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主讲人 黄志华,第二章 细胞的基本功能 CHAPTER 2 THE BISIC FUNCTIONS OF CELL 邱春復 主讲 医学生理学教研室,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 液态镶嵌模型 (图) 组成：脂质、蛋白质、糖类（图） 1脂质双分子层：细胞膜的基本骨架 含：磷脂、胆固醇、鞘脂。 磷脂 磷脂酰胆碱 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰肌醇,2蛋白质：多为球形蛋白质 表面蛋白质（外周蛋白质） 整合蛋白质（镶嵌蛋白质） 功能： 物质转运功能 受体功能 （图） 识别功能 连接功能 催化功能 3糖类：糖蛋白或糖脂是细胞的特异性“标志”,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。 2 扩散通量： Mmol/s.cm2 影响因素：膜内外物质浓度差、电压差 膜的通透性 3 转运的物质：O2 ，CO2 4 特点： 高浓度低浓度 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 高浓度低浓度 不需耗能 具有选择性 通透性可改变,3通道介导的易化扩散-离子通道 转运的物质：离子：Na + 、K+等 特点：a通道蛋白功能状态可以改变 图 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 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：内耳毛细胞 4 经载体介导的易化扩散（图） 转运的物质：GS、AA进入一般细胞 共同特点： 结构特异性 饱和现象 竞争性抑制,被动转运：单纯扩散 易化扩散 主动转运: 1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 2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,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GS b 细胞内高K+是某些生化反应必需 c. 防止细胞水肿 3分类 原发性主动转运 继发性主动转运：（图） 各种跨膜转运机制的特征,（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：受体介导式入胞（图）,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： 单纯扩散，易化扩散， 主动转运，继发性主动转运， 出胞,入胞,双语词汇：,液体镶嵌模型（fluid mosaic model） 单纯扩散（simple diffusion） 易化扩散（facilitated diffusion） 化学门控通道（chemiscally-gated channel） 电压门控通道（voltage-gated channel） 载体（carrier） 主动转运（active transport） 被动转运（passive transport） 继发性主动转运（second active transport） 钠-钾泵（Na+-K+ pump） 出胞（exocytosis） 入胞（endocytosis）,作业：,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? 3Na+-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。,几种主要的跨膜信号转导方式 由离子通道完成的跨膜信号传递 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 又称：通道型受体 促离子型受体,2电压门控通道 在跨膜电位改变时，通道开放。 