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生物物理学中的离子通道生物物理学是一个研究生命体系科学的分支，其中离子通道是一个极为重要的研究领域。
离子通道指的是一种具有通透性的膜蛋白，能够调节细胞膜电位和离子浓度，以维持生物体的正常生理状态。
本文将从离子通道的结构、功能和应用等方面进行讨论。
一、离子通道的结构离子通道主要分为两类：电压门控离子通道和配体门控离子通道。
其中，电压门控离子通道是以细胞内部和外部的电压作为信号控制其开启和关闭，而配体门控离子通道则是通过与某种特定分子的结合来调节其开放状态。
离子通道的结构包括两个主要的部分：孔道和门。
孔道指离子通道内部留下的空隙，门则是其控制开启和关闭的部分。
一般来说，孔道是由多个膜蛋白单体组成的，这些单体之间通过膜蛋白间连，形成一个大的空间。
门则是由离子通道蛋白质的不同结构特征组成的，包括螺旋、β折叠、外环及其它结构。
二、离子通道的功能离子通道的功能十分重要，其具有以下几个方面：1.调节细胞膜电位离子通道能够增加或减少细胞膜的电位，辅助神经细胞或肌肉细胞产生动作电位或肌动蛋白等运动蛋白的收缩。
2.调节离子浓度通过离子通道，细胞可以调节不同离子（如钠、钾、钙等）的浓度，以保持正常生理环境。
3.调控细胞分化和增殖近期研究表明，离子通道不仅可以改变细胞膜电势，也可能参与细胞分化和增殖的过程。
4.参与信号传导过程离子通道能够传导化学或电信号，从而形成神经或组织间的信号传递。
三、离子通道的应用由于离子通道在细胞内的重要作用，其研究应用十分广泛。
以下是其中几个例子：1.立体定向放射治疗颅内肿瘤离子通道的电生理性质让它在放射治疗方面具有潜在的优势。
通过改变跨膜电势，能够有效地调控肿瘤细胞的生长和凋亡，达到治疗目的。
2.开发治疗神经退行性疾病的新型药物神经退行性疾病（如阿尔茨海默病等）的治疗还处在研究阶段，而离子通道则被证实在神经传导方面具有重要的作用，因此，通过合成新型药物来调控离子通道的活性，被认为是缓解神经退行性疾病的可行方案。
细胞膜中的离子通道结构和功能研究细胞膜是细胞的外层保护层，不仅限制了物质进出细胞，还能感知、传递信号。
为了效率和准确性，细胞膜上还存在各种类型的通道分子，负责特定物质或离子的转运。
其中，离子通道是最为重要的一类。
一、离子通道种类细胞膜中的离子通道可以分为多种类型，按照内部结构、离子种类和激活方式等分类。
其中，最常见的有以下几种：1. 钾通道：透过钾离子的离子通道。
可分为电压门控式和内、外源钙激活的两种类型。
在神经递质的传递、心脏节律控制等方面都起着重要的作用。
2. 钙通道：通过钙离子的离子通道。
包括电压门控式、配体门控式等多种类型。
功能非常广泛，参与了神经递质释放、细胞过程调控、心肌收缩等方面。
3. 钠通道：透过钠离子的离子通道。
主要特点是快速响应和活化，通常是电压门控式。
肌细胞、神经元和心肌细胞等组织内都非常重要。
二、离子通道的结构离子通道由多种蛋白质组成，主要包括离子选择性通道蛋白和辅助蛋白等组分。
其中，离子选择性通道蛋白是最主要的成分，决定了通道的选择性和特定的通透性。
一般来说，离子选择性通道蛋白分为两个主要区域：跨膜区域和细胞内外区域。
跨膜区域是最主要的结构部位，是通道内离子通透的主要场所。
细胞内外区域则主要负责信号接受、传递、锚定等作用。
值得注意的是，离子通道的结构是非常灵活多变的，除了基本的通道结构外，延伸出的结构域、融合的功能模块等都起着不容忽视的作用。
三、离子通道的功能离子通道在细胞功能中扮演着非常重要的角色，他们不仅仅是物质通透的通道，更是信号传递的重要分子。
1. 物质转运：离子通道的最基本功能是实现对离子化物质的转运。
通过选择性通透离子的种类和数量，细胞控制物质进出的速率和流量。
2. 信号传导：在许多情况下，离子通道的开启和关闭会引发电位变化或其他信号转导。
这些信号既可以是细胞内外的环境改变，也可以是其他信号调节分子的作用。
这些信号再促进通道开放或关闭，形成不同的电活动和细胞响应。
医基知识点汇总一、细胞的基本功能。
1. 细胞膜的物质转运功能。
