细胞的基本功能

生理学第二章细胞的基本功能思维导图，包括细胞膜的物质转运功能、细胞的信号转导、细胞的电活动、肌细胞的收缩四部分内容。

细胞的基本功能

• 细胞膜的化学组成及其分子排列形式
  • 细胞膜：分隔细胞质与细胞周围环境的一层膜结构（脂质、蛋白质）
  • 细胞膜的脂质（细胞膜的基本骨架）
    • 组成：磷脂（含量最多-磷脂酰胆碱，最少-磷脂酰肌醇）、胆固醇、少量糖脂
    • 分布：不均匀
      • 外层-大部分磷脂酰胆碱和全部糖脂
      • 内层-含氨基酸的磷脂
    • 脂质分子都是双嗜分子，膜脂质可因温度改变而呈凝胶或溶胶状态
  • 细胞膜的蛋白
    • 表面膜蛋白：附于细胞膜的表面
    • 整合膜蛋白：以其肽链一次或多次穿越膜脂质双层为特征
  • 细胞膜的糖类：主要是一些寡糖和多糖链（以共价键的形式与膜蛋白或膜脂结合而形成糖蛋白和糖脂）
• 细胞膜的物质转运
  • 单纯扩散
    • 定义;从高浓度通过脂质分子向低浓度一侧运输（脂溶性物质）
    • 特点：无需代谢耗能、不依赖特殊膜蛋白、无饱和性、扩散速度很快
    • 扩散速率
      • 被转运物质在膜两侧的浓度差和膜对该物质的通透性。浓度差越大，通透性越大，单位时间内物质扩散量愈多
      • 物质所在溶液温度俞高，膜有效面积俞大，转运速率也俞高
  • 异化扩散
    • 定义：非脂溶性的小分子物质或带电离子在跨膜蛋白的帮助下，顺浓度梯度和电位梯度进行的跨膜转运
    • 特点：无需消耗ATP、需要跨膜蛋白
    • 分类（根据转运溶质的不同）
      • 经通道的异化扩散（离子通道）：在通道蛋白的介导下
        • 基本特征：
          • 离子选择性
          • 门控特性
            • 电压门控通道（受膜电位调控）
            • 化学门控通道（受膜外或膜内某些化学物质调控）
            • 机械门控通道受机械刺激调控
          • 非门控通道-神经纤维上的钾露通道
      • 水通道
      • 经载体的异化扩散：水溶性小分子物质在载体蛋白介导下顺浓度梯度跨膜转运
        • 特点
          • 结构特异性：只能识别和结合具有特定化学结构的底物
          • 饱和现象：载体数量和转运速率有限
          • 竞争性抑制
  • 主动转运（根据是否直接消耗能量）
    • 原发性主动转运
      • 定义细胞直接利用代谢产生的能量，逆浓度转运
      • 离子泵（本质：ATP酶）
        • 钠钾泵
          • α和β两个亚单位组成的二聚体
          • 生理意义
            • 为胞质内许多代谢反应提供高钾离子环境
            • 维持保内渗透压和细胞容积
            • 钠钾泵形成的钠离子和钾离子跨膜梯度是发生静息电位和动作电位的基础
            • 钠钾泵的声电效应可使膜内电的负值增加，参与静息电位的形成
            • 钠离子跨膜浓度梯度可为继发性主动转运提供势能储备
        • 钙泵
          • 分布：细胞膜、肌细胞的肌质网和其他细胞的内质网膜上
        • 质子泵
          • 氢钾泵
            • 分布：胃腺壁细胞和肾脏集合管润细胞顶端膜上
            • 主要功能：分泌氢离子和摄入钾离子，可逆浓度将氢离子有效分泌到胃液或尿液中，分别参与胃酸形成和肾脏的排酸功能
          • 氢泵
            • 分布：细胞膜上
            • 功能；维持胞质的中性和细胞器内的酸性，使不同部位上的酶处于最适ph、建立起跨细胞器膜的氢离子浓度梯度，为溶质的跨细胞器膜提供动力
    • 继发性主动转运
      • 同向转运：被转运的分子或离子都向同一方向运动的
      • 反向转运：被转运的分子或离子向相反的方向运动
  • 膜泡运输（大分子和颗粒物资）
    • 定义：由膜包围形成囊泡，通过膜包裹，膜融合和膜离断等一系列过程完成转运
    • 形式
      • 出胞
        • 持续性出胞：细胞在安静状态下，分泌囊泡自发的与细胞膜融合而使囊泡内大分子物质不断排出细胞的过程（小肠黏膜细胞分泌粘液）
        • 调节性出胞：细胞收到化学信号或电信号的诱导，使囊泡内物质排出细胞的过程
      • 入胞（内化）：细胞外大分子物质或团块（细菌、死亡细胞、细胞碎片）
        • 吞噬：被运物质以固态形式进入细胞
