第二篇　细胞的基本结构与功能

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1 第一篇绪论和细胞的基本结构与功能 第三章细胞的基本功能 细胞是组成人体和其它生物体的基本结构和功能单位 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 可以认为, 离开了对细胞及构成细胞的各种细胞器的分子组成和功能的认识, 要阐明物种进化 生物遗传 个体的新陈代谢和各种生命活动等生物学现象, 要阐明整个人体和各系统 器官的功能活动的机制, 将是不可能的 因此, 要了解整个人体和各系统 器官生命活动的根本道理, 首先学习细胞的基本功能是很有必要的 第一节细胞膜的物质转运功能 细胞膜又称质膜 (plasma membrane), 是细胞和环境之间的屏障, 可使细胞内容物和细胞外界环境分隔开, 使细胞能独立存在于环境之中 细胞可通过细胞膜从外界环境中获得氧气和营养物质, 排出细胞的代谢产物, 以进行物质交换从而使细胞内各种物质和离子成分维持相对恒定 因此, 细胞膜必然是一个具有特殊结构和功能的半透膜, 它允许某些物质或离子有选择地通过 膜除了有物质转运功能外, 还有跨膜信息传递和能量转换功能, 这些功能的机制是由膜的分子组成和结构决定的 膜成分中的脂质分子层主要起了屏障作用, 而膜中的特殊蛋白质则与物质 能量和信息的跨膜转运和转换有关 根据液态镶嵌模型学说, 细胞膜主要由液态双分子层的脂质构成, 因此, 理论上只有脂溶性物质才能自由通过细胞膜 但事实上细胞在新陈代谢过程中, 不断有各种各样的物质 ( 其中多数为水溶性 ) 进出细胞, 说明细胞膜具有复杂的物质转运功能 目前的研究资料表明, 这些物质中除极少数能够直接通过脂质双分子层进出细胞外, 大多数物质进出细胞都与膜上特定的蛋白质有关 至于一些大分子或团块物质进出细胞, 则需要通过膜的变形 断裂和再融合等更为复杂的生物学形式才能进行 常见的细胞膜物质转运形式有单纯扩散 易化扩散 主动转运 出胞和入胞 一 单纯扩散 溶液中溶质或溶剂分子由高浓度区向低浓度区的净移动称扩散 (diffusion) 物质分子移动量的大小, 可用扩散通量 (flux) 来表示 扩散通量是指某种物质每秒钟通过每 cm 2 面积的克分子 ( 或毫克分子 ) 数, 一般情况下, 它与该溶质浓度差或浓度梯度 ( 指单位距离上的浓度差 ) 成正比, 如果是含有多种溶质的混合溶液, 那么, 每一种物质的扩散方向和扩散通量只取决于这种物质自身的浓度差, 而与其他物质的浓度和扩散量无关 在电解质溶液中, 离子的移动不仅决定于该离子的浓度差, 还决定于离子所受的电场力 ( 电位差 ) 物质的扩散通量不仅决定于膜两侧的浓度梯度, 还决定于膜对物质通过的难易程度, 即膜对这一物质的通透性 (permeability) 在生物体系中, 脂溶性物质顺浓度差的跨细胞膜的转运 ( 由膜的高浓度区一侧向膜的低浓度区一侧的净移动 ) 称单纯扩散 (simple diffusion) 单纯 一词的含义在于说明这是一种单纯的物理过程, 以区别于体内其他复杂的物质转运机制 由于膜基架是由脂质双分子层组成, 故只有脂溶性强的物质才能靠单纯扩散形式通过细胞膜 然而, 体内依靠单纯扩散方式通过细胞膜的物质较少, 比较肯定的有 O 2 CO 2 和 NO 等脂溶性气体分子, 可以靠其膜内外的浓度差 ( 分压差 ) 迅速通过脂质双分子层 其它大多数物质, 通过细胞膜均需依靠膜上某种蛋白质的帮助

2 二 易化扩散 在体内一些不溶于脂质或难溶于脂质的物质如葡萄糖 氨基酸和各种离子等, 本身很难通过细胞膜, 但在细胞膜上一些特殊蛋白质的帮助下, 能由细胞膜的高浓度一侧向低浓度一侧转运, 这种转运形式称易化扩散 (facilitated diffusion) 其扩散通量的大小也与被转运物质的浓度差和细胞膜对该物质的通透性有关 ; 在电解质溶液中还取决于被转运的带电荷物质所受的电场力的大小, 物质的净移动取决于这种物质自身的电位差与浓度差的代数和 ( 电 - 化学梯度 ) 与易化扩散有关的不少转运蛋白质已经提纯, 但关于其转运机制尚不清楚, 目前普遍被接受的是以载体 (carrier) 为中介的易化扩散和以通道 (channel) 为中介的易化扩散两种类型 ( 一 ) 以载体为中介的易化扩散 细胞膜上有许多专一的载体蛋白 每一种载体一般只能和一种物质结合, 从而帮助它们进出细胞膜 载体与酶不同, 它不起催化作用, 在转运过程中并不改变被转运物质的状态, 而载体本身的状态或构型却发生变化 载体转运的物质主要是一些小分子有机物如葡萄糖和氨基酸等 以载体为中介的易化扩散有以下一些特点 : l. 结构特异性膜的各种载体蛋白质与它所转运的物质之间有着高度的结构特异性, 即每一种载体蛋白质只能转运具有某种特定结构的物质 在相同的浓度梯度下, 右旋葡萄糖的跨膜转运量比左旋葡萄糖大得多 2. 饱和现象即膜一侧物质浓度增加超过某一限度时, 转运量就不再增加, 这是由于膜表面与某一转运物质有关的载体蛋白质有一定数目或每一载体上能与该物质结合的位点有一定数目, 这就使对该物质转运能力有一最大极限, 超过了这个极限, 再增加转运物质的浓度, 并不能使转运量增加 3. 竞争性抑制如果某一载体对 A 和 B 两种结构类似的物质都有转运能力, 那么在环境中加入 B 物质将会减弱它对 A 物质的转运, 这是因为有一定数量的结合位点竞争性地被 B 所占据的结果 ( 二 ) 以通道为中介的易化扩散 这种形式的转运是通过膜上特殊的通道蛋白质 ( 简称通道 ) 进行的, 转运的物质主要是一些离子, 如 K + Na + Ca 2+ 等正离子以及某些负离子 通道蛋白质也有特异性, 通常一种通道只允许一种离子通过, 因而有钾通道 钠通道和钙通道等之分 通道蛋白质转运离子的机制, 可能是由于细胞膜上的特殊蛋白质分子构成了具有高度选择性的亲水孔道, 容许适当大小和带有适当电荷的离子通过 细胞膜对某种离子的通透性的大小, 取决于开放的通道数目的多少, 开放通道数目愈多, 通透性愈大 一般离子通道大部分时间是关闭的, 在一定条件下开放的机率大大增加 这种通道的开放或关闭现象称为阀门 (gate) 控制或门控, 蛋白质分子构型改变是门控的物质基础 另外, 有部分离子通道是持续开放的, 并无阀门控制, 称为非门控通道 传统上, 根据引起通道开放条件的不同, 门控通道大致可分为三类, 即电压门控通道 (voltage-gated channel) 配基门控通道 (ligand-gated channel) 和机械力敏感通道 (mechanosensitive channel)( 图 2-2-1) 电压门控通道对膜电位变化敏感, 通道的开放或关闭决定于通道蛋白质所在膜两侧的电位差 ; 配基门控通道的开闭决定于膜两侧是否存在特定的化学配基 ; 机械力敏感通道是当细胞受各种机械力刺激时开启的通道

3 图 电压门控通道 配基门控通道和机械力敏感通道开放和关闭的示意图 通道蛋白质对被转运物质有特异性, 但不如载体蛋白质那样严格 通道蛋白质功能状态的改变常常是突然的, 当膜两侧的电位差由于某种原因变化到某一临界值时或当膜表面受到某种化学信号作用时或膜受到牵张时, 通道蛋白质分子的构型突然改变 ( 阀门打开 ), 在其分子中出现适合该离子通过的水相孔道, 允许某一种或几种离子由膜的一侧转运到另一侧 通道的开放是有条件的 短暂的 通道的开放造成了带电离子的跨膜移动, 这固然是一种物质转运形式, 但从生理意义上看, 载体和通道活动的功能意义不尽相同 当通道的开放引起带电的离子跨膜移动时, 移动本身形成跨膜电流 ( 即离子电流 ); 而移位的带电离子会造成膜两侧电位差即跨膜电位, 而跨膜电位的改变以及进入膜内的离子 ( 特别是 Ca 2+ ), 将会引起该通道所在细胞一系列的功能改变 离子通道可被某种毒物或药物选择性地阻断, 这些物质被称为通道阻断剂, 如河豚毒 (tetrodotoxin) 可阻断钠通道, 四乙胺 (tetraethylammonium) 可阻断钾通道等 在单纯扩散和易化扩散中, 物质的分子或离子都是顺着浓度差或电位差移动的 这些物质移动时, 所消耗的能量均来自浓度差和电位差本身所包含的势能, 无需消耗细胞代谢产生的能量, 因此, 单纯扩散和易化扩散都属于被动转运 (passive transport) 三 主动转运 主动转运 (active transport) 是指细胞通过本身的某种耗能过程, 在细胞膜上一些蛋白质的协助下, 将某些物质分子或离子经细胞膜逆浓度梯度或电位梯度转运的过程 按照热力学定律, 溶液中的分子由低浓度区域向高浓度区域移动, 必须由外部供给能量 在膜的主动转运中, 这能量只能由膜或膜所属的细胞来供给, 这就是主动的含义 细胞膜通过被称为 泵 的膜蛋白质的协助, 物质逆浓度梯度或电位梯度转运, 细胞需消耗能量 主动转运按其利用能量形式的不同, 又可分原发性主动转运 (primary active transport) ( 由 ATP 直接供能 ) 和继发性主动转运 (secondary active transport) ( 由 ATP 间接供能 ) ( 一 ) 原发性主动转运

