离子通道研究进展
陆亚宇（江苏教育学院生物系）
指导老师：戴谷（江苏教育学院生物系）
摘要：随着对离子通道研究的逐步深入, 各种研究方法都暴露出一定的局限性. 目前, 对于离子通道的研究工作进入了一个新阶段,即对不同方法的综合应用阶段,这不仅有助于人们在分子水平上认识离子通道的结构和功能的关系,也为不同领域的科学家提供了更多的合作机会.首先介绍了离子通道理论及实验研究方法, 并分析了各种研究方法综合应用的必要性,展望了这一领域的发展前景及其所面临的挑战性问题.并介绍最新的全自动膜片钳技术及其最新进展,它具有直接性、高信息量及高精确性的特点。近来在多个方面作出新的突破,如高的实验通量表现,较高的自动化程度、良好的封接质量、微量加样等。目前,该技术在以离子通道为靶标的药物研发,药物毒理测试以及虚拟药筛等方面有广阔的应用前景。全文对全自动膜片钳仪器的原理和技术细节作简单介绍。并简单介绍最新的关于K+通道在烟草中的发现，并对利用现代生物技术手段提高烟叶含钾量进行了展望。
关键字：离子通道; 实验方法; 全自动膜片钳；钾离子通道
前言：
细胞是通过细胞膜与外界隔离的,在细胞膜上
有很多种离子通道（如右图）,细胞通过这些
通道与外界进行离子交换。离子通道在许多细
胞活动中都起关键作用,它是生物电活动的基
础,在细胞内和细胞间信号传递中起着重要作
用。随着基因组测序工作的完成,更多的离子
通道基因被鉴定出来,离子通道基因约占 1 .
5% ,至少有400个基因编码离子通道。相应的
由于离子通道功能改变所引起的中枢及外周疾
病也越来越受到重视。
离子通道的实验研究最初主要来源于生理学实
验。1949～1952年, Hodgkin等发展的“电压钳
技术” 为离子通透性的研究提供技术条件。60
年代中期,一些特异性通道抑制剂的发现为离
子通道的研究提供有力武器。1976年Neher和
Sakmann发展的膜片钳技术直接记录离子单通
道电流,为从分子水平上研究离子通道提供直
接手段。80年代中期,生化技术的进步,分子生物学以及基因重组技术的发展,使人们能够分离纯化许多不同的通道蛋白,直接研究离子通道的结构与功能关系。
通道结构和功能的研究日益成为电生理学、分子生物学、生物化学、物理学等多学科交叉的热点问题.对离子通道进行研究,传统的实验方法是电压钳技术、膜片钳技术等电生理学研究方法[; 传统的理论方法主要包括PNP模型和布朗动力学模型, 伴随计算机技术的迅猛发展和X 射线晶体衍射图谱技术在离子通道研究中的应用, 以及Mackinnon 等用X 射线晶体衍射技术成功解析出多个高分辨率离子通道三维空间结构,使得人们得以使用分子动力学模拟和量子化学计算等模拟在分子水平认识离子通道结构和功能的关系;随着分子生物学快速发展,又出现了定点突变技术、人工膜离子通道重建技术等实验技术手段本文中,笔者将
重点介绍目前应用较为广泛的实验及理论研究方法, 并在讨论综合研究重要性的基础上展望这一领域的发展前景及其所面临的挑战.
正文：1 离子通道研究的实验方法及优缺点[1]
1 . 1技术实现原理Nani on公司的PatchL iner NPCk
2 16 ,MolecularDevices公司的I onworks HT和PatchXp ress 7000A全部采用的是平板微阵列技术。其技术特点如下:在平板电极上打磨或者使用金属离子轰击成孔,每孔都是大小均一的直径约1～2 μm的小孔,每个小孔下面有电极连接到放大器,可对实验过程中的电流变化进行记录。将细胞悬浮液加载到平板玻璃孔上,通过调节压力和吸力,一个细胞便可以自动定位在小孔上(相当于微管电极的尖端) ,自动进行封接,自动判断封接并进一步施加负压破膜以进行全细胞模式实验〔。Flyi on公司采用的是翻转膜片钳技术,全部操作过程由软件设定机器人完成。流程如下:机器人自动将细胞注入Fli p ti p微管( Fly2i on公司专利技术) ,然后自动把细胞冲洗到管尖底部,在负压的吸引下形成传统的吉欧封接。自动判断封接形成是否良好并自动破膜形成全细胞模式。随后,药物化合物等可以被自动应用到管内进行全细胞模式实验。这种方式形成的膜片钳完全排除显微镜和显微操作,从而革命性的实现膜片钳技术的全自动化〔7, 8〕。各自的膜片钳实现原理(见图1)。图1
多种膜片钳技术实现的原理及过程图示
( a) 传统膜片钳:移动玻璃微电极至选定的细胞膜上;
( b) 平板微阵列膜片钳:通过负压的作用把自动细胞摆放在微电极记录尖端;
( c) 翻转膜片钳:细胞从管顶端注入微管内部并被冲到管底。
1 . 2封接的质量问题一般而言,能达到1G Ω以上的封接都能够满足当前研究需要。Flyi on公司的全自动膜片钳机器人所采用的Fli p ti p微管技术在试验中封接数值一般分布在1～10G Ω范围内,封接的成功率在70% ～90%并且对近20个细胞系有效(如CHO, L929,JurkatCHL,LTK, HEK293)。较高的成功率和封接质量源于使用玻璃管式的微管技术,因为传统的玻璃管在烧熔过程中具有超洁净、超光滑、高阻抗和低成本的特性,至今还没
有任何材料可以替代。PatchL iner NPCk2 16和PatchXp ress 7000A都采用的是16孔玻璃平板微阵列技术,在通常的情况下也对多个细胞系达到吉欧封接,一般地实验成功几率在60%～80%左右。但是I onworks HT在封接质量上面表现有待提高,它采用的是384孔的塑料平板微阵列技术,试验中平均封接阻值一般在100～200MΩ左右。但由于其采用PPC ( Populati on PatchClamp)技术,即同时对多个细胞进行膜片钳试验然后取均值作为一个细胞的实验结果,这样达到较高的实验成功率(最高可达90%左右) ,但是却以更高的消耗为代价。
1 . 3通量表现调查显示,大部分用户希望能够获得20000数据点/天(8h工作日时间)。目前的制药公司在进行药物粗筛时,一般要达到50～100万数据点/天,而且在未来5年内这一数值还会进一步提高。根据目前的全自动膜片钳系统通量来看,其主要适合于小规模或者中等规模的药物筛选。目前市场上通量表现最高的膜片钳仪器为3000数据点/天( I onworksHT)。其他的几款仪器通量分别为: Flyscreenm8500300～1000 /天, PatchL iner NPCk
2 16 250 /天, PatchX2p ress 7000A 1000 /天。
1 . 4 各款仪器的其它优点除上述共同特征之外,这四款仪器还有各自的优点。Flyscreenm8500在药物微量加样方面表现非常优秀,每次加样体积最低可以控制在5 μL左右,极大的有利于节省珍贵或者稀有药物;其膜片钳的工作方式除全细胞膜片钳方式外,还有穿孔膜片钳方式,且能稳定工作约30min左右; Fli p ti p微管采用统一化的标准工业生产,管尖电阻值稳定在019 ±8 4011MΩ左右,并且阻值大小和微管形状能够根据客户的意愿进行定制。PatchL iner NPCk
2 16在快速换液和微量加药方面同样表现很突出,膜片钳的工作方式是全细胞膜片钳,该系统在易用性上表现良好。但是该仪器在试验中所使用的耗材玻璃平板芯片需要每隔一小段时间进行手工替换,因此在全自动的性能表现方面还需要提高。I onworks HT是目前市场上面通量表现最高的仪器,且由于其独特的“PPC” 技术,在实验的成功率方面表现也很优秀。PatchXp ress 7000A的通量表现和实验数据质量方面也是表现良好。
2 离子通道研究的理论方法及优缺点[2]
2. 1 泊松- 能斯特- 普朗克模型( Poisson Nernst Planck model, PNP 模型)
在欧姆定律、胡克定律、Poisson 方程和Nernst Planck 方程的基础上,以连续体理论为基本出发点,通过求解PNP 耦合方程来得到通道系统的离子浓度、电势和通道内的离子流,这就是PNP 模型.作为最早用于模拟离子通道通透机制的理论模型, PNP 模型形式简单,而且第一次考虑了通道的实际形状、通道内蛋白残余电荷的多少和位置、通道两端的电势差和离子浓度差等, 具有一定的进步意义. 但PNP模型具有下列局限性:
1)不能准确计算表面诱导电荷及其引起的自由能势垒;
2)不仅忽略了离子与通道间的相互作用,而且没有考虑离子与离子间的相互作用.而对于离子通道而言,离子与通道间的相互作用是不能被忽略的,这就使得PNP 模型的准确性令人怀疑
2. 2 布朗动力学模型( Brow nian dynamics model, BD 模型)
离子通道的BD 模型把离子在通道内的行为看作是随机动力学行为,把离子看作布朗粒子,这样离子通过通道的行为就可以通过求解Langev in 方程得以描述,而且与实验结果符合得比较好.尽管应用BD 模型得到了比较理想的结果,但BD 算法也存在如下缺陷:
1)BD 模型是建立在一系列假设基础之上的, 且计算过程中的有些参数需要借助于其他模型来提供;
2) BD 模型将水与蛋白质边界看作是刚性的.而事实上,通道蛋白在介导粒子进出的过程中不
可能是静态的.
