第二章-细胞的基本功能.pptx

生生 理理 学学 Physiology 生理学教研室生理学教研室 刘文彦刘文彦 细胞细胞是构成人体最基本的是构成人体最基本的功能单位功能单位第二章第二章 细胞的基本功能细胞的基本功能第一节第一节 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第三节第三节 细胞的电活动细胞的电活动第四节第四节 肌细胞的收缩肌细胞的收缩第二节第二节 细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导第一节第一节 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膜细胞膜（cell membranecell membrane，也称，也称质膜质膜）屏障屏障 参与物质交换参与物质交换一、细胞膜的结构概述一、细胞膜的结构概述 脂质（脂质（lipidlipid）细胞膜组成细胞膜组成 蛋白质（蛋白质（proteinprotein）糖类糖类(少量少量)从从重量重量上看：膜内上看：膜内蛋白质蛋白质与与脂质脂质的比例的比例 大约在大约在4 4：1 11 1：4 4之间，之间，这些物质分子在膜中是以怎样的形这些物质分子在膜中是以怎样的形式排列的呢？即膜的分子结构如何呢？式排列的呢？即膜的分子结构如何呢？液态镶嵌模型液态镶嵌模型（fluid mosaic modelfluid mosaic model）膜的膜的基架基架是液态的是液态的脂质双分子层，其脂质双分子层，其中中镶嵌镶嵌着许多具有着许多具有不同结构和功能的不同结构和功能的蛋白质蛋白质。(一一)脂质双分子层脂质双分子层 磷脂（磷脂（phospholipidphospholipid）:70%70%以上以上 胆固醇（胆固醇（cholesterolcholesterol）:不超过不超过30%30%糖脂（糖脂（sphingolipidsphingolipid）:不超过不超过10%10%19251925年年 Gorter Gorter 和和GrendelGrendel：测定红：测定红细胞膜中的细胞膜中的脂质脂质以单分子层在水溶液表面以单分子层在水溶液表面平铺开来时所占的面积平铺开来时所占的面积 一个红细胞膜中一个红细胞膜中脂质所占的面积，差不多是该细胞所占面脂质所占的面积，差不多是该细胞所占面积的积的2 2倍倍 双分子层双分子层。双嗜性分子双嗜性分子 磷脂磷脂分子中的分子中的磷酸和碱基、磷酸和碱基、胆胆固醇固醇分子中的羟分子中的羟基以及基以及糖脂糖脂分子分子中的糖链等亲水中的糖链等亲水性基团分别形成性基团分别形成各自分子中的各自分子中的亲亲水水端端，分子的另，分子的另一端则是一端则是疏水疏水的的脂肪酸烃链。脂肪酸烃链。特点：特点：流动性流动性:熔点熔点较低较低 液态液态 胆固醇胆固醇的含量的含量:起流度阻尼器的功能起流度阻尼器的功能;脂肪酸脂肪酸烃链的长度和饱和度烃链的长度和饱和度:脂肪酸烃链较短脂肪酸烃链较短,饱和度较低饱和度较低流动性流动性 膜蛋白膜蛋白的含量的含量:蛋白质蛋白质流动性流动性稳定性稳定性:热力学分析热力学分析自由能自由能最低最低 意义意义:1.维持细胞膜的完整维持细胞膜的完整:*承受承受相当大的张力和外形改变相当大的张力和外形改变 *自动融合而自动融合而修复修复 2.与细胞的许多基本活动有关与细胞的许多基本活动有关:流动性流动性膜蛋白膜蛋白移动、聚集和相互作用移动、聚集和相互作用 入胞、出胞、细胞的运动等基本活动入胞、出胞、细胞的运动等基本活动 (二二)细胞膜的蛋白细胞膜的蛋白 实验实验:冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术 蛋白水解酶蛋白水解酶 细胞膜蛋白的种类及含量越多，细胞膜蛋白的种类及含量越多，该细胞的功能也就越复杂。该细胞的功能也就越复杂。根据膜蛋白在膜上根据膜蛋白在膜上 存在的形式：存在的形式：表面蛋白：表面蛋白：20%-30%20%-30%（peripheral proteinperipheral protein）整合蛋白整合蛋白 （integral proteinintegral protein）整合蛋白整合蛋白:70%:70%80%80%（如（如载体载体、通道通道等）等）特征特征:肽链一次或反复多次肽链一次或反复多次穿越穿越膜的脂质双层。