细胞的基本功能

第二章细胞的基本功能第一节细胞膜的结构和物质转运功能第三节细胞的电活动第四节肌细胞的收缩第二节细胞的信号转导栎树细胞的细胞壁胡克所用的显微镜施莱登施万1838年，德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden）提出：所有的植物都是由细胞组成的，细胞是植物各种功能的基础；1839年，德国动物学家施万（T.A.H.Schwann）受施莱登启发，又提出：所有动物也是由细胞组成的；他们建立了细胞学说的基础。◆所有的生物都是由一个或多个细胞组成的；◆细胞是所有生物的结构和功能的单位；◆所有的细胞都必定是由已存在的细胞产生的。1855年，德国病理学家菲尔肖（R.C.Virchow）提出：所有的细胞都必定来自已存在的活细胞。菲尔肖细胞的形态大小、数目腰围38厘米（卵黄17厘米）直径100nm长达1米各种细胞以及细胞结构都各不相同,有大有小细胞的大小一般情况下，细胞的大小以微米（um）计第一节细胞膜的结构和物质转运功能细胞膜或质膜（plasmamembrane）是一种半透膜，在电镜下可见有三层结构：致密带：内侧透明带：中间致密带：外侧一、细胞膜的结构概述细胞膜化学组成(红细胞)糖类(8%)脂质(52%)蛋白质(40%)(功能活跃的细胞膜，其膜蛋白的含量较高)细胞膜的液态镶嵌模型（一）脂质双分子层脂质的熔点较低，膜中脂质分子在体温条件下是溶胶状态的，这决定了膜具有某种程度的流动性。脂质糖脂：小于10％胆固醇：小于30％磷脂：大于70％（二）细胞膜的蛋白主要存在形式α-螺旋或球形，约占细胞膜重量的55%。表面蛋白分类按形式分为整合蛋白按功能分为酶蛋白转运蛋白受体蛋白（三）细胞膜的糖类细胞膜中的糖类与蛋白质和脂类结合，分别形成糖蛋白和糖脂。存在于细胞膜的外侧，具有受体或抗原功能。细胞膜的物质转运功能是细胞维持正常代谢，进行各项生命活动所必需的。二、物质的跨膜转运（一）单纯扩散(simplediffusion)1、概念:2、特点：(1)脂溶性物质；(2)顺浓度梯度(3)不消耗能量；(4)没有膜蛋白的参与脂溶性的小分子物质和少数分子很小的水溶性物质由高浓度侧通过细胞膜向低浓度侧移动的过程。3、通过单纯扩散跨膜转运的物质O2、CO2、N2、H2O、乙醇、尿素、甘油、水等。4、影响单纯扩散的因素(1)细胞膜两侧物质浓度差(2)细胞膜对该物质的通透性：①物质脂溶性的大小②分子大小（二）膜蛋白介导的跨膜转运主动转运被动转运经通道介导的易化扩散经载体易化扩散原发性主动转运继发性主动转运经载体介导的跨膜转运通道蛋白与载体蛋白不同点：1.通道蛋白参与的只是被动运输,在运输过程中并不与被运输的分子结合,也不会移动,并且是从高浓度向低浓度运输,所以运输时不消耗能量。2.载体蛋白参与的有主动运输和协助扩散，在运输过程中与相应的分子结合，并且会移动。在主动运输过程中由低浓度侧向高浓度运动，且消耗代谢能量；在协助扩散过程中，由高浓度侧向低浓度侧运动，不消耗代谢能。（注：协助扩散也属于被动运输）易化扩散概念:非脂溶性物质或脂溶解度甚小的物质,在特殊膜蛋白质的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。易化扩散特点：(1)非脂溶性物质；(2)顺浓度梯度/电位梯度(3)不消耗能量；(4)有膜蛋白的参与易化扩散分类:1、经载体易化扩散：如葡萄糖、氨基酸的转运2、经通道易化扩散：如Na+、K+、Ca2+的转运1、通道介导的跨膜转运转运的物质：绝大部分为离子结构基础：通道蛋白也即经通道易化扩散（facilitateddiffusionviaionchannel)通道介导的跨膜转运转运的物质:各种带电离子（1）动力：膜两侧离子浓度差和电位差（即电化学梯度）（2）条件：离子通道必须是开放的离子通道在未激活时是关闭的，在一定条件下“门”被打开，才允许离子通过，这一过程称为门控过程。（3）分类：电压门控通道受膜电位水平调控化学门控通道受膜环境中某些化学物质调控机械门控通道受机械刺激调控（4）离子通道的特点①转运速度快②离子选择性③门控特性2、载体介导的跨膜转运特点:①结构特异性②饱和现象③竞争性抑制（1）经载体易化扩散（facilitateddiffusionviaionchannel)是指水溶性小分子物质经载体介导顺浓度梯度和（或）电位梯度进行的被动跨膜转运。