第二章细胞生理09级

细胞的基本功能细胞的跨膜物质转运功能细胞的信号转导功能细胞的生物电现象肌细胞的收缩功能第一节细胞膜的结构和物质转运功能一、细胞膜的结构液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)以液态的脂质双分子层为基架,其中镶嵌着具有不同分子结构和不同生理功能的蛋白质。蛋白质主要以α-螺旋或球形蛋白质的形式存在。液态镶嵌模型脂质双分子层细胞膜的蛋白细胞膜的糖类磷脂70%胆固醇30%糖脂10%为双嗜性分子亲水基团疏水基团朝内外液朝膜内部表面蛋白整合蛋白70%~80%如载体、通道和离子泵20%~30%以离子键与膜中整合蛋白质相结合以肽链一次或多次穿越膜脂质双层2%~10%由寡糖和多糖链以共价键的形式与膜蛋白或膜脂结合成糖蛋白或糖脂二、物质的跨膜转运▲膜是细胞内外液体分子移动的屏障，细胞内外成分的差别是由膜的特性来决定的膜的特性：即膜的通透性（大、小、无）通透性（permeability）：物质通过膜的难易程度被动转运主动转运单纯扩散膜蛋白（通道、载体）介导跨膜转运（易化扩散）出胞和入胞（均为耗能过程）原发性主动转运继发性主动转运物质跨膜转运方式（一）单纯扩散（simplediffusion）概念：脂溶性和分子小的水溶性物质从高浓度侧向低浓度侧跨膜转运。是一种简单穿越质膜的物理扩散。扩散方向和速度：*动力：膜两侧的物质浓度差*阻力：膜对该物质的通透性单纯扩散的特点：1、高浓度→低浓度（不耗能）2、不需膜蛋白参与3、脂溶性小分子的O2和CO2才能通过(N2、尿素、乙醇、水)（水极性小，不带电，高通透性）水还可通过水通道跨膜转运（二）膜蛋白介导的跨膜转运多数水溶性小分子物质和所有离子的跨膜转运都是由膜蛋白介导的参与介导的膜蛋白有:1、载体蛋白（简称载体）离子泵（具有ATP酶活性的载体）2、通道蛋白（简称通道）经载体转运被动转运（经载体易化扩散）主动转运原发性主动转运继发性主动转运由膜蛋白介导的跨膜转运分：经通道转运被动转运（经通道易化扩散）1、通道介导跨膜转运（速度较快转运速率106~108/秒）结构：通道蛋白是带有闸门装置的通道，是贯穿膜的脂质双层，中央带有亲水性孔道的膜蛋白。机制：当通道蛋白构变→蛋白质内部就出现一条贯穿膜内外的水相孔道→带电离子快速顺浓差、顺电位差跨膜移动(被动转运)主要转运：带电离子如Na+、K+、Ca2+、Cl-等（Na+通道、K+通道、Ca2+通道、Cl-通道）※基本特征:（1）通道的离子选择性：如：钾通道对K+和Na+通透性之比为100:1；如：Ach受体阳离子通道对K+、Na+高度通透，对Cl-则不能通透。故Ach受体阳离子通道属于非选择性阳离子通道（2）离子通道的门控特性：通道内有“闸门”样结构，能使通道开放或关闭（门控），通道的开放是短暂的（几~几十毫秒），但通道“开放”或“关闭”是有条件的。据刺激敏感性不同分：化学门控通道（chemically-gatedchannel）电压门控通道（voltage-gatedchannel）机械门控通道（mechanically-gatedchannel）①电压门控通道概念：通道的开闭受膜两侧电位差控制的离子通道称为电压门控通道。如：电压门控Na+通道、Ca2+通道、K+通道等分布：骨骼肌、心肌细胞，神经轴突膜上。以电压门控Na+通道为例：123456++123456++123456++123456++NH2COOH565656651112122323444433ⅠⅠⅡⅡⅢⅢⅣⅣNa+通道α亚单位的分子结构示意图(图2-15A、B)电压门控Na+通道由α、β1、β2三个亚单位组成,其中一个较大的α亚单位是形成孔道的单位。第一个被纯化和克隆的Na+通道，其α亚单位来自电鳗的电器官，是由1820个氨基酸组成。123456++123456++123456++123456++NH2COOH565656651112122323444433ⅠⅠⅡⅡⅢⅢⅣⅣ整个肽链中,含有4个结构类似的结构域，每个结构域各含有6个跨膜α-螺旋。