医学教学课件：细胞的基本功能

1、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 细胞膜的结构和物质转运功能细胞膜的结构和物质转运功能 第三节第三节 细胞的电活动细胞的电活动 第四节第四节 肌细胞的收缩肌细胞的收缩 第二节第二节 细胞的信号转导细胞的信号转导 18381838年，德国植物学家年，德国植物学家施莱登施莱登 （M.J.SchleidenM.J.Schleiden）提出：所）提出：所 有的植物都是由细胞组成的，有的植物都是由细胞组成的， 细胞是植物各种功能的基础；细胞是植物各种功能的基础； 各种细胞以及细胞结构都各不相同,有大有小 第一节第一节 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

2、胞膜或或质膜（质膜（plasma membraneplasma membrane）是一是一 种半透膜，在电镜下可见有三层结构：种半透膜，在电镜下可见有三层结构： 致密带：内侧致密带：内侧 透明带：中间透明带：中间 致密带：外侧致密带：外侧 一、细胞膜的结构概述一、细胞膜的结构概述 细胞膜细胞膜化学组成化学组成 ( (红细胞红细胞) ) 糖糖 类类(8%)(8%) 脂脂 质质(52%)(52%) 蛋白质蛋白质(40%)(40%) ( (功能活跃的细胞膜，其膜蛋白的含量较高功能活跃的细胞膜，其膜蛋白的含量较高) ) 细胞膜的液态镶嵌模型细胞膜的液态镶嵌模型 （一）脂质双分子层（一）脂质双分子层 脂

3、质的熔点较低，膜中脂质分子在体温条件下脂质的熔点较低，膜中脂质分子在体温条件下 是溶胶状态的，这决定了膜具有某种程度的流动性。是溶胶状态的，这决定了膜具有某种程度的流动性。 脂脂 质质 糖糖 脂：小于脂：小于1010 胆固醇：小于胆固醇：小于3030 磷磷 脂：大于脂：大于7070 （二）细胞膜的蛋白（二）细胞膜的蛋白 主要存在形式主要存在形式- -螺旋螺旋或或球形球形，约占细胞膜，约占细胞膜 重量的重量的55%55%。 表面蛋白表面蛋白 分类分类 按形式分为按形式分为 整合蛋白整合蛋白 按功能分为按功能分为 酶蛋白酶蛋白 转运蛋白转运蛋白 受体蛋白受体蛋白 （三）细胞膜的糖类（三）细胞膜的糖

4、类 细胞膜中的糖类与蛋白质和脂类结合，细胞膜中的糖类与蛋白质和脂类结合， 分别形成分别形成糖蛋白糖蛋白和和糖脂糖脂。存在于细胞膜的外。存在于细胞膜的外 侧，具有受体或抗原功能。侧，具有受体或抗原功能。 细胞膜的物质转运功能是细胞维持正常代细胞膜的物质转运功能是细胞维持正常代 谢，进行各项生命活动所必需的。谢，进行各项生命活动所必需的。 二、物质的跨膜转运二、物质的跨膜转运 （一）单纯扩散（一）单纯扩散 (simple diffusion) 1 1、概念、概念: : 2 2、特点：、特点： (1)(1)脂溶性物质；脂溶性物质；(2)(2)顺浓度梯度顺浓度梯度( (电化学梯度电化学梯度) ) (3

5、)(3)不消耗能量；不消耗能量；(4)(4)没有膜蛋白的参与没有膜蛋白的参与 脂溶性的小分子物脂溶性的小分子物 质和少数分子很小的水质和少数分子很小的水 溶性物质由高浓度侧通溶性物质由高浓度侧通 过细胞膜向低浓度侧移过细胞膜向低浓度侧移 动的过程。动的过程。 3 3、通过单纯扩散跨膜转运的物质、通过单纯扩散跨膜转运的物质 O O2 2、COCO2 2、N N2 2、H H2 2O O、乙醇、尿素、甘油、水等。、乙醇、尿素、甘油、水等。 4 4、影响单纯扩散的因素、影响单纯扩散的因素 (1)(1)细胞膜两侧物质浓度差细胞膜两侧物质浓度差 (2)(2)细胞膜对该物质的通透性：细胞膜对该物质的通透性

6、： 物质脂溶性的大小物质脂溶性的大小 分子大小分子大小 （二）膜蛋白介导的跨膜转运（二）膜蛋白介导的跨膜转运 主动转运主动转运 被动转运被动转运 经经通道通道介导的易化扩散介导的易化扩散 经经载体载体易化扩散易化扩散 原发原发性主动转运性主动转运 继发继发性主动转运性主动转运 经经载体载体介导介导 的跨膜转运的跨膜转运 通道蛋白与载体蛋白通道蛋白与载体蛋白不同点不同点： 1.通道蛋白参与的只是被动运输通道蛋白参与的只是被动运输,在运输过程中并不与被在运输过程中并不与被 运输的分子结合运输的分子结合,也不会移动也不会移动,并且是从高浓度向低浓度运并且是从高浓度向低浓度运 输输,所以运输时不消耗能

7、量。所以运输时不消耗能量。 2.载体蛋白参与的有主动运输和协助扩散，在运输过程载体蛋白参与的有主动运输和协助扩散，在运输过程 中与相应的分子结合，并且会移动。在主动运输过程中中与相应的分子结合，并且会移动。在主动运输过程中 由低浓度侧向高浓度运动，且消耗代谢能量；在协助扩由低浓度侧向高浓度运动，且消耗代谢能量；在协助扩 散过程中，由高浓度侧向低浓度侧运动，不消耗代谢能。散过程中，由高浓度侧向低浓度侧运动，不消耗代谢能。 （注：协助扩散也属于被动运输）（注：协助扩散也属于被动运输） 易化扩散易化扩散概念概念: : 非脂溶性物质或脂溶解度甚小的物质非脂溶性物质或脂溶解度甚小的物质, ,在在 特殊膜

