级药学本科细胞的基本功能资料课件.ppt

1、1第三章第三章 细胞的基本功能细胞的基本功能目目 录录2第一节第一节 细胞膜的物质转运功能细胞膜的物质转运功能第二节第二节 细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导第三节第三节 细胞的生物电活动细胞的生物电活动第四节第四节 肌肉的收缩功能（自学）肌肉的收缩功能（自学）1.掌握细胞膜的物质转运功能；掌握细胞膜的物质转运功能；2.熟悉由通道蛋白介导、膜的特异受体蛋白质、熟悉由通道蛋白介导、膜的特异受体蛋白质、G蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜信号传导系统；蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜信号传导系统；3.掌握细胞的生物电现象及其产生机制；掌握细胞的生物电现象及其产生机制；4.掌握细胞的兴奋和兴奋性掌握细胞的兴

2、奋和兴奋性 教学目的与要求教学目的与要求4第一节第一节 细胞膜的物质转运功能细胞膜的物质转运功能一、细胞膜的结构概述一、细胞膜的结构概述 电镜下细胞膜形态：电镜下细胞膜形态：三层三层(7.5nm)内外两层电子致密带，各内外两层电子致密带，各2.5nm 中间夹层为透明带，中间夹层为透明带，2.5nm化学组成：化学组成：脂质脂质 磷脂（磷脂（70%）磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、）磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇 胆固醇（胆固醇（30%）鞘脂类（少量）鞘脂类（少量）蛋白质蛋白质 糖类糖类5 液态液态镶嵌模型（镶嵌模型（fluid mosaic model)19

3、72年年S.J.Singer 和和G.Nicholson，冰冻蚀，冰冻蚀刻技术和免疫荧光标记技术刻技术和免疫荧光标记技术 以液态的以液态的脂质双分子层脂质双分子层为基本骨架，为基本骨架，其中其中镶嵌镶嵌着不同分子结构、具有各种生理着不同分子结构、具有各种生理功能的功能的蛋白质蛋白质。蛋白质主要以蛋白质主要以-螺旋螺旋或球蛋白质形式或球蛋白质形式 存在。存在。67（一）脂质双分子层（一）脂质双分子层 脂质分子结构：脂质分子结构：羟基羟基+脂肪酸脂肪酸 羟基羟基+脂肪酸脂肪酸 疏水性非极性基团疏水性非极性基团 羟基羟基+磷酸磷酸+碱基碱基 亲水性极性基团亲水性极性基团89（二）细胞膜蛋白质（二）细

4、胞膜蛋白质1.表面蛋白质：表面蛋白质：蛋白质肽链中带电的氨基酸或基团，与蛋白质肽链中带电的氨基酸或基团，与 膜两侧脂质的级性基团相互吸引而附着膜两侧脂质的级性基团相互吸引而附着 在膜的在膜的表面表面2.整和蛋白质：整和蛋白质：有蛋白质肽链中某些疏水性氨基酸组成有蛋白质肽链中某些疏水性氨基酸组成 的段落的段落贯穿贯穿脂质双分子层脂质双分子层1011 （三）细胞膜糖类（三）细胞膜糖类 主要是寡糖和多糖链，与脂质或蛋主要是寡糖和多糖链，与脂质或蛋白质结合，形成糖脂质或糖蛋白白质结合，形成糖脂质或糖蛋白1213二、二、细胞膜的跨膜物质转运功能细胞膜的跨膜物质转运功能（一）被动转运（一）被动转运（二）主

5、动转运（二）主动转运（三）出胞与入胞（胞纳与胞吐）（三）出胞与入胞（胞纳与胞吐）14（一）被动转运（一）被动转运(passive transport)概念：概念：物质顺电位或化学梯度的转运过程。物质顺电位或化学梯度的转运过程。特点：特点：不耗能（依赖电不耗能（依赖电-化学梯度的势能）化学梯度的势能）依靠或不依靠特殊膜蛋白质的依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助帮助”顺电顺电-化学梯度进行化学梯度进行 分类：分类：单纯扩散单纯扩散 易化扩散易化扩散15 扩散扩散(diffusion):同种物质两种浓度的液体相邻同种物质两种浓度的液体相邻 时，高浓度侧的溶质向低浓度侧移动的现时，高浓度侧的溶质向低浓度

