精品课程生理学教案 第二章细胞的基本功能 [目的要求 通过本章的学习,掌握细胞膜的物质转运功能、细胞的跨膜信息传递功能、细胞的兴 奋性和生物电现象、肌细胞的收缩功能等。 [讲授重点] 1.细胞膜的物质转运的形式和影响因素 2.静息电位和动作电位的概念和形成的离子机制 3.局部兴奋、动作电位的引起和兴奋在同一细胞上的传吧吧导机制 4.神经-骨骼肌接头处的兴奋传递及影响因素 5.肌肉收缩原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响 [讲授难点] 1.继发性主动转运 2.静息电位和动作电位形成的离子机制 3.前负荷、后负荷及肌肉的收缩能力对肌肉收缩的影响 [基本概念 单纯扩散( simple diffusion);易化扩散( facilitated diffusion);主动转运( active transport);第二信使( second messenger);蛋白激酶( protein kinase);电压门控性通 道( voltage- gated channe1);配体门控通道( ligand- gated channel);钙调素( calmodulin, CaM);即刻早期基因( immediate- early gene,IEG);静息电位( resting potential,RP) 动作电位( action potentia1,AP);去极化( depolarization);超极化( hyperpolarization) 复极化( repolarization);阈电位( threshold potential):兴奋一收缩耦联( excitation contraction coupling);等长收缩( 1 symetric contraction);等张收缩( 1 soton contraction);强直收缩( tetanus contraction);前负荷( preload);后负荷( afterload) [使用教材] 生理学(1版),王庭槐主编,高等教育出版社,2004,北京 [授课学时]7学时 [学时分配] 第一节细胞膜的结构和物质转运功能2学时 第二节细胞的信号转导1学时 第三节细胞的生物电现象2.5学时 第四节肌细胞的收缩功能1.5学时 细胞是组成人体和其他生物体的基本结构单位和功能单位。体内所有的生理功能和生化 反应都是在细胞及其产物的物质基础上进行的。只有在了解细胞和细胞器的分子组成和功能 的基础上,才能阐明整个人体和各器官、系统的功能活动及其机制。 细胞膜的物质转运功能 (一)细胞膜的结构 1.细胞膜的分子组成 细胞膜主要由脂质和蛋白质组成,外加少量糖类(图2-1)。蛋白质和脂类的重量比约4:1 数量比约为1:10 (1)膜脂质在膜的脂质中,主要为磷脂(约占70%)、胆固醇(<30%)和少量鞘
精品课程生理学教案 第二章 细胞的基本功能 [目的要求] 通过本章的学习，掌握细胞膜的物质转运功能、细胞的跨膜信息传递功能、细胞的兴 奋性和生物电现象、肌细胞的收缩功能等。 [讲授重点] 1．细胞膜的物质转运的形式和影响因素 2. 静息电位和动作电位的概念和形成的离子机制 3. 局部兴奋、动作电位的引起和兴奋在同一细胞上的传吧吧导机制 4. 神经-骨骼肌接头处的兴奋传递及影响因素 5. 肌肉收缩原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响 [讲授难点] 1.继发性主动转运 2.静息电位和动作电位形成的离子机制 3.前负荷、后负荷及肌肉的收缩能力对肌肉收缩的影响 [基本概念] 单纯扩散（simple diffusion）；易化扩散（facilitated diffusion）；主动转运（active transport）；第二信使（second messenger）；蛋白激酶（protein kinase）；电压门控性通 道（voltage-gated channel）；配体门控通道（ligand-gated channel）；钙调素（calmodulin， CaM）；即刻早期基因（immediate-early gene，IEG）；静息电位（resting potential，RP）； 动作电位（action potential，AP）；去极化（depolarization）；超极化（hyperpolarization）； 复极化（repolarization）；阈电位（threshold potential）；兴奋－收缩耦联（excitation contraction coupling）；等长收缩（isometric contraction）；等张收缩（isotonic contraction）；强直收缩（tetanus contraction）；前负荷（preload）；后负荷（afterload） [使用教材] 生理学(1 版),王庭槐主编,高等教育出版社,2004,北京 [授课学时]7 学时 [学时分配] 第一节 细胞膜的结构和物质转运功能 2 学时 第二节 细胞的信号转导 1 学时 第三节 细胞的生物电现象 2.5 学时 第四节 肌细胞的收缩功能 1.5 学时 细胞是组成人体和其他生物体的基本结构单位和功能单位。体内所有的生理功能和生化 反应都是在细胞及其产物的物质基础上进行的。只有在了解细胞和细胞器的分子组成和功能 的基础上，才能阐明整个人体和各器官、系统的功能活动及其机制。 一、 细胞膜的物质转运功能 （一） 细胞膜的结构 1．细胞膜的分子组成 细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，外加少量糖类(图 2-1)。蛋白质和脂类的重量比约 4:1； 数量比约为 1:100。 （1）膜脂质 在膜的脂质中，主要为磷脂（约占 70％）、胆固醇（<30％）和少量鞘 1
