第二节-离子通道

第二节离子通道主要内容•一、离子通道的基本生物物理学特性•二、电压门控离子通道•三、化学（配体）门控离子通道离子通道(ionchannel)是神经、肌肉、腺体等许多组织细胞膜上的基本兴奋单元，它们产生和传导电信号。可把每一通道看做一个对特殊刺激发生反应的可兴奋的蛋白分子。由于生物物理学和分子生物学的迅速发展，新的研究技术包括膜片钳技术(patchclamp)和分子克隆及基因突变技术等得以广泛应用，人们已经开始有能力从分子水平来解释离子通道的孔道特性、动力学过程、结构与功能的关系以及功能的表达和调节等。一、离子通道的基本生物物理学特性(一)门控机制离子通道必须能够开放和关闭，才能实现其产生和传导电信号的生理功能。根据通道开、关的调控机制(又称门控机制，gatingmechanism)的不同，离子通道可分为三大类：一类是配体门控离子通道([igand-gatedchannels)，直接受胞外的神经递质和胞内的cGMP、cAMP、IPa等化学信使的调节；另一类是电压门控通道(voltage-gatedchannels)，其开和关一方面是由膜电位所决定(电压依赖性)，另一方面与电位变化的时间有关(时间依赖性)，这类通道在维持可兴奋细胞的动作电位方面起着相当重要的作用；第三类为机械门控通道。电压门控通道：通道启闭由两侧的电位差所决定，如常见的Na+、K+、Ca2+等通道。化学门控通道（配基门控通道）：通道启闭则受膜环境中某些化学物质（如神经递质、膜内Ca2+浓度等）所决定。机械门控通道：通道启闭受膜的局部机械性刺激，如触觉的神经末梢、听觉的毛细胞、血管壁上的内皮细胞及骨骼肌细胞等都存在这类通道。门控通道的分类此外，还有非门控通道，经常开放，主要与静息电位有关。在整个动作电位时程中，离子通道至少经历三种不同状态的循环转换，即静息关闭状态(closedrestingstate)、开放状态(openstate)，失活关闭状态(closedinactivestate)。处于静息关闭状态的通道遇到适宜的刺激时即可进入开放状态，即激活过程(activation)。有的通道在开放后将随着时间逐渐进入失活关闭状态，即失活过程(inactivation)。失活关闭状态的通道不能直接进入开放状态而处于一种不应期。只有使通道从失活关闭状态进入到静息关闭状态后，通道才能再度接至外界刺激而激活开放，这一过程称为复活(reactivation)。静息关闭开放失活关闭刺激为了解释这种通道开、关的调节机制，Hodgkin和Huxley在应用电压钳制技术测量膜电流的实验基础上．提出了所谓门控机制的“H-H模型”。他们假设钠通道的开、关是由m、h两个门来控制的，静息时，m门处于“关”的状态，而h门处于“开”的状态。去极化刺激使m门被激活而转为”开”，整个通道迅速进入开放状态而触发内向的Na+电流。这一去极化刺激同时也使得h门进入失活状态而开始缓慢关闭，因此，虽然m门还是“开”的，通道已进入了失活关闭状态。复活过程中，h门回到“开”的状态而m门回到“关”的状态。由于m门和h门都有开和关两种状态，故通道的状态是由这两个门的两种状态所形成的三种组合来决定的。只有当m、h都处于“开”时通道才是开放的；其他两种组合则对应于静息关闭和失活关闭两种状态。m门、h门均开→通道开放m门关、h门开→静息关闭m门开、h门关→失活关闭(二)离子选择性不同通道对不同离子的通透性不同，即具有离子选择性(ionicselectivity)。通道对各种离子的选择性一般认为由通道内的氨基酸残基所决定。根据离子选择性的不同，通道可分为钠通道、钙通道、钾通道、氯通道等。但须指出，通道的离子选择性只是相对的，而不是绝对的。比如，Na+通道除了对Na+通道外，对NH4+也通透，甚至对K+也稍有通透。（一)钠通道1、钠通道亚型及其特性钠通道广泛分布于可兴奋细胞中、现已克隆出至少五种亚型的钠通道，其中多数对钠通道特异性阻断剂-河豚毒素(TTX)较敏感，而心肌细胞中存在一种主要类型的钠通道(hl型)，则对TTX的敏感度较低（较其他钠通道亚型低约200倍）。