细胞的基本功能课件

第二章细胞的基本功能细胞生理学的主要内容包括：细胞膜和组成其他细胞器的膜性结构的化学组成和分子结构；不同物质分子或离子的跨膜物质转运机理；以不同带电离子跨膜运动为基础的细胞生物电现象；作为细胞接受外界影响或细胞间相互影响基础的跨膜信号传递功能；肌细胞如何在细胞膜电变化的触发下出现机械性收缩活动。第二章细胞的基本功能第一节、细胞膜的结构物质转运功能第二节、细胞的信号转导第三节、细胞的电活动第四节、肌细胞的收缩第二章细胞的基本功能

第一节细胞的结构

细胞膜的化学组成和分子结构载体介导的易化扩散:在膜高浓度侧载体选择性的与某物结合，引起构象发生变化，载体移向细胞膜低浓度一侧，与结合物分离。特点：高度结构特异性(specificity)饱和现象(saturation)竞争性抑制(competition)顺浓度梯度，不需额外供能通道介导的易化扩散:瞬间是通道激活与失活，离子顺浓度梯度差移动。通道：与离子扩散有关的膜蛋白质跨膜电流(transmembranecurrent)：当通道开放引起带电离子跨膜移动形成的电流(2)、主动运输：一些离子在细胞内外的分布存在显著差别。细胞之所以能维持这种恒定的离子梯度差，是由于细胞膜具有逆浓度梯度转运物质的功能，称为主动转运。电—化学梯度(electrochemicalgradient)：被运送物质如果带有电荷，则转运逆两个梯度，一是浓度梯度，二是电荷梯度，这二者总和称为…。钠泵生理意义：维持细胞内高K+，是许多代谢反应进行的必需条件；维持细胞外高Na+，使得Na+不易进入细胞，也阻止了与之相伴随的水的进入，对维持正常细胞的渗透压与形态有着重要意义；建立势能贮备，是神经、肌肉等组织具有兴奋性的基础，也是一些非离子性物质如葡萄糖、氨基酸等进行继发性主动转运的能量来源；钠泵形成的浓度梯度是细胞发生生物电活动的前体条件；钠泵活动是生电性的，可使膜内负值增大。主动转运分类继发性主动转运：间接利用了细胞提供的能量完成的逆梯度物质转运，称为…或次级主动转运(secondaryactivetransport)。原发性主动转运(primaryactivetransport)：像Na+泵活动则称为…或初级主动转运。同方向进行，叫做同向协同转运（symportconcertedtransport）；反向进行叫做反向协同转运(antiport)