脂类。磷脂主要有四种:磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。磷脂 端的磷酸和碱基朝向细胞膜的内表面或外表面,属亲水性极性基团:而另一端的两条脂肪酸 烃链则朝向膜的内部两两相对,属疏水性非极性基团。因此,膜的脂质具有双分子层、双嗜 性分子的性质。磷脂酰肌醇可生成三磷酸肌醇( inositol trisphosphate,IP3)和二酰甘油(DG), IP3和DG作为第二信使参与跨膜信号转导作用。 (2)膜蛋白膜蛋白质有两种存在形式:(1)表面蛋白质( peripheral protein),附着 在膜的内、外表面;(2)整合蛋白质( integrated protein),贯穿整个脂质双分子层。正是这 些蛋白质决定了细胞膜的各种功能,包括受体功能、物质转运功能、酶功能和免疫功能等, 从而保证了细胞与环境之间的物质、能量和信息的交换 (3)糖类含量很少,主要是寡糖和多糖链,以共价键形式与膜脂质或蛋白质结合, 形成糖脂或糖蛋白。糖类绝大多数裸露在膜的外表面,可作为细胞或蛋白质的特异性标志。 outer surface of membrane Protein in outer laye Cholesterol cr-Holix protein hydrophobic a mem brane. Embedded al phospholipid bila the bilayer, while others are anchored only in the outer or the inner layer. [1, 10] 图2-1细胞膜的分子结构模式图 2.膜的结构模型 (1)单位膜脂质双分子层的膜性结构是细胞中普遍存在的基本结构。电镜下细胞膜 呈二暗一明的三层结构,各层厚度均为25nm。 2)液态相嵌模型( fluid mosaic model) 以液态的脂质双分子层为基架,其中镶嵌着具有不同分子结构和不同生理功能的球形蛋 白质(图22) 表面多捷 细胞外 表面蛋白质 艳强白 者质双分子层 细胞内 图2-2细胞膜液态相嵌模型示意图 、跨膜物质转运的方式
脂类。磷脂主要有四种：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。磷脂一 端的磷酸和碱基朝向细胞膜的内表面或外表面，属亲水性极性基团；而另一端的两条脂肪酸 烃链则朝向膜的内部两两相对，属疏水性非极性基团。因此，膜的脂质具有双分子层、双嗜 性分子的性质。磷脂酰肌醇可生成三磷酸肌醇（inositol trisphosphate，IP3）和二酰甘油（DG）， IP3和DG作为第二信使参与跨膜信号转导作用。 （2）膜蛋白 膜蛋白质有两种存在形式：（1）表面蛋白质（peripheral protein），附着 在膜的内、外表面；（2）整合蛋白质（integrated protein），贯穿整个脂质双分子层。正是这 些蛋白质决定了细胞膜的各种功能，包括受体功能、物质转运功能、酶功能和免疫功能等， 从而保证了细胞与环境之间的物质、能量和信息的交换。 （3）糖类 含量很少，主要是寡糖和多糖链，以共价键形式与膜脂质或蛋白质结合， 形成糖脂或糖蛋白。糖类绝大多数裸露在膜的外表面，可作为细胞或蛋白质的特异性标志。 图 2-1 细胞膜的分子结构模式图 2.膜的结构模型 （1）单位膜 脂质双分子层的膜性结构是细胞中普遍存在的基本结构。电镜下细胞膜 呈二暗一明的三层结构，各层厚度均为 2.5 nm。 （2）液态相嵌模型（fluid mosaic model） 以液态的脂质双分子层为基架,其中镶嵌着具有不同分子结构和不同生理功能的球形蛋 白质（图 2-2）。 图 2-2 细胞膜液态相嵌模型示意图 二、跨膜物质转运的方式 2
(一)单纯扩散( simple diffusion)(图2-3) 1.含义:脂溶性物质分子顺浓度梯度的净移动现象(物质热运动)。 2.物质:CO2、O2、NH、NO、尿素等 3.指标:扩散通量。 4.特点:只有脂溶性物质分子可扩散;通过量取决于膜两侧浓度差(扩散动力);通过量还 取决于膜的通透性(扩散阻力)。 5.影响因素:(1)膜两侧物质浓度梯度,(对离子来说,还有电位梯度):(2)膜对物质的 通透性( permeability)。 6.意义:转运物质有限,主要为CO2,O2等气体分子。甾体激素也可 图2-3单纯扩散示意图 (二)易化扩散( (facilitated diffusion) 非脂溶性或脂溶性低的物质,在膜蛋白质帮助下,顺着浓度梯度或电位梯度的跨膜转 运现象叫做易化扩散。易化扩散的两种类型: 经通道介导的易化扩散 (1)通道( channel)的共同特征:①选择性:即只允许一定离子通过,但选择性不如 载体蛋白强。②高速性:即转运速度快,约1010°个离子,如Na通道转运Na的速度是载体 蛋白转运葡萄糖速度的1000倍。③顺浓度差:即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散,其 动力来源于分子的热运动。④通道开、关的瞬时性:即通道开或关都很快,受不同因素的调 控。⑤不同离子通道有特异阻断剂:Na+、K'、Ca2通道的特异性阻断剂分别是河豚毒素 四乙基胺和异搏定。 