細(xì)胞的基本功能課件

第二章細(xì)胞(xìbāo)的基本功能2.1細(xì)胞膜的物質(zhì)(wùzhì)轉(zhuǎn)運功能幾種跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運transportacrosscellmembrane方式Passivetransport

ActivetransportsimplediffusionfacilitateddiffusioncarriermediateddiffusionchannelmediateddiffusionPrimaryactivetransportSecondaryactivetransportNa+-K+pumpH+pumpCa2+Pump第一頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能對于不帶電荷的分子，影響其跨膜移動的力是concentrationgradient，對于帶電的離子，除了(chúle)concentrationgradient外還有electricalgradient。二者的綜合作用稱有electrochemicalgradient,orelectrochemicalpotential,產(chǎn)生作用力稱electrochemicaldrivingforce。Amoleculeorionthatcrossesthemembranebymovingdownaconcentrationorelectrochemicalgradientandwithoutexpenditureofmetabolicenergyissaidtobetransportedpassively第二頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.1.1被動轉(zhuǎn)運passivetransport

simplediffusion能溶于水的脂溶性物質(zhì)如CO2，O2等,類固醇激素等facilitateddiffusion一些(yīxiē)不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)在膜蛋白的幫助下，順著concentrationandelectricalgradient跨過cellmembrane.

carriermediateddiffusion

channelmediateddiffusion

第三頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能carriermediateddiffusion較小的有機分子如glucose,aminoacid通過這種方式跨過細(xì)胞膜。載體是膜蛋白，目前研究比較清楚的是轉(zhuǎn)運glucose的載體。這種transport方式的特點（1）載體與被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)之間有高度的結(jié)構(gòu)特異性，如右旋glucose的轉(zhuǎn)動速度比左旋的要快得多，木糖（C6）幾乎不能被轉(zhuǎn)運。（2）有競爭性抑制現(xiàn)象，如在環(huán)境(huánjìng)中加入半乳糖galactose會使glucose的transport減少。（3）有飽和現(xiàn)象（與enzyme相似）第四頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能channelmediateddiffusion

如Na+、K＋、Ca++等，速度極快，107個離子／秒通道，carrier轉(zhuǎn)運glucose大約(dàyuē)104，Na+-K+pump大約5*102離子通道ionchannel是細(xì)胞膜上的protein,都是內(nèi)在蛋白，molecularweight25000-250000,有的是單體有的是多聚體，如果是一條肽鏈，則要反復(fù)穿膜多次，形成一個中空的結(jié)構(gòu)，channel壁的外側(cè)是蛋白質(zhì)的疏水區(qū)域，與膜的膜質(zhì)雙層結(jié)合，而channel內(nèi)側(cè)壁是親水區(qū)域，允許水在其中，因此離子可以快速通過。細(xì)胞膜上除有離子通道外還有水通道第五頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能通道(tōngdào)的分子結(jié)構(gòu)模式圖ionchannel可以開放也可以關(guān)閉，這兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換只需1ms。ionchannel也有一定的選擇性,某一種通道允許某種離子通過，但專一性不如carrier高。Ionchannel根據(jù)開關(guān)的原理不同分為三類：電壓(diànyā)門控通道votagegatedionchannel,化學(xué)門控通道chemicallygatedionchannel,機械門控通道m(xù)echanicallygatedionchannel第六頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.1.2Activetransport

Solutemovesuphillagainstaconcentrationorelectrochamicalgradient.Theenegytomovethesubstanceuphillisderivedfromametabolicreaction,usuallyfromthehydrolysisofATP.

由ATP直接(zhíjiē)供能的稱原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運primaryactive~,由ATP間接供能的稱繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運secondaryactive~。