4个结构域及其所含的疏水性α-螺旋在膜中绕成一个孔道，相互间向膜内折叠的胞外环构成孔道的内壁。Na+通道α亚单位的分子结构示意图(图2-15A、B)123456++123456++123456++123456++NH2COOH565656651112122323444433ⅠⅠⅡⅡⅢⅢⅣⅣ每个结构域中第4个α-螺旋处都有带正电荷的精氨酸和赖氨酸，此跨膜段被认为是感受电信号的传感器。当膜去极化→电场力作用下发生旋转和移位→通道构变→通道激活开放→Na+内流Na+通道α亚单位的分子结构示意图(图2-15A、B)图2-1A电压门控Na+通道分子内具有带正电位感受区，当膜去极化时发生移动，通道构变，闸门开放，Na+内流。②化学门控通道(也称配体门控通道或递质门控通道)概念：由某些化学物质控制其开闭的通道称为化学门控通道。分布：N-M接头处终板膜上、神经轴突后膜上、嗅味觉感受细胞膜上。以N2型Ach受体阳离子通道为例：•乙酰胆碱受体阳离子通道是由5个亚单位α2、β、γ、δ、围成个梅花状结构•在膜外侧的其中2个α亚单位上分别有与Ach结合的位点当配体（Ach）与膜外侧的两个α亚单位上位点结合→通道构变→闸门开放→Na+、K+离子跨膜移动。图2-1B位点位点配体配体③机械门控通道：细胞膜感受牵张刺激而引起其通道的开放或关闭称为机械门控通道如：下丘脑内有些对渗透压敏感的神经细胞2、载体介导跨膜转运（速度较慢转运速率103~105/秒）结构：载体蛋白上有与物质结合的位点机制：被转运物质与载体蛋白上位点结合→构变→被转运物质由膜的一侧转运到另一侧→随即与载体解离特点：有结构特异性有饱和现象（图2-2B）有竞争抑制（1）经载体易化扩散指水溶性小分子物质经载体介导顺浓差或顺电位差进行的被动跨膜转运。单物质转运与单物质转运体：载体只能将一种物质从膜的一侧转运至另一侧为单物质转运，其载体为单物质转运体。如右旋葡萄糖载体（葡萄糖转运体，GLUT）同向转运与同向转运体：如钠-葡萄糖同向转运体逆向转运与交换体：如钠-氢交换体、钠-钙交换体经载体转运物质：如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等概念：细胞直接利用ATP产生的能量在离子泵的帮助下将物质逆电-化学梯度进行跨膜转运的过程研究较多:钠-钾泵（简称Na+泵）本质：Na+-K+-ATP酶（膜蛋白）（2）原发性主动转运（primaryactivetransport）钠-钾泵作用：1、具有ATP酶的活性能分解ATP为ADP，释放能量用于Na+、K+的主动转运。2、Na+泵每分解一分子ATP释放能量，使3个Na+移出膜外，2个K+移入膜内，使膜内电位的负值增大。故也称电生性Na+泵或Na+-K+-ATP酶3、维持细胞内外的Na+、K+不均匀分布激活条件：细胞内Na+浓度升高或细胞外K+浓度升高1、胞内低Na+维持细胞体积和功能，防止细胞水肿，维持细胞外液量和渗透压。2、胞内高K+维持胞质内许多代谢反应所必需，阻止过量K+移出，防止高血钾。3、胞外高Na+建立一种高钠势能，用于细胞的其它耗能，为继发性主动转运提供势能储备。4、维持细胞内PH、Ca2+浓度稳定（H+-Na+交换和Ca2+-Na+交换）。5、钠泵造成跨膜离子浓度梯度是细胞发生电活动的前提条件。钠-钾泵活动生理意义如：小肠、肾小管吸收葡萄糖、氨基酸神经末梢摄取神经递质、甲状腺聚碘Na+-H+交换和Na+-Ca2+交换（3）继发性主动转运(secondaryactivetransport）概念：能量来自细胞外高Na+势能（Na+泵），不直接来自ATP分解，这种间接利用ATP能量的主动转运过程参与膜蛋白：Na+-葡萄糖同向转运体和钠泵的联合活动机制：同向转运体蛋白体上存在两个结合位点，一个结合Na+，另个结合被转运物质，当三者形成复合物，蛋白构型改变，使Na+和被转运物质作跨膜移动。