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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
2、电流 IKATP ：ATP敏感钾电流 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
3、通道记录,与全细胞离子流不同，通道电流在某一电压下，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
4、,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；（t
5、au）=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。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
6、全去极阶跃（full depolaring step）之前将膜维持在一低电压状态，则Na+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.
7、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
8、； （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
9、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+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
10、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，
11、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
12、，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）-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
13、.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
14、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 outward 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
15、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
16、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,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。
17、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
18、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。
19、,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
20、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， 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。,