第二章 细胞基本功能

第二章细胞的基本功能第一节细胞膜的物质转运功能O2、营养物CO2、代谢产物细胞一、细胞膜的分子结构膜的分子结构——流体液态镶嵌模基本内容：以液态脂质双分子层为基架，其中镶嵌着不同生理功能蛋白质。蛋白质脂质双分子层

（一）脂质双分子层1、成分:

磷脂约70﹪

胆固醇＜

30﹪2、排列：（1）双分子层（2）呈液态3、作用：是膜的屏障作用的的主要保证。

（二）细胞膜的蛋白质

1、膜内蛋白质存在形式：（1）表面蛋白质(peripheralprotein);（2）整合蛋白质(integratedprotein)。2、功能：膜蛋白决定了细胞膜的各种功能。例如：

A、“载体”、“通道”、“离子泵”——

物质的转运功能

B、“抗原”——免疫功能

C、“受体”——传递信息

D、“酶”——生化反应（三）膜糖类1、存在形式：糖蛋白、糖脂2、功能：可作为细胞或蛋白质的特异性标志。例如：1）“抗原”决定簇,表示某种免疫信息;2）膜“受体”的可识别部分,能特异地与某种递质、激素或其他化学信号分子相结合

二、跨细胞膜的物质转运几种常见的跨膜物质转运形式：重点内容跨膜物质转运形式：包括：一、单纯扩散二、易化扩散三、主动转运四、膜泡运输(一)单纯扩散(simplediffusion)1、概念：脂溶性的小分子物质顺着电化学递度由膜高浓度一侧向低浓度一侧的扩散方式。2、扩散物质：O2、CO2、

N2、乙醇、尿素等3、特点：（1）只有脂溶性物质分子可扩散；（2）通过量取决于：

1）膜两侧浓度差（扩散动力）

2）膜的通透性（扩散阻力）。

（二）易化扩散(facilitateddiffusion)概念：指不溶于脂质,或其溶解度甚小,在细胞膜蛋白质分子的“帮助”下由高浓度一侧向低浓度一侧移动过程。分类及转运物质：1.经通道易化扩散

(facilitateddiffusionviaionchannel)2.经载体易化扩散

(facilitateddiffusionviacarrier)

1.经通道易化扩散(facilitated

diffusionviaionchannel)

（1）概念：物质经通道（channel）蛋白中央开放的水相孔道顺浓度差进行的转运。（见图）（2）扩散物质：Na+、K+、Cl-、Ca2+等离子及水等（3）通道的共同特征：

1）选择性：

2）高速性：

3）顺浓度差：

4）不同离子通道有特异阻断剂：

5）通道开、关的瞬时性：（4）通道种类：

1）电压门控通道（voltage-gatedchannel）：

启、闭取决于膜两侧电压差，如Na＋通道、K＋

通道和Ca2＋通道等。

2）化学门控通道（chemically-gatedchannel）或配体门控通道（ligand-gatedchannel）：启、闭取决于膜两侧化学信息，如N型乙酰胆碱门控通道。

3）机械门控通道（mechanically-gatedchannel）：

启、闭取决于机械牵拉刺激，如皮肤触压觉和内耳毛细胞的机械门控通道。

2.经载体易化扩散(facilitateddiffusion

viacarrier)

（1）概念：在载体（carrier）蛋白质分子帮助下，物质从细胞膜高浓度一侧转运到低浓度一侧。（见图）（2）主要转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子有机物。（3）特点：1）顺浓度差进行，转运速度较快

；

2）有饱和现象

；

3）结构特异性高；

4）存在竞争抑制性。

（三）主动转运（activetransport)概念：指细胞通过本身的某种耗能过程，将某种物质的分子或离子逆电化学递度的跨膜转运方式Solutemovesuphillagainstaconcentrationorelectrochemicalgradient.Theenergytomovethesubstanceuphillisderivedfromametabolicreaction,usuallyfromthehydrolysisofATP.主动转运分类及转运物质：1、原发性主动转运（Primaryactivetransport)（1）概念：直接利用细胞代谢提供的ATP将物质逆浓度差进行转运的过程称原发性主动转运。