2. 3 分子动力学方法( molecular dynamics methods, MD 方法)20 世纪80 年代, 人们开始应用MD 方法模拟生物大分子体系的动力学行为MD方法以牛顿第二定律为基础,采用多体势的负梯度描述系统中其他粒子对某个粒子的作用.MD 方法应用到离子通道领域具有以下优势:
1)可以计算通道的PMF( potent ial of mean force) ;
2) 计算同价离子选择性机制的同时还能估算扩散系数和水的介电常数; 用MD 模型得到的有关离子通道选择性与通透性的结果与实验符合得很好
其局限性表现在:
1)不能直接计算得到通道的电导率;
2) 耗时长,对计算机的计算速度要求很高
3) 不能考虑电子间的相互作用.而对于离子通道系统,电子间的相互作用是不能被忽略的. 2. 4 量子化学计算方法( quantum chemist ry calculation methods)
量子化学计算方法是一种应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的计算方法. 应用量子化学计算方法不仅可以研究稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系,还可以研究分子与分子之间的相互作用和相互碰撞等问题. 目前常用的量子化学计算方法主要有从头算、半经验方法和密度泛函理论( densi ty funct ional theory, DFT) .从头算有严谨的理论支持且计算结果比较精确可靠, 所以应用广泛. 但由于要计算分子的全部积分,计算量非常大,约是N 4( N 为体系的电子数目) .当遇到蛋白质等大分子体系时,计算更加耗时, 计算代价几乎无法承受半经验算法是在从头算基础上直接引用一些实验参数或忽略一些计算量极大、但对计算结果影响较小的积分求解薛定鄂方程.计算时间问题虽得以解决, 但由于要引入实验参数参与计算,故主要用于大体系的第1 步运算而难于处理复杂体系的中间体和过渡态,并且其计算结果具有定性、半定量的特点. 密度泛函理论采用泛函( 以函数为变量的函数) 对薛定鄂方程进行求解, 由于密度泛函包涵了电子相关,所以对分子性质的定性描述一般优于自洽场从头算,甚至可以与多体微扰理论MP 媲美. DFT 的另一优点是其计算量仅约正比于N 3,不是从头算的N 4, 也不是MP 的N 6~ N 8,因此DFT 越来越普遍地被用于计算分子和晶体的性质. DFT 总共包括B3L YP 和P86L YP 等11 种方法.
3离子通道实验成果
3.1烟草钾离子通道研究进展[3]
植物吸收K+涉及到质膜上的钾转运蛋白，钾转运蛋白分为两类：K+通道和高亲和K+转运体，其中K+通道是主要的K+吸收途径。
K+通道是一种跨膜蛋白，广泛存在于各种细胞膜上，它的结构与功能研究是生命科学交叉领域中研究最活跃的分支之一。
烟叶K+不仅参与烟叶生理生化反应和提高烟株抗逆性，还对烟草的可燃性有明显作用，与烟叶香吃昧及卷烟制品安全性有密切关系；但是我国北方烟区的土壤含钾量普遍较低，烟叶含钾量大都不足2%，直接影响到烟叶的产量和品质。
国内学者曾采用施用钾肥和改进栽培方法等措施来提高烟叶含钾量，但均未得到显著改善。钾营养在分子生物学方面的研究已引起重视。将外源K+通道基因导入烟草，获得钾高效利用型转基因烟草株系，研究证明外源K+通道基因的导入不仅可提高肥料钾和土壤缓效态钾的利用率，而且可显著提高烟叶的含钾量，使烟草产量和品质得到较大幅度的改良；茅野充男等
通过分子技术将拟南芥的K+通道基因转移至烟株中，使其吸钾能力明显提高，地上部含钾
量提高18%～22%。
因此，可通过现代生物技术改良烟草钾营养，用基因工程技术将K+通道和高亲和K+转运体蛋白基因转入烟草中，使之高效表达，进而提高烟叶含钾量。
烟草虽然是模式植物，但对于其本身的K+通道研究很少，所以可围绕烟草的K+吸收机制，重点研究烟草的K+通道的调控。
第一，在基础研究方面，可更深一步地揭示K+转运机制；
第二，在烟草应用方面，把分子水平的生理功能跟目前的栽培技术结合起来,可提高钾肥利用率，缓解我国钾肥贫瘠现状。在生产应用上，采用可能提高钾含量的基因构建基因构件，使其能调控烟叶的基因表达；再经分子生物学方法鉴定分离，通过改善细胞代谢环境，调控细胞离子通道系统，筛选高钾含量烟草。采用上述方法，能显著提高烟叶的钾含量，如扩大筛选规模，可获得含钾量更高的烟叶。另外，采用转基因的方法导入K+通道基因，可提高烟草抗逆性。总之，目前可从烟草本身出发克隆出K+通道，研究受哪些物质调控、以及这些通道之间是如何协调运行的。烟草K+通道的研究具有广阔的发展空间。
3.2心脏氯离子通道研究进展[4]
在正常生理状态下，由于细胞内外cr的非对称性分布，Ia．和Ia．都呈现外向整流特性．cl 一通道激活会增加动作电位的复极化，从而缩短动作电位时程。而且，cl一通道电流对去极化的影响会受到大的背景钾通道电流的抵消。对Ic'LpKA等cl一通道来讲，其主要的生理作用就是减小由肾上腺隶受体激发引起的I“带来的动作电位时程延长，同时，通过缩短复极时间+可使心率加快。在心肌低血钾引起心率失常、背景钾电导减小的情况下，cl一电流会导致明显的动作电位去极化，从而引起心脏异常节律以及早期后去极化的发展。这些cr通道的作用已经在实验中得到证实。最近，Io,v0,类似的作用也得到了实验的验证II 。Ia，vd和Id，任何一个的激活都有利于心律失常的发展，这是由于膜电位的去极化造成动作电位时程的缩短。尽管在正常生理状态下Ia．“也具有外向整流特性，但其对动作电位和细胞静息电位的影响与IcL．vd和1a．有很大差别
因为Id 的通道动力学特征主要由细胞内钙的瞬时变化决定Ia．“对心脏舒张下的膜电位几乎没有影响，因为在静息状态细胞内钙的浓度很低但在细胞内钙瞬间释放时，会导致瞬时外向Ia，“的激活。细胞内钙浓度减小可控制Ia．对动作电位早期复极化贡献的大小。在细胞内钙过载时，细胞内钙的瞬间释放会引起Ia．c．的快速增加而导致心律失常，井引起延迟的后去极化。心脏中cl一通道的另一个重要的生理作用是维持细胞容积的动态稳定。1a．和I - 都可能参与细胞体积的调节(Wang等，1997)由于心脏cl一通道的激活能对动作电位的时程和节律性产生很大的影响，这些通道在临床上可能与多种心肌疾病有关。特异性cl一通道拮抗剂与目前使用的第三类抗心律失常药物即心肌钾通道阻断剂的作用相似，可延长心肌的不应期，可能有助于防止恶性心律失常和赛发性心脏猝死。当存在缺氧、心肌肿胀或局部心肌缺血引起内源性儿茶酚胺释放时，PKA调节的cl一通道的作用显得尤为重要。这些疾病伴随着严重的动作电位时程缩短，尽管通常是由K 通道的参与引起，但也有1 的作用(Ruiz等，1996) 机械性和牵拉性心率失常的过程可能有Ia．x ，Id．和Id，vd的参与(Franz等，1996)。实验表明，用N0 替代cl一可防止再灌注和局部缺血引起的心律失常。9-AC和SITS可防止心肌缺血一再灌注引起的损伤。
现在的研究结果(Curtis等，1993)进一步说明心肌缺血一再灌注损伤的保护，的确有cl一通道的参与。而且有的研究结果表明这种保护作用涉及PKC的分布改变和磷酸化过程Il 。因此，1a 很可能与此保护作用有关。最心脏杂志(Chin Heart J)2000．12(6)近，有人提出以控制细胞容积变化激活或介导的膜电流为目标，开展抗局部缺血引起的心律失常研究的新的观点(Wright等，1997)。在肥大的心肌中始终存在激活的cr电流(Beni{ah等，l997)，9-AC可明显延长肥大细胞动作电位的时程，对比组正常心肌无此现象。我们在几乎无氯([c1]。／
[c1]．一1．8mmol／L／2．5 mmol／I )及异丙肾上腺素存在状态下，发现9-AC仍能明显延长肥豚鼠心室肌动作电位时程，因此．9-AC的这种作用与抑制C1一关系不大}]，可能是通过别的机制“]。在犬心动过速引起充血性心律失常的模型中，也发现一种类似Ict．w的持续性激活的c|_电流。。3 结论和展望在过去的十年中，心脏c1通道的研究经历了一次重新发现和快速发展的时期，无论在通道功能研究还是在其基因和蛋白分子结构方面都取得了重要进展。
