第二章 细胞的基本功能

第二章细胞的基本功能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

液态镶嵌模型

(fluidmosaicmodel)

液态脂质双分子层为基架，其间镶嵌有不同结构和功能的蛋白质。（一）脂质双分子层:

磷脂、胆固醇和少量糖脂双嗜分子构成基架，体温条件下具有流动性（二）细胞膜的蛋白:表面蛋白:RBC骨架蛋白整合蛋白：载体、通道、离子泵等（三）细胞膜的糖类:

糖蛋白或糖脂，具有受体和抗原功能。二、物质的跨膜转运

跨膜转运

transmembranetransport:

体内各种物质经过细胞膜进出细胞的过程。

转运方式:

①单纯扩散

②膜蛋白介导

③出胞和入胞

通道介导载体介导经载体易化扩散原发性主动转运继发性主动转运(一)单纯扩散SimplediffusionA.概念：脂溶性和少数小分子水溶性物质由高→低浓度侧的净移动。B.扩散的方向和速度取决于其在膜两侧的浓度差和膜对其通透性(脂溶性，分子大小)。C.单纯扩散物质：O2CO2N2；乙醇尿素甘油少量激素水D.较大的极性分子,如葡萄糖则难以此种方式直接通过质膜；此外，膜对各种离子，尽管直径很小，但不通透，如Na+、K+。(二)膜蛋白介导的跨膜转运

1.通道介导的跨膜转运

离子通道：一类贯穿脂质双层的、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。经通道易化扩散

facilitateddiffusionviachannel带电离子经离子通道顺电化学梯度进行的被动跨膜的流动。通道的特征：

①离子选择性：指每种通道只对一种或几种离子有较高通透性，对其他离子通透性很小或不通透。如钠通道、非选择性阳离子通道等。

②门控性：通道蛋白分子内有一些可移动的结构或化学基团，在通道内起“闸门”作用，导致通道开闭。通道的分类：化学门控通道Chemically-gatedionchannel

电压门控通道Voltage-gatedionchannelAch受体阳离子通道机械门控通道Mechanical-gatedionchannel非门控通道：少数通道始终是持续开放的。如神经纤维膜上的钾漏通道，缝隙连接通道。通道蛋白状态：

静息激活失活通道转运的功能特点：①转运速率比载体快②无饱和现象，无竞争性抑制③通道有不同的功能状态2.载体介导的跨膜转运

载体：又称转运体，是介导小分子物质跨膜转运的一种膜蛋白。

载体转运的特点：

①结构特异性:只转运一种或几种物质，是载体分子上的结合位点与被转运物质分子结构上的特异结合的结果。

②载体发生构象变化“结合-构象变化-解离”

③饱和现象saturation：

最大扩散速度Vmax:

反映载体蛋白构象转换的最大速率。

米氏常数Km：

反映载体蛋白对被转运物分子的亲和力和转运效率。④竞争抑制competitiveinhibition:两种结构相似的物质能被同一载体转运,则Km较大或浓度较低者转运被抑制。(1)经载体易化扩散

facilitateddiffusionviacarrier

概念：水溶性小分子物质经载体介导顺浓度梯度和(或)电位梯度进行的被动跨膜转运。转运体

transporter：

单转运体，如质膜上转运葡萄糖的载体。同向转运体，如钠-葡萄糖同向转运体。

反向转运体或交换体，如钠-氢交换体。

(2)原发性主动转运

Primaryactivetransport

指细胞膜上的离子泵(ionpump)利用分解ATP产生的能量将离子逆浓度梯度和(或)电位梯度进行的跨膜转运过程。如：钠-钾泵，简称钠泵sodiumpump,又称Na+-K+-ATP酶(Na+-K+-ATPase)，主要分布在质膜上。1)Na+-K+依赖式ATP酶

