离子通道病-研究生

神经系统离子通道病History1890WilhelmOstwaldproposedtheideathatelectricsignalswereproducedbyionsmovinginandoutofthecell.HewasawardedtheNobelPrizein1909forthediscovery.JohnEccles,AlanHodgkinandAndrewHuxleywereabletoshowhowpotassiumandsodiumionswereinvolvedinchemicalcascades.TheywereawardedNobelPrizeinthe1963.Abetterunderstandingofcellmembranestructuresandchannelfunctionshasbeenachievedby3scientificadvances:cloningandsequencingofgenes(site-directedmutagenesis)patch-clamptechnique(NeherandSakmann---NobelPrize)useofselectiveneurotoxins(TTX)PatchClampRecordingTechniqueABCDEelectrodecellchannelcell-attachedpatchwhole-celloutside-outpatch1、离子通道2、神经系统离子通道病3、钾离子通道及癫痫1、离子通道转运机制1.离子载体或交换体Carrier2.离子泵Ionpump3.离子通道ChannelMembraneTransportProteins1、离子载体或交换体2、离子泵（Ionpump）通过消耗能量的方式进行逆电化学浓度差的离子转运，例如：钠钾泵、钙泵等，本质是ATP酶，为主动转运。（1）钠钾泵构成：由２个大亚基、２个小亚基组成的4聚体，也称Na+-K+ATP酶。工作原理：对离子的转运循环依赖自磷酸化过程，所以叫做P-type离子泵。每个周期转出３个钠离子，转入２个钾离子。Na+-K+ATPPUMP钠钾泵的作用①维持低Na+高K+的细胞内环境②维持细胞的渗透性，保持细胞体积③维持细胞的静息电位（2）钙离子泵作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（胞内钙浓度10-7M，胞外10-3M）。每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位置：质膜、内质网膜。Ca++ATPaseMaintainslowcytosolic[Ca++]PresentInPlasmaandERmembranesModelformodeofactionforCa++ATPaseConformationchange3、离子通道（Channel）离子通道离子通道在膜上形成特殊的亲水性孔道，当感受到一定的刺激时，孔道开放可有选择性地让某种离子通过膜而顺其电化学梯度进行被动转运，并产生膜电流。离子通道大量分布于神经系统，离子通道的数量及类型根据细胞类型及定位的不同而有所不同。Channelopenandclose离子通道性能特殊电、机械或化学信号作用下开放或关闭识别和选择特殊离子传导离子离子通道离子通道的开放与关闭包含通道的空间构象变化，1998年美国科学家MacKinnon首次测定出钾通道的空间结构，从而荣获2003年度诺贝尔奖化学奖。RoderickMacKinnon开创了离子通道研究的新纪元！！！3DStructureofPotassiumchannelScience,1998,280:69离子通道离子通道由不同的亚基组成，不同亚基具有不同的功能，并被不同的基因所编码。多数离子通道包含1个主要亚基和3-4个辅助亚基主要亚基具有独立执行通道功能的能力，而辅助亚基则具有提高表达、调节通道生理特性的功能。Eachalpha1subunithas4homologousrepeatdomains,eachcomprisedof6transmembranesegmentsalpha1modulatedbyothersubunits离子通道3种状态：静息关闭、开放、失活关闭。3种过程：激活、失活、复活。通道分类：门控通道：需要一把钥匙来开启通道的门,根据不同的激活机制分为电压、质子、配体、机械、第二信使门控通道等等。非门控通道：开放和关闭与膜内、外离子浓度梯度有关。一、电压门控通道电压门控通道：离子传导性受膜电位变化影响的一类通道，通道上存在对膜电场敏感的电压传感器，触发通道发生空间构象变化，影响通道的开放和关闭。电压门控通道家族包括：钾、钠、钙、氯离子通道。VoltagegatedK+channelK+通道由四个亚基组成，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6)。连接S5-S6段的发夹样β折叠，构成通道内衬，允许K+通过，S4段为电压感受器。K+channel4thsubunitnotshown二、酸敏感性通道酸敏感性通道：对pH值变化敏感的一类离子通道，通道被酸所激活，导致通道开放。广泛存在于神经组织，尤其在感觉传导中起作用。包括：背根酸敏感通道DRASIC、酸敏感离子通道ASIC等。三、配体（受体）门控通道配体门控通道：离子传导性变化受配体与通道受体结合的影响。配体包括：Ach、谷氨酸、GABA、甘氨酸及环核苷酸等等。1、ACh受体通道烟碱型ACh受体通道：5个亚基，每个亚基含4个螺旋区域M1-M4。M2区域形成离子通道的中央孔道，组成该孔道的氨基酸带较多的负电荷，阳离子选择性易于通透。毒蕈碱ACh受体通道：第二信使门控通道，通过G蛋白受体的激活来启动。