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细胞内钙离子通道的研究进展及其作用机制钙离子(Ca2+)是生物体内重要的细胞内信使，对于生命活动的维持和调控具有重要作用。
在动植物细胞中，钙离子可以通过细胞膜通道进入细胞内，也可以通过内质网、线粒体等细胞器释放。
其中，细胞膜通道的运作需要钙离子通道蛋白的参与，而细胞内的Ca2+信号是由各种Ca2+通道、Ca2+离子泵、Ca2+内流以及Ca2+结合蛋白等进行协调调节的。
本文将会详细介绍细胞内钙离子通道的研究进展及其作用机制。
一、细胞内钙离子通道的分类根据细胞膜的机制以及钙离子在细胞内运输途径的不同，可以将钙离子通道分为两大类：第一类是电压依赖性离子通道(VDCCs)，第二类是配体依赖性离子通道(Ligand-gated ion channels, LGICs)。
1.电压依赖型钙离子通道VDCCs是细胞膜上的一种可充电蛋白质，在细胞膜贴片或内膜片上含有对称的阳离子通道，可通过细胞膜受体激动剂的作用，直接开放通道。
此外，在电压够高时，VDCCs也能打开通道。
VDCCs在神经元、肌细胞、内分泌细胞等组织中都有广泛的分布，并发挥重要的作用，如自发性神经冲动的传递，肌细胞的收缩，以及内分泌活动的调控等。
2.配体依赖型钙离子通道配体依赖型钙离子通道主要分为两类——离子型和非离子型的。
离子型的钙离子通道包括nicotinic acetylcholine receptor（nAChR）、glutamatergic receptor和GABA-a receptor等，这些通道是由四个不同的亚单位组合而成的，能够接受相应的配体(乙酰胆碱、谷氨酸等)的结合，并在配体结合时开放离子通道。
非离子型的钙离子通道包括Cation-pi and tocopherol-mediated gating channels （cat-CPG channel）和TRP激活的非选择性钙离子通道(TRPACs)等，这些通道的活动和特性并不只与Ca2+直接相关。
钾离子通道研究论文随着科学和技术的不断发展，人们对于生物学和医学领域的研究也越来越深入和精细。
其中，钾离子通道作为生物膜中的离子通道之一，其在细胞中的调节作用被广泛研究。
本文将从以下几个方面探讨钾离子通道的研究进展：定义与分类、结构与功能、通道与疾病、未来的研究方向与前景等内容。
一、定义与分类钾离子通道是一种贯穿细胞膜的离子通道，它能够调节细胞内外的钾离子浓度，从而影响细胞的兴奋性和调节细胞内钾离子的水平。
钾离子通道可以通过开放和关闭来调节离子的进出。
通常，它会在细胞膜粘着区上聚集，并形成一个多单元蛋白质，包括四个亚单位，分别为Kv、KCa、KATP和Kir。
目前，已经发现的钾离子通道可以分为四个家族：Kv家族、KCa家族、KATP家族以及Kir家族。
其中，Kv家族也是最常见的家族。
它一般被发现在神经元和心肌肌细胞膜上，对于调节细胞的兴奋性、决定动作电位的形成和传导很重要。
而KCa家族则负责调节平滑肌纤维的稳态平衡；KATP家族为细胞代谢稳态平衡提供帮助，而Kir家族则在对某些细胞的反应性干预时发挥作用。
二、结构与功能钾离子通道有着独特的结构和功能，这也是其能够影响细胞兴奋性和调节细胞内钾离子水平的主要原因之一。
其结构包含了一个膜蛋白质，并以四个子单位组成。
其中，膜蛋白质有两个相互交错的螺旋，并通过碱性螺旋区域将膜蛋白质在膜上定位。
此外，有八个跨膜段，其中两个跨膜片（S5，S6）位于中心区域，起到选择性过滤作用。
通道口由四个子单位的膜蛋白质组成，形成一个左右对称的结构，以便于钾离子的进出。
钾离子通道的功能主要体现在调节细胞内的外离子平衡和维持神经元及心肌细胞的电位。
当细胞膜上的钾离子通道关闭时，细胞内外离子的平衡得到保持，细胞内的静息电位正常；当细胞受到刺激后，钾离子通道打开，钾离子从细胞内流向细胞外，产生一系列动作电位。
