《生理學(xué)》 （二）電壓門控通道

應(yīng)用類似的技術(shù)，在80年代還陸續(xù)克隆出幾種重要離子（如Na+、K+和Ca2+等離子）的電壓門控通道，它們具有同化學(xué)門控能道類似的分子結(jié)構(gòu)，但控制這類通道開放與否的因素，是這些通道所在膜兩側(cè)的跨膜電位的改變；也就是說，在這種通道的分子結(jié)構(gòu)中，存在一些對跨膜電位的改變敏感的基團(tuán)或亞單位，由后者誘發(fā)整個信道分子功能狀態(tài)的改變。

在動物界，除了一些特殊的魚類，一般沒有專門感受外界電刺激或電場改變的器官或感受細(xì)胞，但在體內(nèi)有很多細(xì)胞，如神經(jīng)細(xì)胞和各種肌細(xì)胞，在它們的細(xì)胞膜中卻具有多種電壓門控通道蛋白質(zhì)，它們可由于同一細(xì)胞相鄰的膜兩側(cè)出現(xiàn)的電位改變而再現(xiàn)通道的開放，并由于隨之出現(xiàn)的跨膜離子流而出現(xiàn)這些通道所在膜的特有的跨膜電位改變。例如，前述的終板膜由Ach門控通道開放而出現(xiàn)終板電位時，這個電位改變可使相鄰的肌細(xì)胞膜中存在的電壓門控式Na+通道和K+通道相繼激活（即通道開放），出現(xiàn)肌細(xì)胞的所謂動作電位；當(dāng)動作電位在神經(jīng)纖維膜和肌細(xì)胞膜上傳導(dǎo)時，也是由于一些電壓門控通道被鄰近已興奮的膜的電變化所激活，結(jié)果使這些通道所在的膜也相繼出現(xiàn)特有的電變化。由此可見，電壓門控通道所起的功能，也是一種跨膜信號轉(zhuǎn)換，只不過它們接受的外來刺激信號是電位變化，經(jīng)過電壓門控通道的開閉，再引起細(xì)胞膜出現(xiàn)新的電變化或其他細(xì)胞內(nèi)功能變化，后者在Ca2+通道打開引起膜外Ca2+內(nèi)流時甚為多見。

根據(jù)對Na+、K+、Ca2+三種離子的電壓門控通道蛋白質(zhì)進(jìn)行的分子結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)它們一級結(jié)構(gòu)中的氨基酸排列有相當(dāng)大的同源性，說明它們屬于同一蛋白質(zhì)家族，與之有關(guān)的mRNA在進(jìn)化上由同一個遠(yuǎn)祖基因演化而來。圖2-8是與體內(nèi)動作電位(見后)產(chǎn)生至關(guān)重要的Na+通道在膜內(nèi)結(jié)構(gòu)的模式圖,它主要由一個較大的α-亞單位組成，分子量約260kd；有時還另有一個或兩個小分子量的亞單位，分別稱為β1和β2。但Na+通道的主要功能看來只靠α-亞單位即可完成。這個較長的α-單位肽鏈中包含了4個結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)域（domain,每個結(jié)構(gòu)域大致相當(dāng)于上述Ach門控通道中的一個亞單位，但結(jié)構(gòu)域之間由肽鏈相連，是一個完整的肽鏈，應(yīng)由一個mRNA編碼和合成），而每個結(jié)構(gòu)域中又各有6個由疏水性氨基酸組成的跨膜α-螺旋段（圖示2-8，A）；這4 個結(jié)構(gòu)域及其所包含的疏水α-螺旋，在膜中包繞成一個通道樣結(jié)構(gòu)（圖2-8，B）?，F(xiàn)已證明，每個結(jié)構(gòu)域中的第4個跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特點，即每隔兩個疏水性氨基酸，就再現(xiàn)一個帶正電荷的精氨酸或賴氨酸；這些α-螺旋由于自身的帶電性質(zhì)，在它們所在膜的跨膜電位有改變時會產(chǎn)生位移，因而被認(rèn)為是該通道結(jié)構(gòu)中感受外來信號的特異結(jié)構(gòu)，由此再誘發(fā)通道“閘門”的開放；還有實驗提示，每個結(jié)構(gòu)域中的第2、第3個α-螺旋構(gòu)成了該通道水相孔道的“內(nèi)壁”；據(jù)測算，水相孔道內(nèi)徑最窄處橫斷面積約為0.3×0.5nm差不多剛能通過一個水化的Na+(圖2-8,B)。

圖2-8 電壓門控Na+通道的分子結(jié)構(gòu)示意圖

A：構(gòu)成電壓門控Na+通道的α-亞單中的4個結(jié)構(gòu)以及每個結(jié)構(gòu)域中6個

α-螺旋在膜中存在形式平面 ～P表示磷酸化位點

B：4個結(jié)構(gòu)域及其α-螺旋形成通道時的相對位置