细胞的基本功能.pps

第二章 细胞的基本功能,本章重点： 1.物质跨膜转运的几种类型 2.静息电位和动作电位的形成及特点 3.骨骼肌神经肌接头处兴奋的传递 4.横纹肌的收缩机制及影响因素,第一节 细胞膜的结构和物质转运功能,一、细胞膜的结构液态镶嵌模型 （一）细胞膜的构成,脂质,磷脂（70）,胆固醇（30）,少量鞘脂,构成脂质双分子层,蛋白质,表面蛋白（20%30）,整合蛋白（7080）,作为受体、酶或转运蛋白等,糖类,多于膜蛋白或膜脂质结合,一、细胞膜的结构液体镶嵌模型,液态镶嵌模型(fluid mosaic model) 膜是以液态的脂质双分子层为基架，其间镶嵌着许多不同结构和功能的蛋白质。 由Singer 和Nicholson于1972年提出的,液态镶嵌模型,二 、物质的跨膜转运,单纯扩散（simple diffusion） 概念 脂溶性的小分子物质直接通过膜脂质双层顺浓度差的跨膜转运 扩散的方向和速度取决于： 物质的脂溶性 膜两侧的物质浓度差 分子大小及电荷 特点：顺浓度差，不需要细胞提供额外的能量。,二 、物质的跨膜转运(续1),（二）膜蛋白介导的跨膜物质转运 易化扩散(facilitated diffusion) （1）概念 指非脂溶性或脂溶性很低的物质借助膜特殊蛋白质的帮助，从高浓度一侧向低浓度一侧的跨膜转运。 （2）分类 经载体介导的易化扩散 经通道介导的易化扩散,载体介导的易化扩散 主要是指葡萄糖、氨基酸、核苷酸等物质的转运。 介导这一过程的膜蛋白载体 特点： 顺浓度梯度 饱和现象（saturation）； 较高的结构特异性； 竞争性抑制,二 、物质的跨膜转运(续2),载体介导的易化扩散,二 、物质的跨膜转运(续2),通道介导的易化扩散 与带电离子的顺浓度差转运有关的扩散 介导这一过程的膜蛋白离子通道 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。当孔道开放时，离子能经孔道以极快的速度从膜的一侧到达另外一侧。,二 、物质的跨膜转运(续2),通道介导的易化扩散 特点： 由于通道具有离子选择性分为：Na通道、K通道、Ca2通道和Cl通道等。 通道蛋白有开放和关闭两种状态，开放的时间很短暂，开放时大量离子快速跨膜流动。 根据引起通道开放的条件不同，分为：电压门控通道、化学门控通道和机械门控通道,Na+通道的开放与关闭,Na,Na,Na,2.主动转运（active transport ） 指细胞直接利用代谢能量将物质逆电-化学 梯度由膜低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的过程。 分类：原发性主动转运 继发性主动转运 特点：介导主动转运的是离子泵，它可以将细胞内的ATP水解为ADP，并利用产生的能量使离子可以逆浓度梯度做跨膜转运。 最常见的是钠钾泵,二 、物质的跨膜转运(续4),原发性主动转运,原发性主动转运（Primary active transport) 离子泵(ion pumps）: Na+- K+泵 化学本质和功能特点 又叫Na+泵或Na+/K+依赖式ATP酶，当细胞膜 内Na+和膜外K+浓度升高时泵激活。 逆电-化学梯度转运，消耗ATP 每分解1分子ATP，将3个Na+移出至细胞外，2个K+移入细胞内。 Na+- K+泵活动的结果是细胞内K+浓度远远高于细胞外,细胞外Na+浓度远远高于细胞内。, 钠泵的生理意义 建立Na、K+势能储备，是产生生物电的基础 细胞膜外高Na，对维持胞浆渗透压和细 胞形态具有重要意义 膜内高K浓度，是胞质内许多代谢反应所必需的。 