膜的脂质双层。肽链具有双嗜性肽链具有双嗜性:根据根据疏水性片段疏水性片段数目数目推测跨膜推测跨膜-螺旋螺旋数目数目 G 蛋白耦联受体蛋白耦联受体(G-protein coupled receptors,GPCRs)G G蛋白耦联区蛋白耦联区又称七次跨膜受体又称七次跨膜受体/七螺旋受体七螺旋受体 /蛇型受体蛇型受体（serpentine receptor）(三三)细胞膜的糖类细胞膜的糖类:2%2%10%10%主要是一些寡糖和多糖链；它们以主要是一些寡糖和多糖链；它们以共价键共价键的形式和膜脂质或蛋白质结合的形式和膜脂质或蛋白质结合 糖脂糖脂或或糖蛋白糖蛋白。结合于糖脂或糖蛋白上的结合于糖脂或糖蛋白上的糖链糖链仅存在于膜仅存在于膜的外侧，通常具有的外侧，通常具有受体或抗原受体或抗原的功能。的功能。如：如：寡糖链寡糖链RBCRBC膜上膜上ABOABO血型系统的血型系统的抗原抗原 意义：以其单糖排列顺序上的特异性，作为意义：以其单糖排列顺序上的特异性，作为 它们所在细胞或它们所结合的蛋白质它们所在细胞或它们所结合的蛋白质 的的特异性标志特异性标志。二、物质的跨膜转运二、物质的跨膜转运 脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质脂溶性的和少数分子很小的水溶性物质 直接直接穿越细胞膜；穿越细胞膜；大部分水溶性溶质分子大部分水溶性溶质分子和所有和所有离子离子的跨的跨 膜转运膜转运有有膜蛋白膜蛋白介导来完成；介导来完成；大分子物质大分子物质或或物质团块物质团块以复杂的出胞以复杂的出胞 或入胞的方式或入胞的方式整装整装进出细胞。进出细胞。单纯扩散单纯扩散 膜蛋白介导的跨膜转运：膜蛋白介导的跨膜转运：通道介导的跨膜转运通道介导的跨膜转运（经通道易化扩散）（经通道易化扩散）载体介导的跨膜转运：载体介导的跨膜转运：经载体易化扩散经载体易化扩散 原发性主动转运原发性主动转运 继发性主动转运继发性主动转运 出胞和入胞出胞和入胞（一）单纯扩散（一）单纯扩散（simple diffusionsimple diffusion）1.1.概念：概念：脂溶性脂溶性的和的和少数分子很小少数分子很小的水溶性的物质的水溶性的物质 通过脂质双层由高浓度一侧向低浓度一侧通过脂质双层由高浓度一侧向低浓度一侧 转运的过程转运的过程 。如如:氧气氧气 氮气氮气二氧化碳二氧化碳 水水 乙醇乙醇 尿素尿素 甘油甘油CO2i CO2oO2o O2i2.2.影响因素影响因素：“单纯单纯”简单的简单的物理物理扩散扩散 *通透性：通透性：某物质通过膜的难易程度。某物质通过膜的难易程度。（取决于物质的取决于物质的脂溶性和分子大小脂溶性和分子大小）*扩散的扩散的方向和速度：方向和速度：膜两侧该物质膜两侧该物质浓度差浓度差 膜对该物质的膜对该物质的通透性通透性3.3.特点：特点：不需要不需要外力，不消耗能量外力，不消耗能量被动被动过程过程（二）（二）膜蛋白膜蛋白介导的跨膜转运介导的跨膜转运 通道蛋白通道蛋白（ion channelion channel，简称通道，简称通道，也称也称离子通道离子通道）载体蛋白载体蛋白（carrriercarrrier，简称载体，简称载体，也称也称转运体转运体）有些载体具有有些载体具有ATPATP酶活性，称为酶活性，称为离子泵离子泵，离子泵离子泵具有分解具有分解ATPATP的能力，也称的能力，也称ATPATP酶酶（ATPase）。）。经通道易化扩散经通道易化扩散 经载体易化扩散经载体易化扩散 原发性主动转运原发性主动转运 继发性主动转运继发性主动转运 被动转运被动转运主动转运主动转运1.1.通道介导的跨膜转运通道介导的跨膜转运 离子通道离子通道是一类贯穿脂质双层、中央带是一类贯穿脂质双层、中央带 有亲水性孔道的膜蛋白；有亲水性孔道的膜蛋白；无分解无分解ATPATP的能力的能力 被动过程被动过程 称称经通道易化扩散经通道易化扩散 特征：特征：高速度高速度：转运速率转运速率10106 6-10-108 8/秒秒（载体的（载体的102-105/秒）秒）通道与载体之间最重要的区别；通道与载体之间最重要的区别；离子选择性离子选择性：取决于通道开放时水相：取决于通道开放时水相孔道的大小孔道的大小 和和孔道壁的带电孔道壁的带电情况；情况；门控门控：在通道蛋白分子内有一些：在通道蛋白分子内有一些可移动的结构或可移动的结构或 化学基团化学基团，在通道内起，在通道内起“闸门闸门”作用，许作用，许多多 因素可刺激闸门运动，导致通道的开放或因素可刺激闸门运动，导致通道的开放或 关闭，这一过程称为门控（关闭，这一过程称为门控（gatinggating）。）