1、 离子通道与受体离子通道与受体 主讲：张玉芹主讲：张玉芹 离子通道离子通道 电压门控性通道电压门控性通道 离子通道离子通道 包括包括 化学门控性通道化学门控性通道 机械门控性通道机械门控性通道 在活细胞中，离子通道可将不同刺激的能在活细胞中，离子通道可将不同刺激的能量转换成电信号，每个可兴奋细胞膜中都量转换成电信号，每个可兴奋细胞膜中都有很多离子通道。有很多离子通道。一、为什么离子不能通过脂质双分子层而必一、为什么离子不能通过脂质双分子层而必须通过离子通道？须通过离子通道？ 水分子是双极性分子，氧原子吸引电子带水分子是双极性分子，氧原子吸引电子带负电荷，氢原子趋向失去电子带正电荷。负电荷，氢原
2、子趋向失去电子带正电荷。 水溶液是一种极性环境，阳离子水溶液是一种极性环境，阳离子吸引在氧原子上，阴离子吸引在吸引在氧原子上，阴离子吸引在氢原子上。离子与水相互吸引，氢原子上。离子与水相互吸引，离子被带静电的水包绕着，被水离子被带静电的水包绕着，被水包绕着的离子与细胞膜中的疏水包绕着的离子与细胞膜中的疏水区是不相溶的补可能从膜中自由区是不相溶的补可能从膜中自由通过。通过。 二、离子通道的现代研究方法：二、离子通道的现代研究方法： 结构和功能的研究结构和功能的研究 （一）功能研究：（一）功能研究： 膜片钳膜片钳patch clamp技术应用技术应用 膜片钳技术膜片钳技术是研究单通道功能的重要方是
3、研究单通道功能的重要方法。法。20世纪世纪70年代年代（1976年）德国的年）德国的科学家科学家 Bert Sakmann 在电压钳技在电压钳技术的基础上，发明了膜片钳技术，术的基础上，发明了膜片钳技术，80年年代代得到进一步改进和完善。得到进一步改进和完善。 1、膜片钳技术要点：膜片钳技术要点： 对被测细胞进行预处理对被测细胞进行预处理（酶消化）保持膜清（酶消化）保持膜清洁。洁。用直径用直径0.53微米尖端抛光的玻璃微电极与微米尖端抛光的玻璃微电极与被测细胞接触。被测细胞接触。封接封接 使微电极与一小片细胞膜接触通过电极使微电极与一小片细胞膜接触通过电极内负压吸引而封接封接电阻可达几亿兆欧，
4、与内负压吸引而封接封接电阻可达几亿兆欧，与细胞的其它部分在电学上完全隔离开来，用微细胞的其它部分在电学上完全隔离开来，用微电极记录到的膜电流只与这一小片膜通道分子电极记录到的膜电流只与这一小片膜通道分子功能有关。功能有关。人为钳制膜电位人为钳制膜电位可定量分析通道性质和功能。可定量分析通道性质和功能。 举例：举例：2、膜片钳构型、膜片钳构型(configuration) 膜片钳是一种能测定单离子通道（膜片钳是一种能测定单离子通道（single ion channels）电生理新研究技术电生理新研究技术（1）细胞贴附式）细胞贴附式(cell attached mode)： 这种构型适用于在完整的
5、细胞膜上这种构型适用于在完整的细胞膜上(全细全细胞胞)测定单通道电流，用于研究某些特殊测定单通道电流，用于研究某些特殊物质，如神经递质物质，如神经递质(加入到细胞浸溶液中加入到细胞浸溶液中)，引起通道的改变引起通道的改变(调制或调节作用调制或调节作用)。 （2）全细胞膜片钳或称穿孔膜片钳全细胞膜片钳或称穿孔膜片钳(perforated patch whole cell mode)： 这种构型是将玻璃微电极下的膜吸穿这种构型是将玻璃微电极下的膜吸穿(负压负压)，通过电极记录的电流是整，通过电极记录的电流是整个细胞每个通道电流的总和。因此，个细胞每个通道电流的总和。因此，全细胞膜片钳测定的电流为大
