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基本特征

所有的細(xì)胞都是通過離子通道來控制穿越細(xì)胞膜的離子流的，這種通道是以一種內(nèi)在膜蛋白。更準(zhǔn)確的說，是由若干蛋白組裝而成的。這種多個蛋白質(zhì)亞基結(jié)構(gòu)通常由同一或者同源蛋白緊密結(jié)合并形成一個補(bǔ)水孔，并且穿透雙層脂膜 。這種成孔亞基單元被稱為α單元，而其它輔助亞基單元則被標(biāo)注為β、γ等。通常來說，這些通道最窄處的寬度大約為1到2個原子的直徑大小。一個通道通常僅負(fù)責(zé)一種離子，如鈉離子、鉀離子等。傳輸離子通過細(xì)胞膜的過程通常相當(dāng)快，如同跟隨一個自由流體流過一般。某些離子通道擁有一個可以開關(guān)的“門”，各種門所受控制的來源是不一樣的，例如包括電信號、化學(xué)信號、溫度或者機(jī)械力。

生物學(xué)角色

由于電壓激活的通道是神經(jīng)沖動的基礎(chǔ)，而傳輸激活的通道則負(fù)責(zé)觸突之間的信號傳導(dǎo)，因此通道在神經(jīng)系統(tǒng)里面扮演著極為重要的角色。事實(shí)上大多數(shù)生物的攻擊性或者防御性神經(jīng)毒素（例如蜘蛛、蝎子、毒蛇、魚、蜜蜂及海鰻等產(chǎn)生的毒液），都是通過調(diào)整通道的傳導(dǎo)性以及（或者）動力學(xué)特征，來達(dá)到關(guān)閉或者麻痹系統(tǒng)的目的的。此外，離子通道對于涉及細(xì)胞中快速變化的大量生物學(xué)過程也是一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。例如心肌、骨骼肌以及平滑肌的肌肉收縮過程，向上皮傳輸營養(yǎng)物質(zhì)和離子，T細(xì)胞的激活，以及胰臟beta細(xì)胞釋放胰島素的過程。在研究新型藥物的時候，離子通道是一個非常常見的研究目標(biāo) 。

分類

離子通道可以通過門控方式、可通過離子類型以及門（孔）數(shù)量的方式來進(jìn)行分類。

按門控分

離子通道可以通過因什么而導(dǎo)致門的開啟和關(guān)閉來進(jìn)行區(qū)分。電壓門控離子通道的激活與失活是依賴于跨膜電壓，而配體門控離子通道，則受控于和通道結(jié)合的配體。

電壓門控

電壓門控離子通道的開和關(guān)是受控于跨膜電壓的。

電壓門控鈉離子通道族：這族通道至少包括9種不同的通道，并且受周圍產(chǎn)生和擴(kuò)散的動作電位控制的。成孔α亞基單元非常大（最大至約4000個氨基酸），并且包含四個同源亞基機(jī)構(gòu)（I-IV），每一個亞基有6個跨膜區(qū)（S1-S6）組成，即總共有24個跨膜區(qū)。這族的成員還含有輔助β亞基單元，每一個β亞基單元橫跨細(xì)胞膜一次。這兩種亞基單元都是廣泛糖基化的。

電壓門控鈣離子通道族：這一族包含十種成員，這些成員會與α 2 δ、β、以及γ亞基單元組合。這種通道在肌肉興奮及觸突興奮上都扮演著重要角色。這種通道的α亞基單元，在總體結(jié)構(gòu)和鈉離子通道很相似，大小也差不多。

電壓門控鉀離子通道族（K V ）：這一族包含了近40種成員，并進(jìn)一步分為12個亞族。這些通道主要的作用是在動作電位之下對細(xì)胞膜產(chǎn)生反極化作用。其中的α亞基單元有六個跨膜區(qū)，和鈉離子通道是同源的。同樣的，它們也是4個亞基形成一個發(fā)揮通道作用的四聚體。

部分瞬態(tài)響應(yīng)電勢通道族：這一組通道之所以這么命名，是因?yàn)樗窃诠壍墓鈧鲗?dǎo)系統(tǒng)上發(fā)現(xiàn)的。這一族包含了至少28種成員，它們的激活方式多種多樣。某些通道似乎是常開的，而另一些則通過電壓來控制，屬于一種電壓門控離子通道。此外還有通過細(xì)胞內(nèi)鈣離子（Ca ）、酸堿度（pH值）、氧化還原狀態(tài)、滲透壓等來控制，還有通過機(jī)械拉力來激活的、屬于牽張激活的離子通道。這類通道所能通過的離子類型也非常的多，某些專門針對鈣離子，而另一些似乎沒有那么強(qiáng)的選擇性，而只是作為陽離子通道。這一族按照同源性分為6個不同的亞族：經(jīng)典類（TRPC）、香草素受體類（TRPV）、黑色素抑制類（TRPM）、胱氨酸多聚體類（TRPP）、黏脂質(zhì)類（mucolipins，TRPML）以及跨膜錨蛋白1（TRPA）。

