《生物物理学》课件第五章生物膜离子通道（新 ）

1、 第五章 生物膜离子通道11 离子通道的概念及特征2 电压门控离子通道的分子结构和门控机制3 Na+通道4 Ca2+通道5 K+通道2 细胞膜的离子通道研究在生物物理学中是一个很受重视的领域,可以从分子和细胞水平上理解细胞的许多基本功能，如细胞膜的物质运输、神经兴奋和肌肉收缩等，探讨某些药物的作用机制和某些疾病的发病机制。3 离子通道是生命活动的基础，无论是动物、植物，单细胞、多细胞，细胞膜上都有离子通道的存在。 离子通道的最基本功能是产生细胞生物电现象，即与细胞的兴奋直接相关。4 可兴奋细胞兴奋时，膜对各种离子发生通透性的变化，离子进出细胞的速度和方向受各自电化学梯度控制，并且离子运动可在数

2、毫秒内完成。51 离子通道的概念及特征 一. 离子通道是细胞膜上的一种特殊整合蛋白，在脂双层分子上构成具有高度选择性的亲水性通道，允许适当大小和电荷的离子以被动转运的方式通过，因此离子通道具有某些共同特征。6 跨膜信号传导的方式71.选择性:对离子大小和电荷的选择性 在一定条件下，某一种离子只能通过与 其相应的通道跨膜扩散。 各种离子通道在不同状态下，对相应离子 的通透性不同。例：静息时，神经细胞对K+的通透性比Na+大25倍。 而兴奋时，对Na+的通透性又比K+大10-20倍。82.门控特性：大多数离子通道通常是相对 静止的，只有在特殊刺激的 作用下才打开和关闭。这种 反应称为门控。离子通道

3、蛋 白构象的变化是门控的基础。 所有离子通道都有gating。93.结构:由几个亚基和或结构域组成，中央形 成能通过离子的亲水性孔道。 孔的开放和关闭导致通道的开放和关闭。4.驱动力:离子的电化学梯度5.无饱和现象6.非常快1011二.离子通道的类型： 根据离子通道门控特性不同,离子通道分为:电压门控、化学（配体）门控和机械门控离子通道和其它门控离子通道。 电压门控离子通道(电压依赖性离子通道)For example:K+ channel, Ca2+ channel, Na+ channel 12化学门控离子通道(配体门控离子通道) 细胞外配体：AchR, 细胞内配体: KATP， ATP s

4、ensitive K channel Kca， Ca activated K channel 机械门控离子通道 由机械牵拉激活的离子通道，主要见于触觉和听觉感受器。例：声波传入内耳后，引起内耳毛细胞顶端纤毛发生弯曲和偏斜，从而使毛细胞顶端机械门控通道打开，阳离子内流产生听觉的感受电位。1314其它门控离子通道 如细胞容积敏感的K+通道。在细胞肿胀时，通道打开。152.按通过的离子，分为：K+ channel: KV, Kir, Kca, KATPNa+ channlesCa2+ channels: L-type, T-type, P/N typeCation channelCl- channe

5、l:H+ channelWater channel16三.离子通道的生理功能举例 功能很多，其功能随通道的状态、种类、分布、门控机制不同而明显差异，主要功能有： 17 1.提高细胞内钙离子浓度而触发生理效应 Ca2+通道开放Ca2+内流细胞内Ca2+ 触发各种反应： 肌肉、腺体细胞收缩和分泌 Ca2+依赖的离子通道开放和关闭 蛋白激酶（如PKC）的激活及调控基因的表达 各种钙结合蛋白 心脏窦房结和房室结的兴奋，神经细胞兴奋18192.形成细胞生物电现象的基础 离子通道介导的跨膜转运是产生静息电位和动作电位的基础，也是细胞完成各种功能的前提。 203.调节血管平滑肌的舒缩作用 血管平滑肌有钙通道

