细胞的基本功能.ppt

0,第二章 细胞的基本功能,生理教研室,( Basic Function of the Cell ),1,内 容 提 要,细胞膜的结构和 物质转运功能,细胞的信号转导,细胞的电活动,肌细胞的收缩,细胞膜的结构和物质转运功能,第一节,3,一、细胞膜的结构概述,( The structure of the cellular membrane ),4,细胞膜和细胞器膜主要由脂质（lipid）和蛋白质（protein）组成，此外还有极少量的糖类物质。,膜是以液态的脂质双分子层为基架，其间镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质。,5,（一）脂质双分子层 膜的脂质主要由磷脂(phospholipid)和胆固醇(cholesterol)组成。以脂质双分子层(lipid bilayer)的形式存在于细胞膜。,6,（二）细胞膜的蛋白 根据功能可分为酶蛋白、转运蛋白、受体蛋白等。根据在膜上的存在形式，可分为表面蛋白(peripheral protein)和整合蛋白(integral protein)。,（三）细胞膜的糖类 质膜中糖类含量约2%-10%，主要是一些寡糖和多糖链以共价键形式与膜蛋白或膜脂质结合，生成糖蛋白(glycoprotein)或糖脂(glycolipid)。,7,二、物质的跨膜转运,( Transmembrane transport of solutes ),8,经通道易化扩散,9,（一）单纯扩散(simple diffusion) 1、概念：脂溶性和少数分子很小的水溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。,10,2、特点: 扩散的方向和速度取决于该物质在膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性，后者取决于物质的脂溶性和分子大小。,3、转运的物质： O2、CO2、N2 、水、乙醇、尿素、甘油等。,11,1、通道介导的跨膜转运,又称离子通道（ion channal），所有的离子通道均无分解ATP的能力，因此通道介导的跨膜转运都是被动的，称为经通道易化扩散。,（二）膜蛋白介导的跨膜转运,12,转运的物质： Na、K、Ca2、Cl等带电离子,特点：离子选择性（ionic selectivity） 门控（gating）特性,13,2、载体介导的跨膜转运,载体也称转运体，是介导小分子物质跨膜转运的另一类膜蛋白。,特点： 饱和现象（saturation）； 竞争抑制（competitive inhibition）,14, 经载体易化扩散,转运的物质： 葡萄糖(GL)、 氨基酸(AA) 核苷酸等,水溶性小分子溶质经载体介导顺浓度梯度和（或）电位梯度进行的被动跨膜转运。,15, 原发性主动转运（primary active transport）,离子泵利用分解ATP产生的能量将离子逆浓度梯度和（或）电位梯度进行跨膜转运的过程。,哺乳动物细胞上普遍存在的离子泵有：,16,当Na+i， K+o时，都可被激活，ATP分解产生能量，将胞内的3个Na+移至胞外和将胞外的2个K+移入胞内。,Na+-K+泵： 即Na+-K+-ATPase，简称钠泵,17,. 胞内高K是许多代谢反应的必要条件 . 维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定 . 建立势能贮备，为其它一些物质的转运提供动力,排钠摄钾,Na+-K+泵的生理意义：,18,继发性主动转运（secondary active transport）,概念：间接利用能量进行物质转运的方式，称为继发性主动转运。 物质在逆浓度梯度或逆电位梯度转运时，能量不直接来自ATP的分解，而是来自原发性主动转运在膜两侧形成的离子浓度梯度（浓度势能差）。,19,同向转运 反向转运,20,被动转运 (passive transport),不耗能（转运动力依赖物质的电-化学梯度所贮存的势能）,顺电-化学梯度进行,主动转运 (active transport),需要消耗能量，能量由分解ATP来提供,逆电-化学梯度进行,21,（三）出胞和入胞,一些大分子物质或团块进出细胞，是通过细胞本身的吞吐活动进行的。