離子通道與受體

關于離子通道與受體第1頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三離子通道第2頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

電壓門控性通道離子通道

包括化學門控性通道機械門控性通道在活細胞中，離子通道可將不同刺激的能量轉(zhuǎn)換成電信號，每個可興奮細胞膜中都有很多離子通道。一、為什么離子不能通過脂質(zhì)雙分子層而必須通過離子通道？水分子是雙極性分子，氧原子吸引電子帶負電荷，氫原子趨向失去電子帶正電荷。第3頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

水溶液是一種極性環(huán)境，陽離子吸引在氧原子上，陰離子吸引在氫原子上。離子與水相互吸引，離子被帶靜電的水包繞著，被水包繞著的離子與細胞膜中的疏水區(qū)是不相溶的補可能從膜中自由通過。第4頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

二、離子通道的現(xiàn)代研究方法：－結(jié)構(gòu)和功能的研究

（一）功能研究：

－膜片鉗patchclamp技術(shù)應用

膜片鉗技術(shù)是研究單通道功能的重要方法。20世紀70年代（1976年）德國的科學家BertSakmann在電壓鉗技術(shù)的基礎上，發(fā)明了膜片鉗技術(shù)，80年代得到進一步改進和完善。第5頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三1、膜片鉗技術(shù)要點：

①對被測細胞進行預處理（酶消化）保持膜清潔。②用直徑0.5－3微米尖端拋光的玻璃微電極與被測細胞接觸。③封接使微電極與一小片細胞膜接觸通過電極內(nèi)負壓吸引而封接封接電阻可達幾億兆歐，與細胞的其它部分在電學上完全隔離開來，用微電極記錄到的膜電流只與這一小片膜通道分子功能有關。④人為鉗制膜電位可定量分析通道性質(zhì)和功能。舉例：第6頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三2、膜片鉗構(gòu)型(configuration)膜片鉗是一種能測定單離子通道（singleionchannels）電生理新研究技術(shù)（1）細胞貼附式(cellattachedmode)：

這種構(gòu)型適用于在完整的細胞膜上(全細胞)測定單通道電流，用于研究某些特殊物質(zhì)，如神經(jīng)遞質(zhì)(加入到細胞浸溶液中)，引起通道的改變(調(diào)制或調(diào)節(jié)作用)。

第7頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（2）全細胞膜片鉗或稱穿孔膜片鉗(perforatedpatchwholecellmode)：這種構(gòu)型是將玻璃微電極下的膜吸穿(負壓)，通過電極記錄的電流是整個細胞每個通道電流的總和。因此，全細胞膜片鉗測定的電流為大電流(macroscopiccurrent)(全細胞電流)。

第8頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（3）膜外向外膜片鉗(outside-outpatchclamp)：這是微電極下膜片與細胞脫離，但膜片與微電極尖頂仍保持高電阻封接的，研究單通道電流的兩種膜片鉗中的一種。這種膜片鉗適用于研究配體，如神經(jīng)遞質(zhì)、激素或通過膜外作用的藥物對通道產(chǎn)生影響。配體必須加入浸浴液中，其原因是浸浴液比微電極中的溶液更易于更換。這一種膜型適用于一些較為復雜的實驗研究，如劑量一效應關系等。

第9頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（4）膜內(nèi)向外膜片鉗

(inside-outpatchclamp)：這是膜片與細胞脫離，研究單通道的第二種模式。通常用于特定細胞研究第二信使參與通道活性的調(diào)制作用，將所要研究的物質(zhì)加入浸浴液，直接作用于細胞漿膜的內(nèi)側(cè)面。第10頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三第11頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

（二）結(jié)構(gòu)研究－分子生物學方法

生物膜上的離子通道是什么樣子？怎樣跨越膜？通道開或關結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么變化？藥物和遞質(zhì)與通道什么部位結(jié)合?這是結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容。

離子通道是較大的糖蛋白分子（分子量2.5－25萬）。所有通道都跨過整個膜的厚度。有四級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)主要是指α螺旋、β折疊和β轉(zhuǎn)角等。第12頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