6、侧移动的现象象 高浓度区高浓度区 低浓度区低浓度区 细胞膜单纯扩散的物质细胞膜单纯扩散的物质：脂溶性物质（：脂溶性物质（CO2、O2、脂溶性激素）、脂溶性激素）影响因素影响因素：脂溶性程度、浓度差、膜的通透性：脂溶性程度、浓度差、膜的通透性161.单纯扩散单纯扩散:脂溶性物质（脂溶性物质（CO2、O2、脂溶、脂溶 性激素）性激素）2.易化扩散易化扩散:借助细胞膜上的特殊蛋白质，使借助细胞膜上的特殊蛋白质，使 物质从高浓度一侧向低浓度一侧移动物质从高浓度一侧向低浓度一侧移动 的形式。的形式。（1）通道介导通道介导的易化扩散（的易化扩散（facilitated diffusion via ion

7、channel）：）：（2）载体介导载体介导的易化扩散（的易化扩散（facilitated diffusion via carrier）17特点：（特点：（1）由高浓度区向低浓度区扩散）由高浓度区向低浓度区扩散 （2）不耗能）不耗能18 (2)特点特点:扩散速率高扩散速率高 无饱和性无饱和性 不依靠特殊膜蛋白质的不依靠特殊膜蛋白质的“帮助帮助”不需另外消耗能量不需另外消耗能量 扩散量与浓度梯度、温度和膜通透性呈正相关，扩散量与浓度梯度、温度和膜通透性呈正相关，用用扩散通量扩散通量（mol or mol数数/min.cm2)表示。表示。(3)转运的物质：转运的物质：O2、CO2、NH3、N2、尿

8、素、乙醚、乙醇、类固、尿素、乙醚、乙醇、类固 醇类激素醇类激素 等少数几种。等少数几种。注注:膜对膜对H2O具高度通透性具高度通透性 H2O除单纯扩散外，还可通过除单纯扩散外，还可通过水通道水通道跨膜转运。跨膜转运。19易化扩散易化扩散:（1）通道介导通道介导的易化扩散：离子扩散相关的易化扩散：离子扩散相关 蛋白质蛋白质-离子通道在离子通道在细胞膜蛋白质细胞膜蛋白质的帮助的帮助 下，物质顺着电下，物质顺着电-化学梯度转运的过程。化学梯度转运的过程。化学门控化学门控通道通道：膜两侧出现化学信号：膜两侧出现化学信号;电压门控电压门控通道通道：膜两侧的电位发生变化：膜两侧的电位发生变化;机械门控机械

9、门控通道通道：膜受到机械性刺激：膜受到机械性刺激;20 经通道的易化扩散经通道的易化扩散转运的物质转运的物质:各种带电离子各种带电离子21 离离子子通通道道蛋蛋白白质质的的分分子子组组成成 离子通道离子通道-离子扩散相关离子扩散相关膜蛋白质膜蛋白质22（2）经载体的易化扩散）经载体的易化扩散转运的物质：葡萄糖、氨基酸等小分子亲水物质23 载体介导的易化扩散载体介导的易化扩散:在载体膜蛋白质的在载体膜蛋白质的帮助下，物质顺着电帮助下，物质顺着电-化学梯度转运的过程。化学梯度转运的过程。易化扩散的特征易化扩散的特征：1）动力动力：物质自身的热运动；不需另外消耗：物质自身的热运动；不需另外消耗 能量

