第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能一、細(xì)胞膜的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜也稱質(zhì)膜,是細(xì)胞內(nèi)容物與周圍環(huán)境之間的屏障,厚7~8nm。它是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的半透膜。細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)各種細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)及其化學(xué)組成是基本相同的,主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)及少量的糖類物質(zhì)組成。(一)細(xì)胞膜的脂質(zhì)細(xì)胞膜的脂質(zhì)主要由磷脂、膽固醇和少量糖脂組成,在大多數(shù)細(xì)胞膜的脂質(zhì)中,磷脂占總量的70%以上,膽固醇不超過30%,糖脂不超過10%。磷脂是一類含有磷酸的脂類。磷脂中含量最多的是磷脂酰膽堿,其次是磷脂酰絲氨酸和磷脂酰乙醇胺,含量最少的是磷脂酰甘油和磷脂酰肌醇。下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(二)細(xì)胞膜的蛋白細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)中含有蛋白質(zhì),細(xì)胞膜的主要功能都是通過膜蛋白來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)它們在細(xì)胞膜上存在的形式,又可分為表面蛋白和整合蛋白。表面蛋白占膜蛋白的20%~30%,通過肽鏈中帶電氨基酸與脂質(zhì)的極性基團(tuán)以靜電引力相結(jié)合,或以離子鍵與膜中的整合蛋白相結(jié)合,但其結(jié)合力較弱。其主要附著于細(xì)胞膜的內(nèi)表面。整合蛋白占膜蛋白的70%~80%,是以其肽鏈一次或反復(fù)多次穿越脂質(zhì)雙層為特征的。這些肽段之間的親水性肽段則構(gòu)成胞外環(huán)或胞內(nèi)環(huán),分別與細(xì)胞外液或細(xì)胞內(nèi)液相接觸。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(三)細(xì)胞膜糖類細(xì)胞膜所含糖類較少,主要是一些寡糖和多糖,它們以共價鍵的形式和膜內(nèi)脂質(zhì)或蛋白質(zhì)結(jié)合,形成糖脂或糖蛋白。結(jié)合在脂質(zhì)或蛋白質(zhì)分子上的糖鏈,存在于細(xì)胞膜的外表面,可作為一種分子標(biāo)記發(fā)揮受體或抗原的作用。二、細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能質(zhì)膜是細(xì)胞與周圍環(huán)境之間的天然屏障,各種離子和水溶性分子都很難穿越細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層的疏水區(qū),從而使細(xì)胞質(zhì)中溶質(zhì)的成分和濃度與細(xì)胞外液顯著不同。質(zhì)膜不僅在維持細(xì)胞正常的代謝活動中起重要的屏障作用,而在實(shí)現(xiàn)膜內(nèi)外的物質(zhì)交換中也起著重要的作用,細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換都必須通過細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)。細(xì)胞膜對物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的主要方式有以下幾種。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(一)單純擴(kuò)散1.單純擴(kuò)散是指一些脂溶性小分子物質(zhì),由細(xì)胞膜的高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)移動的過程。其是一種簡單的物理擴(kuò)散,沒有生物學(xué)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制參加,不需要代謝耗能,如圖2-1所示。2.影響單純擴(kuò)散的主要因素有兩個:(1)細(xì)胞膜兩側(cè)的溶質(zhì)分子濃度梯度。擴(kuò)散的方向和速度取決于物質(zhì)在細(xì)胞膜兩側(cè)的濃度差,濃度梯度大,物質(zhì)順濃度梯度擴(kuò)散就多;濃度梯度消失,擴(kuò)散停止。(2)細(xì)胞膜對該物質(zhì)的通透性。通透性是指物質(zhì)通過細(xì)胞膜時所遇到的阻力大小或難易程度。