6 7神经生物学 离子通道

第三节 膜片钳技术（单通道记录）

膜片钳技术是在20世纪80年代初电Neher和 sakmann及其同事发展起来的
第四节 电压依赖性离子通道
一、钠通道、钙通道和钾通道的分子结构
(一)钠通道分子结构 (二)钙通道分子结构 Mr接近208000
(三)钾通道分子结构
果蝇Shsker基因编码的大约7x104的蛋白质构成 钾通道果蝇Shsker基因有5种不同的产物，它们均能 编码钾通道。 钾通道多样性 (四)电压依赖性通道的S4段可能是一个电压感受器 通道的门控过程必然伴有限内电荷的移动 钠通道门控电流需要6e－移动才能打开通道的门 (五)S5和S6段之间的非螺旋区形成了钾通道的衬里
制频率
5. 反常整流器
只有在膜处于超极化并且大于静息 电位时才开放，内向K电流，恢复静息电位
6．M电流 M型Ach受体激活时关闭。IM意 义在于调整神经元对突触输入的敏感性 抑制后来 的EPSP 。
四 钙通道
(一)钙通道的特性
1．钙通道在静息膜电位时是关闭的，在较强的去极化 作用时才呈现可逆性开放 2．钙通道与钠通道的动力学有相似之处 3．钙通道可通透Ca 2+、Ba 2+ 、Sr 2+ 4．神经兴奋时，除了伴有大量Na +内流以外．还有少 量Ca 2+内流 5．钠通道和钙通道各有不同的功能 6．钙离子流的功用有：①运载电流；②作为细胞内信 使；③激活代谢变化；④在突触终末， Ca 2+内进可 以诱导突触小泡的释放； ⑤在肌肉细胞，刺激收缩 蛋白和代谢活动，另一方面用来补充胞内贮备的起 刺激作用的钙。

Ca 2+是神经细胞内一种重要的第二信使 ① Ca 2+内流触发神经递质释放 ② Ca 2+通过与其他第二信使、蛋白磷酸化、 递质合成和代谢作用相联系发挥作用 ③ Ca 2+在突触可塑性、发育、学习记忆等 神经细胞功能中起重要作用。
一、细胞内钙浓度的测定
测定胞质Ca 2+浓度比较因难，原因是胞 质Ca 2+浓度很低 内:0.1—0.2umol/l ;外;1.8mmol/l


一 环核苷酸系统 cAMP系统
第五节 第二信使系统
环腺苷酸(cAMP)是Sutherland和Rall于1957年发现 的，他们最早提出了第二信使的概念
cAMP作为第二信使的作用机制有下列4个步骤
(1)A—环化酶在递质与受体结合时被激活，成为活化的A—环化 酶 (2)在活化了的A—环化酶的催化下，ATP变为cAMP (3)在cAMP作用下，蛋白激酶被激活 (4)活性蛋白激酶一方面使膜蛋白磷酸化，改变膜对离子的通透 性，传递动作电位；另一方面使核蛋白磷酸化，产生长朗记亿。
1. G蛋白偶联受体与配体结合有两种模式： ①小的疏水性正离子型的配体 受体结合位点 位于跨膜螺旋束内 ②大的糖蛋白类配体 结合位点位于细胞外N末 端区域内 2.受体通过跨膜螺旋结构将信息传递到胞质面 3.每一种G蛋白偶联受体都有多种形式、多种异 构体
三 效应蛋白：酶、通道或转运蛋白
现己确认的G蛋白调节的效应物约有10种，包 括 酶、离子通道以及膜转运蛋白 Gs 、 ：G蛋白可以激活（嗅觉）或抑制（味 觉）AC AC是细胞内产生cAMP的酶 Gi：视觉的光传导系统也是由G蛋白介导的信 号传递系统 磷酸二酯酶系统是特化了的系 统 G蛋白通过不同的机制调节离子通道 G蛋白直 接作用的离子通道有钾通道、钙通道、钠通道 等
激活; 去激活; 失活和失敏

六 S4螺旋的门控作用
七 门控电流
（第二节） 门控电流
一、门控电流的理论根据
电压依赖性离子通道在电场的作用下 有开启和关闭的机构，是膜上通道蛋白 的带电基团或偶极子在膜电位改变时， 在电场作用下发生位移或转动，或重新 分布，从而导致通道的开闭。通道的开 闭有电荷移动．称为门电流或闸门电流， 或门控电流。
三 IP1－3肌醇
一个重要的第二信使系统，它开始于膜上一种磷脂，
即磷脂酰激醇(PI)
四 AA花生四烯酸： 五 一氧化氮
催化可溶性鸟苷酸环化酶是一种异二聚体
Hale Waihona Puke Baidu
六 蛋白磷酸酶

