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主讲人 黄志华. 第二章 细胞的基本功能 CHAPTER 2 THE BISIC FUNCTIONS OF CELL 邱春復 主讲 医学生理学教研室. 第一节 细胞膜的结构和物质转运功能 细胞:构成机体的最基本的结构和功能单位。 一、细胞膜的基本结构 液态镶嵌模型 ( 图 ) 组成:脂质、蛋白质、糖类 (图) 1 .脂质双分子层:细胞膜的基本骨架 含:磷脂、胆固醇、鞘脂。 磷脂 磷脂酰胆碱 磷脂酰乙醇胺 - PowerPoint PPT Presentation
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主讲人 黄志华
第二章 细胞的基本功能第二章 细胞的基本功能
CHAPTER 2 CHAPTER 2
THE BISIC FUNCTIONS OF CELL THE BISIC FUNCTIONS OF CELL
邱春復 主讲邱春復 主讲
医学生理学教研室医学生理学教研室
第一节 第一节 细胞膜的结构和物质转运功能细胞膜的结构和物质转运功能 细胞:构成机体的最基本的结构和功
能单位。一、细胞膜的基本结构
液态镶嵌模型 (图)
组成:脂质、蛋白质、糖类(图) 1 .脂质双分子层:细胞膜的基本骨架 含:磷脂、胆固醇、鞘脂。 磷脂 磷脂酰胆碱 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰丝氨酸 磷脂酰肌醇
2 .蛋白质:多为球形蛋白质 表面蛋白质(外周蛋白质) 整合蛋白质(镶嵌蛋白质) 功能:① 物质转运功能 ② 受体功能 (图) ③ 识别功能 ④ 连接功能 ⑤ 催化功能 3 .糖类:糖蛋白或糖脂是细胞的特异性“标志”
二、细胞膜的跨膜物质转运功能(一)单纯扩散 1 .定义 扩散: 单纯扩散:脂溶性小分子物质由高浓度 向低浓度跨膜移动的过程。 2 . 扩散通量: Mmol/s.cm2
影响因素:膜内外物质浓度差、电压差 膜的通透性 3 . 转运的物质: O2 , CO2
4 .特点:① 高浓度→低浓度 ② 不耗能
(二)膜蛋白介导的跨膜转运 易化扩散 1 .定义 非脂溶性小分子物质,在特殊膜蛋白质帮助下,由高浓度向低浓度一侧转运的过程。 2 .特点 ① 高浓度→低浓度 ② 不需耗能 ③ 具有选择性 ④ 通透性可改变
3 .通道介导的易化扩散 -- 离子通道 ① 转运的物质:离子: Na + 、 K+ 等 ② 特点: a .通道蛋白功能状态可以改
变 图 激活 ( 开放 )
失活(关闭) 备用(静息) b .通过 “闸门”进行调控 c .有选择性 ③ 转运结果:电化学势能平衡
分类: 化学门控通道: N-Ach 受体 电压门控通道: Na+ 通道 机械门控通道:内耳毛细胞 4 .经载体介导的易化扩散(图) 转运的物质: GS 、 AA 进入一般细胞 共同特点:① 结构特异性 ② 饱和现象 ③ 竞争性抑制
被动转运:单纯扩散 易化扩散主动转运 :
1 .定义:指细胞膜将物质分子(或离子) 逆浓度差和电位差转运的过程 2 .生物泵:实质就是 ATP 酶 如“钠 - 钾泵”、“质子泵”等 ▲ 钠 泵 : 钠 - 钾 泵 或 Na+- K+ -ATP 酶
(图) 激活:细胞内的 [Na+ ] 、细胞外的 [K+ ]
作用: 3 个 Na+ 移到膜外 2 个 K+ 移入细胞内
生理作用: 形成细胞外高 Na+ 、细胞内高 K+
a . 离子势能贮备是生物电产生的基础;促进某些物质的逆浓度差的跨膜转运。如 GS
b . 细胞内高 K+ 是某些生化反应必需 c. 防止细胞水肿 3 .分类 原发性主动转运 继发性主动转运:(图) 各种跨膜转运机制的特征
(三)出胞和入胞 大分子物质进出细胞的方式1 .出胞:各种分泌活动、神经递质的释放2 .入胞:受体介导式入胞(图)
小结小结1. 膜的化学组成和分子结构。2. 细胞膜的跨膜物质转运功能: 单纯扩散,易化扩散, 主动转运,继发性主动转运, 出胞 , 入胞
双语词汇:双语词汇:液体镶嵌模型( fluid mosaic model )单纯扩散( simple diffusion ) 易化扩散( facilitated diffusion )化学门控通道( chemiscally-gated channel )电压门控通道( voltage-gated channel )载体( carrier )主动转运( active transport )被动转运( passive transport )继发性主动转运( second active transport )钠 - 钾泵( Na+-K+ pump )出胞( exocytosis ) 入胞( endocytosis )
作业:作业: 1. 细胞膜的跨膜物质转运形式有几种,举例说明之。
2 .比较单纯扩散和易化扩散的异同点 ?
