離子通道

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生物離子通道ion channels of biomembrane是各種無機離子跨膜被動運輸的通路生物膜對無機離子的跨膜運輸有被動運輸順離子濃度梯度和主動運輸逆離子濃度梯度兩種方式被動運輸的通路稱離子通道主動運輸的離子載體稱為離子泵生物膜對離子的通透性與多種生命活動過程密切相關例如感受器電位的發生神經XX與傳導和中樞神經系統的調控功能心臟搏動平滑肌蠕動骨骼肌收縮激素分泌光合作用和氧化磷酸化過程中跨膜質子梯度的形成等

目 錄1簡介

2研究簡史

3研究方法

3.1 電壓鉗位技術

3.2 單通道電流記錄技術

3.3 通道藥物學研究

3.4 通蛋離、通建和基重術

4功能特徵

4.1 鈉通道

4.2 鉀通道

4.3 鈣通道

4.4 N型乙酰膽鹼受體通道

5其它相關

5.1 分子構象和門控動力學

5.2 離子通道特性

5.3 離子通道分類

5.4 離子通道生理功能

5.5 離子通道病

5.6 疾病離子通道改變

5.7 作用於鈉通道的藥物

5.8 作用於鉀通道的藥物

5.9 作用鈣通道的藥物

5.10 作用於氯通道的藥物

1簡介 生物膜離子通道

活體細胞不停地進行新陳代謝活動就必須不斷地與周圍環境進行物質交換而細胞膜上的離子通道就是這種物質交換的重要途徑.人們已經知道大多數對生命具有重要意義的物質都是水溶性的如各種離子糖類等它們需要XX細胞而生命活動中產生的水溶性廢物也要離開細胞它們出入的通道就是細胞膜上的離子通道.

離子通道由細胞產生的特殊蛋白質構成它們聚集起來並鑲嵌在細胞膜上中間形成水分子佔據的孔隙這些孔隙就是水溶性物質快速進出細胞的通道.離子通道的活性就是細胞通過離子通道的開放和關閉調節相應物質進出細胞速度的能力對實現細胞各種功能具有重要意義.兩名德國科學家埃爾溫·內爾和貝爾特·扎克曼即因發現細胞內離子通道並開創膜片鉗技術而獲得1991年的諾貝爾生理學獎.

2研究簡史在生物電產生機制的研究中發現了生物膜對離子通透性的變化1902年J.伯恩斯坦在他的膜學說中提出神經細胞膜對鉀離子有選擇通透性1939年A.L.霍奇金與A.F.赫胥黎用微電極XX槍烏賊神經纖維中直接測量到膜內外電位差1949年A.L.霍奇金和B.卡茨在一系列工作基礎上提出膜電位離子假說認為細胞膜動作電位的發生是膜對納離子通透性快速而特異性地增加稱為鈉學說尤其重要的是1952年A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎用電壓鉗技術在槍烏賊巨神經軸突上對細胞膜的離子電流和電導進行了細緻地定量研究結果表明Na+和K+的電流和電導是膜電位和時間的函數並首次提出了離子通道的概念他們的模型 (H-H模型認為細胞膜的K+通道受膜上4個帶電粒子的控制當4個粒子在膜電場作用下同時移到某一位置時K+才能穿過膜

另一方面1955年卡斯特羅和B.卡茨對神經-肌肉接頭突觸傳遞過程的研究發現突觸后膜終板電位的發生是由於神經遞質乙酰膽鹼(Ach作用於終板膜上受體的結果從而確認了受化學遞質調控的通道60年代用各種生物材料對不同離子通透性的研究表明各種離子在膜上各自有專一性的運輸機構曾經提出運輸機構是載體洞孔和離子交換等模型1973年和1974年C.M.阿姆斯特朗F.貝薩尼利亞及R.D.凱恩斯E.羅賈斯兩組分別在神經軸突上測量到與離子通道開放相關的膜內電荷的運動稱為門控電流確認了離子通道的開放與膜中帶電成分運動的依從性1976年E.內爾和B.薩克曼創立了離子單通道電流記錄技術並迅速得到推廣應用近年用這種技術發現了一些新型離子通道為深入研究通道的結構和功能提供了有力的工具

80年代初學者們先後從細胞膜上分離和純化了一些運輸離子的功能性蛋白質並在人工膜上成功地重建了通道功能從而肯定了離子通道實體就是膜上一些特殊蛋白質分子或其複合物近年科學家應用基因重組技術研究離子通道的結構1982和1984年紐莫及合作者先後測定了N型Ach受體和Na+通道蛋白的氨基酸序列

3研究方法離子通道結構和功能的研究需綜合應用各種技術包括電壓和電流鉗位技術單通道電流記錄技術通道蛋白分離純化等生化技術人工膜離子通道重建技術通道藥物學基因重組技術及一些物理和化學技術

電壓鉗位技術一般而言膜對某種離子通透性的變化是膜電位和時間的函數通過玻璃微電極與細胞膜之間形成緊密封接利用電子學技術施加一跨膜電壓並把膜電位固定於某一數值可以測定該膜電位條件下離子電流隨時間變化的動態過程利用藥物或改變細胞內外的溶液成分使其他離子通道失效即可測定被研究的某種離子通道的功能性參量分析離子電流的穩態和動力學與膜電位離子濃度等之間的關係可推斷該種通道的電導活化和失活速率離子選擇性等並能測量和分析通道的門控電流的特性

單通道電流記錄技術又稱膜片鉗位技術用特製的玻璃微吸管吸附細胞表面使之形成10~100GΩ的密封giga-seal被孤立的小膜片面積為μm2量級內中僅有少數離子通道然後對該膜片實行電壓鉗位可測量單個離子通道開放產生的pA(10-12安培量級的電流這種通道開放是一種隨機過程通過觀測單個通道開放和關閉的電流變化可直接得到各種離子通道開放的電流幅值分佈開放幾率開放壽命分佈等功能參量並分析它們與膜電位離子濃度等之間的關係還可把吸管吸附的膜片從細胞膜上分離出來以膜的外側向外或膜的內側向外等方式進行實驗研究這種技術對小細胞的電壓鉗位改變膜內外溶液成分以及施加藥物都很方便

