N细胞B

null第二章 细胞的基本功能第二章 细胞的基本功能南京医科大学 生理学系朱 国 庆CellCell(endoplasmic reticulum)第一节 细胞膜的结构和物质转运功能第一节 细胞膜的结构和物质转运功能一、 细胞膜的基本结构 (cell structure) 细胞膜或质膜（plasma membrane）Why have a cell membrane? isolate the cell  cytosol (intracellular fluid) from extracellular fluid regulate exchange with the environment  ions, nutrients, wastes, secretions cell communicates with the environment receptor proteins bind signaling molecules structural support  cellular junctions, anchor cytoskeletal proteins液态镶嵌模型 (fluid mosaic model)液态镶嵌模型 (fluid mosaic model) 以液态的脂质双分子层为基本框架，其中镶嵌有不同生理功能的蛋白质和少量多糖。 What are the components of the cell membrane and what are their functions? Representation of three-dimensional organization of plasma membranes. A bimolecular film of phospholipids forms the matrix of the membrane, and globular proteins are embedded in the lipid core. Some proteins span the membrane; others are embeded in one of the lipid monolayers.nullStructures made from phospholipidsStructures made from phospholipidsnullnullFunctions of membrane proteins Structural proteins – junctions, cytoskeleton Receptors – bind a signaling molecule (ligand) Enzymes – reactions (digestion, signaling) Transporters – channels,carrier proteinsFunctions of membrane proteins二、细胞膜的跨膜转运二、细胞膜的跨膜转运 半透膜(semipermeable membrane)O2， 能源物质 氨基酸 脂类 各种离子等细 胞CO2 代谢尾产物 What molecules cross the cell membrane? How do these molecules cross the cell membrane?（一）单纯扩散（simple diffusion)（一）单纯扩散（simple diffusion)一些脂溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。特点：特点：1、顺浓度差 2、不需要膜蛋白帮助 3、不消耗能量 4、转运脂溶性物质（非极性分子）如O2和CO2 细 胞CO2O2Characteristics of simple diffusion: Down a concentration gradient Without help of membrane protein Without using ATP Transport for lipophilic molecules such as O2 and CO2 通透性 (permeability)通透性 (permeability) 通透性指物质通过膜的难易程度。 扩散通量 (Diffusive flux)： 示单位时间内通过单位面积膜的分子数量。 取决于浓度差、扩散面积、温度、脂溶性和电场力（离子）等。（二）膜蛋白介导的跨膜转运（二）膜蛋白介导的跨膜转运在细胞膜特殊蛋白的帮助下进行跨膜转运。 1. 被动转运 (passive transport)：不消耗ATP 易化扩散（facilitated diffusion） （1）通道 (channel) （2）载体 (carrier) 2. 主动转运 (active transport)：消耗ATP 易化扩散特点：易化扩散特点：顺浓度差或电位差 膜蛋白帮助 不消耗能量 转运水溶性物质1. 通道介导的跨膜转运 （channel transport)1. 通道介导的跨膜转运 （channel transport)转运物质：Na+, K+, Cl－, Ca2+等直径较小离子。 基本特征： （1）离子选择性 (ion selectivity)。根据转运离子的特异性命名： Na+通道、K+通道、 Cl－通道、 Ca2+通道等。 （2）门控特性 (gating)。