6、电流全细胞膜片钳测定的电流为大电流(macroscopic current)(全细胞电全细胞电流流)。 （3）膜外向外膜片钳膜外向外膜片钳(outside-out patch clamp)： 这是微电极下膜片与细胞脱离，但膜片这是微电极下膜片与细胞脱离，但膜片与微电极尖顶仍保持高电阻封接的，研与微电极尖顶仍保持高电阻封接的，研究单通道电流的两种膜片钳中的一种。究单通道电流的两种膜片钳中的一种。这种膜片钳适用于研究配体，如神经递这种膜片钳适用于研究配体，如神经递质、激素或通过膜外作用的药物对通道质、激素或通过膜外作用的药物对通道产生影响。配体必须加入浸浴液中，其产生影响。配体必须加入浸浴液中，其
7、原因是浸浴液比微电极中的溶液更易于原因是浸浴液比微电极中的溶液更易于更换。这一种膜型适用于一些较为复杂更换。这一种膜型适用于一些较为复杂的实验研究，如剂量一效应关系等。的实验研究，如剂量一效应关系等。 （4）膜内向外膜片钳膜内向外膜片钳 (inside-out patch clamp)： 这是膜片与细胞脱离，研究单通道的第二种这是膜片与细胞脱离，研究单通道的第二种模式。通常用于特定细胞研究第二信使参与模式。通常用于特定细胞研究第二信使参与通道活性的调制作用，将所要研究的物质加通道活性的调制作用，将所要研究的物质加入浸浴液，直接作用于细胞浆膜的内侧面。入浸浴液，直接作用于细胞浆膜的内侧面。 （二
8、）结构研究分子生物学方法（二）结构研究分子生物学方法 生物膜上的离子通道是什么样子？怎样跨越生物膜上的离子通道是什么样子？怎样跨越膜？通道开或关结构发生了什么变化？药物膜？通道开或关结构发生了什么变化？药物和递质与通道什么部位结合和递质与通道什么部位结合?这是结构研究的这是结构研究的主要内容。主要内容。 离子通道是较大的糖蛋白分子（分子量离子通道是较大的糖蛋白分子（分子量2.525万）。所有通道都跨过整个膜的厚万）。所有通道都跨过整个膜的厚度。有四级结构。二级结构主要是指度。有四级结构。二级结构主要是指螺旋、螺旋、折叠和折叠和转角等。转角等。 (1) 结构的测定：结构的测定：通道的一级结构可用
9、通道的一级结构可用Edman降解法和重组降解法和重组DNA方法方法分析测定；利用计算机可从一级结构预期二级结构；分析测定；利用计算机可从一级结构预期二级结构；x线晶体衍射图象可确定三级结构。线晶体衍射图象可确定三级结构。（2）结构的检验）结构的检验:免疫组化法：免疫组化法：因为抗体可选择性结合于通道分子中相因为抗体可选择性结合于通道分子中相应的肽，从抗体结合发生的部位可确定通道的特异区应的肽，从抗体结合发生的部位可确定通道的特异区域在膜的内表面或外表面。域在膜的内表面或外表面。基因工程法：基因工程法：根据不同种族的同一通道基因产生想象根据不同种族的同一通道基因产生想象中的通道再与最初的通道进行
10、比较分析通道不同部分中的通道再与最初的通道进行比较分析通道不同部分的功能。的功能。（3）制造离体定点突变制造离体定点突变（site-directed mutagenesis)三、通道状态及开闭的控制因素三、通道状态及开闭的控制因素 （一）（一） 通道的状态：通道的状态： 备用、激活、失活备用、激活、失活 备用备用 激活激活 失活失活（二）控制通道开闭的因素有：（二）控制通道开闭的因素有： 1、门控机制、门控机制 （1）电压门控）电压门控通道结构中有一个特定的电荷通道结构中有一个特定的电荷区当跨膜电位改变时，电荷区受电场影响而区当跨膜电位改变时，电荷区受电场影响而移位，从而导致通道构象改变。引起