A.转运周期10ms；B.转运结果：细胞内[K+]约为细胞外30倍，细胞外[Na+]约为胞质内的10倍。

2)钠泵活动的生理意义：

①细胞内高K+—胞内代谢反应所必需

如核糖体合成蛋白质就需要高K+环境；

②维持胞内渗透压和细胞容积；

③建立Na+的跨膜浓度梯度，为继发性主动转运提供势能储备：

—GS、AA在小肠和肾小管被吸收的过程；—Na+-H+交换,维持胞内pH稳定；—Na+-Ca2+交换,维持胞内Ca2+浓度稳定；

④膜内外K+、Na+浓度差是细胞电活动的前提;

⑤生电性活动，影响膜电位；3)钠泵特异抑制剂：哇巴因ouabain

临床上利用其抑制心肌细胞膜上的钠泵，降低质膜两侧Na+的浓度差，以减少Na+-Ca2+交换驱动力，使胞内Ca2+浓度↑，产生强心效应。A.H+-K+-ATP酶：

分布：胃腺壁细胞和肾小管闰细胞膜上功能：分泌H+5)质子泵：

4)Ca2+泵(Ca2+-ATP酶)：

分解1分子ATP:质膜1Ca2+胞质→胞外内质网或肌质网2Ca2+胞质→内质网或肌质网共同作用：造成胞内低钙，钙经钙通道流入胞质，成为触发或激活许多生理过程的关键。如，肌细胞收缩、突触囊泡递质释放等。B.H+-ATP酶：分布：各种细胞器膜上。功能:可将H+由胞质转运至细胞器内，以维持胞质的中性和细胞器内酸性，使不同部位的酶都处于最适pH环境中;建立跨细胞器的H+浓度梯度,为溶质的跨细胞器膜提供动力。(3)继发主动转运(又简称联合转运)

secondaryactivetransport

概念：细胞膜利用原发主动转运形成的离子浓度梯度（即驱动力）而进行的物质

逆浓度和(或)电位梯度的跨膜转运方式。

如：小肠黏膜上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收GS、AA为继发主动转运。

肠黏膜上皮细胞对GS的继发性主动转运

肾小管上皮细胞对GS的转运基侧膜钠泵活动↓Na+浓度势能差↓管腔膜Na+、GS同向转运体↓GS再易化扩散入血典型的继发性主动转运：

①GS和AA在小肠粘膜上皮被吸收和在肾小管上皮的重吸收；

②甲状腺上皮细胞的聚碘；

③神经递质在突触间隙被神经末梢所重摄取和突触囊泡从胞质中摄取神经递质；

④Na+-H+交换、Na+-Ca2+交换；

⑤Na+-

K+-Cl-

同向转运；

绝大多数情况下，溶质跨膜转运的动力来自Na+泵建立起的Na+的跨膜浓度梯度；溶质跨细胞器膜的转运的动力来自质子泵(H+-ATP酶)建立起的H+的跨膜浓度梯度。(三)出胞和入胞exocytosisandendocytosis出胞:指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。

分泌物的出胞过程粗面内质网核糖体上合成↓转移到高尔基体↓修饰，由质膜包裹↓分泌囊泡↓移向细胞膜内侧↓融合、破裂，分泌例如：激素的分泌入胞：大分子物质或物质团块借助于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程，包括吞噬和吞饮。

例如：白细胞吞噬细菌、异物等受体介导式入胞过程receptormediatedendocytosis运铁蛋白、低密度脂蛋白、VB12转运蛋白、多种生长因子、胰岛素等即以此方式入胞。

第三节细胞的电活动bioelectricityactivityofcell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。”

