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、
钙离子通道论文：钙依赖性钾通道阻断剂对神经起步点自发放电节律的影响 【中文摘要】有机体和外界发生互动的结构基础是神经系统,信息在神经元上是以动作电位的形式传递。动态变化的外界信息会通过影响神经动作电位的产生而引起神经放电节律的动态变化。动作电位的产生是神经元上各种离子通道共同作用的结果,所以任何影响通道开关的因素都可能影响动作电位的出现和放电频率、放电节律的改变。近几年来,根据理论模型研究结果的提示,围绕着外周神经损伤区自发放电的节律及分岔规律,我们进行了深入的实验研究,例如改变 胞外钙离子浓度,发现损伤区存在十分丰富的节律模式和转化规律, 而用TEA阻断钾离子通道,也会使放电呈现丰富的节律模式和很多的节律转迁历程。上述结果提示,钙离子通道和钙激活性钾离子通道可能对神经放电的调节起着关键作用。本实验主要研究钙激活钾离子通道对神经放电活动的影响。实验分为以下三个部分：第一部分利用钙离子螯合剂EGTA观察胞外钙离子浓度对神经电活动的影响；第二部分利用非特异性钾离子通道阻断剂TEA观察钾离子通道对神经电活 动的影响；第三部分利用BK通道特异性阻断剂IBTX、SK通道特异性阻断剂apamin观察钙依赖钾离子通道对神经电活动的影响。实验重点观察损伤神经自发放电节律的转迁变化,力求对神经电活动的分... 【英文摘要】Interaction between organism and the outside
world is based on the structure of the nervous system, the information is transfered in the form of action potential on nerve, but how the nervous system distinguish action potential to identify different information and how to integrate and characterize the information is remain unknow, which has been a problem in the field of neuroscience, peope have successively proposed the concept of coding by pulse frequency and coding by rhythm, density of neural firing of... 【关键词】钙离子通道钙依赖钾离子通道起步点 BK通道 SK 通道 IBTX apamin 节律共存 【英文关键词】calcium channel calcium-activated potassium ion channel pacemaker BK channels SK channels bursting transitions among states 【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848 【目录】钙依赖性钾通道阻断剂对神经起步点自发放电节律的影响摘要3-5Abstract5-7第一部分文献综述 10-15 1.1 神经元传递信息的方式11-12 1.1.1 动作 电位和信息编码11 1.1.2 动作电位形成的离子基础 11-12 1.2 研究神经放电活动的模型12-13 1.2.1 研 究神经电活动的慢性痛模型12 1.2.2 研究神经电活动的数学模型12-13 1.3 钙依赖钾通道参与神经电活动的调节
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
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
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/a87224662.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?
中国医药报/2005年/7月/16日/第006版 医疗卫生 心肌细胞膜钾离子通道研究进展 聂松义 细胞膜在维持细胞稳态方面起着主要作用。心肌细胞膜中含有各种离子转运蛋白，包括多种钾离子通道。这些钾离子通道依靠和其他蛋白质的相互作用发挥正常功能和生理作用。Kv4.2钾离子通道（编码瞬时外向钾通道）和蛋白质KCHiP2具有相互作用。由加拿大McGill大学A.Shrier 教授第一次发现的KCHiP2增强Kv4.2表达需要和Kv4.2的羧基端直接作用的机制，引起与会专家的高度关注。Shrier教授介绍了他在心肌细胞膜钾离子通道方面的研究成果。 Shrier教授等研究人员采用膜片钳技术，免疫共沉淀、免疫组化和GST折叠式分析发现Kv4.2电流增加可能是Kv4.2表达加强及Kv4.2和KCHiP2相互作用增加通道稳定的结果。他们还发现一个新的心肌细胞膜蛋白组学特性和另一钾离子通道HERG通道（编码Ikr钾电流）。 心肌细胞膜富含蛋白质和离子通道，他们通过亚细胞分段分离技术，包括差异和密度梯度离心法及免疫分离法，纯化介于中层的成分，并采用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳和凝胶胰岛素消化液分离；使用串连的MS-MS光谱测定法鉴定多肽。在有或没有免疫提纯的情况下，他们发现600多种蛋白质有40%与细胞膜和伴随的细胞支架有关；大约65%和细胞信号，运输和细胞之间粘附相关。此外，他们还发现30种蛋白质尚无确定的功能。 据介绍，他们研究的第一阶段是进一步分析心肌细胞膜在病理情况下蛋白质的改变，包括局部缺血，心衰和糖尿病。在最近的研究中，他们用蛋白组学方法研究Kv4.2和HERG通道相互作用的配偶体。其方法是转染HA标记的HERG和Kv4.2到HL-1心肌细胞系。随后，他们用HA 抗体通过十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳，胰岛素消化和MS-MS光谱测定法使离子通道和伴随的蛋白质免疫沉淀。 如今他们在HERG分析方面获得了很大成功，已确定了50多种有可能的HERG相互作用的蛋白质，并发现是这种相互作用在通道运输、定位和调节中具有重要作用。这项研究最有启迪意义的是发现新的配偶体HERG通道，它可提供有关通道生成和调节方式的信息。 第1页共1页
