細(xì)胞生理學(xué)演示文稿

細(xì)胞生理學(xué)演示文稿目前一頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)細(xì)胞生理學(xué)目前二頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

離子的遷移不能簡單地歸結(jié)為擴(kuò)散。因?yàn)閿U(kuò)散是物質(zhì)由于分子熱運(yùn)動順濃度梯度的遷移。由于離子都帶有正電荷或負(fù)電荷，離子跨膜遷移除擴(kuò)散外還受電場的影響。離子沿電場方向的運(yùn)動是不同于擴(kuò)散的另一種物理過程。本節(jié)將討論兩種過程協(xié)同作用下離子的跨膜流動。由于離子有電荷，生物膜的脂雙層對離子是高度不通透的，必需經(jīng)過載體或跨膜的孔道。各種不同種類的離子通道（ionchannel）是動物和植物細(xì)胞中離子跨膜流動的主要途徑。目前三頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)一、離子通道及其特性1．鉀通道我們從鉀通道開始認(rèn)識離子通道的生理學(xué)功能。鉀通道是目前研究得最清楚的離子通道，也是進(jìn)化上最早出現(xiàn)的離子通道之一。由于K＋在幾乎所有細(xì)胞內(nèi)都是主要的無機(jī)離子，因此鉀通道是影響細(xì)胞功能的最基本離子通道。

第一個鉀通道的分子序列是從果蠅中克隆出來的。有一種突變型果蠅在被乙醚麻醉后出現(xiàn)腿部顫抖，由于果蠅有唾液腺巨染色體，通過染色并與野生型比對，發(fā)現(xiàn)這個腿部顫抖的表型與果蠅x染色體上的一個突變有關(guān)。

1987年，美國生物學(xué)家克隆出這個Shaker基因，并證明該基因編碼一種電壓門控鉀通道。后來，在哺乳動物也找到相應(yīng)的基因以及很多其他鉀通道基因。鉀通道是目前發(fā)現(xiàn)的亞型最多、作用最為復(fù)雜的一類離子通道。按照基因同源性，這些鉀通道分為4個超家族：內(nèi)向整流鉀通道、雙孔鉀通道、電壓門控鉀通道及鈣激活性鉀通道。目前四頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)目前五頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

內(nèi)向整流鉀通道的結(jié)構(gòu)最簡單。這個超家族的基因編碼的蛋白由兩個跨膜α螺旋和連接兩者胞外端的P環(huán)（poreloop）構(gòu)成；4個相同的蛋白亞基圍成一個鉀通道。哺乳動物的鉀通道結(jié)構(gòu)與細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的鉀通道完全一致，顯示其進(jìn)化上高度保守。多數(shù)其他的陽離子通道的孔道區(qū)（poreregion）也是這個基本結(jié)構(gòu)。例如，雙孔鉀通道超家族的鉀通道分子序列包含兩個與此類似的孔道區(qū)，電壓門控鉀通道超家族的鉀通道分子序列是在一個孔道區(qū)的C端加接了4個α螺旋；而電壓門控鈣通道和鈉通道則依次是電壓門控鉀通道的進(jìn)化下游。目前六頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)目前七頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

2．離子通道的離子選擇性

特定的離子通道只能選擇性地通透特定種類的離子，這就是通道的離子選擇性（ionicselectivity）。根據(jù)離子選擇性的不同，離子通道可分為鉀通道、鈉通道、鈣通道、氯通道、非特異陽離子通道等。離子通道的離子選擇性是相對的而不是絕對的，任何離子通道都不是絕對地只通透某一種離子，但不同離子通道對離子的選擇性的確有很大差異。例如鈉通道雖然主要對Na+通透，對NH4+也可通透，甚至對K+也有微量通透。相比之下，鉀通道的選擇性更強(qiáng)。非特異陽離子通道對K+和Na+的通透性一般比較接近，但對二價陽離子的通透性在不同通道間有較大差異。目前八頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

