2 细胞的基本功能

学习笔记
作者: MingXiao

2.1 细胞膜的基本结构

2.1.1 磷脂双分子层

细胞的热力学稳定性和流动性来源

2.1.2 蛋白质

分为表面蛋白（酶，骨架蛋白）和整合蛋白（通道，载体）

氨基酸是左旋的

2.1.3 糖类

糖链作为分子标记 （抗原或受体）

自然界的糖是右旋的，能被生物利用的糖是自然界的糖

2.2 物质的跨膜运输

不耗能：单纯扩散，易化扩散

耗能：主动转运，膜泡运输

2.2.1 单纯扩散

脂溶性小分子或不带电的极性分子由高浓度转运到低浓度

大的极性分子和带电荷的无机离子无法单纯扩散

2.2.2 易化扩散

难溶于脂的物质，借助膜上的特殊蛋白质进行扩散，分为经通道和经载体

经通道

特征：离子选择性，门控特性

通道分类：电压（膜电位达到阈值），化学（与特定受体结合），机械（受牵拉扩张）

钙依赖性钾通道：细胞内有钙离子结合位点，当细胞缺钙时，通道关闭，对钾离子的通透性减小，血钾降低

反之血钾升高；但是，正常情况下钙通道由电压调控，当钾离子通透性减小时，电位升高，钙通道激活，负反馈，反之也成立。

经钙通道流入细胞的Ca2+成为触发或激活许多生理过程的关键因素，故没有其他表现就不是钙通道出问题了

例：使用乌本苷、地高辛作为强心剂，能抑制钠钾泵的活性从而加强心肌收缩，其原理是？

解：经通道的钙可以加强肌肉活性，抑制了钠钾泵，细胞内钠离子变多，Na-Ca交换通道效率变高，内流的Ca变多

经载体

特征：结构特异性，会饱和，存在竞争性抑制

2.2.3 主动转运

分为原发性和继发性

钠钾泵

也叫钠泵，是钠钾ATP酶，当膜内钠离子浓度升高或膜外钾离子浓度升高时激活，消耗一个ATP，运走3个Na+，运进2个K+

例：用抑制剂抑制钠泵活性，可能会出现？

  1. 细胞水肿
  2. K+内运增多
  3. Na+外运增多
  4. 细胞膜超极化
  5. 细胞容积变大

解：钠泵转出3个，转入2个，导致细胞内离子浓度降低；抑制活性后细胞内离子变多，吸水膨胀，容积变大，1和5正确；抑制后细胞内K+浓度下降，不可能超极化，234错误

继发性主动转运

利用原发性主动转运建立的膜两侧电化学势能，完成逆浓度梯度跨膜运输

根据转运方向分为同向转运和反向转运

例：Na+-葡萄糖/氨基酸同向转运，Na+-H+交换，Na+-Ca2+交换（正常时3Na进1Ca出，某些原因可以反转），甲状腺腺泡上皮细胞聚碘，肾小管对葡萄糖的重吸收（就是前面的Na+同向转运）

例：腹泻患者口服糖盐水的目的

解：利用Na+-葡萄糖同向转运，快速补充盐分，促进吸收

2.2.4 膜泡运输

分为出胞和入胞

大分子物质，与膜系统有关

如：肾小管对蛋白质的重吸收

2.3 跨膜信号转导

信号转导：针对外源信息所发生的细胞应答反应全过程

外界信号——>细胞膜表面——>膜蛋白构象改变——>新的信号进入胞内——>膜电位或其他功能变化

转导方式

  1. 离子通道
  2. G蛋白耦联受体
  3. 酶联型受体
  4. 招募型受体
  5. 核受体（胞内）

1-4为膜受体

2.4 生物电现象

2.4.1 离子平衡电位

根据Nernst方程 \(E_x=\frac{RT}{ZF}\ln{\frac{[X^+]_o}{[X^+]_i}}\)，单位V，其中Ex为离子X+的平衡电位，R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数，Z为原子价，带入哺乳动物，得到
\[ E_x=\frac{61.5}{Z}\ln{\frac{[X^+]_o}{[X^+]_i}}(\mathsf{mV}) \]

2.4.2 细胞膜电路模型

得到
\[ I=C_mV+g_{Na}hm^3(V-V_{na})+g_Kn^4(V-V_K)+G_L(V-V_L) \]

2.4.3 细胞膜静息电位

计算静息电位
\[ E_m=\frac{P_K}{P_K+P_{Na}}E_K+\frac{P_{Na}}{P_K+P_{Na}}E_{Na} \]

