《细胞的功能》课件.ppt

第一节：细胞的基本结构和功能特点第二节：细胞膜的物质转运功能第三节：细胞的跨膜信号转导第四节：细胞的生物电现象第五节：肌细胞的收缩功能,第二章 细胞的基本功能,目的要求：1.掌握内容：细胞膜的物质转运功能；静息电位和动作电位及其产生原理；刺激引起兴奋的条件；阈电位；兴奋的传导；骨骼肌兴奋收缩偶联。2.熟悉内容：阈下刺激与局部反应；细胞兴奋后兴奋性的周期性改变；骨骼肌细胞收缩的原理；肌肉收缩的外部表现和力学分析；影响肌肉收缩的因素。3.了解内容：细胞膜的基本结构；细胞的跨膜信号转导功能。授课时间：7学时,第一节 细胞膜的基本结构和功能特点 细胞是组成人体最基本结构和功能单位。机体内所有的生命现象都是在细胞及其产物的基础上进行的。一、细胞膜的基本结构：化学组成：脂质、蛋白质和糖类。结构：液态镶嵌模型学说。基本内容是：细胞膜是由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生理功能的蛋白质。,（一）脂质双分子层：以磷脂为主，约占70，其次是胆固醇。,(二)膜蛋白：镶嵌或贯穿于脂质双分子层中，形式多样,有的蛋白分子附着在细胞膜的表面（表面蛋白）；有的镶嵌在脂质双分子层中（整合蛋白）。具有不同的功能：1.蛋白质与物质的跨膜转运有关。如载体蛋白、通道蛋白、离子泵等。2.蛋白质与信息传递有关，如分布在膜外表面的受体蛋白。3.蛋白质与能量转化有关，如ATP酶。,膜蛋白：,细胞膜含有少量糖类，与膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。从而使所在的细胞或所结合的蛋白质具有特异性。,(三)胞膜上的糖类：,第二节 细胞膜的物质转运功能 细胞膜的物质转运作用，是活的细胞维持正常代谢，进行各项生命活动的基本功能。由于细胞膜呈特有的流体镶嵌模式，细胞才能有选择地从周围环境摄取各种营养物质不断排除细胞内废物，使新陈代谢得以正常进行。物质通过膜的转运方式多种多样，根据其是否消耗能量可分为被动转运、主动转运(出胞和入胞）两大类。,一、被动转运：概念：物质顺浓度差或电位差不需要消耗能量的转运方式称为被动转运。特点：不耗能（转运动力依赖物质的电-化学梯 度所贮存的势能）；顺电-化学差进行；依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”。分类：单纯扩散 易化扩散,1.单纯扩散：概念:脂溶性的小分子物质从细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。,CO2i CO2o,O2o O2i,2.易化扩散：概念:由膜蛋白介导的被动转运称为易化扩散。转运物质的特点：离子和水溶性分子 类型:通道介导的易化扩散 载体介导的易化扩散,（1）载体介导的易化扩散（葡萄糖、氨基酸）载体：镶嵌于细胞膜上的特殊载体蛋白，其上具有一个至数个能与被转运物质结合的位点。转运过程：被转运的物质与位点选择性地结合时，载体蛋白的构象改变（构变）作用使被结合的底物移向膜的另一侧。物质+位点构变物质转运,载体的特点：高度特异性（特殊膜蛋白质本身有结构 特异性）饱和现象（结合位点是有限的）竟争性抑制（经同一特殊膜蛋白质转运）同一结构的A B两物质，若A物质转运B物转运或B物质转运 A物质转运。,（2）通道介导的易化扩散:,Na+oNa+i,K+iK+o,转运的物质:各种带电离子,K+i K+o,Na+o Na+i,通道的概念：能使离子跨过膜屏障进行转运的蛋白质孔道，也称离子通道。通道的特点：转运速率高：指离子可经孔道以极高的速率穿越细胞膜。选择性：目前已知在各种组织的细胞膜上存在Na、K、Ca2+、Cl-等不同的离子通道。