离子通道的资料

离子通道的资料第1页/共60页第一章离子通道概述

大约3百万年前，脂质双层膜形成，这种双分子渗透屏障使活细胞与环境隔开：优点是：保留细胞存活的成分缺点是：使离子化的底物不易触及离子化的废物不易排除第2页/共60页建立新的转运机制变得迫在眉睫：一种办法是：在膜上建立孔道：大到足够让小分子代谢产物可以通过，但又要小到足以保留大分子物质--G-菌的外壁和线粒体膜就是按这种设计构建的。另一种办法是：设计更精细、更多样、更具有选择性的装置来完成不同的工作—大多数胞浆膜就是这样设计的。第3页/共60页

Howdothesemembranetransportdeviceswork?1980年以前，我们对它们的认识来源于生理物质流向的检测（根据分子选择性、饱和浓度、结合分子数目等）：传统的观点将之分为：载体(Carrier)和孔道(Pore)载体：象渡船一样载着结合于其立体特异性结合部位的小分子物质在膜两侧往返转运。孔道：是狭窄的、充满水的隧道，对少数离子和适合其孔径的小分子通透。第4页/共60页

随着蛋白提纯技术和分子生物学技术的发展，载体的“渡船假说”被否决，因为已经有许多提纯或克隆出的载体装置均是大分子蛋白质—它们太大，不可能按照所需的速率渗透或旋转；其氨基酸残基呈线形折叠形成跨膜片段。载体新观点：大分子相对固定于膜内，微小的运动局限于蛋白质内，结合位点暴露于胞膜内、外侧。如K+-Na+泵、Ca2+泵、Na+-Ca2+

交换体等。

这种新推论还有待于进一步验证。2000年制作成的第一个载体晶体结构支持这种新观点。第5页/共60页

与载体“渡船学说”的命运相反，有关另一种转运机制---水性孔道的观点，则得到了很好的印证:1965-1980年间，有关可兴奋膜研究与模型孔道间研究的互动，极大地加快和加深了我们对这种转运机制的了解。80’s出现的具有划时代意义的技术进步--膜片钳技术(Neher和Sakmann)导致一个重要的发现：离子通过膜的速率大于106/S,这样高的速率除了“孔道”能胜任外，不可能有其他机制。其后制作成的晶体结构亦显示通道蛋白中的确存在一个连续的、水性的、惯穿全程的孔道。第6页/共60页研究简史1902伯恩斯坦：神经细胞膜对钾离子选择通透性1939霍奇金与赫胥黎：用微电极插入枪乌贼巨神经纤维中，直接测量到膜内外电位差。1949霍奇金和卡茨：细胞膜动作电位的发生是膜对钠离子通透性快速而特异性地增加，称为“钠学说”。1952霍奇金和赫胥黎：用电压钳技术定量研究枪乌贼巨神经轴突细胞膜的离子电流和电导，首次提出离子通道的概念。H-H模型认为，细胞膜的K+通道受膜上4个带电粒子的控制，当4个粒子在膜电场作用下同时移到某一位置时，K+才能穿过膜第7页/共60页1955卡斯特罗和卡茨：研究神经-肌肉接头突触传递过程，发现突触后膜终板电位的发生是由于神经递质Ach作用于终板膜上受体的结果——确认受化学递质调控的通道。60年代，用各种生物材料对不同离子通透性的研究表明，各种离子在膜上各自有专一性的运输机构，曾经提出运输机构是载体、洞孔和离子交换等模型。1973年和1974年，阿姆斯特朗等分别在神经轴突上测量到与离子通道开放相关的膜内电荷的运动，称为门控电流，确认离子通道的开放与膜中带电成分运动的依从性。1976年Neher和Sakmann创立了离子单通道电流记录技术，为深入研究通道的结构和功能提供了有力的工具。

第8页/共60页80年代初，先后从细胞膜上分离和纯化了一些运输离子的功能性蛋白质，并在人工膜上成功地重建了通道功能，从而肯定了离子通道实体就是膜上一些特殊蛋白质分子或其复合物。应用基因重组技术研究离子通道的结构，1982和1984年，纽莫及合作者先后测定了N型Ach受体和Na+通道蛋白的氨基酸序列。第9页/共60页离子通道（ionchannels)是一类跨膜糖蛋白，它们在细胞膜上形成的亲水性孔道使带电荷的离子得以进行跨膜转运，是神经、肌肉、腺体等许多组织细胞膜上的基本兴奋单元，它们能产生和传导电信号，具有重要的生理功能。第10页/共60页第11页/共60页第12页/共60页二、通道和离子为兴奋所必需：