10、；能量；2）饱和饱和现象：载体和载体结合位点现象：载体和载体结合位点 3）特异特异性：帮助物质分子或离子移动的蛋白性：帮助物质分子或离子移动的蛋白 质有结构特异性；质有结构特异性；4）竞争竞争性：化学结构类似的物质之间；性：化学结构类似的物质之间；5)5)浓度浓度和和电压依从性电压依从性：24(二二)主动转运主动转运(active transport)指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。特点：特点：需要消耗能量需要消耗能量,能量由分解能量由分解ATP来提供；来提供；依靠特殊膜蛋白质依靠特殊膜蛋白质(泵泵)的的“帮助帮助”；是逆电是逆电-化学梯度进行的。化

11、学梯度进行的。分类：分类：原发性主动转运；原发性主动转运；如如:Na+-K+泵、泵、H+-K+泵等泵等 继发性主动转运；继发性主动转运；入胞和出胞式转运。入胞和出胞式转运。251.泵转运泵转运Na+-K+泵泵(Na+-K+-ATPase)26原发性主动转运原发性主动转运：靠细胞膜上的特殊蛋白质，：靠细胞膜上的特殊蛋白质，通过通过消耗能量消耗能量，把物质，把物质逆着逆着电电-化学梯度化学梯度 转运的形式转运的形式钠钠-钾泵（钾泵（sodium-potassium pump）：具有具有ATP 酶功能的膜蛋白，可酶功能的膜蛋白，可ATP释放能释放能 量，逆着浓度差将膜内的量，逆着浓度差将膜内的Na+

12、向膜外、膜向膜外、膜 外的外的K+向膜内转运。向膜内转运。细胞膜内细胞膜内 K+30倍倍 细胞膜外细胞膜外 Na+12倍倍 钠泵的钠泵的主要功能主要功能：1.造成胞内高造成胞内高K+为许多代谢反应所需。为许多代谢反应所需。2.维持胞内渗透压和细胞容积。维持胞内渗透压和细胞容积。3.建立建立Na+的跨膜浓度梯度，为继发性主动转的跨膜浓度梯度，为继发性主动转 运的物质提供势能储备。运的物质提供势能储备。4.由钠泵造成的跨膜离子浓度梯度也是细胞发生由钠泵造成的跨膜离子浓度梯度也是细胞发生 电活动的前提条件。电活动的前提条件。5.生电性的，可直接影响膜电位，使膜内电位的生电性的，可直接影响膜电位，使膜

13、内电位的 负值增大。负值增大。特异性抑制剂：哇巴因特异性抑制剂：哇巴因强心强心 钙泵钙泵：胞质：胞质Ca2+0.10.2mol 质子泵质子泵：H+-ATP酶，酶，H+,K+-ATP酶酶2728 2.继发性主动转运：经继发性主动转运：经载体易化扩散载体易化扩散+主动转运主动转运 逆浓度梯度逆浓度梯度或或逆电位梯度逆电位梯度的转运时，能量来自膜两的转运时，能量来自膜两侧侧Na+差，而差，而Na+差是差是Na+-K+泵分解泵分解ATP释放释放的能的能量建立的。量建立的。同向转运同向转运：Na+-Glu、Na+-AA、Na+-K+-CI-逆向转运逆向转运：H+-Na+、Na+-Ca2+29 （三）出胞

14、与入胞（三）出胞与入胞 大分子或固态，液态团快物质的跨膜转运方式大分子或固态，液态团快物质的跨膜转运方式 入胞入胞（胞纳（胞纳 endocytosis)吞噬（吞噬（phagocytosis）：特殊细胞，单核细胞、）：特殊细胞，单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞等巨噬细胞、中性粒细胞等 吞饮（吞饮（pinocytosis）：几乎所有细胞）：几乎所有细胞 液相入胞：液相入胞：受体介导入胞：运铁蛋白、受体介导入胞：运铁蛋白、LDL等等 出胞出胞（胞吐（胞吐 exocytosis)30出胞出胞31入胞入胞:指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过 程，包括吞噬和吞饮。程

