生物體內(nèi)的信息傳遞

1、生命科學(xué)導(dǎo)論 第七講 生物體內(nèi)的信息傳遞 一、 信息傳遞是生命活動(dòng)的重要內(nèi)容 二、神經(jīng)系統(tǒng)在信息傳遞中的作用 三、激素系統(tǒng)和細(xì)胞信息傳遞 四、神經(jīng)、激素配合作用控制體內(nèi)穩(wěn)態(tài) 一、信息傳遞是生命活動(dòng)的重要 內(nèi)容 1、生命活動(dòng)中充滿著信息交流 生命活動(dòng)的基本內(nèi)涵是維持和 延續(xù)生命，包括：覓食、繁殖和躲 避危險(xiǎn)等環(huán)節(jié)。 信息交流 生命活動(dòng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都充滿著信 息的交流。 獵食者和獵物之間 雄性和雌性之間 同一種群個(gè)體之間 美洲獵豹 用撒尿 標(biāo)記 自己的領(lǐng)地 雄松雞向雌松雞做求偶表演 蚜蟲(chóng)接受警戒信號(hào)后逃避危險(xiǎn) 獵豹追趕狒狒 2、生物體內(nèi)部的信息協(xié)調(diào) 每個(gè)生物體都是信息發(fā)送源，又 是信息接受體。 信息

2、的發(fā)送包括： 光、 形體動(dòng)作、 聲、 氣味 等等 物理的 化學(xué)的 信息發(fā)送 信息接受 長(zhǎng)鼻蝙蝠靠發(fā)送超聲波, 折回后, 再接受, 來(lái)探路 章魚(yú)顯然看到了裝在玻瓶中的蝦 雄 蛾 的 觸 角 可 以 “嗅” 到 十 一 公 里 外 雌 蛾 發(fā) 出 的 氣 味 生物體不僅接受外界環(huán)境的信 息，用以調(diào)整內(nèi)部的代謝, 動(dòng)作與行 為，而且，生物體內(nèi)部組織器官之 間，亦不斷的發(fā)出和接受信息，以協(xié) 調(diào)整體的代謝狀態(tài)生命活動(dòng)。 這一講的主要內(nèi)容集中在 協(xié)調(diào)個(gè)體內(nèi)部的生物信息傳遞過(guò)程。 人 體 各 大 系 統(tǒng) 泌 尿 系 統(tǒng) 消 化 系 統(tǒng) 呼 吸 系 統(tǒng) 循 環(huán) 系 統(tǒng) 人體協(xié)調(diào)內(nèi)部的生物信息過(guò)程 主要涉及兩個(gè)

3、系統(tǒng)： 神經(jīng)系統(tǒng) 內(nèi)分泌系統(tǒng) 協(xié)調(diào)內(nèi)、外 主要協(xié)調(diào)內(nèi)部 哺乳動(dòng)物和其他較為低等的動(dòng) 物亦有這兩個(gè)系統(tǒng) 二、神經(jīng)系統(tǒng)在信息傳遞中的 作用 1、神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)生物體對(duì)外界的反應(yīng) （1）人體的一個(gè)簡(jiǎn)單的反應(yīng) 膝跳反射。 膝 跳 反 射 示 意 圖 膝跳反射實(shí)際上是兩個(gè)神經(jīng)細(xì) 胞分別聯(lián)系著 感受器（肌梭） 效應(yīng)器（橫紋?。?感受器和效應(yīng)器 （2）實(shí)際上，人的神經(jīng)活動(dòng)，都 會(huì)不同程度的受到腦的影響，所 以，在大多數(shù)情況下, 神經(jīng)細(xì)胞之 間聯(lián)系要比上述協(xié)調(diào)膝跳反射更 復(fù)雜一些。 三 種 神 經(jīng) 元 之 間 的 聯(lián) 系 （3）神經(jīng)系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)神經(jīng)傳導(dǎo)的 基本結(jié)構(gòu)和功能單位是神經(jīng)細(xì)胞， 即神經(jīng)元(Neuron)