4 原发性主动转运的能量直接来自 ATP 的分解, 其中以 Na + K + 的转运最重要, 研究也最充分 早已知道细胞膜内外各种离子的浓度差别很大, 以神经细胞和肌细胞为例, 正常时 K + 浓度在膜内比膜外高 30 倍, 而 Na + 浓度膜内比膜外低 12 倍 这种细胞膜内外 Na + K + 离子的不均匀分布, 是依靠细胞膜中的钠 - 钾泵 (sodium-potassium pump) 的活动来保持 ( 图 2-2-2) 钠 - 钾泵简称钠泵, 又称为 Na + -K + 依赖式 ATP 酶 (Na + -K + dependent ATPase), 它是一种糖蛋白, 其分子量约为 25 万, 钠泵蛋白质已用近代分子生物学方法克隆出来, 它们是由 和 亚单位组成的二聚体蛋白质, 肽链多次穿越脂质双分子层, 是一种整合蛋白质 亚单位有转运 Na + K + 和促使 ATP 分解的功能, 亚单位作用还不很清楚 钠泵蛋白质的启动和活动强度与膜内出现较多的 Na + 和膜外出现较多的 K + 有关, 它的活性可因细胞膜内 Na + 的增加或细胞外 K + 的增加而激活, 也可因膜内缺 Na + 或膜外缺 K + 而减弱 钠泵活动时, 它泵出 Na + 和泵入 K + 这两个过程是同时进行或耦联在一起的 根据对红细胞等的研究发现, 在一般生理情况下, 钠泵每分解一个 ATP 分子可泵出 3 个 Na +, 同时泵入 2 个 K + 故可以认为, 在这种情况下钠泵是一种生电性泵 (electrogenic pump), 即它对 Na + K + 的主动转运可使细胞内正离子减少 但这种化学定比关系并不是一成不变的, 在不同的生理病理情况下是可变的 图 Na + -K + 泵作用机理模式图 钠泵广泛存在于身体的各种细胞的细胞膜上 据估计, 在机体的新陈代谢中利用能源物质所释放的能量, 约 20%~30% 用于钠泵的运转 钠泵活动具有重要的生理意义 :(1) 由钠泵形成的细胞内高 K +, 是许多代谢反应进行的必需条件 ;(2) 维持细胞正常的渗透压与形态 在细胞内具有不能通过细胞膜的带负电荷的大分子物质, 因而经常存在着细胞外小分子物质 ( 主要是 Na + ) 向胞内渗漏,Na + 进入就有可能把水带入细胞, 使细胞有发生肿胀解体的倾向 由于细胞膜存在着 Na + -K + 泵, 后者分解 ATP 提供能量, 不断驱出 Na +, 结果使细胞内的钾浓度较高和钠浓度较低, 细胞膜内外一定的 Na + 浓差是保持细胞的渗透压稳定和正常形态的主要因素 ;(3) 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 膜上的离子通道一旦开放,Na + K + 便可迅速地进行跨膜扩散, 这是神经和肌肉组织具有兴奋性的基础 ; 另外, 建立的 Na + 浓度势能贮备是一些营养物质 ( 如葡萄糖 氨基酸 ) 跨小肠和肾小管上皮细胞等继发性主动转运的能量来源 原发性主动转运是人体最重要的物质转运形式, 除上述的钠泵外, 目前了解较多的还有钙泵 ( 或称 Ca 2+ -Mg 2+ 依赖式 ATP 酶 ) H + 泵 ( 质子泵 ) 和碘泵等 这些泵蛋白都以直接分解 ATP 为能源, 对有关离子进行转运 钙泵分布在各种肌细胞 骨细胞及红细胞等膜结构上 钙泵的作用是主动转运 Ca 2+, 且只有 Ca 2+ 和 Mg 2+ 存在时, 才能维持其活性 肌质网钙泵活动时, 水解一个 ATP 分子可将肌细胞浆中两个 Ca 2+ 转运进入肌质网内, 使胞浆中 Ca 2+ 浓度下降, 而诱发肌肉的舒张 质子泵是一种推动质子 (H + ) 跨膜运动的酶蛋白,

5 存在于细胞膜 线粒体膜和囊泡状细胞器的包膜中 这些质子泵的主要化学成分和功能是极为相似的, 是一种能水解 ATP 产生能量 推动质子逆浓度梯度转运的酶 目前对细胞膜 ( 胃壁细胞膜 ) 和线粒体膜两种质子泵的研究较多 胃壁细胞膜上的质子泵, 目前所知是一种 K + -H + 交换的 ATP 酶, 能水解 ATP 释放能量, 使 H + 逆着浓度梯度由膜内向膜外转运, 同时将 K + 由膜外向膜内转运, 成电中性的跨膜离子交换转运, 使壁细胞分泌盐酸 线粒体膜的质子泵, 既能促进 ATP 分解, 又能促进 ATP 的合成, 与代谢能转化为 ATP 的高能磷酸键有关 此外, 在甲状腺细胞膜上有碘泵存在, 与甲状腺的聚碘作用有关 ( 二 ) 继发性主动转运 据观察, 小肠和肾小管上皮细胞等处葡萄糖和氨基酸转运过程的耗能, 并不直接伴随供能物质 ATP 的分解, 它们的跨膜转运决定于细胞外 Na + K + 的存在 现认为上皮管腔侧细胞膜上的转运葡萄糖载体蛋白质有两个结合位点, 分别与葡萄糖和 Na + 结合, 因此, 转运时两者一起进入细胞内, 同时细胞又不断地依靠基底侧膜上的钠泵分解 ATP 提供能量, 将 Na + 由细胞内泵出而形成 Na + 在细胞内浓度低 腔内浓度高的势能贮备, 势能贮备又被用来驱动葡萄糖逆浓度梯度进入细胞 这里葡萄糖所以能够主动转运, 所得能量并不直接来自 ATP 的分解, 而是来自细胞内外 Na + 的势能差, 但造成势能差的钠泵活动是需要分解 ATP 的, 因此, 葡萄糖的主动转运所需的能量还是间接来自 ATP, 为此人们把这种不直接利用分解 ATP 释放的能量, 而利用膜内外势能差进行的主动转运称继发性主动转运 因这种继发性主动转运葡萄糖的方向与提供势能差物质 Na + 的转运方向相同, 故又将这种继发性主动转运称为同向转运 (co-transport) 相反, 在几乎所有细胞的细胞膜上的 Na + -Ca 2+ 交换, 因继发性主动转运 Ca 2+ 的方向与提供势能差物质 Na + 的转运方向相反, 故将这种继发性主动转运称为逆向转运 (counter-transport) ( 图 2-2-3) 图 继发性主动转运示意图 四 入胞和出胞 大分子物质或物质团块不能通过上述的细胞膜蛋白质 ( 载体 离子泵等 ) 进行转运, 而是由细胞膜本身的运动来进行细胞内外的物质交换 根据被转运物质进出细胞的方向不同, 可分为入胞 (endocytosis) 和出胞 (exocytosis) 两种过程 ( 一 ) 入胞 入胞是指细胞外某些物质团块 ( 如蛋白质 脂肪颗粒 侵入体内的细菌或异物等 ) 进入

6 细胞的过程 如果进入的是固体物质, 此过程称为吞噬 (phagocytosis); 如为液体则称为吞饮 (pinocytosis) 入胞过程首先是物质被细胞膜所识别, 接着与这些物质相接触的部分膜发生内陷, 并逐渐将其包绕, 然后细胞膜发生融合, 于是这些物质和包绕它的那部分膜进入胞浆内, 形成一个吞噬泡, 最后这些吞噬泡与溶酶体融合, 其内容被溶酶体内所含的各种酶消化 近年来发现, 细胞对吞噬物和吞饮物的辨认, 与细胞表面所存在的特殊受体有关 许多物质的入胞, 首先要和膜上的相应受体结合, 结合后的受体通过横向移动可向膜的一些被称为覆衣凹陷 (coated pits) 的特殊部位集中 在一个凹陷处, 一旦集中了一种受体结合物, 其他的结合物则不能再进入, 然后该处的膜向胞内进一步凹入并形成吞噬泡 附着在吞噬泡的外侧 一同进入胞浆的原细胞膜上的蛋白性结构, 则可能仍返回细胞膜再形成新的覆衣凹陷 失去膜蛋白结构的吞噬泡, 进而与胞浆中称为胞内体 (endosome) 的膜性结构相融合 此胞内体的特点是内部具有较低的 ph 值环境, 有助于受体同与它结合的物质分离 ; 以后的过程是这些物质 ( 如进入细胞的低密度脂蛋白颗粒和铁离子等 ) 再被转运到能利用它们的细胞器, 而保留在胞内体膜上的受体, 则与一部分膜结构形成较小的循环小泡, 移回到细胞膜并与之融合, 再成为细胞膜的组成部分, 使受体和膜结构可以重复使用 ( 图 2-2-4) 以上这一系列过程被称为受体介导式入胞 (receptor-mediated endocytosis) 目前认为这是一种最重要的入胞形式 通过这种方式入胞的物质已不下 50 余种, 包括血浆低密度脂蛋白颗粒 运铁蛋白 胰岛素等多肽类激素 抗体 某些细菌毒素和一些病毒等 图 受体介导式入胞过程示意图 ( 二 ) 出胞 出胞是指一些大分子物质或固态 液态的物质团块由细胞排出的过程, 主要见于腺细胞中分泌物的排出以及神经细胞中神经递质的释放 细胞的各种分泌物大都在内质网合成, 在由内质网到高尔基复合体的输送过程中被一层膜性结构包被形成分泌小泡 (vesicle), 贮存在细胞内 当细胞受到膜外某些特殊的化学信号或膜两侧电位改变的刺激时, 小泡逐渐向细胞膜移动, 小泡膜和细胞膜接触, 相互融合, 并在融合处出现裂口, 将小泡内容物一次全部排空, 泡膜就成为细胞膜的组成成分 入胞和出胞过程均要消耗能量, 主要来自细胞内线粒体氧化过程中形成的 ATP 如上所述, 一般大分子物质或物质团块依靠细胞膜的运动通过入胞或出胞作用进出

