生化兩類膜蛋白利用ATP水解將離子或分子泵過膜

1、Biochemistry Sixth Edition,Chapter 13: Membrane Channels and Pumps,Copyright 2007 by W. H. Freeman and Company,Berg Tymoczko Stryer,經(jīng)過單一膜通道的離子流動（在上面的示意圖中用紅色表示通道）可以用全自動膜片鉗測定。這種技術能夠記錄通道開放和關閉狀態(tài)的電流。,生物膜的脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)本身是離子和極性分子的通透障礙。但是要維持正常的細胞功能，生物膜必須允許一些離子和極性分子通過。兩類膜蛋白，即泵和通道，使生物膜具有這樣的功能。泵的能量來自能源分子如ATP的水解，或者是光能

2、。泵能利用這些能源驅(qū)動離子或分子作熱力學的逆向運輸（主動運輸）。相反，通道不用能量，只是允許離子或分子作熱力學順向運輸（被動運輸）。,泵是一種能量傳導裝置，能夠?qū)⒁环N形式的自由能轉(zhuǎn)化成另一種形式的自由能。ATP驅(qū)動的泵有兩種，P-型ATP酶和和含有ATP結(jié)合域（ABC）的運輸器（transporter）。這兩種泵與ATP結(jié)合、水解ATP導致泵分子構(gòu)型轉(zhuǎn)化，使泵結(jié)合的離子被跨膜運輸。另一種機制利用離子梯度驅(qū)動其它物質(zhì)跨膜運輸。大腸桿菌乳糖運輸器是這類次級運輸器的一個例子。乳糖運輸器負責細菌從環(huán)境攝取特定糖分子。細胞膜有很多這類運輸器。這些運輸器的表達決定了細胞所攝取物質(zhì)的種類。因此調(diào)節(jié)運輸器的表

3、達是控制細胞代謝的主要手段。,泵能夠建立特定離子持久的跨膜梯度。特定的離子通道允許這些離子迅速跨膜運輸?shù)綕舛鹊偷囊幻妫ū粍舆\輸）。由于這些離子通道允許一些離子跨膜流過，而另一些離子（甚至是那些與可跨膜流過離子密切相關的離子）不能通過，因此這些通道成為生物化學最迷人的分子。這些門控離子通道在執(zhí)行神經(jīng)系統(tǒng)功能方面起中心作用。神經(jīng)系統(tǒng)充當導線，允許精細切換的神經(jīng)信號快速流動。 最后討論另一種通道，即細胞與細胞之間的通道(或縫隙連接，gap-junction)。這種通道允許離子或代謝物質(zhì)在細胞之間運輸。如連接細胞間物質(zhì)運輸負責心臟跳動時的肌肉細胞同步收縮。,運輸器的表達在很大程度上確定了特定細胞的代謝

4、活性 各種細胞表達一套獨有的細胞膜運輸器。這些運輸器在很大程度上確定了細胞從環(huán)境攝取離子和代謝物的模式，因此一個細胞所表達的運輸器組合在某種程度上決定了這個細胞的性質(zhì)，因為這個細胞只能攝取特定底物、只能執(zhí)行特定的生物化學反應。 用葡萄糖代謝可以解釋這種觀點。組織之間的差異在于它們利用不同分子充當能源的能力。各組織所利用的葡萄糖主要取決于它們所表達的葡萄糖運輸器。這些葡萄糖運輸器有GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4, 和GLUT5。例如GLUT3只在神經(jīng)元和其它幾種類型的細胞表達。在葡萄糖濃度相對較低時，GLUT3與葡萄糖結(jié)合相對較緊，能夠保障這些細胞的葡萄糖資源。在控制和整合

5、活體代謝方面，這些運輸器的表達非常關鍵。,有兩個因素決定一個分子是否跨膜運輸： （1）該物質(zhì)跨過脂質(zhì)雙層膜的通透性，和 （2）有無能源可供利用。,很多分子的運輸需要跨膜的蛋白質(zhì)運輸器 自身能溶于脂質(zhì)雙層的分子（即親脂分子，lipophilic molecules ）能夠跨膜運輸，如甾體激素能跨過生物膜。它們沿濃度梯度方向跨膜運輸，屬于簡單擴散（simple diffusion）。與熱力學第二定律一致，分子從濃度高的區(qū)域自動向濃度低的區(qū)域移動。 極性分子的跨膜運輸復雜。如 Na+胞外通常是143 mM, 而Na+胞內(nèi)只有14 mM，但鈉離子帶電不能跨膜自由移動。在有些情況下，如神經(jīng)信號傳遞過程中

6、，鈉離子必須進入細胞內(nèi)。那么，細胞如何執(zhí)行這些作用？,膜蛋白質(zhì)在脂質(zhì)雙層膜構(gòu)建出鈉離子能夠通過的通道，使鈉離子能夠跨膜運輸。這種運輸方式叫協(xié)助擴散(facilitated diffusion)。其離子或分子的擴散運輸受膜通道協(xié)助。由于運輸系統(tǒng)沒有消耗能量，運輸能源僅來自被運物質(zhì)自身的濃度梯度，因此協(xié)助擴散也是被動運輸。協(xié)助擴散的通道有底物特異性，即通道能協(xié)助某種離子的跨膜擴散，但不能協(xié)助其它離子的擴散。 建立前面談到的鈉離子跨膜梯度這種梯度需要泵將Na+從胞內(nèi)逆濃度梯度泵出。從低濃度向高濃度輸送，導致熵值降低，因此運輸需要輸入自由能。膜上的運輸器利用能量將離子或分子沿濃度梯度的反方向運輸。利用

7、其他能源將物質(zhì)逆濃度梯度進行的跨膜運輸稱為主動運輸(active transport)。,圖13.1 自由能和運輸。（A）不帶電的溶質(zhì)從濃度為c1的區(qū)室向濃度為c2的區(qū)室運輸產(chǎn)生的自由能改變。（B）帶電離子跨膜運輸?shù)接邢嗤姾傻牧硪贿叜a(chǎn)生的自由能改變。注意跨膜電位差為59 mV的自由能改變相當于25該離子的跨膜濃度比值大10倍。,濃度梯度儲存的自由能可以定量 分子的不均勻分布含有能量（因為所有區(qū)域濃度均一的自由能最低）。因此要獲得這種濃度不均一分布（即濃度梯度）需要輸入自由能。我們能否確定需要輸入自由能才能產(chǎn)生這種濃度梯度（圖13.1）？考察一個不帶電的溶質(zhì)分子。這個分子從第1邊（其濃度是c1

