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(wú)機(jī)離子跨膜被動(dòng)運(yùn)輸?shù)耐?。生物膜?duì)無(wú)機(jī)離子的跨膜運(yùn)輸有被動(dòng)運(yùn)輸（順離子濃度梯度）和主動(dòng)運(yùn)輸（逆離子濃度梯度）兩種方式。被動(dòng)運(yùn)輸?shù)耐贩Q(chēng)離子通道，主動(dòng)運(yùn)輸?shù)碾x子載體稱(chēng)為離子泵。生物膜對(duì)離子的通透性與多種生命活動(dòng)過(guò)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(dòng)，平滑肌蠕動(dòng)，骨骼肌收縮，激素分泌，光合作用和氧化磷酸化過(guò)程中跨膜質(zhì)子梯度的形成等。細(xì)胞膜離子通道細(xì)胞膜上離子通道的功能，除了可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓，也是維持細(xì)胞膜電位的重要分子，而神經(jīng)細(xì)

2、胞要進(jìn)行訊號(hào)傳導(dǎo)，便是靠離子的進(jìn)出以造成膜電位的變化。雖然科學(xué)家對(duì)于細(xì)胞膜上離子通道已有相當(dāng)程度的了解，對(duì)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?zhuān)且恢比狈σ惶淄暾敿?xì)的分子作用機(jī)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(guò)，卻不允許同族元素中體積更小的鈉離子（Na+）通過(guò)，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(gè)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(guò)通道，一如在水中一樣；但鈉離子尺寸較小，無(wú)法順利接上濾嘴邊上的四個(gè)氧原子，因此只能留在水溶液，而無(wú)法輕易穿過(guò)通道。而離子通道的開(kāi)關(guān)會(huì)受到細(xì)胞的控制，麥金農(nóng)發(fā)現(xiàn)，離子通道的底部有個(gè)閘門(mén)，當(dāng)離子通道接收到特定的訊號(hào)，離子通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)便會(huì)發(fā)生改變，因此造成閘門(mén)的開(kāi)關(guān)。 麥金農(nóng)對(duì)于鉀離子通道的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)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(kāi)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(diǎn)：化學(xué)本質(zhì)均為蛋白質(zhì)、分布均在細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)中、都有控制特定物質(zhì)跨膜運(yùn)輸

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

5、由全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定公布目錄1 被動(dòng)運(yùn)輸一、簡(jiǎn)單擴(kuò)散1 二、協(xié)助擴(kuò)散1 體蛋白主要有離子載體和通道蛋白兩種類(lèi)型（一）離子載體1 （二）通道蛋白門(mén)通道可以分為四類(lèi)（圖5-4）：1 圖5-4 各類(lèi)離子通道1、配體門(mén)通道1 2、電位門(mén)通道1 3、環(huán)核苷酸門(mén)通道1 4、機(jī)械門(mén)通道1 5、水通道分類(lèi)1 被動(dòng)運(yùn)輸一、簡(jiǎn)單擴(kuò)散1 二、協(xié)助擴(kuò)散1 體蛋白主要有離子載體和通道蛋白兩種類(lèi)型（一）離子載體1 （二）通道蛋白門(mén)通道可以分為四類(lèi)（圖5-4）：1 圖5-4 各類(lèi)離子通道1、配體門(mén)通道1 2、電位門(mén)通道1 3、環(huán)核苷酸門(mén)通道1 4、機(jī)械門(mén)通道1 5、水通道分類(lèi)展開(kāi)編輯本段被動(dòng)運(yùn)輸一、簡(jiǎn)單擴(kuò)散 自

6、由擴(kuò)散也叫自由擴(kuò)散（free diffusing），特點(diǎn)是：沿濃度梯度（或電化學(xué)梯度）擴(kuò)散；不需要提供能量；沒(méi)有膜蛋白的協(xié)助。 某種物質(zhì)對(duì)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(kuò)散系數(shù)（D）來(lái)計(jì)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(guò)，小分子比大分子容易透過(guò)。具有極性的水分子容易透過(guò)是因水分子小，可通過(guò)由膜脂運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的間隙。 非極性的小分子如O2、CO2、N2可以很快透過(guò)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(guò)人工脂雙層，盡管速度較慢，分子量略大一點(diǎn)的葡萄糖、蔗糖則很難透過(guò)，而膜對(duì)帶電荷的物質(zhì)

