1、离子通道的分子药理学离子通道的分子药理学四川大学基础医学与法医学院四川大学基础医学与法医学院药理室药理室第一节 离子通道研究简史?1902年，Bernstein提出了细胞生物电产生的膜学说。?即细胞膜在静息状态下只对钾有通透性，由于钾离子扩散到膜外，细胞膜两侧出现了内负外正的极化状态，表现为静息电位（resting potential）。?动作电位（action potential）则是膜对其他离子通透性一过性的升高，导致膜两侧电位差瞬间消失。?1936年，Young 描述了枪乌贼支配其外套膜肌的巨轴突直径可达1mm。?1939年，Hodgkin（霍基肯）和Huxley（哈克斯里）应用这一发现
2、于细胞内膜电位的记录，并证实动作电位期间膜对钠通透性瞬间增大远远超过了对钾的通透性，出现了膜电位的倒转（超射）。?1949年，Cole 及Marmont设计了电压钳（voltage clamp）技术，由此开始了膜对离子通透性的直接测定。?该技术经Hodgkin、Huxley和katz 等加以改进，提出了描述电压门控通道门控动力学过程的Hodgkin-Huxley模型，简称H-H 模型。?1955年，Hodgkin和Keens 利用章鱼巨轴突神经元进行的动作电位经典实验，证明细胞通过不同的选择性离子通道来传递电信号。?由此，他们提出了“通道”（channel）的概念。并认为该类通道就是存在于细胞
3、膜上的某些大分子蛋白质。?1963年，Hodgkin、Huxley由于上述突出研究贡献而获得诺贝尔奖。?1970年代末，奈尔(Neher)和萨克曼(Sakmann)发明了单通道记录技术，用于探测离子通道通透性的细节研究，80 年代推出了可记录单个通道和较小细胞电活动的膜片钳（Patch clamp）技术。?1991年，膜片钳技术的创始人Neher 和Sakmann因此获得该年度诺贝尔奖。?与此同时，钠、钾、钙等电压依赖性通道主要亚单位的一级构造被纯化、克隆和进行功能测定，为离子通道的离子电流活动揭示了结构基础。?1998年，麦金农的研究小组第一次成功结晶了青链霉菌的一种钾离子通道，并用X射线晶
4、体成像技术获得通道门闭合状态的高分辨结构。?2003年，为表彰他们在阐明细胞通过细胞膜通道蛋白质转运水分子以及盐份离子的研究中作出的重大贡献，皮特阿格雷和罗德里克麦金农分享了该年度诺贝尔化学奖。?近20 年来的膜片钳技术、蛋白质化学和生物学技术已给离子通道的研究带来了巨大的革命性变化。第二节 离子通道的分类及特点?一、离子通道的分类、共性和特点?离子通道（Ion channel）是细胞膜中的跨 膜蛋白质分子，具有选择性的允许适当电荷离子被动通过的亲水性微孔道。?离子通道一般具有相应闸门，且多处于关 闭状态。?离子通道按启闭闸门动因的不同主要分?为两类：?（1）电压门控离子通道（voltage-
5、gatedionchannel）?门控（gating）：离子通道的开启和关闭过程称为门控。?该类通道因膜电位变化而开启或关闭，按最容易通过的离子命名；?（2）化学门控离子通道（chemically-?gated ionchannel），由递质与通道上蛋白质分子上的结合位点相结合而开启，按递质或受体命名。?目前，公认的离子通道有钾离子通道、钠离子通道、钙离子通道、氯离子通道等。?同种离子通道又存在不同亚型。如钾离子通道包括ATP 敏感性钾离子通道、延迟外向型钾离子通道、暂时外向型钾离子通道；?而钙离子通道又分为电压依赖性钙离子通道和受体操纵性钙离子通道等。?他们均具共同特性：选择性，传导性，闸门