通道藥物學研究應用電壓鉗位或單通道電流記錄技術可分別于不同時間不同部位膜內側或外側施用各種濃度的藥物研究它們對通道各種功能的影響結合對藥物分子結構的了解不但可以深入了解藥物和毒素對人和動物生理功能作用的機制還可以從分子水平得到通道功能亞單位的類型和構象等信息

通蛋離通建和基重術利用與通道特異結合的毒劑標記可把通道蛋白質從膜上分離下來經過純化可以測定各亞單位多肽的分子量然後把它們加入人工膜可重新恢復通道功能用於確定蛋白質氨基酸序列的基因重組技術的程序是從細胞中分離出含有與該種通道蛋白相關的mRNA置入某種細胞如大腸桿菌經逆轉錄得到cDNA用限制性內切酶將cDNA切割成特定片段再用核酸雜交方法釣出特定的DNA並克隆化通過測定陽性克隆DNA的核苷酸順序推斷出相應的蛋白質氨基酸序列

4功能特徵離子通道依據其活化的方式不同可分兩類一類是電壓活化的通道即通道的開放受膜電位的控制如Na+Ca+Cl-和一些類型的K+通道另一類是化學物活化的通道即靠化學物與膜上受體相互作用而活化的通道如 Ach受體通道氨基酸受體通道Ca+活化的K+通道等

鈉通道各種生物材料中與電XX相關的Na+通道有相似的基本特徵通道活化時間常數小於1毫秒失活時間常數為數毫秒Na+電流的反轉電位約+55毫伏單通道電流記錄顯示Na+單通道電導為4~20pS平均開放壽命數毫秒

根據一些藥物和毒素對Na+通道功能的不同影響可分為4種類型①通道阻斷劑河豚毒素TTX石房蛤毒素STX②通道活化增強劑如β-蝎毒箭毒蛙毒素BTX藜蘆鹼毒素VER等③通道活化抑製劑如一些局部麻醉劑及其衍生物④通道失活抑製劑如鏈霉蛋白酶N-溴乙酰胺NBA等

鉀通道根據功能特性的不同K+通道可分為以下類型①慢延遲K+通道K通道也就是H-H模型中的K+通道單通道電流記錄顯示單個K通道電導在2~20pS通道平均開放壽命為數十毫秒該種通道可被四乙胺TEA等特異性阻斷通道對K+有高度選擇性但R姾和NH嬃亦能通過這種通道在神經軸突和骨骼肌細胞膜中有較高密度②快早期K+通道A通道該種通道外向的K+流在膜去極化的早期就出現表明通道的活化時間常數比慢K+通道小得多但在-40毫伏以上該通道即關閉電壓鉗位實驗表明其宏觀電流動力學與Na+電流相似較低濃度的4-氨基吡啶即能阻斷該通道它也可被四乙胺阻斷③Ca2+活化的K+通道K(Ca通道該種通道的開放不但與膜電位有關而且依賴於細胞內Ca2+的濃度每個通道需結合兩個Ca2+才能活化單通道電導可高達300pS,並有較長的開放壽命這種通道與Ca2+通道協同作用對調節細胞膜電XX性的節律有重要意義它可被四乙胺N'-四乙酸EGTA奎尼丁和Ba2+阻斷④內向整流的K+通道其特徵是在膜超極化時通道開放與膜電位和胞外K+濃度密切相關通道開放時產生內向K+電流單通道電導在5~10pS範圍

鈣通道Ca2+通道廣泛存在於各種生物組織的細胞膜中宏觀的Ca2+電流動力學特徵與Na2+電流相似但峰值小且失活過程慢可達數十到數百毫秒Ca2+通道對Ca2+Ba2+Sr2+都有高通透性但Ni2+Cd2+Co2+Mn2+等離子能有效地阻斷Ca2+通道藥物對Ca2+通道的作用可分為①通道阻斷或抑製劑可分為苯烷基胺類如異博定甲基異博定D600苯硫氮?類雙氫吡啶類等類型②通道激活劑一些雙氫吡啶化合物如BayK8644等藥物可活化Ca2+通道近年對小雞背根神經節細胞的研究發現有3種類型的Ca2+通道①L型該種通道在膜電位大於-20毫伏時活化電流失活緩慢單通道電導約25pS②T型膜電位約-60毫伏時通道即活化-10毫伏以上通道電流幅值反而下降單通道電導約8pS③N型該種通道在膜電位不小於-10毫伏才能活化但又必須超極化到-80毫伏以下才能克服通道的失活電流動力學比 L型快但比T型慢單通道電導約13pS以上3類Ca2+通道在不同細胞膜上選擇性分佈及密度的差別將影響各種細胞的生理功能Ca2+通道除了對細胞電XX性有貢獻外它通過調節細胞內Ca2+濃度可進一步調節許多細胞功能

N型乙酰膽鹼受體通道它是由神經遞質Ach活化的正離子通道當突觸前膜一次量子化釋放數千個 Ach分子它們作用於突觸后膜上的N型受體時受體通道開放產生Na+和K+電流引發突觸后膜一個小終板電位mEPPN-AchR單通道電導在20~60pS範圍平均開放壽命數毫秒通道電流反轉電位約-10毫伏近年發現該種通道有多種電導態見圖通道的離子選擇性較差可允許數十種無機和有機正離子通過許多毒素和有機物能阻斷或抑制該種通道α-銀環蛇毒α-BGTX是 N型Ach受體通道的特異性阻斷劑