图2-4经通道介导的易化扩散示意图 (2)种类:①电压门控通道( voltage- gated channel):启、闭取决于膜两侧电压差, 如Na通道、K通道和Ca2+通道等。②化学门控通道( chemically- gated channel)或配体 门控通道( ligand- gated channel):启、闭取决于膜两侧化学信息,如N型乙酰胆碱门控通 道。③机械门控通道( mechanically- gated channel):启、闭取决于机械牵拉刺激,如皮 肤触压觉和内耳毛细胞的机械门控通道 (3)扩散物质:水、尿素、Na、K、C1 Ca,所有单糖分子直径>8A,故单糖不能经4 通道扩散 2.经载体介导的易化扩散 载体( carrier)蛋白质分子像渡船一样,0 隐 增 图2-5经载体介导的易化扩散示意图
（一）单纯扩散 （simple diffusion ）（图 2-3） 1.含义：脂溶性物质分子顺浓度梯度的净移动现象（物质热运动）。 2.物质：CO2、O2、NH3、NO、尿素等。 3.指标：扩散通量。 4.特点：只有脂溶性物质分子可扩散；通过量取决于膜两侧浓度差（扩散动力）；通过量还 取决于膜的通透性（扩散阻力）。 5.影响因素：（1）膜两侧物质浓度梯度，(对离子来说，还有电位梯度)；（2）膜对物质的 通透性（permeability ）。 6.意义：转运物质有限，主要为CO2，O2等气体分子。甾体激素也可。 图 2-3 单纯扩散示意图 （二）易化扩散(facilitated diffusion) 非脂溶性或脂溶性低的物质，在膜蛋白质帮助下，顺着浓度梯度或电位梯度的跨膜转 运现象叫做易化扩散。易化扩散的两种类型： 1.经通道介导的易化扩散 （1）通道（channel）的共同特征：①选择性：即只允许一定离子通过，但选择性不如 载体蛋白强。②高速性：即转运速度快，约 108 ~109 个离子，如Na+ 通道转运Na+ 的速度是载体 蛋白转运葡萄糖速度的 1000 倍。③顺浓度差：即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散，其 动力来源于分子的热运动。④通道开、关的瞬时性：即通道开或关都很快，受不同因素的调 控。⑤不同离子通道有特异阻断剂：Na+ 、K+ 、Ca 2+ 通道的特异性阻断剂分别是河豚毒素、 四乙基胺和异搏定。 图 2-4 经通道介导的易化扩散示意图 （2）种类：①电压门控通道（voltage-gated channel）：启、闭取决于膜两侧电压差， 如Na＋ 通道、K＋ 通道和Ca 2＋ 通道等。②化学门控通道（chemically-gated channel）或配体 门控通道（ligand-gated channel）：启、闭取决于膜两侧化学信息，如N型乙酰胆碱门控通 道。③机械门控通道（mechanically-gated channel）：启、闭取决于机械牵拉刺激，如皮 肤触压觉和内耳毛细胞的机械门控通道。 （3）扩散物质：水、尿素、Na+ 、K+ 、Cl - 、 Ca2+，所有单糖分子直径>8Ǻ，故单糖不能经 通道扩散。 2.经载体介导的易化扩散 载体（carrier）蛋白质分子像渡船一样， 3 图 2-5 经载体介导的易化扩散示意图
将物质从高浓度一侧摆渡到低浓度一侧。主要转运的物质是葡萄糖、氨基酸等非离子物质。 其特点是:①高度的结构特异性;(2)有饱和现象;(3)有竞争性抑制现象;④顺浓度差 即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。 上述两种转运方式是顺浓度梯度进行,未消耗细胞膜的能量,故称为被动转运( transport (三)主动转运 active transport) 是指细胞通过本身某种耗能过程将物质分子或离子逆浓度梯度或逆电位梯度而进行的 跨膜转运过程。其结果是形成了物质在细胞内外的不均衡分布,如细胞外高浓度Na和细胞 内高浓度的K。主要转运的物质是葡萄糖、氨基酸等营养物和Na'、K+、Ca2、H、CI、I 等离子。 1原发性主动转运( primary active transport) 直接由细胞代谢提供ATP的逆向转运过程称为原发性主动转运。如钠泵、钙泵、氢泵 等由ATP供能完成的主动转运。 正常情况下,细胞内K浓度约为膜外的30倍,膜外Na浓度约为膜内的12倍。这种浓 度差的形成和维持与细胞膜上普遍存在的钠一钾泵( sodium- potassium pump,Na-K泵, 简称钠泵)有关 钠泵的作用:耗能地逆浓度梯度将膜内Na移出膜外,将胞外K移入膜内,以保持膜内 高K和膜外高Na的不均衡的离子分布。在生理情况下,每分解一个ATP分子可以移出3个 Na,移入2个K Outside(positively charged) Axon 2,) Sodi membrane chant pump side(negatively charged 图2-6Na-K泵主动转运 钠泵的生理意义:①由钠泵活动形成及维持的胞内高K是许多生化代谢反应的必需条 件;②阻止胞外Na和水进入膜内,从而维持细胞的结构和功能;③建立的势能贮备是可兴 奋组织兴奋的基础,也提供了细胞其它的耗能过程 2.继发性主动转运 (secondary active transpor 也称联合转运( cotransport),是指某一物质逆浓度差转运要依赖另一物质的浓度差所 造成的势能而实现的主动转运。该转运有转运体蛋白或转运体( transporter)参与,包括同 向转运和逆向转运。主要见于肠粘膜上皮和肾小管上皮细胞对葡萄糖、氨基酸等的吸收以及 递质分子的再摄取和甲状腺细胞的聚碘作用 高浓度Na 低浓度葡萄糊 細胞外 县县赵 钠泵 低浓度Na 高浓庶葡萄
