《生理学》-细胞的基本功能

第二章细胞的基本功能第一节.细胞膜(Cellmembrane)的基本结构和物质转运功能教学目的掌握物质的跨膜转运方式掌握细胞的跨膜信号转导掌握静息电位掌握动作电位、局部电位掌握骨骼肌神经-肌肉接头的信息传递熟悉骨骼肌收缩机制熟悉影响肌肉收缩的因素第一节细膜的结构和物质转运功能细胞膜的结构所有的膜脂质都是双嗜性分子、一端是磷酸、碱基等亲水性极性基团，另一端的长烃链是非极性基团。细胞膜蛋白质：整合（嵌入）蛋白质、表面（周围）蛋白质。糖类：量少（2％～10％），有寡糖、多糖。与膜脂质及蛋白质结合。细胞膜的功能：保护：屏障作用。转运：载体、通道、离子泵。抗原、抗体信息传递：受体

细胞膜物质转运的两个必备条件允许某物质穿过，对物质有通透性。转运动力：如消耗能量、浓度差、电位差等。

物质的跨膜转运转运的物质:CO2、O2

、H2O、无机盐：Na+、K+、Cl-、Ca2+等，有机物：G、aa等，大分子物质：如酶、激素、吞噬的细菌等。一、单纯扩散(simplediffusion)：物质顺浓度梯度通过细胞膜的过程。不耗能。脂溶性，分子量小。CO2、O2、N2H2O、乙醇、尿素类固醇激素影响因素：膜两侧浓差高低、通透性的大小影响物质的转运速度二.膜蛋白质介导的跨膜转运在特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的一侧向另一侧移动的过程。

分类:

2、经载体：载体为中介的易化扩散主动转运1、经通道为中介的易化扩散1、经通道易化扩散:通道开放时离子顺浓度梯度和电位梯度经孔道跨膜流动.转运的物质:Na+,

K+,

Ca2+等带电离子。[K+]i＞[K+]o特性：选择性：对一种或几种离子有较高的通透能力.

钠通道、钾通道、钙通道等。门控性：通道蛋白质内有一些可移动的结构或化学基团，在通道内起闸门作用，致通道关闭或开放，许多因素可刺激闸门导致通道开放或关闭。电压门控通道:膜电位变化，存在带电的感受区化学门控通道：膜内外化学物质调控，是通道和受体

机械门控通道电压门控Na+通道K+通道静息:关闭，可激活，激活：开放，失活：关闭，不能打开。AchAchIonchannelreceptoraadgbNa+N2受体：ACH与其结合打开通道，0.65nm，非选择性阳离子通道，允许Na+

、K+

，Ca2+阳离子通过静息、激活、失活现象顺浓度梯度和电位梯度转运竞争性抑制比载体的转运速度快:106-108，103-105。2、经载体转运被转运物与载体结合→至载体构象变化→物质被转运入膜的另一侧→被转运物与载体解离细胞外细胞内被运物变构特点:选择性饱和性竟争性饱和性：随底物浓度增加转运速率增加，当底物浓度达一定值时，转运速率不再随底物浓度增加而增大。原因：载体数量有限，每个载体转运某物需一定时间等转运的物质：Glucose、氨基酸(AA)等小分子亲水物质。同向转运体：将物质向同一方向转运。逆向转运体：被转运的物质彼此向相反的方向转运。不耗能顺浓度梯度

经载体易化扩散主动转运：原发性主动转运继发性主动转运三、原发性主动转运(Activetransport)细胞通过本身的耗能，逆浓差或逆电位梯度跨膜转运某物质的过程。钠-钾泵(sodium-potassiumpump)又称Na+-K+-ATPase:细胞膜上的整合蛋白。α亚单位：转运Na+、K+，分解ATP。

β亚单位：功能不详。[Na+]i↑[K+]o↑，可被激活。通道转运与钠-钾泵转运模式图钠-钾泵功能：在胞内侧泵与3个Na+结合,在胞外侧与2个K+结合,分解ATP释放能量,能量促泵变构,将3Na+转运出胞,将2K+转运入胞.意义：高K+是细胞代谢反应所需条件RP和AP产生的条件维持细胞的渗透压和容积相对稳定是生电性,使细胞膜电位超极化.是继发性主动转运的动力，是葡萄糖、氨基酸、Na+-Ca++等交换的动力。钙泵:存在于内质网和细胞膜，逆浓度梯度转运Ca++至内质网内或出胞，维持细胞内低Ca++

