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1、2 细胞第二章 细胞基本功能目的要求1、了解细胞膜的分子结构，掌握细胞膜的物质转运的形式和影响因素2、掌握静息电位和动作电位的概念、特点和形成的离子机制，并了解静息电位和动作电位形成的理论的主要证据3、掌握局部兴奋特点和产生机制，掌握动作电位的引起和兴奋在同一细胞上的传导机制及特点4、了解神经-骨骼肌接头的结构特点、掌握神经-骨骼肌接头兴奋传递过程，熟悉影响神经-骨骼肌接头兴奋传递的主要因素及其临床意义5、掌握肌肉收缩原理和前负荷、后负荷、肌肉收缩能力的概念，熟悉前负荷、后负荷、肌肉收缩能力对肌肉收缩的影响讲授重点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

2、 3. 局部兴奋、动作电位的引起和兴奋在同一细胞上的传导机制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、后负荷对肌肉收缩的影响学时 10h 教材 姚泰主编，生理学（第6版），人们卫生出版社，2004第一节 细胞膜的结构和物质转运功能 一、细胞膜的结构概述细胞膜（plasma membrane）把C（cell）内容与外界分开，也允许某些物质通透半透膜。 细胞膜的功能：、保护：屏障作用。、转运：载体、通道、离子泵。、识别：膜外侧的糖链。、信息传递：受体化学

3、信息。通道生物电信息。一、膜的化学组成和分子结构 组成：电镜下三层：内外侧致密带、中间透明带各2.5nm。由脂质、蛋白质、少量糖组成。结构：1972年singer提出“流体镶嵌模型”（fluid mosaic model）学说，即：C膜以液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌着不同生理功能的螺旋或球形蛋白质。 （一）脂质双分子层 亲水的磷酸和碱基朝向C内外。 磷脂70% 疏水的烃基，朝向膜中间。脂质胆固醇外30倍。Na+浓度膜内外12倍。这种不均衡的离子分布靠钠泵的作用。 钠泵活动重要的生理意义：1、维持细胞正常的渗透压与形态。2、形成和保持细胞内外Na+、K+不均匀分布及建立一种势能贮备。3、建

4、立的Na+浓度势能贮备是营养物质（G、aa）跨小肠和肾小管上皮等跨膜主动转运的能量来源叫继发性主动转运 （secondary active trnsport）或联合转运（cotransport）。 （2）继发性主动转运 许多物质在进行逆浓度梯度或电位梯度的跨膜转运时，所需的能量并不直接伴随供能物质ATP的分解，而是来自Na+在膜两侧的浓度势能差，后者是钠泵利用分解ATP释放能量建立的，这种间接利用ATP能量的主动转运过程称为继发性主动转运(secondary active transport)。 葡萄糖和氨基酸在小肠粘膜上皮处的吸收以及它们在肾小管上皮处的重吸收，甲状腺上皮细胞的聚碘，Na/

5、Ca2+交换，Na、K+、Cl-同向转运等生理过程，均属于继发性主动转运。如果被转运的离子或分子都向同一方向运动，称为同向转运(symport)，相应的转运体也称为同向转运体(symporter)；如果被转运的离子或分子彼此向相反方向运动，称为反向转运(antiport)或交换(exchange)，相应的转运体也称为反向转运体(antiporter)或交换体(exchanger)。（三）出胞与入胞膜蛋白可以介导水溶性小分子通过细胞膜，但它却不能转运大分子，如蛋白质、多聚核苷酸等。这些大分子物质乃至物质团块需要借助于细胞膜的“运动”，以出胞(exocytosis)或入胞(endocytosis)

6、的方式完成跨膜转运。这些过程需要细胞提供能量。出胞是指细胞内大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。出胞主要见于细胞的分泌活动，如内分泌细胞分泌激素、外分泌腺分泌酶原颗粒和粘液以及轴突末梢释放神经递质等。入胞是指细胞外大分子物质或物质团块（如细菌、病毒、异物、大分子营养物质等）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，并分别称为吞噬(phagocytosis)和吞饮(pinocytosis)。1吞噬是指物质颗粒或团块进入细胞的过程，形成的吞噬泡直径较大（12m），吞噬只发生在一些特殊的细胞，如巨噬细胞、中性粒细胞等；吞饮过程出现于几乎所有的细胞，形成的的吞饮泡较小(0.10.2m

