单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,细胞生理学,细胞生理学,1,细胞生理学,细胞生理学,2,离子的迁移不能简单地归结为扩散。因为扩散是物质由于分子热运动顺浓度梯度的迁移。由于离子都带有正电荷或负电荷，离子跨膜迁移除扩散外还受电场的影响。离子沿电场方向的运动是不同于扩散的另一种物理过程。本节将讨论两种过程协同作用下离子的跨膜流动。,由于离子有电荷，生物膜的脂双层对离子是高度不通透的，必需经过载体或跨膜的孔道。各种不同种类的离子通道（,ion channel,）是动物和植物细胞中离子跨膜流动的主要途径。,离子的迁移不能简单地归结为扩散。因为扩散是物质由于,3,一、离子通道及其特性,1,钾通道,我们从钾通道开始认识离子通道的生理学功能。钾通道是目前研究得最清楚的离子通道，也是进化上最早出现的离子通道之一。由于,K,在几乎所有细胞内都是主要的无机离子，因此钾通道是影响细胞功能的最基本离子通道。,第一个钾通道的分子序列是从果蝇中克隆出来的。有一种突变型果蝇在被乙醚麻醉后出现腿部颤抖，由于果蝇有唾液腺巨染色体，通过染色并与野生型比对，发现这个腿部颤抖的表型与果蝇,x,染色体上的一个突变有关。,1987,年，美国生物学家克隆出这个,Shaker,基因，并证明该基因编码一种电压门控钾通道。后来，在哺乳动物也找到相应的基因以及很多其他钾通道基因。钾通道是目前发现的亚型最多、作用最为复杂的一类离子通道。按照基因同源性，这些钾通道分为,4,个超家族：内向整流钾通道、双孔钾通道、电压门控钾通道及钙激活性钾通道。,一、离子通道及其特性 1钾通道 第一个钾通道的分,4,细胞生理学示范课件,5,内向整流钾通道的结构最简单。这个超家族的基因编码的蛋白由两个跨膜,螺旋和连接两者胞外端的,P,环,（,pore loop,）,构成；,4,个相同的蛋白亚基围成一个钾通道。哺乳动物的钾通道结构与细菌中发现的钾通道完全一致，显示其进化上高度保守。多数其他的阳离子通道的孔道区,（,pore region,）,也是这个基本结构。例如，双孔钾通道超家族的钾通道分子序列包含两个与此类似的孔道区，电压门控钾通道超家族的钾通道分子序列是在一个孔道区的,C,端加接了,4,个,螺旋；而电压门控钙通道和钠通道则依次是电压门控钾通道的进化下游。,内向整流钾通道的结构最简单。这个超家族的基因编码的,6,细胞生理学示范课件,7,2,离子通道的离子选择性,特定的离子通道只能选择性地通透特定种类的离子，这就是通道的离子选择性,（,ionic selectivity,）,。根据离子选择性的不同，离子通道可分为钾通道、钠通道、钙通道、氯通道、非特异阳离子通道等。离子通道的离子选择性是相对的而不是绝对的，任何离子通道都不是绝对地只通透某一种离子，但不同离子通道对离子的选择性的确有很大差异。例如钠通道虽然主要对,Na,+,通透，对,NH,4,+,也可通透，甚至对,K,+,也有微量通透。相比之下，钾通道的选择性更强。非特异阳离子通道对,K,+,和,Na,+,的通透性一般比较接近，但对二价阳离子的通透性在不同通道间有较大差异。,2离子通道的离子选择性 特定的离子通道只能选择性,8,在离子通道的研究领域，科学家曾很不能理解，为什么有些离子通道能够在高速通透离子的情况下对离子有极高的选择性,?,这不能用特定离子的高亲和结合位点来解释，因为亲和性越高，通透效率会越低。也不能用孔道大小来解释，因为,Na,+,的直径,(0.19nm),比,K,+,的,(0.26nm),小，却极难通过钾通道。后面这个事实同时也说明，离子通道并不是一个简单孔道。直到,1998,年，,R,MacKinnon,和同事用蛋白晶体的,X,线衍射分析学技术解出了细菌钾通道的分子结构，这个问题才得到回答。,MacKinnon,因此与研究水通道的,Agre,共享了,2003,年的诺贝尔化学奖。