山东大学医学院生理研究所优秀

1、 山东大学医学院生理研究所优秀 第二章 细胞的基本功能山东大学医学院生理研究所优秀 本章重点： 细胞膜的基本化学组成和结构 (复习）； 物质跨膜转运的形式和原理； 细胞的跨膜信号转导功能； 细胞的生物电和有关现象； 肌细胞的收缩活动。山东大学医学院生理研究所优秀第一节细胞膜的基本结构和物质转运功能 一、细胞膜的结构概要组 成：脂质，蛋白质，糖类 基本结构：流体镶嵌模型 （fluid mosaic model) 山东大学医学院生理研究所优秀（一）脂质双分子层组成： 70磷脂， 30 胆固醇存在形式：双分子层特点： 具有流动性功能： 1. 屏障作用 2. 传递信息 山东大学医学院生理研究所优秀脂质

2、双分子层山东大学医学院生理研究所优秀1. 磷脂 动物细胞膜中主要的 四种磷脂： 磷脂酰胆碱(膜外侧)、 磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰肌醇、 磷脂酰丝氨酸。2.鞘脂类 基本结构和磷脂类似，不含甘油(膜外侧) 。3.胆固醇 有一个甾体结构（环戊烷多氢菲）和一个8碳支链。 山东大学医学院生理研究所优秀(二) 细胞膜蛋白质功能：酶蛋白 转运蛋白 受体蛋白 转运物质 传递信息 免疫标志 结构：主要以-螺旋或球形蛋白质的形式存在。 表面蛋白 存在形式 整合蛋白 特点：流动性（横向移动）山东大学医学院生理研究所优秀表面蛋白（Peripheral proteins）占20%30%,以静电引力或离子键与整 合蛋白结合

3、,附着于膜表面，主要在内表面。argp.ser.-+-山东大学医学院生理研究所优秀（三）细胞膜糖类 细胞膜所含糖类2%10% ， 成分：主要是一些寡糖和多糖链形式：共价键的形式和膜脂质或蛋白质结 合，形成糖脂或糖蛋白部位：糖链绝大多数是裸露在膜的外面一侧。功能： 免疫标志 传递信息 山东大学医学院生理研究所优秀 （一）单纯扩散概念：高浓度区域中的溶质分子将向低浓度 区净移动，这种现象称为单纯扩散。物质的移动方向和速度： 决定于各该物质的浓度差，膜对该物 质的通透性。山东大学医学院生理研究所优秀扩散的物质：脂溶性高、分子量小的物质。 O2、CO2、N2、乙醇、尿素、水等。山东大学医学院生理研究所

4、优秀 1.经载体易化扩散 特征： （1）顺梯度 （2）饱和现象 （3）载体与溶质的结合有较高 的化学结构特异性。 （4）竞争性抑制山东大学医学院生理研究所优秀（二）膜蛋白介导的跨膜转运：根据转运方式的不同， 通道 膜蛋白分为 载体 离子泵 转运体 被动转运：通道、载体膜蛋白介导的跨膜转运 （不耗能、顺梯度） 原发性 主动转运：泵 继发性 （耗能、逆梯度）山东大学医学院生理研究所优秀 2经通道易化扩散 概念: 带电的离子如Na+、K+ 、 Ca2+、 CI-等借 助于通道蛋白的介导,由膜的顺浓度梯度 或电位梯度的跨膜扩散。 特点 : a. 通道具有开放和关闭状态; b. 对转运物质有选择性,但无

5、载体蛋白那么严格山东大学医学院生理研究所优秀 分类: 化学门控通道： 膜两则（外测）出现 化学信号时开放。电压门控通道：膜两则电位差改变决定其开放或关门。山东大学医学院生理研究所优秀离子通道功能状态： 静息状态-通道关闭： (备用状态)刺激能开放激活状态-通道开放： 离子扩散失活状态-通道关闭: 刺激不能开放山东大学医学院生理研究所优秀离子通道功能状态的调控：通道蛋白质有别于载体的重要特点之一， 结构和功能状态可以因细胞内外各种理化因素膜电位、化学信号、机械刺激的影响而迅速改变。通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门（gate）一类的基团，由它决定通道的功能状态。-门控 电压门控通道-膜两侧电位差

