离子通道

离子通道是允许离子通过通道孔的成孔膜蛋白。它们的功能包括建立静息膜电位，通过控制穿过细胞膜的离子流来塑造动作电位和其他电信号，控制穿过分泌细胞和上皮细胞的离子流，以及调节细胞体积。离子通道存在于所有细胞的膜中。离子通道是两类离子载体之一蛋白质，另一种是离子转运蛋白。

离子通道的研究通常涉及生物物理学、电生理学和药理学，同时使用电压钳、膜片钳、免疫组织化学、X射线晶体学、荧光透视和RT-PCR等技术。它们作为分子的分类被称为通道组学。

离子通道有两个显着特征，可将它们与其他类型的离子转运蛋白区分开来：

1. 通过通道的离子传输速率非常高（通常每秒106个离子或更高）。
2. 离子通过通道沿着其电化学梯度下降，这是离子浓度和膜电位的函数，“下坡”，没有代谢能量的输入（或帮助）（例如ATP、协同转运机制或主动转运机制）。

离子通道位于所有可兴奋细胞和许多细胞内细胞器的膜内。它们通常被描述为狭窄的、充满水的隧道，只允许一定大小和/或电荷的离子通过。这种特性称为选择渗透性。原型通道孔在其最窄处只有一两个原子宽，并且对特定种类的离子（例如钠或钾）具有选择性。然而，一些通道可能对不止一种类型的离子具有渗透性，通常共享一个共同的电荷：正（阳离子）或负（阴离子））。离子通常以单个文件的形式通过通道孔段的速度几乎与离子通过自由溶液的速度一样快。在许多离子通道中，通过孔的通道由“门”控制，该“门”可以响应化学或电信号、温度或机械力而打开或关闭。

离子通道是完整的膜蛋白，通常由几个单独的蛋白质组装而成。这种“多亚基”组装通常涉及相同或同源蛋白质的圆形排列，它们紧密地围绕着穿过膜或脂质双层平面的充满水的孔。对于大多数电压门控离子通道，成孔亚基称为α亚基，而辅助亚基称为β、γ等。

因为通道是神经冲动的基础，并且因为“递质激活”通道介导跨突触的传导，所以通道是神经系统中特别重要的组成部分。事实上，生物体已经进化出许多毒素来关闭捕食者和猎物的神经系统（例如，蜘蛛、蝎子、蛇、鱼、蜜蜂、海蜗牛等产生的毒液）通过调节离子通道电导和/或动力学。此外，离子通道是多种生物过程中的关键组成部分，这些过程涉及细胞的快速变化，例如心脏、骨骼和平滑肌收缩，营养物质和离子的上皮转运、T细胞活化和胰腺β细胞胰岛素释放。在寻找新药时，离子通道是一个常见的目标。