。(3)、入胞与出胞作用入胞:大分子物质进入细胞时，先与膜接触，经膜凹陷、包裹、脱离等进入细胞的过程，包括吞噬作用（颗粒）和胞饮作用（液体）受体介导式入胞：外来的大分子团块首先被细胞膜上的受体蛋白质辨认而发生特异性结合后引起，称之为受体介导式入胞。出胞:指细胞内物质向膜外的转运过程，主要见于细胞的分泌、神经递质的释放，细胞废物的排出等，过程与入胞相反各种形式的外界信号作用于细胞时，通常并不需要进入细胞内直接影响细胞内过程，只需作用于细胞膜，通过引起细胞膜上一种或数种蛋白质分子的变构作用，将外界环境变化的信息以一种新的信号形式传递到膜内，再引起被作用细胞（靶细胞）相应功能的改变，包括细胞出现的电反应或其它功能改变。这一过程被称为跨膜信号转导或跨膜信号传递。二、细胞的跨膜信号转导（一）G蛋白耦联受体介导的信号转导是通过膜受体、G蛋白、G蛋白效应器和第二信使等一系列存在于细胞膜和胞质中的信号分子活动实现的。G蛋白耦联受体(Gprotein-linkedreceptor)：包括肾上腺素能a和β受体、Ach受体、5-羟色胺受体、视紫红质以及多数的肽类激素的受体等。受体的本质:是镶嵌于脂质双分子层中的大分子复合蛋白质或酶系，由结合部位和催化部位两部分组成。受体的结构：在分子结构上属于同一超家族，每种受体都是由一个较长的N端位于膜的外侧，接着是7段a螺旋7次穿过细胞膜，其C端位于膜的内侧。受体与配体结合后发生构象变化，激活膜内侧的G蛋白。G蛋白效应器有两种，包括催化生成第二信使的酶和离子通道。G蛋白调控的酶主要是位于细胞膜上的腺苷酸环化酶(AC)，磷脂酶C(PLC)，依赖于cCMP磷酸二酯酶(PDE)，以及磷脂酶A2，它们都是催化生成或分解第二信使的酶。G蛋白也可以直接或间接（通过第二信使）调控离子通道。第一信使：把作用于细胞膜的信号称为第一信使。第二信使：细胞外信号分子作用于细胞膜产生的细胞内信号分子，它调节各种蛋白激酶和离子通道。包括环一磷酸腺苷（cAMP），三磷酸肌醇（IP3），二酰甘油（DG），环一磷酸鸟苷（cGMP）和Ca+等。（二）离子通道介导的信号转导1.化学门控通道:在肌细胞的终板膜和神经元的突触后膜中存在着一种受体，该受体本身是离子通道的一个组成部分，当膜外特定的化学信号（配体）与膜上受体结合后通道就开放，因此称化学门控通道。（兴奋收缩耦联）nAChR：α1、α2、β、γ、δGlu、Asp、GABA、Gly、ATP、5-HT受体2.电压门控通道:主要分布在除突触后膜和终板膜以外的神经和肌肉细胞表面膜中。控制这类通道开放与否的因子是通道所在膜两侧的跨膜电位的改变。在这些通道的分子结构中存在着一些对跨膜电位敏感的结构或亚单位，通过其构型的改变诱发通道的开、闭和离子跨膜流动的变化，把信号传到细胞内部。（神经、心肌）3种Na+、5种K+、3种Ca2+3.机械门控通道:体内许多细胞膜表面存在着能感受机械刺激引起开放并诱发离子流动的变化，把信号传递到细胞内部的通道。（平滑肌细胞、内耳毛细胞）通道转运离子的机制

─门控(Gatecontrol)通道的开放或关闭决定于：膜两侧的电位差电压门控性通道(voltage-dependentchannel)膜两侧的特定化学性信号化学门控性通道（chemical-dependentchannel）电压门控通道化学门控通道机械门控通道（三）酶耦联受体介导的信号转导1、酪氨酸激酶受体(tyrosinekinasereceptor)这类受体结构简单，只有一个跨膜α-螺旋。当位于膜外侧的较长的肽链部分（α链）同特定的化学信号结合后，可以直接引起受体肽链的膜内段（β链）激活，使之具有磷酸激酶活性，通过使自身肽链和膜内蛋白质底物中的酪氨酸残基发生磷酸化，因而产生细胞内效应，如胰岛素作用于肌肉细胞使葡萄糖易于渗入。2、鸟苷酸环化酶受体(receptorguanylatecyclase)是一次性跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部分，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体的配体是心房肌肉细胞分泌的一组肽类激素心房排钠肽（atrialnatriureticpeptides,ANPs)和脑排钠肽（briannatriureticpeptides,BNPs)。这种酶联受体的特点是：受体本身就是鸟苷酸环化酶，其细胞外的部分有与信号分子结合的位点，细胞内的部分有一个鸟甘酸环化酶的催化结构域，可催化GTP生成cGMP，cGMP可结合并激活依赖cGMP的蛋白激酶G，蛋白激酶G通过对底物蛋白的磷酸化实现信号转导。第三节细胞的生物电现象生物电现象(bioelectricphonomenon):生命活动过程中出现的电现象称为……。一、静息电位及其产生的机制静息电位（restingpotential）:细胞未受刺激时（静息状态下）存在于细胞膜内外两侧的电位差，称为静息电位或膜电位（membranepotential）。其表现为膜同侧表面上各点间电位相等，通常呈膜外为正、膜内为负的极化(polarization)状态。几个相关的概念极化：把静息电位存在时细胞膜电位外正内负的状态，称为…超级化：静息电位增大称为…去极化：静息电位减小称为…反极化：去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值（内正外负），则称为…超射：膜电位高于零电位的部分称为…复极化：细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程称为…