如阻力小,容易通過,則通透性大;如阻力大,難通過,則通透性小。各種物質(zhì)的通透性取決于它們的脂溶性、分子大小和帶電情況。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(3)物質(zhì)所在溶質(zhì)的溫度。溫度越高,細(xì)胞膜的有效面積越大,轉(zhuǎn)運(yùn)速率越高。(二)易化擴(kuò)散1.易化擴(kuò)散是指一些水溶性小分子物質(zhì)和帶電離子,依靠細(xì)胞膜上鑲嵌于脂質(zhì)雙分子層中特殊蛋白質(zhì)的介導(dǎo),順濃度梯度或電位梯度擴(kuò)散的過程。它可使本來不能或極難進(jìn)行的跨膜擴(kuò)散變得容易,故稱為易化擴(kuò)散。目前認(rèn)為,參與易化擴(kuò)散的膜蛋白有兩種類型:一種是載體蛋白質(zhì),簡稱為載體;另一種是通道蛋白質(zhì),簡稱為通道。2.易化擴(kuò)散的分類:(1)經(jīng)載體轉(zhuǎn)運(yùn)的易化擴(kuò)散。水溶性小分子物質(zhì),經(jīng)載體蛋白的介導(dǎo),順濃度梯度的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)稱為經(jīng)載體轉(zhuǎn)運(yùn)的易化擴(kuò)散。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能過程:在細(xì)胞膜溶質(zhì)濃度較高的一側(cè),載體與被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)結(jié)合后,載體蛋白本身發(fā)生變構(gòu)作用,并在溶質(zhì)濃度較低的一側(cè)解離出溶質(zhì),從而將該物質(zhì)運(yùn)往細(xì)胞膜的另一側(cè),如圖2-2所示。特點(diǎn):①載體與溶質(zhì)的結(jié)合,具有化學(xué)結(jié)構(gòu)特異性,即一種載體只能轉(zhuǎn)運(yùn)某一物質(zhì),如葡萄糖載體只能轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖,氨基酸載體只能轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸。②飽和現(xiàn)象,因?yàn)榧?xì)胞膜上載體的數(shù)目有限,在單位時間內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量不能超過某一數(shù)值,當(dāng)被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)增加到一定限度時,轉(zhuǎn)運(yùn)量就不再增加。③競爭性抑制,化學(xué)結(jié)構(gòu)近似的物質(zhì)可爭奪占有同一種載體,也就是一種物質(zhì)的存在將減弱細(xì)胞膜對另一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。④轉(zhuǎn)運(yùn)的方向始終是順濃度梯度的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(2)經(jīng)通道轉(zhuǎn)運(yùn)的易化擴(kuò)散。溶液中的Na+、K+、Ca2+、Cl-等帶電離子,借助通道蛋白的介導(dǎo),順濃度梯度或電位梯度的跨膜擴(kuò)散稱為經(jīng)通道轉(zhuǎn)運(yùn)的易化擴(kuò)散。過程:通道轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的過程是,在細(xì)胞膜兩側(cè)電位差或某種化學(xué)物質(zhì)的作用下,通道蛋白分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,使分子內(nèi)部形成“孔道”(通道開放),被轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)順濃度梯度或電位梯度通過細(xì)胞膜。通道關(guān)閉時,該物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)就停止,如圖2-3所示。特點(diǎn):通道轉(zhuǎn)運(yùn)有明顯的離子選擇性。每種通道都對一種或幾種離子有較大的通透性,而使其他離子不易或不能通過,因而通道可分為Na+通道、K+通道和Ca2+通道等。當(dāng)某種離子通道關(guān)閉時,即使細(xì)胞膜兩側(cè)存在某種離子的濃度梯度,該離子也不能通過。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能影響通道開閉的因素:①電壓門控通道。通道的開、閉受膜兩側(cè)電位控制的離子通道,稱為電壓門控通道。