2018年第2章 细胞基本功能-文档资料.ppt
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1、一、细胞膜的结构概述 液态镶嵌模型(fluid mosaic model) 以液态脂质双分子层为基架,其间镶嵌有 不同结构和功能的蛋白质 1.脂质双分子层:磷脂、胆固醇双嗜分子构 成基架,体温条件下具有流动性 2.蛋白质:分表面蛋白(如:RBC骨架蛋白)和 整合蛋白(载体、通道、离子泵、转运体) 3.糖类:与脂质或蛋白结合生成糖蛋白或糖 脂成为抗原决定簇、受体可识别部分,二、膜的跨膜物质转运功能 跨膜转运 transmembrane transport: 体内各种物质经过细胞膜进出细胞的过程。 转运方式: 单纯扩散 被动转运 passive transport 易化扩散 原发性主动转运 主动转
2、运 active transport 继发性主动转运 出胞和入胞作用,膜 蛋 白 介 导,(一)单纯扩散 Simple diffusion 脂溶性物质由高低浓度侧的净移动。 通量(flux):摩尔/cm2.秒 扩散 浓度差 膜通透性(脂溶性,分子量,带 电状况) 单纯扩散物质: O2、CO2、乙醇、 尿素、少量激素、 水(还可通过水通道water channel 即水孔蛋白aquaprin来跨膜转运),(二) 易化扩散 Facilitated diffusion 非脂溶性物质借助细胞膜蛋白质(通 道、载体)帮助顺电化学梯度的跨膜转运。 特点: 由高到低顺浓度差扩散(离子扩散还 与电位差有关)
3、转运蛋白与转运物质间有选择性 转运蛋白的功能受环境因素的影响,1.经载体的易化扩散 Facilitated diffusion via carrier 转运物质:小分子物质,如GS、AA、核苷酸,载体:是贯穿脂质双层的整合蛋白。,经载体的易化扩散的特点: 顺浓度差转运,速度比依溶质物理特 性预期的快; 饱和现象saturation; 结构特异性:如对GS转运,只转运右 旋GS,因为载体是D-GS carrier或称 glucose transporter; 竞争抑制competitive inhibition;,2.经通道的易化扩散 Facilitated diffusion via chan
4、nel:转运物质:带电离子,离子通道: 是一类贯穿脂质双层的、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。 通道的分类: 化学门控通道 Chemically-gated channel 电压门控通道 Voltage-gated channel 机械门控通道 Mechanical-gated channel,电压门控通道,化学门控通道,化学,化学,通道的特征: 离子选择性 门控性 通道转运的功能特点: 转运速率比载体快 无饱和现象,无竞争性抑制 通道有不同的功能状态,通道蛋白状态:静息、激活、失活,(三) 主动转运 active transport 细胞膜通过本身某种耗能过程,借助细胞膜某些蛋白质的帮助,将非脂
5、溶性物质分子或离子逆电化学梯度差进行的转运。 根据转运能量是否直接来源于ATP的不同分为:原发和继发两种主动转运形式。,1.原发性主动转运 Primary active transport,指细胞直接利用代谢产生的能量(ATP) 将物质(通常是带电离子) 逆浓度梯度 或电位梯度进行的跨膜转运过程。介 导这一过程的膜蛋白称为离子泵(ion pump),如: 钠-钾泵 sodium-potassium pump 简称钠泵sodium pump,又称Na+-K+- ATP酶(Na+-K+-ATPase),Primary active transport,Na+-K+ 依赖式ATP酶(钠泵),3Na+
6、(由胞内向胞外): 2K+ (由胞外向胞内),Na+-K+依赖式ATP酶由一对和一对亚 单位构成的四联体,水解ATP及与阳离子结合 部位均在亚单位(功能亚单位)。当: 细胞内Na+ ATP 钠泵激活 细胞外K+ ADP+Pi+E 3Na+(移出胞外):2K+(移入胞内) 同时逆向转运。 钠泵抑制剂:哇巴因ouabain,Primary active transport,钠泵活动的生理意义: 细胞内高K+胞内代谢反应所必需; 膜内外K+、Na+浓度差RP、AP产生前提; 维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定; 生电性活动影响RP数值; 胞外高Na+势能储备: GS、AA继发性主动转运; Na+-H
7、+交换, 维持胞内pH稳定; Na+-Ca2+交换, 维持胞内Ca2+浓度稳定;,H+泵(H+-ATP酶;H+-K+-ATP酶): 分布于胃粘膜壁细胞表面,与胃酸分泌有关 Ca2+泵(Ca2+-ATP酶):主要分布于骨骼肌与心肌细胞内部的肌质网上,与肌肉收缩有关,其它泵:,Primary active transport,2.继发主动转运 (又简称联合转运) secondary active transport 细胞膜间接利用钠泵分解ATP 释放的能量 完成的主动转运。即细胞膜利用钠泵分解 ATP 释放的能量所建立起的细胞膜内外Na+浓度差的 势能储备,再由转运体蛋白完成的逆电化学梯 差的跨膜
