生理学课件PPT第2章细胞生理.ppt 67页

'第二章细胞的基本功能第一节细胞膜的结构和物质转运功能一、细胞膜的结构概述1.细胞膜的功能*保护作用*物质交换*通透屏障*参与细胞的细胞的信息传递、细胞分裂分化、免疫等过程。 2.流体镶嵌模型Fluidmosaicmodel:脂质、蛋白质、糖类由液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌着结构和功能不同的蛋白质。1972年singer和nicolson提出 （一）脂质双分子层（GorterGrendel）化学组成：磷脂（70%）、胆固醇（30%）、少量糖脂.所有的膜脂质都是双嗜性分子一端是磷酸、碱基等亲水性极性基团，另一端的长烃链是疏水性非极性基团。 （二）细胞膜蛋白质膜蛋白质的存在方式表面蛋白整合蛋白载体（转运体）、通道和泵受体和抗原标志蛋白酶类 （三）细胞膜糖类主要是寡糖和多糖链，与膜脂质或膜蛋白质结合。可作为细胞或蛋白质的标志，也可作为膜受体的“可识别”部分。 （一）单纯扩散Simplediffusion：一些脂溶性物质顺浓度差或电位差的跨膜物质转运。P高P低浓度差和通透性eg:O2，CO2、胆固醇、酒精、类固醇激素渗透作用：溶剂受溶质的吸引由低浓度向高浓度的运动过程H2O进出细胞的方式，P渗低P渗高二.物质的跨膜转运 （二）膜蛋白介导的跨膜转运易化扩散Facilitateddiffusion非脂溶性物质借助细胞膜蛋白质(通道、载体)帮助顺电化学梯度的跨膜转运。特点:①由高到低顺浓度差扩散(离子扩散还与电位差有关)②转运蛋白与转运物质间有选择性③转运蛋白的功能受环境因素的影响 1.经通道(Channel)易化扩散:离子通道：一类贯穿脂质双层的、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。主要是Na+K+Ca2+Cl-等离子通道对离子的选择性，决定于通道开放时水相孔道的大小、孔道的化学结构和带电情况及环境因素。 特点：1)高到低,速度较快(106-108个离子/秒)2)相对结构特异性3)特异性阻断剂Na+河豚毒K+四乙胺Ca2+异搏定4）有不同的功能状态通道的开关受某些理化因素影响Na+通道具有静息、激活和失活状态K+通道具有激活和去激活状态 （2）化学门控通道Chemically-gatedchannel配体门控通道ligand-gatedchannel乙酰胆碱受体阳离子通道（1）电压门控通道Valtage-gatedchannel （3）机械门控通道mechanically-gatedionhannel受机械刺激而开闭的通道。如：内耳的毛细胞的听毛在受声波作用发生弯曲时，会导致听毛根部的膜变形，直接激活了膜附近的机械门控通道，毛细胞可出现短暂的电位变化。（4）非门控通道持续开放钾漏通道，缝隙连接等 通道的调控化学门控通道电位门控通道机械门控通道定义由化学信息决定通道机能状态的通道由电位大小决定通道机能状态的通道由机械刺激决定通道机能状态的通道分布胞-树突触后膜视网膜感光细胞终板膜(N型Ach通道)神经细胞肌肉细胞腺细胞Na通道内耳毛细胞开放结果局部电位动作电位感受器电位 2、载体介导的跨膜转运经载体易化扩散载体（Carrier)：贯穿脂质双层的整合蛋白。葡萄糖、某些氨基酸、核苷酸等小分子亲水物质。特点：1）高到低且快速2)高度结构特异性3）饱和性4）竞争性 3.原发性主动转运primaryActiveTransport：物质在膜蛋白参与下，逆浓度差或电位差转运的过程。逆电化学梯度，耗能（动力）eg：钠钾泵Sodium-potassiumpump（Na-K泵、Na-K依赖式ATP酶）构成特性：双亚基，α亚基的三位点结合性，β亚基的变构性。