。根据对不同根据对不同刺激刺激的敏感性，离子通道可分为：的敏感性，离子通道可分为：化学门控通道化学门控通道（chemically-gated ion channel chemically-gated ion channel）电压门控通道电压门控通道（voltage-gated ion channel voltage-gated ion channel）机械门控通道机械门控通道(mechanically-gated ion channel)(mechanically-gated ion channel)注意注意：1.也有少数几种通道始终是持续开放也有少数几种通道始终是持续开放 的，这类通道称为的，这类通道称为非门控通道非门控通道。（如（如:钾漏通道钾漏通道、缝隙连接通道缝隙连接通道等）等）2.2.通道的开关除调控通道的开关除调控物质的转运物质的转运外外,还与还与信号转导信号转导和细胞和细胞电活动电活动有关有关.经通道易化扩散：经通道易化扩散：转运的物质转运的物质:各种带电各种带电离子离子KK+i i KK+o oNaNa+o o NaNa+i i2.2.载体载体介导的跨膜转运：介导的跨膜转运：结合结合构象变化构象变化解离解离 特征：特征：转运速率存在转运速率存在饱和现象饱和现象；载体与溶质结合具有载体与溶质结合具有结构特异性结构特异性；结构相似的溶质经同一载体转运时结构相似的溶质经同一载体转运时 有有竞争抑制竞争抑制。KmKm（米氏常数米氏常数）：）：达达最大扩散速率最大扩散速率一半时所一半时所 需的底物浓度，反映载体蛋白对被转运需的底物浓度，反映载体蛋白对被转运 物分子的物分子的亲和力亲和力和和转运效率转运效率。机制：机制：饱和现象：饱和现象：（1 1）经载体易化扩散）经载体易化扩散：指指水溶性小分子水溶性小分子物质物质 经经载体载体（转运体）（转运体）介导介导顺顺浓浓 度梯度和（或）电位梯度度梯度和（或）电位梯度 进行的进行的被动被动跨膜转运。跨膜转运。形式：形式：单单（物质）（物质）转运转运 同向同向转运转运 反向反向转运转运（或交换）（或交换）经载体易化扩散经载体易化扩散:转运的物质：葡萄糖转运的物质：葡萄糖(GL)(GL)、氨基酸、氨基酸(AA)(AA)等等小分子亲水小分子亲水物质物质（2 2）原发性主动转运：）原发性主动转运：离子泵离子泵利用分解利用分解ATPATP产产 生的能量将离子生的能量将离子逆逆浓度梯度和（或）电位浓度梯度和（或）电位 梯度进行跨膜转运的过程。梯度进行跨膜转运的过程。注意：注意：在物质转运过程中，细胞要代谢在物质转运过程中，细胞要代谢供能供能；物质转运是物质转运是逆电逆电-化学梯度化学梯度进行的。进行的。*钠钠-钾泵钾泵（sodium-potassium pumpsodium-potassium pump）：）：上世纪上世纪5050年代，在枪乌鲗巨大神经轴突细胞膜上证实了年代，在枪乌鲗巨大神经轴突细胞膜上证实了NaNa+逆浓度梯度的跨膜转运逆浓度梯度的跨膜转运钠泵钠泵；还证实此过程必须在细；还证实此过程必须在细胞外胞外K K+存在时才能发生存在时才能发生NaNa+的外排与的外排与K K+的内入相耦联的内入相耦联钠钠-钾泵钾泵。19571957年，丹麦的年，丹麦的SkouSkou在蟹的外周神经膜上分离出一种在蟹的外周神经膜上分离出一种ATP ATP 酶，这种酶的不寻常之处是它在同时存在酶，这种酶的不寻常之处是它在同时存在NaNa+和和K K+的条的条件下被激活，此酶的活性还可被强心苷抑制件下被激活，此酶的活性还可被强心苷抑制提出提出NaNa+-K-K+-ATPATP酶酶就是钠泵的设想，并在以后的大量实验中得到证实。就是钠泵的设想，并在以后的大量实验中得到证实。