6、 化学门控通道-化学物质（Ach） 机械门控通道机械刺激山东大学医学院生理研究所优秀3.原发性主动转运概念: 指细胞通过直接利用代谢产生的能量将物 质(离子)逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜 转运的过程。化学本质： 钠泵是Na+-K+依赖式酶的蛋白质。 也称Na+-K+-酶。启动机制： 启动和活动强度与膜内多Na+和膜外多K+有关。山东大学医学院生理研究所优秀山东大学医学院生理研究所优秀 钠泵活动时 泵出Na+和泵入K +同时进行或“耦联”在一起山东大学医学院生理研究所优秀 细胞膜上的钠泵活动的意义：（1）由钠泵活动造成的细胞内高K+ ，是许多代谢 反应进行的必需条件；（2）Na+和K+浓度梯度使

7、细胞生物电活动产生的 前提条件。（3）维持胞质渗透压和细胞容积相对稳定。 Na+和Cl-漏入K +漏出。哇巴因抑制钠泵活 动大量细胞外Na+ 、Cl-漏入膜内，胞质渗透 压升高，过多水进入膜内，引起细胞的肿 胀，进而破坏细胞的结构；山东大学医学院生理研究所优秀（4）维持细胞内pH相对稳定。Na+ -H+交换（5）维持细胞内Ca2+浓度的稳定。Na +和K + 浓度梯度是Na+ - Ca2+交换动力。（6）生电性。个Na+移到膜外同时个K+移 入膜内。（7）Na+浓度梯度是其他物质继发转运的动 力。山东大学医学院生理研究所优秀通道转运与钠-钾泵转运模式图山东大学医学院生理研究所优秀4.继发性主动

8、转运概念： 许多物质在进行逆浓度梯度或电位梯度的跨膜转运时，所需的能量并不直接来自ATP的分解，而是来自Na+在膜两侧的浓度势能差，后者是钠泵利用分解ATP释放的能量建立的。 这种间接利用ATP能量的主动过程称为继发性主动转运。山东大学医学院生理研究所优秀机制：转运体（膜蛋白）利用膜两侧Na+浓度梯度或电位梯度跨膜转运。没有Na+由高浓度的膜外顺浓度差进入膜内，就不会出现葡萄糖、氨基酸等分子逆浓度差进入膜内。 山东大学医学院生理研究所优秀转运体：膜蛋白同向转运：被转运的物质与Na +移动的方向相同。相应的转运体称为同向转运体。反向转运：被转运的物质彼此与Na +移动的方向相反。相应的转运体称为

9、反向转运体或交换体。山东大学医学院生理研究所优秀 被动转运 主动转运 比较单纯扩散、 易化扩 泵 异同点转运物质 脂溶性、小分 水溶性、小分子、离子 水溶性、小分子、离子动力 浓度差 浓度差、电压差 ATP 顺梯度 顺梯度 逆梯度特点 扩散速度取决于 膜蛋白介导 膜蛋白介导 浓度差 通道 载体 原发性、继发性 膜通透性 浓度差 饱和 膜通透性 特异性 电压差 竞争抑制 不耗能 不耗能 耗能山东大学医学院生理研究所优秀 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外部能量逆电-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山东大学医学院生理研究所优秀第二节 细胞的跨膜

10、信号转导一、G蛋白耦联受体介导的信号转导 主要途径：1.受体-G蛋白-AC途径: 物质 膜表面的特异受体 Gs-(兴奋性G蛋白) 激活腺苷酸环化酶 胞浆中的ATP分解 膜内侧胞浆中cAMP (有时是减少),实现激素对细胞内功能的调节山东大学医学院生理研究所优秀2.受体-G蛋白-PLC途径外界剌激信号 膜受体 Go的G蛋白 激活磷脂酶C磷脂酰肌醇 三磷酸肌醇(IP3) 二酰甘油 第二信使 影响细胞内过程,完成跨膜信号转导。山东大学医学院生理研究所优秀二、离子通道受体介导的信号转导 1.离子通道受体-促离子型受体（化学门控通道） 因化学门控通道具有受体功能，也称为通道型受体；激活时直接引起跨膜离子

11、流动，也称促离子型受体。 控制通道开、关的因素-化学物质。 主要分布： 肌细胞终板膜、神经细胞突触后膜、嗅、味感受细胞膜中,使所在膜产生终板电位、突触后电位以及感受器电位等局部电反应。 山东大学医学院生理研究所优秀2.电压门控通道： 主要分布: 神经轴突、骨骼肌、 心肌细胞的一般质膜 中, 控制这类通道开、关的因素是通道所在 膜两侧的跨膜电位的变化。3.机械门控通道： 细胞表面膜存在能感受机械性刺激并引起 细胞功能改变的通道样结构。 特点： 速度快、对外界刺激反应的位点局限。 山东大学医学院生理研究所优秀三、酶耦联受体介导的信号转导特点： 受体分子的胞质侧自身具有酶的活性，可直接激活胞质中酶。