8、蛋白质的特殊膜蛋白质的“帮助帮助”下下, ,由膜的高浓度一由膜的高浓度一 侧向低浓度一侧移动的过程。侧向低浓度一侧移动的过程。 易化扩散易化扩散特点：特点： (1)(1)非脂溶性物质；非脂溶性物质；(2)(2)顺浓度梯度顺浓度梯度/ /电位梯度电位梯度 (3)(3)不消耗能量；不消耗能量； (4)(4)有膜蛋白的参与有膜蛋白的参与 易化扩散易化扩散分类分类: : 1 1、经、经载体载体易化扩散：易化扩散： 如葡萄糖、氨基酸的转运如葡萄糖、氨基酸的转运 2 2、经、经通道通道易化扩散：易化扩散： 如如NaNa+ +、K K+ +、CaCa2+ 2+的转运 的转运 1 1、通道通道(channel

9、)(channel)介导的跨膜转运介导的跨膜转运 转运的物质：绝大部分为离子转运的物质：绝大部分为离子 结构基础：通道蛋白结构基础：通道蛋白 特异的通道蛋白质：特异的通道蛋白质：Na+通道，通道，K+通道，通道，Ca2+通道通道 K+通道：通道：7种以上，种以上，Ca2+通道：通道：3种以上种以上 也即也即经通道易化扩散经通道易化扩散 （facilitated diffusion via ion channel) 通道介导的跨膜转运通道介导的跨膜转运 转运的物质转运的物质: :各种带电离子各种带电离子 （1 1）动力动力： 膜两侧离子浓度差和电位差（即电化学梯度）膜两侧离子浓度差和电位差（即电

10、化学梯度） （2 2）条件条件：离子通道必须是开放的：离子通道必须是开放的 离子通道在未激活时是关闭的，在一定条离子通道在未激活时是关闭的，在一定条 件下件下“门门”被打开，才允许离子通过，这一过被打开，才允许离子通过，这一过 程称为程称为门控过程门控过程。 电压门控通道电压门控通道受膜电位水平调控受膜电位水平调控 化学门控通道化学门控通道受膜环境中某些化学物质调控受膜环境中某些化学物质调控 机械门控通道机械门控通道受机械刺激调控受机械刺激调控 结构和功能状态因结构和功能状态因理化因素理化因素迅速改变，开放时离子迅速改变，开放时离子 迅速通过迅速通过 对离子的对离子的选择性选择性没有载体严格没

11、有载体严格 开放时间十分开放时间十分短促短促，然后关闭，然后关闭 形成形成跨膜电流跨膜电流（离子电流），并常引起细胞的功能（离子电流），并常引起细胞的功能 改变改变 即：外来信号即：外来信号 通道开放通道开放 形成形成跨膜电位跨膜电位或其他变化或其他变化 （3 3）离子通道的特点）离子通道的特点（与载体相比）（与载体相比） 2 2、载体介导的跨膜转运、载体介导的跨膜转运 特点特点: : 结构特异性结构特异性 饱和现象饱和现象 竞争性抑制竞争性抑制 （1 1）经载体易化扩散）经载体易化扩散 （facilitated diffusion via ion channel) 是指水溶性小分子物质经是指

12、水溶性小分子物质经载体载体介导介导顺浓度顺浓度 梯度和（或）电位梯度梯度和（或）电位梯度进行的被动跨膜转运。进行的被动跨膜转运。 经载体易化扩散经载体易化扩散 葡萄糖、氨基酸等转运进入红细胞葡萄糖、氨基酸等转运进入红细胞 主动转运主动转运 (active transport) 概念：概念： 细胞膜通过本身的某种耗能过程将某些细胞膜通过本身的某种耗能过程将某些 物质分子或离子逆浓度差或逆电位差进行的物质分子或离子逆浓度差或逆电位差进行的 转运过程，称为转运过程，称为主动转运。主动转运。 主动转运消耗的能量几乎都是由主动转运消耗的能量几乎都是由ATPATP分分 解提供。解提供。 特点特点： 转运方

13、向是逆电转运方向是逆电- -化学梯度进行的；化学梯度进行的； 需要消耗能量需要消耗能量； 依靠特殊膜蛋白质的依靠特殊膜蛋白质的“帮助帮助” ” 。 分类：分类： 原发性主动转运：原发性主动转运：直接由直接由ATPATP供能供能 继发性主动转运：继发性主动转运：间接由间接由ATPATP供能供能 是指离子泵是指离子泵利用分解利用分解ATPATP产生的能量产生的能量将离子将离子 逆浓度梯度和（或逆浓度梯度和（或) )电位梯度电位梯度进行跨膜转运的过进行跨膜转运的过 程。程。 （2 2）原发性主动转运）原发性主动转运 (primary active transport) 原发性主动转运原发性主动转运

14、1)1)钠泵钠泵( (也叫也叫钠钠- -钾泵钾泵或或Na+-K+-ATPNa+-K+-ATP酶酶） Sodium-potassium pumpSodium-potassium pump 钠泵的化学本质钠泵的化学本质 细胞膜上一种特殊的蛋白质，具有细胞膜上一种特殊的蛋白质，具有ATPATP酶酶 的活性，可以将的活性，可以将ATPATP分解，释放能量，并利用分解，释放能量，并利用 此能量逆浓度梯度转运此能量逆浓度梯度转运NaNa+ +和和K K+ +。 钠钠- -钾泵转运模式图钾泵转运模式图 高Na+(12倍) 高K+(30倍) 每分解每分解1分子分子ATP，3个个Na+泵出，泵出，2个个K+泵入

