第二章细胞的基本功能 ( Basic Functions of Cells ) 生理教研室 肖冰讲师 Medical School of Yan an University
本章内容 : 第一节细胞膜的基本结构和物质转运功能 第二节细胞的跨膜信号转导功能 第三节细胞的跨膜电变化 第四节骨骼肌细胞的收缩功能 Medical School of Yan an University
第一节细胞膜的基本结构和 物质转运功能 光镜和电镜下的细胞膜结构
一 细胞膜的基本结构 组成 : 脂质蛋白质糖类模型 : 流体镶嵌模型 (fluid mosaic model) 基本内容 : 膜的共同结构特点是以液态的脂质双分子层为基架, 其中镶嵌着具有不同生理功能的蛋白质 Medical School of Yan an University
流体镶嵌模型 (fluid mosaic model)
二 细胞膜的物质转运功能 ( 一 ) 单纯扩散 (simple diffusion) 1 概念: 一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程 2 影响因素 : C 2 C 1 Medical School of Yan an University
( 二 ) 易化扩散 (facilitated diffusion) 1 概念: 不溶于脂质或脂溶性很小的物质, 在特殊蛋白质的帮助下, 由高浓度一侧向低浓度一侧扩散的现象 2 分类: (1) 以载体 (carrier) 为中介的易化扩散 (2) 以通道 (channel) 为中介的易化扩散 Medical School of Yan an University
以载体为中介的易化扩散
以载体为中介的易化扩散的特点 : 1) 饱和性 2) 特异性高 3) 竞争性抑制 Medical School of Yan an University
以通道(channel)为中介的易化扩散 Medical School of Yan an University
以通道为中介的易化扩散的特点 : 1) 离子选择性 2) 比载体的转运速度快 3) 无饱和现象 4) 门控 (gating) 特性 Medical School of Yan an University
Medical School of Yan an University
离子通道的分类 电压门控通道 化学门控通道 机械门控通道 Medical School of Yan an University
单纯扩散和易化扩散合称为被动 扩散, 不需要消耗能量
( 三 ) 主动转运 (active transport) 概念 : 细胞膜通过本身的耗能过程, 逆浓度 差或电位差转运物质的过程 1. 原发性主动转运 (primary active transport) 由 ATP 直接供能的主动转运 钠泵的本质 :Na+-K+ 依赖式 ATP 酶 Medical School of Yan an University
钠泵转运的特点 : 1 逆浓度梯度转运 2 耗能转运 3 耦联转运 4 它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
2. 继发性主动转运 (secondary active transport) 间接利用 ATP 能量完成的主动转运
葡萄糖 小管上皮细胞内 钠泵
( 四 ) 出胞和入胞 (exocytosis & endocytosis) 入胞 : 指细胞外的大分子物 质或团块进入细胞的过程 出胞 : 指细胞把成块的内容 物由细胞内排出的过程 Medical School of Yan an University
复习思考题 1. 简述细胞膜物质转运有哪些方式? 2.Na + -K + 泵的作用和意义? Medical School of Yan an University
Ach receptor Ion channel Na + Ach
第二节. 细胞的跨膜信号转导 一 概念 : 不同形式的外界信号作用于细胞 时, 通过细胞膜特殊蛋白质的变构作用, 将外界环境变化的信息以新的信号传递到膜内, 再引起靶细胞相应功能的改变 跨膜信号转导的环节 : 胞外信号的识别与结合 信号转导 胞内效应等三个环节 Medical School of Yan an University
二 跨膜信号转导方式 G 蛋白耦联受体介导的信号转导 离子通道介导的信号转导 酶耦联受体介导的信号转导 Medical School of Yan an University
( 一 )G- 蛋白耦联受体介导的信号传递 1 G- 蛋白耦联受体 L + R 受体蛋白的构象改变 信号传递到细胞内 激活 G 蛋白 Medical School of Yan an University
2 鸟苷酸结合蛋白 (G- 蛋白 ) 共同特征 : 1. 由 3 个亚单位构成的异聚体 ; 2. 将 GTP 转化成 GDP; 3. 激活膜效应器酶 3 膜效应器酶 腺苷酸环化酶 (AC); 磷酯酶 C(PLC), 磷脂酶 A 2 (PLA 2 ), 鸟苷酸环化酶 (GC) Medical School of Yan an University
