离子通道药理学

一、离子通道概论 离子通道（ ion channels） 是细胞膜中的跨膜蛋白质分子，对某些离子能选择通透，其功能是细胞生物电活动的基础。膜片钳技术应用于通道离子电流的记录。膜片钳是 Neher和 Sakmann于 1976年建立，它利用一个玻璃微电极同时完成膜片（或全细胞）电位的钳制和膜电流的记录。 1991年，膜片钳技术的创始人 Neher和 Sakmann荣获诺贝尔生物学奖。离子通道按激活方式分为两类：（ 1）电压门控离子通道（ voltage gated channels），即膜电压变化激活的离子通道。通道开、关一方面是与膜电位有关（ voltage-dependent），另一方面与电位变化的时间有关（ time-dependent），按通过的离子命名。如钠通道、钙通道、钾通道和氯通道四大类。 （ 2）化学门控离子通道（ ligand gated channels），由递质与通道蛋白分子上的结合位点相结合而开启，按递质或受体命名。二、离子通道的分类 IonChannelsReceptorsas EnzymesG Protein-Coupled receptor systemsCytosolicReceptorsTranscriptionFactorsGTP GDPG Protein-CoupledReceptor Effect配体门控性离子通道，也称作受体型离子通道存在于快反应细胞膜上，由单一肽链反复 4次穿透细胞膜形成 1个亚单位，约 4 5个这样的亚单位组成跨膜离子通道，受体激动时离子通道开放使细胞膜去极化或超极化，产生兴奋或抑制效应。 N型乙酰胆碱、 - 氨基丁酸(GABA) 受体等。（一）钠通道钠通道（ sodium channels）是选择性允许 Na+ 跨膜通过的离子通道。目前对钠通道特征、门控动力学及生理意义研究得比较清楚。钠通道均为电压门控离子通道，主要功能是维持细胞膜兴奋性及其传导。因而心肌细胞动作电位（ action potential, AP）的上升相取决于钠通道，即 0期。现已克隆出 9种人类钠通道基因。钠通道的分类 根据对钠通道阻滞剂 TTX和 -conotoxin (CTX)的敏感性不同分为 3类：（ 1）神经类钠通道：对 TTX敏感性高，而对 CTX敏感性低。（ 2）骨骼肌类钠通道：对 TTX和 CTX敏感性均高。（ 3）心肌类钠通道：对 TTX和 CTX敏感性均低。心肌钠通道，激活所需要的电压高、失活速度快、引起动作电位（ action potential, AP）的 0期去极化 。离子电流以正离子流动的方向确定离子流方向。正离子内流，引起膜去极化；外流，膜产生超极化。 （二）钙通道 钙通道（ calcium channels）在正常情况下为细胞外Ca2+（ Ca2+o）内流的离子通道。它存在于机体各种组织细胞，是调节细胞内 Ca2+（ Ca2+i）浓度的主要途径。1.电压门控钙通道（ voltage-gated Ca2+ channels）： 目前已克隆出 L、 N、 T、 P、 Q和 R 6种亚型的电压依赖性钙通道。这类通道存在于细胞器如肌质网（ sarcoplasmic reticulum, SR）和内质网（ endoplasmic reticulum, ER）膜上，是储钙释放进入胞浆的途径。由于三磷酸肌醇（ inositol triphosphate, IP3）或 Ca2+等第二信使激活细胞器上相应受体而引起通道开放，故称为细胞内受体门控离子通道。当细胞膜去极化时，电压门控钙通道开放， Ca2+内流使细胞内 Ca2+突然增加而触发 Ca2+释放，从而引起细胞兴奋 -收缩耦联等生理活动，这一过程称为 Ca2+诱发 Ca2+释放。 2.受体 调 控性 钙 通道（ receptor-operated Ca2+ channels）（三）钾通道钾通道（ potassium channel）是选择性允许 K+跨膜通过的离子通道。是目前发现的亚型最多、作用最复杂的一类离子通道。广泛分布于骨骼肌、神经、心脏、血管、气管、胃肠道、血液及腺体等细胞。自 1987年成功地克隆出第一个钾通道基因后，现已克隆出几十种亚型。其中，钾通道在调节细胞的膜电位和兴奋性以及平滑肌舒缩活性中起重要作用。钾通道按其电生理特性不同分为电压依赖性钾通道、钙依赖性钾通道及内向整流钾通道。1电压依赖性钾通道（ voltage-dependent K+ channels） （ 1）延迟整流钾通道（ delayed rectifier K+ channels）此类通道称为 Kv通道，其电流为 Ik。 Kv通道共有 9个亚型， Kv1、 Kv2、 Kv3Kv9。 Kv通道在去极化时激活而产生外向电流。这类通道广泛分布于各种组织细胞，与膜的复极化有关。在心肌细胞，存在两种主要的延迟整流钾通道，它们参与心肌细胞动作电位的复极化过程，其电流为 Iks、 Ikr。根据其激活动力学，Iks为慢激活整流钾电流，其激活时间大于 3s， Ikr为快激活整流钾电流，激活时间仅 150ms。Iks、 Ikr为心肌细胞动作电位复极 3期的主要离子流。 类抗心律失常药物选择性阻滞 Ikr，使动作电位时程延长。（ 2）瞬时外向钾通道（ transient outward K+ channels）此类钾通道被称为 KA通道，其电流为IA或 Ito。 