目前心脏中的cr．电流至少有6种，它们可能由4种不同的基因编码。尽管研究得到了很多有意义的结果．但心脏cr_通道的研究还远远落后于其他阳离子通道。随着分子生物学和电生理方法的结合，离子通道结构和功能的关系可望得到进一步的揭示，也必定能极大促进心脏中cr通道研究的发展。心脏中CLC和CFTR C1一通道的eDNA克隆使心脏中cr通道的结构和功能研究成为可能。由于这些通道结构上的非对称性和复杂性，研究的难度很大，需要大量的工作。而且．由于心脏中存在多种Cr通道，对不同通道目前缺乏特异性药理学工具，即使现有的阻断剂也存在特异性不强的问题r2“。
因此．不断探索新的实验方法区分不同的通道，并进一步研究其生理功能和调节方式也是一项重要的工作。
另外，心脏cr通道的研究可借鉴其他细胞cr通道的研究成果，特别是对CIC和CFTRcr通道的研究。心脏cr_通道研究的临床意义已经得到初步的揭示。但仍需要进一步研究人心脏中的c1通道的分布、种类和功能，并建立针对c1一通道研究的动物模型和数据分析模型，进一步明确心脏cr．通道的生理和病理作用
参考文献:
[1]刘玉芝离子通道研究新动向 河北师范大学学报/ 自然科学版/
[2]曹小于二○○ 七年·第二期仪器评介离子通道研究技术的最新进展
[3]曲平治中国烟草科学2009，30（2）：74-80 烟草钾离子通道研究进展
[4]张晓东心脏杂志(ChinHeart Jj 0。2(6) 心脏氯离子通道研究进展
锂硫电池的研究现状 近年来，随着不可再生资源的逐渐减少，清洁能源的利用逐渐得到重视，而电池作为储能装置也受到越来越多的考验。锂硫电池与传统的锂离子电池相比，优势主要在于硫的高比容量，单质硫的理论比容量为1600mAh/g ，理论比能量2600Wh/kg。并且硫是一种廉价且无毒的原材料。而与此同时，硫作为锂电池的正极材料也存在着诸多问题[1]： 1、单质硫以及最终放电产物都是绝缘的，如果与正极中掺入的导电物质结合不好，就会导致活性物质不能参与反应而失效； 2、单质硫在反应过程中会生成长链的聚硫化物离子S n2-，这种离子容易溶解在电解液中，并与锂负极反应，产生“穿梭效应”，引起自放电并使库伦效率降低； 3、在每次放电过程结束之后，都会有一些Li2S2/Li2S沉淀在正极上，并且这些不溶物随着循环次数的增加，在正极表面发生团聚，并且正极结构也会发生变化，导致这部分活性物质不能参与电化学反应而失效，并且使电池的内阻增加； 4、硫正极随充放电的进行会产生约22%的体积变化，从而导致电池物理结构破坏而失效。 针对硫作为正极材料的种种弊端，研究者们分别采用了多种方法予以解决，其中将硫与碳材料复合的研究较多。针对几种典型方法，分别举例介绍如下：一、石墨烯-硫复合材料 Wang等人采用石墨烯包覆硫颗粒的方法制作复合材料电极[2]。如图1所示，他们首先采用化学方法制备了硫单质，并利用一种特殊的表面活性剂Triton X-100在硫颗粒的表面修饰了一些PEG高分子，然后再用导电炭黑和石墨烯的分散液对硫颗粒进行包覆。这种方法的优点在于：首先，石墨烯和导电炭黑具有优异的导电性能，可以克服硫以及硫反应产物绝缘的问题；第二，导电炭黑、石墨烯和PEG高分子对硫颗粒进行了包覆，可以解决硫在电解液中溶出的问题；第三，PEG高分子具有一定的弹性，可以在一定程度上缓解体积变化带来的影响。 二、碳纳米管-硫复合材料 Zheng等人用AAO做模板制备了碳纳米管阵列[3]，随后将硫加热使其浸入到碳纳米管中间，然后将AAO模板去掉，得到碳纳米管-硫复合材料，如图2所示。这种方法的优点在于碳纳米管的比表面积大，有利于硫化锂的沉积。并且长径比较大，可以较好地将硫限制在管内，防止其溶解在电解液中。碳纳米管的导电性好管壁又很薄，有利于离子导通和电子传输。同时，因为制备过程中先沉积硫，后去除模板，这样有利于使硫沉积到碳管内，减少硫在管外的残留，从而防止这部分硫的溶解。
万方数据
１９０生命科学第１９卷 ６条染色体，大鼠位于第５条染色体。ＣＦＴＲ分布广泛，许多器官，如肺、肝、胰腺、肠、生殖腺等的细胞膜中都有表达，尽管称为氯离子通道，但还涉及到其他一价阴离子的运输，由于生理条件下氯离子最为重要，故称为氯离子通道。 图１ＣＦｌＲ型氯离子通道推测的结构模型１２】 ＭＳＤ：跨膜结构域；ＮＢＤ：核苷酸结合结构域；Ｒ：调节结构域；ＰＫＡ：ｃＡＭＰ依赖的蛋白激酶 ＣＦＴＲ是一种跨膜蛋白质，较难获得理想的晶体，至今未获得完整的结构图像，但由于它属于ＡＢＣ家族，而ＡＢＣ家族的部分成员结构已经阐明，因此，根据序列比对推测得到了ＣＦＴＲ的结构（图１）。最近获得了ＣＦＴＲ的一般晶体结构，使用电子显微镜初步获得了它的空间结构，与真核生物另一个ＡＢＣ家族成员Ｐ．糖蛋白在结构上具有相似性【５１，说明了推测的合理性。现在可以肯定的是ＣＦＴＲ由５个功能结构域组成：两个跨膜结构域（ｍｅｍｂｒａｎｅ— ｓｐａｎｎｉｎｇｄｏｍａｉｎｓ，ＭＳＤ）ＭＳＤ１和ＭＳＤ２；两个核苷酸结合结构域（ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ－ｂｉｎｄｉｎｇｄｏｍａｉｎｓ，ＮＢＤ）ＮＢＤｌ和ＮＢＤ２；一个调节结构域Ｒ。这些结构域中两个ＭＳＤ形成了选择性氯离子通道，两个ＮＢＤ结构域调节了氯离子通道的门控性，而Ｒ基团的磷酸化控制了通道活性【：】。 ２ＣＦＴＲ的调节机制 两个六跨膜结构域ＭＳＤｌ和ＭＳＤ２共同构成了对氯离子具有选择性的通道，通道最狭窄部位的直径为０．５３—０．６０ｎｍ，在正常情况下，被其他大的阴离子或调节结构域Ｒ阻断；当胞内氯离子浓度升高激活了ｃＡＭＰ依赖的蛋白激酶最终可使通道打开，通过这种方式而有效调节了通道的开闭。此 外，胞外的氯离子浓度也可以影响通道的门控，它 的浓度升高也可以促进通道的打开【６１。和其他ＡＢＣ蛋白不同的是ＣＦＴＲ允许氯离子双向通透，而不是定向转运【７】。两个ＭＳＤ的部分氨基酸构成了对氯离子的选择性运输，如带有正电荷Ｋ９５、Ｒ１３４、Ｒ３３４、Ｋ３３５、Ｒ３４７和Ｒ１０３０在物种间具有高度保守性，它们的突变会影响到通道对氯离子的通透性【ｚ】，由于ＣＦＴＲ完整结构还未阐明，因此对氯离 子的选择性分子机理也还未完全阐明。 Ｃ网ｔ的门控性则主要由两个ＮＢＤ来调节，对它们的研究则最为详细。ＮＢＤ含有大量高度保守的序列，每一个ＮＢＤ结构域都含有一个保守的磷酸结合环（被称为Ｐ环或ＷａｌｋｅｒＡ基序），此外还含有保守的ｗａｌｋｅｒＢ基序和ＬｓＧＧＱ基序，推测这些结构域对于ＡＴＰ的结合和水解发挥着重要作用【扪。 很早就发现√册的结合是通道打开所必需的［４】，ＡＴＰ的结合和随后的水解有效的调节了通道的门控，而最近研究发现ＡＤＰ可以抑制通道的打开【８】。ＮＢＤｌ和ＮＢＤ２都含有ＡＴＰ结合结构域，同时具有ＡＴＰ酶活性，可以通过水解ＡＴＰ的方式来驱动通道的打开。在这个过程中需要大量ＡＴＰ，但氯离子通道主要介导的是氯离子的被动运输，因此不应该耗费太多能量，研究人员最新发现ＮＢＤ除了具有ＡＴＰ酶活性外，还具有腺苷酸激酶活性，腺苷酸激酶主要催化ＡＴＰ＋伽仰?—＋２ＡＤＰ的反应，因此尽管需要大量的ＡＴＰ，但在生理条件下是腺苷酸激酶活性而不是ＡＴＰ酶活性主要调节了门控，因此并不耗费太多能量【９】。 那么两个ＮＢＤ如何在ＡＴＰ的驱动下实现对氯离子通道的门控作用的呢？Ⅺｄｄ等【１０１研究表明，当两个结构域单独存在时，ＡＴＰ酶活性较低，而只有当两者形成二聚体才时可以有效增加酶活性，特别是Ｖｅ穆ａＩｌｉ等【ｌｌ】最近发现，当ＮＢＤｌ和ＮＢＤ２独立存在时，氯离子通道关闭，当形成紧密结合的二聚体后氯离子通道打开，并且形成二聚体的过程需要ＡＴＰ，因此ｊ旧驱动的两个ＮＢＤ结构域的紧密二聚体化是离子通道打开的前提【１２】，从而实现将ＡＴＰ水解和通道的门控作用有机结合【１３】。那么形成的二聚体中两个结构域的功能是否相同呢？研究发现，两个结构域都可以和ＡＴＰ结合，但只有ＮＢＤ２可以水解ＡＴＰ促使通道的打开，说明两个结构域通过各自的机制完成了ＡＴＰ水解和门控的偶联过程【?引。 相对于ＡＢＣ家族的其他成员，ＣＦｌＲ是唯一已 万方数据
