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一、离子通道研究简史
1949 年，Cole 和 Marmont 设计了电压钳（voltage clamp）技术，直接测定细胞膜对离子的通透性。后经 Hodgkin、Huxley 和 Katz 等加以改进，成功地应用于枪乌贼巨轴突动作电位离子电流的研究。1955 年，Hodgkin 和 Keens 在研究神经轴突膜对钾离子的通透性时发现，放射性钾跨轴突膜的运动很像是通过许多狭窄孔洞的运动，并提出了“通道”的概念。Hodgkin、Huxley 提出了描述电压门控动力学的 Hodgkin-Huxley 模型，由于对通道研究的出色成果，他们荣获了 1963 年度诺贝尔生理学或医学奖。
电压钳技术存在许多技术上的局限性，如无法记录单个通道的电活动和无法应用于直径较小的细胞。1976 年，Neher 和 Sakmann 建立了膜片钳技术，它利用一个玻璃微电极同时完成膜片（或全细胞）电位的钳制和膜电流的记录，圆满地解决了上述问题。1991 年，膜片钳技术的创始人荣获诺贝尔生理学或医学奖。
二、离子通道的特性
离子通道具有两大共同特征，即离子选择性及门控特性。离子选择性包括通道对离子大小的选择性及电荷选择性，在一定条件下，某一种离子只能通过与其相应的通道跨膜扩散。另一特征是离子通道的门控特性，离子通道一般都具有相应的闸门，通道闸门的开启和关闭过程称为门控（gating）。正常情况下，通道大多处于关闭状态，只有在特定的条件下，通道的闸门才能开启，引起离子跨膜转运。一般认为，通道可表现为 3 种状态：①激活（activation）是指在外界因素作用下，通道允许某种或某些离子顺浓度差和电位差通过膜，相当于通道开放。②通道的失活（inactivation）是与通道关闭不完全相同的功能状态。此时不仅是通道处于关闭状态，而且即使有外来刺激也不能使之进入开放状态。失活状态的通道无法直接进入开放状态，而是处于一种不应期，只有在经过一个额外刺激，使通
道从失活关闭状态进入静息关闭状态后，通道才能再度接受外界刺激而激活开放，这一过程称为通道的复活（recovery）。③通道关闭（close）状态是静息时通道所处状态，此时如遇到适当刺激，通道即可进入激活状态。通道的激活、失活及关闭均有其特定条件，在不同状态下，通道蛋白质发生分子构象变化，表现出不同的功能状态。
离子通道最基本的功能是产生细胞生物电现象，与细胞兴奋性直接相关，同时参与神经递质释放、腺体分泌、肌肉运动以及学习和记忆等重要的高级神经活动。此外，离子通道还具有维持细胞正常形态和功能完整性的作用。离子通道的基因变异及功能障碍与许多疾病有关。某些先天性与后天获得性疾病是离子通道基因缺陷与功能改变的结果，这些疾病又称为离子通道病（ion channelopathies）。目前发现很多防治心血管疾病的药物是通过纠正某种离子通道功能异常而发挥作用的。
三、离子通道的分类
离子通道按激活方式分为 3 类：
1. 电压门控离子通道（voltage gated channels） 即膜电压变化激活的离子通道。通道的开放和关闭一方面与膜电位有关，即电压依赖性（voltage-dependent）；另一方面与电位变化的时间有关，即时间依赖性（time-dependent）。按通过的离子命名，包括电压依赖性钠通道、钙通道、钾通道和氯通道等。
2. 配体门控离子通道（ligand gated channels） 由递质与通道蛋白分子上的结合位点相结合而开启，如烟碱型乙酰胆碱受体、γ-氨基丁酸受体、5-羟色胺 3 型受体通道。
3. 机械门控离子通道（mechanically gated channels） 是一类通过感受细胞膜表面应力变化而实现胞外机械信号向胞内转导的通道，根据通透性分为离子选择性和非离子选择性通道，根据功能分为张力激活型和张力失活型离子通道。如瞬时受体电位（transient receptor potential，TRP）离子通道、机械激活的 Piezo 通道、机械敏感性钾通道 K2P。
根据对离子的选择性，离子通道分为：
（一）钠通道
