烟草钾离子通道研究进展
74 中国烟草科学2009，30（2）：74-80
烟草钾离子通道研究进展
曲平治1，刘贯山1，刘好宝1*，司丛丛1，刘朝科2，胡晓明2，冯祥国2，张守厚3，赵静4
（1.农业部烟草类作物质量控制重点开放实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛266101；2.川渝中烟工业公司，成都
610000；3.山东日照烟草有限公司，山东日照276800；4.山东中烟工业公司青州卷烟厂，山东青州262500）
摘要：K+通道是烟草吸收K+的重要途径之一。近年来，已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离到多种K+通道
基因。笔者从K+通道基因类型、K+通道基因的克隆与功能、K+吸收机制和K+通道分子调控技术等方面综述了烟草K+通道
研究现状与进展。对应用生物工程技术改良烟草的钾营养性状进行了讨论，并对利用现代生物技术手段提高烟叶含钾量进行
了展望。
关键词：烟草；钾离子通道；克隆；吸收机制
中图分类号：TS413 文献标志码：A 文章编号：1007-5119（2009）02-0074-07
Research Advances in Tobacco Potassium Ion Channel
QU Pingzhi1, LIU Guanshan1, LIU Haobao1*, SI Congcong1, LIU Chaoke2,
HU Xiaoming2, FENG Xiangguo2, ZHANG Shouhou3, ZHAO Jing4
(1.Key Laboratory of Tobacco Quality Control, MOA, Tobacco Research Institute of CAAS, Qingdao 266101, China; 2.China
Tobacco Chuanyu Industrial Corporation, Chengdu 610000, China; 3.Rizhao Tobacco Corp. Ltd., Rizhao, Shangdong 276800, China;
4.Qingzhou Cigaret Factory, China Shongdong Industrial Tobacco Corpoaration, Qingzhou, Shangdong 262500, China )
Abstract: K+ channel is one of the important pathway for tobacco absorbing K+. In recent years, Many K+ channel genes have been
cloned from various plants or different organization of same plant. In this paper, the type of K+ channel gene, cloning and function of
K+ channel, K+ absorption mechanism and molecular regulation technology of K+ channel are summarized. Applying biotechnology
to improve tobacco potassium nutrition character is discussed, and utilizing the modern biotechniques to improve the potassium
content of tobacco leaves is proposed.
Keywords: tobacco; potassium channel; cloning; absorption mechanism
植物吸收K+涉及到质膜上的钾转运蛋白，钾转
运蛋白分为两类：K+通道和高亲和K+转运体，其
中K+通道是主要的K+吸收途径。K+通道是一种跨
膜蛋白，广泛存在于各种细胞膜上，它的结构与功
能研究是生命科学交叉领域中研究最活跃的分支
