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1、,第四章 离子通道电流,一、离子通道电流分类,一、离子通道电流分类,(一)携带内向电流的通道,1.钠通道电流:心脏已发现两种,一是存在于心房肌、心室肌细胞和希浦系统的电压依赖性钠通道;另外一种是存在于窦房结和房室结中的非电压依赖性通道(INa-B),它所携带的背景内向电流具有起搏作用。2.钙通道电流:主要有两种,一是ICa-L;另外一种是ICa-T。3.其它内向电流:If 是由Na+携带的内向电流,属于起搏电流之一。,(二)携带外向电流的通道,IK1:内向整流钾电流 IK:延迟整流钾电流(IKur,IKr,IKs)Ito:瞬时外向钾电流 IKAch:乙酰胆碱敏感钾电流 IKATP:ATP敏感钾
2、电流 IKCa:钙激活钾通道电流,(三)其它电流,ICl:氯离子电流,外流产生一种内向电流,在起搏细胞的自动除极化中起一定的作用;I Na/Kpump(I pump):钠钾泵电流,每次运转时泵出3个Na+换进2个K+,因而产生一种微小的外向电流,称泵流。,二、钠通道电流,INa 是神经和肌肉,包括心肌,兴奋或去极化的第一个离子流。在心肌细胞,去极化过程中有无INa参与是产生快反应电位与慢反应电位的根本原因。所以,它的变化对兴奋的发生及传播均有重要意义。,1.钠通道的全细胞记录,人体心房肌细胞INa电流图及电流-电压曲线(I-V),2.钠通道电流的单通道记录,与全细胞离子流不同,通道电流在某一电
3、压下,只表现为一定大小的电流出现与消失,即单个通道的开放与关闭。单通道电导与电压呈线性相关,与全细胞钳制及多细胞标本上电压钳制所得的结果一致。,Vm(mV),g/gmax,3.钠通道的激活与失活曲线,(1)激活曲线,通常用激活曲线表示,反映通道开启的难易程度。g/gmax=1/1+exp(Vm-V1/2)/K,gNa=INa/(E-ENa),E为去极化钳制电位,ENa为钠通道的平衡电位。,(2)失活曲线,失活曲线,又称膜反应曲线,代表膜在不同电位水平时对刺激发生反应的能力。意义:通道开放需要在一定的静息电位水平。,(2)失活曲线,失活曲线的测定,可用电压钳获得。也可通过改变K+浓度,以改变膜的
4、静息电位,在不同静息电位水平进行刺激,以测定在动作电位发生过程中,最大去极化速率的值。若以所得到的最大值为1时,其它数值按最大值的百分数来表示,并以之为纵坐标,相应的电位为横坐标作图,即得出的INa失活曲线,采用Boltzmann方程对失活曲线进行拟合I/Imax=1/1+exp-(V-V1/2)/k。,(3)钠通道失活后的恢复,将后一脉冲刺激所得电流(P2)与前一脉冲刺激所得者(P1)之比值对应时间间隔作图,采用单指数方程Y=A+Bexp(-X/)拟合 Y=P2峰电流与P1峰电流的比值;X=P1P2的间隔时间;(tau)=恢复时间常数,(4)通道闸门,快Na+电流是Na+通过通道时的离子电流
5、。故其动力学取决于Na+通道的开放状态。根据Hodgkxin-Huxley的闸门学说来解释INa的激活与失活过程。设想,Na+通道有两组带电粒子起着门控作用。,一个是激活粒子(闸门),又称m门、A闸门,另一个是失活粒子(闸门),又称h门、I闸门,Na+通道的HH工作模型,5.钠通道的电流特点,(1)特点 膜去极化达阈电位(约70mV)时此电流出现;膜去极化达Na+平衡电位时消失(约30mV);具有时间依赖性(1ms),即使膜电位维持在Na+通道开放所需的电位水平,Na+电流亦可作为时间的函数而消失;在膜完全去极阶跃(full depolaring step)之前将膜维持在一低电压状态,则Na+
