第2章-細(xì)胞基本功能

第二章

細(xì)胞的基本功能

細(xì)胞是構(gòu)成人體最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。它種類繁多，其分布、結(jié)構(gòu)和功能各異，但很多基本的功能活動是相同的。細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和

細(xì)胞膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運

—單純擴(kuò)散易化擴(kuò)散主動轉(zhuǎn)運出胞入胞細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞生物電

—靜息電位、動作電位肌細(xì)胞收縮功能

—興奮傳遞、興奮-縮耦聯(lián)、橫紋肌收縮第一節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能一、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)

以液態(tài)脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著功能各異的蛋白質(zhì)分子，并連有一些寡糖和多糖鏈。液態(tài)鑲嵌模型細(xì)胞膜（cellmembrane）把細(xì)胞內(nèi)容與外界分開，使細(xì)胞內(nèi)容物不致流失，又能保持其理化成分的相對穩(wěn)定，以維持細(xì)胞正常的生命活動。同時細(xì)胞的各種功能活動都與跨細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運密切相關(guān)，故細(xì)胞膜又具有半透膜的特性。磷脂≧70%膽固醇≦30%糖脂≦10%整合蛋白表面蛋白膜蛋白膜脂質(zhì)＊屏障作用＊保持細(xì)胞內(nèi)容物的相對穩(wěn)定

＊膜通道蛋白，載體蛋白，酶＊細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)、能量、信息交換。

＊作為膜蛋白受體識別部分＊參與免疫反應(yīng)和信息傳遞。

細(xì)胞膜化學(xué)組成及意義1.脂質(zhì)雙分子層：3.細(xì)胞膜糖類：糖蛋白，糖脂2.細(xì)胞膜蛋白質(zhì)：二、細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運

細(xì)胞為維持其正常的生命活動，很大程度上依賴于跨細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運，而細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層卻成為了天然屏障，對脂溶性的物質(zhì)和少數(shù)分子很小的水溶性物質(zhì)可以通過細(xì)胞膜，而大多數(shù)水溶性物質(zhì)和所有離子則不能直接通過細(xì)胞膜，要實現(xiàn)其跨膜轉(zhuǎn)運必須借助細(xì)胞膜上某些物質(zhì)的幫助才能完成，其中細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中具有特殊功能的蛋白質(zhì)起著關(guān)鍵性的作用。

單純擴(kuò)散

易化擴(kuò)散（通道轉(zhuǎn)運和載體轉(zhuǎn)運）

主動轉(zhuǎn)運（原發(fā)性和繼發(fā)性）

膜泡運輸（出胞和入胞）

跨細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運形式小分子物質(zhì)跨細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運形式1.定義：脂溶性的小分子物質(zhì)從高濃度一

側(cè)向低濃度一側(cè)移動的過程

(一)單純擴(kuò)散（simplediffusion）2.適用物質(zhì)：

脂溶性的和少許分子很小的水溶性物質(zhì)

（O2、CO2、N2、類固醇激素、尿素、乙

醇、甘油、水等）

3.特點：

⑴物理現(xiàn)象（分子熱運動的擴(kuò)散）

⑵順濃度梯度，不耗能（ATP）

⑶不需膜蛋白的幫助4.影響因素：擴(kuò)散通量

⑴濃度差（電、化學(xué)）—動力

⑵通透性—物質(zhì)通過細(xì)胞膜的難易程度，關(guān)聯(lián)著物質(zhì)的脂溶性和分子大小。

滲透(osmotic)

:水是分子很小的極性分子，可依據(jù)膜兩側(cè)的滲透壓差由滲透壓低的一側(cè)向滲透壓高的一側(cè)擴(kuò)散，此想象稱為滲透。非脂溶性的小分子物質(zhì)或離子在細(xì)胞膜上某些特殊蛋白質(zhì)的幫助下順濃度梯度和（或）電勢梯度進(jìn)行的跨膜轉(zhuǎn)運過程1、經(jīng)通道易化擴(kuò)散(二)易化擴(kuò)散（

facilitateddiffusion）

經(jīng)通道易化擴(kuò)散（facilitateddiffusionviaionchannel）是指各種帶電離子在通道蛋白（也稱離子通道）的介導(dǎo)下，順濃度梯度或電勢梯度進(jìn)行的被動跨膜轉(zhuǎn)運。（1）特點：

