细胞生理学

电压门控钙通道的随机活动，异丙肾上腺素的刺激 可提高电压依赖性钙通道的Po。
4．离子通道的激活及其能量转换功能
多数离子通道在静息（resting，未激活但也未失活，
available）状态下Po很低。离子通道从低Po状态转换
为高Po。状态的过程叫做激活（activation ）。不同 离子通道可通过不同能量形式的刺激激活并产生细胞 膜电流。因此，离子通道在细胞中发挥着能量转换器 的作用。根据激活因素的能量形式不同，离子通道可 有多种类别。
化、酸碱度、氧化还原状态、辅助亚基、表达量等因素的控
制，以实现细胞功能的精细调控
下丘脑渗透压感受器细胞膜的离子通道（机械门控离子通道）
二、跨膜离子平衡与细胞膜电位 （一） 离子的跨膜电化学势与离子的平衡电位
生物膜两侧通常会存在电位差，称为膜电位
（membrane potential，Vm）。由于离子电荷的存在，
因浓度梯度扩散到胞外的趋势。对任
意离子 X 而言，当膜两侧浓度梯度产 生的 X 离子扩散趋势与因电学梯度产 生的 X 离子泳动趋势大小相等、方向 相反时，其跨膜净电流 Ix ＝ 0 ，我们 说 X 离子达到了电化学平衡；此时的 膜电位叫做X离子的平衡电位
（equilibrium potential，Ex）。
电压门控
钠通道的结构
图. 膜去极化时钠通道构象变化的理论模型
配体门控通道（ligand-gated channel）由特异性的化学物质
与之结合而激活，又称化学门控通道。这类通道往往是体内外
信号物质的受体，在这种情况下又称之为通道型受体。配体门 控通道本身或其调节亚基上存在配体结合位点。配体的结合降 低了通道构象变化的势垒，使通道进入高Po的状态。例如食物 中的辣椒素可以激活辣椒素受体，运动神经末梢分泌的乙酰胆
驱动离子跨膜迁移的能量来源除了膜两侧的浓度差
以外还有电位差。
在图中，设细胞膜只对 K ＋ 通透，
细胞内的K＋浓度高于细胞外。如果细 胞膜电位初始值为 Vm＝ 0 ，则细胞内 的K＋将沿浓度梯度向细胞外扩散，结 果Vm变负。随着Vm的变化，跨膜K＋ 电流越来越小，这是因为 K ＋ 单纯由 Vm驱动流向胞内的趋势逐渐抵消了其
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。
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
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
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。
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。
钾通道的结构和离子选择性原理
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 相同的“氧笼”。进入“氧笼”的每个K+周围都有8个氧原子，与其
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。
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，
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 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、 双孔钾通道、电压门控钾通道及钙激活性钾通道。
细胞生理学
第二章
离子的跨膜流动
与细胞膜电位
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。 由于离子有电荷，生物膜的脂双层对离子是高度不
(0.19nm)比K+的(0.26nm)小，却极难通过钾通道。后面这个事实
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。
A： 丙氨酸 K： 赖氨酸 I： 异亮氨酸 F： 苯丙氨酸 M：甲硫氨酸
四个结构域形成钠通道