一、国内外研究动态、选题依据和意义 锂离子电池是20世纪70年代以后发展起来的一种新型储能电池。由于其具有高能量、寿命长、低能耗、无公害、无记忆效应以及自放电小、内阻小、性价比高、污染少等优点，锂离子电池在逐步应用中显示出巨大的优势，广泛应用于移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、电动汽车、储能、航天等领域。[1]锂离子电池主要由正极、负极、和电解质溶液等组成。电极材料是决定锂离子电池的整体性能水平的关键。电解质溶液的性质、组成和浓度也是决定锂离子电池充放电性能的重要因素，对于锂离子电池的制备工艺也起重要的作用。锂离子电池正极、负极和电解质材料的研究是整个锂离子电池研究领域的重点，备受世界的重视。[3] 在第215届电化学会议中，新型电极材料仍是锂离子电池的研究热点之一，与传统正极材料LiMn204、LiCoO2、LiMnPO4相比，LiFePO4正极材料所特有的安全性能引起了人们的重视。其中粘结剂作为非导电的活性材料在锂离子电池中的重要性开始逐渐被认识和接受。美国劳伦斯伯克利国家实验室研究了电极循环性能与电极片机械能的关系，发现电极的机械能与长期循环性能的关系密切，电极的损坏，特别是碳负极的损坏主要源于极片力学性能的下降，指出电极材料并不是决定电极性能的唯一因素，粘结剂的性能和极片的制备方法、工艺也是必须考虑的。[4] 近年来，许多研究者不再局限于对某一材料的制备与优化，开始着眼于整个系统的匹配，优化电极片和制备方法，瞄准动力汽车的需求设计高能量电池和高功率电池，分析电池衰退的原因，开发满足动力电池需要的3000至5000次循环寿命的长寿命锂离子电池。[7] 涉及锂离子电池的研究内容和手段不断的丰富，对于锂离子电池制备工艺的提高也有很大的促进与提高。锂离子电池的制备工艺涉及多个方面的研究与创新，本课题的学习与研究是对我们大学学习的一个重要的总结与检验。[10] 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 1.研究内容 本研究主要是通过对电池正极片、负极片的制备工艺（包括原料的选择和原料配比等）以及电池组装工艺的优化来制备容量和循环性能较好的扣式电池。 2.解决的问题 （1）研磨充分、搅拌均匀、浆液粘度适中以保证制得的正极片无粉末脱落。（2）涂布均匀、涂层厚度适中以获得较好的循环性能。 （3）使组装好的电池的工装紧密度适中以保证测试结构具有较好的准确性和可靠性。[1]
植物钾离子通道的分子生物学研究进展 闵水珠 (浙江大学生命科学学院，浙江杭州，310029) 摘 要：钾离子通道是植物钾离子吸收的重要途径之一。近年来，已从多种植物或同种植物的不同组织器官 中分离到多种钾离子通道基因，包括内向整流型钾离子通道基因( 如OsAKT1，DKT1，Ktrrl ，KIl l ，KZM1，ZMK2 等) 和外向整流型钾离子通道基因(如CORK ，PTOR K ，STOR K 等) 。文章分别从结构、功能以及相关基因等三 方面综述了关于植物钾离子通道的分子生物学研究进展，并对应用生物工程技术改良植物的钾营养性状进 行了讨论。 关键词：钾离子通道；结构；基因 中图分类号：Q945；Q735 文献标识码：A 文章编号：1 004 —1 524(2005)03—01 63—07 T he progress on the m olecular biology of t h e K channels in plants M G Shui— zhu ( Co／e ge o f Li fe Science ， 慨 Un ive rsity ，Ha．~ hou 310029 ，China ) A bstract ：Tif s review summar i zed recent progresses on molecular biology of K channels in plants ，including structure and their elevant genes in specialty．The latter is d i v i ded into inward-rectifying K channel(K in) genes(OsAKT 1，DKT1， KFrl ，KDC1，KZM1，ZMK2，etc．) and o utward-~ tifyin g K channel(K out) gene s (C O R K ，FIDR K ，STOR K ，etc．) ．The possibilit y of impr o v i n g potassium nutr i tion of pla n t by bioengineerin g is also d i scussed in this paper． K ey words ：K channel；structure ；gene 离子通道(ion channe1) 是跨膜蛋白，每个蛋 白分子能以高达l08个／秒的速度进行离子的被 动跨膜运输，离子在跨膜电化学势梯度的作用下 进行的运输，不需要加入任何的自由能。一般来 讲，离子通道具有两个显著特征：一是离子通道 是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种 构象所调节，并通过开关应答相应的信号。根据 门控机制，离子通道可分为电压门控、配体门控、
氯离子通道异常引发的肌强直（一） 【摘要】细胞膜离子通道结构和功能正常是细胞进行生理活动的基础。钠、钾离子通道在肌肉收缩中的作用一直受人关注。最近的研究表明，氯离子通道在肌肉收缩中也占有很重要的地位，甚至比钠、钾通道更具有决定性的意义。 【关键词】肌强直；CLC突变 骨骼肌的收缩的整个生理过程是以膜的电位变化为特征的兴奋过程和以肌丝滑动为基础的收缩过程，不同的离子通道共同完成这一过程（兴奋-收缩偶联）。肌强直是因为离子通道的功能异常而导致的一种疾病。它的特征是突发自主收缩后肌肉松弛延缓。这是因为离子通道的功能障碍影响了细胞膜的静息电位，从而使骨骼肌纤维浆膜过度兴奋，造成了动作电位的重复产生。 由两种基因独立编码的电压门控氯离子通道和钠离子通道的突变是形成单纯遗传性肌强直的基础。氯离子通道和钠离子通道对细胞膜的作用是相反的：氯离子通道主要是抑制细胞膜的兴奋，稳定静息电位，而钠离子通道主要是兴奋细胞膜，使之产生动作电位〔1〕。 事实上，肌强直的诱发原因是多样的：一方面可以是氯离子通道失去性功能突变降低了氯离子的电导；另一方面，也可以是钠离子通道获得性功能突变导致的多余的离子通道的开放。本文仅就氯离子通道异常所引发的肌强直做一总结论述。 1 CLC氯通道 氯离子在体内含量极为丰富多种细胞存在氯离子浓度梯度。CLC是氯通道 家族的一大类，Mw约75?110kU,均有12个跨膜区和相同的离子选择顺序 （CI->Br->l-）及较低的单位电导值。 CLC基因存在于几乎所有的生物体中，在哺乳动物中发现了9种CLC同源体。 根据它们简单的序列将CLC通道分成三组，其中CLC-0 CLC-1、CLC-Ka和CLC-Kb属于细胞跨膜通道，其他两组可能构成细胞膜内的通道〔2〕。氯离子 通道在功能和结构上与其他离子通道有很大不同，它独一无二的结构特征是双筒型构造〔3〕，CLC可能是由两种完全相同但是相互独立的protopore构成，它们能在开放一段时间后不约而同的关闭。最近的克隆CLC实验证明，这种双 筒构造实际上是同源蛋白的两种形态的分化传导通路〔4〕。相比而言，钠通道是一种蛋白四聚体，四个亚单位沿中央的孔道对称分布，其中每个亚单位在其中行使相同的功能，通道直接垂直于细胞膜表面。而氯离子通道没有这种对称性，既不垂直于膜也不弯曲于膜内。一种更远的关于不对称的推测是一些在空间上相互接近但是在蛋白质一级结构上相隔甚远的区域构成了孔道。这种特殊的构造决定了它在细胞活动中的特殊地位和作用。CLC g离子通道和其他常规 通道的不同点是在通透和门控上的相互影响。阴离子的通透需要通道的开放，这个通透过程又反馈性的调节通道的开放〔5〕。 2氯离子通道与相关疾病