（2）主要转运的物质:Na+、K+、Ca2+、H+、Cl-

、

I-等离子

（3）机制：由“离子泵”实现，如钠泵、钙泵、氢泵等。

例如：如“钠-钾泵”（Na+-K+

依赖性ATP酶，简称

钠泵）（1）钠泵的本质：具有ATP酶活性的膜蛋白。

（2）钠泵的激活：细胞内[Na+

]、细胞外[K+]。（3）钠泵的作用：逆浓度差跨膜转运Na+

、K+

，以维持细胞内高[K+]、细胞外高[Na+

]状态。

（消耗1个ATP

，泵入个2K+

，泵出3个Na+—生电作用）。

高Na+

高K+

（4）“钠-钾泵”的生理意义：

1）维持细胞内高K+，促进生化反应。

2）维持细胞内外离子的不均衡分布，是细胞产生生物电的基础。（见图表）3）维持细胞内外渗透压的平衡，保持细胞正常形态与功能。

4）影响静息电位的大小，有生电效应。

5）Na势能贮备是其它物质继发性主动运转的动力。2、继发性主动转运（Secondaryactive

transport)

（1）概念：也称联合转运（cotransport）指某一物质依赖另一物质的浓度势能而逆浓度差进行的主动转运过程。

（2）转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子有机物。（3）机制：由转运体（膜蛋白质）介导，最终由“钠-钾泵”提供能量。例如：小肠粘膜对葡萄糖、氨基酸的吸收。

（见图）

继发性主动转运示意图

（三）膜泡运输

是细胞对一些大分子物质或固态、液态的物质团块的转运形式。1．出胞(exocytosis)作用

也称胞吐，是细胞排出物质过程。

见于神经递质释放、内分泌细胞分泌激素、外分泌腺的分泌以及酶原颗粒的分泌等。

Ca2+在此过程起重要作用。2．入胞(endocytosis)作用

指胞外某些物质团块进入细胞过程。

固态物质进入细胞称为吞噬（phagocytosis）;液态物质进入细胞称为吞饮（pinocytosis）。

见于细菌、病毒、异物的侵入，血浆中脂蛋白、大分子营养物进入细胞过程等。吞饮又分为液相入胞和受体介导式入胞。（见图）受体介导入胞入胞再循环小泡细胞膜可反复循环使用胞内体内移吞饮小泡附膜蛋白受体衣被凹陷低PH细胞膜的物质转运方式小结：

单纯扩散通道中介小分子物易化扩散被动转运质或离子载体中介原发性物质离子泵转运转运继发性入胞（胞饮、吞噬）主动转运大分子物质或物质团块出胞（胞吐）(顺电化学梯度;

细胞不耗能)(逆电化学梯度;

细胞耗能)第二节细胞的跨膜信号转导一、信号转导概述

刺激信号通过作用于细胞膜特殊蛋白质分子（通常是受体），将外界信号转导为新的信号形式传递到膜内，引起细胞功能改变（电反应或其他变化），称为跨膜信号转导（transmembranesignaltransduction，

TST）信号转导的基本过程:

跨膜信号转导过程包括：

膜的信号转换、胞内信号传递、最终引发生物学效应等不同环节。

通过信号转导引起细胞内反应包括三个方面：①膜电位改变或细胞兴奋性改变及由此引起的细胞功能改变；②各种效应蛋白构型改变引起的功能变化，如酶蛋白活性改变及由此引起的代谢反应改变；③基因表达过程的改变，如某一个基因转录的启动或关闭。

信号转导的基本途径:

一、膜受体介导的信号转导1、离子通道受体ionchannelreceptor(ligandGatedionChannel)2、G蛋白偶联受体G-proteinlinkedreceptor3、酶耦联受体enzymelinkedreceptor4、招募型受体recruitmentreceptor二、胞质或核受体介导的信号转导二、离子通道受体介导的信号转导