6、电流失活,此时再经一去极化电流也不能激活Na+电流。,(2)心肌细胞钠电流的类型,快钠通道:激活需要的电压高,失活速度快,引起动作电位0期去极化,只对高浓度的TTX、利多卡因、奎尼丁等药物敏感。慢钠通道:激活需要的电压低,失活速度慢,参与维持动作电位2期平台,对低浓度的TTX、利多卡因、奎尼丁等药物敏感。,(3)钠电流的亚状态,INa还可以出现一种亚状态(substate)。它表现为在通道开放后,不回到完全关闭状态,而在一种新的“关闭”状态下重新开放。INa的单通道电导为21pS,而亚状态的电导为3.1pS。目前对亚状态的意义尚不清楚。,6.毒素与药物对钠电流的影响,钠通道上毒素受体的位点,钠
7、通道蛋白的提纯,就是利用它与毒素选择性的结合而进行的。TTX和STX为含胍基的水溶性毒素。作用的受体部位在通道外侧口。心肌对其敏感性低。心肌细胞的钠通道,由于对其敏感性不同,分为快钠通道与慢钠通道。,快钠通道激活所需电压绝对值高,失活速度 快,引起0期去极,对高浓度TTX、奎尼丁、利多卡因敏感。慢钠通道激活所需电压绝对值低,失活速度慢,参与2期平台,对低浓度TTX、奎尼丁、利多卡因敏感。,豚鼠心室肌细胞I Ca,三 钙通道电流,豚鼠心室肌细胞I Ca,(1)它触发胞内钙储藏释放,从而促进兴奋收缩偶联;(2)它是维持心肌细胞动作电位有个较长平台的主要内向电流;(3)由于它维持较长时的去极化电位水
8、平,从而为其它电流的活动提供适合的电位条件;(4)为心肌细胞动作电位有较长有效不应期提供电位条件。,钙离子流是在继钠离子流引发的心肌细胞膜去极化基础上,发生活动的第二个内向电流。它在心肌细胞动作电位中起重要作用。,心肌细胞膜上有两种钙通道:L型钙通道及T型钙通道。L型钙通道是最早在心肌细胞上发现的钙通道,也是首次在细胞膜上发现的除钠和钾以外的新通道。,豚鼠心室肌细胞I Ca 的I-V曲线,豚鼠心房肌细胞记录的L型与T型钙电流,(一)钙通道的激活与失活,与快钠通道相似,慢钙通道也有激活过程,其激活曲线呈S型,大约在0mV电位时,激活曲线达最大值。Ca2+通道的激活、失活以及再复活所需时间均比Na
9、+通道要长,经Ca2+通道跨膜的Ca2+内向电流,起始慢,平均持续时间也长,因而称为慢通道和慢内向电流。,(二)通道的离子选择性和门控特性,Ca2+通道的离子选择性较差,Ca2+、Na+、K+等可通过。动作电位平台期的内向离子流,主要由Ca2+负载,也有Na+参与。慢Ca2+通道具有电压依赖性,由激活门(d门)和失活门(f门)双重控制。慢Ca2+通道也具有时间依赖性,其激活时间常数约比Na+通道的时间常数长20倍。,(三)L型Ca2+电流,1.门控电流,与钠通道的门控电流的特点相似,在钙通道上也有关于门控电流的报道。一般使用Ca2+及La3+阻断钙通道以观察在去极化时细胞膜内电荷的运动。钙通道
10、门控电流受有机钙通道阻断剂的抑制性影响。ICa-L的记录去极化时间为6ms,而门控电流的去极化时间为20ms。,2.L型钙通道的离子流,ICa-L各项参数的测定方法与INa完全相同,只是维持电压与试验电压略有差异。在ICa-L的稳态激活与失活曲线之间,有一个明显的窗流区。在此区域的电压范围内,ICa-L是处于既激活而又未完全失活的状态。因此,在此电压范围内可以有持续的ICa-L内流。,ICa-L 通道的失活,一方面与INa相似属电压依赖性,但另一方面,它的失活又依赖于细胞内Ca2+浓度,因此,又是Ca2+依赖性的。,当细胞外Ca2+浓度升高而ICa幅度增大时,去极化引起的失活也加快;用其它离子
