细胞的功能PPT学习教案

1、会计学1细胞膜结构及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第1页/共108页组成：脂质、蛋白质、糖类 结构：液态镶嵌模型以液态脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具不同结构和功能的蛋白质（一）脂质双分子层 磷脂（70%）、胆固醇（30%）由磷酸和碱基构成的亲水性极性基团由两条较长的脂酸烃链构成的疏水性非极性基团第一节 细胞膜的结构及物质转运功能一、细胞膜的结构概述第2页/共108页第3页/共108页脂质特点：熔点低、体温下为液态 具有某种流动性和稳定性（二）细胞膜的蛋白决定细胞的功能 表面蛋白：附着在膜表面 整和蛋白：贯穿膜的脂质双分子层（三）细胞膜的糖类 量少，寡糖（糖蛋白或糖脂形式）

2、意义：作为细胞或所结合蛋白质的“标志” 表示免疫信息 与激素、递质或其他化学信号结合第4页/共108页（一）概述 （1）细胞膜对物质有通透性 （2）动力：浓度差、电位差、渗透压差、泵二、物质的跨膜转运1物质转运的两个必备条件第5页/共108页第6页/共108页2细胞膜转运的物质 （2）大分子物质: 如酶、激素、吞噬的细菌等 （1）小分子物质H2O无机盐：Na+、K+、Cl-、Ca2+等 有机物：葡萄糖、氨基酸等气体：CO2、O2 第7页/共108页（二）物质的跨膜转运形式 1.单纯扩散（simple diffusion） 气体（O2，CO2），P高P低 脂溶性物质由膜的高浓度一侧移到膜的低浓度

3、一侧决定扩散通量的因素：浓度差，通透性 通透性：物质通过膜的难易程度第8页/共108页2.膜蛋白介导的跨膜转运 在膜上特殊蛋白参与下，物质由膜的一侧向膜的另一侧的转运。载体：转运葡萄糖等，速度慢，选择性严格通道：开放和关闭状态。离子（K+、Ca2+、Na+） 类型：被动转运 （不消耗能量，顺浓度或电位梯度） 主动转运 原发性主动转运 继发性主动转运 （消耗能量，逆浓度或电位梯度）第9页/共108页第10页/共108页第11页/共108页第12页/共108页第13页/共108页 钠-钾ATP酶有ATP酶活性，分解ATP供能 排出3Na+，摄入2K+ 意 义 建立势能贮备 提供能量 造成细胞内外离

4、子的不均衡分布 生物电产生的基础第14页/共108页第15页/共108页离子不均衡分布第16页/共108页n是许多其他物质继发性主动是许多其他物质继发性主动转运的动力转运的动力钠泵的作用 第17页/共108页4.继发性主动转运（secondary active transport）5.出胞与入胞（exocytosis and endocytosis） 1.入胞：吞噬（固体） 吞饮（液体）液相入胞 2.出胞：神经末梢分泌递质，腺体分泌激素 逆浓度差转运时的耗能过程，不直接伴随ATP或其他供能物质的消耗。如葡萄糖的吸收 受体介导的入胞作用 第18页/共108页 secondary active t

5、ransport第19页/共108页第20页/共108页第21页/共108页第二节 细胞的跨膜信号转导功能 一、由离子通道受体介导的跨膜信号转导 二、由膜的特异性受体蛋白质、G蛋白和 膜的效应器酶组成的跨膜信号转导 三、由酶耦联受体介导的跨膜信号转导 第22页/共108页一、离子通道受体介导的跨膜信号转导 离子通道受体（促离子型受体） 1.化学门控通道（chemically-gated channel） 终板膜、神经细胞的突触后膜、以及嗅味感受细胞2.电压门控通道（voltage-gated channel） 神经轴突、骨骼肌以及心肌的质膜上离子通道 3.机械门控通道（mechanically

6、-gated channel） 血管壁的牵张刺激可激活平滑肌细胞的离子通道第23页/共108页化学门控通道第24页/共108页 2.G-蛋白（鸟苷酸结合蛋白）二、 G蛋白耦联受体介导的信号转导（一）主要的信号蛋白 是受体与效应器间具有信息传导功能的蛋白，分激活型G-蛋白（Gs）、抑制型G-蛋白（Gi） 1.G蛋白耦联受体 （receptor） 促代谢型受体，300-400个氨基酸组成，贯穿膜7次。位于膜外的较长N-末端与识别和结合化学信号有关；位于膜内侧的C-末端与激活G蛋白有关。第25页/共108页第26页/共108页 4. 第二信使：(second messenger) cAMP、cGMP

