第四章 离子通道电流

第四章离子通道电流一、离子通道电流分类一、离子通道电流分类（一）携带内向电流的通道1.钠通道电流：心脏已发现两种，一是存在于心房肌、心室肌细胞和希浦系统的电压依赖性钠通道；另外一种是存在于窦房结和房室结中的非电压依赖性通道(INa-B),它所携带的背景内向电流具有起搏作用。2.钙通道电流：主要有两种，一是ICa-L；另外一种是ICa-T。3.其它内向电流：If是由Na+携带的内向电流，属于起搏电流之一。（二）携带外向电流的通道IK1：内向整流钾电流IK：延迟整流钾电流(IKur,IKr,IKs)Ito：瞬时外向钾电流IKAch：乙酰胆碱敏感钾电流IKATP：ATP敏感钾电流IKCa：钙激活钾通道电流（三）其它电流ICl：氯离子电流，外流产生一种内向电流，在起搏细胞的自动除极化中起一定的作用；INa/Kpump(Ipump)：钠钾泵电流，每次运转时泵出3个Na+换进2个K+，因而产生一种微小的外向电流，称泵流。二、钠通道电流INa是神经和肌肉，包括心肌，兴奋或去极化的第一个离子流。在心肌细胞，去极化过程中有无INa参与是产生快反应电位与慢反应电位的根本原因。所以，它的变化对兴奋的发生及传播均有重要意义。1.钠通道的全细胞记录人体心房肌细胞INa电流图及电流-电压曲线（I-V）2.钠通道电流的单通道记录与全细胞离子流不同，通道电流在某一电压下，只表现为一定大小的电流出现与消失，即单个通道的开放与关闭。单通道电导与电压呈线性相关，与全细胞钳制及多细胞标本上电压钳制所得的结果一致。-80-70-60-500.00.20.40.60.81.0Vm(mV)3.钠通道的激活与失活曲线（1）激活曲线通常用激活曲线表示，反映通道开启的难易程度。g/gmax=1/{1+exp[(Vm-V1/2)/K]}，gNa=INa/(E-ENa),E为去极化钳制电位，ENa为钠通道的平衡电位。（2）失活曲线失活曲线，又称膜反应曲线，代表膜在不同电位水平时对刺激发生反应的能力。意义：通道开放需要在一定的静息电位水平。-90-80-70-60-500.00.20.40.60.81.01.2Bτ=8.26msData:InactivationofNa+channelModel:BoltzmannA11A20V1/2=-73.59468k=3.679322nA10ms-50mVINa/INa(max)Vs(mV)A条件脉冲测试脉冲Vh=-90mV（2）失活曲线失活曲线的测定，可用电压钳获得。也可通过改变K+浓度，以改变膜的静息电位，在不同静息电位水平进行刺激，以测定在动作电位发生过程中，最大去极化速率的值。若以所得到的最大值为1时，其它数值按最大值的百分数来表示，并以之为纵坐标，相应的电位为横坐标作图，即得出的INa失活曲线,采用Boltzmann方程对失活曲线进行拟合I/Imax=1/{1+exp[-(V-V1/2)/k]}。-90-80-70-60-500.00.20.40.60.81.01.2Bτ=8.26msData:InactivationofNa+channelModel:BoltzmannA11A20V1/2=-73.59468k=3.679322nA10ms-50mVINa/INa(max)Vs(mV)A条件脉冲测试脉冲Vh=-90mV2nA20ms-50mVVh=-90mV（3）钠通道失活后的恢复将后一脉冲刺激所得电流（P2）与前一脉冲刺激所得者（P1）之比值对应时间间隔作图,采用单指数方程Y=A+B×exp(-X/τ)拟合[Y=P2峰电流与P1峰电流的比值；X=P1~P2的间隔时间；τ（tau）=恢复时间常数]（4）通道闸门快Na+电流是Na+通过通道时的离子电流。故其动力学取决于Na+通道的开放状态。根据Hodgkxin-Huxley的闸门学说来解释INa的激活与失活过程。设想，Na+通道有两组带电粒子起着门控作用。