。继发性主动转运逆浓度梯度或电位梯度转运时，能量非直接来自ATP的分解，是来自膜两侧[Na+]差，而[Na+]差是Na+-K+泵分解ATP释放的能量建立的。载体为中介的易化扩散与原发性主动转运耦联。G、氨基酸、N+-H+交换、Na+-Ca++等的转运。在管腔侧Na+和G与膜上载体结合，顺Na+浓度梯度将Na和G转运至胞内，Na+再通过钠-钾泵逆浓差转运至胞外，维持细胞内低Na+。四、出胞分泌物排出融合处出现裂口囊泡向质膜内侧移动膜性结构包被的分泌囊泡高尔基复合体粗面内质网合成蛋白性分泌物囊泡膜与质膜的某点接触并融合神经递质，消化酶等。入胞物质与膜上的受体结合成复合物复合物向膜表面的“有被小窝”移动膜凹陷、离断成吞食泡吞食泡与溶酶体融合受体与结合物分开，膜再与细胞膜融合低密度脂蛋白，细菌等。第二节细胞的跨膜信号转导化学信号或配体:

神经递质,激素,细胞因子受体:与配体进行特异性结合.可存在于膜上、膜内或核内.受体的分型：配体门控通道、G蛋白偶联受体、生长因子类受体、胞浆或核受体。一、离子通道介导的信号转导配体门控通道(chemically-gatedionchannel):受体、通道，激活后引起离子跨膜转运，配体多为神经递质。N2受体:ACH作用于N2受体,打开阳离子通道,Na+和Ca2+超过K+外流,产生终板电位.GABAA受体:r-氨基丁酸作用于GABAA受体,打开Cl-通道,Cl-内流,膜内负电位增大.AchAchIonchannelreceptoraadgbNa+骨骼肌运动终板膜上，将信息由N传至肌肉，引起肌肉收缩。二、G蛋白偶联受体介导的信号转导Gprotein-linkedreceptor:150多种以上，300-600aa,7个跨膜区段（21-28aa/个），Ｎ－末端位于胞外，胞外区和跨膜内部有配体结合处，胞内有Ｇ蛋白结合处.在胞外与配体结合，将信号由膜外转至G蛋白。Gprotein：Gs,Gi,Gq,G12.αβγ三个亚单位组成三聚体α亚单位不同，βγ组成二聚体。αβγ-GDP(失活态)→α-GTP（激活态）+βγ。α-GTP是活性形式βγ：参与调节Gprotein活性，可直接激活通道的作用。G蛋白Gproteineffector：

AC（ATP→CAMP)，PLC（PIP2→DG+IP3)，PLA2(膜磷脂→花生四烯酸），GC(GTP→CGMP)，PDE(CAMP，CGMP),离子通道。Secondmessenger：激素、递质等信号分子作用于细胞膜后细胞内产生的信号因子，间接地把细胞外信号转入细胞内。

cAMP,IP3,DG,cGMP,Ca++.PKA,PKC,PKG：蛋白质磷酸化。RsGsbgaGDPGTPGDPATPcAMPgACbaGTPPKAPDE5`AMPPhysiologicalactivitiesRibgGiaGDPbgaGTPGDPGTPProteinATPADPP1,G蛋白偶联受体介导-cAMP第二信使模式神经递质、激素等(α-GTP+βγ)(GS或i)激活或抑制(AC)ATPcAMP↑↓细胞某种生命活动发生变化G蛋白偶联

受体Gs或i蛋白（αβγ-GDP）激活或抑制PKARqgbaGDPGTPGDPPIP2IP3+DGgPLCbaGTPPKCPhysiologicalactivitiesProteinATPADPP内质网释放Ca++Ca++CaBP2.Gq蛋白偶联受体介导-IP3/DG激活PKC递质、激素Gq

偶联

受体α-GTP+βγPLCPIP2IP3和DG内质网释放Ca2+，钙与多种蛋白质结合（钙调蛋白等），产生生物效应Gq（αβγ-GDP）细胞内生物效应三.酪氨酸激酶信号通路模式