80年代以來已發現多種由神經遞質和激素活化的受體通道如谷氨酸受體通道多巴胺受體通道5-羥色胺受體通道γ-氨基丁酸受體通道等

5其它相關分子構象和門控動力學離子通道研究的前沿是試圖從分子水平揭示通道蛋白的空間構象構象變化與通道門控動力學之間的關係

N-AchR通道

已測定了受體蛋白質分子量是250000並測定了它的全部氨基酸序列確證該受體通道由αγ和δ5個亞基組成這4種亞基有相似的氨基酸順序但只有α亞基上有 α-BGTX的特異結合位點一種構象模型是5個亞基各有若幹個α螺旋跨膜排列共同形成五瓣狀的蛋白質複合物兩個α亞基間是親水的離子通道通道開口約25埃中間是6~7埃的狹窄孔道其中排列有負電性氨基酸殘基側鏈當兩個 Ach分子分別結合於兩個α亞基特定位點后引起局部構象變化使通道開放

鈉通道

從電鰻電板分離的鈉通道蛋白質分子量是208321是由1820個氨基酸組成的多肽序列可分為4個相似的區段每個區段中分別有較集中的正電性和負電性的氨基酸序列節段多種鈉通道構象模型的共同特徵是由多個α螺旋跨膜排列組成通道通道內側應富含極性的氨基酸殘基側鏈每個通道的控制部分由離子選擇性濾器活化閘門和失活閘門3部分組成其實體是氨基酸側鏈的極性基團膜電位變化時電場誘導極性基團運動使通道局部構象發生變化導致通道的開放失活或關閉併產生門控電流關於關閉活化和失活3種狀態之間的轉化有兩種觀點一種認為通道從關閉態必須經活化態才能轉化為失活態偶聯方式另一種認為從關閉態可以直接轉化為失活態非偶聯方式目前非偶聯方式得到較多的實驗事實支持

離子通道特性1選擇性指一種通道優先讓某種離子通過而另一些離子則不容易通過該種通道的特性例如鈉通道開放時鈉離子可通過而鉀離子則不能通過

2開關性離子通道存在兩種狀態即開放和關閉狀態多數情況時離子通道是關閉的只在一定的條件下開放通道由關閉狀態轉為開放的過程稱為激活由開放轉為關閉狀態的過程稱為失活通道的開放與激活過程有一定的速率通常很快以毫秒ms) 計算

離子通道分類離子通道的開放和關閉稱為門控根據門控機制的不同將離子通道分為三大類

⑴電壓門控性又稱電壓依賴性或電壓敏感性離子通道因膜電位變化而開啟和關閉以最容易通過的離子命名,如鉀鈉鈣氯通道四種主要類型各型又分若干亞型

配體門控性又稱化學門控性離子通道由遞質與通道蛋白質受體分子上的結合位點結合而開啟以遞質受體命名如乙酰膽鹼受體通道谷氨酸受體通道門冬氨酸受體通道等非選擇性陽離子通道一系由配體作用於相應受體而開放同時允許鈉鈣 或鉀通過

⑶機械門控性又稱機械敏感性離子通道是一類感受細胞膜表面應力變化實現胞外機械信號向胞內轉導的通道根據通透性分為離子選擇性和非離子選擇性通道根據功能作用分為張力激活型和張力失活型離子通道

此外還有細胞器離子通道如廣泛分佈于哺乳動物細胞線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道位於細胞器肌質網或內質網膜上的受體通道受體通道

電壓門控鈣通道VGC) 分為L 型Long - lasting) N 型No - Long lasting,non - tsansient) T 型Transient) 和P/ Q 四個亞型.

L 型通道電導較大失活慢持續時間長需要強的去極化才能激活在血管內分泌和神經等多種組織中表達參與電- 收縮耦聯和調控代謝

T型通道電導小失活快弱的去極化電流即能激活它主要分佈在心臟和血管平滑肌觸發起搏電活動

N 型通道失活較快需強的去極化電流激活目前僅在神經組織中發現主要觸發交感神經遞質的釋放

P/ Q 通道具有相同的α1亞單位α1A) 統稱為P/ Q 型鈣通道P/ Q 型鈣通道在神經遞質釋放過程中有重要作用

鉀通道一種廣泛存在於細胞膜上的鉀離子選擇性通過的蛋白複合體在結構和功能上形成通道的一大家庭鉀離子通道一般可分為四個基本類型電壓門控鉀通道Voltage - gated K+ Channels,KV) 鈣激活鉀通道Calcium - activated K+ Channels,KCa) 三磷酸腺苷敏感性鉀通道ATP – Sensitive K+ Channels,KATP) .

電壓門控鉀通道又分為內向整流鉀離子通道Inward rectifier K+ Channds,Kir延遲外向整流鉀通道瞬時外向鉀通道

離子通道生理功能⑴提高細胞內鈣濃度從而觸發肌肉收縮細胞XX腺體分泌鈣依賴性離子通道開放和關閉蛋白激酶的激活和基因表達的調節等一系列生理效應

⑵在神經肌肉等XX性細胞鈉和鈣通道主要調控去極化鉀主要調控復極化和維持靜息電位從而決定細胞的XX性不應性和傳導性

⑶調節血管平滑肌舒縮活動其中有鉀鈣氯通道和某些非選擇性陽離子通道與參與

⑷參與突觸傳遞

⑸維持細胞正常體積在高滲環境中離子通道和轉運系統激活使鈉氯和水分XX細胞內而調節細胞體積XX在低滲環境中鈉氯和水分流出細胞而調節細胞體積減少

離子通道病編碼離子通道亞單位的基因發生突變/ 表達異常或體內出現針對通道的病理性內源性物質時使通道的功能出現不同程度的削弱或增強從而導致機體整體生理功能的紊亂出現某些先天性和後天獲得性疾病

