細胞的基本功能 (1)ppt課件

1、生生 理理 學學 Physiology Physiology 生理學教研室生理學教研室 liuweny4508sina liuweny4508sina 劉劉文彥文彥 細胞是構成人體最根本的功能單位細胞是構成人體最根本的功能單位第二章第二章 細胞的根本功能細胞的根本功能第一節(jié)第一節(jié) 細胞膜的構造和物質轉運功能細胞膜的構造和物質轉運功能第三節(jié)第三節(jié) 細胞的電活動細胞的電活動第四節(jié)第四節(jié) 肌細胞的收縮肌細胞的收縮第二節(jié)第二節(jié) 細胞的跨膜信號轉導細胞的跨膜信號轉導第一節(jié)第一節(jié) 細胞膜的構造和物質轉運功能細胞膜的構造和物質轉運功能細胞膜細胞膜cell membranecell membrane，也稱質膜

2、屏障，也稱質膜屏障 參與物質交換參與物質交換一、細胞膜的構造概述一、細胞膜的構造概述 脂質脂質lipidlipid細胞膜組成細胞膜組成 蛋白質蛋白質proteinprotein 糖類糖類( (少量少量) )從分量上看：膜內蛋白質與脂質的從分量上看：膜內蛋白質與脂質的比例比例 大約在大約在4 4：1 11 1：4 4之之間，間， 這些物質分子在膜中是以怎樣這些物質分子在膜中是以怎樣的方式陳列的呢？即膜的分子構造的方式陳列的呢？即膜的分子構造如何呢？如何呢？ 液態(tài)鑲嵌模型液態(tài)鑲嵌模型fluid mosaic fluid mosaic modelmodel 膜的基架是液態(tài)膜的基架是液態(tài)的脂質雙分子層

3、，的脂質雙分子層，其中鑲嵌著許多具其中鑲嵌著許多具有不同構造和功能有不同構造和功能的蛋白質。的蛋白質。( (一一) )脂質雙分子層脂質雙分子層 磷脂磷脂phospholipidphospholipid: 70%: 70%以上以上 膽固醇膽固醇cholesterolcholesterol: :不超越不超越30%30% 糖脂糖脂sphingolipidsphingolipid: : 不超越不超越10%10% 1925 1925年年 Gorter Gorter 和和GrendelGrendel：測：測定紅細胞膜中的脂質以單分子層在水定紅細胞膜中的脂質以單分子層在水溶液外表平鋪開來時所占的面積溶液外表

4、平鋪開來時所占的面積 一個紅細胞膜中脂質所占的面積，差一個紅細胞膜中脂質所占的面積，差不多是該細胞所占面積的不多是該細胞所占面積的2 2倍倍 雙分雙分子層。子層。 雙嗜性分子雙嗜性分子 磷脂分子中的磷脂分子中的磷酸和堿基、膽固磷酸和堿基、膽固醇分子中的羥基以醇分子中的羥基以及糖脂分子中的糖及糖脂分子中的糖鏈等親水性基團分鏈等親水性基團分別構成各自分子中別構成各自分子中的親水端，分子的的親水端，分子的另一端那么是疏水另一端那么是疏水的脂肪酸烴鏈。的脂肪酸烴鏈。 特點：特點：流動性流動性: : 熔點較低熔點較低 液態(tài)液態(tài) 膽固醇的含量膽固醇的含量: :起流度阻尼器的功能起流度阻尼器的功能; ; 脂