- 单纯扩散：如氧气、二氧化碳等脂溶性物质顺浓度差的跨膜转运。
- 易化扩散。
- 经载体易化扩散：特点包括特异性、饱和现象和竞争性抑制，如葡萄糖、氨基酸等的转运。
- 经通道易化扩散：离子通道具有离子选择性和门控特性，如钠通道、钾通道等。
- 主动转运。
- 原发性主动转运：如钠 - 钾泵，每分解1分子ATP，可将3个Na⁺泵出细胞，同时将2个K⁺泵入细胞。
- 继发性主动转运：如小肠黏膜上皮细胞对葡萄糖、氨基酸的吸收。
2. 细胞的信号转导。
- 离子通道型受体介导的信号转导：如神经 - 肌肉接头处的乙酰胆碱受体。
- G蛋白偶联受体介导的信号转导：涉及多种第二信使（如cAMP、IP₃、DG等）的产生。
- 酶联型受体介导的信号转导：例如酪氨酸激酶受体。
3. 细胞的电活动。
- 静息电位：细胞在安静状态下，存在于细胞膜内外两侧的电位差，主要由K⁺外流形成。
- 动作电位。
- 概念：细胞在受到刺激时，在静息电位基础上发生的一次迅速、可逆、可传播的电位变化。
- 组成：包括去极化（Na⁺内流为主）、反极化、复极化（K⁺外流为主）和后电位（包括负后电位和正后电位）。
- 特点：“全或无”特性、不衰减传播等。
二、血液。
1. 血液的组成和理化特性。
- 组成：由血浆和血细胞组成。
血浆中含有水、蛋白质（如白蛋白、球蛋白、纤维蛋白原等）、电解质、营养物质、代谢废物等。
血细胞包括红细胞、白细胞（中性粒细胞、淋巴细胞、单核细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞）和血小板。
- 理化特性。
- 比重：血液比重主要取决于红细胞数量，血浆比重主要取决于血浆蛋白含量。
- 粘度：与血细胞比容和血浆粘度有关。
- 血浆渗透压：包括晶体渗透压（主要由NaCl形成，对维持细胞内外水平衡重要）和胶体渗透压（主要由白蛋白形成，对维持血管内外水平衡重要）。
- 酸碱度：pH值为7.35 - 7.45。
2. 血细胞生理。
一：绪论1、体液调节是通过体液中的化学物质来完成的。
2、反射3、三个研究水平，细胞分子水平、器官系统水平、整体水平4、在传统生理学中，把神经、肌肉、腺体可兴奋组织。
5、神经调节、体液调节、自身调节。
6、生理学是研究生物机体生命活动规律的科学。
二：细胞的基本功能。
1、主动转运：原发主动转运、继发主动转运；被动转运：单纯扩散、易化扩散（经通道的易化扩散、经载体的易化扩散）2、影响离子被动转运的因素：膜的通透性、膜两侧的浓度差、膜两侧的电位差。
3、蛋白质，脂肪等大分子物质进出细胞的转运方式是载体为中介的主动性转运、继发性主动运输4、K+的浓度，内高于外，Na+外高于内。
5、刺激可兴奋细胞，使细胞膜去极化达阈电位水平，使细胞膜的钠通道开放。
6、单一细胞上的动作电位的特点是全或无、不衰减传导.7、阈值越高，兴奋性越低。
8、细胞膜上的钠离子通道蛋白的三种状态，激活状态、失活状态、备用状态、9、神经纤维上的动作电位扩布的机制是通过局部电流实现的。
10、骨骼肌的基本功能单位是肌小节。
骨骼肌收缩时，暗带长度不变，明带长度缩短。
11、细胞膜的：“液态镶嵌模型”三：血液1、血浆的渗透压：胶体渗透压、晶体渗透压。
2、胶体渗透压：调节血管内外水平衡。
3、合成血红蛋白的原料：铁、蛋白质。
4、红细胞：运输CO2和O2.5、红细胞的生理特性：通透性、可塑变形性、悬浮稳定性、渗透脆性。
6、晶体渗透压的作用：维持细胞内外水平衡、保持细胞的正常形态和功能。
7、血浆pH:7.35~7.458、白蛋白构成血浆胶体渗透压，球蛋白有免疫功能。
9、血小板的生理特性：黏附、聚集、释放、吸附、收缩、维持血管内皮的完整性。
10、维生素和叶酸缺乏将导致巨幼红细胞性贫血。
11、骨髓受到X射线损害时的贫血是再生障碍性贫血。
12、在有寄生虫感染和过敏反应的情况下，常伴有嗜酸性粒细胞增多。
三：血液循环。
1、心肌细胞：工作细胞（兴奋性、传导性、收缩性）、自律细胞（兴奋性、传导性、自律性）2、心脏自律细胞电活动最本质的原因是4期自动除极，窦房结自律性最高。
生物膜离子通道生物膜离子通道示意图生物膜离子通道（ion channels of biomembrane）是各种无机离子跨膜被动运输的通路。