(1)結(jié)構(gòu)的測定：通道的一級結(jié)構(gòu)可用Edman降解法和重組DNA方法分析測定；利用計算機可從一級結(jié)構(gòu)預期二級結(jié)構(gòu)；x線晶體衍射圖象可確定三級結(jié)構(gòu)。（2）結(jié)構(gòu)的檢驗:免疫組化法：因為抗體可選擇性結(jié)合于通道分子中相應的肽，從抗體結(jié)合發(fā)生的部位可確定通道的特異區(qū)域在膜的內(nèi)表面或外表面?；蚬こ谭ǎ焊鶕?jù)不同種族的同一通道基因產(chǎn)生想象中的通道再與最初的通道進行比較分析通道不同部分的功能。（3）制造離體定點突變（site-directedmutagenesis)第13頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三三、通道狀態(tài)及開閉的控制因素（一）通道的狀態(tài)：備用、激活、失活

備用激活失活第14頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（二）控制通道開閉的因素有：1、門控機制（1）電壓門控通道結(jié)構(gòu)中有一個特定的電荷區(qū)當跨膜電位改變時，電荷區(qū)受電場影響而移位，從而導致通道構(gòu)象改變。引起開閉。（2）化學（配基）門控特定的化學物質(zhì)與通道受體結(jié)合導致通道開閉。（3）機械門控當細胞收到牽拉時通道蛋白勾象改變。第15頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三2、失活機制電壓門控通道和化學門控通道都有不應期。處于不應期則為失活狀態(tài)。備用狀態(tài)和失活狀態(tài)通道的構(gòu)象是不同的。3、通道開閉的速度小于10μs第16頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三四、離子通道的特性1、無論是電壓門控通道還是配基門控通道其“開放”和“關閉”都是突然發(fā)生的。2、通道只有“開”和“關”兩種狀態(tài)很少有“半開”或部分“開”的情況。3、離子通過通道都是被動的，不消耗能量。4、通過通道的離子流有飽和性。5、通道可被某些物質(zhì)阻斷。6、離子通道有電荷選擇性（特異性）。第17頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三五、電壓門控通道（1）Na+通道

由一個α亞單位和2個β亞單位構(gòu)成。α亞單位是一個跨膜多肽，可與河豚毒結(jié)合，從而阻斷Na+通道。2個β亞單位附在α亞單位上。Na+通道有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，在CNS中多為Ⅰ型。Na+通道有備用、激活和失活三種狀態(tài)。有髓纖維Na+通道主要密集在郎飛氏結(jié)處第18頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（2）K＋通道有電壓依賴性K＋通道如延遲外向整流K＋通道（與AP復極有關）內(nèi)向整流K＋通道Ca2＋激活K＋通道、受體耦聯(lián)K＋通道、其它K＋通道（如ATP敏感K＋通道）Na＋激活K＋通道細胞容積敏感K＋通道（細胞腫脹時開放）

第19頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（3）Ca2＋通道電壓依賴性Ca2＋通道有L-型、T-型、N-型、P-型。受體活化Ca2＋通道第二信使活化Ca2＋通道機械活化Ca2＋通道靜息活化Ca2＋通道

第20頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三(4)電壓依賴性鈣通道的分子生物學在各種鈣通道中，對L-型通道的分子結(jié)構(gòu)研究較深入。利用與雙氫吡啶類化合物（DHP）特異性結(jié)合的特性，將通道蛋白純化、克隆，進行分子結(jié)構(gòu)分析，初步弄清了L-型鈣通道的結(jié)構(gòu)。

第21頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

L-型鈣通道是由3種蛋白質(zhì)亞單位（α、β、γ）構(gòu)成的高分子糖蛋白復合體。清除雙硫鍵后，α亞單位可分為α1和α2。除了α、β、γ亞單位外，還有δ亞單位附著于α2上。α1亞單位含有1873個氨基酸，分子量為170KD；α2有1106個氨基酸，分子量為150KD。β與γ分別有524和222個氨基酸，分子量分別為55KD和32KD，β亞單位為非糖多肽，δ亞單位為18.4KD的糖多肽，氨基酸數(shù)目不明。第22頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