4 第二信使 (1) 环磷酸腺苷 (camp); (2) 环磷酸鸟苷 (cgmp); (3) 一氧化氮 (nitric oxide,no); (4) 三磷酸肌醇 (IP 3 ) 和二酰甘油 (DG) Medical School of Yan an University
G 蛋白耦联受体介导的信号转导的途径 1 R-G 蛋白 -AC 途径 (camp 信号通路 ) 2 R-G 蛋白 -PLC 途径 ( 磷脂酰肌醇信号通路 ) Medical School of Yan an University
1 camp 信号通路 神经递质 激素等 ( 第一信使 )+G 蛋白偶联受体 激活 G 蛋白 (a 与 β γ 亚单位分离 ) + 腺苷酸环化酶 (AC ) 膜外 N 端 : 识别 结合第一信使膜内 C 端 : 激活 G 蛋白 ATP camp( 第二信使 ) 蛋白激酶 A 细胞内生物效应 Medical School of Yan an University
Rs Gs GDP GTP GDP Physiological activities membrane AC GTP ATP camp PKA Protein PDE 5`AMP ATP ADP P
2 磷脂酰肌醇信号通路 激素 ( 第一信使 )+ 结合 G 蛋白偶联受体 激活 G 蛋白 PIP2 磷脂酶 C(PLC) IP3 和 DG ( 第二信使 ) 内质网释放 Ca2+ 激活蛋白激酶 C 细胞内生物效应 Medical School of Yan an University
( 二 ) 离子通道受体完成的信号转导 1 化学门控通道 由化学物质控制通道的开关
囊泡递质突触前膜受体 突触后膜 突触间隙
Ach receptor Ion channel Na + Ach
2 电压门控通道 由膜电位改变控制通道的开关 4 4 2 2 2 2 4 4 电压依从性钠通道
3 机械门控通道 由机械运动改变控制通道的开关
机械门控通道
( 三 ) 由酶耦联受体介导的跨膜 信号转导 1 酪氨酸激酶受体受体存在于细胞膜上, 受体本身具有酪氨酸激酶的活性, 能直接催化底物的磷酸化, 即把细胞外的信号转导到细胞内 Medical School of Yan an University
2 鸟苷酸环化酶受体 配体 + 受体 GC Ca 2+ 通 道打开 NO Ca 2+ 内流 NOS Arg GTP cgmp 各种生物效应
复习思考题 1. 细胞间通讯有哪些方式? 各种方式之间有何不同? 2. 通过细胞表面受体介导的跨膜信号转导有哪几种方式? 比较各种方式之间的异同 3. 试述细胞信号转导的基本特征 4. 试比较 G 蛋白偶联受体介导的几种信号通路之间的异同 5. 概述受体酪氨酸介酶介导的信号通路的组成 特点及其主要功能
第三节. 细胞的生物电现象 静息电位 (RP) 动作电位 (AP )
一 静息膜电位 (Resting potential, RP) 及其 产生机制 1 概念 : 细胞在安静时, 存在于细胞膜两侧的电位差 (1) 细胞外记录 0 - + 0 mv (2) 细胞内记录 0 0 mv - + -90 mv
2 静息膜电位的产生机制 离子流学说 内侧细胞膜 1) 细胞膜内外离子分布不均 外侧 [K + ] i /[K + ] o = 140/5; [Na + ] i /[Na + ] o = 10/130; 2) 细胞膜对离子的通透性不同 K + K + K + K + A - K + K A + - K +
膜内外 K 浓度比约 28 1 ( 动力 ) 浓度差 ( 动力 ) K 外流 安静时 K 通道开放 ( 通透性 ) 电位差 ( 阻力 ) K 平衡电位 即静息电位 跨膜电位 膜电位 Rp 的产生 : 安静时, 细胞膜上 K 通道开放,K 外流, 形成内负外正的 Rp
3) 静息膜电位的形成过程 内侧 A - K + A - A - A - A - A - A - K + K + K + K + K + K + 细胞膜 0 - + 外侧 A - A - A - A - A - A - 静息膜电位接近于钾离子的平衡电位 K + K + K + K + 0 - + K + A - K + A - A - A - A - A - A - K + K + K + K + 0 - + K + K + A - K + A - A - A - A - K + K + A - K K + + K + A - K + K + 0 E k +
细胞膜内 细胞膜外
静息膜电位或钾离子的平衡电位可以用 Nernst 公式计算 RT [K + ] o Ek = ln nf [K + ] i R 气体常数 8.31 焦尔 / 度 ;T 绝对温度 273Co;n 离子价数 ; F 法拉弟常数 96,500 库伦
( 二 ) 几个概念 极化 (polarization) 超极化 (hyperpolarization) 去极化 (depolarization) 复极化 (repolarization) 超射 (overshoot) 去极化 100mv 70mv (Rp) 60mv 0mv +30mv 超极化 极化 复极化