15、泵入 维持维持 NaNa+ + o o高、高、 KK+ + i i高高 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；3Na3Na+ +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 钠泵的作用：钠泵的作用： 每每分解分解1 1分子分子ATPATP，3 3个个NaNa+ +泵出，泵出，2 2个个K K+ +泵入泵入 a. a.钠泵活动造成的胞内高钠泵活动造成的胞内高K K+ +是胞质内许多代是胞质内许多代 谢反应所必需；谢反应所必需； b.b.维持胞内渗透压和细胞容积；维持胞内渗透压和细胞容积； c

16、.c.建立建立NaNa+ +的跨膜浓度梯度，为继发性主动转的跨膜浓度梯度，为继发性主动转 运提供势能储备；运提供势能储备； d.d.钠泵活动造成的膜内外钠泵活动造成的膜内外NaNa+ +和和K K+ +浓度差，是浓度差，是 细胞生物电活动产生的前提条件；细胞生物电活动产生的前提条件； e.e.钠泵活动是生电性的，可直接影响膜电钠泵活动是生电性的，可直接影响膜电 位，使膜内电位的负值增大。位，使膜内电位的负值增大。 钠泵活动的生理意义钠泵活动的生理意义 2)2)钙泵钙泵（CaCa2+ 2+-ATP -ATP酶酶） 钙泵的作用：钙泵的作用： 质膜上的钙泵：质膜上的钙泵： 每分解每分解1 1分子分子

17、ATPATP，可将，可将1 1个钙离子由胞质内转运个钙离子由胞质内转运 至胞外；至胞外； 肌质网或内质网钙泵肌质网或内质网钙泵： 每分解每分解1 1分子分子ATPATP，可将，可将2 2个钙离子由胞质内转运个钙离子由胞质内转运 至胞外肌质网或内质网中。至胞外肌质网或内质网中。 意义：保持细胞内钙离子浓度较低，增加细意义：保持细胞内钙离子浓度较低，增加细 胞对钙离子浓度增加的敏感性。胞对钙离子浓度增加的敏感性。 3)3)质子泵质子泵 H H+ +，K K+ +-ATP-ATP酶：酶： H H+ +-ATP-ATP酶：酶： H H+ +，K K+ +-ATP-ATP酶：酶： 分布于：胃腺分布于：胃

18、腺壁细胞膜壁细胞膜和和肾小管闰细胞膜肾小管闰细胞膜上上 作用是：分泌作用是：分泌H H+ + H H+ +-ATP-ATP酶：酶： 分布于：各种细胞器膜上分布于：各种细胞器膜上 作用是：把作用是：把H H+ +转运至转运至细胞器内细胞器内，保持胞质的，保持胞质的 中性和细胞器内的酸性，建立细胞器内外的浓中性和细胞器内的酸性，建立细胞器内外的浓 度梯度，为物质的跨细胞器膜转运提供动力。度梯度，为物质的跨细胞器膜转运提供动力。 （3 3）继发性主动转运）继发性主动转运 是指驱动力并不直接来自是指驱动力并不直接来自ATPATP的分解，而是的分解，而是 来自来自原发性主动转运所形成的离子浓度梯度原发性

19、主动转运所形成的离子浓度梯度而而 进行的物质进行的物质逆浓度和（或）电位梯度逆浓度和（或）电位梯度的跨膜转的跨膜转 运方式。运方式。 (secondary active transport)(secondary active transport) 继发性主动转运继发性主动转运 肠粘膜上皮肠粘膜上皮 细胞葡萄糖细胞葡萄糖 继发性主动继发性主动 转运模式图转运模式图 细胞对于一些大分子物质或固态、液态的物质细胞对于一些大分子物质或固态、液态的物质 团块，是通过膜本身更复杂的吞吐活动进行的，这些团块，是通过膜本身更复杂的吞吐活动进行的，这些 过程需要细胞提供能量。过程需要细胞提供能量。膜泡运输膜泡运

20、输 入胞：又称胞吞。是细胞外大分子或物质团块进入胞：又称胞吞。是细胞外大分子或物质团块进 入细胞内的过程。如：血浆中的脂蛋白颗粒、大分子入细胞内的过程。如：血浆中的脂蛋白颗粒、大分子 营养物质、细菌、异物等进入细胞。如果进入细胞的营养物质、细菌、异物等进入细胞。如果进入细胞的 物质是固体为吞噬，如果进入细胞的物质是液体为吞物质是固体为吞噬，如果进入细胞的物质是液体为吞 饮。饮。 出胞：又称胞吐。是指细胞把大分子内容物排出出胞：又称胞吐。是指细胞把大分子内容物排出 细胞的过程，主要见于细胞的分泌活动。如递质释放细胞的过程，主要见于细胞的分泌活动。如递质释放 的出胞过程。的出胞过程。 （三）出胞与

21、入胞（三）出胞与入胞 1.1.出胞出胞： 分泌物排出分泌物排出 融合处出现裂口融合处出现裂口 囊泡向细胞膜内侧移动囊泡向细胞膜内侧移动 膜性结构包被的分泌囊泡膜性结构包被的分泌囊泡 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 囊泡膜与细胞膜的某点接触并融合囊泡膜与细胞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 2.2.入胞入胞: : 仅发生在单核细胞、巨噬细胞和中性粒仅发生在单核细胞、巨噬细胞和中性粒 细胞等，形成的吞噬泡直径较大。细胞等，形成的吞噬泡直径较大。 （1 1）分类）分类 吞噬吞噬：进入细胞的物质是物质颗粒或团块