生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输（顺离子浓度梯度）和主动运输（逆离子浓度梯度）两种方式。
被动运输的通路称离子通道，主动运输的离子载体称为离子泵。
生物膜对离子的通透性与多种生命活动过程密切相关。
例如，感受器电位的发生，神经兴奋与传导和中枢神经系统的调控功能，心脏搏动，平滑肌蠕动，骨骼肌收缩，激素分泌，光合作用和氧化磷酸化过程中跨膜质子梯度的形成等。
细胞膜离子通道细胞膜上离子通道的功能，除了可以调节细胞内外的渗透压，也是维持细胞膜电位的重要分子，而神经细胞要进行讯号传导，便是靠离子的进出以造成膜电位的变化。
虽然科学家对于细胞膜上离子通道已有相当程度的了解，对于离子通道所具有的特殊选择性，也从能蛋白质的结构大略获得解释，但是一直缺乏一套完整详细的分子作用机制。
原因是，要做出膜蛋白三维结构的高解析度影像，非常不容易。
1998年，麦金农做出了链霉菌的离子通道蛋白质KcsA的高解析三维结构影像，并首度从原子层次去了解离子通道的作用方式。
KcsA离子通道中有一种“滤嘴”，能让钾离子（K+）通过，却不允许同族元素中体积更小的钠离子（Na+）通过，这令科学家百思不得其解。
但是麦金农根据KcsA的立体结构，发现离子通道中“滤嘴”边上的四个氧原子的位置，恰好跟钾离子在水溶液中的情况一样，亦即滤嘴边上的氧与水分子的氧距离相同，所以钾离子能够安然通过通道，一如在水中一样；但钠离子尺寸较小，无法顺利接上滤嘴边上的四个氧原子，因此只能留在水溶液，而无法轻易穿过通道。
而离子通道的开关会受到细胞的控制，麦金农发现，离子通道的底部有个闸门，当离子通道接收到特定的讯号，离子通道蛋白质结构便会发生改变，因此造成闸门的开关。
麦金农对于钾离子通道的结构与作用机制的研究，是生物化学、生物物理等领域的一大突破，也为神经疾病、肌肉与心脏疾病的新药物开发，指引了新的方向。
2010-膜离子通道总复习汇总2010总复习一．基本定义和概念：欧姆定律：I＝G×(E－E rev)；膜电势＝膜内－膜外；电流方向规定从胞内流向胞外为正；膜等效电路；离子选择性. E rev＝RT/zF*ln(P A[A]o/P B[B]i)E rev＝RT/F*ln(（P K[K]o＋P Na[Na]o+P Cl[Cl]i）/ (P K[K]i＋P Na[Na]i+P Cl[Cl]o))动作电位产生原因：Na/Ca的内流, K的外流产生动作电位1.动作电位产生于Na通透性的增加：电击后，膜电位首先从V rest增加并超过0 mV达到最大值（叫去极化）之后开始下降至V rest或更低时叫复极化或超极化。
AP：All-or-none;有阈值（去极化10-15 mV）;动作电位是一种脉冲式的电信号（常见于CNS中）。
见图。
有关动作电位的名词：去极化: 极性程度的减弱；复极化；超极化；动力学名词：激活activation:电导在一个短时间延时后急剧增加（去极化过程）；失活：电导在一个短时延时后急剧增加后掉到低值（去极化过程中通道关闭）；去激活deactivation:电导回到通道关闭的水平；尾电流：驱动力、通道开放；门电流/门电荷：位移电流，通道上电荷在电场力的策动下运动所致。
一般在10ms内消失，电流很小，可以通过阻断所有通道电流测得。
计算门电荷数/有效电荷：利用GV曲线的Slope得到门电荷或用方差法从电流中得到通道数或从门电流中得到总电荷数；O/C=exp(-(w-z g q e E)/k B T)O/(O+C)=1/(1+exp((w-z g q e E)/k B T))) 这里z g是等效电荷数。
，k为gv曲线中参数bQ10定义：会利用已知的Q10，计算速率常数随温度的变化；生物学中定义：Q10= k(T+10o C)/k(T),这里κ代表速率常数。
Eyring 速率定律：k(T) =k(0)exp(-∆G/RT). 用近似T=273>>10.任意温度间隔∆T⎦π Q∆T=(Q10)∆T/10.其它术语：Rundown：全细胞模式下，由于胞内的小分子能量物质可以通过电极流失而导致通道电流在很短时间内减小或消失，且不可恢复，可以在电极中加入ATP, Mg，cAMP等物质消除Rundown现象；Desensitization：加入Ach的几秒钟后，宏观终板电导减小或微观Ach电流减小。