静息电位产生的机制：细胞内的K+约为膜外的30倍，另外带负电荷的蛋白质也远高于膜外；静息状态下，细胞膜主要对K+有通透性，在浓度差作用下K+外流。带正电荷的K+外流吸引了带负电的蛋白质分子有外流倾向。但膜对蛋白质不通透，蛋白质被阻隔积累在膜的内表面，相应地吸引流出的K+集中分布于膜的外表面，这样产生外正内负的极化状态。这种极化状态对K+的继续外流构成阻力，并随外流K+的增多而迅速增大。显然当K+受到向外的扩散力和向内的电场力相等时，跨膜净移动为零，即达到电—化学平衡（electrochemicalequilibrium）,也称K+平衡电位。二、动作电位及其产生机制动作电位（actionpotential）:可兴奋组织受到刺激而发生兴奋时，细胞膜原来的极化状态迅速消失，并继而发生倒转和复原等一系列电位变化，称为动作电位。锋电位（spikepotential）：开始是一个短促而尖锐的脉冲，习惯称…后电位（after-potential）：其后是在静息电位水平上下的微小而缓慢的电位波动称…

锋电位包括:去极化、反极化（也称超射，overshoot）和恢复极化的下降支3个阶段。后电位包括:负后电位和正后电位（超极化状态）两个阶段。动作电位的三个阶段：①静息相,②去极相(上升相),③复极相(下降相)动作电位产生的机制：以神经细胞为例，外来刺激先引起膜对Na+通透性突然增大，Na+大量内流，导致膜电位迅速去极化乃至反极化，构成动作电位的上升支，时间少于1ms；在此过程中Na+通道很快关闭而K+通道（不同于形成静息电位时的K+泄漏通道）大量开放，膜内K+大量外流使膜电位迅速恢复，构成动作电位下降支。负后电位表示迅速涌出的K+蓄积在膜外侧附近，暂时阻碍了K+进一步外流所致复极化变慢，而正后电位是由于膜上钠钾泵启动，在恢复膜两侧离子分布状态过程中生电性作用（泵出3个Na+同时泵入2个K+，造成超极化）等原因引起，与兴奋后的恢复有关。

刺激引起兴奋的条件适宜刺激：是指感受器对该性质的变化最敏感（即阈值最低）、或引起兴奋所需能量最低。阈刺激（thresholdstimulus）：强度—时间曲线上的任何一点都表示一个刚能引起组织兴奋的最小刺激，称为…。曲线右上方各点表示阈上刺激，左下方各点表示阈下刺激。阈强度（thresholdintensity）:即固定刺激的强度—时间变化率和作用时间，测定引起组织兴奋所需的最小刺激强度,又简称阈值（threshold）阈电位：能引起动作电位的临界膜电位称为…动作电位的特性“全或无”的特性可传播性传播的不衰减性局部反应及其特性局部反应：细胞受到单个阈下刺激的作用不会产生动作电位，但不是无反应，也将引起去极化，但未达到阈电位水平，仅能使少量Na+通道开放，这种少量的Na+内流使受刺激部位出现一个较小的去极化，称为局部反应或局部兴奋。局部兴奋有以下几个基本特性：①不是“全或无”的，在阈下刺激范围内，去极化幅度随刺激的增强而增大；