这些动作电位将从神经元的细胞体向神经元末梢传递，从而控制神经系统的正常功能。
离子通道的结构与功能研究进展离子通道是细胞膜上的蛋白质，它们能够控制离子进出细胞，从而对细胞活动起到调节作用。
离子通道的研究是复杂的，因为它们的结构和功能都受到多种因素的影响。
然而，在过去的几十年里，科学家们对离子通道的研究取得了很多进展。
本文将介绍离子通道的结构和功能研究进展。
一、离子通道的结构离子通道是一种跨越细胞膜的蛋白质，具有高度的空间特异性。
它们的结构与功能有密切关系，因此离子通道研究的首要任务是揭示其结构。
实际上，离子通道的结构一直是科学家们关注的焦点，因为其结构决定其功能，为药物设计提供了重要依据。
近年来，基于X射线晶体学和电子显微镜等技术，科学家们成功破解了许多离子通道的晶体结构。
其中最具代表性的是研究钾通道的英国科学家芙朗西斯·克里克和美国科学家詹姆斯·怀特。
1982年，他们发表了钾通道晶体结构的文章，这一结果也奠定了现代分子生物学的基础，赢得了1982年诺贝尔生理学或医学奖。
目前，已经发现了许多不同结构的离子通道，包括钾通道、钠通道、钙通道、氯离子通道等。
这些离子通道的三维晶体结构被确定，为我们深入了解其功能提供了基础。
二、离子通道的功能离子通道在生命活动中发挥着不可替代的作用。
它们能够产生和传递神经冲动、调节心脏节律、调节肌肉收缩等多种生理功能。
因此，了解离子通道的功能也是研究的重点之一。
离子通道的功能主要与离子进出细胞有关。
离子通道分为静止状态和动态状态两种，静态状态指通道处于关闭或开放状态，而动态状态指通道处于激活或失活状态。
离子通道的动态状态是由于其蛋白质在细胞膜上的特定区域受到不同的刺激导致的。
例如，物理因素如温度、电压、压力等，以及化学因素如离子浓度、药物等都能够对离子通道的结构和功能产生影响。
三、离子通道的疾病治疗离子通道在机体内的调节作用非常重要，如果出现离子通道缺陷，就会导致相关疾病的发生。
例如，一些遗传性离子通道疾病，如长QT综合症、周期性瘫痪等，均与离子通道缺陷密切相关。
分子生物学中钾离子通道研究进展: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。
: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着特征: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。
离子通道及其应用研究进展离子通道是细胞膜上一类重要的蛋白质通道，能够控制离子通量，参与了细胞内外环境的维持、神经传导、心跳调控等生理过程。
在过去10年中，离子通道及其应用的研究引起了越来越广泛的关注，新的科学成果不断涌现。
本文将对离子通道及其应用的研究进展进行综述。
1. 离子通道的分类离子通道可分为多种类型，常见的有钠通道、钾通道、钙通道和氯通道等。
这些通道根据对哪一种离子最为选择性地通道，又可分为单一离子通道、多种离子通道、有选择通道和非选择通道等。
2. 离子通道的结构离子通道分子有四个子单位，其中两个α亚基构成了离子通道的主体，其余两个亚基则帮助离子通道稳定和调节功能。
每个亚基由多个跨膜结构的α螺旋组成，这些α螺旋形成了一个环状结构，其中含有大量的氨基酸，对于通道的功能有着极为重要的影响。
3. 离子通道在生物学中的重要性离子通道在维持细胞内外环境平衡、参与神经传导、心跳调控等方面具有重要的作用。
例如，钠通道和钾通道参与了神经元动作电位产生和维持；钙通道则在肌肉收缩、神经传递、胰岛素分泌等过程中发挥了重要作用。
此外，离子通道与病理生理上的关系也引起了广泛的关注。
许多疾病，例如肌无力症、细胞色素C氧化酶缺乏症、心脏病等，与离子通道的异常功能有关，因此，对离子通道及其功能的了解对于疾病的预防、诊断和治疗都有着重要作用。