22、。：进入细胞的物质是物质颗粒或团块。 几乎发生于所有细胞，形成的吞饮泡直几乎发生于所有细胞，形成的吞饮泡直 径较小。径较小。 可分为：液相入胞和受体介导入胞。可分为：液相入胞和受体介导入胞。 进入细胞的物质为液体及其溶质。进入细胞的物质为液体及其溶质。吞饮吞饮： 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 复合物向膜表面的复合物向膜表面的“有被小窝有被小窝”移动移动 “有被小窝有被小窝”处的膜凹陷处的膜凹陷 凹陷膜与细胞膜断离凹陷膜与细胞膜断离吞饮泡吞饮泡 （2 2）过程）过程 被动转运被动转运 主动转运主动转运 原发性主动转运原发性主动转运 继发性

23、主动转运继发性主动转运 易化扩散易化扩散 单纯扩散单纯扩散 经载体易化扩散经载体易化扩散 经通道易化扩散经通道易化扩散 是指小分子物质顺电是指小分子物质顺电- -化学梯度转运过程。化学梯度转运过程。 特点特点： 不直接消耗能量不直接消耗能量 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 被动转运被动转运(passive transport)(passive transport) 主动转运主动转运(active transport)(active transport) 细胞膜通过本身的某种耗能过程将某些物细胞膜通过本身的某种耗能过程将某些物 质分子或离子

24、逆浓度差或逆电位差进行的转运质分子或离子逆浓度差或逆电位差进行的转运 过程。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“帮助帮助”； 是逆电是逆电- -化学梯度进行的。化学梯度进行的。 分类分类： 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； 2 2、根据转运过程跨膜机制：、根据转运过程跨膜机制： 单纯扩散单纯扩散 膜蛋白介导的跨模转运膜蛋白介导的跨模转运 出胞和入胞出胞和入胞 膜蛋白介导的跨膜转运膜蛋白介导的跨膜转运 主动转运主动转运 被动转运被动转运 经经通道通道介导的易化扩散介

25、导的易化扩散 经经载体载体易化扩散易化扩散 原发原发性主动转运性主动转运 继发继发性主动转运性主动转运 经经载体载体介导介导 的跨膜转运的跨膜转运 第二节 细胞的信号转导 跨膜信号转导概念的提出跨膜信号转导概念的提出 各种各种化学分子化学分子 （少数可直接进入）（少数可直接进入） 非化学刺激：非化学刺激： 电、机械、电磁波电、机械、电磁波 细细 胞胞 特异性受体特异性受体 信号物质包括：激素、神经递质、细胞因子信号物质包括：激素、神经递质、细胞因子 根据作用不同，分为根据作用不同，分为: : 疏水性类固醇激素、维生素疏水性类固醇激素、维生素D D、甲状腺激素、甲状腺激素 亲水性物质亲水性物质

26、跨膜信号转导主要涉及到：胞外信号的识别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。与结合、信号转导、胞内效应等三个环节。 离子通道型受体介导的信号转导离子通道型受体介导的信号转导 G 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 酶联型受体介导的信号转导酶联型受体介导的信号转导 跨膜信号转导方式大体有以下三类：跨膜信号转导方式大体有以下三类： 一、离子通道型受体介导的信号转导一、离子通道型受体介导的信号转导 离子通道型受体离子通道型受体 (ion channel receptor):(ion channel receptor): 化学门控通道化学门控

27、通道 电压门控通道电压门控通道 机械门控通道机械门控通道 化学（配体，化学（配体，ligandligand）门控通道）门控通道 Chemical gated channelChemical gated channel 化学物质化学物质细胞膜上特异细胞膜上特异 性通道蛋白性通道蛋白 通道蛋白变通道蛋白变 构而开放构而开放 相应离子易化扩散相应离子易化扩散 膜电位变化膜电位变化 （1 1）阳离子通道：）阳离子通道： （2 2）阴离子通道：）阴离子通道：如甘氨酸、 如甘氨酸、氨基丁氨基丁 酸通道酸通道 如乙酰胆碱、谷氨酸和如乙酰胆碱、谷氨酸和 五羟色胺通道五羟色胺通道 化学性胞外信号化学性胞外信号(

28、ACh(ACh) ) AChACh + + 受体受体= =复合体复合体 终板膜上离子通道开放终板膜上离子通道开放 NaNa+ +内流为主的跨膜电流内流为主的跨膜电流 终板膜电位终板膜电位 骨骼肌收缩骨骼肌收缩 神经神经- -肌接头乙酰胆碱肌接头乙酰胆碱AchAch受体阳离子受体阳离子 通道信号转导过程通道信号转导过程： 电压门控通道电压门控通道 ( (Voltage gated channel)Voltage gated channel) 跨膜电位改变跨膜电位改变 细胞膜上通道蛋白细胞膜上通道蛋白 构型改变（激活）构型改变（激活） 通道开放通道开放 其他细胞内功能变化其他细胞内功能变化 （如肌

29、细胞收缩）（如肌细胞收缩） 新的电变化（通道所在新的电变化（通道所在 部位的跨膜电位变化）部位的跨膜电位变化） 跨膜离子流跨膜离子流 跨膜信号转换跨膜信号转换 NaNa+ +通道的分子结构及其状态通道的分子结构及其状态 Na+ 备用状态备用状态 激活状态激活状态 失活状态失活状态复活过程复活过程 m h ss Na+ 通通 道道 活活 动动 状状 态态 示示 意意 图图 Na+通道通道 机械门控通道机械门控通道 机械刺激机械刺激 细胞膜上机械门控通道激活细胞膜上机械门控通道激活 跨膜电位变化跨膜电位变化 跨膜信号转换跨膜信号转换 声波振动声波振动 听毛受力听毛受力 细胞膜变形细胞膜变形 跨膜离