受體第23頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三一、信息物質(zhì)信息物質(zhì)，信息分子細胞間信息物質(zhì)細胞內(nèi)信息物質(zhì)（一）細胞間信息物質(zhì)細胞間信息物質(zhì)—由細胞分泌的調(diào)節(jié)靶細胞生命活動的化學物質(zhì)。第24頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三分類：按化學本質(zhì)分蛋白質(zhì)和肽類氨基酸及其衍生物類固醇激素脂酸衍生物NO第25頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三按作用方式分局部化學介質(zhì)旁分泌信號生長因子NO激素內(nèi)分泌信號神經(jīng)遞質(zhì)突觸分泌信號乙酰膽堿自分泌信號癌蛋白第26頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（二）細胞內(nèi)信息物質(zhì)細胞內(nèi)信息物質(zhì)—在細胞內(nèi)傳遞細胞調(diào)控信號的化學物質(zhì)無機離子Ca2+脂類衍生物DAGCer糖類衍生物IP3核苷酸cAMPcGMP信號蛋白分子—多數(shù)為癌基因的產(chǎn)物Ras第27頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三通常將Ca2+、DG、IP3、cAMP、cGMP等這類在細胞內(nèi)傳遞信息的小分子化合物稱為第二信使（secondarymessenger）方式酶促級聯(lián)反應所有的信息物質(zhì)在完成信息傳遞后，必須立即滅活第28頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三二、受體受體(receptor)—是細胞膜上或細胞內(nèi)能特異識別生物活性分子并與之結(jié)合，進而引起生物學效應的特殊蛋白質(zhì)，個別是糖脂。配體(ligand)—能與受體呈特異結(jié)合的生物活性分子細胞間信息物質(zhì)即是一類最常見的配體第29頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（一）受體的分類、一般結(jié)構(gòu)受體分類：根據(jù)部位分：膜受體、胞內(nèi)受體根據(jù)功能分：促離子型受體促代謝型受體根據(jù)配體分：膽堿能受體、腎上腺素能受體等第30頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三第31頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

1、膜受體水溶性物質(zhì)與膜受體結(jié)合（1）環(huán)狀受體即配體門控離子通道神經(jīng)遞質(zhì)（2）七個跨膜α螺旋受體蛇型受體其胞漿面第三個環(huán)能與鳥苷酸結(jié)合蛋白相偶聯(lián)

第32頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三第33頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三鳥苷酸結(jié)合蛋白（簡稱G蛋白）是一類和GDP或GTP結(jié)合、位于細胞膜胞漿面的外周蛋白由三個亞基組成α、β、γ兩種構(gòu)象

活化型(GDP)、非活化型(GTP)效應酶腺苷酸環(huán)化酶（AC）磷脂酶C（PLC）第34頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三第35頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

G蛋白的種類：激動型G蛋白(Gs)耦聯(lián)腎上腺素受體胰高血糖素受體抑制型G蛋白(Gi)耦聯(lián)腺苷受體、阿片受體胰島素，催產(chǎn)素，血管緊張素受體磷脂酶C型G蛋白(PI-PLC)第36頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三(3)單個跨膜α螺旋受體糖蛋白/且只有一個跨膜螺旋結(jié)構(gòu)酪氨酸蛋白激酶受體型

催化型受體胰島素受體表皮生長因子受體非酪氨酸蛋白激酶受體型

生長激素受體干擾素受體基本結(jié)構(gòu)胞外區(qū)配體結(jié)合區(qū)跨膜區(qū)疏水區(qū)細胞內(nèi)近膜區(qū)和功能區(qū)第37頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（二）胞內(nèi)受體胞內(nèi)受體多為反式作用因子類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸結(jié)構(gòu)：高度可變區(qū)N端轉(zhuǎn)錄激活作用DNA結(jié)合區(qū)富含半胱氨酸激素結(jié)合區(qū)C端配體結(jié)合區(qū)激活轉(zhuǎn)錄第38頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

(三)受體作用的特點結(jié)構(gòu)高度專一性高度親和力可飽和性可逆性特定的作用模式具有放大效應7.生物體存在內(nèi)源性配體第39頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三三、受體活性的調(diào)節(jié)受體數(shù)目/受體對配體親和力受體上調(diào):受體上調(diào)指由于受體數(shù)量增多或受體對配體親和力增加從而使靶細胞對配體的刺激反應過度。長期使用拮抗劑，出現(xiàn)受體數(shù)目增加受體下調(diào):受體下調(diào)指由于數(shù)量減少或受體對配體親和力降低從而使靶細胞對配體刺激的反應減弱或消失。長期使用激動劑，可使受體數(shù)目減少。