开放、关闭Ions diffuse through channels down their concentration gradient.Ions diffuse through channels down their concentration gradient.Ca2+Ca2+How are the channels gated (opened)?How are the channels gated (opened)?Voltage gated Chemically gated Mechanically gated电压门控通道 化学门控通道 机械门控通道Channel blockerChannel blockerNa+通道阻断剂：河豚毒 (tetrodotoxin, TTX) 利多卡因（lidocaine) K+通道阻断剂： 四乙胺 (tetraethylammonium)2. 载体介导的跨膜转运 (carrier-mediated transport)2. 载体介导的跨膜转运 (carrier-mediated transport)Facilitated diffusion by a carrier protein转运对象: 葡萄糖、氨基酸、核苷酸载体转运特点载体转运特点① Saturation (饱和现象)A：经载体易化扩散模式图 B：经载体易化扩散的饱和现象 Vmax：最大扩散速度； Km： 米氏常数，达1/2 最大扩散速率所需的底物浓度② Specificity (特异性)② Specificity (特异性)Glucose transporters will not move maltose (麦芽糖)③ Competitive inhibition (竞争性抑制)③ Competitive inhibition (竞争性抑制)Only galactoseGlucose and galactose (半乳糖)nullA competing molecule can block the transport同向转运 (symport) 和逆向转运 (antiport)同向转运 (symport) 和逆向转运 (antiport)（2）原发性主动转运 (primary active transport)（2）原发性主动转运 (primary active transport)特点: 1、膜蛋白（泵）帮助 2、逆浓度差或电位差 3、耗能钠泵（sodium pump, 钠-钾泵，钠-钾ATP酶）、钙泵、碘泵等。钠-钾泵钠-钾泵 分解1个分子ATP，使3个Na+移出膜外，2个K+移到膜内——生电性钠泵 (electrogenic pump)。 泵入和泵出正离子数相等---------中性泵。钠泵活动重要的生理意义钠泵活动重要的生理意义维持细胞正常的渗透压与形态。 形成和保持细胞内外Na+、K+不均匀分布，为生物电和多种功能必需。 势能贮备为葡萄糖、氨基酸跨小肠和肾小管上皮等继发性主动转运提供能量。nullActive transport: Na+-K+ ATPase哇巴因： 钠泵的特异性抑制剂（3）继发性主动转运 Secondary Active Transport（3）继发性主动转运 Secondary Active Transport 利用原发性主动转运所造成的某种物质的势能贮备而对其它物质进行逆浓度差跨膜转运的过程，又称联合转运 (contransport)。 如肾小管和肠黏膜处的葡萄糖和氨基酸的转运。 转运体蛋白（转运体，transporter)Symport driven by Na+ concentration gradient for trans-epithelial transportSymport driven by Na+ concentration gradient for trans-epithelial transportSodium-glucose symporterSodium-glucose symporternull肠粘膜上皮细胞葡萄糖继发性主动转运模式图肠粘膜上皮细胞葡萄糖继发性主动转运模式图 上皮细胞基侧膜上Na+ 泵的活动，造成细胞内低 Na+，并在顶膜的内外形成 Na+浓度差。顶膜上的Na+葡萄糖同向转运体则利用膜两侧Na+的化学驱动力，将肠腔中的Na+和葡萄糖分子一起转运至上皮细胞内。这一过程中葡萄糖分子的转运是逆浓度梯度进行的。进入上皮细胞的葡萄糖分子可经基底侧膜上另一种葡萄糖载体扩散至组织液，完成葡萄糖在肠腔中的主动吸收过程同向转运 (symport)和逆向转运(antiport)同向转运 (symport)和逆向转运(antiport)Secondary active transportSecondary active transportClick to play(三) 出胞和入胞(三) 出胞和入胞转运对象：大分子或物质团块 入胞 (endocytosis): 吞噬(phagocytosis)——cell engulfs a particle into a vesicle 吞饮(pinocytosis)——cell engulfs extracellular fluid 出胞 (exocytosis) Phagocytosis – cell engulfs a particle into a vesiclePhagocytosis – cell engulfs a particle into a vesicleReceptor mediated endocytosis LDL (which is a cholesterol carrier) is a ligand that enters by receptor mediated endocytosisReceptor mediated endocytosis入胞的两种类型： 液相入胞 (fluid-phase endocytosis) 受体介入式入胞 (Receptor mediated endocytosis)Exocytosis & endocytosisExocytosis & endocytosisExocytosis & endocytosisExocytosis & endocytosisClick to play 第二节 细胞的信号转导 第二节 细胞的信号转导 transmembrane signal transduction 外界信号作用于细胞时，通常先作用于细胞膜表面，引起膜结构中一种或数种特殊蛋白质分子的变构作用，将外界信号以新的信号形式传到膜内，再引起靶细胞发生相应的功能变化。