6、作用，化学和电压敏感性。?选择性选择性：对某种离子通透有高度选择性。如钠离子通道选择性的允许Na+通过，而钙离子通道选择性通透Ca2+。?传导性传导性：通道开放状态下通过该通道的?离子数目为传导；通过离子通道的离子?数与不能通过通道的离子数所携带电荷?的比例为传导性（gs）。?Is=gs(E-Es)gs=Is/(E-Es)?Is：S离子移动穿过其选择性通道时所产生的电流。?gs：离子S的传导性。?E：离子跨膜转运时的电位。?Es：离子的电化学平衡电位?闸门作用闸门作用：离子通道的闸门位于细胞膜内侧，他决定该通道允许离子通过该通道的能力。?闸门可为激活状态（激活闸门），也可为失活状态（失活闸门）
7、。前者指受到刺激后通道的开放；后者指受到刺激后通道关闭。?化学和电压敏感性化学和电压敏感性：开放和关闭状态的离子通道对化学递质或电压敏感性有不同，因而按照启闭闸门动因的不同分为前述两类。?二、离子通道的分子结构及特点?（一）钠离子通道（sodium channel）?选择性允许Na+跨膜通过。主要功能是维持细胞膜的兴奋性及传导。?1.特征：?（1）电压依赖性，即在去极化达一定水平开始被激活，通道开放产生内向钠电流（INa）,当达最大效应后，逐渐失活直至完全失活而关闭；?（2）对Na+高度选择性，只允许Na+通过；?（3）激活和失活速度快，前者1ms，后者10ms内完成；?（4）有特异性激活剂和
8、阻滞剂，树蛙毒素（batrachotoxin，BTX）和木藜芦毒素(grayanotoxin，GTX)为其激活剂，河豚毒素（tetrodotoxin，TTX）和哈蚌毒素（saxitoxin，STX）为其阻滞剂。?2.钠离子通道的分类与功能?根据对TTX 的敏感性不同分为3 类：?第一类：?神经类钠离子通道（对TTX 敏感性高）；?又根据其半数最大激活电压（V50）和失活电压（Vh）不同分为：?脑型、脊髓被根和三叉神经节细胞型、神经内分泌和外周神经型、神经细胞和神经胶质细胞型等。?第二类：?骨骼肌类钠离子通道（对TTX 和GTX 敏感性均?高）；其V50为-20mV；Vh为-50mV。?第三类：
9、?心肌类钠离子通道（对TTX 和GTX 敏感）；?V50为-20mV；Vh为-70mV。?他们又根据电压依赖性和对 TTX 的敏感性不同分为：?持久（慢）钠通道?瞬时（快）钠通道。心肌类钠通道类型和特征通道慢钠通道快钠通道激活电压低高失活速度慢快功能维持心肌AP 2期平台引起0 相去极化敏感药物对TTX，利，奎高度敏感对高浓度TTX，利，奎敏感?（二）钙离子通道（calcium channel）?钙离子被称作生物信使。?其通道在正常情况下使钙内流。钙离子通道广泛存在于各种组织细胞，是调节各组织细胞内钙浓度的主要途径。通道类型通道名称分布功能状态电压依赖型(Voltage-dependent c
10、alcium channels,VDC)L型钙离子通道可兴奋细胞、心肌、骨骼肌及中枢激活电压-30 40mV,开放时间较长，单通道电导大。T型钙离子通道广泛分布于可兴奋细胞和非兴奋细胞膜电位20mV钙降低分布骨骼肌等各组织骨骼肌，平滑肌神经细胞，内皮细胞血管、气管、食道、腺体、骨骼肌、心肌等神经系统突触功能复极、稳定膜电位复极、稳定膜电位复极、稳定膜电位复极、稳定膜电位抑制神经兴奋性激活剂钙、钙调素激酶、苯二氮卓类、巴比妥类?（四）钾离子通道?特征：?广泛存在于各组织器官；类型最多；作用最复杂；是调节平滑肌舒缩活性的主要离子通道。?钾离子通道分为电压门控类、钙敏感类、受体耦联类、内向整流类和其
11、他类。?电压门控类钾通道影响细胞膜的动作电位，内向整流型钾通道影响细胞膜的静息电位。?1.电压门控类钾离子通道?（1）A 型钾离子通道（A-channels,KA,IK(A)）?又称为瞬时外向钾通道（transient outKchannels,Ito,Kto）。?是一种产生外向电流的电压依赖型钾离子通道。?在心肌细胞，KA主要与AP 的快速复极初期（1 相期）有关，同时影响 2 相平台期和3 相期,在去极化较明显时才被激活，且无整流性，故对动作电位的形态和时程有较大影响。?该通道激活迅速，失活快，但活性恢复较慢。?（2）电 压 依 赖 型 钾 离 子 通 道 voltagedependent