4. 离子通道技术的应用离子通道技术被广泛应用于新药研发、毒理学研究和基因治疗等方面。
例如，离子通道阻塞剂可以制备为治疗不同疾病的药物，这些药物在体外和体内都可以测试其效果。
此外，在毒理学研究中，离子通道的活性也被应用于筛选可能有毒性的化合物。
在基因治疗中，使用CRISPR/Cas9技术可以将离子通道的基因修饰，从而可能治疗一系列的遗传疾病。
总而言之，离子通道在细胞生理学和神经生物学中具有十分重要的作用。
离子通道技术的发展，为新药研发、毒理学研究和基因治疗等方面提供了有力的工具。
未来，在离子通道和其应用研究方面还有很多待解决的问题，我们期待着更多的科学成果。
离子通道及其应用研究进展离子通道是一种在细胞膜上负责离子传输的蛋白通道。
它们可以在正常生理条件下调节细胞内外离子交换和细胞内外电位差，从而参与一系列生物过程。
离子通道在医学领域有着广泛的应用研究，并取得了重要的进展。
首先，离子通道在药物研发方面有着重要的作用。
离子通道是许多药物的靶点，调节离子通道活性可以影响神经传导、心脏肌肉收缩等功能。
通过研究离子通道结构和功能，科学家们可以设计出能够选择性激活或抑制特定离子通道的药物，用于治疗神经系统疾病、心脏病等疾病。
例如，钙离子通道是心脏肌肉收缩的关键调节者，研究人员通过开发钙离子通道拮抗剂，成功用于治疗心律失常等疾病。
其次，离子通道在神经系统疾病研究中发挥重要作用。
神经系统疾病如癫痫、帕金森病等常常与离子通道的异常功能有关。
通过研究离子通道的突变及异常活性，科学家们可以揭示神经系统疾病的病理机制，并开发针对特定离子通道的治疗方法。
例如，帕金森病与钾离子通道的突变相关，研究人员可以通过开发靶向这些突变通道的药物，改善患者的病情。
再次，离子通道在科学研究中用于细胞内外电活动的记录。
离子通道参与神经元之间的电信号传导，记录离子通道的活性可以帮助科学家们理解神经网络的功能和调节机制。
近年来，出现了许多新的电生理方法，如膜片钳技术和蛋白表达技术，使研究人员能够更准确地记录和操控离子通道的活性，从而揭示细胞内外的离子流动和电位差的变化。
最后，离子通道还在生物传感器的设计中发挥重要作用。
利用离子通道对特定离子的选择性传递性质，科学家们可以将离子通道嵌入到生物传感器中，用于检测环境中的特定离子浓度。
通过监测离子通道的离子流动，可以实现对环境中离子浓度的快速和准确的检测。
这在环境监测和医学诊断等领域具有重要意义。
总的来说，离子通道在医学和生物科学研究中有着广泛的应用。
通过研究离子通道的结构和功能，科学家们能够揭示离子流动的机制，并开发新的药物和技术来治疗疾病、了解神经系统的功能和发展先进的生物传感器。
离子通道功能及调控机制研究离子通道是生物膜上的一种蛋白质通道，能够调控细胞内外的离子流动，从而参与细胞内各种生理过程。
这些通道在维持细胞膜稳定性、传导神经冲动、调节肌肉收缩、维持离子平衡等方面起到关键作用。
近年来，对离子通道功能及其调控机制的研究在生物医学领域引起了广泛的关注。
离子通道的功能离子通道起到了细胞内外离子交换与平衡维持的重要作用。
细胞膜上的离子通道能够选择性地允许特定类型的离子通过，例如钾、钠、氯等离子。
这些离子通道能够通过细胞膜上的离子梯度来驱动离子流动，从而调节细胞内外离子的平衡。
此外，离子通道还能够调节细胞膜的电位，进而影响细胞的兴奋性和肌肉收缩。
离子通道的调控机制离子通道可以通过多种方式被调控，包括电压依赖性、配体依赖性、细胞内信号通路等。
其中，电压依赖性调控是离子通道最常见的调控方式。
离子通道的调控主要通过细胞膜电位的变化来实现。
当细胞膜电位发生变化时，离子通道的开放状态也会发生变化，从而控制离子的通透性。
此外，配体依赖性调控是指离子通道可以被特定物质（如神经递质、药物等）结合并改变其通透性。
细胞内信号通路的参与能够更加复杂地调控离子通道，如通过蛋白激酶的磷酸化作用、蛋白质与离子通道间的相互作用等。