6、、钾通道和氯通道，可调节血管平滑肌的舒缩活性。 钾通道是调节血管平滑肌舒缩活性的主要离子通道 21平滑肌张力-膜电位 膜电位在血管平滑肌张力的调节中起主导作用。膜电位只有几毫伏的改变，血管直径就发生显著变化。为什么膜电位影响血管的舒缩？ 膜电位变化影响影响电压依赖性钙通道的活性和Cai浓度，从而影响血管的舒缩。22怎样调节膜电位？ 血管平滑肌的膜电位主要由钾通道调节，钾通道被激活而开放时，K外流导致膜超极化 电压依赖性钙通道关闭，Ca内流减少 血管平滑肌张力下降，血管扩张。23钾通道膜电位电压依赖性钙通道平滑肌张力血管舒缩24 钾通道功能不全可导致血管收缩或痉挛。因此，在血管痉挛、高血压、心肌

7、缺血和糖尿病时，其血管反应性病理改变中可能有钾通道的变化。影响膜电位的生理活性物质或药物引起血管张力明显变化，故通过激活钾通道使膜电位超极化应是扩张血管、导致血压下降的主要原因。254.参与突触传递 突触传递包括突触前和突触后两个过程： 突触前过程：神经末梢释放神经递质，作用于突触后靶细胞部位引起突触反应。 突触后传递过程：使化学信号转变为电信号，实现神经元之间、神经元与靶细胞之间的信息传递。 参加突触传递的离子通道有： 钙通道、钠通道、钾通道、氯通道26参加突触传递的离子通道有： 钙通道 钠通道 钾通道 氯通道275. 维持细胞正常形态和功能的完整性 细胞正常结构和形态的完整性是实现其基本功

8、能的基础。 细胞正常结构和形态的完整性有赖于细胞所处环境渗透压及水的跨膜转运。 而渗透压及水的跨膜转运的维持与离子通道及膜上离子转运体密切相关。286. KATP所涉及的生理功能292 电压门控离子通道的 分子结构和门控机制30一. 电压门控离子通道的几种工作状态 Resting available (closed)-静态、关闭 Activated (open)-激活态 Inactivation (closed during maintain deporlarisation) （closed）-失活3165mV10mVIK no inactivationdeactivationIna Inac

9、tivation32 C O Iactivationinactivation deactivation去激活？33OpenConductingconformationam(Vm)bm(Vm)ah(Vm)bh(Vm)ClosedNon-conductingconformation(s)(at negative potentials)(shortly after more depolarized potentials)InactivatedAnother Non-conductingconformation(a while after moredepolarized potentials)34-7

10、0 mV0 mVVoltage pulseCa currrentInward currentCa currentInward current0 uA0 uAactivationactivationinactivationdeactivation两种不同钙通道的工作状态 35 不同的通道关闭机制不同，是通过Inactivation or Deactivation, 取决于通道本身。 在神经细胞动作电位中，绝对不应期对应 Na+ channel 的 Inactivation 状态。36二.电压门控的离子通道基本的分子结构： 经纯化、克隆和测定表明，可兴奋细胞的各种电压门控离子通道均为亚基和其它亚基

11、组成的糖基化多肽复合体。 Na+ ： 、1、2 K+ ： 、 Ca2+： 1、2 、 、 是离子通道的主要功能单位，其它亚基作为辅助和调节，决定阳离子通道的主要特性，即对离子的选择性、电压敏感性、药理学和内外源性配体的结合特性。 37亚基： 4 subunits (K+ channel) or 4 domain (Na+ channel and Ca 2+ channel) make up each channel Each subunit (domain) contain transmembrane - helix segments S1-S63839S1S2S3S4S5S6HO2CH2NO

12、utsideInside40 实验表明，电压门控的钠通道、钙通道和钾通道的共同特点：1. S1-S4是电压感受器，感受膜电压的变化。最早感受膜电位变化的是S4。从氨基酸序列分析，它是带有许多正电荷的氨基酸序列。412.每个domain或亚基都由感受膜电位变化部分和形成孔的部分组成。感受膜电位变化的部分首先发生位移，牵张到形成孔的部分发生位移。 S5-S6之间的肽链发夹式的向膜内折叠(P片断)是组成孔壁的部分，并具有选择性通透作用。42 三.门控过程 Membrane potential change S4 move outside gating current Other voltage se

