生理学教学课件：第二章 细胞的基本功能 1

1、第二章第二章 细胞的基本细胞的基本 功能功能 16651665年，年，HookeHooke用用 自制的显微镜观察软自制的显微镜观察软 木的薄片是由许多类木的薄片是由许多类 似蜂巢的小室组成似蜂巢的小室组成 （细胞壁），这些小（细胞壁），这些小 室用拉丁文命名为室用拉丁文命名为 cellarcellar，后来用英文的，后来用英文的 cell cell 表示细胞表示细胞 18381838年，德国学者年，德国学者SchleidenSchleiden和和SchwannSchwann创立创立 了细胞学说了细胞学说被恩格斯誉为是被恩格斯誉为是1919世纪自然世纪自然 科学的三大发现之一科学的三大发现之一

2、。 19251925年，生物学大师年，生物学大师WilsonWilson提出：提出：“一切一切 生命的关键问题都要到细胞中去寻找生命的关键问题都要到细胞中去寻找”。 最基本的功能单位最基本的功能单位 二百余种二百余种 每种细胞执行特定的功能每种细胞执行特定的功能 所有细胞都有其所有细胞都有其共同共同的特性的特性 细胞（细胞（cellcell） 细胞膜的基本化学组成和分子结构细胞膜的基本化学组成和分子结构 物质的跨膜转运功能物质的跨膜转运功能 跨膜信号转导功能跨膜信号转导功能 细胞生物电现象和机理细胞生物电现象和机理 肌细胞的收缩肌细胞的收缩 细胞生理学的主要内容细胞生理学的主要内容 第一节第一

3、节 细胞膜的结构和物质转运功能细胞膜的结构和物质转运功能 细胞膜细胞膜(cell membrane)(cell membrane)的作用的作用 是细胞和环境之间的屏障是细胞和环境之间的屏障 (Barrier)(Barrier) 具有物质转运功能具有物质转运功能 (Transport)(Transport) 跨膜信息传递和能量转换功能跨膜信息传递和能量转换功能 (Transduction)(Transduction) 细胞膜结构特征细胞膜结构特征 一、组成：一、组成： 脂质、蛋白质（功能活跃的细胞）和糖类组成脂质、蛋白质（功能活跃的细胞）和糖类组成 二、液态镶嵌模型二、液态镶嵌模型(fluid

4、mosaic model) 1959年，年，Robertson在电镜下观察到膜的结构类似三在电镜下观察到膜的结构类似三 明治，是由暗明治，是由暗-明明-暗三层结构组成，每层厚暗三层结构组成，每层厚2.5nm 1972年，年，Singer & Nicholson提出了膜的液态镶嵌模型提出了膜的液态镶嵌模型 液态脂质双分子层为基架 液态脂质双分子层为基架 镶嵌着不同生理功能的蛋白质镶嵌着不同生理功能的蛋白质 1. 1. 膜中脂质的种类膜中脂质的种类 磷脂磷脂(70%)(70%)、胆固醇、胆固醇(cholesterol, 30%)(cholesterol, 30%)和少量的糖和少量的糖 脂。脂。磷脂

5、磷脂分为分为磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂 酰丝氨酸和磷脂酰肌醇；酰丝氨酸和磷脂酰肌醇； 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇可在磷脂酶可在磷脂酶C C 的作用下生成三磷酸的作用下生成三磷酸 肌醇（肌醇（IPIP3 3）和二酰甘油（）和二酰甘油（DGDG）；）；IPIP3 3 和和 DGDG是重是重 要的第二信使要的第二信使 （一）脂质双分子层（一）脂质双分子层 2. 2. 磷脂的基本结构磷脂的基本结构 水溶液中磷脂分子团（水溶液中磷脂分子团（A）和球形脂质体（）和球形脂质体（B） B A 碱基碱基 脂脂 肪肪 酸酸 酸酸 脂脂 肪肪 磷酸磷酸 甘油甘油 磷脂分子示意图磷脂分子示

6、意图 A：分子组成；：分子组成；B模式图模式图 A B （亲水）（亲水） 极性头部极性头部 （疏水）（疏水） 非极性尾部非极性尾部 Hydrophilic head Hydrophobic tail 3. 3. 脂质的流动性脂质的流动性 磷脂的熔点很低，在一般体温下为磷脂的熔点很低，在一般体温下为液态液态，决，决 定了膜具有某种程度的定了膜具有某种程度的流动性流动性 1 1）在受外力作用时，不易破裂）在受外力作用时，不易破裂 2 2）在出现较小断裂时，可自行融合、修复）在出现较小断裂时，可自行融合、修复 3 3）脂质分子的流动是有限的）脂质分子的流动是有限的 4. 4. 不同种类脂质的分布不同