8、）運輸?shù)降?邊（其濃度是c2）時自由能的變化是 G = RT ln (c2/c1) = 2.303 RT lg(c2/c1) 其中R是氣體常數(shù)3.315 x 10-3 kJ/mol, T是絕對溫度，單位是kelvins。,對于帶電離子跨膜不均勻分布還要考慮跨膜的電勢差。濃度差和電勢差的總和稱為膜電化學勢能或膜勢能。其自由能是: G = RT ln (c2/c1) + ZF V = 2.303 RT lg(c2/c1) + ZF V 其中 Z是被運離子的電荷，V是跨膜電勢差，F(xiàn)是法拉利常數(shù)（96.5 kJ/V.mol, 或 23.1 kcal /V.mol）。 G是正值，運輸是主動的。如果G是負

9、值，運輸時被動的。,13.2 兩類膜蛋白利用ATP水解將離子或分子泵過膜 動物細胞的胞外液體的鹽濃度與海水相似。但是細胞必須控制細胞內(nèi)離子濃度，防止離子達到有害的高濃度狀態(tài)，有利于一些生化反應的進行。例如，與胞外溶液相比，大多數(shù)動物細胞內(nèi)含有高濃度的鉀離子，但鈉離子濃度較低。這些離子濃度梯度是特定的運輸系統(tǒng)造成的。這個運輸系統(tǒng)是Na+ - K+ 泵或Na+ - K+ ATPase。這個泵對ATP的水解產(chǎn)生了Na+ 主動運出細胞和 K+主動運入細胞所需要的能量，產(chǎn)生離子梯度。只有Na+ 和 K+都存在時，這個泵才能水解ATP，所以稱為Na+ - K+ ATPase。與其它ATPase一樣，該酶需

10、要Mg 2+.,Na+和K+運輸導致自由能變化。假定胞外鈉離子濃度是 143 mM，胞內(nèi)是 14 mM，而胞外鉀離子濃度是4 mM, 胞內(nèi)是157 mM, 跨膜電位是-50 mV，溫度是 37，那么運輸 3 mole Na+到胞外，運輸2 mole K+到胞內(nèi)需要 3 x 5.99 + 2 x 9.46 = + 36.9 kJ/mol。ATP水解能提供 50 kJ/mol來驅(qū)動離子的主動運輸。Na+和K+主動運輸有重大的生理意義。實際上靜止細胞內(nèi)超過1/3的ATP用來驅(qū)動這些離子泵的運轉(zhuǎn)。動物細胞的Na+和K+濃度梯度控制細胞體積，使神經(jīng)元和肌肉細胞被電激活，驅(qū)動糖和氨基酸的主動運輸。,Ca2

11、+ ATPase能夠?qū)a2+從細胞質(zhì)運入肌漿網(wǎng)；胃H+ -K+ ATPase將質(zhì)子泵入胃，使之pH值低于1.0。這些酶和眾多已知的同源物，包括Na+ - K+ ATPase，稱為P-類ATPase，因為它們能形成關鍵的磷酸化中間產(chǎn)物。在形成該中間產(chǎn)物的過程中，ATP提供的磷酸基團與ATPase的一個保守的天冬氨酸殘基的側(cè)鏈形成共價連接。,隨后純化的其它離子泵表明，細菌、古生菌、到所有真核生物都有離子泵蛋白，是一個蛋白大家族。這些離子泵能夠主動運輸特定離子。其中兩個泵有特殊意義。,P-類ATPase將磷酸化和泵構(gòu)象轉(zhuǎn)換偶聯(lián)，實現(xiàn)鈣離子的跨膜運輸 膜泵作用原理簡單，但是作用細節(jié)很復雜?；旧?，每

12、個膜泵蛋白質(zhì)有兩種功能狀態(tài)，即朝向生物膜一側(cè)開放的離子結(jié)合狀態(tài)和朝向生物膜另一側(cè)開放的離子結(jié)合狀態(tài)（圖13.2）。為了在單一方向跨膜運輸離子，自由能的利用必須與泵蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)換偶聯(lián)。,圖13.2 泵作用。用膜泵將一個分子跨膜運輸?shù)氖疽鈭D。泵在兩種構(gòu)型之間相互轉(zhuǎn)換，每種構(gòu)型都有一個離子結(jié)合位點，但是泵的開口分別處于生物膜的不同側(cè)面。,肌肉細胞肌漿網(wǎng)膜有Ca2+ ATPase，這種蛋白占肌漿網(wǎng)膜蛋白總量的80%，在肌肉收縮方面起重要作用。細胞質(zhì)Ca2+濃度迅速提升導致肌肉收縮，而細胞質(zhì)Ca2+迅速運入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)導致細胞質(zhì)Ca2+濃度迅速降低使肌肉松弛。肌細胞肌漿網(wǎng)是儲存Ca2+的特定場所。將細胞質(zhì)Ca2

13、+運入肌細胞肌漿網(wǎng)的是SERCA。這種泵使細胞質(zhì)Ca2+濃度維持在0.1 mM，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的Ca 2+濃度處于1.5 mM水平。,闡明的第一例SERCA結(jié)構(gòu)是有Ca2+結(jié)合，但沒有核苷酸（圖13.3）。SERCA只有一條多肽鏈，大小是110 kD，有一個跨膜區(qū)含有10個a螺旋。這個跨膜區(qū)有兩個Ca2+結(jié)合位點。每個Ca2+能夠與7個氧原子形成配位鍵。這7個氧原子來自多肽鏈的谷氨酸、天冬氨酸、蘇氨酸、天冬酰胺側(cè)鏈基團，多肽鏈骨架的羰基，和水分子。面向細胞質(zhì)的頭部大，相當于整個蛋白質(zhì)質(zhì)量的一半，由三個功能不同的結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。N結(jié)構(gòu)域與ATP結(jié)合，P結(jié)構(gòu)域的保守天冬氨酸接受磷酸，A結(jié)構(gòu)域充當調(diào)解器(ac

14、tuator)，將蛋白質(zhì)N和P結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)變化與這個蛋白的跨膜區(qū)域聯(lián)系起來。,圖13.3 Ca2+泵結(jié)構(gòu)。P-類ATPase成員SERCA的結(jié)構(gòu)。兩個鈣離子（綠色）處于跨膜結(jié)構(gòu)域的中心。保守的天冬氨酸殘基(Asp351)與磷酸基結(jié)合，位于P結(jié)構(gòu)域。bb表示多肽骨架鏈的羰基。,SERCA在結(jié)構(gòu)上明顯處于動態(tài)。圖13.4是沒有與Ca2+結(jié)合，但是P結(jié)構(gòu)域有磷酰天冬氨酸類的SERCA結(jié)構(gòu)。N和P結(jié)構(gòu)域處于磷酰天冬氨酸類似物附近，A結(jié)構(gòu)域發(fā)生明顯的旋轉(zhuǎn)（與已經(jīng)結(jié)合Ca2+的SERCA蛋白相比）。而且，酶的跨膜部分也發(fā)生了重排，Ca2+結(jié)合位點的結(jié)構(gòu)被破壞，Ca2+可以從另一面（處于N, P, 和A結(jié)構(gòu)