通道的開閉主要由電位差所決定,即細(xì)胞膜兩側(cè)的電位差變化到某一數(shù)值時,通道開放。屬于此類通道的有神經(jīng)、肌肉、腺體細(xì)胞膜上的離子通道。②化學(xué)門控通道。由某些化學(xué)物質(zhì)控制其開閉的通道稱為化學(xué)門控通道。通道的開閉主要由化學(xué)物質(zhì)決定,即通道蛋白與某一化學(xué)物質(zhì)相結(jié)合時,通道開放;在與該化學(xué)物質(zhì)脫離時,通道關(guān)閉。屬于此類通道的有突觸后膜和運(yùn)動終板上的通道。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(三)主動轉(zhuǎn)運(yùn)主動轉(zhuǎn)運(yùn)也稱為原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn),是指物質(zhì)依靠細(xì)胞膜上“泵蛋白”的作用,逆濃度梯度或電位梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中,細(xì)胞膜或細(xì)胞要消耗能量。泵蛋白是細(xì)胞膜上一種不同于載體或通道的特殊蛋白質(zhì),稱為離子泵。這種泵蛋白具有三磷酸腺苷(ATP)酶的作用,并在一定離子的存在下具有活性,可分解ATP,釋放能量,使物質(zhì)逆濃度梯度或電位梯度轉(zhuǎn)運(yùn)。泵蛋白具有特異性,按其所轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)種類可分為鈉泵、鉀泵、鈣泵、碘泵等。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能1.原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)。細(xì)胞直接利用代謝產(chǎn)生的能量將物質(zhì)逆濃度梯度或電位梯度轉(zhuǎn)運(yùn)的過程稱為原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)。目前人們對鈉泵的化學(xué)本質(zhì)研究得比較清楚。已證實(shí)鈉泵是細(xì)胞膜上一種稱為Na+K+依賴式ATP酶的蛋白質(zhì)(簡寫為Na+K+ATP酶)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Na+濃度增高或細(xì)胞外K+濃度增高時,鈉泵被激活,對Na+和K+同時進(jìn)行逆濃度差轉(zhuǎn)運(yùn),消耗的能量由分解ATP來提供,從而恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)外Na+和K+濃度的正常分布(圖2-4)。2.繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)。有些物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運(yùn)所需的驅(qū)動力并不直接來源于ATP的分解,而是利用原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)所形成的某些離子的濃度梯度,在這些離子順濃度梯度擴(kuò)散的同時使其他物質(zhì)逆濃度梯度或電位梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能3.主動轉(zhuǎn)運(yùn)的意義(1)形成并維持了細(xì)胞膜內(nèi)外離子的不同分布和濃度差,保證細(xì)胞代謝的正常進(jìn)行。(2)阻止細(xì)胞外的Na+以及與之相伴隨的水進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),對維持細(xì)胞的滲透壓和正常體積、形態(tài)和功能有一定的意義。(3)泵活動的最重要的意義在于它能建立起一種勢能儲備,供細(xì)胞的其他耗氧過程來利用,是繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運(yùn)的動力。(4)泵活動造成的細(xì)胞膜內(nèi)外Na+和K+的濃度差,是細(xì)胞生物電活動的前提條件。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能(四)入胞和出胞一些大分子或物質(zhì)團(tuán)塊的轉(zhuǎn)運(yùn),是通過入胞作用和出胞作用來實(shí)現(xiàn)的。入胞和出胞都是耗能和耗氧的主動轉(zhuǎn)運(yùn)過程。1.入胞(內(nèi)吞)。入胞是指細(xì)胞外大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊,被細(xì)胞膜包裹后,以囊泡的形式從細(xì)胞外進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的過程。