+乙酰胆碱受体乙酰胆碱受体 化学性胞外信号化学性胞外信号(ACh)(ACh)ACh +ACh + 受体受体=复合体复合体终板膜变构终板膜变构=离子通道开放离子通道开放NaNa+ +内流内流终板膜电位终板膜电位骨骼肌收缩骨骼肌收缩2、电压门控通道电压门控通道(voltage-gated ion channel) 特点：膜电位变化可引起构象变化，特点：膜电位变化可引起构象变化，“门门”打开。打开。 Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演化而来。远祖基因演化而来。二、电压门控通道：二、电压门控通道：钾、钠、钙钾、钠、钙离子通道离子通道电压门控钾离子通道电压门控钾离子通道 Voltage gated K+ channel K K+ +通道有通道有四四个亚单位，每个亚单位，每个亚基有个亚基有6 6个跨膜个跨膜螺旋螺旋(S1-S6) (S1-S6) ，N N和和C C端均位于端均位于胞质面。连接胞质面。连接S5-S6S5-S6段的段的发夹样发夹样折叠折叠 (P(P区或区或H5H5区区) )，构成通道内衬，大，构成通道内衬，大小允许小允许K K+ +通过。目前认为通过。目前认为S4S4段是电压感受器段是电压感受器K+ channel 4th subunit not shownK+K+K+-+-+K+K+K+抗心律失常药抗心律失常药-钾通道阻滞药钾通道阻滞药（延长动作电位时程药物）：（延长动作电位时程药物）： 主要抑制主要抑制kr钾电流，延长钾电流，延长心肌细胞动作电位时程，降低心肌细胞动作电位时程，降低自律性，延长有效不应期。自律性，延长有效不应期。AB主要分布：主要分布： 神经轴突、骨骼肌、神经轴突、骨骼肌、 心肌细胞细胞膜上。心肌细胞细胞膜上。作用：作用： 产生产生动作电位动作电位跨膜电位控制跨膜电位控制 例：钠通道例：钠通道钠离子通道钠离子通道拓扑结构拓扑结构 Na+Na+Na+Na+Na+Na+-+-+Ca2+Ca2+Ca2+-+-+Ca2+Ca2+Ca2+心脏慢反应细胞除极心脏慢反应细胞除极 （窦房结、房室结）（窦房结、房室结）心肌细胞收缩性心肌细胞收缩性心肌细胞动作电位平台期心肌细胞动作电位平台期钙内流钙内流平滑肌细胞紧张性平滑肌细胞紧张性AB3. 机械门控通道机械门控通道机械刺激通过某种机制使机械感受器细胞膜上的机械刺激通过某种机制使机械感受器细胞膜上的通道开放，产生感受器电位。通道开放，产生感受器电位。 例：例：听觉毛细胞、肌梭等听觉毛细胞、肌梭等 各种门控通道完成的跨膜信号转导特点：各种门控通道完成的跨膜信号转导特点： （1 1）速度相对较快）速度相对较快 （2 2）对外界作用出现反应的位点较局限。）对外界作用出现反应的位点较局限。（一）（一） 酪氨酸激酶受体介导的信号转导酪氨酸激酶受体介导的信号转导 受体酪氨酸激酶（受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs） 包括包括6个亚族个亚族 信号转导：配体信号转导：配体受体受体受体二聚化受体二聚化受体的自磷受体的自磷酸化活化酸化活化胞内信号蛋白胞内信号蛋白启动信号传导启动信号传导 RTK- Ras信号通路信号通路 三、酶三、酶耦联耦联受体介导的信号转导受体介导的信号转导（二）（二） 结合酪氨酸激酶受体介导的信号转导结合酪氨酸激酶受体介导的信号转导 （receptor associated with an enzyme) 结合酪氨酸激酶的受体（结合酪氨酸激酶的受体（tyrosine kinase associated receptor) 信号转导：配体信号转导：配体受体受体受体二聚化受体二聚化激激活酪氨酸激酶活酪氨酸激酶启动信号传导启动信号传导 TranscriptionNucleusJak1Tyk2Tyk2Jak1Jak-STAT Signaling Pathway Activated by -interferonSTAT1STAT2Generegulatoryproteins -interferonSTATs dissociate fromreceptor and dimerize via SH2 domainSH2 domainSTAT（Signal transducers and activators of transcription）(信号传信号传导及转录激活因子导及转录激活因子), 概概 述述 恩格斯在恩格斯在100100 多年前就指出：多年前就指出：“地球上几乎地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变化没有一种变化发生而不同时显示出电的变化”。