⑴順濃度梯度和電勢梯度，不耗能

⑵依賴膜上的通道蛋白的幫助完成

（通道蛋白貫穿細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層，中央

有親水性孔道）（2）適用物質(zhì)：離子（Na+K+Ca2+Cl-

等）其離子所對應(yīng)的通道分別為鈉通道、鉀通道、鈣通道和氯通道；還有非選擇性陽離子通道等。

（3）基本特性：

1）離子選擇性：是指每種通道只對一種或幾種離子有較高的通透性，而對其他離子的通透性很小或不通透。

如：a、鉀通道對K+的通透性＞Na+1000倍；b、運動終板膜上的N2型乙酰膽堿受體陽離子通道對Na+、

K+（小的陽離子）有高度通透，對Cl-則不通透

其選擇性取決于孔道口徑、內(nèi)壁的化學(xué)結(jié)構(gòu)和帶電狀況等因素。

化學(xué)門控通道(chemically-gatedchannel)

：化學(xué)物質(zhì)（配體）控制

電壓門控通道(voltage-gatedchannel)

：膜電位控制

機(jī)械門控通道(mechanically-gatedchannel)

：機(jī)械刺激控制

2）門控特性：通道的開放或關(guān)閉有門控性，

這取決于通道蛋白分子內(nèi)部的一些可移動結(jié)構(gòu)或化學(xué)基團(tuán)的構(gòu)象改變。＊親水性孔道

通道易被工具藥阻斷

Na+通道—河豚毒

K+通道—四乙基胺

Ca2+通道—異搏定（維拉帕米）有一些通道不具有門控性，如神經(jīng)纖維膜上的鉀漏通道等，這類通道被稱為非門控通道。2、經(jīng)載體易化擴(kuò)散（facilitateddiffusion

viacarrier）

是指水溶性的小分子物質(zhì)經(jīng)載體介導(dǎo)順濃度梯度或電勢梯度進(jìn)行的被動跨膜轉(zhuǎn)運。A、載體蛋白與被轉(zhuǎn)運物結(jié)合B、載體蛋白與被轉(zhuǎn)運物分離載體也稱轉(zhuǎn)運體，是介導(dǎo)多種水溶性小分子物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的另一類膜蛋白。膜蛋白轉(zhuǎn)運過程中還伴有載體構(gòu)象的變化結(jié)合—封閉變構(gòu)—解離基本特性：⑴結(jié)構(gòu)特異性：各種載體僅能識別和結(jié)合具有特定化學(xué)結(jié)構(gòu)的底物。⑵飽和現(xiàn)象（座位有限）

⑶競爭性抑制，取決于Km或底物濃度的大小最大擴(kuò)散速度米氏常數(shù)＊類型：

單向轉(zhuǎn)運。如葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運，需要葡萄糖轉(zhuǎn)運體（GLUT）或稱右旋葡萄糖載體。＊特點：

⑴順濃度梯度和電勢梯度，不耗能

⑵依賴膜上的載體蛋白的幫助完成

＊適用物質(zhì):水溶性小分子物質(zhì)：包括葡萄糖、氨基酸、核苷酸等ChannelproteinGK+經(jīng)載體易化擴(kuò)散單純擴(kuò)散或經(jīng)通道易化擴(kuò)散主動轉(zhuǎn)運：某些物質(zhì)在細(xì)胞膜上特殊膜蛋白（運載體）的幫助下，由細(xì)胞代謝供能而進(jìn)行的逆濃度梯度和（或）電勢梯度的跨膜轉(zhuǎn)運過程（三）主動轉(zhuǎn)運（activetransport）原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運

繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運根據(jù)膜蛋白是否

直接消耗ATP

定義：細(xì)胞直接利用分解ATP產(chǎn)生的能量（代謝產(chǎn)生的能量）將離子逆濃度梯度和（或）電勢梯度進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運的過程。

其介導(dǎo)的膜蛋白或運載體被稱為離子泵（ion-pump），離子泵的本質(zhì)是ATP酶。1、原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運

（primaryactivetransport）鈉-鉀泵(sodium-potassiumpump)

簡稱鈉泵，也稱Na+-K+-ATP酶，是一個由跨膜的α亞單位和糖蛋白構(gòu)成的β亞單位形成的分子量很大的特殊的膜蛋白?？赏ㄟ^Na+-K+-ATP酶的磷酸化和去磷酸化的循環(huán)過程而驅(qū)動Na+、K+的跨膜主動轉(zhuǎn)運。機(jī)體能量代謝中20~30%的能量用于鈉泵，甚至70%。*功能：

⑴具有ATP酶的活性，分解ATP

⑵對Na+、K+進(jìn)行跨膜的逆向轉(zhuǎn)運

*特點：

⑴逆濃度梯度和（或）電勢梯度，耗能；

⑵3Na+VS2K+

*特異性抑制劑：哇巴因[Na+]o＞[Na+]i10倍左右；[K+]i＞[K+]o30倍左右*意義：

⑴建立一種Na+勢能貯備，供細(xì)胞其他耗能過程利用，如繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運

⑵產(chǎn)生和維持細(xì)胞內(nèi)高K+、細(xì)胞外高Na+的狀態(tài)，是細(xì)胞產(chǎn)生生物電的基礎(chǔ)

⑶細(xì)胞內(nèi)高K+是胞質(zhì)內(nèi)許多代謝反應(yīng)所必需，如細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成

⑷維持細(xì)胞內(nèi)滲透壓和細(xì)胞容積（抽水）

⑸鈉泵具有生電性

鈣泵（calciumpump）也稱Ca2+-ATP酶，存在與質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌質(zhì)網(wǎng)膜上，可維持胞內(nèi)游離鈣濃度為10-7mol/L。這非常低的鈣濃度十分敏感，是觸發(fā)許多生理過程的關(guān)鍵。鈣泵2、繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運定義：物質(zhì)逆濃度或電勢梯度轉(zhuǎn)運的動力不直接來自ATP的分解，而來自原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運所形成的離子濃度梯度的勢能貯備所進(jìn)行的主動轉(zhuǎn)運過程。

（secondaryactivetransport）同向轉(zhuǎn)運體過程：

⑴Na+-K+泵在細(xì)胞膜外形成Na+的高勢能

⑵某物質(zhì)利用Na+的高勢能與Na+內(nèi)流相耦聯(lián)

從而逆濃度梯度進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運適用物質(zhì)：

⑴葡萄糖、氨基酸在小腸黏膜上皮細(xì)胞的吸收和在腎小管上皮細(xì)胞的重吸收等（同向）

⑵心肌細(xì)胞膜上Ca2+的轉(zhuǎn)運等（逆向）特點：

⑴Na+從胞外被動擴(kuò)散至胞內(nèi)釋放的能量用于另一種物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運

⑵依賴細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運體蛋白的幫助膜泡運輸（vesiculartransport）是指大分子和顆粒物質(zhì)由膜包圍形成囊泡，通過膜包裹、膜融合和膜離斷等一系列過程而完成的跨膜轉(zhuǎn)運。此過程需要耗能，所以是一主動轉(zhuǎn)運過程。（四）膜泡運輸

包括出胞入胞1.出胞（exocytosis）是指胞質(zhì)內(nèi)大分子物質(zhì)以分泌囊泡的形式排出細(xì)胞的過程。類型調(diào)節(jié)性出胞持續(xù)性出胞2、入胞（endocytosis）是指細(xì)胞外大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊借助細(xì)胞膜形成吞噬泡或吞飲泡的方式進(jìn)入細(xì)胞的過程。吞噬（固態(tài)）吞飲（液態(tài)）吞噬泡吞飲液相入胞（fluidphaseendocytosis）受體介導(dǎo)入胞（receptormediatedendocytosis）受體介導(dǎo)入胞：通過被轉(zhuǎn)運物與膜受體的特異性結(jié)合，選擇性地促進(jìn)被轉(zhuǎn)運物進(jìn)入細(xì)胞的過程。它關(guān)聯(lián)著許多大分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運，如：

