生命科学导论 上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology Shanghai Jiao Tong University http://bioscience.sjtu.edu.cn
第七讲 生物体内的信息传递 一 信息传递是生命活动的重要内容二 神经系统在信息传递中的作用三 激素系统和细胞信息传递四 神经 激素配合作用控制体内稳态
一 信息传递是生命活动的重要内容 ( 本节见参考书第 153-164 页 ) 1 生命活动中充满着信息交流生命活动的基本内涵是维持和延续生命, 包括 : 觅食 繁殖和躲避危险等环节
生命活动的每个环节都充满着信 息的交流 同一种群个体之间 雄性和雌性之间 信息交流 猎食者和猎物之间
美洲猎豹用撒尿标记自己的领地
雄松鸡向雌松鸡做求偶表演
蚜虫接受警戒信号后逃避危险
猎豹追赶狒狒
2 生物体内部的信息协调 每个生物体都是信息发送源, 又是信息接受体 信息的发送包括 : 光 形体动作 声 气味等等 物理的化学的
信息发送 信息接受
长鼻蝙蝠靠发送超声波, 折 回后, 再接受, 来探路
章鱼显然看到了装在玻瓶中的虾
雄蛾的触角可以 嗅 到十一公里外雌蛾发出的气味
生物体不仅接受外界环境的信息, 用以调整内部的代谢 动作与行为, 而且, 生物体内部组织器官之间, 亦不断的发出和接受信息, 以协调整体的代谢状态 生命活动 这一讲的主要内容集中在协调个体内部的生物信息传递过程
人体各大系统
泌尿系统
消化系统
呼吸系统
循环系统
人体协调内部的生物信息过程主要 涉及两个系统 : 神经系统 激素系统 协调内 外 主要协调内部 哺乳动物和其他较为低等的动物亦有 这两个系统
二 神经系统在信息传递中的作用 ( 本节见参考书第 164-184 页 ) 1 神经系统协调生物体对外界的反应 (1) 人体的一个简单的反应 膝跳反射
膝跳反射示意图
膝跳反射实际上是两个神经 元细胞分别联系着 感受器 ( 肌梭 ) 效应器 ( 横纹肌 )
感受器和效应器
(2) 实际上, 人的神经活动, 都会不同程度的受到脑的影响, 所以, 在大多数情况下, 神经元细胞之间联系要比上述协调膝跳反射更复杂一些
三种神经元之间的联 系
人的神经系统是世界上最复杂 最精密的信息处理系统 大脑的收集 汇总 分析 处理信息的能力是当今任何最先进的计算机和网络系统所不可比拟的
(3) 神经系统中担负神经传导的 基本结构和功能单位是神经细胞, 即神经元
另外, 还有几种神经胶质细胞, 它们不担负神经传导任务, 主要是起 着帮助和支持神经元的作用 神经系统 神经元 神经胶质细胞
2 神经元的结构 重要 神经元的细胞结构很特别, 由以下几部分组成 :(1) 细胞体 : 含有细胞核的膨大部分, 细胞体含细胞核和线粒体 高尔基体 尼氏体等 尼氏体是粗面内质网和游离核糖体的混合物 细胞体的表面膜有接受刺激功能
神经元的结构 细胞体 树突 轴突
(2) 树突 : 短分支的突起 树突的功能是接 受刺激, 传入刺激 (3) 轴突 : 每个神经元, 一般只有一条轴突,
轴突可以伸得很长 所以, 人的神经元可长达 1 m, 鲸的神经元可长达 10 m 轴突外面常包着充满磷脂的髓鞘 轴突的主要功能是传出神经冲动
树突短而分支无髓鞘接受和传入刺激 轴突长 / 末端有分支有髓鞘传出神经冲动
(4) 突触 : 轴突的末梢有若干分支, 每个分支的末端膨大形成小球状, 这是神经元传出神经冲动的终端 ; 通常, 在小球后面, 紧紧靠着另一个神经元的树突或细胞体, 或紧紧靠着一个效应细胞 ( 例如肌肉细胞或腺细胞 ) 的细胞膜