7、、IP3、DG、Ca2+ 3.G蛋白效应器 主要有腺苷酸环化酶、磷脂酶C、磷脂酶A2等，被激活（抑制）后导致膜内第二信使增多（减少）第27页/共108页第28页/共108页（二）主要的G蛋白耦联受体信号传导途径： H + R Gs AC（腺苷酸环化酶）cAMP PKA（cAMP-PKA系统） PLC(磷脂酶C)生成IP3、DGCa内流 Ca-钙调蛋白激酶第29页/共108页化学信号+ 受 体激活膜内侧G-蛋白G-蛋白的亚单位与GDP分离亚单位与GTP结合并与和亚单位分离亚单位与膜内效应器酶结合效应器酶被激活胞浆内ATP 被分解为cAMP（第二信使）使胞浆中蛋白激激活酶某种蛋白质被磷酸化蛋白质功

8、能改变第30页/共108页直接激活膜内肽段化学信号 + 膜外肽段膜内肽段中的酪氨酸残基磷酸化其它蛋白质底物中的酪氨酸残基磷酸化细胞功能改变 三、酶耦联受体介导的跨膜信号转导 （一）酪氨酸激酶受体（TKR） 只有一个跨膜螺旋和一个较短的膜内片段第31页/共108页 （二）鸟苷酸环化酶受体（GC） 只有一个跨膜螺旋，膜外侧有配体结合位点和膜内侧有GC结构域，可激活GC直接激活GC化学信号（ANP） + 膜外N段膜内生成cGMP,并激活PKGccPKG可使蛋白质底物磷酸化细胞功能改变 第32页/共108页第三节 细胞的生物电一. 概 述 二. 静息电位三. 动作电位四. 局部兴奋第33页/共108页

9、一、 概 述 （一）生物电(Bioelectricity) 可兴奋细胞膜内外两侧存在的跨膜电变化 组织器官：综合电活动 ECG、脑电、肌电等单细胞受刺激时：动作电位（二）分类安静时：静息电位第34页/共108页（三）生物电产生基础 有通透性：离子通道的开放1产生机制： 带电离子（Na+、K+、Ca2+等）的跨膜转运2离子跨膜转运的二个必备条件有动力：膜内外离子不均衡分布第35页/共108页- 0 +DiffusionInsideOutside(a) Developing membrane potentialmVCell90DiffusionChargeInsideOutsideCell(b)

10、Electrochemical equilibriummVPotassium ionOrganic anion- 0 +第36页/共108页离子不均衡分布第37页/共108页膜通透性：膜允许某种物质从膜的一侧转移到另一侧的能力膜电导 (G)：膜运送带电离子，形成离子电流的能力电压钳（voltage clamp）：又叫电压固定原理：欧姆定律 V=IR；膜电导 (G) = 1/膜电阻 (R) 跨膜离子电流 (I) = V/R = VG; 只要固定膜电位 (V), 测出的跨膜电流 (I) 的变化，既可反应膜通透性的改变工具药： Na+通道阻断剂河豚毒 (tetrodotoxin, TTX) K+通道

11、阻断剂 四乙基胺 (tetraethylammonium, TEA)膜片钳 (patch clamp) 是一种记录膜结构中单一通道的开放和关闭，测量单通道离子电流I和电导G的技术 电压钳（voltage clamp）和膜片钳 (patch clamp)的应用 第38页/共108页第39页/共108页二、静息电位（resting potential，RP） 1定义：在安静时，存在于细胞膜内外两侧的电位差 2特点：内负外正、相对恒定（一） 静息电位的特点及形成机制 3大小：哺乳类动物神经细胞和肌细胞 （-70 -90mv）第40页/共108页+ 0 -Er = 70 - 75 mV第41页/共10

12、8页膜内外301的K浓度差(动力) 安静时K通道开放 (通透性) K+外流电位差（阻力） K + 平衡电位 浓度差（动力） = （即静息电位、跨膜电位、膜电位）4产生机制 总结：安静时，K+外流形成内负外正的Rp （F） 第42页/共108页第43页/共108页（二）几个概念 极 化（Polarization） 去极化（Depolarization） 超极化（Hyperpolarization） 复极化（Repolarization ） 第44页/共108页Na+ channelsK+ channels1. Resting state2. Depolarization3. Depolariza