30、子流跨膜离子流 激活机械门控通道激活机械门控通道 二、二、G 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 G蛋白耦联受体蛋白耦联受体（G protein-linked recepter):是通过是通过 与脂质双层中以及膜内存在的包括与脂质双层中以及膜内存在的包括G G蛋白等一蛋白等一 系列信号蛋白分子之间的级联式相互作用完系列信号蛋白分子之间的级联式相互作用完 成信号转导。成信号转导。 1 1、G G蛋白耦联受体蛋白耦联受体 2 2、G G蛋白蛋白( (鸟苷酸结合蛋白鸟苷酸结合蛋白) ) 3 3、G G蛋白效应器蛋白效应器 4 4、第二信使、第二信使 （一）主要的信号蛋白（一）

31、主要的信号蛋白 G 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 吉尔曼吉尔曼 Alfred G. GilmanAlfred G. Gilman 美国得克萨斯大学西南美国得克萨斯大学西南 医学中心医学中心 19411941年年- - 罗德贝尔罗德贝尔 Martin RodbellMartin Rodbell 美国国立环境卫生研美国国立环境卫生研 究所究所 19251925年年-1998-1998年年 荣获荣获19941994年年 诺贝尔生理诺贝尔生理 学和医学奖学和医学奖 发现发现G G蛋白蛋白 及其在细胞及其在细胞 内信号传导内信号传导 中的作用中的作用 1 1、G G蛋白耦联受体

32、蛋白耦联受体 结构：结构：一个七次跨膜的一条肽链，细胞外有配体结合一个七次跨膜的一条肽链，细胞外有配体结合 部位，胞质侧有部位，胞质侧有G G蛋白结合部位，也称蛋白结合部位，也称7 7次跨膜次跨膜 受体。受体。 可与可与G G蛋白结合的配体：蛋白结合的配体： （1 1）生物胺类：去甲肾上腺素、多巴胺、）生物胺类：去甲肾上腺素、多巴胺、5-5-羟色胺羟色胺 （2 2）蛋白质或肽类激素：缓激肽、促甲状腺激素、）蛋白质或肽类激素：缓激肽、促甲状腺激素、 黄体生成素和甲状旁腺激素等黄体生成素和甲状旁腺激素等 （3 3）其他：）其他：AChACh、光子、嗅质和味质等、光子、嗅质和味质等 2 2、G G蛋

33、白（鸟苷酸结合蛋白）：蛋白（鸟苷酸结合蛋白）： 、三个亚单位构成的三聚体膜蛋白三个亚单位构成的三聚体膜蛋白 三、酶偶联受体介导的信号三、酶偶联受体介导的信号 转导转导 酶耦联受体与酶耦联受体与G G蛋白耦联蛋白耦联 受体的分子结构和特性完全受体的分子结构和特性完全 不同，受体分子的胞质侧具不同，受体分子的胞质侧具 有酶的活性。有酶的活性。 其中较重要的有酪氨酸其中较重要的有酪氨酸 激酶受体（激酶受体（TKRTKR）和鸟苷酸）和鸟苷酸 环 化 酶 受 体环 化 酶 受 体 ( g u a n y l y l ( g u a n y l y l cyclasecyclase receptor) r

34、eceptor)。 人体及生物体活细胞在安静和活动人体及生物体活细胞在安静和活动 时都存在电活动，这种电活动称为时都存在电活动，这种电活动称为生物电生物电 现象现象（bioelectricity）。 第三节第三节 细胞的电活动细胞的电活动 一、静息电位及其产生机制一、静息电位及其产生机制 静息电位静息电位 (resting potential ,RP) ：细胞处于安静细胞处于安静 状态时，细胞膜内外存在的外正内负电位差。状态时，细胞膜内外存在的外正内负电位差。 （一）静息电位的记录和数值（一）静息电位的记录和数值 0 - + - + 0 90 mV 玻璃微电极玻璃微电极 电位仪电位仪 神经纤维

35、神经纤维 KCl RPRP实验现象：实验现象： 2、与、与RP相关的概念相关的概念 极化极化(polarization):(polarization):静息电位存在时膜两侧所保持静息电位存在时膜两侧所保持 的内负外正的状态的内负外正的状态. . 超极化超极化(hyperpolarization(hyperpolarization):):当静息时膜内外电位差当静息时膜内外电位差 的数值向膜内负值加大的方向变化时的状态的数值向膜内负值加大的方向变化时的状态. . 去极化去极化（depolarization):depolarization):当静息时膜内外电位差的当静息时膜内外电位差的 数值向膜内负

36、值减小的方向变化时的状态数值向膜内负值减小的方向变化时的状态. . 反极化反极化：去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值：去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值 ，称为反极化，也称为超射，称为反极化，也称为超射(overshoot).(overshoot). 复极化复极化(repolarization(repolarization):):细胞先发生去极化细胞先发生去极化, ,再向正再向正 常安静时膜内所处的负值恢复常安静时膜内所处的负值恢复. . （二）静息电位产生的机制（二）静息电位产生的机制 RP RP形成条件：形成条件： （1 1）膜内外离子不均衡分布（钠泵活动形成）膜内外离子不均衡分布

37、（钠泵活动形成 膜内、外离子浓度差）；膜内、外离子浓度差）； （2 2）静息时膜对离子的通透性不同。）静息时膜对离子的通透性不同。 1 1、离子跨膜扩散的驱动力和平衡电位、离子跨膜扩散的驱动力和平衡电位 电化学驱动力电化学驱动力平衡电位平衡电位 静息状态下细胞膜内外主要静息状态下细胞膜内外主要离子分布离子分布及及膜对离子的通透性膜对离子的通透性 离 子 浓 度 （ mmol/L） 主 要 离 子 膜 内 膜 外 膜 内 与 膜 外 离 子 比 例 膜 对 离 子 通 透 性 N Na a + + 1 14 4 1 14 42 2 1 1: :1 10 0 通通 透透 性性 很很 小小 K K

