生理学课件之细胞膜的结构和功能

（二）几种主要的跨膜信号转导方式
1，G蛋白耦联受体(GPCR)介导的跨膜信号转导 鸟苷酸结合蛋白（G-蛋白）
guanine nucleotide-binding protein
R - G protein - AC (A) AC-cAMP-PKA
R - G protein - PDE (B) PDE-cGMP-channel
细胞静息电位主要由K+ 产生，接近(但略小于) 钾平衡电位(EK)，详见后一页
K+ 化电
细胞内高K+
膜内高K+、膜对K+通透 （对Na+几乎不通透）
K+外移 膜内负电、膜外正电
K+浓度势能差 =（阻碍K+ 外移的）电势能差，即膜 两侧电-化学势代数和为零
膜内外形成一稳定的电位 差，称为K+平衡电位
阈电位
局部电位
观察某离子通道的开关，即观察某离子的电导
如何通过实验研究上述内容？
经典的电压钳（或电压固定）实验 对带电离子来说，膜电导（电阻的倒数）就是 膜通透性的同义语。为了研究动作电位的产生 机制，即各种离子如何通过膜形成动作电位的 ，Hodgkin等设计了电压钳（voltage clamp)
终板电位
肌细胞 兴奋收缩
α亚基单位 为ACh结 合点
ACh
α
β
α γ
δ
α2βγδ五聚体梅花型通道
（2）电压门控通道 (voltage-gated channel)
跨膜电位改变
膜上某些通道蛋白的构型改
跨
变（通道的激活）
膜
通道的开放
信
号
跨膜离子流
转
新的电变化
（通道所在部位膜的特有
换 其他细胞内功能变化 （如肌细胞收缩）
物质由膜以某种方式提供了能量，逆电—化学势差 而跨膜移动。必伴能源物质（常常是ATP）的耗能。
电-化学势：物质浓度差和电场力所具有的势能，为 被动扩散的能量来源。
1. 原发性主动转运：
直接消耗ATP的，转运体介导的逆电-化学梯度转运 Na+、K+的主动转运研究得最充分，且重要：
2K+ 高K+（高 30倍）
通量—mol或mol数/秒•cm2
与观察平面两侧某物质的浓度差成正 比（如有多种物质存在，与其他物质 无关，但电解质受电场力影响）。
单纯扩散
细胞膜两侧的脂溶性溶质分子按扩散原理作跨膜运动 或转运。某一物质跨膜通量的大小由膜两侧该物的浓 度差、脂溶性的大小以及分子大小、所带电荷等决定
单纯扩散的实例：O2、CO2 、H2O、乙醇、尿素等
融合
囊泡的移动
由膜内外 特殊的化 学信号或 膜电位改 变，膜上 Ca2+ 通 道开放 Ca2+ 内 流触发。
实例：激素的分泌、神经递质的释放
2,入胞
• 吞噬(phagcytosis)：颗粒或固体； 主要发生在特殊细胞 中性粒细胞 单核-巨噬系统
• 吞饮(pinocytosis)：大分子、液体；发生在所有 细胞 液相入胞 小肠上皮细胞等活跃 受体介导入胞：如运铁蛋白，低密度脂蛋白
静息电位值：Nernst公式：
29.2℃时 EK = 59.5 lg K+ O (mv) K+ i
EK: K+平衡电位， K+ O 、 K+ i ：膜两侧K+浓度
二、动作电位（action pБайду номын сангаасtential）
（一）概念
细胞在膜两侧产生的特殊形式的电变化。 可兴奋细胞(神经细胞、肌肉细胞、部分腺细胞)在 受到刺激发生兴奋时，细胞膜在原有静息电位的基 础上发生一次迅速而短暂的电位倒转和复原。这种 电位波动可向周围扩布，称为动作电位，是各种可 兴奋细胞发生兴奋时所具有的特征性表现。
受体
衣被凹陷
附膜蛋白 内移
吞饮小泡 低pH
胞内体
再循环小泡
细胞膜可反 复循环使用
第二节 体内信息传递
一、体内细胞间信息传递
内、外环境变化
感受器
细胞间信息传递
电
化学
缝隙连接
缝
激神细
隙
素经胞
连
递因
接
质子
二、细胞的跨膜信号转导
（一）跨膜信号转导概念的提出 (transmembrane signaling)
Na+-K+泵（钠泵）
sodium-potassium pump
每分解1分子ATP
3Na+
高Na+（高12倍）
Na+泵活动的意义：
1、细胞内高K+是许多代谢反应的必需条件。 2、建立细胞内外的电-化学势能储备
（即膜外高Na+要进入细胞内，细胞内高K+ 要移出细胞），为神经、肌肉组织具有 兴奋性、产生生物电现象的基础。