仅在内耳的细胞中就有超过300种离子通道。离子通道可以根据其门控的性质、通过这些门的离子种类、门（孔）的数量和蛋白质的定位进行分类。

当具有不同组成亚基的通道产生特定类型的电流时，离子通道的进一步异质性就会出现。一种或多种通道亚基类型的缺失或突变可导致功能丧失，并可能导致神经系统疾病。

离子通道可以通过门控来分类，即打开和关闭通道。例如，电压门控离子通道的打开或关闭取决于质膜上的电压梯度，而配体门控离子通道的打开或关闭取决于配体与通道的结合。

电压门控离子通道响应膜电位而打开和关闭。

• 电压门控钠通道：这个家族至少有9个成员，主要负责动作电位的产生和传播。成孔α亚基非常大（最多4,000个氨基酸），由四个同源重复结构域(I-IV)组成，每个结构域包含六个跨膜区段(S1-S6)，共24个跨膜区段。该家族的成员还与辅助β亚基共同组装，每个亚基跨越一次膜。α和β亚基都被广泛糖基化。
• 电压门控钙通道：该家族包含10个成员，尽管已知这些成员与α2δ、β和γ亚基共同组装。这些通道在将肌肉兴奋与收缩以及神经元兴奋与递质释放联系起来方面发挥着重要作用。α亚基与钠通道具有总体结构相似性，并且同样大。
  • 精子的阳离子通道：这个小通道家族，通常称为Catsper通道，与双孔通道有关，与TRP通道关系较远。
• 电压门控钾通道(KV)：该家族包含近40个成员，进一步分为12个亚家族。这些通道主要因其在动作电位后细胞膜复极化中的作用而闻名。α亚基有六个跨膜片段，与钠通道的单个结构域同源。相应地，它们组装成四聚体以产生功能通道。
• 一些瞬时受体电位通道：这组通道，通常简称为TRP通道，以其在果蝇光转导中的作用命名。这个家族至少有28名成员，其激活方法非常多样化。一些TRP通道似乎是组成型开放的，而其他通道则由电压、细胞内Ca2+、pH、氧化还原状态、渗透压和机械拉伸门控。这些通道也根据它们通过的离子而变化，一些对Ca2+具有选择性，而另一些则选择性较低，充当阳离子通道。该家族根据同源性细分为6个亚家族：经典（TRPC）)、类香草素受体(TRPV)、褪黑激素(TRPM)、多囊蛋白(TRPP)、粘脂素(TRPML)和锚蛋白跨膜蛋白1(TRPA)。
• 超极化激活的环核苷酸门控通道：这些通道的打开是由于超极化而不是其他环核苷酸门控通道所需的去极化。这些通道对环核苷酸cAMP和cGMP也很敏感，它们会改变通道开口的电压敏感性。这些通道对单价阳离子K+和Na+是可渗透的。该家族有4个成员，均形成六跨膜α亚基的四聚体。由于这些通道在超极化条件下打开，它们在心脏中起到起搏通道的作用，特别是SA结。
• 电压门控质子通道：电压门控质子通道随去极化打开，但对pH值非常敏感。结果是这些通道只有在电化学梯度向外时才会打开，这样它们的开口只会让质子离开细胞。因此，它们的功能似乎是从细胞中挤出酸。在“呼吸爆发”期间，吞噬细胞（例如嗜酸性粒细胞、嗜中性粒细胞、巨噬细胞）中出现了另一个重要功能。当细菌或其他微生物被吞噬细胞吞噬时，NADPH氧化酶在膜中组装并开始产生活性氧(ROS)有助于杀死细菌。NADPH氧化酶是产电的，在膜上移动电子，并且质子通道打开以允许质子通量以电平衡电子运动。

也称为离子型受体，这组通道响应特定配体分子与受体蛋白的细胞外结构域结合而打开。配体结合导致通道蛋白结构的构象变化，最终导致通道门打开和随后的离子流穿过质膜。此类通道的示例包括阳离子可渗透的“烟碱”乙酰胆碱受体、离子型谷氨酸门控受体、酸感应离子通道(ASIC)、ATP门控P2X受体和阴离子可渗透γ-氨基丁酸门控GABA一个受体。

由第二信使激活的离子通道也可归入这一组，尽管配体和第二信使在其他方面彼此不同。

这组通道响应于与通道的跨膜结构域结合的特定脂质分子而打开，该跨膜结构域通常靠近质膜的内叶。磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)和磷脂酸(PA)是控制这些通道的最佳特征脂质。许多泄漏钾通道由脂质门控，包括内向整流钾通道和两个孔域钾通道TREK-1和TRAAK。KCNQ钾通道家族由PIP2门控。电压激活钾通道(Kv)由PA调节。PA水解后，其激活中点移动+50mV，接近静息膜电位。这表明Kv可以通过独立于电压的脂质水解打开，并且可以将该通道限定为双脂质和电压门控通道。