15、域反面）與蛋白質(zhì)結(jié)合。,圖13.4 SERCA泵Ca2+時的結(jié)構(gòu)變化。P結(jié)構(gòu)域有磷脂酰天冬氨酸，但沒有結(jié)合Ca2+的SERCA結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與圖13.3的SERCA（已經(jīng)與Ca2+結(jié)合）的結(jié)構(gòu)不同，其跨膜區(qū)(黃色)和A, P, 和N結(jié)構(gòu)域發(fā)生重排。,圖13.5 泵Ca2+過程。Ca2+ATPase通過下列機制運輸Ca2+：(1)蛋白質(zhì)與胞質(zhì)面的Ca2+結(jié)合，(2)ATP結(jié)合，(3)ATP裂解, Asp351磷酸化，(4) 釋放ADP，蛋白翻轉(zhuǎn)，另一面釋放Ca2+，(5)磷酸天冬氨酸水解，(6)蛋白翻轉(zhuǎn)成可以接受細胞質(zhì)Ca2+的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。,SERCA Ca2+泵作用的詳細機制： 1. 起始：酶結(jié)合

16、兩個Ca2+，但蛋白沒有磷酸化。反應前沒有結(jié)合Ca2+的酶稱為E1，結(jié)合了Ca2+的結(jié)構(gòu)稱為E1-(Ca2+)2。這種構(gòu)型的SERCA酶能夠交換Ca2+，但是只局限于膜的細胞質(zhì)這一面。 2. E1結(jié)構(gòu)的酶蛋白與ATP結(jié)合。由于N、P、和A結(jié)構(gòu)域處于結(jié)合ATP位點附近，這些結(jié)構(gòu)域發(fā)生結(jié)構(gòu)重排。但是酶蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域沒有結(jié)構(gòu)變化。Ca2+被俘獲于酶蛋白分子內(nèi)。 3. 磷?；鶑腁TP轉(zhuǎn)移到Asp351. 4. 釋放ADP，酶蛋白的結(jié)構(gòu)（包括跨膜結(jié)構(gòu)域）又發(fā)生變化。新的構(gòu)型稱為E2或E2-P（如果是磷酸化狀態(tài)）。E1和 E2之間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換有時稱為構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(eversion)。E2-P構(gòu)型的酶蛋白，其C

17、a2+離子結(jié)合位點遭到破壞，Ca 2+離子被釋放到膜的另一面，達到了運輸Ca2+離子的目的。其構(gòu)型見圖13.4。 5. 磷酰天冬氨酸發(fā)生水解，釋放無機磷酸。 6. 隨著無機磷酸的釋放，E2構(gòu)型中各種結(jié)構(gòu)域之間的相互作用也不能維持，酶蛋白質(zhì)又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，恢復E1結(jié)構(gòu)。在細胞質(zhì)面結(jié)合兩個Ca2+離子，完成了SERCA運輸Ca2+離子的一個周期。,這種運輸機制適用于其它P-類ATPase。例如，Na+ - K+ ATPase是a2b2四聚體，其a亞基與SERCA同源，含有域Asp351類似的同源天冬氨酸。b亞基不直接參與離子運輸。離子的運輸機制與圖13.5描述的機制相似。E1構(gòu)型結(jié)合胞內(nèi)3個Na+離子

18、，E2構(gòu)型結(jié)合細胞外2個K+。,有些植物的甾體化合物是很強的Na+ - K+ 泵抑制劑(Ki 10 nM)。毛地黃毒苷(digitoxigenin)和哇巴因（ouabain）是這類抑制劑，對心臟影響強烈，稱為強心類固醇。在膜的胞外面使用這些化合物，它們能抑制E2-P型的Na+ - K+ 泵脫磷酸。,洋地黃是從植物的干葉子中獲取的強心膽固醇類混合物。這種化合物能增強心肌的收縮力，是治療充血性心力衰竭（congestive heart failure）的選擇藥物。洋地黃抑制Na+ - K+ 泵使細胞內(nèi)Na+ 濃度較高。Na+濃度梯度降低使Na+ - Ca 2+ 交換器外排Ca 2+ 速度降低。結(jié)果

19、細胞內(nèi)Ca 2+ 濃度增加，促進心肌收縮。有趣的是，在人們發(fā)現(xiàn)洋地黃抑制Na+ - K+泵之前，人們已經(jīng)有很長時間都在有效地利用洋地黃。1785年，英國醫(yī)生William Withering聽說一位Shropshire的老婦人用植物干葉子抽提液治療“積水”疾?。ň褪墙裉斓某溲孕牧λソ撸?。Withering首次對植物干葉子抽提液治療充血性心力衰竭進行科學研究，證實其治療效果。,P-類ATP進化保守、能執(zhí)行很多功能 酵母全基因組序列指出有16個蛋白質(zhì)屬于P-類ATPase 家族。更詳細的序列分析提示，其中兩個蛋白質(zhì)運輸H+，兩個蛋白質(zhì)運輸Ca 2+，三個蛋白質(zhì)運輸Na+，兩個運輸金屬離子（如Cu

20、2+ ）。還有5個蛋白質(zhì)參與頭部帶有氨基的磷脂運輸。這種運輸能夠?qū)⒘字＝z氨酸類磷脂從生物膜的內(nèi)半面運輸?shù)酵獍婷妫S持生物膜的不對稱性。這5種蛋白質(zhì)稱為翻轉(zhuǎn)酶（flippase）。令人印象更深刻的是，人基因組編碼70種P-類ATPase。該蛋白家族的所有成員所采用的機制基本相同。ATP水解提供的能量導致膜蛋白構(gòu)型轉(zhuǎn)化、驅(qū)動生物膜運輸。這種構(gòu)型轉(zhuǎn)化是由于各種蛋白質(zhì)特定的天冬氨酸發(fā)生磷酸化和去磷酸化誘導產(chǎn)生的。,多重藥物抗性顯示具有ATP結(jié)合域的膜泵家族蛋白的重要性 對人類疾病的研究揭示另一個重要的運輸?shù)鞍准易?，其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和運輸機理與P-ATPase家族明顯不同。培養(yǎng)的腫瘤細胞能夠耐受那些起初對

