細胞膜上離子通道的功能，除了可以調節細胞內外的滲透壓，也是維持細胞膜電位的重要分子，而神經細胞要進行訊號傳導，便是靠離子的進出以造成膜電位的變化。雖然科學家對於細胞膜上離子通道已有相當程度的了解，對於離子通道所具有的特殊選擇性，也從能蛋白質的結構大略獲得解釋，但是一直缺乏一套完整詳細的分子作用機制。原因是，要做出膜蛋白三維結構的高解析度影像，非常不容易。
基本介紹
- 中文名：細胞膜離子通道
- 外文名：無
- 功能：調節細胞內外的滲透壓
- 屬性：維持細胞膜電位的重要分子
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提出過程
1998年，麥金農做出了鏈黴菌的離子通道蛋白質KcsA的高解析三維結構影像，並首度從原子層次去了解離子通道的作用方式。KcsA離子通道中有一種“濾嘴”，能讓鉀離子（K+）通過，卻不允許同族元素中體積更小的鈉離子（Na+）通過，這令科學家百思不得其解。但是麥金農根據KcsA的立體結構，發現離子通道中“濾嘴”邊上的四個氧原子的位置，恰好跟鉀離子在水溶液中的情況一樣，亦即濾嘴邊上的氧與水分子的氧距離相同，所以鉀離子能夠安然通過通道，一如在水中一樣；但鈉離子尺寸較小，無法順利接上濾嘴邊上的四個氧原子，因此只能留在水溶液，而無法輕易穿過通道。而離子通道的開關會受到細胞的控制，麥金農發現，離子通道的底部有個閘門，當離子通道接收到特定的訊號，離子通道蛋白質結構便會發生改變，因此造成閘門的開關。
麥金農對於鉀離子通道的結構與作用機制的研究，是生物化學、生物物理等領域的一大突破，也為神經疾病、肌肉與心臟疾病的新藥物開發，指引了新的方向。
研究簡史
在生物電產生機制的研究中發現了生物膜對離子通透性的變化。1902年J.伯恩斯坦在他的膜學說中提出神經細胞膜對鉀離子有選擇通透性。1939年A.L.霍奇金與A.F.赫胥黎用微電極插入槍烏賊巨神經纖維中，直接測量到膜內外電位差。1949年A.L.霍奇金和B.卡茨在一系列工作基礎上提出膜電位離子假說，認為細胞膜動作電位的發生是膜對納離子通透性快速而特異性地增加，稱為“鈉學說”。尤其重要的是，1952年A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎用電壓鉗技術在槍烏賊巨神經軸突上對細胞膜的離子電流和電導進行了細緻地定量研究，結果表明Na+和K+的電流和電導是膜電位和時間的函式，並首次提出了離子通道的概念。他們的模型 (H-H模型）認為，細胞膜的K+通道受膜上4個帶電粒子的控制，當4個粒子在膜電場作用下同時移到某一位置時，K+才能穿過膜。另一方面，1955年，卡斯楚和B.卡茨對神經-肌肉接頭突觸傳遞過程的研究發現：突觸後膜終板電位的發生，是由於神經遞質乙醯膽鹼(Ach）作用於終板膜上受體的結果，從而確認了受化學遞質調控的通道。60年代，用各種生物材料對不同離子通透性的研究表明，各種離子在膜上各自有專一性的運輸機構，曾經提出運輸機構是載體、洞孔和離子交換等模型。1973年和1974年，C.M.阿姆斯特朗、F.貝薩尼利亞及R.D.凱恩斯、E.羅賈斯兩組分別在神經軸突上測量到與離子通道開放相關的膜內電荷的運動，稱為門控電流，確認了離子通道的開放與膜中帶電成分運動的依從性。1976年E.內爾和B.薩克曼創立了離子單通道電流記錄技術，並迅速得到推廣套用，近年用這種技術發現了一些新型離子通道，為深入研究通道的結構和功能提供了有力的工具。80年代初，學者們先後從細胞膜上分離和純化了一些運輸離子的功能性蛋白質，並在人工膜上成功地重建了通道功能，從而肯定了離子通道實體就是膜上一些特殊蛋白質分子或其複合物。近年，科學家套用基因重組技術研究離子通道的結構，1982和1984年，紐莫及合作者先後測定了N型Ach受體和Na+通道蛋白的胺基酸序列。
