第三节 离子通道

离子通道（ion channels）存在于所有细胞的细胞膜上，是生命活动的基础。它允许某种特定类型的离子依靠电化学梯度通过细胞膜，依此来帮助细胞建立和控制质膜间的微弱电压差。因此，离子通道的最基本功能是产生细胞生物电现象，即与细胞的兴奋性直接相关。神经递质的释放、腺体的分泌、骨骼肌的收缩，乃至中枢神经系统的调控功能都与离子通道的活动密切相关。

一、离子通道的概述

活体细胞的正常生命活动需要不停地进行新陈代谢，即需要不断地与周围环境进行物质交换，细胞膜上的离子通道就是这种物质交换的重要途径，它是各种无机离子跨膜转运的重要途径。磷脂双层是一个有效的电荷粒子屏障。离子通道则是细胞膜上的一种特殊整合蛋白，在脂质双分子层膜上构成具有高度选择性的亲水性孔道，允许适当大小和电荷的离子以被动转运的方式通过（图2-3-1）。离子通道的活性，就是细胞通过离子通道的开放和关闭调节相应物质进出细胞速度的能力，对实现细胞各种功能具有重要意义。1976年，两名德国科学家埃尔温·内尔（E.Neher）和贝尔特·扎克曼（B.Sakmann）即因发现细胞内离子通道并开创膜片钳技术，而获得1991年的诺贝尔生理学奖。他们首次记录到去神经蛙肌纤维膜上的单通道电流，为证实生物膜通道的存在及通道是以全或无规律、随机开放关闭的假说提供了有力依据（图2-3-2）。

离子通道由细胞产生的特殊蛋白质构成，它们聚集起来并镶嵌在细胞膜上，中间形成水分子占据的孔隙，这些孔隙就是水溶性物质快速进出细胞的通道。

离子通过开放的通道并产生电流，此实验中电流大约为3pA，向下代表通道开放。当多个通道开放时，电流和向下的幅度与开放的通道数目成正比，最多有三个通道同时开放。

离子通道具有门控特性和离子选择性两大共同特征。离子通道的门控机制主要是通道蛋白的结构改变。离子通道一般都具有相应的闸门，通道闸门的开启和关闭过程称为门控（gating）。正常情况下，通道大多处于关闭状态，只有在特定的条件下，通道的闸门才能开启，引起离子的跨膜转运。一般认为，不同信号控制其开放和关闭，通道可表现为三种状态：激活（activation）是指在外界因素作用下，通道允许某种或某些离子顺浓度差和电位差通过膜，相当于通道开放；通道的失活（inactivation）是与通道关闭不完全相同的功能状态，此时不仅是通道处于关闭状态，而且即使有外来刺激也不能使之进入开放状态。必须等其从失活状态进入关闭（备用）状态后，通道才能再度开放，此过程称为通道恢复或通道复活（reactivation）。通道的激活、失活及关闭（备用）均有其特定条件，使通道蛋白质发生不同的分子构象变化，从而表现出不同的功能状态（图2-3-3），且三种状态循环转换。诸多因素可以引起通道蛋白结构变化，大致有电压依赖性通道（voltage-gated ion channels）：通道的开关主要依靠膜电位的变化，这些通道结构中存在电压传感器，随着膜电位的变化，电压传感器蛋白内带电荷的残基可以发生移位；配体门控通道（ligand-gated ion channels），与特定配体结合后，通道蛋白发生构象改变，最终使闸门开放。配体可以来自细胞外的激素、神经递质等，也可以是胞内第二信使，如环核苷酸、Ca2+或活化的G蛋白亚基等；机械门控通道（mechanically-gated ion channels）等（详见下文）。

大多数离子通道还显示它们对不同离子的通透性不同，即离子选择性。各离子通道在不同状态下，对相应离子的通透性不同，如安静时神经细胞膜离子通道对K+的通透性比Na+大100倍，占主导地位，因此静息电位接近于K+的平衡电位。而神经兴奋时，对Na+通透性又比K+大10～20倍，表明了通道对离子的选择性有差异。选择性主要取决于两个因素：一是通道最小直径和离子直径的相对大小，只有通道最小直径大于某离子直径时，该离子才能通过。另一因素为通道中亲水性孔道的带电基团和电荷的性质。组成亲水性孔道的氨基酸若带较多的正电荷，则阳离子不易通过。反之阴离子不易通过。如乙酰胆碱门控的非特异阳离子通道允许Na+和K+通过，而对带负电的Cl-则不能通透。

但从离子大小来看，Na+直径较K+直径要小，而钾通道为什么只选择K+通过，而不允许更小的离子通过呢？K+通道的选择性滤器（通道孔的最窄区域）大约和Cs+直径差不多（直径3.3 Å），因为Cs+是裸露单独通过钾通道的最大的离子。溶液中的离子是被水分子包绕的，K+和Na+第一层水化层含6个水分子，未水化的K+和Na+直径分别为1.96 Å和2.66 Å，结合水分子后有效直径大于2 Å。因此，要想通过选择性滤器，K+和Na+必须脱去4个水分子，剩余2个（一个在前一个在后，图2-3-4）。直径小的Na+使水分子在其周围聚合的能力强于直径大的K+，因此，K+更易脱去水分子而获得更大的通透性。二价阳离子如Ca2+比单价阳离子也难脱水，所以也不能通过。