生理学家很早就知道离子在兴奋性中扮演关键性角色。1881-1887，SidneyRinger发现灌流蛙心的溶液必须含有Na+、K+、Ca2+，并以一定的比例混合才能维持蛙心较长时间的跳动。1888，WaltherNernst关于电位起源于溶液中电解质渗透的观点引发出很多有关生物电离子源的假说，如H+假说。1902，1912，JuliusBernstein正确地提出了以下假说：可兴奋细胞的细胞膜静息状态下只选择性地对K+通透，兴奋时，膜对其它离子通透性增加。

---此即现代“膜假说”的基础。第13页/共60页在20世纪里,与膜兴奋有关的主要无机离子:

Na+、K+、Ca2+、H+、Mg2+、Cl-、HCO3-、HPO42-等作用都获得了较深入的研究。神经肌肉的兴奋和电信号通过离子在通道中的运动来介导。其中Na+、K+、Ca2+、Cl-介导了绝大部分兴奋反应。第14页/共60页通道（Channel)的反应，表现为通道孔的

开放(opening)和关闭(closing),

即：门控（gating）。开放的通道具有选择性通透性，这一特性使通道开放时，只允许某些特定的离子顺电化学差流动；这种被动扩散有两个特点：速率很高：>106/S不耗能由此区别于其他转运机制.第15页/共60页第16页/共60页细胞膜等效电路第17页/共60页离子通道的开放与关闭第18页/共60页四、两个重要的方程：Ohm’slaw：

I=gEorE=IRNernstequation：

R：气体常数，T：绝对温度，F：法拉第常数第19页/共60页第20页/共60页三、离子通道命名:

早期（50’s）的离子通道主要是根据膜的通透性（通道动力学、药理学、离子置换等确定）来命名。如Hodgkin和Huxley在巨大乌贼轴突上发现的Na+、K+电流和其后相应命名的Na+、K+通道。80’s以后随着分子生物学的发展，大量的单通道被克隆出，其相应的基因亦被找到，使通道的种类和数量成倍或几十倍的增加，如Na+、K+、Ca2+通道就多达100多种。原有的通道命名办法显然不能适应新的发展.第21页/共60页此外，根据通透性命名无法解决下列问题：不知道是哪种离子如何命名？不知道哪种是主要离子如何命名？如果多种通道用同一种离子如何命名？通道命名五花八门：

如软体动物神经节通道A,B,C(Adam1980)

心肌浦氏纤维qr,si,x1通道(McAllister1975)

根据抑制剂命名:氨氯吡脒敏感的Na+通道根据递质:甘氨酸通道根据突变:Shaker通道根据疾病:CFTR(膀胱纤维化跨膜调节物)

根据各实验室发现的顺序:GIRK第22页/共60页系统命名：近年已开始进行以通道结构序列与进化的关系为基础的系统命名。最先在哺乳动物电压依赖性钾通道作此尝试：Kv1.1,Kv1.2…….8.1(Chandy1991),国际药理学联合会（IUPHAR)正在按此方法对其他通道进行系统命名,有的已被公布,如钙通道和钠通道系列.通道家族：不同通道系列之间也有很多相似的功能特征,如电压门控的Na+、K+、Ca2+通道之间,乙酰胆碱、甘氨酸和GABA通道之间都有很多相似之处，根据通道的进化同源性，可将它们分成不同的超级家族和家族。第23页/共60页五、离子通道的特性：（1）选择性：离子通道最重要、最显著的特征之一就是其离子选择性。选择性又取决于：

