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山东大学医学院生理研究所

山东大学医学院生理研究所. 第二章 细胞的基本功能. 本章重点：. 细胞膜的基本化学组成和结构 ( 复习）； 物质跨膜转运的形式和原理； 细胞的跨膜信号转导功能； 细胞的生物电和有关现象； 肌细胞的收缩活动。. 第一节　 细胞膜的基本结构和物质转运功能. 一、细胞膜的结构概要 组 成： 脂质，蛋白质，糖类 基本结构： 流体镶嵌模型 （ fluid mosaic model). （一）脂质双分子层 组成： 70 ％磷脂，  30 ％ 胆固醇 存在形式： 双分子层 特点： 具有流动性

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  1. 山东大学医学院生理研究所

  2. 第二章 细胞的基本功能

  3. 本章重点： 细胞膜的基本化学组成和结构 (复习）； 物质跨膜转运的形式和原理； 细胞的跨膜信号转导功能； 细胞的生物电和有关现象； 肌细胞的收缩活动。

  4. 第一节　细胞膜的基本结构和物质转运功能 一、细胞膜的结构概要 组 成：脂质，蛋白质，糖类 基本结构：流体镶嵌模型 （fluid mosaic model)

  5. （一）脂质双分子层 组成： 70％磷脂，  30％ 胆固醇 存在形式：双分子层 特点： 具有流动性 功能： 1.屏障作用 2.传递信息

  6. 脂质双分子层

  7. 1. 磷脂 动物细胞膜中主要的 四种磷脂： 磷脂酰胆碱(膜外侧)、 磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰肌醇、 磷脂酰丝氨酸。 2.鞘脂类 基本结构和磷脂类似，不含甘油(膜外侧)。 3.胆固醇 有一个甾体结构（环戊烷多氢菲）和一个8碳支链。

  8. (二)细胞膜蛋白质 功能：酶蛋白 转运蛋白 受体蛋白 ①转运物质② 传递信息③ 免疫标志 结构：主要以а-螺旋或球形蛋白质的形式存在。 表面蛋白 存在形式 整合蛋白 特点：流动性（横向移动）

  9. 表面蛋白（Peripheral proteins） 占20%~30%,以静电引力或离子键与整 合蛋白结合,附着于膜表面，主要在内表面。 --- p.ser. +++ --- --- --- arg +++ +++ +++

  10. （三）细胞膜糖类 细胞膜所含糖类2%~10% ， 成分：主要是一些寡糖和多糖链 形式：共价键的形式和膜脂质或蛋白质结 合，形成糖脂或糖蛋白 部位：糖链绝大多数是裸露在膜的外面一侧。 功能： ① 免疫标志 ② 传递信息

  11. （一）单纯扩散 概念：高浓度区域中的溶质分子将向低浓度 区净移动，这种现象称为单纯扩散。 物质的移动方向和速度： 决定于各该物质的浓度差，膜对该物 质的通透性。

  12. 扩散的物质：脂溶性高、分子量小的物质。O2、CO2、N2、乙醇、尿素、水等。扩散的物质：脂溶性高、分子量小的物质。O2、CO2、N2、乙醇、尿素、水等。

  13. 1.经载体易化扩散 特征： （1）顺梯度 （2）饱和现象 （3）载体与溶质的结合有较高 的化学结构特异性。 （4）竞争性抑制

  14. （二）膜蛋白介导的跨膜转运： • 根据转运方式的不同， 通道 膜蛋白分为 载体 离子泵 转运体 被动转运：通道、载体 膜蛋白介导的跨膜转运 （不耗能、顺梯度） 原发性 主动转运：泵 继发性 （耗能、逆梯度）

  15. 2．经通道易化扩散 概念: 带电的离子如Na+、K+ 、 Ca2+、 CI-等借 助于通道蛋白的介导,由膜的顺浓度梯度 或电位梯度的跨膜扩散。 特点 : a. 通道具有开放和关闭状态; b. 对转运物质有选择性,但无载体蛋白那么严格

  16. 分类: 化学门控通道： 膜两则（外测）出现 化学信号时开放。 电压门控通道： 膜两则电位差改变决定 其开放或关门。

  17. 离子通道功能状态： ①静息状态-通道关闭： (备用状态)刺激能开放 ②激活状态-通道开放： 离子扩散 ③失活状态-通道关闭: 刺激不能开放

  18. 离子通道功能状态的调控： 通道蛋白质有别于载体的重要特点之一， 结构和功能状态可以因细胞内外各种理化因素膜电位、化学信号、机械刺激的影响而迅速改变。 通道蛋白质结构中可能存在着类似闸门（gate）一类的基团，由它决定通道的功能状态。-门控 电压门控通道-膜两侧电位差 化学门控通道-化学物质（Ach） 机械门控通道—机械刺激