离子通道受体也称促离子型受体，受体蛋白本身就是离子通道。各种细胞外刺激信号作用于细胞膜受体蛋白后导致膜受体自身构象变化及通道的开放（或关闭），引起离子的跨膜流动变化，从而实现跨膜信号转导。大致可分为：（一）化学门控通道（见图）（二）电压门控通道（三）机械门控通道

LigandGatedIonChannel

Ligand-GatedIonChannelsaretransmembraneproteinsthatcanexistunderdifferentconformations(构象),atleastoneformingaporethroughthemembraneconnectingthetwoneighbourcompartments.Theequilibriumbetweenthevariousconformationsisaffectedbythebindingofligandsonthechannels.Phenomenologically,theligands"open"or"close"thechannel.ThetransductionviaLigand-GatedIonChannelsisfasterthanthatviaG-protienlinkedreceptorandenzymelinkedreceptor.

三、

G蛋白偶联受体介导的信号转导

（一）参与G蛋白偶联受体跨膜信号转导的信号分子1.G蛋白偶联受体（G-proteincoupledreceptor）:2.G蛋白(鸟苷酸结合蛋白,G-protein)概念:是同时具有结合GTP或GDP的能力和具有GTP酶活性作用的一类蛋白质。3.G蛋白效应器(GProteineffector):是能催化生成第二信使的酶4.第二信使

(secondmessenger)

第一信使：作用于胞膜的细胞外信号分子(激素、递质、细胞因子等)

第二信使：细胞外的信号分子作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子（cAMP、DG、IP3、cGMP、Ca2+等)→调节靶蛋白。5.蛋白激酶(proteinkinase):能催化蛋白质磷酸化的酶系统根据磷酸化底物分类：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶：大多数酪氨酸蛋白激酶：较少根据激活的第二信使分类：蛋白激酶A：蛋白激酶C：（二）主要信号转导通路

Mainsignalingpathways(1)Receptor-Gprotein–AC-AMP-PKApathway（见图）(2)Receptor-Gprotein-PLC-IP3-Ca2+pathwayandDG-PKCpathway（见图）(3)Ca2+pathway1.Receptor-Gprotein–AC-AMP-PKApathway

2.Receptor-Gprotein-PLC-IP3-Ca2+pathwayandDG-PKCpathway

小结：G蛋白偶联受体介导的信号转导化学信使物质首先与相应靶细胞膜上或突触后膜上的特异性受体蛋白质相结合，这种特异性结合进一步促发了膜内侧另一类蛋白质，即G-蛋白的激活，后者的激活再引起膜结构中靠近膜内侧面的第三类蛋白质——膜的效应器酶的激活或抑制，使胞质中被称为第二信使的某些小分子物质（cAMP、DG、IP3、cGMP、Ca2+等）生成增加或减少，从而完成跨膜信号转导。四、酶耦联受体介导的信号转导

酶耦联受体分子胞质侧自身具有酶活性，可直接结合并激活胞质中的酶从而实现跨膜信号转导而不需要G蛋白参与。（一）酪氨酸激酶受体和酪氨酸激酶结合型受体

:信号分子+受体→激活细胞内的酪氨酸激酶→靶蛋白磷酸化（二）鸟苷酸环化酶受体:

信号分子+受体→激活GC→GTP环化生成cGMP→激活PKG→底物蛋白（三）丝氨酸/苏氨酸激酶受体

五、招募型受体介导的信号转导信号分子+受体→激活细胞内的招募激酶或转接蛋白→靶蛋白磷酸化六、核受体介导的信号转导55第三节细胞的电活动生物电现象临床医学：心电图、脑电图、肌电图…细胞生物电：细胞膜两侧的电位差，称为跨膜电位。表现形式：

RP（restingpotential）、

AP（actionpotential）一、静息电位（一）细胞的静息电位(restingpotentialRP)：1.概念：细胞未受到刺激时（静息时），存在细胞膜内外两侧的电位差。2.记录方法：细胞内记录，测定膜两侧电位差。（见图）3.特点：内负外正的直流电位——极化状态（polarization）去极化(depolarization)：去极和反极(超射)

