精品课程——生理学 讲义】第二章细胞的基本功能 发布时间:2009-07-07浏览次数:1597 匚二章细胞的基本功能 细胞是生命体的基本结构单位,体内所有生理功能和生化反应都是在细胞及其产物上进行 认识细胞及其亚单位的结构和功能是阐明最基本的生物学现象的基础 本章重点 细胞膜的基本化学组成和结构 物质跨膜转运的形式和原理; 细胞的跨膜信号转导功能 细胞的生物电和有关现象; 肌细胞的收缩活动, 第一节细胞膜的基本结构和跨膜物质转运功能 一切动物细胞都被细胞膜或质膜( plasma membrane)包被,它把细胞内容物和细胞的周围环境分隔开,是维持内 部结构与成分稳定的结构保证 为了细胞内成分的稳定,细胞膜还具有特殊的物质跨膜转运功能。 膜结枃中的脂质分孑层主要起到屏障作用;膜上的特殊蛋白质则与物质、能量和信息的跨膜转运有关。, 许多生理病理过程,也涉及到膜结枃和功能的改变 膜的化学组成和分子结构 组成: 蛋白质( protein) 糖类( glycolipid, glycoprotein) 基本结构: 流动镶嵌模型( fluid mosaic model Outer face Phospholipid Fatty acyl heads(polar)c tails (nonpolar Carbohydrate moiety Cholesterol Peripheral protein proteins Peripheral protein Inner face with covalent lipid anchor (一)脂质双分子层( lipid bilayer) 组成:>70%磷脂( phospholipid)
精品课程——生理学 【讲义】第二章 细胞的基本功能 发布时间: 2009-07-07 浏览次数: 1597 第二章 细胞的基本功能 细胞是生命体的基本结构单位，体内所有生理功能和生化反应都是在细胞及其产物上进行的。 认识细胞及其亚单位的结构和功能是阐明最基本的生物学现象的基础。 本章重点: • 细胞膜的基本化学组成和结构 ； • 物质跨膜转运的形式和原理； • 细胞的跨膜信号转导功能； • 细胞的生物电和有关现象； • 肌细胞的收缩活动。 第一节 细胞膜的基本结构和跨膜物质转运功能 一切动物细胞都被细胞膜或质膜（plasma membrane) 包被，它把细胞内容物和细胞的周围环境分隔开，是维持内 部结构与成分稳定的结构保证。 • 为了细胞内成分的稳定，细胞膜还具有特殊的物质跨膜转运功能。 • 膜结构中的脂质分子层主要起到屏障作用；膜上的特殊蛋白质则与物质、能量和信息的跨膜转运有关。， • 许多生理病理过程，也涉及到膜结构和功能的改变。 一. 膜的化学组成和分子结构 • 组成： 脂质（lipid） 蛋白质（protein） 糖类（glycolipid，glycoprotein） • 基本结构： 流动镶嵌模型 （fluid mosaic model) (一) 脂质双分子层（lipid bilayer） • 组成： >70％磷脂(phospholipid)
<30%胆固醇( cholesterol 少量鞘脂类( sphingolipid) 存在形式:双分子层 具有流动性 polar head group cis-double hydrophobic 1.磷脂( phospholipid) 动物细胞膜中主要的四种磷脂: 磷脂酰胆碱(PC) 磷脂酰乙醇胺(PE) 磷脂酰肌醇(PID 磷脂酰丝氨酸(PS) - CHrC 链 2.胆固醇( cholestero 插入在脂质双分孑层中,增加膜的机械性 胆固醇含量的增加,降低膜的流动性。 3.其它脂质 如磷脂酰肌醇,全部分布在膜的靠胞浆-侧,与信号转导有关。 二)细胞膜蛋白( membrane protein 存在戒式 表面蛋白质( peripheral membrane protein) 带电氨基酸或基团与膜脂质极性基团相互吸引 整合蛋白质( integral membrane protein
