细胞的基本功能

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1 细胞膜 (cell membrane) 物质转运

2 细胞膜 细胞质 细胞核

3

4 细胞膜结构的研究历史 1. E. Overton 1895 推测细胞膜由连续的脂类物质组成

5 2. E. Gorter & F. Grendel 1925 推测细胞膜由双层脂分子组成

6 3. J. Danielli & H. Davson 1935 提出了 蛋白质 - 脂类 - 蛋白质 的三明治模型

7 4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片, 显示暗 - 明 - 暗三层结构, 厚约 7.5nm 这就是所谓的 单位膜 模型 它由厚约 3.5nm 的双层脂分子和内外表面各厚约 2nm 的蛋白质构成

8 合理性 : 生物膜形态学上的共性, 与观察到的膜形态吻合质膜有高电阻 ; 脂溶性的不同物质, 通透性不同 不足 : 把膜看成是静止的, 各种生物膜功能上差异性 ;

9 5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972 流动镶嵌模型 不对称性 : 蛋白质表现出分布的不对称性 流动性 : 膜蛋白和膜脂可作各向运动

10 膜脂 (membrane lipids) 的分子运动 1 侧向扩散运动 2 旋转运动 3 摆动运动 4 伸缩震荡运动 5 翻转运动 6 旋转异构化运动

11 膜蛋白 (membrane protein) 的流动 细胞融合技术观察蛋白质运动

12 光脱色恢复技术 (FRAP)

13 6. Wallach 1975 晶格镶嵌模型 1 脂质相变无序 ( 液态 ) 有序 ( 固态 ) 2 膜蛋白对脂类分子的活动有控制作用 界面脂 晶格

14 物质的跨膜运输 被动转运 (1) 单纯扩散 (2) 易化扩散 主动转运 (1) 原发性主动转运 (2) 继发性主动转运 出胞与入胞式转运

15 一 被动转运 (passive transport)

16 ( 二 ) 单纯扩散 (simple diffusion) 1 沿浓度梯度 ( 或电化学梯度 ) 跨膜扩散 2 扩散方向和速度决定于 : 该物质在膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性 3 无需消耗能量 ( 分子热运动扩散 ) 4 无需膜蛋白的协助, 没有饱和现象

17 ( 三 ) 易化扩散 (facilitated diffusion) 1 顺电化学梯度, 不耗能 2 膜蛋白对转运的物质具有选择性 3 膜通透性可变 4 有以下两种类型 : 经载体介导易化扩散 经通道介导易化扩散

18

19 经载体介导易化扩散 1 顺浓度梯度转运 2 存在饱和现象 3 具有结构特异性 4 有竞争性抑制

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21 离子通道

22 化学门控通道 通道的开放与关闭是受到精确调控的, 有些只有在它所在膜的两侧出现某种化学信号时才开放, 称为化学门控通道 (chemically-gated channel)

23 电压门控通道 有些则由所在膜两侧电位差的变化决定其开 闭, 称为电压门控通道 (voltage-gated channel)

24 机械门控通道 有些则由所在膜所受压力不同而决定其开放的称机械门控通道 (mechanically-gated ion channel)

25 水通道 (aquaporin) 水通道蛋白质在生物界普遍存在 在人类细胞中已发现至少有 11 种 如 AQP0-9 等均具有选择性的让水分子通过的特性

26 离子选择性 (ion selectivity)

27 二 主动转运 (active transport) 细胞通过本身的某种耗能过程将某种物 质分子或离子逆着电化学梯度由膜的一侧 移向另一侧的过程

28 细胞外液与细胞内液主要成分 成分细胞外液细胞内液 Na K Ca 2+ 1 游离 Mg Cl 有机负离子 155 ( 单位 :mmol/l)

29 (1) 原发性主动转运 在主动转运中如果所需的能量是由 ATP 直接提供的主动转运过程, 则称为原发性主动转运 钠钾泵 A. 是镶嵌蛋白质, B. 能逆着浓度差将细胞内的 Na + 移出膜外, 细胞外的 K + 移入膜内 C. 本身具有 ATP 酶的活性

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31 细胞膜上的钠泵活动的意义 : A. 造成的细胞内高 K + 是许多代谢反应进行的必要条件 B. 维持细胞正常形态 C. 建立起一种势能贮备, 即 Na + K + 在细胞膜内外的浓度势能 D. 是可兴奋细胞 ( 组织 ) 兴奋的基础, 也可供其它耗能过程应用

32 钙泵 (Ca-ATP 酶 ) 质子泵 (H + -K + -ATP 酶 ) 是一种镶嵌于壁细胞顶膜的转运蛋白, 具有转运 H + K + 和催化 ATP 水解的功能 选择性抑制质子泵的药物 ( 如奥美拉唑 ) 可有效的抑制胃酸的分泌