激活：内外Na+、K+的不平衡 作用：排3Na+摄2K+有ATP酶活性，分解ATP供能Na+、K+泵活动的意义：1）建立势能储备，供其它耗能过程利用；2）维持细胞内外离子分布，保证细胞正常功能（维持细胞内渗透压和细胞容积的相对稳定）3）与细胞生物电有关（可兴奋细胞兴奋性和生物电基础）4）细胞内高K+是细胞内许多代谢反应的必需条件。 4.继发性主动转运secondaryActiveTransport指某种物质的逆浓度梯度的转运是依赖于另一物质的浓度差造成的势能而实现的。eg：G，AA同向转运同向转运体逆向转运逆向转运体 典型的继发性主动转运：①GS和AA在小肠粘膜上皮的吸收；②GS和AA在肾小管上皮的重吸收；③神经递质在突触间隙被神经末梢所重摄取；④甲状腺上皮细胞的聚碘过程；⑤Na+-H+交换,Na+-Ca2+交换。 （三）出胞和入胞1．出胞Exocytosis：腺细胞分泌，神经末梢分泌递质形式：持续和间断 62．入胞Endocytosis：吞噬phagocytosis（固体）吞饮pinocytosis（液体）液相入胞fluid-phaseendocytosis受体介导式入胞receptor-mediatedendocytosis如：低密度脂蛋白的入胞（遗传性高胆固醇血症）结合Fe2+的运铁蛋白 单纯扩散：CO2、O2等被动转运（高→低）易化扩散：通道、载体Na＋-K＋依赖式ATP酶(钠泵)原发性主动转运Ca2＋-Mg2＋依赖式ATP酶(钙泵)H＋-K＋依赖式ATP酶(氢离子泵)葡萄糖／Na＋同向转运氨基酸／Na＋主动转运继发性主动转运碘泵（低→高）Na＋-K＋交换逆向转运Na＋-Ｈ＋交换Na＋-Ｃa2＋交换出胞和入胞方式物质转运方式 第三节细胞的电活动一、膜的被动电学特性和电紧张电位二、静息电位及其产生机制三、动作电位及其产生机制四、局部电位五、可兴奋细胞及其兴奋性 静息时枪乌贼大神经膜内外各离子的浓度离子　膜内浓度　　膜外浓度　　平衡电位（mmol/L）（mmol/L）(mv)K+40020-75Na+50440+55Cl-52560-60A-385---- 静息时哺乳动物骨骼肌膜内外各离子的浓度离子　膜内浓度　　膜外浓度　　平衡电位（mmol/L）（mmol/L）(mv)K+1554-98Na+12145+67Cl-4120-90A-155---- 二.静息电位及其产生机制（一）静息电位的记录和数值 1．静息电位restpotentialRp：安静时，存在于细胞膜内外两侧的电位差骨骼肌、神经纤维：-90mv胃肠平滑肌：-60mv范围:-10mV～-100mV(随细胞种类而不同);2．特点：外正内负、相对恒定 )3、几个概念去极化反极化depolarizationreversepolarization100mv—–90mv(Rp)—–80mv—0mv—+30mv复极化repolarization超极化极化polarizationhyperpolarization (1)静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀[Na+]i＞[Na+]o≈1∶10,[K+]i＞[K+]o≈30∶1[Cl-]i＞[Cl-]o≈1∶14,[A-]i＞[A-]o≈4∶1静息电位的产生条件（二）静息电位产生的机制(2)静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性通透性：K+＞Cl-＞Na+＞A- 证明：①Nernst公式的计算EK=RT/ZF•ln[K+]O/[K+]i=59.5log[K+]O/[K+]i②Hodgkin和Katz的实验枪贼巨大神经纤维测得RP值为-77mv,与Nernst公式的计算值（-87mv）基本符合。③人工改变[K+]O/[K+]i，RP也发生相应改变，如：轴突管内置换等张NaCl,RP消失（即[K+]i↓→RP↓）。