1、细胞的基本功能 Primary Function of Cell,引言,细胞是生物体的基本组成和功能单位 约38亿年前，地球上出现了原始的细胞，生命完成了化学进化阶段，进入了生命演化的快车道！ 细胞表现出哪些基本的生命活动？,目的要求：复习 细胞膜的基本结构， 熟悉 细胞膜物质转运功能通道与载体 了解 跨膜信号传递过程； 掌握 生物电产生和冲动传导的基本原理 清楚 肌肉收缩过程。,一、细胞膜的基本结构和功能,1.1 细胞膜的基本结构,液态镶嵌模型,保护细胞、 物质交换、传递信息、 能量转换 运动和免疫等。,1.2 细胞膜的基本功能,1.2.1 物质转运,（1）被动转运： 简单扩散 simple
2、 diffusion 易化扩散 facilitated diffusion a. 载体蛋白（船）b.通道蛋白（桥） （2）主动转运 （3）胞吐与吞饮,（1）被动转运,a.简单扩散 Simple diffusion非极性极性小分子,b.易化扩散载体,可饱和性 选择性,c.易化扩散通道,非门控通道门控通道(Ion channel)：化学门控通道电压门控通道机械门控通道Ion selectivity (离子选择性) Gating (门控特性),水通道,化学门控,Chemically-gated channel乙酰胆碱 Ach,电压门控Na+通道 voltage-gated sodium channe
3、l,电压感受器 voltage-sensor,电压门控式钠离子通道三种状态,关闭（备用） 激活 失活 备用细胞膜电势变化,机械门控式通道 Mechanically-gated,逆电化学梯度 消耗能量,(2) 主动转运,钠泵 （Na-K-ATP酶），每分解1分子ATP，排出3个Na+，摄入2个K+。 斯科(Jens C.Skou)，1997 。1/3 活动的结果？,同向共转运逆向共转运,继发性主动转运,载体与通道小结,细胞膜的形态变化,(3)胞吐与内吞,跨膜信息传递 基本过程：第二信使学说,1.2.2 信息传递,膜受体 ：细胞膜上专一性结合激素、神经递质以及其他化学活性物质并引起细胞特异反应的特
4、殊蛋白质。,第二信使cAMP cGMP cTMP etc.,肾上腺素 受体 G蛋白 腺苷酸环化酶 CAMP 蛋白激酶 磷酸化酶 肌糖元,Two major pathways by which G-protein- linked cell-surface receptors generate small intracellular mediators,刺激与反应 stimulus & reaction适宜刺激与不适宜刺激 直接刺激与间接刺激,二、细胞的兴奋性和生物电现象,2.1 细胞的兴奋性及其变化,2.1.1 细胞的兴奋性,兴奋与兴奋性 excitation & excitability,2.
5、1. 引起细胞兴奋的条件,(一)组织的机能状态 （二）刺激的特征 时间、强度 阈强度 threshold intensity 阈刺激、阈上刺激、阈下刺激。基强度：最低的阈强度 时值 chronaxie,2.1.3 兴奋性的变化,.兴奋后兴奋性的变化 绝对不应期：absolute refractory period 0.3ms 相对不应期：relative refractory period 3ms 超常期：supernormal period 12ms 低常期：subnormal period 70ms .阈下总和 阈下刺激相继或同时作用 时，有可能引起一次兴奋， 称为阈下总和。,生物体在生命
6、活动过程中所表现的电现象称为生物电 bioelectricity 研究历史：1786 伽伐尼/伏特 发现与争论1902 伯恩思坦 “膜学说”1939 霍奇金、赫胥里 “离子学说”,2. 细胞的生物电,生物电的产生依赖于细胞膜对化学离子的选择通透性及其在不同条件下的改变。,静息电位 Resting Potential RP 细胞未受到刺激时，即细胞处于静息状态下细胞膜两侧所存在的电位差，称为静息膜电位,2.2.1静息电位及其产生机制,外正、内负 -65mv-100mv “极化”、 “去极化”、“反极化”、 “超极化”、“复极化”,形成机理： 由于Na+泵的作用，膜两侧Na+、K+不均衡分布，分别
7、具有向膜内、外扩散的趋势，其离子通透性的大小取决于膜上相应离子通道开放情况。,表2-1 典型的哺乳动物细胞内外离子浓度的比较（mmol/L）组份 胞内 胞外 K+ 140 5 Na+ 515 145,K+的平衡电位 动力：浓度差 阻力：电位差,静息条件下，细胞膜对Na+不通透，对K+通透,动作电位 Action potential AP. 细胞受到有效刺激后，在静息电位的基础上，细胞膜发生一次短暂的电位波动，称为动作膜电位，简称动作电位。,2.2.1 动作电位及其产生机制,形成机理,Na+内流-去极化和反极化 Na+通道关闭、内流达平衡 K+外流-复极化 Na+泵活动加强,Na+通道激活，0.