13、nsor region move Voltage sensor region interaction with pore region vs S5 Pore gating domain structure change Selective filter (channel pore) open ion flux through channel ionic current43闸门电流： 当膜电位发生变化时，膜上离子通道电压感受器的门控分子发生位移，从而产生电流。 瞬时出现 发生在离子通道电流出现之前 闸门电流的大小取决于：离子通道的数目 每个离子通道有多少个电荷发生位移 每个电荷位移的速率443

14、Na+通道 钠离子通道主要选择性允许Na+跨膜通过，其开放受电压控制。 钠离子通道广泛存在于可兴奋细胞中，现已克隆出十多种类型，它的主要功能是使细胞去极化并传播动作电位。45一.电压依赖性Na+通道特性1.电压依赖性: 它在去极化达到一定水平开始被激活，通道开放的阈电位为-70-60mv，通道开放产生内向Na+电流INa，达到最大效应后，逐渐失活，直至通道完全失活而闸门关闭。462.对Na+的高度选择性： 正常生理条件下，只允许Na+通过，每个通道的电导大于10000000离子/秒。3.激活和失活速度快（1ms、10ms）4.有特异的激活剂和阻滞剂47二.电压依赖性Na+通道的生理功能 电压依

15、赖性Na+通道在兴奋细胞去极时的初始内向电流起主要作用，因此对心脏、神经的功能至关重要。没有它们，神经、肌肉的动作电位不能发生。48 动作电为上升后相后钠通道失活，高钾电导持续几毫秒。 在绝对不应期，不可能激活足够数目的钠通道以产生能超过钾离子外流的内向电流。 在相对不应期，较强的去极化可以激活足够数目的钠通道产生动作电位。但是由于存在高的钾电导，动作电位的高峰不可能趋近ENa，超射小于正常情况。49 根据对钠通道阻滞剂的敏感性不同分为三类： 神经类 骨骼肌类 心肌类：快钠和慢钠（平台期）三.电压依赖性Na+通道分类50心脏上存在两种亚型： 电压依赖的Na+通道，主要存在于心房肌、心室肌和希莆

16、系统的细胞膜上。 非电压依赖的Na+通道，称为背景Na+电流。主要存在于窦房结和房室结的细胞膜上，该电流对河豚毒素不敏感，主要参与自律细胞的起博。51 总之， Na+通道的开放和Na+离子流的发生是引起可兴奋细胞中动作电位的第一个电生理学活动，它是引起以后各离子通道开放或离子流活动的前提条件，也就是没有Na+离子流的正常活动而形成的去极化状态，就不可能引起快反应动作电位后续各离子流的正常活动，因而也不可能出现正常的快反应动作电位。52 Na+通道是镶嵌在双层上的内在蛋白 中央有能通过Na+的亲水孔道 孔道的外端有选择性滤孔，是选择通过离子的部位。 孔道中有闸门m门。蛋白质构象的变化使m门开放与

17、关闭。 Na+通道有电压感受器，其上有电荷，这些电荷在电场作用下移动，造成闸门的开放。 在孔道内端有蛋白质的失活闸门h门。 h门一般在m门开放后几毫秒内关闭。四. 门控机制53OpenConductingconformationam(Vm)bm(Vm)ah(Vm)bh(Vm)ClosedNon-conductingconformation(s)(at negative potentials)(shortly after more depolarized potentials)InactivatedAnother Non-conductingconformation(a while after

18、moredepolarized potentials)54记录不同时刻的Na+电流55五.Na+通道应用举例通道阻断剂：河豚毒素(TTx)，石房蛤毒素(STx) 特异的与通道选择性滤器结合，阻塞通道。它们与钠通道的结合不影响通道闸门的开启和关闭。只能在细胞外给药才有效，说明受体在通道的外侧口。钠通道激活剂：树蛙毒素（BTX） 不但取消通道的失活，而且改变通道门控的电压 关系，即在静息状态就使通道处于激活态，引起钠通道 持久激活。56通道活化增强剂：-蝎毒素(- ScTx) 作用于通道外侧，不影响失活过程，增加通 道活化几率而增大Na电流。也是钠通道激活剂， 但与BTX作用位点不同。通道活化抑制

