第1期 闫晓辉等:细胞膜通道与同步辐射 决车图体停不的的能置的付图线在适合开放状态下生长Mh通道,两者结构有所 不相同 不同,KcAK+通道的内螺旋是直的并且在膜的内 Fg6 One-dimensional electron density p profiles of the表面扭绞在一起形成一束,在孔道处的直径窄小到 channels that crystals grown in the presence of different3.5A,并且排列有疏水的氨基酸,形成了 个K Cl concentrations, the peaks show the possible positions of 通过的障碍,表现出了关闭的形态15。而MthK的 内螺旋在孔道处有一个铰链点,内螺旋可以在这点 13门控 弯曲、张开,形成一种开放的形态16。在大多数的 门控是离子通道的另一个重要组成部分,是靠K+通道内螺旋都有一个保守的氨基乙酸的铰链点, 近孔道的一个区域,它控制着离子通道的开关。离如图8中箭头所指,内螺旋可以在这点开、关,使 子通道在一定的刺激下打开,让离子通过。使离子通道开放或关闭。 通道开关的方式有许多不同的类型,如电压控制 ( Voltage gated),配基控制( Ligand gated)等等 电压控制通道是通过“电压传感器”(一种蛋白质) 把电场能量转换成机械能,配基控制通道是把配位 基束缚的能量转换成机械能。所以离子通道的门控 就是使开关部分和孔道部分通过电能一机械能或化 学能一机械能的转化而连接起来 333 图8离子通道的开和关的构造图,左面的为 KCSA K+通道, 处在关闭状态,右图是MtK处于打开状态 Fig 8 Closed and opened conformations of the pore closed pore conformation of Kcsa (left) and the opened conformation of Mthk (right) 2水通道 对于水通道的研究可追溯到19世纪中叶,人们 已经肯定在细胞膜上有开关,水和盐可以通过。在20 世纪50年代,通过对于水通过细胞膜机制研究,发 现有两种方式:一种是扩散,这需要高的激活能 Ea>l0 kcal/mol:另一种就是水流快速通过细胞膜伴 随着低的激活能,Eax<5 kcal/mol,和水分子在液体中 运动的激活能接近,根据这种运输机制提出了一种假 说,即存在水分子通道。在随后的研究中,发现了这 种水分子通道的特性:选择性,除HO外,其它小分 子,离子和HO是不能通过的;水在通道中是双向 传输的。但是它的结构并不被人所知。人们曾通过氨 基酸序列解析和辐射靶分析等方法来探索水分子通 道的结构,逐步了解到了水通道结构的一些特性。 0.5 min mIn 3.5 min 图7K+在过滤器中的传输周期示意图(a),K+在传输过程 中八个和六个配位氧原子的示意图(b) Fig.7 The throughput cycle for K ions(a), the structures of K ion exhibit coordination by eight and six oxygen 通过研究另一种K+通道MthK的结构4,并 和 KCSA K+通道结构进行比较,可以清楚地看到 这两种离子通道的开关是通过结构的变化来实现的 (见图7)。在适合通道关闭的状态下结晶KcsA和图9上图显示注射了AOP1的 Xenopus卵母细胞在低渗透 性的媒质中快速的膨胀,下图为没有注射AQP1的卵母细胞第 1 期 闫晓辉等：细胞膜通道与同步辐射 5 图(  为电子密度)，峰值表示的是离子可能所处的位置，在 不同浓度下生长的晶体中的 K+所占据的位置不同，曲线也 不相同 Fig.6 One-dimensional electron density  profiles of the K+ channels that crystals grown in the presence of different KCl concentrations, the peaks show the possible positions of the ion 1.3 门控 门控是离子通道的另一个重要组成部分，是靠 近孔道的一个区域，它控制着离子通道的开关。离 子通道在一定的刺激下打开，让离子通过。使离子 通道开关的方式有许多不同的类型，如电压控制 （Voltage gated），配基控制（Ligand gated）等等。 电压控制通道是通过“电压传感器”（一种蛋白质） 把电场能量转换成机械能，配基控制通道是把配位 基束缚的能量转换成机械能。所以离子通道的门控 就是使开关部分和孔道部分通过电能—机械能或化 学能—机械能的转化而连接起来。 图 7 K+在过滤器中的传输周期示意图(a)，K+在传输过程 中八个和六个配位氧原子的示意图(b) Fig.7 The throughput cycle for K ions (a), the atomic structures of K ion exhibit coordination by eight and six oxygen atoms (b) 通过研究另一种 K+通道 MthK 的结构[14]，并 和 KcsA K+通道结构进行比较，可以清楚地看到， 这两种离子通道的开关是通过结构的变化来实现的 （见图 7）。在适合通道关闭的状态下结晶 KcsA 和 在适合开放状态下生长 MthK 通道，两者结构有所 不同，KcsA K+通道的内螺旋是直的并且在膜的内 表面扭绞在一起形成一束，在孔道处的直径窄小到 3.5 Å，并且排列有疏水的氨基酸，形成了一个 K+ 通过的障碍，表现出了关闭的形态[15]。而 MthK 的 内螺旋在孔道处有一个铰链点，内螺旋可以在这点 弯曲、张开，形成一种开放的形态[16]。在大多数的 K+通道内螺旋都有一个保守的氨基乙酸的铰链点， 如图 8 中箭头所指，内螺旋可以在这点开、关，使 通道开放或关闭。 图 8 离子通道的开和关的构造图，左面的为 KcsA K+通道， 处在关闭状态，右图是 MthK 处于打开状态 Fig.8 Closed and opened conformations of the pore. The closed pore conformation of KcsA (left) and the opened pore conformation of MthK (right) 2 水通道 对于水通道的研究可追溯到 19 世纪中叶，人们 已经肯定在细胞膜上有开关，水和盐可以通过。在20 世纪 50 年代，通过对于水通过细胞膜机制研究，发 现有两种方式：一种是扩散，这需要高的激活能 Ea 10 kcal/mol；另一种就是水流快速通过细胞膜伴 随着低的激活能，Ea5 kcal/mol，和水分子在液体中 运动的激活能接近，根据这种运输机制提出了一种假 说，即存在水分子通道。在随后的研究中，发现了这 种水分子通道的特性：选择性，除 H2O 外，其它小分 子，离子和 H3O+是不能通过的；水在通道中是双向 传输的。但是它的结构并不被人所知。人们曾通过氨 基酸序列解析和辐射靶分析等方法来探索水分子通 道的结构，逐步了解到了水通道结构的一些特性。 图 9 上图显示注射了 AQP1 的 Xenopus 卵母细胞在低渗透 性的媒质中快速的膨胀，下图为没有注射 AQP1 的卵母细胞 (a) (b) 0.5 min 1.5 min 2.5 min 3.5 min