之一。K+通道（potassium channel）是允许K+特异
性通透质膜的离子通道，该通道由两部分组成:一部
分是通道区，选择并允许K+通过；另一部分是门控
开关，受环境中的信号而开关通道。
烟叶K+不仅参与烟叶生理生化反应和提高烟
株抗逆性，还对烟草的可燃性有明显作用，与烟叶
香吃昧及卷烟制品安全性有密切关系；但是我国北
方烟区的土壤含钾量普遍较低，烟叶含钾量大都不
足2%[1]，直接影响到烟叶的产量和品质。国内学者
曾采用施用钾肥和改进栽培方法等措施来提高烟
叶含钾量，但均未得到显著改善。
钾营养在分子生物学方面的研究已引起重视。
施卫明[2]将外源K+通道基因导入烟草，获得钾高效
利用型转基因烟草株系，研究证明外源K+通道基因
的导入不仅可提高肥料钾和土壤缓效态钾的利用
率，而且可显著提高烟叶的含钾量，使烟草产量和
品质得到较大幅度的改良；茅野充男等[3]通过分子
技术将拟南芥的K+通道基因转移至烟株中，使其吸
钾能力明显提高，地上部含钾量提高18%～22%。
因此，可通过现代生物技术改良烟草钾营养，用基
因工程技术将K+通道和高亲和K+转运体蛋白基因
作者简介：曲平治（1983-），男，在读硕士，研究方向为烟草钾高效基因克隆与表达分析。E-mail：qupingzhi@https://www.wendangku.net/doc/cf7314994.html,
*通讯作者，E-mail：zp3280965@https://www.wendangku.net/doc/cf7314994.html,
收稿日期：2008-09-28
第2 期曲平治等：烟草钾离子通道研究进展75
转入烟草中，使之高效表达，进而提高烟叶含钾量。
1 K+通道的类型
离子通道中，K+通道是最庞大的家族，根据不
同的标准可分为不同的类别。从生物学角度，依据
不同的结构和功能可将K+通道分为三大类: Shaker
家族通道、KCO 家族通道和其他通道。
1.1 Shaker 家族通道
Shaker 家族通道是K+通道中发现最早的。
Shaker 一词来源于：在乙醚麻醉下缺失该基因的果
蝇，自发强烈地抖动其肢体，这种表现型的果蝇取
名为Shaker(颤抖)突变子。植物Shaker 通道蛋白从
N 末端至C 末端具有6 个跨膜区(TMS)的疏水核(图
1)；第4 个TMS 含有作为起电压感应器作用的正电
荷氨基酸；第5 个和第6 个TMS 之间具有高度保
守的离子传导孔区(P 结构域)；C 末端区含有调节结
构域：1 个推测的核苷酸结合位点(NBS)，1 个在大
多数Shaker 通道中存在的锚蛋白区（ANK）和1
个紧靠C 末端的富含疏水酸性残基区（KHA）。
Shaker 通道的1 个重要特点是能形成异源四聚体结
构，允许植物调节不同细胞中的K+转运活性，这种
调节在每个器官或组织中是独立的，并与环境条件
相关[4]。
Shaker 家族通道是选择性的K+通道，在很大程
度上受电压的调控，按照受激活的电压范围及离子
图1 Shaker 通道蛋白(六个跨膜区域电压门控通道结构) Fig. 1 Shaker channel protein (channel protein structure of six transmembrane segments and each have a voltage-gated )
流方向不同可细分为3 类：内向整流K+通道(K+
in)、
外向整流K+通道(K+
out)和弱内向整流K+通道。
1.1.1 内向整流K+通道内向整流K+通道对K+浓
度敏感，依赖电压，是主要的吸收K+流的通道，如
NKT1, KAT1, KAT2, AKT1, AKT2/AKT3, AKT4等，
主要存在于细胞的质膜上，在细胞膜超极化的电压
条件下被激活打开。
1.1.2 外向整流K+通道外向整流K+通道具有电
势依赖性，可释放K+流，如NTORK1, GORK, SKOR 等。
1.1.3 弱内向整流K+通道弱内向整流K+通道既
可吸收K+，又可释放K+流，如AKT2。
1.2 KCO 通道
KCO 通道即钾通道（K+channel）、钙激活的
（Ca2+ activated）和外向整流（outward-rectifying）
