02细胞生理学(膜、电)

细胞生理学有关问题马恒东2020/2/232细胞生理学有关问题2.1细胞的跨膜物质转运2.2生物与电的统一2.3细胞的跨膜信号转导2020/2/2332.1细胞的跨膜物质转运质膜-细胞内膜单位膜6~12nm流动镶嵌模型作用：屏障+门户双重任务（fluidmosaicmodel）2020/2/2342.1.0膜的化学组成和分子结构脂质双分子层骨架、屏障细胞膜蛋白质物质转运、能量转换、信息传递细胞膜糖类分子标志免疫识别细胞膜的特性不对称、流动2.1细胞的跨膜物质转运2020/2/2352.1细胞的跨膜物质转运怎样过河？转运体transporter2020/2/2362.1细胞的跨膜物质转运2.1.1小分子和离子的转运⑴被动转运（passivetransport）1)单纯扩散，简单扩散（simplediffusion）游泳溶质分子断开与水分子的氢键，离开水相进入膜脂质脂溶性物质通过脂双层：O2、N2、CO2、乙醇水和非脂溶性物质：渗透—水φ0.3nm—水通道（osmosis）大多数膜对水的通透性10/1人工膜陈守良.动物生理学（第三版)北大出版社,2005.4:132020/2/2372.1细胞的跨膜物质转运2.1.1小分子和离子的转运⑴被动转运2)易化扩散（facilitateddiffusion）①由载体介导（carrier搬运人、媒介物）船特异性膜两侧亲和力同饱和现象陈守良单指竞争性每秒几百几千/数百万2020/2/2382020/2/2392.1细胞的跨膜物质转运2)易化扩散（facilitateddiffusion）（channel海峡）②由通道介导的易化扩散桥隧道1991Nobel烟碱型乙酰胆碱化学门控通道2020/2/23102020/2/23112.1细胞的跨膜物质转运2)易化扩散（facilitateddiffusion）②由通道介导的易化扩散Na+通道2020/2/2312⑵主动转运（activetransport）缆车1)原发性（primary）主动转运膜泵——膜两侧亲和力不同ATP分解引起的载体磷酸化亲和力强，去磷酸化使亲和力弱、解离钠泵细胞静止能耗的30%；活动意义2.1细胞的跨膜物质转运2020/2/23132)继发性主动转运（secondary）复合载体Na+结合/解离→载体对被转运溶质亲和力2.1细胞的跨膜物质转运几种跨膜物质转运的表现2020/2/23152.1.2大分子和物质团块的转运——入胞和出胞吞噬作用（phagocytosis）吞饮作用（pinocytosis）受体介导式入胞姚泰Ⅴ16出胞（外排，exocytosis）pH低，利于解离有被小窝←集中1min膜和受体的再循环2020/2/23162.1细胞的跨膜物质转运2.1.3细胞间通道缝隙连接(gapjunction)处细胞间距2nm通道允许直径小于1nm物质通过同步性活动的可能性平滑肌、心肌、中枢神经元、感受器细胞与感觉神经的轴突2020/2/23172.2生物与电的统一2.2.1生物电的概念2.2.2生物电的发现史2.2.3细胞水平的生物电现象主要表现2.2.4生物电的普遍性综述参考文献2020/2/2318生物电：生物体在生命活动中所表现出的电现象。恩格斯在总结当时代自然科学成就时指出：“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象”，生物体当然也不例外。2.2.1生物电的概念2020/2/23190前奏在埃及残存的史前古文字中，已有电鱼击人的记载。公元前三百多年亚里士多德观察到电鳐在扑食时先对水中动物施加震击，使之麻痹。古希腊古罗马人曾有用黑电鳐治疗风痛,头痛。直到18世纪电学的基本规律被发现后，才逐步认识到动物放电的性质。2.2.2生物电的发现简史2020/2/2320①发现1786年意大利伽伐尼(LuigiGalvani,1737-1798)用两金属组成的回路把新制备的蛙神经肌肉连接起来，马上会使肌肉抽搐、抖动。