1、第二章 细胞的基本功能 2.1 细胞膜的物质转运功能细胞膜的物质转运功能 几种跨膜物质转运 transport across cell membrane 方式 Passive transport Active transport simple diffusion facilitated diffusion carrier mediated diffusion channel mediated diffusion Primary active transport Secondary active transport Na+-K+pump H+pump Ca2+Pump 对于不带电荷的分子，影响其
2、跨膜移动的力是concentration gradient，对于带电的离子，除了concentration gradient 外还有electrical gradient。二者的综合作用称有electrochemical gradient,or electrochemical potential,产生作用力称 electrochemical driving force。A molecule or ion that crosses the membrane by moving down a concentration or electrochemical gradient and without
3、 expenditure of metabolic energy is said to be transported passively 2.1.1 被动转运被动转运 passive transport simple diffusion 能溶于水的脂溶性物质如 CO2，O2 等,类固醇激素等 facilitated diffusion 一些不溶于脂质的物质在膜蛋白的帮助下，顺着concentration and electrical gradient 跨过 cell membrane.carrier mediated diffusion channel mediated diffusion c
4、arrier mediated diffusion 较小的有机分子如glucose,amino acid通过这种方式跨过细胞膜。载体是膜蛋白，目前研究比较清楚的是转运glucose的载体。这种transport 方式的特点 （1）载体与被 转运的物质之间有高度的结构特异性，如右旋 glucose的转动速度比左旋的要快得多，木糖（C6）几乎不能被转运。（2）有竞争性抑制现象，如在环境中加入半乳糖galactose会使glucose 的transport 减少。（3）有饱和现象（与enzyme 相似）channel mediated diffusion 如 Na+、K、Ca+等，速度极快，107
5、个离子秒通道，carrier 转运glucose大约104，Na+-K+pump 大约5*102 离子通道 ion channel 是细胞膜上的protein,都是内在蛋白，molecular weight 25000-250000,有的是单体有的是多聚体，如果是一条肽链，则要反复穿膜多次，形成一个中空的结构，channel 壁的外侧是蛋白质的疏水区域，与膜的膜质双层结合，而channel内侧壁是亲水区域，允许水在其中，因此离子可以快速通过。细胞膜上除有离子通道外还有水通道 通道的分子结构模式图 ion channel 可以开放也可以关闭，这两种状态间的转换只需1 ms。ion channel
6、 也有一定的选择性,某一种通道允许某种离子通过，但专一性不如 carrier 高。Ion channel 根据开关的原理不同分为三类：电压门控通道 votage gated ion channel,化学门控通道 chemically gated ion channel,机械门控通道 mechanically gated ion channel 2.1.2 Active transport Solute moves uphill against a concentration or electrochamical gradient.The enegy to move the substance
7、uphill is derived from a metabolic reaction,usually from the hydrolysis of ATP.由ATP 直接供能的称原发性主动转运 primary active,由ATP间接供能的称继发性主动转运 secondary active。(1)Primary active transport 目前研究得比较清楚的是Na+-K+ATPase(Na+-K+pump)Na泵的意义：Na pump 广泛存在于身体的各种细胞的质膜上，消耗的能量占人体总能耗的14。如此大的能量消耗究竟有何生理意义呢？现在认为主要有三点，胞内的高K是许多代谢反应进行
8、的必要条件 如果胞外的Na+大量进入胞内，由于渗透压的关系，水也会大量进入，必然导致细胞结构的破坏 最重要的是它能建立一种势能储备，这是可兴奋细胞兴奋性的基础，也可供细胞的其它耗能过程使用。钙泵钙泵 也称Ca2+-ATP酶，是广泛分布于细胞膜，肌浆网或内质网上的ATP酶。由一条肽链构成。真核细胞胞浆中游离的Ca2+浓度通常都保持在0.10.2m水平，而细胞外的浓度则高10000倍以上，如此大的浓度梯度是通过多种机制得维持的，钙泵是其中之一，主要在胞浆内Ca2+浓度较低时发挥作用，实现持续、精细的调节 质子泵质子泵 位于胃腺壁细胞和肾小管上皮细胞膜上（2）Secondary active tra