④四乙胺阻断K+通道 影响RP因素：①胞内、外的[K+]差:∵[K+]o与[K+]i的差值决定EK，∴[K+]o↑→EK↓②膜对K+、Na+通透性:K+的通透性↑,则RP↑,更趋向于EKNa+的通透性↑,则RP↓,更趋向于ENa③Na+-K+泵的活动水平 三.动作电位及其产生机制（一）细胞的动作电位ActionpotentialAp可兴奋细胞受刺激后，膜两侧出现迅速而可逆的连续电位变化。Ap分期（以神经细胞为例）锋电位去极化（-90—0）反极化（0—+30)复极化（+30—0—-80）后电位：锋电位后持续时间较长，波动较小的电位变化 负后电位negativeafter-potential（去极化后电位）：峰电位的下降支到达静息电位之前所经历的微小而缓慢的电位波动。正后电位positiveafter-potential（超极化后电位）：峰电位的下降支到达静息电位之后所经历的微小而缓慢的电位波动。 AP产生的基本条件:①膜内外存在[Na+]差:[Na+]i＞[Na+]O≈1∶10②膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：即电压门控性Na+通道激活而开放。 （二）Ap产生机制1、Ap产生机制1）去极化：细胞受刺激时Na+通道开放，Na+快速内流（内正外负）膜内外Na+浓度浓度差比约110(动力)（动力）Na+内流Na+平衡电位受刺激时Na+电位差通道开放（-90-0动力(通透性)0-+30阻力）即Ap去极化至+30mv时 2）复极化：细胞去极化至一定程度Na+通道关闭，电压门控K+通道开放，在细胞内外K+浓度差的作用下K+外流，形成复极化3）负后电位(后去极化):复极时外流的K+蓄积在膜外,阻碍了K+外流4）正后电位(后超极化):生电性钠泵作用的结果 结论：①AP的上升支由Na＋内流形成，下降支是K+外流形成的，负后电位:复极时外流的K+蓄积在膜外,阻碍了K+外流；正后电位:生电性钠泵作用的结果②AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（Na＋－K＋泵的活动）。③AP产生的实质是受刺激后Na+、K+通道状态改变导致膜对Na+、K+通透性（电导）改变的结果。 证明：①Nernst公式的计算AP达到的超射值（正电位值）相当于计算所得的ENa值。②应用Na＋通道特异性阻断剂河豚毒后，内向电流全部消失（AP消失）。③人工改变[Na＋]O/[Na＋]i，AP也发生相应改变，葡萄糖溶液替代细胞外液? 动作电位的特点：1．“全或无”现象"Allornone"：同一细胞上的AP大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。2．不衰减性传导(可传播性)3．脉冲式产生(有不应期)：因绝对不应期的存在，动作电位不可能融合神经和肌肉细胞兴奋刺激可兴奋细胞动作电位反应抑制前提本质表现外在表现 胞外胞内K+↑K+↓Na+↑Na+↓Ｋ+↑Ｋ+↓Na+↑Na+↓[ΔＫ+]Ｋ+内－Ｋ+外↓↑不变不变↑↓不变不变RP幅度↓↑不变不变↑↓不变不变[ΔNa+]Na+外－Na+内不变不变↑↓不变不变↓↑AP幅度↓↑↑↓↑↓↓↑钠-钾离子对AP幅值的影响 （三）动作电位的传导局部电流流动学说（细胞膜依次产生Ap的结果）传导机制：局部电流无髓神经纤维:扩布式传导有髓神经纤维：跳跃式传导saltatoryconduction （四）缝隙连接GapJunction一种细胞间兴奋传递方式（低电阻，几乎无潜伏期，双向传导,传导速度快）。有利于实现细胞群反应的同步化，也是以局部电流形式传递的。存在于神经系统、心肌组织、肝组织和晶状体上皮细胞。神经细胞间的缝隙连接又称电突触。心肌细胞间的缝隙连接又称闰盘 四、局部电位1.局部电位Localpotential（局部兴奋、局部反应）阈下刺激少量Na+内流产生低于阈电位的去极化局部兴奋（终板电位、感受器电位、突触后电位）2.