<30％胆固醇(cholesterol) 少量鞘脂类（sphingolipid） • 存在形式： 双分子层 • 具有流动性 1. 磷脂（phospholipid） 动物细胞膜中主要的四种磷脂： • 磷脂酰胆碱 (PC) • 磷脂酰乙醇胺 (PE) • 磷脂酰肌醇 (PI) • 磷脂酰丝氨酸 (PS) 2. 胆固醇(cholesterol) • 插入在脂质双分子层中，增加膜的机械性。 • 胆固醇含量的增加, 降低膜的流动性。 3. 其它脂质 • 如磷脂酰肌醇， 全部分布在膜的靠胞浆一侧，与信号转导有关。 (二) 细胞膜蛋白(membrane protein) 存在形式： · 表面蛋白质 (peripheral membrane protein) 带电氨基酸或基团与膜脂质极性基团相互吸引. · 整合蛋白质 ( integral membrane protein)
具a-螺旋结构形式,一次或多次贯穿脂质双分子层 膜蛋白功能取决于膜结合蛋白质种类 载体蛋白( carrier,通道蛋白( channel),受体蛋白( receptor),抗原蛋白( antigen,酶蛋白( enzvme)等 膜蛋白在脂质双分子层中的移动 可横向漂移, 受到精细的调控 (三)细胞膜糖类 存在式: 寡糖和多糖链 与膜脂质或蛋白质结合形成的糖脂和糖蛋白 功能特点 暴露在膜外,成为细胞的标记或抗原决定簇等 、细胞膜的跨膜物质转运功能 (一)单纯扩散( simple diffusion 扩散(dion) 溶液中的溶质或溶剂,因分子的热运动而从高浓度区域向低浓度区域的净移动。 通透性( permeability) 某一物质的脂溶性的程度,以及其它因素造成的该物质通过膜的难易程度。 (二)易化扩散( facilitated diffusion) 非脂溶性或脂溶性小的物质,在膜结枃中某些特殊蛋白质的帮助下,从膜的高浓度· 低浓度一侧转运的方 式。 特点:顺浓度差,不耗能; 特殊蛋白质的帮助,且具有选择性; 性不固定。 1.离孑通道(通道, ion channel): Gate Conformational B Closed a.通道具有开放和关闭状态 b.对转运物质也有选择性,但没有载体蛋白那么严格 化学门控通道( chemically- gated channel) 膜两侧(主要是外侧)出现化学信号时开放
具a-螺旋结构形式 ，一次或多次贯穿脂质双分子层。 • 膜蛋白功能取决于膜结合蛋白质种类： 载体蛋白(carrier)，通道蛋白(channel)，受体蛋白(receptor)，抗原蛋白(antigen)，酶蛋白 (enzyme)等。 • 膜蛋白在脂质双分子层中的移动： 可横向漂移， 受到精细的调控。 （三）细胞膜糖类 · 存在形式： 寡糖和多糖链， 与膜脂质或蛋白质结合形成的糖脂和糖蛋白。 · 功能特点： 暴露在膜外，成为细胞的标记或抗原决定簇等。 二 、细胞膜的跨膜物质转运功能 (一) 单纯扩散 (simple diffusion) • 扩散（diffusion）： 溶液中的溶质或溶剂，因分子的热运动而从高浓度区域向低浓度区域的净移动。 • 通透性（permeability）： 某一物质的脂溶性的程度，以及其它因素造成的该物质通过膜的难易程度。 （二）易化扩散 (facilitated diffusion) • 非脂溶性或脂溶性小的物质, 在膜结构中某些特殊蛋白质的帮助下, 从膜的高浓度一侧向低浓度一侧转运的方 式。 • 特点: 顺浓度差, 不耗能； 需要特殊蛋白质的帮助，且具有选择性； 通透性不固定。 1. 离子通道（通道，ion channel）: a. 通道具有开放和关闭状态; b. 对转运物质也有选择性, 但没有载体蛋白那么严格 • 化学门控通道（chemically-gated channel） 膜两侧（主要是外侧）出现化学信号时开放