38、+ + 1 15 55 5 5 5 3 31 1: :1 1 通通 透透 性性 大大 C Cl l - - 8 8 1 11 10 0 1 1: :1 14 4 通通 透透 性性 次次 之之 A A - - 6 60 0 1 15 5 4 4: :1 1 无无 通通 透透 性性 2.2.膜对离子的通透性和静息电位的形成膜对离子的通透性和静息电位的形成 静息状态下静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性细胞膜对离子的通透性具有选择性 通透性：通透性：K K+ + ClCl- - NaNa+ + A A- - （1 1）膜两侧）膜两侧K K+ +浓度差浓度差是促使是促使K K+ +扩散的扩散的动力

39、动力。 （2 2）但随着）但随着K K+ +的不断扩散，膜两侧不断加大的不断扩散，膜两侧不断加大 的的电位差电位差是是K K+ +继续扩散的继续扩散的阻力阻力 （3 3）当动力和阻力达到动态平衡时，）当动力和阻力达到动态平衡时，K K+ +的净的净 扩散通量为零扩散通量为零膜两侧的膜两侧的平衡电位平衡电位 RPRP形成过程：形成过程： 总结：总结：RPRP产生机制产生机制: : 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 KK+ + i i、AA- - i i膜内电位膜内电位 ( (负电场）负电场） KK+ + o o膜外电位膜外电

40、位(正电场正电场) ) 膜膜外外为为正正、膜、膜内内为为负负的极化状态的极化状态 当扩散当扩散动力动力与与阻力阻力达到达到动态平衡动态平衡时形成时形成RPRP 结论结论: : RP RP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 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 =59.5 logK =59.5 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

41、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 的代数和的代数和, ,非常接近于非常接近于E EK K。 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也发生相也发生相 应改变，如：轴突管内

42、置换等张应改变，如：轴突管内置换等张Nacl,RPNacl,RP消失消失 （即（即KK+ + i iRPRP）。）。 影响静息电位的因素：影响静息电位的因素： （1 1）细胞内外）细胞内外K K+ +浓度差浓度差 （2 2）膜对）膜对K K+ +、NaNa+ +的相对通透性的相对通透性 （3 3）NaNa+ +-K-K+ +泵活动的水平：生电作用，贡献不大泵活动的水平：生电作用，贡献不大 RPRP相关总结相关总结 1 1）安静时细胞膜对）安静时细胞膜对K K+ +有通透性有通透性 2 2）细胞内）细胞内K K+ +有势能贮备有势能贮备 3 3）K K+ +经细胞膜易化扩散经细胞膜易化扩散 4

43、4）扩散到膜外的）扩散到膜外的K K+ +形成阻碍形成阻碍K K+ +继续扩散的正电场力继续扩散的正电场力 5 5）达到）达到K K+ +的电化学平衡电位的电化学平衡电位 6 6）改变细胞外）改变细胞外K K+ +浓度将影响浓度将影响RpRp值值 7 7）根据物理化学中）根据物理化学中NernstNernst公式公式 可计算可计算K K+ +电化学平衡电位电化学平衡电位 (E(Ek k) ) 计算值与实测值基本相符计算值与实测值基本相符 三、动作电位及其产生机制三、动作电位及其产生机制 1 1、概念：、概念： 在在静息静息电位电位的基础上的基础上, ,给给细胞一个适当的刺细胞一个适当的刺 激，

44、可触发其产生激，可触发其产生可传播的膜电位波动。可传播的膜电位波动。 （一）细胞的动作电位（一）细胞的动作电位(action potential AP) APAP的产生是细胞兴奋的标志的产生是细胞兴奋的标志。 2 2、APAP实验现象实验现象 刺激刺激 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 3 3、动作电位动作电位基本波形基本波形 上升支上升支 刺激刺激 去极化去极化 零电位零电位 反极化（超射）反极化（超射） 下降支下降支 复极化复极化 （负、正）后电位（负、正）后电位 去极化去极化 锋锋 电电 位位： 后后 电电 位位：

45、负后电位负后电位： 正后电位正后电位： 阈阈 值值： 4 4、与、与APAP相关的概念相关的概念 上升支与下降支共同形成的尖峰状上升支与下降支共同形成的尖峰状 的电位变化的电位变化 在锋电位后出现的低幅、缓慢的波在锋电位后出现的低幅、缓慢的波 动动 后电位中膜电位仍小于后电位中膜电位仍小于RpRp 后电位中膜电位值大于后电位中膜电位值大于RpRp 能引起动作电位的最小刺激强度能引起动作电位的最小刺激强度 4 4、APAP的特点的特点 “全或无全或无”现象现象 all or none 不衰减传播不衰减传播 脉冲式发放脉冲式发放 （二）动作电位的产生机制（二）动作电位的产生机制 1 1、电化学驱动

46、力、电化学驱动力 电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度；电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度； 电化学驱动力电化学驱动力= =膜电位膜电位平衡电位平衡电位 峰电位条件下峰电位条件下 钾离子的电化学驱动力钾离子的电化学驱动力30mV30mV( (90mV)90mV)120mV120mV 说明：此时钾离子受到很强的外向驱动力的作用说明：此时钾离子受到很强的外向驱动力的作用 静息电位条件下静息电位条件下 钠离子的电化学驱动力钠离子的电化学驱动力70mV70mV( (60mV)60mV)130mV130mV 说明：此时钠离子受到很强的内向驱动力的作用说明：此时钠离子受到很强的内向驱动力的作用