阈电位Thresholdpotential：刚能引起膜去极化，Na+通道爆发性开放产生Ap的临界膜电位一般比静息电位小10-20mV 3、局部电位的特点1）无“全或无”现象：其大小随刺激强度的变化而变化2）递减式传播（电紧张性扩布）：传播很小的距离就消失（指数衰减）3）总和：时间总和temporalsummation空间总和Spatialsummation4）没有不应期 脉冲式不衰减扩布电紧张扩布⑥传播特点无有⑤总和现象有无④‘全或无’特点大小③膜电位变化幅度多少②钠通道开放数阈或阈上刺激阈下刺激①刺激强度动作电位局部兴奋区别局部兴奋与动作电位的区别:⑦不应期有无 五、可兴奋细胞及其兴奋性（一）兴奋和可兴奋细胞：兴奋:细胞对刺激发生反应的过程。反应：接受刺激后，细胞发生活动状态的改变。可兴奋细胞：受刺激后能产生兴奋(AP)的细胞。神经、肌肉、腺体的细胞。（二）组织的兴奋性和阈刺激兴奋性：细胞受刺激产生兴奋(AP)的能力。细胞兴奋的本质表现。 刺激stimulation1）刺激三要素：刺激强度、时间、强度-时间变化率2）分类性质：机械性、化学性、生物性、精神性等强度：阈刺激、阈下刺激、阈上刺激3）阈上刺激、阈刺激Ap反应阈下刺激局部反应 不需任何刺激Rp(可兴奋细胞)———阈电位————Ap阈刺激、阈上刺激阈刺激thresholdstimulus:刚能引起组织产生兴奋(AP)的最小刺激阈强度thresholdintensity(阈值Threshold）刚能引起组织产生兴奋(AP)的最小刺激强度为衡量组织兴奋性高低的指标，与兴奋性成反比 （三）细胞兴奋后兴奋性的变化绝对不应期的意义：决定两次兴奋的最小间隔时间分期对应于ApNa+通道兴奋性绝对不应期锋电位失活0相对不应期负后电位（前）部分复活低于正常超常期负后电位（后）复活高于正常低常期正后电位备用状态低于正常 第四节肌细胞的收缩一、横纹肌（一）骨骼肌神经-肌肉接头处兴奋的传递1、N-M接头（neuromuscularjunction）结构接头前膜：突触小泡（含乙酰胆碱Ach）膜上有Ca2+通道接头间隙：50nm，细胞外液接头后膜（终板膜endplatemembrane）：有N2型ACh受体、AChE等 2、传递过程：神经纤维上动作电位至前膜而去极化前膜Ca2+通道开放，Ca2+内流大量（量子式）Ach释放至间隙Ach扩散至后膜，与后膜上Ach受体阳离子通道（Ach-N2受体）结合终板膜上Ach受体阳离子通道开放Na+内流为主终板电位（局部电流）总和相近肌膜产生动作电位。Ach被胆碱酯酶分解为胆碱和乙酸 3、传递特点1）电—化学—电传递2）单向传递：只能从神经肌肉3）时间延搁：因为是化学传递，而非电传递4）易受环境因素影响 （二）横纹肌细胞的微细结构1．肌原纤维和肌节暗带（粗肌丝）：M线连接，中间较明的为H区明带（细肌丝）：Z线连接肌节：结构和功能单位包括：1个暗带+2个1/2的明带一般1.5-3.5μm，安静时2.0-2.2μm 2．肌管系统横管（T管）：肌膜延续，内为细胞外液传递电信号至三联管，T管膜或肌膜上有L型钙通道甘油高渗任氏液可破坏横管系统纵管（L管、肌质网）：纵行肌质网Ca2+泵连接肌质网终池（钙池）贮存、释放Ca2+钙释放通道(Ryanodine受体RYR）RYR:一种对生物碱ryanodine有亲和力的Ca2+释放通道。 （三）横纹肌的收缩机制肌丝滑行学说：肌细胞的收缩是通过细肌丝向粗肌丝内滑动实现的，肌细胞无论收缩还是舒张，肌丝的长度保持不变。1、肌丝的分子组成（1）粗肌丝：肌球蛋白（肌凝蛋白）(Myosin)杆状部+头状部（横桥Crossbridge) 横桥的空间分布：1）同一水平周径上只有两个相隔180的横桥伸出2）与此周径相隔14.3nm处有一对横桥出现。横桥间有60夹角3）每一粗肌丝分别与6条细肌丝相对应。横桥的作用:1）可与肌纤蛋白可逆结合，通过横桥棘齿作用，牵拉细肌丝向暗带中央滑行。2）具有ATP酶的作用。 （2）细肌丝：由三种蛋白组成1）肌动蛋白（肌纤蛋白）Actin：球形单体可与横桥可逆结合，被拖动滑行2）原肌球蛋白（原肌凝蛋白）Tropomyosin：长度约肌动蛋白的7个球形单体的总长度阻碍横桥与肌动蛋白的结合3）肌钙蛋白Troponin：Ｃ（钙受体）Ｔ（连接）Ｉ亚基（传递）收缩蛋白、调节蛋白 2、肌肉收缩的过程横桥发挥ATP酶活性分解ATP为ADP和无机磷酸并处于高势能状态，对肌动蛋白有高亲和力肌浆中Ca2+Ca2+与Ｃ亚基结合Ｉ亚基传递信息原肌凝蛋白变构暴露横桥与肌动蛋白结合位点横桥与肌动蛋白结合拖动细肌丝滑行肌肉收缩（肌小节、明带、H区变短暗带长度不变） （四）横纹肌的兴奋-收缩耦联将肌细胞兴奋与肌纤维收缩联系起来的中介机制1、横纹肌细胞的电活动2、基本过程：肌膜Ap激活T管膜和肌膜的L型钙通道激活终池膜ryanodine受体（RYR或称钙释放通道）Ca2+通道开放Ca2+由终池释放入肌浆肌浆中Ca2+（关键物质）肌丝滑行肌肉收缩。胞质内Ca2+浓度升高激活LSR膜上钙泵Ca2+泵入肌质网肌浆Ca2+浓度降低肌肉舒张 Ap在神经纤维上传导N-M接头处兴奋传递Ap在骨骼肌细胞上传导骨骼肌的兴奋-收缩耦联骨骼肌肌丝滑行收缩骨骼肌细胞兴奋、收缩过程：局部电流流动传导电—化学—电传导局部电流流动传导 (五)影响横纹肌收缩效能的因素横纹肌收缩效能表现在收缩时产生的张力和缩短程度，及产生张力或缩短的速度等长收缩Isometiccontraction：长度不变，张力改变见于负荷肌张力，维持位置和姿势等张收缩Isotoniccontraction：张力不变，长度改变见于负荷肌张力，造成肢体运动(与关节屈曲有关的肌肉的收缩) 比较项等长收缩等张收缩肌肉长度不变缩短肌肉张力增加不变肌小节有的缩短，有的被拉长全部肌小节缩短肌丝滑行无（不明显）有功能不能做外功，耗能产热，维持姿势可做外功等长收缩与等张收缩的比较 1．前负荷Preload（初长度）1）概念：肌肉收缩前遇到（承受）的负荷，并处于被拉长状态2）长度-张力曲线：反映初长度与肌肉收缩力关系的曲线3）最适初长度：肌肉收缩力最大最适初长度肌小节长度为2.2μm 2．后负荷After-load1）概念：肌肉收缩时(过程中）遇到的阻力2）张力-速度曲线：反映后负荷与肌肉收缩力关系的曲线既产生张力，又出现缩短，且每一收缩开始后，张力不再增加，故为等张收缩等长收缩肌肉在有后负荷下收缩时，总是张力产生在前，缩短产生在后；后负荷愈大→产生的张力愈大,但缩短开始的时间愈晚，缩短的初速度和缩短的总长度也愈小。 3．肌肉的收缩能力Contractlity1）概念：除前、后负荷外，肌肉内部功能状态改变2）影响因素:(1)兴奋-收缩耦联过程,特别是Ca2+(2)肌肉蛋白质或横桥功能特性的改变,特别是ATP酶活性；(3)神经、体液、药物及病理因素 4、收缩的总和运动单位数量的总和频率效应的总和（1）运动单位及其总和运动单位motorunit:一个脊髓前角运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维。 运动单位总和:大小原则不同运动单位所包含的肌纤维数不同,可以从几根到上千根。收缩时:弱收缩时,小运动单位先参与,随着收缩的增强,会有多个和大的运动单位参与。舒张时:最大运动单位先停止放电和收缩,最后才是小运动单位停止活动。 （2）收缩频率的总和1）单收缩Singletwich：一次刺激，一次收缩和舒张一次刺激1次Ap一次收缩，包括：潜伏、收缩和舒张期 2）单收缩的复合不完全强直收缩Incompletetetanus：分类锯齿状2在1的舒张期完全强直收缩Completetetanus：直线2在1的收缩期机制:强直收缩是各次单收缩的机械叠加现象(虽产生多个AP,但AP时程仅1-2ms,相当于不应期,而收缩时程比其长得多,故收缩波融合,AP则否)，强直收缩的收缩幅度和收缩力比单收缩大（胞质内Ca2+浓度持续升高）。'