组织胚胎学第二章细胞生理.ppt

第二章细胞生理 CellPhysiology 一 细胞膜的基本结构与物质转运功能 二 细胞间的信息传递 学习目的和要求 了解细胞膜的结构和特性 掌握细胞膜物质转运的主要方式和机理 理解细胞膜的受体功能 掌握细胞主要信号转导系统的功能 自学细胞生长 增殖 凋亡及细胞保护的概念 掌握细胞兴奋性的概念与生物电现象产生的机理 细胞生理 液态镶嵌模型 Fluidmosaicmodel 膜以液态的脂质双分子层为支架 其中镶嵌的不同结构和功能的蛋白质 Singer Nicolson1972 一 细胞膜的结构特点 细胞生理 膜脂 磷脂 胆固醇 膜蛋白 镶嵌于脂质双层 介导细胞功能的实现 膜糖 糖脂 糖蛋白 起细胞标识的作用 构成膜的骨架 脂质双分子层 功能 液态 流动性 稳定性构成细胞膜的基架和细胞膜与外界环境的屏障意义 细胞可以承受相当大的张力和外形改变而不破裂 而且即使膜结构有时发生一些较小的断裂 也可以自动融合而修复 仍保持膜的完整性 蛋白质 特点 分子大小不同形态不同镶嵌在膜内的深浅不同功能不同 蛋白质功能 形成细胞的骨架蛋白 可使细胞膜附着在另一细胞的膜上 或使其附着在细胞内或细胞外的某物质上 作为 识别蛋白质 存在于免疫细胞膜上 能识别异体细胞的蛋白质或癌细胞 具有酶的特性 能催化细胞内外的化学反应 作为 受体蛋白质 能与信息传递物质 激素或递质 进行特异性结合 并引起细胞反应 作为转运蛋白质或载体蛋白 通道蛋白质和膜泵与细胞膜的物质转运功能有关 糖类 免疫标志 传递信息 功能 由于细胞膜是以脂质双分子为骨架 所以 脂质双分子层具有稳定性和流动性 使细胞具有能承受相当大的张力 改变外形时不致于破裂 具有不对称性 不同细胞的细胞膜和细胞膜的不同部分 因脂质的成分和含量不完全相同而影响到细胞膜的特性和功能 限制水和水溶性物质自由通过细胞膜 使膜具有选择性通透 表 细胞膜的结构与功能 二 细胞膜的物质转运功能 简单扩散 Simplediffusion 易化扩散 Faciliateddiffusion 主动转运 Activetransport 入胞和出胞作用 EndocytosisandExocytosis 细胞生理 简单扩散 Simplediffusion 靠这种方式进行转运的物质较少 例如 二氧化碳 氧气 条件 1 细胞膜两侧存在物质的浓度差或电位差 指一些小的脂溶性物质依靠分子运动从浓度高的一侧通过细胞膜的脂质双分子层向浓度低的一侧扩散的方式 2 细胞膜对该物质有通透性 细胞生理 易化扩散 Facilitateddiffusion 某些物质能够依靠细胞膜上的特殊蛋白的帮助 顺电 化学梯度 由高 低 通过细胞膜的转运方式 分类 1 载体介导的易化扩散 特点 1 顺电 化学梯度进行转运 转运过程不消耗ATP 2 转运过程中必须有膜蛋白的帮助 介导 2 离子通道介导的易化扩散 细胞生理 载体介导的易化扩散 a 具有高度的结构特异性b 具有饱和现象 扩散量与浓度梯度成正比 但浓度梯度大时 扩散量与载体数有关c 存在竞争抑制 载体能转运A B两种物质 结构相似 增A抑制B 载体介导的易化扩散的特点 离子通道介导的易化扩散 某些离子必须借助于膜上的通道才能通过细胞膜由高浓度向低浓度一侧扩散的转运方式 离子通道介导的易化扩散特点 A 速度快B 有选择性 但不像载体那样严格 C 门控 化学 配体 门控通道电压门通道机械门控通道 细胞膜上的离子通道主要有3类 D 通道没有饱和性 细胞生理 特点 主动转运 