11、开闭。移位，从而导致通道构象改变。引起开闭。（2）化学（配基）门控）化学（配基）门控 特定的化学物质与通特定的化学物质与通道受体结合导致通道开闭。道受体结合导致通道开闭。（3）机械门控机械门控 当细胞收到牵拉时通道蛋白勾象改变。当细胞收到牵拉时通道蛋白勾象改变。2、失活机制、失活机制电压门控通道和化学门控通道都电压门控通道和化学门控通道都有不应期。有不应期。处于不应期则为失活状态。备用处于不应期则为失活状态。备用状态和失活状态通道的构象是不状态和失活状态通道的构象是不同的。同的。3、通道开闭的速度、通道开闭的速度 小于小于10 s四、离子通道的特性四、离子通道的特性1、无论是电压门控通道还是配
12、基门控通道、无论是电压门控通道还是配基门控通道 其其“开放开放”和和“关闭关闭”都是突然发生的。都是突然发生的。2、通道只有、通道只有“开开”和和“关关”两种状态很少有两种状态很少有 “半开半开”或部分或部分“开开”的情况。的情况。3、离子通过通道都是被动的，不消耗能量。、离子通过通道都是被动的，不消耗能量。4、通过通道的离子流有饱和性。、通过通道的离子流有饱和性。5、通道可被某些物质阻断。、通道可被某些物质阻断。6、离子通道有电荷选择性（特异性）。、离子通道有电荷选择性（特异性）。五、电压门控通道五、电压门控通道（1）Na+通道通道 由一个由一个亚单位和亚单位和2个个亚单位构成。亚单位构成。
13、亚单位是一个跨膜多肽，可与河豚毒结亚单位是一个跨膜多肽，可与河豚毒结合，从而阻断合，从而阻断Na+通道。通道。 2个个亚单位附亚单位附在在亚单位上。亚单位上。 Na+通道有通道有、型，型，在在CNS中多为中多为型。型。 Na+通道有备用、激活和失活三种状态。通道有备用、激活和失活三种状态。有髓纤维有髓纤维Na+通道主要密集在郎飞氏结处通道主要密集在郎飞氏结处（2）K通道通道 有电压依赖性有电压依赖性K通道通道如延迟外向整流如延迟外向整流K通道（与通道（与AP 复极有关）内向整流复极有关）内向整流K通道通道Ca2激活激活K通道、通道、受体耦联受体耦联K通道、通道、其它其它K通道（如通道（如ATP
14、敏感敏感K通道）通道）Na激活激活K通道通道细胞容积敏感细胞容积敏感K通道（细胞肿胀时开放）通道（细胞肿胀时开放） （3）Ca2通道通道电压依赖性电压依赖性Ca2通道通道有有L-型、型、T-型、型、N-型、型、P-型型。受体活化受体活化Ca2通道通道第二信使活化第二信使活化Ca2通道通道机械活化机械活化Ca2通道通道静息活化静息活化Ca2通道通道 (4)电压依赖性钙通道的分子生物学电压依赖性钙通道的分子生物学在各种钙通道中，对在各种钙通道中，对L-型通道的分子型通道的分子结构研究较深入。利用与双氢吡啶结构研究较深入。利用与双氢吡啶类化合物（类化合物（DHP）特异性结合的特特异性结合的特性，将通
15、道蛋白纯化、克隆，进行性，将通道蛋白纯化、克隆，进行分子结构分析，初步弄清了分子结构分析，初步弄清了L-型钙型钙通道的结构。通道的结构。 L-型钙通道是由型钙通道是由3种蛋白质亚单位（种蛋白质亚单位（、）构成的高分子糖蛋白复合体。清除双硫构成的高分子糖蛋白复合体。清除双硫键后，键后，亚单位可分为亚单位可分为1和和2。除了除了、亚单位外，还有亚单位外，还有亚单位附着于亚单位附着于2上。上。1亚单位含有亚单位含有1873个氨基酸，分子量为个氨基酸，分子量为170 KD；2有有1106个氨基酸，分子量为个氨基酸，分子量为150 KD。与与分别有分别有524和和222个氨基酸，分个氨基酸，分子量分别为
