第四节 离子通道的门控机制
一、离子通道孔及其选择性
Hille发现5种无机离子和7种有机离子可以通过Na+通道，但对Na+的通透性最大。一般认为，料大的离子不易通过通道是几何学上的原因，而较小离子的选择性通透性则与能量因素有关。影响离子通过膜的因素有（4个）
1、通道最小直径和离子直径的大小：只有通道的最小直径大于某离子直径，该离子就可通过，反之亦然。
2、通道内电荷的性质和强度：通道内壁带负电荷则易让正电荷通过，且负电荷越强，通透性越大。
3、被转运离子的水合能：离子越小，共水合能越大。例如Na+（1.9A°）的水合能大于K+（2.66A°），故处于水合状态的Na+其水合膜反而不易破裂。在大多数通道内无负电荷，或负电荷很少的条件下，Na+通透性显然低于K+。
4、膜内外两侧电位差的影响。
♡在钠通道的氨基酸序列确定后不久，就有人提出位于S5和S6之间的被称为SS1和SS2的两个片段可能像α-螺旋发卡，它跨越到了“砂漏”的狭窄部位。在钾通道的序列确定后，注意到它也具有与钠、钙通道相似的SS1片段，但其SS2片段似比钠、钙通道的相应片段更短且更疏水。
♡与钾通道相似，钠、钙通道的SS1和SS2区氨基酸残基的改变也对其电导和选择性起着决定性作用。钠通道与钙通道在总体上具有相似的结构，但其离子选择性却明显不同。实验表明，只要将钠通道中两个氨基酸残基变为带负电荷的谷氨酸，就足以使其具有钙通道的特性。表明决定钠、钙通道选择性区别的关键结构是位于通道SS1和SS2区的带负电荷的氨基酸残基。
♡钠通道的中央孔道内径约为3～5A。每一重复体的相当于Glu387位置上都是酸性氨基酸残基，它们对豚毒具高亲和力，它们成环状围绕在孔道的膜外侧开口处，成为河豚毒受位点。此外，位于I、II重复体上的酸性氨基酸、III上的硷性氨基酸以Ⅳ上的中性氨基酸共同构成外口的第二环，也是河豚毒结合所需的结构。
♡用特异的钾通道外口阻滞剂可确定其外口的分子结构。研究表明，患于SS1和SS2区两侧的谷氨酸、精氨酸和苏氨酸残基是这类药物高亲合结所必须的残基。TEA也是从细胞外侧阻断钾通道，突变分析表明，SS1和SS2侧的残基加上SS2羧基端449位上的氨基酸残基是TEA高亲合力结合所必须的结构。
♡一般认为，局部麻醉药和抗心律失常只能从钠通道的膜内侧才能到达其受体位点因此只有通道打开时才更易达到。与此相似，苯烷胺类钙通道拮抗剂也是从细胞膜内口发挥作用，故可认为跨膜片段S6及其邻近残基的细胞膜内侧端形成它的受体位点的一部分，也就是钙通道的内口成分。
二、通道门控和门控电流
☺决定膜通道离子选择性的机制和决定通道开闭状态的机制是彼此独立的过程。离子通道必须能够开放和关闭，才能实现其产生和传导电信号的生理功能。决定通道开、关状态的调控机制称为门控机制。事实上，在整个动作电位时程中，离子通道至少经历三种不同状态的循环转换，即静息关闭状态、开放状态和失活关闭状态。
☺电压门控性离子通道的激活是电压驱动的通道构型变化所致。设想位于跨膜电场内含有门控电荷的电压厂家装置能感受膜去极化时的电场力变化，并驱动门控电荷，产生跨膜移动，从而引起构型变化，这种门控电荷的移动已作为外向门控电流被直接测得。
☺目前认为真正的门控粒子不是任何一种游离的离子，而是通道蛋白结构中因有的一些带电基因（目前认为与S4片段有关，见后述）。当它们因电场力的改变而移动时，即造成通道的开或闭，故起着门控的作用。
三、电压门控通道的激活