一、膜的被动电学特性和电紧张电位

随距刺激原点距离的增加而膜电位呈指数衰减的电位变化称电紧张电位。二、静息电位及其产生机制(一)静息电位的记录和数值

细胞在未受刺激时(静息状态下),质膜两侧存在的外正内负的电位差，称为静息电位(Restingpotential，RP)。

1.静息电位是一个稳定的直流电位；2.范围:-10mV~-100mV(随细胞种类而不同);3.相关概念：

极化(polarization):外正内负

去极化(depolarization):RP值减小

超极化(hyperpolarization):RP值增大

反极化(reversepolarization):去极到正值

复极化(repolarization):去极后向RP恢复

超射(overshoot):膜电位高于0电位部分(二)静息电位产生机制1.离子跨膜扩散的驱动力与离子平衡电位：

①扩散驱动力：浓度差和电位差，两种驱动力的代数和为电化学驱动力

②电化学驱动力=0，跨膜电位差为平衡电位③根据Nernst公式可计算出离子平衡电位

钾平衡电位:-90~-100mV

钠平衡电位:+50~+70mV

Ex=InRT[X+]OZF[X+]iEx=60lg(mV)[X+]O[X+]i

2.膜对离子的通透性和静息电位的形成

①生物电活动的基础:

钠泵活动造成膜内外离子不均衡分布：

②静息状态下，质膜对K+的通透性高。“非门控钾通道”

静息电位非常接近K+平衡电位。

③

RP相当于EK，但实测值<计算值静息时，细胞膜对Na+也存在一定的通透性3.钠泵的生电作用

3Na+:

2K+

但对静息电位贡献并不很大。

4.影响静息电位水平的因素：

①细胞内、外的[K+]:

∵[K+]o与[K+]i的差值决定EK，∴[K+]o↑→EK↓

②膜对K+、Na+通透性:

K+的通透性↑，则RP↑，更趋向于EK

Na+的通透性↑，则RP↓，更趋向于ENa

③钠泵活动水平影响RP，钠泵活动增强，膜超极化。三、动作电位及其产生机制(一)细胞的动作电位Actionpotential,AP1.在静息电位基础上，细胞受到一个适当刺激时，其膜电位所发生的一次可扩布的、迅速而短暂的波动。

实质:细胞兴奋的本质表现。2.动作电位的波形:①升支(去极化相)②降支(复极化相)③锋电位(spikepotential)

动作电位主要部分，持续1ms。④后电位

负后电位

(negativeafter-potential)

正后电位

(positiveafter-potential)3.动作电位的特征

①“全或无”:幅度不随刺激强度增加而增大

②可传播性:不减衰传导(幅度,波形不变)

③有不应期:因而锋电位之间不发生融合或叠加

(二)动作电位的产生机制

内向电流

(inwardcurrent)：

指正电荷流入膜内(如Na+,Ca2+内流)。内向电流引起膜的去极化。

外向电流(outwardcurrent)：

指正电荷由胞内流出胞外(如K+外流或Cl-内流)。

外向电流引起膜的超极化。

1.电化学驱动力

当静息时：Na+内向驱动力=

130mV

当去极化至+30mV的锋电位水平时，K+外向驱动力=120mV∴RP条件下,Na+受到很强的内向驱动力；锋电位期间，K+受到很强的外向驱动力。

2.动作电位期间膜电导的变化

膜电导(GX)是膜电阻的倒数，反映膜对离子的通透性。

GX=IX/（Em-EX）（电化学驱动力）（1）用电压钳(voltageclamp，固定膜电位不变，测量膜电流)技术来研究。

①

Na+通道：通道特异性阻断剂河豚毒

(tetrodotoxin,TTX)

②K+通道：通道特异性阻断剂四乙铵

(tetraethylammonium,TEA)用电压钳技术的研究结果表明:

动作电位期间，膜GNa首先增加，随即又衰减，在其衰减的同时GK增大。首先Na+的通透性在不足1ms时间内迅速增加到峰值，随后下降并开始对K+通透性增加，并保持恒定。（2）膜片钳(patchclamp):钳制一小片膜，记录单个通道离子电流的技术。膜片钳技术用膜片钳技术研究的结果说明：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3.AP的产生刺激后,膜对Na+通透↓膜内外Na+势能贮备↓Na+经通道易化扩散↓扩散的Na+抵消膜内负电位,形成正电位↓直至正电位增加到足以对抗由浓度差所致的Na+内流ActionPotential：∴