7、如：H+、Na+、K+、Cl、HCO3是高度不通透的 事實(shí)上細(xì)胞的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，透過(guò)脂雙層的簡(jiǎn)單擴(kuò)散現(xiàn)象很少，絕大多數(shù)情況下，物質(zhì)是通過(guò)載體或者通道來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)的。離子、葡萄糖、核苷酸等物質(zhì)有的是通過(guò)質(zhì)膜上的運(yùn)輸?shù)鞍椎膮f(xié)助，按濃度梯度擴(kuò)散進(jìn)入質(zhì)膜的，有的則是通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。 主動(dòng)運(yùn)輸二、協(xié)助擴(kuò)散也稱(chēng)促進(jìn)擴(kuò)散（faciliatied diffusion），其運(yùn)輸特點(diǎn)是： 比自由擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)速率高； 存在最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率； 在一定限度內(nèi)運(yùn)輸速率同物質(zhì)濃度成正比。如超過(guò)一定限度，濃度再增加，運(yùn)輸也不再增加。因膜上載體蛋白的結(jié)合位點(diǎn)已達(dá)飽和； 有特異性，即與特定溶質(zhì)結(jié)合。 條件：對(duì)應(yīng)所運(yùn)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(lèi)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(yùn)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(jìng)爭(zhēng)的武器， 離子載體也是以被動(dòng)的運(yùn)輸方式運(yùn)輸離子，可分成可動(dòng)離子載體（mobile ion carrier）和通道離子載體（channel former）兩類(lèi)： 可動(dòng)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(guò)脂雙層，在膜的另一側(cè)釋放K+，且能往返進(jìn)行（圖5-2）。其作用機(jī)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(dòng)一樣。此外，2,4-

9、二硝基酚（DNP）、羰基-氰-對(duì)-三氟甲氧基苯肼（FCCP）可轉(zhuǎn)運(yùn)H+，離子霉素（ionomycin）、A23187可轉(zhuǎn)運(yùn)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(gè)疏水氨基酸構(gòu)成的短肽，2分子的短桿菌肽形成一個(gè)跨膜通道，有選擇的使單價(jià)陽(yáng)離子如H+、Na+、K+按化學(xué)梯度通過(guò)膜，這種通道并不穩(wěn)定，不斷形成和解體，其運(yùn)輸效率遠(yuǎn)高于可動(dòng)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(guò)，故又稱(chēng)離子通道。有些通道蛋白形成的通道

10、通常處于開(kāi)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(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，即“門(mén)”不是連續(xù)開(kāi)放的，僅在特定刺激下才打開(kāi)，而且是瞬時(shí)開(kāi)放瞬時(shí)關(guān)閉，在幾毫秒的時(shí)間里，一些離子、代謝物或其他溶質(zhì)順著濃度梯度自由擴(kuò)散通過(guò)細(xì)胞膜，這類(lèi)通道蛋白又稱(chēng)為門(mén)通道（gated channel）。 編輯本段門(mén)通道可以分為四類(lèi)（圖5-4）：配體門(mén)通道（ligand gated channel）、電位門(mén)通道（voltage gated channel）、環(huán)核苷酸門(mén)通道（Cyclic Nucleotide-Gated Ion Channels）和機(jī)械門(mén)通道（mechanosensitive channel）。 不

11、同通道對(duì)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(guò)。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(duì)的而不是絕對(duì)的，比如，鈉通道除主要對(duì)Na+通透外，對(duì)NH4+也通透，甚至于對(duì)K+也稍有通透。 編輯本段圖5-4 各類(lèi)離子通道1、配體門(mén)通道表面受體與細(xì)胞外的特定物質(zhì)（配體ligand）結(jié)合，引起門(mén)通道蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，結(jié)果使“門(mén)”打開(kāi)，又稱(chēng)離子通道型受體。分為陽(yáng)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(lèi)配體門(mén)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(guò)氫鍵等非共價(jià)鍵，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)為2的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，其中的兩個(gè)亞單位是同兩分子Ach相結(jié)合的部位（圖5-5）。 Ach門(mén)通道具有具有三種狀態(tài)：開(kāi)啟、關(guān)閉和失活。當(dāng)受體的兩個(gè)亞單位結(jié)合Ach時(shí)，引起通道構(gòu)象改變，通道瞬間開(kāi)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(xì)胞動(dòng)作電位，肌肉收縮。即是在結(jié)合Ach時(shí)，Ach門(mén)通道也處于開(kāi)啟和關(guān)閉交替進(jìn)行的狀態(tài)，只不過(guò)開(kāi)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)（約20毫秒后），則通道會(huì)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(kāi)啟通道，導(dǎo)致肌肉麻痹。 圖5-5 乙酰膽堿受體 2、電位門(mén)通道電位門(mén)通道（voltage gated channel）是對(duì)細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外特異離子濃度發(fā)生變化時(shí)，或?qū)ζ渌碳ひ鹉る娢蛔兓瘯r(shí)，致使其構(gòu)象變化，“門(mén)”打開(kāi)。如：神經(jīng)肌肉接點(diǎn)由Ach門(mén)控通道開(kāi)放而出現(xiàn)終板電位時(shí)，這個(gè)電位改變可使相鄰的肌細(xì)胞膜中存在的電位門(mén)Na+通道和K+通道相繼激活（即通道開(kāi)放），引起肌細(xì)胞動(dòng)作電位；動(dòng)作電位傳至肌質(zhì)網(wǎng)，Ca2+通道打開(kāi)引起Ca2+外流，引發(fā)肌肉收縮。 根據(jù)對(duì)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(jí)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(gè)遠(yuǎn)祖基因演化而來(lái)。K+電位門(mén)通道由四個(gè)亞單位（I-IV）構(gòu)成（圖5-6），每個(gè)亞單位均有6個(gè)(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(guò)。 K+通道具有三種狀態(tài)：開(kāi)啟、關(guān)閉和失活。目前認(rèn)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(gè)疏水殘基即有一個(gè)帶正電荷的精氨酸或賴(lài)氨酸殘基。S4段上的正電荷可能是門(mén)控電荷，當(dāng)膜去極化時(shí)（膜外為負(fù)，膜內(nèi)為正），引起帶正電荷的氨基酸殘基轉(zhuǎn)向細(xì)胞外側(cè)面，通道蛋白構(gòu)象改變