74 中国烟草科学2009，30（2）：74-80 烟草钾离子通道研究进展 曲平治1，刘贯山1，刘好宝1*，司丛丛1，刘朝科2，胡晓明2，冯祥国2，张守厚3，赵静4 （1.农业部烟草类作物质量控制重点开放实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛266101；2.川渝中烟工业公司，成都 610000；3.山东日照烟草有限公司，山东日照276800；4.山东中烟工业公司青州卷烟厂，山东青州262500） 摘要：K+通道是烟草吸收K+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K+通道 基因。笔者从K+通道基因类型、K+通道基因的克隆与功能、K+吸收机制和K+通道分子调控技术等方面综述了烟草K+通道 研究现状与进展。对应用生物工程技术改良烟草的钾营养性状进行了讨论，并对利用现代生物技术手段提高烟叶含钾量进行 了展望。 关键词：烟草；钾离子通道；克隆；吸收机制 中图分类号：TS413 文献标志码：A 文章编号：1007-5119（2009）02-0074-07 Research Advances in Tobacco Potassium Ion Channel QU Pingzhi1, LIU Guanshan1, LIU Haobao1*, SI Congcong1, LIU Chaoke2, HU Xiaoming2, FENG Xiangguo2, ZHANG Shouhou3, ZHAO Jing4 (1.Key Laboratory of Tobacco Quality Control, MOA, Tobacco Research Institute of CAAS, Qingdao 266101, China; 2.China Tobacco Chuanyu Industrial Corporation, Chengdu 610000, China; 3.Rizhao Tobacco Corp. Ltd., Rizhao, Shangdong 276800, China; 4.Qingzhou Cigaret Factory, China Shongdong Industrial Tobacco Corpoaration, Qingzhou, Shangdong 262500, China ) Abstract: K+ channel is one of the important pathway for tobacco absorbing K+. In recent years, Many K+ channel genes have been cloned from various plants or different organization of same plant. In this paper, the type of K+ channel gene, cloning and function of K+ channel, K+ absorption mechanism and molecular regulation technology of K+ channel are summarized. Applying biotechnology to improve tobacco potassium nutrition character is discussed, and utilizing the modern biotechniques to improve the potassium content of tobacco leaves is proposed. Keywords: tobacco; potassium channel; cloning; absorption mechanism 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。K+通道（potassium channel）是允许K+特异 性通透质膜的离子通道，该通道由两部分组成:一部 分是通道区，选择并允许K+通过；另一部分是门控
分子生物学中钾离子通道研究进展 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，KIll，KZM1，ZMK2等)和外向整流型钾离子通道基因(如CORK，PTORK ，STORK 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、压力激活离子通道。二是通道对离子的选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性。根据通道可通过的不同离子，可将离子通道分为钾离子(potassium ion，K )通道、钠离子(natrium ion，Na )通道、钙离子(calcium ion，Ca2 )通道等。其中，K 通道是种类最多、家族最为多样化的离子通道，根据其对电势依赖性及离子流方向的不同，可把K 通道分为两类：①内向整流型K 通道(inward rectifier K channel；Kin)，② 外向整流型K 通道(outward rectifier Khannel；K out)。