33 (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来自 ATP 的分解, 而是来自比如 Na + 在膜两侧的浓度势能差, 后者是钠泵利用分解 ATP 释放的能量建立的 这种间接利用 ATP 能量的主动转运称为继发性主动转运 例 : 小肠粘膜上皮吸收葡萄糖 氨基酸

34

35 反向 同向

36 Models of epithelial solute transport

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38 被动转运 主动转运

39 离子通道病 Channelopathies K : 新生儿惊厥 共济失调 癫痫 长 QT 综合征 Jervell 和 Lange-nielsen 综合征 Andersen 综合征等. Na : 周期性麻痹 先天性副肌强直 各型钾加重的肌强直 先天性肌无力 长 QT 综合征 1- 型假性醛固酮减少症 Liddle 综合征 全面性癫痫热性发作叠加症等. Ca : 家族性偏瘫型偏头痛 低钾型周期性麻痹 2- 型发作性共济失调 6- 型脊髓小脑共济失调 中央脊髓性肌病 恶性高热 Lambert-Eaton 肌无力综合征 癫痫等. Na : 先天性肌强直 (Thomsen 型 ) 隐性遗传全身性肌强直 (Becker 型 ) 囊性纤维化病 遗传性肾结石病 3- 型 Bartter 综合征等.

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41 三 大分子和颗粒物质的跨膜运输 : 膜泡转运

42 出胞与入胞式转运 出胞 (exocytosis): 见于内分泌腺分泌激素, 外分泌腺分泌酶原颗粒或粘液, 神经细胞分泌 释放神经递质, 是一个比较复杂的耗能过程 入胞 (endocytosis) : 是指细胞外某些物质团块, 例如细菌, 病毒 异物 血浆中脂蛋白及大分子营养物质等进入细胞的过程 被摄取的物质如果是固体, 则可形成较大的囊泡, 称为吞噬作用 如果是微小的液滴状液体则形成较小的囊泡, 称为胞饮

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44 受体介导式入胞 (receptor-mediated endocytosis) 特异性过程选择性浓缩 ( 被转运物质 ) 配体 受体

45 由受体介导的入胞, 一些激素或生长因子运输蛋白及细菌 ( 统称配体 ) 都是通过细胞膜表面特异受体作用而入胞 其过程是 :1 配体被受体识别,2 配体 - 受体复合物向有被小窝集中 3 吞食泡形成 4 吞食泡与初级溶酶体融合形成次级溶酶体 5 配体与受体分离 6 配体转运到其它细胞器中 7 循环小泡形成, 膜再利用

46 低密度脂蛋白 (low density lipoprotein, LDL ) 的摄入

47 四 大分子物质的跨核膜转 由核定位信号或出核运送信号介导 核被膜 : 由核膜 核孔复合体 (NPC) 和核纤层蛋白组成

48

49 ( 一 ) 蛋白质的入核转运 核定位信号 (NLS) 核定位受体 (NLS-R) ( 二 ) 大分子物质的出核转运 核内大分子物质 : 蛋白质 RNA 出核运送信号 (NES)

50

51 1. 物质跨膜运输的方式 2. 离子通道的功能

52 细胞信号转导 (cellular signal transduction)

53 信号转导网络 (signal network) 信号接收 信号转导 m7g NH2 AAAAA 细胞骨架 应答反应 Translation 转录因子染色质相关蛋白 RNA 加工蛋白 RNA 转运蛋白细胞周期蛋白

54 信号的分类 物理信号 : 电 光 磁场 机械刺激 化学信号 : 细胞间通讯 : 神经递质 激素 生长因子 细胞因子 气体分子细胞内通讯 :G 蛋白 效应酶 第二信使 蛋白激酶 蛋白磷酸酶

55 跨膜信号转导 (transmembrane signal transduction)

56 受体与配体 配体 (ligand): 指与相应受体结合, 并发挥传递信息作用的细胞外信号分子, 即第一信使 大多数不进入细胞, 与膜受体结合 ; 少数入细胞与胞内 / 核内受体结合 内源性配体 : 神经递质, 激素, 免疫活性物质, 生长因子 外源性配体 : 药物等

57 受体 (receptor): 指细胞膜或细胞内能与配体发生特异性结合并诱发生物学效应的物质 膜受体 (membrane receptor) 接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其它细胞表面的信号分子, 如生长因子 细胞因子 水溶性激素分子 粘附分子等 细胞内受体 (intracellular receptor) 接收的信号为直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂溶性化学信号分子, 如类固醇激素 甲状腺素 维甲酸等