16、子量分别为55 KD和和32 KD，亚单位为非亚单位为非糖多肽，糖多肽，亚单位为亚单位为18.4 KD的糖多肽，氨的糖多肽，氨基酸数目不明。基酸数目不明。 受受 体体一、信息物质一、信息物质信息物质，信息分子信息物质，信息分子细胞间信息物质细胞间信息物质细胞内信息物质细胞内信息物质（一）细胞间信息物质（一）细胞间信息物质细胞间信息物质细胞间信息物质由细胞分泌的调节靶由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质。细胞生命活动的化学物质。 分类：分类： 按化学本质分按化学本质分蛋白质和肽类蛋白质和肽类氨基酸及其衍生物氨基酸及其衍生物类固醇激素类固醇激素脂酸衍生物脂酸衍生物 NO按作用方式分按作用方式分
17、1.局部化学介质局部化学介质 旁分泌信号旁分泌信号 生生长因子长因子 NO2.激素激素 内分泌信号内分泌信号 3.神经递质神经递质 突触分泌信号突触分泌信号 乙酰乙酰胆碱胆碱4.自分泌信号自分泌信号 癌蛋白癌蛋白（二）细胞内信息物质（二）细胞内信息物质细胞内信息物质细胞内信息物质在细胞内传递细胞调控在细胞内传递细胞调控信号的化学物质信号的化学物质无机离子无机离子 Ca2+脂类衍生物脂类衍生物 DAG Cer糖类衍生物糖类衍生物 IP3核苷酸核苷酸 cAMP cGMP信号蛋白分子信号蛋白分子多数为癌基因的产物多数为癌基因的产物 Ras通常将通常将Ca2+ 、DG、IP3、cAMP 、 cGMP等
18、这类在细胞内传递信息的小等这类在细胞内传递信息的小分子化合物称为分子化合物称为第二信使第二信使（secondary messenger）方式方式 酶促级联反应酶促级联反应所有的信息物质在完成信息传递后，所有的信息物质在完成信息传递后，必须立即必须立即灭活灭活二、受体二、受体受体受体(receptor)是细胞膜上或细胞内能是细胞膜上或细胞内能特异识别生物活性分子并与之结合，进特异识别生物活性分子并与之结合，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。是糖脂。配体配体(ligand)能与受体呈特异结合的生能与受体呈特异结合的生物活性分子物活性分子 细胞间信息物质即
19、是一类最常见的配体细胞间信息物质即是一类最常见的配体（一）受体的分类、一般结构（一）受体的分类、一般结构受体分类受体分类：根据部位分：根据部位分：膜受体膜受体 、胞内受体、胞内受体根据功能分：根据功能分：促离子型受体促离子型受体 促代谢型受体促代谢型受体根据配体分：根据配体分：胆碱能受体、肾上腺胆碱能受体、肾上腺素能受体素能受体 等等 1、膜受体、膜受体 水溶性物质与膜受体结合水溶性物质与膜受体结合 （1）环状受体）环状受体 即配体门控离子通道即配体门控离子通道 神经递质神经递质 （2）七个跨膜）七个跨膜螺旋受体螺旋受体 蛇型受体蛇型受体 其胞浆面第三个环能与其胞浆面第三个环能与鸟苷酸结合鸟苷
20、酸结合蛋白蛋白相偶联相偶联 鸟苷酸结合蛋白（简称鸟苷酸结合蛋白（简称G蛋白）是蛋白）是一类和一类和GDP或或GTP结合、位于细胞膜胞浆面的结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白外周蛋白由三个亚基组成由三个亚基组成、两种构象两种构象 活化型活化型(GDP)、非活化型非活化型(GTP)效应酶效应酶 腺苷酸环化酶（腺苷酸环化酶（AC）磷脂酶磷脂酶C（PLC） G蛋白的种类蛋白的种类 ： 激动型激动型G蛋白蛋白(Gs)耦联耦联 肾上腺素受体肾上腺素受体 胰高血糖素受体胰高血糖素受体抑制型抑制型G蛋白蛋白(Gi)耦联腺苷受体、阿片受体耦联腺苷受体、阿片受体 胰岛素，催产胰岛素，催产素，血管紧张素受体素，血管紧
