細(xì)胞生理學(xué)演示文稿

細(xì)胞生理學(xué)演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)細(xì)胞生理學(xué)當(dāng)前第2頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

離子的遷移不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)為擴(kuò)散。因?yàn)閿U(kuò)散是物質(zhì)由于分子熱運(yùn)動(dòng)順濃度梯度的遷移。由于離子都帶有正電荷或負(fù)電荷，離子跨膜遷移除擴(kuò)散外還受電場(chǎng)的影響。離子沿電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)是不同于擴(kuò)散的另一種物理過(guò)程。本節(jié)將討論兩種過(guò)程協(xié)同作用下離子的跨膜流動(dòng)。由于離子有電荷，生物膜的脂雙層對(duì)離子是高度不通透的，必需經(jīng)過(guò)載體或跨膜的孔道。各種不同種類的離子通道（ionchannel）是動(dòng)物和植物細(xì)胞中離子跨膜流動(dòng)的主要途徑。當(dāng)前第3頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)一、離子通道及其特性1．鉀通道我們從鉀通道開始認(rèn)識(shí)離子通道的生理學(xué)功能。鉀通道是目前研究得最清楚的離子通道，也是進(jìn)化上最早出現(xiàn)的離子通道之一。由于K＋在幾乎所有細(xì)胞內(nèi)都是主要的無(wú)機(jī)離子，因此鉀通道是影響細(xì)胞功能的最基本離子通道。

第一個(gè)鉀通道的分子序列是從果蠅中克隆出來(lái)的。有一種突變型果蠅在被乙醚麻醉后出現(xiàn)腿部顫抖，由于果蠅有唾液腺巨染色體，通過(guò)染色并與野生型比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)腿部顫抖的表型與果蠅x染色體上的一個(gè)突變有關(guān)。

1987年，美國(guó)生物學(xué)家克隆出這個(gè)Shaker基因，并證明該基因編碼一種電壓門控鉀通道。后來(lái)，在哺乳動(dòng)物也找到相應(yīng)的基因以及很多其他鉀通道基因。鉀通道是目前發(fā)現(xiàn)的亞型最多、作用最為復(fù)雜的一類離子通道。按照基因同源性，這些鉀通道分為4個(gè)超家族：內(nèi)向整流鉀通道、雙孔鉀通道、電壓門控鉀通道及鈣激活性鉀通道。當(dāng)前第4頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)當(dāng)前第5頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

內(nèi)向整流鉀通道的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。這個(gè)超家族的基因編碼的蛋白由兩個(gè)跨膜α螺旋和連接兩者胞外端的P環(huán)（poreloop）構(gòu)成；4個(gè)相同的蛋白亞基圍成一個(gè)鉀通道。哺乳動(dòng)物的鉀通道結(jié)構(gòu)與細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的鉀通道完全一致，顯示其進(jìn)化上高度保守。多數(shù)其他的陽(yáng)離子通道的孔道區(qū)（poreregion）也是這個(gè)基本結(jié)構(gòu)。例如，雙孔鉀通道超家族的鉀通道分子序列包含兩個(gè)與此類似的孔道區(qū)，電壓門控鉀通道超家族的鉀通道分子序列是在一個(gè)孔道區(qū)的C端加接了4個(gè)α螺旋；而電壓門控鈣通道和鈉通道則依次是電壓門控鉀通道的進(jìn)化下游。當(dāng)前第6頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)當(dāng)前第7頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

2．離子通道的離子選擇性

特定的離子通道只能選擇性地通透特定種類的離子，這就是通道的離子選擇性（ionicselectivity）。根據(jù)離子選擇性的不同，離子通道可分為鉀通道、鈉通道、鈣通道、氯通道、非特異陽(yáng)離子通道等。離子通道的離子選擇性是相對(duì)的而不是絕對(duì)的，任何離子通道都不是絕對(duì)地只通透某一種離子，但不同離子通道對(duì)離子的選擇性的確有很大差異。例如鈉通道雖然主要對(duì)Na+通透，對(duì)NH4+也可通透，甚至對(duì)K+也有微量通透。相比之下，鉀通道的選擇性更強(qiáng)。非特異陽(yáng)離子通道對(duì)K+和Na+的通透性一般比較接近，但對(duì)二價(jià)陽(yáng)離子的通透性在不同通道間有較大差異。當(dāng)前第8頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