可分為先天性離子通道病geneticchannelopathy) 和獲得性離子通道病acquiredchannelopathy其中後者既可由基因表達異常引起又可由出現抗體等物質導致

根據通道的類型可分為電壓門控性離子通道病voltage-gated channelopat hy) 和配體門控性離子通道ligandgatedchannelopathy) 等後者也是受體病receptor diseases) 的一種

根據離子通道功能的改變不同可分為功能增益性離子通道病和功能削弱性離子通道病等

根據離子通道病變累及的系統可分為神經肌肉系統離子通道病如鉀通道突變所致的BFNCbenign familial neonatal convulsions等 心血管系統離子通道病如長Q T 綜合征 泌尿系統離子通道病如Bartter 綜合征 呼吸系統離子通道病如肺囊性纖維化等 等

1鉀通道病鉀離子通道在所有可XX性和非XX性細胞的重要信號傳導過程中具有重要作用其家族成員在調節神經遞質釋放心率胰島素分泌神經細胞分泌上皮細胞電傳導骨骼肌收縮細胞容積等方 面發揮重要作用已經發現的鉀通道病有良性家族性新生兒驚厥1型發作共濟失調陣發性舞蹈手足徐動症伴發作性共濟失調癲癰長QT綜合征等

2鈉通道病鈉離子通道在大多數XX細胞動作電位的起始階段起重要作用已經發現的鈉通道病有高鉀型周期性麻痹正常血鉀型周期性麻痹先天性肌無力

3鈣通道病鈣離子通道廣泛存在於機體的不同類型組織細胞中參與神經肌肉分泌XX等系統的生理過程已經發現的鈣通道病有家族性偏癱型偏頭痛低鉀型周期性癱瘓共濟失調肌無力綜合征等

4氯通道病氯離子通道廣泛分佈于機體的XX性細胞和非XX性細胞膜及溶酶體線粒體內質網等細胞器的質膜在細胞XX性調節跨上皮物質轉運細胞容積調節和細胞器酸化等方面具有重要作用已經發現的氯通道病有先天性肌強直隱性遺傳全身性肌強直囊性纖維化病遺傳性腎結石病

疾病離子通道改變病變中的離子通道改變是指由於某一疾病或藥物引起某一種或幾種離子通道的數目功能甚至結構變化

如老年性痴呆症AD大量的研究發現患者體內的一些內源性致病物質如β澱粉樣蛋白β澱粉樣蛋白前體早老素蛋白 與鉀通道鈣通道功能異常密切相關可能通過影響鉀通道鈣通道的本身結構和或調節過程等參與患者早期記憶損失認知功能下降等癥狀的出現

如腦缺血缺血后能量代謝紊亂細胞內ATP合成下降突觸間隙的谷氨酸劇增谷氨酸作用NMDA受體引起受體依賴性鈣通道開放鈣內流增加導致神經細胞內鈣超載谷氨酸還可經非NMDA途徑使鈉通道開放引起鈉內流增加隨即引起氯和水內流導致神經細胞急性滲透性腫脹

作用於鈉通道的藥物絕大多數鈉通道為電壓門控性通道主要是維持細胞膜的XX性和傳導性

分佈密度不等每平方微米幾百個到幾千個

重要特性對鈉高度選擇性電壓依賴性激活和失活速度快

有激活閘門失活閘門電壓感受器

藥物有3類

鈉通道阻滯劑河豚素TTX甲藻毒素等

促進激活的藥物箭毒蛙毒素藜蘆鹼等

促進失活的藥物局麻藥聚L-精氨酸

阻滯或促進鈉通道失活的藥物抑制快鈉內流促進激活或抑制失活的藥物XX鈉內向電流

作用於鉀通道的藥物鉀通道分佈廣泛有數十種類型

⑴瞬時外向鉀通道廣泛存在心肌細胞

生理特性電壓依賴性時間依賴性頻率依賴性失活表現為瞬時外向電流Ito隨後關閉Ito是參與心肌復極主要離子流

⑵延遲外向整流鉀通道延遲外向整流鉀通道電流Ik可分為快激活整流鉀電流Ikr和慢激活整流鉀電流Iks)

生理特性延遲整流性時間依賴性電壓依賴性參與心肌動作到位復極化過程是抗心律失常藥物作用重要分子靶標如Ⅲ類抗心律失常葯胺碘酮

⑶內向整流鉀通道Kir

分佈心肌骨骼肌平滑肌內分泌細胞

生理功能維持細胞靜息電位調節血管平滑肌舒縮等

四乙胺ZnCdCsBa等離子為非特異性阻斷劑苯吡喃的衍生物是特異性阻斷劑

⑷鈣激活鉀通道Kca

廣泛分佈于除心肌以外的各組織細胞是一個大家族分3個亞類大電導型BKca 中電導型IKca和小電導型SKcaBKca調節血管平滑肌起重要作用其阻斷劑有iberiotoxin,charybdotoxin

⑸ATP敏感性鉀通道KATP

分佈于胰腺細胞神經元平滑肌等

阻斷劑磺酰脲類降糖葯等.

