离子通道（英语：Ion channel）是一种膜蛋白，它通过允许某种特定类型的离子依靠电化学梯度穿过该通道，来帮助细胞建立和控制质膜间的微弱电压压差（见动作电位）[2]。这些离子通道存在于所有细胞的细胞膜上。针对离子通道的研究涉及许多科学技术，例如电生理学的电压箝位（尤其是膜片箝位技术），免疫组织化学以及逆转录。
基本特征
所有的细胞都是通过离子通道来控制穿越细胞膜的离子流的，这种通道通过一种膜主体蛋白。更准确的说，是由若干蛋白组装而成的。这种多个蛋白质亚基结构通常由相同或近似蛋白紧密结合并形成一个补水孔，并且穿透双层脂膜[3][4]。这种成孔亚基单元被称为α单元，而其他辅助亚基单元则被标注为β、γ等。通常来说，这些通道最窄处的宽度大约为1到2个原子的直径大小。一个通道通常只有负责任一种离子，如钠离子，钾离子等。传输离子通过细胞膜的过程通常相当快，然后跟随一个自由流体流过一般。某些离子通道拥有一个可以开关的“门”，各种门所受控制的来源是不一样的，例如包括电信号、化学信号、温度或机械力。
生物学角色
由于离子通道是神经冲动的基础，而传输激活的通道则负责突触之间的信号传导，因此通道在神经系统里面扮演着极端重要的角色。事实上大多数生物的攻击性或防御性神经毒素（例如蜘蛛、蝎子、毒蛇、鱼、蜜蜂和海鳗等产生的毒液），都是通过调整通道的可能性性以及（或者）例如，心肌，骨骼肌以及还有，离子通道对于涉及细胞中快速变化的大量生物学过程也是一个关键结构。 平滑肌的肌肉收缩过程，向上皮传输营养物质和离子，T细胞的激活，以及胰腺β细胞释放胰岛素的过程。在研究新型药物的时候，离子通道是一个非常常见的研究目标[5][6][7]。
分类
离子通道可以通过门控方式，可通过离子类型以及门（孔）数量的方式进行分类。
按门控分
电压门控离子通道的激活与失活是依赖于跨膜电压，而配体门控离子通道，则意图于于和通道结合的配体。
电压门控
- 电压门控钠离子通道族：这族通道至少包括9种不同的通道，并且受周围产生和扩散的动作电位控制的。成孔α亚基单元非常大（最大至约4000个氨基酸），并且包含四个同源亚基机构（I-IV），每一个亚基有6个跨膜区（S1-S6）组成，即总共有24个跨膜区。这族的成员还含有辅助β亚基单元，每一个β亚基单元跨越细胞膜一次。这两种亚基单元都是广泛糖基化的。
- 电压门控钙离子通道族：这一族包含十种成员，这些成员会与α，β，以及γ亚基单元组合。及该通道的α亚基单元，在总体结构和钠离子通道很相似，大小也差不多。
- 电压门控钾离子通道族（K V </ sub>）：这一族包含了近40种成员，并进一步分为12个亚族。这些通道主要的作用是在[ [动作电位]之下对细胞膜产生反作用。其中的α亚基单元有六个跨膜区，和钠离子通道是同源的。同样的，它们也是4个亚基形成一个发挥通道作用的四聚体。
- 部分瞬态响应电势通道族：这一组通道之所以这么命名，是因为它是在果蝇的光入射系统上发现的。这一族包含了至少28种成员，它们的激活方式多种多样。某些通道似乎是常开的，而另一些则通过电压来控制，属于一种电压门控离子通道。除了还有通过细胞内钙离子，酸碱度（pH值），氧化还原状态，渗透压等来控制，还有通过机械拉力来激活的，属于牵张激活的离子通道。各种通道所能通过的离子类型也非常的多，某些专门针对钙离子，而另一些似乎没有那么强的选择性，而只是作为交换通道。性分为6个不同的亚族：经典类（TRPC），香草素受体类（TRPV），黑色素抑制类（TRPM），胱氨酸多聚体类（TRPP），黏脂质类（mucolipins，TRPML）以及跨膜锚蛋白1（TRPA）。
- 超极化激活环核苷酸门控制通道族：打开各种通道需要超突变，而不像其他环状核苷酸门控通道那样受[[去|这些通道还对如环磷酸腺苷（cAMP）及环鸟苷酸腺苷（cGMP）环核苷酸敏感，某种物质会影响打开通道电压的所需敏感度。类别通道对一价阳离子如钾离子和钠离子等是可渗透的。这族包含了4个成员，它们的α亚基单元都是由6个跨膜区亚基组成的四聚体。在超转换的状态下，这些通道会被打开。在心肌中，这一通道被做成产生自律性，尤其是在窦房结当中。
- 电压门控质子通道族：电压门控质子通道在反偏的情况下被打开，但这一过程的酸碱度敏感性很强。否则，仅当电化学梯度是外向的情况下，这些通道才会被开启。于是质子通过这种通道只能离开细胞。这种通道的一个功能就是将细胞内的酸排出，另一个功能是吞噬细胞在呼吸爆发作用下，保持细胞的电平衡。在诸如嗜酸性白细胞，嗜中性白细胞以及巨噬细胞等免疫细胞吞噬细菌或其他微生物之后，会产生大量的NADPH氧化酶 。这些酶会生成活性氧来杀死被吞噬的细菌，而此后会产生电势，进入电子移出细胞膜外。此时打开质子通道则可以保持点平衡。
配体门控
配体闸门离子通道又称为离子受体，类型的通道在特定的配体分子附着在受体蛋白在细胞外结构部分之后才会打开。配体和受体的结合会改变通道蛋白烟碱乙酰胆碱受体，谷氨酸门控离子型受体，[[P2X门控]受体| ATP门控P2X受体]]等可穿透阳离子的通道，以及γ氨基丁酸酸门控 GABA A </ sub>受体]等可穿透折射率的通道都属于这一类型。