4、。 另外，還有幾種神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞， 它們不擔(dān)負(fù)神經(jīng)傳導(dǎo)任務(wù)，主要是起 著幫助和支持神經(jīng)元的作用。 神經(jīng)元 神經(jīng)系統(tǒng) 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞 2、神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)神經(jīng)元的細(xì)胞 結(jié)構(gòu)很特別，由以下幾部分組成： （1）細(xì)胞體：含有細(xì)胞核的膨大部 分，還含有高爾基體、線粒體、尼氏體 等。 細(xì)胞體的表面膜有接受刺激功能。 神 經(jīng) 元 的 結(jié) 構(gòu) （2）樹(shù)突：短分支的突起。樹(shù)突的 功能是接受刺激，傳入刺激。 （3）軸突：每個(gè)神經(jīng)元，一般只有 一條軸突,。 軸突可以伸得很長(zhǎng)。所以，人的神經(jīng) 元可長(zhǎng)達(dá) 1 m，鯨的神經(jīng)元可長(zhǎng)達(dá) 10 m。 軸突外面常包著充滿磷脂的髓鞘。軸 突的主要功能是傳出神經(jīng)沖動(dòng)。 樹(shù)突 短而分支 無(wú)髓鞘

5、 接受和傳入刺激 軸突 長(zhǎng)/末端有分支 有髓鞘 傳出神經(jīng)沖動(dòng) （4）突觸：軸突的末梢有若干分 支，每個(gè)分支的末端膨大形成小球狀， 這是神經(jīng)元傳出神經(jīng)沖動(dòng)的終端; 通 常，在小球后面，緊緊靠著另一個(gè)神經(jīng) 元的樹(shù)突或細(xì)胞體，或緊緊靠著一個(gè)效 應(yīng)細(xì)胞（例如肌肉細(xì)胞或腺細(xì)胞）的細(xì) 胞膜。 突 觸 是 神 經(jīng) 細(xì) 胞 和 接 受 神 經(jīng) 信 號(hào) 的 細(xì) 胞 之 間 的 連 接 處 3、神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生和傳導(dǎo) （1）靜息電位 神經(jīng)元在靜息狀態(tài)時(shí)，即未接受 刺激，未發(fā)生神經(jīng)沖動(dòng)時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi) 積聚負(fù)電荷，細(xì)胞膜外積聚著正電 荷，膜內(nèi)外存在著70 mV 電位差。 靜 息 電 位 造成靜息電位的原因很多。其中一 個(gè)

6、主要原因是細(xì)胞膜上存在 Na+,K+ ATP 泵，這是一個(gè)具有 ATP 水解酶活性 的蛋白質(zhì)，每水解一個(gè) ATP 分子，可將 3 個(gè) Na+ 泵向膜外，同時(shí)將 2 個(gè) K+ 泵向 膜內(nèi)。 Na+, K+ ATP 泵 工 作 原 理 圖 （2）動(dòng)作電位 當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜 的透性急劇變化，大量正離子（主要 是 Na+）由膜外流向膜內(nèi)，使膜兩側(cè) 電位從 70 mV , 一下子跳到 +35mV，這就是動(dòng)作電位。動(dòng)作電位 的產(chǎn)生，意味神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生。 動(dòng) 作 電 位 坐 標(biāo) 圖 動(dòng)作電位的產(chǎn)生與傳播具有以下特 點(diǎn)： “全或無(wú)”：刺激強(qiáng)度不夠，不產(chǎn)生 動(dòng)作電位，刺激達(dá)到或超過(guò)有效強(qiáng)度 （閾值）