这个过程叫配体通道去敏感。
Open Channel Block：当阻断剂在胞内有受体，而且仅当通道打开（去极化），才能阻断电流，也就是说当通道关闭时，TEA不能阻断电流，电流上升逐渐不变，所以阻断发生在静息电位时（关闭态）就不能进入孔内。
Use-dependent block：局部麻药的阻断效应，随着刺激频率的加快而增强。
Reope n：阻断剂NMS可以阻止Na通道失活和去激活，使通道在复极化时仍有开放特性，可以记录到hooker tail尾电流，且这个尾电流的值大于未阻断的水平，且时程延长。
依赖状态的阻断：QX，从胞外（以中快速率）在通道开放时阻断nAChR 通道，然后阻断通道关闭，延缓电流的去敏感。
Adaptation：感觉通道对于一种恒定的刺激会产生减少冲动发放频率的适应性反应。
它的产生原因：电压依赖，胞内的mg离子阻断效应。
1、什麽是内向整流？它的产生原因？胞内的Mg2＋等阻断；（C5）内向整流K通道（Inwared rectifier）心脏的非起博细胞。
去极化时关闭。
又叫Kir 通道。
功能为当膜电位比静息电位更负时Kir 通道会将膜电位拉回来。
而它的小外向电流使得膜电位维持在E K。
这种通道有多种，如K ir6 即K ATP通道在胞内ADP/ATP的比增高时，通道打开。
又叫ATP 阻断。
K ir3 在G蛋白被激活时打开。
在心脏中它们又叫K Ach（GIRK4）。
Kir 通道的GV曲线的上升斜率较缓慢。
所以其等效门电荷较Na通道为小。
内向整流来自胞内的多价离子，如Mg2＋。
什麽是外向整流？复极化期突触前和突触后间隙的连接通道：像一个二极管。
电流是外向整流的。
信号传导的单方向性。
这也意味着突触前和突触后细胞的不对称性。
所以两边的通道不同。
延迟整流通道的含义？（C3）延迟整流钾通道。
（delayed rectified potassium channel）不同的钾通道对TEA有不同灵敏度；不同激活特性（快，慢，很慢）；失活；Ca依赖；电压依赖；ATP敏感的钾通道。
电流存在一定的延时性，快（缩短动作电位），慢（帮助动作电位复极化）。
二．实验中设计指令电压的方案设计得到以下结果：激活（GV）曲线（有三种方法：稳态、峰值或尾电流法）；电导定义：g Na=I Na/(E-E Na)，g K=I K/(E-E K)E Na和E K电动势。
描述函数为：1/(1+exp((V-V0.5)/b)) :a/(1+exp((V-V0.5)/b)) a/(1+exp((V-V0.5)/b))+c 这里，a, b(>0), c和V0.5为待定常数。
G 与几率的关系：I=nip o=GE; 当n, i, E为常数时，G与P o成正比。
尾电流与IV和GV如果有较大的尾电流的话，用尾电流测GV要好于用峰值和稳态值。
稳态失活曲线；g Na是由两个动力学过程组成.激活和失活一旦通道失活，通道的再打开必须要经过去激活过程。
（超极化）描述函数为：1/(1+exp((V-V0.5)/b)) :a/(1+exp((V-V0.5)/b)) a/(1+exp((V-V0.5)/b))+c 这里，a, b(<0), c和V0.5为待定常数。
失活恢复曲线；前一个是条件脉冲，后一个是检验脉冲。
描述函数是：1-exp(-t/τ) a*(1-exp(-t/τ)); a*(1-exp(-t/τ))+b 这里，a, b和τ为待定常数。
平均电流迹线；一组电流迹线IV曲线的尾电流法；膜电容简易测量方法；膜平均电容：C M＝1 μF/cm2膜电容：C＝Q/E;dE/dt=I c/C 这里C=εε0A/d。
dE/dt= I c/C=-E/RCE=E0exp(-t/RC)= E0exp(-t/τ) Fig.1.2阻断剂的对通道阻断的IC50浓度实验：多种浓度测量法和单一浓度测量法。
1．单一毒素浓度测定K d值法求阻断剂的K D：每隔一个固定时间比如10秒，膜电压从保持电压跳到检验电压以得到电流的蜂值，然后加药测量电流峰值随时间的改变至一相对稳态，然后用没有毒素的溶液灌洗至基本完全恢复。