超极化(hyperpolarization)

复极化(repolarization)4.正常值：膜外为0，膜内为-10mv至-100mv不等。5.意义：是细胞兴奋的基础。重点内容（二）静息电位的产生机制：

生物电产生的先决条件：带电离子的跨膜转运（1）细胞膜内外离子的分布不均衡--形成电化学驱动力（见表）（2）不同条件下（静息或受刺激时），细胞膜对离子的通透性发生改变。

Thereisabouttentimesmoresodium(Na+)ontheoutsideandtwentytimesmorepotassium(K+)ontheinside.Thisiscalledtheconcentrationgradient.Sohowisthisunevendistributionofelectricallychargedionsestablished?Inpartbypropertiesofthemembrane,andinpartbythesodium/potassiumpumpandtheelectricforce（二）静息电位的产生机制：

膜学说:认为生物电是由带电离子的跨膜运动形成。(1902年由Bernstein提出）

膜学说的证实:

a.人为改变细胞外k+浓度：

1939年Hodgkin等进行实验

b.Nernst公式:

EK+=RT/ZF·ln[K+]o/[K+]i=59.5log[K+]o/[K+]i(mv)

RP形成原理——K+平衡电位1.细胞内外K+

浓度分布不均（胞内＞＞胞外）2.静息膜对K+

有通透性→促使K+外流3.膜内带负电荷的蛋白（A-）与K+隔膜相吸→内负外正电位差→对抗K+的净流动当K+

浓度差=电位差→K+

净移动量为零膜两侧电位差稳定在某一数值（K+

平衡电位）（三）影响静息电位水平的因素：（1）细胞膜内、外K+浓度差；（2）膜对K+、Na+的相对通透性；（3）Na+-K+

泵活动的水平。（Na+-K+

泵具有生电作用）二、动作电位（一）细胞的动作电位

(actionpotentialAP)1.概念：细胞受到一个适当刺激时，在膜原有的静息电位基础上所发生的一次膜两侧电位的快速而可逆的倒转和复原。2.动作电位组成：（见图）

重点内容重点内容动作电位组成：去极相复极相3.AP特点：

（1）

“全或无”（all-or-none

）性质：只要刺激达到阈值，出现的锋电位大小不因刺激强度的改变而改变。（2）不衰减性（扩布性）传播：锋电位不因传播距离的远近改变而改变。（3）AP后有不应期。4.生理意义：为细胞兴奋的标志。

AP=兴奋（二）动作电位的产生机制

1.电化学驱动力—由细胞膜两侧离子浓度形成，决定离子跨膜流动的方向和速度。内向电流：使正电荷内流，负电荷外流—膜去极化；外向电流：使正电荷外流，负电荷内流—膜复极化或超极化。2.膜电导的变化—即膜对离子通透性的变化。故膜电导就是膜通透性的同义词。

膜电阻：脂质膜绝缘，电阻很高。但通道蛋白象小导体，数量越多，膜电阻越小。膜电导G=1/R3.膜电导和离子通道关系—离子通道开放，膜对离子通透性增加，膜电导增大。

膜片钳（patchclamp）实验：

膜片钳是用负反馈电子线路装置，保持跨膜电位维持在特定的去极化数值下，测定单个或几个通道蛋白中跨膜离子流（ioncurrent），再计算出膜电导的实验技术。该技术是由Neher和Sakmann等（1975年）建立的，1980年后被应用于离子通道的研究。膜片钳可记录单通道离子电流，证实了膜对离子通透性的改变其实质是离子通道的开放和关闭，从而说明离子电流的形成机制。与分子生物学技术形态学方法在离子通道研究中的联合应用，证实了通道蛋白的分子结构和结构-机能关系

