生物膜離子通道

1、生物膜離子通道 生物膜離子通道示意圖生物膜離子通道（ion channels of biomembrane）是各種無機離子跨膜被動運輸?shù)耐贰Ｉ锬o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?shù)耐贩Q離子通道，主動運輸?shù)碾x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(guān)。例如，感受器電位的發(fā)生，神經(jīng)興奮與傳導(dǎo)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)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(zhì)子梯度的形成等。細胞膜離子通道細胞膜上離子通道的功能，除了可以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外的滲透壓，也是維持細胞膜電位的重要分子，而神經(jīng)細

2、胞要進行訊號傳導(dǎo)，便是靠離子的進出以造成膜電位的變化。雖然科學(xué)家對于細胞膜上離子通道已有相當(dāng)程度的了解，對于離子通道所具有的特殊選擇性，也從能蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)大略獲得解釋，但是一直缺乏一套完整詳細的分子作用機制。原因是，要做出膜蛋白三維結(jié)構(gòu)的高解析度影像，非常不容易。 1998年，麥金農(nóng)做出了鏈霉菌的離子通道蛋白質(zhì)KcsA的高解析三維結(jié)構(gòu)影像，并首度從原子層次去了解離子通道的作用方式。KcsA離子通道中有一種“濾嘴”，能讓鉀離子（K+）通過，卻不允許同族元素中體積更小的鈉離子（Na+）通過，這令科學(xué)家百思不得其解。但是麥金農(nóng)根據(jù)KcsA的立體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)離子通道中“濾嘴”邊上的四個氧原子的位置，恰好

3、跟鉀離子在水溶液中的情況一樣，亦即濾嘴邊上的氧與水分子的氧距離相同，所以鉀離子能夠安然通過通道，一如在水中一樣；但鈉離子尺寸較小，無法順利接上濾嘴邊上的四個氧原子，因此只能留在水溶液，而無法輕易穿過通道。而離子通道的開關(guān)會受到細胞的控制，麥金農(nóng)發(fā)現(xiàn)，離子通道的底部有個閘門，當(dāng)離子通道接收到特定的訊號，離子通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)便會發(fā)生改變，因此造成閘門的開關(guān)。 麥金農(nóng)對于鉀離子通道的結(jié)構(gòu)與作用機制的研究，是生物化學(xué)、生物物理等領(lǐng)域的一大突破，也為神經(jīng)疾病、肌肉與心臟疾病的新藥物開發(fā)，指引了新的方向。離子通道蛋白和載體蛋白的異同相同點：化學(xué)本質(zhì)均為蛋白質(zhì)、分布均在細胞的膜結(jié)構(gòu)中、都有控制特定物質(zhì)跨膜運輸

4、的功能不同點：1.通道蛋白參與的只是被動運輸,在運輸過程中并不與被運輸?shù)姆肿咏Y(jié)合,也不會移動,并且是從高濃度向低濃度運輸,所以運輸時不消耗能量。2.載體蛋白參與的有主動運輸和協(xié)助擴散，在運輸過程中與相應(yīng)的分子結(jié)合，并且會移動。在主動運輸過程中由低濃度側(cè)向高濃度運動，且消耗代謝能量；在協(xié)助擴散過程中，由高濃度側(cè)向低濃度側(cè)運動，不消耗代謝能。（注;協(xié)助擴散也屬于被動運輸）被動運輸科技名詞定義中文名稱：被動運輸英文名稱：passive transport其他名稱：被動轉(zhuǎn)運定義：離子或小分子在濃度差或電位差的驅(qū)動下順電化學(xué)梯度穿膜的運輸方式。所屬學(xué)科：細胞生物學(xué)（一級學(xué)科）；細胞生理（二級學(xué)科）本內(nèi)容

5、由全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會審定公布目錄1 被動運輸一、簡單擴散1 二、協(xié)助擴散1 體蛋白主要有離子載體和通道蛋白兩種類型（一）離子載體1 （二）通道蛋白門通道可以分為四類（圖5-4）：1 圖5-4 各類離子通道1、配體門通道1 2、電位門通道1 3、環(huán)核苷酸門通道1 4、機械門通道1 5、水通道分類1 被動運輸一、簡單擴散1 二、協(xié)助擴散1 體蛋白主要有離子載體和通道蛋白兩種類型（一）離子載體1 （二）通道蛋白門通道可以分為四類（圖5-4）：1 圖5-4 各類離子通道1、配體門通道1 2、電位門通道1 3、環(huán)核苷酸門通道1 4、機械門通道1 5、水通道分類展開編輯本段被動運輸一、簡單擴散 自