運鐵蛋白低密度脂蛋白

VitB12轉(zhuǎn)運蛋白多種生長因子胰島素等3.適用物質(zhì)：大分子物質(zhì)

出胞：激素、神經(jīng)遞質(zhì)、酶的分泌

入胞：體內(nèi)細(xì)菌、異物的清除、藥物和大

分子營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及一些調(diào)節(jié)因

子等的跨膜轉(zhuǎn)運

4.特點：

⑴通過細(xì)胞自身的吞、吐活動進(jìn)行

⑵由細(xì)胞提供能量

特點方式總結(jié)第二節(jié)細(xì)胞的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)體為適應(yīng)內(nèi)、外環(huán)境的變化所完成的任何一種生命活動（機(jī)體生理功能的調(diào)節(jié)），都需要機(jī)體內(nèi)多種細(xì)胞的相互配合和相互協(xié)調(diào)，而完成此調(diào)節(jié)過程則有賴于細(xì)胞之間復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。一、概述1、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）是指生物學(xué)信息在細(xì)胞間或細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)換和傳遞，并產(chǎn)生生物效應(yīng)的過程。通常所講的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是指跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：外界信號細(xì)胞膜表面一種或幾種膜蛋白分子其構(gòu)象改變胞內(nèi)信號分子變化引起相應(yīng)的生物效應(yīng)2、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的意義

細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的本質(zhì)是細(xì)胞和分子水平的功能調(diào)節(jié)，它是機(jī)體生理功能調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，從微觀上闡明了機(jī)體為適應(yīng)內(nèi)、外環(huán)境的變化，機(jī)體內(nèi)各種功能細(xì)胞是如何通過復(fù)雜的信號交流來產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng)的。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的信號（signal）是指能在細(xì)胞間傳遞信息的生物學(xué)信號，大多是以各種類型的化學(xué)物質(zhì)作為載體的化學(xué)信號，如激素、神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子等。3、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要通路

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中能與信號分子特異性結(jié)合并發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的蛋白質(zhì)稱為受體(receptor)，包括膜受體和細(xì)胞內(nèi)受體。同時也將凡能與受體特異性結(jié)合的含有信號分子的活性物質(zhì)稱為配體。根據(jù)配體和所介導(dǎo)的受體的不同可將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分為以下兩類方式：⑴水溶性配體通過膜受體介導(dǎo)⑵脂溶性配體通過細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)離子通道型受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)酶聯(lián)型受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)招募型受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)核受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)水溶性配體通過

膜受體介導(dǎo)脂溶性配體通過

細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)

*

此類信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是由具有特異感受結(jié)構(gòu)的通道蛋白質(zhì)所完成的跨膜信號傳遞

*此類受體兼有受體和離子通道的功能，其激活后可引起離子的跨膜轉(zhuǎn)運，所以又稱為促離子型受體（ionotropicreceptor）（一）離子通道型受體（ionchannelreceptor）介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

二、膜受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)*

此類通道型受體具有化學(xué)門控性，受控于遞質(zhì)和激素等化學(xué)物質(zhì)，但大多與神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合，所以也稱為遞質(zhì)門控通道（transmittergatedchannel