最常见的外界刺激信号——化学信号最常见的外界刺激信号——化学信号化学信号——激素、递质、细胞因子（cytokines) 其它外界刺激信号：机械信号、电信号、电磁波等跨膜信号转导的共同特征跨膜信号转导的共同特征1.外界信号作用于受体后引起一系列信号分子依次激活 2.信号转导都是通过几种类似的转导途径实现的 3.跨膜信号转导有信号放大作用膜受体膜受体1. 离子通道受体 ion channel 2. G蛋白耦联受体 G protein-linked receptor 3. 酶耦联受体 enzyme-linked receptor一、离子通道型受体介导的信号转导化学门控通道 (chemically gated channel) 又称 配体门控通道 (ligand gated channel) 或促离子型受体(ionotropic receptor) ACh的N2型受体、GABAA受体、促离子型谷氨酸受体一、离子通道型受体介导的信号转导N-receptor of ACh N-receptor of ACh Structure of sodium channelStructure of sodium channelClick to play电压门控通道和机械门控通道Voltage gated channel Mechanically gated channel 通常不称为受体 也可将信号传递到细胞内部电压门控通道和机械门控通道二、G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导二、G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导G protein-coupled receptor, GPCR 激素、神经递质(第一信使)到达靶细胞时不直接进入胞浆,而是先与靶细胞膜受体结合,作用于膜结构中的信息传递系统(第二信使系统),使胞浆中某物质(第二信使)浓度改变,引起靶细胞发生相应变化。 有关跨膜信号转导的一些重大发现有关跨膜信号转导的一些重大发现第二信使学说，1971诺贝尔生理学和医学奖 原癌基因，1989诺贝尔生理学和医学奖 蛋白质磷酸化在信号转导中的作用，1992诺贝尔生理学和医学奖 G蛋白及其在细胞信号转导中的作用，1994诺贝尔生理学和医学奖 NO的生理功能，1998诺贝尔生理学和医学奖原癌基因 (proto-oncogene) 原癌基因 (proto-oncogene) 基因组中的正常基因，进行表达时称癌基因 (oncogene) 碱基序列与一些能在动物引起肿瘤的病毒DNA一致 其结构变异或表达异常与某些遗传病或肿瘤发生有关 原癌基因的正常表达产物是跨膜信号转导过程所必需的 其中有一类称为即早基因 (immediae-early gene) 即早基因 (immediae-early gene)即早基因 (immediae-early gene) 原癌基因被第二信使介导的相关过程激活后，数分钟内就可表达，称即早基因 (快速基因)。 即早基因表达的蛋白质进入核内，作为转录因子，诱导另一些基因表达，其表达产物可能是某些通道蛋白质、调节肽或酶。 外界信号不仅可使细胞出现即时反应，还可引起细胞的长时程改变。G-蛋白耦联受体的跨膜信号转导通路由多个信号分子组成G-蛋白耦联受体的跨膜信号转导通路由多个信号分子组成G 蛋白耦联受体, G protein-linked receptor G蛋白, G protein ( GTP结合蛋白，GTP-binding protein) G蛋白效应器， G protein effector 第二信使，second messenger 蛋白激酶，protein kinaseG-蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导的主要步骤G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导的主要步骤1. G蛋白偶联受体 (G protein-coupled receptor)1. G蛋白偶联受体 (G protein-coupled receptor)1条肽链，7次穿膜。7次跨膜受体（seven-spanning receptor)，膜外部分能识别配体，并与配体结合。2. G蛋白 (G protein)2. G蛋白 (G protein)鸟氨酸结合蛋白(guanine nucleotide-binding protein)的简称 偶联膜受体和效应器蛋白作用 分为异源三聚体和单体G蛋白两类，通常指三聚体G蛋白，20种以上 由α、β和γ三个亚单位组成G蛋白的激活G蛋白的激活G蛋白的种类G蛋白的种类G蛋白分为6个亚族：Gs、Gi/o、Gq、Gt、Gg和G12 某些细菌毒素可作为研究G蛋白的工具药。Gs仅能被霍乱毒素激活，Gi仅能被百日咳毒素激活，Gt能被霍乱毒素和百日咳毒素激活。3. G蛋白效应器 (G protein effector)3. G蛋白效应器 (G protein effector)(1) 催化生成第二信使的酶 腺苷酸环化酶 (adenylylcyclase, AC) 磷脂酶C (phospholipase C, PLC) 依赖于cGMP的磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDE) 磷脂酶 (phospholipase A2) (2) 离子通道4. 