门控特性：通道有三种状态，分别是备用、激活和失活状态。其中，备用、失活是稳态，激活状态是瞬态。,分类：电压门控通道;化学门控通道；机械门控通道。,二、主动转运：概念：指在耗能的条件下逆浓度差或逆电位差进行的物质跨膜转运。需要消耗能量,能量由分解ATP来提供；特点：依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”；是逆电-化学梯度进行的。,原发性主动转运继发性主动转运（简称：协同转运）。,分类：,1.原发性主动转运概念：指由离子泵（ATP酶）介导的逆浓度梯度或逆电位梯度的离子跨膜转动过程。钠-钾泵：是镶嵌在细胞膜内特殊的蛋白质，具有ATP酶的活性，可以分解ATP，又称Na+-K+依赖式ATP酶，简称钠泵。钠-钾泵作用：膜内Na+或/和膜外K+钠泵激活排出Na+、摄入K+,通道转运与钠-钾泵转运模式图,钠泵转运的生理意义：为继发性主动转运提供能量来源。是细胞生物电活动产生的前提条件。例如细胞内外Na和K的不均匀分布(细胞内高钾、细胞外高钠)是细胞生物电活动产生的前提。维持细胞的正常体积。细胞内高钾是许多代谢过程的必需条件。,2.继发性主动转运概念：利用原发性主动转运建立的膜电-化学势能完成的逆浓度梯度跨膜转运过程。即逆浓度梯度或逆电位梯度的转运时，能量不是直接来自ATP的分解，是来自膜两侧Na+差，而Na+差是Na+-K+泵的活动建立的。分类：同向转运：如小肠上皮，转运Na+/G等。逆向转运：如Na+/Ca2+等。,继发性主动转运,（三）胞纳和胞吐（入胞和出胞）一些大分子物质或团块进出细胞,是通过细胞本身的吞吐活动进行的,亦可属于主动转运过程。入胞：定义:指细胞外的大分子物质或团块（如细菌、病毒、异物等）进入细胞的过程。分 类：吞噬：转运的物质为固体;吞饮：转运的物质为液体。出胞：定义:是指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。主要见于细胞的分泌过程：如激素、神经递质、消化液的分泌。,入胞:,出胞：,第三节 细胞的跨膜信号转导 细胞外信息跨越细胞膜传入细胞内并引起细胞内代谢和功能发生相应变化的过程。这一过程称为跨膜信号转导，是细胞的基本功能之一。配体：指细胞外信号物质。细胞间传递信息的物质多达几百种：如递质、激素、细胞因子、气体分子等信号物质。,它们通常是由特定的细胞合成和释放，与其邻近或远距离的靶细胞内外受体相结合，引起相应的效应。受体：指存在于细胞膜或细胞内能与某些生物活性分子（配体）发生特导性结合进而诱发生物效应的特殊蛋白质。是细胞接受信息的装置。,二、跨膜信号转导的主要途径：（一）G蛋白偶联受体介导的信号转导配体+G蛋白耦联受体G蛋白G蛋白效应器（酶或离子通道）第二信使（细胞内信号分子）蛋白激酶激活 生理效应,二、酶偶联受体介导的信号转导 酶偶联受体介导的信号转导过程中酶偶联受体可分为两类：酪氨酸激酶受体；鸟苷酸环化酶的受体。受体本身具有酶的活性，又称受体酪氨酸激酶，受体鸟苷酸环化酶。近年来发现，一些肽类激素，细胞因子的物质就是通过酪氨酸激酶受体完成跨膜信号转导的。,三、离子通道受体介导的信号转导,第四节 细胞的生物电现象 活的细胞或组织不论在安静还是活动时，都具有电的变化，称为生物电现象。一切活细胞、组织或有机体对刺激产生反应的能力，称为兴奋性，它是一切生物体所具有的特性。由于细胞的结构和功能不同，某些细胞如神经、肌肉和腺细胞对刺激的反应表现特别明显，因而这三类细胞被称为可兴奋细胞。,细胞的生物电现象及记录方法 采用阴极射线示波器，特别是对单一细胞生物电现象的观察，微电极技术的发明为此创造了条件。用微电极刺入细胞内，另一电极作为参考电极放在细胞外，可以测定细胞在安静或活动时细胞膜内外的电位差及其变化情况。