细胞生理2014课件

1、第二章 细胞的基本功能 (人卫第八版，朱大年主编) 主讲: 王明江 (教授) 2014.2电话:MAIL: slwangmingjiang第一节 细胞膜的物质转运功能第三节 细胞的电活动第四节 肌细胞的收缩第二节 细胞的信号转导第二章 细胞的基本功能 (人卫第八版，朱大年主编) 主讲: 王明江 (教授) 2014.2电话:MAIL: slwangmingjiang第一节 细胞膜的物质转运功能第三节 细胞的电活动第四节 肌细胞的收缩第二节 细胞的信号转导第二章 细胞的基本功能 (人卫第八版，朱大年主编) 主讲: 王明江 (教授) 2014.2电

2、话:MAIL: slwangmingjiang第一节 细胞膜的物质转运功能第三节 细胞的电活动第四节 肌细胞的收缩第二节 细胞的信号转导教学目的要求: 1.掌握物质的跨膜转运方式 2.掌握细胞的跨膜信号转导 3.掌握生物电产生原理 4.掌握肌肉收缩产生原理教学重点:生物电和兴奋传导的基本原理与肌肉收缩原理和调节机制。教学难点:生物电和信号转导,肌肉收缩原理第一节 细胞膜的结构和物质转运功能 一、细胞膜的结构概述二、跨细胞膜的物质转运（一) 单纯扩散（二)易化扩散 （膜蛋白介导的跨膜转运） 1.通道介导的跨膜转运 2.载体介导的跨膜转运（三）主动转运 1.原发性主动转运

3、 2.继发性主动转运（四）膜胞运输；1 .入胞 2 .出胞 （一）单纯扩散(simple diffusion) (1)概念:一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。（二）膜蛋白介导的跨膜转运1.通道介导的跨膜转运(1)概念: 一些非脂溶性或脂溶解度甚小的物质,需特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。 经通道的易化扩散过程转运的物质:各种带电离子（2）电压门控通道 由膜电位改变控制通道的开关电压依从性 钠通道1800个氨基酸形成4个结构相同的a-螺旋结构域(domain)，每个结构域中有6个片段(S1S6)。由4个S2围成了通道亲水性通路；由带精氨酸和赖

4、氨酸等阳离子的S4形成了电压依从性门控机制。（4）细胞间通道图示:细胞间隙细胞膜蛋白亚单位这种结构主要存在于心肌和平滑肌的肌细胞之间。2.载体介导的跨膜转运转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子亲水物质(1)经载体易化扩散特点: 需依靠特殊膜蛋白质 不需另外消耗能量 选择性 饱和性（米氏常数可反应） 竟争性 浓度和电压依从性(2)原发性主动转运(active transport) 指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。 特点：需要消耗能量,能量由分解ATP来 提供； 依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”； 是逆电-化学梯度进行的。1.Na+-K+泵2.钙泵 3。氢泵 H+-K+ 等 通道转运与钠-钾泵

5、转运模式图 维持Na+o高、K+i高原先的不均匀分布状态2K+泵至细胞内;3Na+泵至细胞外分解ATP产生能量当Na+i/K+o激活钠-钾泵:由、二个亚单位构成， 亚单位由1022个氨基酸残基构成，10次跨膜；亚单位由302个氨基酸残基构成， 1次跨膜。(3).继发性主动转运概念： 即逆浓度梯度或逆电位梯度的转运时，能量来自膜两侧Na+差，而Na+差是Na+-K+泵分解ATP释放的能量建立的。出胞：入胞:第二节 细胞的信号转导一、信号转导的概述 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。 跨膜信号转导方式大体有以下三类： 离子通道型受体介导的信号转导 G蛋白耦

6、联受体介导的信号转导 酶联性受体介导的信号转导（一）信号转导的概念 任何系统都是物质、能量和信息相互作用和有序化运动的产物， 都离不开调控。而调控的实质就是获取信息、处理信息和利用信息调整系统内各种活动的过程。生物细胞具有极其复杂的生命活动，这些生命活动都必须受到严格的调控。 （二）信号转导的生理意义 机体各种器官、组织和细胞的活动是相互联系的，通过神经和体液调节彼此协调成为整体，并与内、外环境相适应。细胞间存在着完善、发达的信号传递系统，使细胞之间能互相联系与沟通，协调细胞的增殖、分化、代谢和功能活动，以保证整体功能的顺利进行。 （三）信号转导的主要通路 1 .受体介导式入胞是最主要的入胞形