在離子通道的研究領(lǐng)域，科學(xué)家曾很不能理解，為什么有些離子通道能夠在高速通透離子的情況下對(duì)離子有極高的選擇性?這不能用特定離子的高親和結(jié)合位點(diǎn)來(lái)解釋，因?yàn)橛H和性越高，通透效率會(huì)越低。也不能用孔道大小來(lái)解釋，因?yàn)镹a+的直徑(0.19nm)比K+的(0.26nm)小，卻極難通過(guò)鉀通道。后面這個(gè)事實(shí)同時(shí)也說(shuō)明，離子通道并不是一個(gè)簡(jiǎn)單孔道。直到1998年，R·MacKinnon和同事用蛋白晶體的X線衍射分析學(xué)技術(shù)解出了細(xì)菌鉀通道的分子結(jié)構(gòu)，這個(gè)問(wèn)題才得到回答。MacKinnon因此與研究水通道的Agre共享了2003年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)前第9頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)鉀通道的結(jié)構(gòu)和離子選擇性原理

當(dāng)前第10頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

鉀通道的分子結(jié)構(gòu)顯示，通道的內(nèi)外入口處均有多個(gè)帶負(fù)電的氨基酸殘基，有利于增加附近陽(yáng)離子濃度，也防止負(fù)離子進(jìn)入通道。通道孔區(qū)的大部分相對(duì)寬大且有水，使得離子能夠保持被水中8個(gè)氧原子包圍的水合狀態(tài)。在通道由胞內(nèi)向胞外的2/3處，通道變窄，來(lái)自4個(gè)孔袢上羧基的氧原子朝孔道整齊排列，構(gòu)成與水合離子中尺寸相同的“氧籠”。進(jìn)入“氧籠”的每個(gè)K+周圍都有8個(gè)氧原子，與其在水中的環(huán)境十分相似，大大降低了K+通過(guò)孔道的能量勢(shì)壘，從而允許K+單列縱行通過(guò)孔道。而對(duì)于其他陽(yáng)離子，如Na+，由于其體積較小，不能與“氧籠”匹配，能量勢(shì)壘很高，通過(guò)率不足K+的1％。當(dāng)前第11頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

離子選擇性和門控特性是離子通道的兩個(gè)重要的特征。離子通道的活動(dòng)表現(xiàn)出明顯的離子選擇性，即每種通道都對(duì)一種或幾種離子有較高的通透能力，其他離子則不易或不能通過(guò)。通道對(duì)離子的導(dǎo)通，表現(xiàn)為開放和關(guān)閉兩種狀態(tài)。一般而言，處于激活狀態(tài)的通道是開放的，處于失活狀態(tài)的通道是關(guān)閉的。通道的功能狀態(tài)受膜電位、化學(xué)信號(hào)和機(jī)械刺激等因素調(diào)控。由于推測(cè)通道的功能狀態(tài)與其分子內(nèi)部的“閘門”（gate）樣結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，因而生理學(xué)中將這一過(guò)程稱為門控（gating）。根據(jù)引起門控過(guò)程的因素和門控過(guò)程的機(jī)制的不同，離子通道又可分為電壓門控通道、化學(xué)門控通道和機(jī)械門控通道等。當(dāng)前第12頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)3．離子通道的隨機(jī)活動(dòng)

離子通道并非像宏觀的孔道一樣無(wú)限制地允許離子自由通透。離子通道一般至少有開放、關(guān)閉兩種狀態(tài)，有的離子通道還有一種失活狀態(tài)，這些狀態(tài)對(duì)應(yīng)著通道蛋白的不同構(gòu)象，一般只有開放狀態(tài)才允許離子通過(guò)。由于α螺旋和P環(huán)的分子內(nèi)熱運(yùn)動(dòng)，非失活的離子通道可在開放和關(guān)閉狀態(tài)間隨機(jī)轉(zhuǎn)換。一個(gè)離子通道處于開放狀態(tài)的時(shí)間在總時(shí)間中的比率叫做開放概率（openprobability，Po）。不同的離子通道或同一離子通道在不同條件下Po

各不相同。當(dāng)前第13頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

電壓門控鈣通道的隨機(jī)活動(dòng)，異丙腎上腺素的刺激可提高電壓依賴性鈣通道的Po。當(dāng)前第14頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)4．離子通道的激活及其能量轉(zhuǎn)換功能

多數(shù)離子通道在靜息（resting，未激活但也未失活，available）狀態(tài)下Po很低。離子通道從低Po狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高Po。狀態(tài)的過(guò)程叫做激活（activation）。不同離子通道可通過(guò)不同能量形式的刺激激活并產(chǎn)生細(xì)胞膜電流。因此，離子通道在細(xì)胞中發(fā)揮著能量轉(zhuǎn)換器的作用。根據(jù)激活因素的能量形式不同，離子通道可有多種類別。當(dāng)前第15頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)通道轉(zhuǎn)運(yùn)模式圖

控制離子通道開閉的方式主要有上述三種。當(dāng)前第16頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