如果進(jìn)入的是固體物質(zhì)則稱為吞噬。吞噬只發(fā)生在一些特殊的細(xì)胞中,包括巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等。如白細(xì)胞或巨噬細(xì)胞將異物或細(xì)菌吞噬到細(xì)胞內(nèi)部;受精過程中的精子頭進(jìn)入卵細(xì)胞內(nèi)部等。如果進(jìn)入的是液態(tài)物質(zhì)則稱為吞飲。吞飲過程幾乎出現(xiàn)在所有的細(xì)胞中。上一頁下一頁返回第一節(jié)細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能2.出胞(外吐)。出胞是指胞質(zhì)內(nèi)的大分子物質(zhì)或物質(zhì)團(tuán)塊,以分泌囊泡的形式從細(xì)胞內(nèi)排到細(xì)胞外的過程(圖2-5)。例如,消化腺細(xì)胞把它所合成的消化酶分泌到腺管腔里,內(nèi)分泌細(xì)胞將激素分泌到細(xì)胞外液中,神經(jīng)細(xì)胞軸突末梢把神經(jīng)遞質(zhì)分泌到突觸間隙中去。幾乎所有的分泌物都是通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基復(fù)合體系統(tǒng)形成和處理的,由粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上核糖體合成的蛋白質(zhì)可轉(zhuǎn)移到高爾基復(fù)合體加工處,形成具有膜包囊的分泌囊泡。出胞有如下兩種形式:(1)持續(xù)性出胞:這是指細(xì)胞在安靜狀態(tài)下,分泌囊泡自發(fā)地與細(xì)胞膜融合而使囊泡內(nèi)大分子物質(zhì)不斷排出細(xì)胞的過程,如小腸黏膜杯狀細(xì)胞分泌黏液的過程。(2)調(diào)節(jié)性出胞:這是指細(xì)胞受到某些化學(xué)信號或電信號的誘導(dǎo)時,儲存于細(xì)胞內(nèi)某些部位的分泌囊泡大量與細(xì)胞膜融合,并將囊泡內(nèi)容物排出細(xì)胞的過程,如動作電位到達(dá)神經(jīng)末梢時引起神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。上一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能一、G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(一)參與G蛋白耦聯(lián)受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號分子1.G蛋白耦聯(lián)受體是最大的細(xì)胞表面受體,包括腎上腺素能α和β受體、ACh受體、5羥色胺受體、嗅覺受體、視紫紅質(zhì)以及多數(shù)肽類激素的受體。這類受體分子的胞外側(cè)和跨膜螺旋內(nèi)部有配體的結(jié)合部位,胞漿側(cè)有結(jié)合G蛋白的部位,通過與配體結(jié)合后的構(gòu)象變化來結(jié)合和激活G蛋白。2.G蛋白也稱GTP結(jié)合蛋白。G蛋白有兩類,即異源三聚體G蛋白和單體G蛋白,異源三聚體G蛋白,是由α、β和γ三個亞單位組成的,即αGTP復(fù)合物和βγ二聚體,兩部分均可進(jìn)一步激活它們的靶蛋白(G蛋白效應(yīng)器)。下一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能3.G蛋白效應(yīng)器。G蛋白效應(yīng)器有兩種,即酶和離子通道。G蛋白調(diào)控的酶主要是細(xì)胞膜上的腺苷酸環(huán)化酶(AC)、磷脂酶C(PLC)、依賴環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)的磷酸二酯酶(PDE),以及磷脂酶A2,它們都是催化生成或分解第二信使的酶。G蛋白也可直接或間接(通過第二信使)調(diào)控離子通道的活動。4.第二信使是指激素、遞質(zhì)、細(xì)胞因子等信號分子(第一信使)作用于細(xì)胞膜后產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)信號分子,它們可把細(xì)胞外信號分子攜帶的信息轉(zhuǎn)入胞內(nèi)。較重要的第二信使有:環(huán)磷酸腺苷(cAMP)、三磷酸肌醇(IP3)、環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)和Ca2+。它們調(diào)節(jié)的靶蛋白主要是各種蛋白激酶和離子通道,產(chǎn)生以靶蛋白構(gòu)象變化為基礎(chǔ)的級聯(lián)反應(yīng)和細(xì)胞功能改變。上一頁下一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能(二)幾種主要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑大量的細(xì)胞外信號分子是通過G蛋白耦聯(lián)受體把信息轉(zhuǎn)導(dǎo)至胞內(nèi)并引發(fā)生物效應(yīng)的,它們大致可歸納為以下幾條途徑:1.受體G蛋白AC途徑。cAMP是由細(xì)胞膜上AC環(huán)化胞漿內(nèi)的ATP生成的,生成的cAMP又可被磷酸二酯酶迅速分解,生成5‘-