,在离子通道的研究领域，科学家曾很不能理解，为什么有些离,9,钾通道的结构和离子选择性原理,钾通道的结构和离子选择性原理,10,钾通道的分子结构显示，通道的内外入口处均有多个带负电的氨基酸残基，有利于增加附近阳离子浓度，也防止负离子进入通道。通道孔区的大部分相对宽大且有水，使得离子能够保持被水中,8,个氧原子包围的水合状态。在通道由胞内向胞外的,2/3,处，通道变窄，来自,4,个孔袢上羧基的氧原子朝孔道整齐排列，构成与水合离子中尺寸相同的“氧笼”。进入“氧笼”的每个,K,+,周围都有,8,个氧原子，与其在水中的环境十分相似，大大降低了,K,+,通过孔道的能量势垒，从而允许,K,+,单列纵行通过孔道。而对于其他阳离子，如,Na,+,，由于其体积较小，不能与“氧笼”匹配，能量势垒很高，通过率不足,K,+,的,1,。,钾通道的分子结构显示，通道的内外入口处均有多个带,11,离子选择性和门控特性是离子通道的两个重要的特征。,离子通道的活动表现出明显的离子选择性，即每种通道都对一种或几种离子有较高的通透能力，其他离子则不易或不能通过。,通道对离子的导通，表现为开放和关闭两种状态。一般而言，处于激活状态的通道是开放的，处于失活状态的通道是关闭的。通道的功能状态受膜电位、化学信号和机械刺激等因素调控。由于推测通道的功能状态与其分子内部的,“,闸门,”,（,gate,）样结构的运动有关，因而生理学中将这一过程称为门控（,gating,）。根据引起门控过程的因素和门控过程的机制的不同，离子通道又可分为电压门控通道、化学门控通道和机械门控通道等。,离子选择性和门控特性是离子通道的两个重要的特征。,12,3,离子通道的随机活动,离子通道并非像宏观的孔道一样无限制地允许离子自由通透。离子通道一般至少有开放、关闭两种状态，有的离子通道还有一种失活状态，这些状态对应着通道蛋白的不同构象，一般只有开放状态才允许离子通过。由于,螺旋和,P,环的分子内热运动，非失活的离子通道可在开放和关闭状态间随机转换。一个离子通道处于开放状态的时间在总时间中的比率叫做开放概率（,open probability,，,Po,）。不同的离子通道或同一离子通道在不同条件下,Po,各不相同。,3离子通道的随机活动 离子通道并非像宏观的孔道一,13,电压门控钙通道的随机活动，异丙肾上腺素的刺激可提高电压依赖性钙通道的,P,o,。,电压门控钙通道的随机活动，异丙肾上腺素的刺激可提高电,14,4,离子通道的激活及其能量转换功能,多数离子通道在静息（,resting,，未激活但也未失活，,available,）状态下,Po,很低。离子通道从低,Po,状态转换为高,Po,。状态的过程叫做激活（,activation,）。不同离子通道可通过不同能量形式的刺激激活并产生细胞膜电流。因此，离子通道在细胞中发挥着能量转换器的作用。,根据激活因素的能量形式不同，离子通道可有多种类别。,4离子通道的激活及其能量转换功能 多数离子通道在,15,进入“氧笼”的每个K+周围都有8个氧原子，与其在水中的环境十分相似，大大降低了K+通过孔道的能量势垒，从而允许K+单列纵行通过孔道。,温度敏感通道是由温度变化激活的离子通道，包括分别对热刺激、冷刺激敏感的离子通道。,生物膜两侧通常会存在电位差，称为膜电位（membrane potential，Vm）。,RP随胞外K变化而变化；,（2）细胞膜对离子的选择通透性和钾平衡电位,图中横座标表示膜外K浓度Ko；,（二）细胞的静息膜电位,内耳中的毛细胞、皮肤机械感受器、血管内皮细胞、心肌细胞等有对牵张力、剪切力等机械应力敏感的离子通道。,F:法拉第常数（96500）,1987年，美国生物学家克隆出这个Shaker基因，并证明该基因编码一种电压门控钾通道。,多数离子通道在静息（resting，未激活但也未失活，available）状态下Po很低。