第二信使 (Second messenger)4. 第二信使 (Second messenger)cAMP (环磷酸腺苷） IP3 （inositol triphyosphate, 三磷酸肌醇） DG （diacylglycerol, 二酰甘油） cGMP (环磷酸鸟苷） Ca2+ NO (一氧化氮） 作用：把细胞外信号分子作用于细胞膜的信息传给细胞内的靶蛋白——蛋白激酶和离子通道。5. 蛋白激酶 (Protein kinase)5. 蛋白激酶 (Protein kinase)100多种，分为2大类： (1) 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶：为主，使底物蛋白中丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化 (2) 酪氨酸蛋白激酶：使底物蛋白中酪氨酸残基磷酸化根据激活蛋白激酶的第二信使不同，蛋白激酶分为：根据激活蛋白激酶的第二信使不同，蛋白激酶分为：依赖cAMP的蛋白激酶 (cAMP-dependent protein kinase) （蛋白激酶A，protein kinase A, PKA） 依赖Ca2+的蛋白激酶 (Ca2+-dependent protein kinase) （蛋白激酶C，protein kinase C, PKC）蛋白激酶功能蛋白激酶功能使底物蛋白磷酸化(phosphorylation), 导致其生物学特性变化。 磷酸化级联反应(phosphorylation cascade). 细胞内还有大量蛋白磷酸酶(protein phosphatase),使底物蛋白脱磷酸化。 蛋白质可逆地磷酸化和脱磷酸化反应，导致蛋白质的功能被激活或被抑制。G protein-linked receptor G protein-linked receptor Click to playG-蛋白耦联受体的跨膜信号转导系统由多个信号通路组成G-蛋白耦联受体的跨膜信号转导系统由多个信号通路组成1. cAMP-PKA信号通路 2. IP3-Ca2+信号通路 3. DG-PKC信号通路 4. G蛋白-离子通道信号通路Ca2+受体： 肌钙蛋白 (骨骼肌) 钙调蛋白 (calmodulin, CaM)More about receptors for signaling pathwaysMore about receptors for signaling pathwaysA ligand may have different effects in different tissues. Epinephrine in skeletal muscle vasodilation Epinephrine in intestine vasoconstriction A ligand can bind to more than 1 receptor protein. why? If the ligand concentration is low, the number of receptors can increase —— Up-regulation (上调).nullIntestineSkeletal muscle受体激动剂和拮抗剂（阻断剂）受体激动剂和拮抗剂（阻断剂）三、酶耦联受体介导的信号转导三、酶耦联受体介导的信号转导Signal transduction mediated by enzyme-linked receptor 没有G蛋白、第二信使和胞内蛋白激酶的激活，受体本身也没有通道结构，而是通过胞内具有酶活性的受体介导完成跨膜信号转导。（一）酪氨酸激酶受体的跨膜信号转导（一）酪氨酸激酶受体的跨膜信号转导 1. 酪氨酸激酶受体 (tyrosine kinase receptor)：受体本身有酪氨酸激酶活性。 主要介导与生长、发育有关的细胞因子 (cytokine)和部分肽类激素，如epidermal growth factor (EGF), nerve growth factor (NGF)，insulin等。 又称为丝裂原激活的蛋白激酶通路（mitogen-activated protein kainase, MAPK)MAPK pathwayMAPK pathwayMAPK的激活MAPK的激活酪氨酸激酶受体途径、DG-PKC途径和AC-cAMP途径均可激活MAPK MAPK是外界信号刺激细胞增值分化的细胞内信号转导的交汇点2. 结合酪氨酸激酶的受体 (receptor-associated tyrosine kinase)2. 结合酪氨酸激酶的受体 (receptor-associated tyrosine kinase)受体本身没有酪氨酸激酶活性，与配体结合后，可与细胞内的酪氨酸激酶（如JAK）结合，并使之激活，进而使胞质中另一种酪氨酸蛋白激酶STAT磷酸化，导致转录因子磷酸化，使基因转录功能变化而发挥生物学作用。如growth hormone, prolactin（二）受体鸟苷酸环化酶的跨膜信号转导（二）受体鸟苷酸环化酶的跨膜信号转导receptor guanylyi cyclase, GC 主要介导心房钠尿肽 (atrial natriuretic peptide, ANP)的生物学作用。 NO的受体也是一种GC，存在于胞质中，称为可溶性GC (soluble GC)。