15、，“門(mén)”打開(kāi)，大量K+外流，此時(shí)相當(dāng)于K+的自由擴(kuò)散。K+電位門(mén)它和Ach配體門(mén)一樣只是瞬間（約幾毫秒）開(kāi)放，然后失活。此時(shí)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(mén)”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(gè)亞單位構(gòu)成的，但每個(gè)亞基只有兩個(gè)跨膜片段，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(guò)程中離子的選擇性主要發(fā)生在狹窄的選擇性過(guò)濾器中。選擇性過(guò)濾器長(zhǎng)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(diǎn)，從而只有鉀離子能夠“排隊(duì)”通過(guò)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(guò)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(jìn)入，導(dǎo)致肌肉麻痹。 圖5-6 鉀電位門(mén)通道 3、環(huán)核苷酸門(mén)通道與電壓門(mén)控性通道家族關(guān)系密切的是CNG通道，從蛋白質(zhì)序列來(lái)看，它們與電壓門(mén)鉀通道結(jié)構(gòu)相似，也有6個(gè)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(gè)通道為四聚體結(jié)構(gòu)。在CNG通道中，細(xì)胞內(nèi)的C末端較長(zhǎng)，上面含有環(huán)核苷酸的結(jié)合位點(diǎn)。 環(huán)核苷酸門(mén)通道分布于化學(xué)感受器和光感受器中，與膜外信號(hào)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(kāi)啟cAMP門(mén)控陽(yáng)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(dòng)，最終形成嗅覺(jué)或味覺(jué)。 4、機(jī)械門(mén)通道細(xì)胞可以接受各種各樣的機(jī)械力刺激，如摩擦力、壓力、牽拉力、重力、剪切力等。細(xì)胞將機(jī)械刺激的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)最終引起細(xì)胞反應(yīng)的過(guò)程稱(chēng)為機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（mechanotransduction）。 目前比較明確的有兩類(lèi)機(jī)械門(mén)通道，其一是牽拉活化或失活的離子通道，另一類(lèi)是剪切力敏感的離子通道，前者幾乎存在于所有的細(xì)胞膜，研究較多的有血管內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞以及內(nèi)耳中的毛細(xì)胞等，后者僅

18、發(fā)現(xiàn)于內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞。牽拉敏感的離子通道是指能直接被細(xì)胞膜牽拉所開(kāi)放或關(guān)閉的離子通道。其特點(diǎn)為對(duì)離子的無(wú)選擇性、無(wú)方向性、非線性以及無(wú)潛伏期。這種通道為2價(jià)或1價(jià)的陽(yáng)離子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+為主。研究表明，當(dāng)內(nèi)皮細(xì)胞被牽拉時(shí)，由于通道開(kāi)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(jìn)一步的反應(yīng)。 內(nèi)耳毛細(xì)胞頂部的聽(tīng)毛也是對(duì)牽拉力敏感的感受裝置，聽(tīng)毛彎曲時(shí)，毛細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)暫短的感受器電位。從聽(tīng)毛受力而致聽(tīng)毛根部所在膜的變形，到該處膜出現(xiàn)跨膜離子移動(dòng)之間，只有極短的潛伏期， 5、水通道長(zhǎng)期以來(lái), 普遍認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)外的水分子是以簡(jiǎn)單擴(kuò)散的方式透過(guò)脂雙層膜。后來(lái)發(fā)現(xiàn)某些細(xì)胞在低滲溶液中對(duì)水的通透性很高, 很難以簡(jiǎn)單擴(kuò)散來(lái)解釋。如將紅細(xì)胞