第七頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能(1)Primaryactivetransport目前研究得比較清楚的是Na+-K+ATPase(Na+-K+pump)Na泵的意義：Na＋pump廣泛存在于身體的各種細(xì)胞的質(zhì)膜上，消耗的能量占人體總能耗的1／4。如此大的能量消耗究竟有何生理意義呢？現(xiàn)在認(rèn)為主要有三點，①胞內(nèi)的高K＋是許多代謝反應(yīng)進(jìn)行的必要條件②如果胞外的Na+大量(dàliàng)進(jìn)入胞內(nèi)，由于滲透壓的關(guān)系，水也會大量(dàliàng)進(jìn)入，必然導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞③最重要的是它能建立一種勢能儲備，這是可興奮細(xì)胞興奮性的基礎(chǔ)，也可供細(xì)胞的其它耗能過程使用。第八頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能鈣泵也稱Ca2+-ATP酶，是廣泛分布于細(xì)胞膜，肌漿網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的ATP酶。由一條肽鏈構(gòu)成。真核細(xì)胞胞漿中游離的Ca2+濃度通常都保持在0.10.2m水平，而細(xì)胞外的濃度則高10000倍以上，如此大的濃度梯度是通過(tōngguò)多種機制得維持的，鈣泵是其中之一，主要在胞漿內(nèi)Ca2+濃度較低時發(fā)揮作用，實現(xiàn)持續(xù)、精細(xì)的調(diào)節(jié)質(zhì)子泵位于胃腺壁細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞膜上第九頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能（2）Secondaryactivetransport

也稱cotransport聯(lián)合轉(zhuǎn)運、共轉(zhuǎn)運）Na+-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體

小腸上皮，腎小管上皮細(xì)胞吸收Glc時，Glc逆濃度差跨膜移動，能量來自于Na泵建立起來的Na+濃度差的勢能。Na+-Ca2+交換(jiāohuàn)體

是一個938個氨基酸構(gòu)成的、包含11個疏水性跨膜片段的蛋白質(zhì)，是一個細(xì)胞膜上的逆向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。在大多數(shù)組織細(xì)胞，以3個Na+內(nèi)入Ca2+外排的化學(xué)計量進(jìn)行活動。第十頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.1.3exocytosisandendocytosis第十一頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.2Signaltransductionofcells多細(xì)胞生物的生命活動有賴于細(xì)胞之間的相互(xiānghù)協(xié)調(diào)和配合。因此，細(xì)胞間的通訊就顯得特別重要。細(xì)胞浸浴在有enternalenvironment當(dāng)中，出現(xiàn)在enternalenvironment中的各種化學(xué)分子是它們最常感受到的刺激或信息，如hormone,transmitter(遞質(zhì)），cytokine（細(xì)胞因子）等。有的細(xì)胞也可以接受物理信號，如電、光、機械等。第十二頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能ChemicalsignalLigand第十三頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能CellSurfaceReceptorTypes:1)ionchannelreceptor2)G-ProteinCoupledReceptor3)Enzyme-linkedReceptor

第十四頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.2.1SignalTransductionmediatedby

ionchannelreceptorchemicallygatedionchannelvotagegatedionchannelmechanicallygatedionchannelIonchannelreceptorUsuallynotreferredasreceptorIonchannel第十五頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能ionchannelreceptor介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的特點是路徑簡單，速度快，從遞質(zhì)與受體結(jié)合(jiéhé)到到產(chǎn)生電效應(yīng)的時間僅約0.5ms.這類受體存在于突觸和nerve末梢－效應(yīng)器的細(xì)胞膜上。至少已發(fā)現(xiàn)有5類acetylcholinereceptor-channel

5-HT-3receptor-channelGABAAreceptor-channelGlyreceptor-channelGlureceptor-channel第十六頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能目前研究最清楚的是acetylcholinereceptor-channel，MW270000，由5個亞基組成2α、β、γ、δ，每個亞單位都有4個20－25個疏水氨基酸組成的α螺旋，穿膜4次，都以第二個α螺旋（M2）向內(nèi)構(gòu)成(gòuchéng)channel的內(nèi)壁，M2帶負(fù)電，所經(jīng)此通道可以通過正離子，如Na+、K＋。這種receptor-channel系統(tǒng)的信息傳遞方式是快突觸傳遞的原理。第十七頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能SignalTransductionmediatedbyionchannelreceptor第十八頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.2.2G-ProteinCoupledReceptor第十九頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第二十頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.2.3Enzyme-linkedReceptor