Activetransport 在细胞膜上载体的帮助下 通过消耗ATP 将某种物质逆浓度梯度进行转运的过程 1 逆浓度梯度转运 2 耗能 ATP 意义 细胞能按照其新陈代谢的要求主动地选择所需要的物质 主动转运 据提供能量方式 原发性主动转运 继发性主动转运 直接利用ATP水解产生的能量进行离子的跨膜转运 如Na 的转运 能量不是直接来自ATP的水解 来自膜外的高势能Na 钠泵 sodiumpump A 是镶嵌蛋白质 B 能逆着浓度差将细胞内的Na 移出膜外 细胞外的K 移入膜内 C 主要是由于它本身还具有ATP酶的活性 激活 细胞内Na 增加或细胞外K 增加时激活作用 泵入K 泵出Na 形成并保持膜内高钾膜外高钠的分布 细胞膜上的钠泵活动的意义 A 造成细胞内高K 是许多代谢反应进行的必要条件B 维持细胞正常形态C 建立起一种势能贮备 即Na K 在细胞膜内外的不均匀分布 细胞内 K 是外的30倍 细胞外 Na 是内的12倍 膜上的离子通道一旦开放 Na 或K 便迅速顺浓度差进行跨膜扩散 这也是可兴奋细胞 组织 兴奋的基础D 钠泵活动造成的Na 浓度梯度也是继发性主动转运的动力 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 不需细胞提供能量 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 细胞生理 是指某些物质与细胞膜接触 导致接触部位的质膜内陷以包被该物质 然后出现膜结构融合和断裂 使该物质连同包被它的质膜一起进入胞浆的过程 含吞饮 Pinocytosis 和吞噬 Phagocytosis 出胞作用 Exocytosis 出胞与入胞相反 指某些大分子物质或颗粒从细胞排出的过程 主要见于细胞的分泌活动等 入胞作用 Endocytosis 细胞生理 存在的部位不同可分为细胞膜受体 胞浆受体和核受体 三 细胞膜的受体功能 受体 receptor 细胞拥有的能够识别和选择性结合某种配体 化学物质 的蛋白质大分子 它与配体结合后 启动一系列过程 最终引发细胞的生物学效应 分类 膜受体的特征 a 特异性特定的受体只能与特定的物质结合 产生特定的效应 b 饱和性膜受体仅占膜蛋白的1 2 数量是有限的 与化学信号的结合也是有一定限度的 c 可逆性受体与化学物质是以非共价键结合 因此在某种情况下也可分离 并可再次与同类化学物质结合 膜受体的激动剂和阻断剂 细胞生理 2 细胞的生物电现象及其产生机制 1 细胞膜的信号转导系统 四 细胞间的信息传递 动物体各种器官之间的功能协调以及整体统一性的维持主要依靠组织与组织之间 细胞与细胞之间的信息传递来完成的 细胞生理 各种化学物质以及非化学性的外界刺激信号 大多数作用到细胞膜上 通过跨膜信号传递 transmembranesignaling 引起细胞功能活动的改变 一 细胞膜的信号转导系统 外界刺激信号作用靶细胞时 通常并不进入细胞或直接影响细胞内过程 而是作用于细胞表面 通过膜结构中特殊蛋白质分子的变构 将外界环境变化的信息以新的信号形式传递到膜内 再引发靶细胞相应功能的变化 这个过程称为跨膜信号转导 跨膜信号转导过程 外界信号细胞膜表面一种或几种膜蛋白分子构象改变新的信号进入胞内膜电位或其他功能变化 第一信使 激素 神经递质和细胞因子 第二信使 细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内的信号分子 