58 膜受体 (A) 离子通道耦联受体 (B) 七跨膜受体 (G 蛋白耦联的受体 ) (C) 单次跨膜受体 a. 催化性受体 b. 酶耦联受体

59 离子通道耦联的受体 阳离子通道受体 : NMDA, N-Ach 阴离子通道受体 : GABA A, 甘氨酸 是有多亚基组成受体 / 离子通道复合体, 除本身有信号接受部位外, 又是离子通道, 其跨膜信号转导无需中间步骤, 反应快, 一般只需几毫秒 离子通道受体信号转导的最终作用是导致了细胞膜电位改变, 即通过将化学信号转变成为电信号而影响细胞功能

60 N-Ach 受体 5 个亚单位 (ααβγδ) α:ach 结合位点 Na+ 通道 3 种构象 ( 关闭 - 结合打开 - 结合关闭 )

61

62 G 蛋白耦联的受体 (GPCR,G-protein-coupled receptor )

63 1. 最大的受体家族 2. 受体家族结构相似 : 膜外与配体结合 跨膜七次 膜内与 G 蛋白结合

64 G 蛋白循环

65 哺乳动物细胞中的 Gα 亚基种类及效应 G α 种类效应分子 细胞内信使 靶分子 a s AC 活化 camp PKA 活性 a i AC 活化 camp PKA 活性 a q PLC 活化 Ca 2+ IP 3 DAG PKC 活化 a t cgmp-pde 活性 cgmp Na + 通道关闭

66

67 G 蛋白直接调节离子通道 视杆细胞膜上富含 cgmp- 门控阳离子通道 嗅觉细胞核苷酸 - 门控钙通道 GirK 钾通道

68 单次跨膜受体 胞外 : 与配体结合 跨膜 :1 次 胞内 : 有或者没有酶活性 催化型受体 ( 受体 = 酶 ) 酶耦联的受体 ( 受体 + 酶 ) PTK 受体 Ser/Thr PK 受体 蛋白磷酸酶受体 GC 受体 PTK 耦联受体

69 单次跨膜受体大部分是生长因子和细胞因子的受体, 它们所介导的信号转导通路主要是那些调节蛋白质的 功能和表达水平 调节细胞增殖和分化

70 具有各种催化活性的受体 英文名中文名举例 receptors tyrosine kinase (RTKs) tyrosine kinase-coupled receptors (TKCRs) receptors tyrosine phosphatase (RTPs) receptors serine/threonine kinase (RSTK) receptors guanylate cyclase (RGCs) 受体型蛋白酪氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶偶联受体 受体型蛋白酪氨酸磷酸酶 受体型蛋白丝 / 苏氨酸激酶 受体型鸟苷酸环化酶 表皮生长因子受体 胰岛素受体等 干扰素受体 白细胞介素受体 T 细胞抗原受体等 CD45 转化生长因子 β 受体 骨形成蛋白受体等 心钠素受体等

71 机械刺激信号的传导

72

73 How do cells respond to mechanical stimuli?

74 跨膜信号转导的方式 机械信号的转导

75 细胞的生物电现象

76 生物电现象 生物体在生命活动过程中都伴随有电的现象 Galvani.A.

77 脑电图 (Electroencephalogram, EEG)

78 心电图 (Electrocardiography,ECG)

79 肌电图 (Electromyography,EMG)

80 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963 for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane Sir John Carew Eccles Alan Lloyd Hodgkin Andrew Fielding Huxley Australian National University University of Cambridge, London University Canberra, Australia Cambridge, United Kingdom London, United Kingdom

81

82

83 mv 0-70

84 mv

85 静息电位 (resting potential) 细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差 ( 膜内为负, 膜外为正 ) 骨骼肌细胞 神经纤维 红细胞 -90 mv -70mV~-90mV -10mV

86 静息条件下细胞内外离子的通透状态 主要离子 膜内 离子浓度 ( mmol/l ) 膜外 膜内外离子比例 通透性 N a :10 小 K :1 大 Cl :30 较大 A 无

87 Nernst 方程 计算 K + 的平衡电位 (equilibration potential) E = RT ZF [ K ln [ K + K + ] ] o i ( V ) 4

88 静息电位形成的条件 两个条件 :1. 细胞内外离子浓度差 2. 细胞膜对离子的选择性通透 两个力量 : 动力 浓度差 电位差阻力 电位差 一个平衡 : 离子的平衡电位

89 静息电位的产生机制 膜内高 K + 膜外高 Na + 的不均衡分布 安静状态时, 膜主要对 K + 离子有通透性 K + 外流形成 K + 平衡电位 浓度梯度使 K + 向外易化扩散 K + ++ K + K + 平衡电位 电位梯度反抗 K + 向外扩散 -- 静息电位近似于 K + 平衡电位