15、，包括吞噬和吞饮。32第二节第二节 细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导 细胞之间信号的传递，通过激素、神经递质或细细胞之间信号的传递，通过激素、神经递质或细胞因子进行。这些都是化学信号。胞因子进行。这些都是化学信号。细胞间信号的作用方式细胞间信号的作用方式：1、疏水性疏水性分子：可扩散入细胞内而发挥作用分子：可扩散入细胞内而发挥作用 （类固醇激素（类固醇激素-维生素维生素D、甲状腺素等）、甲状腺素等）2、亲水性亲水性分子：借助细胞膜上的受体或受体样分子：借助细胞膜上的受体或受体样 蛋白质，把信号传给细胞内。蛋白质，把信号传给细胞内。33几种主要的跨膜信号传递方式几种主要的跨膜信号传递方式一、

16、一、G 蛋白耦联受体蛋白耦联受体介导的信号转导介导的信号转导 二、二、酶耦联受体酶耦联受体介导的信号转导介导的信号转导 三、三、离子通道受体离子通道受体介导的信号转导介导的信号转导34 一、一、G 蛋白耦联受体介导的信号转导蛋白耦联受体介导的信号转导 通过膜受体蛋白、通过膜受体蛋白、G蛋白、蛋白、G蛋白效应器、第蛋白效应器、第 二信使共同完成信号的转导。二信使共同完成信号的转导。（一）参与（一）参与G蛋白耦联受体跨膜信号转导的信号分子蛋白耦联受体跨膜信号转导的信号分子 1.G蛋白耦联受体：蛋白耦联受体：2.G-蛋白：蛋白：3.G蛋白效应器：蛋白效应器：4第二信使（第二信使（second mes

17、senger）：）：5.蛋白激酶（蛋白激酶（protein kinase）：）：351.G蛋白耦联受体蛋白耦联受体：与与到达膜表面到达膜表面的化学信号可的化学信号可特异性结合特异性结合的的 膜蛋白质，可激活膜蛋白质，可激活G-蛋白。蛋白。结构：蛋白质的结构：蛋白质的N-末端末端由由22-28个疏水性氨基酸个疏水性氨基酸 组成的组成的-螺旋形成不具有通道样结构的球螺旋形成不具有通道样结构的球 形蛋白质（能识别、结合信号）；形蛋白质（能识别、结合信号）；C-端端与与 膜内膜内G-蛋白（鸟苷酸结合蛋白）有关蛋白（鸟苷酸结合蛋白）有关362.G-蛋白蛋白：由由、3个亚单位组成，其中个亚单位组成，其中亚

18、单亚单 位起催化作用。位起催化作用。当当G-蛋白蛋白未被激活未被激活时，时，亚单位与一分子亚单位与一分子 GDP 结合，被激活时则与结合，被激活时则与 GDP 分离，而与分离，而与 GTP 结合，同时与其他亚单位分离，并影响效应结合，同时与其他亚单位分离，并影响效应 器酶的活性器酶的活性373.G蛋白效应器蛋白效应器：被激活后使胞浆中的第二信使生成增加或减少被激活后使胞浆中的第二信使生成增加或减少4第二信使第二信使（second messenger）：）：各种信号分子（第一信使）作用于细胞膜后产各种信号分子（第一信使）作用于细胞膜后产 生的细胞内另一个信号分子（第二信使），生的细胞内另一个信号

19、分子（第二信使），把细胞外的信号传给细胞内的。把细胞外的信号传给细胞内的。40 较重要的第二信使较重要的第二信使 环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 （cyclic adenosine monophosphate,cAMP）三磷酸肌醇三磷酸肌醇 （inositol triphosphate,IP3）二酰甘油（二酰甘油（diacylglycerol,DG）环一磷酸鸟苷环一磷酸鸟苷 （cyclic guanosine monophosphate,cGMP）415.蛋白激酶蛋白激酶（protein kinase）：）：分类：根据他们磷酸化底物蛋白机制的差别分类：根据他们磷酸化底物蛋白机制的差别 1）丝氨酸）丝