Na 通道主要由一个较大的α- 亚单位组成，有时还另有一个 或两个小分子量的亚单位，分别称为β1和β2 ，但Na通道的主要 功能只靠α-亚单位即可完成。这个较长的α-亚单位肽链中包含 了4个结构类似的结构域，每个结构域大致相当于 ACh门控通道中 的一个亚单位，但结构域之间由肽链相连，是一个完整的肽链， 应由一个mRNA编码和合成。而每个结构域中又各有 6个由疏水性 氨基酸组成的跨膜α- 螺旋段；这 4 个结构域及其所包含的疏水 α-螺旋，在膜中包绕成一个通道样结构。每个结构域中的第 4个 跨膜α- 螺旋在氨基酸序列上有特点，即每隔两个疏水性氨基酸， 就出现一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸；这些α- 螺旋由于自身 的带电性质，在它们所在膜的跨膜电位有改变时会产生位移，因 而被认为是该通道结构中感受外来电信号的特异结构，由此再诱 发通道“闸门”的开放 。
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。
Biblioteka Baidu 通道转运模式图
控制离子通道开闭的 方式主要有上述三种。
电压门控通道（ voltage-gate dchannel ）可因膜电位的改变
而激活，包括电压门控钾通道、钙通道和钠通道等。每个钙
通道或钠通道有4个结构域，每个结构域与电压门控钾通道的 一个亚基同源，都有6个跨膜 α 螺旋S1～S6。其中S4高度保 守，富含疏水性、带正电的精氨酸（ Arg ）或赖氨酸（ Lys ） 残基，被认为是通道的电压感受器。在静息的细胞中，细胞
碱可激活骨骼肌 N 型乙酰胆碱受体，细胞内信使三磷酸肌醇
（IP3）可激活内质网的 IP3受体，这些受体都属于配体门控通 道。配体门控通道在细胞间信息传递和细胞内信号转导过程中 发挥关键作用。
N2型Ach受体是由4种不同的亚单位组成的 5
聚体蛋白质，总分子量约为290kd；每种亚单位
都由一种 mRNA 编码，所生成的亚单位在膜结
构中通过氢键等非共价键式的相互吸引，形成一
个结构为α 2βγδ 的梅花状通道样结构，而其中的
两个α -亚单位正是同两分子ACh相结合的部位，
这种结合可引起通道结构的开放。
机械敏感通道（ mechanosensitive channel ）是由机械应力 变化激活的离子通道。内耳中的毛细胞、皮肤机械感受器、 血管内皮细胞、心肌细胞等有对牵张力、剪切力等机械应力 敏感的离子通道。这些离子通道能够将受到的机械应力转化 为分子内能，从而改变 Po，并引起细胞反应或神经调控。温 度敏感通道是由温度变化激活的离子通道，包括分别对热刺 激、冷刺激敏感的离子通道。 除了以上种类的离子通道外，还有一些离子通道没有特异 性 的 门 控 机 制 ， 称 为 非 门 控 通 道 或 背 景 电 流 通 道 （ back ground current channel）。 各种离子通道除了其特异性门控机制外，其功能还受磷酸
2. 静息电位形成的原理 静息电位的形成与三个方面的问题有关： （1） 细胞安静状态下，细胞膜内、外的
离子浓度差;
（2） 细胞膜对离子的选择通透性；
（3）维持细胞内外离子浓度差的机制。
枪乌贼巨轴突的膜内外的离子分布
（2）细胞膜对离子的选择通透性和钾平衡电位
假设：正是因为安静状态时，膜对K＋选择性通透，
内相对细胞外的膜电位一般在-80～-60mV之间，这种极化状
态对 S4 产生向胞内方向的电学吸引；如果膜电位向正的方向 变，产生去极化，则对的S4 电学引力减小，使通道发生构象 变化的势垒降低，通道便被激活，并进入高Po的状态。
电压门控通道：通道的开、闭受膜两侧电位差控制
的离子通道，称为电压门控通道。
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％。
离子选择性和门控特性是离子通道的两个重要的特征。
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。
（二） 细胞的静息膜电位
1. 静息电位 细胞在没有刺激的条件
下，细胞膜两侧存在的电
位差，称为静息电位
（Resting Potential）。
静息电位时，细胞膜处于内负外正的情况常被称作
极化状态。极化这一术语，在生理学中常用。当膜两 侧的极化加剧时，称为超极化，而膜两侧的极化减弱 时，称为去极化。
导致了出现膜内外电位差。RP就是钾平衡电位（Ek）。
证明：由物理化学理论计算出的Ek与RP接近；RP随
胞外[K＋]变化而变化；观察到放射活性K＋可透过细胞膜。
结论：细胞内[K＋]＞细胞外[K＋] 、细胞膜对K有较
高的选择性通透是RP产生的机理。
静息电位取决于钾的平衡电位
安静时，细胞内钾浓度高于细胞外，膜对钾的通透 性较大，故钾外流聚于膜外，带负电的蛋白质等大分子 物质不能外流而滞于膜内；因此，膜外带正电，膜内带 负电。当促使钾外流的钾浓度势能差同阻碍钾外流的电 势能差（钾外流导致的外正内负）相等时，钾跨膜净移 动量为零，故RP相当于Ek。