AP的超射值等于Na+平衡电位(+50~+70mV)Na+通道去极化↓激活↓失活↓恢复（关闭）ActionPotential：升支Na+通道激活开放,Na+内流形成AP上升支ActionPotential:

降支K+通道激活开放,K+外流形成AP下降支K+通道关闭↓激活

小结—AP的形成的离子基础：

①升支:

Na+内流；

②降支:

K+外流；

③负后电位(后去极化,afterdepolarization):复极时

外流的K+蓄积在膜外，阻碍了K+外流；

④正后电位(后超极化,afterhyperpolarization):生电性钠泵作用的结果

⑤静息水平:Na+-K+泵活动，离子恢复静息时的分布状态；

1.无髓鞘神经纤维AP传导机制

——局部电流localcurrent传导速度:轴突直径、电阻、钠通道密度2.有髓鞘神经纤维AP传导机制

——局部电流发生在郎飞结间的跳跃式传导saltatoryconduction(三)动作电位在同一细胞上的传导无髓鞘神经纤维AP传导:跳跃式传导：提速、节能有髓鞘神经纤维AP传导：四、局部电位(1)局部兴奋及其向锋电位的转变

①弱的去极化刺激→少量Na+通道开放，

少量Na+内流→被K+外流抵消→不能发展成AP→局部电位

(localpotential)。

②刺激强度增加→较多Na+通道开放,较多Na+内流→当刺激强度使膜去极化程度达某一临界膜电位(阈电位)时→Na+内流>K+外流→膜发生进一步的去极化→从而使更多Na+通道开放和Na+内流(形成Na+通道激活与膜去极化的正反馈)→直至接近ENa→AP局部电位及其向锋电位的转变

(2)

阈电位thresholdpotential，TP

能引起大量Na+通道开放和Na+内流进而诱发动作电位的临界膜电位值。

阈电位一般比RP小10~20mV。如神经细胞RP=-70mV，TP≈-55mV

AP产生后，其幅度是由膜电位、Na+通道和Na+电流之间的正反馈过程决定，而与外加刺激强度无关。(3)局部电位的特征：①非“全或无”：反应幅度随刺激强度的增大而增大②在局部形成电紧张性扩布（逐渐衰减）③没有不应期，可以总和（叠加）:

空间总和spatialsummation时间总和temporalsummation

局部电位：（1）肌细胞的终板电位EPP（2）感受器细胞的感受器电位（3）N元突触的突触后电位

五、可兴奋细胞及其兴奋性

(一)兴奋和可兴奋细胞

excitationandexcitablecell

兴奋：细胞接受刺激后产生动作电位的过程。

可兴奋细胞或组织：受刺激后能产生兴奋(即动作电位)的细胞或组织。

如：神经、肌肉、腺体

所有可兴奋细胞发生兴奋的共同反应：——产生动作电位。

肌细胞通过兴奋-收缩耦联产生收缩；

腺细胞通过兴奋-分泌耦联引起分泌；

神经细胞以AP沿细胞膜传播而形成的

神经冲动为其活动特征。(二)组织的兴奋性和阈刺激

1.兴奋性excitability:可兴奋组织或细胞接受刺激后产生动作电位的能力。

2.刺激和阈刺激stimulationandthresholdstimulus

①刺激：细胞所处的环境因素的变化。

②刺激的形式：物理化学机械等③刺激的三要素：强度；持续时间；强度-时间变化率④阈强度(或阈值)thresholdintensity

刺激的持续时间固定,引起细胞或组织发生兴奋(产生AP)的最小刺激强度。

阈强度衡量兴奋性高低的指标。(反变关系)