7、种类脂质的分布 1 1）在不同细胞或同一细胞的不同部位，）在不同细胞或同一细胞的不同部位，脂质的成脂质的成 分和含量有所不同分和含量有所不同 2 2）在膜内外两侧脂质成分不同，在膜内外两侧脂质成分不同，外层以磷脂酰胆外层以磷脂酰胆 碱为主，内层以磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸为碱为主，内层以磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸为 主；磷脂酰肌醇均在胞浆侧主；磷脂酰肌醇均在胞浆侧 3 3）胆固醇胆固醇在膜中的在膜中的含量决定膜的流动性含量决定膜的流动性 表面蛋白质（表面蛋白质（peripheral proteinperipheral protein） 是是由于蛋白质分子中带电的氨基酸或基团，与膜两侧表面由于蛋

8、白质分子中带电的氨基酸或基团，与膜两侧表面 的极性基团相吸引的极性基团相吸引 整合蛋白质（整合蛋白质（integrated proteinintegrated protein） 蛋白质蛋白质分子的肽链可以一次或反复多次贯穿整个脂质双分分子的肽链可以一次或反复多次贯穿整个脂质双分 子层；贯穿膜的肽链是子层；贯穿膜的肽链是由由18182121个个疏水氨基酸组成，这些疏水氨基酸组成，这些 氨基酸之间可以形成一个氨基酸之间可以形成一个a- a-螺旋，螺旋，这个这个a- a-螺旋的长度和膜的螺旋的长度和膜的 厚度相等厚度相等 膜内蛋白质分子在膜脂质分子间横向漂移膜内蛋白质分子在膜脂质分子间横向漂移 （二

9、）细胞膜蛋白质（二）细胞膜蛋白质 Integral proteins Peripheral proteins arg p.ser. - + + + - - - 膜上糖类的量：少膜上糖类的量：少 存在的形式：糖脂或糖蛋白存在的形式：糖脂或糖蛋白 存在的部位：细胞膜外侧存在的部位：细胞膜外侧 作用作用 （三）细胞膜糖类（三）细胞膜糖类 作为抗原决定簇，表示某种免疫信息作为抗原决定簇，表示某种免疫信息 ABOABO血型系统抗原血型系统抗原 作为受体识别部位，能特异性与配体结合作为受体识别部位，能特异性与配体结合 霍乱毒素受体霍乱毒素受体 细胞膜的物质跨膜转运细胞膜的物质跨膜转运 哪些物质可以通过细胞

10、膜进出细胞？哪些物质可以通过细胞膜进出细胞？ 各种营养物质各种营养物质 中间代谢产物和尾产物中间代谢产物和尾产物 维生素维生素 氧和二氧化碳氧和二氧化碳 一些离子一些离子 被动转运被动转运 Passive transport 单纯扩散单纯扩散 易化扩散易化扩散 主动转运主动转运 Active transport 原发性主动转运原发性主动转运 继发性主动转运继发性主动转运 出胞和入胞出胞和入胞 常见的转运形式常见的转运形式 （一）单纯扩散（一）单纯扩散（Simple diffusionSimple diffusion） 1. 现象：一杯清水中加一滴墨水？现象：一杯清水中加一滴墨水？ 2. 概念：

11、是一种简单的概念：是一种简单的物理扩散，物理扩散，没有生物学机没有生物学机 制的参与。制的参与。 3. 转运物质：转运物质：脂溶性脂溶性物质物质/不带电荷不带电荷的极性小分的极性小分 子子 4. 特点：特点：顺顺浓度梯度进行的膜内外的净转移浓度梯度进行的膜内外的净转移 5. 影响因素：影响因素： 浓度差、通透性（分子的大小、分子的极性）浓度差、通透性（分子的大小、分子的极性） 扩散的面积和距离、温度等扩散的面积和距离、温度等 一、被动转运一、被动转运 6. 6. 例子：例子：COCO2 2、O O2 2 、N N2 2 ( (脂溶性 脂溶性) ) 乙醇、尿素、甘油乙醇、尿素、甘油( (不带电荷