21、細胞毒性很大的藥物。這種細胞有耐藥性后，對其他藥物也有一定程度的抗性。這種現(xiàn)象叫多重藥物抗性。后來發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量為170 kD的膜蛋白質(zhì)表達及其活性水平與多重藥物耐受性密切相關。這種蛋白質(zhì)是依賴于ATP的分子泵，能夠從細胞內(nèi)泵出各種大小的小分子。這個膜蛋白稱為多重藥物抗性蛋白(MDR)或P-糖蛋白。將這種細胞暴露于藥物環(huán)境中，細胞膜的MDR泵能夠?qū)⒓毎麅?nèi)還沒有發(fā)揮作用的藥物泵出細胞。,MDR及其同源蛋白的氨基酸序列分析顯示這些蛋白有共同的結(jié)構(gòu)特征。每個蛋白質(zhì)有四個結(jié)構(gòu)域：兩個結(jié)構(gòu)域跨膜，兩個ATP-結(jié)合域與細菌和古生菌運輸?shù)鞍紫鄳慕Y(jié)構(gòu)域相似。含有這些結(jié)構(gòu)域的運輸?shù)鞍追Q為ABC運輸子?；蚪M序列

22、顯示大腸桿菌有79個ABC運輸子，人類有150多種ABC運輸子。,圖13.7 ABC運輸子。多重藥物抗性蛋白(MRD)是含有兩個跨膜域和兩個ATP結(jié)合域（即ATP結(jié)合盒蛋白ABCs）大家族的代表。,ABC蛋白屬于P-loop NTPase超家族的成員。三維結(jié)構(gòu)已知的ABC運輸子包括霍亂弧菌的脂質(zhì)運輸子(圖13.8)。這個蛋白是62-kD多肽鏈形成的二聚體。每個蛋白質(zhì)的N-端半分子是跨膜區(qū)，C-端半分子是ATP結(jié)合域。與真核MDR蛋白質(zhì)不同，有些ABC蛋白(尤其是原核生物的ABC蛋白)是多亞基蛋白。有些是二聚體，有些是兩種ATP結(jié)合亞基與另外兩種跨膜蛋白亞基形成異源四聚體。而真核生物的一個多肽鏈

23、就包含了原核生物幾種多肽鏈的酶活性。兩種ATP結(jié)合域相互接觸，但是不結(jié)合ATP時兩者的相互作用力不強。,圖13.8 ABC運輸子結(jié)構(gòu)?；魜y弧菌的脂質(zhì)運輸子是ABC運輸子的代表，其結(jié)構(gòu)含有兩個ATP結(jié)合盒（藍色）與P-loop NTPase有關。這個蛋白質(zhì)與P-loop NTPase 一樣含有P-loop(綠色)。周圍的b-鏈和a-螺旋用紫色表示。,ABC運輸子運輸?shù)臋C制,圖13.9 ABC運輸子的作用機制。該機制包括下列步驟：(1)通道口朝向細胞內(nèi)；(2)底物結(jié)合后，ATP結(jié)合域構(gòu)型變化；(3)ATP結(jié)合導致蛋白質(zhì)構(gòu)象進一步改變；(4)兩個跨膜結(jié)合域分離，底物釋放到膜的另一側(cè)；（5）ATP水解

24、恢復運輸子的起始狀態(tài)。,1起始：運輸子既沒有結(jié)合底物，也沒有結(jié)合ATP。運輸子結(jié)合位點可以開放也可以關閉。 2 胞內(nèi)底物進入開放形式運輸子中央洞穴。底物結(jié)合導致ATP結(jié)合域構(gòu)象變化，使之與ATP的親和力增加。 3 ATP與ATP結(jié)合域結(jié)合，蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，使兩個ATP結(jié)合域之間相互作用力加強。 4 這種加強又影響了蛋白質(zhì)兩個跨膜域之間的相互作用，導致底物釋放到細胞外。 5 ATP水解，釋放ADP和無機磷酸，又將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)恢復到起始狀態(tài)。 6. 真核生物ABC運輸系統(tǒng)將胞內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)郊毎?，而原核生物的ABC運輸系統(tǒng)常常將胞外物質(zhì)運輸?shù)郊毎麅?nèi)。細菌有一個特殊的結(jié)合蛋白與ABC運輸子聯(lián)合作用，

25、將底物供給ABC運輸子并刺激細胞內(nèi)ATP水解。這些結(jié)合蛋白存在于細菌細胞的膜間隙。,13.3 乳糖透過酶（lactose permease）是次級運輸子的原型，利用另一物質(zhì)的濃度梯度來驅(qū)動這些次級運輸子。 很多運輸過程不是直接利用ATP水解產(chǎn)生的能量驅(qū)動。次級運輸子逆濃度梯度運送某一離子或分子與另一離子或分子沿濃度梯度流動相偶聯(lián)。將這些運輸?shù)鞍追譃榉聪蜻\輸體(antiporter)，共運送體(symporter)，和單一運送體(uniporter) 。反向運輸體將一種物質(zhì)跨膜的逆濃度梯度運輸與另一種物質(zhì)跨膜的順濃度梯度運輸偶聯(lián)，兩種物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆较蛳喾?。共運送體將一種物質(zhì)跨膜的逆濃度梯度運輸

26、與另一種物質(zhì)跨膜的順濃度梯度運輸偶聯(lián)，但兩種物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆较蛳嗤?。單一運送體與離子通道一樣，能夠?qū)⑻囟ㄎ镔|(zhì)沿著膜兩面的濃度差進行雙向運輸。,圖13.10 反向運輸體、共運送體、和單一傳遞體。次級運輸子能夠?qū)煞N物質(zhì)跨膜反向運輸（反向運輸體，antiporter）、同向運輸（共運送體， symporter），或?qū)我晃镔|(zhì)跨膜雙輸送(單一傳遞體，uniporter)。,次級運輸子普遍存在于細菌、古生菌和真核生物。大腸桿菌基因組編碼160個左右的次級運輸?shù)鞍?。序列比對和親水作圖分析提示這個最大家族的成員有12個跨膜螺旋，來自一種具有六個跨膜螺旋蛋白的基因重復和融合。大腸桿菌乳酸透過酶屬于這一家族的

27、成員。這個運輸子利用H+濃度梯度驅(qū)動細菌攝取乳糖和其它糖類物質(zhì)。細胞氧化燃料分子產(chǎn)生的能量驅(qū)動細胞將胞內(nèi)H+運輸?shù)郊毎?，因此胞外H+濃度高。糖分子自胞外向胞內(nèi)運輸時，乳酸透過酶也將胞外H+運入胞內(nèi)（屬于同向運輸）。H+自胞外向胞內(nèi)順濃度梯度跨膜運輸，能夠釋放自由能。后者能夠驅(qū)動糖逆濃度梯度跨膜運輸。,圖13.11 與乳糖類似物結(jié)合的乳糖透過酶結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的N-端半分子（藍色）和C-端半分子（紅色）的側(cè)視圖（A）和分子底部視圖（從胞內(nèi)朝外看）。這個蛋白結(jié)構(gòu)的兩個半分子之間有一段多肽鏈連接，糖分子底物周圍是蛋白質(zhì)的兩個半分子。,乳糖透過酶分為兩個半分子，每個半分子有六個跨膜a-螺旋。有些螺旋不夠