的缩写，首次克隆的KCO1 基因是通过基因数据库
搜索动物K+通道新的植物对应物时所鉴定出来的。
与动物的KCO 通道一样，第1 个得到的拟南
芥KCO1 K+通道有4 个预测的跨膜结构域，两个手
性结构域在C 末端，可能是Ca2+的结合位点。植物KCO 通道具有手性结构域，这是区别于哺乳动物的
显著特征。KCO 家族的拓扑异构结构如图2。
以拟南芥为例，根据疏水区组成的不同，KCO
通道蛋白可分为两个亚家族, 即KCO-1P 和
KCO-2P。
1.2.1 KCO-1P KCO-1P 是指由两个TMS 和1 个
P（孔道区域）组成的亚族。它们的TMS 并非用来
充当电压感应区，核心区都有1 个高度K+渗透性的
特征序列[5]。KCO-1P 家族有1 个成员，即KCO3。1.2.2 KCO-2P KCO-2P 是指由4 个TMS 和两个
P（孔道区域）组成的亚族。KCO-2P 家族有5 个成
员：KCO1, KCO2, KCO4, KCO5 和KCO6。
1.3 其他通道
环核苷酸门控通道(CNGC)是作为膜上的非选
择性配体阳离子门控通道，植物CNGC 结构具有6
个跨膜区(S1～S6)、S5 和S6 之间的孔区及C 端的钙
调素结合域(calmodulin binding domain，CaMBD)
和环核苷酸结合域(cyclic nucleotide binding domain，CNBD)，其结构与Shaker 家族基因相似。NH3
+
P-结构域
膜外
细胞质
S1 S3 S4 S5 S6
NBS ANK KHA
S2
C
76 中国烟草科学
KAB1 是从拟南芥EST 中分离出来的一种能够将shaker 通道活化的蛋白，KAB1 跟动物的β亚基一样，能够跟Shaker α亚基一起表达来活化没有活性的Shaker 通道。
2 K+通道的克隆、表达分析和功能
2.1 Shaker 通道
Shaker 通道基因的首次克隆是L. Jan 通过观察
果蝇突变子的表型而得到的。1992 年Sentenac 等人首次在植物上克隆到K+通道基因AKT1[6]；同年，Anderson 等亦从拟南芥中克隆出钾通道基因
KAT1[7]。
2.1.1 Shaker 通道的克隆Shaker 通道基因中，拟
南芥的研究最全面。拟南芥Shaker 家族由9 个成员组成：KAT1，KAT2，AKT1，AKT2/AKT3，AKT5，AKT6，AtKC1，SKOR，GORK。这些基因是通过酵母突变体功能互补、cDNA 文库筛选的方法得到的。目前从烟草中克隆的Shaker 通道基因有NKC1、NpKT1、NKT1、NTORK1、NKT2 和NtKC1，其中NpKT1 基因的克隆是1999 年在日本烟草公司植物育种和遗传实验室完成，但文章尚未公开。
1）酵母功能互补策略克隆酵母功能互补策
略是指具有某种营养缺陷型的突变株在缺少该营
养的培养基上不能生长，但若把互补该功能的外源cDNA 或表达型cDNA 文库转化到该突变株中，即可恢复该突变株的生长，这样就可以克隆到新的cDNA。AKT1 和KAT1 就是采用来自拟南芥各种组织的cDNA 文库，通过缺乏K+运输体的酵母突变
体功能互补的方法克隆得到的。
2）同源克隆同源克隆是指根据其它已知的
氨基酸保守区域设计引物，进行PCR 扩增得到目的基因中间片段，然后利用cDNA 末端快速扩增技术
和染色体步移技术分别得到全长cDNA 和全长基
因。2004 年Toshio Sano 采用同源克隆法得到烟草
K+通道基因，有NKT1，NTORK1，NKT2 和NtKC1，均属于Shaker 通道[8]，2008 年郭兆奎等采用同源克隆法获得了黄花烟草K+通道基因NKC1[9]。目前模
式植物拟南芥基因组全序列测定已经完成，大量基
因的功能也被揭示出来，这为烟草K+通道基因的同
源克隆提供了丰富的资源。
3）cDNA 文库筛选的克隆cDNA 文库筛选是
指用已知基因设计探针从基因文库中钓取新的目
的基因的方法。烟草K+通道基因的克隆可以用已知
基因序列作为探针，从烟草各组织的cDNA 文库中
克隆K+通道。在拟南芥中，AKT2 是以AKT1 为探针、从拟南芥cDNA 文库筛选出的K+通道基因[10]，KAT2 是以KAT1 为探针、从拟南芥cDNA 文库中