人。人体及生物体活细胞在安静和活动时都存在电活动，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（这种电活动称为生物电现象（bioelectricitybioelectricity）。）。细胞生物电现象是普遍存在的，临床上广泛应用的细胞生物电现象是普遍存在的，临床上广泛应用的心电图、脑电图、肌电图及视网膜电图心电图、脑电图、肌电图及视网膜电图等就是这些等就是这些不同器官和组织活动时生物电变化的表现。不同器官和组织活动时生物电变化的表现。第三节第三节 细胞的生物细胞的生物电电活动活动“ 一、细胞生物电现象一、细胞生物电现象二、细胞生物电产生机制二、细胞生物电产生机制三、细胞的兴奋和兴奋性三、细胞的兴奋和兴奋性 一、一、 细胞的生物电现象细胞的生物电现象 （一）生物电（一）生物电：可兴奋细胞膜内外两侧存在的跨膜：可兴奋细胞膜内外两侧存在的跨膜 电变化电变化 。 受刺激时受刺激时动作电位（动作电位（APAP） 反应反应 （二）分类（二）分类安静时安静时静息电位（静息电位（RPRP）单细胞单细胞静息电位（静息电位（resting potential）：）： 细胞未受刺激时细胞细胞未受刺激时细胞膜内外两侧的电位差膜内外两侧的电位差（-10-100 mV）。）。19371937年年，HodgkinHodgkin和和HuxleyHuxley在枪乌贼在枪乌贼巨大神经轴突细胞内实现细胞内生物巨大神经轴突细胞内实现细胞内生物电电记录，获电电记录，获19631963年年NobelNobel奖奖。（一）静息电位（一）静息电位(resting potential RP)(resting potential RP) 2.2.实验现象实验现象：3.3.证明证明RPRP的实验：的实验：（甲）当（甲）当A A、B B电极都位于电极都位于细胞膜外，无电位改变，细胞膜外，无电位改变，证明膜外无电位差证明膜外无电位差。（乙）当（乙）当A A电极位于细胞电极位于细胞膜外，膜外， B B电极插入膜内时，电极插入膜内时，有电位改变，有电位改变，证明膜内、证明膜内、外间有电位差外间有电位差。（丙）当（丙）当A A、B B电极都位于电极都位于细胞膜内，无电位改变，细胞膜内，无电位改变，证明膜内无电位差证明膜内无电位差。与与RPRP相相关的概念：关的概念： 静息电位静息电位: :细胞处于相对安静状态时，细胞膜内细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。外存在的电位差。 膜电位膜电位: :因电位差存在于膜的两侧所以又称为膜因电位差存在于膜的两侧所以又称为膜电位（电位（membrane potentialmembrane potential）。）。 习惯叫法习惯叫法: :因膜内电位低于膜外，习惯上因膜内电位低于膜外，习惯上RPRP指的指的是膜内负电位。是膜内负电位。RPRP值描述值描述: : RP RP膜内负电位膜内负电位(-70-90mV)=(-70-90mV)=超极化超极化 RPRP膜内负电位膜内负电位(-70-50mV)=(-70-50mV)=去极化去极化RP值值哺乳动物的神经细胞：哺乳动物的神经细胞： -70mV骨骼肌和心肌细胞：骨骼肌和心肌细胞：-90mV，平滑肌细胞：平滑肌细胞： -55mV红细胞：红细胞：-10mV。动作电位（动作电位（action potential）：）： 细胞受刺激时，细胞细胞受刺激时，细胞膜在静息电位基础上膜在静息电位基础上发生的迅速、可逆和发生的迅速、可逆和可传播的膜电位波动。可传播的膜电位波动。（二）（二）动作电位动作电位(action potential AP)(action potential AP)APAP实验现象实验现象 APAP的特点：的特点：“全或无全或无”现象及现象及可传播性可传播性APAP的意义：兴奋的标志的意义：兴奋的标志去去 极极 化化上上 升升 支支下降支下降支动作电位的图形动作电位的图形刺激刺激局部电位局部电位阈电位阈电位去极化去极化零电位零电位反极化（超射）反极化（超射）复极化复极化（负、正）后电位（负、正）后电位 AP的的波波形形Spike potentialoff shoot off shoot 超射值超射值去极化后电位去极化后电位超去极化后电位超去极化后电位reverse polarization4.