第二章 细胞生理学

主讲人黄志华第二章细胞的基本功能CHAPTER2THEBISICFUNCTIONSOFCELL第一节细胞膜的结构和物质转运功能细胞：构成机体的最基本的结构和功能单位。一、细胞膜的基本结构细胞膜组成：脂质、蛋白质、糖类1．脂质双分子层：细胞膜的基本骨架液态镶嵌模型(图)细胞膜的结构示意图一、膜的化学组成和分子结构1、脂质双分子层为基架：膜具有流动性。2、镶嵌蛋白质：α-螺旋或球形结构、构型不同，功能不同3、糖类：与脂质或蛋白合成糖脂、糖蛋白，形成抗原。二、细胞膜的跨膜物质转运功能（一）单纯扩散1．定义扩散：单纯扩散：脂溶性小分子物质由高浓度向低浓度跨膜移动的过程。以脂质双分子层为基架的细胞膜，对各种物质的通透性取决于它们的脂溶性、分子大小和带电状况。2．扩散通量：Mmol/秒.cm2影响因素：膜内外物质浓度差、膜的通透性3．转运的物质：水、O2，CO2，乙醇，尿素等。4．特点：①高浓度→低浓度②不耗能（二）膜蛋白介导的跨膜转运易化扩散1．定义非脂溶性小分子或脂溶性很小的物质，在特殊膜蛋白质帮助下，由高浓度向低浓度一侧转运的过程。2．特点①高浓度→低浓度②不需耗能③具有选择性④通透性可改变3．经载体介导的易化扩散转运的物质：GS、AA进入一般细胞共同特点：①结构特异性②饱和现象③竞争性抑制4．通道介导的易化扩散--离子通道①转运的物质：离子：Na+、K+等②特点：a．通道蛋白功能状态可以改变激活(开放)失活（关闭）备用（静息）b．通过“闸门”进行调控c．有选择性③转运结果：电化学势能平衡分类：化学门控通道：N-Ach受体电压门控通道：Na+通道机械门控通道：压力通道功能状态受膜电位、化学信号和机械刺激等因素的调控。由某些化学物质控制其开、闭的通道通道的开、闭受膜两侧差控制的离子通道内耳毛细胞顶部的听毛弯曲时，引起其根部所在的膜变形，直接激活通道，改变其活动状态。被动转运：单纯扩散易化扩散主动转运:定义：指细胞膜将物质分子（或离子）逆浓度差和电位差转运的过程原发性主动转运生物泵：实质就是ATP酶如“钠-钾泵”、“质子泵”等▲钠泵:钠-钾泵或Na+-K+-ATP酶（图）激活：细胞内的[Na+]、细胞外的[K+]作用：3个Na+移到膜外2个K+移入细胞内维持[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α、β二个亚单位构成，α亚单位由1022个氨基酸残基构成，10次跨膜；β亚单位由302个氨基酸残基构成，1次跨膜。生理作用：形成细胞外高Na+、细胞内高K+a．离子势能贮备是生物电产生的基础；促进某些物质的逆浓度差的跨膜转运。如GSb．细胞内高K+是某些生化反应必需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。各种跨膜转运机制的特征单纯离子载体原发性主继发性扩散通道介导动转运主动转运净移动方向高低高低高低低高低高膜两侧浓度相等相等相等不相等不相等是否用膜Pr不是是是是饱和现象无无有有有结构特异性无有有有有能量供给不需要不需要不需要ATP钠势能转运物质O2CO2离子极性分离子Gs、aa子:Gs（三）出胞和入胞大分子物质进出细胞的方式1．出胞：各种分泌活动、神经递质的释放2．入胞：吞饮、吞噬小结1.膜的化学组成和分子结构。2.细胞膜的跨膜物质转运功能特点：单纯扩散，易化扩散，主动转运，继发性主动转运，出胞,入胞思考：1.细胞膜的跨膜物质转运形式有几种，举例说明之。2．比较单纯扩散和易化扩散的异同点?3．Na+-K+泵活动有何生理意义?第二节细胞的跨膜信号传递功能◆跨膜信号转导概念指外界信号（化学分子、光、声音等）作用于细胞膜表面的受体，引起膜结构中一种或多种特殊蛋白质构型改变，将外界环境变化的信息以新的信号形式传递到膜内，再引发靶细胞功能改变。受体定义：指存在于细胞膜上或细胞内能与某些化学物质发生特异性结合并能诱发生物效应的特殊蛋白质分子。