AMP。調(diào)節(jié)亞單位(受體)與激素等化學(xué)物質(zhì)相結(jié)合后,激活了腺苷酸環(huán)化酶(AC),在Mg2+的共同催化下,細(xì)胞內(nèi)的ATP被轉(zhuǎn)化成環(huán)磷酸圖2-6細(xì)胞膜受體的結(jié)構(gòu)和功能示意腺苷(cAMP),結(jié)果使細(xì)胞內(nèi)的cAMP的含量增高。上一頁下一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能2.受體G蛋白PLC途徑。許多配體與受體結(jié)合后激活了G蛋白Gp,Gp可激活磷脂酶C(PLC),PLC可將膜脂質(zhì)的磷脂酰二磷酸肌醇(PIP2)水解為兩種第二信使物質(zhì),即IP3和DG。IP3是水溶性小分子物質(zhì),它離開細(xì)胞膜后結(jié)合于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌漿網(wǎng)膜上的IP3受體,IP3受體是一種化學(xué)門控的Ca2+釋放通道(Ca2+),激活后導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌漿網(wǎng)中Ca2+的釋放和胞漿中的Ca2+濃度升高。Ca2+作為第二信使,在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有重要的作用。3.DGPKC途徑。PLC分解膜磷脂生成兩個第二信使,即IP3和DG。IP3進(jìn)入胞漿并誘發(fā)Ca2+濃度升高,而DG仍留在細(xì)胞膜內(nèi)。它與膜磷脂中的磷脂酰絲氨酸共同激活胞漿中的PKC,所以PKC的激活也是一個與細(xì)胞膜結(jié)合的過程。PKC也是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,它廣泛分布于不同類型的組織細(xì)胞中,其中腦組織中含量最高。上一頁下一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能4.G蛋白離子通道途徑。G蛋白可通過第二信使調(diào)節(jié)離子通道的活動來實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。少數(shù)G蛋白可以直接調(diào)節(jié)離子通道的活動。二、酶耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)酶耦聯(lián)受體具有和G蛋白耦聯(lián)受體完全不同的分子結(jié)構(gòu)和特性,受體分子的胞質(zhì)側(cè)自身具有酶的活性,或者可直接結(jié)合并激活胞質(zhì)中的酶,而不需要G蛋白(三聚體G蛋白)參與。其中較重要的有酪氨酸激酶受體和鳥苷酸環(huán)化酶受體兩類。上一頁下一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能(一)酪氨酸激酶受體酪氨酸激酶受體(PTK)分為兩類。一類是受體分子本身具有酶的活性,是貫穿脂質(zhì)雙層的膜蛋白,如表皮生長因子、神經(jīng)生長因子等和一部分肽類激素都是經(jīng)這類受體酪氨酸激酶激活絲裂原活化的蛋白激酶(MAPK),其將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞核,引起基因轉(zhuǎn)錄的改變。另一類PTK的受體分子位于細(xì)胞膜上,而酪氨酸激酶分子位于胞漿中,受體分子一旦與配體結(jié)合而被激活,就可和細(xì)胞內(nèi)的酪氨酸蛋白激酶形成復(fù)合物,并通過對自身和底物蛋白的磷酸化作用把信號轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)。這類受體包括促紅細(xì)胞生成素受體、生長素和催乳素受體,以及許多細(xì)胞因子和干擾素的受體。上一頁下一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能(二)鳥苷酸環(huán)化酶受體鳥苷酸環(huán)化酶受體,受體分子只有一個跨膜α螺旋,分子的N端有配體結(jié)合位點(diǎn),位于細(xì)胞膜外側(cè),C端有鳥苷酸環(huán)化酶(GC)結(jié)構(gòu)域,在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè),一旦配體結(jié)合于受體,將激活GC活性。