12、极性分子）不带电荷极性分子） 水水 ( (渗透）渗透） （二）易化扩散（二）易化扩散 (Facilitated diffusion)(Facilitated diffusion) 概念：概念：膜蛋白膜蛋白介导的介导的顺浓度差顺浓度差的跨膜扩散的跨膜扩散 分类：分类：经载体经载体(via carrier)(via carrier) 经通道经通道(via ion channel)(via ion channel) Carrier：是指在蛋白质分子上存在有一个或多是指在蛋白质分子上存在有一个或多 个能与被转运物质结合的位点或结构域个能与被转运物质结合的位点或结构域 1. Facilitated di

13、ffusion via carrier1. Facilitated diffusion via carrier 特点特点 高度特异性高度特异性 ： 右旋葡萄糖的跨膜转运量远远大于左旋葡萄糖右旋葡萄糖的跨膜转运量远远大于左旋葡萄糖 木糖不能通过木糖不能通过 饱和性饱和性 竞争抑制性竞争抑制性 葡萄糖葡萄糖 & & 半乳糖半乳糖 经载体经载体 易化扩散易化扩散 简单扩散简单扩散 Vmax Vmax 2 转转 运运 速速 率率 是一类蛋白质是一类蛋白质 在某种条件下变构在某种条件下变构 出现一条贯通细胞膜内外的水相孔道出现一条贯通细胞膜内外的水相孔道 离子顺浓度梯度转运离子顺浓度梯度转运 转运速率快

14、：转运速率快：10106 6个离子个离子/s, /s, 离子选择性和门控特性离子选择性和门控特性 2. Facilitated diffusion via ion channel 化学门控通道化学门控通道(chemically-gated channel)(chemically-gated channel) 电压门控通道电压门控通道(voltage-gated channel)(voltage-gated channel) 机械门控通道机械门控通道(mechanically-gated channel)(mechanically-gated channel) 离子通道离子通道 电压门控电压门控

15、 化学门控化学门控 化学门控化学门控 压力激活压力激活 ( (胞外配体胞外配体) () (胞内配体胞内配体) ) 通道关闭通道关闭 通道开放通道开放 （1）电压门控）电压门控Na 通道 通道 CO2H Outside NH2 + + + + + + + + + + + + Inside IIIIIIIV RVIRLARIGRILRLIKGAKGIR + + + + + + + + I F M IVS4 Voltage Sensor NH2 CO2H b b1 1 - Inactivation “Gate” I异亮氨酸；异亮氨酸；F苯丙氨酸；苯丙氨酸；M甲硫氨酸甲硫氨酸 Conducting c

16、onformation Non-conducting conformation(s) (at negative potentials) (shortly after more depolarized potentials) Another Non-conducting conformation (a while after more depolarized potentials) IFM IFM IFM Closed OpenInactivated Outside Inside Ach (acetylcholine) Ach (acetylcholine) （N2型受体）型受体） （nicot

17、inic receptor） 存在部位：神经肌肉接头处存在部位：神经肌肉接头处 （2 2）化学门控通道）化学门控通道 五聚体，即五聚体，即 2 2b b 每个亚单位每个亚单位- -四次跨膜四次跨膜 螺旋螺旋 通道的通道的“内壁内壁”是由每个亚单位的第二环组成是由每个亚单位的第二环组成 两个两个 - -亚单位上有亚单位上有AChACh结合位点结合位点 通道开放后允许通道开放后允许NaNa+ +内流、内流、K K+ +外流，形成终板电位外流，形成终板电位 促离子型受体促离子型受体 NH2COOH ACh ACh 特点：特点：对牵张刺激敏感对牵张刺激敏感 （3 3）机械门控性通道）机械门控性通道 W

18、hen sound waves move the basilar membrane it moves the hair cells that are connected to it, but the tips of the hair cells are connected to the tectorial membrane the hair cell get bent . There are mechanical gated channels on each hair cell that open when they are bent. K+ goes into the cell and De

19、polarizes the hair cell. （4 4）水通道）水通道 (Aquaporin, AQP)(Aquaporin, AQP) AQP1 (AQP1 (红细胞、近端小管红细胞、近端小管) ) AQP2 (AQP2 (集合管集合管) ) 红细胞红细胞 低渗溶液低渗溶液 卵母细胞卵母细胞 膨胀破裂膨胀破裂 无膨胀无膨胀 1988 1988 年年 Peter Agre Peter Agre 作为血液病学家，当时正在研究作为血液病学家，当时正在研究 Rh Rh 血型抗原，血型抗原， 在分离在分离 Rh Rh 多肽（多肽（ 32kD 32kD ）时，同时得到了一个分子量稍小的）时，同时得到