90 问题 : 为什么实际测得的静息电位接近于但并不等于 ( 略小于 )E K? E m = P K P + K P Na E K + P K P + Na P Na E Na 5

91 影响静息电位水平的因素 1) 膜内外 K + 浓度差 2) 膜对 K + 和 Na + 的相对通透性 3) 钠 - 钾泵生电作用 6

92 Na + - K + 泵在耗能的情况下建立的膜内高 K + 膜外高 Na + 状态, 是产生各种细胞生物电现象的基础 而这两种离子通过膜结构中的电压门控性 K + 通道和 Na + 通道的易化扩散, 是形成神经和骨骼肌细胞静息电位和动作电位的直接原因

93 静息电位的变化 极化 (polarization): 安静时, 膜两侧电位外正内负超极化 ( hyperpolarization) 膜两侧电位差加大, 膜内负值增大去极化 (depolarization) 膜两侧电位差减小, 膜内负值变小复极化 ( repolarization) 去极化后, 膜内电位向逐渐变大, 恢复到静息电位状态

94 动作电位 (action potential) 动作电位 : 可兴奋细胞受刺激而兴奋时, 细胞膜在静息电位的基础上产生的一次可扩布的电位变化, 是细胞兴奋的标志 阈电位 (threshold membrane potential) 膜去极化到达爆发动作电位的临界膜电位

95 上升支 : 细胞受刺激达到一定程度时, 膜上的钠通开放, 因膜外钠浓度高于膜内且受膜内负电的吸引, 故钠内流引起上升支直至内移的钠在膜内形成的正电位足以阻止钠的净移入时为止

96 下降支 : 钠通道关闭, 钾通道开放, 钾外流引起 随后钠泵工作, 泵出钠 泵入钾, 恢复膜两侧原浓度差

97 证明 1AP 超射值与 Nernst 公式计算的 E Na 值相近 2 人工地改变细胞外液 Na 浓度, 动作电位上升支及其幅度也随之改变 3 河豚毒阻断 Na 通道后, 动作电位幅度降低或消失

98 静息电位与动作电位的比较 项目 膜电位 静息 电位 动作电位 峰电位后电位上升支下降支负后电位正后电位 产生机制 K + 外流 Na + 内流 K + 外流 K + 外流 钠泵活动 平衡电位 E K E Na E K 通道 阻断剂 电荷分布状态 四乙胺河豚毒素四乙胺四乙胺 极化 去极化 ( 含反极化 ) 复极化未恢复到 RP 特点稳定快速 可扩布的电位变化 轻度超极化

99 动作电位的特点 全或无 是可以沿细胞膜向周围迅速传播, 直至整个细胞的质膜都依次发生动作电位, 而且在传播的过程中是不衰减的, 其幅度和波形始终保持不变 发生后的一段时间内, 对任何强度的刺激都不再发生反应, 这段时间称为不应期

100 动作电位的产生条件 阈刺激 阈上刺激 Na + 通道开放,Na + 内流 去极化 阈电位 爆发动作电位 阈下刺激 少量 Na + 通道开放, 少量 Na + 内流 微弱去极化 局部反应 总和 阈电位 爆发动作电位 局部反应 : 阈下刺激引起的达不到阈电位的局部去极化

101 局部反应

102

103 Diagram of the site of AP generation (A) & the density of voltage-gated Na + channels (B)

104 动作电位和局部反应的比较 项目动作电位局部反应 刺激强度阈刺激或阈上刺激阈下刺激 开放的钠通道多较少 电位变化幅度大 ( 阈电位以上 ) 小 ( 阈电位以下 ) 不应期有无 总和无有 ( 时间或空间 ) 全或无 特点 有 传播特点不衰减不能远传 无

105 动作电位的传导 本质 :AP 在细胞膜上依次发生的过程 特点 : 不衰减地双向传导 机制 : 局部电流学说

106 动作电位传导机制 兴奋部位与未兴奋部位的膜存在电位差, 形成局部电流, 刺激未兴奋部位去极化达阈电位,Na + 通道开放, 产生 AP

107 无髓神经

108 有髓纤维 : 跳跃式传导

109 细胞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 完全恢复正常

110 动作电位与兴奋性变化的关系 分期 与 AP 的关系 兴奋性 绝对不应期 峰电位 下降到零 相对不应期 负后电位前期 逐渐恢复, 低于正常 超常期 负后电位后期 高于正常 低常期 正后电位 低于正常

111

112 1. 静息电位的产生 2. 动作电位的产生

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