他认为蛙体内有神经电流体，金属导线只起接通作用。提出发现了生物电现象(1791年出版《Commentary》，评语、说明《肌肉运动中的电效应》)。2.2.2生物电的发现简史2020/2/2321②质疑意大利著名物理学家伏特（AlessandroVolta，1745-1827）1792年重复，但持不同解释意见。他认为这一现象并不能说明蛙组织带电，而可能是不同的金属器械之间接触而产生的电流（人工电）。2.2.2生物电的发现简史2020/2/2322③争论他们各抒己见，激烈争论。也都深入实验，力图拿更有力的证据说服对方。2.2.2生物电的发现简史2020/2/2323④证明伏打测定了许多种金属接触的电势差排序（电化序，电动序：K,Na,Mg,Zn,Fe,Ni,Sn,Pb,H,Cu,Hg,Ag,Au等，容易丢失→容易得到电子），建立金属接触电动势理论。锌铜弓发明伏打电池（人类第一个产生稳定电流的电源）。1794年，Galvani和他的侄子把一条蛙肌直接与相连的神经相接，引起了肌肉收缩，这个实验未用金属。2.2.2生物电的发现简史Galvani的工作开创了电生理学的新时代。这场学术争论是实验科学史上最值得注意的事件之一。2020/2/23241827年物理学家Nobeli改进了电流计，并测定肌肉的新鲜横切面为负，纵表面为正——损伤电位。新鲜的蛙坐骨神经的损伤电位约为30mV，几个小时后逐渐消失。1820年便有电流计问世。2.2.2生物电的发现简史2020/2/2325意大利生理学家马泰乌奇Matteucci发现刺激神经肌肉标本的神经，损伤电位降低或消失，显示神经冲动通过肌肉时动作电位。Matteucci还进行了著名的“二次收缩”实验(1842年向法国科学院报告)。人类第一次观察到肌肉活动产生的电现象。2.2.2生物电的发现简史2020/2/23262.2.2生物电的发现简史德国生理学家杜·波依·雷蒙（EmilDuBois-Reymond）1843年25岁在神经干上也记录了损伤电位及其兴奋时的负电变化（即静息电位和动作电位现象)。“我成功地实现了近百年来物理学家和生理学家的梦想，证明了神经本原与电的同一性”。生物电现象是怎样产生的呢？2020/2/2327杜·波依·雷蒙提出了“极化分子说”。像磁体NS。极性分子分布在细胞表面,兴奋时变为无序状态。但他的学生赫尔曼Hermann1879年提出“变质学说（alterationtheory)”认为细胞中本无生物电，是损伤或受刺激时发生了局部变质产生的。“生成说”2.2.2生物电的发现简史2020/2/232820世纪20年代美国人H.Gasser（1888-1963）和J.Erlanger将阴极射线示波器等用于神经生理学研究，较快发展。获1944年Nobel生理学或医学奖。2.2.2生物电的发现简史亥姆霍兹和杜·波依·雷蒙的学生德国生理学家伯恩斯坦（JuliusBernstein，1839—1917）1902年根据当时关于电离和电化学的理论成果，发展了生物电的既存学说，提出“膜学说（membranetheory）”—半透膜理论，来解释当时用粗劣的电测量仪器记录到的生理电现象。2020/2/23291936年J.Z.Young报道了枪乌贼(loligo)神经干中含有直径达500μm的巨轴突(giantaxon)，用于支配喷水的肌肉。1939年起英国A.L.Hodgkin和A.F.Huxley利用枪乌贼的巨大神经轴突和电生理技术，进行了一系列实验（胞内记录法）。证实静息电位的膜学说，对动作电位的产生作了新的解释和论证。1949年Hodgkin和B.Katz提出的“离子学说”阐明了静息电位和动作电位最一般的原理。2.2.2生物电的发现简史2020/2/2330J.C.Eccles(1903-1997澳大利亚人，用玻璃微电极研究发现EPSP和IPSP)和Hodgkin、Huxley1963年获诺贝尔生理学或医学奖。