南师大自编分子生物学课件第三章蛋白质结构与功能

第三章蛋白质结构与功能——通道蛋白第一节载体蛋白和通道蛋白第二节细胞膜通道蛋白的研究历史第三节电压门控离子通道的结构与功能第四节配体门控离子通道第五节机械门控离子通道第六节水通道蛋白第七节离子通道与疾病第一节载体蛋白和通道蛋白载体蛋白：能够与特定溶质结合，通过改变自身的构象，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧。通道蛋白：一类横跨质膜，能使适宜大小的分子和带电荷的分子通过简单的自由扩散运动，从质膜的一侧转运到另一侧。图1膜转运蛋白总览图中三角表示浓度、电势方向或同时两者方向（1）非门控离子或小分子通道；（2）门控离子或水通道；（3a）单纯扩散；（3b）同向转运；（3c）反向转运通道蛋白介导的物质转运其特点（1）选择性（2）饱和性（3）可控制性（4）通道蛋白参与的只是被动运输，在运输过程中不与被运输的分子结合，也不会移动，并且是从高浓度区向低浓度区运输，所以不消耗ATP。（5）通道蛋白的运输速度很快膜通道蛋白离子通道与受体的概念关系第二节细胞膜通道蛋白的研究历史PeterAgre因发现第一个细胞膜水通道蛋白，RoderickMackinnom则因离子通道三维结构与功能机制方面的突破性成就而共同2003年的诺尔化学奖。离子通道的研究历史1791年Galvani观察到了电刺激蛙腿后产生的生物电反应现象。1890年，德国科学家WilhelmOstwald就根据人造胶体膜的实验结果，提出生物活组织中测到的电信号，可能是由于离子通过细胞膜的移动形成的。1902年，Bernstein根据当时的电离和电化学概念提出了经典的膜学说，他认为细胞膜两侧带电离子的不同分布和运动是产生生物电的基础。20世纪30年代Young发现枪乌贼神经轴突容易被单独剥离用于实验研究。1949年凌宁和Gersrd细胞内微电极记录的技术革新突破70年代中期，两位德国科学家Neher和Sakmann在电压钳（voltageclamp）技术的基础上，发明了可以直接观察单个离子通道活动的膜片钳技术。80年代，分子生物学和分子遗传学技术的快速发展有力地推动了膜离子通道的纯化和克隆研究。90年代后借用现代光谱学、生物信息学和蛋白质结晶技术，从空间的角度拓宽了人们对膜离子通道溶液/晶体构象的立体视野。水通道的研究历史早在19世纪中叶就有人提出细胞膜上可能存在介导水转运的通道。1957年，Sidel和Solommon才发现红细胞膜的高效水通透性是由水选择性通道介导的。80年代中期，PeterAgre在研究红细胞膜Rh血型抗原时分离纯化了一个分子量约28kD的膜内在蛋白，命名为CHIP28(channel-formingintegralprotein，通道形成整合蛋白)。最终确认该蛋白就是水通道。Agre的含水通道蛋白或不含水通道蛋白的细胞实验第三节电压门控离子通道的结构与功能电压门控离子通道（voltage-gatedionchannel），又称电压依赖性（voltagedependent）或电压敏感性（voltagesensitive）离子通道，因膜电位变化而开启和关闭，膜两侧的跨膜电位的改变，是控制此类通道开放与关闭的直接因素。电压门控通道一般包括钠通道、钾通道、钙通道和氯通道型，各型又分若干亚型。电压门控钠离子通道电压门控钠通道和钙通道的功能性亚基均各由4个疏水重复结构域（Ⅰ—Ⅳ）组成，每个结构域有6段由疏水性氨基酸组成的跨膜α螺旋序列片段（S1—S6），在S5和S6之间尚有一个P段(pore-formingsegment)；它从膜外面进入膜中，但不穿膜而中途折返，回到膜外。每个结构域中的第四个跨膜α螺旋在氨基酸序列上均有一个共同的特点，即每隔两个疏水氨基酸间重现一个带正电的Arg/Lys残基，它们与电压门控钠通道的开合机理有关。