将物质从高浓度一侧摆渡到低浓度一侧。主要转运的物质是葡萄糖、氨基酸等非离子物质。 其特点是：①高度的结构特异性；（2）有饱和现象；（3）有竞争性抑制现象；④顺浓度差： 即只能由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。 上述两种转运方式是顺浓度梯度进行，未消耗细胞膜的能量，故称为被动转运（passive transport）。 （三）主动转运(active transport) 是指细胞通过本身某种耗能过程将物质分子或离子逆浓度梯度或逆电位梯度而进行的 跨膜转运过程。其结果是形成了物质在细胞内外的不均衡分布，如细胞外高浓度Na+ 和细胞 内高浓度的K+ 。主要转运的物质是葡萄糖、氨基酸等营养物和Na+ 、K+ 、Ca2+、H + 、Cl - 、I- 等离子。 1.原发性主动转运(primary active transport) 直接由细胞代谢提供 ATP 的逆向转运过程称为原发性主动转运。如钠泵、钙泵、氢泵 等由 ATP 供能完成的主动转运。 正常情况下，细胞内K+ 浓度约为膜外的 30 倍，膜外Na+ 浓度约为膜内的 12 倍。这种浓 度差的形成和维持与细胞膜上普遍存在的钠—钾泵（sodium-potassium pump，Na+_K+ 泵， 简称钠泵）有关。 钠泵的作用:耗能地逆浓度梯度将膜内Na+ 移出膜外，将胞外K+ 移入膜内，以保持膜内 高K+ 和膜外高Na+ 的不均衡的离子分布。在生理情况下，每分解一个ATP分子可以移出 3 个 Na+ ，移入 2 个K+ 。 图 2-6 Na + －K+ 泵主动转运 钠泵的生理意义：①由钠泵活动形成及维持的胞内高K+ 是许多生化代谢反应的必需条 件；②阻止胞外Na+ 和水进入膜内，从而维持细胞的结构和功能；③建立的势能贮备是可兴 奋组织兴奋的基础，也提供了细胞其它的耗能过程。 2．继发性主动转运(secondary active transport) 也称联合转运（cotransport），是指某一物质逆浓度差转运要依赖另一物质的浓度差所 造成的势能而实现的主动转运。该转运有转运体蛋白或转运体（transporter）参与，包括同 向转运和逆向转运。主要见于肠粘膜上皮和肾小管上皮细胞对葡萄糖、氨基酸等的吸收以及 递质分子的再摄取和甲状腺细胞的聚碘作用。 4
图2-6继发性主动转运示意图 (四)出胞和入胞 出胞和入胞是细胞对一些大分子物质或固态、液态的物质团块的转运形式 出胞( exocytosis)作用 也称胞吐,是细胞排出物质过程。主要见于神经递质释放、内分泌细胞分泌激素、外 分泌腺的分泌以及酶原颗粒的分泌等。Ca2在此过程起重要作用。 2.入胞( endocytosis)作用 指胞外某些物质团块进入细胞过程。入胞物质以固态性质进入细胞称为吞噬 ( phagocytosis);入胞物质以液态性质进入细胞称为吞饮( pinocytosis)。细菌、病毒、异物 的侵入,血浆中脂蛋白、大分子营养物进入细胞过程均是入胞作用。近年来发现一种新的称 之为受体介导式入胞,即被转运物质与膜表面的特异性受体相互作用而引起的入胞现象。 Mucus released Phagocytosis embrane-bound Pinocytosis UCos d 图2-7出胞和入胞作用 细胞膜的物质转运方式小结 单纯扩散 通道中介 小分子物易化扩散 被动转运(细胞不耗能 质或高子 载体中介 原发性 物质 高子泵转运 转运 继发性 入胞(胞饮、吞噬)>主动转运(细胞耗能) 大分子物质 或物质团块 出胞(胞吐) 第二节细胞的信号转导功能 信号转导概述 外界信号作用于细胞时,通常不进入细胞或直接影响细胞内过程,通过细胞膜特殊蛋 白质分子的变构(类固醇激素和甲状腺激素除外),将外界信号转导为新的信号形式传递到 膜内,引起细胞功能改变(电反应或其他变化),称为跨膜信号转导( transmembrane signal transduction, TST) (一)细胞外刺激信号
图 2-6 继发性主动转运示意图 （四）出胞和入胞 出胞和入胞是细胞对一些大分子物质或固态、液态的物质团块的转运形式。 1．出胞(exocytosis) 作用 也称胞吐，是细胞排出物质过程。主要见于神经递质释放、内分泌细胞分泌激素、外 分泌腺的分泌以及酶原颗粒的分泌等。Ca2+在此过程起重要作用。 2．入胞(endocytosis) 作用 指胞外某些物质团块进入细胞过程。入胞物质以固态性质进入细胞称为吞噬 （phagocytosis）；入胞物质以液态性质进入细胞称为吞饮（pinocytosis）。细菌、病毒、异物 的侵入，血浆中脂蛋白、大分子营养物进入细胞过程均是入胞作用。近年来发现一种新的称 之为受体介导式入胞，即被转运物质与膜表面的特异性受体相互作用而引起的入胞现象。 图 2-7 出胞和入胞作用 细胞膜的物质转运方式小结： 单纯扩散 通道中介 小分子物 易化扩散 质或离子 载体中介 原发性 物质 离子泵转运 转运 继发性 入胞（胞饮、吞噬） 主动转运（细胞耗能） 大分子物质 或物质团块 出胞（胞吐） 被动转运 被动转运（（细胞不耗 细胞不耗能能）） 第二节 细胞的信号转导功能 一、信号转导概述 外界信号作用于细胞时，通常不进入细胞或直接影响细胞内过程，通过细胞膜特殊蛋 白质分子的变构（类固醇激素和甲状腺激素除外），将外界信号转导为新的信号形式传递到 膜内，引起细胞功能改变（电反应或其他变化），称为跨膜信号转导（transmembrane signal transduction，TST）。 （一）细胞外刺激信号 5