动作电位的特征：动作电位的特征： 是是非衰减式非衰减式传导的电位。传导的电位。 具有具有“全或无全或无”的现象：即同一细胞上的的现象：即同一细胞上的APAP大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。 5.动作电位的意义：动作电位的意义： AP的产生是细胞兴奋的标志的产生是细胞兴奋的标志。 膜电位状态膜电位状态极极 化（化（polarizationpolarization）：）：静息电静息电位存在时膜两侧保持的位存在时膜两侧保持的内负外正内负外正的状态。的状态。超极化（超极化（hyperpolarizationhyperpolarization）：）：静息电位静息电位增大增大的过程。的过程。去极化（去极化（depolarizationdepolarization）：）：静息静息电位电位减小减小甚至消失的过程。甚至消失的过程。复极化（复极化（repolarizationrepolarization）：）：去极去极化后又向原先的极化状态恢复的化后又向原先的极化状态恢复的过程过程超射值（超射值（overshootovershoot）：）：去极化超去极化超过零电位以上部分。过零电位以上部分。反极化（反极化（reverse polarizationreverse polarization）：）：发生超射是膜两侧电位极性反转。发生超射是膜两侧电位极性反转。6.6.与与APAP相关的概念相关的概念: :极极 化化: :以膜为界，外正内负的状态。以膜为界，外正内负的状态。 去极化去极化: :膜内外电位差向小于膜内外电位差向小于RPRP值的方值的方向变化的过程。向变化的过程。超极化超极化: :膜内外电位差向大于膜内外电位差向大于RPRP值的方值的方向变化的过程。向变化的过程。复极化复极化: :去极化后再向极化状态恢复的去极化后再向极化状态恢复的过程。过程。反极化反极化: :细胞膜由外正内负的极化状态细胞膜由外正内负的极化状态变为内正外负变为内正外负 的极性反转过程。的极性反转过程。阈电位阈电位: :引发引发APAP的临界膜电位数值。的临界膜电位数值。局部电位局部电位: :低于阈电位的去极化电位。低于阈电位的去极化电位。后电位：后电位：锋电位下降支最后恢复到锋电位下降支最后恢复到RPRP水水平以前，一种时间较长、波动较小的电平以前，一种时间较长、波动较小的电位变化过程。位变化过程。 包括：包括：负后电位负后电位= =去极化后电位，去极化后电位， 正后电位正后电位= =超去极化后电位。超去极化后电位。 19021902年年BernsteinBernstein最先提出：最先提出：RPRP的产生可的产生可能与能与K K+ +在细胞内外不均衡分布及安静时膜主在细胞内外不均衡分布及安静时膜主要对要对K K+ +通透有关。通透有关。19391939年年HodgkinHodgkin对此加以证实。对此加以证实。二、细胞生物电产生的机制二、细胞生物电产生的机制 (1)(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀（二）静息电位的产生机制（二）静息电位的产生机制1.1.静息电位的产生条件静息电位的产生条件主要离子分布：主要离子分布：膜内：膜内：膜外：膜外：(2)(2)静息状态下细胞膜对离子的通透性具有静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择通透选择通透性性 通透性通透性：K K+ + ClCl- - NaNa+ + A A- -哺乳动物神经元细胞内外液中主要离子的浓度和平衡电位（37C）离子离子细胞细胞内内液液（mmol/L）细胞细胞外外液液（mmol/L）平衡电位平衡电位（mV）K+1403-102Na+18145+56Cl-7120-76Ca2+0.1 mol/L1.2+125有机负离子有机负离子155152.RP产生机制的膜学说产生机制的膜学说: : 静息状态下细胞膜内外离子分布不均；细胞静息状态下细胞膜内外离子分布不均；细胞膜对离子的通透具有选择性膜对离子的通透具有选择性: :K K+ +ClCl- -NaNa+ +A A- - KK i i顺浓度差向膜外扩散顺浓度差向膜外扩散AA- - i i不能向膜外扩散不能向膜外扩散 K K+ + i i、AA- - i i膜内电位膜内电位(负电场负电场) ) K K+ + o o膜内电位膜内电位(正电场正电场) )膜外为正、膜内为负的极化状态膜外为正、膜内为负的极化状态当扩散动力与阻力达到动态平衡时当扩散动力与阻力达到动态平衡时=RP=RP结论结论: :RPRP的产生主要是的产生主要是K K向膜外扩散的结果。