⑤阈刺激thresholdstimulus:相当于阈强度的刺激。

阈上刺激

阈下刺激(三)细胞兴奋后兴奋性的变化1.绝对不应期(锋电位)兴奋性=0Na+通道全部失活2.相对不应期(负后电位前期)正常>兴奋性>0Na+通道逐渐恢复

3.超常期(负后电位后期)兴奋性>正常Na+通道恢复4.低常期(正后电位)兴奋性<正常Na+通道逐渐静息

功能特性骨骼肌心肌平滑肌第四节肌细胞的收缩功能

Contractionofmusclecell形态学横纹肌平滑肌

AP在运动神经纤维上的传导N-M接头处兴奋的传递

AP在骨骼肌cell上的传导（局部电流）骨骼肌的兴奋-收缩耦联骨骼肌的肌丝滑行收缩一、骨骼肌细胞的收缩

(contractionofskeletalmuscle

)(一)骨骼肌神经-肌肉接头处兴奋的传递

neuromusculartransmission1.神经-肌接头(neuromuscularjunction)的结构：

⑴接头前膜：

①突触囊泡，内含ACh;②电压门控Ca2+通道；

⑵接头间隙：

50nm宽，与细胞外液相通;⑶接头后膜：

又称终板膜，肌膜特化部分①N2型ACh受体②AChE;

2.传递过程及终板电位（EPP）的产生：

注意：

（1）量子释放：

以小泡为单位的倾囊释放。

（2）终板电位

endplatepotential,EPP

①定义:终板膜上产生的局部去极化电位。

可随ACh释放增加而产生等级性变化。

②不表现“全或无”传导，只能在局部进行紧张性电扩布。③一次神经冲动释放ACh所引起的EPP大小超过引起肌细胞AP所需阈值3~4

倍，可刺激周围具有电压门控Na+通道的肌膜产生AP，使神经冲动与肌细胞

收缩保持1对1。（3）ACh的分解：

ACh在刺激终板膜产生终板电位的同时，

可以被终板膜表面的胆碱酯酶分解（迅速）

ACh─→胆碱＋乙酸

有机磷农药、新斯的明可抑制胆碱酯酶

活性，产生肌肉痉挛及副交感神经兴奋症状。

（5）传递特点：

①单向传递：N→M，1对1

②时间延搁：0.5～1.0ms

③易受药物、环境和病理变化影响（4）N2型乙酰胆碱受体

特异性阻断剂

筒箭毒

α-银环蛇毒

卡肌宁

(二)横纹肌细胞的微细结构1.肌原纤维纵横肌节sarcomere：

每两个相邻Z线之间的区域，是肌肉收缩和舒张的基本单位。

长2.0~2.2μm，（1.5~3.5μm）

2.肌管系统sarcotubularsystem：

（1）横管

transversetubule（T管）

（2）纵管

longitudinaltubule（肌质网）

纵行肌质网LSR

连接肌质网JSR——终池

三联管triad：

骨骼肌的T管

与其两侧的终池（三）横纹肌的收缩机制

肌丝滑行理论

myofilamentslidingtheory直接证据：肌肉收缩时暗带长度不变，明带缩短，同时H带相应变窄。

1.肌丝的分子组成（1）粗肌丝thickfilament肌球蛋白(肌凝蛋白，myosin)，属收缩蛋白

杆状部—朝向M线形成主干

头部—横桥cross-bridge:可与肌动蛋白可逆性结合，具有ATP酶活性（2）细肌丝thinfilament

①肌动蛋白(肌纤蛋白,actin):

属收缩蛋白，构成主干

②肌钙蛋白(troponin):属调节蛋白，三个亚单位：T，I，C

③原肌球蛋白（原肌凝蛋白,tropomyosin）:

调节蛋白2.肌肉的收缩过程：①肌肉舒张状态时，横桥结合的ATP分解（ADP和Pi仍留在头部)→蓄积能量而处于高势能状态。②当终末池释放Ca2+→肌浆内Ca2+↑→