需要通过第二信使激活的离子通道也可能被归入这一类，虽然配体和第二信使之间是有着显著的区别的。
其它门控
与受体从细胞外激活通道不一样的是，第二信使通过在细胞膜内激活的方式来激活的。正如由离子的电梯度直接控制电压门控通道的开和关一样，由第二信使也是直接控制此类离子通道，而不是像配体门控那样是间接控制的。
- 某些钾离子通道
- 机械力敏感离子通道族由拉伸力，压力，变形力或舒张力控制开启的通道。
- 环状核苷酸门控通道族：这一超级家族有两个小家族构成，包括环核苷酸门控通道（CNG）及超突变激活环核苷酸门控通道（HCN） ）。需要注意的是，这么划分的依据是按照其功能的不同，而不是其进化同源性。
按离子分
- 氯离子通道族：这一超级家族包含大约13个成员，目前科学界试图的了解非常少。
- 钾离子通道族：
- 钠离子通道族
- 钙离子通道族
- 质子通道族
- 泛离子通道”族：这族通道对通过的离子类型的选择性相对没有那么高，因此可以允许多种离子通过这种通道。
- 大部分的瞬态响应电势通道
其他分类方式
其他的分类方式是基于一些不太常见的特征，例如多孔和瞬态电压响应。
几乎所有的离子通道都只有一个孔。但也有一些是双孔结构的：
- 双孔通道族：这一个小家族有两个成员，认为这些通道是阳离子先择性通道。科学家预言这种通道是由两个K V </ sub>类型的，这些通道和精子阳离子通道（又叫CatSper通道）有关联，另一个关系更远一些的通道是瞬态响应电势通道。
还有一些通道是根据其响应响应刺激所需时间来分类的：
- 瞬态响应电势通道族：这一组通道之所以这么命名，是因为它是在果蝇的光交换系统上发现的。这一族包含了至少28种成员，它们的激活方式多种多样。某些通道似乎是常开的，而另一些则通过电压来控制，属于一种电压门控离子通道。除了还有通过细胞内钙离子，酸碱度（pH值），氧化还原状态，渗透压等来控制，还有通过机械拉力来激活的，属于牵张激活的离子通道。某种通道所能通过的离子类型也非常的多，某些专门针对钙离子，而另一些似乎没有那么强的选择性，而只是作为取代通道。这一族按照同源性分为6个不同的亚族：经典类（TRPC），香草素受体类（TRPV），黑色素抑制类（TRPM），胱氨酸多聚体类（TRPP ），黏脂质类别（mucolipins，TRPML）以及跨膜锚蛋白1（TRPA）。
详细结构
不同的通道，其允许通过的离子是不同的（例如钠离子，钾离子，氯离子等），门控方式也不一样，甚至包括亚基单元等结构也是有区别的。大部分的通道，包括和神经冲动有关的电压门控通道，都是由四个亚基单元构成，每个亚基单元有六个跨膜蛋白组成。在激活的时候，这些螺旋体会移动并开启中间的孔。其中两个螺旋体被一个形成孔的环所分开，这个结构决定了选择通过的离子类型及其交换性。离子选择性及其机制的假设是在十九世纪六十年代首先由克莱·阿姆斯壮提出的。其他类型的通道亚基单元，包括由一个孔环和两个跨膜螺旋体组成的通道结构。罗德里克·麦金通过运用 X射线晶体学来确定了这些通道的分子结构，并分享了2003年的诺贝尔化学奖。
详细结构
由于通道的结构尺寸相当小，并且用X射线分析嵌入在细胞膜上的蛋白质的晶体结构是有一定困难的，因此直到最近科学家才有机会直接观察到它们的“外观”。特别是因为晶体分析需要使用一个去除样本的通道周围的细胞膜，因此许多研究人员认为很难确认已获得的图像。其中一个例子是电压门控钾离子通道，这个期待已久的图像在2003年5月被揭示，详细的三维结构在自然杂志的网站上可以查到。这里其中一个无法替换的模糊点，是不知道图中构型的工作状态（否则开启状态，关闭状态），而这不同的工作状态其结构构型是会发生变化的。目前研究人员对这些通道的工作模式的大部分都是基于电生理学，生物化学，基因序列比较以及基因突变方法。
离子通道相关疾病
化学或基因失调会导致离子通道原本的正常功能受到干扰，这会带来严重的后果。基因失调导致的离子通道疾病称为离子通道病，请参见Category:离子通道病中的完整列表。
化学抑制剂
钠离子通道渗透剂
- 河豚毒素（TTX），河豚及部分蝾螈会用这种毒素防御系统。
- 石房蛤毒素，腰鞭毛虫会分泌这种毒素，是引发赤潮的罪魁祸首，它会阻止电压门控钠离子通道。
- 利多卡因和普鲁卡因属于同一类局部麻醉药，它们会阻止钠离子通道。
钾离子通道阻断剂
多通道渗透剂
- 石房蛤毒素，这种毒素可影响的离子通道包括钠，钾，钙等离子通道，甚至还包括盐碱乙酰胆碱受体。
基因疾病
- LRRK2这种基因突变会导致一种电压门控离子通道的缺陷，导致细胞的复极过程变慢。
- 甲状腺毒性周期性麻痹症以及高钾性周期性麻痹与一种电压门控钠离子通道的缺陷相关。
- 先天性肌强直（PC）以及钾加重肌强直（PAM）。
- 阵发性运动失调症（EA），是一种阵发性的严重平衡感失调，可以被压力，惊吓或者过度用力（扭曲运动）诱发，并可能伴有肌强直（而不是必然有联系的）。
