1998年，麥金農(nóng)做出了鏈霉菌的離子通道蛋白質(zhì)KcsA的高解析三維結(jié)構(gòu)影像，并首度從原子層次去了解離子通道的作用方式。KcsA離子通道中有一種“濾嘴”，能讓鉀離子（K+）通過，卻不允許同族元素中體積更小的鈉離子（Na+）通過，這令科學(xué)家百思不得其解。但是麥金農(nóng)根據(jù)KcsA的立體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)離子通道中“濾嘴”邊上的四個氧原子的位置，恰好跟鉀離子在水溶液中的情況一樣，亦即濾嘴邊上的氧與水分子的氧距離相同，所以鉀離子能夠安然通過通道，一如在水中一樣；但鈉離子尺寸較小，無法順利接上濾嘴邊上的四個氧原子，因此只能留在水溶液，而無法輕易穿過通道。而離子通道的開關(guān)會受到細(xì)胞的控制，麥金農(nóng)發(fā)現(xiàn)，離子通道的底部有個閘門，當(dāng)離子通道接收到特定的訊號，離子通道蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)便會發(fā)生改變，因此造成閘門的開關(guān)。

麥金農(nóng)對于鉀離子通道的結(jié)構(gòu)與作用機制的研究，是生物化學(xué)、生物物理等領(lǐng)域的一大突破，也為神經(jīng)疾病、肌肉與心臟疾病的新藥物開發(fā)，指引了新的方向。

在生物電產(chǎn)生機制的研究中發(fā)現(xiàn)了生物膜對離子通透性的變化。1902年J.伯恩斯坦在他的膜學(xué)說中提出神經(jīng)細(xì)胞膜對鉀離子有選擇通透性。1939年A.L.霍奇金與A.F.赫胥黎用微電極插入槍烏賊巨神經(jīng)纖維中，直接測量到膜內(nèi)外電位差。1949年A.L.霍奇金和B.卡茨在一系列工作基礎(chǔ)上提出膜電位離子假說，認(rèn)為細(xì)胞膜動作電位的發(fā)生是膜對納離子通透性快速而特異性地增加，稱為“鈉學(xué)說”。尤其重要的是，1952年A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎用電壓鉗技術(shù)在槍烏賊巨神經(jīng)軸突上對細(xì)胞膜的離子電流和電導(dǎo)進行了細(xì)致地定量研究，結(jié)果表明Na+和K+的電流和電導(dǎo)是膜電位和時間的函數(shù)，并首次提出了離子通道的概念。他們的模型 (H-H模型）認(rèn)為，細(xì)胞膜的K+通道受膜上4個帶電粒子的控制，當(dāng)4個粒子在膜電場作用下同時移到某一位置時，K+才能穿過膜。另一方面，1955年，卡斯特羅和B.卡茨對神經(jīng)-肌肉接頭突觸傳遞過程的研究發(fā)現(xiàn)：突觸后膜終板電位的發(fā)生，是由于神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿(Ach）作用于終板膜上受體的結(jié)果，從而確認(rèn)了受化學(xué)遞質(zhì)調(diào)控的通道。60年代，用各種生物材料對不同離子通透性的研究表明，各種離子在膜上各自有專一性的運輸機構(gòu)，曾經(jīng)提出運輸機構(gòu)是載體、洞孔和離子交換等模型。1973年和1974年，C.M.阿姆斯特朗、F.貝薩尼利亞及R.D.凱恩斯、E.羅賈斯兩組分別在神經(jīng)軸突上測量到與離子通道開放相關(guān)的膜內(nèi)電荷的運動，稱為門控電流，確認(rèn)了離子通道的開放與膜中帶電成分運動的依從性。1976年E.內(nèi)爾和B.薩克曼創(chuàng)立了離子單通道電流記錄技術(shù)，并迅速得到推廣應(yīng)用，近年用這種技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一些新型離子通道，為深入研究通道的結(jié)構(gòu)和功能提供了有力的工具。80年代初，學(xué)者們先后從細(xì)胞膜上分離和純化了一些運輸離子的功能性蛋白質(zhì)，并在人工膜上成功地重建了通道功能，從而肯定了離子通道實體就是膜上一些特殊蛋白質(zhì)分子或其復(fù)合物。近年，科學(xué)家應(yīng)用基因重組技術(shù)研究離子通道的結(jié)構(gòu)，1982和1984年，紐莫及合作者先后測定了N型Ach受體和Na+通道蛋白的氨基酸序列。