20、了一个分子量稍小的 28kD 28kD 蛋白蛋白 (CHIP28)(CHIP28)。 1992 1992 年，年， Peter Agre Peter Agre 将实验卵母细胞注射将实验卵母细胞注射 2ng 2ng 的的 CHIP28 CHIP28 的的 cRNA cRNA 。三天后，将其转移到蒸馏水中，发现细胞像爆米花一。三天后，将其转移到蒸馏水中，发现细胞像爆米花一 样膨胀。这个蛋白因此被命名为水通道蛋白，后来被正式命名样膨胀。这个蛋白因此被命名为水通道蛋白，后来被正式命名 为为 AQP1 AQP1 。 20032003年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 二、主动转运（二、主动转运（active

21、transportactive transport） （一）原发性主动转运（一）原发性主动转运 定义：利用分解定义：利用分解ATP产生的能量，产生的能量，将某种物质逆将某种物质逆 浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运方式。浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运方式。 特点特点 1 1）必须有蛋白质介导）必须有蛋白质介导 2 2）逆浓度梯度或电化学梯度）逆浓度梯度或电化学梯度 3 3）消耗能量）消耗能量 Na+/K+ Pump 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 钠泵的生理意义钠泵的生理意义 维持细胞内高维持细胞内高K K+ +浓度：是许多代谢反应进行的浓度：是许多代谢反应进行的

22、必需条件必需条件 核糖体合成蛋白核糖体合成蛋白 维持胞内渗透压和细胞容积：维持胞内渗透压和细胞容积： 钠泵造成的跨膜离子浓度梯度是细胞产生生物钠泵造成的跨膜离子浓度梯度是细胞产生生物 电信号的前提条件电信号的前提条件 维持细胞外高维持细胞外高NaNa+ + 浓度：为继发性主动转运提 浓度：为继发性主动转运提 供势能储备供势能储备 钠泵活动是生电性的，影响膜电位钠泵活动是生电性的，影响膜电位 钙泵（钙泵（CaCa+ +- ATP - ATP酶）酶） 分布在骨骼肌和心肌细胞的肌浆网上分布在骨骼肌和心肌细胞的肌浆网上 质子泵质子泵 H H+ +- K- K+ +ATPATP酶酶 分布在胃粘膜壁细胞分

23、布在胃粘膜壁细胞 肾小管闰细胞肾小管闰细胞 H H+ +- ATP- ATP酶酶 分布在溶酶体、内质网、突触囊泡膜分布在溶酶体、内质网、突触囊泡膜 2. 2.其它原发性主动转运形式其它原发性主动转运形式 : : （二）继发性主动转运（二）继发性主动转运 Secondary active transport Secondary active transport 概念概念：利用利用NaNa+ +泵活动造成的膜内外泵活动造成的膜内外NaNa+ +的的 势能，而逆浓度势能，而逆浓度/ /电位梯度进行的跨膜物质转运电位梯度进行的跨膜物质转运 特点：特点： 钠泵形成的势能贮备是继发性主动转运的钠泵形成的势

24、能贮备是继发性主动转运的 必要条件必要条件 需要转运体需要转运体 (transporter) (transporter) 的帮助的帮助 经载体易化扩散经载体易化扩散 + + 原发性主动转运原发性主动转运 小管液小管液 内皮细胞内皮细胞 血液血液 Na+ K+ Na+ 2Cl 髓袢升支粗段继发性主动转运髓袢升支粗段继发性主动转运 K+ 2Cl K+ 呋喃苯胺酸呋喃苯胺酸 Na+-K+-2Cl- - Na+ glucose H+ out in out in co-transport counter-transport (symport) (antiport) Co-transporters wil

25、l move one moiety, e.g. glucose, in the same direction as the Na+. Counter-transporters will move one moiety, e.g. H+, in the opposite direction to the K+. K+ Type of transport Active or Passive Carrier- mediated Uses energy Dependent on Na+ gradient Simple diffusion PassiveNoNoNo Facilitated diffus

26、ion PassiveYesNoNo Primary active transport activeYesYes, directNo Co-transportSecondary active YesYes, indirectYes Counter- transport Secondary active YesYes, indirectYes Summary of membrane transport （三）出胞与入胞式物质转运（三）出胞与入胞式物质转运 1. 1. 出胞（出胞（exocytosisexocytosis） 常见于细胞的常见于细胞的 分泌活动和神经分泌活动和神经 末梢释放神经递末梢