筛选出KAT2 等功能类似的K+通道基因。AKT3 是
从拟南芥文库中，采用以K+通道(TMTTVGYGD)
标记的寡核苷酸去分离K+ 通道基因[10] 。
AtKC1(KAT3)(AKT4)是利用AKT1 为探针，利用
DNA 分子杂交从拟南芥中分离出来[11]。因此，烟
草K+通道基因的克隆可以设计探针，从烟草各组织
的cDNA 文库中克隆K+通道。
2.1.2 Shaker 通道的表达分析和功能烟草K+通
道的表达分析可采用Northern blot 分析和荧光定量PCR 分析，功能分析可采用酵母双杂交、
Western-blot、双向电泳等方法。
图2 KCO 家族的拓扑异构结构（KCO-1P、KCO-2P）Fig. 2 Heterogeneous topology structure of KCO
family(KCO-1P、KCO-2P)
M1 M2 M1 M2 M3 M4
拟南芥
KCO-1P KCO-2P
P P1 P2
N C N C
EF1 EF2 EF1 EF2
KR
第2 期曲平治等：烟草钾离子通道研究进展77 Northern blot 分析表明，AKT1 主要在根中表
达，特别是在成熟根表皮、皮层和内皮层，AKT1
编码的蛋白运输K+在转移互补酵母到无钾介质的
试验中证实[12]。
KAT1 编码一个能够被超极化激活的K+通道蛋
白[13]，表达具有组织特异性，主要表达部位是保卫
细胞，在根和茎维管组织中也有少量表达，KAT1
的功能从非洲爪蟾属光滑卵母细胞上的表达得到
证实[14]。KAT1 以低亲和力K+吸收方式进入保卫细胞，在气孔开合中扮演重要角色，并向维管组织转
运K+，而非直接从土壤中吸收K+。
AtKC1(KAT3)(AKT4)作为Shaker 家族，却不
具有K+通道作用，但可通过调节AKT1，来中断
K+流进入根毛细胞[15-16]。一旦被吸收，K+分泌进入根木质部以及传递到地上部便涉及到SKOR
( Stelar K+ outward rectifying channel)通道，SKOR 在根中柱鞘、木质部软组织、花粉中表达，当膜去极
化时SKOR 被激活，该通道可调节木质部汁液中50%的K+外流[17].
KAT2 和GORK(Guard cell outward rectifying K+ channel)是在保卫细胞中表达的[18]，它们控制K+流入和流出保卫细胞。GORK 在保卫细胞中是唯一的
外向K+通道，当膜去极化时GORK 被激活。GORK 对K+敏感，因此它有可能作为K+感应器[19]。
AKT5/SPIK(Shaker pollen inward rectifier K+ channel)在花粉中特异表达，涉及到花粉中K+吸收，是花粉管发育和最佳花粉竞争力所必需的[20]。
AKT3 主要在韧皮组织表达。用卵母细胞中的
异源表达和电压钳分别研究其生理学功能和电特
性，发现它只受膜电势的微弱调节，可能参与了韧
皮部装载和卸载中的K+运输[21]。通过RNA 凝胶分析和PCR 技术，鉴定出AKT2 和AKT3 在源和库
的韧皮组织中均有存在，它们是同一基因编码的两
个蛋白质，在爪蟾卵母细胞中具有相同功能[22]。植物胁迫激素ABA 能增加AKT2 转录的数量，显示AKT2 对于干旱可能有某些反应。
K+通道在拟南芥的根、茎、叶、花中均有表达，
因此依据拟南芥及其它作物K+通道的表达部位，可以在烟草相应的部位克隆出相应的K+通道基因。
2.2 KCO 通道
2.2.1 KCO 通道的克隆1997 年Czempinski[23]等
从拟南芥中成功克隆到首个KCO1 基因。KCO1 是以Shaker 通道的P 结构域的保守序列为探针，从拟南芥的EST 数据库中筛选出来的。目前烟草还没有该基因的报告，但可利用EST 文库筛选、同源克隆和cDNA 文库筛选等方法得到烟草KCO 通道基因。
2.2.2 KCO通道的表达分析和功能KCO1在植物
各部分均有表达，在根、叶中有强烈表达[24]。KCO1 能够在功能上与外向整流型的Shaker 通道家族区
别开来。KCO6 在根及叶中有强烈的表达[25]。
KCO1, KCO2 和KCO6 特点是各自通道蛋白