膜片钳装置：SpikeandNa+equilibriumpotentialTherisingphaseoftheactionpotentialistheresultofatransientincreaseNa+permeabilityofaxonmembrane.MembranechannelsspecifictoNa+open,permittingNa+torushintotheaxon.Thisinfluxofpositiveiondepolarizedthemembrane.TheclosingofNa+channelsandopeningofK+channelsinthemembraneproducethefallingphaseoftheactionpotential4.动作电位的形成机制

（１）去极化—Na+的平衡电位过程：刺激→膜上钠通道激活、开放→膜对Na+通透↑

Na+迅速内流(浓度差+电位差)

膜内负电位消失，形成正电位→阻止Na+内流

当膜两侧电-化学势能代数和为零时，无Na+净移动此膜内外的电位差，称为Na+

平衡电位（ENa+）

（１）去极化—Na+的平衡电位过程：证据：a.Nernst公式：

ENa+=RT/ZF·ln[Na+]o/[Na+]i

=59.5log[Na+]o/[Na+]i(mv)

b.人为改变细胞外Na+浓度：（见实验图）

Na通道为电压依从性Na通道有三种状态：

静息激活失活膜电位 静息电位阈电位去极化~复极化-55mV(－90mV)(－70mV)功能状态备用 激活 失活

通道位置关闭 开放 关闭

（２）复极化：过程：钠通道失活、关闭，膜对Ｋ+通透性↑Ｋ+迅速外流(Ｋ+浓度差+电位差ENa)

膜内电位变负

复极（３）复极化后：

细胞外Ｋ+浓度↑，细胞内Na+浓度↑→激活Na+泵→逆浓度差跨膜转运Na+、K+

→细胞内外Na+、K+浓度恢复静息时水平。

（三）动作电位的传导动作电位在同一细胞上的传导机制

——局部电流（见图）动作电位在有髓神经纤维上的传导

——跳跃式传导（见动漫）缝隙连接（gapjunction）在某些组织如神经组织、心肌组织、肝组织和晶状体上皮细胞，细胞间存在缝隙连接，兴奋得以在细胞间直接传播。四、动作电位的触发几个概念：

1）阈值:能引起动作电位产生的最小刺激强度。

2）阈刺激；阈下刺激；阈上刺激:

3）阈电位:能引起细胞膜钠通道激活和去极化间产生正反馈过程，从而暴发动作电位的临界膜电位值。动作电位的引起阈（上）刺激膜去极达阈电位暴发动作电位阈下刺激局部反应

总和达阈电位暴发动作电位五、兴奋性及其变化

（一）兴奋和可兴奋细胞1.兴奋(excitation)：（1）传统概念：机体由静止变为活动，或由活动弱变为活动强；（2）近代概念：兴奋则是指产生AP的过程，或

AP的同义语。

2.可兴奋细胞

(excitablecell)：受刺激后能产生动作电位的细胞。（二）组织的兴奋性和阈刺激

1.兴奋性(excitability)：细胞受刺激产生动作电位的能力。

2.刺激(stimulus)：指能引起细胞、组织或机体发生反应的内、外环境的理化变化。

阈强度（阈值）(thresholdintensity)

阈刺激(thresholdstimulus)3.衡量兴奋性的指标：阈强度（阈值）或阈刺激

——反比（三）细胞兴奋后兴奋性的周期性变化1.观察方法：2.细胞兴奋及其恢复过程中兴奋性变化：

（1）绝对不应期：兴奋性=0，Na+通道进入失活

（2）相对不应期：兴奋性〈正常，部分Na+通道开始恢复

（3）超常期：兴奋性〉正常（4）低常期：兴奋性〈正常

对刺激反应

兴奋性绝对不应期（absoluterefractoryperiod)

任何刺激无反应=0

相对不应期（relativerefractoryperiod)

＞阈刺激＜正常超常期（supernormalperiod)

＜阈刺激＞正常低常期（subnormalperiod)

＞阈刺激＜正常三、电紧张电位和局部电位（一）膜电容和膜电阻（二）电紧张电位：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（electrotonicpotential）。局部电位（1）概念：阈下刺激引起膜所产生的微弱的去极和复极化反应称局部反应。