钠通道有三大特征；①对钠离子的选择通透；②电压依赖性激活；③电压依赖性失活。钠通道的激活和失活都很快，Na+内流仅持续数毫秒。细胞膜去极化将引起钠通道开放，大量Na+从细胞外液经钠通道快速内流，导致膜去极化引发动作电位。因而钠通道在维持细胞的兴奋性中非常重要。同时它还是重要的药物作用部分，如局部麻醉药和I类抗心律失常药，就是分别选择性地阻断神经细胞和心肌细胞上的钠通道，达到阻断兴奋传播和降低细胞兴奋性的作用。二、电压门控离子通道2．作用于钠通道的药物(1)通道阻断剂：河豚毒素(TTX)与石房蛤毒素(saxitoxin)，因阻断钠通道外口，故胞外给药才有效。临床上常用的局部麻醉药(如利多卡因，普鲁卡因等)为脂溶性化合物，它们的作用部位是h闸门，故为失活促进剂。季铵化合物为水溶性，与钠通道的作用部位是选择性滤器内口，故需胞内给药。临床上的I类抗心律失常药都作用于钠通道，但由于它们的通道选择性和对通道的阻断特性不同，又被分为三种类型：①在一定程度上抑制动作电位的0相，除了钠通道外还同时抑制钾通道延长复极化过程的药物，如奎尼丁、普鲁卡因胺等，被称为IA类药物。②较少抑制动作电位的0相，几乎不影响传导速度，也不影响钾通道的药物，如利多卡因、苯妥英钠等，为IB类抗心律失常药。③在选择性和作用上最强的钠通道阻断剂，显著地抑制0相，明显减慢心肌传导速度，但对复极化过程影响较小的药物，Eneainide(哌茴苯胺)、flecainide（哌氟酰胺)和Propafenone(苯丙酰苯心胺)等为1c类药物。Ⅰ类抗心律失常药对钠通道的阻断作用依赖于心率，即当心率快时阻断作用强，而心率慢时作用不明显或看不出其阻断作用，称之为频率依赖性。药物与通道间的相互作用及其频率依鞍性阻断与药物对钠通道作用的状态依赖性有关。处于开放或失活关闭状态的通道对药物亲和力高，而在静息关闭时通道不与药物结合，或药物只在通道开放时才能进入到其结合位点。所以高频率电脉冲(如快心率)时通道更多处于开放状态而易被药物阻断；被阻断的通道在静息时复活减慢，更长时间地处于失活关闭状态，更使药物作用加强。因此，药物对钠通道的阻断作用取决于通道进入开放(使用)状态的频率，故又称为开放状态阻断或使用依赖性阻断。不仅钠通道阻断剂，钙通道阻断剂如维拉帕米等也具有这一特性。(2)电压门控调制剂：α蝎毒(LqTX)和海葵毒素(ATX)都是碱性水溶性多肽激素，它们能使钠通道的失活过程变慢且不完全，不影响激活过程，因此为钠通道失活抑制剂。受体位点在钠通道外口，故需胞外给药才有效。β蝎毒(CsTX)也作用于钠通道外口，主要使膜容易兴奋而不影响失活过程，故为钠通道激活促进剂。箭毒蛙毒素(batrachotoxin，BTX)、木藜芦碱(erayanotoxin，CTX)、藜芦碱(veratridine)，乌头碱、除虫菊酯等均为脂溶性神经毒素，它们对通道的激活和失活都有影响，一方面使钠通道失活解除，另一方面使钠通道容易激活，故又称闸门调制剂。K+通道是分布最广、类型最多的一类离子通道，它存在于所有的真核细胞并发挥着多种生物功能。简单地讲，反映细胞生死存亡的客观指标就是判断该细胞是否还存在着细胞膜负电位。K+通道的活动不仅是建立这样的膜内负电位，同时也参与各种细胞的电活动，决定着动作电位的发放频率和幅度。(二)钾通道(1))延迟整流钾通道(Kv)：也称IK通道，是第一个被发现的K+通道，广泛存在于各种组织中。由于电压阶跃引起其电导的改变有一段明显的延迟而得名，实际上，后来发现的许多其他类型的K+通道也有这种延迟整流现象。目前所说的Kv主要是指性质与枪乌贼神经轴突Kv相似的K+通道，是细胞去极化时激活的外向钾电流。主要特点是电流的激活是电压和时间依赖的，基本上无自动失活。其主要功能是参与细胞的复极化过程。这类通道对TEA敏感。