体外信号:包括物理性(光、声、电、温度)、化学性(空气、环境中的各种化学物质) 生物性(细菌、病毒、寄生虫)。 体内信号:是指化学信号,包括各种生物活性物质(如激素、递质等)所携带的信号。 细胞外信号:有三种类型,即神经递质、激素和细胞因子。气体分子NO属此类 (二)受体及其特征 1、受体的概念及分类 受体是指位于质膜或细胞内能与胞外信号物质结合并能引起特定生物效应的大分子物 质。按结构和TST方式分为4类:G蛋白耦联受体、具有酶活性的受体、离子通道型受体 和核受体。 2、受体与配体结合的主要特征 ①特异性:某一受体只能与某一特定的配体结合 ②高亲和力:配体分子(如激素)的浓度很低(10-mol/L或更低),但与受体结合后可 发挥巨大的生物学效应; ③饱和性:受体的数量有限,故与配体结合时可达到平衡 (三)信号转导的基本过程 跨膜信号转导过程包括:膜的信号转换、胞内信号传递和最终引发生物学效应的不同环 节。通过信号转导引起细胞内反应包括三个方面,即膜电位改变或细胞兴奋性改变及由此引 起的细胞功能改变;各种效应蛋白由于构型改变引起的功能变化,如酶蛋白活性改变及由此 引起的代谢反应改变:基因表达过程的改变,如某一个基因转录的启动或关闭 TST途径 (一)G蛋白耦联受体介导的TST 1.G蛋白耦联受体信号通路中的信号分子 (1)G蛋白耦联受体有7个跨膜区段,N末端位胞内,各区段有3个胞外环和3个 胞内环相连。 (2)G蛋白有20多种,其共同特征是:①静息时由a、B、￥3个亚单位组成三 聚体;②存在结合GTP的非活化和活化两种形式;③可被受体与配体的结合而激活,活化 后使GDP→GTP,同时三聚体分为B一￥复合体和a-GTP复合体;④a亚单位既具有与 鸟苷酸(GTP或GDP)结合位点以及与受体和效应蛋白的作用位点,又具有GTP酶活性 故在G蛋白活化和信号转导中起重要作用。 (3)G蛋白效应器是能催化生成第二信使的酶,如生成环一磷酸腺苷(cAMP)的腺 苷酸环化酶(CA)和环一磷酸鸟苷(cGMP)的鸟苷酸环化酶(GA)等。 (4)第二信使是指胞外信号首先作用于膜受体,通过膜的信号转换过程,产生了胞 内的信号分子及胞内的信号传递过程,由此诱发细胞的各种反应。如cAMP、cGMP、三磷 酸肌醇(IP3)、二酰甘油(DG)和Ca2+, (5)蛋白激酶是指能催化蛋白质磷酸化的酶系统。按磷酸化底物不同可分为丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶两种类型。 2G蛋白耦联受体信号转导途径 (1)受体一G蛋白一cAMP-KPA途径 G蛋白中介 激素、递质等+受体 激活腺苷酸环化酶(AC KPA 蛋白磷酸化 cAMP:环一磷酸腺苷 KPA:依赖cAMP蛋白激酶 生物学效应
体外信号：包括物理性（光、声、电、温度）、化学性（空气、环境中的各种化学物质）、 生物性（细菌、病毒、寄生虫）。 体内信号：是指化学信号，包括各种生物活性物质（如激素、递质等）所携带的信号。 细胞外信号：有三种类型，即神经递质、激素和细胞因子。气体分子 NO 属此类。 （二）受体及其特征 1、受体的概念及分类 受体是指位于质膜或细胞内能与胞外信号物质结合并能引起特定生物效应的大分子物 质。按结构和 TST 方式分为 4 类：G 蛋白耦联受体、具有酶活性的受体、离子通道型受体 和核受体。 2、受体与配体结合的主要特征 ①特异性：某一受体只能与某一特定的配体结合； ②高亲和力：配体分子（如激素）的浓度很低（10－9 mol/L或更低），但与受体结合后可 发挥巨大的生物学效应； ③饱和性：受体的数量有限，故与配体结合时可达到平衡。 （三）信号转导的基本过程 跨膜信号转导过程包括：膜的信号转换、胞内信号传递和最终引发生物学效应的不同环 节。通过信号转导引起细胞内反应包括三个方面，即膜电位改变或细胞兴奋性改变及由此引 起的细胞功能改变；各种效应蛋白由于构型改变引起的功能变化，如酶蛋白活性改变及由此 引起的代谢反应改变；基因表达过程的改变，如某一个基因转录的启动或关闭。 二、TST 途径 （一）G 蛋白耦联受体介导的 TST 1. G 蛋白耦联受体信号通路中的信号分子 （1）G 蛋白耦联受体 有 7 个跨膜区段，N 末端位胞内，各区段有 3 个胞外环和 3 个 胞内环相连。 （2）G 蛋白 有 20 多种，其共同特征是：①静息时由α、β、γ3 个亚单位组成三 聚体；②存在结合 GTP 的非活化和活化两种形式；③可被受体与配体的结合而激活，活化 后使 GDP→GTP，同时三聚体分为β－γ复合体和α－GTP 复合体；④α亚单位既具有与 鸟苷酸（GTP 或 GDP）结合位点以及与受体和效应蛋白的作用位点，又具有 GTP 酶活性， 故在 G 蛋白活化和信号转导中起重要作用。 （3）G 蛋白效应器 是能催化生成第二信使的酶，如生成环一磷酸腺苷（cAMP)的腺 苷酸环化酶（CA）和环一磷酸鸟苷（cGMP)的鸟苷酸环化酶（GA）等。 （4）第二信使 是指胞外信号首先作用于膜受体，通过膜的信号转换过程，产生了胞 内的信号分子及胞内的信号传递过程，由此诱发细胞的各种反应。如cAMP、cGMP、三磷 酸肌醇（IP3）、二酰甘油（DG）和Ca2+。 （5）蛋白激酶 是指能催化蛋白质磷酸化的酶系统。按磷酸化底物不同可分为丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶两种类型。 2.G 蛋白耦联受体信号转导途径 （1）受体－G 蛋白－cAMP－KPA 途径 Ｇ蛋白中介 激素、递质等 ＋受体 激活腺苷酸环化酶（AC） Mg2+ ATP cAMP 蛋白磷酸化 KPA cAMP：环一磷酸腺苷 KPA：依赖 cAMP 蛋白激酶 生物学效应 6
