細胞生理學演示文稿

細胞生理學演示文稿本文檔共42頁；當前第1頁；編輯于星期二\5點33分細胞生理學本文檔共42頁；當前第2頁；編輯于星期二\5點33分

離子的遷移不能簡單地歸結為擴散。因為擴散是物質(zhì)由于分子熱運動順濃度梯度的遷移。由于離子都帶有正電荷或負電荷，離子跨膜遷移除擴散外還受電場的影響。離子沿電場方向的運動是不同于擴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）是動物和植物細胞中離子跨膜流動的主要途徑。本文檔共42頁；當前第3頁；編輯于星期二\5點33分一、離子通道及其特性1．鉀通道我們從鉀通道開始認識離子通道的生理學功能。鉀通道是目前研究得最清楚的離子通道，也是進化上最早出現(xiàn)的離子通道之一。由于K＋在幾乎所有細胞內(nèi)都是主要的無機離子，因此鉀通道是影響細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。

1987年，美國生物學家克隆出這個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。本文檔共42頁；當前第4頁；編輯于星期二\5點33分本文檔共42頁；當前第5頁；編輯于星期二\5點33分

內(nèi)向整流鉀通道的結構最簡單。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構與細菌中發(fā)現(xiàn)的鉀通道完全一致，顯示其進化上高度保守。多數(shù)其他的陽離子通道的孔道區(qū)（poreregion）也是這個基本結構。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化下游。本文檔共42頁；當前第6頁；編輯于星期二\5點33分本文檔共42頁；當前第7頁；編輯于星期二\5點33分

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。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。本文檔共42頁；當前第8頁；編輯于星期二\5點33分

在離子通道的研究領域，科學家曾很不能理解，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合位點來解釋，因為親和性越高，通透效率會越低。也不能用孔道大小來解釋，因為Na+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線衍射分析學技術解出了細菌鉀通道的分子結構，這個問題才得到回答。MacKinnon因此與研究水通道的Agre共享了2003年的諾貝爾化學獎。本文檔共42頁；當前第9頁；編輯于星期二\5點33分鉀通道的結構和離子選擇性原理

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鉀通道的分子結構顯示，通道的內(nèi)外入口處均有多個帶負電的氨基酸殘基，有利于增加附近陽離子濃度，也防止負離子進入通道。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，構成與水合離子中尺寸相同的“氧籠”。進入“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％。本文檔共42頁；當前第11頁；編輯于星期二\5點33分

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。通道對離子的導通，表現(xiàn)為開放和關閉兩種狀態(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)的通道是關閉的。通道的功能狀態(tài)受膜電位、化學信號和機械刺激等因素調(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）樣結構的運動有關，因而生理學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制的不同，離子通道又可分為電壓門控通道、化學門控通道和機械門控通道等。本文檔共42頁；當前第12頁；編輯于星期二\5點33分3．離子通道的隨機活動

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)對應著通道蛋白的不同構象，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)熱運動，非失活的離子通道可在開放和關閉狀態(tài)間隨機轉換。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。本文檔共42頁；當前第13頁；編輯于星期二\5點33分

電壓門控鈣通道的隨機活動，異丙腎上腺素的刺激可提高電壓依賴性鈣通道的Po。本文檔共42頁；當前第14頁；編輯于星期二\5點33分4．離子通道的激活及其能量轉換功能

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)生細胞膜電流。因此，離子通道在細胞中發(fā)揮著能量轉換器的作用。根據(jù)激活因素的能量形式不同，離子通道可有多種類別。本文檔共42頁；當前第15頁；編輯于星期二\5點33分通道轉運模式圖

控制離子通道開閉的方式主要有上述三種。本文檔共42頁；當前第16頁；編輯于星期二\5點33分

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個結構域，每個結構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，被認為是通道的電壓感受器。在靜息的細胞中，細胞內(nèi)相對細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電學引力減小，使通道發(fā)生構象變化的勢壘降低，通道便被激活，并進入高Po的狀態(tài)。本文檔共42頁；當前第17頁；編輯于星期二\5點33分