第二十一頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能

生物電（bioelectricity）是一種(yīzhǒnɡ)極普遍的生理現(xiàn)象，是活組織的基本特征之一，廣泛存在于各種動物甚至植物的生理活動中。人們注意到生物電現(xiàn)象bioelectricalphenomenon最早是從電魚擊人開始的。2.3細(xì)胞(xìbāo)的電活動第二十二頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第二十三頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能生物電現(xiàn)象的觀察(guānchá)和記錄方法

生物電可用靈敏電流計、放大器和示波器以及(yǐjí)計算機控制的采集處理系統(tǒng)進(jìn)行測量。

細(xì)胞外記錄

2個記錄電極均在細(xì)胞外，通常使用金屬電極，記錄多個細(xì)胞電活動造成的綜合電信號。如心電圖，腦電圖，神經(jīng)干的雙相動作電位等

細(xì)胞內(nèi)記錄

1個記錄電極在細(xì)胞內(nèi)，另1個在細(xì)胞外，細(xì)胞電極通常是玻璃微電極，尖端直徑可達(dá)到1m以下，內(nèi)充導(dǎo)電溶液（KCl），可記錄單個細(xì)胞的電活動。第二十四頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能細(xì)胞(xìbāo)內(nèi)記錄第二十五頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第二十六頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第二十七頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.3.1膜的被動電學(xué)特性(tèxìng)和電緊張電位膜電容和膜電阻細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層的絕緣層把含有電解質(zhì)的細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液分隔開，其形式類似于一個平行板電容器。膜電容membranecapacitance[k?’p?sit?ns]

：約為1F/cm2膜電阻membraneresistance：單純的脂質(zhì)雙層幾乎是絕緣的，其電阻高達(dá)106~109，但生物膜的電阻要小的多，只有103左右。這主要是由于(yóuyú)生物膜的脂質(zhì)雙層中嵌入了許多離子通道和轉(zhuǎn)運體。膜電阻通常用它的倒數(shù)膜電導(dǎo)membraneconductanceG來表示第二十八頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能由于質(zhì)膜兼有電容和電阻特性，因此可用并聯(lián)的阻容耦合電路(diànlù)來描述它的電學(xué)特性。第二十九頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能電緊張(jǐnzhāng)電位electrotonicpotential隨著距離逐漸衰減的跨膜電流引起(yǐnqǐ)的膜電位變化稱作電緊張電位，其空間分布是由膜的被動電學(xué)特性所決定的。電緊張電位如果幅度較小，一般也不會引起膜自身所包含的離子通道的激活和膜電導(dǎo)的變化。如果幅度較大呢？第三十頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能在細(xì)胞水平上生物電表現(xiàn)為靜息電位和動作電位靜息電位(Restingpotential,RP)的記錄和數(shù)值：靜息電位是指細(xì)胞未受到刺激時存在(cúnzài)于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差。Potentialdifferenceexistsacrosseverycell’splasmamembrane.Cytoplasmsideisnegativepole,andextracellularfluidsideispositivepole.內(nèi)負(fù)外正狀態(tài)稱為極化polarized2.3.2細(xì)胞的靜息電位及其產(chǎn)生(chǎnshēng)機制第三十一頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能靜息(jìnɡxī)電位的數(shù)值(近似值,規(guī)定細(xì)胞外電勢為O）槍烏賊巨大神經(jīng)軸突、蛙骨骼肌細(xì)胞-50-70mV、哺乳動物骨骼肌細(xì)胞-90mV哺乳動物神經(jīng)細(xì)胞-70mV；哺乳動物平滑肌-55mV人的紅細(xì)胞-10mV第三十二頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能RP產(chǎn)生(chǎnshēng)的機制離子的跨膜勢能(shìnéng)差取決于其跨膜濃度差和電位差紅色箭頭(jiàntóu)表示電梯度，黃色箭頭(jiàntóu)表示濃度梯度第三十三頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能綜合考慮濃度差和電位差對離子(lízǐ)運動的作用，得到一個值稱電化學(xué)勢能差electrochemicalpotentialdifference電化學(xué)勢能差(x)=A(X)-B(X)==膜兩側(cè)的電化學(xué)勢能(shìnéng)差R＝理想氣體常數(shù)T＝熱力學(xué)溫度z=離子的電荷(diànhè)數(shù)（如＋2，－1）