图2-8受体一G蛋白一cAMP-KPA途径 上述过程的特点是:①经细胞膜受体;②G蛋白介导;③第二信使为cAMP;④三级放大 G Protein Active] Detached GTP 图29受体一G蛋白示意图 (2)受体一G蛋白一DG/PKC途径 (3)受体一G蛋白一IP3/Ca2系统 G蛋白中介 激素、递质等+受体 磷脂酹C(PLC DG:二酰甘油 PIP. IP3:三磷酸肌醇 PIP2:磷脂酸二磷酸肌醇 PKC胞浆Ca2释放 PKC:蛋白激酶C 生理生化反应 图2-10受体一G蛋白一IP3/Ca2+系统 (4)受体一G蛋白一离子通道途径 如心肌细胞膜M2受体于ACh结合后激活了Gi,而使K开放,引起心肌的抑制。但G蛋白对 离子通道的影响更多的是通过第二信使起作用,如视杆细胞有cGMP门控Na通道,可产生相 应的感受器电位。 (二)具有酶活性的受体介导的信号转导 具有酶活性的受体有两类,即酪氨酸激酶受体( tyrosine kinase receptor)和酪氨酸激酶 耦联受体。前者的特异性配体主要是各种生长因子,如神经营养因子、表皮生长因子、胰岛 素样生长因子等。与G蛋白受体介导的信号转导途径相比,具有下列特点:①转导过程简 单快捷;②无G蛋白参与:③与第二信使物质无关;④无胞内蛋白激酶激活;⑤胞内激活 的效应蛋白大多是转录因子,故产生的生物学效应是基因转录的调节。后者的配体多数是细 胞因子,如白介素、干扰素等。其特征是受体本身无酶的活性,但可激活具有酪氨酸激酶活 性的靶蛋白,从而参与基因表达的调控 (三)通道耦联的受体介导的信号转导 通道耦联的受体既可识别、结合特异的配体发挥受体的功能,同时又是通道,故又称 为配体门控的通道。如烟碱型乙酰胆碱受体( nAChR)、谷氨酸的离子型受体、Y一氨基丁 酸型受体等。其整个信号转导过程只涉及膜功能改变,包括膜电位和兴奋性的改变,而没有 胞内其他信号分子的参与。因此,通常把胞外信号引起的靶细胞的这种反应称为快反应途径
图 2-8 受体－G 蛋白－cAMP－KPA 途径 上述过程的特点是:①经细胞膜受体;②Ｇ蛋白介导;③第二信使为 cAMP;④三级放大。 图 2-9 受体－G 蛋白示意图 （2）受体－G 蛋白－DG/PKC 途径 （3）受体－G蛋白－IP3/Ca 2+系统 Ｇ蛋白中介 激素、递质等 ＋受体 磷脂酶 C（PLC） PIP2 DG + IP3 + PKC 胞浆Ca2+释放 DG:二酰甘油 IP3:三磷酸肌醇 PIP2：磷脂酸二磷酸肌醇 PKC：蛋白激酶 C 生理生化反应 图 2-10 受体－G蛋白－IP3/Ca2+系统 （4）受体－G 蛋白－离子通道途径 如心肌细胞膜M2受体于ACh结合后激活了Gi，而使K+ 开放，引起心肌的抑制。但G蛋白对 离子通道的影响更多的是通过第二信使起作用，如视杆细胞有cGMP门控Na+ 通道，可产生相 应的感受器电位。 （二）具有酶活性的受体介导的信号转导 具有酶活性的受体有两类，即酪氨酸激酶受体（tyrosine kinase receptor）和酪氨酸激酶 耦联受体。前者的特异性配体主要是各种生长因子，如神经营养因子、表皮生长因子、胰岛 素样生长因子等。与 G 蛋白受体介导的信号转导途径相比，具有下列特点：①转导过程简 单快捷；②无 G 蛋白参与；③与第二信使物质无关；④无胞内蛋白激酶激活；⑤胞内激活 的效应蛋白大多是转录因子，故产生的生物学效应是基因转录的调节。后者的配体多数是细 胞因子，如白介素、干扰素等。其特征是受体本身无酶的活性，但可激活具有酪氨酸激酶活 性的靶蛋白，从而参与基因表达的调控。 （三）通道耦联的受体介导的信号转导 通道耦联的受体既可识别、结合特异的配体发挥受体的功能，同时又是通道，故又称 为配体门控的通道。如烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）、谷氨酸的离子型受体、γ－氨基丁 酸型受体等。其整个信号转导过程只涉及膜功能改变，包括膜电位和兴奋性的改变，而没有 胞内其他信号分子的参与。因此，通常把胞外信号引起的靶细胞的这种反应称为快反应途径， 7
通过G蛋白、第二信使引起的靶细胞的功能变化称作慢反应途径 化学门控通道 membrana pote 电压门控通道 Sitrwoteh 机械门控通道 酶膜信号转导途径之 门控道道 图2-11三类通道示意图 (四)核受体 因为一些受体在未被激活时,可能位于胞浆,但发挥作用的部位均在核内,因此将存在 于胞浆或胞核内的一类特异蛋白质统称为核受体。如类固醇激素受体(肾上腺皮质激素、性 激素受体家族)、甲状腺激素受体家族、维生素受体家族、维甲酸受体家族等。 第三节细胞的生物电现象 生物电现象 )静息电位 resting potentia,RP 1.含义:RP是指细胞未受刺激(安静状态)时存在于膜内外两侧的电位差 2.记录方法:细胞内记录,测定膜两侧电位差。如膜外为零电位,则膜内为负电位 图2-12生物电的测量模式图 3.正常值:神经、骨骼肌和心肌细胞为-70~-90mV:消化道平滑肌细胞为-60mV 人RBC为-10mV (二)与生物电相关的几个概念 极化( polarization):静息时细胞膜两侧存在的相对稳定的内负外正的状态。 2.超极化( hyperpolarization):RP数值向膜内负值加大的方向变化。 3.去极(除)化( depolarization):RP数值向膜内负值减小的方向变化。 4.复极化( repolarization):细胞先发生去极化,然后再恢复到静息时的极化状态。 5超射值( overshoot potentia1):动作电位上升支中零位线以上的正电位数值。 (三)动作电位 action potential,AP)