電壓門控通道：通道的開、閉受膜兩側電位差控制的離子通道，稱為電壓門控通道。本文檔共42頁；當前第18頁；編輯于星期二\5點33分A：丙氨酸K：賴氨酸I：異亮氨酸F：苯丙氨酸M：甲硫氨酸本文檔共42頁；當前第19頁；編輯于星期二\5點33分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個結構類似的結構域，每個結構域大致相當于ACh門控通道中的一個亞單位，但結構域之間由肽鏈相連，是一個完整的肽鏈，應由一個mRNA編碼和合成。而每個結構域中又各有6個由疏水性氨基酸組成的跨膜α-螺旋段；這4個結構域及其所包含的疏水α-螺旋，在膜中包繞成一個通道樣結構。每個結構域中的第4個跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特點，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，因而被認為是該通道結構中感受外來電信號的特異結構，由此再誘發(fā)通道“閘門”的開放。四個結構域形成鈉通道本文檔共42頁；當前第20頁；編輯于星期二\5點33分電壓門控鈉通道的結構

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配體門控通道（ligand-gatedchannel）由特異性的化學物質(zhì)與之結合而激活，又稱化學門控通道。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)亞基上存在配體結合位點。配體的結合降低了通道構象變化的勢壘，使通道進入高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。配體門控通道在細胞間信息傳遞和細胞內(nèi)信號轉導過程中發(fā)揮關鍵作用。本文檔共42頁；當前第23頁；編輯于星期二\5點33分本文檔共42頁；當前第24頁；編輯于星期二\5點33分本文檔共42頁；當前第25頁；編輯于星期二\5點33分

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構中通過氫鍵等非共價鍵式的相互吸引，形成一個結構為α2βγδ的梅花狀通道樣結構，而其中的兩個α-亞單位正是同兩分子ACh相結合的部位，這種結合可引起通道結構的開放。

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機械敏感通道（mechanosensitivechannel）是由機械應力變化激活的離子通道。內(nèi)耳中的毛細胞、皮膚機械感受器、血管內(nèi)皮細胞、心肌細胞等有對牽張力、剪切力等機械應力敏感的離子通道。這些離子通道能夠?qū)⑹艿降臋C械應力轉化為分子內(nèi)能，從而改變Po，并引起細胞反應或神經(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、表達量等因素的控制，以實現(xiàn)細胞功能的精細調(diào)控本文檔共42頁；當前第29頁；編輯于星期二\5點33分下丘腦滲透壓感受器細胞膜的離子通道（機械門控離子通道）本文檔共42頁；當前第30頁；編輯于星期二\5點33分二、跨膜離子平衡與細胞膜電位（一）離子的跨膜電化學勢與離子的平衡電位

生物膜兩側通常會存在電位差，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的濃度差以外還有電位差。本文檔共42頁；當前第31頁；編輯于星期二\5點33分

在圖中，設細胞膜只對K＋通透，細胞內(nèi)的K＋濃度高于細胞外。如果細胞膜電位初始值為Vm＝0，則細胞內(nèi)的K＋將沿濃度梯度向細胞外擴散，結果Vm變負。隨著Vm的變化，跨膜K＋電流越來越小，這是因為K＋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散到胞外的趨勢。對任意離子X而言，當膜兩側濃度梯度產(chǎn)生的X離子擴散趨勢與因電學梯度產(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離子達到了電化學平衡；此時的膜電位叫做X離子的平衡電位（equilibriumpotential，Ex）。本文檔共42頁；當前第32頁；編輯于星期二\5點33分

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

靜息電位本文檔共42頁；當前第33頁；編輯于星期二\5點33分本文檔共42頁；當前第34頁；編輯于星期二\5點33分

靜息電位時，細胞膜處于內(nèi)負外正的情況常被稱作極化狀態(tài)。極化這一術語，在生理學中常用。當膜兩側的極化加劇時，稱為超極化，而膜兩側的極化減弱時，稱為去極化。本文檔共42頁；當前第35頁；編輯于星期二\5點33分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：（1）細胞安靜狀態(tài)下，細胞膜內(nèi)、外的離子濃度差;（2）細胞膜對離子的選擇通透性；（3）維持細胞內(nèi)外離子濃度差的機制。本文檔共42頁；當前第36頁；編輯于星期二\5點33分槍烏賊巨軸突的膜內(nèi)外的離子分布本文檔共42頁；當前第37頁；編輯于星期二\5點33分

（2）細胞膜對離子的選擇通透性和鉀平衡電位

假設：正是因為安靜狀態(tài)時，膜對K＋選擇性通透，導致了出現(xiàn)膜內(nèi)外電位差。RP就是鉀平衡電位（Ek）。

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

結論：細胞內(nèi)[K＋]＞細胞外[K＋]、細胞膜對K有較高的選擇性通透是RP產(chǎn)生的機理。本文檔共42頁；當前第38頁；編輯于星期二\5點33分