Lnd→ 电压门控通道( voltage-gated channel) 所在膜两侧电位差的改变决定其开放或关闭。 CYTOSOL COOH 2.载体( carrier) Conformational a.高度的结构特异性 b有饱和现象; c.有竞争抑制现象。 三)主动转运( active transport) 细胞通过本身的某种耗能过程,将某物质的分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程。 被动转运( passive transport):单纯扩散和易化扩散 主动转运与被动转运的区别在于需要膜的某种耗能过程提供能量。 浓度梯度 位能梯度 C2、高浓度 散 主动转运 C1低浓度 图2-3物质的主动转运和被动转运原理示意图 物质分子可由高浓度处自动向低浓度处扩散,而分子由低浓度处移向高浓度处 则需另行供能,正如滑雪者可由高坡自动下滑而上坡却需要由人体费力一样。 被动转运和主动转运的根本区别即在于此
• 电压门控通道（voltage-gated channel） 所在膜两侧电位差的改变决定其开放或关闭。 2. 载体（carrier） a. 高度的结构特异性; b. 有饱和现象; c. 有竞争抑制现象。 （三） 主动转运（active transport) 细胞通过本身的某种耗能过程，将某物质的分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程。 • 被动转运（passive transport）：单纯扩散和易化扩散 • 主动转运与被动转运的区别在于需要膜的某种耗能过程提供能量
钠钾泵钠泵 具有ATP酶的活性,可以水解ATP获得能量,并利用此能量将Na+泵出细胞,将K+泵入胞内。 泵的启动和运转活性,与膜内高Na+、膜外高K有关。 一般生理情况下,消耗1分子ATP,运输3个Na+移出膜外,2K+个进入膜内 ·生理意义在于:建立起一种势能储备,供细胞的其他耗能过程利用。 (四)继发性主动转运( secondary active transport 不直接与代谢能量耦联,而由其它溶质顺电化学梯庋转运中释放的能量驱动,也称联合转运( cotransport)。 每一种联合转运都需膜上特殊的转运蛋白或转运体( transporter)参与 同向转运:被转运的物质分孑与Na+扩散方向相同 逆向转运:被转运的物质分子与Na+扩散方向相反。 Glucose No Amino acids Basement membrane Paracellular Glucose Amino Transcellular (五)出胞与入胞式物质转运 是细胞膜对某些大分子或固态、液态的物质团块的转运方式。 出胞( exocytosis):物质由细胞排出的过程主要见于各种细胞的分泌活动 图2-5分泌物的出胞过程 分泌囊泡逐渐向细胞膜内侧面靠近,两者 的膜相互融合,融合处膜断裂,分泌物排 出,而后囊泡膜成为细胞膜的组成部分 入胞( endocytosis}:胞外的团块物质(细菌、病毒、异物、脂蛋白颗粒、营养大分孑等)进入细胞的过程
钠-钾泵(钠泵，sodium-potassium pump): • 具有ATP酶的活性，可以水解ATP获得能量，并利用此能量将Na+泵出细胞，将K+泵入胞内。 • 泵的启动和运转活性，与膜内高Na+、膜外高K+有关。 • 一般生理情况下，消耗1分子 ATP，运输 3个 Na+移出膜外，2 K+个进入膜内。 • 生理意义在于：建立起一种势能储备，供细胞的其他耗能过程利用。 (四) 继发性主动转运 (secondary active transport) 不直接与代谢能量耦联，而由其它溶质顺电化学梯度转运中释放的能量驱动, 也称联合转运(cotransport)。 每一种联合转运都需膜上特殊的转运蛋白或转运体(transporter)参与。 同向转运: 被转运的物质分子与Na+扩散方向相同。 逆向转运: 被转运的物质分子与Na+扩散方向相反。 (五) 出胞与入胞式物质转运 是细胞膜对某些大分子或固态、液态的物质团块的转运方式。 出胞 (exocytosis) : 物质由细胞排出的过程. 主要见于各种细胞的分泌活动。 入胞 (endocytosis): 胞外的团块物质 (细菌、病毒、异物、脂蛋白颗粒、营养大分子等 ) 进入细胞的过程