Ca2+与肌钙蛋白结合。-③原肌球蛋白构型改变

→解除位阻效应→

横桥与肌动蛋白结合

→横桥向M线方向

摆动→拖动细肌丝

滑行→肌小节变短

→肌肉收缩。

在横桥变构与摆动同时，ADP及Pi与横桥分离。

④横桥再结合ATP→

横桥与肌动蛋白

亲合力↓→并与

肌动蛋白解离。

解离后的横桥随

即将ATP分解，

进入下一横桥周期。

如胞浆内Ca2+↓→Ca2+与肌钙蛋白解离

→原肌球蛋白构型复原→位阻效应恢复→横桥不能与肌动蛋白结合→细肌丝回位→肌肉舒张。胞浆中升高的Ca2+，由肌质网膜上的Ca2+泵泵回肌质网(包括终池)

横桥周期cross-bridgecycling

指横桥与肌动蛋白结合、扭动、复位的过程。

长度：20~200ms

周期的长短决定肌肉的缩短速度。参与摆动的横桥数目、循环进行的速率可影响：

肌肉缩短的程度肌肉产生的张力肌肉的缩短速度(四)横纹肌的兴奋－收缩耦联

excitation-contractioncoupling

1.定义:将肌细胞的电兴奋和机械收缩联系

起来的中介过程。

2.基本过程：

①肌膜上AP沿肌膜和T管膜传向肌细胞深部；

②三联管结构处的信息传递；

③肌质网对Ca2+的贮存、释放和再聚积。AP沿肌膜和T管膜传播，激活膜上的L型钙通道变构作用（骨骼肌）内流Ca2+（心肌）激活终池膜上的ryanodine受体（RYR）终池Ca2+释放，胞质内Ca2+浓度升高Ca2+与肌钙蛋白结合激活纵行肌质网膜上的钙泵肌肉收缩Ca2+回肌质网

Ca2+浓度下降

肌肉舒张

骨骼肌肌质网Ca2+释放机制

(构象变化触发钙释放)心肌肌质网Ca2+释放机制

(钙触发钙释放)3.兴奋-收缩耦联的物质和结构基础:

耦联的关键物质——Ca2+

耦联的关键结构——三联管

肌肉收缩效能：①肌肉缩短的程度

②产生张力的大小

③产生张力或肌肉缩短的速度（五）影响横纹肌收缩效能的因素肌肉收缩形式：①等长收缩isometriccontraction：②等张收缩

isotoniccontraction：如与关节屈曲有关的肌肉的收缩横纹肌的收缩效能决定于：肌肉收缩前或收缩时所承受的负荷肌肉自身的收缩能力肌肉收缩的总和效应1.前负荷preload

（1）定义：肌肉收缩前遇到的负荷。

（2）初长度(initiallength)：前负荷使肌

肉在收缩前就处于某种拉长状态，使

之具有一定的长度，即肌肉的初长度。

前负荷的大小决定了初长度，因而前负荷

可用初长度表示。

前负荷实验的装置可观察在不同的初长度时,同一肌肉产生的张力.绘制成长度-张力曲线。肌肉的长度-张力关系曲线肌节的长度-张力关系曲线从长度—张力曲线可看出：

①肌肉收缩存在一个最适初长度(即最适前负荷)，此状态下，肌肉收缩产生的主动张力最大。

②大于或小于最适初长度，肌肉收缩产生的张力均会下降。

（最适肌节长度：2.0~2.2μm）最适前负荷↓最适初长度↓

肌节2.0~2.2μm↓

粗细肌丝处于最佳重叠程度↓发挥作用的

横桥的数目最多↓

产生的张力最大小结：2.后负荷afterload

（1）定义：肌肉在收缩过程中所承受的负荷。阻碍肌肉收缩时的短缩，是收缩的阻力。

（2）研究方法：把前负荷固定在最适前负荷，逐次改变后负荷，

研究肌肉产生张力的大小与缩短速度的关系。

肌肉在有后负荷下收缩时:

①总是张力产生在前，缩短产生在后；

②后负荷愈大→

产生的张力愈大

缩短开始的时间愈晚

缩短的初速度和缩短的总长度愈小

张力－速度曲线P0：产生最大张力而不出现缩短

W=0Vmax：后负荷为零时，产生最大缩短速度