通过 G 蛋白、第二信使引起的靶细胞的功能变化称作慢反应途径。 化学门控通道 电压门控通道 机械门控通道 跨膜信号转导途径之一：门控通道 图 2-11 三类通道示意图 （四）核受体 因为一些受体在未被激活时，可能位于胞浆，但发挥作用的部位均在核内，因此将存在 于胞浆或胞核内的一类特异蛋白质统称为核受体。如类固醇激素受体（肾上腺皮质激素、性 激素受体家族）、甲状腺激素受体家族、维生素受体家族、维甲酸受体家族等。 第三节 细胞的生物电现象 一、生物电现象 （一）静息电位(resting potential，RP) 1.含义：RP 是指细胞未受刺激（安静状态）时存在于膜内外两侧的电位差。 2.记录方法：细胞内记录，测定膜两侧电位差。如膜外为零电位，则膜内为负电位。 图 2-12 生物电的测量模式图 3.正常值：神经、骨骼肌和心肌细胞为 –70 ~ -90mV；消化道平滑肌细胞为 -60mV； 人 RBC 为 -10mV。 （二）与生物电相关的几个概念 1.极化(polarization)：静息时细胞膜两侧存在的相对稳定的内负外正的状态。 2.超极化(hyperpolarization)：RP 数值向膜内负值加大的方向变化。 3.去极（除）化(depolarization) ：RP 数值向膜内负值减小的方向变化。 4.复极化(repolarization)：细胞先发生去极化，然后再恢复到静息时的极化状态。 5.超射值(overshoot potential)：动作电位上升支中零位线以上的正电位数值。 （三）动作电位(action potential，AP) 8
1.含义 细胞膜受刺激后,在原有RP基础上发生一次膜两侧电位的快速的倒转和复原。即先出 现膜的快速去极化而后又出现复极化 组成 (1)去极相(上升支):包括去极化和反极化(超射值)。上升支电位幅值为静息电位 绝对值和超射值之和,如神经纤维受刺激后膜内电位从-70~90mv→+20-+40mv,电位变 化幅度为90~130mv。 (2)复极相(下降支):去极相时膜内电位的倒转只是暂时的,它很快由动作电位峰值 又恢复到静息电位水平。神经纤维和骨骼肌细胞AP的主要部分约在0.5~2.0ms内完成,呈 短速而尖锐脉冲样变化,状似尖锋状,故亦称锋电位( (spike potential)在锋电位后至完全恢 复到RP水平过程中,存在着持续时间较长的缓慢、微小的电位波动称后电位(负后电位和 正后电位)。因此,也可以认为AP是由锋电位和后电位两部分组成的。 神经、骨骼肌和心室肌的R和AP +30 +30 0 90 神经和骨骼肌RP和A 心宣肌细胞RP和AP 图2-13细胞的静息电位和动作电位 ro Action potential Receptor potential Threshold 图2-14细胞动作电位测量及其图形 3.特点 (1)AP是兴奋的标志,对神经和肌细胞来说,兴奋即意味着AP的产生 (2)“全或无”( all-or-none)现象:在单一细胞上AP的大小不随刺激强度和传导距离 而改变,要产生就达到最大; (3)不衰减性传导:AP在刺激部位产生后,可沿着细胞膜扩布,直至整个细胞膜都 依次兴奋,并产生一次同样大小和波形的AP (4)AP后有不应期:一次刺激引起的AP主要是在锋电位期间,细胞失去对其它刺激 的反应能力,此时细胞的兴奋性极低(几乎为零)
1.含义 细胞膜受刺激后，在原有 RP 基础上发生一次膜两侧电位的快速的倒转和复原。即先出 现膜的快速去极化而后又出现复极化。 2.组成 （1）去极相（上升支）：包括去极化和反极化（超射值）。上升支电位幅值为静息电位 绝对值和超射值之和，如神经纤维受刺激后膜内电位从-70 ~ -90 mv→+20~+40 mv，电位变 化幅度为 90~130 mv。 （2）复极相（下降支）：去极相时膜内电位的倒转只是暂时的，它很快由动作电位峰值 又恢复到静息电位水平。神经纤维和骨骼肌细胞 AP 的主要部分约在 0.5~2.0 ms 内完成，呈 短速而尖锐脉冲样变化，状似尖锋状，故亦称锋电位(spike potential)。在锋电位后至完全恢 复到 RP 水平过程中，存在着持续时间较长的缓慢、微小的电位波动称后电位（负后电位和 正后电位）。因此，也可以认为 AP 是由锋电位和后电位两部分组成的。 神经、骨骼肌和心室肌的RP和AP 神经和骨骼肌RP和AP 心室肌细胞RP和AP 0 - 图 2-13 细胞的静息电位和动作电位 图 2-14 细胞动作电位测量及其图形 3.特点 （1）AP 是兴奋的标志，对神经和肌细胞来说，兴奋即意味着 AP 的产生； （2）“全或无”（all-or-none）现象：在单一细胞上 AP 的大小不随刺激强度和传导距离 而改变，要产生就达到最大； （3）不衰减性传导：AP 在刺激部位产生后，可沿着细胞膜扩布，直至整个细胞膜都 依次兴奋，并产生一次同样大小和波形的 AP； （4）AP 后有不应期：一次刺激引起的 AP 主要是在锋电位期间，细胞失去对其它刺激 的反应能力，此时细胞的兴奋性极低（几乎为零） 9