电压门控钾离子通道电压门控钾离子通道分子只相当于电压门控钠通道和钙通道功能性亚基中的一个重复结构域，经6次穿膜（S1—S6）。S5与S6之间由一个相当于钠通道的P段的H5段连接，整个通道由4个同源亚基构成。细胞内K+的浓度为细胞外的10倍以上，由于该浓度梯度，K+可以利用K+通道跨细胞膜到细胞外。K+和Na+都是球型离子，并且K+的离子半径比Na+大，而却不能利用该通道跨膜。通过对细菌的通道的三维结构的解析，使人们对K+通道的高度选择性通透机制有了清楚的了解。图6电压门控钠通道（P为磷酸化位点）（a）电压门控K+型通道结构；（b）电压门控Na+型通道结构。图7电压门控钙通道图8电压门控钠通道的顶面示意图（P为核心区段）注：Na+通道有四个功能区，图的中央为孔道，每个功能区有6个跨膜区段；其中S4区段带有正电荷，参与电压门控，孔道四周为P区。图9电压门控钠通道的开合（1）关闭状态的Na+通道；（2）开放状态的Na+通道；（3）非活性状态的Na+通道。图10电压门控钾通道（非细菌型）(a)平面图示；(b)三维图示。图11细菌型电压门控钾通道结构（a）单亚基的结构；（b）通道（四聚体）的侧面视图和顶端视图。图12细菌钾通道的离子选择性和转运机制（a）K+在孔道中正好能与四个亚基螯合，而较小的Na+不能很好地与四个亚基结合；（b）在过滤器式的通道中，每个K+与八个羰基氧原子结合；（c）K+通过通道的假设过程。第四节配体门控离子通道配体门控离子通道(ligand-gatedionchannel)，常见于神经细胞和神经肌接头处。nAch受体是第一个被纯化并被结构解析的配体门控通道。配体门控离子通道实际上是离子通道偶联型受体，它们与细胞外的特定配体结合后，发生构象变化，结果使“孔”打开，对离子通透。nAchR门控性和特异性的结构基础nAchR由4种不同亚单位组成的五聚体跨膜蛋白，总分子量约为290kDa。nAchR的每个亚基可为两个结构区域，即胞外区(膜外区)和跨膜区；每个亚单位均由一个大的胞外N端（约210aa），4段α螺旋跨膜序列（M1—M4）以及一个短的胞外C端组成，其中M2直接面向孔道，围成离子通道；M2呈倾斜状态并在中央发生弯折(kink)，此处有数个疏水氨基酸。膜外区由β折叠构成，其中的两个α亚基上含有乙酰胆碱的结合位点；推测跨膜部分为四条螺旋结构（M1—M4），其中一条螺旋（M2）含较多的极性氨基酸，就是由于这个亲水区的存在，使五个亚基共同在膜中形成一个亲水性的通道。亚单位通过氢键等非共价键形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道结构Ach在其受体上有两个结合位点，分别被定位在αγ与αδ的分界面。当AchR通道处于关闭状态时，来自5个亚基的M2的中央疏水氨基酸存在侧向相互作用，使得5个M2紧密接触，形成一个牢固的“腰带”壮的“门”；另外3个α螺旋围在M2的外面，将M2与脂双层分割隔开来。在M2与M1及M3的交界处存在缝隙，这些缝隙为M2的运动提供了空间，为通道的门控提供了必要的结构基础。图13烟碱型乙酰胆碱（nACh）受体A、该受体由α2βγδ五个亚基组成；B、每个亚基含有M1-M4四个跨膜α螺旋区段。AchR的特点：AchR的阳离子选择性：由于静电场的作用，正电荷的离子被吸引可进入孔道，负电荷的离子被排斥而不能进入孔道；与K+通道不同的是，在AchR通道不存在类似于K+通道的选择性过滤器，对K+没有选择性。AchR通道的高效运输能力：AchR通道是一个非特异的阳离子选择性通道：当通道开放时，直径小于0.9nm的水合阳离子都能通过。其他神经递质受体γ-氨基丁酸（GABA）受体甘氨酸（Gly）受体5-羟色胺（5-HT）受体谷氨酸门控阴离子通道（Glu-Cl受体）共同点：都是由单一肽链反复4次穿膜（M1—M4）形成1个亚单位，并由5个亚单位组成的跨膜离子通道。