一个是激活粒子（闸门），又称m门、A闸门，另一个是失活粒子（闸门），又称h门、I闸门Na+通道的H—H工作模型5.钠通道的电流特点（1）特点①膜去极化达阈电位（约－70mV）时此电流出现；②膜去极化达Na+平衡电位时消失（约＋30mV）；③具有时间依赖性（τ＝1ms），即使膜电位维持在Na+通道开放所需的电位水平，Na+电流亦可作为时间的函数而消失；④在膜完全去极阶跃（fulldepolaringstep）之前将膜维持在一低电压状态，则Na+电流失活，此时再经一去极化电流也不能激活Na+电流。（2）心肌细胞钠电流的类型快钠通道：激活需要的电压高，失活速度快，引起动作电位0期去极化，只对高浓度的TTX、利多卡因、奎尼丁等药物敏感。慢钠通道：激活需要的电压低，失活速度慢，参与维持动作电位2期平台，对低浓度的TTX、利多卡因、奎尼丁等药物敏感。（3）钠电流的亚状态INa还可以出现一种亚状态（substate)。它表现为在通道开放后，不回到完全关闭状态，而在一种新的“关闭”状态下重新开放。INa的单通道电导为21pS，而亚状态的电导为3.1pS。目前对亚状态的意义尚不清楚。6.毒素与药物对钠电流的影响钠通道上毒素受体的位点位点毒素效应1河豚毒(Tetrodotoxin,TTX)河蚌毒素(Saxitoxin,STX)食鱼螺毒素(ω-Concotoxin)抑制离子电导2藜芦定(Veratridine)蟾毒素(Batrachotoxin,BTX)乌头碱(Aconitine)木藜芦毒素(Grayanotoxin,GTX)持续激活3α-蝎毒素(α-Scorpintoxins)Seaanemonetoxins抑制失活，促进持续激活4β-蝎毒素(β-Scorpintoxins)改变激活的电压依赖性5短裸甲藻毒素（Brevetoxins)西加血毒素（Ciguatoxins）反复发放，改变激活的电压依赖性钠通道蛋白的提纯，就是利用它与毒素选择性的结合而进行的。TTX和STX为含胍基的水溶性毒素。作用的受体部位在通道外侧口。心肌对其敏感性低。心肌细胞的钠通道，由于对其敏感性不同，分为快钠通道与慢钠通道。快钠通道——激活所需电压绝对值高，失活速度快，引起0期去极，对高浓度TTX、奎尼丁、利多卡因敏感。慢钠通道——激活所需电压绝对值低，失活速度慢，参与2期平台，对低浓度TTX、奎尼丁、利多卡因敏感。豚鼠心室肌细胞ICa三钙通道电流豚鼠心室肌细胞ICa（1）它触发胞内钙储藏释放，从而促进兴奋－收缩偶联；（2）它是维持心肌细胞动作电位有个较长平台的主要内向电流；（3）由于它维持较长时的去极化电位水平，从而为其它电流的活动提供适合的电位条件；（4）为心肌细胞动作电位有较长有效不应期提供电位条件。钙离子流是在继钠离子流引发的心肌细胞膜去极化基础上，发生活动的第二个内向电流。它在心肌细胞动作电位中起重要作用。心肌细胞膜上有两种钙通道：L－型钙通道及T－型钙通道。L－型钙通道是最早在心肌细胞上发现的钙通道，也是首次在细胞膜上发现的除钠和钾以外的新通道。豚鼠心室肌细胞ICa的I-V曲线豚鼠心房肌细胞记录的L型与T型钙电流（一）钙通道的激活与失活与快钠通道相似，慢钙通道也有激活过程，其激活曲线呈S型，大约在0mV电位时，激活曲线达最大值。Ca2+通道的激活、失活以及再复活所需时间均比Na+通道要长，经Ca2+通道跨膜的Ca2+内向电流，起始慢，平均持续时间也长，因而称为慢通道和慢内向电流。（二）通道的离子选择性和门控特性Ca2+通道的离子选择性较差，Ca2+、Na+、K+等可通过。动作电位平台期的内向离子流，主要由Ca2+负载，也有Na+参与。慢Ca2+通道具有电压依赖性，由激活门（d门）和失活门（f门）双重控制。慢Ca2+通道也具有时间依赖性，其激活时间常数约比Na+通道的时间常数长20倍。（三）L型Ca2+电流1.门控电流与钠通道的门控电流的特点相似，在钙通道上也有关于门控电流的报道。一般使用Ca2+及La3+阻断钙通道以观察在去极化时细胞膜内电荷的运动。