3 . Na+-K+ 泵活动有何生理意义 ?
第二节 细胞的跨膜信号传递功能第二节 细胞的跨膜信号传递功能
◆ 跨膜信号转导概念
指外界信号(化学分子、光、声音等)作用于细胞膜表面的受体,引起膜结构中一种或多种特殊蛋白质构型改变,将外界环境变化的信息以新的信号形式传递到膜内,再引发靶细胞功能改变。
◆几种主要的跨膜信号转导方式 由离子通道完成的跨膜信号传递 刺激信号→膜通道蛋白开放→离子
移动→膜电位变化→膜内信息→细胞功能改变
1 .化学门控通道(配体门控通道) 举例: N- 型乙酰胆碱受体 又称:通道型受体 促离子型受体
2 .电压门控通道 在跨膜电位改变时,通道开放。 如:、 K+ 、 Ca+ 通道3 .机械门控通道:内耳毛细胞中4 .细胞间通道:即缝隙连接(图) 举例:神经兴奋引起肌收缩 神经冲动→神经末梢→释放 ACh→终板膜化学门控通道开放→终板电位→电压门控 Na+ 通道→肌膜 AP→ 胞浆 Ca2+
升高→肌收缩
由受体、 G- 蛋白、膜效应器酶完成的跨膜信号传递
1 .受体 概念:指能与配体特异性结合的蛋白质 特性:( 1 )特异性 ( 2 )饱和性 ( 3 )可逆性
2.G-蛋白 结构:(图) 分类: Gs Gi 3.效应器酶: Ac 、 PLC 、离子通道 利用胞浆或胞膜中的物质生成第二信使 4 .第二信使: cAMP cGMP IP3 DG Ca+
信号传递过程(图)、 (图) 化学信号(激素、递质等)→特异性受体→
受体 -配体复合物→G蛋白中介→激活效应器酶系→第二信使→激活蛋白激酶→蛋白质磷酸化→生理效应
由激酶受体完成的跨膜信号转导 受体结构与功能(图)1.膜外段: 能与配体相结合。2.跨膜: α-螺旋。3.膜内段: 自身酪氨酸残基磷酸化受体激活 蛋白磷酸化 底物酪氨酸残基磷酸化
◆跨膜信号转导和原癌基因 原癌基因:与致癌病毒DNA碱基排列顺序相一致,存在于正常细胞,其正常表达为生命必需。 表达产物与跨膜信号转导有关
即刻早期基因:又称快速基因、即早基因、第三信使
第三节 细胞的生物电现象第三节 细胞的生物电现象◆细胞的生物电现象兴奋性与兴奋的概念 1.兴奋性:指可兴奋细胞接受刺激后产生 . 反应的能力 2. 兴奋:指产生的反应 兴奋的外部表现与实质: 3.刺激引起兴奋的条件: 一定的强度 一定的作用持续时间 一定的时间 --强度变化率
一、细胞膜的被动电学特征 (一)膜电容和膜电阻 (二)电紧张电位 生物电记录方法(图) 二、静息电位 RP 概念:指细胞在静息状态时,细胞膜两侧的电位差。(图) 极性:内负外正,大小用负值表示 大小:神经元:- 90mv
几个概念:
极化:静息时,膜两侧的内负外正状态
超极化:膜内电位向负值变大的方向变化
去极化:膜内电位向负值减小的方向变化
复极化:由去极化或超极化向 RP值恢复
反极化:膜内为正,膜外为负的状态
(二)静息电位产生的机制 静息时,细胞内外各种离子的浓度分布不均,细胞膜对 K+ 通透,对 Na+ 不通透,
