分子药理-离子通道

第一节、离子通道药理概述

离子通道是神经元、肌肉细胞等可兴奋组织上的特殊结构的大分子蛋白质，它在脂质

膜上构成具有高度选择性的孔道，一定的条件下，允许一种或几种离子透过。离子沿

着电化学梯度流过通道，形成离子电流，使可兴奋膜产生特殊的电位变化，形成神经

和肌肉电活动的基础。

根据跨膜电位或受神经递质通过受体激活调控离子通道的开启，可将离子通道分为二类： (1) 电压依赖性离子通道 (2) 受体调控性离子通道

电压依赖性离子通道广泛分布于各类可兴奋膜上，主要功能是产生动作电位。

受体调控性离子通道多局限于神经突触后膜和神经肌肉接头的运动终板，参与神经突

触后电位或终板电位的形成。

但上述的区分并非是绝对的，神经递质可调控某些电压依赖性离子通道的活动，而受

体调控性离子通道也有受膜电位影响的现象。

研究已证实许多药物可作用于离子通道，影响可兴奋膜上电冲动的产生和传播，进而

影响机体的生理和病理，这就为寻找和设计影响离子通道新药奠定了理论基础。

研究离子通道药理需要一些先进的研究技术和仪器，以下介绍几种常用的研究离子通

道的电生理技术。

1、电压钳（Voltage Clamp）技术

我们知道，当组织细胞兴奋时，流过膜的电流通常包含电容电流和离子电流两部分，

前者是膜电容充电或放电的位移电流，后者是流过通道的离子电流，它反映了膜的通

透性变化。电压钳制的目的是将离子电流和电容电流分开，从而进一步分析离子电流

随时间和膜电位变化的规律。

电压钳的具体工作原理大体是通过负反馈放大器迫使膜电位随控制电压的变化而变化，为此向膜内注射电流以抵消膜电流，确保膜电位稳定在控制电压水平。在电压钳制时，电容电流在膜电容充电至控制电压后，此时电容电流消失，此后的膜电流即离子电流。这种方法的灵敏度可达在0.5ms内测量106个离子流动的水平。

2、闸门电流（gating current Ig）是指在外部电场作用下，电压依赖性通道口或其附近

的带电闸门颗粒移动所产生的非对称电流，这些闸门颗粒决定通道的开闭。目前，电

压依赖性钠通道、钾通道、钙通道开放有联系的Ig可测量，并发现某些药物能改变Ig，说明其对闸门机制有影响。

3、起伏分析又称噪声分析主要是分析通道随机开放时产生的膜电流噪声，从统计结

构中计算出单通道参数：单通道电导值γ和平均开放时间τ，以及平均开放频离n。此

项分析技术主要用于离子通道的动力学研究，但定量分析不够准确。

4、斑片钳（Patch Clamp）技术斑片钳是记录离子通道开放瞬间的电流脉冲，直接测

量单通道参数，这种方法对电压依赖性离子通道和受体调控性通道都适用，是目前先

进的电生理测定离子通道的技术，它不仅可在完整细胞时记录，还可内面向外，或外

面向外的游离斑片膜进行记录，此时能任意改变内外溶液的成分来分析药物作用机制。

目前，对膜通透性变化的分子基础和物质结构的研究已取得重大突破。离子通道的研

究也已不再单纯依赖电生理学方法，药物和通道蛋白结合的研究正成为重要的研究手

段。应用神经毒素作分子探针，不仅确定了钠通道在各类可兴奋膜上的密度和分布，

还推动了钠通道的蛋白分离和纯化工作。生物化学，分子生物学和遗传学技术在研究

通道通透性本质方面是非常重要的。

第二节、钠通道药理

电压依赖性钠通道，主要生理功能是产生可扩布的动作电位，不同组织的钠通道的特

性基本相似。采用重组DNA技术克隆电鳗电器官的钠通道蛋白质的cDNA，从而推导

出此蛋白质共含的1820个氨基酸残基，其中共有4个重复序列区，两个亚区带负电荷，一个亚区带正电荷，另一个为中性。钠通道在细胞膜上的分布较低，即使是枪乌鱼轴

突膜每um2也仅有553个，占膜面积的1/100以下，在不同的组织细胞钠通道的数量

是不一致的。

电压钳实验揭示钠通道有三个重要特性：①离子选择性；②电压依赖性激活；③电压

依赖性失活。钠通道对Na+,K+通透性之比为12：1（枪乌鱼轴突膜）。从离子选择性

的钠通道阻滞剂河豚毒素的化学结构，推测钠通道两端稍宽，中部狭窄，最窄部位

（3A。×5A。）构成离子选择性滤孔。

闸门学说---此学说是在电生理研究基础上建立的钠通道模型，假设通道有m闸门和h

闸门分别控制通道的激活和失活。它们对膜电位均极其敏感。只有它们全部开放时，

Na+才能透过通道。在静息状态时m闸门关闭，h闸门开放；Na+不能通过通道；去极

化时先开放m闸门，让Na+内流（激活），然后关闭h闸门，终止Na+内流（失活）；接着是恢复期，m闸门关闭，h闸门重新开放，此后钠通道始能对再次去极化作出反应。

药理学研究支持上述闸门的存在，枪乌鱼轴突内部灌流链霉素（pronase）选择性地毁

坏h闸门，使钠通道不失活，而m闸门不受影响，此时内部再灌流精氨酸或多聚甘酰

精氨酸可模拟钠通道失活，灌流其他8种氨基酸无效。上述实验证明控制失活的h闸

门位于钠通道内侧端，并提示膜内带正电的精氨酸残基是h闸门的重要成分。

作用于钠通道的药物大致分三类，如下：

1．钠通道阻滞剂

包括河豚毒素（tetrodotoxin，TTX）和甲藻毒素（STX）。TTX和STX均为水溶性杂

环胍，前者存在于河豚鱼卵巢和肝脏等中，后者由膝沟藻属的甲藻产生。

在枪乌鱼轴突电压钳，选择性阻断I Na,不影响I k和Ig。STX的作用和TTX极其相似，

但作用消失去比TTX更快。结合实验发现STX和TTX竞争同一结合部位，证明这一

种毒素作用于相同的部位。由于毒素只能用于膜外侧，轴突内部灌流无效，说明TTX

和STX受体位于钠通道外侧端。

目前认为这二种毒素阻滞钠通道的机制可能是毒素分子结构巧妙地与通道锲合，毒素

带正电荷的胍基伸入钠通道的离子选择滤孔和通道内壁上的游离羧基结合，毒素主体

部分堵塞住通道外侧端，妨碍了Na+进入。

2.影响失活的药物

该类药又分（1）促进失活的药物：包括局部麻醉药，如奎尼丁类，氟卡尼，聚精氨酸等；（2）抑制失活的药物：包括α-蝎素，海葵毒素，N-甲基士的宁等。

（1局部麻醉药---常用局麻药为仲胺或叔胺，与H+结合即变成离子型胺。局麻药阻滞

神经传导的作用主要由于抑制了I Na,同时还抑制Ig，对Ig的抑制和对I Na的抑制密切