7 细胞膜 ; 小分子物质或离子通过主动或被动转运进出细胞 ; 物质逆电位梯度和 / 或逆化学梯度的主动转运, 需 泵 蛋白质参与, 细胞消耗能量 ; 被动转运顺电位梯度和 / 或顺化学梯度转运, 转运消耗的能量来自浓度差和电位差所含的势能 ; 被动转运又分单纯扩散和易化扩散 : 细胞膜对脂溶性物质通透性大, 脂溶性物质以单纯扩散转运 ; 易化扩散转运不溶于脂质 ( 水溶性 ) 的物质, 需细胞膜上的 载体 和 通道 蛋白中介来提高膜对此类物质的通透性 第二节细胞的生物电现象及其原理 当环境发生变化时, 生物体内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 (bioelectricity) 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生物电反应过程及其表现, 称之为兴奋 (excitation) 但是, 应当指出, 经典概念的可兴奋组织中, 有少数平滑肌细胞可以在受刺激后不产生生物电改变而出现收缩 一 细胞生物电现象的观察和记录 可兴奋组织在受到有效刺激后, 一般先是产生某种特殊的生物电反应 ( 动作电位 ), 随后出现肌肉的收缩和腺体分泌等外部表现 动作电位是大多数可兴奋细胞受刺激而兴奋时共有的特征表现, 又是这些细胞实现其功能的前提或触发因素 神经纤维上的动作电位称为神经冲动 由于运动神经的神经冲动诱发肌肉的兴奋和收缩表现最为灵敏, 因此常利用神经或肌肉标本进行生物电现象的研究 观察和记录组织或细胞的生物电活动的实验方法大体有两种, 即细胞外记录和细胞内记录 ( 一 ) 细胞外记录 早在示波器问世之前, 人们就曾应用灵敏电位计简单测定出神经干的生物电变化 阴极射线示波器和放大器的出现, 则能更准确并定量地观察和记录微弱及变化迅速的生物电现象 图 示由细胞外记录的神经干受刺激前后的电变化过程 把与电位计或示波器相连的两个测量电极和神经干的两点相接触 在神经未受刺激时, 电位计的指针固定在零位不动, 说明安静的神经干表面没有电位差存在 如在神经干的左端给予一次有效刺激后, 电位计指针出现方向相反的两次摆动, 在示波器上则记录下一个双向的电位波动 ( 图 2-2-5A) 这说明, 刺激使神经干产生一个由左至右传播的负电位 当负电位位于测量电极 a 下方的神经段时,a 点电位较 b 点为低, 两电极间出现电位差而引起电位计指针向一侧摆动 ; 负电位区继续右移, 当同时位于 a b 两电极下神经段 ( 图 2-2-5A) 或 a b 两电极距离足够大而位于 a b 两电极之间的神经段 ( 图 2-2-5B) 时,a b 两电极间的电位差相等, 则电位计指针回到零 ; 当负电位区右移至 b 电极下方神经段时, 两电极间又出现电位差 (b 点较 a 点为低 ), 引起指针向方向相反的另一侧摆动 如把上述电位变化显示在示波器上, 则得到一双相曲线 ( 图 2-2-5A B 上方 ), 称为双相动作电位 (biphasic action potential) 如果在实验中, 预先用药物 ( 如普鲁卡因 ) 在 a b 两点之间阻断神经干, 使神

8 经干受刺激后产生的电变化不能传到 b 点, 则 b 点电位始终不变, 只能引起电位计指针作一次摆动, 由示波器描出的曲线称单相动作电位 (monophasic action potential), 见图 2-2-5C 图 神经纤维的细胞外动作电位记录 图上方的曲线为示波器记录曲线 其中的数字表示当神经冲动出现于下方各图解过程中的不同部位时, 记录电极所测得的瞬时电位 该图解中的阴影区表示神经冲动所在位置 ; 斜线区表示药物阻断区域 电流的方向由电流计中指针的位置表示 ( 二 ) 细胞内记录 用以上所述的细胞外记录方法记录得到的生物电活动, 实际上是许多在结构和功能上相互独立的神经纤维电变化的复合 目前, 这种方法已常用于一些在体器官或组织的无创伤性检查中 ( 如心电 脑电 胃电 视网膜电图等以及神经纤维传导速度的测定 ) 但是, 生物电现象是以细胞为单位产生的 只有对单一神经或肌肉细胞进行生物电的记录和测量, 才能对其数值和产生机制作直接和深入的分析 由于高等哺乳动物的细胞一般较为细小, 常常应用细胞内微电极方法记录, 即用细玻璃管制成的内充导电液体 ( 如 KCl) 的微型测量电极 ( 尖端直径 l m) 或用尖端裸露的微型金属电极, 插入细胞内以测定该细胞在不同功能状态时膜内电位与膜外参考电极之间的电位差 ( 图 2-2-6) 当微电极位于细胞外时, 其与位于细胞膜外的参考电极之间不存在电位差, 示波器上显示一条水平的基线 当微电极穿破细胞膜插入细胞内时, 示波器上出现一个突然的负电位跃变, 这表明安静细胞膜内外两侧存在着电位差, 膜内电位相对比膜外参考电位为负, 故呈负电位 当细胞受到一次有效刺激, 膜内电位则经历一次短暂而急剧的电位变化 ( 即动作电位 ), 见图 2-2-6

9 图 用细胞内微电极技术 (A) 测定单一神经纤维的跨膜电位 (B) 模式图 二 细胞生物电现象的物理化学基础 如果在一层对所有离子具有相等通透性的膜两边, 分置不同浓度的盐溶液, 那么盐溶液中的正 负离子都会透过此膜 从浓度高侧透向浓度低侧的离子数必然较多, 最后会使膜两边的离子浓度相等, 两边往返的离子数也就相等, 即达到平衡状态 在这种情况下, 膜的两边不会存在电位差 如果在膜只对某种离子有通透性的条件下, 则情况就不同了 图 表示在没有 K + Na + 主动转运情况下的神经细胞 在图 2-2-7A, 细胞内 K + 浓度大大高于细胞外 K + 浓度 假设细胞膜只对 K + 有通透性而对其它离子不通透,K + 由于浓度势能差产生的化学驱动力而扩散到膜外, 同时 K + 也携带正电荷到膜外 而膜内带负电荷的离子和蛋白质不能随 K + 透出细胞膜, 于是 K + 外移使膜内变负而膜外变正 这种细胞膜内外两侧存在的电位差形成的电场驱动力, 具有阻碍带正电荷的 K + 继续透出细胞膜和迫使其返回细胞内的作用 在几个毫秒内, 这种电场驱动力足以阻止 K + 向膜外的净扩散 此时,K + 的跨膜化学驱动力和电场驱动力大小相等而方向相反, 膜两侧的电位差稳定于某一数值, 即处于电 - 化平衡状态 此时的电位差称为 K + 的平衡电位 (K + equilibrium potentia1,e K ), 在哺乳动物神经纤维约 -88mV( 细胞内负 ) 假如细胞外 Na + 浓度高于细胞内 Na + 浓度, 而膜只对 Na + 通透而对其它离子不通透, 那么膜外 Na + 扩散进入细胞内, 产生膜外变负而膜内变正 同时, 在数毫秒内, 这一电位差形成的电场驱动力就足以阻止 Na + 因浓度势能差而引起的进一步扩散 Na + 处于电 - 化平衡状态时的膜两侧的电位差称为 Na + 的平衡电位 (E Na )( 图 2-2-7B) 在哺乳动物神经纤维, 该 E Na 约为 +68mV( 细胞内正 ) 由上可知, 在一定条件下, 可选择性通过细胞膜的离子, 其跨膜浓度差可导致膜电位的产生 下面是两个根据膜两侧离子浓度计算平衡电位的公式

10 图 不同状态下神经细胞模型的 K + Na + 平衡电位 A: 膜只对 K + 有通透性 ;(A) - 为带负电荷的离子或蛋白质 ;B: 膜只对 Na + 有通透性 其余见正文说明 ( 一 )Nernst 公式 因离子浓度差引起的平衡电位可用物理化学上的 Nernst 公式计算 即任何单价离子的平衡电位大小取决于膜两侧该离子浓度的比值, 比值越大, 从高浓度侧向低浓度侧扩散的趋势越大, 平衡电位越大, 但前提是膜只对该离子通透 在正常人体温度 37 条件下, 某种单价离子的平衡电位 (E): Co E 61 log( )( mv) (1) Ci 式 (1) 中 Co/Ci 表示某种离子膜外 / 膜内的浓度比 设定细胞膜外电位为零, 计算得到的平衡电位是细胞膜内电位 例如,K + o/k + i = 1:10, 则 E K 为膜内 -61mV 单价阴离子的 E 应该与计算所得的极性相反, 如 C1 - 顺浓度梯度内流, 将使膜两边的电位成为外正内负 ( 二 )Goldman-Hodgkin-Katz 公式 Cl - o/cl - i = 30:1, 则 E Cl 为 -90mV 假如细胞膜对几种不同离子具有通透性, 则其总平衡电位取决于以下 3 个因素 :1 每种离子的荷电极性 (+ 或 -);2 膜对每种离子的通透性 (P);3 每种离子在膜内 (i) 外 (o) 两侧的浓度 当细胞膜对 Na + K + Cl - 具有一定的通透性, 膜两侧的总平衡电位可根据 Goldman-Hodgkin-Katz 公式 ( 或称 Goldman 公式 ) 算出 : Na o PNa K o PK Cl i PCl E 61 log( ( mv) (2) Na PNa K PK Cl PCl i 这一方程与 Nernst 公式 ( 式 1) 比较可以看出, 它是 Nernst 公式的扩展 如果膜仅对 K + 有通透性而对 Na + 和 Cl - 均无通透性时,P Na+ 和 P Cl- 均为 0, 此时式 (2) 等于式 (1) 所得平衡电位实际上就是 E K ; 如膜仅对 Na + 有较大通透性而对 K + 和 Cl - 均不通透, 则 P K+ 和 P Cl- 为 0, 此时所得的 E 则等于 E Na 三 细胞的生物电活动及其产生机制 如本章第一节所述, 细胞膜上存在着各种离子通道 细胞生物电活动的产生主要是与离子通道在不同条件下的状态密切相关的 ( 一 ) 细胞生物电活动的离子通道基础 离子通道 (ion channel) 属于膜蛋白质部分, 存在于膜的脂质双分子层中, 贯穿整个膜层 通道具有水性小孔, 其中还存在选择性滤器 (selective filter) 以选择可以通过的离子, 即选择性通透, 如 Na + 通道 K + 通道 Ca 2+ 通道等 大多数通道受阀门的控制, 决定通道的开放和关闭 阀门是通道蛋白质的组成部分, 可受跨膜电位差或化学信号的影响而产生定向移位, 使通道开放或关闭 某种离子的通道开放, 允许该离子顺浓度梯度或电场 i o