K+ 外流的形成 K+ 平衡电位。(表) 静息电位是 K+ 平衡电位 影响因素: ( 1 )细胞外 K+ 浓度 (图) 胞外 K+ 浓度升高, 静息电位减小 ( 2 )钠 - 钾泵的作用
三、动作电位 AP (一)细胞的动作电位 概念: AP 是膜两侧电位在 RP 基础上发
生的一次可扩布的快速而可逆的倒转和复原。图
去极相 去极化 超射 锋电位 复极相:复极化初期 后电位 复极化后期(负后电位) 后超极化(正后电位)
(二)动作电位的产生机制 1 、电化学驱动力; 2 、动作电位期间膜电导的变化; 3 、膜电导与离子通道(膜片钳技术) 锋电位 上升支:去极相 由 Na+ 内流形成,是 Na+ 的平衡电位 有效刺激→部分 Na+ 通道开放→少量 Na+→ 膜去极化
→阈电位→大量 Na+ 通道开放→大量 Na+ 内流→膜内负电位消失,出现正电位
下降支:复极相 Na+ 通道失活→ K+ 通透性升高→ Na+ 内流停止, K+
外流→膜内电位由正向负值变化→静息电位
AP 的产生实质上是受刺激后 Na+ 、 K+ 通道状态改变导致膜对 Na+ 、 K+ 通透性(电导)改变的结果。 (图)
K+ 通道:是电压依赖式离子通道,有开、关 两种状态 阻断剂:四乙基胺、四氨基吡啶 Na+ 通道 : 是电压及时间依赖式离子通道,
有 开、关、失活三种状态(图) 阻断剂: 河豚毒素、局麻药 后电位 后去极化:快速 K+ 外流堆积,复极化减慢 后超极化:钾通道开放时间长,过多钾外流
动作电位的特点: a .“全或无”现象:动作电位一旦产生
就达到最大值,其幅度不会因刺激强度的加强而增大。
b .不衰减传导 c .脉冲式,不会重合 d .不同细胞, AP 的幅度和持续时间不
同
(图)
4 、动作电位的引起和阈电位阈电位和锋电位的引起 刺激阈电位 AP1 、阈电位 TP : 是一种膜电位的临界值,能触发 AP , 是引起钠通道大量开放的膜电位值, 即钠内流形成正反馈的膜电位值。 RP 和 TP 的差值大,细胞兴奋性低; 差值小,兴奋性高。2 、阈强度:使细胞膜去极化到阈电位的最小 刺激强度
局部兴奋(图) 特点(图)( 1 )电位幅度小,呈衰减性传导( 2 )等级性,非 “全或无”式( 3 )可以总和: 时间总和 空间总和
(三)动作电位的传导:局部电流学说 AP 在同一细胞上是以局部电流的形式传导的 局部电流:已兴奋膜与未兴奋膜之间存在 电位差,而发生的电荷移动。 神经纤维 AP 的传导:神经冲动 ( 1 )无髓神经纤维 AP 的传导(图) ( 2 )有髓神经纤维 AP 的传导 在两个相邻的郎飞结间呈跳跃式传导 传导速度快,节能。 影响传导速度的因素: 轴突直径 是否有髓鞘
特点:双向传导 不衰减传导 绝缘性 相对不疲劳性
◆复合 AP---- 神经干 AP
细胞外记录法:双向或单向复合 AP (图) 复合 AP 在一定范围之内可随刺激强度的增大而增大
(四)缝隙连接(电突触) 电阻小(传导速度快)、双向传导