第三节：细胞的电活动第三节：细胞的电活动静息电位 (resting potential, RP) 动作电位 (action potential, AP) 膜电位 (Membrane Potential)一、膜的被动电学特性和电紧张电位一、膜的被动电学特性和电紧张电位一、 膜电容和膜电阻细胞膜脂质双层将细胞内外液隔开,类似于平行板电容器。 细胞膜具有: 膜电容Cm：较大，约1µF/cm2。 膜电阻Rm：可变,与通道及转运体数目有关。 膜电导Gm：为Rm倒数，相当于膜对该带电离子通透性。跨膜电位和轴向电阻跨膜电位和轴向电阻膜电位Em：细胞膜通道开放→带电离子跨膜移动→相当于电容器充电或放电→可产生电位差即跨膜电位 (transmembrane potential), 因此电学特性可用并联的阻容耦合电路来描述。 轴向电阻Ri：取决于胞质液本身的电阻和细胞直径。直径越大，Ri越小。图：膜的被动电学特性和电紧张电位图：膜的被动电学特性和电紧张电位A：膜的等效电路图。Cm：膜电容；Rm：膜电阻； Ri:纵向电阻。 B：经微电极向神经纤维胞浆内注入的电流沿轴浆纵向流动并跨膜流出胞外，由于纵向电阻(A图中的Ri)的存在和沿途不断跨膜漏出，电流密度(由图中箭头的宽度表示)随流动距离的延长而逐渐衰减； C：随距离逐渐衰减的跨膜电流引起的膜电位变化－电紧张电位。（二）电紧张电位（二）电紧张电位Electrotonic potential 随距刺激原点距离的增加而膜电位呈指数衰减的电位。 该电位是由膜的固有电学特性决定的,其产生过程中没有离子通道的激活,也无膜电导的改变。二、静息电位及其产生机制二、静息电位及其产生机制（一）静息电位的记录和数值细胞内微电极 (microelectrode) 记录The value for the resting membrane potential静息电位 (resting potential, RP)静息电位 (resting potential, RP) 细胞膜在安静状态下存在于膜内外间的电位差 内负外正 神经、骨骼肌、心肌：-70~-90 mVnull常用术语膜内外两侧电位维持内负外正的稳定状态——极化 (polarization) 膜内负电位减小甚至由负转正——去极化或除极化 (depolarization) 膜内负电位增大——超极化 (hyperpolarization) 如先去极化，再向静息电位水平恢复——称复极化 (repolarization)常用术语形成静息电位的离子基础形成静息电位的离子基础 1、细胞膜内外存在离子浓度差：膜内K+高，膜外Na+高 2、细胞膜在不同情况下对各种离子通透性不同，安静时对K+通透性大Electrochemical gradient is a combination of the electrical and chemical gradientsNa+ Cl- Organic anions K+ Na+ Cl- Organic Anions K+Electrochemical gradient is a combination of the electrical and chemical gradientsK+ channels are open during the resting membrane potentialK+ channels are open during the resting membrane potentialIf K+ channels are openIf K+ channels are open 静息电位的产生机制 静息电位的产生机制 安静状态： 膜内K+浓度高、膜对K+的通透性大→K+顺浓度差外流 (阴离子不能通过细胞膜)→膜外电位↑、膜内电位↓ (内负外正)→随着K+外流增多→膜内外电位差↑→K+外流阻力↑→K+外流的阻力 (电位差)和动力（浓度差）相等→膜电位稳定于某一数值 (K+平衡电位)。K+的平衡电位 (equilibrium potential)K+的平衡电位 (equilibrium potential)R-气体常数； T-绝对温度； Z-离子价； F-法拉第常数实际值比计算值略小，与膜对Na+有很小的通透性有关。Nernst公式：(自然对数)Factors that are important for the equilibrium potential for an ionFactors that are important for the equilibrium potential for an ion Only channels for that ion are open The charge of the ion Concentration of the ion inside the cell Concentration of the ion outside the cell影响静息电位的因素影响静息电位的因素1. K+在膜两侧的浓度决定该离子的平衡电位[K+]o↑→ 静息电位 ?null当[K+]o ：[K+]i = 1 : 30时，Ek = 59.5 log 0.033=59.5 (-1.477) = - 87.9 (mV) 当[K+]o ：[K+]i = 2 : 30时，Ek = 59.5 log 0.067=59.5 (-1.176) = - 70.0 (mV)[K+]o↑→ 静息电位↓[K+]o↑→ 膜内外K+浓度差↓→ K+外流↓→ 静息电位↓2. 膜对离子的通透性决定该离子跨膜扩散对静息电位的贡献2. 膜对离子的通透性决定该离子跨膜扩散对静息电位的贡献膜对K+的通透性较大，膜电位接近EK。 膜对Na+的通透性↑→ 膜电位接近ENa↓。 心肌、骨骼肌细胞：对K+和Na+的通透性之比为20~100，静息电位为-80 ~ -90 mV。 平滑肌细胞：对K+和Na+的通透性之比为7~10，静息电位为-55 mV左右。实际值比计算值略小，与膜对Na+有很小的通透性有关。 