11 梯度从膜的一侧向另一侧扩散, 也即细胞膜对该离子的通透性增大或膜电导增大 ( 电导为电阻的倒数 ) 根据通道阀门的活动, 离子通道可有下列状态, 即 : 静息 (resting) 激活 (activation) 失活 (inactivation) 和恢复 (recovery, 或复活 reactivation) 离子通道的状态取决于跨膜电位差的数值 化学信号和时间过程 通道激活是指通道的开放, 允许某种离子选择性通透 ; 失活是指通道关闭, 不允许离子通过, 并且在此阶段不能再开放 ; 通道的恢复或复活则是指通道处于关闭状态, 但受到适当刺激可以再开放 ( 二 ) 静息电位 静息电位 (resting potential) 是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差 测量方法见图 当微电极插入细胞膜内, 在示波器荧光屏上显示一个电位差, 膜内较膜外为负, 在哺乳动物神经和肌肉细胞为 -70mV~-90mV 由于这个电位差存在于细胞膜两侧, 故称跨膜静息电位 (transmembrane resting potential), 简称静息电位或静息膜电位 只要细胞未受到刺激, 静息电位一般总是稳定在某一水平, 这种膜内外两侧电位维持内负外正的稳定状态, 称为极化 (polarization) 如果在静息电位基础上膜内负电位减小( 绝对值减小 )( 如由 -70mV -50mV), 甚至由负转正 ( 如由 -70mV +30mV), 统称为去极化或除极化 (depolarization); 相反, 如果膜内负电位增大 ( 绝对值增大 )( 如由 -70mV -90mV), 则称为超极化 (hyperpolarization) 如果先发生去极化, 然后膜电位向正常安静时膜内所处的负值恢复, 则称为复极化 (repolarization) 静息电位是一切活细胞所共有的生物电现象, 但各种细胞静息电位的大小并不一致 例如, 枪乌贼巨轴突的静息电位为 -50~-70mV, 腺细胞为 -40~-70mV, 人红细胞约为 -10mV 等 1. 不同组织细胞内外液中各主要离子的浓度 平衡电位和静息电位见表 根据细胞内液和细胞外液中各种主要离子的浓度, 应用 Nernst 公式, 即可计算出每种离子的平衡电位, 但前提是细胞膜只对该种离子通透而对其它离子不通透 根据细胞膜对各种主要离子的不同通透情况, 应用 Goldman-Hodgkin-Katz 公式, 可计算出总平衡电位 如以 K + 的通透性作为 l, 则哺乳动物轴突膜对 Na + Cl - 的通透性分别约为 0.01 和 2, 枪乌贼大轴突膜对 Na + Cl - 的通透性分别约为 0.04 与 0.45, 则其总平衡电位分别为 -87 mv 和 -51mV, 接近静息电位 2. 静息电位的形成机制一般认为, 细胞静息电位的形成主要与以下 3 个方面的机制有关 (1) K + 平衡电位 (E K ): 如表 2-2-l 所示, 除人红细胞外, 在可兴奋细胞实际测得的静息电位数值与根据细胞内外 K + 浓度按 Nernst 公式计算出的 E K 理论值较为接近 人工改变细胞外液 K + 的浓度, 可使静息电位发生相应改变, 其改变值与用 Nernst 公式计算出的值基本一致 说明细胞静息电位基本上相当于 K + 的平衡电位 也就是说, 安静情况下, 细胞内高 K + 和细胞外低 K + 以及细胞膜主要对 K + 具有通透性, 是大多数细胞产生和维持静息电位的主要原因 静息细胞膜对 K + 具有通透性的结构基础是细胞膜上存在着一种 K + -Na + 渗漏通道 (K + -Na + leak channel) 一般说来,K + Na + 均可通过此通道, 但其对 K + 的通透性比对 Na + 的大 100 倍左右 如表 2-2-l 所示, 实际测得的静息电位数值一般都比根据膜内外的 K + 浓度用 Nernst 公式计算出来的 E K 理论值偏低 这是由于安静细胞膜除了对 K + 有通透性外, 对 Na + 也有一定的通透性 ; 另外, 还与 Na + -K + 泵的参与有关 表 不同组织的细胞内外液中各主要离子的浓度 平衡电位和静息电位 细胞来源离子细胞内液 (mmol/l) 细胞外液 (mmol/l) 平衡电位 *(mv) 静息电位 (mv)

12 枪乌贼神经轴突 Na + K + Cl 蛙缝匠肌 Na + K + Cl 人红细胞 Na + K + Cl 哺乳动物神经轴突 Na + K + Cl - 哺乳动物骨骼肌 Na + K + Cl * 恒温动物以室温 37 o C 计算, 变温动物以室温 18 o C 计算 (2) Na + 的扩散 : 在安静细胞, 由于 K + -Na + 渗漏通道的存在, 细胞膜对 Na + 也具有一定的通透性, 细胞外 Na + 顺电 - 化梯度扩散入细胞 但由于膜对 Na + 的通透性远较对 K + 的为小, 使静息电位稍小于由单独 K + 外移造成的 K + 平衡电位数值 (3) Na + -K + 泵 : 一般来说, 所有机体细胞膜上存在着 Na + -K + 泵, 这是一种生电性泵, 即把细胞内的 3 个 Na + 泵到细胞外, 同时把细胞外的 2 个 K + 泵入细胞内, 膜内净缺一个正电荷 这也是形成静息电位的原因之一 此外, 安静时膜对 C1 - 也有一定的通透性, 但通常由 K + 外移所形成的静息电位, 差不多正好抵消膜外高浓度 Cl - 的内移趋势, 故一般不出现 Cl - 的跨膜净移动 ( 三 ) 动作电位 动作电位 (action potentia1) 是指各种可兴奋细胞受到有效刺激时, 在细胞膜两侧所产生的快速 可逆 并有扩布性的电位变化 如图 所示, 当安静细胞受到一次有效刺激时, 静息电位的负值迅速减少并上升到正电位, 然后又回降到静息时的电位 这种电位变化可沿着细胞膜向周围迅速扩布, 使整个细胞膜都经历一次同样的变化 1. 动作电位的几个阶段动作电位是一个连续的膜电位变化过程 以神经纤维为例, 其动作电位大致可分为以下 3 个阶段 (1) 静息相 : 即指动作电位发生前的膜电位静息阶段 此时的跨膜电位差为静息电位数值, 约 -70~-90mV (2) 去极相 : 当神经纤维受到一次短促的有效刺激时, 膜内原来存在的负电位迅速消失, 并进而变成正电位, 即膜内电位在极短暂时间内可由静息时的 -70~-90mV 上升到 +20~+40mV 水平, 由原来的内负外正变为内正外负 ( 称为反极化 ); 此时电位去极化的幅度约为 90~130mV, 构成动作电位的上升支, 亦称去极相 其中, 超过零电位至去极相顶端的电位数值约为 20~40mV( 图 中为 35mV), 称之为超射 (overshoot) 值 值得指出的是, 许多中枢神经元和细神经纤维以及其它一些可兴奋细胞, 在产生去极化时并不一定有超射 (3) 复极相 : 由刺激引起的这种膜内外电位的倒转 ( 倒极化 ) 是暂时的, 很快就出现膜内电位的下降并向静息水平恢复, 这构成了动作电位曲线的下降支, 亦称复极相 在动作电位的复极相中, 膜电位的下降往往不是立即下降到静息电位水平 有些可兴奋细胞的复极化曲线后段突然明显减慢, 这部分电位称为负后电位 (negative afterpotentia1) 或去极化后电位 (depolarizing afterpotentia1); 随后出现缓慢而持续时间较长的超极化电位, 称为正后电位 (positive afterpotentia1) 或超极化后电位 (hyperpolarizing afterpotential)( 图

13 2-2-6) 负后电位和正后电位这两个术语是沿用以前的命名, 因为在过去进行细胞外记录动作电位时的正负极性与现在细胞内记录时的极性相反 动作电位去极相和复极相的初期, 电位变化迅速, 电位曲线形如尖锋, 故称锋电位 (spike potential) 锋电位存在的时间极短, 约 0.3~0.5ms, 而后电位历时较长, 可达数十毫秒 因此, 动作电位的全过程包括锋电位和后电位两部分, 而锋电位是动作电位的主要部分, 所以锋电位也就成为动作电位的同义语 在不同的可兴奋细胞, 动作电位虽然在基本特点上类似, 但变化幅度和持续时间可以各有不同 如神经和骨骼肌细胞动作电位的主要部分的时间仅有 l ms 左右, 而心肌细胞可达数百毫秒 2. 动作电位的形成机制 Hodgkin 和 Huxley 在枪乌贼巨大神经轴突上研究了神经膜在去极化时的离子电流, 证实了动作电位是由于膜对 Na + K + 通透性的变化所形成的 当神经纤维受刺激时, 引起细胞膜去极化, 膜电位降低到一定程度 ( 约 -50~-70mV), 引起电压门控 Na + 通道 (voltage-gated sodium channel) 蛋白质分子构型发生改变, 激活门打开,Na + 通道开放 ( 激活 )( 图 2-2-8A), 细胞膜对 Na + 的通透性增大,Na + 顺电 - 化梯度内流 随着 Na + 的内流, 膜进一步去极化, 而去极化增大本身又促进更多的 Na + 通道开放, 膜对 Na + 通透性进一步增加 如此反复促进 Na + 内流, 称为 Na + 内流的再生性循环 (regenerative cycle) 这种正反馈作用使膜以极大的速率自动地去极化, 造成了锋电位陡峭的上升支 ( 去极相 ), 直至 Na + 内流造成的膜内正电位上升到接近 Na + 平衡电位水平 图 细胞膜上的 Na + 通道 (A) 和 K + 通道 (B) 活动状态模式图 细胞膜在去极相中, 由于 Na + 通道开放其对 Na + 的通透性可增加 500~5000 倍 但 Na + 通道开放的时间很短 ( 仅万分之几秒 ), 随后 Na + 通道失活门关闭而处于失活状态 ( 图 2-2-8A), 膜对 Na + 的通透性迅速下降 ; 这时, 膜上的电压门控 K + 通道已经开放 ( 激活 )( 图 2-2-8B), 膜对 K + 的通透性增大, 膜内 K + 顺着浓度梯度和 ( 或 ) 电场梯度向膜外扩散, 使膜内电位由正值向负值转变, 直至达到原来静息时接近 K + 平衡电位水平, 形成锋电位的下降相 此时,Na + 通道的失活状态解除 ( 复活 ),K + 的通透性也逐渐恢复到安静时水平, 使细胞膜能接受新的刺激 由此可见, 锋电位的上升相是膜对 Na + 通透性迅速增大造成 Na +