21、张素受体磷脂酶磷脂酶C型型G蛋白蛋白(PI-PLC)(3)单个跨膜单个跨膜螺旋受体螺旋受体 糖蛋白糖蛋白/且只有一个跨膜螺旋结构且只有一个跨膜螺旋结构酪氨酸蛋白激酶受体型酪氨酸蛋白激酶受体型 催化型受体催化型受体 胰岛素受体胰岛素受体 表皮生长因子受体表皮生长因子受体非酪氨酸蛋白激酶受体型非酪氨酸蛋白激酶受体型 生长激素受体生长激素受体 干扰素受体干扰素受体基本结构基本结构胞外区胞外区 配体结合区配体结合区跨膜区跨膜区 疏水区疏水区细胞内细胞内 近膜区和功能区近膜区和功能区（二）胞内受体（二）胞内受体 胞内受体多为胞内受体多为反式作用因子反式作用因子 类固醇激素、甲状腺素、维甲酸类固醇激素、甲
22、状腺素、维甲酸1. 结构：结构：高度可变区高度可变区 N端端 转录激活转录激活作用作用2. DNA结合区结合区 富含半胱氨酸富含半胱氨酸3. 激素结合区激素结合区 C端端 配体结合区配体结合区 激活转录激活转录 (三三)受体作用的特点受体作用的特点1. 结构结构高度专一性高度专一性2. 高度亲和力高度亲和力3. 可饱和性可饱和性4. 可逆性可逆性5. 特定的作用模式特定的作用模式6. 具有放大效应具有放大效应7. 生物体存在内源性配体生物体存在内源性配体三、受体活性的调节三、受体活性的调节 受体数目受体数目/受体对配体亲和力受体对配体亲和力受体上调受体上调:受体上调指由于受体数量增多或受体对配
23、体亲受体上调指由于受体数量增多或受体对配体亲和力增加从而使靶细胞对配体的刺激反应过和力增加从而使靶细胞对配体的刺激反应过度。度。长期使用拮抗剂，出现受体数目增长期使用拮抗剂，出现受体数目增加加受体下调受体下调:受体下调指由于数量减少或受体对配体亲和力受体下调指由于数量减少或受体对配体亲和力降低从而使靶细胞对配体刺激的反应减弱或降低从而使靶细胞对配体刺激的反应减弱或消失。消失。长期使用激动剂，可使受体数目长期使用激动剂，可使受体数目减少。减少。 常见机制常见机制1. 磷酸化和脱磷酸化磷酸化和脱磷酸化2. 膜磷脂代谢的调节膜磷脂代谢的调节3. 酶促水解作用酶促水解作用 4. G蛋白的调节蛋白的调节
24、 四、受体介绍四、受体介绍（一）乙酰胆碱受体（见神经递质）（一）乙酰胆碱受体（见神经递质）分型：分型：M N分布：分布：激动剂与拮抗剂：激动剂与拮抗剂：（二）肾上腺素能受体（二）肾上腺素能受体（三）嘌呤受体（三）嘌呤受体1 1、分型：、分型：嘌呤受体可以分为嘌呤受体可以分为P1（腺苷）腺苷）受体和受体和P2（ATP）受体两种类型受体两种类型 。 P2又可以分为离子型的又可以分为离子型的P2X和代谢型的和代谢型的P2Y两种两种 。2、受体性质：、受体性质：P2X受体属于配体门控离受体属于配体门控离子通道型受体，子通道型受体，介导非选择性阳离子电导介导非选择性阳离子电导的增加，激活后可以产生内向电
25、流。的增加，激活后可以产生内向电流。 P2Y受受体则属于体则属于G蛋白偶联型受体。蛋白偶联型受体。 3、P2受体亚型：受体亚型： P2XP2X受体受体19941994年年ValeraValera和和BrakeBrake首次克首次克隆了隆了P2X1P2X1、2 2亚单位，随后又相继克亚单位，随后又相继克隆了隆了P2X3P2X3、4 4、5 5、6 6、7 7亚单位亚单位（共（共7 7个）。个）。 P2Y受体受体目前目前已经克隆出已经克隆出P2Y1、 P2Y2、 P2Y4、 P2Y6、 P2Y11、 P2Y12 6个具有功能的亚单位。个具有功能的亚单位。 P2Y4、 P2Y6对对UTP、UDP敏感
