電壓門控離子通道

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離子用紅色圓圈表示。梯度由膜兩側的離子濃度不同表示。離子通道的開放構形允許離子跨膜運輸，而封閉構型則不允許。
鑑定
標誌VIC
Pfam宗系CL0030（舊版）
TCDB（英語：TCDB）1.A.1
OPM（英語：Orientations of Proteins in Membranes database）家族8
OPM（英語：Orientations of Proteins in Membranes database）蛋白2a79
離子通道的側視圖：四個同源結構域形成中心孔的構象

電壓門控離子通道（英語：Voltage-gated ion channels）是一類跨膜蛋白，在附近的膜電位變化時來可激活形成離子通道。膜電位改變可改變該通道蛋白的構象，來調節其打開和關閉。離子通常情況下不可滲透細胞膜，因此它們必須通過跨膜的蛋白通道來穿越細胞膜。通道的打開和關閉是通過改變細胞膜兩側之間的離子濃度以及電荷梯度來觸發的[1]。

電壓門控離子通道在神經細胞和肌肉組織等興奮性細胞中起著至關重要的作用，可以響應觸發電壓變化而快速而協調地進行去極化。沿著軸突和突觸處建立的電壓閘門離子通道定向傳播電信號。電壓門控離子通道通常是離子特異性的，現在已經發現了鈉離子（Na+）、鉀離子（K+）、鈣離子（Ca2+）和氯離子（Cl-）的通道[2]。

結構

離子通道的展開圖：上方為四個同源結構域位於一條肽鏈上，下方的每一個同源結構域都由一個亞基構成，共四個。S1-S6為跨膜區，S1-S4節段為電壓感應節段，其中S4為電壓檢測節段（標有+符號）顯示為帶電，S5-S6為中心孔道開關節段

電壓門控離子通道的跨膜區通常由幾個同源結構域組成，這結構域在細胞膜上排列，讓中間形成一個可開閉的孔道，可以使離子在電化學梯度的作用下跨膜流動。這些通道通常是離子特異性的，每種通道只能通過特定離子，儘管大小相近、帶電荷數相同的離子有時也會穿過它們[3]。 Na+、K+和Ca2+的通道都由四個同源結構域組成，這四個同源結構域以平面正方形排列，中間形成一個可讓離子流動的孔道。其中大部分的Na+和Ca2+離子通道，四個同源結構域位於一條肽鏈上，而K+離子通道則是位於四條肽鏈上形成四聚體，如圖[4]。跨膜區總共分為S1-S6六個由α螺旋組成的節段，其中第五個和第六個跨膜節段（S5和S6）形成了讓離子通過的中心孔，其變構決定了離子通道的開關。而S1-S4節段為電壓感應區，其中的S4節段的胺基酸殘基帶正電，感應跨膜電壓的變化來變構調節S5和S6節段構象，從而使離子通道打開或關閉[3]。上述跨膜蛋白可稱為離子通道的α亞基，此外完整的離子通道還具有β調節亞基，具有氧化還原酶活性，定位於細胞膜內側而非跨膜，在內質網與α亞基組裝在一起[5]。

機制

離子通道中最早完成X射線晶體衍射圖譜的是鉀離子通道，當細胞膜內外存在電勢差時，電場會引起鉀通道的構象變化。這種構象變化改變了通道蛋白的形狀，使得四個同源結構域中的空腔通道打開，允許K+通過膜流入或流出。K+向著濃度低的移動，產生足以使細胞膜去極化的電流。

電壓門控鈉離子通道和電壓門控鈣離子通道通常由帶有四個同源結構域的單個肽鏈形成。每個同源結構域帶有6個跨膜α-螺旋，其中的S4節段涉及電壓的感應[6]。在鉀通道和鈉通道中，感應電壓的S4節段富含賴氨酸、精氨酸殘基帶有許多正電荷，因此細胞外的高正電會排斥該α-螺旋，從而使通道保持在閉合狀態[3]。

在靜息電位下，每個S4螺旋的一半與細胞胞漿接觸。去極化後，外界電場減弱，S4節段上的帶正電殘基向膜的外表面移動[4][7]，觸發構象變化，從而打開通道[3]。

"a cartoon comparison of voltage-gated ion channels and VSPs"
電壓門控離子通道的單個同源結構域和電壓敏感磷酸酶（英語：Voltage sensitive phosphatase）的比較，都帶有四個跨膜α-螺旋組成的

電壓感應區的S3b節段S4節段在不同物種中高度保守，且在多個物種的電壓敏感磷酸酶（英語：Voltage sensitive phosphatase）的電壓感應區中也存在類似的結構[8]。溝過基因工程將一種火山古菌的鉀離子通道基因片段轉入大鼠大腦中，發現轉入的鉀離子通道能正常工作[9][10]。

雖然電壓門控離子通道通常是通過膜的去極化來激活的，但有些通道，如內向整流鉀離子通道（英語：Inward-rectifier potassium channel），是通過超極化來激活的。