各种生长因子、胰岛素等与酪氨酸激酶受体结合细胞内生物效应膜内C端：酪氨酸激酶活性激活下游可磷酸化的信号蛋白四、鸟苷酸环化酶配体与受体结合，激活GC，使GTP生成CGMP，激活PKG。第三节.细胞的生物电现象（1）细胞外纪录0-+（2）细胞内纪录-+0细胞外记录法:记录细胞外两点之间的电位差细胞内记录法:记录细胞膜内外的电位差生物电记录方法静息电位，动作电位2.RP实验现象：●静息电位(restingpotentialRP)细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的恒定电位差。RP值:内负外正，-10mv~-100mv。神经、骨骼肌和心肌细胞为-70～-90mV，红细胞为-10mV左右。极化，RP增大为超极化，RP减小为去极化。1890年，Ostwald，膜的通透性理论:半透膜，允许某种离子通过，带相反电荷的另一种离子不能通过。如正电荷出胞，而负电荷不出胞，组织离子外液（mmol/L）胞质（mmol/L）平衡电位（mv）RP（mv）枪乌鰂大神经Na+44050+55-60K+20400-75Cl+56052-60负离子385哺乳动物骨MNa+14512+67-90K+4155-98Cl+1204-90负离子155细胞内液和细胞外液中主要离子浓度和电位细胞膜内外离子分布不均匀。细胞外高Na+，细胞内高K+1902，Bernstein膜学说：K+在细胞内外不均衡分布、静息时细胞膜只对K+

有通透性，K+

顺浓度差扩散到膜外。1939Hodgkin用细胞内记录法证实学说，在枪乌鰂大神经测量出RP为－60mv。改变[K+]O/[K+]i，RP值改变，[K+]i↓→RP差值↓，用等张NaCl置换轴突内KCl，RP消失。电化学驱动力:浓差和电位差的代数和，平衡电位:驱动力为0时的跨膜电位差.K+

平衡电位。Nernst公式：EK=RT/ZF•ln[K+]O/[K+]i

=59.5log[K+]O/[K+]iEK为-90~-100mv。与实测电位值有差距原因：膜对其它离子有一定的通透：Na+，Cl-。Na+内流可部分抵消K+外流所形成的膜内负电位、钠钾泵的作用。神经细胞RP机制细胞膜内外离子分布不均匀。Ko《Ki。静息时细胞主要对K+通透。K+浓差促K+外流，而胞内其它负离子不外流至膜内电位降低。膜内电位降低形成电位差,而电位差阻止K+进一步外流当电化学驱动力为0时，K+净移动为零，RP接近于K+平衡电位。少量Na+内流、钠钾泵泵3个Na+出胞2个K+入胞作用至膜电位稍偏离平衡电位。动作电位(actionpotentialAP)2.AP实验现象：（2）细胞内纪录0mV在RP基础上,可兴奋细胞受到适当的刺激，其膜电位迅速发生一过性波动称为AP。去极复极AP：膜电位约从-70mv较慢升至-50mv，然后快速升至+30mv，快速降至RP，持续时间约2ms。AP的产生机制内向电流：正离子内流或负离子外流外向电流：正离子外流或负离子内流电化学驱动力:RP时，Na+驱动力：-70mv-60mv=-130mvK+驱动力：-70mv-（-90mv）=+20mv+30mv时，Na+驱动力：30mv-60mv=-30mvK+驱动力：30mv-（-90mv）=+120mv推理：正离子内流或负离子外流Na+和Ca2+浓度细胞外高于细胞内，内负外正的电位差，有推动Na+和Ca2+转运的动力。间接证明：改变细胞外液中Na+和Ca2+浓度，AP幅度变化如果变化，提示与AP的形成与此离子有关，否则无。直接证据：同位素标记，应用膜片钳技术测Na+和Ca2+的电流曲线1用含NaCl的海水灌流时产生的AP；曲线2-8示无Na+液体以不同的时间代替海水产生的AP，AP幅度下降；曲线9,10示恢愎海水灌流时重新产生的AP。对照Na电流TTX存在时-80mV-30mV（3）全细胞纪录膜片钳技术(patchclamp)

：全细胞纪录法TEA存在内向电流外向电流00内向电流单个细胞置于外液中，电极靠近细胞，封接（吸使电极与细胞贴紧），吸破细胞,即可记录电流.电极细胞刺激电流TTX河豚毒Na+通道阻断剂TEA四乙基铵K+通道阻断剂AP期间膜电导（通透性）的变化Gx=Ix/（Em-Ex），Gx是电阻的倒数，Em-Ex是电化学驱动力。AP去极相，细胞对Na+通透性在不足1ms时间内迅速增加，随后开始下降，并开始对K+通透性增加，膜电位去极化程度越大，膜对离子的通透性越高。不同程度去极化对膜钠电导和钾电导的影响