Extracellular Auid uo 受体介导式入胞: 被转运物质与膜表面受体蛋白作用后引起入胞的现象。 转运物与受体结合膜上横向移动,在有被小窝( coated pi集中,内陷形成吞食泡亟失去蛋白质结构与胞浆中 的胞内体( endosome)融合转运物成为胞内形式受体形成循环小泡成为膜的组成部分(膜的再循环 扑 再循环囊泡￠ 吞饮小泡 H胞内体 次级溶酶体 图2-6受体介导式入胞过程示意图 第二节细胞的跨膜信号传导功能 、跨膜信号转导概念的提出 细胞外信号影响细胞活动的方式 直接进入细胞内部 在细胞外部施加影响 跨膜信号转导( transmembrane signal transduction)或跨膜信号传递( transmembrane signaling) 信号通常不进入细胞或直接影响细胞内过程,先作用于细胞表面(类固醇激素和甲状腺素除外),通过膜蛋白 的变构,以新的信号形式传递到膜内,引发细胞功能改变 信号和细胞反应形式多种,但传导过程都是通过少数几类方式或途径实现的 几种主要的跨膜信号转导方式 (一)通过离子通道蛋白质完成的跨膜信号转导 配体门控通道( ligand-gated channel)或促离子型受体( Ionotropic receptor)
受体介导式入胞: 被转运物质与膜表面受体蛋白作用后引起入胞的现象。 转运物与受体结合®膜上横向移动，在有被小窝（coated pit）集中，内陷形成吞食泡 ®失去蛋白质结构® 与胞浆中 的胞内体（endosome）融合®转运物成为胞内形式®受体形成循环小泡成为膜的组成部分 (膜的再循环)。 第二节 细胞的跨膜信号传导功能 一、跨膜信号转导概念的提出 细胞外信号影响细胞活动的方式： • 直接进入细胞内部 • 在细胞外部施加影响 跨膜信号转导(transmembrane signal transduction) 或跨膜信号传递（transmembrane signaling） • 信号通常不进入细胞或直接影响细胞内过程, 先作用于细胞表面(类固醇激素和甲状腺素除外)，通过膜蛋白 的变构，以新的信号形式传递到膜内，引发细胞功能改变。 • 信号和细胞反应形式多种，但传导过程都是通过少数几类方式或途径实现的。 二、几种主要的跨膜信号转导方式 (一) 通过离子通道蛋白质完成的跨膜信号转导 • 配体门控通道 （ligand-gated channel）或促离子型受体（ionotropic receptor）
Li asma membrane Facilitated diffusion through a ligand-gated channel N型乙酰胆碱受体(N- type Acetylcholine Receptor) 四种亚单位组成的五聚体 ·除ACh外,还可选择性地与烟碱( nicotine)结合 开放时允许Na+内流和少量K+外流 0 电压门控通道( voltage-gated channel) 在其分孑结构中,存在一些对跨膜电位的改变敏感的结枃域或亚电位,能诱发鳌个通道分孑功能状态的改变。 EcyaodD,bat CCCH s4 charged 机械门控通道( mechanically- gated channel)
N-型 乙酰胆碱受体 (N-type Acetylcholine Receptor) • 四种亚单位组成的五聚体 • 除ACh外，还可选择性地与烟碱(nicotine)结合 • 开放时允许Na+内流和少量K+外流 电压门控通道 (voltage-gated channel) 在其分子结构中，存在一些对跨膜电位的改变敏感的结构域或亚电位，能诱发整个通道分子功能状态的改变。 Na+,Ca+ 机械门控通道 (mechanically-gated channel)
