细胞生理学课件

细胞生理学第二章离子的跨膜流动与细胞膜电位

离子的迁移不能简单地归结为扩散。因为扩散是物质由于分子热运动顺浓度梯度的迁移。由于离子都带有正电荷或负电荷，离子跨膜迁移除扩散外还受电场的影响。离子沿电场方向的运动是不同于扩散的另一种物理过程。本节将讨论两种过程协同作用下离子的跨膜流动。由于离子有电荷，生物膜的脂双层对离子是高度不通透的，必需经过载体或跨膜的孔道。各种不同种类的离子通道（ionchannel）是动物和植物细胞中离子跨膜流动的主要途径。一、离子通道及其特性1．钾通道我们从钾通道开始认识离子通道的生理学功能。钾通道是目前研究得最清楚的离子通道，也是进化上最早出现的离子通道之一。由于K＋在几乎所有细胞内都是主要的无机离子，因此钾通道是影响细胞功能的最基本离子通道。

第一个钾通道的分子序列是从果蝇中克隆出来的。有一种突变型果蝇在被乙醚麻醉后出现腿部颤抖，由于果蝇有唾液腺巨染色体，通过染色并与野生型比对，发现这个腿部颤抖的表型与果蝇x染色体上的一个突变有关。

1987年，美国生物学家克隆出这个Shaker基因，并证明该基因编码一种电压门控钾通道。后来，在哺乳动物也找到相应的基因以及很多其他钾通道基因。钾通道是目前发现的亚型最多、作用最为复杂的一类离子通道。按照基因同源性，这些钾通道分为4个超家族：内向整流钾通道、双孔钾通道、电压门控钾通道及钙激活性钾通道。

内向整流钾通道的结构最简单。这个超家族的基因编码的蛋白由两个跨膜α螺旋和连接两者胞外端的P环（poreloop）构成；4个相同的蛋白亚基围成一个钾通道。哺乳动物的钾通道结构与细菌中发现的钾通道完全一致，显示其进化上高度保守。多数其他的阳离子通道的孔道区（poreregion）也是这个基本结构。例如，双孔钾通道超家族的钾通道分子序列包含两个与此类似的孔道区，电压门控钾通道超家族的钾通道分子序列是在一个孔道区的C端加接了4个α螺旋；而电压门控钙通道和钠通道则依次是电压门控钾通道的进化下游。

2．离子通道的离子选择性

特定的离子通道只能选择性地通透特定种类的离子，这就是通道的离子选择性（ionicselectivity）。根据离子选择性的不同，离子通道可分为钾通道、钠通道、钙通道、氯通道、非特异阳离子通道等。离子通道的离子选择性是相对的而不是绝对的，任何离子通道都不是绝对地只通透某一种离子，但不同离子通道对离子的选择性的确有很大差异。例如钠通道虽然主要对Na+通透，对NH4+也可通透，甚至对K+也有微量通透。相比之下，钾通道的选择性更强。非特异阳离子通道对K+和Na+的通透性一般比较接近，但对二价阳离子的通透性在不同通道间有较大差异。

在离子通道的研究领域，科学家曾很不能理解，为什么有些离子通道能够在高速通透离子的情况下对离子有极高的选择性?这不能用特定离子的高亲和结合位点来解释，因为亲和性越高，通透效率会越低。也不能用孔道大小来解释，因为Na+的直径(0.19nm)比K+的(0.26nm)小，却极难通过钾通道。后面这个事实同时也说明，离子通道并不是一个简单孔道。直到1998年，R·MacKinnon和同事用蛋白晶体的X线衍射分析学技术解出了细菌钾通道的分子结构，这个问题才得到回答。MacKinnon因此与研究水通道的Agre共享了2003年的诺贝尔化学奖。

钾通道的分子结构显示，通道的内外入口处均有多个带负电的氨基酸残基，有利于增加附近阳离子浓度，也防止负离子进入通道。通道孔区的大部分相对宽大且有水，使得离子能够保持被水中8个氧原子包围的水合状态。在通道由胞内向胞外的2/3处，通道变窄，来自4个孔袢上羧基的氧原子朝孔道整齐排列，构成与水合离子中尺寸相同的“氧笼”。进入“氧笼”的每个K+周围都有8个氧原子，与其在水中的环境十分相似，大大降低了K+通过孔道的能量势垒，从而允许K+单列纵行通过孔道。而对于其他阳离子，如Na+，由于其体积较小，不能与“氧笼”匹配，能量势垒很高，通过率不足K+的1％。3．离子通道的随机活动

离子通道并非像宏观的孔道一样无限制地允许离子自由通透。离子通道一般至少有开放、关闭两种状态，有的离子通道还有一种失活状态，这些状态对应着通道蛋白的不同构象，一般只有开放状态才允许离子通过。由于α螺旋和P环的分子内热运动，非失活的离子通道可在开放和关闭状态间随机转换。一个离子通道处于开放状态的时间在总时间中的比率叫做开放概率（openprobability，Po）。不同的离子通道或同一离子通道在不同条件下Po

各不相同。4．离子通道的激活及其能量转换功能

多数离子通道在静息（resting，未激活但也未失活，available）状态下Po很低。离子通道从低Po状态转换为高Po。状态的过程叫做激活（activation）。不同离子通道可通过不同能量形式的刺激激活并产生细胞膜电流。因此，离子通道在细胞中发挥着能量转换器的作用。根据激活因素的能量形式不同，离子通道可有多种类别。通道转运模式图