四、组织的兴奋和兴奋性 (一)兴奋和可兴奋细胞 概念: 兴奋:细胞对兴奋发生反应的过程。 可兴奋细胞:凡在受刺激后能产生动作电位的细胞。 (二)组织的兴奋性和阈刺激 刺激:细胞所处环境因素的变化。
4. 反应及两种形式(兴奋和抑制)
5.阈强度:固定刺激时间及强度时间变率,刚能引起组织产生反应的刺激强度。简称阈值。
阈值大则兴奋性低,反之亦然
阈上刺激 阈下刺激 阈刺激 (三)细胞兴奋后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
正常 (图)
第四节 肌细胞的收缩第四节 肌细胞的收缩一、横纹肌
(一)骨骼肌神经 - 肌肉接头处的兴奋传递 1 .神经肌肉接头处的结构 (图) 接头前膜 接头后膜 即终板膜 接头间隙 2 .神经肌肉接头处兴奋的传递过程 AP→ 接头前膜 Ca2+ 通道开放→ Ca2+ 内流→囊泡移动、融合→出胞作用→ Ach 释放→ ACh与后膜 N-型 ACh 受体结合,通道开放→ Na+ 内流→终板电位→肌膜 Na+ 通道开放→ AP
终板电位及微终板电位 Ach 的释放:量子式释放 Ach 的灭活:胆碱脂酶(被新斯的明抑制) N-型受体阻断剂:箭毒、 α-银环蛇毒3 、神经肌肉接头处兴奋传递的特征 a 、单向传递 b 、时间延阁 c 、易受环境因素变化的影响 d 、是 1对 1 的传递
( 二 )横纹肌细胞的微细结构 1 . 肌原纤维和肌小节(图)( 1 )肌原纤维 明带:长度可变,其正中的暗线为 Z线 暗带:长度固定,正中相对透明区为 H带 H带中央的暗线称为 M线。( 2 )肌小节 :两条 Z线间的区域 长度 =1/2明带 + 暗带 ( 1.5--3.5μm )
2 .肌管系统 (图) ( 1 )横管:由胞膜向内凹入形成 ( 2 )纵管(肌浆网): 三联管:由每一横管和来自两侧肌小节的 纵管终末池构成 作用:把横管传来的信息和终池 Ca2+ 释放 联系起来
(三)横纹肌的收缩机制—肌丝滑行学说 肌丝滑行学说: 肌细胞收缩时肌原纤维缩短,是细肌丝
向粗肌丝滑行的结果 1 .肌丝的分子结构 ( 1 )粗肌丝: 由肌凝蛋白构成(图)
横桥的作用: a. 具有与细肌丝结合的位点 b. 具有 ATP 酶的活性
(2) 细肌丝 (图) a. 肌动蛋白,又称肌纤蛋白 具有与横桥结合的位点 b. 原肌凝蛋白:覆盖结合位点 c. 肌钙蛋白 与 Ca2+ 结合→原肌凝蛋白构象改变→暴露结合位点
收缩蛋白:肌凝蛋白与肌动蛋白 调节蛋白:原肌凝蛋白和肌钙蛋白
2 、肌丝滑行的基本过程(图) 肌浆中 Ca2+升高→ Ca2+与肌钙蛋白结合后构象改变→原肌凝蛋白的双螺旋结构发生扭转→ 肌纤蛋白的横桥结合位点暴露→横桥和肌纤蛋白结合,横桥扭动、脱离、再结合、再扭动(横桥循环、横桥周期)→细肌丝向 M线方移动。 ATP 的作用: 提供能量 使横桥脱离