19、剂：局麻剂，如普鲁卡因，利多卡因 降低Na电流峰值并加速失活过程。通道失活抑制剂： -蝎毒 不影响激活过程，只使失活过程变慢且不完 全，延长Na电流。只有从细胞外给药才有效， 其受体在外侧，它们与TTX无竞争性，故不是作 用于同-受体。57- ScTxTTx-蝎毒阻塞通道增加通道活化几率而增大Na电流使通道失活闸门失效而延长Na电流58六.药物作用动力学 目前，临床上常用于离子通道的药物，除少数是通道开放剂以外，绝大多数是通道阻滞剂或拮抗剂。1. 通道功能状态依赖性 它们与静息态的亲和力都较低，而对激活态和失活态的亲和力都较高。2. 频率依赖性 通道开放越频繁（如刺激频率或心律越快），药物的阻

20、滞作用越强。 59作用于钠通道的药物： 局麻药：普鲁卡因、利多卡因、丁卡因 抗癫痫药：苯妥英钠 抗心律失常：类抗心律失常药60局麻药： 可阻断任何神经钠通道。神经细胞保持正常的静息电位，但对任何刺激不再引起去极化。局麻药浓度较高时也能抑制平滑肌和骨骼肌。61抗癫痫药苯妥英钠 其作用与阻滞钠通道，减少钠内流有关，而且具有明显的频率依赖性，因此对高频异常放电神经元钠通道阻滞作用明显，抑制其高频发放电，而对正常的低频放电无明显作用。 对其它通道也有影响。62类抗心律失常药阻断心肌和心脏传导系统的钠通道。类 受体阻滞药，抑制交感神经兴奋所致的起搏电流、钠电流和L-型钙电流增加。药物包括普萘洛尔、阿替洛

21、尔、美托洛尔等。 类 延长动作电位时程药，抑制多种钾电流，药物包括胺碘酮、索他洛尔、溴苄铵、依布替利和多非替利等。 类 钙通道阻滞药，包括维拉帕米和地尔硫卓等。 635 Ca2+通道 Ca2+通道几乎普遍分布于各种组织的细胞膜中，其功能是调节细胞内的Ca2+i ，细胞内游离的Ca2+浓度变化对组织和细胞的各种生理功能具有广泛的调控作用，是极其重要的第二信使。64 Ca2+对细胞功能和各种生理反应的调节作用是通过Ca2+信号系统完成的，该系统几乎参与了所有的生理过程，如肌肉收缩、神经递质释放、激素分泌，生物膜通透性、调节基因表达、激活蛋白激酶65 当Ca2+通道开放时， Ca2+进入细胞，这种运

22、动是顺着Ca2+的电化学梯度进行的被动过程。66一. 分类 Ca2+通道是作用于生物膜（细胞膜、内质网膜、肌浆网膜）上的蛋白复合物,对Ca2+具有一定的选择性通透作用,它的激活可使Ca2+i 升高。分类方法很多,按门控机制：电压门控、配体门控 按作用方式：外Ca2+内流、Ca2+库释放 按作用部位：细胞膜上的Ca2+通道 细胞器上Ca2+通道67 通常根据引起Ca2+i 改变的方式进行分类，Ca2+i 的升高主要来源于两条途径：1.细胞外Ca2+的跨膜内流2.细胞内Ca2+库释放所以, Ca2+通道分为外Ca2+内流和内Ca2+释放。 68二. 细胞外Ca2+内流Ca2+通道三种通道: 电压门

23、控、配体门控、Ca2+库调控性 具有不同的动力学特征： 电压门控、配体门控Ca2+通道： 开放短而极强的爆发式Ca2+内流。 Ca2+库调控性Ca2+通道： 开放引起持久而较低的Ca2+内流691.电压门控Ca2+通道（VDC） 大多数可兴奋细胞(如肌细胞、神经细胞）的胞外Ca2+主要通过VDC进入细胞内的。该通道有开放、关闭、失活三种状态，通道三种状态的转变依赖于膜电位的变化，当细胞膜去极或细胞外液K+浓度升高，则VDC开放。70L型: 在生理情况下，静息时Ca2+i 大约为0.1m/L， 当钙通道被激活而开放时，大量钙内流，可使 Ca2+i提高到1.0m/LCa2+i ，从而触发一系 列的