14 内流的结果 ; 而下降相则是膜对 Na + 的通透性减小,Na + 内流减少, 以及对 K + 的通透性增大造成 K + 外流所致 某些细胞的锋电位发生以后, 膜内电位产生微小而缓慢波动的后电位的原因, 一般认为是在复极时迅速外流的 K + 蓄积在膜外侧附近, 暂时阻碍了 K + 外流而导致负后电位的产生 ; 而正后电位的形成主要是由于 K + 通道仍然处于一定的开放状态 ( 持续数毫秒 ), 使较多的 K + 扩散到膜外, 引起膜内正离子的 额外 缺失而表现出超极化 另外, 由于细胞内 Na + 和细胞外 K + 浓度的调控,Na + -K + 泵活动加强引起膜的轻微超极化也可能是形成正后电位的机制之一 在动作电位过程中,Na + 的跨膜内流和 K + 的跨膜外流的动力来自于浓度梯度和 ( 或 ) 电场梯度提供的势能, 不需要所在细胞提供代谢能 而在一次动作电位结束后, 虽然膜电位已恢复到静息电位水平, 但 Na + K + 的跨膜浓度差有微小的改变 神经纤维每兴奋一次, 进入细胞内的 Na + 量可使膜内的 Na + 浓度增大约八万分之一, 复极时扩散至膜外的 K + 量也大致相当 正常细胞在经历多次动作电位后仍具有足够的 Na + K + 跨膜势能贮备, 用于静息电位的维持和动作电位的产生 已经进入细胞内的 Na + 能移回到膜外, 而已经外流的 K + 也可返回膜内, 这是由于这两种离子通过 Na + -K + 泵作用逆浓度梯度进行跨膜运动所致, 这种离子的主动转运必须由细胞提供能量 ( 四 ) 离子通道的研究方法简介 1. 电压箝 (voltage clamp) 技术电压箝技术 ( 又称电压固定技术 ) 是通过插入细胞内的一根微电极向胞内补充电流, 补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子流, 这样即使膜通透性发生改变时, 也能控制膜电位数值不变, 经过离子通道的离子流与经微电极施加的电流方向相反, 数量相等 因此可以定量测定细胞产生动作电位时的离子电流 Hodgkin 和 Huxley 在枪乌贼巨大神经轴突中应用电压箝技术进行了一系列实验, 并获得 1963 年 Nobel 医学和生理学奖 图 2-2-9A 示电压箝实验装置 图 电压箝实验 (A) 和膜片箝实验 (B) 工作原理示意图 2. 膜片箝 (patch clamp) 技术电压箝技术是控制跨膜电位以研究离子通道的理想技术, 但它并不能测定单一通道电流 70 年代以来, 由 Neher 和 Sakmann 首创的膜片箝技术 ( 又称小片膜箝制术 ) 得到了发展和完善 其基本原理是将加热抛光的微玻管电极与只含有 l~3 个离子通道 面积为几个 m 2 的细胞膜通过负压吸引封接起来, 由于电极尖端与细胞膜的高阻抗封接, 在其尖端下的那片细胞膜与膜的其它部分从电学上隔离 因此, 此片膜内通道开放所产生的电流流进玻管, 用一极敏感的电流监视器 ( 膜片箝放大器 ) 测量此电流强度, 就代表单一离子通道电流 Neher 和 Sakmann 因此而获得 1991 年 Nobel 医

15 学和生理学奖 图 2-2-9B 示膜片箝实验工作原理 膜片箝实验结果证明, 膜上电压依从性离子通道有两种状态, 即开放和关闭 因此, 某一部分膜在不同情况下表现的不同通透性, 是由这部分膜中处于开放状态的离子通道的数目决定的 电压门控 Na + 通道的膜片箝实验记录见图 图 电压门控 Na + 通道的膜片箝实验 A. 封接 ;B. 从维持电压改变到某一试验电压的刺激波形 ; C. 不同水平的试验电压下同一 Na + 通道的通道电流 ;D. 平均电流 ( 一 ) 刺激引起兴奋的条件 四 兴奋的引起和兴奋传导的机制 机体内外环境的变化, 只要其能引起组织或细胞的活动发生改变, 都称为刺激 对可兴奋组织而言, 只有刺激引起细胞产生动作电位, 才能说细胞产生了兴奋 任何刺激要引起组织兴奋 ( 即有效刺激 ), 必须在下列三个方面达到最低的有效值 : 即刺激的强度 刺激的持续时间以及强度 - 时间变化率 在保持强度 - 时间变化率恒定的条件下, 引起组织兴奋所需的最小刺激强度与最小刺激持续时间的关系呈反变关系 即在一定范围内, 刺激较强时, 其持续时间较短 ; 当刺激较弱时, 则需要较长的持续时间才能引起组织兴奋 这两者的关系如在坐标图上描出, 则可得到一条类似双曲线的曲线, 称为强度 - 时间曲线 (strength-duration curve)( 图 ) 这条曲线与正双曲线的不同点在于, 前者与两条坐标轴不是渐近线, 而是在接近某点时即变得与坐标轴平行 上面所说的反变关系只存在于这两点之间的范围内 曲线右侧点 R 表明, 当刺激强度低于这一点所表示的强度时, 无论刺激时间怎样延长, 也不能引起组织兴奋, 这一刺激强度称为基强度 (rheobase);

16 曲线左侧点 T 表示. 当刺激持续时间短于这一点所表示的时间时, 即使大大增加刺激强度, 也同样不能引起组织兴奋 临床上所应用的超短波电热疗法, 尽管刺激的强度 ( 电压 ) 很大, 但由于刺激频率很高, 刺激持续时问很短, 并不引起肌肉的兴奋和收缩, 只能引起组织中分子的振荡而产生热效应 图 可兴奋组织的强度 - 时间曲线 ( 说明见正文 ) 图 上所示的时值 (chronaxie) 是指在保持强度 - 时间变化率不变的条件下, 两倍基强度的刺激引起组织兴奋的最短的刺激持续时间 时值和基强度可作为衡量组织兴奋性高低的指标 在电生理实验中, 人们常采用电刺激作为人工刺激 电刺激中最常使用的是矩形波脉冲, 其上升和下降速度 ( 强度 - 时间变化率 ) 极大而且固定, 其振幅 ( 刺激强度 ) 和波宽 ( 刺激持续时间 ) 均可任意调节, 且在一般刺激强度下, 既能引起组织兴奋, 又不致造成组织的过度损伤, 故矩形波是一种理想的电刺激 当固定波宽不变时, 刚能引起组织兴奋的最小刺激强度称为阈强度 (threshold intensity) 或阈值 (threshold), 这种刺激称为阈刺激 低于或高于阈强度的刺激分别称为阈下刺激或阈上刺激 阈值的大小也反映组织兴奋性的高低 ( 二 ) 外向电流和电紧张电位 在医学与神经科学的研究中, 膜电位往往受细胞外电流作用的影响而发生变化 当两个与直流电源相连的电极与神经相接触时, 电流可以从正极通过膜外的溶液流到负极 ; 另一方面, 电流也可以从正极处流入膜内, 在膜内通过胞浆流向负极处, 再从膜内流出膜外而到达负极 这与在金属导体上的情况不同 这些穿过膜的电流, 不仅在电极下的膜上流动, 而且还会扩散到电极附近的一定区域 在电极下的一点电流密度最大, 离电极越远, 电流密度越小 如图 所示, 在正极处存在着内向电流 (inward current), 在负极处则存在着外向电流 (outward current) 电流穿过膜的流动就会伴随着膜电位的变化, 内向电流在具有电阻和电容性质的细胞膜上造成的电压降与膜原有的极化状态 ( 内负外正 ) 是一致的, 结果使膜电位发生超极化 ; 外向电流则使膜两侧产生内正外负的电压降, 与原有膜电位方向相反, 膜去极化 用微电极技术进行研究, 也可得到同样的结果

17 图 膜外电流引起的电紧张电位 A: 电流的流动方向 ;B: 相邻部位的膜电位变化 ( 向上为去极化, 向下为超极化 ) 由于外加电流的作用, 引起细胞膜电位发生变化, 这种电位变化称为电紧张电位 (electrotonic potential) 该电位可以是超极化电位, 也可以是去极化电位, 取决于外加电流的极性 必须指出, 电紧张电位只是指在外加电流较小 ( 阈下刺激 ) 而不足以引起细胞产生动作电位时的膜的被动反应, 也就是说, 它的强度还不足以改变膜对离子的通透性, 外加电流对细胞膜只是起着膜电容放电的作用 电紧张电位只局限于刺激局部, 随刺激强度的增大而增大, 并按一般的电学规律向周围扩布, 呈指数衰减 ( 即扩布距离按算术级数增加时, 电位幅度以几何级数减小 ) 由于电紧张电位的幅度小, 因此其扩布距离是十分有限的 这种扩布方式称为电紧张性扩布 (electrotonic propagation) ( 三 ) 局部反应 如上所述, 电流作用于可兴奋细胞, 将引起膜电位的变化 ( 电紧张电位 ); 电流越强, 膜电位变化亦越大 ; 负极处与正极处分别发生大小相等而方向相反的变化 但这种镜影式的变化, 只在刺激电流较弱的情况下才产生 当外加电流强度接近于阈强度时, 则在负极处发生的膜电位变化 ( 去极化 ) 比在正极处发生的变化 ( 超极化 ) 大 ( 图 ) 这表明, 除外加电流造成的电紧张电位外, 膜自身也发生了轻微的去极化反应 ( 少量 Na + 通道开放而导致少量 Na + 内流 ) 因此, 我们把阈下外向电流刺激时产生的电紧张电位和由少量 Na + 通道开放产生的特殊电变化叠加在一起的去极化电位称为局部反应 (1ocal response) 或局部电位 (local potentia1) 或局部兴奋 (1ocal excitation) 局部反应是可兴奋细胞的主动反应 局部反应有以下特点 : 1. 等级性和衰减性局部反应的去极化幅度随着阈下刺激强度的大小而增减, 呈等级性 局部反应局限于刺激部位, 不能传导 随着扩布距离的增加, 这种去极化电位迅速衰减和消失 2. 总和先后多个或细胞膜相邻多处的阈下刺激所引起的局部反应可以叠加总和, 分别称为时间总和 (temporal summation) 和空间总和 (spatial summation) 当局部反应大到一定程度时, 可以引起动作电位