8、转运。 如:小肠粘膜上皮细胞和肾小管上皮细胞吸 收GS、AA为继发主动转运。介导继发主动转运 的是特殊的转运蛋白转运体 transporter 。,肾小管上皮细胞对GS的转运,基侧膜 钠泵活动 Na+浓度势能差 管腔膜 Na+、GS 同向转运体 GS再易化扩散 入血,转运体 transporter:,转运体和载体具有相似的转运机制,也会出现饱和现象,同向转运体 反向转运体 (交换体),典型的继发性主动转运: GS和AA在小肠粘膜上皮的吸收; GS和AA在肾小管上皮的重吸收; 神经递质在突触间隙被神经末梢 所重摄取; 甲状腺上皮细胞的聚碘过程; Na+-H+交换,Na+-Ca2+交换;,(一)出
9、胞和入胞 exocytosis and endocytosis,Exocytosis: 指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。,分泌物的出胞过程,粗面内质网上合成 转移到高尔基体 修饰,由质膜包裹 分泌囊泡 移向细胞膜内侧 融合、破裂,分泌,信号,Endocytosis:大分子物质或物质团块借助于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程,包括吞噬和吞饮。 例如:白细胞吞噬细菌、异物等,受体介导式入胞过程,被运物与R结合 结合部位 膜内陷、离断 胞质内形成吞饮泡 R与转运物质分离 只含R的小泡与膜结合 如:结合Fe2+的运铁蛋白 低密度脂蛋白的入胞,再循环,第二节 细胞的跨膜信
10、号转导功能 掌握内容:细胞的跨膜信号转导 通道蛋白完成的跨膜信号转导 化学门控,电压门控,机械门控 蛋白和膜的效应器酶组成的 跨膜信号转导 酪氨酸激酶受体完成的跨膜 信号转导,一、跨膜信号转导的概念和特征,(一)概念: 各类刺激信号通过改变靶细胞 膜上的蛋白质构型,从而引起 靶细胞功能改变的过程。 这一过程也可理解为跨膜信号 传递。,(二)跨膜信号转导的特征: 1.各类刺激信号只改变膜结构中一种或 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,但它们的转导过程仅限少数 途
11、径。,二、几种主要的跨膜信号转导方式 (一)通过通道蛋白质完成的跨膜信号 转导(三类通道) 1.化学门控通道: 化学物质(递质、激素)膜上 通道型受体蛋白形成通道、允 许离子通过,故称促离子型受体。,2.电压门控通道蛋白 改变膜电位通道型蛋白质构型改变 通道开、相应离子易化扩散 3.机械门控通道蛋白:存在内耳毛细胞 内耳淋巴液振动毛细胞受切向力弯 曲通道开离子易化扩散毛细胞 兴奋(Ap)沿神经传至听中枢,(二)由膜的特异性受体蛋白、蛋白 和膜的效应器酶组成的跨膜信号 转导系统 1.激素结合膜上G蛋白耦联受体 亚单位结合GTPG蛋白(+) 2.蛋白(+)(膜效应器酶)腺苷 酸环化酶(+) 3.
12、(细胞内) ATP cAMP(第二信使),蛋白耦联受体也称促代谢性受体, 效应器酶除腺苷酸环化酶外,还有磷脂酶; 第二信使除cAMP外还有IP3(三磷酸 肌醇)、DG(二酰甘油)、钙离子等,(三) 由酪氨酸激酶受体完 成的跨膜信号转导,肽类激素 结合膜受体蛋白膜外肽段 细胞因子 膜内肽段激活 激活的膜内肽段有磷酸激酶活性: (1)使肽段中酪氨酸残基磷酸化 (2)使胞内蛋白质酪氨酸残基磷酸化 磷酸化使细胞功能改变 以上分别为已确定的三种类型的跨 膜信号转导。,第三节 细胞的生物电现象 bioelectric phenomenon of cell 掌握内容: 细胞的兴奋性和生物电 静息电位和动作电
13、位及其产生机制 兴奋的引起、阈值、局部电位、阈 电位和锋电位 兴奋在同一细胞上传导的机制,一、组织的兴奋和兴奋性(P33) Excitation & excitability of tissue (一)刺激和反应 1.刺激stimulation:细胞和组织所处的 内外环境的变化。 刺激的形式:物理 化学 机械等 刺激的三要素:强度;持续时间;强 度-时间变化率(方波刺激时不变) 阈强度(阈值) threshold intensity (value) :刺激的持续时间固定,引起 细胞或组织发生反应(产生AP)的最小 刺激强度,阈刺激threshold stimulus:具有阈强 度的刺激 2.反
14、应response:可兴奋组织或细胞对刺 激所发生的应答。 兴奋excitation 抑制inhibition (二)可兴奋细胞或组织和兴奋性 1.可兴奋细胞或组织excitable cell or tissue:受刺激后能产生反应(即AP)的 细胞或组织。神经、肌肉、腺体的细 胞或组织属于此类。,2.兴奋性 excitability: 可兴奋组织、细胞对刺激发生反应(即产生 动作电位)的能力。 衡量兴奋性高低的指标阈值 Excitability 阈上刺激 supraliminal stimulus 阈下刺激 subthreshold stimulus,1 threshold intensit