,1、出胞（exocytosis） 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。 主要见于细胞的分泌过程，如激素、神经递质、 消化液的分泌。,22,2、入胞（endocytosis） 指细胞外的大分子物质或团块借助于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程。,23,24,经通道易化扩散,第二节,细胞的跨膜信号转导,26,Cellular Transmembrane Signal Transduction,27,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：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、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： 离子通道型受体介导的信号转导 G蛋白耦联受体介导的信号转导 酶联型受体介导的信号转导,28,离子通道大体有：化学、电压、机械性门控通道,化学性胞外信号(Ach),一、离子通道型受体介导的信号转导,29,二、G蛋白耦联受体介导的信号转导,（一）主要的信号蛋白 1、G蛋白耦联受体(7次跨膜受体)： 2、G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）：,3、G蛋白效应器：酶和离子通道 如：AC、PLC、PDE、磷脂酶A2,30,4、第二信使： cAMP（环一磷酸腺苷）、 cGMP （环一磷酸鸟苷） 、 Ca2+ IP3 （三磷酸肌醇） 、DG （二酰甘油）,作用的基本过程： 配体受体受体变构，与G蛋白结合，G蛋白激活亚基 GTP 形成- GTP复合物， -二聚体 - GTP与效应器结合 第二信使激活蛋白激酶，产生生物效应,31,1、受体G蛋白AC途径,神经递质、激素等（第一信使）,兴奋性G蛋白( Gs ),激活腺苷酸环化酶(AC),ATP,cAMP（第二信使）,细胞内生物效应,激活cAMP依赖的蛋白激酶A,与G蛋白耦联受体结合,激活G蛋白(与、亚单位分离),（二）G蛋白耦联受体信号转导的主要途径,32,2、受体G蛋白PLC途径,激素（第一信使）,兴奋性G蛋白( Gs ),激活磷脂酶C (PLC),PIP2,IP3 和 DG （第二信使）,激活 蛋白激酶C,内质网 释放Ca2+,激活G蛋白(与、亚单位分离),细胞内生物效应,结合G蛋白耦联受体,33,三、酶联型受体介导的信号转导,生长因子,与受体酪氨酸激酶结合,细胞内生物效应,特点： 信号转导与G蛋白无关； 无第二信使的产生； 无胞质中蛋白激酶的激活。,受体本身具有酶的活性，又称受体酪氨酸激酶。,细胞的电活动,第三节,35,恩格斯在100多年前总结自然科学成就时指出：“地球几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象”；生物体当然也不例外。事实上，在埃及残存史前古文字中，已有电鱼击人的记载；但对于生物电现象的研究，只能是在人类对于电现象一般规律和本质有所认识以后，并随着电测量仪器的精密化而日趋深入。 活的细胞或组织不论在安静还是活动时，都具有电的变化，称为生物电现象。（bioelectricity phenomenon）,36,19世纪中叶，使用电位计观察电变化 20世纪初，利用阴极射线示波器、微电极观察神经干动作电位 20世纪50年代，利用电压钳技术研究离子通道 20世纪70年代，建立和发展膜片钳技术，观察单一离子通道电流。,一、生物电现象的观察和记录方法,37,阴极射线示波器及有关设备,38,39,两电极均在膜外，电流计无摆动，说明膜外两处电位相等,将一电极插入膜内，瞬间出现电流计摆动，说明细胞内外存在电位差,40,膜电位（membrane potential）,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。 细胞的生物电现象有两种表现形式： 安静时的静息电位 兴奋时的动作电位,41,二、静息电位及其产生机制,（一）静息电位（resting potential，RP） 细胞安静时，存在于细胞膜内外两侧的电位差，称为跨膜静息电位，简称静息电位。 体内所有细胞的静息电位都表现为内负外正状态。通常规定膜外电位为0，则膜内电位大都在10100mV之间。 