细胞外高Na，是NaH+交换，NaCa2交换的基础，对于维持细胞内pH值和胞内钙的稳定起重要作用。 钠泵的活动为继发性主动转运提供能量,二 、物质的跨膜转运(续5),另外，机体内除了钠泵外，还有钙泵、氢泵和碘泵。,Na+- K+泵动画,继发性主动转运 （secondary active transport） 概念 通过Na+泵活动所形成的势能储备，用于其他物质的逆浓度差跨膜转运，即间接利用ATP能量的转运 类型 根据转运物质与Na扩散方向是否一致分： 同向转运溶质与Na+向同一方向转运 反向转运溶质与Na+逆向转运。,二 、物质的跨膜转运(续6),二 、物质的跨膜转运(续6),继发性主动转运的膜蛋白转运体 同向转运体 反向转运体 特点：逆浓度差转运，间接消耗能量 葡萄糖和氨基酸在小肠粘膜上皮细胞的吸收以及在肾小管上皮细胞被重吸收的过程等均属于继发性主动转运。,（三）出胞和入胞 大分子物质或物质团块 出胞（endocytosis ） 胞内大分子物质以分泌囊泡的方式排出细胞的过程。 如：内分泌腺分泌的酶原颗粒，神经纤维末梢分泌的突触囊泡 入胞（ exocytosis ） 大分子物质或物质的团块（细菌、细胞碎片等）借助于与细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程,二 、物质的跨膜转运(续7),二 、物质的跨膜转运(续7),入胞分类：,吞噬,固体团块或颗粒,吞饮,液相入胞,受体介导入胞,液相物质,出胞和入胞,几种跨膜转运的比较,名称,单纯扩散,物质,脂溶性的小分子,方式,自由通过，顺浓度差，不耗能,易化扩散,主动转运,出胞和入胞,低脂溶性或非脂溶性的分子,低脂溶性或非脂溶性的分子,大分子或物质团块,借助于膜上特殊蛋白质，顺浓度差,借助于膜上的离子泵，如：钠钾泵，逆浓度差,分泌泡或吞噬泡、吞饮泡的方式,第二节,细胞的跨膜信号转导,几种重要的跨膜信号转导方式,（一）G蛋白耦联受体介导的信号转导 （二）离子通道受体介导的信号转导 （三）酶耦联受体介导的信号转导,（一）离子通道受体介导 的信号转导,种类： 化学门控通道 电压门控通道 机械门控通道,跨膜电流,带电离子跨膜移动,细胞功能改变,通 道 开 放,膜两侧电位改变,受体蛋白本身是离子通道,（一）离子通道受体介导 的信号转导,化学门控通道,电压门控通道,（二）G蛋白耦联受体介导的信号转导,配体 （外来化学信号）,受体,受体-配体,G蛋白,激活的G蛋白,G蛋白效应器 （酶或通道）,激活的 G蛋白效应器,第二信使浓度改变,依赖于第二信使的酶或通道,激活或抑制,G蛋白效应器：AC、PLC等,第二信使：cAMP、IP3等,（二）G蛋白耦联受体介导的信号转导,1.受体G蛋白AC途径,G蛋白耦联受体实现的跨膜信号转导,2.受体G蛋白PLC途径,（三）由酶耦联受体介导的跨膜信号转导,1.酪氨酸激酶受体 2.鸟苷酸环化酶受体,特点：受体分子本身也具有酶的作用，不需要G蛋白参与，也就是说，受体与酶是同一个蛋白分子,第三节,细胞的生物电现象,组织的兴奋和兴奋性,兴奋（excitation)指细胞对刺激发生反应的过程；或者说细胞在刺激下产生的一种电变化，这种电变化叫动作电位。 凡在受刺激后能产生动作电位的细胞，称为可兴奋细胞。 神经细胞、肌细胞和腺细胞都属于可兴奋细胞 兴奋性 指细胞受刺激后产生动作电位的能力,刺激（stimulation）：,能引起机体或其他组织细胞发生反应的环境变化。如：电刺激、化学刺激和机械刺激等。 