结合位点
物质 高浓度
载体 变构
低浓度
特点：
1、载体蛋白有较高的 结构特异性。
2、饱和现象
3、竞争性抑制（两种 结构类似的物质间）
实例: 葡萄糖和氨基酸等入红细胞
2.经通道(channel)易化扩散
常与带电离子的跨膜转运有关。
离子
特异的通道蛋白质：
高浓度
Na+通道
水
相 通道
孔
K+通道（ 7种以上） Ca2+通道（3种以上）
跨膜电位改变）
电 通道构型改变的机制，以Na+通道的α亚单位为例：
第4个跨膜α螺旋带正电
电变化
4个结 构域
6个α螺旋 6个α螺旋
6个α螺旋
α螺旋位移
通道样结构 （0.3 × 0.5)nm
6个α螺旋
通道构型变化
（3）机械门控通道
机械刺激
跨
激活细胞膜中的
膜 信
机械门控通道 号
转
导 跨膜电位变化
例： 声波振动 耳蜗毛细胞 听毛受力
钙泵（Ca2+-Mg2+依赖式ATP酶）
存在于细胞膜和内(肌)质网膜上，激活许多生理 过程: 如兴奋-分泌(收缩)耦联、动作电位等
质子泵(H+, K+-ATPase; H+-ATPase)
存在于胃黏膜、肾小管
2.继发性主动转运
耗能但不直接消耗ATP（能量来自细胞外Na+的高势能 ）、逆浓度 (和/或电位) 梯度。在体内广泛存在。
阈电位
Na+的平衡电位
Na+通道很快失活 (inactivation)。 Na+通透性消失 K+通透性
高Na+
K+外流
低Na+
局部 高K+
局部电位
锋电位的形成
去极化达到阈电位水平
进一步加大Na+通道开放的机 率，形成正反馈，称为再生性
循环，形成动作电位陡峭的上
升支。
钠通道开放 、激活，Na+ 迅速内流
inositol triphosphate
二酰甘油
diacyl glycerol
2，酶耦联型受体介导的跨膜信号转导
举例：
化学刺激
细胞膜表面的酪氨酸激酶受体 (tyrosine kinase receptor， 激活后具有磷酸激酶活性）
膜内底物（的酪氨酸残基）磷酸化
细胞内效应
3，离子通道型受体介导的跨膜信号转导
各种化学分子（除少 数可进入细胞外）
靶细胞上 特异性受体
非化学刺激： 电、机械、电磁波
细胞
各种外界刺激
跨膜信号转导
种类非常多
transmembrane signal transduction
其途径为数不多 ，作用形式较类 似，涉及的膜蛋 白也为数不多。
细胞膜变化 或其他细胞 内功能变化
因不同的 细胞而异
激活机械门控通道 跨膜离子流
第三节 细胞的生物电活动
细胞的生物电现象
d=1mm
1939
膜学说：细胞生物电现象是由于某些带电离子在细胞膜两侧的 不均衡分布，以及膜对这些离子的通透性发生改变所造成的。
一、静息电位（resting potential）
（一）概念 指细胞未受刺激时存在于细胞膜内外两侧的电位差， 膜内较膜外为负，在大多数细胞是一种稳定的直流电 位，哺乳动物的肌肉和神经细胞为-70 ~ -90mv。
细胞
0 mv
-70 mv
复极化 超极化
去极化 静息电位
超极化
静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态 称为膜的极化 (polarization)
当静息电位的数值向膜内负值加大的方向变化时 ，称作膜的超极化 (hyperpolarization)
如果膜内电位向负值减少的方向变化，称作去 极化或除极 (depolarization)
超射
0
去极化
mV
阈电位 -70
局部电位
复极化
负后电位
(去极化后电位)
正后电位
(超极化后 电位)
动作电位上升支中零位线以上的部分，称为超射值 (overshoot) 。
动作电位在描记的图形上表现为一次短促而尖锐 的脉冲样变化，称锋电位 (spike potential)。
锋电位下降支最后恢复到静息电位水平以前，膜 两侧电位还要经历的微小、缓慢波动，称后电位 (after potential)，一般先有负后电位（去极化后电 位），再出现正后电位（超极化后电位）。
（1）化学 (配体，ligand) 门控通道 chemically gated channel
化学物质
细胞膜上特异 性通道蛋白
通道蛋白变 构而开放
相应的离子易化扩散
膜电位变化