27、释放神经递 质质 粗面内质网合粗面内质网合 成蛋白分泌物，成蛋白分泌物， 在高尔基体上加在高尔基体上加 包膜，然后移行包膜，然后移行 于膜内侧。于膜内侧。 2. 2. 入胞（入胞（endocytosisendocytosis） （1 1）概念：概念：是指大分子物质或物质团块（如细菌、是指大分子物质或物质团块（如细菌、 组织碎片等）进入细胞的过程组织碎片等）进入细胞的过程 （2 2）分类：分类：吞噬（吞噬（phagocytosisphagocytosis） 吞饮（吞饮（pinocytosispinocytosis） 吞噬吞噬: : 是指物质颗粒或团块进入细胞的过是指物质颗粒或团块进入细胞的过 程

28、，形成的吞噬包直径在程，形成的吞噬包直径在1-2 1-2 m m 吞饮吞饮: : 是指液体物质进入细胞的过程，形成是指液体物质进入细胞的过程，形成 的吞噬包直径在的吞噬包直径在0.1-0.2 0.1-0.2 m m 吞饮中最常见的是受体介导入胞吞饮中最常见的是受体介导入胞。 血浆低密度脂蛋白（血浆低密度脂蛋白（LDLLDL）颗粒）颗粒 结合铁离子的运铁蛋白结合铁离子的运铁蛋白 结合维生素结合维生素B B12 12的特殊运输蛋白 的特殊运输蛋白 多种生长调节因子，胰岛素等一部多种生长调节因子，胰岛素等一部 分多肽类激素分多肽类激素 抗体和某些细菌毒素及病毒抗体和某些细菌毒素及病毒 经受体介导式入

29、胞方式转运的物质经受体介导式入胞方式转运的物质 第二节第二节 细胞的信号转导细胞的信号转导 一、细胞外的信号一、细胞外的信号 1. 1. 化学因素（受体）化学因素（受体） 内源性的内源性的：如激素、神经递质和调质、细胞：如激素、神经递质和调质、细胞 因子、抗原、抗体和代谢产物因子、抗原、抗体和代谢产物 外源性的外源性的：某些药物和毒物：某些药物和毒物 2. 2. 非化学性刺激信号（感受器动作电位）非化学性刺激信号（感受器动作电位） 如机械的，电的和一定波长的电磁波如机械的，电的和一定波长的电磁波 概念概念 受体受体(receptor)(receptor) 是细胞表面或细胞内的一种天然蛋是细胞表

30、面或细胞内的一种天然蛋 白质，可以识别并特异地与有生物活性的化学信白质，可以识别并特异地与有生物活性的化学信 号物质（配体）结合，从而激活或启动一系列生号物质（配体）结合，从而激活或启动一系列生 物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物效物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物效 应应 配体配体( (ligand) ligand) 是指能与受体结合，并能产生生物效是指能与受体结合，并能产生生物效 应的生物大分子。应的生物大分子。 二、跨膜信号转导的共同特性二、跨膜信号转导的共同特性 1. 1. 除少数物质外（除少数物质外（类固醇激素类固醇激素/ /维生素维生素D/D/甲状腺激甲状腺激 素）素）

31、，外界信号不进入细胞或直接影响细胞内过，外界信号不进入细胞或直接影响细胞内过 程程 2. 2. 信号作用于受体分子，引起一系列信号分子的激信号作用于受体分子，引起一系列信号分子的激 活，引发细胞功能的改变。活，引发细胞功能的改变。 将外界的信息传递到膜内，称跨膜信号转导将外界的信息传递到膜内，称跨膜信号转导 （transmembrane signal transductiontransmembrane signal transduction） 3. 不同的跨膜信号转导通过少数不同的跨膜信号转导通过少数几种类似的几种类似的 途径途径或方式实现转导过程或方式实现转导过程 4. 跨膜信号转导具有信号

32、跨膜信号转导具有信号放大作用放大作用 三三 跨膜信号转导的几种途径跨膜信号转导的几种途径 （一）一）离子通道型离子通道型受体介导的信号转导受体介导的信号转导 （二）（二）G G蛋白耦联受体蛋白耦联受体介导的信号转导介导的信号转导 （三）（三） 酶联型受体酶联型受体介导的信号转导介导的信号转导 （一）（一）离子通道型离子通道型受体介导的信号转导受体介导的信号转导 化学门控通道化学门控通道(chemically-gated channel)(chemically-gated channel) Ion Channel receptor Ionotropic receptor 第二信使学说的建立（第二信使学说的建立（1965，Sutherland ） （