ligand-gular CLOSED OPEN bd i n (二)由膜的特异性受体蛋白、G-蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜信号传递系统 O膜外化学信号与膜上的特异性受体蛋白结合 G蛋白耦联受体( G protein-coupled membrane receptors)或促代谢型受体( metabotropic receptor) 膜效应器酶 受体蛋白 第二信使前体 G-蛋白 第二信使 离子通道 蛋白激酶 及其他 图2-9由膜受体G-蛋白-膜效应器酶组成的 跨膜信号传递系统和第二信使类物质的生成 >1000种,结构类似,7个a-螺旋跨膜段 N-末端在胞外,C-末端在胞内 O激活G蛋白( guanine nucleotide- binding protein) 分子开关:激活时结合GTP 失活时结合GDP
(二) 由膜的特异性受体蛋白、G-蛋白和膜的 效应器酶组成的跨膜信号传递系统 Ø 膜外化学信号与膜上的特异性受体蛋白结合 G-蛋白耦联受体（G protein-coupled membrane receptors)或促代谢型受体（metabotropic receptor） • >1000种，结构类似，7个a-螺旋跨膜段 • N-末端在胞外， C-末端在胞内 Ø 激活G-蛋白（ guanine nucleotide-binding protein） • 分子开关： 激活时结合GTP 失活时结合GDP
由a、b、g3个亚单位组成,a亚单位为催化亚单位 按a亚单位效应等不同,可分为Gi、Gs等。 O激活或抑制效应器酶( effector protein)或离子通道 例如腺苷酸环化酶、Ca2+、K+通道 O增加或减少一种或几种第二信使( second messenger) 例如cAMP、IP3、DAG 0激活或抑制蛋白激酶( protein kinase)或离孑通道 例如PKA、PKC、Ca2+、K+通道 O某种酶或通道的磷酸化水平发生变化,或通道的活动发生变化,导致细胞的最终反应 仨三)由酪氨酸激酶受体完成的跨膜信号转导 酪氨酸激酶受体( tyrosine kinase receptor) 一个a螺旋,一个较短的膜内肽段; 无G蛋白、第二信使和蛋白激酶参与; 磷酸化位点是底物蛋白的酪氨酸残基 第三节细胞的跨膜电变化 (一)神经和骨骼肌的生物电现象 神经肌肉标本实验提示生物电现象的存在和意义。 兴奋性和兴奋概念的发展 兴奋性:活的组织和细胞对外界刺激发生反应的能力 具有兴奋性的细胞(组织称为可兴奋细胞(组织 兴奋:活的组织和细胞对外界刺激发生的反应。 现代生理学 兴奋性:活的组织和细胞受刺激时发生动作电位的能力。 兴奋:产生了动作电位,是动作电位的同义语 刺激引起兴奋的条件和阈刺激 刺激引起兴奋的条件:a.刺激强度 刺激时间 c刺激强度对时间的变化率 阈强度(飼刺激,飼值):当刺激作用时间和强度时间变化率都不变时,引起组织兴奤所需的最小刺激强度. 刺激的大小可以衡量细胞的兴奋性高低 (一)单一细胞的跨膜静息电位和动作电位 细胞水平的生物电现象的观察和记录方法 微电极细胞外记录和细胞内记录: 细胞水平的生物电现象主要二种形式 安静时保持的静息电位 受刺激时产生的动作电位 静息电位( resting potential:指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差故也称跨膜静息电位