以神经-肌接头乙酰胆碱（acetylcholine, ACh）介导的 信号转导为例：
N末梢 ACh
通道变构、开放
Na+内流
肌细胞膜（终板） （K+外流）
道
低浓度
顺电-化学梯度
通道的特点（与载体相比）：
1、结构和功能状态因理化因素迅速改变，开放时 离子极快速通过。
2、对离子的选择性没有载体蛋白严格。
3、开放时间十分短促，然后关闭。
4、形成跨膜电流（离子电流），并常引起细胞的 功能改变
外来信号
通道开放
细胞生物电（跨膜 电位）变化
跨膜物质转运
信号转导
（三）主动转运 (active transport)：
转运体 高Na+
钠泵
Na+
Na+
实例：肠或肾小管上 皮吸收葡萄糖、氨基 酸等；
Na+ - H+（逆向）交换
葡萄糖
Na+水平 葡萄糖水平
细胞外 细胞内 细胞间隙
（四）出胞(exocytosis) 和入胞(endocytosis)
大分子、物质团块（固态或液态）
1,出胞
粗面内 质网
排出（囊泡膜成为
细胞膜的一部分）
整合蛋白(integral protein) 占70%~80%
（三）细胞膜糖类
糖与膜脂质或蛋白质结合，多在膜的外面一侧。 可能成为抗原决定簇或受体的可识别部分
（特异性标志）。
二、细胞膜的物质转运
（一）单纯扩散 (simple diffusion)
扩散：高浓度区域中的溶质分子向低浓度区域 移动。（例：桂花香）
动作电位的特点
1. “全或无”(“all or none”)现象 阈下刺激：无AP 阈刺激或阈上刺激：引起AP的波形和波幅一致
2. 不衰减传导 传导至整个细胞的过程中，保持原有的波形和 波幅。
3. 脉冲式 连续刺激→多个AP，不发生融合
（二）动作电位的产生机制
钠通道开放 、激活，Na+ 迅速内流
OO-
CO CO
脂肪酸烃链：疏水非极性基团
脂质熔点较低，体温下呈液态
脂质小体 (Liposome)
膜兼有稳定性和流动性
例：吞噬细胞通过毛细血管内皮细胞 变形通过
吞噬细胞
血管腔
膜内外二层双分子层所含的脂质不同。
（二）细胞膜蛋白质
蛋白质以α-螺旋或球形结构分散镶嵌在双分子层中 表面蛋白
(peripheral protein) 占20%~30%
R - G protein - PLC (C) PLC-IP3-Ca2+-CaM PLC-DG-PKC
膜效应器酶
ATP 磷脂酰肌醇
受体蛋白 1
第二信使前体 腺苷酸
1
环化酶
磷脂酶C
β
α
γ
G-蛋白
3 2 第二信使
cAMP
(second messenger)
IP3 ，DG
离子通道
1
蛋白激酶 及其他
三磷酸酰肌醇
生理学
第二章 细胞的基本功能
细胞是人体和其他生物的基本结构单位
细胞生理学 的主要内容
①细胞膜和组成其他细胞器的 膜性结构的基本化学组成和 分子结构
②物质（或离子）的跨膜转运功能 ③跨膜信号转换功能 ④（以带电离子跨膜运动为基
础的）细胞生物电和有关现象 ⑤细胞膜电变化 肌细胞机械性收缩
第一节 细胞膜的物质转运功能
渗透是特殊形式的单纯扩 散：水(溶剂)、渗透压驱 动、逆(溶质)浓度梯度
被动，不消耗能量
（二）易化扩散： 不溶于脂质或溶解度小的物 (facilitated diffusion) 质在一些特殊膜蛋白分子的 协助下由膜的高浓度一侧向 低浓度侧移动。其动力同单 纯扩散一样，来自物质自身 的热运动。
1.经载体(carrier)易化扩散
细胞先发生去极化，然后再向正常安静时膜内所 处的负值恢复，称作复极化 (repolarization)
（二）静息电位的产生机制
1. 细胞内外离子存在浓度梯度: 细胞外高Na+, 细 胞内高K+
2. 静息时膜对各种离子有不同通透性 (K+ : Na+ = 50~100 : 1)
3. 钠泵的生电作用：每消耗1分子ATP, 转运出 3Na+, 转运入2K+，因出入电荷不对等, 使膜内 负电荷↑, 导致膜向超极化方向改变
一、细胞膜的分子结构
细胞膜
脂质双分子层：屏障作用
特殊蛋白质： 与物质、能量和信息的 跨膜转运和转换有关。
蛋白质
脂质双分子层 疏水性基团 亲水性基团 液态镶嵌模型（fluid mosaic model）
（一）脂质双分子层为骨架
碱基：亲水性基团
磷酸
磷脂：约占70%； 胆固醇：约占30%； 糖脂：少量