对钠通道而言，Na+比K+更容易通透，这是由于钠通道的选择性滤器比钾通道的大，可适合Na+结合3个水分子通过，但不够K+结合3个水分子通过。因此，要想通过钠通道，Na+需要脱去3个水分子，而K+需要脱去4个水分子，K+脱水需要的能量大于Na+。

A. 通过钾通道，离子必须脱去包绕它的多数水分子，留下2个（1前1后）。B. 钠通道比钾通道的选择性滤器大，可以容纳Na+结合3个水分子通过，但不够K+结合3个水分子。

二、离子通道的基本分子结构

离子通道的电压依赖性和对离子的选择性是由通道的结构特性所决定的。通道的某个特定区域（甚至某个特定的氨基酸残基）是决定离子通道特性的关键因素。近年来，随着分子生物学和生物物理学的迅速发展，许多新技术的联合应用，特别是膜片钳电生理学技术与分子克隆、基因突变等分子生物学技术的结合，使离子通道的研究进入到了分子、亚分子水平。以Roderick MacKinnon为首的洛克菲勒大学医学中心研究小组在过去数年中，利用X射线结晶学技术揭示了几种不同K+通道的原子构象，使人们比较清楚地了解到有关K+通道功能的基本机制，同时也将通道结构的研究推向一个新的高度。

目前人们已开始有能力从分子水平来确定通道的分子结构和解释离子通道的孔道特性。但是由于离子通道种类繁多，不同离子通道结构与功能差异很大，以下我们仅对离子通道的基本结构及孔道特性做一概述。

（一）电压门控离子通道的基本结构

电压依赖性是一个超家族，已发现超过140个成员。离子通道蛋白是由多个亚基构成的复合体。电压门控离子通道由α、β、γ、δ等亚基构成，但不同的离子通道的组成略有差异，如钠通道由α、β1和β2亚基组成，钙通道由α1、α2、β、γ和δ亚基组成，钾通道由α和β亚基组成等。在各亚基中，α亚基是构成离子通道的主要功能单位，而其他亚基则只起调节作用。

1. Na+通道的分子结构

人们利用能与Na+通道进行特异性结合的毒素，已经从电鳗的电器官、骨骼肌肌膜及大鼠脑内分离和提纯出Na+通道蛋白，其主要成分是 α亚基（糖蛋白），分子量约为260 kD。人们发现，在不同动物细胞膜上钠通道的分子结构存在差异，如电鳗的电器官上，钠通道只有 α 亚基，而哺乳动物脑内提纯的Na+通道除有 α 亚基外，还有 β1（36kD）和β2亚基（33kD）。并且，至目前为止，已提纯的各种动物的钠通道结构都不完全相同，即使同样是α亚基，其氨基酸序列也略有差异，说明由不同基因决定的Na+通道的不均一性。

Na+通道的α亚单位是一条跨膜多肽，包括4个同源结构域（Ⅰ～Ⅳ），每个结构域含有由300～400个氨基酸组成的6个α螺旋区段（S1-S6）（图2-3-5）。其中4个跨膜区具有高度的疏水性，而S4具有双亲性。6个区均有足够的长度以形成跨膜的α螺旋。除了这些跨膜区以外，在S5和S6之间还有一个作为孔道的发卡结构，它是形成亲水性孔道且具有选择性地让离子通过的部分，称之为孔道区（pore region）或P区、H区和SS1及SS2区（图2-3-6）。该区也是药物和毒素与通道结合的位点。四个功能区围绕一个中心对称排列，P区在内组成孔道内壁。S4肽段富含正电荷，是电压敏感区，起电压感受器的作用。S4中每隔两个氨基酸就有一个精氨酸或赖氨酸残基，这种碱性氨基酸在α螺旋的外侧形成了螺旋状排列的正电荷，它们直接影响Na+通道的活动。这些带正电荷的氨基酸残基对膜电位的变化敏感，当膜去极化时，每一个功能区的S4肽段做螺旋运动而使正电荷移出产生微弱而短暂的门控电位，导致通道构象变化（图2-3-7）。当四个功能区S4肽段均发生这种构象变化时，则通道便处于激活开放状态，因此S4肽段又称为激活闸门（activation gate，m闸门），在通道开放后，Ⅲ功能区的S6与Ⅳ功能区的S1之间的肽链构成失活闸门（inactivation gate，h闸门），形成一“活瓣”，将通道内口阻塞，调控通道的失活过程。

电压门控性Na+通道β亚单位包括β1-4，在中枢神经系统的不同部位存在不同的亚单位异构体表达。现已证实β亚单位具有调节通道动力学的作用，可以调节α亚单位的表达水平及功能特性，对维持Na+通道正常活动是必需的。若只有α亚单位时Na+通道活动不正常，表现为失活缓慢，电压依赖性向更正的方向移动。若与β亚单位共同表达时通道的失活速率加快5倍，电流幅值增加2.5倍。实验还发现，将大鼠Na+通道的α亚单位与β亚单位cDNA一起表达在蟾蜍卵母细胞上，所表达的Na+电流幅值增加，激活和失活加快，并且失活后通道的恢复速率也明显增加。