15、y,二、细胞膜的被动电学特性,1.平行板电容器:细胞膜脂质双层将细胞内外 液隔开,类似于平行板电容器。 2.细胞膜电学特性:细胞膜具有 膜电容Cm : 较大,约1F/cm2 膜电阻Rm: 可变,与通道及转运体数目有关; Rm倒数即膜电导Gm=带电离子通透性 细胞膜通道开放带电离子跨膜移动相 当于电容器充电或放电可产生电位差即 跨膜电位 transmembrane potential,Em 因此电学特性可用并联的阻容耦合电路来描述,3.电紧张电位electrotonic potential 随距刺激原点距离的增加而膜电位呈指数衰减的电位变化称电紧张电位。 该电位是由膜的固有电学特性决定的,其产生
16、过程中没有离子通道的激活,也无膜电导的改变。,三、静息电位及其产生机制(P24),(一)静息电位Resting potential,RP 细胞在未受刺激时(静息状态下),存在于细胞膜内外的电位差。,1.在微电极尖刚插入膜内的瞬间,记录仪器显 现一个突然的电位跃变; 2.静息电位是一个稳定的直流电位; 3.范围:-10mV-100mV(随细胞种类而不同); 极化(polarization):外正内负 去极化(depolarization):|RP|值减小 超极化(hyperpolarization):|RP|值增大 反极化(reversepolarization):去极到正值 复极化(repol
17、arization):去极后向RP恢复 超射(overshoot):膜电位高于0电位部分,(二)静息电位产生机制,1.生物电活动的基础:钠泵活动造成膜内外离子不均衡分布:胞外Na+胞内Na+,胞内K+胞外K+ 2.离子扩散与离子平衡电位: 扩散驱动力:浓度差和电位差 膜通透性:安静状态下,膜主要对K+通透 扩散平衡:电位差=浓度差,驱动力=0 根据Nernst公式可计算出离子平衡电位,钠平衡电位 (+50+70mV),离子平衡电位 ion equilibrium potential,钾平衡电位 (-90-100mV),离子平衡电位计算公式,Nernst方程: (环境温度为27时,教材为29.2
18、) K+o EK=59.5 log (mV) K+i,膜主要对K+通透 细胞内外K+势能差 K+经通道易化扩散 扩散出的K+形成阻碍K+继续扩散的电场力 K+的浓度差动力和电场力阻力平衡,静息电位 Resting Potential:,Nernst公式(环境温度为27时) EK=59.5 log (mV), RP相当于EK,但实测值总是小于Nernst公式的计算值,原因是静息时,细胞膜对Na+等离子也存在一定的通透性,K+o K+i,影响RP因素: 胞内、外的K+: K+o与 K+ i的差值决定EK, K+o EK 膜对K+、Na+通透性: K+的通透性,则RP,更趋向于EK Na+的通透性,
19、则RP,更趋向于ENa Na+-K+泵的活动水平,Resting Potential,四、动作电位及其产生机制,(一)动作电位Action potential,AP 1.在RP基础上,细胞受到一个适当(不 小于阈值)刺激时,其膜电位所发生的 一次可扩布、迅速的、短暂的波动。,实质:是膜电位在RP基础上发生的一 次可扩布、快速的倒转和复原;是细胞 兴奋的本质表现。,2.动作电位的波形:,升支(去极化相) 降支(复极化相) 锋电位 spike potential 后电位 负后电位 negative after-potential 正后电位 positive after-potential,1.离子
20、跨膜流动的电化学驱动力 电化学驱动力=Em-E离子 = *动力为负值时:推动正电荷流入胞(内向 电流 inward current,如Na+,Ca2+内流) *动力为正值时:推动正电荷出胞(外向电 流outward current,如K+外流,Cl-内流) RP条件下,Na+受到很强的内向驱动力,(二)动作电位的产生机制,Na+=-130mV K+=+20mV,2.动作电位期间Gm的变化 用电压钳(voltage clamp,固定膜电位,测量膜电流)技术的研究结果表明: 动作电位期间,膜GNa首先增加,随即又衰减,在其衰减的同时GK增大。,3.Gm变化的机制是离子通道的活动 膜片钳(patch
21、 clamp):钳制一小片膜, 记录单个通道离子电流的技术。,膜片钳技术,用膜片钳技术研究的结果说明:膜电导变 化的实质是实质是膜上离子通道随机开放 和关闭的总和效应,AP期间的离子通道ion channels活动:,膜片钳的实验研究表明,AP期间有两种离子通道活动: Na+通道:通道特异性阻断剂 河豚毒(tetrodotoxin,TTX) K+通道:通道特异性阻断剂 四乙铵(tetraethylammonium, TEA),刺激后,膜对Na+通透 膜内外Na+势能贮备 Na+经通道易化扩散 扩散的Na+抵消膜内 负电位,形成正电位 直至正电位增加到足以对抗由浓度差所致的Na+内流,Actio
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