28、規(guī)則。兩個半分子之間用一段多肽鏈連接。在這個蛋白的結(jié)構(gòu)中，糖分子處于蛋白中心的口袋內(nèi)。這個口袋有一個通道到達細胞內(nèi)。,圖13.12 乳糖透過酶作用機制。起始狀態(tài)的透過酶開口朝外，與細胞外質(zhì)子結(jié)合（1）后，與底物結(jié)合（2）。透過酶反轉(zhuǎn)（3），向細胞內(nèi)釋放底物（4）和質(zhì)子（5），再一次翻轉(zhuǎn)（6）完成一個周期的物質(zhì)運輸。,注意：此圖的5 6步之間劃錯了。,圖13.12顯示共運送體的作用機制，該機制與P-類ATPase和ABC運輸子的運輸機制很相似。 1. 開始：兩個半分子構(gòu)成的底物結(jié)合口袋開口朝向胞外，其構(gòu)型與至今解析出來的底物結(jié)合狀態(tài)不同。胞外質(zhì)子與透過酶的一個殘基（很可能是Glu 269）結(jié)合。

29、 2. 在質(zhì)子化狀態(tài)，透過酶能夠結(jié)合細胞外的乳糖。 3. 結(jié)構(gòu)發(fā)生反轉(zhuǎn)，成為我們所觀測到的蛋白晶體結(jié)構(gòu)。 4. 透過酶將乳糖釋放到細胞內(nèi)。 5. 透過酶將質(zhì)子釋放到細胞內(nèi)。 6. 透過酶反轉(zhuǎn)恢復起始狀態(tài)的構(gòu)型。 注意：在這個運輸過程中，質(zhì)子化位點可能發(fā)生變化。這種翻轉(zhuǎn)機制適用于所有的次級運輸?shù)鞍?，這些蛋白的結(jié)構(gòu)與乳糖透過酶相似。,13.4 特殊通道讓離子迅速跨膜運輸 膜泵（主動運輸）能夠在一秒鐘內(nèi)運輸幾千個離子。離子通道（被動運輸)運輸速度比膜泵快1000倍，接近于水相離子自由擴散的速度。但是離子通道不能簡單地簡單地看作生物膜上離子自由通過的管道，而是具有精細結(jié)構(gòu)和作用機制。在應答環(huán)境變化時離

30、子通道的構(gòu)象受到精確調(diào)節(jié)。 離子通道最重要用途之一是神經(jīng)脈沖（神經(jīng)系統(tǒng)通訊的主要手段）。神經(jīng)脈沖是神經(jīng)元跨細胞膜流動離子產(chǎn)生的電信號。與其他細胞相似，神經(jīng)元胞內(nèi)有高濃度的K+和低濃度的Na+，其離子的跨膜梯度是細胞膜Na+ - K+ ATPase作用所致。細胞膜內(nèi)外離子濃度的比例確定了細胞膜的跨膜電勢差。,靜息細胞膜電位是-60 mV。當膜去極化到一定閾值（如從- 60 mV到- 40mV）就產(chǎn)生一個神經(jīng)沖動，或稱為膜電位作用。在膜電位恢復起始數(shù)據(jù)之前，在極短的時間（毫秒）內(nèi)膜電位達到+30 mV。這種放大的去極化沿著神經(jīng)傳遞到神經(jīng)元終端（圖13.13）。,圖13.13 動作電位。細胞膜的短暫

31、去極化和恢復極化沿神經(jīng)元傳遞信號。,A. Hodgkin和A. Huxley的實驗指出，動作電位來自軸突膜對Na+和K+離子通透性變化，這種變化幅度大，時間短。膜去極化達到一定閾值首先導致膜對Na+通透性突然增加。因細胞膜兩側(cè)存在電位差，Na+進入細胞內(nèi)。鈉離子的進入導致細胞膜去極化，使膜的通透性進一步增加。這種正反饋導致膜電位迅速、大幅度變化，在毫秒內(nèi)從-60mV上升到+30mV。 隨后膜對鈉離子通透性自動降低，對鉀離子通透性加大。鉀離子向細胞外流動，膜電位重新恢復負值。隨著鉀離子的外流，幾毫秒內(nèi)靜息膜電位恢復至-60 mV。沿著神經(jīng)細胞，去極化-重新極化，速度極快。在幾毫秒內(nèi)，你的大腦就能

32、感覺到你腳趾的接觸（刺激）。 動作電位作用模式假定膜上有特定的Na+和K+離子通道。這些通道應答膜電位變化實施開放-關閉。沒有直接檢測工具就建立該模型預測細胞膜有特定性質(zhì)的分子。,膜片鉗電流測定顯示單一通道的活性 1976年Erwin Nehr和Bert Sakmann建立膜片鉗技術。用膜片鉗技術直接證實細胞膜有離子通道。該技術能夠測定一小片細胞膜的離子電導值。用這種技術，直徑為1 mm的透明槍頭壓在一個完整細胞上形成密封。輕輕吸取使膜與槍頭貼附更緊，溶液的電阻達到千兆歐姆。電阻值達到千兆歐姆保證槍頭的電流與槍頭所接觸的細胞膜電流一致。用這種裝置檢測微秒時間內(nèi)經(jīng)過單個通道的離子流動和膜通道的開

33、放與關閉。天然膜環(huán)境（甚至是完整細胞）中一個通道的活性也可以用膜片鉗技術直接觀測。膜片鉗技術首次能夠觀測一個生物分子的作用。隨后發(fā)明了研究一個分子作用的其它研究方法，給生物化學開辟了新的研究領域。,圖13.15 膜片鉗模式。槍頭與小片細胞膜緊密接觸形成高電阻密封（gigaseal）。這種裝置叫細胞接觸模式（cell attached mode）。增加吸力導致細胞膜破裂，結(jié)果是細胞內(nèi)容物和槍頭之間的電阻值降低。通道的活性可以用whole cell mode（全細胞模式）測定。為了將膜制備成切片鉗模式(excised-patch mode)，將槍頭拉離細胞，其細胞質(zhì)面面向介質(zhì)的一片細胞膜可以用膜片

34、鉗槍頭檢測。,圖13.14 用膜片鉗技術檢測單個離子通道，結(jié)果顯示單個通道自進行開放-關閉的轉(zhuǎn)換。,鉀離子通道的結(jié)構(gòu)是很多離子通道結(jié)構(gòu)的原型,膜片鉗技術證實膜有離子通道，人們就開始尋找構(gòu)成這種離子通道的分子。首先從電鰻的發(fā)電器官純化出Na+通道，這種器官有很多形成Na+通道的蛋白質(zhì)?；谶@種通道蛋白能夠與特定的神經(jīng)毒素(tetrodotoxin)結(jié)合，純化Na+通道。Tetrodotoxin從河豚魚中分離，與Na+通道結(jié)合力很強(Ki 1 nM)。成人的致命劑量是10 ng。,分離的Na+通道蛋白是一條260 kD多肽鏈，其cDNA序列已經(jīng)測出。該通道蛋白含有四個內(nèi)部重復，每個重復有相似的氨基