钠通道（sodium channels）是选择性允许 Na+ 跨膜通过的离子通道，属电压门控离子通道，其功能是维持细胞膜兴奋性及传导性。在心脏、神经和肌肉细胞，动作电位始于快钠通道的激活，钠离子内流引起动作电位的 0 期去极化。现已克隆出 9 种人类钠通道基因。其中 SCN5A 是分布在心肌细胞上的钠通道基因。心血管系统的钠通道主要存在于心房肌、心室肌和希 -浦系统，所产生的内向钠电流使心肌细胞产生快速除极，引发动作电位（action potential，AP）的 0 期除极。
根据对钠通道阻滞剂河鲀毒素（tetrodotoxin，TTX）和 µ-芋螺毒素（µ-conotoxin，µCTX）的敏感性不同分为 3 类：即神经类（对 TTX 敏感性高，而对 µCTX 敏感性低）；骨骼肌类（对 TTX 和 µCTX 敏感性均高）；心肌类（对 TTX 和 µCTX 敏感性均低）。
（二）钙通道
钙通道（calcium channels）在正常情况下为细胞外 Ca2+ 内流的离子通道。它存在于机体各种组织细胞，是调节细胞内 Ca2+ 浓度的主要途径。一般认为，细胞膜上存在两大类钙离子通道，即电压门控钙通道和配体门控钙通道。
1. 电压门控钙通道（voltage-gated Ca2+ channels） 目前已克隆出 L、N、T、P、Q 和 R 六种亚型的电压依赖性钙通道，其中 L 亚型钙通道是细胞兴奋时外钙内流的最主要途径，分布于各种兴奋细胞，是心肌细胞动作电位 2 期平台期形成的主要离子流。表 21-1 列出几种电压依赖性钙通道亚型的特性。
2. 配体门控钙通道（ligand-gated Ca2+ channels） 这类通道存在于细胞器如肌质网（sarcoplasmic reticulum，SR）和内质网（endoplasmic reticulum，ER）膜上，是内钙释放进入胞质的途径。配体门控钙通道是数百种疾病相关突变的靶点。其中雷诺丁受体（ryanodine receptor，RyR）钙释放通道突变是恶性高热、中央轴空病和遗传性心律失常、儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速的病因。三磷酸肌醇（IP3）受体的突变主要与共济失调、内分泌紊乱和癌症有关。当细胞膜去极化时，电压门控钙通道开放，Ca2+ 内流使细胞内 Ca2+ 突然增加而触发 Ca2+ 释放，从而引起细胞兴奋 -收缩偶联等生理活动，这一过程称为 Ca2+ 诱导 Ca2+ 释放。现主要有下述两种钙释放通道。①RyR 钙释放通道：RyR 分布在骨骼肌、心肌、平滑肌、脑、内分泌细胞、肝和成纤维细胞等。现已克隆出 RyR1、RyR2 和 RyR3 三种亚型，分别称为骨骼肌、心肌和脑 RyR。咖啡因是这类受体激动剂，可激动 RyR，促进储 Ca2+ 释放而使［Ca2+］i升高。②IP3 受体通道：IP3 作用于细胞器如 ER 或 SR 膜上的 IP3 受体引起储 Ca2+ 释放，称为 IP3 受体（IP3R）通道。经 cDNA 克隆已确定 IP3R1、IP3R2 和 IP3R3 通道 3 种亚型。IP3R1 是主要的 Ca2+ 释放通道，在心脏 IP3R1 与药物和激素引起心肌收缩反应有关。
（三）钾通道
钾通道（potassium channels）是选择性允许 K+ 跨膜通过的离子通道，是目前发现的亚型最多、作用最复杂的一类离子通道。广泛分布于骨骼肌、神经、心脏、血管、气管、胃肠道、血液及腺体等。自 1987 年成功地克隆出第一个钾通道基因后，现已克隆出几十种亚型。不同亚型的钾通道具有其特定的通道特性，决定了 K+ 通过细胞膜的动力学特征。在可兴奋细胞，它发挥复极、终止动作电位及维持静息膜电位的作用。在非兴奋性细胞，它发挥跨膜转运、维持细胞体积、信号转导及维持静息膜电位的作用。钾通道在调节细胞的膜电位和兴奋性以及平滑肌舒缩活性中发挥重要作用。
钾通道按其电生理特性不同，分为电压依赖性钾通道、钙依赖性钾通道及内向整流钾通道。
1.电压依赖性钾通道（voltage-dependent K+ channels） 这类钾通道的活性受膜电位变化调控，包括：
（1）外向延迟整流钾通道（delayed rectifier K+ channels）：其产生的电流为 IK，此类通道在去极化时激活而产生外向电流，与膜的复极化有关。