☻电压门控性离子通道的激活是电压驱动的通道构型变化所致。设想位于跨膜电场内含有门控电荷的电压厂家装置能感受膜去极化时的电场力变化，并驱动门控电荷，产生跨膜移动，从而引起构型变化，这种门控电荷的移动已作为外向门控电流被直接测得。
☻前已述及，钠通道α—亚单位每一重复的S4片段上，每隔两个疏水残基就重复出现一带正电荷 的精氨酸残基，并形成围绕螺旋轴的带正电荷的螺旋梯。用突变和表达技术已经证实。这些正电荷就是所谓门控电荷。钾通道S4片段一些疏水残基的突变也引起其电压依赖性激活的剧烈偏移，而其它跨膜片段疏水残基的突变则对激活无影响。以上结果都强有力地支持S4片段是电压感受装置，其正电荷残基是门控电葆这一观点。
四、电压门控离子通道的失活
★电压门控性离子通道的激活是短暂的，很快转化为失活状态而不再被持续的去极化所激活。Armstrong等设想的“失活门”为带电荷的胞浆结构域，它在去极化引起构型变化之后，产生继发的变化，从胞浆侧阻断已打开的通道。
如将Ⅲ、Ⅳ功能区之间的连接部分剪切成两段后再在卵母细胞上表达时，Na+通道的失活过程比正常长20倍，但激活过程未见变化。看来，Na+通道Ⅲ、Ⅳ功能区之间的细胞内襻短段是一种失活门控襻。
★作为失活门控襻的这一胞内短段高度保守，富含正电荷群和疏水氨基酸残基。用点突变技术中和带正电荷的氨基酸残基对通道失活过程虽无深刻影响，但一旦去除该襻N末端的10个氨基酸残基，Na+通道的失活过程即完全受阻。将该段的疏水氨基酸五基变为中性亲水残基的实验表明，该段上的异亮氨酸-苯丙氨酸-甲硫氨酸全部突变为谷酰胺Gln-Gln-Gln时，Na+通道的快失活过程完全受阻。Ile-Phe-Met中的Phe1489位置居中，对通道失活运载关重要，只将它变为Gln即足以完全防止Na+通道失活，其左右的Ile和Met如分别突变为Gln也对失活有很大影响；Phe1489与失活门控离子受体之间的相互作用很可能是疏水性的，因该位置残基粒子的疏水性与Na+通道快失活的程度密切相关。
★Na+通道的失活门控襻使人想起变构酶。变构酶的多肽襻沿着酶的活性位点折叠，形成控制底物接近的铰链盖模型，一旦与变构配体结合即引起构象变化，将铰链盖从活性位点移开，底物得以接近并催化其活性。据此，提出的Na+通道失活门控的“铰链盖”学说，认为连结Na+通道Ⅲ、Ⅳ功能区的胞内短襻构成铰链盖，关键性残基Phe1489可与孔道内口结合；失活时，铰链盖盖旋转，失活粒子Phe1489处于一个与Na+通道内口相结合的位置，占据内口，阻塞通道，导致失活。
★对于钠通道，现用“铰链盖”模型来解释其快速失活。由链条呈环状系于通道的细胞膜内表面，形成失活门控环。作为失活门的铰链盖，可延其轴将失活质粒旋转到可以和通道内结合位置上，与之结合并阻断孔道。现已确定，连接Ⅲ、Ⅳ重复体之间的细胞内侧带正电荷的短片段与失活过程直接相关，如将此片段切成两段，通道激活过程正常而失活比正常延缓20倍：如将其带正电荷的残基突变成亲水的不带电荷的残基，也完全阻止了快钠通道失活。从通道内口阻断钠通道的关键残基为Phe1489（F）。
激活与失活是相互影响的两个过程。失活过程制动了发动通道激活所需的门控电荷的移动从而对激活发生影响。此种制动的分子机制最近已有研究。
★K+通道的失活粒子不同于Na+通道，位于距离第一个跨膜节段200多个残基的N端（N-型失活）；用突变技术去除N末端可防止K+通道快失活，该区单个带正电荷的氨基酸残基突变时，失活变慢，特别是Leu7如突变为一个亲水性氨基酸，快失活几乎被完全防止。模拟失活粒子序列的游离肽，可使已失去N末端的K+通道的快失活过程恢复。据证明，连接S4、S5段的胞内短襻也参与K+通道的失活，将该襻的带电荷残基突变为中性亲水性残基，或将疏水性残基突变为丙氨酸（Ala，A），均使K+通道的失活过程减慢。