7、)。2吞饮又可分为液相入胞(fluid-phase endocytosis)和受体介导入胞(receptor-mediated endocytosis)两种。a)液相入胞是指细胞外液及其所含的溶质连续不断地进入胞内，是细胞本身固有的活动，进入细胞的溶质与溶质的浓度成正比。b)一些特殊物质进入细胞，是通过被转运物质与膜表面的特殊受体蛋白质相互作用而引起的，称为受体介导入胞。第二节 细胞的跨膜信号转导调节机体内各种细胞在时间和空间上有序的增殖、分化，协调它们的代谢、功能和行为，主要是通过细胞间数百种信号物质实现的。这些信号物质包括激素、神经递质和细胞因子等。概括它们作用方式的不同，大体可分为两类：

8、一类是疏水性的类固醇激素、维生素D和甲状腺激素，它们可弥散透过细胞膜，与胞内受体结合而发挥作用；另一类是为数更多的信号物质，在化学上属于亲水性分子，只能作用于细胞膜表面的受体或起受体样作用的蛋白质，再通过细胞内一系列以蛋白质构象和功能变化为基础的级联反应来产生生物学效应。这一信号转导过程还具有信号放大功能，使少量的细胞信号分子得以引发靶细胞显著的反应。根据细胞膜上感受信号物质的蛋白质分子的结构和功能的不同，跨膜信号转导（transmembrane signal transduction）的路径大致可分为G 蛋白耦联受体介导的信号转导、离子通道受体介导的信号转导和酶耦联受体介导的信号转导三类。一

9、、G 蛋白耦联受体介导的信号转导G 蛋白耦联受体介导的信号转导是通过膜受体、G 蛋白、G 蛋白效应器和第二信使等一系列存在于细胞膜和胞质中的信号分子的活动实现的。（一）参与G 蛋白耦联受体介导的信号转导的信号分子1G 蛋白耦联受体(G protein-linked receptor)。2G 蛋白 鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide-binding protein）简称G蛋白(G protein)，G蛋白的种类很多，依亚单位的不同可将其分为4类，即Gs、Gi、Gq和G12，每一类又分为若干亚型。G蛋白通常由、 三个亚单位组成。3G蛋白效应器 G蛋白效应器(G protein e

10、ffector)主要指催化生成或分解第二信使的酶。G调控的效应器酶主要有腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase，AC)，磷脂酶C(phospholipase C，PLC)，磷脂酶A2(phospholipase A2，PLA2)，鸟苷酸环化酶(guanylyl cyclase，GC)和cGMP磷酸二脂酶(phosphodiesterase，PDE)。 4第二信使 第二信使(second messenger)是指激素、递质和细胞因子等信号分子即第一信使作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子，它们可把细胞外信号分子所携带的信息转入细胞内。重要的第二信使有环-磷酸腺苷(cyclic adenos

11、ine monophosphate，cAMP)，三磷酸肌醇(inositol triphosphate，IP3)，二酰甘油(diacylglycerol，DG)、环-磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)和钙离子等。（二）G 蛋白耦联受体介导的信号转导的主要途径 1受体-G蛋白-AC途径 这一途径参与调节AC活性的G蛋白有兴奋性G蛋白(Gs)和抑制性G蛋白(Gi)。如果配体受体复合物与Gs结合可激活AC，在Mg2+存在的条件下，活化的AC使ATP水解产生第二信使cAMP。与此相反，如果配体受体复合物与Gi结合可抑制AC的活性，从而降低细胞内的cAMP

12、水平。2受体-G蛋白-PLC途径 这一途径参与调节PLC活性的G蛋白是Gq和Gi。许多配体与结合后，可经Gq和Gi家族的某些亚型激活PLC，后者可将膜脂质中含量甚少的二磷酸脂酰肌醇(phosphatidylinositol bisphosphate,PIP2)迅速水解为两种第二信使第二信使IP3和DG。IP3和DG分别调节胞质中的Ca2+浓度和蛋白激酶C(protein Kinase C,PKC)来始动细胞的功能。二、离子通道受体介导的信号转导离子通道受体又称促离子型受体（ionotropic receptor），受体蛋白本身就是离子通道。例如N2型ACh受体、A型-氨基丁酸受体和甘氨酸受体都