6、由擴散也叫自由擴散（free diffusing），特點是：沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴散；不需要提供能量；沒有膜蛋白的協(xié)助。 某種物質(zhì)對膜的通透性（P）可以根據(jù)它在油和水中的分配系數(shù)（K）及其擴散系數(shù)（D）來計算： P=KD/t，t為膜的厚度。 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越??；非極性分子比極性容易透過，小分子比大分子容易透過。具有極性的水分子容易透過是因水分子小，可通過由膜脂運動而產(chǎn)生的間隙。 非極性的小分子如O2、CO2、N2可以很快透過脂雙層，不帶電荷的極性小分子，如水、尿素、甘油等也可以透過人工脂雙層，盡管速度較慢，分子量略大一點的葡萄糖、蔗糖則很難透過，而膜對帶電荷的物質(zhì)

7、如：H+、Na+、K+、Cl、HCO3是高度不通透的 事實上細胞的物質(zhì)轉(zhuǎn)運過程中，透過脂雙層的簡單擴散現(xiàn)象很少，絕大多數(shù)情況下，物質(zhì)是通過載體或者通道來轉(zhuǎn)運的。離子、葡萄糖、核苷酸等物質(zhì)有的是通過質(zhì)膜上的運輸?shù)鞍椎膮f(xié)助，按濃度梯度擴散進入質(zhì)膜的，有的則是通過主動運輸?shù)姆绞竭M行轉(zhuǎn)運。 主動運輸二、協(xié)助擴散也稱促進擴散（faciliatied diffusion），其運輸特點是： 比自由擴散轉(zhuǎn)運速率高； 存在最大轉(zhuǎn)運速率； 在一定限度內(nèi)運輸速率同物質(zhì)濃度成正比。如超過一定限度，濃度再增加，運輸也不再增加。因膜上載體蛋白的結(jié)合位點已達飽和； 有特異性，即與特定溶質(zhì)結(jié)合。 條件：對應(yīng)所運輸物質(zhì)的蛋白質(zhì)

8、，順濃度差。 編輯本段體蛋白主要有離子載體和通道蛋白兩種類型（一）離子載體離子載體（ionophore），是疏水性的小分子，可溶于雙脂層，提高所轉(zhuǎn)運離子的通透率，多為微生物合成，是微生物防御被捕食或與其它物種競爭的武器， 離子載體也是以被動的運輸方式運輸離子，可分成可動離子載體（mobile ion carrier）和通道離子載體（channel former）兩類： 可動離子載體：如纈氨霉素（valinomycin）能在膜的一側(cè)結(jié)合K+，順著電化學(xué)梯度通過脂雙層，在膜的另一側(cè)釋放K+，且能往返進行（圖5-2）。其作用機理就像虹吸管可以使玻璃杯中的水跨越杯壁屏障，向低處流動一樣。此外，2,4-

9、二硝基酚（DNP）、羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼（FCCP）可轉(zhuǎn)運H+，離子霉素（ionomycin）、A23187可轉(zhuǎn)運Ca2+。 圖5-2 纈氨霉素的分子結(jié)構(gòu) 通道離子載體：如短桿菌肽A（granmicidin）是由15個疏水氨基酸構(gòu)成的短肽，2分子的短桿菌肽形成一個跨膜通道，有選擇的使單價陽離子如H+、Na+、K+按化學(xué)梯度通過膜，這種通道并不穩(wěn)定，不斷形成和解體，其運輸效率遠高于可動離子載體（圖5-3）。 圖5-3 短桿菌肽構(gòu)成的通道 （二）通道蛋白通道蛋白（channel protein）是衡跨質(zhì)膜的親水性通道，允許適當(dāng)大小的離子順濃度梯度通過，故又稱離子通道。有些通道蛋白形成的通道