由于它们间有相当高的氨基酸序列同源性，且都具有一个共同的特征序列胱氨酸环（cystineloop），因此已把它们归属于cys-loop受体超家族。图14GABAR结构和其中单个亚基的结构注：（a）是五聚体GABA-R结构；（b）是单个亚基的结构：4TM结构；有一个长长的N端在胞外（约222aa）；10位和110位的Asn均被糖基化，138和152位的Cys间形成二硫键；胞内有一个大Loop连着M3和M4。图15γ-氨基丁酸（GABA）受体作用模式第五节机械门控离子通道细胞感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等，并将机械刺激的信号转化为电化学信号，引起细胞反应的过程称为机械信号转导。目前比较明确的有两类机械门通道，一类是牵拉活化或失活的离子通道，另一类是剪切力敏感的离子通道。机械门控离子通道的功能（1）提高细胞内钙浓度，从而触发肌肉收缩、细胞兴奋、腺体分泌、Ca2+依赖性离子通道开放和关闭、蛋白激酶的激活和基因表达的调节等一系列生理效应；（2）在神经、肌肉等兴奋性细胞，Na+和Ca2+通道主要调控去极化，K+主要调控复极化和维持静息电位，从而决定细胞的兴奋性、不应性和传导性；（3）调节血管平滑肌舒缩活动，其中有K+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与；（4）参与突触传递，其中有K+、Na+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与；（5）维持细胞正常体积，在高渗环境中，离子通道和转运系统激活使Na+、Cl-、有机溶液和水分进入细胞内而调节细胞体积增大；在低渗环境中，Na+、Cl-、有机溶液和水分流出细胞而调节细胞体积减少。2机械门控离子通道的功能（1）提高细胞内钙浓度，从而触发肌肉收缩、细胞兴奋、腺体分泌、Ca2+依赖性离子通道开放和关闭、蛋白激酶的激活和基因表达的调节等一系列生理效应；（2）在神经、肌肉等兴奋性细胞，Na+和Ca2+通道主要调控去极化，K+主要调控复极化和维持静息电位，从而决定细胞的兴奋性、不应性和传导性；（3）调节血管平滑肌舒缩活动，其中有K+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与；（4）参与突触传递，其中有K+、Na+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与；（5）维持细胞正常体积，在高渗环境中，离子通道和转运系统激活使Na+、Cl-、有机溶液和水分进入细胞内而调节细胞体积增大；在低渗环境中，Na+、Cl-、有机溶液和水分流出细胞而调节细胞体积减少。第六节水通道蛋白1水通道蛋白的结构2水通道蛋白的功能(1)水通道在尿浓缩机制中的作用;(2)水通道在消化生理中的作用;(3)水通道在神经生理中的作用;(4)水通道在呼吸生理中的作用;（5）水通道在眼球生理中的作用（6）水通道在皮肤生理中的作用第七节离子通道与疾病1离子通道病(channelopathy)•钾通道病•钠通道病•钙通道病•氯通道病3疾病中的离子通道改变2离子通道病的主要研究方法思考题1.载体蛋白，通道蛋白，水通道蛋白，离子通道蛋白，钾离子通道，配体门控离子通道，机械门控通道，离子通道病2.试比较载体蛋白和通道蛋白。3.离子通道主要与哪些疾病有关？4.试比较钠通道、钙通道和钾通道的结构。5.谈谈nAChR门控性和特异性的结构基础。6.水通道蛋白的结构与功能。7.除了本章涉及的一些重要通道外，生物体内还有哪些通道蛋白存在？请查阅相关文献问答。