能引起反应的刺激必须具备三个条件： 刺激的强度 刺激的持续时间 刺激强度对时间的变化率 刺激作用于某种特定的组织细胞，可分为适宜刺激和非适宜刺激。,阈强度（threshold intensity）,又称阈值，即当刺激的作用时间和强度对时间的变化率恒定时，能引起组织细胞发生反应的最小刺激强度。 可作为衡量细胞兴奋性的指标。阈值低则组织兴奋性高，阈值高则组织兴奋性低。 阈刺激：相当于阈强度的刺激。它刚好能够引起细胞膜去极化达到阈电位，并爆发动作电位。 阈上刺激：刺激强度大于阈值的刺激。 阈下刺激：刺激强度小于阈值的刺激。,二、静息电位及其产生机制,（一)细胞的静息电位(resting potential，RP) 1.静息电位指细胞在未受刺激时（静息状态下）存在于细胞膜内外两侧的电位差,70 mV,细胞内记录,（一)细胞的静息电位(续1),2.静息电位的产生机制： 与细胞膜内外的离子的不均匀分布和细胞膜的通透性有关 。,表41 哺乳动物骨骼肌细胞内、外主要离子的浓度,（一)细胞的静息电位(续2), 机制 神经纤维静息膜电位值接近K+的平衡电位。,膜两侧存在K+的浓度差 膜主要对K+有通透性,浓度差的驱动，K+ 外流,膜对有机负离子不通透,膜外高电位即电动势 阻止K+ 的进一步移动,浓度差的扩散力与膜外正电场的排斥力相等时， K+的净移动为零,K+达平衡弥散，此时的跨膜电位即K+平衡电位,其精确数值可按Nernst公式计算：,R:气体常数 T:绝对温度 Z:离子价 F:法拉第常数,R:气体常数 T:绝对温度 Z:离子价 F:法拉第常数,计算值比测定值稍高，主要是静息时有少量Na+内移，抵消部分K+外移造成的电位差数值。,（一)细胞的静息电位(续3),3.影响静息电位的因素,膜外K+浓度与膜内K+浓度差,膜对K+和Na+的通透性, Na+- K+泵活动的水平,几个概念,极化（polarization） 静息状态下细胞这种内负外正的状态。 去极化（depolarization）又称除极化，是指膜内电位向负值减小的方向变化 。 复极化（repolarization）细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜所处的负值恢复，称为复极化。 超极化（hyperpolarization）膜内外电位差向负值增大的方向变化。 超射（overshoot）膜电位高于零电位的部分,三、动作电位及其产生机制,1. 动作电位（action potential，AP）静息电位的基础上，细胞受到一个适当的刺激，其膜电位两侧出现一次快速而可逆的电变化，称为动作电位。动作电位的产生是细胞兴奋的标志。 2. 组成（以神经纤维为例）,锋电位,后电位,负后电位（后去极化）,正后电位（后超极化）,上升支,下降支,锋电位是动作电位的标志,不同细胞受刺激后产生的动作电位的形态是不同的,静息电位,3.动作电位的产生机制,1）离子的电化学驱动力 2）AP过程中膜电导（膜的通透性）的改变 ： 上升支：膜对Na+的通透性增加，超过对K+的通透性 。 当内移的Na+在膜内形成的正电位足以阻止Na+的净移入时，此时的膜两侧的电位差为Na+的平衡电位。 下降支：膜对Na+的通透性突然减小并消失，对K+的通透性逐渐增大 负后电位：复极时快速外流的K+蓄积在膜外侧 暂时阻碍K+外流 正后电位：生电性钠泵活动,几个概念,内向电流：正电荷（正离子）由膜外流入膜内 外向电流：正电荷（正离子）由膜内流入膜外 内向电流使膜去极化 外向电流使膜复极化或超极化,3）.