在離子通道的研究領(lǐng)域，科學(xué)家曾很不能理解，為什么有些離子通道能夠在高速通透離子的情況下對離子有極高的選擇性?這不能用特定離子的高親和結(jié)合位點(diǎn)來解釋，因?yàn)橛H和性越高，通透效率會越低。也不能用孔道大小來解釋，因?yàn)镹a+的直徑(0.19nm)比K+的(0.26nm)小，卻極難通過鉀通道。后面這個事實(shí)同時也說明，離子通道并不是一個簡單孔道。直到1998年，R·MacKinnon和同事用蛋白晶體的X線衍射分析學(xué)技術(shù)解出了細(xì)菌鉀通道的分子結(jié)構(gòu)，這個問題才得到回答。MacKinnon因此與研究水通道的Agre共享了2003年的諾貝爾化學(xué)獎。目前九頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)鉀通道的結(jié)構(gòu)和離子選擇性原理

目前十頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

鉀通道的分子結(jié)構(gòu)顯示，通道的內(nèi)外入口處均有多個帶負(fù)電的氨基酸殘基，有利于增加附近陽離子濃度，也防止負(fù)離子進(jìn)入通道。通道孔區(qū)的大部分相對寬大且有水，使得離子能夠保持被水中8個氧原子包圍的水合狀態(tài)。在通道由胞內(nèi)向胞外的2/3處，通道變窄，來自4個孔袢上羧基的氧原子朝孔道整齊排列，構(gòu)成與水合離子中尺寸相同的“氧籠”。進(jìn)入“氧籠”的每個K+周圍都有8個氧原子，與其在水中的環(huán)境十分相似，大大降低了K+通過孔道的能量勢壘，從而允許K+單列縱行通過孔道。而對于其他陽離子，如Na+，由于其體積較小，不能與“氧籠”匹配，能量勢壘很高，通過率不足K+的1％。目前十一頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

離子選擇性和門控特性是離子通道的兩個重要的特征。離子通道的活動表現(xiàn)出明顯的離子選擇性，即每種通道都對一種或幾種離子有較高的通透能力，其他離子則不易或不能通過。通道對離子的導(dǎo)通，表現(xiàn)為開放和關(guān)閉兩種狀態(tài)。一般而言，處于激活狀態(tài)的通道是開放的，處于失活狀態(tài)的通道是關(guān)閉的。通道的功能狀態(tài)受膜電位、化學(xué)信號和機(jī)械刺激等因素調(diào)控。由于推測通道的功能狀態(tài)與其分子內(nèi)部的“閘門”（gate）樣結(jié)構(gòu)的運(yùn)動有關(guān)，因而生理學(xué)中將這一過程稱為門控（gating）。根據(jù)引起門控過程的因素和門控過程的機(jī)制的不同，離子通道又可分為電壓門控通道、化學(xué)門控通道和機(jī)械門控通道等。目前十二頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)3．離子通道的隨機(jī)活動

離子通道并非像宏觀的孔道一樣無限制地允許離子自由通透。離子通道一般至少有開放、關(guān)閉兩種狀態(tài)，有的離子通道還有一種失活狀態(tài)，這些狀態(tài)對應(yīng)著通道蛋白的不同構(gòu)象，一般只有開放狀態(tài)才允許離子通過。由于α螺旋和P環(huán)的分子內(nèi)熱運(yùn)動，非失活的離子通道可在開放和關(guān)閉狀態(tài)間隨機(jī)轉(zhuǎn)換。一個離子通道處于開放狀態(tài)的時間在總時間中的比率叫做開放概率（openprobability，Po）。不同的離子通道或同一離子通道在不同條件下Po

各不相同。目前十三頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

電壓門控鈣通道的隨機(jī)活動，異丙腎上腺素的刺激可提高電壓依賴性鈣通道的Po。目前十四頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)4．離子通道的激活及其能量轉(zhuǎn)換功能

多數(shù)離子通道在靜息（resting，未激活但也未失活，available）狀態(tài)下Po很低。離子通道從低Po狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高Po。狀態(tài)的過程叫做激活（activation）。不同離子通道可通過不同能量形式的刺激激活并產(chǎn)生細(xì)胞膜電流。因此，離子通道在細(xì)胞中發(fā)揮著能量轉(zhuǎn)換器的作用。根據(jù)激活因素的能量形式不同，離子通道可有多種類別。目前十五頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)通道轉(zhuǎn)運(yùn)模式圖