离子通道功能和调控机制的研究进展离子通道功能及其调控机制的研究对于理解生物体内离子平衡调控、神经信号传导等生理过程具有重要意义。
近年来，科学家们在这一领域取得了一系列重要的研究成果。
首先，研究人员对离子通道的结构和功能进行了深入分析。
通过采用高分辨率的结构解析技术，如X射线晶体学、电子显微镜等，科学家们成功揭示了多种离子通道的三维结构。
这些结构研究为进一步理解离子通道的功能及其调控机制提供了有力的支持。
其次，科学家们对离子通道的电生理特性进行了详细研究。
通过在离子通道表达系统中记录电流，研究人员可以了解离子通道的开放特性和离子选择性，从而进一步揭示其功能。
同时，电生理实验还可以揭示离子通道的电压依赖性调控机制。
离子通道研究进展河北北方学院基础医学院李京泽【摘要】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，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。
生物膜对离子的通透性与多种生命活动过程密切相关。
由于离子通道在医学上的重要作用，近年来人们在离子通道上的研究日益加深。
【关键词】离子通道研究进展前景展望活体细胞不停地进行新陈代谢活动，就必须不断地与周围环境进行物质交换，而细胞膜上的离子通道就是这种物质交换的重要途径。
人们已经知道，大多数对生命具有重要意义的物质都是水溶性的，如各种离子，糖类等，它们需要进入细胞，而生命活动中产生的水溶性废物也要离开细胞，它们出入的通道就是细胞膜上的离子通道。
离子通道由细胞产生的特殊蛋白质构成，它们聚集起来并镶嵌在细胞膜上，中间形成水分子占据的孔隙，这些孔隙就是水溶性物质快速进出细胞的通道。
离子通道的活性，就是细胞通过离子通道的开放和关闭调节相应物质进出细胞速度的能力，对实现细胞各种功能具有重要意义。
离子通道的特点和类型离子通道是能选择性的允许某些离子进出细胞的细胞膜孔道，它是跨膜离子转运体系的转运机制之一，离子通道有三个特性：①选择性。
对被转运离子的大小和电荷有高度的选择性，不同的离子通道通过不同的离子。
例如，钾离子通道可以让钾离子以高达每秒108个离子的速率通过，但是略小一点的钠离子却无法通过。
离子通道的这种高度选择性是由通道空间够向的特异性和相对结合强度两方面因素造成的。
②高速运转性。
驱动离子跨膜转运的动力来自于两种因素的结合。
一种是被转运离子的浓度梯度，另一种是跨膜电位差，这种驱动力构成了离子跨膜的电化学梯度，决定了离子跨膜的被动运输方向。
③门控性。
离子通道犹如生物膜上的“分子开关”，具有开放，关闭和失活等状态，这些状态受多种因素的调控，成为各种生理功能的基础和药物作用的靶点。
离子通道及其应用研究离子通道（ion channel）是细胞膜上的一种蛋白质通道，它能够调节离子的进出，从而影响细胞的生物电活动。
离子通道是细胞对外界刺激进行应答和调节的重要途径，因此，在细胞生理学和神经科学等领域中，离子通道一直是一个热门的研究方向。
最近十年间，离子通道研究在药物开发、疾病治疗、神经免疫等领域得到了极大的进展。
离子通道分类离子通道按功能分类，可分为电压门控通道（voltage-gated ion channel）、配体门控通道（ligand-gated ion channel）、机械门控通道（mechanically-gated ion channel）和其他类型的离子通道。
电压门控通道是最常见的离子通道类型，主要负责传递和调节神经细胞间的离子流动，比如钠通道和钾通道。
配体门控通道的开放和闭合状态受到化学物质作用的调节，比如神经递质和药物。
机械门控通道的开放和闭合状态受到物理刺激的调节，比如拉力和压力。
离子通道研究进展离子通道的研究不仅对基础科学有重要的意义，也对临床医学和药物研发产生了广泛的影响。
例如，离子通道的致病突变常常会导致遗传性疾病的发生，如先天性肌无力症、心律失常和癫痫等。