        • 吞饮：被运物质以液态物质进入细胞
• 细胞的信号转导
  • 信号转导概述
    • 定义：通常指跨膜信号转导，即生物活性物质（激素、神经递质、细胞因子）通过受体或离子通道的作用而激活或抑制细胞功能的过程
    • 生理意义：是机体生命活动中生理功能调节的基础
    • 主要转导通路
      • 受体：细胞中具有接受和转导信息功能的蛋白质
        • 膜受体-位于细胞膜中
        • 核受体-位于细胞质和核内
      • 配体：能与受体发生特异性结合的活性物质
  • 离子通道型受体介导的信号转导
    • 离子通道型受体（化学门控通道）：是一类由配体结合部位和离子通道两部分组成，同时具有受体和离子通道功能的膜蛋白
  • G蛋白耦联受体介导的信号转导
    • 主要的信号蛋白和第二信使
      • G蛋白耦联受体
        • 特点：分布广泛、种类多
        • 功能：通过改变分子构象而结合并激活G蛋白，可调节离子通道活动，调节细胞生长、代谢、细胞骨架结构，通过改变转录因子的活性而调控基因表达等活动
      • G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）
      • G蛋白效应器-是G蛋白直接作用的标靶
        • 效应器酶-腺苷酸环化酶（主要）-催化生成第二信使物质
        • 膜离子通道
        • 膜转运蛋白
      • 第二信使
        • 定义：指激素、神经递质、细胞因子等细胞外信使分子作用于膜受体后产生的细胞内信使分子
        • 分类：环-磷酸腺苷（cAMP）、三磷酸肌醇、二酰甘油、环-磷酸鸟苷、钙离子、花生四烯酸
        • 功能：可进一步通过激活蛋白激酶，产生以靶蛋白磷酸化和构象变化为特征的级联反应或调控基因表达，导致细胞功能改变
      • 蛋白激酶
        • 定义:是一类将ATP分子上的磷酸基团转移到底物蛋白而产生蛋白磷酸化的酶类
        • 作用:cCAP依赖性蛋白激酶即蛋白激酶A，钙离子依赖性蛋白激酶C
    • 常见的信号转导通路
      • 受体-G蛋白-AC-cAMP-PKA通路 关键信使分子cAMP
        • 作用:直接作用于膜离子通道而产生信号转导作用；通过cAMP激活的交换蛋白激活Rap相关介导的非cAMP-PKA通路，调节细胞功能
      • 受体-G蛋白-PLC-IP3-钙离子和DG-PKC通路 关键分子IP3和DG
      • 钙离子信号系统
    • 酶联型受体介导的信号转导
      • 酪氨酸激酶受体（激活-各种生长因子）酪氨酸激酶结合型受体（激活-各种生长因子和肽类激素）
      • 鸟苷酸环化酶受体（激活该受体的配体-心房钠尿肽和脑钠尿太，脑钠尿肽可进一步激活gGMP依赖性蛋白激酶G）
      • 丝氨酸/苏氨酸激酶受体:调控特定蛋白质基因的表达
    • 招募型受体介导的信号转导
      • 招募型受分子的细胞内域没有任何酶的活性，不能进行生物信号的放大
    • 核受体介导的信号转导
      • 核受体常为单链多肽，含有激素结合域、DNA结合域、转录激活结合域、铰链区等
      • DNA结合域存在两个“锌指”的特异氨基酸序列片段，决定了受体调控作用的特异性。受体未与激素结合前“锌指”通常被遮盖
      • 铰链区:是处于DNA结合域与激素结合域之间的一段氨基酸序列，与核受体的核定位信号有关
      • 核受体一般处于静止状态
• 肌细胞的收缩
  • 横纹肌
    • 骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递
      • 组成
        • 接头前膜-运动神经轴突末梢一部分
        • 接头后膜（终板膜）-表面分布有乙酰胆碱酯酶，能讲ACh分解为胆碱和乙酸
        • 接头间隙-含突触囊泡，囊泡内含乙酰胆碱（ACh）
      • 传递过程
        • 电-化学-电传递
        • ACh释放具有钙离子依赖性 以囊泡为基本单位进行
        • 传递中有神经递质参与 易受各种因素影响（筒箭毒碱、α-银环蛇度）
    • 横纹肌细胞结构特征
      • 特征-细胞内含有大量肌原纤维和高度发达的肌管系统
      • 肌小节肌细胞收缩的基本结构和功能单位。相邻两条Z线之间区段
      • 肌管系统
        • 横管（T管）:与肌原纤维走行方向垂直的膜性管道
        • 纵管（L管）:与肌原纤维走形方向平行
          • T管与其两侧的终池形成三连管