钙通道门控电流受有机钙通道阻断剂的抑制性影响。ICa-L的记录去极化时间为6ms，而门控电流的去极化时间为20ms。2.L型钙通道的离子流ICa-L各项参数的测定方法与INa完全相同，只是维持电压与试验电压略有差异。在ICa-L的稳态激活与失活曲线之间，有一个明显的窗流区。在此区域的电压范围内，ICa-L是处于既激活而又未完全失活的状态。因此，在此电压范围内可以有持续的ICa-L内流。ICa-L通道的失活，一方面与INa相似属电压依赖性，但另一方面，它的失活又依赖于细胞内Ca2+浓度，因此，又是Ca2+依赖性的。①当细胞外Ca2+浓度升高而ICa幅度增大时，去极化引起的失活也加快；②用其它离子如Ba2+代替Ca2+时，在去极化时，其失活变慢；③Ca2+内流因细胞内注入EGTA而被螯合时，ICa失活变慢；④向细胞内注入Ca2+而使胞内Ca2+浓度增高时，失活变快。3.β－肾上腺素（或G蛋白）对ICa.L的调节作用β－肾上腺素能激动剂对心脏的变时及变力效应是通过L－型钙通道的反应而实现的。它通过β－肾上腺素能受体激动的cAMP的产生而实现的，G蛋白在这个过程中起重要作用。cAMP蛋白激酶促使依赖于磷酸化而不依赖于电压的闸门g’打开，通道处于可利用状态，在电压依赖性闸门也开着的情况下，使通道导通。4.ICa.L的亚状态L-型钙通道的亚状态，是在心肌细胞上发现最早的离子通道活动亚状态。在用（＋）-（s）-202-791作用下,L-型钙通道失活大为减慢，此时可用Cs+K+或Na+作为通透性离子观察通道活动。结果发现，在PH降低条件下，通道可在两种水平上关闭。5.L型钙通道的阻断剂及激动剂可被异博定（verapamil）、D-600（加络帕米）（一种异博定的衍生物）和Mn2+、Co2+、La2+等所阻断。双氢吡啶类（nifedipine）等也可阻断。酸中毒、缺血、缺O2、代谢抑制剂、局麻药也可阻断ICa。当PH为6.6时，慢内向电流降低50％，而PH为6.1时，则慢通道被完全阻断。（四）T型Ca2+通道及其电流①其激活阈值较低，一般在-50到-60mV;②它的失活也快，整个动态过程与INa相似，而与ICa.L不同。其激活及失活曲线也呈Boltzmann分布;③它在0相去极化时起作用;④它没有Ca2＋依赖性，并对L-型钙通道阻断剂及β－肾上腺素能受体激动剂不敏感；⑤它的单通道电导小于L-型钙通道;⑥对低浓度及阿米洛利（amiloride）比较敏感。T-型钙通道与L-型钙通道有许多相似之处，但也有不同。四.钾通道电流钾通道电流是引起心肌细胞动作电位复极的主要电流。除了动作电位开始时的0相去极化外，它在其它各相中均起重要作用。目前已知至少有10种钾电流。根据它们的不同特性，大致可以分为3种类型（1）延迟整流（delayedrectifier）；（2）瞬时外向电流（transientoutwardcurrent）以及（3）即时发生而无失活。（一）延迟整流钾电流（IK）最初，这一外向电流是在狗浦氏纤维上发现的。它属于无失活的离子流类型，是心肌细胞动作电位复极的重要电流，它的抑制就使动作电位时程延长。这在抗心律失常及心律失常的发生上有重要意义。其去激活则在窦房结的起搏中起着关键性作用。5ms2nA1.缓慢延迟整流钾电流（IKs)IKs的特性即为通常所认为的IK，它在去极化经数秒钟才达到稳态，在复极时其去激活也很慢，在-80mV时需数百毫秒。IKs的密度在不同动物心肌细胞上是不同的，豚鼠及狗的心室肌较多，而在大鼠、猫及兔心室肌上则较少。2.快速延迟整流钾电流（IKr)IKr存在于豚鼠心房肌及心室肌、兔心室肌及纤维以及猫心室肌上。在豚鼠心房肌上，IKr与IKs同时存在，当IKs充分激活时，其幅度远大于IKr，IKr的激活电位比IKs为低，而且激活时程远快于IKs。豚鼠的IKr有明显的内向整流性质，而人与大鼠心肌细胞的IKr的内向整流性质较弱。3.超快速延迟整流钾电流（IKur)