8、5ms内通透性增加500倍。 “正反馈” “全或无”的特性,三、,神经兴奋时表现为AP，AP沿神经纤维的传播称为神经冲动。 神经冲动的产生神经冲动的传导,三、神经冲动的产生和传导,刺激 局部电位 阈电位 锋电位与后电位局部电位：由阈下刺激引起Na+少量内流而形成的膜电位，局部兴奋、局部去极化,3.1 神经冲动的产生,特点：随刺激强度增强而增大其幅度，无不应期，不传播，可以扩散、总和,阈电位：RP去电极达到某一临界数值，引起Na+通道大量开放，Na+大量内流而爆发AP。 电压门控通道,Hodgkin循环,锋电位：神经冲动的表现形式，幅度为RP与超射之和,后电位：锋电位之后的微小电位波动；包括负后
9、电位和正后电位。,有髓纤维与无髓纤维 绝缘的髓鞘（雪旺氏细胞）郎飞氏节,3.2 神经冲动的传导,传导：同一细胞内的传播 传递：不同细胞间的传播,“局部电流学说”,“跳跃式传导”,绝缘的髓鞘（雪旺氏细胞） 郎飞氏节快20倍,组成神经干的许多Nf生物电变化的总和。 一定范围内，随刺激强度的增加，AP的幅度从无到有逐渐增大，直至达到一最大幅度 随传播距离增加，AP被分解为若干成分。 原因：纤维愈粗，阈值愈低，传导速度愈快。,3.3 神经干的复合动作电位,（1） 生理完整性 （2） 传导的绝缘性 （3） 双向传导性 （4） 非递减性 （5） 相对不疲劳性 蛙神经 50100次/s 912小时,3.4
10、神经传导的一般特性,4.1 神经-肌肉接头的兴奋传递 4.2 骨骼肌收缩的机制 4.3 骨骼肌收缩的代谢,四、骨骼肌的收缩,运动终板：运动神经纤维末梢与骨骼肌细胞之间相联结借以传递兴奋的特殊结构。 运动单位：一个运动神经元的所有分支所支配的全部肌纤维。,几条至几千条，与肌肉运动的特点有关,4.1 神经-肌肉接头的兴奋传递,突触前膜 终板膜 突触间隙,4.1.1 运动终板 的形态结构,AP 前膜去极化 乙酰胆碱 后膜受体 Na+-K+通道 离子流动 终板电位 扩散 兴奋,Ca+,4.1.2 兴奋传递过程,终板电位与微终板电位,高幅度，1：1,兴奋 终末池Ca+ 收缩,4.2 骨骼肌的收缩,4.2
11、.1 兴奋收缩耦联,“滑行学说” 1957年 A.F. Huxley & H.E. Huxley,4.2.2 收缩机制,骨骼肌基本结构,肌管系统：纵管、横管 肌原纤维：粗肌丝、细肌丝,肌微丝的分子结构,粗肌丝：肌球（凝）蛋白 细肌丝：肌动蛋白原肌球蛋白肌钙蛋白,横桥周期 cross-bridge cycling,ADP及Pi的释放,滑行过程,当肌纤维兴奋时，肌浆网内的Ca+冲入肌浆，与肌钙蛋白结合后，引起肌钙蛋白构型改变，进而原肌球蛋白分子构型改变，肌动蛋白与横桥结合，发生ADP及无机磷酸的释放，肌动蛋白头部摆动，发生粗、细肌丝间滑行，肌小节缩短,Ca+浓度变化 ATP,a. 兴奋性 一切活组
12、织的共性 正常情况下只接受运动N传来的兴奋，不应期较短，几个ms几十个ms。 b. 传导性 神经、肌肉组织的共性 （横纹肌）传导速度快于平滑肌和心肌，只在一条肌纤维内传播。 c. 收缩性 肌肉组织的特性速度快、强度大、但不能持久。,4.3 肌肉收缩的特性与代谢,4.3.1 肌肉的生理特性,a. 等张收缩和等长收缩,4.3.2 肌肉收缩的机械变化,b.单收缩 Single Twitch ： 实验条件下，肌肉受到单个有效刺激而产生一次迅速而短暂的收缩 c.收缩总和与强直收缩,收缩总和Summation of Contraction ：相继刺激引起的收缩叠加在前一次收缩之上。 强直收缩：冲动或刺激的