          • T管与单侧终池相接触形成二连管
    • 横纹肌细胞收缩机制-肌丝滑行理论
      • 横纹肌收缩肌肉缩短，暗袋宽度不变，只有明带和H带相应变窄
      • 肌丝的分子结构
        • 粗肌丝:肌球蛋白（肌凝蛋白）
          • 横桥:两条重链的头部连同与它相连的一小段“桥臂”的杆部从肌丝中向外伸出形成
        • 细肌丝
          • 肌动蛋白（肌纤蛋白）:有许多与横桥结合的位点
          • 原肌球蛋白:所在位置能掩盖肌动蛋白分子上的横桥结合位点，抑制肌丝滑行的发生
          • 肌钙蛋白暴露出肌动蛋白上的横桥结合位点，引发横桥与之结合，产生肌丝滑行而收缩
      • 肌丝的滑行过程
        • 横桥周期:肌球蛋白的横桥与肌动蛋白结合、扭动、复位的过程
      • 横桥周期的运转模式与肌肉收缩的表现
        • 肌肉收缩产生张力-每一瞬间与肌动蛋白结合的横桥数决定
        • 肌肉缩短速度-取决于横桥周期长短
    • 横纹肌细胞的兴奋性-收缩耦连
      • 重要耦连因子:钙离子
      • 部位:骨骼肌的三联管结构、心肌的二联管结构
    • 影响横纹肌收缩效能因素
      • 肌肉收缩效能
        • 等长收缩:收缩时长度不变，只有张力增加
        • 等张收缩:张力不变，只发生肌肉缩短
      • 影响因素
        • 前负荷:肌肉收缩前所承受负荷
          • 决定肌肉初长度
            • 最适初长度对应肌节长2.0～2.2um，此时能产生最大收缩张力）
        • 后负荷:肌肉收缩后所承受负荷
          • 反映收缩张力大小
        • 肌肉收缩能力:与前负荷和后负荷无关，又能影响肌肉收缩效能的内在特性
          • 许多神经递质、体液物质、病理因素和药物
        • 收缩总和:肌细胞收缩的叠加特性，是骨骼肌快速调节其收缩效能的主要方式
          • 多纤维总和
            • 多跟肌纤维同步收缩产生的叠加效应
            • 骨骼肌都以一个神经元及其轴突分支所支配的全部纤维所构成的基本单位进行收缩
          • 频率总和
            • 提高骨骼肌收缩频率而产生叠加效应
            • 单收缩:动作电位频率很低时，每次动作电位之后出现一次完整的收缩和舒张过程
            • 不完全强直收缩:后一次的收缩过程在叠加在前一次收缩过程的舒张期
            • 完全强直收缩:后一次收缩过程叠加在前一次收缩过程的收缩期
  • 平滑肌
    • 构成气道、消化管、血管、泌尿生殖器等器官的主要组织成分
    • 分类
      • 单个单位平滑肌（内脏平滑肌） 细胞间存在大量缝隙连接
        • 含有少量起搏细胞 能自发的产生节律性兴奋和舒缩活动
      • 多单位平滑肌
        • 细胞间不存在缝隙连接，各自独立，以单个肌细胞为单位进行活动
          • 收缩强度取决于被激活的肌纤维数目和神经冲动的频率
    • 细胞的结构特点
      • 细长纺锤形，无肌节结构（不显横纹），没有Z盘，没有内陷的T（平滑肌收缩缓慢原因）
        • 连接结构
          • 致密带（相邻细胞）
          • 缝隙连接（细胞间）
      • 细胞的生物电现象
    • 细胞收缩机制
      • 收缩的触发因子-钙离子
      • 肌丝滑行
        • 不含肌钙蛋白，含有钙调蛋白
    • 平滑肌活动的神经调节
      • 交感神经和副交感神经的双重支配
        • 兴奋传递方式-非定向突触
          • 作用弥散、缓慢
• 细胞的电活动
  • 静息电位
    • 测定和概念
      • 定义:静息状态下存在于细胞膜两侧的内负外正的电位差
      • 极化:安静时细胞膜两侧处于外正内负的稳定状态
      • 超极化:静息电位增大的过程或状态；去极化:静息电位减小
      • 反极化:膜内点位变为正直，膜两侧极性倒转的状态
      • 复极化:细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程
    • 产生机制
      • 基本原因:带电离子的跨膜转运
      • 速率
        • 膜两侧离子浓度差-离子跨膜运输的直接动力
        • 膜对离子的通透性-K＞Cl＞Na＞A