突触是神经细胞和接受神经信号的细胞之间的连接处 神经元
突触的种类 化学突触 : 通过化学物质来刺激效应细胞的突触电突触 : 通过生物电来刺激效应细胞的突触
不同神经元的差异 : 神经元虽然形态各异, 但都是由细胞体和从细胞体中延伸的突起组成
3 神经冲动的产生和传导 (1) 静息电位神经元在静息状态时, 即未接受刺激, 未发生神经冲动时, 细胞膜内积聚负电荷, 细胞膜外积聚着正电荷, 膜内外存在着 -70 mv 电位差
静息电位
造成静息电位的原因很多 其中一个主要原因是细胞膜上存在 Na +,K + ATP 泵, 这是一个具有 ATP 水解酶活性的蛋白质, 每水解一个 ATP 分子, 可将 3 个 Na+ 泵向膜外, 同时将 2 个 K+ 泵向膜内
Na +,K + ATP 泵工作原理图
(2) 动作电位 当神经细胞受到刺激时, 细胞膜的透性急剧变化, 大量正离子 ( 主要是 Na + ) 由膜外流向膜内, 使膜两侧电位从 -70mV, 一下子跳到 +35mV, 这就是动作电位 动作电位的产生, 意味神经冲动的产生
动作电位坐标图
动作电位的产生与传播具有以下特点 : 全或无 : 刺激强度不够, 不产生动作电位, 刺激达到或超过有效强度 ( 阈值 ), 动作电位恒定为 +35 mv 快速产生与传播 : 动作电位的产生很快, 大约仅需 1 ms 时间 动作电位一经产生, 很快从刺激点向两侧传播, 传播速度可达 100 m/s
神经冲动传导是神经纤维上顺序发生电化学变化的过程 神经纤维的某一点接受刺激后, 产生动作电位, 使膜电位反极化 此处与其相邻的一段神经纤维间存在电位差, 造成局部电流, 使相邻的一段神经纤维的细胞膜内外电位差减小, 当达到阈电位后可引发此段神经纤维的动作电位 由此神经冲动就可以在一根神经纤维上传递
不应期 : 产生动作电位需 再加上恢复到原来静息电位状态 1 ms 3-5ms 所以在一个刺激作用后, 直至恢复到静息电位状态, 总共 4-6ms 这段时间内, 神经细胞对新的刺激无反应, 称 为不应期
(3) 神经冲动在突触的传导 神经冲动沿着轴突, 基本上都是按照引起邻段发生动作电位方式向远端传播, 到了突触的地方, 如何跨越两层细胞膜之间的空隙, 传向后一个细胞?
跨越细胞间隙传导神经冲动的两 种方式 : 电突触 化学突触 间隙 2 nm 20 nm 传导 电位 神经递质 逆向 可以 不可以
仍以引起后面的细胞产生动作电位方式, 使神经冲动传播下去, 这种情况下的突触称为电突触 电突触的前后两层细胞膜之间间隙甚小, 不足 2nm 电突触常见于低等动物如 : 蚯蚓 虾 海参等
神经元在突触处释放化学物质, 称为神经递质 突触后细胞的细胞膜上有特殊受体, 与神经递质特异结合而使神经冲动的信号传播下去 这种情况下的突触称为化学突触
突触是神经细胞和接受神经信号的细胞之间的连接处
化学突触的前后两层细胞膜之间间隙较大, 约 20 nm 化学突触常见于高等动物, 如 : 脊椎动物, 人体
(4) 神经递质及其效应 1921 年德国科学家通过一个巧妙的实验第一次证实神经递质的存在 又经过 12 年, 到 1933 年由英国科学家 Henry H. Dale 证实, 这个化学物质是乙酰胆碱 两人因此项工作获 1936 年诺贝尔医学与理学奖
证明存在神经递质的实验 第一个蛙心脏的迷走神经产物 使第二个蛙心脏搏动减弱
迄今已发现的神经递质已有十几种, 大多数是一些有机小分子 还发现一些小肽类物质, 作用于神经细胞, 调节神经细胞对神经递质的感受性, 称为神经调节物
神经递质 神经调节物 Neurotransmitters neuromodulates 乙酰胆碱 正肾上腺素 内啡肽 等等 γ- 氨基丁酸 5- 羟色胺