20、氨酸/苏氨酸蛋白激酶：苏氨酸蛋白激酶：2）酪氨酸蛋白激酶：）酪氨酸蛋白激酶：42（二）（二）G蛋白耦联受体信号转导的主要途径蛋白耦联受体信号转导的主要途径 配体配体（ligand）：能与受体结构或受体分子特）：能与受体结构或受体分子特异性结合的化学物质异性结合的化学物质 众多的配体与受体结合后，仅通过几条有限的众多的配体与受体结合后，仅通过几条有限的 途径把信号转导给细胞内，引发生物效应。途径把信号转导给细胞内，引发生物效应。较为重要的途径较为重要的途径有：有：1cAMP-PKA途径：途径：2IP3-Ca2+途径：途径：3.DG-PKC途径途径:4.G-蛋白蛋白-离子通道途径离子通道途径:43

21、44(1)cAMP信号通路信号通路神经递质、激素等神经递质、激素等（第一信使）（第一信使）兴奋性兴奋性G蛋白蛋白(GS)激活腺苷酸环化酶激活腺苷酸环化酶(AC)ATPcAMP细胞内生物效应细胞内生物效应激活激活cAMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶A结合结合G蛋白偶联受体蛋白偶联受体激活激活G蛋白蛋白45 cAMP-PKA途径途径:参与该途径的参与该途径的G蛋白属于蛋白属于Gs和和Gi家族。家族。如果受体活化后激活的如果受体活化后激活的G蛋白属于蛋白属于Gs，可，可激活激活细细 胞膜上的胞膜上的G蛋白效应器酶蛋白效应器酶-腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶(AC)，AC进一步分解进一步分解ATP生成生成c

22、AMP。*一个受体一个受体-配体复合物可激活配体复合物可激活100多个多个Gs蛋白，蛋白，一个一个Gs蛋白可激活一个蛋白可激活一个AC，一个，一个AC可催化生可催化生 成多个成多个cAMP.如果受体活化后激活的如果受体活化后激活的G蛋白属于蛋白属于Gi家族，则激家族，则激 活后可活后可抑制抑制AC的激活的激活,从而降低细胞内从而降低细胞内 cAMP 的水平。的水平。46(2)磷脂酰肌醇信号通路磷脂酰肌醇信号通路激素激素（第一信使）（第一信使）兴奋性兴奋性G蛋白蛋白(GS)激活磷脂酶激活磷脂酶C(PLC)PIP2(第二信使）第二信使）IP3 和和 DG激激 活活蛋白激酶蛋白激酶C内质网内质网释放

23、释放Ca2+激活激活G蛋白蛋白细胞内生物效应细胞内生物效应结合结合G蛋白偶联受体蛋白偶联受体47 IP3-Ca2+途径：途径：一些配体与受体结合后，可经一些配体与受体结合后，可经Gi家族或家族或Gq家族家族 中的某些亚型中的某些亚型激活磷脂酶激活磷脂酶C(PLC)，以后水解膜脂质，以后水解膜脂质 中的二磷酸磷脂酰肌醇产生两种中的二磷酸磷脂酰肌醇产生两种第二信使第二信使；三磷酸；三磷酸 肌醇肌醇(IP3)和二酰甘油和二酰甘油(DG)。IP3：可激活钙释放通道，使内质网或肌质网内的：可激活钙释放通道，使内质网或肌质网内的 钙离子释放入胞质。钙离子释放入胞质。DG：留在细胞膜内，可激活胞质内的蛋白激

24、留在细胞膜内，可激活胞质内的蛋白激 （PKC）激活。）激活。以后，以后，Ca2+和和PKC进一步作用于下游的信号蛋白进一步作用于下游的信号蛋白或功能蛋白，完成细胞内的信号转导。或功能蛋白，完成细胞内的信号转导。4848PLC-IP3/DG-CaM pathway磷脂酶磷脂酶C C二酰甘油二酰甘油磷脂酰二磷酸肌醇磷脂酰二磷酸肌醇三磷酸肌醇三磷酸肌醇钙调蛋白钙调蛋白4949(3)GC-cGMP-PKG pathway50 二、酶耦联受体介导的信号转导二、酶耦联受体介导的信号转导（一）（一）酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶受体：类型很多，主要的区别在其肽链的膜外部分类型很多，主要的区别在其肽链的膜外部分 结