的C 末端具有1～2 个EF 手形，EF 区域参与Ca2+ 调节AtTPK1 通道的过程。KCO4 缺少EF 手形。KCO5 显示为弱的EF 手形。
最近研究表明，该家族的有些成员，如KCO4，
并不具备外向整流K+通道的功能，所以，该家族又
被命名为TPK(Tandem-Pore K+)通道[26]。KCO4
（At-TPK4）是在质膜上发挥功能的，它可能在花
粉管生长过程中参与K+平衡及膜电位的调节[26]。
2.3 其他通道
植物CNGC 离子通道是Schuurink 等人在1998
年筛选大麦钙调素结合转运蛋白时首次确认的[27]。2.3.1 其它通道的克隆烟草和拟南芥中发现的
很多CNGC基因序列是采用cDNA文库筛选的方法
获得的。1999 年Tzahi Arazi 等[28]采用从cDNA 文
库筛选的方法得到了烟草CNGC 离子通道基因
NtCBP4，NtCBP7。拟南芥中，AtCNGC1 和AtCNGC2 是通过利用动物的CNG 通道序列来筛选EST，然
后再以EST 作为探针从拟南芥cDNA 文库中筛选CNG 通道。AtCNGC3, AtCNGC4, AtCNGC5 和AtCNGC6 是利用AtCNGC1 和AtCNGC2 先从拟南
芥数据库中获得的一部分片段信息，再辅以RACE
技术获得全长片段[29]。目前拟南芥基因组中有20
个编码CNGC 的基因序列，因此可参照拟南芥信
息，采用cDNA 文库筛选和同源克隆可以快速获得
更多的烟草CNGC 序列。
KAB1 是Tang 等应用EST 从拟南芥的cDNA
文库中分离到编码K+通道β亚基的基因[30]。
78 中国烟草科学
2.3.2 其它通道的表达分析和功能植物CNGC
主要定位在细胞膜上，能够将外界信号转变成跨膜
的阳离子流[31]。它的功能主要是作为信号传导，对
离子转运、生长发育、抗逆性等起作用。
原位杂交实验表明，KAB1 在叶细胞(尤其是保
卫细胞)中表达较高，在根细胞中表达较低。Western
杂交表明，在叶、花、根细胞的胞质区和膜区都存
在KAB1。
3 K+吸收机制
植物K+吸收机制研究最早由Epstein 等人开
展，他们采用酶动力学方法来描述K+吸收，并把
K+吸收分为2 个机制[32]。另外，目前还有一种观点，就是共存的钾吸收机制。
3.1 K+吸收机制I
K+吸收机制I 指高亲和力K+吸收，K+吸收服从Michaeli-Menten 动力学方程，在低外界K+浓度(如
大麦在外界0.001～0.2 mmol/L)下起作用。高亲和
力K+吸收为主动吸收机制，因为K+吸收是逆K+电化学势梯度，可能与K:H 或K:Na 的协同运输相关。高亲和力K+吸收机制的作用是受诱导性表达的[33]。
3.2 K+吸收机制II
K+吸收机制Ⅱ指低亲和力K+吸收，在高的外
部K+浓度(如大麦在外界1～10mmol/L)下起作用。
低亲和力K+吸收为经由K+选择性通道的被动运
输。低亲和力K+吸收机制的作用是组成性表达的[34]。杨铁钊等[35]在以NC89 为材料的烟草研究中得出的结论也与Epstein 相一致。烟草钾积累量随外
界离子浓度提高呈现快速—缓慢—快速—缓慢的
交替变化，显示出烟草K+吸收机制也是两个吸收机制的特性。
两个吸收机制的特性以不同烟草基因型为基
础。鲁黎明等研究表明，不同烟草基因型的K+亲和力及吸收能力是影响烤烟钾营养效率高低的重要
因素[36]；牛佩兰等研究结果显示，烟草基因型间的吸钾能力、钾利用效率及叶片含钾量存在显著差异, 并且这种差异可以稳定遗传[37-38]。
3.3 共存的钾吸收机制
共存的钾吸收机制是指机制I 和机制Ⅱ共同作
用来吸收K+。K+通道和钾转运体共同转运K+：在拟南芥中，K+选择性通道AKT1 和AtKC1、高亲和力K+转运体AtKUP4 在根外层细胞的质膜上执行
K+吸收[39]；AtKUP1、AtKUP2 和AtHKT1 转运体也可能对根K+吸收有贡献。刘贯山[40]等认为：在
植物中存在多个K+吸收转运机制，原因如下：1）
植物不同器官或组织的营养和能量需求不同；2）
养分的转运跨不同的膜（质膜、液泡膜、质体内外
膜等），因而需要不同的跨膜转运机制；3）根细胞
外环境条件、养分和有毒竞争离子浓度变化很大。