47、2. 动作电位期间膜电导的变化 测定动作电位期间膜对离子通透性的动测定动作电位期间膜对离子通透性的动 态变化，是揭示动作电位产生原理的关键。态变化，是揭示动作电位产生原理的关键。 利用电压钳技术通过测量膜电流，再利用欧利用电压钳技术通过测量膜电流，再利用欧 姆定律来计算膜电导。姆定律来计算膜电导。 实验结果表明，动作电位期间的钠离子电实验结果表明，动作电位期间的钠离子电 导首先迅速增加，随即发生衰减；在钠电导导首先迅速增加，随即发生衰减；在钠电导 衰减的同时，钾电导增加。衰减的同时，钾电导增加。 (1)(1)动作电位期间的内向电流是动作电位期间的内向电流是NaNa+ +电流；外向电电流；外向电

48、 流是流是K K+ +电流。电流。 (2)(2)膜对离子的通透性膜对离子的通透性有时间依赖性有时间依赖性。 (3)(3)膜对离子的通透性膜对离子的通透性有电压依赖性有电压依赖性。 动作电位期间膜电导的变化：动作电位期间膜电导的变化： 枪乌贼大神经轴突膜电流枪乌贼大神经轴突膜电流 枪乌鱼则大神经轴突膜电流枪乌鱼则大神经轴突膜电流 动作电位期间膜电导的变化：动作电位期间膜电导的变化： 28页，图页，图2-10 动作电位的产生动作电位的产生基本条件基本条件: : (1)(1)静息电位条件静息电位条件下下NaNa+ +受到很强的受到很强的内向内向驱动力的作用驱动力的作用 峰电位条件下峰电位条件下K K

49、+ +受到很强的受到很强的外向外向驱动力的作用。驱动力的作用。 (2)(2)膜对离子的通透性膜对离子的通透性有时间依赖性有时间依赖性和和电压依赖性电压依赖性。 3 3、动作电位的产生过程、动作电位的产生过程 NaNa+ +的内流超的内流超 过过K K+ +的外流的外流 足够大足够大 的刺激的刺激 增加增加NaNa+ + 通透性通透性 电化学电化学 驱动力驱动力 NaNa+ +内流，膜去极内流，膜去极 化达到阈电位化达到阈电位 膜进一步膜进一步 去极化去极化 膜去膜去 极化极化 膜对膜对NaNa+ +通透性通透性 有电压依赖性有电压依赖性 （1 1）上升支的形成）上升支的形成 1ms1ms内时间

50、内迅速去极化内时间内迅速去极化 接近钠离子平衡电位水平接近钠离子平衡电位水平 NaNa+ +内流与膜去极化内流与膜去极化 之间形成正反馈之间形成正反馈 形成动作电位的形成动作电位的上升支上升支 故峰电位的故峰电位的上升支上升支是是NaNa+ +快速内流造成的快速内流造成的 膜对膜对NaNa+ +通透性通透性 有时间依赖性有时间依赖性 膜对膜对NaNa+ +通透性在达峰通透性在达峰 值后便迅速下降值后便迅速下降 NaNa+ +内流停内流停 止止 电化学驱动力电化学驱动力 K K+ +通透性增加通透性增加 K K+ +外流外流使膜复极化使膜复极化 形成动作电位的形成动作电位的下降支下降支 故峰电位

51、的故峰电位的下降支下降支是是K K+ +外流所致外流所致 （2 2）下降支的形成）下降支的形成 负后电位的形成：负后电位的形成： 是在复极时迅速外流的是在复极时迅速外流的K K+ +蓄积在膜外侧附蓄积在膜外侧附 近，暂时阻碍了近，暂时阻碍了K K+ +外流所致。外流所致。 正后电位的形成：正后电位的形成： 是生电性钠泵作用的结果。是生电性钠泵作用的结果。 （3 3）后电位的形成）后电位的形成 4 4、膜对离子通透性变化的机制、膜对离子通透性变化的机制 离子通道状态：离子通道状态： 关闭关闭( (静息静息) ) 激活激活 失活失活 复活复活 通道状态 VmVm ：膜电位；：膜电位； ImIm ：

52、膜电流；：膜电流； m m 和和 h h 分别示意钠通道的激活门和失活门分别示意钠通道的激活门和失活门 为了弄清膜电导变化的机制，采用了离子通道为了弄清膜电导变化的机制，采用了离子通道 的膜片钳技术的膜片钳技术. . 该技术记录到单个离子通道的电流，计算出通该技术记录到单个离子通道的电流，计算出通 道的开放概率和单通道电导，证明完整细胞上记录道的开放概率和单通道电导，证明完整细胞上记录 的膜电流是许多单通道电流总和的结果。的膜电流是许多单通道电流总和的结果。 说明膜电导变化的实质是：膜上离子通道随机说明膜电导变化的实质是：膜上离子通道随机 开放和关闭的总和效应；影响膜电导的因素有：单开放和关闭

53、的总和效应；影响膜电导的因素有：单 通道开放的概率或单通道电导增加，或离子通道数通道开放的概率或单通道电导增加，或离子通道数 目的增加都会使膜电导增加，反之则减小。目的增加都会使膜电导增加，反之则减小。 （1 1）APAP的上升支由的上升支由NaNa 内流形成，下降支是 内流形成，下降支是 K K 外流形成的，正后电位是 外流形成的，正后电位是NaNa K K 泵活动引 泵活动引 起的。起的。 （2 2）APAP的产生是不消耗能量的，的产生是不消耗能量的，APAP的恢复是的恢复是 消耗能量的（消耗能量的（NaNa K K 泵的活动） 泵的活动） （3 3）APAP的峰值接近的峰值接近NaNa