控制离子通道开闭的方式主要有上述三种。

电压门控通道（voltage-gatedchannel）可因膜电位的改变而激活，包括电压门控钾通道、钙通道和钠通道等。每个钙通道或钠通道有4个结构域，每个结构域与电压门控钾通道的一个亚基同源，都有6个跨膜α螺旋S1～S6。其中S4高度保守，富含疏水性、带正电的精氨酸（Arg）或赖氨酸（Lys）残基，被认为是通道的电压感受器。在静息的细胞中，细胞内相对细胞外的膜电位一般在-80～-60mV之间，这种极化状态对S4产生向胞内方向的电学吸引；如果膜电位向正的方向变，产生去极化，则对的S4电学引力减小，使通道发生构象变化的势垒降低，通道便被激活，并进入高Po的状态。

电压门控通道：通道的开、闭受膜两侧电位差控制的离子通道，称为电压门控通道。A：丙氨酸K：赖氨酸I：异亮氨酸F：苯丙氨酸M：甲硫氨酸电压门控钠通道的结构

图.膜去极化时钠通道构象变化的理论模型

机械敏感通道（mechanosensitivechannel）是由机械应力变化激活的离子通道。内耳中的毛细胞、皮肤机械感受器、血管内皮细胞、心肌细胞等有对牵张力、剪切力等机械应力敏感的离子通道。这些离子通道能够将受到的机械应力转化为分子内能，从而改变Po，并引起细胞反应或神经调控。温度敏感通道是由温度变化激活的离子通道，包括分别对热刺激、冷刺激敏感的离子通道。除了以上种类的离子通道外，还有一些离子通道没有特异性的门控机制，称为非门控通道或背景电流通道（backgroundcurrentchannel）。

各种离子通道除了其特异性门控机制外，其功能还受磷酸化、酸碱度、氧化还原状态、辅助亚基、表达量等因素的控制，以实现细胞功能的精细调控二、跨膜离子平衡与细胞膜电位（一）离子的跨膜电化学势与离子的平衡电位

生物膜两侧通常会存在电位差，称为膜电位（membranepotential，Vm）。由于离子电荷的存在，驱动离子跨膜迁移的能量来源除了膜两侧的浓度差以外还有电位差。

在图中，设细胞膜只对K＋通透，细胞内的K＋浓度高于细胞外。如果细胞膜电位初始值为Vm＝0，则细胞内的K＋将沿浓度梯度向细胞外扩散，结果Vm变负。随着Vm的变化，跨膜K＋电流越来越小，这是因为K＋单纯由Vm驱动流向胞内的趋势逐渐抵消了其因浓度梯度扩散到胞外的趋势。对任意离子X而言，当膜两侧浓度梯度产生的X离子扩散趋势与因电学梯度产生的X离子泳动趋势大小相等、方向相反时，其跨膜净电流Ix＝0，我们说X离子达到了电化学平衡；此时的膜电位叫做X离子的平衡电位（equilibriumpotential，Ex）。

细胞在没有刺激的条件下，细胞膜两侧存在的电位差，称为静息电位（RestingPotential）。（二）细胞的静息膜电位1.

静息电位

静息电位时，细胞膜处于内负外正的情况常被称作极化状态。极化这一术语，在生理学中常用。当膜两侧的极化加剧时，称为超极化，而膜两侧的极化减弱时，称为去极化。2.静息电位形成的原理静息电位的形成与三个方面的问题有关：（1）细胞安静状态下，细胞膜内、外的离子浓度差;（2）细胞膜对离子的选择通透性；（3）维持细胞内外离子浓度差的机制。枪乌贼巨轴突的膜内外的离子分布

（2）细胞膜对离子的选择通透性和钾平衡电位

假设：正是因为安静状态时，膜对K＋选择性通透，导致了出现膜内外电位差。RP就是钾平衡电位（Ek）。

证明：由物理化学理论计算出的Ek与RP接近；RP随胞外[K＋]变化而变化；观察到放射活性K＋可透过细胞膜。

结论：细胞内[K＋]＞细胞外[K＋]、细胞膜对K有较高的选择性通透是RP产生的机理。

安静时，细胞内钾浓度高于细胞外，膜对钾的通透性较大，故钾外流聚于膜外，带负电的蛋白质等大分子物质不能外流而滞于膜内；因此，膜外带正电，膜内带负电。当促使钾外流的钾浓度势能差同阻碍钾外流的电势能差（钾外流导致的外正内负）相等时，钾跨膜净移动量为零，故RP相当于Ek。

静息电位取决于钾的平衡电位

Nernst公式：R:气体常数（8.31）；T:绝对温度；Z:离子价；F:法拉第常数（96500）以室温27℃计算，再把自然对数化为常用对数：

为了进一步证明静息电位主要决定于K+外移的理论，可在实验中人工地改变细胞外液的K+浓度，结果发现细胞静息电位也随着[K+]out的改变而改变，而改变情况和根据公式算出的预期值一致。

细胞内高K+和安静时膜主要对K+有通透性，是大多数细胞产生和维持静息电位的主要原因。

改变细胞外浸浴液的K＋浓度对蛙的缝匠肌静息电位会产生影响。图中横座标表示膜外K＋浓度[K＋]o；纵座标表示膜静息电位。图中直线为[K＋]o变化时，理论上根据Nernst方程计算出的K＋平衡电位；实心圆点表示某一[K＋]o值时实际测得的静息电位数值。（3）

钠钾泵的活动维持了安静时细胞膜内外的离子浓度差。

由于钠钾泵以3Na∶2K的交换率从胞内运出正电荷，钠钾泵对静息电位的形成起直接作用，还由于维持胞内高浓度的钾离子对静息电位的形成起间接作用。

影响静息电位水平的因素有以下三点：①膜外K＋浓度与膜内K＋浓度的差值决定EK，因而细胞外K＋浓度的改变会显著影响静息电位，例如细胞外K＋浓度升高会使EK的