11、如Ba2+代替Ca2+时,在去极化时,其失活变慢;Ca2+内流因细胞内注入EGTA而被螯合时,ICa失活变慢;向细胞内注入Ca2+而使胞内Ca2+浓度增高时,失活变快。,3.肾上腺素(或G蛋白)对I Ca.L的调节作用,肾上腺素能激动剂对心脏的变时及变力效应是通过L型钙通道的反应而实现的。它通过肾上腺素能受体激动的cAMP的产生而实现的,G蛋白在这个过程中起重要作用。cAMP蛋白激酶促使依赖于磷酸化而不依赖于电压的闸门g打开,通道处于可利用状态,在电压依赖性闸门也开着的情况下,使通道导通。,4.ICa.L的亚状态,L-型钙通道的亚状态,是在心肌细胞上发现最早的离子通道活动亚状态。在用()-(s
12、)-202-791作用下,L-型钙通道失活大为减慢,此时可用Cs+K+或 Na+作为通透性离子观察通道活动。结果发现,在PH降低条件下,通道可在两种水平上关闭。,5.L型钙通道的阻断剂及激动剂,可被异博定(verapamil)、D-600(加络帕米)(一种异博定的衍生物)和Mn2+、Co2+、La2+等所阻断。双氢吡啶类(nifedipine)等也可阻断。酸中毒、缺血、缺O2、代谢抑制剂、局麻药也可阻断ICa。当PH为6.6时,慢内向电流降低50,而PH为6.1时,则慢通道被完全阻断。,(四)T型Ca2+通道及其电流,其激活阈值较低,一般在-50到-60mV;它的失活也快,整个动态过程与INa
13、相似,而与ICa.L不同。其激活及失活曲线也呈Boltzmann分布;它在0相去极化时起作用;它没有Ca2依赖性,并对L-型钙通道阻断剂及肾上腺素能受体激动剂不敏感;它的单通道电导小于L-型钙通道;对低浓度及阿米洛利(amiloride)比较敏感。,T-型钙通道与L-型钙通道有许多相似之处,但也有不同。,四.钾通道电流,钾通道电流是引起心肌细胞动作电位复极的主要电流。除了动作电位开始时的0相去极化外,它在其它各相中均起重要作用。目前已知至少有10种钾电流。根据它们的不同特性,大致可以分为3种类型(1)延迟整流(delayed rectifier);(2)瞬时外向电流(transient out
14、ward current)以及(3)即时发生而无失活。,(一)延迟整流钾电流(IK),最初,这一外向电流是在狗浦氏纤维上发现的。它属于无失活的离子流类型,是心肌细胞动作电位复极的重要电流,它的抑制就使动作电位时程延长。这在抗心律失常及心律失常的发生上有重要意义。其去激活则在窦房结的起搏中起着关键性作用。,1.缓慢延迟整流钾电流(IKs),IKs的特性即为通常所认为的IK,它在去极化经数秒钟才达到稳态,在复极时其去激活也很慢,在-80mV时需数百毫秒。IKs的密度在不同动物心肌细胞上是不同的,豚鼠及狗的心室肌较多,而在大鼠、猫及兔心室肌上则较少。,2.快速延迟整流钾电流(IKr),IKr存在于豚
15、鼠心房肌及心室肌、兔心室肌及纤维以及猫心室肌上。在豚鼠心房肌上,IKr与IKs同时存在,当IKs充分激活时,其幅度远大于IKr,IKr的激活电位比IKs为低,而且激活时程远快于IKs。豚鼠的IKr有明显的内向整流性质,而人与大鼠心肌细胞的IKr的内向整流性质较弱。,3.超快速延迟整流钾电流(IKur),在人心房肌上,发现另一种不同于IKr及IKs的延迟整流电流。其激活更快(激活时间常数在25时为218ms)。它在-30mV时激活,几乎不失活。它的活动呈电压依赖性,具有外向整流性质。它对TEA、Ba2+、atropine均不敏感,而对4-AP高度敏感。,组成IK的三种电流及各相关基因表达的电流,