7、式 2.脂溶性配体直接进入细胞（四）信号网络系统（P20）（五）信号转导与人类疾病二、离子通道受体介导的跨膜信号转导 目前已确定体内至少存在三种类型的通道样结构，即化学门控通道、电压门控通道和机械门控通道。它们不仅使细胞对外界相应的刺激起反应，还能完成跨膜信号的转导。由各种门控通道完成的跨膜信号转导具有速度快、对外界作用出现反应的位点较局限等特点。 化学门控通道（骨骼肌终板膜） 电压门控通道（心肌细胞L型钙通道） 机械门控通道（血管内皮细胞）三.G蛋白耦联受体介导的信号转导(一)主要的信号蛋白和第二信使1. G蛋白耦联受体（7次跨膜受体）2.G蛋白3. G蛋白效应器 （1）腺苷酸环化酶 （2）

8、磷酸二酯酶 （3）磷脂酶 （4）肾上腺素受体激酶4.第二信使 cAMP、三磷酸肌醇（IP3）二酰甘油（DG）、环磷酸（cGMP）和Ca2+5.蛋白激酶(1)、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 (2)、酪氨酸蛋白激酶(二)主要的信号转导通路 1.受体- G蛋白-AC- cAMP-PKA通路神经递质、激素等（第一信使）兴奋性G蛋白(GS)激活腺苷酸环化酶(AC)ATPcAMP细胞内生物效应激活cAMP依赖的蛋白激酶A结合G蛋白偶联受体激活G蛋白RsGsbgaGDPGTPGDPATPcAMPbgaGTPACProteinPKAPDE5AMPATPADPPPhysiologicalactivitiesRibgG

9、iaGDPbgaGTPGDPGTPmembraneplasma2.受体- G蛋白-PLC- IP3- Ca2+-和DG-PKC通路激素（第一信使）兴奋性G蛋白(GS)激活磷脂酶C(PLC)PIP2(第二信使）IP3 和 DG激 活蛋白激酶C内质网释放Ca2+激活G蛋白细胞内生物效应结合G蛋白偶联受体3、 Ca2+信号系统Ca2+参与信号转导、生物电活动、肌肉收缩 四、酶联性受体介导的信号转导（一） 酪氨酸激酶受体 和酪氨酸激酶结合受体 酪氨酸激酶受体 大部分生长因子和一些肽类激素，如表皮生长因子（EGF）、神经生长因子（NGF）、胰岛素等，在与其受体结合后，可使受体胞浆一侧存在的酪氨酸蛋白激酶

10、（PTK）激活，导致受体自身及（或）细胞内蛋白的磷酸化。受体的这种自身磷酸化在信号的跨膜转导过程中起着重要的作用。 另一类受体本身没有酶的活性，但当它被配体激活时立即与酪氨酸激酶结合，并使之激活。 （二）鸟苷酸环化酶受体 这类受体由结合亚单位和催化亚单位组成。当鸟甘酸环化酶受体与相应的配体结合后，分子构象改变导致催化亚单位与GDP解离，与GTP结合并激活鸟甘酸环化酶（GC）的活性，催化GTP生成cGMP。cGMP主要通过依赖于cGMP的蛋白激酶（PKG）的激活，导致底物蛋白磷酸化产生相应的反应 （三）丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶受体 当这类受体 被激活后，通过磷酸化下游信号蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基而

11、启动信号转导通路。五、招募受体介导的信号转导 受体分子的胞内没有如何酶的活性，故不能进行生物信号的放大。但招募受体的胞外域一旦与配体结合，其胞内域即可在胞质侧招募激酶或转接蛋白，激活下游不涉及经典第二信使的信号转导通路，如细胞因子受体介导的JAK-STAT信号通路等，主要调控造血细胞及免疫细胞的功能。六、核受体介导的信号转导此复合物结合在染色质的非蛋白质的特异位点上激素与胞浆受体结合H-R复合物H-R复合物进入核内H-R复合物与核内受体结合调控DNA转录过程细胞内生物效应H-R复合物 概 述 恩格斯在100多年前就指出：“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变化”。人体及生物体活细胞在