Katz则利用玻璃微电极研究神经肌肉接头，于1970年也获得了诺贝尔奖。1976年德国人内尔（EnsinNeher），1944-）和萨克曼（BertSakmann，1942-）建立膜片箝（patchclamp）技术，观察和记录单个离子通道的功能活性。1991Nobel2.2.2生物电的发现简史2020/2/2331主要表现：在静息时具有静息电位和受到有效刺激时产生可传播的动作电位。静息电位，也称膜电位：细胞未受刺激时，存在于细胞膜两侧的电位差。主要是由于钾离子通过钾离子渗漏通道扩散形成。2.2.3细胞水平的生物电现象2020/2/2332细胞膜受到刺激后，在静息电位的基础上膜两侧所产生的快速、可传导的电位。主要是由于Na+、K+通道跨膜离子移动而形成，它是再生性冲动，可使细胞做长距离快速度传递而不衰减。通常所说的神经冲动(impulse)，就是指一个个沿着神经纤维传导的动作电位或锋电位。动作电位2020/2/2333动作电位overshootspikepotentialthresholdpotentialnegativeafterP.positiveafterP.2020/2/23342020/2/2335动作电位的引起阈刺激→阈电位2020/2/2336动作电位的传导JohannesMuller(1801-1858)1844年宣称神经传导的速度比之于光速，他说“一种感觉由身体的外周传到脊髓和脑之后，再回到肌肉引起收缩的时间是非常短的，是测量不出来的。”6年之后，他的学生HermamnvonHelmholtz(1821-1894)运用简单的仪器测出蛙坐骨神经速度27.25m/s2020/2/2337生物的器官、组织和细胞在生命活动中发生的电位和极性变化，是生命活动过程中的一类物理、物理-化学变化，是正常生理活动的表现，也是生物活组织的一个基本特征。生物电是生物体极其各种器官普遍存在的一种电现象，其中许多的植物也表现出电现象。2.2.4生物电的普遍性2020/2/2338生物电以生物体为物质基础，由生物产生，并以生物本身成分为传导媒介，以其生物现象为表现形式，因此没有生物就不可能有生物电。生物以生物电为依托，如果没有生物电，则生物体将无法进行信息的转化、传导、传递和编码分析，生物体就无法适应复杂多变的外界环境因素和调节内部环境的稳定，生物就无法维持生命活动。生物和电是一个统一的“有机整体”。综述2020/2/2339参考文献：陈守良.《动物生理学》第二版、第三版.北大出版社。胡仲明，柳巨雄.《动物生理学前沿》吉林人民出版社王玢,左明雪.《人体及动物生理学》第二版人民卫生出版社。生物科学01级陈昆、曹广胜课程论文（参考《神经生理学》张人翼，潘其丽译；《基础细胞生物学》艾伯茨，布雷）。2020/2/23402.3细胞的跨膜信号转导细胞膜的受体功能受体recepter是指细胞膜或细胞内能与某些化学物质发生特异结合并诱发生物效应的特殊生物分子。——配体ligand：激动剂agonist拮抗剂、阻断剂antagonist㈠膜受体的分子结构位于细胞膜上的受体是带有糖链的跨膜蛋白质分子。㈡膜受体的特性特异性、饱和性、可逆性，转发信息2020/2/23412.3细胞的跨膜信号转导2020/2/2342⑴由具有特异感受结构的通道蛋白质完成的跨膜信号传递1)化学门控通道N-型Ach门控通道2)电压门控通道Na+通道3)机械门控通道内耳毛细胞2.3细胞的跨膜信号转导2020/2/2343Na+通道的工作过程2020/2/2344第二信使的发现1940萨瑟兰（E.W.Sutherland，1915-1974）及同事E→肝细胞→糖原酵解↑1957Rall&~匀浆ATP+Mg2++膜碎片细胞质耐热因子•1960Sutherland确定为cAMP•1965Sutherland提出第二信使学说second-messengerhypothesis1971诺贝尔奖2020/2/2345⑵由膜的特异受体蛋白质、G-蛋白和膜的效应器酶