KATP可能抗缺血損傷的藥物作用靶標

作用鈣通道的藥物鈣通道阻滯劑和鈣通道激活劑

⑴鈣通道阻滯劑

發展極其迅速有數十種主要用於心血管病治療國際藥理學會分類

一類選擇性作用於L-型鈣通道明確位點的藥物根據化學結構又分為Ia類二氫吡啶類如硝笨地平Ib類地爾硫桌類如地爾硫卓類Ic類苯烷胺類如維拉帕米Id類如粉防己鹼

二類選擇性作用於其它電壓門控鈣通道的藥物如作用於T通道藥物苯妥英右美沙芬等作用於N通道的芋螺毒素作用於P通道的蜘蛛毒素

⑵鈣通道激活劑

增加鈣內流促進遞質和激素分泌引起心肌和平滑肌收縮主要作為工具葯

作用於氯通道的藥物電壓依賴性氯通道容積激活性氯通道鈣激活性氯通道配體激活性氯通道等

相關文獻大鼠冠狀動脈平滑肌細胞離子通道研究中的急性酶分離技術-中西醫結合心腦血管病雜誌-2009年 第12期 (3)

膜片鉗技術在心血管及藥理學研究中的應用-中國心血管病研究雜誌-2007年 第9期 (3)

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生命科學細胞生物學科學生物生物技術 諾貝爾生理學或醫學獎 , 細胞膜

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1簡介2研究簡史3研究方法3.1電壓鉗位技術3.2單通道電流記錄技術3.3通道藥物學研究3.4通蛋離、通建和基重術4功能特徵4.1鈉通道4.2鉀通道4.3鈣通道4.4N型乙酰膽鹼受體通道5其它相關5.1分子構象和門控動力學5.2離子通道特性5.3離子通道分類5.4離子通道生理功能5.5離子通道病5.6疾病離子通道改變5.7作用於鈉通道的藥物5.8作用於鉀通道的藥物5.9作用鈣通道的藥物5.10作用於氯通道的藥物

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1簡介 生物膜離子通道

活體細胞不停地進行新陳代謝活動就必須不斷地與周圍環境進行物質交換而細胞膜上的離子通道就是這種物質交換的重要途徑.人們已經知道大多數對生命具有重要意義的物質都是水溶性的如各種離子糖類等它們需要XX細胞而生命活動中產生的水溶性廢物也要離開細胞它們出入的通道就是細胞膜上的離子通道.

離子通道由細胞產生的特殊蛋白質構成它們聚集起來並鑲嵌在細胞膜上中間形成水分子佔據的孔隙這些孔隙就是水溶性物質快速進出細胞的通道.離子通道的活性就是細胞通過離子通道的開放和關閉調節相應物質進出細胞速度的能力對實現細胞各種功能具有重要意義.兩名德國科學家埃爾溫·內爾和貝爾特·扎克曼即因發現細胞內離子通道並開創膜片鉗技術而獲得1991年的諾貝爾生理學獎.

2研究簡史在生物電產生機制的研究中發現了生物膜對離子通透性的變化1902年J.伯恩斯坦在他的膜學說中提出神經細胞膜對鉀離子有選擇通透性1939年A.L.霍奇金與A.F.赫胥黎用微電極XX槍烏賊巨神經纖維中直接測量到膜內外電位差1949年A.L.霍奇金和B.卡茨在一系列工作基礎上提出膜電位離子假說認為細胞膜動作電位的發生是膜對納離子通透性快速而特異性地增加稱為鈉學說尤其重要的是1952年A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎用電壓鉗技術在槍烏賊巨神經軸突上對細胞膜的離子電流和電導進行了細緻地定量研究結果表明Na+和K+的電流和電導是膜電位和時間的函數並首次提出了離子通道的概念他們的模型 (H-H模型認為細胞膜的K+通道受膜上4個帶電粒子的控制當4個粒子在膜電場作用下同時移到某一位置時K+才能穿過膜

另一方面1955年卡斯特羅和B.卡茨對神經-肌肉接頭突觸傳遞過程的研究發現突觸后膜終板電位的發生是由於神經遞質乙酰膽鹼(Ach作用於終板膜上受體的結果從而確認了受化學遞質調控的通道60年代用各種生物材料對不同離子通透性的研究表明各種離子在膜上各自有專一性的運輸機構曾經提出運輸機構是載體洞孔和離子交換等模型1973年和1974年C.M.阿姆斯特朗F.貝薩尼利亞及R.D.凱恩斯E.羅賈斯兩組分別在神經軸突上測量到與離子通道開放相關的膜內電荷的運動稱為門控電流確認了離子通道的開放與膜中帶電成分運動的依從性1976年E.內爾和B.薩克曼創立了離子單通道電流記錄技術並迅速得到推廣應用近年用這種技術發現了一些新型離子通道為深入研究通道的結構和功能提供了有力的工具

80年代初學者們先後從細胞膜上分離和純化了一些運輸離子的功能性蛋白質並在人工膜上成功地重建了通道功能從而肯定了離子通道實體就是膜上一些特殊蛋白質分子或其複合物近年科學家應用基因重組技術研究離子通道的結構1982和1984年紐莫及合作者先後測定了N型Ach受體和Na+通道蛋白的氨基酸序列

3研究方法離子通道結構和功能的研究需綜合應用各種技術包括電壓和電流鉗位技術單通道電流記錄技術通道蛋白分離純化等生化技術人工膜離子通道重建技術通道藥物學基因重組技術及一些物理和化學技術

電壓鉗位技術一般而言膜對某種離子通透性的變化是膜電位和時間的函數通過玻璃微電極與細胞膜之間形成緊密封接利用電子學技術施加一跨膜電壓並把膜電位固定於某一數值可以測定該膜電位條件下離子電流隨時間變化的動態過程利用藥物或改變細胞內外的溶液成分使其他離子通道失效即可測定被研究的某種離子通道的功能性參量分析離子電流的穩態和動力學與膜電位離子濃度等之間的關係可推斷該種通道的電導活化和失活速率離子選擇性等並能測量和分析通道的門控電流的特性

單通道電流記錄技術又稱膜片鉗位技術用特製的玻璃微吸管吸附於細胞表面使之形成10~100GΩ的密封giga-seal被孤立的小膜片面積為μm2量級內中僅有少數離子通道然後對該膜片實行電壓鉗位可測量單個離子通道開放產生的pA(10-12安培量級的電流這種通道開放是一種隨機過程通過觀測單個通道開放和關閉的電流變化可直接得到各種離子通道開放的電流幅值分佈開放幾率開放壽命分佈等功能參量並分析它們與膜電位離子濃度等之間的關係還可把吸管吸附的膜片從細胞膜上分離出來以膜的外側向外或膜的內側向外等方式進行實驗研究這種技術對小細胞的電壓鉗位改變膜內外溶液成分以及施加藥物都很方便