7、，動(dòng)作電位恒定為 +35 mV。 快速產(chǎn)生與傳播：動(dòng)作電位的產(chǎn)生 很快，大約僅需 1 ms 時(shí)間。 動(dòng)作電位一經(jīng)產(chǎn)生，很快從刺激點(diǎn) 向兩側(cè)傳播，傳播速度可達(dá) 100 m/S。 動(dòng) 作 電 位 的 傳 播 不應(yīng)期： 產(chǎn)生動(dòng)作電位需 再加上恢復(fù)到原來(lái)靜息電位狀態(tài) 1 ms 35ms 所以在一個(gè)刺激作用后， 直至恢復(fù)到靜息電位狀態(tài)，總共 46ms 這段時(shí)間內(nèi)，神經(jīng)細(xì)胞對(duì)新的刺激無(wú)反應(yīng)，稱 為不應(yīng)期。 （3）神經(jīng)沖動(dòng)在突觸的傳導(dǎo) 神經(jīng)沖動(dòng)沿著軸突, 基本上都是按 照引起鄰段發(fā)生動(dòng)作電位方式向遠(yuǎn)端傳 播，到了突觸的地方，如何跨越兩層細(xì) 胞膜之間的空隙，傳向后一個(gè)細(xì)胞? 跨越細(xì)胞間隙傳導(dǎo)神經(jīng)沖動(dòng)的 兩種方

8、式： 電突觸化學(xué)突觸 間隙 傳導(dǎo) 逆向 2 nm 電位 可以 20 nm 神經(jīng)遞質(zhì) 不可以 仍以引起后面的細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電 位方式，使神經(jīng)沖動(dòng)傳播下去，這種 情況下的突觸稱為電突觸。電突觸的 前后兩層細(xì)胞膜之間間隙甚小，不足 2nm。 電突觸常見(jiàn)于低等動(dòng)物如：蚯蚓、 蝦、海參等。 神經(jīng)元在突觸處釋放化學(xué)物質(zhì)， 稱為神經(jīng)遞質(zhì)。突觸后細(xì)胞的細(xì)胞膜 上有特殊受體，與神經(jīng)遞質(zhì)特異結(jié)合 而使神經(jīng)沖動(dòng)的信號(hào)傳播下去。這種 情況下的突觸稱為化學(xué)突觸。 突 觸 是 神 經(jīng) 細(xì) 胞 和 接 受 神 經(jīng) 信 號(hào) 的 細(xì) 胞 之 間 的 連 接 處 化學(xué)突觸的前后兩層細(xì)胞膜之 間間隙較大，約 20 nm。 化學(xué)突觸常

9、見(jiàn)于高等動(dòng)物，如： 脊椎動(dòng)物，人體。 （4）神經(jīng)遞質(zhì)及其效應(yīng) 1921 年德國(guó)科學(xué)家通過(guò)一個(gè)巧妙 的實(shí)驗(yàn)第一次證實(shí)神經(jīng)遞質(zhì)的存在。 又經(jīng)過(guò) 12年，到 1933 年由英國(guó)科學(xué) 家Henry H. Dale 證實(shí)，這個(gè)化學(xué)物質(zhì) 是乙膽堿。兩人因此項(xiàng)工作獲 1936年 諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。 證 明 存 在 神 經(jīng) 遞 質(zhì) 的 實(shí) 驗(yàn) 第一個(gè)蛙心臟的迷走神經(jīng)產(chǎn)物 使第二個(gè)蛙心臟搏動(dòng)減弱 迄今已發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)遞質(zhì)已有十幾 種，大多數(shù)是一些有機(jī)小分子。還發(fā) 現(xiàn)一些小肽類物質(zhì)，作用于神經(jīng)細(xì) 胞，調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)的感受 性，稱為神經(jīng)調(diào)節(jié)物。 神經(jīng)調(diào)節(jié)物 neuromodulates 內(nèi)啡肽 類啡肽 等等