静息电位是K+和Na+的跨膜扩散形成的，主要是K+。3. 钠泵的生电作用对静息电位也有影响3. 钠泵的生电作用对静息电位也有影响钠泵转运使膜内电位负值增加，约2~16 mV。 钠泵维持膜内外Na+和K+浓度的相对稳定。第二节 动作电位 (action potential, AP) 第二节 动作电位 (action potential, AP) (一) 动作电位概念与波形 细胞受到刺激时，膜电位发生的一次快速、可逆的电位翻转锋电位与后电位锋电位与后电位 动作电位去极相和复极相的初期，电位变化迅速，曲线形如尖锋，故称锋电位。它被认为是动作电位的同义语。锋电位： 去极相：受刺激时，膜内电位迅速由-70mV上升到＋50mV，构成上升支。超过零电位至去极相顶端的电位数值称为超射值。 复极相：去极相结束时膜内电位迅速下降并向静息水平恢复，构成下降支。升支与降支共同构成锋电位。 后电位： 在复极化后段，下降速度明显减慢，为负后电位；随后出现缓慢而持续时间较长的超极化电位，为正后电位。 动作电位的特征动作电位的特征“全或无” 不衰减传导 具有不应期 不能总和“全或无”： 在同一细胞上，动作电位大小不随刺激强度和传导距离而改变。能引起动作电位的最小刺激强度为阈强度。(二) 动作电位的形成机制(二) 动作电位的形成机制Inward current and outward current内向电流与外向电流Inward current： 阳离子内流→去极化 Outward current： 阴离子内流或阳离子外流→超极化动作电位对Na+的依赖性动作电位对Na+的依赖性1 在正常海水中 2 在低Na+海水中 3 正常海水冲洗后Voltage clamp (电压钳)Voltage clamp (电压钳)Developed by Hodgkin, Huxley (1949) I=V/R=VG 固定V，测定I，求G 跨膜离子电流——I； 膜两侧电位差——V； 膜电导——G； 膜电阻——R。 1963年诺贝尔生理学和医学奖 Voltage clamp Voltage clamp 应用负反馈原理的电子装置，跨膜电位维持跨膜电位恒定，测量跨膜离子电流的强度改变，进而计算出膜电导即膜通透性的变化。 The voltage potential across a cell membrane is controlled by the experimenter and the current is measured. Under these conditions the observed current can be a direct measure of ionic movements across the membrane to which the electrode is gripping.Fig. Voltage clamp Fig. Voltage clamp 电极1测得的电位值经放大后输给负反馈放大器(FBA)，与预先设定的要求保持恒定的电位值比较。 如有差值，FBA就通过电极2向轴突内输出相应强度相反方向的电流，补偿由于跨膜离子电流使膜充放电而引起的跨膜电位变化。 在电流放大器IA上测得的跨膜离子电流的变化就反映了膜电导的变化。利用电压钳技术记录的枪乌鲗大神经轴突的膜电流及其离子成分的分析利用电压钳技术记录的枪乌鲗大神经轴突的膜电流及其离子成分的分析Ａ：钳制电压 Ｂ：记录的内向电流和外向电流 Ｃ：河豚毒(TTX)阻断了内向电流 Ｄ：四乙铵(TEA)阻断了外向电流 (引自Kuffler等,1984) 不同程度去极化对膜钠电导和钾电导的影响 不同程度去极化对膜钠电导和钾电导的影响 上图：实施电压钳的程序，膜电位从维持电位﹣60mV 起始，迅速钳制到﹣40mV 、﹣20mV 、0mV 和﹢20mV. 中图和下图：分别为根据上述电压钳制期间记录的钠电流和钾电流计算出的钠电导(gNa)和钾电导(gK). 1. 动作电位去极化的形成机制1. 动作电位去极化的形成机制Na+的平衡电位 细胞受到有效刺激→Na+通道开放→Na+顺电-化学梯度内流→膜外电位↓、膜内电位↑(去极化)→内负外正变成内正外负→电位差成为Na+内流阻力→对抗Na+内流→Na+内流的动力 (浓度差)与阻力 (电位差)相等→Na+的平衡电位。2. 动作电位复极化和超极化的形成机制2. 动作电位复极化和超极化的形成机制 复极化：膜电位达到Na+平衡电位时，Na+通道关闭、K+通道开放，K+外流形成动作电位的下降支，并最终恢复到静息电位水平。 超极化：动作电位复极化达到静息电位水平后，产生超极化后电位（正后电位），是由于钠钾泵对离子的不对称转运所致（生电性钠泵）。3. 动作电位的产生过程3. 动作电位的产生过程 有效刺激 → 去极化达-50～-70mV → 膜上电压门控Na+通道开放 → 膜对Na+通透性突然↑→ Na+顺电一化梯度内流 → 进一步去极化 → 更多的Na+通道开放 → 对Na+通透性↑（Na+的再生性循环，正反馈）→ 大量Na+内流产生陡峭的动作电位上升支。局部电位和动作电位的产生与传播 局部电位和动作电位的产生与传播 注射电流示意刺激的性质(去极化或超级化)和强度，超极化和小于阈电位的去极化刺激只能引起局部电位，只有阈上去极化刺激才能引起动作电位。 记录电极A紧靠刺激部位，可同时记录到局部电位和动作电位。 记录电极B距刺激电极 5cm，记录到沿神经纤维传播的动作电位。阈电位 (threshold potential)阈电位 (threshold potential) 当刺激使静息电位减小到某个临界值时，膜上的电压门控Na+通道突然大量开放而爆发动作电位，这个临界膜电位数值称阈电位。 阈电位一般比静息电位绝对值小约10～20mV。 4. 膜电导变化的实质是离子通道的开放和关闭4. 