离子通道病 定义:离子通道结构的缺陷所引起的疾病.又称离子通道缺陷性疾病。 与信号传导相关的离子通道获得性或遗传性的结构和功能改变,均可能导致响应的信号传导异常,引起某种疾病或参与疾病的发病过程。如；肌肉型nAch受体自身免疫性损害-----重症肌无力；CI-通道CIC1基因缺陷-----先天性肌强直：Ryarodine受体缺陷------恶性高热易感性。 细胞膜上电压调控性钠、钙、钾和氯离子通道功能改变与先天性和后天性疾病发生之间的关系，对于离子通道基因缺陷、功能改变与某些疾病关系的研究，将可更新在离子通道生理学、病理学和分子遗传学等方面的知识，有助于开辟离子通道病治疗新途径。 90年代以来发现的主要离子通道病: 第一节钠通道病 钠通道基因突变所引起的心律失常，其原因可分为：基于通道活动的失活异常（不完全失活）；基于通道激活异常（Ina降低）；基于细胞膜上通道的数量减少（合成、运输及表达障碍)。钠通道分子结构上的有关部门位点发生突变时，就会严重影响钠通道的正常活动，而出现致命性心律失常。 所有钠通道基因突变所引起的疾病主要与α-亚单位的基因改变有关。在心肌细胞，位于染色体3p21-24上的SCN5A基因与钠通道（hH1）的组成有关。该基因突变是造成人类第3型长Q-T综合症（LQT3）的根本原因。先天性长Q-T综合症是一种罕见且致死的心脏电复极化过程异常延长性心律失常，心电图上QT间期延长，出现室性心律失常、晕厥和瘁死的一种综合症。与正常结构相比，在由突变SCN5A形成的钠通道α亚单位上，位于Ⅲ和Ⅳ结构域之间的4和5号片段有脯氨酸、赖氨酸和谷氨酰胺缺失现象。破坏了通到连接攀与通道的相互作用，使部分通道变为非失活的形式，通道失活的延迟导致持续的Na+内流，延长心肌复极时间，导致QT间期延长。 LQT与一些基因的突变或缺失有关，这些基因分别命名为LQT1---LQT4。 LQT1，LQT2是主要的心脏钾通道病。
离子通道研究进展 陆亚宇（江苏教育学院生物系） 指导老师：戴谷（江苏教育学院生物系） 摘要：随着对离子通道研究的逐步深入, 各种研究方法都暴露出一定的局限性. 目前, 对于离子通道的研究工作进入了一个新阶段,即对不同方法的综合应用阶段,这不仅有助于人们在分子水平上认识离子通道的结构和功能的关系,也为不同领域的科学家提供了更多的合作机会.首先介绍了离子通道理论及实验研究方法, 并分析了各种研究方法综合应用的必要性,展望了这一领域的发展前景及其所面临的挑战性问题.并介绍最新的全自动膜片钳技术及其最新进展,它具有直接性、高信息量及高精确性的特点。近来在多个方面作出新的突破,如高的实验通量表现,较高的自动化程度、良好的封接质量、微量加样等。目前,该技术在以离子通道为靶标的药物研发,药物毒理测试以及虚拟药筛等方面有广阔的应用前景。全文对全自动膜片钳仪器的原理和技术细节作简单介绍。并简单介绍最新的关于K+通道在烟草中的发现，并对利用现代生物技术手段提高烟叶含钾量进行了展望。 关键字：离子通道; 实验方法; 全自动膜片钳；钾离子通道 前言： 细胞是通过细胞膜与外界隔离的,在细胞膜上 有很多种离子通道（如右图）,细胞通过这些 通道与外界进行离子交换。离子通道在许多细 胞活动中都起关键作用,它是生物电活动的基 础,在细胞内和细胞间信号传递中起着重要作 用。随着基因组测序工作的完成,更多的离子 通道基因被鉴定出来,离子通道基因约占 1 . 5% ,至少有400个基因编码离子通道。相应的 由于离子通道功能改变所引起的中枢及外周疾 病也越来越受到重视。 离子通道的实验研究最初主要来源于生理学实 验。1949～1952年, Hodgkin等发展的“电压钳 技术” 为离子通透性的研究提供技术条件。60 年代中期,一些特异性通道抑制剂的发现为离 子通道的研究提供有力武器。1976年Neher和 Sakmann发展的膜片钳技术直接记录离子单通 道电流,为从分子水平上研究离子通道提供直 接手段。80年代中期,生化技术的进步,分子生物学以及基因重组技术的发展,使人们能够分离纯化许多不同的通道蛋白,直接研究离子通道的结构与功能关系。 通道结构和功能的研究日益成为电生理学、分子生物学、生物化学、物理学等多学科交叉的热点问题.对离子通道进行研究,传统的实验方法是电压钳技术、膜片钳技术等电生理学研究方法[; 传统的理论方法主要包括PNP模型和布朗动力学模型, 伴随计算机技术的迅猛发展和X 射线晶体衍射图谱技术在离子通道研究中的应用, 以及Mackinnon 等用X 射线晶体衍射技术成功解析出多个高分辨率离子通道三维空间结构,使得人们得以使用分子动力学模拟和量子化学计算等模拟在分子水平认识离子通道结构和功能的关系;随着分子生物学快速发展,又出现了定点突变技术、人工膜离子通道重建技术等实验技术手段本文中,笔者将
r 讲座与综述r 氯离子通道ClC -3研究进展* 陈临溪 关永源 (中山大学中山医学院药理学教研室,广州 510080) 2002-01-16收稿,2002-03-20修回 * 国家自然科学基金(No 39970849)、国家科技部攀登计划(国科基 字[1999]045号)和2000年广东省自然科学基金团队项目资助作者简介:陈临溪,男,37岁,博士研究生,副教授。Tel:020-********,E -mail:ch enlinxi@https://www.doczj.com/doc/281627474.html,;关永源,男,56岁,教授,博士生导师 中国图书分类号 R 329125 文献标识码 A 文章编号 1001-1978(2002)05-0481-06摘要 ClC -3氯离子通道广泛分布于组织器官和各种细胞,ClC -3氯离子电流呈外向整合电流,在正性电位通道灭活,0mV 左右出现反转电位,通道的离子渗透选择性是I ->Cl -,能被氯通道阻断剂DIDS 、tamox ifen 和细胞外A T P 抑制,被PK C 磷酸化调节,参与细胞容积调控。关键词 氯离子通道;ClC -3;容积激活;电生理学 氯离子(Cl -)是生物体内最多的阴离子,通过跨膜转运和阴离子通道参与各种生物功能,Cl -的跨膜转运形成Cl - 电流,很久以前就用电生理方法记录到了,一直当作/漏电流0而被忽视,近来由于膜片钳技术的应用,特别是分子生物学技术的发展,大大推进了Cl -通道(chloride channel)的研究,1990年Jentsch 和同事首先在电鳐电器官上克隆了电压门控Cl -通道(voltage -gated chloride channel),取得了突破性进展[1]。之后发现了大量的Cl -通道,形成了一个Cl -通道家族(ClC),ClC 基因存在于几乎所有生物体。在哺乳动物已发现9种ClC 同源体,ClC 1~17,ClCKa,ClCKb,分属于A B C 3个亚族,各Cl -通道有30%~80%的同源序列。 维持细胞容积的稳态十分重要,细胞内外渗透压变化、细胞生长分裂等可引起细胞容积发生改变,而在细胞容积调节中Cl -通道起重要作用。多项研究提示ClC -3是容积激活(volume -activated )Cl -通道,参与许多生理功能。ClC -3属ClC 家族B 亚族,已成为ClC 研究的热点,现将有关ClC -3的研究进展介绍如下。1 ClC -3的基因克隆、蛋白质结构 编码ClC -3蛋白的基因已从大鼠肾[2]、小鼠肝、人胎脑[3]、豚鼠心脏[4]等组织克隆,与其他的ClC 结构相似,ClC -3蛋白有13个跨膜区域,N 和C 末 端均位于细胞内(Fig 1,引自Duan,1997),人ClC -3基因编码的是一个760个氨基酸的蛋白,从豚鼠心脏克隆的ClC -3与大鼠肾ClC -3在核苷酸有9115%的同源性,在氨基酸序列有9814%的同源性。豚鼠、犬、大鼠的心房和心室的ClC -3蛋白分子质量约为85ku [5],但在65和70ku 还有两条额外的ClC -3样免疫反应带,可能是ClC -3的糖基化形式或蛋白水解产物。