如：、K+、Ca+通道 3机械门控通道：内耳毛细胞中 4细胞间通道：即缝隙连接（图） 举例：神经兴奋引起肌收缩 神经冲动神经末梢释放ACh终板膜化学门控通道开放终板电位电压门控Na+通道肌膜AP胞浆Ca2+升高肌收缩,由受体、G-蛋白、膜效应器酶完成的跨膜信号传递 1受体 概念：指能与配体特异性结合的蛋白质 特性：（1）特异性 （2）饱和性 （3）可逆性,蛋白 结构：（图） 分类：Gs Gi 效应器酶：Ac 、 PLC 、离子通道 利用胞浆或胞膜中的物质生成第二信使 4第二信使：cAMP cGMP IP3 DG Ca+ 信号传递过程（图）、 （图） 化学信号（激素、递质等）特异性受体受体-配体复合物蛋白中介激活效应器酶系第二信使激活蛋白激酶蛋白质磷酸化生理效应,由激酶受体完成的跨膜信号转导 受体结构与功能（图） 膜外段： 能与配体相结合。 跨膜：螺旋。 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,跨膜信号转导和原癌基因 原癌基因：与致癌病毒碱基排列顺序相一致，存在于正常细胞，其正常表达为生命必需。 表达产物与跨膜信号转导有关 即刻早期基因：又称快速基因、即早基因、第三信使,第三节 细胞的生物电现象 细胞的生物电现象 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,一、细胞膜的被动电学特征 （一）膜电容和膜电阻 （二）电紧张电位 生物电记录方法（图） 二、静息电位 RP 概念：指细胞在静息状态时，细胞膜两侧的电位差。（图） 极性：内负外正，大小用负值表示 大小：神经元：90mv,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,（二）静息电位产生的机制 静息时，细胞内外各种离子的浓度分布不均，细胞膜对K+通透，对Na+不通透， K+外流的形成K+平衡电位。（表） 静息电位是K+平衡电位 影响因素： （1）细胞外K+浓度 （图） 胞外K+浓度升高， 静息电位减小 （2）钠-钾泵的作用,三、动作电位 AP （一）细胞的动作电位 概念： AP是膜两侧电位在RP基础上发生的一次可扩布的快速而可逆的倒转和复原。图 去极相 去极化 超射 锋电位 复极相：复极化初期 后电位 复极化后期（负后电位） 后超极化（正后电位）,（二）动作电位的产生机制 1、电化学驱动力； 2、动作电位期间膜电导的变化； 3、膜电导与离子通道（膜片钳技术） 锋电位 上升支：去极相 由Na+内流形成，是Na+的平衡电位 有效刺激部分Na+通道开放少量Na+膜去极化阈电位大量Na+通道开放大量Na+内流膜内负电位消失，出现正电位 下降支：复极相 Na+通道失活K+通透性升高 Na+内流停止，K+外流膜内电位由正向负值变化静息电位,AP的产生实质上是受刺激后Na+ 、 K+通道状态改变导致膜对Na+ 、 K+通透性（电导）改变的结果。 （图） K+通道：是电压依赖式离子通道，有开、关 两种状态 阻断剂：四乙基胺、四氨基吡啶 Na+ 通道:是电压及时间依赖式离子通道，有 开、关、失活三种状态（图） 阻断剂： 河豚毒素、局麻药 后电位 后去极化：快速K+外流堆积，复极化减慢 后超极化：钾通道开放时间长，过多钾外流,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 c脉冲式，不会重合 d不同细胞，AP的幅度和持续时间不同 （图）,4、动作电位的引起和阈电位 阈电位和锋电位的引起 刺激阈电位AP 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。 RP和TP的差值大，细胞兴奋性低； 差值小，兴奋性高。 2、阈强度：使细胞膜去极化到阈电位的最小 刺激强度,局部兴奋（图） 特点（图） （1）电位幅度小，呈衰减性传导 （2）等级性，非 “全或无”式 （3）可以总和： 时间总和 空间总和,（三）动作电位的传导：局部电流学说 AP在同一细胞上是以局部电流的形式传导的 局部电流：已兴奋膜与未兴奋膜之间存在 电位差，而发生的电荷移动。 神经纤维AP的传导：神经冲动 （1）无髓神经纤维AP的传导（图） （2）有髓神经纤维AP的传导 在两个相邻的郎飞结间呈跳跃式传导 传导速度快，节能。 