  19. 3.原发性主动转运 概念: 指细胞通过直接利用代谢产生的能量将物 质(离子)逆浓度梯度或电位梯度进行跨膜 转运的过程。 化学本质： 钠泵是Na+-K+依赖式ＡＴＰ酶的蛋白质。 也称Na+-K+-ＡＴＰ酶。 启动机制： 启动和活动强度与膜内多Na+和膜外多K+有关。

  20. 钠泵活动时泵出Na+和泵入K +同时进行或“耦联”在一起

  21. 细胞膜上的钠泵活动的意义： （1）由钠泵活动造成的细胞内高K+，是许多代谢 反应进行的必需条件； （2）Na+和K+浓度梯度使细胞生物电活动产生的 前提条件。 （3）维持胞质渗透压和细胞容积相对稳定。 Na+和Cl-漏入≥K +漏出。哇巴因抑制钠泵活 动大量细胞外Na+ 、Cl-漏入膜内，胞质渗透 压升高，过多水进入膜内，引起细胞的肿 胀，进而破坏细胞的结构；

  22. （4）维持细胞内pH相对稳定。Na+ -H+交换 （5）维持细胞内Ca2+浓度的稳定。Na +和K + 浓度梯度是Na+ - Ca2+交换动力。 （6）生电性。３个Na+移到膜外同时２个K+移 入膜内。 （7）Na+浓度梯度是其他物质继发转运的动 力。

  23. 通道转运与钠-钾泵转运模式图

  24. 4.继发性主动转运 • 概念： 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能量的主动过程称为继发性主动转运。

  25. 机制：转运体（膜蛋白）利用膜两侧Na+浓度梯度或电位梯度跨膜转运。机制：转运体（膜蛋白）利用膜两侧Na+浓度梯度或电位梯度跨膜转运。 • 没有Na+由高浓度的膜外顺浓度差进入膜内，就不会出现葡萄糖、氨基酸等分子逆浓度差进入膜内。

  26. 转运体：膜蛋白 • 同向转运：被转运的物质与Na +移动的方向相同。相应的转运体称为同向转运体。 • 反向转运：被转运的物质彼此与Na +移动的方向相反。相应的转运体称为反向转运体或交换体。

  27. 被动转运 主动转运 比较单纯扩散、 易化扩泵 异同点 转运物质 脂溶性、小分水溶性、小分子、离子水溶性、小分子、离子 动力 浓度差 浓度差、电压差 ATP 顺梯度顺梯度逆梯度 特点 扩散速度取决于 膜蛋白介导膜蛋白介导 ①浓度差通道 载体原发性、继发性 ②膜通透性 ①浓度差 ①饱和 ②膜通透性 ②特异性 ③电压差 ③竞争抑制 不耗能不耗能耗能

  28. 主动转运与被动转运的区别 主动转运 被动转运 不需外部能量 需由细胞提供能量 顺电-化学势差 逆电-化学势差 使膜两侧浓度差更小 使膜两侧浓度差更大

  29. 第二节 细胞的跨膜信号转导一、G蛋白耦联受体介导的信号转导 主要途径： 1.受体-G蛋白-AC途径: 物质 膜表面的特异受体 Gs-(兴奋性G蛋白) 激活腺苷酸环化酶 胞浆中的ATP分解 膜内侧胞浆中cAMP (有时是减少),实现激素对细胞内功能的调节

  30. 2.受体-G蛋白-PLC途径 • 外界剌激信号 膜受体 Go的G蛋白 激活磷脂酶C 磷脂酰肌醇 三磷酸肌醇(IP3) 二酰甘油 第二信使 影响细胞内过程,完成跨膜信号转导。

  31. 二、离子通道受体介导的信号转导 1.离子通道受体-促离子型受体（化学门控通道） 因化学门控通道具有受体功能，也称为通道型受体；激活时直接引起跨膜离子流动，也称促离子型受体。 控制通道开、关的因素-化学物质。 主要分布： 肌细胞终板膜、神经细胞突触后膜、嗅、味感受细胞膜中,使所在膜产生终板电位、突触后电位以及感受器电位等局部电反应。