静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位（一些有自律性的心肌细胞和胃肠平滑肌细胞例外），只要细胞未受到外来刺激而且保持正常的新陈代谢，静息电位就稳定在某一相对恒定的水平。,42,0 mv,去极化,复极化,超极化,30 mv,反极化或超射,-30mv,-60mv,极化,骨骼肌 静息电位,-90mv,-120mv,-150mv,43,（二）静息电位产生的机制 1、条件,膜外有较多的Na和Cl，膜内有较多的K和带负电荷的有机物大分子,静息时膜主要对K+离子具有通透能力,44,2、K平衡电位（Ek） 安静时细胞膜对K通透性较高，大约是Na+的10100倍。 K顺化学浓度差外流，膜外电位升高，膜内电位降低，形成电场力阻止K外流，两种力量（电化学驱动力）达到平衡，形成内负外正的静息电位。 通常，静息电位的绝对值要比K平衡电位的理论值要小一些。,45,K平衡电位,46,三、动作电位及其产生机制,（一）动作电位（action potential，AP） 可兴奋细胞接受刺激发生兴奋时产生的可传播的迅速、短暂的膜电位变化过程。,47,神经纤维动作电位,48,（二）动作电位的产生机制 当细胞受到刺激时，Na通道被“激活”而发生变构，大量Na通道开放，Na迅速内流入膜内，膜内负电位随着正电荷的进入而迅速被抵消，膜内出现正电位，形成动作电位。 当Na内流的动力与阻力达到平衡时，膜两侧的电位差达到了一个新的平衡点，即Na平衡电位。,49,去极化与Na内流的正反馈,50,用不能透过细胞膜的蔗糖或氯化胆碱替代细胞浸浴液中的Na, 细胞外液的Na浓度减小而渗透压不变，这时所发生的动作电位幅度减小，减小的程度与Na平衡电位减小的预期值相一致。,51,上升支：细胞受刺激时，膜对Na+的通透性增加，引起Na内流，这一过程可被Na+通道阻断剂河豚毒素（TTX）阻断。 下降支： Na+通道关闭， K通道开放， K外流引起。这一过程可被K通道阻断剂四乙胺（TEA）阻断。 恢复期：随后钠泵工作，泵出Na 、泵入K ，恢复膜两侧原浓度差。,52,动作电位的产生机制,53,阈电位（threshold potential） 当去极化使膜电位达到某个临界值时，细胞膜上的电压门控Na通道被激活，大量Na内流而产生动作电位，这一临界值称为阈电位。,凡是能引起细胞兴奋的外加刺激，必定是其强度和作用时间等参数足以使膜电位去极化到阈电位的那些刺激，也就是说，外部给细胞一个阈刺激，可使细胞的膜电位到达阈电位因而爆发动作电位。,54,55,“全或无” 动作电位的幅度是由膜电位、Na通道和Na电流间的正反馈过程决定的，外加刺激仅起触发这一过程的作用,56,（三）动作电位的传播,传导：兴奋在同一细胞上传播的过程。 局部电流：已兴奋处和未兴奋处因电位差而引起的电荷移动。,57,58,跳跃式传导（saltatory conduction）： 有髓神经纤维产生兴奋时，只有郎飞结处的轴突膜出现膜内外的离子流动，兴奋只能通过郎飞结处相继发生去极化而传导。,59,60,有髓纤维和无髓纤维传导速度比较：,有髓鞘神经纤维的兴奋传导速度要比无髓鞘神经纤维快，这对于高等动物缩短对外界刺激作出反应的时间有重要意义。,61,四、局部电位（local potential）,阈下刺激产生的电变化较小，仅限于受刺激局部的细胞膜而不能向远处传播，称为局部电位。局部电位可提高细胞膜的兴奋性。 局部电位的特点： 非“全或无”、电紧张传播、总和,62,（一）兴奋和可兴奋细胞 兴奋（excitation）： 细胞对刺激发生反应的过程。即发生动作电位的过程。 可兴奋细胞（excitable cell）： 凡在受刺激后能产生动作电位的细胞。一般包括：神经细胞、肌细胞、腺细胞。,五、可兴奋细胞及其兴奋性,63,2、刺激引起兴奋的条件,为了研究刺激的各参数之间的相互关系，可将其中一个参数值固定，观察其余两个参数的相互影响。,（二）组织的兴奋性和阈刺激 1、兴奋性（excitability） 可兴奋细胞受到刺激后产生动作电位的能力。,64,可兴奋组织的强度时间曲线,65,3、衡量组织兴奋性高低的指标,阈值：即阈强度（threshold intensity），指在刺激作用时间和时间强度变化率不变的条件下，能引起组织细胞兴奋所需的最小刺激强度，达到这种强度的刺激称为阈刺激（threshold stimulus） 。 