13、频率增加到一定数值时，许多单收缩融合在一起，肌肉持续处于收缩状态，称为强直收缩。,不完全强直收缩 Incomplete Tetanus 张力 收缩曲线完全强直收缩 Complete Tetanus,融合频率 Critical Fusion Frequency： 冲动或刺激引起完全强直收缩的最低频率。,（1） 疲劳 （2） 无氧代谢和有氧代谢 氧债Oxygen debt：肌肉强烈活动时消耗大量能量，恢复期内恢复能量贮备需要摄取额外的氧进行氧化磷酸化，称为氧债。 （3） 产热 肌肉收缩：化学能（ATP）机械能 恢复期： ATP的生成,4.3.3 肌肉收缩的代谢,*平滑肌,一单位平滑肌 消化管道、胆
14、管、输尿管、 子宫壁起搏细胞（pace-maker cell） 多单位平滑肌睫状肌、虹膜肌、竖毛肌、大血管、大气管,本章小结,细胞膜的离子转运：离子通道、主动转运 兴奋性：相关概念 兴奋的发生过程和机理 兴奋的传导与传递过程 骨骼肌的收缩,复习思考题,基本概念： 刺激与反应 兴奋与兴奋性 阈强度与时值 AP与RP 膜受体 Hodgkin循环 运动单位与运动终板 强直收缩与融合频率 思考题：1、分析兴奋后兴奋性变化的原因2、总结由刺激引起神经兴奋，继而引起肌肉收缩过程的分子（离子）机制。,2003诺贝尔化学奖-Peter Agre and Roderick MacKinnon,Passage o
15、f water molecules through the aquaporin AQP1. Because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel.,The ion channel permits passage of potassium ions but not sodium ions. The oxygen atoms of
16、 the ion filter form an environment very similar to the water environment outside the filter. The cell may also control opening and closing of the channel.,刺激与反应 stimulus & reaction 凡能引起机体（细胞、组织、器官或整体）的活动状态发生改变的任何内外环境变化因子称为刺激；由刺激而引起的机体活动状态的改变称为反应 。,兴奋与兴奋性 excitation & excitability 兴奋：活组织因受到刺激而产生生物电变化的反应。 兴奋性：活组织具有发生兴奋即产生生物电变化的能力或特性称为兴奋性。,阈强度：适宜刺激在一定时间内刚能引起组织兴奋的最小强度。 时值：当刺激强度为基强度的2倍时，刚能引起反应所需的最短刺激时间。,微电极插入肌肉，示波器显示电位变化,动作电位，Action Potential ,AP,To AP,