12、Kchannels,Kv,IK(v)）?又称为延迟整流钾通道(delayed rectifier K channels,KDR,Ik)。?在去极化时被激活而产生外向电流，然后缓慢失活。与膜的复极化有关。故其电流称为复极电流。?在心肌细胞，主要影响AP 的3 相期，因而与APD 有关。?在血管平滑肌，其主要功能是限制膜的进一步去极化。?（3）平台钾离子通道(KP,IKP)?又称为背景外向钾离子通道。在心肌主要维持AP 的平台高度和持续时间。无整流特性和失活过程。?在膜去极化时迅速被激活，而在复极时快速激活（deactivation）。?可被Ba2+阻滞，对四氢吡啶类和黄酰脲类药物不敏感。?2.钙
13、敏感类钾离子通道(Kca,IK(Ca)?去极化和提高Ca2+I浓度均可激活该通道而使之开放，K+因而外流使膜复极化或超极化。在血管平滑肌，该通道调节其肌原性张力。?3.受体耦联类钾离子通道?为一类离子型受体（ionotropicreceptor）或离子通道受体（ionchannels receptors）,即受体分子中含有容许离子通过的微孔道。受体被激活时，其构象变化而通道开放。?（1）M 受体钾离子通道?分布于CNS，具有时间和电压依赖性。?M 型Ach 受体激活时关闭，故又称为M 型通道。在-60mV时被激活，因此神经元静息状态时该通道开放，产生外向钾电流以维持静息电位，从而降低神经元的兴
14、奋性和限制重复放电频率。可被Ca2+、Ba2+、linopirdine(利诺吡啶)阻滞。?（2）心房毒覃碱激活钾离子通道?又称Ach 调节钾离子通道。?存在于窦房结、房室结、心房肌细胞。?其活性需要有Cao和MgI的参与，其具有内向整流特性。?主要由Ach 和GTP 激活，亦可被超极化激活。?该通道激活后增加舒张电位而致负性频率作用。Ach 浓度增加使该通道开放频率增加而非延长开放时间。?另外，血小板活化因子（PAF）和白三烯C4等调控其激活过程。?4.内向整流类钾离子通道?（1）内向 整 流型 钾 离子 通 道（inwardrectifierKchannels,KIR,Ik.IR）?内向整流
15、指引起内向电流大于外向电流。?心房肌、心室肌、普肯野细胞均有KIR,但心室肌最为丰富。该通道的激活不仅依赖于电压，还与KO浓度有关。K+O浓度升高时，内向和外向电流均增加。该类通道在心肌细胞称为Ik1，其电压-电流（V-I）曲线为“N”型，超极化部分为明显的内向电流，去极化部分为细小的外向电流。?内向整流的原因是由于外向离子流被细胞内正常生理浓度的Mg2+抑制所致。?心肌细胞的KIR通道也参与AP 的3 相复极，但主要维持4 相期静息电位，防止由于Na+-K+泵的作用使膜超极化大于钾平衡电位（Ek）。?在血管平滑肌，KIR主要调节细胞外高钾的作用，当K+O浓度升高时，KIR通道开放引起超极化和
16、血管扩张。?（2）ATP 敏感的钾通道?为代谢性调节 K+外流的通道。分布于骨骼肌、心脏、血管平滑肌、胰腺细胞、神经、内分泌细胞及肾上腺皮质细胞。?其特征：?高度选择性；?受细胞内 ATP/ADP比率、Mg2+和G蛋白调控；正常生理状态下由于ATP 作用而使该通道处于失活状态，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。?Mg2+存在时，ADP 起激活通道作用。反之，则可抑制。?外源性GTP 激活心肌细胞上的G蛋白而拮抗ATP 对通道的抑制作用。Ach、腺苷，降钙素基因肽（CGRP）等通过G蛋白而促进通道开放。?有特异的开放剂和阻滞剂。其开放剂有克罗卡林（cromakalim