近年来发现Kv又可分为两种亚型，即快速激活(Kvr)的和缓慢激活的(Kvs)两种通道，目前常用的Ⅲ类抗心律失常药均选择性地作用于Kvr，对Kvs没有作用。1、钾通道的分类及其特性(2)瞬时外向钾电流(KA)：该通道电流是在动作电位早期或细胞去极化早期出现的—外向钾电流，其特点是电压依赖的快速激活和迅速失活，是动作电位的早期复极化电流。其作用主要是参与调节膜兴奋性、减慢去极化速度、降低动作电位发放频率。蛇毒(dendrotoxln)可选择性阻断KA。另外，4-氨基吡啶(4-AP)和某些新抗心律失常药对KA有相对的选择性抑制作用。(3)内向整流钾通道(KIR)；早期又称异常整流(anomalousrectification)钾通道，也称IK1通道，主要是因为该类通道的电导随去极化减小，而随超极化增加，与Kv正好相反，目前多称之为内向整流钾通道。这种通道只允许K+内流和一定程度上的外流：在膜电位负于静息电位时，表现为纯的K+内流；当细胞膜弱去极化时，K+则外流，而进一步去极化时，外流反而减少甚至消失。在可兴奋细胞上，该通道的整流作用有利于维持细胞的静息电位。(4)乙酰胆碱敏感钾通道(KAch)：主要存在于心房细胞中，除了具有电压依赖的特性外，还是G蛋白调节的钾通道，因而它的活性是受体调节的，在心脏中主要由胆碱能受体和腺苷受体调节，是影响心脏自律性的重要因素之一。由于该通道也具有内向整流的特性，因而主要影响心肌动作电位的时程和静息电位。(5)ATP敏感钾通道(KATP)：正常情况下，该通道处于关闭状态，一旦细胞内ATP浓度明显降低，导致该型钾通道开放，使细胞趋于超极化，动作电位缩短，抑制钠、钙通道的激活。该通道还对ADP和细胞内外的酸碱度敏感。KATP通道是钾通道开放剂的主要作用部位，目前钾通道开放剂已成为最强的血管扩张和降压药之一。最具代表性的钾通道开放剂是克罗卡林、吡那地尔、尼可地尔等几种。磺酰脲类是KATP通道的特异性阻断剂，代表药为优降糖。它们阻断胰岛细胞KATP通道，引起钙内流增加，而促进胰岛素的释放，降低血糖。(6)钙激活钾通道：几乎存在于所有脊椎动物的可兴奋细胞上。通道的开放随细胞内钙的增加而增加，同时通道也是电压依赖的，即在内钙恒定的情况下，随膜电位的去极化．通道的开放也增加。这类通道在调节神经细胞递质释放、动作电位复极化、细胞膜兴奋性以及平滑肌细胞的收缩性等方面具有重要作用。2、作用于K+通道的药物(1)钾通道抑制剂：钾通道抑制剂的种类很多，有无机离子(如Cs+、Ba2+等)、有机化合物(如TEA和4-AP等)，多种毒素(如蝎毒，蛇毒、蜂毒等)，以及目前临床治疗用药物。无机离子及多数合成的经典钾通道阻断剂多作为研究工具药使用，它们对钾通道亚型的选择性较差。毒素则对通道亚型的选择性相对较高，如蛇毒可选择性阻断瞬时外向钾通道；蝎毒可阻断大电导钙依赖钾通道特异性较高。这些毒素已作为研究钾通道的生化探针而广泛使用。用于临床上的钾通道阻断剂主要有两大类：一类为磺酰脲类的口服降糖药，优降糖为典型的代表药，它们降糖的原理是选择性阻断胰岛细胞上的ATP敏感钾通道，引起钙内流增加，而促进胰岛素的释放；第二类主要作为抗心律失常药使用，如溴卞胺、胺碘酮等，它们的抗心律失常作用是由于阻断心肌的钾离子通道，延长动作电位时程和有效不应期，它们均属于Ⅲ类抗心律失常药。上述抗心律失常药不仅作用于钾通道，对钠通道、钙通道和肾上腺素受体等也有一定作用。(2)钾通道激动剂或钾通道开放剂：目前已发现多种结构不同的钾通道开放剂，最具代表性的是Cromakalim（克罗卡林）、Pinacidil(吡那地尔)、Nicorandil(尼可地尔)这三个新药。这些钾通道开放剂均选择性地作用于血管或心肌的ATP敏感钾通道，最主要的临床应用是降压和缺血性心肌扭伤的保护。胞内游离钙浓度的变化调节着细胞的代谢、基因表达等细胞共有的活动，以及始动兴奋、收缩或出胞分泌以及激活和失活离子通道等细胞不同的反应。对脊椎动物的多数细胞来说，[Ca2+]i的升高主要依赖于胞外钙经质膜