组成型和诱导型高亲和力吸收组份对变化的养分
有效性和离子条件反应不同；4）基本养分积累机
制的冗余对于植物生存可能是重要的。由此可见，
植物通过根系从土壤中吸收K+以及K+在植物体内
的转运需要许多不同的膜蛋白，植物具有多个K+
吸收转运机制。
总之，烟草的K+吸收机制是以烟草的基因型为
基础的。当外界K+浓度低时，高亲和力K+吸收起
主要作用；当外部K+浓度高时，低亲和力K+吸收
起主要作用。并且这两种吸收机制是共存的，在实
际生产中烟草所吸收的K+主要以低亲和吸收为主。
4 K+通道分子调控的技术手段
目前主要有两种技术进行K+通道分子调控的
研究，一是采用电压钳，二是采用巨大膜片钳等技术来揭示K+通道的内流和外流。
4.1 电压钳技术
电压钳可以测量细胞的膜电位、膜电流和突触
后电位。电压钳是向细胞内插入一根微电极往胞内补充电流，补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子流量，这样就能控制膜电位数值不变。经过离子通道的离子流与经微电极施加的电流方向相反，数量相等，故可定量测定细胞变化时的离子电流。武维华[41]使用膜片钳技术，揭示拟南芥根细胞
K+通道AKT1 的活性受由LKS1 基因编码的蛋白激酶CIPK23 的正向调控。过量表达LKS1 基因可使植物在低K+条件下的K+吸收速率增强,显著提高植株对低钾胁迫的耐受性。研究进一步发现，CIPK23 促进植物K+吸收是通过对细胞K+通道AKT1 的磷酸化来实现的，而CIPK23 的上游受两种钙信号感受器CBL1 和CBL9 的正向调控。植物根细胞K+ 第2 期曲平治等：烟草钾离子通道研究进展79
通道AKT1 是植物细胞自土壤溶液中吸收钾的主要执行者。在拟南芥植物中过量表达LKS1、CBL1/9 基因以增强AKT1 的活性，能显著提高植株对低钾胁迫的耐受性。
4.2 膜片钳技术
膜片钳技术是研究离子通道的“金标准”，应
用该技术可以证实细胞膜上离子通道的存在，通过记录细胞膜片上的离子通道电流来反映通道分子
的生理特性，进而对各种生理机制进行深入细致的研究。
李乐攻等[42]利用大膜片钳、电压钳、DNA 改
组（DNA Shuffling）等技术，发现了控制K+通道
流向转换的分子偶联机制，揭开了使同一离子通道的离子流向发生逆转的关键因素。他首先进行DNA 改组，将拟南芥基因在分子水平上进行有性重组，然后得到的产物分别植入CY162 筛选系统（该酵母没有内向型K+通道）。再用电生理学方法分析筛选，后来发现实际上只要312 和271 两个位点的氨基酸残基偶联改变，通道流向就会发生转变。该定点改变实验证实了通道流向转换的分子偶联机制。这项研究成果不仅发现了控制植物K+流向的新机制，也为其他离子的流向控制提供了可供借鉴的调控模式。
因此在烟草方面可采用以上两种技术，再结合
生物技术寻找K+通道的上游调控元件，或通过改变
K+通道氨基酸点与点之间的残基来揭示K+流向。
5 展望
烟草虽然是模式植物，但对于其本身的K+通道
研究很少，所以可围绕烟草的K+吸收机制，重点研
究烟草的K+通道的调控。第一，在基础研究方面，
可更深一步地揭示K+转运机制；第二，在烟草应用
方面，把分子水平的生理功能跟目前的栽培技术结
合起来,可提高钾肥利用率，缓解我国钾肥贫瘠现
状。在生产应用上，采用可能提高钾含量的基因构
建基因构件，使其能调控烟叶的基因表达；再经分
子生物学方法鉴定分离，通过改善细胞代谢环境，
调控细胞离子通道系统，筛选高钾含量烟草。采用
上述方法，能显著提高烟叶的钾含量，如扩大筛选
规模，可获得含钾量更高的烟叶。另外，采用转基
因的方法导入K+通道基因，可提高烟草抗逆性。总
之，目前可从烟草本身出发克隆出K+通道，研究受
哪些物质调控、以及这些通道之间是如何协调运行
的。烟草K+通道的研究具有广阔的发展空间。
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（责任编辑王颖）
烟草钾营养研究进展