12、安静和活动时都存在电活动，这种电活动称为生物电现象（bioelectricity）。 第三节 细胞的生物电现象“一、静息电位（一）静息电位的记录和数值(resting potential RP) 概 念 ：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。 RP实验现象：证明RP的实验：（甲）当A、B电极都位于细胞膜外，无电位改变，证明膜外无电位差。（乙）当A电极位于细胞膜外， B电极插入膜内时，有电位改变，证明膜内、外间有电位差。（丙）当A、B电极都位于细胞膜内，无电位改变，证明膜内无电位差。 与RP相关的概念： 静息电位:细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。 膜电位:因电位差存在

13、于膜的两侧所以又称为膜电位（membrane potential）。 RP值描述: RP的绝对值 (-70mV-90mV) 超极化 RP的绝对值(-70mV-50mV) 去极化(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀 Na+ i Na+o 110 K+ i K+o 301 Cl-i Cl-o 114 Ca2+i Ca2+ o 112（二）静息电位产生的机制1.离子跨膜扩散的驱动力和平衡电位膜内：膜 外细胞内液和细胞外液中主要离子浓度和电位表2-1（枪乌大神经）电化学驱动力(mV)=膜电位-该离子平衡电位即浓度差和电位差双重驱动力离子胞 外(mmol/L)胞 质(mmol/L)平衡电位（mV）电

14、化学驱动力(mV)Na+44050+60130K+2040090+ 20Cl5605260 0有机负离子38570静息电位细胞内液和细胞外液中主要离子浓度和电位表2-2（哺乳动物骨骼肌）离子胞 外(mmol/L)胞 质(mmol/L)平衡电位（mV）电化学驱动力(mV)Na+14512+67157K+415598 + 8Cl120490 0有机负离子15590静息电位2.膜对离子的通透性和静息膜电位 通透性：K+ Cl- Na+ A- 3.钠泵的生电作用钠泵活动超极化RP产生机制的膜学说: 电化学驱动力(+8mV)使Ki向膜外扩散而A-i不能向膜外扩散K+i、A-i膜内电位(负电场) K+o膜

15、内电位(正电场)膜外为正、膜内为负的极化状态当扩散动力与阻力达到动态平衡时=RP结论:RP的产生主要是K向膜外扩散的结果。 RP K+的平衡电位静息膜电位或钾离子的平衡电位可以用Nernst公式计算： RT K+iEk = ln R 气体常数 8.31焦尔/度；T 绝对温度 273Co； nF K+o n 离子价数；F 法拉弟常数 96,500库伦。实测值-77mv（小）与计算值-87mv（大）有差异，原因可能为：1）膜在静息时对钠离子，氯离子也有一些通透性；2）膜对钾离子的通透性有一定的限制。膜外钾离子浓度增高，在一定范围内可增加膜对钾离子的通透性。静息膜电位的定义： 细胞处于静息状态时，细

16、胞膜内外的电位差，其接近于钾离子的平衡电位。影响静息膜电位的因素1.膜内外K+浓度差2.膜对外K+和Na+相对通透性3.钠泵活动二、动作电位(action potential AP) 概 念： AP实验现象： 去 极 化上 升 支下降支（一）动作电位的概念和特点刺激局部电位阈电位去极化零电位反极化（超射）复极化（负、正）后电位1.电-化学驱动力及其变化：决定离子跨膜流动的方向和速度，某离子电化学驱动力应等于膜电位与该离子平衡电位之差。如Na+ ： EmENa+= 70mV-(+60mV)= 130mV EmEK+ = 70mV-(-90mV)= + 20mV 在静息膜电位条件下Na+的内向驱动

17、力大电化学驱动力随着膜电位的变化而变化;当膜去极至+30mV的锋电位水平时,膜对Na+的驱动力为 EmENa+= +30mV-(+60mV)= 30mV EmEK+ = +30mV-(-90mV)= + 120mV 在锋电位期间K+的外向驱动力大（二）动作电位的产生机制AP产生的基本条件:膜内外存在Na+浓度差: Na+i Na+O 110；膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加： 即电压门控性Na+、K+通道激活而开放。电位差2、动作电位期间膜通透性（电导）的变化 (Na内流形成锋电位上升支，K外流是形成锋电位下降支)电压钳(voltage clamp)实验(1)膜通透性与膜电导有关（通