影响传导速度的因素： 轴突直径 是否有髓鞘,特点：双向传导 不衰减传导 绝缘性 相对不疲劳性 复合AP-神经干AP 细胞外记录法：双向或单向复合AP（图） 复合AP在一定范围之内可随刺激强度的增大而增大,（四）缝隙连接（电突触） 电阻小（传导速度快）、双向传导 四、组织的兴奋和兴奋性 （一）兴奋和可兴奋细胞 概念： 兴奋：细胞对兴奋发生反应的过程。 可兴奋细胞：凡在受刺激后能产生动作电位的细胞。 （二）组织的兴奋性和阈刺激 刺激：细胞所处环境因素的变化。,4.反应及两种形式（兴奋和抑制） 5.阈强度：固定刺激时间及强度时间变率，刚能引起组织产生反应的刺激强度。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 （三）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 （图）,第四节 肌细胞的收缩 一、横纹肌 （一）骨骼肌神经-肌肉接头处的兴奋传递 1神经肌肉接头处的结构 （图） 接头前膜 接头后膜 即终板膜 接头间隙 2神经肌肉接头处兴奋的传递过程 AP接头前膜Ca2+通道开放Ca2+内流囊泡移动、融合出胞作用Ach释放ACh与后膜N型ACh受体结合，通道开放Na+内流终板电位肌膜Na+通道开放AP,终板电位及微终板电位 Ach的释放：量子式释放 Ach的灭活：胆碱脂酶（被新斯的明抑制） N型受体阻断剂：箭毒、银环蛇毒 3、神经肌肉接头处兴奋传递的特征 a、单向传递 b、时间延阁 c、易受环境因素变化的影响 d、是1对1的传递,(二)横纹肌细胞的微细结构 1 肌原纤维和肌小节（图） （1）肌原纤维 明带：长度可变，其正中的暗线为Z线 暗带：长度固定，正中相对透明区为H带 H带中央的暗线称为M线。 （2）肌小节 ：两条Z线间的区域 长度=1/2明带 + 暗带 （1.5-3.5m ）,2肌管系统 （图） （1）横管：由胞膜向内凹入形成 （2）纵管（肌浆网）： 三联管：由每一横管和来自两侧肌小节的 纵管终末池构成 作用：把横管传来的信息和终池Ca2+释放 联系起来,（三）横纹肌的收缩机制肌丝滑行学说 肌丝滑行学说： 肌细胞收缩时肌原纤维缩短，是细肌丝向粗肌丝滑行的结果 1肌丝的分子结构 （1）粗肌丝： 由肌凝蛋白构成（图） 横桥的作用： a. 具有与细肌丝结合的位点 b. 具有ATP酶的活性,(2) 细肌丝 （图） a.肌动蛋白，又称肌纤蛋白 具有与横桥结合的位点 b.原肌凝蛋白：覆盖结合位点 c.肌钙蛋白 与Ca2+结合原肌凝蛋白构象改变暴露结合位点 收缩蛋白：肌凝蛋白与肌动蛋白 调节蛋白：原肌凝蛋白和肌钙蛋白,2、肌丝滑行的基本过程（图） 肌浆中Ca2+升高 Ca2+与肌钙蛋白结合后 构象改变原肌凝蛋白的双螺旋结构发生扭转 肌纤蛋白的横桥结合位点暴露横桥和肌纤 蛋白结合，横桥扭动、脱离、再结合、再扭动 （横桥循环、横桥周期）细肌丝向M线方 移动。 ATP的作用： 提供能量 使横桥脱离,（四）骨骼肌细胞的兴奋-收缩耦联 把肌细胞的兴奋和收缩连接起来的中介过程 三个步骤：（图） 1肌膜动作电位经横管传向肌细胞的深处 甘油高渗任氏液可破坏横管系统 2三联体处的兴奋传递 横管膜兴奋终末池Ca2+通道开放Ca2+进入肌浆Ca2+与肌钙蛋白结合肌丝滑行肌收缩 3肌浆网对Ca2+的释放和回收 释放：AP使终池膜Ca2+通道开放 回收：钙泵作用,骨骼肌收缩的外部表现和力学分析 外部表现：肌肉缩短、产生张力、作功 肌肉的收缩形式 1、等长收缩与等张收缩 （图） 等长收缩：指肌肉收缩时只有张力的增 加而无长度的缩短。 等张收缩：指肌肉收缩时长度缩短而无 肌张力的变化。 2、单收缩与单收缩的复合 图,（五）影响横纹肌收缩效能的因素 1、前负荷对骨骼肌收缩的影响： 长度-张力曲线 （图） 前负荷：肌肉在收缩前就作用于肌肉的负 荷，将肌肉拉长于某一状态。 最适初长度：使肌肉收缩时产生最大张力的 初长度。 最适前负荷：产生最适初长度的前负荷。 在最适初长度和前负荷时，肌张力最大，收缩速度最快，缩短的长度最大，横桥与细肌丝结合最多，作功效率最高。（图）,2、后负荷对骨骼肌收缩的影响： 张力-速度曲线（图） 后负荷：肌肉开始收缩时遇到的负荷 后负荷愈大，产生张力愈大，肌肉缩 短的速度及缩短的长度愈小 适度的后负荷（百分之三十最大张力处）才能获得肌肉作功的最佳效率。 3、肌肉收缩能力 指与前、后负荷无关的肌肉本身的收缩能力，即肌肉内部的功能状态。