13、是细胞膜上的化学门控通道。通道的开放（或关闭）不仅涉及离子本身的跨膜转运，而且可实现化学信号的跨膜转导，因而这一信号转导途径称为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酶耦联受体具有与G蛋白耦联受体完全不同的分子结构和特性，这一跨膜信号转导过程不需要G蛋白的参与，也没有第二信使的产生。酶耦联受体分子的胞质一侧自身具有酶的活性，或者可直接结合并激活胞质中的酶，并由此实现细胞外信号对细胞功能的调节。其中较重要的有以下两类受体。（一）酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶受体（tyrosine kinase receptor，TKR）的分子都是贯穿脂质双层的整合蛋白，一般只有一个跨膜螺旋，它在膜外

14、侧有配体的结合位点，而伸入胞质的一端具有酪氨酸激酶的结构域，也就是说受体与酶是同一个分子。但也有一些受体本身并不具有酶活性部位，但可直接与胞质中的酪氨酸激酶结合。酪氨酸激酶受体一旦被激活，由于分子构象发生改变，可引起胞质侧酶活性部位的活化，或导致对胞质酪氨酸激酶的结合和激活。大部分生长因子、胰岛素和一部分肽类激素都是通过酪氨酸激酶受体将信号转导至细胞内，从而实现细胞外信号对细胞功能的调节。（二）鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶受体（guanylyl cyclase receptor）的分子只有一个跨膜螺旋，分子的N端位于膜外侧，具有配体的结合位点，C端位于膜内侧，有鸟苷酸环化酶（GC）结构域。一旦

15、配体与受体结合将激活GC。与AC激活不同的是此过程不需要G蛋白参与。GC使胞质内的GTP环化，生成cGMP，后者可结合并激活依赖cGMP的蛋白激酶G（protein kinase G，PKG）。PKG与PKA、PKC一样，也是丝氨酸苏氨酸蛋白激酶，通过对底物蛋白的磷酸化实现信号转导。一氧化氮(nitric oxide,NO)也可激活鸟苷酸环化酶，但这种鸟苷酸环化酶存在于胞质，称为可溶性鸟苷酸环化酶（soluble guanylyl cyclase，sGC）。NO作用于sGC，使胞质内cGMP的浓度和PKG活性升高，从而引起血管平滑肌舒张等反应。第三节 细胞的生物电现象当环境发生变化时，生物体内

16、的代谢及其外表活动将发生相应的改变，这种改变称为生物机体的反应（response）。能引起生物机体发生反应的各种环境变化，统称为刺激（stimulus）。一切具有生命活动的细胞、组织或机体对刺激都具有发生反应的能力或特性，称为兴奋性（excitability）。一切活组织的细胞，不论在安静状态还是在活动过程中均表现有电的变化，这种电变化是伴随着细胞生命活动出现的，所以称为生物电。如神经、肌肉和腺体等组织受刺激后，能迅速产生特殊的生物电现象（如动作电位）及其它反应。在传统的生理学中，将神经、肌肉和腺体组织通称为可兴奋组织（excitable tissue），而且将这些可兴奋组织接受刺激后所产生的

17、生物电反应过程及其表现，称之为兴奋（excitation）。生物电是一切活细胞都具有的基本生命现象。细胞水平的生物电现象主要有两种表现，即在安静时具有的静息电位和受刺激后产生的动作电位。一、细胞膜的被动电学特征（一）膜电容和膜电阻细胞膜主要由脂质构成具有较高的电阻特性。而电阻较高的细胞膜与其内外两侧导电性较高的细胞外液又构成了膜电容。故细胞膜具有一般的电学特征。（二）电紧张电位 由外加电流引起的细胞膜上的电位，其随电流传导距离的增加而衰减，这种电位叫。 三-9二、细胞的静息电位及其产生机制（一）细胞的静息电位静息电位（resting potential，RP）是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外

18、两侧的电位差。静息电位表现为膜内电位较膜外为负，如果规定膜外电位为0mV，则膜内电位都在-10-100mV之间。人们通常把静息电位存在时细胞膜内外两侧所保持的外正内负状态，称为膜的极化(polarization)。静息电位的增大称为超极化(hyperpolarization)；静息电位的减小称为去极化(depolarization)；细胞膜去极化后再向静息电位方向的恢复，称为复极化(repolarization)。静息电位与极化是一个现象的两种表达方式，它们都是细胞处于静息状态的标志。（二）静息电位产生的机制1膜外K+浓度，它与膜内K+的浓度差决定Ek，因而K+O的改变会显著影响静息电位；K+