10、通常處于開放狀態(tài)，如鉀泄漏通道，允許鉀離子不斷外流。有些通道蛋白平時處于關(guān)閉狀態(tài)，即“門”不是連續(xù)開放的，僅在特定刺激下才打開，而且是瞬時開放瞬時關(guān)閉，在幾毫秒的時間里，一些離子、代謝物或其他溶質(zhì)順著濃度梯度自由擴散通過細胞膜，這類通道蛋白又稱為門通道（gated channel）。 編輯本段門通道可以分為四類（圖5-4）：配體門通道（ligand gated channel）、電位門通道（voltage gated channel）、環(huán)核苷酸門通道（Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels）和機械門通道（mechanosensitive channel）。 不

11、同通道對不同離子的通透性不同，即離子選擇性(ionic selectivity)。這是由通道的結(jié)構(gòu)所決定的，只允許具有特定離子半徑和電荷的離子通過。根據(jù)離子選擇性的不同，通道可分為鈉通道、鈣通道、鉀通道、氯通道等。但通道的離子選擇性只是相對的而不是絕對的，比如，鈉通道除主要對Na+通透外，對NH4+也通透，甚至于對K+也稍有通透。 編輯本段圖5-4 各類離子通道1、配體門通道表面受體與細胞外的特定物質(zhì)（配體ligand）結(jié)合，引起門通道蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，結(jié)果使“門”打開，又稱離子通道型受體。分為陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體，和陰離子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受體。 N型乙酰膽

12、堿受體1是目前了解較多的一類配體門通道。它是由4種不同的亞單位組成的5聚體，總分子量約為290kd。亞單位通過氫鍵等非共價鍵，形成一個結(jié)構(gòu)為2的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中的兩個亞單位是同兩分子Ach相結(jié)合的部位（圖5-5）。 Ach門通道具有具有三種狀態(tài)：開啟、關(guān)閉和失活。當(dāng)受體的兩個亞單位結(jié)合Ach時，引起通道構(gòu)象改變，通道瞬間開啟，膜外Na+內(nèi)流，膜內(nèi)K+外流。使該處膜內(nèi)外電位差接近于0值，形成終板電位，然后引起肌細胞動作電位，肌肉收縮。即是在結(jié)合Ach時，Ach門通道也處于開啟和關(guān)閉交替進行的狀態(tài)，只不過開啟的概率大一些（90%）。Ach釋放后，瞬間即被乙酰膽堿酯酶水解，通道在約1毫秒內(nèi)關(guān)閉

13、。如果Ach存在的時間過長（約20毫秒后），則通道會處于失活狀態(tài)。 筒箭毒和銀環(huán)蛇毒素可與乙酰膽堿受體結(jié)合，但不能開啟通道，導(dǎo)致肌肉麻痹。 圖5-5 乙酰膽堿受體 2、電位門通道電位門通道（voltage gated channel）是對細胞內(nèi)或細胞外特異離子濃度發(fā)生變化時，或?qū)ζ渌碳ひ鹉る娢蛔兓瘯r，致使其構(gòu)象變化，“門”打開。如：神經(jīng)肌肉接點由Ach門控通道開放而出現(xiàn)終板電位時，這個電位改變可使相鄰的肌細胞膜中存在的電位門Na+通道和K+通道相繼激活（即通道開放），引起肌細胞動作電位；動作電位傳至肌質(zhì)網(wǎng)，Ca2+通道打開引起Ca2+外流，引發(fā)肌肉收縮。 根據(jù)對Na+、K+、Ca2+通道蛋

14、白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)它們一級結(jié)構(gòu)中的氨基酸排列有相當(dāng)大的同源性，屬于同一蛋白質(zhì)家族，是由同一個遠祖基因演化而來。K+電位門通道由四個亞單位（I-IV）構(gòu)成（圖5-6），每個亞單位均有6個(S1-S6)跨膜螺旋節(jié)段，N和C端均位于胞質(zhì)面。連接S5-S6段的發(fā)夾樣折疊 (P區(qū)或H5區(qū))，構(gòu)成通道的內(nèi)襯，大小可允許K+通過。 K+通道具有三種狀態(tài)：開啟、關(guān)閉和失活。目前認為S4段是電壓感受器， S4高度保守，屬于疏水片段，但每隔兩個疏水殘基即有一個帶正電荷的精氨酸或賴氨酸殘基。S4段上的正電荷可能是門控電荷，當(dāng)膜去極化時（膜外為負，膜內(nèi)為正），引起帶正電荷的氨基酸殘基轉(zhuǎn)向細胞外側(cè)面，通道蛋白構(gòu)象改變