10、神經(jīng)遞質(zhì) neurotransmitters 乙酰膽堿 正腎上腺素 氨基丁酸 5羥色胺 神經(jīng)遞質(zhì)由突觸前細(xì)胞釋放，通 過(guò)受體作用于突觸后細(xì)胞，引起突觸 后細(xì)胞的反應(yīng)。 若 突 觸 后 細(xì) 胞 是 神 經(jīng) 細(xì) 胞 神 經(jīng) 遞 質(zhì) 與 受 體 結(jié) 合 可 改 變 電 位 神經(jīng)遞質(zhì)受體 直接/間接打開(kāi)離子 通道,改變膜電位 神經(jīng)遞質(zhì)+受體 產(chǎn)生第二信使,改變 胞內(nèi)代謝 引起收縮 排放等 突 觸 后 細(xì) 胞 是 肌 細(xì) 胞 或 腺 細(xì) 胞 同 一 神 經(jīng) 遞 質(zhì) 可 引 起 不 同 反 應(yīng) （5）一個(gè)神經(jīng)元就是一個(gè)整合器 隨時(shí)接受成百上千個(gè)信息， 進(jìn)行加工， 作出決定：興奮/抑制。 隨時(shí)輸出大量信息至

11、不同細(xì)胞。 中樞神經(jīng)系統(tǒng)(腦 脊髓)在信 息加工中起關(guān)鍵作用。 人體神經(jīng)細(xì)胞體 90 在腦/脊髓中 10 在外周神經(jīng)節(jié) 三、激素系統(tǒng)和細(xì)胞信息傳遞 1、內(nèi)分泌，旁分泌和自分泌 激素系統(tǒng)的主要功能是保持生 物體個(gè)體內(nèi)部的協(xié)調(diào)運(yùn)作。 激素系統(tǒng)原來(lái)一直稱為內(nèi)分泌系 統(tǒng)。人有各種內(nèi)分泌系腺，“激素是 由內(nèi)分泌腺分泌的有機(jī)分子，由血循 環(huán)帶至身體各部分，作用于特定的靶 細(xì)胞，只需很低濃度即可引起靶細(xì)胞 給出獨(dú)特的反應(yīng)”。 松果腺 下丘腦 腦下垂體 甲狀腺 腎上腺（髓 質(zhì)、皮質(zhì)） 胰腺 （蘭氏小島） （卵巢） 睪丸 甲狀旁腺 胸腺 生 長(zhǎng) 激 素 異 常 巨 人 和 侏 儒 生 長(zhǎng) 激 素 異 常 肢 端

12、 肥 大 癥 埃及金字塔 上的浮雕顯 示，公元前 1379 1362 年統(tǒng)治埃及 的法老可能 患有肢端肥 大癥。 激素特征： 來(lái)源由內(nèi)分泌腺分泌 傳播無(wú)特定管道，隨血流傳布 作用特定靶細(xì)胞 效應(yīng)低濃度、強(qiáng)效應(yīng) 后來(lái)發(fā)現(xiàn)，不僅專門的內(nèi)分泌 腺，人體許多細(xì)胞都有分泌激素的功 能。例如，哺乳類的幾乎所有細(xì)胞都 能分泌前列腺素，前列腺素能引起平 滑肌收縮，血小板聚集，炎癥反應(yīng)等 多種生理效應(yīng)。 前體 阿司匹靈 前列腺素 炎癥發(fā)熱 疼痛 還有一些細(xì)胞分泌激素，可作用 于自身。這樣，從分泌細(xì)胞調(diào)節(jié)目標(biāo) 的角度來(lái)看，不僅有內(nèi)分泌，還有旁 分泌和自分泌。這些細(xì)胞調(diào)節(jié)物統(tǒng)稱 為激素。 內(nèi)分泌旁分泌 2、激素-兩