二 动作电位 (Action potential, AP) 及其产生机制 1 概念 : 在静息电位的基础上, 可兴奋细胞兴奋时产 生的一次迅速的 短暂的 可逆的 可扩布的电位变 化过程 Medical School of Yan an University
+50mV 0 mv -70 mv 给予刺激
阈刺激 刚能引起组织产生反应的最小刺激 阈强度 ( 阈值,threshold) 刚能引起组织产生反应的最小刺激强度 Medical School of Yan an University
2 动作电位的变化过程 +50mV 插入细胞 0 mv -70 mv 给予刺激
AP 的分期 锋电位 去极化 (-70 0) 反极化 ( 0 +50) 复极化 (+50 0-70) 习惯上合称为去极化 后电位 : 锋电位后一种时间较长, 波动较小的电位变化 Medical School of Yan an University
3 动作电位的特点 1) 全或无 (all or no)
2) 不衰减性传导 3) 脉冲式
4 动作电位的产生机制 细胞内 细胞外 0mV 阈电位 静息膜电位 电50mV 位时间膜去极化 超射值接近于钠离子的平衡电位 超射复极化 Na + ATP K + K + K + K + K + K + K + K+ K + K + K + K + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + 2014-6-9 71 Na + Na +
结论 : 1AP 的上升支由 Na + 内流形成, 下降 支是 K + 外流形成的, 后电位是 Na + -K + 泵活动引起的 2AP 的超射值接近于 Na + 的平衡电位
5. 动作电位的意义 : AP 的产生是细胞兴奋的标志 Medical School of Yan an University
膜片钳 (patch clamp) Na 通道 K 通道 细胞
三 动作电位的引起 ( 兴奋的引起 ) ( 一 ) 兴奋的引起 ( 一 ) 阈电位 能够使细胞膜对 Na+ 通透性突然增加的的临界膜电位 钠通道开放 刺激 膜去极化 膜去极化 钠通道开放 局部电位
再生性循环
( 二 ) 局部电位 1 概念 : 细胞膜局部的较小的去极化反应 阈电位 Medical School of Yan an University
2 特点 : (1) 不表现全或无, 具有等级性
(2) 电紧张性扩布 刺激 X= 0 1.0mm 2.0mm 3.0mm 刺激 Medical School of Yan an University
(3) 无不应期, 可总和 时间性总和 : 空间性总和 : Medical School of Yan an University
1 2 3 4 5 6 7 8 9 Medical School of Yan an University
四 兴奋在同一细胞上的传导 1 传导的机制 局部电流形成 (1) 兴奋在无髓神经纤维上的传导 _ ++ _ + + + _ + _ + _ + + _ + _ + + + _ + _ + _ + + + +
(2) 兴奋在有髓神经纤维上的传导 AP AP
2 传导的特征 (1) 双向性 (2) 不容易阻滞 (3) 不衰减 (4) 完整性 Medical School of Yan an University
3 影响传导的因素 (1) 纤维的直径 (2) 温度 (3) 是否有髓鞘 Medical School of Yan an University
四 组织的兴奋与兴奋性 ( 一 ) 兴奋性 (Excitability) 兴奋 (Excitation) 机体对刺激产生反应 兴奋性 (Excitability) 机体对刺激产生反应的能力 ( 二 ) 兴奋性的指标阈值 阈刺激 刚能引起组织产生反应的最小刺激 阈强度 ( 阈值 ) 刚能引起组织产生反应的最小刺激强度 Medical School of Yan an University
( 三 ) 细胞兴奋后兴奋性的变化 1 绝对不应期 2 相对不应期 3 超常期 4 低常期 Medical School of Yan an University
组织兴奋后兴奋性变化的对应关系 分期 兴奋性 与 AP 对应关系 机 制 绝对不应期 降至零 锋电位 钠通道失活 相对不应期 渐恢复负后电位前期 钠通道部分恢复 超常期 > 正常 负后电位后期 钠通道大部恢复 低常期 < 正常 正后电位 膜内电位呈超极化 Medical School of Yan an University
复习题 1 静息电位和动作电位的产生机制有何不同? 2 试述动作电位与局部兴奋的区别 3 神经和肌肉细胞在接受一次刺激后, 其兴奋性发生何种规律性变化? 4 动作电位在细胞膜上是如何传导的? 有何特点? Medical School of Yan an University
第四节. 肌细胞的收缩功能 一 神经 - 肌接头处的兴奋传递 Ca 2+ Action potential Ca 2+ Fusing vesicle