- 偏头痛中的家族性偏瘫型偏头痛，又称Familial hemiplegic migraine（FHM）
- 小脑萎缩症中的第十三型
- 长QT综合征是一种心室、心律不齐、综合征，它是由1到10种转化发现的基因突变这些突变基因大部分是和钾离子通道有关，并且整个会影响到心肌细胞的再极化过程。
- 布鲁格达氏综合征是另一种心室心律不齐，是一系列有关电压门控钠离子通道的基因突变导致的。
- 囊性纤维变性是CFTR基因发生了突变导致的，涉及了氯离子通道。
- IV型粘脂贮积症是编码MCOLN1通道的基因发生突变引起的一种遗传性疾病。
历史
1952年，英国生物物理学家 阿兰·霍奇金以及安德鲁·赫胥黎第一次假设了离子通道的存在，并且作为[[神经1970年，离子通道首次通过电生理学的膜片箝位电记录技术被证实，而发明这一技术的埃尔温·内尔以及伯特·萨克曼也获得了诺贝尔奖。成百上千的目前仍在继续在这一领域花费艰辛努力，以期获得有关这些蛋白质工作方式的详细知识。补充发展出来的自动膜片钳设备显著提升了离子通道筛查的能力。[10]。两人研究领域的先驱沼正作由于已故，未能获奖。
参见
参考文献
- ↑ 人神经元钾离子通道a亚基基因的分子克隆 (PDF).[永久失效链接]
- ↑ Hille, Bertil. Ion channels of excitable membranes third. Sunderland, Mass: Sinauer Associates. 2001. ISBN 0-87893-321-2.
- ↑ Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick, Lawrence. C. Katz, Anthony-Samuel LaMantia, James O. McNamara, S. Mark Williams, editors (编). Chapter 4: Channels and Transporters. Neuroscience 2nd. Sinauer Associates Inc. 2001. ISBN 0-87893-741-2.
- ↑ Hille B, Catterall, WA. Chapter 6: Electrical Excitability and Ion Channels. George J Siegel, Bernard W Agranoff, R. W Albers, Stephen K Fisher and Michael D Uhler (编). Basic neurochemistry: molecular, cellular, and medical aspects. Philadelphia: Lippincott-Raven. 1999. ISBN 0-397-51820-X.
- ↑ Camerino DC, Tricarico D, Desaphy JF. Ion channel pharmacology. Neurotherapeutics. 2007-04, 4 (2): 184–98. PMID 17395128. doi:10.1016/j.nurt.2007.01.013.
- ↑ Verkman AS, Galietta LJ. Chloride channels as drug targets. Nat Rev Drug Discov. 2009-02, 8 (2): 153–71. PMID 19153558. doi:10.1038/nrd2780.
- ↑ Camerino DC, Desaphy JF, Tricarico D, Pierno S, Liantonio A. Therapeutic approaches to ion channel diseases. Adv. Genet. 2008, 64: 81–145. PMID 19161833. doi:10.1016/S0065-2660(08)00804-3.
- ↑ CatSper与精子超活化.
- ↑ 钙离子通道在精子运动中的作用及其临床意义.
- ↑ Nobel Prize Press Release
延伸阅读
- An Interview with Roderick MacKinnon Freeview 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. 1998-04, 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. 2000-04, 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
外部链接
- 电压门控离子通道. IUPHAR Database of Receptors and Ion Channels. International Union of Basic and Clinical Pharmacology.