动作电位的离子机制,上升支,下降支,正后电位,Na迅速内流，超射达Na+平衡电位,正反馈,动作电位,动作电位（AP）的特点： 1.“全或无”特性（allornone） 指刺激强度未达阈值时，AP不发生；刺激一旦达到阈值后，动作电位就产生，并且不随刺激的强度的增大而增大。 2.不衰减性传导 AP产生后迅速向周围传播，直至整个细胞的细胞膜都产生AP,并且在传播过程中幅度和波形始终保持不变。,阈电位,阈电位(threshold potential) 使快钠通道大量激活，形成膜的去极化和 Na通道开放之间的再生性循环的临界跨膜 电位水平。 阈电位一般比静息电位小1020mV,细胞发生动作电位时兴奋性的变化,绝对不应期 （absolute refractory period）,相对不应期 （relative refractory period）,细胞发生动作电位时兴奋性的变化,分期,绝对不应期,相对不应期,超常期,低常期,细胞的兴奋性,0,刺激强度,任何强度的刺激都不能引起新的动作电位,兴奋性有所恢复，但是还低于正常水平,阈上刺激,轻度的高于正常水平,阈下刺激,稍微低于正常水平,阈上刺激,动作电位的组成及其兴奋性周期的对应关系,三、细胞的局部兴奋（局部电位）,给予阈下刺激时，在受刺激的膜局部由钠内流而形成的较小去极化称为局部电位或局部兴奋。 局部电位的特点：不是“全或无”，可随阈下刺激强度增大而增大；电紧张性扩布，即可向周围紧张性扩布，但此扩布是衰减性的，不能远距离传播；可以叠加，也就是说可发生时间性总和、空间性总和。,肌细胞的终板电位、感受器细胞的感受器电位和神经元突触处的突触后电位。,四、动作电位的传导,传导机制 兴奋部位与邻近未兴奋部位之间形成局部 电流，以局部电流作为刺激，使邻近部位相继 产生新的动作电位而扩布直至神经末梢。 影响传导速度的因素 髓鞘物质：跳跃式传导，更快更节能 纤维直径：直径越大，电阻越小，传导速度越快,神经纤维传导机制模式图,- - - - - - - - - - - - - - - - - - -,- - - - - - - - - - - - - - - - -, - - - - ,- - - - - - - - - - - - ,- - - - - - - - -,A,B,C,动作电位的两种传导方式,1.沿细胞膜传导 如：无髓鞘神经纤维、肌纤维等 2.跳跃式传导 如：有髓鞘神经纤维动作电位在郎飞结处传导,第四节,肌细胞的收缩,一、骨骼肌神经-肌接头处兴奋的传递,N-M接头的结构 接头前膜运动神经末梢（轴突末梢） 含有突触小泡，小泡内有Ach 电压门控性Ca2通道 接头后膜终板膜(特化了的肌细胞膜） 上有N2Ach受体（化学门控通道）有乙酰胆碱酯酶 接头间隙：约50nm,神经肌接头是由运动神经末梢和与它接触的骨骼肌细胞膜构成的。,骨骼肌神经-肌接头,（二）神经-骨骼肌接头处兴奋传递的过程,AP到达运动神经元轴突末梢 接头前膜去极化，电压依从性Ca 2+通道开放 Ca 2+内流，引起突触小泡向接头前膜方向运动 量子释放Ach，Ach与终板膜N2Ach受体结合 终板膜对阳离子、尤其是Na+ 通透性增加 Na+内流，终板膜去极化，产生终板电位 终板电位扩布至邻近肌膜，肌膜去极化达阈电位水平，产生动作电位,电化学电的过程,终板电位（endplate potential，EPP）,1.定义 2.性质：局部反应 3.终板电位与神经冲动、肌细胞动作电位和收缩是一对一的，因为终板电位远高于肌细胞的阈电位。 4. Ach在完成传递后即被终板膜上的乙酰胆碱脂酶水解而失活，终板电位消失，以备下次神经冲动的传递。