5、肪酸烴鏈的長度和飽和度脂肪酸烴鏈的長度和飽和度: : 脂肪酸烴鏈較短脂肪酸烴鏈較短, ,飽和度較低飽和度較低流動流動性性 膜蛋白的含量膜蛋白的含量: : 蛋白質蛋白質流動性流動性穩(wěn)定性穩(wěn)定性: : 熱力學分析熱力學分析自在能最低自在能最低 意義意義: 1. 維持細胞膜的完好維持細胞膜的完好: * 接受相當大的張力和外形改動接受相當大的張力和外形改動 * 自動交融而修復自動交融而修復 2. 與細胞的許多根本活動有關與細胞的許多根本活動有關: 流動性流動性膜蛋白挪動、聚集和相互膜蛋白挪動、聚集和相互作用作用 入胞、出胞、細胞的運動等入胞、出胞、細胞的運動等根本活動根本活動 ( (二二) )細胞膜的

6、蛋白細胞膜的蛋白 實驗實驗: : 冰凍蝕刻技術冰凍蝕刻技術 蛋白水解酶蛋白水解酶 細胞膜蛋白的種類及含量越多，細胞膜蛋白的種類及含量越多， 該細胞的功能也就越復雜。該細胞的功能也就越復雜。 根據(jù)膜蛋白在膜上根據(jù)膜蛋白在膜上 存在的方式：存在的方式： 外表蛋白：外表蛋白：20%-30%20%-30% peripheral peripheral proteinprotein 整合蛋白整合蛋白 integral integral proteinprotein 整合蛋白整合蛋白:70%:70%80% 80% 如載體、通道等如載體、通道等 特征特征: :肽鏈一次或反復多次穿越膜的脂質雙肽鏈一次或反復多次

7、穿越膜的脂質雙層。層。 肽鏈具有雙嗜性肽鏈具有雙嗜性: : 根據(jù)疏水性片段數(shù)目根據(jù)疏水性片段數(shù)目推測跨膜推測跨膜-螺螺旋數(shù)目旋數(shù)目 G 蛋白耦聯(lián)受體(G-protein coupled receptors, GPCRs)G G蛋白耦聯(lián)區(qū)蛋白耦聯(lián)區(qū)又稱七次跨膜受體又稱七次跨膜受體/ /七螺旋受體七螺旋受體 / /蛇型受體蛇型受體serpentine receptorserpentine receptor( (三三) )細胞膜的糖類細胞膜的糖類: 2% : 2% 10%10% 主要是一些寡糖和多糖鏈；它們主要是一些寡糖和多糖鏈；它們以共價鍵的方式和膜脂質或蛋白質結以共價鍵的方式和膜脂質或蛋白質結合

8、合 糖脂或糖蛋白。糖脂或糖蛋白。 結合于糖脂或糖蛋白上的糖鏈結合于糖脂或糖蛋白上的糖鏈僅存在于膜的外側，通常具有受體或僅存在于膜的外側，通常具有受體或抗原的功能?？乖墓δ?。 如：寡糖鏈如：寡糖鏈RBCRBC膜上膜上ABOABO血型血型系統(tǒng)的抗原系統(tǒng)的抗原 意義：以其單糖陳列順序上的特異性，作為意義：以其單糖陳列順序上的特異性，作為 它們所在細胞或它們所結合的蛋白質它們所在細胞或它們所結合的蛋白質 的特異性標志。的特異性標志。二、物質的跨膜轉運二、物質的跨膜轉運 脂溶性的和少數(shù)分子很小的水溶性物質脂溶性的和少數(shù)分子很小的水溶性物質 直接穿越細胞膜；直接穿越細胞膜； 大部分水溶性溶質分子和一切離

9、子的跨大部分水溶性溶質分子和一切離子的跨 膜轉運膜轉運有膜蛋白介導來完成；有膜蛋白介導來完成； 大分子物質或物質團塊大分子物質或物質團塊以復雜的出胞以復雜的出胞 或入胞的方式整裝進出細胞?；蛉氚姆绞秸b進出細胞。 單純分散單純分散 膜蛋白介導的跨膜轉運：膜蛋白介導的跨膜轉運： 通道介導的跨膜轉運經(jīng)通道易化通道介導的跨膜轉運經(jīng)通道易化分散分散 載體介導的跨膜轉運：載體介導的跨膜轉運： 經(jīng)載體易化分散經(jīng)載體易化分散 原發(fā)性自動轉運原發(fā)性自動轉運 繼發(fā)性自動轉運繼發(fā)性自動轉運 出胞和入胞出胞和入胞一單純分散一單純分散simple diffusionsimple diffusion 1.1.概念：脂