其中P为离子的跨膜速率，Pk>>PNa，Em≈Ek

静息电位的形成机制

静息状态下对K有通透性，Na的通透性小；钠钾泵的生电活动造成离子的浓度差

膜两侧的电位差仅存在于内外表面之间

2.4.4 动作电位及其产生机制

这是一个典型动作电位随时间的变化，各个阶段的名称是比较老的

峰电位由动作电位的去极相和复极相组成，是动作电位的主要部分

在峰电位之后的缓慢电位变化是后电位，分为去极化电位和正后电位（后超极化电位）

离子的电化学驱动力

电化学驱动力 = 膜电位 - 离子平衡电位 = \(E_m - E_x\)

利用电压钳技术将膜电位固定在一定水平，则离子的电化学驱动力不变，记录离子X的跨膜电流Ix，由公式\(G_x=\frac{I_x}{E_m-E_x}\)得到离子的跨膜电导，也就是通透性变化

超射值与\(E_{Na}\)接近

电压钳制后钠钾离子的膜电导变化

Na通道在动作电位后有CD，不能一直开放

K通道一直开放，无论去极化还是复极化（存在K漏通道，不是复极化主要原因）

复极化过程中Na电导快速下降是主要因素

河豚毒素（TTX）

阻断钠通道，无法去极化产生动作电位，膜电流恒正

静息电位不变

四乙胺（TEA）

阻断钾通道，无法极化形成静息电位，膜电流恒负

动作电位产生机制

  1. 细胞膜去极化至阈值电位，引起电压门控Na通道开放，Na顺浓度梯度正反馈流入，直至膜电位达到Na平衡电位
  2. Na通道迅速失活，电压门控K通道开放，是复极化的主要原因
  3. 钠钾泵的活动，使离子分布复位

动作电位的传播

  1. 无髓神经纤维：局部电流，连续传导，大小不会变
  2. 有髓神经纤维：被施万细胞包裹，没有包裹的地方是朗飞结，兴奋在相邻的朗飞结跳跃式传导，大小不会变
  3. 全或无：同一个细胞的动作电位大小在传导过程中不会变化

例：病理性影响钠钾泵活动时，将导致？

解：病理性就默认时活动减弱，将导致静息电位绝对值降低，动作电位幅度减小

例：根据Nernst方程\(E_x=61.5\lg\frac{[X]_o}{[X]i}\)，已知静息电位为-90mV，离子浓度

离子类型 胞外浓度（mM） 胞内浓度（mM）
Na 145 12
K 4 155
  1. 计算正常的Na和K平衡电位
  2. 高钾血症（胞外浓度6.5mM）的患者K的平衡电位，此时细胞静息电位发生和细胞兴奋性的变化

解：

  1. \(E_{Na}=61.5\lg\frac{145}{12},E_{K}=61.5\lg{\frac{4}{155}}\)

  2. \(E_K^{'}=61.5\lg\frac{6.5}{155}\)，静息电位升高（绝对值降低），发生去极化，细胞的兴奋性增强，患者易抽搐

    但是严重高钾血症时，静息电位接近阈电位，使Na通道失活（电压门控），细胞兴奋性反而降低

    急性低钾血症时，细胞内外钾离子浓度差变大，但是低钾使心肌细胞膜的钾电导降低，K外流减少，静息电位绝对值变小，兴奋性增高

总结就是，高钾血症时，静息电位升高，细胞的兴奋性先升高后降低，急性低钾血症时，静息电位升高，细胞的兴奋性升高

2.4.5 细胞兴奋后兴奋性的变化

绝对不应期：无论多大刺激，都不能再产生任何大小的动作电位，兴奋性为0

相对不应期：高于阈强度的刺激能够引起动作电位，但是细胞兴奋性低于正常水平，动作电位也小于正常值

超常期：阈下刺激就能引起动作电位，细胞兴奋性高于正常

低常期：一段较长时间的低兴奋性

2.4.6 电紧张电位和局部电位

电紧张电位

在外加电流作用下，引起细胞膜固有电位的被动改变

电紧张电位的空间分布由细胞膜和胞质的被动电学特性（电导）决定

局部电位

阈下刺激引起的产生于局部、较小的去极化膜电位变化为局部兴奋，此时的膜电位是局部电位

是由阈下刺激产生的去极化电紧张电位和部分Na通道开放产生的电位变化叠加的结果

局部电位特点

  1. 衰减性传导，随距离增加而迅速衰减
  2. 空间总和，邻近的局部电位可以叠加
  3. 时间总和，相临时间的局部电位可以叠加
  4. 不是“全或无”

例：具有局部兴奋特征的是：神经干的动作电位；锋电位；终板电位；突触后电位；发生器电位。

解：终板电位，突触后电位和发生器电位



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