生物电现象产生机制 (一)RP形成原理—K平衡电位 1.细胞内外K浓度分布不均 (胞内>>胞外) K外流 2.静息膜对K有选择的通透性 膜两侧电位差稳定某 3.带负电荷的蛋白质(A)留在胞内→K与 数值(K平衡电位) A隔膜相吸呈极化→对抗K的净流动 可见,RP主要由K平衡电位所形成,其大小取决于膜两侧K浓度差和膜对K*通透性。 K平衡电位(Ek)可用 Nernst公式计算 Ek=RTIZF In(K J/(K]=59.5 log[ k JK)(mv) 式中R为通用常数,T是绝对温度,Z是离子价,F是 Faraday常数,K为胞外钾离子浓 度,〖K勹为胞内钾离子浓度。 实际上,K平衡电位的实测值较理论计算值略小。这是因为构成静息电位除K外流外, 可能还有其他离子的少量流动有关。 (二)AP的产生机制 AP的产生—锋电位和Na平衡电位 (1)AP上升支:当细胞受刺激时,膜上Na通道被激活而开放,Na顺浓度梯度和电位 梯度瞬间大量内流,细胞内正电荷迅速增加,电位上升,膜内电位由负到0再到正(+30mv), 形成AP上升支(去极化和反极化)。即 ①[Nalo>Naj(12倍) ②静息时的电位差(外正内负)}Na内流↑→AP上升支 ③膜对Na的通透性↑ 膜内正电位↑≈浓度差 膜两侧电位差稳定某一数值(Na平衡电位) (2)AP下降支:当膜内正电荷足以抵抗Na内流,膜电位达到一个新的平衡点+30mv (即Na的平衡电位),Na通道逐渐失活而关闭,K通道逐渐被激活开放→Na内流停止, K快速外流,胞内电位迅速下降,恢复到兴奋前负电位状态(复极化)。负后电位由于复极 开始K外流↑→K在膜外蓄积↑→K外流↓所致:而正后电位可能是电压门控的K通 道在膜电位恢复到静息电位后,延迟一段时间后才关闭,或是生电性钠泵所致。 2.AP过程中膜电导的变化及测量 膜电导是指膜电阻的倒数,即G=1/R。它是膜允许离子从一侧运动到另一侧的能力的大 小,可理解为通透性。 膜片钳( patch clamp)实验:膜片钳是用负反馈电子线路装置,保持跨膜电位维持在特 定的去极化数值下,测定单个或几个通道蛋白中跨膜离子流( lon current),再计算出膜电 导的实验技术。该技术是由 Neher和 Sakmann等(1975年)建立的,1980 Clanp amplifier 10 8 年后被应用于离子通道的研究。膜片 钳可记录单通道离子电流,证实了膜 对离子通透性的改变其实质是离子通 道的开放和关闭,从而说明离子电流 的形成机制。与分子生物学技术和形 态学方法在离子通道研究中的联合应 用,证实了通道蛋白的分子结构和结
二、生物电现象产生机制 （一）RP形成原理——K+ 平衡电位 1.细胞内外K+ 浓度分布不均 （胞内＞＞胞外） →K+ 外流 2.静息膜对K+ 有选择的通透性 3.带负电荷的蛋白质（A- ）留在胞内→K+ 与 → A- 隔膜相吸呈极化 → 对抗K+ 的净流动 可见，RP主要由K+ 平衡电位所形成，其大小取决于膜两侧K+ 浓度差和膜对K+ 通透性。 K+ 平衡电位（EK）可用Nernst公式计算： EK=RT/ZF·ln[K+ ]o/[K+ ]i=59.5 log[K+ ]o/[K+ ]i (mv) 式中R为通用常数，T是绝对温度，Z是离子价，F是Faraday常数，[K+ ]o为胞外钾离子浓 度，[K+ ]i为胞内钾离子浓度。 实际上，K+ 平衡电位的实测值较理论计算值略小。这是因为构成静息电位除K+ 外流外， 可能还有其他离子的少量流动有关。 （二）AP 的产生机制 1.AP的产生——锋电位和Na+ 平衡电位 （1）AP上升支：当细胞受刺激时，膜上Na+ 通道被激活而开放，Na+ 顺浓度梯度和电位 梯度瞬间大量内流，细胞内正电荷迅速增加，电位上升，膜内电位由负到 0 再到正(+30 mv)， 形成AP上升支（去极化和反极化）。即 ① [Na + ]o>>[Na+ ]i（12 倍） ②静息时的电位差（外正内负） →Na+ 内流↑→AP上升支 ③膜对Na+ 的通透性↑ ↓ 膜两侧电位差稳定某 一数值（K+ 平衡电位） 膜内正电位↑≈浓度差 ↓ 膜两侧电位差稳定某一数值（Na+ 平衡电位） （2）AP下降支：当膜内正电荷足以抵抗Na+ 内流，膜电位达到一个新的平衡点+30 mv （即Na+ 的平衡电位），Na+ 通道逐渐失活而关闭，K+ 通道逐渐被激活开放→Na+ 内流停止， K+ 快速外流，胞内电位迅速下降，恢复到兴奋前负电位状态（复极化）。负后电位由于复极 开始K+ 外流↑→ K+ 在 膜外蓄积↑→ K+ 外流↓所致；而正后电位可能是电压门控的K+ 通 道在膜电位恢复到静息电位后，延迟一段时间后才关闭，或是生电性钠泵所致。 2.AP 过程中膜电导的变化及测量 膜电导是指膜电阻的倒数，即 G =1/R。它是膜允许离子从一侧运动到另一侧的能力的大 小，可理解为通透性。 膜片钳（patch clamp）实验：膜片钳是用负反馈电子线路装置，保持跨膜电位维持在特 定的去极化数值下，测定单个或几个通道蛋白中跨膜离子流（ion current），再计算出膜电 导的实验技术。该技术是由 Neher 和 Sakmann 等（1975 年）建立的，1980 年后被应用于离子通道的研究。膜片 钳可记录单通道离子电流，证实了膜 对离子通透性的改变其实质是离子通 道的开放和关闭，从而说明离子电流 的形成机制。与分子生物学技术和形 态学方法在离子通道研究中的联合应 用，证实了通道蛋白的分子结构和结 10