膜电导变化的实质是离子通道的开放和关闭Single channel current膜片钳 (Patch clamp)膜片钳 (Patch clamp) 测量单一通道离子电流和电导。 尖端光洁、直径约0.5～3 μm的玻璃微电极与细胞膜接触而不刺入，通过负压将电极尖端接触的细胞膜轻度吸入电极尖端的纤细开口，并形成紧密的封接，其电阻可达数千兆欧，将吸附在微电极尖端开口处的小片膜与其余部分的膜在电学上完全隔离开来其中只包含一个或几个通道蛋白质分子。Patch clampPatch clampClick to play膜片钳方法示意图和单通道电流 膜片钳方法示意图和单通道电流 A ：膜片钳记录方法示意图 B ：培养的大鼠肌细胞膜片上记录的 Na+ 单通道电流 １：去极化 10mV 的电压钳制 ２：连续９次钳制记录得到的 Na+ 单通道电流，通道开放产生向下的内向电流 ３：连续 300 次钳制记录的单通道电流叠加平均得到的总和（ ensemble ）电流，与钠通道的宏膜电流相似5. 电压门控通道的分子结构5. 电压门控通道的分子结构钠通道α亚单位的分子结构示意图 A ：推衍的α亚单位二级结构， I, II, III, IV 代表 4 个同源结构域，圆圈中的字母 M 、 F 、 I 是氨基酸的一字符号；B ：显示由 4 个同源结构域形成分子的孔道；C ：失活机制的示意图电压门控通道的功能状态开放：激活 静息：关闭，受刺激可开放 失活：关闭，受刺激也不能开放电压门控通道的功能状态如：Na+通道（三）动作电位的传播（三）动作电位的传播1. 无髓纤维和一般可兴奋细胞 无髓鞘神经纤维兴奋的传播原理 无髓鞘神经纤维兴奋的传播原理 A ：上方为一从右向左传播中的神经纤维动作电位；下方示意局部电流的形成。局部电流起源于神经纤维的兴奋区（图中影区 2 ）与前方未兴奋区（ 1 ）之间膜内侧和膜外侧的电位差，如图中箭头所示；在兴奋区（ 2 ）与尚处于不应期的复极区（ 3 ）之间也存在局部电流； B ：示意动作电位前方电紧张电位的波前 ConductionConductionClick to play局部电流 (local current)局部电流 (local current) 静息部位膜内负外正,兴奋部位膜极性反转，兴奋区与未兴奋区之间存在电位差，形成局部电流，使邻近未兴奋膜去极化达阈电位而产生动作电位。 局部电流强度超过引起邻近膜兴奋所需的阈强度数倍以上，故动作电位的传导过程是“安全可靠”的。 2.有髓纤维：跳跃式传导 (saltatory conduction)2.有髓纤维：跳跃式传导 (saltatory conduction) 局部电流发生在相邻的郎飞氏结之间。 传导速度快。Spread of the action potential along an unmyelinated (A) and a myelinated (B) axonSpread of the action potential along an unmyelinated (A) and a myelinated (B) axonSaltatory conductionSaltatory conductionClick to play（四）缝隙连接（四）缝隙连接亲水性通道，低电阻区，双向四、局部电位 四、局部电位 局部电位(local potential)有去极化和超极化两种类型 1、不是“全或无” 2、电紧张性扩布：不可远距离传导 3、总和现象：时间性总和、空间性总和No summationNo summationTemporal summationTemporal summationSpatial summationSpatial summation五、可兴奋细胞及其兴奋性五、可兴奋细胞及其兴奋性兴奋 (excitation)：细胞产生动作电位的同义语。 可兴奋细胞：受刺激后能产生动作电位的细胞。 神经细胞、肌细胞和腺细胞都属于可兴奋细胞。（一）可兴奋细胞 (excitable cell)（二） 兴奋性（二） 兴奋性兴奋性 (excitability)：细胞接受刺激后产生动作电位的能力。 刺激(stimulation)：细胞所处环境因素的变化。兴奋或动作电位产生的条件兴奋或动作电位产生的条件(1) 细胞必须具有兴奋性： 通道处于可激活状态。 (2) 刺激必须是有效刺激：使膜电位降低到阈电位。Relationship between action potential and stimulus intensityRelationship between action potential and stimulus intensityClick to play刺激量的三个参数刺激量的三个参数刺激强度、刺激持续时间、刺激强度的变化率。 相互影响：如刺激持续时间较短时，引起兴奋所需刺激强度就大。 实验时：通常固定刺激强度的变化率。 实际应用：通常固定刺激持续时间和强度的变化率，仅改变刺激强度。 阈强度(阈值，threshold intensity) 阈强度(阈值，threshold intensity) 能引起组织兴奋的最小刺激强度。 使膜的静息电位去极化达到阈电位的最小刺激强度。 低于或高于阈强度的刺激分别称为阈下刺激或阈上刺激。 兴奋性与阈强度成反比。 阈强度是衡量组织兴奋性的指标。(三) 细胞兴奋后的兴奋性变化 1．绝对不应期 (absolute refractory period)：Na+通道处于失活状态，兴奋性降低到零。大约相当于锋电位，因此动作电位不能总和。 2．相对不应期 (relative refractory period)：Na+通道逐渐复活，但处于静息状态的Na+通道数目及其开放能力尚未恢复正常，兴奋性低于平常。 3．