通道藥物學研究應用電壓鉗位或單通道電流記錄技術可分別于不同時間不同部位膜內側或外側施用各種濃度的藥物研究它們對通道各種功能的影響結合對藥物分子結構的了解不但可以深入了解藥物和毒素對人和動物生理功能作用的機制還可以從分子水平得到通道功能亞單位的類型和構象等信息

通蛋離通建和基重術利用與通道特異結合的毒劑標記可把通道蛋白質從膜上分離下來經過純化可以測定各亞單位多肽的分子量然後把它們加入人工膜可重新恢復通道功能用於確定蛋白質氨基酸序列的基因重組技術的程序是從細胞中分離出含有與該種通道蛋白相關的mRNA置入某種細胞如大腸桿菌經逆轉錄得到cDNA用限制性內切酶將cDNA切割成特定片段再用核酸雜交方法釣出特定的DNA並克隆化通過測定陽性克隆DNA的核苷酸順序推斷出相應的蛋白質氨基酸序列

4功能特徵離子通道依據其活化的方式不同可分兩類一類是電壓活化的通道即通道的開放受膜電位的控制如Na+Ca+Cl-和一些類型的K+通道另一類是化學物活化的通道即靠化學物與膜上受體相互作用而活化的通道如 Ach受體通道氨基酸受體通道Ca+活化的K+通道等

鈉通道各種生物材料中與電XX相關的Na+通道有相似的基本特徵通道活化時間常數小於1毫秒失活時間常數為數毫秒Na+電流的反轉電位約+55毫伏單通道電流記錄顯示Na+單通道電導為4~20pS平均開放壽命數毫秒

根據一些藥物和毒素對Na+通道功能的不同影響可分為4種類型①通道阻斷劑如河豚毒素TTX石房蛤毒素STX②通道活化增強劑如β-蝎毒箭毒蛙毒素BTX藜蘆鹼毒素VER等③通道活化抑製劑如一些局部麻醉劑及其衍生物④通道失活抑製劑如鏈霉蛋白酶N-溴乙酰胺NBA等

鉀通道根據功能特性的不同K+通道可分為以下類型①慢延遲K+通道K通道也就是H-H模型中的K+通道單通道電流記錄顯示單個K通道電導在2~20pS通道平均開放壽命為數十毫秒該種通道可被四乙胺TEA等特異性阻斷通道對K+有高度選擇性但R姾和NH嬃亦能通過這種通道在神經軸突和骨骼肌細胞膜中有較高密度②快早期K+通道A通道該種通道外向的K+流在膜去極化的早期就出現表明通道的活化時間常數比慢K+通道小得多但在-40毫伏以上該通道即關閉電壓鉗位實驗表明其宏觀電流動力學與Na+電流相似較低濃度的4-氨基吡啶即能阻斷該通道它也可被四乙胺阻斷③Ca2+活化的K+通道K(Ca通道該種通道的開放不但與膜電位有關而且依賴於細胞內Ca2+的濃度每個通道需結合兩個Ca2+才能活化單通道電導可高達300pS,並有較長的開放壽命這種通道與Ca2+通道協同作用對調節細胞膜電XX性的節律有重要意義它可被四乙胺N'-四乙酸EGTA奎尼丁和Ba2+阻斷④內向整流的K+通道其特徵是在膜超極化時通道開放與膜電位和胞外K+濃度密切相關通道開放時產生內向K+電流單通道電導在5~10pS範圍

鈣通道Ca2+通道廣泛存在於各種生物組織的細胞膜中宏觀的Ca2+電流動力學特徵與Na2+電流相似但峰值小且失活過程慢可達數十到數百毫秒Ca2+通道對Ca2+Ba2+Sr2+都有高通透性但Ni2+Cd2+Co2+Mn2+等離子能有效地阻斷Ca2+通道藥物對Ca2+通道的作用可分為①通道阻斷或抑製劑可分為苯烷基胺類如異博定甲基異博定D600苯硫氮?類雙氫吡啶類等類型②通道激活劑一些雙氫吡啶化合物如BayK8644等藥物可活化Ca2+通道近年對小雞背根神經節細胞的研究發現有3種類型的Ca2+通道①L型該種通道在膜電位大於-20毫伏時活化電流失活緩慢單通道電導約25pS②T型膜電位約-60毫伏時通道即活化-10毫伏以上通道電流幅值反而下降單通道電導約8pS③N型該種通道在膜電位不小於-10毫伏才能活化但又必須超極化到-80毫伏以下才能克服通道的失活電流動力學比 L型快但比T型慢單通道電導約13pS以上3類Ca2+通道在不同細胞膜上選擇性分佈及密度的差別將影響各種細胞的生理功能Ca2+通道除了對細胞電XX性有貢獻外它通過調節細胞內Ca2+濃度可進一步調節許多細胞功能

N型乙酰膽鹼受體通道它是由神經遞質Ach活化的正離子通道當突觸前膜一次量子化釋放數千個 Ach分子它們作用於突觸后膜上的N型受體時受體通道開放產生Na+和K+電流引發突觸后膜一個小終板電位mEPPN-AchR單通道電導在20~60pS範圍平均開放壽命數毫秒通道電流反轉電位約-10毫伏近年發現該種通道有多種電導態見圖通道的離子選擇性較差可允許數十種無機和有機正離子通過許多毒素和有機物能阻斷或抑制該種通道α-銀環蛇毒α-BGTX是 N型Ach受體通道的特異性阻斷劑

