钾离子通道

钾离子通道

所有活细胞都被一层膜包围着,它把细胞内的液态世界与外部环境隔离开.膜质可以有效的阻止小离子通过(而且像蛋白质和核酸这样的大分子也一样),因此为细胞提供了新的机遇:可以根据离子浓度的差异进行快速的信号传导.首先,细胞可提高其内部的钾离子浓度;而后,由于瞬时刺激膜上的某些通道迅即被打开,钾离子被释放,使得整个细胞的钾离子浓度发生巨大变化,由此产生信号传导.此过程在各种细胞形式中都存在,如细菌细胞,植物细胞和动物细胞.有两个关于离子通道作用的例子:肌肉收缩(由钙离子释放起始的)和神经细胞信号传导(包含一个复杂的那钾离子交换).

离子通道是神经系统中信号传导的基本元件

当你闻过一朵花,你会知道这是一枝玫瑰;或者当你的手要触及炙热的东西时,你会立即把手缩回来.这都是由于人的鼻腔和手部的感觉器官通过离子释放把信号由神经传递给大脑,在由大脑做出适当的反应而完成的.其中,神经细胞摄入了大量钾离子并选择性地泵出钠离子从而进行了信号的传递,并因此在膜内外产生了一个电势差.为了传递信号,神经细胞首先打开钠离子通道,摄入钠离子,降低膜内外的电势差.然后打开钾离子通道,排出钾离子,使膜电位重新恢复到静息水平.此后通过其他通道和泵使钠钾离子在细胞内外得到重新分布.由于这种巧妙设计,这些通道对膜电位都非常灵敏,稍有变化通道就会打开.所以,神经细胞一段的通道被打开时产生的离子流会瞬时引发质膜下游通道的打开.结果导致信号通过通道开启传播波沿着质膜迅速传播直至末端.

钾离子通道

钾离子通道的通透特异性允许钾离子通过质膜,而阻碍其他离子通透-特别是钠离子.这些通道一般由两部分组成:一部分是通道区,他选择并允许钾离子通过,而阻碍钠离子;另一部分是门控开关,根据环境中的信号而开关通道,结构展示在蛋白库编号1bl8,展示的是一种细菌的钾离子通道的通道区部分,它由四个同源的跨膜蛋白质组成,在中心部分形成一个选择性的孔洞.钾离子(绿色)以每秒一亿个的速度自由通过.由于特异的选择性,每一万个钾离子通过才允许一个钠离子通过.在下一页的晶体图中可以看到,通道结构是如何完成特异性选择的.

通道的开启与关闭

活细胞中有数百种不同的离子通道,它们行使着各种不同的功能.这些通道有相似的通道区(两图例中的顶部),与专门的门控结构域相连(图例的底部).为了在图解中清楚的展示孔道,灰色条纹代表质膜,而在选择性的通道区指显示了四个同源亚单位中的两个.门控区对通道的开关是有不同信号决定的,如电位差或重要的信号分子的出现.还有一些结构上的设计被用来开关通道,正如这里展示的

两个简单的细菌通道模型,与通道相连的蛋白结构域被认为是用来扭转组成通道的四条链.在蛋白库中通过对比通道"开启"结构1lnq(右侧)与"关闭"结构

1k4c(左侧)可以清楚的看到(其中门控区结构来自低解析结构1f6g).在神经细胞中还有更加复杂的通道,它能通过感受膜上的电位变化来开关通道.这种通道被认为有一种被牵连的球状蛋白,此蛋白可以漂浮在通道外,也可以用来堵住通道.(注意:令人颇感意外的是,在关闭状态的通道晶体结构中有一些钾离子,显示为绿色,但在开启的通道结构中却没有钾离子存在.)