第一信使 细胞外的信号分子 第二信使 环磷酸腺苷 cAMP 环磷酸鸟苷 cGMP 三磷酸酰肌醇 IP3 二酰甘油 DG 钙离子和NO等 功能是为调节各种蛋白激酶的活性和离子通道 细胞生理 根据参与信号转导蛋白质种类的不同可将信号转导系统分为以下三大类 1 G蛋白耦联受体介导的信号转导 2 酶耦联受体介导的信号转导 3 离子通道介导的信号转导 细胞生理 G蛋白耦联受体介导信号转导的主要步骤 配体 受体 腺苷酸环化酶依赖于cGMP的磷酸二酯酶磷酯酶CCa2 或K 通道 蛋白激酶A PKA 蛋白激酶C PKC Na K 和Ca2 通道蛋白 环磷酸腺苷 cAMP 环磷酸鸟苷 cGMP 三磷酸酰肌醇 IP3 二酰甘油 DG 钙离子和NO等 G蛋白偶联受体 环腺苷酸信号转导系统 G蛋白偶联受体 肌醇信号转导系统 1 无G蛋白参与 2 无第二信使产生和胞浆中蛋白激酶的激活 3 该受体的膜内肽段具有磷酸激酶活性 磷酸化的位点是底物蛋白中的酪氨酸残基 并由此实现细胞外信息对细胞功能的调节 酶耦联受体介导的信号转导 1 作用特点 具有酪氨酸激酶的受体受体具有酪氨酸激酶的结构域 当细胞外的信号分子与它的受体位点结合时 直接激活自身的酪氨酸激酶结构域 导致受体自身或细胞内靶蛋白的磷酸化 结合酪氨酸激酶的受体受体本身没有蛋白激酶的结构域 但与配体结合后被激活 可和细胞内的酪氨酸蛋白激酶形成复合物 并通过对自身和底物蛋白的磷酸化作用 把信号传入细胞内 具有鸟苷酸环化酶受体该受体也只有一个跨细胞膜的 螺旋 其膜内侧有鸟苷酸环化酶 当配体与它结合后 即将鸟苷酸环化酶激活 催化细胞内GTP生成cGMP cGMP又可激活蛋白激酶G PKG PKG促使底物蛋白质磷酸化 产生效应 离子通道介导的跨膜信号转导 电压门控通道 voltagegatedchannel 接受电信号的受体 并通过通道的开放 闭合和离子跨膜流动的变化把信号传递到细胞内部 机械门控通道 mechanicallygatedchannel 接受机械信号的受体 通过通道把信号传递到细胞内部 引起细胞功能的改变 化学门控通道 chemicallygatedchannel 接受化学信号的受体 只有在同特异性化学物质结合时才开放 把信号传递到细胞内部 引起生理效应 如细胞膜上乙酰胆碱受体只有在与乙酰胆碱结合时才开放 属于化学门控通道 许多低等动物或动物的某些细胞如 平滑肌细胞 心肌细胞及中枢的某些神经细胞之间存在着缝隙连接 gapiunction 当某些因素存在时 在缝隙连接处的两侧膜蛋白颗粒发生对接 形成沟通相邻细胞浆的通道 而在另一些因素存在时 沟通的通道消失 细胞间通道 细胞生理 1 细胞的静息电位 Restingpotential 2 细胞的动作电位 Actionpotential 3 兴奋的引起与传导 一个活的细胞无论是它处于安静状态还是活动状态都是存在电活动 这种电活动称为生物电现象 其中包括静息电位和动作电位 二 细胞的生物电现象及其产生机制 细胞生理 静息电位 细胞在静息状态下存在于细胞膜两侧的电位差 称为静息电位 也称跨膜静息电位或膜电位 静息电位产生的机制 细胞生理 静息电位 静息电位产生的机制 在静息状态下 细胞膜内K 的高浓度和安静时膜主要对K 的通透性 是大多数细胞产生和维持静息电位的主要原因 K 的平衡电位 膜内外K 的浓度差是外流动力 易化扩散 电位差是外流阻力 RP的大小主要决定于膜对K 的通透性和膜内外K 的浓度差 静息电位 极化 polarization 