葡萄糖转运对钠泵活动的依赖性：Na+泵活动被药物（哇巴因）抑制，葡萄糖转运随即消失，说明葡萄糖转运依赖钠泵。（三）入胞和出胞入胞（endocytosis）如细胞吞嗜细菌等胞饮（液态）-吞饮（液相入胞和受体介导入胞）胞吞（固态）出胞（exocytosis）如神经末梢释放递质等入胞:受体介导的入胞过程出胞：1、从概念、机制、特点等方面比较单纯扩散与经载体和通道易化扩散的异同点。2、Na+泵的本质是什么？Na+泵活动有何生理意义？3、区别原发性主动转运与继发性主动转运的概念、特点及其机制。试举例说明。课后讨论题第二节细胞的信号转导在多细胞机体，只有少数细胞之间可以直接接触；而大多数细胞周围都是细胞外液，这些细胞之间无原生质联系，那么细胞间各自代谢活动、功能联系靠什么来完成呢？实际上就是靠细胞外液中各种化学物质作为信息的载荷体在细胞间进行信息传递来完成跨膜信号转导。跨膜信号转导：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。能与受体发生特异性结合的活性物质为信号物质（也称配体）信号物质类型※疏水性信号物质（类固醇激素）直接透过细胞膜与胞内受体结合发挥作用※亲水性信号物质先与膜受体结合-构变-跨膜-细胞内信号转导-生物学效应跨膜信号转导路径•离子通道型受体介导的信号转导•G-蛋白耦联受体介导的信号转导•酶联型受体介导的信号转导一、离子通道型受体介导的信号转导（促离子型受体）（一）化学门控通道（递质门控通道，受体）受体与神经递质结合-突触后膜离子通道快速开放-离子跨膜流动-突触后神经元或效应器细胞膜电位改变-完成神经信号快速跨膜转导（路径短、速度快）AchN2-Ach受体阳离子通道兴奋(或动作电位，AP)→运动神经末梢释放Ach→与骨骼肌终板膜上N2-Ach受体结合→终板膜对PNa+↑↑、PK+↑→Na+通道开放→Na+内流→膜去极化→肌肉兴奋和收缩→完成神经-肌接头兴奋传递如：神经-骨骼肌接头处兴奋传递（二）电压门控通道（非受体）是接受电信号的“受体”如：心肌细胞T管膜上的L型Ca2+通道AP→T管膜去极化→L型Ca2+通道开放→Ca2+内流→肌浆Ca2+↑→激活终池膜上Ca2+释放Ca2+通道→肌浆Ca2+↑↑→Ca2+与肌Ca2+蛋白结合→肌细胞收缩→实现AP的信号转导（三）机械门控通道（非受体）是接受机械信号的“受体”如：血压升高更引发血管收缩血压升高→对管壁的牵张刺激→激活血管平滑肌细胞膜上机械门控离子通道→使通道开放→Ca2+内流并作为细胞内信号→进一步引发血管收缩→实现管壁牵张刺激的信号转导。G-蛋白耦联受体跨膜转导的信号蛋白G-蛋白耦联受体信号转导的主要途径二、G-蛋白耦联受体介导的信号转导该途径需经《G-蛋白耦联受体→G蛋白→G蛋白效应器酶→第二信使》实现跨膜信号转导内容（一）主要的信号蛋白包括G-蛋白耦联受体G-蛋白G-蛋白效应器第二信使蛋白激酶结构：每种受体分子都由一条含7次跨膜α-螺旋的肽链构成，N端在胞外，C端在胞内，也称（7次跨膜受体）。受体蛋白：胞外侧有与配体结合的位点胞内侧有与G-蛋白结合的位点当信号分子（配体）与该受体结合→构变→激活G-蛋白1、G-蛋白耦联受体2、G-蛋白（鸟苷酸结合蛋白）组成：由α、β、γ三个亚单位构成三聚体G-蛋白，其中α亚单位起催化作用种类：G-蛋白分Gs家族(兴奋性)Gi家族(抑制性)Gq家族G12家族共同特征：G-蛋白的α亚单位具有结合GTP或GDP的能力和ATP酶活性分子构象：失活态G-蛋白α亚单位结合GDP激活态G-蛋白α亚单位结合GTP二者相互交替，起着分子开关的作用。当激活Gs→膜内侧效应器酶活性↑当激活Gi→膜内侧效应器酶活性↓G-蛋白的激活失活态G-蛋白（α亚单位与GDP结合)当胞外配体与受体结合→活化受体与G-蛋白的α亚单位结合→构变→α亚单位与GDP解离→即与胞质中GTP结合→激活态G-蛋白当α亚单位与GTP结合→即与βγ分离、与活化受体解离→形成GTP—α亚单位和β-γ亚单位→二者均激活膜的效应器蛋白→把信号向细胞内转导∵α亚