神经递质由突触前细胞释放, 通 过受体作用于突触后细胞, 引起突触 后细胞的反应
若突触后细胞是神经细胞, 神经递质与受体结合可改变电位
神经递质 + 受体 直接 / 间接打开离子 通道, 改变膜电位 神经递质 + 受体 产生第二信使, 改变 胞内代谢引起收缩 排放等
突触后细胞是肌细胞或腺细胞同一神经递质可引起不同反应
(5) 一个神经元就是一个整合器 随时接受成百上千个信息, 进行加工, 作出决定 : 兴奋 / 抑制 随时输出大量信息至不同细胞
中枢神经系统 ( 脑 - 脊髓 ) 在信息加工中起关键作用 人体神经细胞体 90% 在脑 / 脊髓中 10% 在外周神经节
人脑的基本结构
左大脑半球皮层的功能定位 : 两大脑半球的侧面各有一条从上到下的沟, 为中央沟, 沟前为运动区, 沟后为感受区 大脑左右半球功能有较大的差别 左半球主要包含人的语言 数学计算和逻辑分析等理性思维联络区, 右半球则决定一个人的想像力 空间感觉 艺术与音乐的能力
6) 神经系统的演化 在动物长期进化的过程中, 动物神经系统经历了由简单到复杂 由分散到集中的演化 虽然单细胞原生动物 ( 如变形虫和草履虫等 ) 对外界环境的刺激也可产生缓慢的反应, 但这些低等动物其实并没有真正的神经系统 从腔肠动物开始才出现了最简单的神经系统
水螅的网状神经系统 : 神经细胞体位于外胚层 ( 皮层 ) 和内胚层 ( 胃层 ) 的基部, 神经细胞伸出纤维互相连接 ( 突触 ) 形成一个遍布全身的神经网 扁形动物的神经系统 : 初步集中成两侧对称的神经系统, 有两条腹神经索 昆虫 : 神经节向身体前部集中, 头部化 的程度更高, 脑变得发达, 成为全身的主宰 脊椎动物的神经 : 系统高度集中, 有一个位于身体背面的脑和脊髓
不同动物脑的变化 : (a) 鲨鱼脑简单, 主要处理一些感觉和运动信息 (b) 青蛙的脑灰质增多, 突触也大大增多, 大脑已经有了协调的功能 (c) 猪的脑容量增大, 表面扩大, 脑的褶皱也增加, 大脑半球从前向后延伸, 盖住脑的其他部分 (d) 人脑大部分用来综合各种复杂的信息, 如学习 记忆等等
三 激素系统和细胞信息传递 ( 本节见参考书第 184-189 页 ) 1 内分泌, 旁分泌和自分泌 激素系统的主要功能是保持生物 体个体内部的协调运作
激素系统原来一直称为内分泌系统 人有各种内分泌系腺, 激素是由内分泌腺分泌的有机分子, 由血循环带至身体各部分, 作用于特定的靶细胞, 只需很低浓度即可引起靶细胞给出独特的反应 人的内分泌系统及内分泌腺包括 : 松果体 下丘脑 脑垂体 甲状腺 甲状旁腺 胸腺 肾上腺 胰腺 性腺 ( 男性为睾丸, 女性为卵巢 ) 等
松果腺下丘脑脑下垂体 甲状腺甲状旁腺胸腺 肾上腺 ( 髓质 皮质 ) 胰腺 ( 兰氏小岛 ) ( 卵巢 ) 睾丸
生长激素异常巨人和侏儒
生长激素异常肢端肥大症
埃及金字塔上的浮雕显示, 公元前 1379-1362 年统治埃及的法老可能患有肢端肥大症
激素特征 : 来源 由内分泌腺分泌传播 无特定管道, 随血流传布作用 特定靶细胞效应 低浓度 强效应
后来发现, 不仅专门的内分泌腺, 人体许多细胞都有分泌激素的功能 例如, 哺乳类的几乎所有细胞都能分泌前列腺素, 前列腺素能引起平滑肌收缩, 血小板聚集, 炎症反应等多种生理效应
前体阿司匹林 ( 对氨基水杨酸 ) 前列腺素 炎症发热疼痛
还有一些细胞分泌激素, 可作用于自身 这样, 从分泌细胞调节目标的角度来看, 不仅有内分泌, 还有旁分泌和自分泌 这些细胞调节物统称为激素
内分泌 旁分泌
激素到底是什么?????