12、 受体只有一跨膜-螺旋和一个较短的膜内肽段。 酪氨酸激酶受体 重要的受体有 鸟苷酸环化酶受体山东大学医学院生理研究所优秀（一）酪氨酸激酶受体特点：膜外侧-配位体结合点 深入胞质端-酪氨酸激酶结构域 受体与酶是同一蛋白分子肽类激素如胰岛素和细胞因子 相应的靶细胞时, 激活细胞膜酪氨酸激酶受体 胞质侧酶活性部位活化 胞质酪氨酸激酶结合、激活 完成跨膜信号转导 一系列细胞内信号分子 细胞核内基因转录改变。山东大学医学院生理研究所优秀 （二）鸟苷酸环化酶受体 膜外侧- -螺旋分子N端-配位体结合点 膜内侧- -螺旋分子C端-鸟苷酸环化酶 （GC）结构域,与配位体结合活化。 机制 GTP CG CGMP

13、 蛋白激酶G（ PKG ） PKG活化 底物磷酸化山东大学医学院生理研究所优秀第三节 细胞的生物电现象一、细胞膜的被动电学特性（一）膜电容和膜电阻细胞膜的电缆学说 细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作为两个导体，有一定的电阻；膜电容：细胞膜脂质双层类似于一个平板电容器，相对地视作绝缘体，因此细胞膜具有显著的电容特性。山东大学医学院生理研究所优秀跨膜电位：当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。膜电阻：通常用它的倒数膜电导G来表示。对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的通透性。山东大学医学院生理研究所优秀细胞

14、膜相当于一条电缆一点给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜电位变化：在电源附近电位上升快，达 到的最高电位也较大；离开电源越远，则不但电位 上升的慢，而且最终的最高 电位也较低。电位改变变慢，是膜电容引 起的后果；电位依距离变 小，是膜外电阻、膜电阻及 膜内电阻引起的后果。 山东大学医学院生理研究所优秀细胞膜的被动电学特性与电学特性相同点： 欧姆定律 电阻、电容、电流、电紧张 异同点：膜离子通道-离子流 泵电流-生电性Na+-K+泵山东大学医学院生理研究所优秀（二）电紧张电位概念：细胞膜的电学特性相当于并联的阻容耦合电路，跨膜电流随着距原点距离的增加而逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规律的膜

15、电位分布，这种由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。山东大学医学院生理研究所优秀产生： 向神经纤维的某一点注入不同方向的电流； 用正、负电极从膜外侧施加电刺激，胞质内的负电荷流向正极下方，正电荷流向负极的下方，因而在正、负电极下分别产生一个彼此方向相反的电紧张电位。山东大学医学院生理研究所优秀二、细胞的静息电位 安静时 静息电位 受刺激时 动作电位山东大学医学院生理研究所优秀（一）电生理学研究方法： 1. 细胞内记录：微电极山东大学医学院生理研究所优秀细胞内记录：微电极山东大学医学院生理研究所优秀2.膜片钳实验技术 是一种能够记录膜结构中单一的离子通道蛋白质分子的开放和关闭，

16、亦即测量单通道离子电流和电导的技术。山东大学医学院生理研究所优秀 (二) 静息电位(resting potential) 1.概念：是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两 侧的电位差。2.测量方法：细胞内电位记录方法 静息电位表现为膜内较膜外为负。山东大学医学院生理研究所优秀记录装置 记录仪器: 电极:一对测量电极一个放在细胞的外表面，另一个连接玻璃微电极。当微电极刺入膜内时，记录仪器上显示一个突然的电位跃变，表明细胞膜内外两侧存在着电位差。存在于安静细胞的表面膜两侧的，故称为跨膜静息电位，简称静息电位。山东大学医学院生理研究所优秀特征： 静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位,但不同细胞的静

17、息电位数值可以不同; 只要细胞未受刺激、生理条件不变,这种电位将持续存在。山东大学医学院生理研究所优秀静息电位时膜两侧所保持的外正内负状态称为膜的极化(polarization)；膜内外电位差的数值向膜内负值加大的方向变化时，称为膜的超极化(hyperpolarization)；膜内电位向负值减小的方向变化，称为去极化或除极化(depolarization)；山东大学医学院生理研究所优秀去极化至零电位后膜电位进一步变为正值称为反极化，膜电位高于零电位的部位称为超射（overshoot）。细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复，则称作复极化(repolarization)山东大学