）配體1、遞質(zhì)門控通道例：終板膜N2-型Ach受體陽離子通道信號分子＋細(xì)胞膜上離子通道蛋白（受體）

細(xì)胞膜上離子通道閘門開放

離子跨膜移動

跨膜電流

膜電位變化

細(xì)胞效應(yīng)2、電壓門控通道受跨膜電位控制，可認(rèn)為是接受電信號的“受體”通道蛋白。例1：鈉通道鈉通道4個結(jié)構(gòu)域形成通道例2：心肌細(xì)胞橫管膜上L-型鈣通道也是電壓門控通道+3、機(jī)械門控通道受機(jī)械性刺激控制，可認(rèn)為是接受機(jī)械信號的“受體”通道蛋白例：聽覺毛細(xì)胞的興奮（機(jī)械門控K+通道）和血管壁的牽張刺激所引起的血管的收縮（機(jī)械門控Ca++通道）。（二）G蛋白耦聯(lián)受體（Gprotein-linked

receptor）介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

由膜的特異性受體蛋白、G-蛋白和膜的效應(yīng)器等一系列信號蛋白質(zhì)分子的級聯(lián)式反應(yīng)所構(gòu)成的跨膜信號傳遞系統(tǒng)G蛋白等一系列信號蛋白質(zhì)分子之間的級聯(lián)式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程1、主要的信號蛋白和第二信使G蛋白耦聯(lián)受體及配體該受體分布于所有真核細(xì)胞，種類繁多，構(gòu)成細(xì)胞膜上最大的受體分子超家族，此類受體是通過G蛋白等一系列信號蛋白分子之間的級聯(lián)式信號傳遞來實現(xiàn)信號的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)的，所以稱為促代謝型受體（metabotropicreceptor）。其配體種類也多，包括NE、多巴胺、組胺、5-HT等生物胺，以及多肽和蛋白類激素等。G蛋白—鳥苷酸結(jié)合蛋白

G蛋白含三個亞基（α、β、γ），主要分為Gs、Gi、Gq和G12等類，每種類型又可分為若干亞類。G蛋白共同的特征是能與GTP和GDP結(jié)合，并具有GTP酶的活性G蛋白效應(yīng)器

是指G蛋白直接作用的靶標(biāo)，包括酶、離子通道和膜轉(zhuǎn)運蛋白等，主要的效應(yīng)器酶包括：腺苷酸環(huán)化酶（AC）、磷脂酶C（PLC）、磷酯酶A2（PLA2）、磷酸二酯酶（PDE）和鳥苷酸環(huán)化酶（GC）等；某些離子通道也可接受G蛋白的直接或間接調(diào)控第二信使（secondemessenger）是指激素、遞質(zhì)、細(xì)胞因子等信號分子作用于細(xì)胞膜后產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)信號分子。包括cAMP、IP3（三磷酸肌醇）、DG（二酰甘油）、cGMP和Ca2+等

第二信使學(xué)說

G蛋白-GDP第一信使+R

G蛋白-GTP效應(yīng)器酶

第二信使

cAMP——蛋白激酶ACa2+——蛋白激酶C依賴于第二信使的蛋白激酶及通道第一信使：激素、遞質(zhì)、細(xì)胞因子等細(xì)胞功能改變⑴受體-G蛋白-AC-cAMP-PKA通路2、主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路信號分子＋受體（促代謝性受體）激活G蛋白（Gs、Gi）

G蛋白效應(yīng)器酶（+AC-AC）環(huán)-磷酸腺苷（cAMPcAMP

）激活蛋白激酶（PKA）

底物蛋白磷酸化而發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)ATP⑵受體-G蛋白-PLC-IP3-Ca2+和DG-PKC通路信號分子＋受體（促代謝性受體）激活G蛋白（Gi、Gq）

G蛋白效應(yīng)器酶（+PLC）第二信使（IP3和DG

）肌質(zhì)網(wǎng)IP3受體PKC

肌質(zhì)網(wǎng)化學(xué)門控鈣釋放通道開放

胞質(zhì)中Ca2+濃度升高二磷酸磷脂酰肌醇（-）⑶Ca2+作為第二信使的作用：①與鈣調(diào)蛋白（CaM）結(jié)合參與平滑肌收縮②在血管內(nèi)皮細(xì)胞，Ca2++CaM可激活一氧化氮合酶，生成NO可激活GC而生成cGMP、再激活PKG、后者可介導(dǎo)血管舒張③在骨骼肌，Ca2+是興奮—收縮耦