②只局限在局部，不能在膜上作远距离传播：膜上某一点的局部兴奋，可以按物理的电学特性引起临近膜产生类似的去极化，而且随着距离的增加呈递减性传播，传播数十至数百微米即消失，称为电紧张扩布。③具有总和(summation)效应。空间总和：如果在距离很近的两个部位，同时给予两个阈下刺激，它们引起的去极化可以迭加在一起，以至有可能达到阈电位水平而引发一次动作电位，称为空间总和。时间总和：如果在某一部位相继接收数个阈下刺激，只要前一个刺激引起的去极化尚未消失，就可以与后面刺激引起的去极化发生迭加，称为时间总和。(三)动作电位的传导不衰减性传导（conduction）：动作电位一旦在细胞膜的某一部位产生，它就会向整个细胞膜传播，而且它的幅度不会因为传播距离的增加而减弱。跳跃式传导（saltatoryconduction）：有髓神经纤维外面包裹着一层既不导电、离子又不能通过的髓鞘，动作电位只能在没有髓鞘的朗飞结处才能传导，因此动作电位是越过每一段带髓鞘的神经纤维呈跳跃式传导局部电位和动作电位的区别局部电位动作电位刺激强度阈下刺激≥阈刺激Na+通道开放数量少多电位幅度小大总和现象有无全或无现象无有不应期无有传播特点紧张性扩布非衰减性传导三、组织的兴奋和兴奋性（一）兴奋与兴奋性兴奋性(excitability)一切活组织或细胞，当其周围环境条件迅速改变时，有产生动作电位并发生反应的能力或特性，称为兴奋性或应激性(感应性)。刺激(stimulus)

:引起反应的环境条件的迅速变化称为刺激。刺激通常包括三个参数：刺激强度、刺激的持续时间和刺激强度对时间的变化率。可兴奋细胞:在动物组织中，通常以神经细胞和肌细胞以及腺细胞表现出较高的兴奋性，因此被称为可兴奋细胞或可兴奋组织。阈刺激增大表示兴奋性降低，反之，表示兴奋性升高。（二）细胞兴奋后兴奋性的变化绝对不应期(absoluterefractoryperiod)：接收前一个刺激而兴奋的一个短暂时期内无论第二次刺激强度多大，都不能使它再次兴奋，又称为乏兴奋期。相对不应期（relativerefractoryperiod）：绝对不应期后出现。此期内，第二个刺激有可能引起新的兴奋，但所用的刺激强度必须超过该组织通常所需的阈强度。在相对不应期之后，组织还要经历一段兴奋性，先是轻度增高继而又低于正常的较缓慢的变化时期，分别称为超常期（supranormalperiod）和低常期（subnormalperiod）。第四节肌细胞的收缩肌肉组织横纹肌平滑肌按功能分：

骨骼肌心肌平滑肌横纹肌按形态分：肌肉组织一、兴奋由神经向肌肉的传递（一）神经－肌肉接头的结构特点

运动神经纤维末梢和肌细胞（即肌纤维）相接触的部位，称为神经—肌肉接头(neuromuscularjunction)或运动终板(motorendplate)。每个运动神经元和它所支配的全部肌纤维，称为运动单位(motorunit)。（二）神经—肌肉接头处兴奋的传递运动神经末梢去极化Ca2+进入轴突内小泡内递质（Ach）释放Ach与突触后膜受体质结合终板电位（EPP）接头传递阳离子通道开放，Na+和K＋跨膜流动，Na+内流大于K＋外流，膜去极化终板电位（end-platepotential,EPP）的特点①其电位只是去极化，不会反极化。②不是全或无的，可表现总和。③电位大小与递质量有关。（三）影响神经-肌肉接头传递的因素①细胞外液Ca2+浓度升高时，乙酰胆碱释放量增加，有利于兴奋传递；相反，Ca2+浓度降低时，则影响兴奋传递。②乙酰胆碱与受体结合是触发终板电位的关键，而受体阻断剂，如箭毒(一种来自南美的有毒物，取自很多植物。箭毒能导致麻痹