2. Ca2+通道的分子结构

Ca2+通道蛋白由多个亚单位组成，如α1、α2、β、γ和δ亚基（图2-3-8A）。其中α1（175～250kD），α2（143kD），β（53～70kD），γ（30kD），δ（24～27kD）。在各亚单位中，α1是构成Ca2+通道的主要亚单位，是决定Ca2+通道电压依赖性和药物敏感性的重要部分。各亚单位又可分为不同的亚型。

Ca2+通道的α1亚单位约由1873个氨基酸残基组成，氨基酸序列及蛋白质构型都与Na+通道的α亚单位极为相似。都有四个功能区（Ⅰ～Ⅳ），每个功能区各有六个跨膜区段（S1-S6）（图2-3-8 B）。S5-S6之间为P区，形成通道的孔道。在孔道区可能存在选择性滤器，对Ca2+的选择性即决定于此，此区上有一个谷氨酸残基是滤器的关键。Ca2+通道滤器与Na+通道滤器不同，在L型Ca2+通道中，它对Ca2+和Ba2+有很高的选择性通透，而Cd2+和Zn2+与孔道中半胱氨酸和组氨酸结合对通道有阻滞作用。同样，由于La3+和Ca2+的竞争性抑制而阻滞Ca2+通道；另外，Ca2+通道对一价离子选择通透性很低。Ca2+通道的α1亚单位中S4区段与Na+通道S4区段氨基酸类似，同样起电压感受器的作用，说明α1亚基无需其他亚基即可单独行使钙通道的功能。但其他亚单位可改变钙通道的特性，如β亚基存在多种蛋白激酶磷酸化位点，可能参与通道与细胞内蛋白的相互调节，并对钙通道的门控特性产生影响；α2亚基和δ亚基可增加Ca2+电流的幅度和通道开放率等。

A. 电压门控Ca2+通道的亚单位组成。含有α1、α2、β、γ和δ亚基，α1亚基构成跨膜孔道，受到其他辅助亚单位的调控，后者包括位于细胞内的β亚基、跨膜的γ亚基及位于细胞外的α2亚基和跨膜δ亚基构成的复合物（由二硫键连接）。B.α1亚基的拓扑结构。

2. K+通道的分子结构

钾通道根据分子生物学分类为Kv和KIR两大类，分别对应于功能性分类中的外向整流和内向整流钾通道。Kv类通道又可分为9大类，其中Kv1-4（Kv1、Kv2、Kv3和Kv4）相应克隆的K+通道基因分别对应于从果蝇克隆出来的Shaker、Shab、Shaw和Shal钾通道基因。按照发现克隆的次序先后进一步分类，即命名为Kv1.2、Kv1.4、Kv1.5等。Kv1.4、Kv4.2、Kv4.3克隆与动物瞬时外向K+电流（Ito）有关，其余在功能上都属于或接近于延迟整流钾通道。

Kv类通道在分子结构上与Na+、Ca2+通道的结构有许多相似之处，如它也是由4个亚基组成，每个亚基即一个α亚单位，由6个α螺旋（S1-S6）构成（图2-3-9 A），但所不同的是K+通道的4组跨膜区段并不相连而是独立存在的。因此，电压门控钾通道的一个亚基相当于钠通道和钙通道的一个跨膜区，它们也是围绕一个中心构成了亲水性孔道。S4区段上也有一群带正电荷的氨基酸，为通道激活的电压感受器。该段的几个疏水性氨基酸残基突变将导致K+通道激活曲线移动约80mV，而其他区段的突变对通道激活过程无影响。通道的S2、S3段可能是电压感受器的辅助成分。研究认为S5-S6之间的连接（P区）是K+通道孔道形成和药物及毒物的结合部位。而S6或S4-S5之间的连接除了与失活有关，也决定通道的离子通透性和对阻断剂的敏感性。

对于电压门控性钾通道（Kv1.3）的研究表明，K+通道至少有两种典型的失活机制，即快速失活型（N型）和慢速失活型（C型）。N型失活是指钾通道亚基N末端19个氨基酸残基在细胞内侧延伸成一个“球与链”（chain and ball）的结构，即K+通道内侧存在着4个相对独立的阻滞“球”，此末端具有带正电荷的疏水基团，可与通道内相应的受体结合而阻滞K+的通过，使通道失活（图2-3-9 B）。另外，连接S5、S6段的胞内襻也参与滞K+通道的失活过程。另一种不依赖于“球”与“链”的失活机制为C型失活，涉及P区的氨基酸残基（S5-S6间的连接和S6上的C末端）。此失活是全部亚单位共同作用的结果。当失活时，通道外侧孔变窄，从而阻滞了离子流过。K+通道463位的缬氨酸残基突变可使C型失活速率加快100倍。N型和C型失活各自具有特点，但是二者又相互制约。C型失活通过与通道外口永久性离子结合以及P区序列的突变，可影响N型失活。