★与Na+通道失活的另一不同点是，K+通道S6段的胞外端和K+通道衬里P或H5区的特殊氨基酸参与的C-型失活和P-型失活，Shaker K+通道463位的缬氨酸（Val，V）残基突变，使C-型失活速度加快100倍；通过与孔道外口永久性离子结合以及SS1～SS2区序列的突变，可影响N-型失活。
★K+通道的N-型失活过程符合“球与链”说。K+通道的N末端可视为栓在氨基酸长“链”端的一种失活粒子，其“球”上带正电荷的疏水残基与K+孔道内口的一种受体相互作用；在N末端失活粒子与膜之间的“链”中切除或插入50个氨基酸残基肽段可分别加速或延缓K+通道失活过程。
★Na+通道快失活过程与K+通道的N型失活有许多相似之处，①二者均由于孔道胞内口受阻而迅速失活。Na+通道的慢失活过程虽尚不清楚，但似与K+通道的C型失活有共同点。蛋白酶处理或抗体阻断失活门控运动使快失活被防止时，慢失活不受影响。②可见快、慢失活过程是彼此独立的。
★cAMP依赖性磷化过程对电压门控性离子通道的机能起着重要的控作用。钠通道的磷酸化通过改变稳态的钠通道失活的电压依赖性，调通道的机能特性。与此生理效应有关的磷酸化位点已用序列——定向点确定。其五个主要的cAMP磷酸化点都在连接I、II重复体的一个大的胞菜侧片段上。
★很多钙和钾通道也受磷酸化过程的调控。钙通道的α1-和β-亚单都是cAMP依赖蛋白激酶磷酸化作用的底物，也是这种酶调控通道机能的点。α1-亚单位I、II胞浆侧边接上的β-亚单位结合位点（图12）在β-亚单位对通道机能的调控中起着关键性作用。
★腺苷酸环化酶的激动剂Forkulin可以增加Ca2+电流，若ForskulintAch（对腺苷酸环化酶有抑制作用）时，则作用不明显。
第五节 离子通道功能的调控
除以上所述各离子通道本身的门控机掉以外，许多离子通道（包括电压门控性和配体门控性通道）的功能还受体内神经和内分泌系统的调节。这些调节一般是通过受体和第二信使来实现的。由于心血管系统大部分受体（如α、β肾上腺素受体、M毒蕈碱受体、嘌呤能受体等）均与G蛋白相耦连，所以，G蛋白在调节通道功能方面起重要作用。一般蛋白在调节通道功能方面起重要作用。
第六节 研究展望
首先，通道的全部家族均需克隆，其中包括一些有趣的通道。例如，机械力敏感性通道代表了一类对细胞体积调节和听觉传导有重要作用的完整家族。牵张通道普遍存在，其生物物理特性虽已明确，但激活的分子基础尚未明了。例如，毛发细胞的机械力第三性通道似乎由直接物理牵交接班激活闸门所调控。是什么残基参与这种亲闸门机制？什么残基构成的激活闸门？卵母细胞上牵张通道已知是非特异阳离子通道，而许多容积调控通道是Cl-选择性。对于离子选择性的本质，一级序列将推断出什么？除牵张通道外，Ca2+激活K+通道特别有趣，因为它们当中的某些具有很高的电导，远超出100ps。这样的电导使详细研究孔区成为可能。Ca2+激活的Cl-通道均未克隆。
分子生物学虽展示了通道之间惊人的序列差异，但对不同亚型的体内功能知之不多。通道亚型的异种表达可出现明显的功能差异。这些通道亚型在空间上是如何组织的？它们如何作为细胞功能基础的？欲回答这些细胞水平的问题，需结构-功能分析朝改变信号通道单个成分的方向迈进，而不是改变某个通道的残基。方法上不仅包括致突变，还可采用基因破坏和反义技术。