超極化激活環(huán)核苷酸門控通道族：打開這類通道需要超極化，而不像其它環(huán)核苷酸門控通道那樣受去極化控制。這些通道還對如環(huán)磷酸腺苷（cAMP）及環(huán)鳥苷酸腺苷（cGMP）環(huán)核苷酸敏感，這類物質(zhì)會影響打開通道電壓的所需敏感度。這類通道對一價陽離子如鉀離子（K ）和鈉離子（Na ）等是可滲透的。這族包含了4個成員，它們的α亞基單元都是由6個跨膜區(qū)亞基組成的四聚體。在超極化的狀態(tài)下，這些通道會被打開。在心肌中，這一通道被用來產(chǎn)生自律性，尤其是在竇房結(jié)當(dāng)中。

電壓門控質(zhì)子通道族：電壓門控質(zhì)子通道在反極化的情況下被打開，但這一過程的酸堿度敏感性很強(qiáng)。也就是說，僅當(dāng)電化學(xué)梯度是外向的情況下，這些通道才會被開啟。于是質(zhì)子通過這種通道只能離開細(xì)胞。這種通道的一個功能就是將細(xì)胞內(nèi)的酸排出，另一個功能是吞噬細(xì)胞在呼吸爆發(fā)作用下，保持細(xì)胞的電平衡。在諸如嗜酸性白細(xì)胞、嗜中性白細(xì)胞以及巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞吞噬細(xì)菌或者其它微生物之后，會產(chǎn)生大量的NADPH氧化酶。這些酶會生成活性氧來殺死被吞噬的細(xì)菌，而此過程會產(chǎn)生電勢，迫使電子移出細(xì)胞膜外。此時打開質(zhì)子通道則可以保持點(diǎn)平衡。

配體門控

這一通道又稱為離子受體，這類的通道在特定的配體分子附著在受體蛋白在細(xì)胞外結(jié)構(gòu)部分之后才會打開。配體和受體的結(jié)合會改變通道蛋白結(jié)構(gòu)的構(gòu)象改變，并最終打開通道讓離子穿過細(xì)胞膜。煙堿乙酰膽堿受體、谷氨酸門控離子型受體、ATP門控P2X受體等可穿透陽離子的通道，以及γ氨基丁酸酸門控GABA A 受體等可穿透陰離子的通道都屬于這一類型。

需要通過第二信使激活的離子通道也可能被歸入這一類，雖然配體和第二信使之間是有著顯著的區(qū)別的。

其它門控

其它門控包括諸如通過第二信使來激活或失活的門控方式。與受體從細(xì)胞外激活通道不一樣的是，第二信使通過在細(xì)胞膜內(nèi)激活的方式來激活的。正如由離子的電梯度直接控制電壓門控通道的開和關(guān)一樣，由第二信使也是直接控制這類離子通道，而不是像配體門控那樣是間接控制的。

某些鉀離子通道

光控離子通道族如視紫紅質(zhì)通道，是由一個動作光量來直接控制其開啟的。

機(jī)械力敏感離子通道族由拉伸力、壓力、變形力或者舒張力控制開啟的通道。

環(huán)核苷酸門控通道族：這一超級家族有兩個小家族構(gòu)成，包括環(huán)核苷酸門控通道（CNG）及超極化激活環(huán)核苷酸門控通道（HCN）。需要注意的是，這么劃分的依據(jù)是按照其功能的不同，而不是其進(jìn)化同源性。

按離子分

氯離子通道族：這一超級家族包含大約13個成員，目前科學(xué)界對其的了解非常少。

鉀離子通道族：

鈉離子通道族

鈣離子通道族

質(zhì)子通道族

泛離子通道 族：這族通道對通過的離子類型的選擇性相對沒有那么高，因此可以允許多種離子通過這種通道。

其它分類方式

其它的分類方式是基于一些不太常見的特征，例如多孔和瞬態(tài)電壓響應(yīng)。

幾乎所有的離子通道都只有一個孔。但也有一些是雙孔結(jié)構(gòu)的：

雙孔通道族：這一個小家族有兩個成員，推測這些通道是陽離子先擇性通道?？茖W(xué)家預(yù)言這種通道是由兩個K V 類型的、擁有6個跨膜區(qū)的亞基單元組成的二聚體。這些通道和精子陽離子通道（又叫CatSper通道）有關(guān)聯(lián)，另一個關(guān)系更遠(yuǎn)一些的通道是瞬態(tài)響應(yīng)電勢通道。