15、，“門”打開，大量K+外流，此時相當(dāng)于K+的自由擴散。K+電位門它和Ach配體門一樣只是瞬間（約幾毫秒）開放，然后失活。此時N端的球形結(jié)構(gòu)，堵塞在通道中央，通道失活，稍后球體釋放，“門”處于關(guān)閉狀態(tài)。 鏈霉菌（Streptomyces lividans）的鉀離子通道KcsA也是由四個亞單位構(gòu)成的，但每個亞基只有兩個跨膜片段，結(jié)構(gòu)較為簡單。1998年，Roderick MacKinnon 等用X射線衍射技術(shù)獲得了高分辨的KcsA通道圖像，發(fā)現(xiàn)離子通透過程中離子的選擇性主要發(fā)生在狹窄的選擇性過濾器中。選擇性過濾器長1.2nm，孔徑約為0.3nm（K+脫水后直徑約0.26nm），內(nèi)部形成一串鉀離子特

16、異結(jié)合位點，從而只有鉀離子能夠“排隊”通過通道。 河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）能阻滯鈉通道，毒素帶正電荷的胍基伸人鈉通道的離子選擇性過濾器，和通道內(nèi)壁上的游離羧基結(jié)合，毒素其余部分堵塞通道外側(cè)端，妨礙鈉離子進入，導(dǎo)致肌肉麻痹。 圖5-6 鉀電位門通道 3、環(huán)核苷酸門通道與電壓門控性通道家族關(guān)系密切的是CNG通道，從蛋白質(zhì)序列來看，它們與電壓門鉀通道結(jié)構(gòu)相似，也有6個跨膜片段，各為帶電荷片段，P區(qū)構(gòu)成孔道內(nèi)側(cè)，整個通道為四聚體結(jié)構(gòu)。在CNG通道中，細胞內(nèi)的C末端較長，上面含有環(huán)核苷酸的結(jié)合位點。 環(huán)核苷酸門通道分布于化學(xué)感受器和光感受器中，與膜外信號的轉(zhuǎn)換有關(guān)。如氣味分子與化學(xué)感

17、受器中的G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，可激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道（cAMP-gated cation channel），引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動，最終形成嗅覺或味覺。 4、機械門通道細胞可以接受各種各樣的機械力刺激，如摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。細胞將機械刺激的信號轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號最終引起細胞反應(yīng)的過程稱為機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（mechanotransduction）。 目前比較明確的有兩類機械門通道，其一是牽拉活化或失活的離子通道，另一類是剪切力敏感的離子通道，前者幾乎存在于所有的細胞膜，研究較多的有血管內(nèi)皮細胞、心肌細胞以及內(nèi)耳中的毛細胞等，后者僅

18、發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細胞和心肌細胞。牽拉敏感的離子通道是指能直接被細胞膜牽拉所開放或關(guān)閉的離子通道。其特點為對離子的無選擇性、無方向性、非線性以及無潛伏期。這種通道為2價或1價的陽離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主。研究表明，當(dāng)內(nèi)皮細胞被牽拉時，由于通道開放引起Ca2+內(nèi)流，使以Ca2+介導(dǎo)的血管活性物質(zhì)分泌增多，Ca2+還可作為胞內(nèi)信使，導(dǎo)致進一步的反應(yīng)。 內(nèi)耳毛細胞頂部的聽毛也是對牽拉力敏感的感受裝置，聽毛彎曲時，毛細胞會出現(xiàn)暫短的感受器電位。從聽毛受力而致聽毛根部所在膜的變形，到該處膜出現(xiàn)跨膜離子移動之間，只有極短的潛伏期， 5、水通道長期以來, 普遍認為細胞內(nèi)外的水分子是以簡單擴散的方式透過脂雙層膜。后來發(fā)現(xiàn)某些細胞在低滲溶液中對水的通透性很高, 很難以簡單擴散來解釋。如將紅細胞