17、），二氮嗪（diazoxide）、阿普卡林（aprikalim）、吡那地尔（pinacidil）等。阻滞剂有格列本脲、甲苯磺丁脲等。?（3）钠激活钾通道?亦为一种内向整流性钾离子通道。?首先在心肌细胞内发现，细胞内钠浓度升高达到负荷，膜电位大于+20mV时被激活其电导较大。?洋地黄中毒时，由于Na+-K+泵被抑制，Na+I浓度增加而激活该通道。?特异性阻滞剂R56865可取消洋地黄中毒时缩短APD 和诱发的迟后除极作用。第三节 离子通道的生理功能?一、提高细胞内钙离子浓度而触发生理效应?静息状态下，Ca2+i浓度大约为0.1 mL-1，当Ca2+通道被激活而开放时，大量 Ca2内流可使Ca2+
18、i提高到1.0mL-1,从而触发一系列生理活动：?1.肌肉收缩?2.细胞兴奋?3.Ca2+依赖性离子通道的开放或关闭?4.腺体分泌?5.蛋白激酶的激活和基因表达的调节?二、决定细胞的兴奋性、不应期和传导性?三、调解血管平滑肌的舒缩活动?四、参与突触传递?五、维持细胞的正常体积?六、调节内分泌功能以及保护心肌受缺血性损害?第四节 离子通道调节和作用药物?一、受体对离子通道的调节?1.肾上腺素受体对L型Ca2 通道的调控?肾上腺素受体激动剂通过激活 受体和其偶联的G蛋白（Gs）-AC-cAMP-PKA途径，使钙通道蛋白磷酸化而开放 Ca2 通道，产生正性肌力和正性频率；在血管平滑肌，则通过Gs蛋白
19、偶联，抑制L型钙通道活性而舒张血管。?2.肾上腺素受体?其激动剂兴奋1受体，通过与其偶联的?糖蛋白（Gp）激活PLC 而促进DAG 和IP3合成，DAG 通过PKC 而抑制KATP通道，IP3引起储Ca2+释放而增加Ca2+i浓度，从而激活非选择性阳离子通道和Ca2+激活氯通道，两者均使膜去极化而开放L型钙通道，Ca2+内流引起平滑肌收缩。?3M胆碱受体?M 受体与Gk 和Gi两种蛋白偶联，Gk 激活KACh通道，Gi抑制AC 活性，减少 cAMP 合成，降低PKA 活性，关闭 L型钙通道，开放 KDR通道，两种钾通道开放均产生复极化电位，从而抑制心肌电活动。?4其他受体?1）组胺受体?组胺激
20、动H2受体而激活AC，导致L型钙通道开放；组胺激动 H1受体则提高磷酸肌醇的更新率，促进 IP3生成，故提高 Ca2 浓度。?2）胰高血糖素?作用于受体而激活 AC 使cAMP 增加，并抑制磷酸二酯酶而减少 cAMP 水解，从而促进L型钙通道开放。?3）内皮素1?使L型钙通道开放，产生平滑肌收缩，正性肌力作用。?4）降钙素基因相关肽?开放L型钙通道产生正性肌力作用，激活Kca 通道而使血管平滑肌舒张。?5）甲状旁腺激素?在血管平滑肌抑制L型钙通道，降低Ca2 内流引起血管扩张，在心肌，则通过激活 AC，促进L型钙通道开放，Ca2 内流而导致正性肌力作用。?6）5 羟色胺；ATP、血管活性肠肽（
21、VIP）、血管紧张素（angiotensin,AT）、加压素均可激活L型钙通道，人参皂甙Rf 则抑制神经元的N 型通道，粉防己碱抑制心肌细胞的L型钙通道。?二、G蛋白对离子通道的调节?在心血管系统，G蛋白家族调节两大系统，即GsGi调节受体 AC 系统和 Gp 调节受体PLC 系统。当Gs激活后，抑制钠通道，激活钙通道和钾通道，引起一系列生理效应。?三、第二信使对离子通道的调节?cAMP、cGMP、IP3、DAG、脂肪酸及其代谢产物。?cAMP 促进L型Ca2 通道开放；?cGMP 激活PKC 使通道磷酸化，也可激活磷酯酶A2使通道蛋白去磷酸化，或激活PDE 而降低cAMP 浓度，抑制PDE