離子通道結(jié)構(gòu)和功能的研究需綜合應(yīng)用各種技術(shù)，包括：電壓和電流鉗位技術(shù)、單通道電流記錄技術(shù)、通道蛋白分離、純化等生化技術(shù)、人工膜離子通道重建技術(shù)、通道藥物學(xué)、基因重組技術(shù)及一些物理和化學(xué)技術(shù)。

離子通道依據(jù)其活化的方式不同，可分兩類：一類是電壓活化的通道，即通道的開放受膜電位的控制，如Na+、Ca2+、Cl-和一些類型的K+通道；另一類是化學(xué)物活化的通道，即靠化學(xué)物與膜上受體相互作用而活化的通道，如 Ach受體通道、氨基酸受體通道、Ca2+活化的K+通道等。1、選擇性：指一種通道優(yōu)先讓某種離子通過，而另一些離子則不容易通過該種通道的特性。例如鈉通道開放時，鈉離子可通過，而鉀離子則不能通過。2、開關(guān)性：離子通道存在兩種狀態(tài)，即開放和關(guān)閉狀態(tài)。多數(shù)情況時，離子通道是關(guān)閉的，只在一定的條件下開放。通道由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)為開放的過程稱為激活，由開放轉(zhuǎn)為關(guān)閉狀態(tài)的過程稱為失活。通道的開放與激活過程有一定的速率，通常很快，以毫秒（ms) 計算。

離子通道的開放和關(guān)閉，稱為門控。根據(jù)門控機制的不同，將離子通道分為三大類：⑴電壓門控性，又稱電壓依賴性或電壓敏感性離子通道：因膜電位變化而開啟和關(guān)閉，以最容易通過的離子命名,如鉀、鈉、鈣、氯通道四種主要類型，各型又分若干亞型。⑵配體門控性又稱化學(xué)門控性離子通道由遞質(zhì)與通道蛋白質(zhì)受體分子上的結(jié)合位點結(jié)合而開啟，以遞質(zhì)受體命名，如乙酰膽堿受體通道、谷氨酸受體通道、門冬氨酸受體通道等非選擇性陽離子通道一系由配體作用于相應(yīng)受體而開放，同時允許鈉、鈣 或鉀通過。⑶機械門控性又稱機械敏感性離子通道是一類感受細(xì)胞膜表面應(yīng)力變化，實現(xiàn)胞外機械信號向胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通道，根據(jù)通透性分為離子選擇性和非離子選擇性通道，根據(jù)功能作用分為張力激活型和張力失活型離子通道。此外，還有細(xì)胞器離子通道，如廣泛分布于哺乳動物細(xì)胞線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道，位于細(xì)胞器肌質(zhì)網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，膜上的受體通道、受體通道。電壓門控鈣通道（VGC) 分為L 型（Long - lasting) 、N 型（No - Long lasting,non - tsansient) 、T 型（Transient) 和P/ Q 四個亞型.L 型通道：電導(dǎo)較大、失活慢、持續(xù)時間長、需要強的去極化才能激活，在心血管、內(nèi)分泌和神經(jīng)等多種組織中表達(dá)，參與電- 收縮耦聯(lián)和調(diào)控代謝。T型通道：電導(dǎo)小、失活快、弱的去極化電流即能激活，它主要分布在心臟和血管平滑肌，觸發(fā)起搏電活動。N 型通道：失活較快、需強的去極化電流激活，僅在神經(jīng)組織中發(fā)現(xiàn)，主要觸發(fā)交感神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。P/ Q 通道：具有相同的α1亞單位（α1A) 統(tǒng)稱為P/ Q 型鈣通道。P/ Q 型鈣通道在神經(jīng)遞質(zhì)釋放過程中有重要作用。鉀通道：一種廣泛存在于細(xì)胞膜上的鉀離子選擇性通過的蛋白復(fù)合體，在結(jié)構(gòu)和功能上形成通道的一大家庭。鉀離子通道一般可分為四個基本類型：電壓門控鉀通道（Voltage - gated K+ Channels,KV) 、鈣激活鉀通道（Calcium - activated K+ Channels,KCa) 、三磷酸腺苷敏感性鉀通道（ATP – Sensitive K+ Channels,KATP) .電壓門控鉀通道又分為：內(nèi)向整流鉀離子通道（Inward rectifier K+ Channds,Kir）、延遲外向整流鉀通道、瞬時外向鉀通道。

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