2 激素 - 两类信号分子 激素在体内的生理作用, 主要是调节细胞的代谢和行为 激素在浓度很低的情况下, 就能起很强的调节作用, 使靶细胞发生明显的变化 所以, 通常把激素称为信号分子 有时候, 神经递质也被称为信号分子
血流中一般 激素的浓度 突触间隙 乙酰胆碱 10-8 M 5 10-4 M
按分子性质可以把激素分为两大类 : 脂溶性激素 性激素 ( 固醇类 ) 肾上腺皮质激素甲状腺素水溶性激素 胰岛素 ( 肽类 ) 肾上腺素 ( 氨基酸衍生物 )
性激素就是一种固醇类化合物 雄性激素 雌性激素 一些固醇类化合物可以作为兴奋剂使用, 但同时也会对运动员带来损害.
胰岛素由 A 链和 B 链组成
3 受体 专一结合信号分子的蛋白质 激素能够特异地作用于靶细胞, 因为靶细胞有专一结合某种激素的受体 这种激素 受体复合物的形成是靶细胞接受激素信号, 作出一系列反应的开端
生长激素结合两个受体分子
4 脂溶性激素的信号传递途径 固醇类激素的受体在细胞质中 / 细胞核内 固醇类激素直接进入细胞, 和受体结合, 受体活化后, 能结合到 DNA 的特定位置, 调节基因表达 这些可以调节基因表达的受体又被称为转录调节因子
固醇类激素 细胞核 受体蛋白 固醇类激素信号途径 目标细胞的质膜 细胞质转录调节因子 Flash
5 水溶性激素的信号传递途径 肾上腺素与位于细胞膜上的受体相结合 活化后的受体推动腺苷酸环化酶的活化, 在该酶的催化下, 产生出环状腺苷酸 camp camp 再继续推动后面许多反应, 使细胞出现总效应, 最后使血糖上升
水溶性激素 ( 第一信使 ) 细胞质 水溶性激素信号途径 受体蛋白 目标细胞的质膜 影响细胞的功能 第二信使
水溶性激素启动基因的表达 (1) 激素与受体结合, 使 G 蛋白活化 (2) 活化的 G 蛋白活化腺苷酸环化酶, 催化生成 camp (3) camp 活化 PKA (4) PKA 进入细胞核, 催化 CREB 的磷酸化反应 (5) 磷酸化的 CREB 调节基因转录, 合成新的 mrna (6) mrna 指导合成某些酶, 从而调节生命体代谢
(1)cAMP 被称为第二信使 后来,c GMP Ca 2+ 等陆续被发现在细胞信号传递中, 起第二信使作用 通过第二信使, 推动后续多步反应 由第二信使推动的多步反应, 还具有使激素效应放大的作用
钙调蛋白结合 Ca 2+ 后活化 起来, 进而调节另一个酶 无活性的酶 X 钙调蛋白 复合物 有活性的酶 X 钙离子与钙调蛋白结合 钙调蛋白活化酶 X
糖分子刺激味蕾产生兴奋, 味蕾的解剖结构和味觉信息的传导 通过信号传导途径, 使味觉细胞膜上的 K + 通道关闭,Na + 通道打开, 即膜电位发生变化, 促进 Ca 2+ 流入, 进而释放神经递质, 将味觉冲动经舌咽神经 延髓 丘脑传送到大脑皮层
放大 通过第二信使, 推动后续多步反应, 还具有使激素效应放大的作用 放大 放大 放大