跨膜信号转导的特征1、各类刺激信号只改变膜结构中的一种或数种蛋白质分子结构，从而将细胞外的信息转变成细胞内的信息，这一信息引发细胞的功能变化。2、体内需要转导的信号数，接受信号的靶细胞种类以及引发的功能变化都是多样的，但他们的转导过程仅限少数途径。◆几种主要的跨膜信号转导方式（一）由通道蛋白介导的跨膜信号传递刺激信号→膜通道蛋白开放→离子移动→膜电位变化→膜内信息→细胞功能改变1．化学门控通道（配体门控通道）举例：N-型乙酰胆碱受体2．电压门控通道在跨膜电位改变时，通道开放。如：、K+、Ca+通道这种方式的跨膜信号转导是通过存在于细胞膜上的G蛋白偶联受体、G蛋白和G蛋白效应器的相继激活而完成的。1．受体概念：指能与配体特异性结合的蛋白质（二）、G蛋白偶联受体介导的跨膜信号转导２．Ｇ－蛋白：鸟苷酸结合蛋白３．效应器酶：腺苷酸环化酶、磷脂酶C、鸟苷酸环化酶4．第二信使：cAMP（环磷酸腺苷）cGMP（环磷酸鸟苷）IP3（三磷酸肌醇）DG（二酰甘油）Ca+神经递质、激素等（第一信使）激活型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cAMP信号通路传递过程（三）由酶耦联受体介导的跨膜信号转导受体结构与功能１．膜外段：能与配体相结合。２．跨膜：α－螺旋。３．膜内段：自身酪氨酸残基磷酸化受体激活蛋白磷酸化底物酪氨酸残基磷酸化概述恩格斯在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安静和活动时都存在电活动，这种电活动称为生物电现象。第三节细胞的生物电现象“◆细胞的生物电现象及其产生机制兴奋性与兴奋的概念1.兴奋性：指可兴奋细胞接受刺激后产生.反应的能力2.兴奋：指产生的反应兴奋的外部表现与实质：3.刺激引起兴奋的条件：一定的强度一定的作用持续时间一定的时间--强度变化率静息电位动作电位生物电一、细胞的生物电现象一、静息电位及其产生机制（一）细胞的静息电位(restingpotentialRP)1.概念：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。2.RP实验现象：2.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。电位值表示如果规定细胞膜外表面的电位为零，细胞内的电位则为负值。不同细胞的静息电位值不同，一般以细胞内的电位值来表示静息电位。哺乳动物肌细胞和神经纤维的静息电位为-90→-70mV，人类红细胞的静息电位为-10→-6mV。(1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀[Na+]i：[Na+]o≈1∶10,[K+]i：[K+]o≈30∶1[Cl-]i：[Cl-]o≈1∶14,[A-]i：[A-]o≈4∶1（二）静息电位产生的机制1.静息电位的产生条件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）离子胞外(mmol/L)胞质(mmol/L)平衡电位（mV）电化学驱动力(mV)Na+44050+55－115K+20400－75+15Cl－56052－600有机负离子385－60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+67－157K+4155－98+8Cl－1204－900有机负离子155－90静息电位静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性通透性：K+＞Cl-＞Na+＞A-RP产生机制的膜学说:[K＋]i顺浓度差向膜外扩散[A-]i不能向膜外扩散[K+]i↓、[A-]i↑→膜内电位↓(负电场)[K+]o↑→膜内电位↑(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+]oEk=——ln——R气体常数8.31焦尔/度；T绝对温度273Co；nF[K+]in离子价数；F法拉弟常数96,500库伦。