13、tion4. RepolarizationThresholdRestingRestingRestingRestingRestingThresholdThresholdThresholdThreshold5. Hyperpolarization第45页/共108页2分期（以神经细胞为例） 后电位锋电位复极化（+30mV 0 -90mV） 三、 动作电位（active potential，AP ）1定义： （一）动作电位的分期及产生机制 去极化（-90mV 0 +30mV）第46页/共108页第47页/共108页膜内外Na+浓度比约110 (动力) 受刺激时Na+通道开放 ( 通透性) Na+内流

14、电位差（阻力） Na+平衡电位 浓度差（动力） = 即Ap去极化至+30mv时3产生机制 （1）去极化：细胞受刺激时 Na+通道开放， Na+快速内流（内正外负） 总结：去极相是由Na+内流形成 第48页/共108页刺激 可兴奋细胞 动作电位 反应（兴奋和抑制）本质表现 外在表现 神经和肌肉细胞 前提 （2）复极化：细胞去极化至一定程度 Na+通道关闭， K+通道开放，在K+浓度梯度的作用下 K+外流，形成复极化（3）后电位：钠泵排钠摄钾形成微小的电位波动 1兴奋性(Excitability)与兴奋（Excitation） （二）动作电位和兴奋性 第49页/共108页2刺激（Stimulus）

15、 1）刺激三要素： 刺激强度、时间、强度-时间变化率 3）阈上刺激、阈刺激Ap反应 阈下刺激局部反应 刚能引起组织产生反应的最小刺激，此时刺激强度 即阈强度（阈值） 2）分类 按强度分：阈刺激、阈下刺激、阈上刺激按性质分：机械性、化学性、生物性、精神性 第50页/共108页（三）动作电位产生的条件 1阈刺激是产生动作电位的必须条件 可兴奋组织（Rp） 阈电位 Ap 阈刺激、阈上刺激 不需任何刺激 2阈强度(Threshold intensity) 衡量组织兴奋性高低的指标，与兴奋性成反比 膜去极化到一临界值，Na+通道爆发性开放产生动作电位，此膜电位值即阈电位第51页/共108页1“全或无”现

16、象 （all-or-none） AP要么不产生（无）， 一旦产生即达最大（全） （四）动作电位的特点2不衰减性传导 3脉冲式 因绝对不应期的存在，动作电位不可融合 第52页/共108页1Na通道功能状态：激活、失活、关闭 （五）动作电位与Na通道功能状态 2组织细胞在受刺激产生AP过程中，其兴奋性的 周期性变化 3绝对不应期的意义： 决定两次兴奋的最小间隔时间 锋电位锋电位失活失活 0 0 相对不应期相对不应期后电位后电位 ( (前前) )开始复活开始复活阈上阈上APAP超常期超常期后电位后电位 ( (后后) )逐渐复活逐渐复活 阈下阈下 APAP低常期低常期备用状态备用状态 阈上阈上APAP

17、第53页/共108页钠通道的性状第54页/共108页（六）动作电位在同一细胞上的传导局部电流流动学说（细胞膜依次产生AP的结果） 除此之外，还有缝隙连接 第55页/共108页第56页/共108页四、局部兴奋（局部反应、局部电位） 阈下刺激少量Na内流产生低于阈电位的去极化局部兴奋 1非“全或无”式 其大小随刺激强度的变化而变化 2电紧张扩布 3总和效应 时间性总和与空间性总和 （一）定义（二）特点第57页/共108页第四节 肌细胞的收缩功能 一、神经-肌肉接头处兴奋传递 二、骨骼肌的兴奋收缩耦联 三、骨骼肌收缩的分子机制四、骨骼肌收缩的机械变化 五、骨骼肌收缩形式 第58页/共108页Ap在神

18、经纤维上传导 N-M接头处兴奋传递 Ap在骨骼肌细胞上传导 骨骼肌的兴奋-收缩耦联 骨骼肌肌丝滑行收缩 局部电流流动传导局部电流流动传导电化学电传导骨骼肌细胞兴奋、收缩过程： 第59页/共108页一、神经-肌肉接头处兴奋传递 （一）神经-肌肉接头处结构 接头间隙：充满细胞外液 接头后膜（终板膜）：有Ach R、Na+、K+通道等 接头前膜：突触囊泡（含Ach）、膜上有Ca2+通道 （二）兴奋传递过程 第60页/共108页 神经纤维上Ap 前膜前膜上Ca通道开放，Ca2+内流大量ACh释放至间隙结合于Ach-R，构型改变终板膜上离子通道开放Na内流 终板电位（局部电流）总和达到肌细胞的阈电位，钠