阈值大，兴奋性低。阈值小，兴奋性高。,66,4、引起细胞兴奋的方式,给予一个阈刺激，使静息电位降低 到阈电位，从而爆发动作电位。 给予多个阈下刺激，使局部反应发生总和，从而使静息电位降低到阈电位水平，导致动作电位的发生。,67,（三）细胞兴奋后兴奋性的变化,1、兴奋性的周期变化,绝对不应期,低常期,超常期,相对不应期,69,2、变化的本质：离子通道机制,离子通道存在三种功能状态：备用，激活和失活状态。这些状态以通道蛋白质内部的构型变化为基础。,70,局部电位和动作电位的比较,肌肉的收缩功能,第四节,72,Contractile Properties of Skeletal Muscle Cells,73,前 言,人体各种形式的运动，主要是靠一些肌细胞的收缩活动来完成的。但从分子水平来看，各种收缩活动都与细胞内所含的收缩蛋白质，主要与肌凝蛋白和肌纤蛋白的相互作用有关；收缩和舒张过程的控制，也有某些相似之处。本节以研究最充分的骨骼肌为重点，说明肌细胞的收缩机制。,74,一、横纹肌,75,囊泡内含 ACh，并以囊泡为单位释放ACh（量子释放）。 约50-60nm。 又称终板膜，存在ACh受体（N2受体），能与ACh发生特异性结合。无电压门控性Na+通道。,1、神经肌接头（neuromuscular junction）的结构,（一）骨骼肌神经肌接头处兴奋的传递,76,2、神经肌接头处的兴奋传递过程,当神经冲动传到轴突末 膜Ca2+通道开放，膜外Ca2+向膜内流动 接头前膜内囊泡移动、融合、破裂，囊泡中的ACh释放（量子释放） ACh与终板膜上的N2受体结合，受体蛋白分子构型改变 终板膜对Na+、,K+（尤其是Na+）通透性 终板膜去极化 终板电位（endplate potential，EPP） EPP电紧张性扩布至肌膜 去极化达到阈电位 爆发肌细胞膜动作电位,77,78,3、神经肌接头处的兴奋传递特征, 是电化学电的过程： 神经末梢AP ACh受体 EPP 肌膜AP 具有一对一的关系： . 接头前膜传来一个AP，便能引起肌细胞兴奋和收缩一次（因每次ACh释放的量，产生的EPP是引起肌膜AP所需阈值的34倍）。 . 神经末梢的一次AP只能引起一次肌细胞兴奋和收缩（因终板膜上含有丰富的胆碱酯酶，能迅速水解ACh）。,79,4、影响神经肌接头处兴奋传递的因素, 阻断ACh受体：箭毒和银环蛇毒，肌松剂。 抑制胆碱酯酶活性：有机磷农药，新斯的明。 自身免疫性疾病：重症肌无力（抗体破坏ACh受体），肌无力综合征（抗体破坏神经末梢Ca2+通道）。 接头前膜ACh释放：肉毒杆菌中毒。,80,（二）横纹肌细胞的微细结构,81,肌节 = 1/2明带暗带1/2明带 = 2条Z线间的区域,1、肌原纤维和肌节,肌节（sarcomere） 肌原纤维上每一段位于两条Z线之间的区域，称为肌节。是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。,82,2、肌管系统,横管系统：T管（肌膜内凹而成，肌膜AP沿T管传导）。 纵管系统：L管（也称肌浆网，肌节两端的L管称终池，富含Ca2+）。 三联管：T管+ 两侧终池,83,（三）横纹肌的收缩机制,84,1、肌丝的分子组成与横桥运动,横桥：能与细肌丝上的结合位点发生可逆性结合; 具有ATP酶的作用，与结合位点结合后,分解ATP提供横桥扭动（肌丝滑行）和作功的能量。,85,86,2、肌肉收缩的过程,终池膜上的钙通道开放，终池内的Ca2+进入肌浆,87,88,89,（四）横纹肌的兴奋收缩耦联,主要包括三个步骤： 肌膜电兴奋的传导 指肌膜产生AP后，AP由横管系统迅速传向肌细胞深处，到达三联管和肌小节附近。 三联管处的信息传递 （尚不很清楚） 肌浆网（纵管系统）中Ca2+的释放 指终池膜上的钙通道开放，终池内的Ca2+顺浓度梯度进入肌浆，以及Ca2+由胞浆向肌浆网的再聚集。 所以，Ca2+是兴奋收缩耦联的耦联物,90,91,（五）影响横纹肌收缩效能的因素,肌肉收缩的外部表现,等长收缩：肌肉收缩时，只有张力增加而长度不变的 收缩，称为等长收缩。 等张收缩：肌肉收缩时，只有长度缩短而张力不变的 收缩，称为等张收缩。, 具体收缩形式与肌肉收缩时所遇到的负荷大小有关: 当负荷小于肌张力时，出现等张收缩； 当负荷等于或大于肌张力时，出现等长收缩； 正常人体骨骼肌的收缩大多