烟草钾营养研究进展 2011年 05月 23日查看: 减小字体增大字体 刘正日胡日生郭清泉 摘要：从烟草钾素的作用、烟草钾营养和烟叶含钾量的影响因素及提高烟叶含钾量的栽培技术措施等方面综述了国内烟草钾营养的主要研究进展，指出培育钾高效烟草品种和利用现代生物技术手段有望从根本上提高烟叶含钾量。 关键词：烟草钾营养含钾量 钾是烟草必需的矿质元素，对烟草的生长发育起着重要作用。据美国北卡罗里纳州的研究，烟草吸收钾素比其它任何元素都高，是吸氮量的 1.38 倍，磷的 3.5 倍左右。美国烤烟烟叶含钾量一般为 4% ～ 6% ，有的高达 8% ～ 10% ，他们常把烟叶钾含量作为衡量烟叶质量的尺度。较高的含钾量（不低于 2% ）能保持烟叶较好的可燃性，而我国烟叶含钾量一般在 2% 以下，较低的含钾量制约着我国烟叶质量的进一步提高。本文对近些年国内这一领域的主要研究进行综述。 1 烟草钾素的作用 1.1 钾素生理功能概述 钾素在烟株内以离子态游离存在，自 Boyer 等首次报道丙酮酸激酶的催化活性需要 K + 以来，已证实合成酶类、氧化还原酶类和转移酶类共 60 多种酶都需要 K + 来活化。钾能促进烟株光合作用，提高烟株的呼吸效率，参与糖类、脂类和蛋白质的代谢过程，对烟株的物质和能量代谢有很重要的作用。 1.2 钾素与烟草的抗逆性 1.2.1 钾素与烟草的抗病性 经研究证实钾对一些植物病害的发生具有一定的延缓作用。周冀衡等报道，施钾能提高感花叶病毒（ TMV 和 CMV ）烟叶中 POX 、 SOD 、 POL 和 CAT 等内源保护酶活性，有效控制烟叶细胞内丙二醛（ MDA ）积累和细胞膜透性增大的现象，从而增强烟草细胞膜的稳定性和降低病毒侵染后对细胞膜脂的过氧化伤害，减轻感病程度。此外，增施钾肥能提高烟株对烟草赤星病和野火病的抗病性。 1.2.2 钾素与烟草的抗旱性 据已有研究，钾素通过渗透调节来提高作物的抗旱性。有研究表明，干旱胁迫下，钾素作为叶片细胞中的主要渗透调节物质，可增加细胞的吸水能力，增强烤烟叶片的保水力，使烟叶失水速率降低、蒸腾速率下降，同时，能够增强烟株对超氧化物酶（ SOD ）活性的调节，减轻活性氧自由基对细胞膜的伤害，保持细胞膜的完整性，增强烟株的抗旱能力。魏永胜等报道，钾在烟株抗旱性形成的作用体现在对体内水分流动、水分利用调节等方面。烟草
烟草钾离子通道研究进展
74 中国烟草科学2009，30（2）：74-80 烟草钾离子通道研究进展 曲平治1，刘贯山1，刘好宝1*，司丛丛1，刘朝科2，胡晓明2，冯祥国2，张守厚3，赵静4 （1.农业部烟草类作物质量控制重点开放实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛266101；2.川渝中烟工业公司，成都 610000；3.山东日照烟草有限公司，山东日照276800；4.山东中烟工业公司青州卷烟厂，山东青州262500） 摘要：K+通道是烟草吸收K+的重要途径之一。近年来，已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离到多种K+通道 基因。笔者从K+通道基因类型、K+通道基因的克隆与功能、K+吸收机制和K+通道分子调控技术等方面综述了烟草K+通道 研究现状与进展。对应用生物工程技术改良烟草的钾营养性状进行了讨论，并对利用现代生物技术手段提高烟叶含钾量进行 了展望。 关键词：烟草；钾离子通道；克隆；吸收机制 中图分类号：TS413 文献标志码：A 文章编号：1007-5119（2009）02-0074-07 Research Advances in Tobacco Potassium Ion Channel QU Pingzhi1, LIU Guanshan1, LIU Haobao1*, SI Congcong1, LIU Chaoke2, HU Xiaoming2, FENG Xiangguo2, ZHANG Shouhou3, ZHAO Jing4 (1.Key Laboratory of Tobacco Quality Control, MOA, Tobacco Research Institute of CAAS, Qingdao 266101, China; 2.China Tobacco Chuanyu Industrial Corporation, Chengdu 610000, China; 3.Rizhao