還有一些通道是根據(jù)它們響應(yīng)刺激所需時間來分類的：

瞬態(tài)響應(yīng)電勢通道族：這一組通道之所以這么命名，是因?yàn)樗窃诠壍墓鈧鲗?dǎo)系統(tǒng)上發(fā)現(xiàn)的。這一族包含了至少28種成員，它們的激活方式多種多樣。某些通道似乎是常開的，而另一些則通過電壓來控制，屬于一種電壓門控離子通道。此外還有通過細(xì)胞內(nèi)鈣離子（Ca ）、酸堿度（pH值）、氧化還原狀態(tài)、滲透壓等來控制，還有通過機(jī)械拉力來激活的、屬于牽張激活的離子通道。這類通道所能通過的離子類型也非常的多，某些專門針對鈣離子，而另一些似乎沒有那么強(qiáng)的選擇性，而只是作為陽離子通道。這一族按照同源性分為6個不同的亞族：經(jīng)典類（TRPC）、香草素受體類（TRPV）、黑色素抑制類（TRPM）、胱氨酸多聚體類（TRPP）、黏脂質(zhì)類（mucolipins，TRPML）以及跨膜錨蛋白1（TRPA）。

詳細(xì)結(jié)構(gòu)

不同的通道，其允許通過的離子是不同的（例如鈉離子、鉀離子、氯離子等），門控方式也不一樣，甚至組成亞基單元等結(jié)構(gòu)也是有區(qū)別的。大部分的通道，包括和神經(jīng)沖動有關(guān)的電壓門控通道，都是由四個亞基單元構(gòu)成，每個亞基單元有六個螺旋形跨膜區(qū)組成。在激活的時候，這些螺旋體會移動并開啟中間的孔。其中兩個螺旋體被一個形成孔的環(huán)所分開，這個結(jié)構(gòu)決定了選擇通過的離子類型及其傳導(dǎo)性。離子選擇性及其機(jī)制的假設(shè)是在十九世紀(jì)六十年代首先由克萊·阿姆斯特朗（ Clay Armstrong （ 英語 ： Clay Armstrong ） ）提出的。其它類型的通道亞基單元，包括由一個孔環(huán)和兩個跨膜螺旋體組成的通道結(jié)構(gòu)。羅德里克·麥金農(nóng)通過運(yùn)用X射線晶體學(xué)來確定了這些通道的分子結(jié)構(gòu)，并分享了2003年的諾貝爾化學(xué)獎。

由于通道的結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)小，并且用X射線分析嵌入在細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)是有一定困難的，因此直到最近科學(xué)家才有機(jī)會直接觀測到它們的“外觀”。特別是因?yàn)榫w分析需要使用洗滌劑去除通道周圍的細(xì)胞膜，因此許多研究人員認(rèn)為難以確認(rèn)已獲得的圖像。其中一個例子是電壓門控鉀離子通道，這個期待已久的圖像在2003年5月被，詳細(xì)的三維結(jié)構(gòu)在[1]上可以查到。這里其中一個無法排出的模糊點(diǎn)，是不知道圖中構(gòu)型的工作狀態(tài)（比如開啟狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)），而這不同的工作狀態(tài)其結(jié)構(gòu)構(gòu)型是會發(fā)生變化的。目前研究人員對這些通道的工作模式的推斷大部分都是基于電流生理學(xué)、生物化學(xué)、基因序列比較以及基因突變方法。

離子通道相關(guān)疾病

化學(xué)或者基因失調(diào)會導(dǎo)致離子通道原本的正常功能受到干擾，這會帶來嚴(yán)重的后果?；蚴д{(diào)導(dǎo)致的離子通道疾病叫做離子通道病，請參見Category:離子通道病中的完整列表。

化學(xué)阻斷劑

鈉離子通道阻斷劑

河豚毒素（TTX），河豚及部分蠑螈會用這種毒素防御系統(tǒng)。

石房蛤毒素，腰鞭毛蟲會分泌這種毒素，是引發(fā)赤潮的罪魁禍?zhǔn)?，它會阻礙電壓門控鈉通道。

利多卡因和奴佛卡因?qū)儆谕活惥植柯樽硭?，它們會阻止鈉離子通道。

鉀離子通道阻斷劑

綠曼巴蛇毒素是曼巴蛇生成的毒素，可以阻礙鉀離子通道的工作。

伊比利亞蝎毒素是從印度東部的一種紅色蝎子?xùn)|亞鉗蝗提純得到的。

巨蟹蛛毒素是巨蟹蛛分泌的一種毒素。

多通道阻斷劑

海螺毒素，這種毒素是海螺捕食時所使用的一組毒素。受其影響的離子通道包括鈉、鉀、鈣等離子通道，甚至還包括鹽堿乙酰膽堿受體。

基因疾病

震顫基因這種基因突變會導(dǎo)致一種電壓門控離子通道的缺陷，使得細(xì)胞的復(fù)極過程變慢。

馬周期性麻痹以及人周期性麻痹都是由一種電壓門控鈉離子通道的缺陷造成的。

先天性肌強(qiáng)直（PC）以及鉀加重肌強(qiáng)直（PAM）。

陣發(fā)性運(yùn)動失調(diào)癥（EA），是一種陣發(fā)性的嚴(yán)重平衡感失調(diào)，可以被壓力、驚嚇或者過度用力（比如運(yùn)動）誘發(fā)，并可能伴有肌強(qiáng)直（但這不是必然有聯(lián)系的）。