10、溶性的和少數(shù)分子很小的水溶性概念：脂溶性的和少數(shù)分子很小的水溶性的物質的物質 經(jīng)過脂質雙層由高濃度一側向低濃經(jīng)過脂質雙層由高濃度一側向低濃度一側度一側 轉運的過程轉運的過程 。如如: :氧氣氧氣 氮氣氮氣二氧化碳二氧化碳 水水 乙醇乙醇 尿素尿素 甘油甘油CO2i CO2oO2o O2i2.2.影響要素：影響要素：“單純單純 簡單的物理分散簡單的物理分散 * * 通透性：某物質經(jīng)過膜的難易程度。通透性：某物質經(jīng)過膜的難易程度。 取決于物質的脂溶性和分子取決于物質的脂溶性和分子大小大小 * * 分散的方向和速度：膜兩側該物質濃分散的方向和速度：膜兩側該物質濃度差度差 膜對該物質的通透性膜對該物質

11、的通透性3.3.特點：不需求外力，不耗費能量特點：不需求外力，不耗費能量被動過被動過程程二膜蛋白介導的跨膜轉運二膜蛋白介導的跨膜轉運 通道蛋白通道蛋白ion channelion channel，簡稱通道，也稱，簡稱通道，也稱離子通道離子通道 載體蛋白載體蛋白carrriercarrrier，簡稱載體，也稱轉運，簡稱載體，也稱轉運體體 有些載體具有有些載體具有ATPATP酶活性，稱為離子泵，酶活性，稱為離子泵， 離子泵具有分解離子泵具有分解ATPATP的才干，也稱的才干，也稱ATPATP酶酶ATPaseATPase。 經(jīng)通道易化分散經(jīng)通道易化分散 經(jīng)載體易化分散經(jīng)載體易化分散 原發(fā)性自動轉運原

12、發(fā)性自動轉運 繼發(fā)性自動轉運繼發(fā)性自動轉運 被動轉運被動轉運自動轉運自動轉運1.1.通道介導的跨膜轉運通道介導的跨膜轉運 離子通道是一類貫穿脂質雙層、中離子通道是一類貫穿脂質雙層、中央帶央帶 有親水性孔道的膜蛋有親水性孔道的膜蛋白；白； 無分解無分解ATPATP的的才干才干 被動過程被動過程 稱經(jīng)通道易化稱經(jīng)通道易化分散分散 特征：特征：高速度：轉運速率高速度：轉運速率106-108/106-108/秒載體的秒載體的102-105/102-105/秒秒 通道與載體之間最重要通道與載體之間最重要的區(qū)別；的區(qū)別；離子選擇性：取決于通道開放時水相孔道的大小離子選擇性：取決于通道開放時水相孔道的大小

13、和孔道壁的帶電情況；和孔道壁的帶電情況；門控：在通道蛋白分子內有一些可挪動的構造或門控：在通道蛋白分子內有一些可挪動的構造或 化學基團，在通道內起化學基團，在通道內起“閘門作用，許閘門作用，許多多 要素可刺激閘門運動，導致通道的開放或要素可刺激閘門運動，導致通道的開放或 封鎖，這一過程稱為門控封鎖，這一過程稱為門控gatinggating。 根據(jù)對不同刺激的敏感性，離子通道可分為：根據(jù)對不同刺激的敏感性，離子通道可分為： 化學門控通道化學門控通道chemically-gated ion chemically-gated ion channel channel 電壓門控通道電壓門控通道volta