26、，对敏感，对ATP不敏感。不敏感。 4、P2受体受体分布：分布： P2X和和P2Y受体在内脏、中枢及外周神受体在内脏、中枢及外周神经系统都有广泛的组织分布。经系统都有广泛的组织分布。 5、 P2受体结构、调制及作用机制受体结构、调制及作用机制 P2X受体结构：受体结构： P2X P2X受体具有两个跨膜结构域受体具有两个跨膜结构域TM1TM1和和TM2TM2，TM1TM1和和TM2TM2之间是一个大的胞外环，其上之间是一个大的胞外环，其上有有ATPATP结合位点以及拮抗剂结合位点，结合位点以及拮抗剂结合位点，C C末端和末端和N N末端位于胞内。末端位于胞内。 P2X受体调制：受体调制： P2X
27、 P2X受体的调制主要有受体的调制主要有两种类型两种类型，即变，即变构调节和磷酸化调节。构调节和磷酸化调节。变构调节变构调节位点位于胞外环，主要是一些金位点位于胞外环，主要是一些金属离子的调制，如属离子的调制，如ZnZn2+2+对对P2xP2x嘌呤受体具嘌呤受体具有变构性调制作用。有变构性调制作用。磷酸化调节磷酸化调节位点位于胞内，主要是各种蛋位点位于胞内，主要是各种蛋白激酶磷酸化其丝氨酸、苏氨酸和酪氨白激酶磷酸化其丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基。酸残基。SPSP88和和BKBK99对对ATP-ATP-激活电流均激活电流均具有明显的增强作用。具有明显的增强作用。 P2Y受体分子结构及特性：受体分子
28、结构及特性：P2Y受体由受体由308377个氨基酸组成的蛋个氨基酸组成的蛋白质。白质。与其它与其它G蛋白耦联受体一样具有蛋白耦联受体一样具有7个跨膜个跨膜结构域。有较长的胞外结构域。有较长的胞外N末端，和胞内末端，和胞内C末端。末端。 P2Y受体受体 胞内转导机制：胞内转导机制： 大多数大多数P2Y受体经受体经G蛋白耦联，激活蛋白耦联，激活PLC，导致导致IP3形成和胞内形成和胞内Ca2+动员。少数动员。少数P2Y受体经受体经G蛋白耦联，激活蛋白耦联，激活AC。（四）氨基酸递质的受体：（四）氨基酸递质的受体：中枢神经递质大部分是氨基酸。中枢神经递质大部分是氨基酸。兴奋性递质：兴奋性递质：谷氨酸
29、、门冬氨酸、谷氨酸、门冬氨酸、抑制性递质：抑制性递质： 氨基丁酸和甘氨酸氨基丁酸和甘氨酸 1、兴奋性氨基酸受体：、兴奋性氨基酸受体： 用用4种兴奋性毒素即海人藻酸（种兴奋性毒素即海人藻酸（KA）使君子使君子酸（酸（QA）、）、N甲基甲基D门冬氨酸门冬氨酸（NMDA）、）、 氨基羟基氨基羟基5甲基甲基4异恶唑丙酸（异恶唑丙酸（AMPA）和谷氨酸类似物和谷氨酸类似物ACPD、LAP4区分受体。分为：区分受体。分为：NMDA受受体、体、 AMPA受体、受体、 KA受体、促代谢型受体、促代谢型ACDP受体、受体、LAP4受体受体。 NMDA、 AMPA、 KA为离子型受体，为离子型受体， ACDP、L
30、AP4常合称为非常合称为非NMDA受体。受体。 2、GABA受体受体分分GABA A GABAB GABAC 3种亚型。种亚型。GABA A受体是配体门控离子通道。受体是配体门控离子通道。结构类似乙酰胆碱，由结构类似乙酰胆碱，由5个亚单位组个亚单位组成，分子量为成，分子量为275KD。本质是糖蛋本质是糖蛋白。是氯离子通道受体，主要介导白。是氯离子通道受体，主要介导突触后抑制。突触后抑制。 复习题复习题 1、名词解释、名词解释：第二信使，受体，配体，第二信使，受体，配体，G蛋白蛋白2、关于G蛋白的叙述，错误的是G蛋白能结合GDP或GTP G蛋白由、三个亚基组成 G蛋白的三个亚基结合在一起才有活性 激素-受体复合物能激活G蛋白3、能与蛋白激酶C结合的是DAG cAMPCa+ IP34.位于核内的受体有 A.醛固酮受体 B.肾上腺素能受体 C. M受体 D. G蛋白耦联受体