KIR类钾通道不同于Kv类和钠、钙通道，其每个α亚基只有两个跨膜肽类（M1和M2），其间由H5连接，因M1、M2和H5的序列与Kv类的S5、S6和H5相似，所以这两类钾通道可能具有相同的基本孔道结构。由于没有S4样结构，其电压门控机制可能与M2上带负电荷的氨基酸残基有关。

（二）化学门控离子通道的基本结构

化学物质通过与通道蛋白某个位点的结合可以调节离子通道的开放和关闭，这类通道被称为化学门控离子通道，也被称为配体门控通道。配体可以是来自胞外介质的激素、神经递质等，也可以是胞内第二信使。后者从细胞内到达离子通道。体内化学门控离子通道种类繁多，主要包括各种神经递质门控离子通道（如ACh受体、GABA受体、甘氨酸受体、谷氨酸受体和ATP受体等）、ATP敏感钾通道、钙依赖性钾通道、第二信使门控的离子通道等。

1. 神经递质门控离子通道

神经递质门控离子通道又称为离子通道受体，它们有共同的结构，亚单位有同源蛋白序列，其中人们对于ACh受体通道的研究最为深入。在神经肌肉接头的突触后膜上发现的烟碱受体（N2-ACh受体）是由α1、γ、α2、β、δ五个亚基组成的一个配体门控离子通道。每个亚单位分子量约55 kD，整个ACh受体分子量大约为275 kD，受体的大部分在细胞膜外侧，小部分在细胞膜内侧。5个亚单位在垂直于膜中心轴周围呈对称排列，共同形成五瓣状的蛋白质复合物，通道即在此中心轴部位。亚单位有相似的氨基酸顺序，都有4个跨膜区段即M1、M2、M3和M4（图2-3-10）。跨膜区段通常呈α螺旋，因此需要约20个氨基酸形成足够长的螺旋以跨脂质双层。其中M2跨膜区段中除疏水性氨基酸外，还间断出现少量的丝氨酸和苏氨酸，它们排列在α螺旋的一侧，由五个亚基的M2共同构成孔道的内壁。通道开口约25 Å，中间是6～7 Å的狭窄孔道。每个亚基的N端和C端都朝向膜外，其中α1和α2亚基N端的细胞外部分各有一个ACh结合位点。当两个ACh分子分别结合于两个α亚基特定位点后，引起局部构象变化，使通道开放。

A. 侧视图；B. 俯视图；C. 各亚单位的跨膜螺旋结构。分别来自5个亚基的5个M2区段构成受体的孔道（如B图）。nAChR通道的激活开放需要2个ACh分子分别结合于2个α亚单位上。

烟碱型ACh受体对ACh的反应可分为两步：首先，静息时处于关闭状态的每一个受体可以结合两个ACh分子，形成配体-受体复合物；接着，此复合物发生构象改变而开放通道，导致Na+和K+的跨膜流动。在静息状态下，细胞对Na+的内向驱动力远大于对K+的外向驱动力，因而跨膜的Na+内流大于K+外流。筒箭毒和 α-银环蛇毒（α-BGTX）可特异性阻断此类烟碱型ACh受体通道，使神经-肌接头传递的功能丧失，肌肉松弛，因而常用作实验研究中的工具药，临床上常用筒箭毒类化合物作为肌松剂。另外，如果将烟碱型ACh受体暴露于ACh或其他激动剂数秒或数分钟时，受体就会脱敏或失去反应性。配体-受体复合物在数秒后转变成脱敏状态，这种转变受到细胞外Ca2+浓度和受体磷酸化状态的影响。去除激动剂后，受体就会渐渐恢复到原来状态（图2-3-11）。图2-3-12所示为烟碱型ACh受体的单通道电流以及持续给ACh时的全细胞电流，后者表现出明显的脱敏现象，电流幅度逐渐下降。

这类离子通道受体在结构上都是五聚体蛋白，神经型ACh受体、GABA受体和甘氨酸受体都与烟碱型ACh受体相似，由2～4种分子量为50～60 kD的不同亚单位组成。每一亚单位在总体上都有相同的疏水性形式，都有一条长的细胞外N末端亲水序列和四个跨膜段，在M3和M4之间有一个长的细胞内环。每种受体中有一个亚单位与配体结合，类似于ACh受体通道上的α亚单位。GABA受体则在α、β亚单位上均有结合位点，与配体结合的位点在膜的外侧面。通道开放时，氯离子内流增多。

2. ATP敏感钾通道

ATP敏感钾通道（KATP）是由内向整流性钾通道（Kir6.x）家族和磺脲类受体（sulfonylurea receptor，SUR）家族组成的异源性八聚体 [（SUR/Kir6.x）4]，见图2-3-13。由13个跨膜螺旋组成，含2个细胞内核苷酸结合域。不同组织KATP通道亚型不同，存在于人心肌细胞上，KATP通道由Kir6.2-SUR2A构成；在胰岛细胞上，由Kir6.2-SUR1构成；在血管平滑肌细胞上，由Kir6.1-SUR2 B构成。