对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；随着钳制电压的增加，膜对Na+和K+电导逐渐增加AP的产生机制Na+顺电化学差再生式内流膜上少量Na+通道开放当细胞受到刺激少量Na+内流超过K+外流→膜内外电位差↓到阈电位时Na＋通道大量开放Na+通道关→Na+内流停+K+通道开放K＋顺电化学梯度外流膜内电位下降到RP水平∵[Na+]i↑、[K+]O↑→激活Na+－K+泵Na+泵出胞、K+泵回胞内以恢愎细胞膜内离子的不均衡分布阈电位（thresholdpotential）：膜内电位去极达某一临界值时，细胞膜对某种离子的通透性增加，离子跨膜转运，引起AP产生的临界膜电位值。Na+通道，快通道，关闭、失活、激活，电压门控，-70mv关、-50mv开放(神经)。阈刺激，阈下刺激，阈上刺激全或无式：幅度不随刺激强度而变化。AP幅度与什么有关？幅度与Na+电化学驱动力或Na+内流的量有关，内流钠越多幅度越大，反之，则低。AP在同一细胞上的传导：局部电流无髓神经纤维：膜外正电荷由未兴奋段移向兴奋段，膜内正电荷由已兴奋段移向未兴奋段，使未兴奋段膜去极化达阈电位水平，引起未兴奋段Na+通道大量开放，Na+内流，而产生AP。有髓神经纤维：跳跃式传导，Na+不能穿过髓鞘入胞，有髓鞘处不能产生AP，而朗飞氏结处有丰富的Na+通道，局部电流只能在两个朗飞氏结之间形成，动作电位传导为跨越髓鞘，在相邻的朗飞氏结相继出现。特点:全或无式，AP幅度不随传导距离而变化局部电位(Localpotential)不同强度的刺激引起细胞膜电位的变化,刺激1和2为阈下刺激,引起膜电位轻度的变化,即局部电位。刺激3引起AP形成.阈下刺激。去极:少量Na+通道开放，少量Na+内流，复极少量K+外流。幅度低特点：无全或无，局部电位的大小可随阈下刺激的大小而改变。电紧张方式扩布，其幅值随传播距离的增加而减小。无不应期，可时间性和空间性总和。

时间性总和同一部位在短时间内前后数次局部电位可以总和，达到阈电位，并引发动作电位。空间性总和相邻部位产生的局部电位可以总和，达到阈电位，并引发动作电位。AP与局部电位比较阈刺激或阈上刺激阈下刺激峰电位幅度不到阈电位水平大量Na+通道开放，大量Na+内流。少量Na+通道开放，少量Na+内流。全或无式：幅度不随强度变化，非衰减式的传导无全或无：幅度随强度变化。衰减式的传导。无总和效应时间总和和空间总和excitation和excitabilityExcitation：细胞对刺激发生反应（AP）的过程。Excitability：细胞受刺激后产生AP的能力。Stimulation：内外环境的变化刺激强度，时间，强度对时间的变化率。阈强度，阈刺激：引起组织产生反应的最小刺激强度。意义：衡量组织、细胞兴奋性高低强度对时间的变化率阈刺激阈下刺激阈上刺激随刺激强度的增加，引起组织兴奋所需的刺激时间越短，反之，则相反。但刺激强度和刺激时间都不能低于某一最小值。