经载体易化扩散葡萄糖、氨基酸等转运进入红细胞主动转运(activetransport)概念：细胞膜通过本身的某种耗能过程将某些物质分子或离子逆浓度差或逆电位差进行的转运过程，称为主动转运。主动转运消耗的能量几乎都是由ATP分解提供。特点：①转运方向是逆电-化学梯度进行的；②需要消耗能量；③依靠特殊膜蛋白质的“帮助”。分类：原发性主动转运：直接由ATP供能继发性主动转运：间接由ATP供能是指离子泵利用分解ATP产生的能量将离子逆浓度梯度和（或)电位梯度进行跨膜转运的过程。（2）原发性主动转运(primaryactivetransport)原发性主动转运1)钠泵(也叫钠-钾泵或Na+-K+-ATP酶）①钠泵的化学本质细胞膜上一种特殊的蛋白质，具有ATP酶的活性，可以将ATP分解，释放能量，并利用此能量逆浓度梯度转运Na+和K+。钠-钾泵转运模式图维持[Na+]o高、[K+]i高的不均匀分布状态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②钠泵的作用：每分解1分子ATP，3个Na+泵出，2个K+泵入a.钠泵活动造成的胞内高K+是胞质内许多代谢反应所必需；b.维持胞内渗透压和细胞容积；c.建立Na+的跨膜浓度梯度，为继发性主动转运提供势能储备；d.钠泵活动造成的膜内外Na+和K+浓度差，是细胞生物电活动产生的前提条件；e.钠泵活动是生电性的，可直接影响膜电位，使膜内电位的负值增大。③钠泵活动的生理意义2)钙泵（Ca2+-ATP酶）①钙泵的作用：质膜上的钙泵：每分解1分子ATP，可将1个钙离子由胞质内转运至胞外；肌质网或内质网钙泵：每分解1分子ATP，可将2个钙离子由胞质内转运至胞外肌质网或内质网中。②意义：保持细胞内钙离子浓度较低，增加细胞对钙离子浓度增加的敏感性。3)质子泵H+，K+-ATP酶：H+-ATP酶：①H+，K+-ATP酶：分布于：胃腺壁细胞膜和肾小管闰细胞膜上作用是：分泌H+②H+-ATP酶：分布于：各种细胞器膜上作用是：把H+转运至细胞器内，保持胞质的中性和细胞器内的酸性，建立细胞器内外的浓度梯度，为物质的跨细胞器膜转运提供动力。（3）继发性主动转运是指驱动力并不直接来自ATP的分解，而是来自原发性主动转运所形成的离子浓度梯度而进行的物质逆浓度和（或）电位梯度的跨膜转运方式。(secondaryactivetransport)继发性主动转运肠粘膜上皮细胞葡萄糖继发性主动转运模式图细胞对于一些大分子物质或固态、液态的物质团块，是通过膜本身更复杂的吞吐活动进行的，这些过程需要细胞提供能量。膜泡运输入胞：又称胞吞。是细胞外大分子或物质团块进入细胞内的过程。如：血浆中的脂蛋白颗粒、大分子营养物质、细菌、异物等进入细胞。如果进入细胞的物质是固体为吞噬，如果进入细胞的物质是液体为吞饮。出胞：又称胞吐。是指细胞把大分子内容物排出细胞的过程，主要见于细胞的分泌活动。如递质释放的出胞过程。（三）出胞与入胞1.出胞：分泌物排出融合处出现裂口囊泡向细胞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细胞膜的某点接触并融合囊泡的膜成为细胞膜的组成部分出胞示意图：2.入胞:仅发生在单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞等，形成的吞噬泡直径较大。（1）分类①吞噬：进入细胞的物质是物质颗粒或团块。几乎发生于所有细胞，形成的吞饮泡直径较小。可分为：液相入胞和受体介导入胞。进入细胞的物质为液体及其溶质。②吞饮：细胞膜上的受体对物质的“辨认”发生特异性结合复合物向膜表面的“有被小窝”移动“有被小窝”处的膜凹陷凹陷膜与细胞膜断离－吞饮泡（2）过程入胞示意图被动转运主动转运原发性主动转运继发性主动转运易化扩散单纯扩散经载体易化扩散经通道易化扩散是指小分子物质顺电-化学梯度转运过程。