在微电极技术上发展起来的电压钳技术能测量含有大量离子通道的膜行为。随着70年代中期发展出的一种膜片钳技术，可以记录细胞膜结构中单一离子通道的电流和电导，为从分子水平了解生物膜离子通道提供了直接的手段。,生物细胞以膜为界，膜内外的电位差称为跨膜电位简称膜电位(MP)。,一、静息电位及其产生原理（一）细胞的静息电位（RP）：概念：细胞在未受刺激时（静息状态下），存在于细胞膜内外两侧的电位差。人们通常把静息电位存在时细胞膜外正内负的状态称为极化；静息电位的增大(-70-90mV)称为超极化；静息电位减小(-70-50mV)称为去极化；去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值，称为反极化或超射；细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复，称为复极化。,实验现象：,（二）静息电位的产生原理：(1)静息电位的产生的基础：细胞内液和细胞外液呈电中性；静息状态下细胞膜内、外离子不均衡分布：,静息状态下，细胞膜对离子的选择性通透：K+Cl-Na+A-,(2)静息电位与K+平衡电位:,K顺浓度差向膜外扩散,膜外带正电、膜内带负电,当扩散动力（浓度差）与阻力（电位差）达到动态平衡时K的净通透为零，这时膜电位稳定在某一水平上，这种外正、内负的电位差称K+的电-化学差平衡电位。,二、动作电位及其产生原理：（一）细胞的动作电位(AP)：1.概 念：可兴奋细胞在静息电位基础上，受到一次有效刺激后记录到的一次迅速、短暂、可扩布的电位变化称为动作电位。是细胞兴奋的标志。,2.动作电位的演变过程：,3.动作电位的特征：呈“全或无”现象：当刺激强度达到阈值时可引发动作电位，而且动作电位一旦产生，AP大小不随刺激强度的增大而增大（全）；当给予细胞的刺激强度达不到阈值时，细胞就不会产生动作电位（无）。不衰减性传导：动作电位一旦产生并不局限于受刺激的局部，可迅速向周围扩播。扩播过程中，其幅度不因传导距离的增加而减小，这种特性称为不衰减性传导。动作电位之后具有不应期。,（二）动作电位产生原理：1.去极化（上升支）：Na+平衡电位。既Na+内流所形成的电-化学差平衡电位。,2.复极化（下降支）：Na+平衡电位恢复为K+平衡电位，主要由细胞内K+外流而产生。,3.复极后：钠泵激活，使细胞膜内外的离子分布恢复到安静时的水平。膜内Na+和膜外K+钠泵激活排出Na+、摄入K+,三、细胞兴奋的引起和传导（一）刺激引起兴奋的条件 1.刺激与强度阈值：刺激：是指能引起活的细胞、组织或机体发生反应的环境变化。作为刺激，一般需要三个条件：一定的强度、一定的持续时间、一定的时间-强度变化率。,阈强度（阈值）：既在刺激作用时间和强度-时间变化率固定不变的条件下，能引起组织细胞兴奋所需的最小刺激强度。阈刺激：达到阈值的刺激称阈刺激。刺激的分类：阈刺激、阈上刺激、阈下刺激。前二者能使膜电位去极化达到阈电位引发AP；后者只能引起低于阈电位的去极化（即局部电位）不会引发AP。,（二）阈电位与动作电位 概念:指能使细胞膜上Na+通道大量开放而引发动作电位的临界膜电位值。是激活电压门控性Na+通道的临界值。即刺激先引发一定数量的Na+通道开放，引起Na+的内流，使膜内的电位升高，达到某一临界值，Na+通道大量开放，Na+迅速大量内流后，再引发更多数量的Na+通道开放，导致Na+通道开放与Na+内流之间出现再生性循环。从而爆发动作电位。阈电位一般比静息电位的绝对值小1020mV。,（三）阈下刺激与局部电位局部反应：,概念：在受刺激的膜局部出现一个较小的去极化反应称局部反应或局部兴奋。,特点：不具有“全或无”现象。