细胞兴奋后兴奋性的变化

绝对不应期：无论多强的刺激都不能使细胞再兴奋相对不应期：较强的刺激都能使细胞再兴奋同一组织或细胞在不同的时间其兴奋性的大小可变化分期兴奋性机制绝对不应期(absoluterefractoryperiod)降至零钠通道失活相对不应期(relativerefractoryperiod)渐恢复但低于正常钠通道部分恢复超常期＞正常钠通道大部恢复，与阈电位近低常期＜正常膜内电位呈超极化第四节肌细胞的收缩功能神经末梢含囊泡，囊泡50-60nm，中含有ACh。接头前膜接头后膜或终板膜，含有N2受体，与ACH特异性结合，非选择性阳离子通道接头间隙50nmCa2+通道，电压门控通道神经－肌接头的微细结构N-M接头处的兴奋传递过程2.N-M接头处的兴奋传递过程AP传到轴突末膜Ca2＋通道开放、外Ca2＋内流囊泡向前膜移动、融合、ACh量子式释放ACh与终板膜上的N2受体结合，受体蛋白分子构型改变终板膜对Na＋、K＋通透性↑离子跨膜转运终板电位（EPP）EPP电紧张性扩布至肌膜去极化达到阈电位肌细胞膜产生APACH是量子式的释放N2受体是化学门控通道EPP：幅度约50mv，是局部电位终板膜不能产生AP，因为无电压门控Na+通道前膜传来一次AP，便能引起肌细胞兴奋和收缩一次。终板膜上含有丰富的胆碱酯酶，能迅速水解ACh。

影响N-M接头处兴奋传递的因素：阻断ACh受体：筒箭毒和α银环蛇毒，肌松剂。抑制胆碱酯酶活性：有机磷农药，新斯的明。自身免疫性疾病：重症肌无力（抗体破坏ACh受体），肌无力综合征（抗体破坏N末梢Ca2+通道）。前膜Ach释放↓：肉毒杆菌中毒，细胞Mg2+增加。

（二）骨骼肌细胞的结构肌原纤维肌细胞肌束肌凝蛋白组成，长度1.6μm。由细胞骨架蛋白（M线）固定。

横桥横桥的作用:可与肌纤蛋白可逆结合，通过横桥连续的向M

线方向扭动，牵拉细肌丝向暗带中央滑行。具有ATP酶的作用，可分解ATP并释放能量，供横桥扭动。细肌丝：由肌动蛋白、原肌凝蛋白和肌钙蛋白组成，肌动蛋白有与横桥结合位点，原肌凝蛋白静息时掩盖横桥结合位点，肌钙蛋白与Ca2+结合可使原肌凝蛋白变构并暴露肌动蛋白结合位点。肌管系统

高浓度Ca2+T管：肌膜向内凹陷并向深部延深而形成，使电信号沿肌膜迅速传播至细胞内部的肌原纤维肌质网：膜上含Ca2+泵，逆浓度梯度将胞浆中Ca2+转至肌质网终池:有高浓度的Ca2+,含有Ca2+释放通道,AP沿T管传至细胞内部时,Ca2+释放通道开放,Ca2+由终池释放至胞浆,至胞浆Ca2+浓度升高.（三）骨骼肌收缩机制骨骼肌收缩机制:肌丝滑行学说牵拉细肌丝朝肌小节中央滑行横桥摆动横桥与结合位点结合，分解ATP释放能量原肌球蛋白位移，暴露细肌丝上结合位点Ca2+与肌钙蛋白结合，肌钙蛋白变构终池膜上钙通道开放，Ca2+进入胞浆肌膜AP沿横管膜传至三联管终池膜上钙通道开放，终池内Ca2+进入肌浆Ca2+与肌钙蛋白结合引起肌丝滑行

兴奋-收缩耦联(excitationcontractioncoupling)肌肉舒张:Ca2+浓度升高的同时，激活肌浆网钙泵，钙泵将Ca2+泵回肌浆网，肌肉舒张。Ca2+来源骨骼肌胞浆中的Ca2+来自LSR。心肌和平滑肌Ca2+大部份来自LSR，部分来自胞外,胞外Ca2+内流引起LSR释放Ca2+

。Ca2+浓度由0.1umol/L升至1-10umol/L时引起肌肉收缩。SR和膜上钙泵将Ca2+泵回，Na+-Ca2+交换(心肌),胞浆中Ca2+浓度下降，肌肉舒张。影响肌肉收缩的因素表现:长度缩短，产生张力等张收缩，等长收缩前负荷

(preload)

定义：肌肉收缩前所受的负荷。

决定肌肉收缩前的长度-称初长度随前负荷的增加，收缩力逐渐增强，当增加至某值时（最适前负荷），收缩力达最大，再增加前负荷，收缩力渐下降，甚至降至0随着前负荷的增加,肌小节的长度增加,当在最适前负荷时肌小节的长度为2.2m最适前负荷：肌节最适初长度（2.0-2.2m）时，粗细肌丝重叠佳，所有的横桥都处于能与细肌丝重叠而有可能相互作用的位置,