18、透性大，膜电导 ）。(2)如果电位（V）固定不变，测出电流（I），就可作为膜电导的变化（通透性大小）。 V = I / G(3)问题是测电流容易，而使膜电位（V）固定却不易（膜电容充电和放电）(4)Hodgkin 的电压钳 (voltage clamp) 实验对照K电流Na电流TTX存在时-80mV-30mV全细胞纪录电压钳(voltage clamp)FBAV膜电位监视膜电位固定指令FBA:feedback amplifier电压钳(voltage clamp)单通道纪录 膜片钳 (patch clamp)动作电位期间膜电导的变化当细胞受到刺激少量Na+通道开放电化学驱动力(-130mV)使

19、Na+少量内流局部电位到阈电位时Na通道大量开放Na+顺电化学差再生式内流膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支）Na+通道关K+通道激活而开放K顺浓度差迅速外流电位下降，恢复到RP水平（AP下降支）3.动作电位产生的过程 (产生机制):结论：1.AP的上升支由Na内流形成，下降支是K外流形成的，后电位是NaK泵活动引起的2.AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（NaK泵的活动）。3.AP（超射）=Na的平衡电位。4.动作电位的特点 （1）全或无（2）传导性（3）不应期(4)相对不疲劳性(5)生理完整性 （三）动作电位的触发1.阈刺激 2.阈电位刺激的三个参数:1.刺激的强度2

20、.刺激的持续时间3.强度-时间变化率Na+通道的三种状态(关闭.激活.失活) Na+通道的两个闸门(m.h) K+通道的一个闸门(n)Na+通道 激活:M闸门迅速开放, H闸门尚未关闭 失活:M闸门开放,H闸门关闭 关闭(备用):M闸门关闭, H闸门开放K+通道 K+通道开放(n门开放) 激活 K+通道失活(n门关闭) 去激活h关闭状态激活状态失活状态关闭状态 m钠通道三种机能状态的微粒学说模型可兴奋细胞及其兴奋性兴奋性：活组织或细胞对外界刺激产生AP的能力。兴奋：组织受刺激后由静息活动。抑制：组织受刺激后由活动静息。刺激：能引起细胞或组织发生反应的所有内、外环境的变化。反应：可兴奋性组织对刺

21、激的应答表现。（三) 细胞兴奋后兴奋性的变化 分 期 兴奋性 机 制绝对不应期 降至零 钠通道失活相对不应期 渐恢复 通道部分恢复超常期 正常 通道大部恢复低常期 正常 内电位呈超极化 (四)动作电位的传导播传导机制：局部电流 传导方式：有髓鞘N纤维为远距离(跳跃式)局部电流三.电紧张电位和局部电位（一）细胞膜和胞质的被动电学特性欧姆定律：I（电流）= V（电压）.G（电导）膜电位（电压）= 离子电流 / 电导（V = I / G）1.膜电容概念2.膜电阻概念3.轴向电阻概念(二)电紧张电位1.电紧张电位的扩布范围和生成速度2.电紧张电位的极性3.电紧张电位的特征膜的被动电学特性和电紧张电位概

22、念： 阈下刺激引起的低于阈电位的去极化（即局部位），称局部兴奋。（三）局部电位特点：不具有“全或无” 现象。电紧张方式扩布。具有总和效应： 时间性和空间性 总和。 第四节 肌细胞的收缩 一、横纹肌（一）骨骼肌神经肌接头处的兴奋传递过程1、N-M接头结构特征 接头前膜 接头间隙 接头后膜(终板膜)。接头间隙2.N-M接头处的兴奋传递过程AP冲动传到轴突末梢 Ca2通道开放，Ca2向膜内流动前膜内囊泡移动、并ACh释放AChN2受体结合，其构型改变终板膜对Na、K (尤其是Na)通透性终板膜去极化终板电位（EPP）EPP电紧张性扩布至肌膜去极化达到阈电位爆发肌细胞膜动作电位（二）横纹肌细胞的微细结

23、构1.肌原纤维和肌小节： 粗肌丝: 由肌球（肌凝蛋白）组成，其头部有一横桥 细肌丝:(1)肌动蛋白： 表面有与横桥结合的位点(2)原肌球蛋白： 静息时掩盖横桥结合位点；(3)肌钙蛋白： 与Ca2+结合变构后,使原肌球蛋白位移，暴露出结合位点。肌小节: 是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。 2.肌管系统： 横管系统：T管 纵管系统：L管 三联管 1.兴奋-收缩耦联 2.肌丝滑行（三）横纹肌的收缩机制（四）横纹肌的兴奋-收缩耦联 1.横纹肌细胞的电兴奋过程 肌膜电兴奋的传导 三联管处的信息传递 肌浆网（纵管系统）中Ca2+的释放按任意键飞入横桥摆动动画肌节缩短=肌收缩细肌丝滑至肌节中央横桥摆动横桥与