35、酸序列，提示該蛋白在進化中基因重復和差異化。親水性作圖顯示每個重復含有5個疏水區(qū)（S1, S2, S3，S5和S6）和一個富含正電荷的S4區(qū)域，S4區(qū)帶正電荷的氨基酸約占該區(qū)域的1/3。有人提出S1至S6構(gòu)成蛋白質(zhì)跨膜的a-螺旋，其中帶正電荷的S4區(qū)域充當通道的電位傳感器。,K+通道蛋白的純化難度很大。原因是含量低，無高親和配體。在研究果蠅時獲得一突變體，用乙醚麻醉劇烈顫抖?；蚨ㄎ徊⒖寺×诉@個shaker基因。突變體的遺傳缺陷是K+通道蛋白發(fā)生變異。Shaker cDNA編碼的蛋白質(zhì)有70 kD，有4個亞基。每個多肽鏈都含有Na+通道一個重復所含有的S1 S6序列，因此K+通道亞基與Na+通

36、道的重復同源。與這種假定一致，四個K+通道蛋白亞基結(jié)合在一起形成有功能的通道。最近發(fā)現(xiàn)細菌K+通道只含有兩個跨膜區(qū)域，相當于S5和S6片段。這些結(jié)果和其它信息提示S5和S6，包括這兩個片段之間的區(qū)域，實際上形成了K+通道。S1至S4區(qū)域含有開啟通道孔的裝置。圖13.16總結(jié)了這些離子通道之間的序列關系。,圖13.16 離子通道的序列關系。顏色標出了Na+通道，Ca2+通道，和K+通道序列相近的區(qū)域。無論是單一多肽鏈蛋白，如Na+通道，Ca2+通道，還是四聚體蛋白K+通道，每個通道蛋白有相似的四重對稱。,1998年，Roderick MacKinnon等測定了細菌Streptomyces liv

37、idans的 K+通道的x-射線晶體結(jié)構(gòu)。該通道蛋白只含有S5和S6區(qū)域形成的孔道。K+通道是四聚體，每個亞基有兩個跨膜的a-螺旋。四個亞基結(jié)合在一起形成一個孔道（中央呈圓錐形）。,圖13.17 K+通道蛋白的結(jié)構(gòu)。K+通道有四個完全相同的亞基，四聚體成圓錐形朝細胞內(nèi)開口大些（中間圖）。左圖是從細胞內(nèi)向細胞外觀測，顯示各個亞基之間的相互關系。右邊的圖顯示單一亞基的結(jié)構(gòu)。孔道形成區(qū)用灰色表示。,K+通道結(jié)構(gòu)揭示離子特異性的結(jié)構(gòu)基礎 圖13.17 顯示的結(jié)構(gòu)是K+通道處于封閉狀態(tài)的情況。該結(jié)構(gòu)提示這個通道如何運輸K+但不運輸其它離子。通道在胞內(nèi)的口徑是10A，然后收縮成直徑為8A的孔洞。在通道的入

38、口和孔道中央都充滿水分子。沒有脫去外層結(jié)合水分子的K+離子適于這一通道孔徑。這個孔徑的長度約占整個通道的2/3。余下的1/3變得更窄，只有3A。如果要通過這一段，K+必須脫去結(jié)合的水分子。此時K+能與蛋白質(zhì)狹窄通道區(qū)的相關基團相作用。通道結(jié)構(gòu)使離子跨膜的路徑從34A變成12A。溶劑化離子先進入通道前面的區(qū)間，然后與通道蛋白直接相互作用（圖13.18）。,圖13.18 膜通道的路徑。在K+通道內(nèi)與水結(jié)合的K+（藍色）能夠向膜內(nèi)運行22A（孔徑為8A），然后必需脫去結(jié)合的水分子，與孔道蛋白氨基酸殘基的羰基（紅色）相作用，穿過余下的路徑（直徑只有3A的孔道，即黃色區(qū)域）。,圖13.19 K+通道的選

39、擇性過濾裝置。K+與選擇性濾器序列TVGYG肽鍵的羰基相互作用。該濾器處于通道孔徑只有3A區(qū)域。圖中只顯示四亞基通道蛋白的兩個亞基。,要K+去水，就需要其他極性相互作用替代那些K+-水的相互作用?？椎赖南拗菩猿煞质敲總€蛋白亞基的兩個跨膜a-螺旋，尤其是這個區(qū)域的一段五氨基酸殘基區(qū)Thr-Val-Gly-Tyr-Gly (TVGYG)構(gòu)成的通道過濾器，使之具有K+的選擇性。該五氨基酸序列幾乎在所有的K+通道保守，是鑒定K+通道的標志序列。這段保守序列區(qū)域呈伸展狀態(tài)，位置定位是肽鍵的羰基朝向通道，有利于它們與K+相作用。,K+通道對K+的通透性是Na+的100倍。如何達到這樣高度的選擇性？離子半徑

40、超過1.5A的離子不能通過這個狹窄直徑只有3A的通道。但是，Na+的半徑比K+還小，通過這個狹窄通道應該沒有問題。為什么鈉離子也不能通過呢。,關鍵在于離子脫水造成的自由能變化。Na+去水，自由能改變是72 kcal mol-1, K+去水，自由能變化是55 kcal mol-1。K+去水所需要的能量因K+在通道內(nèi)與兩側(cè)的羰基氧原子相互作用獲得補償。但是Na+半徑太小，無法語通道兩側(cè)的羰基氧原子相互作用（圖13.20）。由此，鈉離子脫水的成本太高。鉀離子通道能夠阻止相近的鈉離子通過的原因在于，鈉離子處于水合狀態(tài)，不能通過該通道。,圖13.20 離子選擇性的能量基礎。K+離子脫水所耗費的能量因K+

41、離子與過濾器特異性作用獲得補償。由于Na+離子太小，與這種濾器不能建立這種特異的相互作用而不能補償離子脫水所耗費的能量，因此Na+離子無法通過離子通道。,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)決定這種通道只針對鉀離子。這方面的知識為我們了解鈉離子和鈣離子通道蛋白結(jié)構(gòu)與功能提供了良好的基礎。序列比較和突變研究的結(jié)果顯示鈣離子通道蛋白S5和S6中間的區(qū)域與通道蛋白的鈣離子選擇性有關。鈣通道蛋白有四個亞基，每個亞基的鈣離子選擇區(qū)有一個谷氨酸殘基是離子選擇性的關鍵。相應于鈣離子通道蛋白鈣離子選擇區(qū)的谷氨酸殘基處，Na+離子通道蛋白相應位置分別是天冬氨酸、谷氨酸、賴氨酸、和丙氨酸（即DEKA）。這樣一來，Na+離子通道蛋白就不是四