KA通道在去极化明显时才能激活，其产生外向电流无整流特性，参与动作电位 1期的复极过程。该通道激活迅速、失活快。 Ito可分为对 4-氨基吡啶（ 4-AP）敏感的钾电流 Ito1，以及对钙敏感的 Ito2，实为钙依赖性氯电流。 Ito1可被 4-AP阻滞， Ito2可被 ryanodine阻滞。（ 3）起博电流（ pacemaker channels, If） If是非特异性阳离子电流，即由一种以上单价阳离子，如 K+和 Na+共同携带的离子电流。是窦房结、房室结和希浦系统的起搏电流之一。 If电生理特性： If是由膜超极化激活的随时间而逐渐增加的内向电流，其阈电位在 -50-70mV左右； If对 Cs+敏感， 0.5mM Cs+几乎将 If完全阻滞； 肾上腺素（ Adr）促进 If的激活， If电流增加，这是交感神经刺激加快心率的离子基础之一； If受乙酰胆碱（ Ach）的调节， Ach可抑制 If，使心率减慢，故一般认为副交感神经或迷走神经减慢心率的机制是因为 Ach抑制 If的结果。 Ach的作用与 Adr正相反。 此类钾通道为 KCa，其电流为 Ik(Ca)。 ICa是一类具有电压和 Ca2+依赖性的钾通道。去极化和提高 Ca2+i浓度均可激活而使其开放， K+外流使膜复极化或超极化。分布于血管平滑肌，直接参与血管张力的调节，具有较大的生理意义。该通道开放时， K+外流使膜复极化或超极化，同时引起血管扩张。因此当血管平滑肌细胞去极化和Ca2+进入细胞时， KCa将起到负反馈调节作用。2 钙 依 赖 性 钾 通道 (Ca2+-dependent K+ channels)3内向整流钾通道（ inward rectifier K+ channels） 这类钾通道都具有内向整流特性，其中比较重要的有三种：内向整流钾通道（KIR）， ATP敏感的钾通道 (KATP)及乙酰胆碱激活的钾通道（ KAch）。 （ 1）内向整流钾通道（ inward rectifier K+ channels）：该通道在心肌细胞称为KIR（ Kir2.1），其电流为 Ik1。在心肌细胞（心室肌）， KIR通道也参与 AP的3相复极，但主要维持 4相静息电位，防止由于 Na+-K+泵的作用使膜超极化大于钾平衡电位（ EK）。该通道被称为 KATP（ Kir6.2）通道，其电流为 IK(ATP)， KATP为代谢性调节 K+外流通道。 KATP通道 激活和失活 受细胞内 ATP/ADP的比率影响，在正常生理情况下，该通道处在失活状态，只有在缺氧、能量耗竭及 ATP减少时，通道才逐渐被激活而开放。阻滞剂为格列本脲（glibenclamide）和甲苯磺丁脲（ tolbutamide）等。通常所称的钾通道开放剂就是指激活 KATP通道的药物，代表药物有吡那地尔（ pinacidil）等 。（ 2） ATP敏感的钾通道（ ATP-sensitive K+ channels）（ 3）乙酰胆碱激活的钾通道（acetylcholine-activated K+ channels） 该类通道称为 KAch（ Kir3）通道，其电流为 Ik(Ach)。它存在于心脏的窦房结、房室结和心房肌细胞。主要由 Ach和 GTP激活，亦可被超极化激活。 Ach作用于 M受体而激活此通道，增加舒张电位而导致负性频率作用。 Ach的浓度升高增加其开放概率。三、离子通道的分子结构及门控机制 1电压门控离子通道的分子结构钠、钙和钾电压门控通道在分子结构上有许多相似之处，离子通道蛋白是多亚基（ subunits）构成的复合体。其中，构成孔道部分的是 亚基。各种电压依赖的离子通道的 亚基均在膜上形成四个跨膜区（ D1-D4） ,钠、钙通道的四个跨膜区由共价键连接成四倍体位于同一肽链，整个亚基只有一个 N-末端和一个 C-末端。钾通道的 亚基只有一个跨膜区，功能性钾通道是四个 亚基由非共价键连接而成的四聚体。每个跨膜区由 6个呈 螺旋式的跨膜片段（transmembrane segmants, S1-S6）及其间的连结肽链所组成。连接 S5-S6的肽链部分贯穿于膜内，是形成亲水性孔道而有选择性地让离子通过的部分，称为孔道区（ pore region）或 P区。另一个重要的肽段是 S4 , S4共带 4 8个正电荷，当膜电位变化时， S4螺旋构型即发生变化， 通道开放， 故 S4被称为电压门控性离子通道的电压感受器（voltage sensor）。 2内向整流钾通道的分子结构 具有内向整流性钾通道，主要指 KIR， KACh， KATP等，他们与 Kv通道一样由 4个 亚单位对称排列而成，但每个 亚单位只有 2个跨膜螺旋片段（ M1和 M2），两者由 H5连接。3.离子通道的门控机制 电压依赖性钠通道受膜电位的影响，在不同电压影响下，通道蛋白发生构象变化而使通道不断转换于静息态（ resting state）、开放状态（ open state）和失活状态（ inactive state）。 通道内侧有 m激活闸门和 h失活闸门来控制通道的开启和关闭。静息时， m门位于通道内，使通道处于关闭状态，即静息态；兴奋时，在去极化作用下， m闸门激活而移出通道外，使通道开放， Na+内流，即为