19、平衡电位(K+ equilibrium potential，Ek)的数值决定于膜两侧初始存在的K+浓度差的大小，它的精确数值可根据Nernst公式算出（37条件下）：式中Ek表示K+的平衡电位，K+o和K+i分别表示K+膜外和膜内的浓度。2膜对K+和Na+的相对通透性，如对K+通透性增大，静息电位也增大，反之，如对Na+的通透性增大，静息电位将减小；3钠-钾泵活动的水平。三、动作电位及其产生机制（一）细胞的动作电位在静息电位的基础上，如果细胞受到一个适当的刺激，膜电位会发生迅速的一过性的波动，这种波动称为动作电位（action potential）。神经纤维在安静情况下受到一次足够强度的刺激时

20、，膜内的负电位迅速减小，原有的极化状态去除（即去极化depolarization），并变成正电位，原来的内负外正变为内正外负。这样整个膜内电位变化的幅度约为90130mV。动作电位变化曲线的上升支，称为去极相。动作电位上升支中零电位以上的部分，称为超射值。但是，由刺激所引起的这种膜内电位的倒转只是暂时的，很快就出现膜内电位下降并恢复到刺激前原有的负电位或极化状态（即复极化repolarization），构成了动作电位的下降支，称为复极相。 单一细胞产生AP的特点： 只要刺激达到阈值即可产生AP，即使再增加刺激强度，AP的幅度不再增加。 AP不仅出现在受刺激的局部，它也可向周围C膜传播，且大小不

21、因传播距离而改变。 即单一细胞的“全或无”（all or none）现象：在同一细胞上AP的大小不随刺激强度和传导距离的改变而变化。（二）动作电位的离子机制1去极化：当细胞受到一个阈刺激（或阈上刺激）时，膜上的钠通道被激活，有少量的Na+内流，引起细胞膜轻度去极化。当膜电位去极化至某一临界电位时，电压门控式Na+通道开放，此时膜对Na+的通透性突然增大，并且超过了膜对K+的通透性，Na+迅速大量内流，使膜发生更强的去极化。较强的去极化又会使更多的钠通道开放和形成更强的Na+内流，如此便形成钠通道激活对膜去极化的正反馈（又称Na+的再生性循环），使膜迅速去极化，直到膜内正电位增大到足以阻止由浓度

22、差所引起的Na+内流时，膜对Na+的净移动为零，从而形成了动作电位的上升支，此时膜两侧的电位差称为Na+的平衡电位。2复极化：Na+通道开放的时间很短，它很快就进入失活状态，从而使膜对Na+通透性变小。与此同时，电压门控式K+通道开放，膜内K+在浓度差和电位差的推动下又向膜外扩散，膜内电位由正值向负值发展，直至恢复到静息电位水平。在复极期末，膜电位的数值虽然已经恢复到静息电位水平，但细胞内外离子的浓度差已发生变化。细胞每兴奋一次或每产生一次动作电位，细胞内Na+浓度的增加及细胞外K+浓度的增加都是十分微小的变化，但是足以激活细胞膜上的钠泵，使钠泵加速运转，逆着浓度差将细胞内多余的Na+主动转运

23、至细胞外，将细胞外多余的K+主动转运入细胞内，从而使细胞内外的Na+、K+离子分布恢复到原先的静息水平。（三）动作电位的产生与阈电位当静息电位减小到某一临界值时，引起细胞膜上大量钠通道的开放，触发动作电位的产生。这种能触发动作电位的临界膜电位的数值称为阈电位（threshold potential）。从静息电位去极化达到阈电位是产生动作电位的必要条件。阈电位的数值约比静息电位的绝对值小1020mV。至此，兴奋性的概念可表述为细胞产生动作电位的能力。一般说来，细胞兴奋性的高低与细胞的静息电位和阈电位的差值呈反变关系，即差值愈大，细胞愈不容易产生动作电位，兴奋性愈低；差值愈小，细胞愈容易产生动作电位，兴奋性愈高。所谓阈强度，是作用于细胞使膜的静息电位去极化到阈电位的刺激强度。刺激强度低于阈强度的阈下刺激虽不能触发动作电位，但它也会引起少量的Na+ 内流，从而产