P17
神经纤维上的动作电位 钙通道开放, 钙离子内流 囊泡中的递质 : 乙酰胆碱释放到突触间隙 Ca 2+ Ca 2+ 终板膜 乙酰胆碱与 N 受体结合化学门控通道开放 Action potential 钠离子内流 Fusing vesicle 产生终板电位 肌细胞膜产生动作电位
兴奋传递的特点 : : 1 单向性 ; 2 时间延搁 ; 3 易受环境因素影响 Medical School of Yan an University
二 横纹肌的微细结构 Medical School of Yan an University
P16
1 肌原纤维和肌小节 明带 ( 细肌丝 ):Z 线连接暗带 ( 粗肌丝 ):M 线连接, 中间较明的为 H 区肌小节 : 暗带 + 2 个 1/2 的明带 Medical School of Yan an University
P19
肌小节的功能 : 是肌收缩的最基本单位 Z 线 Z 线 粗肌丝 细肌丝
( 二 ) 功能 横管是肌膜的延续, 可将兴奋传向肌细胞深处 纵管 ( 肌质网 ): 末端称终池 ( 钙池 ) 贮存 释放 Ca 三联体 : 横管 + 两侧 2 个终池, 兴奋 - 收缩耦连的关键部位 Medical School of Yan an University
P20 P20
三肌细胞收缩的分子机制 ( 滑行学说 ) 滑行过程肌浆中 Ca Ca 与 C 亚基结合 I 亚基传递信息 原肌凝蛋白变构 暴露横桥与肌动蛋白结合位点 横桥与肌动蛋白结合 拖动细肌丝滑行 肌肉收缩肌小节 明带 H 区变短, 暗带长度不变 Medical School of Yan an University
粗肌丝 由肌凝蛋白构成 横桥的功能 : 1) 可与细肌丝的肌动蛋白结合 ; 2) 具有 ATP 酶的作用, 分解 ATP 供能
细肌丝 肌钙蛋白 肌动蛋白 原肌凝蛋白 Medical School of Yan an University
P21
P22
兴奋 - 收缩耦连过程 肌膜 Ap 至横管膜 三联体 ( 关键部位 ) 终池 Ca 通道开放 Ca 内流 肌浆中 Ca ( 关键耦连物 ) 肌丝滑行收缩 Medical School of Yan an University
兴奋 - 收缩耦连过程 1 肌细胞膜兴奋时, 兴奋沿横管传向肌细胞深处, 引起终池释放钙 2 钙离子与肌钙蛋白的 C 亚单位结合, 引起原肌凝蛋白产生构象和位置的变化, 暴露出肌动蛋白与横桥的结合位点 3 肌凝蛋白的横桥与肌动蛋白结合, 其水解 ATP 产生的能量供横桥发生摆动, 拉动细肌丝向 M 线滑动, 产生肌小节的缩短 当兴奋结束时, 肌浆网将细胞浆中的钙离子摄回钙池中储存 肌肉由收缩转为舒张 Medical School of Yan an University
四 骨骼肌收缩形式 ( 一 ) 按肌肉收缩时长度或张力变化分 1. 等长收缩 : 见于负荷 肌张力意义 : 维持位置和姿势 2. 等张收缩 : 见于负荷 肌张力意义 : 造成肢体运动 ( 二 ) 按刺激频率分 1. 单收缩 :1 次刺激 1 次 Ap 1 次收缩, 包括 : 潜伏 收缩和舒张期 Medical School of Yan an University
2. 单收缩的复合 不完全强直收缩 : 锯齿状 完全强直收缩 : 直线 特点 : 肌张力随刺激强度 而, 且为单收缩的 4-5 倍 Medical School of Yan an University
四 影响肌肉收缩的因素
1 前负荷对肌肉收缩的影响 长度 - 张力曲线前负荷 : 肌肉收缩前所承受的负荷初长度 : 肌肉收缩前的长度 细肌丝的长度为 :1.0 m 粗肌丝的长度为 :1.6 m a 收缩力100 80 60 40 a b c d c d 20 0 b 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 初长度 ( m)
收缩力当初长度小于最适初长度时, 前负荷加大, 肌肉收缩力增强 ; 最适初长 : 肌肉收缩力最大当初长度大于最适初长度时, 前负荷加大, 肌肉收缩力减弱 100 80 60 40 20 0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 初长度 ( m) Medical School of Yan an University
2 后负荷 1) 定义 : 肌肉收缩时遇到的阻力 2) 张力 - 速度曲线 : 反映后负荷与肌肉收缩力关系的曲线 3 肌肉收缩能力对收缩的影响 Medical School of Yan an University
1 简述骨骼肌兴奋 - 收缩耦联的基本过程 2 为什么坐骨神经干动作电位的幅度随刺激强度变化? Medical School of Yan an University
谢 谢 Thanks! Medical School of Yan an University Studies in Muscle Spindle under simulate weightlessness