14、ge-gated ion voltage-gated ion channel channel 機械門控通道機械門控通道(mechanically-gated ion (mechanically-gated ion channel)channel) 留意：留意： 1. 也有少數(shù)幾種通道一直是繼續(xù)也有少數(shù)幾種通道一直是繼續(xù)開放開放 的，這類通道稱為非門控通道。的，這類通道稱為非門控通道。 如如:鉀漏通道、縫隙銜接通道等鉀漏通道、縫隙銜接通道等 2.通道的開關除調控物質的轉運外通道的開關除調控物質的轉運外, 還與信號轉導和細胞電活動有關還與信號轉導和細胞電活動有關. 經(jīng)通道易化分散：經(jīng)通道易化分散：

15、轉運的物質轉運的物質: :各種帶電離子各種帶電離子K+i K+i K+oK+oNa+o Na+o Na+iNa+i2.2.載體介導的跨膜轉運：結合載體介導的跨膜轉運：結合構象變構象變化化解離解離 特征：特征： 轉運速率存在飽和景象；轉運速率存在飽和景象； 載體與溶質結合具有構造特異載體與溶質結合具有構造特異性；性； 構造類似的溶質經(jīng)同一載體轉構造類似的溶質經(jīng)同一載體轉運時運時 有競爭抑制。有競爭抑制。 KmKm米氏常數(shù)：達最大分散速率一半時米氏常數(shù)：達最大分散速率一半時所所 需的底物濃度，反映載體蛋白對被轉運需的底物濃度，反映載體蛋白對被轉運 物分子的親和力和轉運效率。物分子的親和力和轉運效率

16、。機制：機制：飽和景象：飽和景象：1 1經(jīng)載體易化分散：指水溶性小分子經(jīng)載體易化分散：指水溶性小分子物質物質 經(jīng)載體轉運體介導順濃經(jīng)載體轉運體介導順濃 度梯度和或電位梯度度梯度和或電位梯度 進展的被動跨膜轉運。進展的被動跨膜轉運。 方式： 單物質轉運 同向轉運 反向轉運或交換 經(jīng)載體易化分散經(jīng)載體易化分散: :轉運的物質：葡萄糖轉運的物質：葡萄糖(GL)(GL)、氨基酸、氨基酸(AA)(AA)等小分子親水物質等小分子親水物質2 2原發(fā)性自動轉運：離子泵利用分解原發(fā)性自動轉運：離子泵利用分解ATPATP產產 生的能量將離子逆濃度梯度和或生的能量將離子逆濃度梯度和或電位電位 梯度進展跨膜轉運的過程

17、。梯度進展跨膜轉運的過程。 留意：留意：在物質轉運過程中，細胞要代謝在物質轉運過程中，細胞要代謝供能；供能； 物質轉運是逆電物質轉運是逆電- -化學梯度進展化學梯度進展的。的。 * *鈉鈉- -鉀泵鉀泵sodium-potassium pumpsodium-potassium pump： 上世紀上世紀5050年代，在槍烏鲗宏大神經(jīng)軸突細胞膜年代，在槍烏鲗宏大神經(jīng)軸突細胞膜上證明了上證明了Na+Na+逆濃度梯度的跨膜轉運逆濃度梯度的跨膜轉運鈉泵；還證鈉泵；還證明此過程必需在細胞外明此過程必需在細胞外K+K+存在時才干發(fā)生存在時才干發(fā)生Na+Na+的的外排與外排與K+K+的內入相耦聯(lián)的內入相耦聯(lián)鈉