F=法拉第常數(shù)EA－EB=跨膜電位差由濃度差引起的X＋由A向B的運動趨勢由電位差引起的X＋由A向B的運動趨勢第三十四頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能X+將趨于自發(fā)地由電化學(xué)勢能高側(cè)向(cèxiànɡ)電化學(xué)勢能低側(cè)運動。如果要使X+從低側(cè)向高側(cè)運動就必須對它做功。離子所具有的電化學(xué)勢能也能做功，如glucose和aminoacids的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運。

第三十五頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能處于跨膜平衡的離子滿足(mǎnzú)Nernst方程如果濃度差和電勢差對離子產(chǎn)生(chǎnshēng)的作用力大小相等方向相反，即：＝＝0則這時，離子沒有凈跨膜移動Nernst方程(fāngchéng)第三十六頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第三十七頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第三十八頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第三十九頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第四十頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能靜息(jìnɡxī)電位和K+平衡電位EquilibriumPotential

細(xì)胞膜在安靜狀態(tài)時，假定只對K+有通透性，由于濃度差，K+傾向于由膜內(nèi)向膜外擴散，使膜內(nèi)變負(fù)而膜外變正。當(dāng)外移的K+濃度勢能差等于膜兩側(cè)阻止外移的電勢能差時，細(xì)胞膜上不再有K+的凈移動，而膜兩側(cè)由于已經(jīng)外移的K+所造成的電位差，也穩(wěn)定于某一數(shù)值不變，此電位差稱為K+平衡(pínghéng)電位：用Nernst公式可以計算

RT[K+]0

ZF[K+]i

R:氣體常數(shù)（8.31）；T:絕對溫度；Z:離子價；1

F:法拉第常數(shù)（96500）對槍烏賊的神經(jīng)元軸突計算結(jié)果為：-87mV，Hodgkin(1939)用精密儀器測出的靜息電位為：-77mV。Ek=ln第四十一頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第四十二頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能影響靜息電位水平(shuǐpíng)的因素：

膜外K+濃度與膜內(nèi)K+濃度的差值決定EK，因而細(xì)胞外K+濃度的改變會顯著影響靜息電位，例如細(xì)胞外K+濃度升高會使EK的絕對值減?。ㄈO化）。

膜對K+和Na的相對通透性可影響靜息電位的大小，如果膜對K+的通透性相對增大，靜息電位也就增大（更趨向于EK），反之，膜對Na+的通透性相對增大，則靜息電位減?。ǜ呄蛴贓Na）。在心肌和骨骼肌細(xì)胞，K+與Na+的通透性之比為20~100，靜息電位為-80~-90mV，而平滑肌的上述比值為7~10，靜息電位僅為-55mV。

鈉鉀泵活動的水平對靜息電位也有一定的影響。

第四十三頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.3.3動作電位及其產(chǎn)生(chǎnshēng)機制2.2.3.1動作電位Actionpotential在restingpotential的基礎(chǔ)上，給細(xì)胞一個適當(dāng)?shù)拇碳?，可觸發(fā)(chùfā)其產(chǎn)生可傳播的膜電位波動，稱為動作電位actionpotential.Actionpotentialisarapid,reversible,andconductive

changeofthemembranepotentialafterthecellisstimulated.第四十四頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能當(dāng)神經(jīng)纖維在安靜的情況下受到一次短促的刺激時，細(xì)胞膜內(nèi)的負(fù)電位迅速消失，并且進(jìn)而(jìnér)轉(zhuǎn)變成正電位，但是膜兩側(cè)電位的倒轉(zhuǎn)只是暫時的，它很快就恢復(fù)到受刺激前靜息時的狀態(tài)。在神經(jīng)纖維它一般只持續(xù)0.5~2ms，這使它在描記圖形上形成一次短促而尖銳的脈沖，構(gòu)成了神經(jīng)動作電位的主要部分，特稱之為鋒電位（SpikePotential)（去極化、超射、復(fù)極化）第四十五頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能不同細(xì)胞(xìbāo)細(xì)胞(xìbāo)的動作電位形狀有所不同第四十六頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能動作電位actionpotential(AP)是膜受到刺激(cìjī)后在原有RP的基礎(chǔ)上發(fā)生的一次膜兩側(cè)電位的快速而可逆的倒轉(zhuǎn)和復(fù)原。thresholdDepolarizingphaseovershootrepolarizingphaseSpikeafterpotnetilrisingphasefallingphasenegativeafter-potentialpositiveafter-potentialActionpotential＋300－30－60－90第四十七頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第四十八頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能