GC使胞漿內(nèi)的GTP環(huán)化生成cGMP,后者可結(jié)合并激活依賴cGMP的蛋白激酶(PKG)。心房鈉尿肽(ANP)是鳥苷酸環(huán)化酶受體的一個重要配體,是由心房肌合成和釋放的一類多肽,它刺激腎臟排泄鈉和水,并使血管平滑肌松弛。上一頁下一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能三、離子通道受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道受體也稱離子型受體,有些受體本身就是離子通道,例如N2型ACh受體、A型γ氨基丁酸受體和甘氨酸受體都是細(xì)胞膜上的化學(xué)門控通道。通道的開放(或關(guān)閉)不僅涉及離子本身的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),而且實(shí)現(xiàn)了化學(xué)信號的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo),因而這一信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑稱為離子通道介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。上一頁下一頁返回第二節(jié)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能電壓門控通道和機(jī)械門控通道通常不稱作受體,但事實(shí)上,它們是接受電信號和機(jī)械信號的“受體”,并通過通道的開閉和離子跨膜流動的變化把信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)部。例如,心肌細(xì)胞T管膜上的L型Ca2+通道是一種電壓門控通道,動作電位發(fā)生時,T管膜的去極化可激活這種Ca2+通道,它開放引起的不僅僅是Ca2+本身的內(nèi)流,而且內(nèi)流的Ca2+作為第二信使會進(jìn)一步激活肌漿網(wǎng)Ca2+釋放通道,引起胞漿Ca2+濃度的升高和肌細(xì)胞的收縮,從而實(shí)現(xiàn)動作電位(電信號)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。上一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象一、靜息電位及其產(chǎn)生的機(jī)制(一)靜息電位靜息電位是指細(xì)胞膜處于安靜狀態(tài)下,存在于細(xì)胞膜內(nèi)、外兩側(cè)的電位差。例如,將示波器的兩個測量電極置于安靜狀態(tài)下神經(jīng)纖維的任何表面時,示波器的光點(diǎn)在零點(diǎn)作橫向掃描,表示細(xì)胞膜表面無電位差存在。但如果將兩個電極中的一個微電極的尖端刺入膜內(nèi),此時示波器上的光點(diǎn)迅速從零電位下降到一定水平繼續(xù)作橫向掃描,顯示細(xì)胞膜內(nèi)電位較低,細(xì)胞膜外電位較高,表明細(xì)胞膜的內(nèi)、外兩側(cè)存在著跨膜電位差(圖2-7)。下一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象(二)靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制靜息電位主要是由離子的跨膜擴(kuò)散形成的,這稱為離子學(xué)說。離子學(xué)說認(rèn)為,生物電產(chǎn)生的前提條件有兩個:一是細(xì)胞膜內(nèi)、外的離子分布和濃度不同;二是在靜息狀態(tài)下,細(xì)胞膜對不同離子的通透性不同(表2-1)。(三)影響靜息電位水平的主要因素1.膜外K+濃度和膜內(nèi)K+濃度差決定Ek:如果細(xì)胞膜只對K+有通透性,那么靜息電位就應(yīng)該等于Ek,在多數(shù)細(xì)胞中Ek為-90~-100mV。如細(xì)胞外K+濃度高,則它可使靜息電位減小。2.膜對K+和Na+的相對通透性:對K+的通透性增大,靜息電位也增大;對Na+的通透性增大,靜息電位減小。上一頁下一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象3.鈉鉀泵活動的水平。靜息電位的數(shù)值取決于對上述離子的通透性。對哪一種離子的通透性大,靜息電位就更接近哪一種離子的平衡電位。二、動作電位及其產(chǎn)生機(jī)制(一)動作電位動作電位是指細(xì)胞受刺激時,在靜息電位的基礎(chǔ)上發(fā)生一次短暫的擴(kuò)布性的電位變化。動作電位是興奮產(chǎn)生的標(biāo)志。前述微電極插入細(xì)胞內(nèi)測量動作電位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2-8所示。上一頁下一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象示波器上顯示的電位變化包括一個上升相和一個下降相。