24、位点结合，分解ATP释放能量原肌球蛋白位移，暴露结合位点Ca2+与肌钙蛋白结合构型改变终池膜上的钙通道开放Ca2+进入肌浆2.兴奋-收缩耦联的基本过程 钙触发钙释放 APT管L型钙通道变构Ca2+内流激活ryanodine受体(RYR)肌质网内Ca2+ 释放入肌浆.骨骼肌舒张机制兴奋-收缩耦联后肌膜电位复极化肌浆网膜Ca2+泵激活肌浆网膜Ca2+Ca2+与肌钙蛋白解离原肌凝蛋白复盖结合位点骨骼肌舒张关于横纹肌收缩的几个问题1)关于收钙素（Calsequestrin） ()分子量:55KD,每分子可结合40-50个Ca2+ ()使肌浆网膜Ca2+下降近70倍,使钙泵更好 发挥作用.2)横桥循环-

25、抓住与再松开交替进行 During a contraction,all cross bridges are neither bound nor disconnected at the same time.关于肌连蛋白(Titin) (Trombites et al,1995年提出) (1)充当骨骼肌骨架(2)是粗肌丝和细肌丝的模板(3)由折叠的弹性片段和锁定片段够成(五)影响横纹肌收缩效能 的因素 1.前负荷： 前负荷肌节初长度粗细肌丝的重叠程度肌张力。 肌节最适初长（2.0-2.2m）时，粗细肌丝重叠佳，肌缩速度、幅度和张力最大； 前负荷或肌节最适初长或肌张力。等长收缩与等张收缩的概念 等长

26、收缩:肌肉收缩时,只有张力增加而长度不变的收缩. 等张收缩:肌肉收缩时,只有长度缩短而张力不变的收缩,。 注当负荷小于肌张力时,出现等张缩； 当负荷等于或大于肌张力时,出现缩； 正常人体骨骼肌收缩大多是混合式的.2.22.0BCD-CD-E1.71.6EABCD长度-张力曲线100501.0 2.0 3.0 4.0 肌节长度3.651.65A张力 2.后负荷： 在等张收缩条件下观察 后负荷为0肌缩速度、幅度和张力最小； 后负荷肌缩速度、幅度和张力； 后负荷肌缩速度、幅度和张力。张力-速度曲线 3.肌肉收缩能力： 肌缩能力肌缩速度、幅度和张力； 肌缩能力肌缩速度、幅度和张力。 决定肌缩效应的内在

27、特性主要是： .兴奋-收缩耦联期间胞浆内Ca2+的水平； .肌球蛋白的ATP酶活性。 调节和影响肌缩效应内在特性的因素： 许多神经递质、体液物质、病理因素 和药物。4.收缩的总和(1)运动单位数量的总和(2)频率效应的总和(3)大小原则（size principle）骨骼肌收缩的形式(一)收缩形式 1.单收缩与复合收缩: 单收缩：肌肉受到一次刺激，引起一次收缩和舒张的过程。 复合收缩:肌肉受到连续刺激，前一次收缩和舒张尚未结束，新的收缩在此基础上出现的过程。 不完全强直收缩 完全强直收缩 机制:强直收缩是各次单收缩的机械叠加现象二、平滑肌（一）平滑肌的分类(二)、平滑肌的微细结构特点(三)、平

28、滑肌的电活动(四)、平滑肌的收缩机制 胞内游离钙浓度与钙调蛋白(CaM)结合Ca2+. CaM 激活胞质内肌球蛋白轻链激酶(MLCK)20KD肌球蛋白轻链(MLC)磷酸化ATP酶活性平滑肌收缩.(五)平滑肌活动的神经调节Summary This chapter describes the basic features of all kinds of tissue cells, an important foundation for understanding physiology. These features include: 1. the structure of cell membrane and transport of substances through cell membrane; 2. electrical phenomena of the cells; 3.signal transduction; 4. muscular contraction. A mammalian cell membrane is composed of two layers of l