研究方法
離子通道結構和功能的研究需綜合套用各種技術，包括：電壓和電流鉗位技術、單通道電流記錄技術、通道蛋白分離、純化等生化技術、人工膜離子通道重建技術、通道藥物學、基因重組技術及一些物理和化學技術。
基本特徵
離子通道依據其活化的方式不同，可分兩類：一類是電壓活化的通道，即通道的開放受膜電位的控制，如Na+、Ca+、Cl-和一些類型的K+通道；另一類是化學物活化的通道，即靠化學物與膜上受體相互作用而活化的通道，如 Ach受體通道、胺基酸受體通道、Ca+活化的K+通道等。1、選擇性：指一種通道優先讓某種離子通過，而另一些離子則不容易通過該種通道的特性。例如鈉通道開放時，鈉離子可通過，而鉀離子則不能通過。2、開關性：離子通道存在兩種狀態，即開放和關閉狀態。多數情況時，離子通道是關閉的，只在一定的條件下開放。通道由關閉狀態轉為開放的過程稱為激活，由開放轉為關閉狀態的過程稱為失活。通道的開放與激活過程有一定的速率，通常很快，以毫秒（ms) 計算。
通道分類
離子通道的開放和關閉，稱為門控。根據門控機制的不同，將離子通道分為三大類：⑴電壓門控性，又稱電壓依賴性或電壓敏感性離子通道：因膜電位變化而開啟和關閉，以最容易通過的離子命名,如鉀、鈉、鈣、氯通道四種主要類型，各型又分若干亞型。⑵配體門控性又稱化學門控性離子通道由遞質與通道蛋白質受體分子上的結合位點結合而開啟，以遞質受體命名，如乙醯膽鹼受體通道、谷氨酸受體通道、門冬氨酸受體通道等非選擇性陽離子通道一系由配體作用於相應受體而開放，同時允許鈉、鈣 或鉀通過。⑶機械門控性又稱機械敏感性離子通道是一類感受細胞膜表面應力變化，實現胞外機械信號向胞內轉導的通道，根據通透性分為離子選擇性和非離子選擇性通道，根據功能作用分為張力激活型和張力失活型離子通道。此外，還有細胞器離子通道，如廣泛分布於哺乳動物細胞線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道，位於細胞器肌質網或內質網，膜上的受體通道、受體通道。電壓門控鈣通道（VGC) 分為L 型（Long - lasting) 、N 型（No - Long lasting,non - tsansient) 、T 型（Transient) 和P/ Q 四個亞型.L 型通道：電導較大、失活慢、持續時間長、需要強的去極化才能激活，在心血管、內分泌和神經等多種組織中表達，參與電- 收縮耦聯和調控代謝。T型通道：電導小、失活快、弱的去極化電流即能激活，它主要分布在心臟和血管平滑肌，觸發起搏電活動。N 型通道：失活較快、需強的去極化電流激活，目前僅在神經組織中發現，主要觸發交感神經遞質的釋放。P/ Q 通道：具有相同的α1亞單位（α1A) 統稱為P/ Q 型鈣通道。P/ Q 型鈣通道在神經遞質釋放過程中有重要作用。鉀通道：一種廣泛存在於細胞膜上的鉀離子選擇性通過的蛋白複合體，在結構和功能上形成通道的一大家庭。鉀離子通道一般可分為四個基本類型：電壓門控鉀通道（Voltage - gated K+ Channels,KV) 、鈣激活鉀通道（Calcium - activated K+ Channels,KCa) 、三磷酸腺苷敏感性鉀通道（ATP – Sensitive K+ Channels,KATP) .電壓門控鉀通道又分為：內向整流鉀離子通道（Inward rectifier K+ Channds,Kir）、延遲外向整流鉀通道、瞬時外向鉀通道。