膜两侧存在的内负外正的电位状态 去极化 Depolarization 膜电位绝对值逐渐减小的过程 复极化 Repolarization 膜电位去极化后逐步恢复极化状态的过程 超极化 Over polarization 膜电位绝对值高于静息电位的状态 术语 静息电位产生的机制 细胞生理 动作电位 动作电位产生的机制 指可兴奋细胞受到刺激而兴奋时 在静息电位的基础上膜两侧的电位发生快速而可逆的倒转和复原的过程 细胞生理 动作电位 动作电位产生的机制 第一阶段 动作电位上升支的形成 去极化相的形成 产生原因 由于刺激引起膜对Na 的通透性瞬间增大 Na离子通道被激活 膜外的Na 内流 使膜电位由 70mV增加至0mV 进而上升为 30mV Na 通道随之失活 细胞生理 动作电位 动作电位产生的机制 第二阶段 动作电位下降支形成 Na 通道失活后 膜恢复了对K 的通透性 大量的K 外流 使膜电位由正值向负值转变 形成了动作电位的下降支 动作电位是在极短的时间内产生的 因此 在体外描记的图形为一个短促而尖锐的脉冲图形 似山峰般 称为峰电位 Spikepotential 细胞生理 动作电位 动作电位产生的机制 第三阶段 后电位的形成 当膜电位接近静息电位水平时 K 的跨膜转运停止 随后 膜上的Na K 泵 Na K ATP酶 被激活 将膜内的Na 离子向膜外转运 同时 将膜外的K 向膜内运输 形成了负后和正后电位 阈电位 能使Na 通道突然大量开放并引发动作电位的临界膜电位值 是可兴奋细胞兴奋性的重要功能指标 大约比正常RP的绝对值小10 20mV 细胞生理 局部电流学说 细胞膜上任何一个部位受刺激后所产生的动作电位 都可以沿着细胞膜向周围扩布 使兴奋部位与未兴奋部位之间形成局部电流 导致整个细胞膜都经历一次跨膜离子移动 实现动作电位在膜上的传导 动作电位的传导 跳跃式传导 有髓神经纤维的髓鞘有电绝缘性 局部电流只能产生在两个郎飞结之间 细胞生理 兴奋的引起 一切活组织在受到刺激时 都能够应答性地出现一些特殊的反应和暂时性的机能改变 可兴奋组织 Exitabletissue 受到刺激时 能够产生动作电位的组织 兴奋性的变化 兴奋 Exitation 细胞受到刺激后产生动作电位的过程 兴奋性 Exitability 细胞受到刺激后具有产生动作电位的能力 五 细胞的兴奋性 细胞生理 兴奋的引起 刺激 引起组织产生反应的各种内外环境的变化 刺激引起兴奋的条件 刺激强度刺激时间刺激强度对于时间的变化率 兴奋性的变化 上述三种条件均达到阈值才能引起兴奋 细胞生理 兴奋的引起 在比较不同组织的兴奋性时 采用强度 时间曲线较困难 因此 一般固定刺激时间 仅采用刺激强度大小来判断 阈刺激 产生动作电位所需的最小刺激强度 阈上刺激 大于阈刺激的刺激强度 阈下刺激 小于阈刺激的刺激强度 阈下刺激不能引起动作电位或组织 细胞的兴奋 但并非对组织细胞不产生任何影响 兴奋性的变化 1 刺激强度越大 所需作用时间越短 反之亦然 2 兴奋性低 曲线位于右上方 兴奋性高 曲线位于左下方 兴奋性越高 阈刺激就越小 神经细胞的兴奋性最高 兴奋的引起 兴奋性的变化 刺激作用时间与反应的关系过短 不能引起反应 过长 细胞将发生适应 强度 时间曲线刺激强度与刺激作用时间呈负相关 用图解表示可得到接近于等边双曲线式的强度 时间曲线 但曲线两端并不是无限接近纵 横坐标轴 而是达到某点后变成与坐标轴平行 兴奋的引起 兴奋性的变化 时间总和 当两个或两个以上的刺激引起的局部兴奋叠加起来 