细胞生理学

2020/12/2
9
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
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、
ห้องสมุดไป่ตู้
双孔钾通道、电压门控钾通道及钙激活性钾通道。
2020/12/2
5
2020/12/2
6
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α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α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。
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。
2020/12/2
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
2020/12/2
4
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
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。
2020/12/2
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
2020/12/2
7
2020/12/2
8
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NH4+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。
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％。
2020/12/2
12
离子选择性和门控特性是离子通道的两个重要的特征。
细胞生理学
第二章
离子的跨膜流动 与细胞膜电位
2020/12/2
1
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。
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。
2020/12/2
10
钾通道的结构和离子选择性原理
2020/12/2
2020/12/2
13
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α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。
11
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