Skou Skou 也因此获得也因此获得19971997年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。当当膜内膜内NaNa+或或膜外膜外K K+激活激活钠泵钠泵每每分解分解1 1分子分子ATPATP将将3 3个个NaNa+移出移出膜外，将膜外，将2 2个个K K+移入移入膜内膜内维持膜内高维持膜内高K K+和膜外高和膜外高NaNa+的的不均衡不均衡离子离子分布。分布。通道转运与钠通道转运与钠-钾泵转运模式图钾泵转运模式图钠泵的主要功能钠泵的主要功能 ：（耗能：（耗能202030%30%）a.a.钠泵活动造成的钠泵活动造成的细胞内高细胞内高K K+是许多是许多代谢代谢反应进行反应进行的必要条件的必要条件;b.b.维持胞内维持胞内渗透压渗透压和细胞和细胞容积容积:排水泵排水泵不断的将顺不断的将顺浓度梯度浓度梯度漏入的漏入的NaNa+转运回去；转运回去；c.c.建立建立NaNa+的跨膜浓度梯度，为的跨膜浓度梯度，为继发性主动转运继发性主动转运的物的物质提供势能储备；质提供势能储备；d.d.钠泵活动造成的跨膜钠泵活动造成的跨膜浓度梯度浓度梯度，是细胞发生，是细胞发生电活电活动动的前提条件；的前提条件；e.e.钠泵活动是钠泵活动是生电性生电性的，可直接影响的，可直接影响膜电位膜电位，使膜，使膜内电位的负值增大。内电位的负值增大。强心苷强心苷（地高辛地高辛、哇巴因哇巴因等）：钠泵特异性阻断剂等）：钠泵特异性阻断剂 小剂量时小剂量时心肌心肌钠泵钠泵（30%30%40%40%）被抑制）被抑制膜内外膜内外NaNa+浓度差浓度差 CaCa2+2+经经NaNa+-Ca-Ca2+2+交换交换的的驱动力驱动力胞质内胞质内CaCa2+2+浓度浓度收缩力增强。收缩力增强。*钙泵钙泵(calcium pump(calcium pump，CaCa2+2+-ATP-ATP酶酶)分布：分布：质膜质膜、内质网或肌质网膜内质网或肌质网膜上；上；作用：作用：质膜钙泵质膜钙泵每分解每分解1 1分子分子ATPATP 将将1 1个个CaCa2+2+移到移到膜外膜外；胞内胞内Ca2+内质网或肌质网钙泵内质网或肌质网钙泵每分解每分解 1 1分子分子ATPATP将将2 2个个CaCa2+2+移到移到 内质网或肌质网内质网或肌质网内；内；(0.1-0.2umol/L)为细为细胞外液量的万分之一胞外液量的万分之一（3 3）继发性主动转运）继发性主动转运（secondary active transport）：指驱动力并指驱动力并不不直接来自直接来自ATPATP的的分解，而是来分解，而是来自原发性主动自原发性主动转运所形成的转运所形成的离子离子浓度梯度浓度梯度而进行的物质而进行的物质逆逆浓度梯度和浓度梯度和（或）电位梯（或）电位梯度的跨膜转运度的跨膜转运方式。方式。如葡萄糖在如葡萄糖在小肠黏膜上小肠黏膜上皮的主动吸皮的主动吸收，就是由收，就是由NaNa+-葡萄糖葡萄糖同向转运体同向转运体和和钠泵钠泵的耦的耦联活动而完联活动而完成的。成的。（三）出胞和入胞（三）出胞和入胞 主主要要依依靠靠细细胞胞本本身身的的活活动动来来完完成成的的需需要要细细胞胞代代谢谢供供能能。1.1.出胞出胞（exocytosisexocytosis）胞质内的胞质内的大大分子分子物质以物质以分泌分泌囊泡囊泡的的形式排出细形式排出细胞的过程。胞的过程。如如:内分泌细胞内分泌细胞分泌分泌激素激素;神经神经细胞释放细胞释放递质递质.2.2.入胞入胞 （endocytosisendocytosis）指指大分子大分子物质物质或物质或物质团块团块（细菌（细菌,细胞碎片）细胞碎片）借助于与细胞借助于与细胞膜形成吞噬泡膜形成吞噬泡或吞饮泡的方或吞饮泡的方式进入细胞的式进入细胞的过程过程,并分别并分别称为称为吞噬吞噬和和吞吞饮饮.液相入胞液相入胞-指指细胞外液细胞外液及其所含的及其所含的溶质溶质连连 续不断地进入胞内，是细胞本续不断地进入胞内，是细胞本 吞饮吞饮 身固有的活动，进入细胞的身固有的活动，进入细胞的溶溶 质量和溶质的浓度成正比质量和溶质的浓度成正比。受体介导入胞受体介导入胞-指通过指通过被转运物被转运物与与膜受体膜受体 的特异结的特异结 合，合，选择性选择性地促进其地促进其 进入细胞的一种入胞方式。进入细胞的一种入胞方式。