针对离子通道致病突变的治疗方法，比如离子通道拮抗剂、离子通道增敏剂和离子通道基因治疗等，已经成为目前疾病治疗领域的重要方向。
此外，离子通道的药物靶点研究和药物筛选也成为了研究热点。
目前，已经有一些离子通道拮抗剂和增敏剂被用于临床治疗，如利多卡因和奥美拉唑等。
离子通道在神经免疫方面的研究也引起了广泛的关注。
研究发现，离子通道在免疫细胞的功能发挥中起到了重要的作用，比如维持细胞膜电位、调控细胞透过性、介导细胞间信号传递等。
因此，离子通道可能成为开发新型神经免疫治疗方法的目标。
离子通道在生命科学中的应用也非常广泛。
生命科学研究需要更加精细的细胞内环境控制和刺激能力，而离子通道就可以很好地满足这一需求。
离子通道的应用领域包括癌症治疗、神经网络计算、药物传递和基因修饰等。
引言1 研究历史2 离子通道的定义3 离子通道的主要功能4 离子通道的共同特点5 离子通道的分类6 研究方法7 离子通道相关疾病引言活体细胞不停地进行新陈代谢活动，就必须不断地与周围环境进行物质交换，而细胞膜上的离子通道就是这种物质交换的重要途径。
人们已经知道，大多数对生命具有重要意义的物质都是水溶性的，如各种离子、糖类等，它们需要进入细胞,而生命活动中产生的水溶性废物也要离开细胞，它们出入的通道就是细胞膜上的离子通道。
离子通道由细胞产生的特殊蛋白质构成，它们聚集起来并镶嵌在细胞膜上，中间形成水分子占据的孔隙，这些孔隙就是水溶性物质快速进出细胞的通道。
离子通道的活性，就是细胞通过离子通道的开放和关闭调节相应物质进出细胞速度的能力，对实现细胞各种功能具有重要意义。
1 研究历史1902年J.伯恩斯坦在他的膜学说中提出神经细胞膜对钾离子有选择通透性。
1939年A.L.霍奇金与A.F.赫胥黎用微电极插入枪乌贼巨神经纤维中，直接测量到膜内外电位差。
1949年A.L.霍奇金和B.卡茨在一系列工作基础上提出膜电位离子假说，认为细胞膜动作电位的发生是膜对纳离子通透性快速而特异性地增加,称为“钠学说”。
1952年A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎用电压钳技术在枪乌贼巨神经轴突上对细胞膜的离子电流和电导进行了细致地定量研究，结果表明Na+和K+的电流和电导是膜电位和时间的函数,并首次提出了离子通道的概念，赢得了诺贝尔生理及医药奖。
他们的模型(H-H模型)认为，细胞膜的K+通道受膜上4个带电粒子的控制，当4个粒子在膜电场作用下同时移到某一位置时，K+才能穿过膜。
1955年，卡斯特罗和B.卡茨对神经-肌肉接头突触传递过程的研究发现：突触后膜终板电位的发生，是由于神经递质乙酰胆碱(Ach)作用于终板膜上受体的结果，从而确认了受化学递质调控的通道。
60年代，用各种生物材料对不同离子通透性的研究表明，各种离子在膜上各自有专一性的运输机构，曾经提出运输机构是载体、洞孔和离子交换等模型。
敏感离子通道研究进展摘要】酸敏感离子通道(acid-Sensing ion channels, ASlCs) 是一类由细胞外质子(H+)激活的阳离子通道，属于上皮钠通ENaC( epithelial sodium channels) / 退化因子基因DEG(degenerin) 通道家族的成员，广泛分布于神经及神经以外系统。
在炎症、脑缺血、肿瘤等病理过程中发挥重要作用。
ASlCs 的分子结构与组织细胞分布特点、调控机制以及在疾病过程中的作用已经得到了部分阐明。
本文对ASlCs 最新研究进展作一综述，以增进对ASlCs 生物学功能和病理作用的了解。
【关键词】组织酸化酸敏感离子通道结构功能调控【中图分类号】R313 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2012）07-0062-02身体组织液酸化、组织细胞酸化是机体生理及病理条件下的常见现象。
身体、细胞处于酸性体液中，导致周围pH 降低。