  32. 2.电压门控通道： 主要分布: 神经轴突、骨骼肌、 心肌细胞的一般质膜 中, 控制这类通道开、关的因素是通道所在 膜两侧的跨膜电位的变化。 3.机械门控通道： 细胞表面膜存在能感受机械性刺激并引起 细胞功能改变的通道样结构。 特点： 速度快、对外界刺激反应的位点局限。

  33. 三、酶耦联受体介导的信号转导 • 特点： 受体分子的胞质侧自身具有酶的活性，可直接激活胞质中酶。 受体只有一跨膜α-螺旋和一个较短的膜内肽段。 酪氨酸激酶受体 重要的受体有 鸟苷酸环化酶受体

  34. （一）酪氨酸激酶受体 特点：膜外侧-配位体结合点 深入胞质端-酪氨酸激酶结构域 受体与酶是同一蛋白分子 • 肽类激素如胰岛素和细胞因子 相应的靶细胞时, 激活细胞膜酪氨酸激酶受体 胞质侧酶活性部位活化 胞质酪氨酸激酶结合、激活 完成跨膜信号转导 一系列细胞内信号分子 细胞核内基因转录改变。

  35. （二）鸟苷酸环化酶受体 膜外侧- α-螺旋分子N端-配位体结合点 膜内侧- α-螺旋分子C端-鸟苷酸环化酶 （GC）结构域,与配位体结合活化。 机制 GTP CGCGMP 蛋白激酶G（ PKG ） PKG活化 底物磷酸化

  36. 第三节 细胞的生物电现象 • 一、细胞膜的被动电学特性 • （一）膜电容和膜电阻 • 细胞膜的电缆学说 • 细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作为两个导体，有一定的电阻； • 膜电容：细胞膜脂质双层类似于一个平板电容器，相对地视作绝缘体，因此细胞膜具有显著的电容特性。

  37. 跨膜电位：当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。跨膜电位：当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。 • 膜电阻：通常用它的倒数膜电导G来表示。对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的通透性。

  38. 细胞膜相当于一条电缆．一点给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜电位变化：细胞膜相当于一条电缆．一点给予膜一个突然的电流，从另一点记录膜电位变化： • ①在电源附近电位上升快，达 • 到的最高电位也较大； • ②离开电源越远，则不但电位 • 上升的慢，而且最终的最高 • 电位也较低。 • ③电位改变变慢，是膜电容引 • 起的后果；电位依距离变 • 小，是膜外电阻、膜电阻及 • 膜内电阻引起的后果。

  39. 细胞膜的被动电学特性与电学特性 • 相同点： 欧姆定律 电阻、电容、电流、电紧张 • 异同点：膜离子通道-离子流 泵电流-生电性Na+-K+泵

  40. （二）电紧张电位 • 概念： 细胞膜的电学特性相当于并联的阻容耦合电路，跨膜电流随着距原点距离的增加而逐渐衰减，膜电位也逐渐衰减，形成一个规律的膜电位分布，这种由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位。

  41. 产生： ①向神经纤维的某一点注入不同方向的电流； ②用正、负电极从膜外侧施加电刺激，胞质内的负电荷流向正极下方，正电荷流向负极的下方，因而在正、负电极下分别产生一个彼此方向相反的电紧张电位。

  42. 二、细胞的静息电位 ① 安静时——静息电位 ② 受刺激时—动作电位

  43. （一）电生理学研究方法： • 1. 细胞内记录：微电极

  44. 细胞内记录：微电极

  45. 2.膜片钳实验技术 是一种能够记录膜结构中单一的离子通道蛋白质分子的开放和关闭，亦即测量单通道离子电流和电导的技术。

  46. (二) 静息电位(resting potential)1.概念：是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两 侧的电位差。2.测量方法：细胞内电位记录方法静息电位表现为膜内较膜外为负。

  47. 记录装置 ①记录仪器: ②电极:一对测量电极 一个放在细胞的外表面， 另一个连接玻璃微电极。 当微电极刺入膜内时，记录仪器上显示一个突然的电位跃变，表明细胞膜内外两侧存在着电位差。存在于安静细胞的表面膜两侧的，故称为跨膜静息电位，简称静息电位。

  48. 特征： 静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位,但不同细胞的静息电位数值可以不同; 只要细胞未受刺激、生理条件不变,这种电位将持续存在。

  49. 静息电位时膜两侧所保持的外正内负状态称为膜的极化(polarization)；静息电位时膜两侧所保持的外正内负状态称为膜的极化(polarization)； • 膜内外电位差的数值向膜内负值加大的方向变化时，称为膜的超极化(hyperpolarization)； • 膜内电位向负值减小的方向变化，称为去极化或除极化(depolarization)；

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