上升相代表細(xì)胞膜的去極化過程,此時膜內(nèi)原有的負(fù)電位迅速消失,并進(jìn)而變?yōu)檎娢?即由-70~-90mV變?yōu)?20~+40mV,出現(xiàn)膜兩側(cè)電位倒轉(zhuǎn)(外負(fù)內(nèi)正),膜內(nèi)電位上升幅度達(dá)90~130mV。超出零電位的部分稱為超射。下降相代表細(xì)胞膜的復(fù)極化過程,是膜內(nèi)電位從上升相頂端下降到靜息電位水平的過程。神經(jīng)纖維的動作電位,主要部分由于幅度大、時間短、電位波形呈尖峰狀,故又稱峰電位,這是動作電位的主要特征。在峰電位完全恢復(fù)到靜息電位水平之前,細(xì)胞膜兩側(cè)還有微小的、連續(xù)緩慢的電變化,稱為后電位。上一頁下一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象(二)動作電位產(chǎn)生的機(jī)制動作電位與靜息電位的產(chǎn)生機(jī)制相似,都與細(xì)胞膜的通透性和離子轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān),分為去極化過程和復(fù)極化過程兩部分。1.去極化過程。當(dāng)細(xì)胞受到刺激時,可引起細(xì)胞膜上Na+通道開放和K+通道關(guān)閉,使細(xì)胞膜對Na+的通透性突然增大,對K+的通透性降低,于是細(xì)胞外的Na+便會順其濃度梯度和電梯度快速、大量地向細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散,使膜內(nèi)電位升高,這不僅使原來的負(fù)電位消失,而且使膜內(nèi)電位比膜外高,形成一個膜內(nèi)為正,膜外為負(fù)的電位梯度。當(dāng)促使Na+內(nèi)流的濃度梯度和阻止Na+內(nèi)流的電位梯度,這兩種拮抗力量相等時,Na+的凈內(nèi)流停止。此時的電位就是Na+的平衡電位。所以動作電位的去極化過程是Na+的內(nèi)流所形成的電化學(xué)平衡電位。其是細(xì)胞膜由K+平衡電位轉(zhuǎn)為Na+平衡電位的過程。上一頁下一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象2.復(fù)極化過程。在上升相接近Na+平衡電位時,即當(dāng)細(xì)胞膜到達(dá)峰值時,細(xì)胞膜的Na+通道迅速關(guān)閉,而K+通道開放,對K+的通透性增大,于是細(xì)胞內(nèi)的K+順濃度梯度向細(xì)胞外擴(kuò)散,使膜外電位上升,膜內(nèi)電位下降,最后細(xì)胞膜內(nèi)、外的電位又恢復(fù)到原來的靜息水平,形成動作電位的下降相。所以動作電位的下降相是K+外流所形成的,是細(xì)胞膜由Na+平衡電位轉(zhuǎn)變?yōu)镵+平衡電位的過程。三、動作電位的引起和傳導(dǎo)(一)動作電位的引起動作電位的產(chǎn)生,需要一定的刺激強(qiáng)度,刺激達(dá)不到閾值,動作電位不出現(xiàn),達(dá)到閾值后,動作電位的幅度也達(dá)最大值。上一頁下一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象1.閾電位。動作電位發(fā)生時,Na+通透性的增加是有一個過程的。首先是細(xì)胞膜上Na+通道少量開放,細(xì)胞膜對Na+的通透性稍有增加,Na+逐漸流入細(xì)胞內(nèi),使細(xì)胞膜內(nèi)、外的電位梯度逐漸減小。在跨膜電位減小到某一臨界數(shù)值時,受刺激部分的Na+通道全部開放,使細(xì)胞膜對Na+的通透性突然增大,Na+迅速大量內(nèi)流,從而爆發(fā)動作電位。這個足以使細(xì)胞膜對Na+通透性增加的臨界膜電位數(shù)值,稱為閾電位。2.局部反應(yīng)(局部電位)。細(xì)胞受到閾下刺激時,雖不能引起動作電位,但可使受刺激局部的膜電位有所減小(尚不到閾電位水平),則這種電位稱為局部反應(yīng)或局部電位。局部反應(yīng)可以是去極化的,也可以是超級化的(圖2-9)。上一頁下一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象(二)動作電位的傳導(dǎo)1.動作電位的傳導(dǎo)的特點(diǎn)。(1)不衰減性傳導(dǎo)。動作電位產(chǎn)生后,并不停留在受刺激處的局部細(xì)胞膜,而是沿細(xì)胞膜迅速向四周傳播,直至傳遍整個細(xì)胞,動作電位傳導(dǎo)時,不會因距離的增大而減小幅度。其幅度和波形在傳播過程中始終保持不變。(2)“全或無”現(xiàn)象。要使細(xì)胞產(chǎn)生動作電位,所給的刺激必須達(dá)到一定的強(qiáng)度。若刺激未達(dá)到一定的強(qiáng)度,動作電位就不會產(chǎn)生(無),當(dāng)刺激達(dá)到一定強(qiáng)度時,所產(chǎn)生的動作電位,其幅度便到達(dá)該細(xì)胞動作電位的最大值,即動作電位一旦發(fā)生,不隨刺激強(qiáng)度的增大而增大幅度。