24、生理活动。 根据电生理特点分为：71（1）肌肉收缩：如心肌、骨骼肌、平滑肌的收缩。（2）细胞的兴奋：如心脏窦房结和房室结兴奋 以及神经细胞兴奋活动。（3）腺体分泌：如胰腺、脑垂体、肾上腺髓质、 唾液腺和胃黏膜等腺体的分泌。（4）蛋白激酶的激活和基因表达的调节（5）钙离子依赖性离子通道的开放或关闭72T型：主要分布于心脏和血管平滑肌，与 心肌细胞细胞增生，心肌重塑有关。 P/Q型：调控神经递质的释放N型：参与递质释放R型： 732.配体依赖性Ca2+通道(ROC) ROC是存在于细胞膜上的一种重要的外Ca2+内流通道，普遍分布于兴奋细胞和非兴奋细胞膜上，是非兴奋细胞外Ca2+内流的主要通道。 R

25、OC的开放与膜的去极化无关，主要是膜上存在特异性受体，当外界刺激如Ach、激素、各种生长因子与其相应受体结合时，通过各种调节机制最终使Ca2+i 发生变化。74 3.Ca2+库调控性Ca2+通道(SOC) SOC是内质网或肌浆网内Ca2+库耗竭触发的外Ca2+内流通道。 SOC广泛分布于多种细胞（兴奋和非兴奋细胞)中，并且是非兴奋细胞外Ca2+内流的主要通道。75三. 细胞内Ca2+释放的Ca2+通道 细胞内Ca2+主要贮存在内质网（ER）或肌浆网（SR）中。由于ER是内皮细胞和上皮细胞等非兴奋细胞的主要内Ca2+库，而SR主要位于平滑肌和横纹肌等肌细胞中。 76 根据对三磷酸肌醇（IP3 ）

26、敏感性的不同，将细胞内的Ca2+库主要分为二类： IP3 敏感性Ca2+库：受IP3激活 IP3非敏感性Ca2+库：受Ryanodine激活 把位于ER/SR膜上的这两种主要的内Ca2+释放通道分为：三磷酸肌醇受体/ Ca2+通道（IP3 R） Ryanodine受体/ Ca2+通道（RyR）7778 总之， Ca2+内流和Ca2+释放是升高两个紧密相连的过程，我们绝不能认为Ca2+I升高是由某一特定通道所致的，它是由外Ca2+内流和内Ca2+释放共同作用的结果。79 机械激活的Ca2+通道 主要存在于血管平滑肌细胞，当平滑肌受到牵拉时如血管内压升高时可引起通道开放。 漏电流Ca2+通道（背景

27、Ca2+通道） 分布于血管平滑肌细胞，在没有受到刺激时通道可低几率开放，可能与平滑肌基础张力的维持有关。 80 （1）钙通道阻滞剂与通道上的结合位点依赖于通道的状态，即状态依赖性结合。 二氢吡啶类与失活态的钙通道亲和力最大。 苯烷胺类与激活态的钙通道亲和力最大。 （2）钙通道阻滞剂与通道上的结合位点也依赖于通道的开放频率即频率依赖性。烷胺类结合于膜内侧，通道开放频率越高，药物经通道进入细胞越多，阻滞作用就越强。81钙通道阻滞剂：（按照电压门控通道的亚型） 选择性作用于L型钙通道 二氢吡啶类、硝苯地平 选择性作用于其他通道：T、N、P 非选择性钙调节物82 钾通道是选择性允许K+离子跨膜通过的离