9、nsport 也称cotransport 联合转运、共转运）Na+-葡萄糖同向转运体 小肠上皮，肾小管上皮细胞吸收Glc时，Glc逆浓度差跨膜移动，能量来自于Na泵建立起来的Na+浓度差的势能。Na+-Ca2+交换体 是一个938个氨基酸构成的、包含11个疏水性跨膜片段的蛋白质，是一个细胞膜上的逆向转运系统。在大多数组织细胞，以3个Na+内入Ca2+外排的化学计量进行活动。2.1.3 exocytosis and endocytosis 2.2 Signal transduction of cells 多细胞生物的生命活动有赖于细胞之间的相互协调和配合。因此，细胞间的通讯就显得特别重要。细胞浸
10、浴在有enternal environment 当中，出现在enternal environment 中的各种化学分子是它们最常感受到的刺激或信息，如hormone,transmitter(递质），cytokine（细胞因子）等。有的细胞也可以接受物理信号，如电、光、机械等。Chemical signal Ligand Cell Surface Receptor Types:1)ion channel receptor 2)G-Protein Coupled Receptor 3)Enzyme-linked Receptor 2.2.1 Signal Transduction mediated
11、 by ion channel receptor chemically gated ion channel votage gated ion channel mechanically gated ion channel Ion channel receptor Usually not referred as receptor Ion channel ion channel receptor介导的信号转导的特点是路径简单，速度快，从递质与受体结合到到产生电效应的时间仅约0.5ms.这类受体存在于突触和 nerve末梢效应器的细胞膜上。至少已发现有5类 acetylcholine receptor
12、-channel 5-HT-3 receptor-channel GABAA receptor-channel Gly receptor-channel Glu receptor-channel 目前研究最清楚的是acetylcholine receptor-channel，MW 270 000，由5个亚基组成2、，每个亚单位都有4个2025个疏水氨基酸组成的螺旋，穿膜4次，都以第二个螺旋（M2）向内构成channel 的内壁，M2带负电，所经此通道可以通过正离子，如Na+、K。这种receptor-channel 系统的信息传递方式是快突触传递的原理。Signal Transduction
13、mediated by ion channel receptor 2.2.2 G-Protein Coupled Receptor 2.2.3 Enzyme-linked Receptor 生物电（bioelectricity）是一种极普遍的生理现象，是活组织的基本特征之一，广泛存在于各种动物甚至植物的生理活动中。人们注意到生物电现象 bioelectrical phenomenon 最早是从电鱼击人 开始的。2.3 细胞的电活动 生物电现象的观察和记录方法 生物电可用灵敏电流计、放大器和示波器以及计算机控制的采集处理系统进行测量。细胞外记录细胞外记录 2个记录电极均在细胞外，通常使用金属电极
14、，记录多个细胞电活动造成的综合电信号。如心电图，脑电图，神经干的双相动作电位等 细胞内记录细胞内记录 1个记录电极在细胞内，另1个在细胞外，细胞电极通常是玻璃微电极，尖端直径可达到1 m以下，内充导电溶液（KCl），可记录单个细胞的电活动。细胞内记录 2.3.1 膜的被动电学特性和电紧张电位 膜电容和膜电阻膜电容和膜电阻 细胞膜脂质双层的绝缘层把含有电解质的细胞内液和细胞外液分隔开，其形式类似于一个平行板电容器。膜电容membrane capacitancekpsitns：约为1F/cm2 膜电阻membrane resistance：单纯的脂质双层几乎是绝缘的，其电阻高达106109，但生物
15、膜的电阻要小的多，只有103 左右。这主要是由于生物膜的脂质双层中嵌入了许多离子通道和转运体。膜电阻通常用它的倒数膜电导membrane conductance G来表示 由于质膜兼有电容和电阻特性，因此可用并联的阻容耦合电路来描述它的电学特性。电紧张电位电紧张电位electrotonic potential 随着距离逐渐衰减的跨膜电流引起的膜电位变化电位变化称作电紧张电位，其空间分布是由膜的被动电学特性所决定的。电紧张电位如果幅度较小，一般也不会引起膜自身所包含的离子通道的激活和膜电导的变化。如果幅度较大呢？在细胞水平上生物电表现为静息电位和动作电位 静息电位静息电位(Resting pot
16、ential,RP)(Resting potential,RP)的记录和数值的记录和数值：静息电位是指细胞未受到刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差。Potential difference exists across every cells plasma membrane.Cytoplasm side is negative pole,and extracellular fluid side is positive pole.内负外正状态称为极化polarized 2.3.22.3.2 细胞的静息电位及其产生机制细胞的静息电位及其产生机制 静息电位的数值(近似值,规定细胞外电势为O）枪乌贼巨大神经轴突、蛙骨骼肌细胞-50 -70mV、哺乳动物骨骼肌细胞-90mV 哺乳动物神经细胞-70mV；哺乳动物平滑肌-55mV 人的红细胞-10mV RP产生的机制产生的机制 离子的跨膜势能差取决于其跨膜浓度差和电位差 红色箭头表示电梯度，黄色箭头表示浓度梯度 综合考虑浓度差和电位差对离子运动的作用，得到一个值称电化学势能差电化学势能差 electrochemical potential diffe