核技术 第27卷 Water channel Cell membrance lon channel Cell 图1这是一幅细胞壁的示意图,它并不是一个封闭的球壳,而是有很多不同的孔道贯穿着它,这些孔道具有选择性,只能 使某种粒子或者分子通过,如同图中左图的水通道和右图的离子通道 Fig 1 Schematic architecture of membrane. It is not an impervious shell, on the contrary, it is perforated by various channels. Many of these are specially adapted to one specific ion or molecule and do not permit any other type to pass. here to the left we see a water channel and to the right an ion channe 1离子通道( lon channel) 道研究的一个重大突破,我们可以通过这种K+通 道来了解离子通道的一些特性 早在19世纪末德国物理化学家 Wilhlm ostwald 通道实际上是使K*快速扩散通过细胞膜 曾提出离子可以携带电信号通过细胞膜的观点。的一种蛋白质,在自然界中有很多种K+通道,如 20世纪20年代科学家提出了细胞膜中存在着某种脊椎动物和无脊椎动物的电压控制K+通道,脊椎 离子通道的设想。在20世纪50年代初,英国科学动物的Ca2+激发K+通道。所有K+通道的功能蛋 家 Hodgkin1和Hey在对神经元的信号传递进白质都是一个四聚体,包含有四个相同的亚基,通 行研究时,发现了Na、K+就像接力棒一样在神经过疏水分析,可以把K+通道分成两类,一类是每 细胞中传递着信息。在这一时期的研究中,发现了个亚基包含有两个跨膜片段,另一类是每一个亚基 离子通道的一些重要功能,如快速输运、选择性(特包含有六个跨膜片段。 KCSA K+通道属于前一类 别有趣的是K+通道对于Na+和K+离子有非常精确这两类K+通道结构有所不同,采用不同的开关机 的选择性,Nat的半径明显小于K+,但是Na却制,但是它们有着极其相似的离子渗透特性:(1) 不能通过K+通道)、单向传导性和开关性,但真正所有K+通道具有相同的选择顺序K+≈Rb+>Cs+ 的机制依然保持神秘。在随后的研究中,科学家应而对于Na+和Li+的渗透率都非常低,对于K+的渗 用生物物理技术,继续探索离子通道的各个组成部透率至少是Na+的10倍,高达每秒10个离子 分,认识到选择过滤器( Selectivity filter,,或称过滤(2)在K+通道中,离子队列单向地在它狭长的孔 器)和门控( Gating)是两个不同的组成部分10;道传递12),因此也被称为“长孔通道”。另外,所有 同时对于离子输运的研究,也取得了快速进展。到K+通道都可以被四乙胺TEA离子阻断。分子克隆 20世纪90年代中期,命名为Pop的离子通道家与变异实验证实了所有K+通道本质上有着相同的 族成员的选择过滤器和门控在细胞膜上的位置己经孔道结构,都有关键性保守氨基酸序列一K+通道 很清楚了,即过滤器靠近细胞膜外表面,而门控靠的信号序列,这些氨基酸突变则会破坏K+通道分 近细胞膜的内表面,也已经知道是过滤器中氧原子辨K+和Na+的能 恰当的排列决定了离子通道的选择性l但是进 K+通道能够精确区分 Pauling半径为1.3A 步证实很困难,这需要知道通道蛋白质高分辨率的的K+和095A的Na+,选择K+的精确度是Na 结构,但是由于膜蛋白的结构复杂,晶体生长的难的104倍,显示了它的选择特性;同时K+通道对 度大,不易生长出较大晶体,由常规ⅹ射线晶体学于K+有着接近扩散极限的通过率。高选择性意味 方法很难得到高分辨率的结构。直到 R. MacKinnon着K+与通道之间有很强的相互作用,但强的相互 用同步辐射ⅹ射线衍射方法,才第一次得到了一种作用和高通过率似乎又是矛盾的,这两方面如何在 来自细菌( Streptomyces lividans,结构相对简单的K+通道得到统一,是了解K+通道离子传输特点的 KCSA K+通道高分辨率的结构叫。