也可能使膜去极化达到阈电位水平而产生一次可传播的动作电位的现象 空间总和 当细胞膜相邻两处或两处以上同时受到阈下刺激的刺激时 所以起的局部兴奋也可能叠加起来而产生一次动作电位的现象 细胞受到阈下刺激时并非毫无反应 只是反应很微弱 仅局限于受刺激的局部 不能传向远处 绝对不应期 在兴奋后的最初一段时间 无论施加多么强的新的刺激也不能使细胞再次兴奋 这段时间称为绝对不应期 相对不应期 在绝对不应期之后一段时间内 细胞的兴奋性逐渐恢复 但还没有达到正常水平 原来的阈刺激不能引起反应 需要阈上刺激才能引起反应 超常期 在相对不应期过后一段时间内 有的细胞的兴奋性略高于正常水平 低常期 超常期后细胞的兴奋性又降低至正常水平以下的时期 1 绝对不应期 锋电位上升支与下降支初期特点 对任何刺激均不产生反应 2 相对不应期 锋电位下降支的后期特点 对阈上刺激反应 3 超常期 负后电位特点 对阈下刺激产生反应 4 低常期 正后电位特点 对阈上刺激产生反应 细胞生理 兴奋的引起 兴奋性的变化 细胞生理 动作电位的特点 兴奋传导的特点 全或无 现象 不论何种性质的刺激 只要达到一定的强度 在同一细胞所引起的动作电位的波形和变化过程都是一样的 并且在刺激强度超过阈刺激以后 即使再增加刺激强度 也不能使动作电位的幅度进一步加大的现象 不衰减传导 在同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象 不融合传导 动作电位之间总有一定间隔 不会重合 叠加在一起 双向传导 动作电位从受刺激的兴奋部位向两侧未兴奋部位传导 图动作电位的组成和形成机制 判断 1 静息电位是K 外流达到动态平衡的结果 2 静息电位的高低取决于细胞膜内外K 浓度差 3 静息电位乃细胞内K 外流而形成 故随细胞外K 浓度的增加而增加 填空 1 静息电位大小取决于 和 2 可兴奋细胞的兴奋标志是产生 选择 1 降低细胞外液K 浓度 静息电位 A 增大B 减小C 不变2 细胞内外离子浓度差的维持主要依靠 A 细胞内外K 浓度的恒定B 细胞内外Na 浓度的恒定 C 细胞膜Na K 泵的活动 3 神经细胞动作电位上升支形成的原因是 A Ca2 内流B Na 内流C K 内流D Cl 内流思考题 试述AP的形成 判断 1 只要刺激达到一定强度 组织一定会发生反应 2 组织兴奋性越高 其所需的刺激阈值越大 3 组织对刺激反应越快 其兴奋性越高 选择 1以下关于兴奋性的概念 哪一项正确 A兴奋性可分为兴奋和抑制B兴奋性是组织细胞对刺激发生反应的特性 C兴奋性是组织细胞能兴奋的特性 D兴奋性是组织细胞受刺激发生兴奋的能力 2 衡量组织兴奋性的高低指标是A引起动作电位所需刺激的强度B动作电位的大小C动作电位的传导速度3 组织器官的活动加强称为 A兴奋性B兴奋C紧张 4 阈刺激是 A能引起反应的刺激B能引起反应的最大刺激强度C能引起反应的最小刺激强度 填空 1 刺激必须具备以下三个条件 即 和 才能引起反应 2 引起细胞兴奋的刺激阈值越小 其兴奋性 3 一次刺激后 细胞兴奋性变化的四个阶段依次为 和 思考题 简述细胞兴奋性的变化 试述神经细胞兴奋时兴奋性变化的过程及其生理意义 过程 兴奋性发生周期性变化 依次为 绝对不应期 相对不应期 超常期和低常期 绝对不应期 兴奋性为零 阈刺激无限大 钠通道失活 相对不应期 兴奋性从无到有 阈上刺激可再次兴奋 钠通道部分复活 超常期 兴奋性高于正常 阈下刺激即可引起兴奋 膜电位接近阈电位水平 钠