通道最小直径和离子直径的相对大小。通道亲水性孔道的带电基团和电荷的性质。异电相吸的原则。对带同种电荷的通道又有两种情况：含弱极性位点的通道：选择性与离子脱水性有关（大离子易脱水，反易通过）含强极性位点的通道：小离子更易接近位点第24页/共60页（2）门控特性：离子通道在多数时间是关闭的，只有被激活时才开放。依据其调控机制，可分为：配体门控性离子通道（ligand-gatedionchannel）电压门控性离子通道（voltage-gatedionchannel）离子通道开关要经过三种以上状态转换：第25页/共60页第26页/共60页膜片钳技术用特制的玻璃电极吸附于细胞表面，使之形成10～100GΩ的密封(giga-seal)，被孤立的小膜片面积为μm2量级，内中仅有少数离子通道。对该膜片实行电压钳位，可测量单个离子通道开放产生的pA（10-12安培）级电流，这种通道开放是一种随机过程。通过观测单个通道开放和关闭的电流变化，可直接得到各种离子通道开放的电流幅值分布、开放几率、开放寿命分布等功能参量，并分析它们与膜电位、离子浓度等之间的关系。第27页/共60页膜片钳技术(Patch-clampTechniques)一、仪器设备：倒置显微镜、微操纵器、给药系统、防震工作台等第28页/共60页膜片钳放大器、数据采集装置、计算机、采集分析软件等第29页/共60页电极拉制仪，抛光仪等第30页/共60页第31页/共60页第32页/共60页第33页/共60页Voltage-gatedchannel第34页/共60页Ligand-gatedchannel第35页/共60页将电极吸附的膜片从细胞膜上分离出来，以膜的外侧向外或膜的内侧向外等方式进行实验研究。对小细胞的电压钳位、改变膜内外溶液成分以及施加药物都很方便。第36页/共60页第37页/共60页膜片钳技术为从分子水平了解生物膜离子通道的开启和关闭、动力学选择性和通透性等膜信息提供了直接手段为了解膜内第二信使的作用及过程，神经递质和激素的分泌过程与作用，深入阐明药物与化学物的作用机理等提供了极为有用的研究手段。可用于单细胞上观测单一通道电流,如心肌细胞、神经细胞等。在心血管领域，应用膜片钳技术可以在分子和亚分子水平上深入了解正常心律的形成和维持、各种心律失常发生发展的机制及药物预防治疗的基础，极大推动着基础电生理和电药理的研究应用。第38页/共60页

离子通道是细胞膜上的大分子蛋白质孔道.

离子通道是可兴奋细胞的可兴奋成分.

离子通道介导神经、肌肉和突触的电信号离子通道通过开放、关闭和协同作用来编码神经系统的信号和反应。第39页/共60页第40页/共60页第二章钠离子通道一、钠通道概述

Na+通道广泛存在于可兴奋细胞膜上，是绝大多数可兴奋细胞动作电位上升相的主要电流成分。第41页/共60页第42页/共60页第43页/共60页二、钠通道的分子结构第一个离子通道基因克隆是从电鳗钠通道基因中获得的。从其他动物克隆出的钠通道均具备电鳗钠通道基本结构。钠通道是一个寡聚体，约由2000个氨基酸残基组成。含α亚单位（260KD）、β1亚单位（36-38KD）β2亚单位（33KD）。第44页/共60页第45页/共60页第46页/共60页Na+通道α亚单位、通道的激活与失活第47页/共60页亚单位（subunit）：α亚单位有4个同源结构域，每个结构域含300-400个氨基酸残基，组成6个跨膜区（S1-S6），区内氨基酸形成α螺旋。S4是电压敏感区，富含精氨酸或赖氨酸等带正电荷的残基，能感受膜电位的变化。在S5-S6之间还有一个发卡样结构，是形成亲水孔道且具有选择性地让离子通过的部分，称之为孔道区（poreregion），是药物和毒素作用的部位。C-端和N-端均在胞内。第48页/共60页β1亚单位含213个氨基酸，形成一个α螺旋。C-端在胞内，N-端在胞外。β1亚单位与通道的激活和失活过程有关。β2亚单位的功能尚不清楚。若只有α亚单位,通道表现为失活缓慢,

若与β1亚单位共同表达,通道失活速率增加5倍，电流幅值增加2.5倍。第49页/共60页三、钠通道的系统分类：如Nav1.4主要存在于骨骼肌;Nav1.5主要存在于心肌.第50页/共60页以前的分类和命名依α亚单位不同分为I、II、III、μ1、h1、NaG等多种亚型。第51页/共60页四、钠通道电流的特性：(1)不同的组织Na+通道分布的情况有所不同，但Na+通道之间的电流特性的差别相对K+，Ca2+通道之间要小得多。根据对电压依赖性和TTX的敏感性不同，Na+通道又可分成：INa：电压门控性Na+通道（TTX－敏感的Na+通道、快Na+通道）：AP的去极相INa,B或INa,S：非电压门控性Na+通道（TTX-不敏感的Na+通道、慢Na+通道、背景Na+电流）：窦房结，4相晚期有助于起搏电流（If）的形成第52页/共60页(2)INa电流的特点：当膜电位钳制在－70mv左右时，INa为内向电流，呈电压依赖性，通道开放的阈电位为-60～-50mv,

激活和失活都比较快τact=0.1～0.4ms,τi