(3)雙相性傳導(dǎo)。如果刺激神經(jīng)纖維中段,產(chǎn)生的動作電位可沿細(xì)胞膜向兩端傳導(dǎo)。上一頁下一頁返回第三節(jié)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象2.動作電位傳導(dǎo)的原理。局部電流學(xué)說認(rèn)為,當(dāng)細(xì)胞某一局部受到刺激而興奮時,其興奮部位的膜電位由原來的“外正內(nèi)負(fù)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴庳?fù)內(nèi)正”的去極化狀態(tài),于是興奮部位和靜息部位之間出現(xiàn)了電位差,導(dǎo)致局部的電荷移動,這稱為局部電流(圖2-10)。此電流方向是膜外正電荷由靜息部位移向興奮部位,膜內(nèi)正電荷由興奮部位移向靜息部位,形成局部電流環(huán)路。上一頁返回第四節(jié)骨骼肌的收縮功能一、骨骼肌的收縮及其機(jī)制(一)神經(jīng)骨骼肌接頭處興奮的傳遞1.神經(jīng)肌肉接頭的結(jié)構(gòu)。運(yùn)動神經(jīng)纖維末梢與骨骼肌纖維之間接觸的部位叫作神經(jīng)肌肉接頭。它由接頭前膜、接頭后膜和接頭間隙三部分組成。運(yùn)動神經(jīng)纖維末梢接近肌纖維時,失去髓鞘,并分成許多終末小支,其末端膨大形成接頭小體。接頭小體的軸漿中含有線粒體和許多小泡,小泡內(nèi)含乙酰膽堿(ACh)。接頭小體的膜叫作接頭前膜,與它相對應(yīng)的肌纖維膜叫作接頭后膜,又稱終板膜,膜上有乙酰膽堿受體,它能與乙酰膽堿發(fā)生特異性結(jié)合。此外,接頭后膜上還存在大量的膽堿酯酶,它可水解乙酰膽堿,使其失去活性。接頭間隙是指接頭前膜與接頭后膜之間寬20~50nm的間隙,它與細(xì)胞間液相溝通。下一頁返回第四節(jié)骨骼肌的收縮功能2.神經(jīng)肌肉接頭的傳遞過程。當(dāng)神經(jīng)沖動傳至終末小支時,接頭前膜因去極化而引起膜上的Ca2+通道開放,細(xì)胞間液中一部分Ca2+移入膜內(nèi),促使囊泡釋放乙酰膽堿并擴(kuò)散到接頭后膜,與該處受體結(jié)合,提高了膜對Na+、K+的通透性,Na+透入快而多,K+透出慢而少,使終板膜產(chǎn)生局部去極化。這一電變化稱為終板電位。當(dāng)終板電位達(dá)到閾值時,肌膜產(chǎn)生動作電位,沖動通過橫管系統(tǒng)擴(kuò)布,引起肌肉收縮。另外,終板膜上的膽堿酯酶能使ACh迅速水解破壞。因此,運(yùn)動神經(jīng)末梢發(fā)生一次動作電位,只能引起一次肌細(xì)胞興奮,產(chǎn)生一次收縮。上一頁下一頁返回第四節(jié)骨骼肌的收縮功能(二)骨骼肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)骨骼肌細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上最突出的特點(diǎn)是,含有大量的肌原纖維和豐富的肌管系統(tǒng)。1.肌原纖維和肌節(jié)。每個肌細(xì)胞內(nèi)都含有上千條沿細(xì)胞長軸走向的肌原纖維。每條肌原纖維沿長軸呈現(xiàn)規(guī)律的明、暗交替,分別稱為明帶和暗帶。2.肌管系統(tǒng)。骨骼肌細(xì)胞有兩套獨(dú)立的肌管系統(tǒng)。一種是與肌原纖維垂直的管道,稱為橫管或T管,它是肌膜在明、暗帶交界處向內(nèi)凹陷形成的,在凹入的肌原纖維斷面上反復(fù)分支成網(wǎng),包繞每條肌原纖維,細(xì)胞外液經(jīng)肌膜上的開口與管內(nèi)相通。另一種肌管與肌原纖維平行,稱為縱管,縱管就是肌漿網(wǎng)(SR)。SR的管道交織成網(wǎng),包繞在肌原纖維周圍。SR的末端變得膨大,與T管膜相接觸(但不連接),這部分SR稱為連接肌漿網(wǎng)或終池。上一頁下一頁返回第四節(jié)骨骼肌的收縮功能(三)骨骼肌的收縮機(jī)制骨骼肌的收縮機(jī)制是肌絲滑行理論。骨骼肌的肌原纖維由粗、細(xì)兩組相互平行的蛋白絲構(gòu)成,肌肉的伸長或縮短均通過粗、細(xì)肌絲在肌節(jié)內(nèi)的相互滑動而發(fā)生,肌絲本身的長度不變。1.肌絲的分子組成。(1)粗肌絲主要是由肌球蛋白分子構(gòu)成的,每個肌球蛋白分子呈桿狀,桿的一端有兩個球形的頭,形似豆芽。肌球蛋白的桿狀部分由兩條重鏈的尾部相互纏繞形成,頭部由兩條重鏈的末端分別結(jié)合一對輕鏈構(gòu)成(圖2-11)。上一頁下一頁返回第四節(jié)骨骼肌的收縮功能(2)細(xì)肌絲由3種蛋白質(zhì)構(gòu)成,即肌動蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白。肌動蛋白是球形分子,它在肌絲中聚合成兩條鏈并相互纏繞形成螺旋,構(gòu)成細(xì)肌絲的主干。原肌球蛋白是長桿狀分子,走行于肌動蛋白雙