在正常生理状态下，该通道受细胞内ATP抑制，ATP结合SUR受体，通道不开放。在缺氧、缺血的细胞上，细胞内ATP浓度降低时，并与SUR受体解离，通道开放。细胞内ADP可使通道对ATP的敏感性降低。因此，ATP/ADP的比值直接影响KATP通道功能。

（引自Ashcroft，2005）

A. 磺脲类受体（SURx，左）及内向整流性钾通道家族（Kir6.x，右）亚单位跨膜拓扑结构示意图。Mg-核苷酸结合在SUR核苷酸结合域（NBD1，NBD2）从而刺激通道活性。磺脲类（激动）和K+通道开放剂（抑制）也结合于SUR1上。ATP或ADP结合于Kir6.2上可关闭孔道，此作用不需要Mg2+。相反，结合于磷脂如PIP2或长链酰基辅酶A [long-chain（LC）acyl-coAs]上，可降低KATP通道对ATP敏感性而增加其活性。B. 八聚体KATP通道复合物的横断面示意图。4个Kir6.2亚单位聚合形成孔道，允许K+通过，每个亚基都与一个调节SURx亚单位相连。C.SUR1和Kir6.2构成KATP通道的模式图。此图示KATP通道在Kir6.2上含4个ATP结合位点，在SUR1上有8个Mg-核苷酸结合位点。

3. 钙依赖性钾通道

Ca2+依赖性K+通道（KCa）是一类电压和Ca2+敏感的通道，其激活依赖于Ca2+。根据其电导的大小分为大电导（BK，100～250 pS）、中电导（IK，20～60 pS）和小电导（SK，10～14pS）的Ca2+激活K+通道。

KCa通道由α和β两个亚单位组成，其中α亚单位分子量为62kD，结构与果蝇shaker基因编码的电压依赖性K+通道α亚单位类似。含有6个α螺旋结构的疏水跨膜片段S1-S6，其中S4为电压感受装置。S5与S6之间有一组蛋白质，称为H5，形成通透离子的孔道（P region）。Charybdotoxin（CTX）和Tetraethylammonium（TEA）结合于孔道外口，阻断孔道开放。β亚单位是一种糖蛋白，分子量31 kD，其氨基酸和羧基端都在膜内。它含有两个跨膜片段和一个巨大的膜外结构域。在卵母细胞上单独表达的α亚单位已经具有完整的KCa通道的功能，而α和β亚单位共同表达的KCa通道对膜电压的依赖性以及对胞内钙浓度的敏感性明显增加。因此，β亚单位具有重要的调节作用。

（引自Ledoux et al，2006）

A.BK通道的α和β1亚单位结构。β1亚单位含2个跨膜区段，α亚单位含11个（S0-S10）亲水区段，S0-S6位于胞质膜侧，孔道（P）区在S5和S6之间。B.4个α和4个β1构成BK通道。C.SK通道由6个跨膜区段组成，孔道（P）区在S5和S6之间，钙调蛋白（calmodulin，CaM）作用于与通道细胞内-COOH端。D.Ca2+和钙调蛋白对SK通道的门控机制。

BK通道蛋白复合物的α亚单位的跨膜段不仅包括一般电压依赖K+通道的6个跨膜单位，还有一个S0跨膜段，连着胞外的NH2末端，这个部位是BK通道的最大特点，对于β亚单位的调节很重要。BK通道的C末端很长，占整个通道氨基酸的2/3，包括4个疏水片段（S7-S10）和数个剪接位点。其中S9和S10为Ca2+敏感区，见图2-3-14 A-B。图2-3-15示膜片钳单通道记录的BK电流。

SK通道存在三个亚型SK1、SK2和SK3，各亚单位保留了K+通道的基本特征，6个跨膜结构域和胞浆内N和C末端残基，但氨基酸序列的一级结构却与其他K+通道有很大不同。SK通道主要受Ca2+、钙调蛋白（CaM）以及一些神经递质的调节。SK通道表现出Ca2+浓度依赖性，Ca2+能直接嵌入通道蛋白，类似于其他配体门控离子通道的快速激活，见图2-3-14 C-D。

采用内面向外式单通道记录模式记录的大鼠脑动脉平滑肌细胞BK通道的单通道电流，电极内外溶液采用对称性高钾（145mM）溶液，浴液游离钙浓度（[Ca2+]free）为1μM。可见通道呈电压依赖性。C：close，表示通道关闭。

近年来研究表明，一些神经递质可以通过与膜受体结合后，激活细胞膜内的G蛋白，通过G蛋白α亚基和β、γ亚基直接调节离子通道的活动。也可以通过G蛋白耦联受体生成第二信使，进而影响离子通道的活性。在自然界中，有很多离子是胞内信使门控的离子通道，这种门控机制是控制胞内细胞活动时通道的开关。例如，近年来关于环核苷酸门控的离子通道分子机制的研究取得了很大进步。研究发现，此类通道最广泛地分布于神经细胞，其亚基结构如图2-3-16，有6个跨膜区段，并有一个暴露于细胞质的环核苷酸结合位点。环核苷酸首先结合到通道C端的环核苷酸结合域上引起其空间构象改变，然后4个亚单元发生空间构象的协调改变，环核苷酸门控通道开放。环核苷酸通道分布于化学感受器和光感受器中，与膜外信号的转换有关。例如视网膜的视杆细胞上环鸟苷酸（cGMP）门控的钠通道即参与视觉调节过程，在有cGMP情况下，通道打开。另外，气味分子与化学感受器中的G蛋白耦联受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。