Nernst公式计算值大于实际测量值实测值与计算值有差异，原因可能为：膜在静息时对钠离子，氯离子也有一些通透性；静息电位与K+平衡电位1、安静时细胞膜对K＋通透性高2、细胞内外K＋有势能储备3、K＋经细胞膜易化扩散4、扩散到膜外的K＋形成阻碍K＋继续扩散的正电场力5、达到K＋的电化学平衡电位6、改变细胞外K＋浓度将影响静息电位值7、Ek稍大于实测值。影响静息电位的因素1、细胞内、外K+浓度差。2、膜对K+和Na+的相对通透性。3、钠-钾泵的活动水平。三、动作电位AP（一）细胞的动作电位概念：可兴奋细胞在受到刺激发生兴奋时，细胞膜在原来静息电位的基础上发生的迅速而短暂、并可沿细胞膜向远处传播的电位波动。细胞兴奋时的表现各不相同，但出现功能性活动之前都有一个共同的表现——动作电位。去极化上升支下降支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）后电位阈电位去极化零电位反极化（超射）复极化阈电位去极化零电位反极化（超射）几个概念：极化：静息时，膜两侧的内负外正状态超极化：膜内电位向负值变大的方向变化去极化：膜内电位向负值减小的方向变化复极化：由去极化或超极化向RP值恢复反极化：膜内为正，膜外为负的状态阈电位：能够引起细胞膜上Na离子通道突然大量开放的临界膜电位值。动作电位的特点：a．“全或无”现象：动作电位一旦产生就达到最大值，其幅度不会因刺激强度的加强而增大。b．不衰减传导，双向传导c．脉冲式，不会重合d．不同细胞，AP的幅度和持续时间不同当细胞受到刺激细胞膜上少量Na+通道激活而开放Na+顺浓度差少量内流→膜内外电位差↓→局部电位当膜内电位变化到阈电位时→Na＋通道大量开放Na+顺电化学差和膜内负电位的吸引→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→Na+内流停+同时K+通道激活而开放K＋顺浓度差和膜内正电位的吸引→K＋迅速外流膜内电位迅速下降，恢复到RP水平（AP下降支）∵[Na+]i↑、[K+]O↑→激活Na+－K+泵Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平→后电位AP的产生机制:AP的产生与钠、钾通透性的关系结论：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Na＋－K＋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（Na＋－K＋泵的活动）。3、AP=Na＋的平衡电位。动作电位和Na＋平衡电位1、受刺激后细胞膜对Na＋通透性高2、细胞内外有Na＋势能储备3、Na＋由细胞外向细胞内易化扩散4、扩散到膜内的Na＋形成阻碍扩散的正电场力5、Na＋的电化学平衡电位6、改变细胞外Na＋浓度将影响动作电位值7、使用Na＋通道阻断剂（河豚毒）将使动作电位消失二、兴奋的引起（一）刺激与反应刺激：能引起细胞或组织发生反应的所有内、外环境的变化。反应：可兴奋性组织对刺激的应答表现。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。阈强度：固定刺激时间及强度时间变率，刚能引起组织产生动作电位的最小刺激强度。简称阈值。阈值大则兴奋性低，反之亦然阈上刺激阈下刺激阈刺激（二）兴奋性1、兴奋性：活组织或细胞对外界刺激产生AP的能力。2、细胞兴奋后兴奋性的周期性变化绝对不应期相对不应期超常期低常期正常（二)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1、阈电位TP：是一种膜电位的临界值，能触发AP，是引起钠通道大量开放的膜电位值，即钠内流形成正反馈的膜电位值。