80年代以來已發現多種由神經遞質和激素活化的受體通道如谷氨酸受體通道多巴胺受體通道5-羥色胺受體通道γ-氨基丁酸受體通道等

5其它相關分子構象和門控動力學離子通道研究的前沿是試圖從分子水平揭示通道蛋白的空間構象構象變化與通道門控動力學之間的關係

N-AchR通道

已測定了受體蛋白質分子量是250000並測定了它的全部氨基酸序列確證該受體通道由αγ和δ5個亞基組成這4種亞基有相似的氨基酸順序但只有α亞基上有 α-BGTX的特異結合位點一種構象模型是5個亞基各有若幹個α螺旋跨膜排列共同形成五瓣狀的蛋白質複合物兩個α亞基間是親水的離子通道通道開口約25埃中間是6~7埃的狹窄孔道其中排列有負電性氨基酸殘基側鏈當兩個 Ach分子分別結合於兩個α亞基特定位點后引起局部構象變化使通道開放

鈉通道

從電鰻電板分離的鈉通道蛋白質分子量是208321是由1820個氨基酸組成的多肽序列可分為4個相似的區段每個區段中分別有較集中的正電性和負電性的氨基酸序列節段多種鈉通道構象模型的共同特徵是由多個α螺旋跨膜排列組成通道通道內側應富含極性的氨基酸殘基側鏈每個通道的控制部分由離子選擇性濾器活化閘門和失活閘門3部分組成其實體是氨基酸側鏈的極性基團膜電位變化時電場誘導極性基團運動使通道局部構象發生變化導致通道的開放失活或關閉併產生門控電流關於關閉活化和失活3種狀態之間的轉化有兩種觀點一種認為通道從關閉態必須經活化態才能轉化為失活態偶聯方式另一種認為從關閉態可以直接轉化為失活態非偶聯方式目前非偶聯方式得到較多的實驗事實支持

離子通道特性1選擇性指一種通道優先讓某種離子通過而另一些離子則不容易通過該種通道的特性例如鈉通道開放時鈉離子可通過而鉀離子則不能通過

2開關性離子通道存在兩種狀態即開放和關閉狀態多數情況時離子通道是關閉的只在一定的條件下開放通道由關閉狀態轉為開放的過程稱為激活由開放轉為關閉狀態的過程稱為失活通道的開放與激活過程有一定的速率通常很快以毫秒ms) 計算

離子通道分類離子通道的開放和關閉稱為門控根據門控機制的不同將離子通道分為三大類

⑴電壓門控性又稱電壓依賴性或電壓敏感性離子通道因膜電位變化而開啟和關閉以最容易通過的離子命名,如鉀鈉鈣氯通道四種主要類型各型又分若干亞型

⑵配體門控性又稱化學門控性離子通道由遞質與通道蛋白質受體分子上的結合位點結合而開啟以遞質受體命名如乙酰膽鹼受體通道谷氨酸受體通道門冬氨酸受體通道等非選擇性陽離子通道一系由配體作用於相應受體而開放同時允許鈉鈣 或鉀通過

⑶機械門控性又稱機械敏感性離子通道是一類感受細胞膜表面應力變化實現胞外機械信號向胞內轉導的通道根據通透性分為離子選擇性和非離子選擇性通道根據功能作用分為張力激活型和張力失活型離子通道

此外還有細胞器離子通道如廣泛分佈于哺乳動物細胞線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道位於細胞器肌質網或內質網膜上的受體通道受體通道

電壓門控鈣通道VGC) 分為L 型Long - lasting) N 型No - Long lasting,non - tsansient) T 型Transient) 和P/ Q 四個亞型.

L 型通道電導較大失活慢持續時間長需要強的去極化才能激活在心血管內分泌和神經等多種組織中表達參與電- 收縮耦聯和調控代謝

T型通道電導小失活快弱的去極化電流即能激活它主要分佈在心臟和血管平滑肌觸發起搏電活動

N 型通道失活較快需強的去極化電流激活目前僅在神經組織中發現主要觸發交感神經遞質的釋放

P/ Q 通道具有相同的α1亞單位α1A) 統稱為P/ Q 型鈣通道P/ Q 型鈣通道在神經遞質釋放過程中有重要作用

鉀通道一種廣泛存在於細胞膜上的鉀離子選擇性通過的蛋白複合體在結構和功能上形成通道的一大家庭鉀離子通道一般可分為四個基本類型電壓門控鉀通道Voltage - gated K+ Channels,KV) 鈣激活鉀通道Calcium - activated K+ Channels,KCa) 三磷酸腺苷敏感性鉀通道ATP – Sensitive K+ Channels,KATP) .

電壓門控鉀通道又分為內向整流鉀離子通道Inward rectifier K+ Channds,Kir延遲外向整流鉀通道瞬時外向鉀通道

離子通道生理功能⑴提高細胞內鈣濃度從而觸發肌肉收縮細胞XX腺體分泌鈣依賴性離子通道開放和關閉蛋白激酶的激活和基因表達的調節等一系列生理效應

⑵在神經肌肉等XX性細胞鈉和鈣通道主要調控去極化鉀主要調控復極化和維持靜息電位從而決定細胞的XX性不應性和傳導性

⑶調節血管平滑肌舒縮活動其中有鉀鈣氯通道和某些非選擇性陽離子通道與參與

⑷參與突觸傳遞

⑸維持細胞正常體積在高滲環境中離子通道和轉運系統激活使鈉氯和水分XX細胞內而調節細胞體積XX在低滲環境中鈉氯和水分流出細胞而調節細胞體積減少

離子通道病編碼離子通道亞單位的基因發生突變/ 表達異常或體內出現針對通道的病理性內源性物質時使通道的功能出現不同程度的削弱或增強從而導致機體整體生理功能的紊亂出現某些先天性和後天獲得性疾病

可分為先天性離子通道病geneticchannelopathy) 和獲得性離子通道病acquiredchannelopathy其中後者既可由基因表達異常引起又可由出現抗體等物質導致