19、通道开放并使邻近肌膜产生Ap，引起肌细胞收缩 1过 程电（神经纤维上Ap）化学(Ach)电（骨骼肌上Ap）传递 第61页/共108页2传递特点 1）单向传递 2）时间延搁 3）ACh被胆碱酯酶水解失活 有机磷使胆碱酯酶失活大量ACh堆积 肌肉震颤 肉毒杆菌、美洲箭毒抑制ACh作用 肌肉松弛 第62页/共108页二、骨骼肌的兴奋收缩耦联 （Excitation-contraction coupling） （一）兴奋-收缩耦联概念 将肌细胞兴奋与肌纤维收缩连接起来的中介过程 （二）骨骼肌细胞在光镜下结构1肌原纤维明带（细肌丝）：Z线连接 暗带（粗肌丝）：M线连接，中间为H区肌小节(sarcomer

20、e)：暗带+ 2个1/2的明带 第63页/共108页3兴奋-收缩耦联过程 （以骨骼肌为例） F肌膜Ap 至横管膜激活T管膜上的L型钙通道 ，L型钙通道变构使终池上Ca通道开放 Ca2+流入胞质 肌质中Ca2+ （关键耦联物）引起肌丝滑行收缩 Ca2+被肌质网上的钙泵回收，引起肌细胞的舒张2肌管系统纵管（肌质网）：末端称终池（钙池） 横管：肌膜延续, 内为细胞外液 传递电信号 三联体(Triad)：兴奋-收缩耦联的关键部位（F） 第64页/共108页兴奋-收缩耦联过程 （以心肌细胞 为例） 肌膜Ap 至横管膜 激活T管膜上的L型钙通道 Ca2+内流，并激活JSR膜上的ryanodine受体使JS

21、R内的Ca2+释放入胞质 胞质中Ca2+ （关键耦联物），与肌钙蛋白结合引起肌丝滑行收缩 Ca2+浓度升高，同时激活JSR膜上的钙泵， Ca2+被钙泵回收，使胞质中的Ca2+减少，引起肌细胞的舒张 钙触发钙释放(calcium-induced Ca2+ release) （F）第65页/共108页三. 骨骼肌收缩的分子机制（一） 骨骼肌肌丝的分子结构2细肌丝(thin filament)：由三种蛋白组成（F） 1粗肌丝：由肌凝蛋白组成杆 + 头（横桥） （1）肌动蛋白(actin) （2）原肌凝蛋白(tropomyosin) （3）肌钙蛋白(troponin) （钙受体）、（连接 ）、（act

22、in) 与细肌丝可逆结合，拖动细肌丝向M线滑行 具ATP酶活性，分解ATP供能 第66页/共108页（三）滑行过程（F） 肌浆中Ca2+ Ca2+与亚基结合亚基传递信息原肌凝蛋白变构暴露横桥与肌动蛋白结合位点横桥与肌动蛋白结合拖动细肌丝向M线方向滑行肌肉收缩 肌小节、明带、H区变短 暗带长度不变 （二）滑行学说(Sliding theory)肌肉收缩时，无肌丝缩短和卷曲，是细肌丝在粗肌丝间滑行的结果 第67页/共108页第68页/共108页四. 骨骼肌收缩的机械变化 （一）影响骨骼肌收缩的因素 1前负荷（初长度）（Preload)（F） 1）定义：肌肉收缩前遇到的负荷，并处于被拉长状态 2）长度-张力曲线：反映初长度与肌肉收缩力关系的曲线 短于最适初长 最适初长 长于最适初长 正比 反比3）最适初长：肌肉产生最大张力时的初长度第69页/共108页2后负荷(Afterload) 3肌肉收缩力(Contractility) 肌肉收缩时遇到的阻力 张力-速度曲线 ： 反映后负荷与肌肉收缩力关系的曲线(F) 1）定义： 与负荷无关的、决定肌肉收缩效能的内部功能状态 2）影响因素 神经