特点：①不直接消耗能量②顺电-化学梯度进行分类：①单纯扩散②易化扩散被动转运(passivetransport)主动转运(activetransport)细胞膜通过本身的某种耗能过程将某些物质分子或离子逆浓度差或逆电位差进行的转运过程。特点：①需要消耗能量,能量由分解ATP来提供；②依靠特殊膜蛋白质“帮助”；③是逆电-化学梯度进行的。分类：①原发性主动转运；②继发性主动转运；2、根据转运过程跨膜机制：单纯扩散膜蛋白介导的跨模转运出胞和入胞膜蛋白介导的跨膜转运主动转运被动转运经通道介导的易化扩散经载体易化扩散原发性主动转运继发性主动转运经载体介导的跨膜转运第二节细胞的信号转导信号物质包括：激素、神经递质、细胞因子根据作用不同，分为:①疏水性类固醇激素、维生素D、甲状腺激素②亲水性物质跨膜信号转导主要涉及到：胞外信号的识别与结合、信号转导、胞内效应等三个环节。①离子通道型受体介导的信号转导②G蛋白耦联受体介导的信号转导③酶联型受体介导的信号转导跨膜信号转导方式大体有以下三类：一、离子通道型受体介导的信号转导离子通道型受体(ionchannelreceptor):指同时具有受体和离子通道功能的蛋白质分子，属于化学门控通道。电压门控通道和机械门控通道不称为受体由于接受的化学信号绝大多数是神经递质，也称递质门控通道；由于激活后可引起离子的跨膜流动，也称促离子型受体。离子通道型受体分为：（1）阳离子通道：（2）阴离子通道：如甘氨酸、γ－氨基丁酸通道如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺通道化学性胞外信号(ACh)ACh+受体=复合体终板膜上离子通道开放Na+内流为主的跨膜电流终板膜电位骨骼肌收缩Ach受体阳离子通道信号转导过程：Ach受体阳离子通道信号转导过程：二、G蛋白耦联受体介导的信号转导G蛋白耦联受体（Gprotein-linkedrecepter):是通过与脂质双层中以及膜内存在的包括G蛋白等一系列信号蛋白分子之间的级联式相互作用完成信号转导。1、G蛋白耦联受体2、G蛋白(鸟苷酸结合蛋白)3、G蛋白效应器4、第二信使（一）主要的信号蛋白G蛋白耦联受体介导的信号转导吉尔曼AlfredG.Gilman美国得克萨斯大学西南医学中心1941年--罗德贝尔MartinRodbell美国国立环境卫生研究所1925年--1998年荣获1994年诺贝尔生理学和医学奖发现G蛋白及其在细胞内信号传导中的作用1、G蛋白耦联受体结构：一个七次跨膜的一条肽链，细胞外有配体结合部位，胞质侧有G蛋白结合部位，也称7次跨膜受体。可与G蛋白结合的配体：（1）生物胺类：去甲肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺（2）蛋白质或肽类激素：缓激肽、促甲状腺激素、黄体生成素和甲状旁腺激素等（3）其他：ACh、光子、嗅质和味质等2、G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）：α、β、γ三个亚单位构成的三聚体膜蛋白由α、β、γ三个亚单位形成的异源三聚体G蛋白，可分为：Gs家族、Gi家族、Gq家族和G12家族四类，其共同特点是：α蛋白具有结合GTP或GDP的能力和GTP酶活性。G蛋白以结合GDP的失活型和结合GTP激活型两种形式存在，并能相互转化。3、G蛋白效应器（是指催化生成第二信使的酶）酶腺苷酸环化酶（AC）磷脂酶C（PLC）磷酸酶A2（PLA2）磷酸二酯酶（PDE）4、第二信使概念：是指激素、递质和细胞因子的信号分子（第一信使）作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子。主要的第二信使：环-磷酸腺苷（cAMP）、三磷酸肌醇（IP3）、二酰甘油（DG）、环-磷酸鸟苷（cGMP）和Ca2+等（二）主要的G蛋白耦联受体信号转导途径（1)受体－G蛋白－AC途径（cAMP信号通路）(2)受体－G蛋白－PLC途径（磷脂酰肌醇信号通路）1、受体－G蛋白－AC途径神经递质、激素等（第一信使）激活兴奋性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蛋白耦联受