A，一个亚基的二级结构有6个跨膜区段和1个朝向胞质侧的环核苷酸结合位点。B，4个相同亚基（Ⅰ到Ⅳ）形成一个跨膜水通道。

三、离子通道的分类

离子通道的分类方式很多，如按照分布区域分可以分为细胞膜通道、细胞器通道；按照透过离子的性质分，又可分为阳离子通道、阴离子通道、水通道等。这里介绍按照调控模式的分类方法，即根据离子通道门控特性的不同，分为非门控离子通道和门控离子通道。后者又根据控制通道启闭的信号不同分为电压门控离子通道、化学门控离子通道和机械门控离子通道等。

（一）非门控离子通道

有些离子通道始终处于开放状态，离子可随时进出细胞，并不受电压或化学信号的控制，这些通道称为非门控离子通道。如神经和肌肉细胞在安静状态下静息电位的产生，是由于细胞膜上存在丰富的内向整流IK1通道，它是内向整流钾通道（Kir）中最常见的一种通道。它允许K+自由进出细胞，引起K+电化学平衡电位，此种K+通道即属于非门控离子通道。

（二）电压门控离子通道

电压门控离子通道又称电压依赖性离子通道，大量存在可兴奋细胞膜上，这一类通道的开启或关闭由膜电位的变化（去极化或超级化）决定，具有电压依赖性，同时通道往往还与电位变化的时程有关，即具有时间依赖性。这类通道在决定细胞的兴奋性、不应期和传导性以及维持细胞正常体积等方面发挥重要作用。电压门控离子通道一般以最容易通过的离子命名，如电压门控性Na+通道、K+通道、Ca2+通道、Cl-通道等。其命名还常常体现出通道的特点，如延迟整流性K+通道，该通道的开启比较缓慢，有明显的延迟，使通道电流呈现出“S”形，此外该通道还具有显著的外向整流特点。电压门控离子通道各型又分若干亚型。

1. 电压门控钠离子通道

钠离子通道（sodium channels，简称钠通道），是选择性地容许Na+跨膜通过的离子通道。根据Na+通道的基因结构和分布特点，可分为不同的亚家族。现已明确电压门控钠通道包括9种α亚单位（Nav1.1～Nav1.9）和多个β-亚单位（β1，β2，β3和β4）。其中，α亚单位形成有孔的功能性离子通道，决定通道的电压依赖、离子选择、激活开放和失活关闭的门控过程。而β亚单位通过与α亚单位各种方式的结合，对离子通道起着主要的调控作用。此外，根据对河豚毒素（TTX）阻断的敏感性，钠通道亚型可分为TTX敏感型和TTX不敏感型。TTX不敏感型钠通道包括Nav1.5、Nav1.8和Nav1.9，其余的均为TTX敏感型钠通道。

CNS：中枢神经系统；PNS：周围神经系统。

2. 电压门控钙离子通道

根据钙离子通道（calcium channels，简称钙通道）的结构功能特点和对阻断剂的敏感性不同，可将钙离子通道分为L型（long lasting）、N型（neither T，nor L或neuronal type）、P型、Q型、R型和T型（transient）6种类型。其中L型、N型、P型、Q型、R型为高压激活钙离子通道（HVA），T型钙离子通道为低压激活钙离子通道（LVA），见表2-3-2。HVA中各种类型钙通道的药理学特性各不相同。

电压门控钙离子通道是由多亚基构成的跨膜蛋白复合体，且不同类型的电压门控钙离子通道α1亚基的基因编码不相同。目前，人们发现至少10种编码电压门控钙离子通道α1亚单位的基因，如图2-3-17所示。

（修改自Catterall et al.，2005）

双氢吡啶类：dihydropyridines；苯丙胺类：phenylalkylamines；苯并噻氮卓类：benzothiazepines。

3. 电压门控钾离子通道

钾离子通道（potassium channels，简称钾通道）是广泛存在、种类和亚型最多、最为复杂的一大类离子通道，仅电压门控钾通道就已克隆出几十种，根据其电位动力学特点可分为延迟外向整流钾通道、瞬时外向钾通道和内向整流钾通道；此外，肌浆网钾通道也具有强电压依赖性（表2-3-3）。

（三）化学门控离子通道

化学门控离子通道又称配体门控通道，通道的开闭是由膜两侧的化学物质（如递质、激素或药物）控制的。当激动剂与化学门控离子通道结合后，会引起通道蛋白构型变化，导致通道开放，产生离子电流。神经递质门控离子通道也称为离子通道型受体，由递质与通道蛋白质受体分子上的结合位点结合而开启，以递质受体命名，如乙酰胆碱受体通道（烟碱受体）、谷氨酸受体通道（表2-3-4）、门冬氨酸受体通道、GABA受体通道等。