蛋白激酶催化磷酸化过程；蛋白磷酸酶催化脱 磷酸化过程 PKA: AC—cAMP—PKA PKC: PLC—DAG/Ga—PKC（PLC磷脂酶， DAG二二酰基甘油） PKG: NO—cGMP—PKG GaMKII: Ga—GaM—GaMKII PTK:酪氨酸

（ 10-3毫mmilli 10-6微μmicro 10-9纳n nano）
相差近 -6次方倍 发现了一类钙螯合剂EDTA类指示剂

二 通过胞质膜钙离子的调控
胞质Ca 2+可以从两个方面流入：一是细胞外 钙内流；二是从细胞内内质网的钙库 调控神经细胞质膜内外Ca 2+浓度是通过三条 途径实现的：①细胞膜上的钙通道 ②Na + / Ca 2+交换器 ③ Ca 2+依赖ATP酶
第六节 受体间的相互作用

第七章 受体和第二信使
第一、二节 受体的概述、种类和结构 一. 受体 指能与配体结合并能传递信息、 引起效应的细胞成分 接受部分 效应成分 在各种情况下，受体都将配体分子 结构编码的信息翻译成特殊的生理反 应
受体的鉴定标准有3条 ①饱和性 ②特异件或专 一性 ③可逆性 受体可分为4类：①递质(配体)门控性离子通道 ②G蛋白偶联型受体 ③催化型受体 ④核受体 此外，如NO、CO是新发现的气体型神经递质， 可以自由穿过膜，细胞质内的乌苷酸环化酶是 其受体之一

第三节、离子通道 型受体

ACh受体的分子结构 ：5个亚基组成，即2个α ， 1个β ，1个γ 和1个δ 亚基。相对分子质量为 2.7x105，Ach与受体的α 亚基结合
谷氨酸受体
谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统最常见的兴 奋性递质。 有三种亚型：即N—甲基—D—天 冬氨酸(NMDA)受体、使君子氨酸(QA)受体和 海人藻酸(KA)受体 NMDA受体有独持的电压依赖性 QA受体开启时直接开放阳离子通道
激活，适于维持静息状态膜电位
2. 3. 4.
延迟整流器
在强的去极化作用下经历一个简短的延 迟后被激活，而失活非常缓慢
早期钾电流 快瞬性钾通道,被很小的去极化作用迅速 激活和失活 对抗冲动间的去极化，减频率 钙依赖性钾电流 Ca2+的内流和在胞质内的聚集导致 这种钾通道开放 对抗Ca2+的内流和相应的兴奋提高，控
二、 门控电流记录


记录原理
Armstrong和Bezanilla于1974年第一次记录到了钠通道 的门控电流。在低钠(200 g／L的正常质量浓度下)并含 TTX的脑外溶液中，消除钠电流，然后先用一个去极 化方波，后用一个超极化方波，二者大小相等、方向 相反，使它们相加，其线性成分的膜电容电流等于零， 剩下的便是非线性的门控门流Ig(图6—1)。
二 cGMP系统
与cAMP系统相似
膜结合型GC（如前） 环鸟甘酸(cGMP)可调节脊椎动物视网 膜光电转换机制，是小脑浦肯野细胞内 的第二信使 胞浆可溶性GC（NO是激活因子）

胞浆可溶性鸟苷酸环化酶 GC

ACh作用于M受体使内皮细胞内IP3 浓度 升高， Ca2+ 从内质网流入胞质，激活了 一氧化氮(NO)合成酶，生成NO。在有氧 的条件下，NO扩散，激活细胞内的可溶 性鸟苷酸环化酶。
(二)钙通道的多样性
1. 2.
3.
4.
L型 很强的去极化作用才能开放，但 不失活 兴奋 T型 持续时间很短，很快失活 树突 整合 N型 调节突触前终未递质的释放 IB型 一种独立的、非常缓慢的Ca 2+ 电流
四 Cl通道
电导小 门控机制 功能：1稳定膜电位；2调节肿胀；3Cl重 吸收