(四)骨骼肌细胞的兴奋 -收缩耦联 把肌细胞的兴奋和收缩连接起来的中介过程 三个步骤:(图) 1 .肌膜动作电位经横管传向肌细胞的深处 甘油高渗任氏液可破坏横管系统 2 .三联体处的兴奋传递 横管膜兴奋→终末池 Ca2+ 通道开放→ Ca2+
进入肌浆→ Ca2+与肌钙蛋白结合→肌丝滑行→肌收缩
3 .肌浆网对 Ca2+ 的释放和回收 释放: AP使终池膜 Ca2+ 通道开放 回收:钙泵作用
◆骨骼肌收缩的外部表现和力学分析 外部表现:肌肉缩短、产生张力、作功
肌肉的收缩形式 1 、等长收缩与等张收缩 (图) 等长收缩:指肌肉收缩时只有张力的增 加而无长度的缩短。 等张收缩:指肌肉收缩时长度缩短而无 肌张力的变化。 2 、单收缩与单收缩的复合 图
(五)影响横纹肌收缩效能的因素1 、前负荷对骨骼肌收缩的影响: 长度 -张力曲线 (图) 前负荷:肌肉在收缩前就作用于肌肉的负 荷,将肌肉拉长于某一状态。 最适初长度:使肌肉收缩时产生最大张力的 初长度。 最适前负荷:产生最适初长度的前负荷。 在最适初长度和前负荷时,肌张力最大,收缩速度最快,缩短的长度最大,横桥与细肌丝结合最多,作功效率最高。(图)
2 、后负荷对骨骼肌收缩的影响: 张力 -速度曲线(图) 后负荷:肌肉开始收缩时遇到的负荷 后负荷愈大,产生张力愈大,肌肉缩 短的速度及缩短的长度愈小 适度的后负荷(百分之三十最大张力处)才能获得肌肉作功的最佳效率。
3 、肌肉收缩能力 指与前、后负荷无关的肌肉本身的收缩能力,即肌肉内部的功能状态。
4 、收缩的总和 运动单位:一个脊髓运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维。 总和:运动单位的数量 频率效应 肌肉的收缩形式 1 、等长收缩与等张收缩 (图) 等长收缩:指肌肉收缩时只有张力的增 加而无长度的缩短。 等张收缩:指肌肉收缩时长度缩短而无 肌张力的变化。
2 、单收缩与单收缩的复合 图 单收缩:当骨骼肌受到一次短促刺激时,可产生一次动作电位,随后出现一次收缩和舒张的收缩形式。 复合收缩(强直收缩):当骨骼肌受到频率较高的连续刺激时,出现总和的收缩过程。 不完全强直收缩 完全强直收缩 生理情况下支配骨骼肌的运动神经发出的是连续冲动,故产生的是强直收缩;静息时微弱而持续的收缩称为肌紧张。
二、平 滑 肌 (一)平滑肌的微细结构 平滑肌细胞的结构特点 (图) 致密体 致密区 中间丝 平滑肌细胞的功能特点: 1 、肌浆网不发达,收缩时需要外 Ca2+
2 、收缩缓慢而持久,不易疲劳 3 、对牵拉刺激敏感 4 、具有自律性 5 、受自主神经支配,对各种体液因素敏感
(二)平滑肌的收缩机制 AP→ 外 Ca2+ 内流→肌浆网的 Ca2+ 释放→胞浆中 Ca2+增加→ Ca2+与钙调蛋白结合→激活肌凝蛋白激酶→ ATP 分解→横桥摆动→细肌丝滑行→肌细胞收缩。
与骨骼肌不同之处: 需要外 Ca2+
与钙调蛋白结合
思考题思考题 1. 细胞膜的跨膜物质转运形式有几种,举例说明之。 2.比较单纯扩散和易化扩散的异同点 ?