控制離子通道開閉的方式主要有上述三種。目前十六頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

電壓門控通道（voltage-gatedchannel）可因膜電位的改變而激活，包括電壓門控鉀通道、鈣通道和鈉通道等。每個鈣通道或鈉通道有4個結(jié)構(gòu)域，每個結(jié)構(gòu)域與電壓門控鉀通道的一個亞基同源，都有6個跨膜α螺旋S1～S6。其中S4高度保守，富含疏水性、帶正電的精氨酸（Arg）或賴氨酸（Lys）殘基，被認(rèn)為是通道的電壓感受器。在靜息的細(xì)胞中，細(xì)胞內(nèi)相對細(xì)胞外的膜電位一般在-80～-60mV之間，這種極化狀態(tài)對S4產(chǎn)生向胞內(nèi)方向的電學(xué)吸引；如果膜電位向正的方向變，產(chǎn)生去極化，則對的S4電學(xué)引力減小，使通道發(fā)生構(gòu)象變化的勢壘降低，通道便被激活，并進(jìn)入高Po的狀態(tài)。目前十七頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

電壓門控通道：通道的開、閉受膜兩側(cè)電位差控制的離子通道，稱為電壓門控通道。目前十八頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)A：丙氨酸K：賴氨酸I：異亮氨酸F：苯丙氨酸M：甲硫氨酸目前十九頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)Na通道主要由一個較大的α-亞單位組成，有時還另有一個或兩個小分子量的亞單位，分別稱為β1和β2，但Na通道的主要功能只靠α-亞單位即可完成。這個較長的α-亞單位肽鏈中包含了4個結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)域，每個結(jié)構(gòu)域大致相當(dāng)于ACh門控通道中的一個亞單位，但結(jié)構(gòu)域之間由肽鏈相連，是一個完整的肽鏈，應(yīng)由一個mRNA編碼和合成。而每個結(jié)構(gòu)域中又各有6個由疏水性氨基酸組成的跨膜α-螺旋段；這4個結(jié)構(gòu)域及其所包含的疏水α-螺旋，在膜中包繞成一個通道樣結(jié)構(gòu)。每個結(jié)構(gòu)域中的第4個跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特點(diǎn)，即每隔兩個疏水性氨基酸，就出現(xiàn)一個帶正電荷的精氨酸或賴氨酸；這些α-螺旋由于自身的帶電性質(zhì)，在它們所在膜的跨膜電位有改變時會產(chǎn)生位移，因而被認(rèn)為是該通道結(jié)構(gòu)中感受外來電信號的特異結(jié)構(gòu)，由此再誘發(fā)通道“閘門”的開放。四個結(jié)構(gòu)域形成鈉通道目前二十頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)電壓門控鈉通道的結(jié)構(gòu)

目前二十一頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)圖.膜去極化時鈉通道構(gòu)象變化的理論模型

目前二十二頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

配體門控通道（ligand-gatedchannel）由特異性的化學(xué)物質(zhì)與之結(jié)合而激活，又稱化學(xué)門控通道。這類通道往往是體內(nèi)外信號物質(zhì)的受體，在這種情況下又稱之為通道型受體。配體門控通道本身或其調(diào)節(jié)亞基上存在配體結(jié)合位點(diǎn)。配體的結(jié)合降低了通道構(gòu)象變化的勢壘，使通道進(jìn)入高Po的狀態(tài)。例如食物中的辣椒素可以激活辣椒素受體，運(yùn)動神經(jīng)末梢分泌的乙酰膽堿可激活骨骼肌N型乙酰膽堿受體，細(xì)胞內(nèi)信使三磷酸肌醇（IP3）可激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的IP3受體，這些受體都屬于配體門控通道。配體門控通道在細(xì)胞間信息傳遞和細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前二十三頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)目前二十四頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)目前二十五頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

N2型Ach受體是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質(zhì)，總分子量約為290kd；每種亞單位都由一種mRNA編碼，所生成的亞單位在膜結(jié)構(gòu)中通過氫鍵等非共價鍵式的相互吸引，形成一個結(jié)構(gòu)為α2βγδ的梅花狀通道樣結(jié)構(gòu)，而其中的兩個α-亞單位正是同兩分子ACh相結(jié)合的部位，這種結(jié)合可引起通道結(jié)構(gòu)的開放。

目前二十六頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)目前二十七頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)目前二十八頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