第五节 钙的胞内平衡

一、受体通过GTP催化激活G蛋白
受体通过促进GTP的结合而激活G蛋白 每个受体分子可以激活多个G蛋白分子 信号传递与受体和G蛋白的相对数目及受 体的催化活性有关

二

G蛋白偶联受体
受体是球状糖蛋白， 其结构基础是由亲 水环连接在一起的 7条跨膜全长的疏 水螺旋组成的束， 糖 基化的 N 末端 位 于膜的外表面，C 末端位于细胞质面
①以疏水性图为基础的多数蛋白质模型中，把这一结构位于细 胞外，而非膜内；②这一结构不形成α 螺旋，而形成更为伸 展的β 折叠
二 钠通道
(一)钠通道特性 1．激活特点
钠通道在膜静息状态时是关闭的，在去极化状态时开 放，最长开放时间能维持几ms
2．钠通道和钾通道的离子选样性是相对的
可以通透其他的无机离子和合机离子

① Na＋通常以水合离子存在，完全脱水需要很大的能量，又不能与通道管 壁契合 ②一些含有－OH基、－NO基、－NH2基等基团的化合物能够提供质子与钠 通道内壁上的带负电的氧原子形成氢键，这样就降低了这类化合物的直 径 ③由于钠通道内壁上的负性基团在酸性时可能丧失活性，从而降低其对阳 离子的引力
五 离子通道的开放和关闭
物理特性)
①通道具有很高的电导，电阻率很低 ②孔洞与载体最大的差别在于它们允许离子流 动的最大速度 ③温度效应 ④通道专一性:相对
三 离子通道的化学本质是蛋白结构（2）




用蛋白酶处理后，可使通道的性质改变 一些与羧基结合的试剂能影响钠通道对TTX的 结合,一些与蛋自质中巯基作用的交联剂或别的 蛋白质改变剂作用于神经，使神经丧失兴奋能 力 钠通道中有氨基酸残基 发育过程中通道功能的产生可以用蛋白质抑制 剂所阻止 简单的肽类可以形成特异性离子通道

三、内质网钙库与胞质钙浓度调控
调节细胞内内质网钙库与细胞质之间Ca2+ 浓度是通过两条途径实现的 ①内质网膜上 Ca2+依赖的ATP酶 ②IP3打开内质网钙通道，使钙库内的Ca2+ 流入胞质

四、CaM激酶Ⅱ－ Ca2+/钙调蛋白
CaM激酶Ⅱ可能起一个分子开关的作用 Ca2+/钙调蛋白可以调节许多第二信使相关酶 Ca2+与通道蛋白直接结合后,可以调节一些膜 离子通道的活动
第六章 离子通道
第一节 离子通道的基本特性
一、不同的离子通道是互相独立的（3选择性）
①钠电流和钾电流可以用TTX和TEA等将它们分离出 来且互不影响 ②钠电流和钾电流有各自不同的动力学 ③ 用链霉蛋白酶处理神经后，对钠通道的失活化产生 影响，甚至失活化效应消失，而对钾电流无影响
二、通道是孔洞而不是载体 (1


IP等Ca通道受体：IP 上皮Na通道受体:神经肽
反常整流器（K内向整流器）：mACH
第四节 G蛋白偶联型受体
能与GTP结合的蛋白称为G蛋白 G蛋白有α 、β 、γ 三个亚基，当受体被激活 时， α 亚基与β 、γ 亚基复合物解聚， α 亚 基激活腺苷酸环化酶引起cAMP增加。 根据α 亚基结构分为多类，即Gs、Gi、Go、Gq、Gt 等
四、通道对离子通透的特异性依赖于孔洞大 小、离子形成氢键的能力及通道内位点相互 作用强度（3选择性）
Na＋直径大约0.19nm，K＋直径大约0. 266nm， K＋可通过钠 通道．而Na＋不能通过钾通道。 直径最小的H＋也不能通过钠通道。Ca2+很难通过钠通道。 直径大小差不多的一OH和一NH2基化合物可以通过钠通道， 而－CH3基化合物则不能通过钠通道。原因是：
3．阳离子通过钠通道的难易程度
不仅与离子大小有关，而且与离子形成氢键的能力 及通道微环境中的pH等因素有关
(二)钠通道的药理学特性 TTX和STX可以专一性地阻断钠通道的活化 (三)钠通道的多样性
三 钾通道
(一)钾通道电导 10pS (二)钾通道的多样性 1. Ik型 —种最普遍的钾通道，可被很小的去极化作用缓慢