例 : 肾上腺素信号作用于肝细胞受体后通过信号传导途径引起的逐级放大反应 肾上腺素与受体结合, 可活化多个 G 蛋白, 进而活化多个腺苷酸环化酶, 催化 ATP 生成 camp 2 分子 camp 活化了 1 分子蛋白激酶 A,1 分子蛋白激酶 A 可活化多个磷酸化激酶,1 分子磷酸化激酶又可活化多个糖原磷酸化酶, 从而催化糖原生成更多的葡萄糖 通过此过程, 激素的作用就被一级级放大了
第二信使的基本特征 : 在激素作用下, 胞内最早反映出浓度变化 能够推动后续反应 浓度一度升高后, 能很快恢复, 准备应付后一个刺激
(2) 受体蛋白质磷酸化也可以是信号传递的开端 胰岛素和一些生长因子与它们相应的受体结合, 引起的第一步反应是使受体蛋白质本身磷酸化 磷酸结合在受体蛋白质分子中氨基酸残基上
生长因子受体磷酸化是信号传递的开端
由磷酸化的受体, 推动后面一步步反应, 使信号通过一个个蛋白质传下去, 直至活化能调节基因的蛋白质 转录因子
四 神经与激素配合作用 控制个体体内稳态 ( 本节见参考书第 197-199 页 ) 1 下丘脑 - 脑下垂体 - 内分泌系统 形成调控通路 激素的分泌受着神经系统的调控
化学物质 环境因素 主要的神经内分泌通路 血管 下丘脑 活化或抑制垂体 垂体腺 激素
下丘脑控制的脑垂体 分泌的激素及其作用 下丘脑是人身体内分泌系统的总枢纽, 它通过垂体将神经系统和内分泌系统有机的联系起来, 共同调节身体的机能并对体内外的刺激或信息作出反应
由下丘脑调控的垂体包括神经垂体和腺垂体 神经垂体接受从下丘脑传来的激素 ( 如图中的黑色小球 ), 再直接向外分泌这些激素 ( 如催产素 加压素等 ) 腺垂体接受到下丘脑传来的激素信号 ( 如图中绿色小球 ), 刺激内分泌细胞, 后者再分泌产生包括生长素等多种调节人体生理反应的激素 ( 如图中的紫色小球 )
下丘脑接收到身体受到寒冷刺激的信号时, 便产生促甲状腺释放素, 促甲状腺释放激素接着刺激腺垂体产生促甲状腺激素, 促甲状腺激素再直接刺激甲状腺分泌甲状腺素 甲状腺素能加速糖与脂肪氧化分解, 增加机体的产热量, 从而维持体温的恒定 当分泌到血液中的甲状腺素达到较高浓度水平时, 又会反过来抑制腺垂体产生促甲状腺激素, 这时甲状腺素的分泌便会减少
2 血糖水平的调控的复杂网络 肾上腺 : 胰岛 : 胰脏 : 肾上腺素 胰岛素 胰高血糖素
进食后, 血糖浓度增加的信号会促进 β 胰岛细胞分泌胰岛素 胰岛素能促进肌细胞和肝细胞吸收利用葡萄糖并将其合成为糖原, 因此血糖浓度下降, 血糖浓度降低的信号反过来又抑制了胰岛素的分泌
饥饿时, 血糖浓度过低的信号又会刺激 α 胰岛细胞分泌胰高血糖素, 同时刺激肾上腺髓质分泌肾上腺素, 在这两种激素的作用下, 肝和肌肉中的糖原被分解为葡萄糖
在上述内分泌腺及激素共同作用的调节下, 人体血糖浓度在正常水平上下波动, 相对平衡, 从而保证了体内各组织代谢的能量供应
另外, 经过较长时间的饥饿 : 肾上腺素连续刺激下丘脑产生促肾上腺皮质激素释放因子并作用于腺垂体, 使腺垂体产生促肾上腺皮质激素, 后者刺激肾上腺皮质分泌氢化可的松 氢化可的松可以促进肝将蛋白质转化为葡萄糖, 以临时补偿血液中的葡萄糖, 暂时维持体内的能量供应
下丘脑 腺垂体 肾上腺髓质 产生肾上腺素 加速心跳, 增加血糖
嘿! 下 课 了