18 图 电紧张电位 局部反应与动作电位的关系 ( 说明见正文 ) ( 四 ) 阈电位和兴奋的引起 刺激为何必须达到阈强度才能引起可兴奋细胞兴奋即产生动作电位呢? 这是由于位于细胞膜上的 Na + 通道属于电压门控通道, 这种通道只有当静息电位减小到某一临界数值时才能突然大量开放, 进而引起动作电位 这个能够导致膜对 Na + 通透性突然增大的临界膜电位数值, 称为阈电位 (threshold potential) 一般可兴奋细胞的阈电位, 大约比静息电位的绝对值小 10~20mV, 神经和骨骼肌的阈电位一般为 -50~-70mV 引起细胞兴奋或产生动作电位的关键在于能否使静息电位减小到阈电位水平, 而与导致这种膜电位减小的手段或刺激方式无关 阈电位对动作电位只起一种触发作用, 膜电位一旦达到阈电位水平, 此时的去极化就不再依赖于刺激强度, 膜电位变化成为一种 自动 过程, 直至动作电位结束 引起局部反应的阈下刺激与触发动作电位产生的阈刺激和阈上刺激, 其作用都是激活 Na + 通道, 并无质的区别 但前者引起的 Na + 通道开放数目有限, 只引起膜较小的去极化, 这种去极化很快由于 Na + 通道的失活和 K + 的外流而被抵消或消退 如果局部电位由于总和而达到阈电位水平, 则 Na + 通道的开放和 Na + 的内流不能被 K + 外流所抵消,Na + 内流产生再生性循环, 结果引起细胞产生以动作电位为标志的兴奋 可见阈电位是在一部分膜上能使 Na + 通道开放的数目足以引起 Na + 内流的再生性循环出现的膜去极化的膜电位临界水平 ( 五 ) 兴奋在同一细胞上的传导机制 所谓兴奋的传导, 实质上就是动作电位的扩布 当细胞膜某处受到刺激产生动作电位后, 动作电位可以迅速沿细胞膜向周围扩布, 使整个细胞膜都发生一次动作电位 动作电位在同一细胞上的传布过程称为传导 (conduction) 动作电位的传导实际上是细胞膜依次连续产生动作电位的过程 当一条无髓神经纤维的一端受到有效刺激而产生动作电位时, 该处的膜两侧出现了电位的暂时倒转, 即兴奋部位膜为外负内正, 而邻近未兴奋膜仍处于外正内负的极化状态 由于膜两侧的细胞外液和细胞内液都是导电的, 于是在神经纤维的兴奋段与未兴奋段之间出现了电位差而导致电荷的移动, 这称为局部电流 (1ocal current) 由于局部电流的作用, 使邻近未兴奋膜去极化而达到阈电位, 该处的 Na + 通道大量开放, 膜对 Na + 的通透性增加而产生动作电位 可见, 局部电流就相当于外加刺激电流, 导致未兴奋膜电位水平上移达阈电位, 也即由膜的已兴奋部位通过局部电流 刺激 了邻近的未兴奋膜, 使之产生动作电位, 这样的过程在膜表面连续进行下去, 就表现为兴奋在整个细胞的传导 ( 图 ) 由于动作电位产生期间电位变化幅度和速率相当大, 且细胞内 外液均具良好的导电性能, 因此在

19 单一细胞上, 局部电流的强度超过了引起邻近膜兴奋所需阈强度数倍以上, 因而动作电位的传导过程是 安全可靠 的 图 无髓神经纤维兴奋传导示意图 膜内外的箭头表示局部电流的流动方向 A: 神经一端产生兴奋 ;B: 兴奋传导 下方的直箭头表示传导方向 上述以局部电流为基础的无髓神经纤维上的兴奋传导机制, 也基本适用于其它可兴奋细胞 ( 如骨骼肌细胞等 ) 但在有髓鞘神经纤维, 情况有所不同 由于髓鞘具有电绝缘性, 兴奋的传导只能在相邻的两个郎飞氏结之间形成局部电流, 而呈跳跃式传导 因此传导速度比在无髓神经纤维上快得多 从局部电流的形成原理可以看出, 如果在神经纤维的中段给予一个刺激并产生动作电位, 那么在兴奋部位与其两侧的未兴奋膜之间均可形成局部电流, 动作电位可同时向神经纤维的两端传导 ( 即双向传导 ) 在整体, 运动神经的兴奋从中枢发出, 感觉神经的兴奋由感受器传入中枢, 动作电位仅表现为单向传导 但在有分支的感觉神经, 也可以表现为双向传导 可兴奋细胞的动作电位及其传导过程表现出 全或无 的方式 动作电位的 全或无 现象 (all or none phenomenon) 具有两个方面的含义 :(1) 在单一可兴奋细胞, 阈下刺激不引起动作电位, 而动作电位一旦产生则其幅度即达最大值, 不因刺激强度的再增加而改变 换言之, 阈刺激和阈上刺激引起同一细胞的动作电位幅度相等 (2) 动作电位在同一细胞上传导时, 不因传导距离的增加而有所衰减, 即不衰减传导 上述特性是膜本身的生物物理性质和跨膜离子分布所决定的 ( 一 ) 兴奋性的定义及其评定指标 五 兴奋性及其影响因素 1. 兴奋性的定义在生理科学发展过程的早期, 兴奋性的概念是指活组织或细胞对外界刺激发生反应的能力或特性 如肌细胞受刺激表现为收缩反应, 腺细胞受到刺激引起分泌活动, 神经纤维受到电刺激产生神经冲动等 实际上, 几乎所有的活组织或细胞都具有某种程度的对外界刺激发生反应的能力, 只是反应的灵敏程度和表现方式有所不同 可兴奋细胞兴奋时, 虽然有不同的外部表现, 但它们都有一个共同的特征, 即受刺激后先产生动作电位, 以此为触发因素, 再使细胞表现其它功能 因此, 兴奋性可看作是细胞受到刺激后产生动作电位的能力 ; 兴奋可看作是动作电位及其产生过程 这两个概念显然只适用于可兴奋细胞 2. 评定兴奋性的指标强度 - 时间曲线无疑可以全面地反映组织的兴奋性 但是, 其测定过程较复杂费时, 特别是当兴奋性发生迅速改变时进行测定是相当困难的 因此, 通常选择曲线上的一点作为衡量兴奋性的指标 (1) 阈强度 : 测定阈强度的方法是, 固定一个适中的刺激持续时间和强度 - 时间变化

20 率. 由低到高逐渐增加刺激强度, 测得刚能引起兴奋的最低强度 阈强度愈低, 表明组织的兴奋性愈高, 即兴奋性 l/ 阈强度 (2) 时值 : 测定方法是先用持续时间较长的刺激测得基强度, 然后以两倍基强度的刺激, 观察电刺激需要作用多久才能引起组织兴奋 这个刚能引起组织兴奋的最短时间即为时值 时值小表示兴奋性高, 时值大则表示兴奋性低 ( 二 ) 影响兴奋性的因素 兴奋是可兴奋细胞在刺激作用下, 细胞膜部分去极化达到阈电位而激活离子通道, 然后由离子活动所产生的全面去极化 ( 扩布性兴奋 ) 兴奋性的高低常常以产生部分去极化达到阈电位所需阈刺激的大小为指标 1. 静息电位水平静息电位绝对值增大, 则其与阈电位之间的距离增大, 引起兴奋所需的阈刺激增大, 兴奋性降低 反之, 静息电位绝对值减小, 则其与阈电位之间的距离缩小, 引起兴奋所需的阈刺激减小, 兴奋性增高 2. 阈电位水平阈电位上移 ( 负度减小 ), 则其与静息电位之间的距离增大, 引起兴奋所需的阈刺激增大, 兴奋性降低 反之, 阈电位下移 ( 负度增大 ), 则其与静息电位之间的距离减小, 兴奋性增高 3. 通道的性状如前所述, 由于通道阀门的活动, 离子通道具有不同的状态 以神经纤维的 Na + 通道为例, 当其处于失活状态时, 通道关闭且不能被再激活, 此时细胞的兴奋性下降至零 只有当 Na + 通道处于静息状态或激活后恢复到静息状态时, 细胞才具有正常的兴奋性 ( 三 ) 细胞在兴奋及其恢复过程中的兴奋性变化 可兴奋细胞在接受一次有效刺激出现兴奋的过程中以及随后的一段时间内, 其兴奋性将发生一系列有规律的变化, 然后才恢复正常 细胞的这一特性说明, 在接受连续刺激时, 有可能前一刺激引起了细胞对随后刺激反应能力的改变, 这对于细胞发挥正常功能有重要意义 如果用阈强度作为衡量兴奋性的指标, 测定可兴奋细胞 ( 以神经细胞为例 ) 在受到一次刺激而发生兴奋时和兴奋后的兴奋性改变, 一般可依次分为几个时期 1. 绝对不应期神经细胞在接受一次阈刺激或阈上刺激后产生动作电位的很短时间内, 任何强大的刺激都不能使其再次兴奋, 这一段时间称为绝对不应期 (absolute refractory period), 表明其兴奋性降低到零 产生绝对不应期的原因是此时神经细胞膜上的 Na + 通道处于失活状态而不能再开放 2. 相对不应期绝对不应期后的一段时间内, 大于阈强度的刺激才能引起细胞产生动作电位, 这一时期称为相对不应期 (relative refractory period), 表明细胞的兴奋性低于正常 此期内,Na + 通道已开始逐渐复活, 但处于静息状态的 Na + 通道数目及其开放能力尚未恢复到正常水平, 故需要阈上刺激才能引起再次兴奋 3. 超常期在相对不应期之后的一段时间内, 小于阈强度的刺激 ( 阈下刺激 ) 就可引起细胞兴奋, 这一时期称为超常期 (supranormal period), 表明细胞的兴奋性比正常高 超常期内, 膜电位复极接近静息电位水平,Na + 通道也基本恢复到可被激活的静息状态 由于此时膜电位绝对值小于正常静息电位水平, 与阈电位的差距小, 故兴奋性高于正常 4. 低常期在超常期之后的较长时期内, 需用大于阈强度的刺激才能引起细胞产生动作电位, 这一时期称低常期 图 神经纤维动作电位及其兴奋性变化过程示意图

21 (subnormal period), 表明兴奋性低于正常 此时, 尽管 Na + 通道已完全恢复至正常状态, 由于膜电位大于静息电位绝对值 ( 超极化 ), 与阈电位之间的距离大, 兴奋性低于正常 如图 所示, 把神经纤维动作电位全过程中兴奋性的变化与膜电位变化相对照可见, 绝对不应期大致相当于锋电位持续时间, 相对不应期大致相当于负后电位早期, 超常期相当于负后电位后期, 低常期相当于正后电位的持续时间 可兴奋细胞受到有效刺激后出现兴奋性的周期性改变, 这一现象说明当组织兴奋后, 其兴奋性只有经过上述几个时期的一系列变化才能恢复到原来的状态 值得指出的是, 在不同细胞上述各期的持续时间可有很大的差异, 某些细胞可能缺少某一期的兴奋性改变 绝对不应期的存在, 意味着组织不论受到频率多高的刺激, 它在单位时间内能够产生动作电位的次数是有限的, 次数的多少取决于它在兴奋时绝对不应期的长短, 即其在单位时间内可能发生的最高兴奋次数要少于绝对不应期的倒数 例如, 哺乳动物神经纤维的绝对不应期约为 0.5ms, 所以在理论上它每秒最多只能产生或传导 2000 次神经冲动 实际上, 在体内神经纤维产生和传导的冲动频率远远低于这一理论值 第三节细胞的信号传递与转导功能 一 细胞间的信号传递 人体是由各种细胞 组织和器官组成 但大多数细胞是生活在直接浸浴它们的细胞外液中, 不与外界直接接触, 细胞之间必然需要有效的信息联络, 对细胞功能进行调控, 从而彼此协调, 相互配合, 适应各种生命活动和生长 繁殖的需求 细胞间信息的传递有神经和体液两条途径 然而, 不论神经调节还是体液调节, 都涉及到信息在细胞间的传递 (transmission) 问题 信息在细胞间的传递大体可分为两大类 : 一种是化学传递, 另一种是电传递 所谓化学传递是指神经元末梢释放化学递质 内分泌细胞分泌激素或机体细胞分泌细胞因子等化学信息物质作用于靶细胞, 调节其生理活动的过程 ; 所谓电传递是指细胞的兴奋, 不经过化学物质传递, 而直接通过缝隙连接的特殊结构, 以局部电流传递的方式直接诱发相邻细胞活动的过程 ( 一 ) 化学传递 1. 化学信号在细胞间的信息化学传递中, 主要的化学信号包括神经递质 激素和细胞因子等 (1) 神经递质 (neurotransmitter): 在神经元之间或神经元与效应器细胞之间, 必需由神经递质来传递信息 神经递质主要在神经元中合成并储存在突触前囊泡中, 神经兴奋时释放入突触间隙, 作用于突触后膜或效应器膜受体, 引起生理效应, 完成信息的跨细胞传递过程 已发现的神经递质超过 30 种, 以脑中最多 如乙酰胆碱 氨基酸类 ( 如甘氨酸 - 氨基丁酸 谷氨酸等 ) 胺类 ( 如肾上腺素 去甲肾上腺素 多巴胺等 ) 肽类 ( 如脑啡肽 阿片肽 生长抑素等 ) (2) 激素 (hormone): 激素是指由内分泌细胞分泌的具有高度生物活性的化学物质, 经由体液途径运送至特定的靶细胞, 发挥特定的生理作用 按激素的化学结构可分为含氮类激素和类固醇激素两大类 (3) 细胞因子 (cytokine): 细胞因子是由细胞分泌的一类信息物质, 作用于特定的靶细胞, 调节其生理功能 与激素相比, 分泌细胞因子的细胞大多是机体的一般细胞, 而不是分化的内分泌细胞 平滑肌细胞 心肌细胞 血小板 巨噬细胞 淋巴细胞等都能分