超常期 (supranormal period)：Na+通道基本恢复到静息状态，但由于膜电位与阈电位的差距小，兴奋性高于平常。 4．低常期 (subnormal period)：虽然Na+通道已完全恢复到静息状态，但由于膜电位与阈电位的差距大，兴奋性低于平常。(三) 细胞兴奋后的兴奋性变化↑第四节 肌细胞的收缩第四节 肌细胞的收缩一、横纹肌一、横纹肌（一）神经-肌接头处的兴奋传递neuromuscular junctions prejunctional membrane postjunctional membrane junctional cleft (接头间隙) motor endplate (运动终板) vesicle (囊泡) acetylcholine (ACh，乙酰胆碱) acetylcholinesterase (胆碱酯酶) null神经－肌接头处的兴奋传递过程神经－肌接头处的兴奋传递过程 动作电位到达神经末梢→Ca2+通道开放→ Ca2+进入轴突末梢，囊泡向接头前膜移动并与之融合→ 通过出胞作用将囊泡中的ACh释放到接头间隙→接头间隙中ACh扩散到终板膜→ACh与ACh受体结合→ 化学门控通道开放→Na+内流（为主）和K+外流→终板膜去极化形成终板电位→ 扩散到相邻肌细胞膜→总和达阈电位→肌细胞膜爆发动作电位。神经-肌接头处兴奋传递的特征： 一对一兴奋传递神经-肌接头处兴奋传递的特征： 一对一兴奋传递 每一次神经冲动到达时释放的ACh量，超过引起肌细胞动作电位所需量的3～4倍。 每次神经冲动所释放的ACh在引起一次肌肉兴奋后迅速被胆碱酯酶破坏而终止作用，使下次神经冲动的效应不受影响。More about Neuromuscular junctions More about Neuromuscular junctions 量子式释放 (quantal release) Ca2+进入轴突末梢的量决定释放ACh的囊泡数目 终板电位 (endplate potential) 影响神经-肌接头传递的-因素影响神经-肌接头传递的-因素1. 影响ACh释放的因素：细胞外液低Ca2+或高Mg2+ → ACh释放↓ 2. 影响ACh与受体结合的因素：美洲箭毒、-银环蛇毒、三碘季铵酚 3. 胆碱酯酶抑制剂：有机磷农药、新斯的明、毒扁豆碱 4.终板膜上ACh门控通道的表达及其功能异常：重症肌无力null琥珀酰胆碱：与接头后膜胆碱能受体结合 → 终板膜持久去极化（琥珀酰胆碱不易被胆碱酯酶水解失活）→ 正常的神经冲动到达末梢並释放ACh时，不能产生新的终板电位→ 神经肌接头兴奋传递的阻滞。 （二）横纹肌的微细结构（二）横纹肌的微细结构 每条肌原纤维的全长呈规则的明、暗带交替排列。 暗带的长度比较固定，中央有一狭窄的较透明的H带，H带正中有一条M线。明带的长度可变，中央有一条暗线即Z线。1. 肌原纤维和肌节肌节与肌丝 （Sarcomere and filament)肌节与肌丝 （Sarcomere and filament) 肌节：相邻两Z线之间的区域，是肌肉收缩和舒张的最基本单位。在体骨骼肌安静时肌节长度约2.0～2.2μm。 肌原纤维由粗、细肌丝按一定规律排列而成。 暗带中含有粗肌丝（thick filament)，其长度与暗带相同，M线起着固定成束粗肌丝的作用。 细肌丝(thick filament)由Z线向两侧明带伸出，并伸入暗带，与粗肌丝规则地交错对插。Sliding filament theory of contractionResting lengthSliding filament theory of contractionDuring contractionDuring contractionZ lines move closer together Sarcomere shortens A band same length I band reduced H band reducedThick and thin filamentThick and thin filament2. 肌管系统(sarcotubular system)2. 肌管系统(sarcotubular system)横管(transverse tubule)或T管(T tubule)：将肌细胞膜其他部位传来的动作电位传导到肌细胞深部，有L型Ca2+通道。 纵管(longitudinal tubule)或L管(L tubule)：即肌质网(sarcoplasmic reticulum, SR)，相当于内质网。 纵行肌质网(longitudinal SR, LSR)：肌原纤维周围的SR，膜上有钙泵。 连接肌质网(junctional SR, JSR)：又称终池(terminal cisterna)，内有大量Ca2+结合蛋白(主要是钙扣压素)，可增加JSR内Ca2+贮存量。膜上有钙释放通道(calcium realease channel),又称ryanodine受体(ryanodine receptor)。 三联管结构(triad)： 兴奋-收缩耦联的结构基础 。（三）横纹肌收缩机制——肌丝滑行理论 1. 肌丝的分子组成（三）横纹肌收缩机制——肌丝滑行理论 1. 肌丝的分子组成（1） 粗肌丝 (thick filament)（1） 粗肌丝 (thick filament) 肌球蛋白(肌凝蛋白，myosin)组成 横桥 (cross bridge)：1. 可逆性与细肌丝结合，拖动细肌丝滑行；2.具有ATP酶活性。（2） 细肌丝 (thin filament)（2） 细肌丝 (thin filament) 三种蛋白质组成：肌动蛋白(肌纤蛋白，actin)、原肌球蛋白(原肌凝蛋白，tropomyosin)和肌钙蛋白(原宁蛋白，troponin）Relaxed stateRe