第40頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三常見機制磷酸化和脫磷酸化膜磷脂代謝的調(diào)節(jié)酶促水解作用G蛋白的調(diào)節(jié)第41頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三四、受體介紹（一）乙酰膽堿受體（見神經(jīng)遞質(zhì)）分型：MN分布：激動劑與拮抗劑：（二）腎上腺素能受體第42頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（三）嘌呤受體1、分型：嘌呤受體可以分為P1（腺苷）受體和P2（ATP）受體兩種類型。P2又可以分為離子型的P2X和代謝型的P2Y兩種。2、受體性質(zhì)：P2X受體屬于配體門控離子通道型受體，介導非選擇性陽離子電導的增加，激活后可以產(chǎn)生內(nèi)向電流。

P2Y受體則屬于G蛋白偶聯(lián)型受體。

第43頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

3、P2受體亞型：

P2X受體1994年Valera和Brake首次克隆了P2X1、2亞單位，隨后又相繼克隆了P2X3、4、5、6、7亞單位（共7個）。

P2Y受體目前已經(jīng)克隆出P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6、P2Y11、P2Y126個具有功能的亞單位。P2Y4、P2Y6對UTP、UDP敏感，對ATP不敏感。第44頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

4、P2受體分布：P2X和P2Y受體在內(nèi)臟、中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)都有廣泛的組織分布。

5、P2受體結(jié)構(gòu)、調(diào)制及作用機制P2X受體結(jié)構(gòu)：P2X受體具有兩個跨膜結(jié)構(gòu)域TM1和TM2，TM1和TM2之間是一個大的胞外環(huán)，其上有ATP結(jié)合位點以及拮抗劑結(jié)合位點，C末端和N末端位于胞內(nèi)。

第45頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三P2X受體調(diào)制：P2X受體的調(diào)制主要有兩種類型，即變構(gòu)調(diào)節(jié)和磷酸化調(diào)節(jié)。變構(gòu)調(diào)節(jié)位點位于胞外環(huán)，主要是一些金屬離子的調(diào)制，如Zn2+對P2x嘌呤受體具有變構(gòu)性調(diào)制作用。磷酸化調(diào)節(jié)位點位于胞內(nèi)，主要是各種蛋白激酶磷酸化其絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基。SP[8]和BK[9]對ATP-激活電流均具有明顯的增強作用。

第46頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三P2Y受體分子結(jié)構(gòu)及特性：P2Y受體由308－377個氨基酸組成的蛋白質(zhì)。與其它G蛋白耦聯(lián)受體一樣具有7個跨膜結(jié)構(gòu)域。有較長的胞外N末端，和胞內(nèi)C末端。第47頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

P2Y受體胞內(nèi)轉(zhuǎn)導機制：大多數(shù)P2Y受體經(jīng)G蛋白耦聯(lián)，激活PLC，導致IP3形成和胞內(nèi)Ca2+動員。少數(shù)P2Y受體經(jīng)G蛋白耦聯(lián)，激活AC。第48頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三（四）氨基酸遞質(zhì)的受體：中樞神經(jīng)遞質(zhì)大部分是氨基酸。興奮性遞質(zhì)：谷氨酸、門冬氨酸、抑制性遞質(zhì)：－氨基丁酸和甘氨酸第49頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三1、興奮性氨基酸受體：用4種興奮性毒素即海人藻酸（KA）使君子酸（QA）、N－甲基－D門冬氨酸（NMDA）、－氨基－羥基－5－甲基－4－異惡唑－丙酸（AMPA）和谷氨酸類似物ACPD、L－AP4區(qū)分受體。分為：NMDA受體、AMPA受體、KA受體、促代謝型ACDP受體、L－AP4受體。

NMDA、AMPA、KA為離子型受體，ACDP、L－AP4常合稱為非NMDA受體。第50頁，講稿共57頁，2023年5月2日，星期三

2、GABA受體分GABAAGABABGABAC