这是对于离子通2 核 技 术 第 27 卷 图 1 这是一幅细胞壁的示意图，它并不是一个封闭的球壳，而是有很多不同的孔道贯穿着它，这些孔道具有选择性，只能 使某种粒子或者分子通过，如同图中左图的水通道和右图的离子通道 Fig.1 Schematic architecture of membrane. It is not an impervious shell, on the contrary, it is perforated by various channels. Many of these are specially adapted to one specific ion or molecule and do not permit any other type to pass. Here to the left we see a water channel and to the right an ion channel 1 离子通道（Ion channel） 早在19世纪末德国物理化学家Wilhlm Ostwald 曾提出离子可以携带电信号通过细胞膜的观点[7]。 20 世纪 20 年代科学家提出了细胞膜中存在着某种 离子通道的设想。在 20 世纪 50 年代初，英国科学 家 Hodgkin[8]和 Huxley[9]在对神经元的信号传递进 行研究时，发现了 Na +、K+就像接力棒一样在神经 细胞中传递着信息。在这一时期的研究中，发现了 离子通道的一些重要功能，如快速输运、选择性（特 别有趣的是K+通道对于Na +和K+离子有非常精确 的选择性，Na +的半径明显小于 K+，但是 Na +却 不能通过 K+通道）、单向传导性和开关性，但真正 的机制依然保持神秘。在随后的研究中，科学家应 用生物物理技术，继续探索离子通道的各个组成部 分，认识到选择过滤器（Selectivity filter，或称过滤 器）和门控（Gating）是两个不同的组成部分[10]； 同时对于离子输运的研究，也取得了快速进展。到 20 世纪 90 年代中期，命名为 P-loop 的离子通道家 族成员的选择过滤器和门控在细胞膜上的位置已经 很清楚了，即过滤器靠近细胞膜外表面，而门控靠 近细胞膜的内表面，也已经知道是过滤器中氧原子 恰当的排列决定了离子通道的选择性 [11]。但是进一 步证实很困难，这需要知道通道蛋白质高分辨率的 结构，但是由于膜蛋白的结构复杂，晶体生长的难 度大，不易生长出较大晶体，由常规 X 射线晶体学 方法很难得到高分辨率的结构。直到 R. MacKinnon 用同步辐射 X 射线衍射方法，才第一次得到了一种 来自细菌（Streptomyces lividans），结构相对简单的 KcsA K+通道高分辨率的结构[4]。这是对于离子通 道研究的一个重大突破，我们可以通过这种 K+通 道来了解离子通道的一些特性。 K+ 通道实际上是使 K+快速扩散通过细胞膜 的一种蛋白质，在自然界中有很多种 K+通道，如： 脊椎动物和无脊椎动物的电压控制 K+通道，脊椎 动物的 Ca2 +激发 K+通道。所有 K+通道的功能蛋 白质都是一个四聚体，包含有四个相同的亚基，通 过疏水分析，可以把 K+通道分成两类，一类是每 个亚基包含有两个跨膜片段，另一类是每一个亚基 包含有六个跨膜片段。KcsA K+通道属于前一类。 这两类 K+通道结构有所不同，采用不同的开关机 制，但是它们有着极其相似的离子渗透特性：（1） 所有 K+通道具有相同的选择顺序 K+ ≈Rb +  Cs +， 而对于 Na +和 Li +的渗透率都非常低，对于 K+的渗 透率至少是 Na +的 104 倍，高达每秒 108 个离子。 （2）在 K+通道中，离子队列单向地在它狭长的孔 道传递[12]，因此也被称为“长孔通道”。另外，所有 K+ 通道都可以被四乙胺 TEA 离子阻断。分子克隆 与变异实验证实了所有 K+通道本质上有着相同的 孔道结构，都有关键性保守氨基酸序列─K + 通道 的信号序列，这些氨基酸突变则会破坏 K+通道分 辨 K+和 Na +的能力。 K+通道能够精确区分 Pauling 半径为 1.33 Å 的 K+和 0.95 Å 的 Na +，选择 K+的精确度是 Na + 的 104 倍，显示了它的选择特性；同时 K+ 通道对 于 K+有着接近扩散极限的通过率。高选择性意味 着 K+与通道之间有很强的相互作用，但强的相互 作用和高通过率似乎又是矛盾的，这两方面如何在 K+通道得到统一，是了解 K+通道离子传输特点的