在心肌细胞，IK 主要由两种成分组成，快速激活整流钾电流 IKr 和缓慢激活整流钾电流 IKs，为心肌细胞动作电位复极 3 期的主要离子流。IKr 可被抗心律失常药物如多非利特阻断，而 IKs 可被Chromanol 293B 阻断。在人心房肌细胞存在一种超快速延迟整流钾电流，称为 IKur，激活时间仅 50 毫秒。该电流在调控心房复极中起重要作用，与房性心律失常的发生有密切关系。
（2）瞬时外向钾通道（transient outward K+ channels）：其产生的电流为 Ito，此类钾通道在去极化明显时才能激活，其产生的外向电流无整流特性，参与动作电位 1 期的复极过程。该通道激活迅速、失活快，由 Kv1.4、Kv4.2、Kv4.3 蛋白亚基组装形成。Ito 可分为对 4-氨基吡啶（4-AP）敏感的钾电流 Ito1 以及对钙敏感的 Ito2，实为钙依赖性氯电流。Ito1 可被 4-AP 阻滞，Ito2 可被 ryanodine 阻滞。
（3）起搏电流（pacemaker current，If）：If 是非特异性阳离子电流，即由一种以上单价阳离子，如 K+和 Na+ 共同携带的离子电流。If 为超极化激活的时间依赖性内向整流电流，是窦房结、房室结和希 -浦系统的起搏电流之一。If 受神经递质的调节：肾上腺素可促进 If 激活，使 If 电流增加，这是交感神经使心率加快的离子基础之一；乙酰胆碱可抑制 If，使心率减慢，是副交感神经或迷走神经减慢心率的作用机制。
2. 钙依赖性钾通道（Ca2+-dependent K+ channels，KCa） 是一类具有电压和 Ca2+ 依赖性的钾通道。细胞膜去极化和胞质［Ca2+］i 升高均可激活而使其开放，K+ 外流，使膜复极化或超极化，是调节血管平滑肌肌源性张力的主要离子通道之一。KCa 通道不仅是血管活性物质的直接靶点，也能长期控制局部血流和动脉血压。根据其电导大小分为高（BK）、中（IK）和低（SK）电导钙依赖性钾通道 3 个亚型。
3. 内向整流钾通道（inward rectifier K+ channels，Kir） 这类钾通道都具有内向整流特性，其中比较重要的有 3 种：内向整流钾通道 2.1（Kir 2.1）、ATP 敏感的钾通道（KATP）及乙酰胆碱激活的钾通道（KACh），分别称为 Kir 2.1、Kir 6.2、Kir 3.x。
（1）内向整流钾通道 2.1（inward rectifier K+ channels 2.1）：该通道编码基因为 KCNJ2，其电流为IK1。心房肌、心室肌和浦肯野细胞均有 Kir 2.1 通道，但以心室肌细胞最为丰富，窦房结 P 细胞无 Kir 2.1通道。在心肌细胞中，Kir 2.1 通道也参与 AP 的 3 期复极，但主要维持 4 期静息电位，防止由于 Na+-K+- ATP 酶的作用使膜超极化大于钾平衡电位（EK）。Ba2+、Cs+ 和四乙胺（TEA）均为此通道的阻滞剂。
（2）ATP 敏感的钾通道（ATP-sensitive K+ channels）：该通道被称为 KATP（Kir6.2）通道，其电流为 IK（ATP）。KATP 为代谢性调节 K+ 外流通道，在骨骼肌、心肌、血管平滑肌、胰岛 β 细胞、神经、内分泌细胞及肾上腺皮质细胞等均有分布。KATP 通道是维持细胞能量稳态的基础，参与许多重要的生理过程，是重要的药物靶点。在正常生理情况下，该通道处在失活状态，只有在缺氧、能量耗竭或 ATP 减少时，通道才被激活而开放，该通道与心肌缺血预适应及胰岛素分泌有密切关系。通常所称的钾通道开放剂就是指激活 KATP 通道的药物，代表药物有克罗卡林（cromakalim）、二氮嗪（diazoxide）等；阻滞药有格列本脲（glibenclamide）和甲苯磺丁脲（tolbutamide）等。
（3）乙酰胆碱激活的钾通道（acetylcholine-activated K+ channels）：该类通道称为 KACh（Kir 3.x）通道，其电流为 IK（ACh）。KACh 是一种电导大、门控过程快的钾通道。它存在于心脏的窦房结、房室结和心房肌细胞。主要由 ACh 和 GTP 激活，亦可被超极化激活。ACh 作用于 M 受体而激活此通道，增加舒张电位而导致负性频率作用。ACh 浓度升高增加其开放概率，但不影响其开放时间。KACh 通道活性与心房纤颤的重塑过程密切相关。