        • 钠泵的生电作用
          • 钠泵活动愈强，细胞内点位的负值愈大
          • 影响静息电位水平的主要
            • 细胞外液K＋浓度，K＋浓度↑K＋平衡电位↓ 静息电位↓
            • 膜对K＋和Na＋通透性:对K＋通透性↑，静息电位↑；对Na＋通透性↑，静息电位↓
            • 钠泵活动水平:活动增强，生电效应增强，膜发生一定程度的超极化；活动受抑制，静息电位↓
  • 动作电位
    • 概念及特点
      • 定义:细胞在静息电位基础上接受有效刺激后产生的一个迅速的可向远处传播的膜电位波动
      • 特点:“全或无”现象；不衰减传播；脉冲式发放
    • 产生机制
      • 电-化学驱动力及其变化
        • 表示:膜电位与离子平衡的差值表示。差值越大，离子收到的电-化学驱动力就越大。
        • 数值的正负号表示离子跨膜流动的方向，正号为外向，负号为内向
      • 动作电位期间细胞膜通透性的变化
        • 钠电导和钾电导的变化
          • 超极化没有改变膜是通透性，去极化刺激可引起膜电导通透性改变
        • 膜电导改变的实质:膜中离子通道的开放和关闭
        • 离子通道的功能状态
          • 静息态:膜电位保持在静息电位水平时通道尚未开放
          • 激活态:膜在迅速去极化时电压门控通道立即开放
          • 失活态:激活后对去极化刺激不再反应的状态
    • 动作电位的触发
      • 刺激量的三个参数刺激的强度，刺激的持续时间，刺激强度-时间变化率
      • 阈强度:能是细胞产生动作电位的最小刺激强度
      • 阈电位:细胞膜的钠电导刚好能正反馈激活而形成动作电位，触发动作电位的临界值
      • 阈刺激:强度刚好能使细胞的静息电位发生去极化达到阈电位水平
    • 动作电位的传播
      • 同一细胞:动作电位的传导
        • 无髓神经纤维-局部电流；有髓神经纤维-郎飞结。速度:有髓＞无髓
      • 细胞之间:缝隙连接（非门控通道，常处于开放状态）
    • 兴奋性及其变化
      • 兴奋性
        • 定义:细胞接受刺激发生反应的能力或特性
        • 可兴奋细胞:能产生动作电位的细胞（神经细胞、肌细胞、腺细胞）
        • 阈值-衡量兴奋性高低 阈值越小，兴奋性越高
      • 细胞兴奋后兴奋性的变化
        • 绝对不应期:无论施加多强刺激也不能使细胞再次兴奋，兴奋性为0，（Na＋处于失活状态）
        • 相对不应期 兴奋性较低-失活的电压门控钠通道已经开始复活，但数量较少
          • 阈上刺激可引起动作电位，阈刺激不行
        • 超常期:电压门控钠通道已基本复活，但未完全回到静息电位，距离阈电位较近
          • 阈下刺激可引起兴奋
        • 低常期-电压门控钠通道完全恢复，但膜电位处于超极化状态，与阈电位水平的距离加大
          • 阈上刺激可引起兴奋
  • 电紧张点位和局部电位
    • 细胞膜和胞质的被动电学特征
      • 膜电容（细胞膜脂质双层具有绝缘性）
        • 两极板之间距离越近，电容越大；细胞膜面积越大，膜电容越大
      • 膜电阻
        • 导电性能较好的离子通道和转运体的数量越多或活动程度越大，膜电阻越小
      • 轴向电阻
        • 直径越小，轴向延伸距离越长，轴向电阻越大
    • 电紧张电位
      • 定义:由膜的被动电学特性决定其空间分布和时间变化的膜电位
      • 传播范围-空间常熟描述λ
        • λ:增大膜电阻或减小轴向电阻可使λ增大（0.1～1mm）
      • 时间变化特征-时间常数描述Τ
        • Τ:膜电容和膜电阻 减小膜电容，可缩短电紧张点位达到稳定的时间
      • 电紧张电位的极性
        • 去极化紧张电位、超极化紧张电位
      • 电紧张电位的特征
        • 等级性电位-幅度可随刺激强度增大而增大
        • 衰减行传导-随传播距离的增加呈指数函数下降
        • 电位可融合-多个电紧张点位可融合在一起
    • 局部电位
      • 定义:细胞收到刺激后，由膜主动特性参与即部分离子通道开放形成的，不能向远距离传播的膜电位改变
      • 特征:等级性电位、衰减性传导、没有不应期
      • 生理意义:与信息传递和处理有关的重要电信号