22 泌细胞因子 如白细胞介素 生长因子等 除以上三类化学信号外, 在机体内还存在着一些气体性信使分子如一氧化氮和一氧化碳等, 可作为化学信号在细胞间传递信息 如一氧化氮 (nitric oxide, NO) 是广泛存在于神经系统和外周组织中, 与多种机体功能的调节有关 它不具有一般神经递质或激素的特点, 它一般是在受到某些化学或物理因素的作用时激活了一种细胞内广泛存在的 NO 合酶 (nitric oxide synthase,nos), 后者再作用于精氨酸而生成 NO 这种小分子物质可自由扩散出细胞膜并进入邻近的细胞中 NO 作用的靶分子通常是鸟苷酸环化酶, 再生成 cgmp( 环一磷酸鸟苷 ), 后者参与多种细胞内功能的调节 2. 受体细胞中能识别化学信号 ( 包括神经递质 激素 细胞因子等 ) 并与其特异结合, 引起各种生物效应的分子, 均称为受体 (receptor) 受体的化学本质是蛋白质 按其分布的部位, 可分为细胞膜受体和细胞内受体 神经递质 激素和细胞因子等化学物质将信息从某一种细胞带到一些特定细胞并与细胞膜上的受体结合, 称为第一信使 第一信使与受体结合是信息传递至细胞的第一步, 随后由受体构象的变化引起一系列信息转导过程 ( 二 ) 缝隙连接处的电传递 高等动物细胞之间信息的传递, 除化学传递外, 还存在着以局部电流直接进行传递的电传递形式 电传递广泛存在于心肌 内脏平滑肌 ( 如肠和子宫的平滑肌 ) 和神经细胞间 形态学和生理学实践都证明, 细胞之间的缝隙连接 (gap junction) 处构成了细胞间低电阻通道 它可能是细胞间的直接电传递及胞浆间物质交换的结构基础 在缝隙连接处, 相邻的两细胞膜仅隔开 2nm, 而且每一侧膜上都整齐地排列着多个各由 6 个蛋白质亚单位组成的颗粒, 颗粒的中心是一个亲水性孔道, 颗粒所包含的蛋白质和孔道都贯穿膜的脂质双分子层, 在膜的外侧面同相邻细胞的相似结构相对接, 使两个细胞的胞浆可以通过其中的孔道相交通 ( 图 ), 这些通道是亲水性的, 可允许分子量低于 1000 或直径小于 1nm 的物质分子, 包括电解质离子 氨基酸 环核苷酸 ( 如 camp) 和实验中常用作标记物的荧光色素等通过 缝隙连接处的离子通透性好, 电阻低, 一侧膜的去极化可通过局部电流使另一侧膜也去极化, 而呈双向性传递 此种传递的潜伏期短, 在时间上, 几乎不存在延搁 细胞间电传递的意义是使一些功能相似的细胞能进行同步活动

23 图 缝隙连接处细胞间通道的模式图 A: 缝隙连接处的横切面图 ;B: 为 A 图的放大模式图 显示两个细胞外侧膜上细胞间通道的 6 个蛋白亚单位组成颗粒, 颗粒的中心是亲水性孔道, 与相邻细胞的相似结构相接 图中尚表示各种能够通过孔道的物质 二 细胞的跨膜信号转导 细胞外液中的各种化学信息物质, 大部分并不需要其自身进入它们的靶细胞后才起作用, 它们常常是选择性地同靶细胞膜上特异性的受体相结合, 再通过跨膜信号转导 (transmembrane signal transduction) 过程, 最后才间接地引起靶细胞膜的电变化或其他细胞内功能的改变 脂溶性的类固醇激素 甲状腺素等可穿过细胞膜进入细胞内, 与胞内受体结合, 不需膜受体的转导 跨膜信号转导途径从膜受体与化学信息物质结合开始, 多数途径通过 G 蛋白 催化生成第二信使 (second messenger) 的酶 第二信使 蛋白激酶, 最终引起功能蛋白质或调节蛋白质的磷酸化 这些蛋白质被磷酸化后活性出现改变 ( 激活或失活 ), 从而引起较快速的生物效应或迟发而持久的基因表达 跨膜信号转导经膜通道跨膜信号传递途径和酶耦联受体途径中不需 G 蛋白参与 真核细胞内主要的跨膜信息转导途径大致可归纳为膜通道跨膜信号传递途径 G 蛋白耦联受体跨膜信号传递途径和酶耦联受体跨膜信号传递途径 ( 一 ) 膜通道介导的跨膜信号转导途径 目前认为, 体内至少存在三种类型的膜通道样结构, 使不同细胞对外界相应的刺激起反应, 完成跨膜信号转导 : 即配基门控通道或化学门控通道 电压门控通道 机械力敏感 ( 门控 ) 通道 后两种通道属于细胞对物理信号的接受和转导, 有别于化学信息的跨膜信号转导途径 1. 配基门控通道介导的跨膜信号转导途径在突触传递和神经末梢与效应器细胞的化学传递中, 神经末梢所释放的递质与位于突触后膜或效应器细胞膜上某种离子通道上的特异受体相结合, 引起分子变构及离子通道开放, 出现某种离子的跨膜流动, 进而导致通道所在细胞膜电位改变, 完成信号的跨膜传递过程 ( 化学信号通过跨膜传递后转变为电信号 ) 运动神经纤维末梢引起它所支配的骨骼肌细胞兴奋的信息传递系统, 是目前研究得比较清楚的, 也是最早开始研究的 早已知道, 乙酰胆碱分子与 N- 型受体相结合, 引起终板膜产生电变化 目前已将这种可与乙酰胆碱结合的蛋白质提纯, 并基本搞清了它的分子结构及其在膜中的存在形式 这是一种分子量约为 290 kd 的蛋白质, 为一五聚体 ( 图 ), 由 和 四种亚单位按 2 比例构成 每个亚单位都有 4 个跨过膜疏水区的 螺旋, 分别称为 M 1 M 2 M 3 和 M 4,5 个亚单位中的 M 2 共同构成通道的内壁 2 个 亚单位上存在着乙酰胆碱的结合位点, 以前称为乙酰胆碱受体 实际上, 这种蛋白质本身是一种离子通道, 其 单位具有与乙酰胆碱分子特异结合的能力, 应称为 N- 型乙酰胆碱门控通道 但为了说明化学门控通道也具有受体功能, 也可称它们为通道型受体 当 2 分子乙酰胆碱与 2 个 亚单位上的乙酰胆碱结合位点结合时, 导致蛋白质分子变构, 离子通道开放,Na + 内流而 K + 外流, 引起终板膜上的去极化, 即终板电位, 完成信号的跨膜转导 目前认为, 以这种膜通道跨膜信号传递方式的化学物质除乙酰胆碱外, 还有谷氨酸 门冬氨酸 - 氨基丁酸和甘氨酸等 2. 电压门控通道介导的跨膜信号转导途径电压门控通道具有同化学门控通道类似的分子结构, 但控制这类通道开放与关闭的因素, 是这些通道所在膜两侧的跨膜电位的改变 ; 当细胞外电变化信息到达时, 可引起所在细胞的跨膜电位变化, 在细胞膜上这类通道的分子结构中, 存在一些对跨膜电位的改变敏感的结构域或亚单位, 由后者诱发整个通道分子功能状态的改变, 进而改变相应离子的易化扩散, 引起膜自身出现动作电位,