電壓門控通道（voltage-gatedchannel）可因膜電位的改變而激活，包括電壓門控鉀通道、鈣通道和鈉通道等。每個(gè)鈣通道或鈉通道有4個(gè)結(jié)構(gòu)域，每個(gè)結(jié)構(gòu)域與電壓門控鉀通道的一個(gè)亞基同源，都有6個(gè)跨膜α螺旋S1～S6。其中S4高度保守，富含疏水性、帶正電的精氨酸（Arg）或賴氨酸（Lys）殘基，被認(rèn)為是通道的電壓感受器。在靜息的細(xì)胞中，細(xì)胞內(nèi)相對(duì)細(xì)胞外的膜電位一般在-80～-60mV之間，這種極化狀態(tài)對(duì)S4產(chǎn)生向胞內(nèi)方向的電學(xué)吸引；如果膜電位向正的方向變，產(chǎn)生去極化，則對(duì)的S4電學(xué)引力減小，使通道發(fā)生構(gòu)象變化的勢(shì)壘降低，通道便被激活，并進(jìn)入高Po的狀態(tài)。當(dāng)前第17頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

電壓門控通道：通道的開、閉受膜兩側(cè)電位差控制的離子通道，稱為電壓門控通道。當(dāng)前第18頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)A：丙氨酸K：賴氨酸I：異亮氨酸F：苯丙氨酸M：甲硫氨酸當(dāng)前第19頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)Na通道主要由一個(gè)較大的α-亞單位組成，有時(shí)還另有一個(gè)或兩個(gè)小分子量的亞單位，分別稱為β1和β2，但Na通道的主要功能只靠α-亞單位即可完成。這個(gè)較長(zhǎng)的α-亞單位肽鏈中包含了4個(gè)結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)域，每個(gè)結(jié)構(gòu)域大致相當(dāng)于ACh門控通道中的一個(gè)亞單位，但結(jié)構(gòu)域之間由肽鏈相連，是一個(gè)完整的肽鏈，應(yīng)由一個(gè)mRNA編碼和合成。而每個(gè)結(jié)構(gòu)域中又各有6個(gè)由疏水性氨基酸組成的跨膜α-螺旋段；這4個(gè)結(jié)構(gòu)域及其所包含的疏水α-螺旋，在膜中包繞成一個(gè)通道樣結(jié)構(gòu)。每個(gè)結(jié)構(gòu)域中的第4個(gè)跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特點(diǎn)，即每隔兩個(gè)疏水性氨基酸，就出現(xiàn)一個(gè)帶正電荷的精氨酸或賴氨酸；這些α-螺旋由于自身的帶電性質(zhì)，在它們所在膜的跨膜電位有改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生位移，因而被認(rèn)為是該通道結(jié)構(gòu)中感受外來(lái)電信號(hào)的特異結(jié)構(gòu)，由此再誘發(fā)通道“閘門”的開放。四個(gè)結(jié)構(gòu)域形成鈉通道當(dāng)前第20頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)電壓門控鈉通道的結(jié)構(gòu)

當(dāng)前第21頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)圖.膜去極化時(shí)鈉通道構(gòu)象變化的理論模型

當(dāng)前第22頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

配體門控通道（ligand-gatedchannel）由特異性的化學(xué)物質(zhì)與之結(jié)合而激活，又稱化學(xué)門控通道。這類通道往往是體內(nèi)外信號(hào)物質(zhì)的受體，在這種情況下又稱之為通道型受體。配體門控通道本身或其調(diào)節(jié)亞基上存在配體結(jié)合位點(diǎn)。配體的結(jié)合降低了通道構(gòu)象變化的勢(shì)壘，使通道進(jìn)入高Po的狀態(tài)。例如食物中的辣椒素可以激活辣椒素受體，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)末梢分泌的乙酰膽堿可激活骨骼肌N型乙酰膽堿受體，細(xì)胞內(nèi)信使三磷酸肌醇（IP3）可激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的IP3受體，這些受體都屬于配體門控通道。配體門控通道在細(xì)胞間信息傳遞和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。當(dāng)前第23頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)當(dāng)前第24頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)當(dāng)前第25頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

N2型Ach受體是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)，總分子量約為290kd；每種亞單位都由一種mRNA編碼，所生成的亞單位在膜結(jié)構(gòu)中通過(guò)氫鍵等非共價(jià)鍵式的相互吸引，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)為α2βγδ的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，而其中的兩個(gè)α-亞單位正是同兩分子ACh相結(jié)合的部位，這種結(jié)合可引起通道結(jié)構(gòu)的開放。

當(dāng)前第26頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)當(dāng)前第27頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)當(dāng)前第28頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