,多数离子通道在静息（resting，未激活但也未失活，available）状态下Po很低。,配体的结合降低了通道构象变化的势垒，使通道进入高Po的状态。,而电压门控钙通道和钠通道则依次是电压门控钾通道的进化下游。,例如，双孔钾通道超家族的钾通道分子序列包含两个与此类似的孔道区，电压门控钾通道超家族的钾通道分子序列是在一个孔道区的C端加接了4个螺旋；,静息电位取决于钾的平衡电位,离子选择性和门控特性是离子通道的两个重要的特征。,钾通道的分子结构显示，通道的内外入口处均有多个带负电的氨基酸残基，有利于增加附近阳离子浓度，也防止负离子进入通道。,离子的迁移不能简单地归结为扩散。,对任意离子X而言，当膜两侧浓度梯度产生的X离子扩散趋势与因电学梯度产生的X离子泳动趋势大小相等、方向相反时，其跨膜净电流 Ix0，我们说X离子达到了电化学平衡；,通道转运模式图,控制离子通道开闭的方式主要有上述三种。,进入“氧笼”的每个K+周围都有8个氧原子，与其在水中的环境十,16,电压门控通道（,voltage-gate dchannel,）可因膜电位的改变而激活，包括电压门控钾通道、钙通道和钠通道等。每个钙通道或钠通道有,4,个结构域，每个结构域与电压门控钾通道的一个亚基同源，都有,6,个跨膜,螺旋,S1,S6,。其中,S4,高度保守，富含疏水性、带正电的精氨酸（,Arg,）或赖氨酸（,Lys,）残基，被认为是通道的电压感受器。在静息的细胞中，细胞内相对细胞外的膜电位一般在,-80,-60mV,之间，这种极化状态对,S4,产生向胞内方向的电学吸引；如果膜电位向正的方向变，产生去极化，则对的,S4,电学引力减小，使通道发生构象变化的势垒降低，通道便被激活，并进入高,Po,的状态。,电压门控通道（voltage-gate dchann,17,电压门控通道：通道的开、闭受膜两侧电位差控制的离子通道，称为电压门控通道。,电压门控通道：通道的开、闭受膜两侧电位差控制的离子通,18,A,：丙氨酸,K,：赖氨酸,I,：异亮氨酸,F,：苯丙氨酸,M,：甲硫氨酸,A：丙氨酸,19,Na通道主要由一个较大的亚单位组成，有时还另有一个或两个小分子量的亚单位，分别称为1和2 ，但Na通道的主要功能只靠亚单位即可完成。这个较长的亚单位肽链中包含了4个结构类似的结构域，每个结构域大致相当于ACh门控通道中的一个亚单位，但结构域之间由肽链相连，是一个完整的肽链，应由一个mRNA编码和合成。而每个结构域中又各有 6个由疏水性氨基酸组成的跨膜螺旋段；这4个结构域及其所包含的疏水螺旋，在膜中包绕成一个通道样结构。每个结构域中的第4个跨膜螺旋在氨基酸序列上有特点，即每隔两个疏水性氨基酸，就出现一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸；这些螺旋由于自身的带电性质，在它们所在膜的跨膜电位有改变时会产生位移，因而被认为是该通道结构中感受外来电信号的特异结构，由此再诱发通道“闸门”的开放。,四个结构域形成钠通道,Na通道主要由一个较大的亚单位组成，有时还另有一个,20,电压门控,钠通道的结构,电压门控,21,图,.,膜去极化时钠通道构象变化的理论模型,图.膜去极化时钠通道构象变化的理论模型,22,配体门控通道,（,ligand-gated channel,）,由特异性的化学物质与之结合而激活，又称化学门控通道。这类通道往往是体内外信号物质的受体，在这种情况下又称之为通道型受体。配体门控通道本身或其调节亚基上存在配体结合位点。配体的结合降低了通道构象变化的势垒，使通道进入高,Po,的状态。例如食物中的辣椒素可以激活辣椒素受体，运动神经末梢分泌的乙酰胆碱可激活骨骼肌,N,型乙酰胆碱受体，细胞内信使三磷酸肌醇（,IP,3,）可激活内质网的,IP,3,受体，这些受体都属于配体门控通道。配体门控通道在细胞间信息传递和细胞内信号转导过程中发挥关键作用。,配体门控通