大鼠肝细胞ClC -3蛋白约为80ku [6] 。从人结肠癌细胞系T 84克隆的hClC -3蛋白约90~120ku [7]。在转染豚鼠ClC -3的NIH /3T3细胞,把编码跨膜区域末端天门冬氨酰胺的g p ClC -3cDNA 人为突变,579位的天门冬氨酰胺突变为赖氨酸(N579K ClC -3通道),外向整合电流消失,通道的离子渗透选择性从I ->Cl -改变为Cl ->I -,说明ClC -3蛋白579位的天门冬氨酰胺与外向整合电流和通道的离子渗透选择性有密切关系。如果把转染了ClC -3的N IH/3T3细胞上的ClC -3通道51位丝氨酸突变成丙氨酸,PDBu 激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)时低渗激活的I ClC -3不能被抑制,而在362位的丝氨酸突变时PKC 抑制低渗激活的I ClC -3作用依然存在,说明ClC -3胞内氨基末端丝氨酸残基是PKC 磷酸化位点,也是通道的容积感受器[8,9] 。在大鼠肝、肺、肾、心脏、大脑皮质、小脑和嗅球的组织mRNA 还发现ClC -3有长型和短型两亚型[6],肝ClC -3短型与豚鼠心脏ClC -3一致,长型是在N -末端还附加58个氨基酸,但用Western blot 方法检测肝组织蛋白未能把两种同源形式分辨出 来。 Fig 1 Structure of ClC -3
氯离子通道异常引发的肌强直(一) 【摘要】细胞膜离子通道结构和功能正常是细胞进行生理活动的基础。钠、钾离子通道在肌肉收缩中的作用一直受人关注。最近的研究表明，氯离子通道在肌肉收缩中也占有很重要的地位，甚至比钠、钾通道更具有决定性的意义。 【关键词】肌强直；CLC；突变 骨骼肌的收缩的整个生理过程是以膜的电位变化为特征的兴奋过程和以肌丝滑动为基础的收缩过程，不同的离子通道共同完成这一过程(兴奋-收缩偶联)。肌强直是因为离子通道的功能异常而导致的一种疾病。它的特征是突发自主收缩后肌肉松弛延缓。这是因为离子通道的功能障碍影响了细胞膜的静息电位，从而使骨骼肌纤维浆膜过度兴奋，造成了动作电位的重复产生。 由两种基因独立编码的电压门控氯离子通道和钠离子通道的突变是形成单纯遗传性肌强直的基础。氯离子通道和钠离子通道对细胞膜的作用是相反的：氯离子通道主要是抑制细胞膜的兴奋，稳定静息电位，而钠离子通道主要是兴奋细胞膜，使之产生动作电位〔1〕。 事实上，肌强直的诱发原因是多样的：一方面可以是氯离子通道失去性功能突变降低了氯离子的电导；另一方面，也可以是钠离子通道获得性功能突变导致的多余的离子通道的开放。本文仅就氯离子通道异常所引发的肌强直做一总结论述。 1 CLC氯通道 氯离子在体内含量极为丰富多种细胞存在氯离子浓度梯度。CLC是氯通道家族的一大类，Mw 约75～110kU, 均有12个跨膜区和相同的离子选择顺序(Cl->Br->I-) 及较低的单位电导值。 CLC基因存在于几乎所有的生物体中，在哺乳动物中发现了9种CLC同源体。根据它们简单的序列将CLC通道分成三组，其中CLC-0、CLC-1、CLC-Ka和CLC-Kb属于细胞跨膜通道，其他两组可能构成细胞膜内的通道〔2〕。氯离子通道在功能和结构上与其他离子通道有很大不同，它独一无二的结构特征是双筒型构造〔3〕，CLC可能是由两种完全相同但是相互独立的protopore构成，它们能在开放一段时间后不约而同的关闭。最近的克隆CLC实验证明，这种双筒构造实际上是同源蛋白的两种形态的分化传导通路〔4〕。相比而言，钠通道是一种蛋白四聚体，四个亚单位沿中央的孔道对称分布，其中每个亚单位在其中行使相同的功能，通道直接垂直于细胞膜表面。而氯离子通道没有这种对称性，既不垂直于膜也不弯曲于膜内。一种更远的关于不对称的推测是一些在空间上相互接近但是在蛋白质一级结构上相隔甚远的区域构成了孔道。这种特殊的构造决定了它在细胞活动中的特殊地位和作用。CLC氯离子通道和其他常规通道的不同点是在通透和门控上的相互影响。阴离子的通透需要通道的开放，这个通透过程又反馈性的调节通道的开放〔5〕。
摘要 细胞离子通道的结构和功能正常是维持生命过程的基础，其基因变异和功能障碍与许多疾病的发生和发展有关.离子通道的主要类型有钾、钠、钙、氯和非选择性阳离子通道，各型又分若干亚型.离子通道的主要功能是:提高细胞内钙浓度，触发生理效应;决定细胞的兴奋性、不应性和传导性;调节血管平滑肌的舒缩活动;参与突触传递;维持细胞的正常体积.离子通道的主要研究方法为膜片钳技术、分子生物学技术、荧光探针钙图像分析技术.离子通道病是指离子通道的结构或功能异常所引起的疾病.疾病中的离子通道改变是指由于某一疾病或药物引起某一种或几种离子通道的数目、功能甚至结构变化，导致机体发生或纠正某些病理改变.从离子通道与疾病的关系角度，加强分子生物学、生物物理学、遗传学、药理学等多学科交叉深入研究，对于深入探讨某些疾病的病理生理机制、早期诊断及发现特异性治疗药物或措施等均具有十分重要的理论和实际意义. 0 引言 离子通道(ion channel)是细胞膜上的一类特殊亲水性蛋白质微孔道，是神经、肌肉细胞电活动的物质基础.随着分子生物学、膜片钳技术的发展，人们对离子通道的分子结构及特性有了更加深入的认识，并发现离子通道的功能、结构异常与许多疾病的发生和发展有关[1].近年来，对于离子通道与疾病关系的研究取得了重大进展，不仅阐明了离子通道的分子结构突变可导致某种疾病，而且还明确了某些疾病可影响某种离子通道功能甚至结构.本文论述离子通道的主要类型、功能、研究方法及其与疾病的关系. 1 离子通道的主要类型 离子通道的开放和关闭，称为门控(gating).根据门控机制的不同，将离子通道分为三大类:(1)电压门控性(voltage gated)，又称电压依赖性(voltage dependent)或电压敏感性(voltage sensitive)离子通道:因膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过的离子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4种主要类型，各型又分若干亚型.(2)配体门控性(ligand gated)，又称化学门控性(chemical gated)离子通道:由递质与通道蛋白质受体分子上的结合位点结合而开启，以递质受体命名，如乙酰胆碱受体通道、谷氨酸受体通道、门冬氨酸受体通道等.非选择性阳离子通道(non-selective cation channels)系由配体作用于相应受体而开放，同时允许Na+、Ca2+ 或K+ 通过，属于该类.(3)机械门控性(mechanogated)，又称机械敏感性(mechanosensitive)离子通道:是一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道，根据通透性分为离子选择性和非离子选择性通道，根据功能作用分为张力激活型和张力失活型离子通道.此外，还有细胞器离子通道，如广泛分布于哺乳动物细胞线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道(voltage dependent anion channel，VDAC)，位于细胞器肌质网(sarcoplasmic reticulum，SR)或内质网(endoplasmic reticulum，ER)膜上的Ryanodine受体通道、IP3受体通道. 2 离子通道的主要功能 离子通道的主要功能有:(1)提高细胞内钙浓度，从而触发肌肉收缩、细胞兴奋、腺体分泌、Ca2+依赖性离子通道开放和关闭、蛋白激酶的激活和基因表达的调节等一系列生理效应;(2)在神经、肌肉等兴奋性细胞，Na+ 和Ca2+通道主要调控去极化，K+主要调控复极化和维持静息电位，从而决定细胞的兴奋性、不应性和传导性;(3)调节血管平滑肌舒缩活动，其中有K+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与;(4)参与突触传递，其中有K+、Na+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与;(5)维持细胞正常体积，在高渗环境中，离子通道和转运系统激活使Na+、Cl-、有机溶液和水分进入细胞内而调节细胞体积增大;在低渗环境中，Na+、Cl-、有机溶液和水分流出细胞而调节细胞体积减少. 3 离子通道的主要研究方法 研究离子通道功能的最直接方法是用膜片钳技术直接测定通过离子通道的电流或测量细胞膜电位的变化.膜片钳技术是利用一个玻璃微吸管电极完成膜片或全细胞电位的监测、钳制和膜电流的记录，通过观测膜电流的变化来分析通道个体或群体的分子活动、探讨离子通道特性.分子生物学技术为离子通道的分子结构分析、基因克隆、功能表达研究提供了有力工具，对于编码离子通道亚单位的基因结构可采用基因定位克隆确定其在染色体上的定位，用逆转录-聚合酶链反应、Northern杂交等明确其在器官组织中的分布，用Western杂交检测基因表达产物等.荧光探针钙图像分析技术为检测细胞内游离钙离子浓度提供了有效