42、重對稱蛋白。實際上，Na+離子通道蛋白是一條多肽鏈（其他離子通道是四個同一亞基構(gòu)成的蛋白復合物）。Na+離子通道蛋白選擇Na+而不是K+，依靠的是離子半徑。由這些氨基酸殘基和其它殘基構(gòu)建的膜孔只適于Na+或Li+離子通過，而較大的離子如K+則不能通過這個通道。,鉀離子通道的結(jié)構(gòu)說明它能迅速運輸 選擇要求離子與通道結(jié)合緊密，但緊密結(jié)合會降低運輸速度。如何解決這個問題？該通道過濾區(qū)有四個位點可與K+結(jié)合，且它們與K+的親和性相當。K+離子脫去結(jié)合的水，結(jié)合于過濾區(qū)，可以在四個位點移動。隨著后續(xù)的K+進入過濾區(qū)，它們正電荷之間相互排斥，迫使前面的離子向前移動。采用多重結(jié)合機制解決了離子高度選擇性和離

43、子快速移動之間的矛盾。,圖13.21 K+離子運輸模型。,電壓控制的離子通道需要蛋白構(gòu)型發(fā)生變化 有些膜Na+和K+通道由膜電位控制。在跨膜電位差發(fā)生變化時，這些通道的構(gòu)象發(fā)生變化。電壓控制的離子通道除了S5和S6區(qū)域形成的孔道外，還有S1 S4區(qū)域。用X-光晶體衍射已經(jīng)確定了Aeropyrum pernix電壓控制的K+通道的結(jié)構(gòu)（圖13.22）。S1 S4區(qū)域形成的結(jié)構(gòu)域稱為paddles（劃槳），從膜孔核心向外凸出。這些劃槳包括S4片段形成的a-螺旋（帶正電荷氨基酸殘基）。與預期不同，S1 S4區(qū)域不在蛋白質(zhì)區(qū)域內(nèi)，而是躺在膜上。綜合考慮，Roderick MacKinnon等提出了電壓

44、控制的離子通道作用模式（圖13.23）。在關閉狀態(tài)，劃槳躺在“下面”的位置。當膜去極化后，劃槳被拉“起”。在拉起位置，它們將孔道四側(cè)向外拉，提高了濾器的選擇性，并開放離子通道。,圖13.22 電壓控制的K+離子通道結(jié)構(gòu)。（A）從上向下看膜孔。（B）從側(cè)面看膜孔。注意攜帶正電荷的S4區(qū)域（紅色）位于孔底部結(jié)構(gòu)外面。,圖12.23 電壓控制離子通道作用模型。電壓傳感器（即劃槳）處于關閉通道下部，呈“躺下”狀態(tài)（左邊）。膜去極化將這些劃槳經(jīng)過膜“拉起”，將孔道基部拉開，開啟離子通道(右）。,阻塞孔道：球-鏈模型 Na+離子和K+離子通道開放幾毫秒后就得關閉（圖13.24）。用胰蛋白酶處理Na+離子和

45、K+離子通道的細胞質(zhì)側(cè)，膜通道細胞質(zhì)側(cè)發(fā)生水解。當生物膜去極化導致Na+離子和K+離子通道開放后，這種通道就持續(xù)開放（不關閉）。而且，缺乏接近于N-端的42氨基酸的Shaker通道突變體，在膜去極化后開放，不能關閉。加入一段合成肽（天然蛋白N-端的20肽相同）又能封閉該通道。,圖13.24 K+離子通道的失活。N-端區(qū)域?qū)+離子通道關閉尤為重要。 （A）野生的Shaker K+離子通道開放后迅速關閉。（B）缺乏6 46位氨基酸的K+離子通道突變體不能關閉通道。 （C）加入100 mM 合成肽（就是野生蛋白1 20位氨基酸序列），能夠關閉突變型K+離子通道。,這些試驗支持通道失活的球-鏈模型。

46、K+通道N-端20氨基酸形成一個球，處于細胞質(zhì)。用鏈將球與蛋白質(zhì)連接起來。當通道關閉時，球在水溶液中處于自由狀態(tài)。當通道開放時，球能迅速找到互補位點并堵塞之。因此通道開放的時間很短，然后被球塞住。將鏈的長度縮短，能加速球堵塞通道。增加鏈長則降低孔道關閉的速度。因此改變鏈的柔軟性和長度能夠控制孔道開放狀態(tài)所持續(xù)的時間。,圖13.25 通道失活的球和鏈模型。球（灰色）用柔軟的“鏈條”連接。在孔道關閉狀態(tài)，球處于細胞質(zhì)中。去極化導致膜通道開放，也形成了孔道口陽離子球的結(jié)合位點。球移入這個位點導致通道堵塞。,講到此。,乙酰膽堿受體是配體-門控離子通道 神經(jīng)脈沖是神經(jīng)遞質(zhì)(一種小的可擴散分子)跨過突觸的

47、通訊。乙酰膽堿是一種神經(jīng)遞質(zhì)。突觸前細胞膜與突觸后細胞膜之間有寬度達50 nm的間隙，成為突觸間隙(synaptic cleft)。軸突末端的神經(jīng)脈沖導致末端內(nèi)部約300個含有乙酰膽堿的小泡同時外排到突觸間隙(圖13.26)。乙酰膽堿與突觸后細胞膜受體結(jié)合，顯著改變突觸后細胞膜的離子通透性，啟動動作電位。乙酰膽堿與乙酰膽堿受體(即乙酰膽堿-門控離子通道)的結(jié)合，導致離子通道的開放，而該通道開放后對Na+和K+的通透性幾乎相同。,圖13.26 乙酰膽堿和突觸示意圖。,乙酰膽堿受體是受體-門控通道。這類通道不受膜電位控制，而受相應的配體控制。乙酰膽堿與通道蛋白結(jié)合后，通道短暫開放。 Torpedo

48、 marmorata的電器官是進行乙酰膽堿受體研究的良好資源。這種器官有非常豐富的乙酰膽堿受體，密度達到 20000 mm-2。加入非離子型去污劑將膜蛋白溶解，然后用共價交聯(lián)了cobratoxin（從蛇分離的、與乙酰膽堿受體親和力很高的小蛋白質(zhì)）的柱子進行親和層析，純化乙酰膽堿受體。經(jīng)分析鑒定，證實乙酰膽堿受體是五聚體，分別是a2, b, g和d。蛋白質(zhì)分子質(zhì)量是268 kD。這四種亞基跨膜亞基排列成環(huán)，構(gòu)成跨膜通道。,Torpedo marmorata (也稱為electric ray)有一種電器官富含乙酰膽堿受體。,隨后克隆這些亞基(50 58 kD)的cDNAs并測定了它們的核苷酸序列，