18、鈉- -鉀泵。鉀泵。 19571957年，丹麥的年，丹麥的SkouSkou在蟹的外周神經(jīng)膜上分別在蟹的外周神經(jīng)膜上分別出一種出一種ATP ATP 酶，這種酶的不尋常之處是它在同時酶，這種酶的不尋常之處是它在同時存在存在Na+Na+和和K+K+的條件下被激活，此酶的活性還可被的條件下被激活，此酶的活性還可被強心苷抑制強心苷抑制提出提出Na+-K+-ATPNa+-K+-ATP酶就是鈉泵的想象，酶就是鈉泵的想象，并在以后的大量實驗中得到證明。并在以后的大量實驗中得到證明。 Skou Skou 也因此也因此獲得獲得20192019年諾貝爾化學獎。年諾貝爾化學獎。 當膜內當膜內Na+Na+或膜外或膜外K

19、+K+激活鈉泵激活鈉泵每每分解分解1 1分子分子ATPATP將將3 3個個Na+Na+移出移出膜外，將膜外，將2 2個個K+K+移入膜內移入膜內維持膜內高維持膜內高K+K+和膜外高和膜外高Na+Na+的不平衡離子的不平衡離子分布。分布。 通道轉運與鈉通道轉運與鈉-鉀泵轉運方式圖鉀泵轉運方式圖鈉泵的主要功能鈉泵的主要功能 ：耗能：耗能202030%30% 鈉泵活動呵斥的細胞內高鈉泵活動呵斥的細胞內高K+K+是許多代謝反響進展的是許多代謝反響進展的必要條件必要條件; ;維持胞內浸透壓和細胞容積維持胞內浸透壓和細胞容積: :排水泵排水泵不斷的將順濃不斷的將順濃度梯度漏入的度梯度漏入的Na+ Na+

20、轉運回去；轉運回去； c. c. 建立建立Na+Na+的跨膜濃度梯度，為繼發(fā)性自動轉運的的跨膜濃度梯度，為繼發(fā)性自動轉運的物質提供勢能貯藏；物質提供勢能貯藏； d. d. 鈉泵活動呵斥的跨膜濃度梯度，是細胞發(fā)生電活鈉泵活動呵斥的跨膜濃度梯度，是細胞發(fā)生電活動的前提條件；動的前提條件；e. e. 鈉泵活動是生電性的，可直接影響膜電位，使膜鈉泵活動是生電性的，可直接影響膜電位，使膜內電位的負值增大。內電位的負值增大。 強心苷地高辛、哇巴因等：鈉泵特異性阻強心苷地高辛、哇巴因等：鈉泵特異性阻斷劑斷劑 小劑量時小劑量時心肌鈉泵心肌鈉泵30%30%40%40%被抑制被抑制膜內外膜內外Na+ Na+ 濃度

21、差濃度差 Ca2+ Ca2+經(jīng)經(jīng)Na+-Ca2+Na+-Ca2+交換交換的驅動力的驅動力胞質內胞質內Ca2+ Ca2+ 濃度濃度收縮力加強。收縮力加強。 * * 鈣泵鈣泵(calcium pump(calcium pump， Ca2+-ATPCa2+-ATP酶酶) ) 分布：質膜、內質網(wǎng)或肌質網(wǎng)膜上；分布：質膜、內質網(wǎng)或肌質網(wǎng)膜上； 作用：作用： 質膜鈣泵每分解質膜鈣泵每分解1 1分子分子ATPATP 將將1 1個個Ca2+Ca2+移到膜外；移到膜外； 胞內胞內Ca2+ Ca2+ 內質網(wǎng)或肌質網(wǎng)鈣泵每分解內質網(wǎng)或肌質網(wǎng)鈣泵每分解 1 1分子分子ATPATP將將2 2個個Ca2+Ca2+移到移到 內質網(wǎng)或肌質網(wǎng)內；內質網(wǎng)或肌質網(wǎng)內；(0.1-0.2umol/L)為細為細胞外液量的萬分之一胞外液量的萬分之一3 3繼發(fā)性自動轉運繼發(fā)性自動轉運secondary active secondary active transporttransport：指驅動力并不指驅動力并不直接來自直接來自ATPATP的的分解，而是來分解，而是來自原發(fā)性