3.Na+-K+ 泵活动有何生理意义 ? 4.简述生理学上兴奋性和兴奋的含义及其意义。 5. 衡量组织兴奋性的指标有哪些 ? 6. 神经细胞一次兴奋后,其兴奋性有何变化 ?机制何在 ? 7.局部兴奋有何特点和意义 ? 8.比较无髓神经纤维和有髓神经纤维动作电位传导的异同点 ?
9.简述骨骼肌接头处兴奋传递的过程及其机制。
10.简述骨骼肌的兴奋—收缩耦联过程。
11.比较电压门控通道和化学门控通道的异同点 ?
12. 骨骼肌的收缩有哪些外部表现 ?
13. 以神经细胞为例,说明动作电位的概念、组成部分及其产生机制
14.试述单根神经纤维动作电位和神经干复合动作电位有何区别 ?并分析其原因。
15.试述神经—骨骼肌接头处兴奋传递和突触处兴奋传递有何异同点 ?
细胞膜的结构示意图
受体介导的入胞过程
由G-
蛋白介导的跨膜信号转导
图
胰岛素受体
示波器工作原理
RP
与AP
的实验模式
图
AP
的产生与钠、钾通透性的关
系
局部兴奋
动作电位的传导
神经肌肉接
头
肌原纤维、肌管系统、肌小节
肌小节中粗、细肌丝的分布
粗肌丝分子排列示意图
细肌丝的结构示意图
肌丝滑行原理
不同频率的刺激对骨
骼肌收缩型式的影响
长度-
张力曲线
肌小节长度与产生张力的关系
张力-
速度曲线
平滑肌细胞内部结构模式图
表 2-1 细胞外液与细胞内液主要成分 成分 细胞外液浓度 细胞内液浓度 ( mmol/L ) ( mmol/L ) Na+ 150 15
K+ 5.5 150
Ca2+ 1 1.5(游离 0.0001)
Mg2+ 1.5 12
Cl- 125 9
AA 2 8
Gs 5.6 1
Pr 0.2 4
ATP 0 4
表 2- 2 各种跨膜转运机制的特征 单纯 离子 载体 原发性主 继发性
扩散 通道 介导 动转运 主动转运净移动方向 高 低 高 低 高 低 低 高 低 高膜两侧浓度 相等 相等 相等 不相等 不相等是否用膜 Pr 不 是 是 是 是饱和现象 无 无 有 有 有结构特异性 无 有 有 有 有能量供给 不需要 不需要 不需要 ATP 钠势能转运物质 O2 CO2 离子 极性分 离子 Gs 、 aa
子 :Gs
神经 C 的 AP
心房肌 C 的 AP 窦房结 C 的AP
静息时膜内外各离子的浓度
离子 膜内浓度 膜外浓度 平衡电位 ( mmol/L ) ( mmol/L ) (mv)
K+ 400 20 -75
Na+ 50 440 +55
Cl- 52 560 -60
A- 385 -- --
小结:小结:1. 细胞膜的跨膜物质转运形式有几种,举例说明之。2.比较单纯扩散和易化扩散的异同点 ?
3.Na+-K+ 泵活动有何生理意义 ?
4.简述生理学上兴奋性和兴奋的含义及其意义。5. 衡量组织兴奋性的指标有哪些 ?
6. 神经细胞一次兴奋后,其兴奋性有何变化 ?
机制何在 ?
7.局部兴奋有何特点和意义 ?
8.比较无髓神经纤维和有髓神经纤维动作电位传导的异同点 ?
9.简述骨骼肌接头处兴奋传递的过程及其机制。10.简述骨骼肌的兴奋—收缩耦联过程。 11. 骨骼肌的收缩有哪些外部表现 ?
12. 影响骨骼肌收缩的主要因素有哪些 ?
13. 以神经细胞为例,说明动作电位的概念、组成部分及其产生机制14.试述单根神经纤维动作电位和神经干复合动作电位有何区别 ?并分析其原因。