,4、收缩的总和 运动单位：一个脊髓运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维。 总和：运动单位的数量 频率效应 肌肉的收缩形式 1、等长收缩与等张收缩 （图） 等长收缩：指肌肉收缩时只有张力的增 加而无长度的缩短。 等张收缩：指肌肉收缩时长度缩短而无 肌张力的变化。,2、单收缩与单收缩的复合 图 单收缩：当骨骼肌受到一次短促刺激时，可产生一次动作电位，随后出现一次收缩和舒张的收缩形式。 复合收缩（强直收缩）：当骨骼肌受到频率较高的连续刺激时，出现总和的收缩过程。 不完全强直收缩 完全强直收缩 生理情况下支配骨骼肌的运动神经发出的是连续冲动，故产生的是强直收缩；静息时微弱而持续的收缩称为肌紧张。,二、平 滑 肌 （一）平滑肌的微细结构 平滑肌细胞的结构特点 （图） 致密体 致密区 中间丝 平滑肌细胞的功能特点： 1、肌浆网不发达，收缩时需要外Ca2+ 2、收缩缓慢而持久，不易疲劳 3、对牵拉刺激敏感 4、具有自律性 5、受自主神经支配，对各种体液因素敏感,（二）平滑肌的收缩机制 AP外Ca2+内流肌浆网的Ca2+释放胞浆中Ca2+增加Ca2+与钙调蛋白结合激活肌凝蛋白激酶ATP分解横桥摆动细肌丝滑行肌细胞收缩。 与骨骼肌不同之处： 需要外Ca2+ 与钙调蛋白结合,思考题,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? 4.简述生理学上兴奋性和兴奋的含义及其意义。 5.衡量组织兴奋性的指标有哪些? 6.神经细胞一次兴奋后，其兴奋性有何变化?机制何在? 7.局部兴奋有何特点和意义? 8.比较无髓神经纤维和有髓神经纤维动作电位传导的异同点?,9.简述骨骼肌接头处兴奋传递的过程及其机制。 10.简述骨骼肌的兴奋收缩耦联过程。 11.比较电压门控通道和化学门控通道的异同点? 12.骨骼肌的收缩有哪些外部表现? 13.以神经细胞为例，说明动作电位的概念、组成部分及其产生机制 14.试述单根神经纤维动作电位和神经干复合动作电位有何区别?并分析其原因。 15.试述神经骨骼肌接头处兴奋传递和突触处兴奋传递有何异同点?,细胞膜的结构示意图,受体介导的入胞过程,由G蛋白介导的跨膜信号转导图,胰岛素受体,示波器工作原理,RP与AP的实验模式图,AP的产生与钠、钾通透性的关系,局部兴奋,动作电位的传导,神经肌肉接头,肌原纤维、肌管系统、肌小节,肌小节中粗、细肌丝的分布,粗肌丝分子排列示意图,细肌丝的结构示意图,肌丝滑行原理,不同频率的刺激对骨骼肌收缩型式的影响,长度张力曲线,肌小节长度与产生张力的关系,张力速度曲线,平滑肌细胞内部结构模式图,表2-1 细胞外液与细胞内液主要成分 成分 细胞外液浓度 细胞内液浓度 （mmol/L） （mmol/L） Na+ 150 15 K+ 5.5 150 Ca2+ 1 1.5(游离0.0001) Mg2+ 1.5 12 Cl- 125 9 AA 2 8 Gs 5.6 1 Pr 0.2 4 ATP 0 4,表22 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 O2 CO2 离子 极性分 离子 Gs 、aa 子:Gs,神经C的AP,心房肌C的AP 窦房结C的AP,静息时膜内外各离子的浓度,离子 膜内浓度 膜外浓度 平衡电位 （mmol/L） （mmol/L） (mv) K+ 400 20 -75 Na+ 50 440 +55 Cl- 52 560 -60 A- 385 - -,小结：,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? 4.简述生理学上兴奋性和兴奋的含义及其意义。 5.衡量组织兴奋性的指标有哪些? 6.神经细胞一次兴奋后，其兴奋性有何变化?机制何在? 7.局部兴奋有何特点和意义?,8.比较无髓神经纤维和有髓神经纤维动作电位传导的异同点? 9.简述骨骼肌接头处兴奋传递的过程及其机制。 10.简述骨骼肌的兴奋收缩耦联过程。 11.骨骼肌的收缩有哪些外部表现? 12.影响骨骼肌收缩的主要因素有哪些? 13.以神经细胞为例，说明动作电位的概念、组成部分及其产生机制 14.试述单根神经纤维动作电位和神经干复合动作电位有何区别?并分析其原因。,