22、而增加cAMP 浓度，使钙通道发生变化；?IP3抑制L型钙通道和激活Kca通道，DAG 促进L型钙通道，抑制KATP通道；?脂肪酸及其代谢产物激活 L型钙通道，抑制N 型钙通道。?四、钙离子对平滑肌离子通道的调节?Ca2+同属第二信使。?五、ABC 蛋白（ATP-bindingcassette proteins）?P-糖蛋白：?阴离子通道的调制因子；?囊性纤维跨膜电导调节体（CFTR）：?阴离子通道和阴离子通道调节体，以及上皮细胞分泌的协调器；?磺酰脲受体：?胰腺KATP通道的调节体，被阻断时胰岛素分泌；?六、作用于离子通道的药物?（一）钙通道阻滞剂和钙通道激活剂?钙通道阻滞剂按电压门控型通道
23、的亚型（L、T、N、P、R、Q）分为三类。?1.1 类，作用于L型钙通道的药物：?1a 类（二氢吡啶类）如硝苯地平、尼卡地平、尼群地平；?1b 类（地尔硫唑类）如地尔硫卓、克仑硫卓、二氯呋利；?1c 类（苯烷胺类）如维拉帕米、加洛帕米、噻帕米；?1d 类如粉防己碱。?2.2 类，选择性作用于其他电压门控钙通道：?作用于T型通道的苯妥因、右美沙芬、人参皂甙Rf、氟桂利嗪；?作用于N 型通道的芋螺霉素；?作用于P型通道的某些蜘蛛毒素如AgaIVA。?3.3 类，非选择性钙通道调节物：?普尼拉明、卞普地尔、卡罗维林、氟桂利嗪。?2 T-型钙通道阻滞剂?平滑肌细胞膜上的钙通道存在L-型与T-型两种亚型
24、。过去临床使用的钙拮抗剂均是阻滞L-型通道。由于以前缺乏特异性的T-型钙通道阻滞剂作为研究工具，目前,对T-型钙通道的生理功能尚不完全明了。?T-型钙通道存在于心脏起搏细胞，与心脏及血管的生长与重塑密切相关。在胚胎期，T-型钙通道有显著表达。而在成年，除了肥厚的心肌和血管壁外鲜见表达。?选择性T-通道阻滞剂米贝地尔(mibefradil)，对T通道的作用是对L通道作用的30 100倍。?与L型钙阻滞剂相比，T通道阻滞剂具有高度血管选择性，扩张冠脉而缓解心绞痛;无负性肌力作用;无反射性心动过速，并能减慢心率;副作用小。尤其适用于高血压合并冠心病和心衰患者。?由于米贝地尔能抑制蛋白激酶C(PKC)
25、，阻断细胞的增殖信号，因而能强烈抑制血管重塑及平滑肌细胞增殖;同时，它能阻断去甲肾上腺素及内皮素对血管的收缩作用，甚至对PKC激动剂所致已收缩的血管起舒张作用。?米贝地尔的出现，不仅为高血压的治疗提供了一种新的武器，而且必将对T-型钙通道的生理功能的研究起着重大的推动作用。?钙通道激活剂：?二氢吡啶类如BayK8644等。其作与硝苯地平等钙通道阻滞剂相反，起到缩血管、促进肾上腺皮质激素释放等作用。?此外，尚有Maitotoxin(MTX)、肾上腺素受体、组胺受体、降钙素基因相关肽(CGRP)受体、加压素受体等。?（二）作用于钠通道的药物?1）局部麻醉药：利多卡因、普鲁卡因、丁卡因、布比卡因等。
26、?2）抗癫痫药：苯妥因钠、卡马西平、苯巴比妥、丙戊酸。?3）抗心律失常药：奎尼丁、普鲁卡因胺、丙吡胺、利多卡因、苯妥因钠、美西律、普罗帕酮、氟卡尼。?（三）作用于钾通道的药物?1）钾通道开放药：苯并吡喃类如克罗卡林、雷罗卡林、吡马卡林、阿普卡林；氰胍类如吡那地尔；烟酰胺类如尼可地尔；嘧啶类如米诺地尔；苯并噻二嗪类如二氮嗪等。?2）钾通道阻滞药：抗心律失常药如溴苄胺、索他洛尔、胺碘酮。?3）磺酰脲类降糖药：甲苯磺丁脲、氯磺丙脲；格列苯脲、格列吡嗪；格列齐特。?4）4 氨基吡啶（4-AP）?5）中药有效成分：钩藤碱、小蘖碱、关附甲素。?应用离子通道进行药理学研究可客观、理想、科学、深入探讨药物作用机制。?因而离子通道研究为分子药理学的研究提供了无以伦比的优越性条件和高科技技术条件。他将有力促进分子药理学向更高水平发展。