向膜外扩散的结果。 RP=KRP=K+ +的平衡电位的平衡电位 Nernst公式公式： Ex= ln ( mv ) Ex为某离子的平衡电位，为某离子的平衡电位，R为气体常数，为气体常数，T为绝对为绝对温度，温度，F为法拉第常数，为法拉第常数，Z为原子价，为原子价，X+为单价，为单价，环境温度为环境温度为29.2C Ex= 2.302log ( mv)RTZFCiCo8.31 (2.92+273) 1031 96500CoCi= 61log= 61logCoCi证明：证明：NernstNernst公式的计算公式的计算 E EK K=RT/ZF=RT/ZFlnKlnK+ + O O/K/K+ + i i =61 logK =61 logK+ + O O/K/K+ + i i 同理可算出同理可算出E ENaNa, ,因因K K+ +的通透性大于的通透性大于NaNa+ +近近100100倍倍,E,EK K的权重明显大于的权重明显大于E ENaNa, ,故故RPRP是权重后的是权重后的E EK K和和E ENaNa的的代数和代数和, ,非常接近于非常接近于EKEK。 Hodgkin Hodgkin 和和 KatzKatz的实验的实验 在枪乌贼巨大神经纤维测得在枪乌贼巨大神经纤维测得RPRP值为值为-77mv,-77mv,与与NernstNernst公式的计算值（公式的计算值（-87mv-87mv）基本符合。）基本符合。 人工改变人工改变KK+ + O O/K/K+ + i i，RPRP也发生相应改变，也发生相应改变，如 ： 轴 突 管 内 置 换 等 张如 ： 轴 突 管 内 置 换 等 张 N a C l , R PN a C l , R P 消 失 （ 即消 失 （ 即KK+ + i iRPRP）。）。 膜内外膜内外离子离子浓度差浓度差 ( (动力动力) 平衡电位平衡电位 正离子正离子外外流流 电位差（阻力）电位差（阻力） RPRP的特点的特点：安静时，安静时，细胞膜上细胞膜上K K+ +通道开放，通道开放，K K+ +外流，形成内负外正相对恒定的直流电。外流，形成内负外正相对恒定的直流电。动作电位及其产生机制动作电位及其产生机制 1 1动作电位动作电位（action potentialaction potential）指可兴奋细胞受到指可兴奋细胞受到有效刺激有效刺激，在细胞膜两侧所产生的快速、在细胞膜两侧所产生的快速、可逆并可扩布的膜电位倒转。可逆并可扩布的膜电位倒转。细胞的动作电位（细胞的动作电位（AP） 阈电位阈电位 threshold potential，TP 能引发动作电位的临界膜电位值。能引发动作电位的临界膜电位值。 阈电位一般比阈电位一般比RPRP小小101020mV20mV。 如神经细胞如神经细胞RP=-70mVRP=-70mV，TP-55mVTP-55mV 达到达到阈电位阈电位后后,AP,AP幅度只取决于膜电位去极化幅度只取决于膜电位去极化程度、程度、NaNa+ +通道和通道和NaNa+ +电流之间的正反馈过程，而与电流之间的正反馈过程，而与外加刺激强度无关。外加刺激强度无关。 AP是细胞兴奋的标志。是细胞兴奋的标志。单一细胞产生单一细胞产生AP的特点：的特点： 只要刺激达到阈值即可产生只要刺激达到阈值即可产生AP，即使再增加，即使再增加 刺激强度，刺激强度，AP的幅度不再增加。的幅度不再增加。 AP不仅出现在受刺激的局部，它也可向周围不仅出现在受刺激的局部，它也可向周围 细胞膜传播，且大小不因传播距离而改变。细胞膜传播，且大小不因传播距离而改变。即即单一细胞的单一细胞的“全或无全或无”（all or none）现象：）现象：在同一细胞上在同一细胞上AP的大小不随刺激强度和传导距的大小不随刺激强度和传导距离的改变而变化。离的改变而变化。 膜内外膜内外Na+浓度比浓度比 约约 1 1 12( 12( 动力动力 ) 受刺激时受刺激时Na+通道通道 开放开放 ( 通透性通透性 ) 电位差（阻力）电位差（阻力） = 动作电位动作电位1 1、电化学驱动力（、电化学驱动力（去极化）：去极化）：细胞受刺激时细胞受刺激时 NaNa+ +通道开放，通道开放，NaNa+ +快快 速内流（速内流（内正外负）。内正外负）。