25、构的共同性：结构的共同性：膜膜外肽端外肽端-配体结合部位配体结合部位 膜膜内肽端内肽端-酪氨酸蛋白激酶酪氨酸蛋白激酶 酪氨酸蛋白激酶的膜外端与配体结合时具有活性酪氨酸蛋白激酶的膜外端与配体结合时具有活性,可促进其他蛋白质底物中酪氨酸残基磷酸化可促进其他蛋白质底物中酪氨酸残基磷酸化-改变细胞的功能活动改变细胞的功能活动5152 （二）鸟苷酸环化酶受体（二）鸟苷酸环化酶受体 配体与受体配体与受体结合结合即可即可激活鸟苷酸环激活鸟苷酸环 化酶化酶（GC），进而发挥作用。），进而发挥作用。如：如：ANP-GC-cGMP-PKG （三）结合酪氨酸激酶的受体（三）结合酪氨酸激酶的受体 无酶的活性无酶的活性

26、 如：如：EPO，GH，PRL53 三、离子通道受体介导的信号转导三、离子通道受体介导的信号转导 受体本身就是离子通道，某些外部信受体本身就是离子通道，某些外部信 号与受体结合即可改变通道的功能状态。号与受体结合即可改变通道的功能状态。类型：类型：化学门控通道化学门控通道；电压门控通道电压门控通道；机械门控通道机械门控通道；激动剂激动剂(agonist)：拮抗剂拮抗剂(antagonist)：TTX，TEA54化学性胞外信号化学性胞外信号(ACh)ACh+受体受体=复合体复合体终板膜变构终板膜变构=离子通道开放离子通道开放Na+内流内流终板膜电位终板膜电位骨骼肌收缩骨骼肌收缩55第三节第三节

27、细胞的生物电活动细胞的生物电活动生物电现象生物电现象(bioelectricity):人体及生物体活细胞在安静和活动时都存在人体及生物体活细胞在安静和活动时都存在电活动，这种电活动称为生物电现象。电活动，这种电活动称为生物电现象。一、细胞的一、细胞的生物电现象生物电现象 二、细胞的二、细胞的兴奋兴奋和和兴奋性兴奋性 56一、细胞的生物电现象一、细胞的生物电现象 （一）（一）静息电位静息电位及其产生机制及其产生机制 （二）（二）动作电位动作电位及其产生机制及其产生机制5758RP实验现象：实验现象：5960（一）静息电位及其产生机制（一）静息电位及其产生机制 静息电位静息电位：细胞未受刺激时存在

28、于细胞膜内外的：细胞未受刺激时存在于细胞膜内外的 电位差电位差 特点：膜外为正、膜内为负特点：膜外为正、膜内为负(-10 -100 mv)极化极化（polarization)：静息状态时存在的细胞膜内：静息状态时存在的细胞膜内 为负膜外为正的状态为负膜外为正的状态 超极化超极化（Hypepolarization)：膜内外电位差加：膜内外电位差加大大 低极化低极化（Hypopolarization)：膜内外电位差减：膜内外电位差减少少61静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性 通透性：通透性：K+Cl-Na+A-62 静息电位产生机制静息电位产生机制 静息电位和静息电位和K+平衡电位平衡电位3Na+2K+高钾高钾(30)高钠高钠(12)K+Na+-SO42-PO42-P-63静息电位的产生机制静息电位的产生机制1.细胞膜内外离子分布及其细胞膜内外离子分布及其浓度差浓度差;膜外膜外Na+高于膜内高于膜内12倍倍;膜内膜内K+高于膜外高于膜外30倍倍2.安静状态下细胞膜安静状态下细胞膜只对只对K+有通透性有通透性;3.K+借借浓度差浓度差,由细胞内向细胞外移动由细胞内向细胞外移动;4.K+的净移动停止的净移动停止,达到平衡达到平衡.