一个离子通道电压感受器的相关知识

A journey with the ion channel's voltage sensor

编者：Tamer Gamal EL-Dln

出版社：VDM Verlag Dr.Muller Aktiengesellschaft & Co. KG

索书号：Q55/G186/2010/Y

藏书地点：武大外教中心

离子通道被认为是我们大脑中进行信息处理的主要元素，在神经细胞中，它们是一类镶嵌在细胞膜上的蛋白质。从古埃及时代，科学家们就开始探寻人的大脑是如何工作的。大脑是由数以亿计称作神经元的微小的控制中心构成的。而大量的离子通道整合在每一个神经元的细胞质膜上。在神经元之间信息传递是通过“动作电势”完成的，这些动作电势是由离子通道的开和关而形成的，而膜内外电压发生瞬息改变。电压门控离子通道对于跨膜的电压是非常敏感的。在负电势的情况下，钠离子通道或者钾离子通道打开的可能性就非常高，这比电子晶体管门控要敏感十倍以上，而这个区域就是离子通道的电压敏感区域。离子通道的开和关是由不同的刺激引起的，比如化学物质神经递质，物理性的温度或者电压，甚至机械性的牵拉。离子通道根据其孔径大小和结构对于离子是有选择性的。有些离子通道的功能异常可能导致疾病的发生，因此离子通道也是药物设计的靶点，药物主要和离子传递的孔隙区域结合从而阻塞离子通道，而电压感知区域就是一个非常合适的药物靶点。

钠离子通道和钾离子通道是离子通道的两大类。钠离子通道在细胞的生理反应中起着中心的作用。它在细胞之间以及细胞网络中快速传递去极化的刺激反应，从而使得细胞之间可以协同完成一些高级进程如细胞移动和细胞间识别。几乎所有的细胞都有钾离子通道，但是不同的细胞类型其钾离子通道的类型也是不同的。在神经和肌肉中，钾离子通道的主要作用是稳定膜电势，这是通过调节膜电势使其接近钾离子平衡电势实现的。通过重组DNA，蛋白质表达纯化，X射线晶体衍射等手段已经揭示了离子通道的分子结构。最早分离出钠离子通道蛋白是从一种海鱼的发电器官，利用一种神经毒素（TTX）可以和钠离子通道特异性结合的特性实现的。钠离子通道是一个很大的蛋白质，有260KD，1820个氨基酸，这些残基形成四个相似的同源结构域。每个结构域包括六个跨膜的alpha螺旋，N-和C-端都朝向细胞质中。钠离子通道上有很多的磷酸化以及糖基化位点，尤其在结构域1和2之间。而离子通道研究早期，由于没有能和钾离子通道特异性结合的神经毒素，所以要分离和鉴定钾离子通道蛋白的序列是非常困难的。直到发现一个果蝇的突变体当用乙醚麻醉的时候表现异常，并发现控制这种行为的基因在X染色体上。果蝇肌肉细胞电压钳实验发现这个位点的突变改变了钾离子的电流，后来才得以克隆得到这段DNA序列。钾离子通道蛋白包括616个氨基酸，由四个相似的亚基堆积到一起形成的。每一个亚基包括6个片段S1-S6，其中前面四个片段S1-S4是电压感知区域，而后面两个片段则形成孔隙区域。电压感知区域最重要的片段是S4，它每个三个碱基就有一个带正电荷的氨基酸(精氨酸或者赖氨酸)。每两个中性氨基酸紧接一个正电荷的氨基酸的重复序列模式在几乎所有的电压门控钾离子通道中是宝保守的。对于钾离子通道一个令人感到诧异的特性是它的多样性。这可能是由几个不同的因素引起的，一是编码钾离子通道的基因包括23个外显子，存在选择性剪接；几个相似基因的存在；mRNA的编辑。钾离子结构的多样性也决定了其功能的多样性。现在还没有拿到钠离子通道的晶体结构；然而电压门控钾离子通道在一些物种中其晶体结构已经得到了解析。

电压门控离子通道并没有一个控制开关进行传导以及非传导状态之间转换的控制。根据已有的研究，离子通道作用的机制可以分为两种模型，一种是螺旋模型，另一种叫桨模型。在螺旋模型中，S4区段从一个能量最低点到另一个能量最低点的位移是必要的。由于S4区段上还有大量的带正电荷的氨基酸，其和周边的跨膜区段，如S2,S3片段上的带负电荷氨基酸有极性相互作用，这种相互作用必须打破才能实现S4的位移。桨模型认为是S1-S4区段都埋藏在脂双分子层里，存在一个由S3b和S4形成的螺旋-转角-螺旋的结构作为电压感知区域。本书前面两章对离子通道的相关方面及实验方法进行了综述和说明。第三章就门控电荷的定量相关实验进行了讲解。最后一章是作者根据自己的研究就离子通道电压感知区域S4蛋白的长度，电荷位移的两种机制进行了比较说明。本书对于从事于膜蛋白结构研究，细胞信号传导等领域的研究人员有重要的参考意义。

本书目录

第一章前沿：大脑和离子通道

第一节：电压门控离子通道的功能

第二节：电压门控离子通道的结构

第三节：电压门控离子通道的生物物理性质

第四节：离子通道门作用方式

第二章实验技术

第一节：非洲爪蟾卵母细胞

第二节：分子生物学

第三节：双微电极电压钳制法

第四节：荧光显微镜

第三章门控电荷的定量

第一节：门控电荷的定量-以前的努力

第二节：利用eGFP定量门控电荷-我们自己探索的方法

第三节：结论

第四节：展望

第四章压力感受器S4片段的位移：螺旋模型和桨模型

第一节：孔隙电流的已有研究

第二节：结果

第三节：讨论

第四节：结论

第五节：展望

第六节：手稿

（闫俊杰）