NaNa+ +内内流流 浓度差（动力）浓度差（动力）Na +平衡电位平衡电位动作电位动作电位1.AP产生的产生的基本条件基本条件: :膜内外存在膜内外存在NaNa+ + 差差: :NaNa+ + i iNaNa+ + O O 110 110；膜在受刺激，使膜电位达到膜在受刺激，使膜电位达到阈电位阈电位（threshold threshold potentialpotential）时，引发动作电位。）时，引发动作电位。 即电压门控性即电压门控性Na+、K+通通道激活而开放道激活而开放。（三）动作电位的产生机制（三）动作电位的产生机制2.AP2.AP的产生机制的产生机制: :APAP上升支上升支APAP下降支下降支当细胞受到当细胞受到刺激刺激细胞膜上细胞膜上少量少量NaNa+ +通道激活而开放通道激活而开放NaNa+ +顺浓度差少量内流顺浓度差少量内流膜内外电位差膜内外电位差局部电位局部电位当膜内电位变化到阈电位时当膜内电位变化到阈电位时NaNa通道大量开放通道大量开放NaNa+ +顺电化学差和膜内负电位的吸引顺电化学差和膜内负电位的吸引再生式内流再生式内流 NaNa+ + i i、KK+ + O O激活激活NaNa+ +K K+ +泵泵2.AP2.AP的产生机制的产生机制: :膜内负电位减小到零并变为正电位（膜内负电位减小到零并变为正电位（APAP上升支上升支）NaNa+ +通道关通道关NaNa+ +内流停内流停+ +同时同时K K+ +通道激活而开放通道激活而开放K K顺浓度差和膜内正电位的吸引顺浓度差和膜内正电位的吸引K K迅速外流迅速外流膜内电位迅速下降，恢复到膜内电位迅速下降，恢复到RPRP水平（水平（APAP下降支下降支）NaNa+ +泵出、泵出、K K+ +泵回，泵回，离子恢复到兴奋前水平离子恢复到兴奋前水平后电位后电位结论：结论：APAP的上升支由的上升支由NaNa内流内流形成，下降支是形成，下降支是K K外流外流形成的，形成的，后电位是后电位是NaNaK K泵活动泵活动引起的。引起的。 APAP的产生是不消耗能量的，的产生是不消耗能量的，APAP的恢复是消的恢复是消耗能量的（耗能量的（NaNaK K泵的活动）。泵的活动）。 AP=NaAP=Na的平衡电位。的平衡电位。证明：证明：NernstNernst公式的计算公式的计算 APAP达到的超射值（正电位值）相当于计算所得达到的超射值（正电位值）相当于计算所得的的E ENaNa值。值。 应用应用NaNa通道特异性阻断剂河豚毒（通道特异性阻断剂河豚毒（TTX)TTX)后，后，内向电流全部消失。应用内向电流全部消失。应用K+K+通道特异性阻断剂通道特异性阻断剂（TEATEA，四已基胺 ) )后，外向电流消失。后，外向电流消失。+350-55-70时间（时间（ms）超射超射阈电位阈电位去极化后电位去极化后电位超极化后电位超极化后电位AP模式图模式图mv 单通道纪录单通道纪录 膜片钳膜片钳 (patch clamp)膜电导的分子基础通道的结构和功能特点膜电导的分子基础通道的结构和功能特点Na+通道的结构模式：通道的结构模式：H-H模式两门三模式两门三态态u激活门激活门(m)u失活门失活门(H)u静息态静息态u激活态激活态u失活态失活态 激活门激活门激活门激活门激活门激活门失活门失活门失活门失活门失活门失活门Na+Ca2+K+失活状态失活状态除极化除极化复极化复极化 NaNa+ +通道的失活和膜电位的复极通道的失活和膜电位的复极 通道的三种状态：通道的三种状态：激活（开放）、失活、关闭（备用状态）。激活（开放）、失活、关闭（备用状态）。 三种状态的形成机制：通道蛋白构型或构象的变化三种状态的形成机制：通道蛋白构型或构象的变化 Na+通道失活通道失活 去极化结束去极化结束； K+通道开放通道开放 复极化复极化 Na+通道失活通道失活 绝对不应期绝对不应期；部分失活；部分失活 相对不应期相对不应期 动作电位复极化完成后离子分布的恢复：动作电位复极化完成后离子分布的恢复：钠泵钠泵。 小结小结神经细胞神经细胞AP的形成的离子基础：的形成的离子基础： 升支升支:Na:Na+ +内流；内流； 降支降支:K:K+ +外流；外流； 静息水平静息水平: Na: Na+ +- K- K+ + 泵活动泵活动, ,离子恢复静息离子恢复静息 时的分布状态；时的分布状态； 负后电位负后电位( (后去极化后去极化) ): :复极时复极时外流外流的的K K+ +蓄积在膜蓄积在膜外外, ,阻碍了阻碍了K K+ +外流；外流； 正后电位正后电位( (后超极化后超极化) ): :生电性