K 是植物细胞中含量最为丰富的阳离子，也是植物生长发育所必需的唯一的一价阳离子，它在植物生长发育过程中起着重要的作用，具有重要的生理功能。植物中可能存在K 通道，这一点早在20世纪6o年代植物营养学界就有人提出，而一直到80年代才被Schroeder等人[23证实，他们利用膜片钳(patch chmp)技术，首先在蚕豆(V／c／afaba)的保卫细胞中检测出了K 通道钾离子通道的结构单个钾离子通道是同源四聚体，4个亚基(subunit)对称的围成一个传导离子的中央孔道(pore)，恰好让单个K 通过。对于不同的家族，4"亚基有不同数目的跨膜链(membrane。span。ning element)组成。两个跨膜链与它们之间的P回环(pore helix loop)是K 通道结构的标志2TM／P)，不同家族的K 通道都有这样一个结目前从植物体中发现的K 通道几乎全是电压门控型的，如保卫细胞中的K 外向整流通道等，其结构模型如图2一a所示。离子通透过程中离子的选择性主要发生在狭窄的选择性过滤器(selectivity filter)中(图2一b)，X射线晶体学显示选择性过滤器长1．2 nIll，孔径约nIll，K 钾离子通道的作用.有关K 通道在植物体内的作用研究并不多。从目前的结果来看，认为主要是与K 吸收和细胞中的信号传递(尤其是保卫细胞)有关。小麦根细胞中过极化激活的选择性内流K 通道的表观平衡常数Km值为8．8 mmol／L，与通常的低亲和吸收系统Km值相似[ 。近年来，大量K 通道基因的研究表明，K 通道是植物吸收转运钾离子的重要途径之一。保卫细胞中气孔的开闭与其液泡中的K 浓度有密切关系。质膜去极化激活的K 外向整流通道引起K 外流，胞质膨压降低，导致气孔的关闭。相反，质膜上H．ATPase激活的超极化(hyperpolarization)促使内向整流钾离子通道(K in)的打开，引起K 的内流，最终导致气孔的张开钾离子通道相关基因及其功能特征迄今，已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离得到多种K 通道基因(图3)，根据对其结构功能和DNA序列的分析，可以把它们分为5个大组：工，Ⅱ，Ⅳ组基因属于
第26卷第2期 唐山师范学院学报 2004年3月 Vol. 26 No.2 Journal of Tangshan Teachers College Mar. 2004 ────────── 收稿日期：2003-03-19 作者简介：郑素玲（1962-），女，河北唐山人，唐山师范学院生物系副教授。 - 66 - 钾通道的种类和功能 郑素玲 （唐山师范学院 生物系，河北 唐山 063000） 摘 要：钾通道在离子通道中种类最多，存在最广泛。目前研究成果表明，钾通道有两大家族，他们的结构和功能各异，主要参与各种生理和病理反应，如细胞膜兴奋性的产生、神经递质的释放、保护心肌和抗心律失常等，而且和学习记忆的损伤、体温调控有着广泛的联系。 关键词：钾通道；电压门控钾通道；内向整流钾通道 中图分类号：Q41 文献标识码：B 文章编号：1009-9115（2004）02-0066-02 钾离子在人体的多种生命活动中起着非常重要的作用，其功能的实现，首先要通过细胞膜上的钾离子通道，进入胞浆后，与相应的位点结合或激活某些分子。自从采用了全细胞膜片钳和单通道记录的电生理学技术，以及离子通道分子生物学、遗传学和电生理学的联合研究，使许多通道蛋白的分子结构已经逐步弄清，相当的通道cDNA 已经被克隆。目前人们认为，钾通道是存在广泛、种类最多并且最复杂的一大类离子通道。本文拟就钾离子通道的分类及功能做一个简要介绍。 1 生物体内的钾离子通道种类 生物体内的钾离子通道共分为两大家族：电压门控通道家族和内向整流钾通道家族，它们的结构特征和功能有着显著的差异。 1.1 电压门控钾通道 电压门控钾通道分子只由电压门控钠和钙通道分子中的一个重复区构成，经6次（S1－S2）穿膜，在S5与S6之间夹一个相当于钠通道P 段的H5段。而整个通道是由4种相似分子围成。通道的活化闸门也是由4个S4构成。经鉴定，如将通道分子的N 末端除去，则灭活过程消失，如将切下的N 末端段注到胞内，则被切除了N 端而失去灭活过程的K 通道可再获得灭活过程。[1] 电压门控钾通道又称电压依赖钾通道（Kv ），是已知种类最多的离子通道家族。按生理特征主要分为三类： （1）延迟整流钾通道（delayed rectifier ）（Kr ）：Hodgkin 等在乌贼巨轴突发现的钾通道属于此类。 膜去极化时经过延迟才激活，失活也缓慢。其时间常由数百毫秒至数十秒不等。[2] （2）A 型瞬时钾通道（KA ）和毒蕈间敏感的M 通道：A 型瞬时钾通道（KA ）最初由Conner 和Stevens 在海兔神经元记录到而命名。它的激活和失活都迅速，去极化至-65mV 时被激活，灭活很快，至-45mV 时完全灭活。由于活化后约1ms 灭活闸门就启动，故又称为快瞬时钾通道（fast, transient K channel ）。[3]毒蕈间敏感的M 通道最早在外周交感神经元上被发现，它调节的也是外向电流，但该电流不失活，衰减很慢。[4] （3）钙激活钾通道（KCa ），它受到电压和钙离子的双重门控。其结构略有不同，有两个功能独特的区域，即一个保守的通道核心结构和一个特别长的与钙离子结合的C 端。由去极化激活，但还受到胞内钙离子浓度的调控。 1.2 内向整流钾通道 内向整流钾通道的分子结构直到1993年才被阐明，它由两次穿膜螺旋和夹于其间的H 段构成，即只相当于电压门控钾通道分子的后半部，它没有闸门和电压感受器（H5）结构。内向整流钾通道Kir （已发现有12个相应基因：KCNJ1~KCNJ11和KCNK ）为超极化电流所激活,去极化时灭活。 2 不同钾通道的生理功能 延迟整流钾通道：限制钠离子的内流，以缩短动作电位的持续时间。由于去极化时的外向电流明显大于超级化时出现的内向电流，故又称为外向整流钾通道（outward rectifier ）,可被四乙胺阻断。与