（四）氯通道（chloride channels）
氯离子是机体细胞最具生理意义的阴离子，它在细胞内外的转运，除了 Cl--HCO3- 交换及 Na+-K+-2Cl- 和 Na+-Cl- 共同转运外，还可经过氯通道进行转运。氯通道包括电压依赖性氯通道、囊性纤维化跨膜转导调节的氯通道、容量调节性氯通道和钙激活的氯通道。机体的兴奋性和非兴奋性细胞膜及溶酶体、线粒体、内质网等细胞器的质膜均分布有这类通道。氯通道具有广泛的生物学功能，包括在兴奋性细胞稳定膜电位和抑制动作电位的产生、细胞体积调节、神经兴奋、平滑肌收缩和细胞内细胞器酸化、维持细胞内环境稳定等。当氯通道功能异常时可引起肌强直、登特病（Dent disease）以及巴特综合征等疾病。
四、离子通道的生理功能
生命的最小形态机能单位是细胞，离子通道则是细胞活性至关重要的成分，通过调节离子流的动力学，完成信号的跨膜传递。离子通道具有众多的生理功能，概括起来有如下几方面：
（一）决定细胞的兴奋性、不应性和传导性
在神经、肌肉等兴奋性细胞，离子通道主要以生物电活动形式表现兴奋的产生及传导。由于细胞膜内外各种离子的分布不均匀性，造成膜两侧离子浓度差和电位差，从而形成膜电位。膜内外离子的跨膜运动，引起膜电位的变化。因此，离子通道的主要功能是形成动作电位、传递信号，从而调节机能活动。钠和钙通道主要调控去极化，而钾通道主要是调控复极化和维持静息膜电位，从而共同决定兴
奋细胞的兴奋性、不应性和传导性等。
（二）介导兴奋 -收缩偶联和兴奋 -分泌偶联
在肌肉及腺体等可兴奋性细胞发挥其生理功能时，首先产生的生理效应是细胞产生动作电位（兴奋），然后才出现肌肉收缩或腺体分泌的反应表现，其中，钙离子通道的开放导致 Ca2+ 内流是偶联的关键环节。提高细胞内钙浓度可触发各种生理效应，如肌肉的收缩（包括心肌及骨骼肌的收缩等）、腺体分泌（包括胰腺、唾液腺等）、钙依赖性离子通道的开放、蛋白激酶（如 PKC）的激活及基因表达等。
（三）调节血管平滑肌的舒缩活动
血管平滑肌有钙通道、钾通道、氯通道和非选择性阳离子通道，它们均可调节血管平滑肌的舒缩活性。
（四）参与细胞跨膜信号转导过程
在细胞间信息传递的过程中，离子通道发挥重要作用。在神经 -肌肉接头的信号转导中，神经末梢释放递质需电压门控钙通道参与。在中枢神经系统的突触传递过程中，参与突触传递的离子通道有电压门控的钙通道、钾通道、钠通道、氯通道和配体门控离子通道。一般由对 Na+ 和 K+ 都通透的NMDA 和非 NMDA 受体离子通道开放引起突触后膜去极化，形成兴奋性突触后电位（EPSP）；由对 Cl-通透的 GABAA 受体通道开放引起突触后膜超极化，形成抑制性突触后电位（IPSP），进而产生突触后兴奋或抑制状态以致出现中枢的兴奋或抑制过程。
（五）维持细胞正常形态和功能完整性
细胞正常结构和形态的完整性，依赖于细胞所处环境的渗透压及水的跨膜转运过程。细胞正常体积的维持与离子通道及细胞膜上 Na+-K+-2Cl-、Na+-Cl- 等转运体有关，如当细胞肿胀时，钾离子通道被激活，K+、Cl- 外流增多。
五、离子通道的调控
细胞膜上离子通道蛋白表达水平和功能状态影响离子电流的幅度与特性，也直接决定了心脏、神经、肌肉等兴奋性细胞的电活动是否正常。当心肌离子通道功能或蛋白表达失常时，往往会造成心脏电活动的失常，表现为心律失常，这不仅会造成心脏机械活动和泵血功能异常，严重时还会导致心源性猝死。离子通道的表达与功能受到细胞膜受体蛋白如肾上腺素受体、胆碱能受体、血管紧张素受体、RyR 受体以及内分泌、体液等多种因素的调节。离子通道的表达还受表观遗传学的精细调节，其中 miRNA 就在这种调控模式中扮演着关键的角色。miR-1 通过与 IK1 电流编码基因 KCNJ2 和缝隙连接蛋白编码基因 GJA1 信使 RNA 的 3'-UTR 相结合，进而抑制其蛋白表达，使心脏传导减慢，导致室性缺血性心律失常的发生。miR-328 通过抑制 L 型钙通道 α 亚单位和 β 亚单位蛋白的翻译，使 L 型钙电流减小，动作电位时程缩短，促进房颤的发生。另外，经典抗心律失常药物如普萘洛尔可通过直接抑制 miR-1 的表达而减少心律失常的发生。