在電壓門控離子通道打開幾毫秒後，離子通道會進入失活狀態[11]。其中鉀通道至少存在兩種失活類型，即快速失活型（N型）和慢速失活型（C型）[12]。N型失活是一種「球與鏈」失活（英語：ball and chain inactivation），在失活過程中，胞內區肽鏈會摺疊起來，使得N-末端的球會阻礙離子通過通道的流動[13]。快速失活與S4節段膜內運動直接相關[14]。

各種類型

鈉離子（Na+）通道

鈉離子通道在許多不同的細胞類型中具有相似的功能特性。在人類基因組中有10個鈉離子通道基因，這些基因在進化中高度保守[14]。

鈣離子（Ca2+）通道

人類基因組中共有16個不同的電壓門控鈣離子通道（英語：Voltage-gated calcium channel）基因，鈣離子通道在不同細胞類型中的功能不同。在一些神經元中Ca2+產生動作電位的方式和Na+類似。鈣通道也在神經末梢的化學突觸的神經遞質釋放中起作用。 在大多數細胞中，Ca2+通道通過調控細胞內Ca2+的濃度來調節各種各樣的生化過程<[15]。

鉀離子（K+）通道

電壓門控鉀離子通道是電壓門控通道中最大和最多樣化的一類，在人類基因組中有超過100個基因。這些類型的通道在門控特性上有很大的不同；有些失活極慢，有些失活極快。這種激活時間的差異會影響動作電位的持續時間和頻率，這對軸突上的電信號傳導以及突觸傳遞有著重要的影響。鉀通道與其他通道在結構上的不同之處在於它們包含四個獨立的多肽亞基，而其他通道雖然也包含四個同源結構域，但只有一個多肽鏈[7]。

氯離子（Cl−）通道

氯離子通道（英語：Chloride channel）存在於所有類型的神經元中，主要負責控制細胞的興奮性，有助於維持細胞靜息電位和調節細胞體積大小[2]。

質子（H+）通道

電壓門控質子通道（英語：Voltage-gated proton channel）是氫正離子的跨膜通道，並以pH依賴的方式被去極化激活。它們的作用是除去細胞中的酸[16][17][18]。

系統進化

更多資訊：陽離子通道超家族

2004年的一項系統發育研究發現細菌的電壓門控鈉離子通道構成了一個蛋白質超家族[19]。之後多項研究將許多其它離子通道和離子泵與電壓門控離子通道整合成一個系統發育樹，包括內向整流鉀離子通道（英語：Inward-rectifier potassium ion channel）、蘭尼鹼肌醇1,4,5-三磷酸受體鈣通道（英語：Ryanodine-Inositol 1,4,5-triphosphate receptor calcium channels）、瞬時受體電位鈣通道家族（英語：Transient receptor potential calcium channel family）、多囊蛋白陽離子通道家族（英語：Polycystin cation channel family）、穀氨酸門控離子通道家族（英語：Glutamate-gated ion channel family）、鈣依賴性的氯離子通道（英語：calcium-dependent chloride channel）、單價陽離子：質子逆向轉運蛋白-1（英語：Monovalent cation:proton antiporter-1）基因家族和鉀轉運蛋白家族（英語：Potassium transporter family）等[20]。

參考資料

  1. ^ Catterall WA. From ionic currents to molecular mechanisms: the structure and function of voltage-gated sodium channels. Neuron. April 2000, 26 (1): 13–25. PMID 10798388. doi:10.1016/S0896-6273(00)81133-2 （英語）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Katz LC, LaMantia AS, McNamara JO, Williams SM. Voltage-Gated Ion Channels. Neuroscience 2nd. Sunderland, Mass: Sinauer Associates. 2001 [2020-10-14]. ISBN 978-0-87893-742-4. （原始內容存檔於2018-06-05）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Bezanilla F. Voltage-gated ion channels. IEEE Transactions on NanoBioscience. March 2005, 4 (1): 34–48. PMID 15816170. doi:10.1109/tnb.2004.842463. 
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  5. ^ Gulbis JM, Mann S, MacKinnon R. Structure of a voltage-dependent K+ channel beta subunit. Cell. June 1999, 97 (7): 943–52. PMID 10399921. doi:10.1016/s0092-8674(00)80805-3. 
  6. ^ Catterall WA. Ion channel voltage sensors: structure, function, and pathophysiology. Neuron. 2010, 67 (6): 915–28. PMC 2950829 可免費查閱. PMID 20869590. doi:10.1016/j.neuron.2010.08.021. 
  7. ^ 7.0 7.1 Sands Z, Grottesi A, Sansom MS. Voltage-gated ion channels. Current Biology. 2005, 15 (2): R44–7. PMID 15668152. doi:10.1016/j.cub.2004.12.050 可免費查閱. 
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外部連結

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