機(jī)械敏感通道（mechanosensitivechannel）是由機(jī)械應(yīng)力變化激活的離子通道。內(nèi)耳中的毛細(xì)胞、皮膚機(jī)械感受器、血管內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞等有對(duì)牽張力、剪切力等機(jī)械應(yīng)力敏感的離子通道。這些離子通道能夠?qū)⑹艿降臋C(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)能，從而改變Po，并引起細(xì)胞反應(yīng)或神經(jīng)調(diào)控。溫度敏感通道是由溫度變化激活的離子通道，包括分別對(duì)熱刺激、冷刺激敏感的離子通道。除了以上種類的離子通道外，還有一些離子通道沒有特異性的門控機(jī)制，稱為非門控通道或背景電流通道（backgroundcurrentchannel）。

各種離子通道除了其特異性門控機(jī)制外，其功能還受磷酸化、酸堿度、氧化還原狀態(tài)、輔助亞基、表達(dá)量等因素的控制，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞功能的精細(xì)調(diào)控當(dāng)前第29頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)下丘腦滲透壓感受器細(xì)胞膜的離子通道（機(jī)械門控離子通道）當(dāng)前第30頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)二、跨膜離子平衡與細(xì)胞膜電位（一）離子的跨膜電化學(xué)勢(shì)與離子的平衡電位

生物膜兩側(cè)通常會(huì)存在電位差，稱為膜電位（membranepotential，Vm）。由于離子電荷的存在，驅(qū)動(dòng)離子跨膜遷移的能量來(lái)源除了膜兩側(cè)的濃度差以外還有電位差。當(dāng)前第31頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

在圖中，設(shè)細(xì)胞膜只對(duì)K＋通透，細(xì)胞內(nèi)的K＋濃度高于細(xì)胞外。如果細(xì)胞膜電位初始值為Vm＝0，則細(xì)胞內(nèi)的K＋將沿濃度梯度向細(xì)胞外擴(kuò)散，結(jié)果Vm變負(fù)。隨著Vm的變化，跨膜K＋電流越來(lái)越小，這是因?yàn)镵＋單純由Vm驅(qū)動(dòng)流向胞內(nèi)的趨勢(shì)逐漸抵消了其因濃度梯度擴(kuò)散到胞外的趨勢(shì)。對(duì)任意離子X而言，當(dāng)膜兩側(cè)濃度梯度產(chǎn)生的X離子擴(kuò)散趨勢(shì)與因電學(xué)梯度產(chǎn)生的X離子泳動(dòng)趨勢(shì)大小相等、方向相反時(shí)，其跨膜凈電流Ix＝0，我們說(shuō)X離子達(dá)到了電化學(xué)平衡；此時(shí)的膜電位叫做X離子的平衡電位（equilibriumpotential，Ex）。當(dāng)前第32頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

細(xì)胞在沒有刺激的條件下，細(xì)胞膜兩側(cè)存在的電位差，稱為靜息電位（RestingPotential）。（二）細(xì)胞的靜息膜電位1.

靜息電位當(dāng)前第33頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)當(dāng)前第34頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

靜息電位時(shí)，細(xì)胞膜處于內(nèi)負(fù)外正的情況常被稱作極化狀態(tài)。極化這一術(shù)語(yǔ)，在生理學(xué)中常用。當(dāng)膜兩側(cè)的極化加劇時(shí)，稱為超極化，而膜兩側(cè)的極化減弱時(shí)，稱為去極化。當(dāng)前第35頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)2.靜息電位形成的原理靜息電位的形成與三個(gè)方面的問(wèn)題有關(guān)：（1）細(xì)胞安靜狀態(tài)下，細(xì)胞膜內(nèi)、外的離子濃度差;（2）細(xì)胞膜對(duì)離子的選擇通透性；（3）維持細(xì)胞內(nèi)外離子濃度差的機(jī)制。當(dāng)前第36頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)槍烏賊巨軸突的膜內(nèi)外的離子分布當(dāng)前第37頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)

（2）細(xì)胞膜對(duì)離子的選擇通透性和鉀平衡電位

假設(shè)：正是因?yàn)榘察o狀態(tài)時(shí)，膜對(duì)K＋選擇性通透，導(dǎo)致了出現(xiàn)膜內(nèi)外電位差。RP就是鉀平衡電位（Ek）。

證明：由物理化學(xué)理論計(jì)算出的Ek與RP接近；RP隨胞外[K＋]變化而變化；觀察到放射活性K＋可透過(guò)細(xì)胞膜。

結(jié)論：細(xì)胞內(nèi)[K＋]＞細(xì)胞外[K＋]、細(xì)胞膜對(duì)K有較高的選擇性通透是RP產(chǎn)生的機(jī)理。當(dāng)前第38頁(yè)\共有42頁(yè)\編于星期四\21點(diǎn)