除了递质门控离子通道外，化学门控离子通道还包括很多种，如钙激活钾通道（KCa）、ATP敏感钾通道（KATP）等。KCa门控行为受细胞内钙离子浓度和（或）膜电位的控制，按照电导大小可分为高电导、中电导和低电导三个亚型（表2-3-5）。

KATP通道可以分为两类：一是位于细胞膜上的KATP通道（surface KATP channel，sKATP）；二是位于线粒体膜上KATP通道（mitochondrial KATP channel，mitoKATP）。它们受细胞内核苷酸的调节，ATP明显减少KATP通道的开放频率和时间，当缺氧、能量耗竭及细胞内ATP浓度降低时可解除这种抑制，引起通道开放。如当胞内ATP浓度为25～100μmol/L时，通道开始被抑制，达1mmol/L时则完全抑制该通道。ADP当有Mg2+存在时，ADP对通道起激活作用，当缺乏Mg2+时，ADP则起抑制作用，ATP/ADP比率在调节KATP通道的活性上有重要作用。这类通道受磺脲类药物的抑制，glibenclamide可高选择性抑制各类细胞膜上的KATP通道。其阻断剂还包括TEA、甲苯磺丁脲（tolbutamide）、苯妥拉明（phentolamine）、TMB-8，5-羟基癸（5-hydroxydecanonate）、依法克生（efaroxan）等。KATP通道还受到钾通道开放剂的影响，可被克罗卡琳（cromakalim）、二氮嗪（diazoxide）、阿普卡琳（aprikalim）及吡那地尔（pinacidil）等钾通道开放剂打开。该通道分布于心肌细胞、骨骼肌细胞、平滑肌细胞、胰岛β细胞及大脑神经元的细胞膜上，是细胞代谢和细胞兴奋性之间的联系环节。

（四）机械门控离子通道

机械门控离子通道（mechanically gated ion channels）是一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道。细胞可以接受各种各样的机械力刺激，如摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。细胞将机械刺激的信号转化为电化学信号最终引起细胞反应。目前比较明确的有两类机械门控通道，其一是牵张门控的离子通道，另一类是剪切力门控的离子通道，前者几乎存在于所有的细胞膜，研究较多的有血管内皮细胞、心肌细胞以及内耳中的毛细胞等；后者仅发现于内皮细胞和心肌细胞。牵拉敏感的离子通道是指能直接被细胞膜牵拉所开放或关闭的离子通道。其特点为对离子的无选择性、无方向性、非线性以及无潜伏期。这种通道为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以Ca2+为主。研究表明，当内皮细胞被牵拉时，由于通道开放引起Ca2+内流，使以Ca2+介导的血管活性物质分泌增多，Ca2+还可作为胞内信使，导致进一步的反应。

内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现短暂的感受器电位。从听毛受力而致听毛根部所在膜的变形，到该处膜出现跨膜离子移动之间，只有极短的潜伏期。

（五）其他门控离子通道

除上述离子通道外，还发现具有其他门控特性的离子通道存在，如细胞容积敏感的钾通道（Kvol）在细胞肿胀时通道开放；Na+激活钾通道（KNa）对电压、细胞内ATP浓度及细胞内钙均不敏感，只有细胞内Na+浓度升高到20mmol/L以上时开放；存在于多种肌细胞的静息活化钙通道，在没有电压、化学或机械刺激时，参与静息钙内流，调制静息时的细胞内钙浓度；质子门控离子通道（又称酸感受离子通道）能感受细胞外pH值的变化，低pH值开启通道，通透H+、Ca2+等。

四、离子通道的生理功能

离子通道种类繁多，不同类型的通道具有其特定的功能。但总的来说，主要表现在以下几个方面。

（一）形成细胞生物电现象的基础

离子通道介导的易化扩散是一种非常重要的运输方式，对维持神经、肌肉和腺体等可兴奋性细胞静息膜电位十分关键。由于细胞膜两侧各种离子的不均匀分布及膜在安静状态下对K+的选择性通透，造成细胞内K+外流，达到膜两侧K+电化学平衡电位，即静息电位（resting potential）。虽然这种膜内相对高K+、膜外相对高Na+状态的形成，还有赖于其他膜整合蛋白如Na+-K+泵、Ca2+泵及Na+-Ca2+交换体的转运，但K+由膜内外流的过程是由非门控离子通道介导的被动转运过程。在静息电位的基础上，引起动作电位上升支的过程是Na+或Ca2+经电压门控离子通道易化扩散的结果，而动作电位下降支则与K+经电压门控离子通道易化扩散密切相关。可见细胞生物电现象的形成无论是静息电位，还是动作电位，都是以离子通道的启闭为基础的。细胞的兴奋性高低、兴奋传导的快慢也与钠通道的所处状态、钠通道密度及静息电位水平有关。因此，经离子通道介导的跨膜转运是产生细胞静息电位和动作电位的基础，也是细胞完成其各种功能的前提。