54、的平衡电位。 的平衡电位。 结论：结论： 1 1、域刺激：、域刺激： 电刺激电刺激三要素三要素 1) 1) 刺激强度刺激强度(I)(I)； 2) 2) 刺激持续时间刺激持续时间(t)(t)； 3) 3) 强度强度- -时间变化率时间变化率(dI/dt(dI/dt) ) 4 4）当）当t t 、dI/dtdI/dt固定不变时：固定不变时： 阈强度阈强度是引起兴奋的最小强度，是引起兴奋的最小强度，又称又称阈值阈值。 阈值阈值是衡量兴奋性指标，与兴奋性呈反变关系。是衡量兴奋性指标，与兴奋性呈反变关系。 （三）（三）APAP的触发的触发 阈刺激阈刺激:相当于阈强度的刺激。相当于阈强度的刺激。 阈上刺激

55、阈上刺激:大于阈强度的刺激。大于阈强度的刺激。 阈下刺激阈下刺激:小于阈强度的刺激。小于阈强度的刺激。 2 2、阈电位：、阈电位： 当膜电位当膜电位去极化去极化到到某一临界值某一临界值，就出现膜上的钠通道，就出现膜上的钠通道 大量开放，大量开放，NaNa+ +大量内流大量内流而产生动作电位的这个而产生动作电位的这个临界膜临界膜 电位值电位值称为称为阈电位阈电位（threshold potentialthreshold potential）。）。 阈下刺激阈下刺激 阈上刺激阈上刺激 （四）（四）APAP的传播的传播 1 1、同一细胞上的传播：传导，、同一细胞上的传播：传导，局部电流局部电流 局局

56、 部部 电电 流流 无髓鞘神经纤维为近距离局部电流无髓鞘神经纤维为近距离局部电流 2 2、髓鞘对神经纤维局部电流的影响、髓鞘对神经纤维局部电流的影响 有髓鞘神经纤维为远距离有髓鞘神经纤维为远距离( (跳跃式跳跃式) )局部电流局部电流 缝隙连接缝隙连接 2、在细胞之间的传播、在细胞之间的传播 五、可兴奋细胞及其兴奋性五、可兴奋细胞及其兴奋性 （一）兴奋和可兴奋细胞（一）兴奋和可兴奋细胞 1 1、兴奋、兴奋： 原：组织细胞受刺激后由静息状态转变原：组织细胞受刺激后由静息状态转变 为活动状态或由活动弱的状态转变为活动强为活动状态或由活动弱的状态转变为活动强 的状态过程。的状态过程。 现：组织细胞受

57、刺激后产生动作电位的现：组织细胞受刺激后产生动作电位的 过程。过程。 2 2、可兴奋细胞：、可兴奋细胞： 受到适宜刺激后可产生动作电位的细胞称受到适宜刺激后可产生动作电位的细胞称 可兴奋细胞。可兴奋细胞。 主要包括：神经细胞、肌细胞、腺细胞。主要包括：神经细胞、肌细胞、腺细胞。 （三）细胞兴奋后兴奋性的变化（三）细胞兴奋后兴奋性的变化 1 1、绝对不应期、绝对不应期 (absolute refractory period) 2 2、相对不应期、相对不应期 (relative refractory period) 3 3、超常期、超常期 (supranormal period) 4 4、低常期、

58、低常期(subnormal period ) 兴奋性的周期性变化 返回 绝对不应期绝对不应期：无论无论 多强的刺激也不能再次多强的刺激也不能再次 兴奋的期间。兴奋的期间。 相对不应期相对不应期：大于大于 原先的刺激强度才能再原先的刺激强度才能再 次兴奋期间。次兴奋期间。 超常期超常期：小于原先小于原先 的刺激强度便能再次兴的刺激强度便能再次兴 奋的期间。奋的期间。 低常期低常期：大于原先大于原先 的刺激强度才能再次兴的刺激强度才能再次兴 奋的期间。奋的期间。 心室肌心室肌AP 机械收缩机械收缩 有效不应期有效不应期 膜膜 电电 位位 (mv) 0 -100 -90 +40 时间时间(ms) 3

59、00200100 -70 相对不应期相对不应期 超常期超常期 兴奋性的周期性变化 返回 组织兴奋后兴奋性变化的对应关系组织兴奋后兴奋性变化的对应关系 分分 期期 兴奋性兴奋性 与与APAP对应关系对应关系 机机 制制 绝对不应期绝对不应期 降至零降至零 锋电位锋电位 钠通道失活钠通道失活 相对不应期相对不应期 渐恢复渐恢复 负后电位前期负后电位前期 钠通道部分恢复钠通道部分恢复 超常期超常期 正常正常 负后电位后期负后电位后期 钠通道大部恢复钠通道大部恢复 低常期低常期 正常正常 正后电位正后电位 膜内电位呈超极化膜内电位呈超极化 心肌兴奋性的心肌兴奋性的周期性周期性 分分 期期 有有 效效

60、不不 应应 期期 相对不应期相对不应期超常期超常期 绝对不应期绝对不应期 局部反应期局部反应期 定定 义义 0 0期期3 3期期-55mV-55mV3期期55-60mV3 3期期-60mV-60mV3 3期期-80mV-80mV-80mV-80mV-90mV-90mV 刺刺 激激阈上刺激阈上刺激阈上刺激阈上刺激阈上刺激阈上刺激阈下刺激阈下刺激 反反 应应无反应无反应局部反应局部反应可产生动作电位可产生动作电位产生产生APAP 兴奋性兴奋性最最 小小渐渐 增增最最 大大 钠通道钠通道 状状 态态 失活失活开始复活开始复活 逐渐复活逐渐复活 未恢复正常未恢复正常 基本恢复基本恢复 正常正常 （一）