根據通道的類型可分為電壓門控性離子通道病voltage-gated channelopat hy) 和配體門控性離子通道ligandgatedchannelopathy) 等後者也是受體病receptor diseases) 的一種

根據離子通道功能的改變不同可分為功能增益性離子通道病和功能削弱性離子通道病等

根據離子通道病變累及的系統可分為神經肌肉系統離子通道病如鉀通道突變所致的BFNCbenign familial neonatal convulsions等 心血管系統離子通道病如長Q T 綜合征 泌尿系統離子通道病如Bartter 綜合征 呼吸系統離子通道病如肺囊性纖維化等 等

1鉀通道病鉀離子通道在所有可XX性和非XX性細胞的重要信號傳導過程中具有重要作用其家族成員在調節神經遞質釋放心率胰島素分泌神經細胞分泌上皮細胞電傳導骨骼肌收縮細胞容積等方 面發揮重要作用已經發現的鉀通道病有良性家族性新生兒驚厥1型發作性共濟失調陣發性舞蹈手足徐動症伴發作性共濟失調癲癰長QT綜合征等

2鈉通道病鈉離子通道在大多數XX細胞動作電位的起始階段起重要作用已經發現的鈉通道病有高鉀型周期性麻痹正常血鉀型周期性麻痹先天性肌無力等

3鈣通道病鈣離子通道廣泛存在於機體的不同類型組織細胞中參與神經肌肉分泌XX等系統的生理過程已經發現的鈣通道病有家族性偏癱型偏頭痛低鉀型周期性癱瘓共濟失調肌無力綜合征等

4氯通道病氯離子通道廣泛分佈于機體的XX性細胞和非XX性細胞膜及溶酶體線粒體內質網等細胞器的質膜在細胞XX性調節跨上皮物質轉運細胞容積調節和細胞器酸化等方面具有重要作用已經發現的氯通道病有先天性肌強直隱性遺傳全身性肌強直囊性纖維化病遺傳性腎結石病

疾病離子通道改變病變中的離子通道改變是指由於某一疾病或藥物引起某一種或幾種離子通道的數目功能甚至結構變化

如老年性痴呆症AD大量的研究發現患者體內的一些內源性致病物質如β澱粉樣蛋白β澱粉樣蛋白前體早老素蛋白 與鉀通道鈣通道功能異常密切相關可能通過影響鉀通道鈣通道的本身結構和或調節過程等參與患者早期記憶損失認知功能下降等癥狀的出現

腦缺血缺血后能量代謝紊亂細胞內ATP合成下降突觸間隙的谷氨酸劇增谷氨酸作用NMDA受體引起受體依賴性鈣通道開放鈣內流增加導致神經細胞內鈣超載谷氨酸還可經非NMDA途徑使鈉通道開放引起鈉內流增加隨即引起氯和水內流導致神經細胞急性滲透性腫脹

作用於鈉通道的藥物絕大多數鈉通道為電壓門控性通道主要是維持細胞膜的XX性和傳導性

分佈密度不等每平方微米幾百個到幾千個

重要特性對鈉高度選擇性電壓依賴性激活和失活速度快

有激活閘門失活閘門電壓感受器

藥物有3類

鈉通道阻滯劑河豚素TTX甲藻毒素等

促進激活的藥物箭毒蛙毒素藜蘆鹼等

促進失活的藥物局麻藥聚L-精氨酸等

阻滯或促進鈉通道失活的藥物抑制快鈉內流促進激活或抑制失活的藥物XX鈉內向電流

作用於鉀通道的藥物鉀通道分佈廣泛有數十種類型

⑴瞬時外向鉀通道廣泛存在心肌細胞

生理特性電壓依賴性時間依賴性頻率依賴性失活表現為瞬時外向電流Ito隨後關閉Ito是參與心肌復極主要離子流

⑵延遲外向整流鉀通道延遲外向整流鉀通道電流Ik可分為快激活整流鉀電流Ikr和慢激活整流鉀電流Iks)

生理特性延遲整流性時間依賴性電壓依賴性參與心肌動作到位復極化過程是抗心律失常藥物作用重要分子靶標如Ⅲ類抗心律失常葯胺碘酮等

⑶內向整流鉀通道Kir

分佈心肌骨骼肌平滑肌內分泌細胞等

生理功能維持細胞靜息電位調節血管平滑肌舒縮等

四乙胺ZnCdCsBa等離子為非特異性阻斷劑苯吡喃的衍生物是特異性阻斷劑

⑷鈣激活鉀通道Kca

廣泛分佈于除心肌以外的各組織細胞是一個大家族分3個亞類大電導型BKca 中電導型IKca和小電導型SKcaBKca調節血管平滑肌起重要作用其阻斷劑有iberiotoxin,charybdotoxin

⑸ATP敏感性鉀通道KATP

分佈于胰腺細胞神經元平滑肌等

阻斷劑磺酰脲類降糖葯等.

KATP可能抗缺血損傷的藥物作用靶標

作用鈣通道的藥物鈣通道阻滯劑和鈣通道激活劑

⑴鈣通道阻滯劑

發展極其迅速有數十種主要用於心血管病治療國際藥理學會分類

一類選擇性作用於L-型鈣通道明確位點的藥物根據化學結構又分為Ia類二氫吡啶類如硝笨地平Ib類地爾硫桌類如地爾硫卓類Ic類苯烷胺類如維拉帕米Id類如粉防己鹼等

二類選擇性作用於其它電壓門控鈣通道的藥物如作用於T通道藥物苯妥英右美沙芬等作用於N通道的芋螺毒素作用於P通道的蜘蛛毒素

⑵鈣通道激活劑

增加鈣內流促進遞質和激素分泌引起心肌和平滑肌收縮主要作為工具葯

作用於氯通道的藥物電壓依賴性氯通道容積激活性氯通道鈣激活性氯通道配體激活性氯通道等


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