（二）介导兴奋-收缩耦联和兴奋-分泌耦联

在肌肉及腺体等可兴奋细胞发挥其生理功能时，首先产生的生理效应是细胞产生动作电位（兴奋），然后才出现肌肉收缩或腺体分泌的反应表现。在兴奋与收缩、兴奋与分泌之间存在兴奋-收缩耦联和兴奋-分泌耦联。其中，钙离子通道的开放，导致Ca2+内流是耦联的关键环节。哺乳动物细胞在生理情况下，细胞内钙浓度大约为0.1μmol/L，在细胞兴奋时，由于钙通道开放，大量钙内流可使细胞内钙浓度升高10～100倍，从而进一步触发各种生理反应，比如肌肉的收缩，包括心肌与骨骼肌的收缩，心脑血管及外周动、静脉血管平滑肌的收缩以及支气管、胃肠道、泌尿道和子宫平滑肌的收缩等，再比如腺体分泌，包括胰腺、唾液腺、胃粘膜、肾上腺髓质及脑垂体等。同时细胞内钙的升高，还可导致钙激活离子通道的开放和关闭及蛋白激酶（如PKC）的激活及调控基因表达等过程。

（三）参与细胞跨膜信号转导过程

离子通道可以调节细胞内Ca2+、cAMP、cGMP等第二信使的浓度，触发肌肉收缩、腺体分泌、基因表达等一系列细胞生理效应。在细胞间信息传递的过程中，电压门控离子通道与化学门控离子通道发挥重要作用。在神经-肌肉接头的信号转导中，除神经末梢释放递质需电压门控钙通道参与外，递质ACh作用于终板膜上相应受体（乙酰胆碱化学门控性通道、促离子型受体）引起通道开放，导致Na+与K+同时顺浓度梯度流动，其中以Na+为主，会使得终板膜去极化产生终板电位，继而终板电位总和、电紧张扩布至临近肌膜部位，激活电压门控钠通道，使其开放产生动作电位，完成神经肌肉接头的电-化学-电的信号转导过程。中枢神经系统的突触传递过程虽与神经肌肉接头的基本过程一致，但其突触前或突触后过程更加复杂和多样，因为一个中枢神经元不仅可以接受多个神经元兴奋或抑制的传入，而且其传出又可与多个神经元形成突触联系；神经递质与调质的种类也可达8～9种之多，再加上递质共存、递质受体类型及亚型的不同以及突触的可塑性等因素，使中枢突触传递极为复杂；但究其根本仍属于电-化学-电的信号转导过程。在这一过程中，不同电压门控通道和化学门控通道的参与，使得突触前膜或突触后膜发生去极化或超极化，进而影响突触后神经元的功能状态。参与突触传递的离子通道有电压门控的钙通道、钾通道、钠通道、氯通道（如GABA受体氯通道、钙激活氯通道和电压门控氯通道）和配体（或化学）门控离子通道（如N2型乙酰胆碱门控阳离子通道、NMDA受体阳离子通道、非NMDA受体阳离子通道及5-HT3受体离子通道等）。一般由对Na+和K+都通透的NMDA和非NMDA受体离子通道开放引起突触后膜去极化，形成兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）；由对Cl-和K+通透的甘氨酸和GABAA 受体离子通道开放引起突触后膜超极化，形成抑制性突触后电位（inhibitory postsynaptic potential，IPSP）。EPSP或IPSP进一步影响突触后神经元的功能状态，从而抑制中枢的兴奋或抑制过程。

（四）维持细胞正常形态和功能完整性

细胞正常结构和形态的完整性是实现其基本功能的基础，而细胞正常结构和形态的完整性，则有赖于细胞所处环境的渗透压及水的跨膜转运。离子通道及细胞膜上Na+-2 Cl--K+、Na+-Cl-同向转运体及Na+-H+、H+-K+和Cl--HCO-3反向转运体可以维持细胞正常体积和活动。当细胞肿胀时，钾离子通道被激活，K+外流增多、Cl-外流增多，参与这一过程的有2型氯通道（CIC-2）、体积调节的阴离子通道（VRAC）及囊性纤维跨膜电导调节体（CFTR）等。现已证明，细胞骨架对VRAC通道有门控作用，该通道呈电压依赖性失活，具有外向整流特性，不受细胞内钙的影响，当VRAC通道开放时，除允许Cl-通过外，也允许少量Na+及谷氨酸、甘氨酸等有机溶质通过。细胞内ATP、cAMP可激活该通道，而Mg2+和花生四烯酸及代谢产物则抑制该通道。在某些病理情况下，由于ATP耗竭或Mg2+增加均可抑制VRAC通道，影响细胞的正常形态及功能完整性。

思考题

1. 膜蛋白介导的跨膜转运包括哪几种形式？

2. 载体介导的易化扩散有何特征？

3. 简述被动转运与主动转运的区别。

4. 举例说明原发性主动转运和继发性主动转运的特点。

5. 细胞跨膜信号转导主要分为哪几类？

6. 简述G蛋白耦联受体介导的信号转导的主要途径。

7. 什么是离子通道，请简述其基本特征。

8. 简述Na+通道的分子结构。

9. 简述离子通道的分类和生理功能。

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