NicotinicacetylcholinereceptorThreeconformationoftheacetylcholinereceptor2、谷氨酸受体通道离子型谷氨酸受体通道：分为NMDA、AMPA/KA和KA受体通道，当神经递质与受体结合，通道开放，钠、钾及钙离子进入细胞，产生兴奋效应。代谢型谷氨酸受体通道：属G蛋白偶联受体家族（第二信使门控通道）3、GABA受体通道GABA-A受体通道：5个亚基组成，当神经递质与受体结合，通道开放，氯离子进入细胞，产生抑制效应。甘氨酸门控通道通道：类似GABA受体通道，均为抑制性离子通道。Cl-Cl-Cl-Cl-R囊泡GABAGABA作用示意图GABA与受体结合引起突触后膜Cl－通道开放，导致细胞静息电位超极化，产生突触后抑制4、环核苷酸门控通道环核苷酸通道：非选择性的阳离子通道，由2个或3个不同的亚基组成的异四聚体复合物，是Ca2+进入细胞内的主要通道之一，环核苷酸直接与通道相结合并激活通道。cGMP和cAMP通道分别在视网膜和嗅球被确定四、机械门控通道机械门控通道：由压力、牵张所激活的一类通道，存在于感觉和运动神经元上。最近在果蝇刚毛感觉神经元克隆离子通道，并揭示刚毛的运动可转化为电信号，同时显示通道的变异可减弱机械诱发的感觉信号。五、第二信使门控通道由第二信使细胞内作用导致通道开放或关闭的一类离子通道(包括：毒蕈碱ACh受体、5-羟色胺和肾上腺素受体通道）IonChannels----or----2.离子通道病概念：编码离子通道亚单位的基因发生突变表达异常或体内出现针对通道的病理性内源性物质时，使通道的功能削弱或增强，从而导致机体整体生理功能紊乱。1、毒素：蛇毒金环蛇毒素（阻抑烟碱型Ach受体）蝎毒素2、自身免疫：•重症肌无力（烟碱型ACh受体抗体）•Rasmussen’s脑炎（Glu受体GluR3抗体）•Isaac’s综合征（周围神经钾通道抗体）病因Myastheniagravis(anti-acetylcholinereceptors)Inmyastheniagravistheantibodiesbindtheacetylcholinereceptorandcauseittobeclearedfromthesurfaceofthemuscle3、遗传因素：基因突变改变通道蛋白的结构，导致通道功能的异常。对通道蛋白结构及其编码基因的了解能更好地理解离子通道在遗传性疾病中的作用，并能更好地设计新的特异的靶向治疗药物。I.ProductionII.ProcessingIII.ConductionIV.GatingMolecularMechanismsofChannelDisruptionChannelopathiesHumanChannelopathiesPtacek,L.J.etal.ArchNeurol2004;61:1665-1668.离子通道病－－间歇性发作通道基因突变产生“细胞膜兴奋性改变”，其在可兴奋组织中导致发作倾向。通道的显著变异可能对细胞膜兴奋性产生更严重的影响，导致个体死亡表型。怎样理解通道功能失调？定位选择性通道相互依赖性遗传异质性表型异质性定位选择性离子通道的定位决定他们的功能中枢神经系统钠通道的功能紊乱导致热性惊厥，而肌肉钠通道的功能紊乱导致高钾周期性麻痹。通道相互依赖性神经元和肌细胞膜的正常兴奋性需要许多离子通道的联合作用。神经细胞的动作电位源于钠离子传导的快速增加，而钾通道的激活则有助于细胞膜的复极化。遗传异质性通道蛋白的功能可能被多个基因所调控，不同的基因变异可产生相同的疾病表型。至少56种（Ach受体基因）变异导致先天性肌无力综合征。表型异质性相似的基因变异可产生不同临床表型。肌钠离子通道基因的相似变异可分别导致高钾周期性麻痹、先天性肌强直病或其他肌强直病。通道功能失调功能增强：变异增强通道的功能功能减弱：变异削弱通道的功能负性作用：变异干扰正常通道蛋白活性2.1钠离子通道病电压门控钠离子通道：1个主要亚基及2个辅助亚基，亚基有4个同源结构域，每个域内有6个跨膜片段。钠离子通道病：伴热性惊厥的全身发作、高钾周期性麻痹、先天性（副）肌强直、钾聚集肌强直和低钾周期性麻痹等。伴热性惊厥的全身发作特征：伴有家族史的热性惊厥综合征，可能持续至6岁以后，继而出现非热性的全身性发作，一般到青春期停止。系19q13.1区域基因SCN1B突变，突变干扰钠离子通道1亚基调节门控动力学的能力，导致细胞膜的超兴奋性。高钾周期性麻痹特征：反复发作肌无力，肌无力症状能被钾离子所诱发，并被钙离子所减轻。基因突变减弱钠通道的失活，导致异常去极化漂移，从而使部分钠通道脱敏或失活，肌电难以激动，产生软麻痹。Hayward,L.J.etal.Neurology1999;52:1447WTandmutantwholecellNacurrentsImpairedinactivationofNachannelsunderliesHyperPP先天性副肌强直特征：肌强直，偶可表现为软麻痹。在SCN4A基因上的点突变导致缬氨酸代替甘氨酸。正常温度下功能正常，但轻度降温便干扰蛋白运动，导致钠离子持续流入细胞产生持续去极化。低钾周期性麻痹低钾周期性麻痹：常染色体显性遗传疾病，通常由钙离子通道功能失常所致。研究发现也可由钠离子通道1亚基变异（电压传感器）所致，表现出遗传异质性。2.2钾离子通道病钾通道：细胞动作电位复极的主要离子流，钾通道的种类和亚型很多，仅电压依赖的钾通道就已克隆出30多种。钾离子通道病：良性家族新生儿痉挛、发作性共济失调I型。良性家族新生儿痉挛特点：新生儿惊厥，症状包括强直性运动、呼吸表浅、眼部体征及自动症等。研究显示KCNQ2或KCNQ3变异改变了孔区域和胞质亚区羧基端的结构，导致钾通道的功能改变，降低的钾电流（M电流）削弱细胞膜的复极化，导致发作。发作性共济失调I型特点：发作性小脑共济失调、肌纤维颤搐。此病与12q13上钾通道基因KCNA1相连锁，其有多种等位基因变异型，电生理实验显示突变导致电流下降26-100%。2.3钙离子通道病钙离子通道：主要1亚基和辅助亚基组成,基于不同的药物和生物物理特性，钙