13、類信號(hào)分子 激素在體內(nèi)的生理作用，主要是 調(diào)節(jié)細(xì)胞的代謝和行為。激素在濃度 很低的情況下，就能起很強(qiáng)的調(diào)節(jié)作 用，使靶細(xì)胞發(fā)生明顯的變化。所 以，通常把激素稱為信號(hào)分子。有時(shí) 候，神經(jīng)遞質(zhì)也被稱為信號(hào)分子。 血流中一般 激素的濃度 10-8 M 突觸間隙 乙酰膽堿 5 10-4 M 按分子性質(zhì)可以把激素分為兩大類： 脂溶性激素 性激素 (固醇類) 腎上腺皮質(zhì)激素 甲狀腺素 水溶性激素 胰島素 (肽類) 腎上腺素 (氨基酸衍生物) 睪酮 胰 島 素 由 A 鏈 和 B 鏈 組 成 3、受體專一結(jié)合信號(hào)分子 的蛋白質(zhì) 激素能夠特異地作用于靶細(xì)胞，因 為靶細(xì)胞有專一結(jié)合某種激素的受體。 這種激素受體

14、復(fù)合物的形成是靶 細(xì)胞接受激素信號(hào)，作出一系列反應(yīng)的 開(kāi)端。 生 長(zhǎng) 激 素 結(jié) 合 兩 個(gè) 受 體 分 子 4、脂溶性激素的信號(hào)傳遞途徑 固醇類激素的受體在細(xì)胞質(zhì)中/細(xì) 胞核內(nèi)。固醇類激素直接進(jìn)入細(xì)胞， 和受體結(jié)合，受體活化后，能結(jié)合到 DNA 的特定位置，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。 固醇類激素的受體又被稱為轉(zhuǎn)錄 調(diào)節(jié)因子。 固 醇 類 激 素 信 號(hào) 途 徑 5、水溶性激素的信號(hào)傳遞途徑 腎上腺素與位于細(xì)胞膜上的受體 相結(jié)合?；罨蟮氖荏w推動(dòng)腺苷酸環(huán) 化酶的活化，在該酶的催化下，產(chǎn)生 出環(huán)狀腺苷酸 cAMP。 cAMP 再繼續(xù)推動(dòng)后面許多反 應(yīng)，使細(xì)胞出現(xiàn)總效應(yīng)，最后使血糖 上升。 水 溶 性 激 素

15、 信 號(hào) 途 徑 cAMP 的 產(chǎn) 生 （1）cAMP 被稱為第二信使 后來(lái)，c GMP 、Ca2+ 等陸續(xù)被發(fā) 現(xiàn)在細(xì)胞信號(hào)傳遞中，起第二信使作 用。通過(guò)第二信使，推動(dòng)后續(xù)多步反 應(yīng)。 由第二信使推動(dòng)的多步反應(yīng)，還具 有使激素效應(yīng)放大的作用。 第二信使的基本特征： 能夠推動(dòng)后續(xù)反應(yīng)。 濃度一度升高后，能很快恢復(fù)，準(zhǔn) 備應(yīng)付后一個(gè)刺激。 在激素作用下，胞內(nèi)最早反映出 濃度變化。 鈣調(diào)蛋白結(jié)合 Ca 2+ 后活化起來(lái)，進(jìn) 而調(diào)節(jié)另一個(gè)酶。 通過(guò)第二信 使， 推動(dòng)后續(xù)多 步反應(yīng)， 還具有使激 素效應(yīng)放大 的作用。 （2）受體蛋白質(zhì)磷酸化也可以是信號(hào) 傳遞的開(kāi)端。 胰島素和一些生長(zhǎng)因子與它們相應(yīng) 的受體結(jié)合，引起的第一步反應(yīng)是使受 體蛋白質(zhì)本身磷酸化磷酸結(jié)合在受 體蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基上。 生 長(zhǎng) 因 子 受 體 磷 酸 化 是 信 號(hào) 傳 遞 的 開(kāi) 端 由磷酸化的受體，推動(dòng)后面一 步步反應(yīng)，使信號(hào)通過(guò)一個(gè)個(gè)蛋白 質(zhì)傳下去，直至活化能調(diào)節(jié)