膜片钳实验和技术专题培训课件

二、离子通道的分子结构
随着生物物理学和分子生物学的迅速发展，新的研究技术 的应用，特别是膜片钳片技术与分子克隆、基因突变和异体表达 等技术的结合，使离子通道的研究迅速进入到分子、亚分子水平， 人们已开始有能力从分子水平来确定通道的分子结构和解释离子 通道的孔道特性。
１．电压门控离子通道的基本结构
经纯化、克隆和测定表明，离子通道蛋白 是由多个亚基构成的复合体。电压门控离子 通道由α、β、γ、δ等亚基构成，但不同 的离子通道的组成略有差异，如钠通道由α、 β1 、 β2和β3 、 β4亚基组成，钙通道由α1、 α2、β、γ和δ亚基组成，钾通道由α和β 亚基组成等。在各亚基中，α亚基是构成离 子通道的主要功能单位，而其它亚基则只起 调节作用。
钠离子通道（sodium channels，简称钠通道），是选择性 地容许Na+跨膜通过的离子通道。根据其对钠通道阻滞剂河豚毒素 （tetrodotoxin, TTX）和μ-食鱼螺毒素（μ-conotoxin,μ- CTX） 的敏感性不同分为神经类、骨骼肌类和心肌类钠通道三类。
电压门控钙离子通道
钙离子通道（calcium channels，简称钙通道）是选择性容许 Ca2+跨膜通过的离子通道。根据肌细胞和神经元电压门控离子通道 对膜电位变化的敏感性，将神经元质膜电压门控钙离子通道分为T、 L及N三种类型，后来应用不同的毒素阻断钙电流的某种特定的成分， 在神经元又增加了P、Q和R型，共6型。
当膜去极化时，每一个功能区的S4肽段做螺旋运动而使正电荷移 出产生微弱而短暂的门控电流，导致通道构象变化。当四个结构域S4肽 段均发生这种构象变化时，则通道便处于激活开放状态，因此，S4肽段 又称为激活闸门（activation gate, m闸门）在通道开放后，很快Ⅲ结构 域门的）S，6与形Ⅳ成功一能“区活的瓣S”1之，间将的通肽道链内构口成阻失塞活，闸调门控（通in道ac的tiv失at活io过n g程at。e, h闸
乙酰胆碱门控离子通道
由α1γα2βδ 五个亚基组成，呈五边形排列。每个亚基有 4个跨膜区段即M1~4，由五个亚基的M2共同构成孔道的内壁。在 α1和α2亚基N端的细胞外部分各有一个ACh结合位点，当两个 ACh分子与α亚基结合后，便引起通道蛋白的构象变化和通道开 放，主要引起Na+内流增多。
三、离子通道的分类
离子通道具有两大共同特征，即离子选择性及门控特性。选择 性包括通道对离子大小的选择性及电荷选择性，如安静时神经细胞膜
离子通道对K+的通透性比Na+大100倍，而神经兴奋时，对Na+通透
性又比K+大10~20倍。通道闸门的开启和关闭过程称为门控 （gating）。通道可表现为三种状态，即备用、激活及失活状态。
电压门控钾离子通道
钾离子通道（potassium channels，简称钾通道）是广泛存在、 种类最多、最为复杂的一大类离子通道，仅电压门控钾通道就已克 隆出几十种亚型，根据其电流动力学特点可分为延迟外向整流钾通 道、瞬时外向钾通道和内向整流钾通道三类。
膜片钳实验和 技术
在《膜片钳技术及应用》（2003）来自百度文库书的序言中写道：
通常，一篇非常专业的科技论文公开发表后，若被其他的论文引用数 次，其作者就会感到欣慰；假如被别的作者引用十次以上，就可称得上 是一篇好论文；要是有幸被引用几十上百次，甚至几百次，那它无疑是 一篇高质量杰作，通常发表在权威的专业期刊或者是著名的科学杂志上， 如“Nature” ，“ Science”， “ Cell”和“ Neuron”等。
然而，你是否知道？有一篇论文，它的作者当时还
不太有名，刊登的杂志也不算顶级，可是论文发表20年 来，已神话般地被世界各地的科技工作者引用了一万二
千余次，遍及生物医学的众多领域，而且近年来还在以
平均每年约一千多篇的速度继续被引用，它就是由
Hamill，Marty，Neher，Sakmann和Sigworth等五人于 1981年发表在《欧洲生理学杂志》上的著名论文
2、电压门控离子通道
电压门控离子通道（voltage-gated ion channels）又称电压依赖性离子通道，这 一类通道的开启或关闭受膜电位的变化决 定，具有电压依赖性和时间依赖性。电压 门控离子通道一般以最容易通过的离子命 名，如钠离子通道、钙离子通道及钾离子 通道等。
电压门控钠离子通道
目录
一、离子通道的概念 二、离子通道的分子结构 三、离子通道的分类 四、离子通道的研究技术 五、膜片钳实验方法 六、膜片钳改良模式及其它研究方法
一、离子通道的概念
离子通道（ion channels）是镶嵌在细胞膜脂 质双分子层上的一种 特殊整合蛋白，在特 定情况下，形成具有 高度选择性的亲水性 孔道，允许适当大小 和电荷的离子以被动 转运的方式通过。
◦非门控离子通道 ◦门控离子通道 ◦电压门控性通道 ◦化学门控性通道 ◦机械门控性通道
1、非门控性离子通道
有些离子通道始终处于开放状态，离子可随时进出细胞， 并不受外界信号的明显影响，这些通道称为非门控离子通道。 如神经和肌肉细胞静息电位就是由于细胞膜上的离子通道允许 K+自由进出细胞，而引起的K+电化学平衡电位，此种K+通道即 属于非门控性离子通道。
<Improved Path-Clamp Technigues for High-Resolution
Current Recording from Cells and Cell-free Membrane Patches>。在此之前五年，身为德国科学家的Neher和 Sakmann共同发明了膜片钳技术（1976），并于15年后 共同荣获1991年诺贝尔 生理学或医学奖。
２．化学门控离子通道的基本结构
当各种化学物质与化学门控离子通道相应部位结合后，会导致 通道蛋白发生构型变化，引起通道开放，产生离子电流。体内这种离 子通道的种类很多，主要包括各种神经递质门控离子通道、ATP敏感 钾通道和钙依赖性钾通道等。
神经递质门控离子通道又称为离子通道受体，主要有乙酰胆碱门 控离子通道、GABA门控离子通道及谷氨酸门控离了通道三大类。