机体如何感受细胞外液pH 值的变化来进一步调整其活动，机体是通过什么机制来感受pH 的变化并将其转化为信号? 一直是此领域研究的难解之谜。
最近的研究表明，一种酸敏感的阳离子通道(acid sensing ion channels，A S I C ) 在此过程中发挥着重要作用，是细胞膜上的酸受体，于是，有关酸敏感的离子通道的研究便成为国内外生物学、医学领域研究的热点。
1980 年，Krishtal 等[1] 首先在神经细胞膜上记录到了一种可以被氢离子激活的电流，并认为细胞膜上可能存在质子的受体。
在接下来很长时间内，对于此现象的研究没有太大进展。
1997 年，Wa l d m a n n等[2] 第1 次克隆出被酸激活的通道蛋白，并将其命名为酸敏感离子通道(Acid sensing ion channels，ASICs) 。
由于他们的杰出工作，从此对于ASICs 的研究进入了一个崭新的时代。
1 ASICs简介1.1 ASICs 的结构特性ASICs属于ENaC(Epithelial sodium channels)/DEG(Degenerins)通道家族的一员[3]。
细胞膜通道与离子通道研究进展随着科技的不断进步，越来越多的专家学者开始研究细胞膜通道与离子通道领域。
细胞膜通道指的是细胞膜上的一种具有通透性的蛋白质，它能够控制细胞内外的物质交换。
而离子通道则是细胞膜通道中最常见的一种类型，它可以让离子在细胞膜上有选择性地通过。
本文将详细介绍细胞膜通道与离子通道在研究上的进展。
一、细胞膜通道的研究进展细胞膜通道的研究主要涉及到其结构、功能和调节机制等方面。
在结构研究方面，科学家们通过使用电子显微镜和X射线晶体学技术，成功地解析出了膜通道的结构。
例如，在2018年，美国科学家William C. Wimley团队在Journal of the American Chemical Society上发表了一篇文章，成功地解析了一种激活型膜通道的结构信息。
在功能研究方面，细胞膜通道的作用是控制细胞内外的物质交换。
因此，科学家们尤其关注细胞膜通道在离子传递、水分运输、小分子物质通道等方面的功能。
例如，Yang等人在2020年发表的文章中，深入探讨了膜通道对水分运输的影响。
在调节机制研究方面，主要是探讨膜通道的开关机制。
科学家们发现，膜通道的开关机制涉及到离子、小分子物质的浓度、蛋白质相互作用、磷酸化等因素。
其中，磷酸化是重要的调节机制之一。
例如，美国科学家LiWang团队在2021年发表的文章中，发现磷酸化作用可以调节一种膜通道的活性。
二、离子通道的研究进展离子通道在细胞膜通道中占据着重要的地位，它能够控制钠、钾、钙等特定离子在细胞膜上的通道选择性。
在离子通道的研究方面，主要涉及到其结构、功能和调节机制等方面。
在结构研究方面，离子通道的结构也得到了深入的研究。
例如，加拿大科学家南平Martin Chalfie团队在2018年发表的文章中，成功地解析出了一种离子通道的结构信息。
在功能研究方面，离子通道的研究主要集中在其选择性和透过速率等方面。
例如，在2021年发表的一篇文章中，中国科学家们研究了阳离子通道的选通性，发现通道的结合位点对阴离子的选择性具有重要影响。
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。
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 NPCk2 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 NPCk2 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 NPCk2 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。