機(jī)械敏感通道（mechanosensitivechannel）是由機(jī)械應(yīng)力變化激活的離子通道。內(nèi)耳中的毛細(xì)胞、皮膚機(jī)械感受器、血管內(nèi)皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞等有對牽張力、剪切力等機(jī)械應(yīng)力敏感的離子通道。這些離子通道能夠?qū)⑹艿降臋C(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)能，從而改變Po，并引起細(xì)胞反應(yīng)或神經(jīng)調(diào)控。溫度敏感通道是由溫度變化激活的離子通道，包括分別對熱刺激、冷刺激敏感的離子通道。除了以上種類的離子通道外，還有一些離子通道沒有特異性的門控機(jī)制，稱為非門控通道或背景電流通道（backgroundcurrentchannel）。

各種離子通道除了其特異性門控機(jī)制外，其功能還受磷酸化、酸堿度、氧化還原狀態(tài)、輔助亞基、表達(dá)量等因素的控制，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞功能的精細(xì)調(diào)控目前二十九頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)下丘腦滲透壓感受器細(xì)胞膜的離子通道（機(jī)械門控離子通道）目前三十頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)二、跨膜離子平衡與細(xì)胞膜電位（一）離子的跨膜電化學(xué)勢與離子的平衡電位

生物膜兩側(cè)通常會存在電位差，稱為膜電位（membranepotential，Vm）。由于離子電荷的存在，驅(qū)動離子跨膜遷移的能量來源除了膜兩側(cè)的濃度差以外還有電位差。目前三十一頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

在圖中，設(shè)細(xì)胞膜只對K＋通透，細(xì)胞內(nèi)的K＋濃度高于細(xì)胞外。如果細(xì)胞膜電位初始值為Vm＝0，則細(xì)胞內(nèi)的K＋將沿濃度梯度向細(xì)胞外擴(kuò)散，結(jié)果Vm變負(fù)。隨著Vm的變化，跨膜K＋電流越來越小，這是因?yàn)镵＋單純由Vm驅(qū)動流向胞內(nèi)的趨勢逐漸抵消了其因濃度梯度擴(kuò)散到胞外的趨勢。對任意離子X而言，當(dāng)膜兩側(cè)濃度梯度產(chǎn)生的X離子擴(kuò)散趨勢與因電學(xué)梯度產(chǎn)生的X離子泳動趨勢大小相等、方向相反時，其跨膜凈電流Ix＝0，我們說X離子達(dá)到了電化學(xué)平衡；此時的膜電位叫做X離子的平衡電位（equilibriumpotential，Ex）。目前三十二頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

細(xì)胞在沒有刺激的條件下，細(xì)胞膜兩側(cè)存在的電位差，稱為靜息電位（RestingPotential）。（二）細(xì)胞的靜息膜電位1.

靜息電位目前三十三頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)目前三十四頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

靜息電位時，細(xì)胞膜處于內(nèi)負(fù)外正的情況常被稱作極化狀態(tài)。極化這一術(shù)語，在生理學(xué)中常用。當(dāng)膜兩側(cè)的極化加劇時，稱為超極化，而膜兩側(cè)的極化減弱時，稱為去極化。目前三十五頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)2.靜息電位形成的原理靜息電位的形成與三個方面的問題有關(guān)：（1）細(xì)胞安靜狀態(tài)下，細(xì)胞膜內(nèi)、外的離子濃度差;（2）細(xì)胞膜對離子的選擇通透性；（3）維持細(xì)胞內(nèi)外離子濃度差的機(jī)制。目前三十六頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)槍烏賊巨軸突的膜內(nèi)外的離子分布目前三十七頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)

（2）細(xì)胞膜對離子的選擇通透性和鉀平衡電位

假設(shè)：正是因?yàn)榘察o狀態(tài)時，膜對K＋選擇性通透，導(dǎo)致了出現(xiàn)膜內(nèi)外電位差。RP就是鉀平衡電位（Ek）。

證明：由物理化學(xué)理論計(jì)算出的Ek與RP接近；RP隨胞外[K＋]變化而變化；觀察到放射活性K＋可透過細(xì)胞膜。

結(jié)論：細(xì)胞內(nèi)[K＋]＞細(xì)胞外[K＋]、細(xì)胞膜對K有較高的選擇性通透是RP產(chǎn)生的機(jī)理。目前三十八頁\總數(shù)四十二頁\編于二十二點(diǎn)