其幅值可随刺激强度的增加而增大。衰减性扩布：其幅值随着传播距离的增加而减小。具有总和效应：时间性和空间性总和。,（四）动作电位的传导 1概念：动作电位在同一细胞上的传播过程。2.传导机制：局部电流学说 细胞膜上任何一处发生兴奋而产生的动作电位，可通过局部电流，迅速传播到整个细胞。,3.传导方式：无髓鞘N纤维的兴奋传导为近距离局部电流；有髓鞘N纤维的兴奋传导为远距离局部电流。,五、细胞兴奋后兴奋性的周期性变化：1.周期性变化：绝对不应期、相对不应期、超常期、低常期。2.机制：兴奋性发生上述变化的本质，可从细胞膜的离子通道机制得到阐明。,第五节 肌细胞的收缩功能一、骨骼肌细胞的收缩功能（一）骨骼肌细胞的微细结构1.肌原纤维和肌节:,肌节:概念：肌原纤维上相邻的两条Z线之间的区域，是肌肉收缩和舒张的基本单位。构成：由一组粗细肌丝组成。,2、肌管系统概念：包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊管状结构为肌管系统。组成：横管系统（T管）、纵管系统（L管）,（二）骨骼肌细胞收缩的分子机制 肌丝滑行学说:肌肉收缩并非肌细胞内肌丝或其结构的缩短或卷曲，而是由于粗、细肌丝分子结构和功能上的特征，使由z线发出的细肌丝主动向粗肌丝之间滑行，结果相邻的各z线都互相靠近，肌小节长度变短，造成肌原纤维以至整块肌肉的缩短。,（三）骨骼肌细胞的兴奋-收缩偶联概念：肌细胞的动作电位引发机械收缩的中介过程称为兴奋-收缩偶联。当肌细胞发生兴奋时，首先在肌细胞膜上出现动作电位，然后才发生肌丝滑行、肌小节缩短、肌细胞收缩反应。Ca2+是兴奋-收缩偶联过程的偶联因子。,三个主要步骤：电兴奋通过横管系统传向肌细胞深处；三联管结构处的信息传递；肌质网中的Ca2+释放入胞浆以及Ca2+由胞浆向肌质网的再聚积。,（四）骨骼肌收缩的形式和力学分析1.骨骼肌收缩的形式（1）等张收缩和等长收缩 等长收缩:肌肉收缩时，其长度不变，但肌肉张力增大，称为等长收缩。等张收缩:肌肉收缩时，其长度明显缩短，但张力始终不变,称为等张收缩。（2）单收缩和强直收缩:根据所给肌肉刺激频率不同，肌肉兴奋收缩时可呈单收缩和强直收缩两种形式：,单收缩：概念：骨骼肌受到一次短促的刺激时，产生一次动作电位，引发肌肉一次收缩和舒张。过程：收缩期、舒张期强直收缩:概念：指给骨骼肌连续刺激时，出现收缩总和的过程。分类：不完全强直收缩 完全强直收缩,形成：当后一个刺激落在前一个刺激引起的收缩过程中的舒张期，则形成不完全强直收缩。当每一个后续的刺激落在前一个收缩过程中的收缩期，就形成完全强直收缩。,单收缩和强直收缩,2.肌肉收缩的力学分析 肌肉收缩时将克服一定的负荷而做功。前负荷：肌肉在收缩前所承受的负荷称为前负荷。前负荷决定收缩前被拉长的程度,又称肌肉的初长度。,肌肉舒张,后负荷：肌肉在收缩过程中所承受的负荷称为后负荷。,肌肉舒张,（1）前负荷对肌肉收缩张力的影响：固定后负荷于某一数值，让肌肉作等长收缩。在一定范围内，肌肉收缩产生的张力与初长度成正变的关系。肌肉收缩时产生最大张力的初长度(前负荷)称为最适初长度或最适前负荷。（2）后负荷对肌肉收缩张力和速度的影响：固定前负荷不变，让肌肉在不同的后负荷条件下进行等张收缩。在一定范围内，肌肉收缩产生的张力与缩短初速度之间呈反变关系。,（3）肌肉收缩能力对肌肉收缩力的影响：肌肉收缩力：是指与负荷无关的决定肌肉收缩效能的内在特性。决定肌肉收缩效能的内在特性的因素：兴奋-收缩偶联期间胞浆内Ca2+的水平；肌球蛋白的ATP酶活性。调节和影响肌缩效能内在特性的因素：许多神经递质、体液物质、病理因素和药物。如：甲状腺素和体育锻炼能提高心肌肌球蛋白的ATP酶活性，增强心肌收缩力。二、平滑肌细胞的收缩功能（自学）,