,二、骨骼肌细胞的微细结构（自学）,（一）肌小节(sarcomere) 是肌细胞的基本结构和功能单位，指相邻两Z线之间的区域。 （二）肌管系统 横管（T管）：传导Ap至肌肉深部 纵管（L管）：末梢膨大为终池，能储存、释放、回收钙 3.横管和终池构成三联管结构，是骨骼肌兴奋-收缩耦联的关键部位。,三、骨骼肌收缩的机制,“肌丝滑行理论”（myofilament sliding theory）：肌肉收缩时肌细胞内的肌丝并未缩短，只是细肌丝向粗肌丝滑行，使相邻的各Z线互相靠近，肌小节长度变短，从而导致肌原纤维以至整个肌细胞和整块肌肉的收缩。肌肉的收缩和舒张均耗能。,1.肌丝的分子组成和特性,1）粗肌丝：肌球蛋白(肌凝蛋白) 横桥可以与肌动蛋白结合，并具有ATP酶的活性 2）细肌丝：肌动蛋白、原肌凝蛋白、肌钙蛋白,Ca2+和肌钙蛋白的结合诱发横桥与 肌纤蛋白之间的相互作用示意图,肌小节缩短,横桥头部构象改变,头部向桥臂方向摆动45度,利用ATP供能拖动细肌丝向粗肌丝中央方向滑行,横桥头部迅速与结合位点分离，恢复与粗肌丝主干垂直的方位,横桥头部与下一结合位点结合,肌浆中的Ca2+浓度达阈值,肌钙蛋白结合足够的Ca2+,肌钙蛋白变构,原肌凝蛋白变构、移位,暴露肌动蛋白上的结合位点,横桥不断发挥ATP酶的 作用，分解ATP供能,横桥与结合 位点结合,2.肌丝滑行的基本过程,四、横纹肌的兴奋-收缩耦联,（一） 概念 将骨骼肌兴奋的电活动和机械收缩联系起来的中介过程称为兴奋-收缩耦联 （二）部位：三联管 （三）关键物质： Ca 2+ （四）过程： 1.肌膜的兴奋通过T管传向肌细胞深处 2.三联管把T管的电变化转变为终末池释放Ca2 3.肌浆网对Ca2释放与回摄,骨骼肌的兴奋收缩偶联,AP沿肌膜传至横管,激活横管（T管）膜和肌膜上L型钙通道,终池膜Ca2+通道开放,Ca2+大量进入肌浆,肌浆内Ca2+浓度迅速升高,肌肉收缩,AP过后,激活肌浆网上的钙泵,Ca2+逆浓度差转运,肌浆内Ca2+浓度迅速降低,肌肉舒张,五、影响横纹肌收缩效能的因素,（一）几个概念 （二）前负荷 （三）后负荷 （四）肌肉的收缩能力 （五）收缩的总和,概念,等长收缩收缩时肌肉的长度保持不变而只有张力的增加。 等张收缩收缩时只发生肌肉缩短而张力保持不变。 前负荷肌肉开始收缩前就承受的负荷。 初长度肌肉开始收缩前的（肌小节）长度，由前负荷引起。 后负荷肌肉收缩过程中所承受的负荷。,前负荷(preload),前负荷肌肉开始收缩前所承受的负荷 特点：在一定范围内，随前负荷（或初长度）的增大肌肉的主动张力也随着增大。 最适前负荷&最适初长度 骨骼肌在体内的自然长度大致相当于最适初长度,长度张力曲线,前负荷(preload),最适初长度能产生最大张力的原因： 在最适前负荷时，肌小节的长度大约为2.02.2m，粗细肌丝处于最佳重叠状态，粗肌丝上每个横桥都可与细肌丝发挥作用，所以可以产生最大张力,后负荷(afterload),速度张力曲线,肌肉收缩过程中所承受的负荷，称为后负荷 曲线特点： 1.后负荷越大，肌肉缩短速度越慢 2.后负荷大到某一个值，肌肉的缩短速度为0，即等长收缩,肌肉收缩能力,指与负荷无关的、决定肌肉收缩效能的内在特性。 决定因素： 1.兴奋收缩耦联过程中胞质内Ca2水平 2.肌球蛋白的ATP酶活性,收缩的总和,1.参与收缩的肌纤维的数目越多，收缩的强度越大。 2.运动神经元发放频率的增加，肌肉可以表现单收缩、不完全强直收缩和完全强直收缩,不同频率的连续刺激对骨骼肌收缩的影响,