)类药物可与后膜乙酰胆碱受体结合，使受体数减少，从而造成传递阻滞。③胆碱脂酶能及时清除乙酰胆碱，保证兴奋由神经向肌肉传递。有些药物，如有机磷制剂，新斯的明等，均有抑制胆碱脂酶的作用，使乙酰胆碱在体内蓄积，导致后膜持续性去极化，使传递受阻，引起中毒症状，肌肉痉挛。二、骨骼肌的微细结构骨骼肌纤维表面为肌膜，肌膜深面有许多椭圆形的细胞核，核内染色质少，核仁明显。骨骼肌的肌浆细胞中含有丰富的肌原纤维、大量线粒体、糖原等。肌原纤维的直径约1～2微米，在肌细胞中沿长轴排列，肌原纤维有由明暗相间排列的横纹，各肌原纤维的横纹彼此互相对应，因而在整个肌纤维上显示出明带与暗带。明带在偏振光显微镜下为单折光（各向同性）因而又称I带。暗带为双折光（各向相异）又称A带。在暗带中部有一浅带称H带，H带中央有一横向的线，称M线。在明带中央有一深色的线又称Z线，两Z线间的一段肌原纤维称为肌节。肌节是骨骼肌纤维的结构和功能单位。一个肌节是由一个暗带及其两侧的半个明带组成。1．粗肌丝的分子结构肌球蛋白①能在一定条件下，与细肌丝中的肌动蛋白可逆结合，并随之发生构型改变。横桥的主要功能②当它与肌动蛋白结合后，可被激活而具有ATP酶活性，能分解ATP供能。2．细肌丝的分子结构肌钙蛋白借TnT附于原肌球蛋白分子上；借TnI附于肌动蛋白分子上；TnI是抑制肌动蛋白和肌球蛋白相互作用的亚单位；TnC是与钙离子结合的亚单位。每个肌钙蛋白可结合4个钙离子，并通过构象改变启动收缩过程。3．肌管系统

肌管系统由两套结构、功能各不相同的膜质管状系统组成：即横管系统又称横管或T管，以及纵管系统也称纵管或L管，又称肌质网。

横管是兴奋传递的通路。兴奋时出现在肌细胞膜上的动作电位，能沿着横管系统迅速传进细胞内部。纵管系统是肌细胞内的Ca2+库，膜上有钙泵，能通过对Ca2+的贮存、释放和回收，触发和终止肌原纤维收缩。三联管是横管和纵管衔接的部位，能使横管系统传递的膜电位变化与纵管终池释放回收Ca2+的活动耦联起来。三、骨骼肌的收缩机理

根据骨骼肌的微细结构的形态特点以及它们在肌肉收缩时的改变，Huxley等在50年代初就提出了用肌小节中粗、细肌丝的相互滑行来说明肌肉收缩的机制，被称为滑行理论。当胞质内钙离子浓度升高时，TnC与钙离子结合并使肌钙蛋白发生构象变化，导致TnI与肌动蛋白的结合减弱，使原肌球蛋白向肌动蛋白双螺旋沟槽的深部移动，从而暴露出肌动蛋白的活化位点，使横桥头部与肌动蛋白结合；肌动蛋白与横桥头部的结合造成横桥头部构象的改变，使头部向桥臂方向摆动，并拖动细肌丝向M线方向滑动，从而使横桥头部贮存的能量（来自ATP分解）转变为克服负荷的张力和（或）肌丝滑动引起肌节缩短。四、骨骼肌兴奋—收缩耦联把从骨骼肌接受神经冲动、肌膜发生兴奋，与肌原纤维中的肌丝活动联系起来的中介过程，叫兴奋—收缩耦联（excitationcontractioncoupling）。动作电位通过横管系统传向肌细胞深部三联管部位的信息传递纵管系统对Ca2+贮存、释放和再聚集

收缩的形式：五、影响横纹肌收缩效能的因素

收缩效能（performanceofcontraction）表现为收缩时产生的张力、缩短程度、产生张力或缩短的速度。

等张收缩(isotoniccontraction)：收缩时只发生肌肉缩短，而张力保持不变。

等长收缩(isometriccontraction)：收缩时肌肉的长度保持不变，只有张力的增加。影响整块肌肉收缩效能的因素肌肉收缩时承受的负荷自身的收缩能力总和效应后负荷前负荷频率效应的总和运动单元数量的总和后负荷（afterload）：肌肉在收缩过程中所承受的负荷。负荷的类型：

前负荷（preload）：是肌肉收缩前所承受的负荷，决定了肌肉在收缩前的长度，即肌肉的初长度（initiallength）。长度-张力曲线：在等长收缩的条件下，测定在不同的肌肉初长度情况下，肌肉主动收缩产生的张力。前负荷对肌肉收缩的影响肌肉收缩存在一个最适初长度，可产生最大的主动张力。骨骼肌体内所处自然长度时，肌小节长度约为2.