動作電位的全或無現(xiàn)象(xiànxiàng)

同一細(xì)胞上的動作電位的大小不隨著刺激強度和傳導(dǎo)距離而改變的現(xiàn)象，稱為“全或無”現(xiàn)象。Throughoutdepolarization,theNa+continuestorushinsideuntiltheactionpotentialreachesitspeakandthesodiumgatesclose.Ifthedepolarisationisnotgreatenoughtoreachthreshold,thenanactionpotentialandhenceanimpulsearenotproduced.ThisiscalledtheAll-or-NonePrinciple.第四十九頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能2.2.3.2動作電位的產(chǎn)生(chǎnshēng)機制Whenthecellmembranesarestimulated,thereisachangeinthepermeabilityofthemembranetosodiumions(Na+).ThemembranebecomesmorepermeabletoNa+andK+,thereforesodiumionsrushintothecelldownaconcentrationgradient.TheentryofNa+disturbstherestingpotentialandcausestheinsideofthecelltobecomemorepositiverelativetotheoutside.第五十頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第五十一頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能Em－ENa=－90mV－(+65mV)=－155mV第五十二頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能弦電導(dǎo)方程Em=(gk/g)EK+(gNa/g)ENa+(gCl/g)ECl

其中g(shù)=膜對下標(biāo)所示離子(lízǐ)的電導(dǎo)g＝gk+gNa+gCl

膜對某一特定離子的電導(dǎo)越大，膜電位就越接近這種離子的平衡電位。第五十三頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能神經(jīng)元動作電位由膜Na+和K+電導(dǎo)(diàndǎo)的變化動作電位期間(qījiān)膜電導(dǎo)的變化第五十四頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能膜電導(dǎo)的測量在電化學(xué)驅(qū)動力(可以只考慮電勢差Em－Ex)保持I不變的情況下，測定某種離子的膜電流(diànliú)。再用歐姆定律來計算該離子的膜電導(dǎo)。電導(dǎo)(diàndǎo)歐姆定律第五十五頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能1939年Hodgkin將微電極（0.5m）插入到槍烏賊的巨大神經(jīng)纖維中，直接測量膜內(nèi)外的電位差，并刺激神經(jīng)，觀察神經(jīng)沖動經(jīng)過電極時，膜電位的變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)動作電位大于膜電位。說明發(fā)生興奮時，神經(jīng)或肌肉細(xì)胞的膜不僅是極化狀態(tài)的消失，而且是反方向的電位差。1949年，Hodgkin等根據(jù)新的實驗事實，在膜學(xué)說的基礎(chǔ)上提出了離子學(xué)說。離子學(xué)說認(rèn)為各種生物電現(xiàn)象(xiànxiàng)的表現(xiàn)，主要時由于某些帶電離子在細(xì)胞膜兩側(cè)的不均衡分布以及在不同情況下對這些離子的通透性改變所引起的。第五十六頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能為了進(jìn)一步證實這一理論Hodgkin設(shè)計了著名的電壓(diànyā)鉗實驗（電壓(diànyā)固定技術(shù)：），測定了在動作電位期間離子電流的變化，進(jìn)一步證明了離子學(xué)說。第五十七頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第五十八頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能第五十九頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能"TheSquidanditsGiantNerveFiber"wasfilmedinthe1970satPlymouthMarineLaboratoryinEngland.ThisisthelaboratorywhereHodgkinandHuxleyconductedexperimentsonthesquidgiantaxoninthe1940s.Theirexperimentsunraveledthemechanismoftheactionpotential,andledtoaNobelPrize.Longoutofprint,thefilmisanhistoricallyimportantrecordofthevoltage-clamptechniqueasdevelopedbyHodgkinandHuxley,aswellasaninterestingglimpseathowtheexperimentsweredone.小電影(diànyǐng)第六十頁，共七十一頁。細(xì)胞的基本功能研究(yánjiū)離子通道的方法一種方法是將純化的離子通道蛋白或