• 由a、b、g 3个亚单位组成 ，a 亚单位为催化亚单位。 • 按a亚单位效应等不同，可分为Gi 、Gs 等。 Ø 激活或抑制 效应器酶（effector protein）或离子通道 例如 腺苷酸环化酶、 Ca2+、K+通道 Ø 增加或减少 一种或几种第二信使（second messenger） 例如 cAMP、IP3、DAG Ø 激活或抑制 蛋白激酶（protein kinase）或离子通道 例如 PK-A、PK-C、 Ca2+、K+通道 Ø 某种酶或通道的磷酸化水平发生变化，或通道的活动发生变化，导致细胞的最终反应 (三) 由酪氨酸激酶受体完成的跨膜信号转导 酪氨酸激酶受体 (tyrosine kinase receptor) · 一个a-螺旋， 一个较短的膜内肽段; · 无G-蛋白、第二信使和蛋白激酶参与; · 磷酸化位点是底物蛋白的酪氨酸残基. 第三节 细胞的跨膜电变化 (一) 神经和骨骼肌的生物电现象 神经-肌肉标本实验提示生物电现象的存在和意义。 兴奋性和兴奋概念的发展: 兴奋性: 活的组织和细胞对外界刺激发生反应的能力。 具有兴奋性的细胞 (组织) 称为可兴奋细胞(组织)。 兴奋: 活的组织和细胞对外界刺激发生的反应。 现代生理学: 兴奋性: 活的组织和细胞受刺激时发生动作电位的能力。 兴奋: 产生了动作电位, 是动作电位的同义语。 刺激引起兴奋的条件和阈刺激 刺激引起兴奋的条件: a.刺激强度 b.刺激时间 c.刺激强度对时间的变化率 阈强度(阈刺激, 阈值): 当刺激作用时间和强度时间变化率都不变时，引起组织兴奋所需的最小刺激强度. 阈刺激的大小可以衡量细胞的兴奋性高低. (一) 单一细胞的跨膜静息电位和动作电位 • 细胞水平的生物电现象的观察和记录方法 微电极细胞外记录和细胞内记录: • 细胞水平的生物电现象主要二种形式: 安静时保持的静息电位 受刺激时产生的动作电位 • 静息电位 (resting potential): 指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差. 故也称跨膜静息电位
不同的细胞,静息膜电位不同 -10~-100mV间 两栖类神经肌肉50—701-90mV 哺乳动物神经肌肉70--90mV 各种红细胞10mV 植物10到200mV以上 同一种细胞膜电位数值也存在一定的范围分布特点,也可随代谢活动或功能状况而变。 动作电位 action potential 可兴奋细胞受到刺激而兴奋时,在膜两侧所产生的快速的、可逆的,并有扩布性的电位倒转 极化: polarization, 去极化: depolarization, 复极化: repolarization. 超极化: hyperpolarization, 单一神经纤维或肌细胞动作电位的产生和波形特点 潜伏期 超射值 峰电位( spike potential, 后电位( afterpotential, 负后电位(法去极化后电位),正后电位(超极化后电位 动作电位的“全或无”现象: 同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象 后电 剂21男是和一经纤准静息电空 动作电的实验呢式图 (二)生物电现象的产生机制 1.静息电位和钾平衡电位
• 不同的细胞，静息膜电位不同. -10 ~ -100 mV间. 两栖类 神经/肌肉 -50 — -70/-90 mV 哺乳动物 神经/肌肉 -70 — -90 mV 各种红细胞 - 10 mV 植物 10 到 200 mV 以上 同一种细胞膜电位数值也存在一定的范围分布特点，也可随代谢活动或功能状况而变。 动作电位(action potential) 可兴奋细胞受到刺激而兴奋时, 在膜两侧所产生的快速的、可逆的，并有扩布性的电位倒转。 极化: polarization, 去极化: depolarization, 复极化: repolarization. 超极化: hyperpolarization, 单一神经纤维或肌细胞动作电位的产生和波形特点: 潜伏期, 超射值， 峰电位 (spike potential)， 后电位 (afterpotential)， 负后电位 (去极化后电位)，正后电位 (超极化后电位)。 动作电位的 “全或无”现象: 同一细胞上, 动作电位大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象. (二) 生物电现象的产生机制 1. 静息电位和钾平衡电位