门控还包括来自细胞膜内部的第二信使的激活和失活，而不是像配体那样来自细胞外部。

• 一些钾通道：
  • 内向整流钾通道：这些通道允许钾离子以“内向整流”方式流入细胞：钾更有效地流入细胞而不是流出细胞。该家族由15个正式成员和1个非正式成员组成，根据同源性进一步细分为7个亚家族。这些通道受细胞内ATP、PIP2和G蛋白βγ亚基的影响。它们参与重要的生理过程，例如心脏中的起搏器活动、胰岛素释放和神经胶质细胞中的钾摄取。它们仅包含两个跨膜片段，对应于KV和KCa的核心成孔片段渠道。它们的α亚基形成四聚体。
  • 钙激活钾通道：该通道家族由细胞内Ca2+激活，包含8个成员。
  • 串联孔域钾通道：这个由15个成员组成的家族形成了所谓的泄漏通道，它们显示出Goldman-Hodgkin-Katz（开放）整流。与其通用名称“双孔域钾通道”相反，这些通道只有一个孔，但每个亚基有两个孔域。
• 双孔通道包括配体门控和电压门控阳离子通道，之所以如此命名，是因为它们包含两个成孔亚基。顾名思义，它们有两个毛孔。
• 像通道视紫红质这样的光门控通道是由光子直接打开的。
• 机械敏感离子通道在拉伸、压力、剪切和位移的影响下打开。
• 环核苷酸门控通道：这个通道超家族包含两个家族：环核苷酸门控(CNG)通道和超极化激活的环核苷酸门控(HCN)通道。这种分组是功能性的，而不是进化的。
  • 环状核苷酸门控通道：该通道家族的特点是被细胞内cAMP或cGMP激活。这些通道主要可渗透一价阳离子，例如K+和Na+。它们对Ca2+也是可渗透的，尽管它起到关闭它们的作用。这个家庭有6个成员，分为2个亚科。
  • 超极化激活的环核苷酸门控通道
• 温度门控通道：瞬时受体电位离子通道超家族的成员，例如TRPV1或TRPM8，在高温或低温下打开。

• 氯化物通道：这个通道超家族由大约13个成员组成。它们包括ClC、CLIC、Bestrophins和CFTR。这些通道对小阴离子没有选择性；然而，氯离子是最丰富的阴离子，因此它们被称为氯离子通道。
• 钾通道
  • 电压门控钾通道，例如Kvs、Kirs等。
  • 钙激活钾通道，例如BKCa或MaxiK、SK等。
  • 内向整流钾通道
  • 双孔域钾通道：这个由15个成员组成的家族形成了所谓的泄漏通道，它们显示出Goldman-Hodgkin-Katz（开放）整流。
• 钠通道
  • 电压门控钠通道(NaVs)
  • 上皮钠通道(ENaCs)
• 钙通道(CaVs)
• 质子通道
  • 电压门控质子通道
• 非选择性阳离子通道：这些非选择性允许多种类型的阳离子，主要是Na+、K+和Ca2+，通过通道。
  • 大多数瞬时受体电位通道

离子通道也根据其亚细胞定位进行分类。质膜约占细胞总膜的2%，而细胞内细胞器则包含98%的细胞膜。主要的细胞内区室是内质网、高尔基体和线粒体。根据定位，离子通道分为：

• 质膜通道
  • 示例：电压门控钾通道(Kv)、钠通道(Nav)、钙通道(Cav)和氯离子通道(ClC)
• 细胞内通道，进一步分为不同的细胞器
  • 内质网通道：RyR、SERCA、ORAi
  • 线粒体通道：mPTP、KATP、BK、IK、CLIC5、Kv7.4在内膜，VDAC和CLIC4作为外膜通道。

一些离子通道按其对刺激的反应持续时间进行分类：

• 瞬时受体电位通道：这组通道，通常简称为TRP通道，以其在果蝇视觉光转导中的作用命名。这个家族至少有28个成员，其激活机制多种多样。一些TRP通道保持组成性开放，而其他通道则由电压、细胞内Ca2+、pH、氧化还原状态、渗透压和机械拉伸门控。这些通道也根据它们通过的离子而变化，有些对Ca2+有选择性而另一些则是选择性较低的阳离子通道。该家族根据同源性细分为6个亚家族：经典TRP(TRPC)、香草素受体(TRPV)、褪黑素(TRPM)、多囊蛋白(TRPP)、粘蛋白(TRPML)和锚蛋白跨膜蛋白1(TRPA)。