气道中氯离子转运通路的研究概况 晏斌林 (江西医学院2002级硕士研究生,江西南昌330006) 关键词:氯离子;转移通路;气道 中图分类号:R33 文献标识码:A 文章编号:1000-2294(2005)01-0117-02 Cl-是体内最为丰富和常见的阴离子,它参与了细胞的多种活动和功能调节过程,如细胞电活动调节、容积调节、跨上皮物质转运、细胞内PH调节,在细胞免疫应答、细胞迁移、细胞增殖和分化,细胞凋亡中都发挥一定的作用[1]。近年来关于氯离子转运通路的研究表明人类的多种疾病与Cl-转运通道的功能改变或缺失有关,因此氯离子转运通路越来越受到重视。在气道中与氯离子跨膜转运有关的通路主要有氯通道,其他则为细胞膜上的阴离子交换蛋白及转运体如:Cl-/HCO3-离子交换系,Na+-2Cl--K+共同转运体等。本文将着重介绍气道上皮细胞膜上表达的多种通道的特点以及可能的生理和病理作用。 1 呼吸道氯离子通道及其临床意义 1.1 CF T R Cl-通道 囊性纤维变性(CF)是上皮细胞对Cl-不通透引起的疾病。CF是CF T R突变引起的,CF T R还可调节外向整流氯通道,N a+通道,用cA mp刺激CF T R会导致上皮细胞N a+通道的关闭[2]。其基因已克隆,相应的蛋白CF T R(cy stic fi-bro sis transmembra ne co nductance reg ulato r)是一种氯通道[3]。 CF T R是一种磷酸化依赖性上皮细胞Cl-通道。Rior-dan等于1989年最早克隆得到其cDN A基因编码。CF T R 主要位于气道上皮顶侧膜,在跨上皮盐类转运,水分流动和离子浓度调节中发挥重要作用。 CF T R由1480个氨基酸组成,它有两个六次跨膜区(T M D)。两个核苷酸连接区(N BD)和一个调节区。跨膜区参与孔道的形成。CF T R门控特征可能受到A T P的调节[4],在第一个N BD上被水解可打开通道,在第二个N BD 上结合使通道稳定于开放状态,水解则使通道关闭,有趣的是去掉CFT R的C端(第二T M D和第二个N BD)通道的基本性质不变,这说明此突变体以二聚体的形式完成其功能,也说明第一个T M D对孔道的形成有关键性作用。此外PK A可激活CF T R。 Cl-分泌对液体和电解质转运是至关重要的,CF T R介导的Cl-分泌占主要部分,CF患者不能分泌足够的Cl-,以致于粘膜表面不能充分地与水结合,更重要的是影响粘液从腺管分泌出。CF T R功能缺陷的患者分泌的粘液与正常人很不一样,粘液包含有细菌感染产物,包括粘液脂质,肌动蛋白还有蛋白酶等[5]。它具有更多非易失性的固体成分,增加粘液的粘度。这样的改变足以缩减粘液清除率,由此造成哮喘,慢性阻塞肺气肿(COP D)等。 1.2 C LC家族 CLC蛋白构成一大类氯通道家族,分子量约为75～110 K u,均有12个跨膜区和相同的离子选择顺序(Cl->Br-> I-)及低的单位电导值,如C LC-0为10pS,CLC-1则仅为1pS[6]。该通道在哺乳动物细胞中普遍存在,已发现了九个CLC家族基因,依其同源性可分成三组:接近电鱼器官的CLC-0和肾特异性的C LC-ka,C LC-kb,功能缺失导致高钙尿症和低分子量蛋白尿症的肾结石病[7]。CLC-1是哺乳动物骨骼肌的主要氯通道,功能缺失会使肌膜动作电位复极化延缓,导致肌强直。 无处不在的C LC-2Cl-通道能促进上皮Cl-分泌,它可以被强超级化或细胞膨胀激活,可能参与细胞体积调节,防止在高于平衡电位时氯离子积累。CLC-2在细胞容积增大以及随后的Cl-和水外流而引起调节性容积,减少过程中发挥重要的作用。但即使在等渗状态下,由代谢引起的细胞内外物质交换会导致细胞容积的小幅度变化,从而也有可能引起这种通道的激活或失控[8]。CL C对SIT S、D IDS、N PP B敏感。通道激活与胞钙浓度无关,对PK的阻断剂不敏感。人们已经在人和鼠发现CLC-2位于纤毛细胞顶侧,分布位置与CF T R有重叠性,一些实验数据支持当CF T R缺陷时, CLC-2也许代偿性加强Cl-分泌[5]。 1.3 细胞内钙激活的Icl,ca(CLCA或CaCC) CLCA通道由Ca2+激活,是受细胞内钙控制的配体门控通道。在对称性Cl-浓度具有线性电流-电压关系,其离子选择顺序为I->Br->Cl-。尽管该通道的电导较低(约1.0～1.3pS)但密度很高。由于Icl,ca受细胞内Ca2+的控制,因此它的作用始终与电压依从性钙通道的激活和肌质网钙的释放密切相关,由于肾上腺受体和毒覃硷受体可增加和小细胞内瞬间电流的大小。因此这两种受体也对Icl,ca 有调节作用,Icl,ca也受N a+/Ca2+交换的调节。Icl,ca的增加可作为另一种负反馈,通过减小动作电位的初始平台电位而限制钙的内流。 CLCA Cl-通道广泛分布人类分泌器官中,CL CA1主要分布在气道上皮尤其是杯状细胞上,消化道也可见。 收稿日期:2004-09-02
1、采用铝合金壳体的方型锂离子电池的开发 人们已经开发出采用铝合金壳体的手机用轻型方型锂离子电池，不同种类的铝合金已经从电化学稳定性、机械强度、激光焊接能力和壳体制作难易程度几个方面得到了考察。本文认为一种含Mn量为1.1wt%的铝合金是制造壳体的锂离子电池，其能量密度相对于普通钢壳提高了约30%。 电池外壳对电池内部各组成成分起到了重要的包封作用，同时也对电池内部各部件之间保持良好接触、维持电池内部压力起到了重要的包封作用，因此电池壳体的强度是电池性能的重要因素。Al-Mn合金是壳体制作的最佳材料。铝的热膨胀率约是钢的2倍（Al：2.39*10-5,Fe:1.15*10-5/度）。纯铝和Al-Mn合金的激光焊接密封效果好，而Al-Mn-Mg和Al-Mg-Si的密封性不好。 2、非水溶液可充锂电池过充电保护用的能聚合的芳香族添加剂 USP5879834 非水溶液可充锂电池，电解液中添加少量的芳香族添加剂，在过充电滥用条件下能提供保护作用。添加剂在异常高的电压下，发生电化学聚合作用，增加了电池内阻从而对电池进行保护。芳香族添加剂如联苯、3-氯噻吩以及呋喃，尤其适用于某些锂离子电池。在过热滥用条件下，这些添加剂未必并可能不优先发生聚合反应。 联苯：约占电解液和添加剂混合液总重量的2。5%；3R噻吩，R指卤素，在Br、Cl、I 中选择，占混合液的2~4%；呋喃：约占体积的1%。 在实际电池条件下，某种化合物，如果其在电池电压超过电池正常充电电压上限但低于电池过充电出现危险时的电压（如起火）发生聚合反应，它才能成为适用的材料。添加剂在阴极上发生聚合，将在阴极上形成高分子膜，增加了电池内阻，并且可能阻塞隔膜。 表中列出了几种聚合物的聚合电位，但注意这些聚合电势在一定程度上依赖于电化学体 为了提高锂离子电池负极的性能，进行了一项有关碳粉粒度对放电容量的影响的研究，发现了大粒径（平均25。8微米）与小粒径（平均4。2微米）碳粉之间的最佳混合比例。当大粒径碳粉比例大约为70%时可得到最大放电容量。粒径比越小，放电容量越大。这里粒径比是指较小粒径碳粉平均粒径与较大粒径碳粉平均值之间的比。结果表明，放电容量与碳粉的颗粒度密切相关，受重量混合比及粒径比控制。 压的最实的碳粉极片放出的容量最大。 4、超晶格型锂多元过渡金属复合氧化物LiNixCo1-2xMnxO2（x=1/3，1/2）的制备与性能 研究，侯桃丽，肖立新，郭炳坤，《中国电源博览》2004，4，37-38 采用固相反应法合成了超晶格型锂多元过渡金属复合氧化物LiNixCo1-2xMnxO2（x=1/3，1/2），并对它们的结构和电化学性能进行了测试，x=1/3的化合物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2首次充电容量将近190mAh/g，可逆容量约为140~150mAh/g。x=1/2的化合物首次充电容量为165mAh/g，可逆容量约为110~120mAh/g。测试结果表明，二者的首次充放电容量均大于当前商品化的LiCoO2的最佳实际容量（140mAh/g）。