（2）特点：

1)电位随刺激强度增大而增大—非“全或无”；

2)呈电紧张性传播；

3)局部反应无不应期；

4)可叠加（总和）：包括空间总和与时间总和。总和的意义：总和达阈电位，可引起膜爆发AP。第四节肌细胞的收缩功能一、横纹肌神经AP

？肌肉AP

？肌肉收缩

GeneralprocessofexcitationandcontractionofskeletalmuscleNeuromusculartransmissionExcitation-contractioncouplingMuscleContractionContractionofSkeletalMuscleTransmissionatneuromuscularjunctionSynapsandJunction

Traditionally,synapsehasbeenreservedforneuron-to-neuroncontacts,andjunctionisusedmorebroadlyforcontactsbetweenanyexcitablecells.However,withtherealizationthatsynapsesandotherjunctionsoperatebysimilarmechanisms,thedistinctioninterminologyhasseemedlessimportant,andsynapseisoftenusedloselytoconnoteneoron-effectororganjunctionaswellasthosebetweenneorons.

（一）骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递

1、接头前膜神经-骨骼肌接头结构2、接头间隙3、接头后膜Structureofneuromuscularjunction

TheneuromuscularjunctionconsistsoftheaxonterminalsandtheareaofthemusclefibersarcolemmatheyinervatedTheaxonterminalandmusclecellareseparatedby60nmsynapticcleft.Thepresynapticterminalsarefilledwiththousandsof50-nm-diametersynapticvesiclesandmanymitochondria.NeuromusculartransmissionNeuromuscularjunction(NMJ)兴奋传递过程：1、神经纤维兴奋，动作电位以局部电流形式传到神经末梢；2、接头前膜兴奋，引起Ca2+通道开放，Ca2+内流入神经末梢，末梢内襄泡呈量子式释放Ach；3、Ach分子通过接头间隙扩散；4、Ach与接头后膜（终板膜）上N2型Ach受体阳离子通道结合，引起通道蛋白质分子构象的改变并导致通道的开放；5、Na+内流为主的离子跨膜流动，终板膜产生局部去极化电位（终板电位——EPP）；6、EPP通过电紧张性扩布，刺激周围肌膜产生动作电位。重点内容

神经-骨骼肌接头处的兴奋传递:AP传到轴突末梢钙通道开放钙内流

ACh释放、扩散ACh与终板膜化学门控通道结合通道开放钠内流为主引起终板电位扩布使邻近肌膜去极化达阈电位引发AP。APCa2+Na+EPPNa+胆碱酯酶电——化学——电的传递传递特点：1、1：1的传递；2、易受内环境及药物等影响。美洲箭毒或α－银环蛇毒；有机磷农药和新斯的明３、单向性传递：４、时间延搁：５、易疲劳性：（二）横纹肌细胞的微细结构TypesofmuscleSkeletalmuscleCardiacmuscleSmoothmuscleStriatedmuscle（二）横纹肌细胞的结构特征1、肌原纤维和肌小节肌原纤维粗肌丝：细肌丝：肌小节暗带明带明带H带2、肌管系统2、肌管系统（1）横管系统（T管）

（2）纵管系统（L管、肌浆网）（3）三联管

每一横管两侧纵管终末池横管系统纵管系统细肌丝粗肌丝三联管(1)TransverseTubule(2)LongitudinalTubule SarcoplasmicreticulumSarcotubular

System（三）横纹肌的收缩机制——滑行理论

(slidinghypothesis)基本内容：肌肉收缩时，在肌细胞内并无肌丝或它们所含的分子结构的缩短，而只是在每一个肌小节内发生了细肌丝向粗肌丝之间的滑行。证据：肌肉收缩时仅看到明带长度的缩短，无暗带长度的变化。TheentirearrayofthickandthinfilamentsbetweentheZlinesiscalledasarcomereThesarcotubularsystemconsistsoftransversetubuleandsar