18、医学院生理研究所优秀 研究方法1902年-Bernstein膜学说 安静状态下膜只对K+有通透性，静息电位相当于K+平衡电位。1936年-Young 发现直径1mm头足类软体动物枪乌贼的巨大神经轴突1939年英国生理学家Hodgkin 、Huxley 将直径0.1mV充满海水的毛细玻璃管纵向插入乌贼大神经轴 突的断端。 细胞外电极: 置于浸泡细胞的海水中.实测膜内电位约-60mV山东大学医学院生理研究所优秀 (二)静息电位的产生机制：1.K+驱动力： K+浓度、电位势能。2.基础条件：安静状态下膜对K+有通透性，K+外流 钾外流，带负电的蛋白不能外流，使膜外带正电荷 ，膜内带负电荷。 当促使钾

19、外流的浓度势能差同阻碍钾外流的电势能差相等时，钾跨膜净移动量为零，相当于Ek。膜两侧的电位差也稳定于某一数值不变，这个电位差称为K+的电化学平衡。 3.少量的Na+和Cl-内流 抵消一部分由K+外流引起的膜内电位 。4. Na+一K+泵 外流K+和漏入的Na+可激活钠泵，生电作用。山东大学医学院生理研究所优秀三、动作电位及其产生机制(一)细胞的动作电位 概念： 在静息电位的基础上，可兴奋组织或细胞受到一个适当刺激时，其膜电位发生迅速的一过性的波动，这种短暂可逆的、扩布性电变化称为动作电位(action potential)。山东大学医学院生理研究所优秀特征：“全或无”性质。当刺激未达阈值时，动

20、作电位不会出现，一旦达到阈电位水平 ，动作电位便迅速产生，并达到最大值，其幅度和波形不随刺激的强度增强而增大。动作电位能沿细胞膜向周围不衰减性传导，其幅度和波形始终保持不变。具有不应期，峰电位不可融合叠加。山东大学医学院生理研究所优秀stimulatr0mV神经纤维AP兴奋的共有标志: 动作电位山东大学医学院生理研究所优秀 上升支 去极化 （-70 到0 mV） 峰电位 超射 （0到+30 mV ） 动作电位 下降支 复极化 （+30到-70 mV ） 负后电位-后去极化 后电位 正后电位-后超极化 （负值大于-70 mV） 山东大学医学院生理研究所优秀（二）产生机制：研究方法间接法：1949

21、. Hodgkin和Huxley葡萄糖溶液替代海水。同位素24 Na+定量研究计算每次动作电位进入膜内Na+ 21000个/m2膜电容算出Na+流量使去极化达100mV以上。直接法： 电压钳山东大学医学院生理研究所优秀1.电化学驱动力： 它决定离子跨膜流动的方向和速度。动力：电-化学梯度;基础条件： 膜对离子的通透性增大，当膜电位等于某离子的平衡电位时，该离子的电化学驱动力为零，因此，某离子的电化学驱动力等于膜电位与该离子的平衡电位之差。假定静息电位Em 为-70mV， ENa为+60mV，EK为-90mV： Na+驱动力:Em-ENa=-70mV-(+60mV)=-130mV K+驱动力:

22、Em-ENa=-70mV-(-90mV)=+20mV山东大学医学院生理研究所优秀2.动作电位期间膜电导的变化电压钳（voltage clamp）技术 直接测定动作电位期间膜对离子通透性动态变化。原理： 根据通道膜电流的大小和时间，可精确测定细胞 生物电过程中，各种离子流的大小、方向和时程、方向和时程利用欧姆定律来计算膜电导。优缺点： 适用于各种直径较大的细胞，只能观察膜电流的方向和幅度，不能区分那种离子电流。山东大学医学院生理研究所优秀电压钳技术装置方法： 负反馈电路使膜电位钳制在一个设定的水平. 记录膜电流变化作为膜电导的观察指标。山东大学医学院生理研究所优秀实验设计根据： 离子跨膜移动时形

23、成跨膜离子电流（I）， 膜对离子通透性（难易程度）是膜的电阻 （R）或其倒数电导（G）， 膜电导是通透性同义词。 根据欧姆定律 I = V G 固定V，测定I，作为膜电导变化的度量。 记录膜电位Vm高阻抗前极放大山东大学医学院生理研究所优秀 电导及动作电位GNa和GK变化曲线的特点：电压依从性，由去极化激活， GNa激活早，是动作电位上升支基础；GK激活晚，是动作电位下降支基础。 GNa有失活状态而GK没有此特性山东大学医学院生理研究所优秀 记录膜电流变化作为膜电导的观察指标： 记录膜电位(Vm) 高阻抗前极放大（x1） 反馈放大器（FBA） 电极与FBA 输出端连接，向细胞内注入电流（指令电