钾离子通道 所有活细胞都被一层膜包围着,它把细胞内的液态世界与外部环境隔离开.膜质可以有效的阻止小离子通过(而且像蛋白质和核酸这样的大分子也一样),因此为细胞提供了新的机遇:可以根据离子浓度的差异进行快速的信号传导.首先,细胞可提高其内部的钾离子浓度;而后,由于瞬时刺激膜上的某些通道迅即被打开,钾离子被释放,使得整个细胞的钾离子浓度发生巨大变化,由此产生信号传导.此过程在各种细胞形式中都存在,如细菌细胞,植物细胞和动物细胞.有两个关于离子通道作用的例子:肌肉收缩(由钙离子释放起始的)和神经细胞信号传导(包含一个复杂的那钾离子交换). 离子通道是神经系统中信号传导的基本元件 当你闻过一朵花,你会知道这是一枝玫瑰;或者当你的手要触及炙热的东西时,你会立即把手缩回来.这都是由于人的鼻腔和手部的感觉器官通过离子释放把信号由神经传递给大脑,在由大脑做出适当的反应而完成的.其中,神经细胞摄入了大量钾离子并选择性地泵出钠离子从而进行了信号的传递,并因此在膜内外产生了一个电势差.为了传递信号,神经细胞首先打开钠离子通道,摄入钠离子,降低膜内外的电势差.然后打开钾离子通道,排出钾离子,使膜电位重新恢复到静息水平.此后通过其他通道和泵使钠钾离子在细胞内外得到重新分布.由于这种巧妙设计,这些通道对膜电位都非常灵敏,稍有变化通道就会打开.所以,神经细胞一段的通道被打开时产生的离子流会瞬时引发质膜下游通道的打开.结果导致信号通过通道开启传播波沿着质膜迅速传播直至末端. 钾离子通道 钾离子通道的通透特异性允许钾离子通过质膜,而阻碍其他离子通透-特别是钠离子.这些通道一般由两部分组成:一部分是通道区,他选择并允许钾离子通过,而阻碍钠离子;另一部分是门控开关,根据环境中的信号而开关通道,结构展示在蛋白库编号1bl8,展示的是一种细菌的钾离子通道的通道区部分,它由四个同源的跨膜蛋白质组成,在中心部分形成一个选择性的孔洞.钾离子(绿色)以每秒一亿个的速度自由通过.由于特异的选择性,每一万个钾离子通过才允许一个钠离子通过.在下一页的晶体图中可以看到,通道结构是如何完成特异性选择的. 通道的开启与关闭 活细胞中有数百种不同的离子通道,它们行使着各种不同的功能.这些通道有相似的通道区(两图例中的顶部),与专门的门控结构域相连(图例的底部).为了在图解中清楚的展示孔道,灰色条纹代表质膜,而在选择性的通道区指显示了四个同源亚单位中的两个.门控区对通道的开关是有不同信号决定的,如电位差或重要的信号分子的出现.还有一些结构上的设计被用来开关通道,正如这里展示的
?综述m迅展?J Med Res,Apr2019,Vol.48No.4 TWIK相关性酸敏感钾离子通道与疾病研究进展 闻璐姚晓光李南方 摘要TASK-1利TASK-3是广泛表达于全身各组织，产生外向钾离子电流，受细胞外酸浓度抑制而不受经典钾离子阻滞剂影响的TWIK相关性酸敏感钾离子通道;TASK-1和TASK-3参与中枢神经系统、呼吸系统、心房颤动、肾上腺皮质激素、炎症免疫及肿瘤的发生等-系列牛?理病理过程，有望为相关疾病药物治疗研究提供靶点 关键词TASK-1和TASK-3中枢神经系统呼吸系统心房颤动肾上腺皮质炎症和肿瘤 中图分类号R4文献标识码A1)01 双孔钾通道(K2P)是背景钾通道或漏钾通道，即改变钾背景电流可以调节细胞膜电位和电阻，从而调节细胞的兴奋性和反应性，可由不同类型的G蛋白偶联受体的调节。双孔钾通道是由两个亚单位组成的双聚体结构，每个亚单位含有4个跨膜区(TM1-TM4)，其中TM1与TM2、TM3与TM4之间形成2个孔道(P1和P2),组成4T M/2P的结构。随着研究不断深入，根据结构和功能性质可被划分为6个亚类'o从人类肾脏中克隆到对生理范围内细胞外pH 值变化具有极高敏感性的双孔钾通道，命名为TWIK 相关性酸敏感钾离子通道，包括TWIK相关性酸敏感钾离子通道1(TWIK-related acid-sensitive K*chan-nel-1,TASK-1,KCNK3,K2p3.1)、TW1K相关性酸敏感钾离子通道3(TWIK-related acid-sensitive K+channel-3,TASK-3,KCNK9,K2p9.1)和TWIK相关性酸敏感钾离子通道5(TWIK-related acid-sensitive K+channel-5,TASK-5,KCNK15, K2pl5.1)。TASK-3是从大鼠小脑克隆并且发现与TASK-1具有55%~60%的序列同一性。其中TASK-1和TASK-3构成了大部分pH值敏感的钾电导，这些通道在结构上与酸中毒有关并受到抑制，在许多生理病理过程均有参与TASK-5进入TASK亚家族主要是基于结构相似性。与TASK-1和TASK-3通道相反,TASK-5不能在功能上表达，尽管其mRNA在个别组织中大量表达，但是可能需 基金项目：新驰维吾尔|'1治区庆学联合基金资助项H(2016D0IC127)作者单位:830001乌伶木齐，新船维吾尔白治区人民医院高血压中心、新僵髙血用研究所 通讯作者：李南方.教授.博士生导师.电子信箱：l.>anfang2016@https://www.doczj.com/doc/281627474.html, 10.11969/j.issn.1673-548X.2019.04.039 要一些其他未确定的伙伴亚基在质膜或细胞器中形成功能通道，其相关研究报道也很少。因此.本文就TASK-1.TASK-3及其表达产物与疾病的相关研究进展做一综述。 -.TASK-1.TASK-3的分布与调节 TASK-1、TASK-3广泛表达于各个组织，例如大脑皮质、脑干前包氏复合体、视网膜神经节细胞、颈动脉体、舌下神经核、肾上腺皮质、心房、棕色脂肪及癌症中等⑵。TASK-1和TASK-3蛋白约有60%的氨基酸同源性，在钾传导、成孔、膜结合结构域的相 似性最高。TASK-1、TASK-3通道能被体内外的许 多生理和病理因素所调节,TASK通道几乎不依赖电压，对各种神经递质、药物化合物(即挥发性麻醉药)和物理化学因素(温度、pH值、氧分压、CO：分压、渗透圧、Zn"等)都很敏感，而经典的钾离子通道阻滞剂对其无影响。TASK钾通道电导受细胞外酸性pH 值的抑制，是由两个TASK-1亚基、两个TASK-3亚基或一个TASK-1和一个TASK-3亚基组成的同源或异二聚体通道，它们有不同的pH值敏感性， 其酸敏感性主要是由大胞外环/螺旋盖区域的组氨酸残基的质子化引起，缺乏一个或两个TASK通道 的敲除小鼠表现出多种表型，包括颈动脉体化学感受受损，睡眠破碎、抗抑郁行为、原发性醛固酮增多症、低肾素原发性高血压、心脏传导和复极异常、癫痫及肺动脉高压等"。另外.TASK通道在基因研究中也有报道。在一项全基因组关联研究中，人类TASK-1的失活突变与家族性肺动脉高压相关和房性心律失常有关"：。TASK-3基因770G>A 突变使通道活性降低进而改变神经元发育，产生以 智力迟钝、低肌张力和面部畸形为特征的Birk Barel 综合征⑹。 ?160?