家族偏癱性偏頭痛（FHM）

13型脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)癥

Q-T間期延長綜合征是一種心室心律不齊綜合征，它是由1到10種現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的基因突變引起的。這些突變基因大部分是和鉀離子通道有關(guān)，并且全部會影響到心肌細(xì)胞的復(fù)極過程。

布魯戈登綜合征是另一種心室心律不齊，是一系列有關(guān)電壓門控鈉離子通道的基因突變導(dǎo)致的。

囊性纖維變性是CFTR基因發(fā)生了突變導(dǎo)致的，涉及了氯離子通道。

IV型粘脂貯積癥是編碼TRPML1通道的基因發(fā)生突變引起的一種遺傳性疾病。

歷史

1952年，英國生物物理學(xué)家阿蘭·霍奇金以及安德魯·赫胥黎第一次假設(shè)了離子通道的存在，并且作為神經(jīng)沖動理論的一部分，贏得了諾貝爾生理及醫(yī)藥獎。1970年，離子通道首次通過電流生理學(xué)的膜片鉗位電記錄技術(shù)被證實(shí)，而發(fā)明這一技術(shù)的埃爾溫·內(nèi)爾以及伯特·薩克曼也獲得了諾貝爾獎。成百上千的研究員至今仍在繼續(xù)在這一領(lǐng)域付出艱辛努力，以期獲得有關(guān)這些蛋白質(zhì)工作方式的詳細(xì)知識。近年來發(fā)展出來的自動膜片鉗設(shè)備顯著提升了離子通道篩查的能力。

2003年，諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給了兩位美國科學(xué)家羅德里克·麥金農(nóng)和彼得·阿格雷。羅德里克·麥金農(nóng)因其對離子通道功能的物理化學(xué)屬性的研究，包括X射線晶體學(xué)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究而獲獎，彼得·阿格雷則因?yàn)閷λǖ赖南嗨蒲芯抗ぷ鳙@獎 。兩人研究領(lǐng)域的先驅(qū)沼正作由于已故，未能獲獎。

藝術(shù)加工的離子通道圖像

 Birth of an Idea (2007) 朱利安·沃斯-安德烈受羅德里克·麥金農(nóng)委托制作的一個雕像，該雕像是基于麥金農(nóng)團(tuán)隊(duì)于2001年發(fā)現(xiàn)的分子三維結(jié)構(gòu)創(chuàng)作的。

羅德里克·麥金農(nóng)委托朱利安·沃斯-安德烈基于KcsA鈣離子通道創(chuàng)作了一個約1.5米高的雕像，命名為“Birth of an Idea”（一個思想的誕生）。這件作品用一個中的鐵絲部分代表了通道的孔，而褐色的玻璃球則代表了通道結(jié)構(gòu)中的主要腔體。

延伸閱讀

An Interview with Roderick MacKinnonFreeview video by the Vega Science Trust.

Doyle DA, Morais Cabral J, Pfuetzner RA, Kuo A, Gulbis JM, Cohen SL, Chait BT, MacKinnon R.The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity (PDF) . Science. April 1998, 280 (5360): 69–77. PMID 9525859 . doi:10.1126/science.280.5360.69 .

Bezanilla F.The voltage sensor in voltage-dependent ion channels. Physiol. Rev. April 2000, 80 (2): 555–92. PMID 10747201 .

Kathy Liszewski.Opening the Gates on Ion Channel Drugs. Genetic Engineering & Biotechnology News (Mary Ann Liebert, Inc.). 2007-06-15: 18, 20 [ 2008-07-06 ] . Conditions targeted include diabetes, cystic fibrosis, hypertension, pain and cancer

參見

動作電位

主動運(yùn)輸

通道組

通道組學(xué)

通道病

神經(jīng)毒素

鎂傳輸

被動傳輸

跨膜受體

與離子通道有關(guān)的英語醫(yī)學(xué)詞典 （ 英語 ： WP:MeSH D12.776#MeSH D12.776.543.550.425 ）

K i 數(shù)據(jù)庫

在Pfam數(shù)據(jù)庫及InterPro數(shù)據(jù)庫中定義的離子通道族

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