2．药和毒素和受体作用：受体：含有结合位点的分子。
k1T+R TR （这里，假定只有一个结合位点）k-1d([TR])/dt=k1[T][R]-k-1[TR]=0 （平衡态）K d=k-1/k1=[T][R]/[TR]受体结合Toxin的比率（通道被阻断的比率）：y=[TR]/([TR]+[R])=1/(1+K d/[T])自由受体率：1-y=1/(1+[T]/K d)另一种看法：k1[T]O←-----→Bk-1dP O/dt=-k1[T]P O+k-1(1-P O)；P B=1-P O平衡时有 -k1[T]P O+k-1(1-P O)＝0P O＝k-1/(k1[T]+k-1)=1/(1+[T]/K d); P B= k1[T]/(k1[T]+k-1)=1/(1+K d/[T]) 多次重复上述计算后，我们有：Hill 方程（n个结合位点）： y=1/(1+(K d/[T])n) 协同性; n 是Hill 系数K d=IC50, EC50Fig. 3.3Na通道阻断剂量曲电压依赖的阻断的测量方法：在不同电压下阻断电流。
得到IC50（V） Exp（qV）其中Ca电流，Na电流，K电流，nAChR电流的Protocol各不相同，原因是它们的失活和反转电位各异。
比如, HVA和LVA不同的是LVA有失活，HVA却没有失活等等。
问：如何记录LVA电流？如何记录nAChR电流（静息时加Ach刺激）？电压分类：HVA（高电压激活，无失活或部分失活，慢失活）. LVA （低电压激活，完全失活，快失活）确定离子通透性的GHK方程：E rev＝RT/F*ln((P K[K]o+P Na[Na]o+P Cl[Cl]i)/(P K[K]I+P Na[Na]i+P Cl[Cl]o))。
这里P A/P B是通透比注意尾电流法中的瞬时电流值的选取的原则是避免电容电流的最近点，而非Peak值。
用非稳态方差法求通道总数N和单通道电流的要点时：各Trace是非平均Trace；消除漏电流；三．通道结构（第十三章和第十七章）1．nAChR，Na, K, Ca 以及阳离子通道的一级拓扑分子结构特点2．nAChR，Na, K, Ca 以及阳离子通道中的pore结构特点，阻断及离子选择性机制。
3．钾通道过滤器的氨基酸序列特征序列是什麽？TXXTXGYG；该序列的排列相当于水合离子结构。
这被叫作Signature Sequence。
四个TXGYG在前腔形成K离子过滤器。
至少有两个跨膜部分的P环就可形成孔道。
4．探测通道孔区结构的方法：即用Cysteine，Alanine等突变结合氧化剂MTS和其他阻断剂的方法SCAM (substituted-cystein accessibility method)方法：（如果必要的话，去除所有的原生型cysteine）1）逐一用半胱氨酸Cysteine替换到所希望的各残基，但要保持功能不变。
2）再用MTS检验是否有永久性阻断（-SS-引起永久型阻断）。
5．比较K V，K ATP和KCNQ等离子通道的辅助β亚基与其α亚基的结合方式异同和β亚基的功能。
四．阻断机制（第十六章和第十七章）1．阻断速率的单通道鉴别；阻断剂在通道结构研究中的应用？三种time scale2．Hill方程y=1/(1+(K d/[T])n); Hill系数n的含义？Hill 方程（n个结合位点）： y=1/(1+(K d/[T])n)；k1T+R TR （这里，假定只有一个结合位点）k-1d([TR])/dt=k1[T][R]-k-1[TR]=0 （平衡态）K d=k-1/k1=[T][R]/[TR]受体结合Toxin的比率（通道被阻断的比率）：y=[TR]/([TR]+[R])=1/(1+K d/[T])自由受体率：1-y=1/(1+[T]/K d)3．质子阻断Na通道的机制；TEA和失活的竞争机制要点；QA阻断nAChR通道机制；表面电荷理论：通过降低pH来减少负表面电荷，从而影响单通道电导酸基理论：通过降低pH使孔内重要的酸基得以改变，从而影响单通道电导因为质子的结合点在电场中，它的结合和释放速率常数均是电压依赖的。