24 完成信号的跨膜转导 如 Na + K + 和 Ca 2+ 等电压门控通道 3. 机械力敏感 ( 门控 ) 通道介导的跨膜信号转导途径许多细胞的表面膜存在能感受机械性刺激并引起细胞功能改变的通道样结构 例如, 内耳毛细胞顶部的听毛在受到切向力的作用产生弯曲时, 毛细胞会出现短暂的感受器电位, 这也是一个跨膜信号转导, 即外来机械性信号通过膜结构内的某种过程, 引起细胞出现电变化 据精细观察, 从听毛受力而致听毛根部所在膜的变形, 到该处膜出现跨膜离子移动, 其间只有极短的潜伏期, 因而推测可能是膜的局部变形或牵引直接激活了附近膜中的机械门控通道 除毛细胞外, 心室肌细胞 血管平滑肌以及某些神经胶质细胞等处的细胞膜中, 也有特殊机械门控通道蛋白质的存在, 使这些细胞对机械刺激发生反应 图 N- 型乙酰胆碱门控通道的分子结构示意图 A:5 个亚单位在细胞膜中的存在形式 ;B:5 个亚单位聚合成一个通道分子, 构成一个水性通道 ;C: 各个亚单位所包含的 4 个 螺旋各有其特定的位置 ( 二 )G- 蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导途径 对这种类型的跨膜信号传递的研究, 首先是从对激素的作用机制探讨开始的 二十世纪 60 年代在研究肾上腺素引起肝细胞中糖原分解为葡萄糖的作用原理时, 发现如果使肾上腺素单独同分离出的肝细胞膜碎片相互作用, 可以生成一种分子量小 能耐热的物质, 当把这种物质同肝细胞的胞浆单独作用时, 也能引起胞浆糖原的分解, 同肾上腺素作用于完整的肝细胞时有类似的效应 这个颇具说服力的实验提示, 在肾上腺素正常起作用时, 它只是作用于肝细胞的膜表面, 通过某种发生在膜结构中的过程, 先在膜内侧胞浆中生成上述小分子物质, 后者再实现肾上腺素分解糖原的作用 这种小分子物质后来被证明是一种环核苷酸, 称为环 - 磷酸腺苷 (cyclic AMP, camp) 以后又陆续发现, 很多其他激素类物质作用于相应的靶细胞时, 都是先同膜表面的特异性受体相结合, 再引起膜内侧胞浆中 camp 含量的改变, 实现激素对细胞内功能的调节 这样, 就把 camp 称作第二信使 (second messenger), 这是相对于把激素分子这类外来化学信号看作第一信使而言的 导致 camp 产生的膜结构内部的过程颇为复杂, 它至少与膜中三类特殊的蛋白质有关 第一类是能与到达膜表面的外来化学信号作特异性结合的受体蛋白质, 其位于膜内的 C- 末端和三个连接跨膜螺旋段的肽链, 则与激活膜内侧另一种蛋白质即 G- 蛋白有关 第二类即 G- 蛋白, 是鸟苷酸结合蛋白 (guanine nucleotide-binding protein) 的简称, 可对膜结构中 ( 位置靠近膜的内侧面 ) 的第三类称为膜的效应器酶的蛋白质起作用, 后者的激活 ( 或被抑制 ) 可以引致胞浆中第二信使物质的生成增加 ( 或减少 ) 许多化学信息物质与细胞膜受体结合后, 有着类似的过程, 即受体变构, 激活 G- 蛋白, 后者再激活 G- 蛋白效应器酶, 第二信使的生成量改变, 进而使蛋白激酶活性改变,

25 调节细胞内的反应 在这一跨膜信号转导系统中, 作为信息传递者的化学物质, 除大部分是激素分子外, 神经递质类物质和一些细胞因子也可以引起细胞产生第二信使 这一系统中的受体属于同一蛋白质家族, 都由约 300~400 个氨基酸残基组成,N 端在膜外,C 端在膜内, 之间有 7 个跨过膜疏水区的 螺旋 受体蛋白质与膜上的 G- 蛋白有功能耦联关系, 因而这类受体称为 G- 蛋白耦联受体 (G-protein-coupled receptor) G- 蛋白是存在于细胞膜上的一类蛋白质家族 不同的受体可激活不同的 G- 蛋白, 不同的 G- 蛋白激活的效应器酶不同, 引起的生理学效应也不同 G- 蛋白是由 三种亚单位构成的不均一三聚体 亚单位上的鸟苷酸结合位点可结合 GDP 或 GTP, 其具有 GTP 酶活性, 可将 GTP 水解成 GDP 及 Pi 亚单位结合紧密, 起着调节 亚单位的作用 在 G- 蛋白未被激活时, 亚单位结合 GDP, 并与 亚单位构成无活性的三聚体 当受体与激素等第一信使结合后, 激活的受体可与 G- 蛋白相互作用, 亚单位释出 GDP 并立即结合 GTP, 此时 亚单位与 亚单位解离 游离的 亚单位对效应器酶蛋白有调节作用, 引起第二信使生成的量改变 ( 图 ) 值得指出的是, 被某种受体激活了的 G- 蛋白, 可不通过第二信使而直接作用于细胞膜上的离子通道使其对某种离子的通透性发生改变 图 G- 蛋白介导的跨膜信号转导途径模式图大量的细胞外信号分子是通过 G- 蛋白耦联受体把信号转导至细胞内, 并引发生物效应 它们大致可归纳为以下几条途径 1.cAMP-PKA 途径激素等与细胞膜上的特异受体结合后, 通过一种兴奋性 G- 蛋白 (stimulatory G protein, Gs) 激活腺苷酸环化酶, 使胞浆中的第二信使 camp 生成量增加 camp 可激活依赖 camp 的蛋白激酶 A(protein kinase A,PKA), 引起多种细胞内蛋白质的磷酸化, 进而完成激素对细胞功能的调节 对一些关键酶的共价磷酸化是调节代谢途径的快速方式 ; 蛋白激酶 A 可磷酸化钙通道, 引起大量 Ca 2+ 内流 ; 磷酸化微管蛋白, 改变其构象, 引发细胞的分泌功能 进入核内的 PKA 可磷酸化转录因子相关蛋白, 调节基因转录 抑制性 G- 蛋白 (inhibitory G protein, Gi) 可抑制腺苷酸环化酶, 使胞浆中的 camp 量减少 2.IP 3 -Ca 2+ 途径当激素 神经递质等与相应受体结合后, 可通过 G- 蛋白介导激活一种位于细胞膜上的磷脂酶 C(phospholipase C,PLC), 后者可将磷脂酰肌醇二磷酸 (phosphatidyl inositol-4, 5-biphosphate, PIP 2 ) 水解成三磷酸肌醇 (1, 4, 5-inositol triphosphate, IP 3 ) 及甘油二酯 (diacylglycerin, DG), 这二者都是第二信使 在内质网 ( 或肌质网 ) 膜表面有 IP 3 受体, 其亚单位的羧基端部分构成钙通道 当 IP 3 与 IP 3 受体结合后, 受体变构, 钙通道开放, 贮存于内质网的 Ca 2+ 释入胞浆内, 使胞浆内 Ca 2+ 浓度升高 胞液 Ca 2+ 浓度升高,

26 可以激活 Ca 2+ / 钙调蛋白依赖性蛋白激酶, 在体内发挥生理性调节作用 如钙调蛋白激酶磷酸化平滑肌的肌球蛋白轻链后, 可引起平滑肌收缩或张力增加 3.DG-PKC 途径如前述, 当激素等与受体结合, 通过 G- 蛋白激活 PLC 后, 可将 PIP 2 水解成 IP 3 及 DG 近年来发现 DG 还可来自磷脂酰胆碱 ( 卵磷脂 ) 激素经受体 G 蛋白介导, 还可激活磷脂酶 D, 在 Ca 2+ 存在下, 可将磷脂酰胆碱水解为磷脂酸, 后者再被磷脂酸磷酸水解酶水解成 DG 这二种来源的 DG 都能活化蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC), 激活的 PKC 可促进细胞膜 Na + /H + 交换蛋白磷酸化, 增加 H + 外流 ;PKC 激活也可通过磷酸化转录因子, 调节基因转录过程 4.G 蛋白 - 离子通道途径 G 蛋白通过两种机制调节离子通道 (1) 直接机制 : 少数 G 蛋白可以直接调节离子通道的活动, 不需第二信使的参与 直接受 G 蛋白调节的离子通道主要有 Ca 2+ K + 通道 (2) 间接机制 :G 蛋白间接调节离子通道的方式, 是通过第二信使和 / 或第二信使下游的蛋白激酶调节离子通道的活动, 实现信号转导 ( 图 ) ( 三 ) 酶耦联受体介导的跨膜信号转导途径 1. 酪氨酸激酶酪氨酸激酶耦联的受体可分为两类 : 一类受体分子具有酶的活性, 即受体与酶是同一蛋白分子, 称为具有酪氨酸激酶的受体 (tyrosine kinase receptor) 或受体酪氨酸激酶 (receptor tyrosine kinase,rtk); 另一类受体本身没有酶的活性, 但当它被配体激活时, 立即与酪氨酸激酶结合并使之激活, 称为结合酪氨酸激酶的受体 (receptor-associated tyrosine kinase) 酪氨酸激酶是一类能催化蛋白质酪氨酸残基磷酸化的蛋白激酶, 该酶可催化自身或底物的酪氨酸残基磷酸化 (1) 具有酪氨酸激酶的受体该类受体都是贯穿脂质双层的膜蛋白, 一般只有一个跨膜 螺旋, 它在膜外侧有与配体结合的受体位点, 而它伸入胞浆的一端具有酪氨酸激酶的结构域 当膜外的信号分子 ( 如生长因子等 ) 与它的受体位点结合时, 就引起胞浆侧的酪氨酸激酶结构域的激活, 导致受体自身及 / 或细胞内靶蛋白的磷酸化, 激活细胞内信号转导通路 ( 图 )

27 图 受体酪氨酸激酶介导的信号转导 生长因子与受体酪氨酸激酶 (RTK) 相结合, 首先导致相邻受体二聚化和受体胞浆侧分子自身磷酸化, 生长因子受体结合蛋白 2(growth-factor receptor binding protein 2, GRB2) 与二聚化受体结合并激活一个鸟苷酸释放因子 SOS,SOS 的激活使单体 G 蛋白 Ras 活化, 活化的 Ras 蛋白结合并激活蛋白激酶 Raf(MAPKKK), 后者又依次激活 MAPKK 和 MAPK, 由此激活细胞内信号转导通路 (2) 结合酪氨酸激酶的受体此类受体的分子结构中没有蛋白激酶的结构域, 但是一旦与细胞外的配体结合而被激活, 就可和细胞内的酪氨酸激酶形成复合物, 并通过对自身和底物蛋白的磷酸化作用把信号转入细胞内 这类受体包括生长素 白细胞介素 干扰素等受体 这些受体一旦与配体结合便可进一步结合并激活细胞内的酪氨酸激酶 ( 如 JAK), 与受体结合的酪氨酸激酶就会使不同的靶蛋白磷酸化, 导致细胞内效应 ( 图 )

28 图 经生长素受体的信号转导 生长素 (growth hormone, GH) 与其受体结合首先诱导受体分子二聚化, 二聚化的受体与酪氨酸激酶 JAK( 酪氨酸激酶 Janus 家族的一个成员 ) 结合并使之激活, 引起受体和 JAK 自身的磷酸化, 磷酸化的 JAK 与胞浆内另一种酪氨酸激酶 STAT( 转录信号转导与激活蛋白 ) 结合并使之磷酸化, 磷酸化的 STAT 与 JAK 分离并以二聚体的形式进入胞核, 激活基因转录 2. 鸟苷酸环化酶生物组织中存在着膜结合型与可溶性鸟苷酸环化酶 尿钠肽等可与膜结合型鸟苷酸环化酶专一性受体功能域结合, 可使环化酶活化 可溶性鸟苷酸环化酶可被气体性信使 NO 和 CO 激活 环化酶的活化可催化 GTP 转变为 cgmp, 促使细胞内 cgmp 水平升高 cgmp 可以调节 cgmp 门控通道 磷酸二酯酶和 cgmp 依赖性蛋白激酶的活性, 引发生理效应 ( 夏强 )