49、結(jié)果顯示這些亞基有明顯的序列相似性。這四個亞基a,b, g和d來自同一祖先基因，經(jīng)過基因重復和差異化形成的。每個亞基有一個很大的胞外結(jié)構(gòu)域。胞外結(jié)構(gòu)域的C-端是跨過脂質(zhì)雙層膜的疏水區(qū)域。乙酰膽堿結(jié)合于a-g和a-d的界面。用電子顯微鏡觀測純化的乙酰膽堿受體，結(jié)果顯示該蛋白約呈五重對稱。這種結(jié)構(gòu)與這種蛋白質(zhì)的五個組成亞基均相似的情況一致（圖13.27）。,圖13.27 乙酰膽堿受體的結(jié)構(gòu)。每個亞基有一個大的胞外結(jié)構(gòu)域(該結(jié)構(gòu)域主要是b-鏈)，四個跨膜a-螺旋，和一個處于胞內(nèi)的a-螺旋。側(cè)面觀測(A)，胞外向?？子^測(B)。,通道開放的基礎： 直接比較通道在封閉和開放狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)可以回答這個問題。

50、但是沒有相應的結(jié)構(gòu)。冷凍電子顯微圖譜(cryoelectron micrographs)顯示乙酰膽堿與胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合導致蛋白結(jié)構(gòu)改變，這種改變啟動排列在膜上的a-螺旋發(fā)生旋轉(zhuǎn)?？缒-螺旋的氨基酸序列顯示，螺旋中有小的極性或中性（絲、蘇、甘）和大的非極性（亮、異亮、苯丙）氨基酸構(gòu)成交替的脊(ridges)。在封閉狀態(tài)，大的氨基酸殘基占據(jù)通道，形成一種壓得很緊的疏水環(huán)。實際上，每個亞基在關鍵位置有一個Leu。乙酰膽堿與受體蛋白結(jié)合，可能導致膜蛋白別構(gòu)旋轉(zhuǎn)跨膜螺旋的排列，使小氨基酸殘基的側(cè)鏈排列在孔道內(nèi)。此時孔道較大、極性更大，適于Na+和K+通過。,圖13.28 乙酰膽堿受體的開放。電子顯微重構(gòu)

51、的乙酰膽堿受體結(jié)構(gòu)截面圖。左邊是封閉型，右邊是開放型(與圖13.27的結(jié)構(gòu)一致)。M1, M2, M3, 和M4表示每個亞基的四個跨膜a-螺旋。與乙酰膽堿受體結(jié)合后冰凍20ms觀測通道蛋白開放的結(jié)構(gòu)(截面圖)。開放狀態(tài)M2螺旋沿著亞基的長軸旋轉(zhuǎn)了15度,通道變大。,動作電位將幾種離子通道活性整合 配體-門控通道與離子門控通道如何聯(lián)合作用產(chǎn)生一種精細的生理應答？ 平衡電位（equilibrium potential) ：假定膜將兩種溶液分開，而這兩種溶液含有不同濃度的陽離子X+ 。假定X+in和X+out不同，離子通道開放允許X+跨膜移動，則X+會從濃度高的一側(cè)(A)向濃度低的一側(cè)(B)轉(zhuǎn)移。若

52、有其它電荷的一種靜電作用力阻止這種濃度差異驅(qū)動的離子移動，在某一時刻兩種作用達到平衡。平衡狀態(tài)的電位可以用能斯特（Nernst equation)方程表述： Veq = -(RT/zF)ln(X+in/X+out) = -2.303(RT/zF)log10(X+in/X+out) 其中R是氣體常數(shù)，F(xiàn)是法拉利常數(shù)，z是離子X所帶的電荷（如+1表示X+)。,圖13.29 平衡電位。當離子濃度梯度驅(qū)動離子移動的力與電荷形成的反作用力相等時，膜電位達到平衡。,處于平衡狀態(tài)的膜電位稱為平衡電位。例如，Na+胞內(nèi) = 14 mM, Na+胞外 = 143 mM, 在37的平衡電位是+62 mV。類似地，

53、K+胞內(nèi) = 157 mM, K+胞外 = 4 mM, 平衡電位是 - 98 mV。沒有刺激，神經(jīng)元靜止狀態(tài)的膜電位是 - 60 mV。這個數(shù)值接近于K+的平衡電位，因為少量的K+離子通道處于開放狀態(tài)。,現(xiàn)在考慮產(chǎn)生動作電位時出現(xiàn)的情況。 起先，相鄰細胞釋放乙酰膽堿。乙酰膽堿與受體結(jié)合，離子通道開放，但時間不超過1毫秒。乙酰膽堿受體構(gòu)成的離子通道允許Na+和K+通過，Na+流入細胞，K+流出細胞。若沒有其它事情發(fā)生，膜電位就降至Na+和K+平衡電位的平均值，即- 20 mV。 當膜電位達到 - 40 mV時，Na+通道的電壓感應劃槳拉入膜，Na+通道開放。此時Na+迅速進入細胞。膜電位迅速接近

54、Na+平衡電位。此時，(1)啟動這一系列事件的乙酰膽堿受體關閉了自己的離子通道；(2) Na+離子通道的球結(jié)構(gòu)域開始堵塞通道，Na+離子流降低；(3) K+離子通道的電壓感應劃槳也因膜電位的改變被拉入膜(比Na+大約慢1 ms)。結(jié)果，膜電位迅速下降至K+平衡電位。,膜電位迅速下降至K+平衡電位時，K+通道受自身的球狀結(jié)構(gòu)域堵塞，K+流動停止，膜電位恢復起始狀態(tài)。劃槳躺置，K+通道關閉，球狀塞子釋放。這些事件沿著神經(jīng)元細胞膜發(fā)生，即神經(jīng)傳導。 在這個過程中，電流是多少？這個問題可以從兩個方向回答。首先，典型的神經(jīng)細胞每平方微米有100個Na+通道。膜電位是+ 20 mV時，每個通道每秒運輸107離子。因此1ms時間內(nèi)1平方微米面積的膜上通道大約能轉(zhuǎn)移105離子。假定細胞體積是104 mm3，其表面積是104 mm2，離子流動導致胞內(nèi)Na+濃度增加的幅度不超過1%。這會咋樣？這會產(chǎn)生顯著的動作電位。因為膜電位對電荷分布非常細微的改變都非常敏感。這種靈敏度使動作電位成為長距