24、位）， FBA两者电位相等 I = 0 FBA两者出现差异 FBA经电极输出端向细胞内注入电流，在膜两侧产 生趋向于指令电位变化，构成一个使膜电位 = 指令电位反馈电 路，此时记录电流反映膜电导G的变化。山东大学医学院生理研究所优秀利用药理学分析膜电流的实验结果应用Na+通道阻断剂TTX（河豚毒）,内向电流消失。 应用K+通道阻断剂TEA（四乙胺），外向电流消失。山东大学医学院生理研究所优秀膜电流的记录和分析山东大学医学院生理研究所优秀3.膜电导与离子通道膜片钳实验技术(Neder和Sakmann等)（1）直接观察单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透活动的特征.（2）记录单个离子通道开放后的

25、电流.（3）计算出通道的开放概率和单通道电导。（4）证明在完整细胞上记录到的膜电流是许多单通道电流总和的结果，单通道的开放概率或单通道电导增加，或离子通道的数目增加，都会使膜电导增大。山东大学医学院生理研究所优秀 70年代的膜片钳实验技术 膜片钳记录方法和单通道电流山东大学医学院生理研究所优秀 钠 电 流山东大学医学院生理研究所优秀阈电位当剌激引起膜内去极化达到引起正反馈Na+ 内流的临界膜电位称为阈电位(threshold potential)。它一般比静息电位小1020mV。山东大学医学院生理研究所优秀动作电位上升支：1.细胞受剌激时，迅速增加Na+电导，2.动力：Na+在很强的电化学驱动

26、力作用下，形成Na+内向电流，膜内负电位的迅速消失；3.超射:膜外Na+较高的浓度势能，Na+在膜内负电位减小到零时仍可继续内移，出现超射。4.阻力:内移的Na+在膜内形成的正电位足以阻止的Na+静移动为止；这时膜内所具有的电位值，理论上应相当于根据膜内、外Na+浓度差代入Nernst公式时所得出的Na+平衡电位值。山东大学医学院生理研究所优秀动作电位降支：Na+通道失活，Na+电导减小形成峰电位降支，同时K+电压门控性通道的开放。在膜内电-化学梯度的作用下,出现了K+外向电流，使膜内电位变负，加速了膜的复极，参与峰电位降支的形成。后电位：正后电位一般认为是生电性钠泵作用的结果。山东大学医学院

27、生理研究所优秀局部反应或局部兴奋特征：1.不表现“全或无”特征；2.不能向远处传播,只能以电紧张的方式, 使邻近的膜也产生类似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；3. 电紧张电位(局部兴奋)没有不应期,一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位,可叠加或总和后导致膜去极化到阈电位,从而爆发动作电位。 空间性总和： 多个阈下刺激在相邻部位同时发生，叠加起来。 时间总和： 阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应 尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。山东大学医学院生理研究所优秀 局部反应或局部兴奋特征：1.不表现“全或无”特征；2.不能向远处传播,只能以电紧

28、张的方式, 使邻近的膜也产生类似的去极化。电紧张扩布随扩布距离增加而衰减；3. 电紧张电位(局部兴奋)没有不应期,一次阈下剌激引起一个局部反应虽然不能引发动作电位,可叠加或总和后导致膜去极化到阈电位,从而爆发动作电位。 空间性总和： 多个阈下刺激在相邻部位同时发生，叠加起来。 时间总和： 阈下剌激在同一部位连续发生，后一次反应可在前一次反应 尚未完全消失的基础上发生，多个局部反应在时间上叠加。山东大学医学院生理研究所优秀电紧张扩布山东大学医学院生理研究所优秀 局部兴奋与动作电位的区别:不衰减扩布电紧张扩布传播特点无有总和现象有无全或无特点大小膜电位变化幅度多少钠通道开放数阈或阈上刺激阈下刺激刺激强度动作电位局部兴奋区别山东大学医学院生理研究所优秀（三）动作电位的传导 无髓鞘神经纤维上的传导方式 1.某一小段纤维受到足够强的外加剌激； 2.局部出现膜两侧电位的暂时性倒转； 3.在已兴奋的神经段和相邻的未兴奋神经段之间，电位差的出现而发生电荷移动，称为局部电流(local current)， 4