16、4.影响IK的各种因素,-受体激动剂能明显增强IK的幅度并使其激活曲线向复极的方向偏移,即更易于被激活。因此-受体激动剂可使动作电位缩短。细胞内Ca2浓度的增高及蛋白激酶C均能增强IK。IK的阻断剂是临床上重要的抗心律失常药。业已证明以下物质是IK的选择性阻断剂:dofetilide,E-4031,UK-68798,UK-66914,Way123,398,sematilide,d-sotalol,CK3579及clofilium。至于IKS的阻断剂,则不如IKr那样具有特异性,如:tedisamil、quinidine、amiodarone及 clofilium。,(二)瞬时外向钾电流,它是具
17、有失活特性的外向钾电流。包含两种成分:ILo及IBo或Ito1及Ito2。它们的发生机制有所不同,前者是4-AP敏感的(SH族),而后者是Ca2+依赖性的(SLO族)。但在分子结构上,均由4个含有6个螺旋的亚单位组成。,由于Ito2情况比较复杂,目前研究较少,一般Ito2均指Ito1。Ito在去极化条件下激活,是属于有失活过程的钾通道,其稳态激活与失活曲线的测定方法基本相同,只是Ito是外向电流。它对动作电位的1相复极起重要作用,4-AP是Ito的选择性阻断剂。,(三)心肌细胞内向整流钾电流(IK1),IK1的分子结构与Sh族不同,在负于反转电位时的内向部分与电压呈线性关系,而正于反转电位时不
18、呈线性关系,而呈整流现象。如果钳制电压很负时如-120mV以上,IK1则仍然有激活现象而呈时间依赖性。细胞内Mg2+能抑制细胞内K+外流,若降低细胞内Mg2+,则可消除IK1的内向整流而呈线性相关。,IK1常用的阻断剂中,无机离子为Cs+与Ba2+,但不是选择性的阻断剂。在有机物阻断剂中RP58866及RP62719为3mol/L时是IK1选择性的阻断剂。常用IK1的阻断剂还有TEA,它也不是选择性的,它也能抑制IK。,人心室肌细胞的IK1 A.对照实验 B.BaCl2阻断,(四)乙酰胆碱敏感的钾通道电流(IKAch),IKAch只存在于窦房结心房肌及房室结细胞上。它是配体-依赖性通道电流,其
19、活动与细胞膜上的M-Ach受体及细胞内G-蛋白有关。Ach作用于M2受体,在G-蛋白激动下,使钾通道开放。,(五)ATP敏感的钾通道电流(IK(ATP),它是由细胞内ATP浓度降低所引起的特殊的钾通道活动产生的电流。IK(ATP)虽然在正常条件下无大活动,但在缺氧或在代谢阻滞剂作用下,活动加强,而使动作电位复极加速。格列苯脲(Glibenclamide)是常用的IK(ATP)选择性阻断剂,是常用的IK(ATP)开放剂。,(六)Ca2+激活的钾通道电流(IK Ca),IKCa是由细胞内Ca2+浓度增高而引起的一种钾通道活动。一般按其电导大小分为小IKCa,其SK单通道电导200ps三种。一般认为
20、,IK Ca的作用是调整细胞的兴奋性或肌肉的紧张度,随动作电位时的Ca2+的进入细胞,而迅速将K+排除,而维持一定的电位。这至少对血管紧张度的调节有重要意义。,(七)Na+激活的钾通道电流(IK Na),在动作电位的0相去极化时可有瞬时的Na+浓度突然增高。另外Na/K泵受到抑制时,细胞内的Na+也可以增加。细胞内Na+的异常增高,可使膜上的一种特殊的钾通道开放,即IKNa。它的单通道电导很大,达210ps,细胞内Mg2+及Na+是形成内向整流的因素。,(八)平台钾电流(IKp),IKp是在豚鼠心室肌细胞上发现的一种K+离子流,在膜电位为正时,在5ms内激活,并且无失活,但是它的去激活在复极时却很快。它可由1mmol/LBa2+所抑制。,