28、子通道。是目前发现的亚型最多、作用最复杂的一类离子通道。 5 K+通道83一.钾通道的特征1.普遍存在 广泛分布于骨骼肌、神经细胞、心脏、血管、气管、胃肠道、血液、腺体等细胞。 钾通道在调节细胞的膜电位和兴奋性以及平滑肌舒缩活性中起重要作用。 842.类型最多 类型最多，包括电压依赖性和非电压依赖性; 基因最多，几十种。 电压门控的钾通道克隆出几十种亚型，内向整流型钾通道也克隆出6大亚型。85K channel family8687883.作用最复杂 在可兴奋细胞，它有复极和终止动作电位、维持静息电位作用 在非兴奋细胞，它起跨膜转运、维持细胞体积和信号转换及维持静息膜电位的作用 是调节平滑肌舒

29、缩活性的主要离子通道，通过膜电位来调控平滑肌的舒缩活性，也是内源性血管活性物质作用的主要靶部位。 89 由于钾离子通道类型众多，不同的组织和细胞可存在同一类型的钾通道，且同一组织和细胞可存在不同类型钾通道。 由于钾离子通道各亚型的生理功能和调节各异，有的产生内向电流，有的产生又产生外向电流，故导致其作用复杂。90二. K+通道的分类根据门控机制分为： 电压门控K+通道(电压依赖性，Kv channels） Ca2+敏感的K+通道 受体依赖的K+通道 其它K+通道91921.电压门控钾通道(电压依赖性，Kv channels）分子结构：93Voltage sensorBeta subunitsA

30、 tipical Kv channel molecular structureP-region94 慢（延迟整流）K+通道（经典K通道） 瞬时外向K+通道（快K+通道） 内向整流K+通道95 慢K+通道（延迟-整流或经典K通道） 可兴奋细胞膜中钾离子流随去极化而增加的过程称为延迟整流作用。它的激活较慢，无失活。是动作电位复极化的主要外向电流，Ik出现比INa晚，Na+电流达到峰值，Kv显著活化，是膜复极化的主要来源。 96 快速激活的延迟整流K+通道（-40mV-20mV) 慢激活的延迟整流K+通道（-20mV) 超速激活的延迟整流K+通道 背景K+通道97 快K+通道（瞬时外向K+通道 ）

31、分布于在心房肌和心室肌细胞。去极化时通道暂时开放，产生短暂的外向电流，迅速地激活和迅速地失活。去极化早期抵消部分INa，延缓去极化过程。98 4-AP敏感的K+通道 4-AP不敏感的K+通道99 内向整流K+通道 最早在骨骼肌上记录到的，后来在很多细胞上发现。 参与静息电位的形成，防止细胞过分超极化。 如：当细胞的静息电位处于-85mV，此通道打开，K+内流，保持细胞内维持一定的K+储备。 1002.Ca2+离子依赖型的K+通道(KCa) 通道活化即与膜电位有关，又与细胞内Ca2浓度有关。 101 膜电位去极化，电压依赖性Ca2+通道开放，Ca2+内流，细胞内Ca2+升高。若过多、过快，将损害

32、细胞，所以关闭Ca2+通道。控制机制： 细胞内Ca2+升高激活Ca2+依赖性K+通道 K+外流膜电位向静息发展。 通过调节膜电位到静息电位 电压依赖性Ca2+通道关闭。102K+通道开放，有两个因素参与： 膜电位去极化 细胞内Ca2+升高1033.配体门控钾通道 ATP敏感钾通道 乙酰胆碱敏感钾通道 钠激活性钾通道104 ATP敏感的K+通道(KATP) 由四个亚基组成，每个亚基有两个跨膜片段。 为代谢性调节K+外流的通道。骨骼肌、心肌和血管内平滑肌、胰腺细胞、神经、内分泌细胞及肾上腺皮质细胞等均有分布。 该通道对肌体细胞的功能具有重要的调节意义，为一种重要的内源性保护机制。 105 通道的活化依赖于胞内ATP、ADP浓度，ATP抑制KATP，ADP活化KATP 缺氧、能量耗竭及ATP减少时 KATP激活 K+外流 KATP通过调控膜电位来调节不同细胞的电活动和功能。 106生理功能 调节胰岛素的分泌 调节血管平滑肌的张力 保护心肌受缺血性损害107 调节胰岛素的分泌 胰岛细