Tobacco Corp. Ltd., Rizhao, Shangdong 276800, China; 4.Qingzhou Cigaret Factory, China Shongdong Industrial Tobacco Corpoaration, Qingzhou, Shangdong 262500, China ) Abstract: K+ channel is one of the important pathway for tobacco absorbing K+. In recent years, Many K+ channel genes have been cloned from various plants or different organization of same plant. In this paper, the type of K+ channel gene, cloning and function of K+ channel, K+ absorption mechanism and molecular regulation technology of K+ channel are summarized. Applying biotechnology to improve tobacco potassium nutrition character is discussed, and utilizing the modern biotechniques to improve the potassium content of tobacco leaves is proposed. Keywords: tobacco; potassium channel; cloning; absorption mechanism 植物吸收K+涉及到质膜上的钾转运蛋白，钾转 运蛋白分为两类：K+通道和高亲和K+转运体，其 中K+通道是主要的K+吸收途径。K+通道是一种跨 膜蛋白，广泛存在于各种细胞膜上，它的结构与功 能研究是生命科学交叉领域中研究最活跃的分支 之一。K+通道（potassium channel）是允许K+特异 性通透质膜的离子通道，该通道由两部分组成:一部 分是通道区，选择并允许K+通过；另一部分是门控
植物钾离子通道的分子生物学研究进展
植物钾离子通道的分子生物学研究进展 闵水珠 (浙江大学生命科学学院，浙江杭州，310029) 摘 要：钾离子通道是植物钾离子吸收的重要途径之一。近年来，已从多种植物或同种植物的不同组织器官 中分离到多种钾离子通道基因，包括内向整流型钾离子通道基因( 如OsAKT1，DKT1，Ktrrl ，KIl l ，KZM1，ZMK2 等) 和外向整流型钾离子通道基因(如CORK ，PTOR K ，STOR K 等) 。文章分别从结构、功能以及相关基因等三 方面综述了关于植物钾离子通道的分子生物学研究进展，并对应用生物工程技术改良植物的钾营养性状进 行了讨论。 关键词：钾离子通道；结构；基因 中图分类号：Q945；Q735 文献标识码：A 文章编号：1 004 —1 524(2005)03—01 63—07 T he progress on the m olecular biology of t h e K channels in plants M G Shui— zhu ( Co／e ge o f Li fe Science ， 慨 Un ive rsity ，Ha．~ hou 310029 ，China ) A bstract ：Tif s review summar i zed recent progresses on molecular biology of K channels in plants ，including structure and their elevant genes in specialty．The latter is d i v i ded into inward-rectifying K channel(K in) genes(OsAKT 1，DKT1， KFrl ，KDC1，KZM1，ZMK2，etc．) and o utward-~ tifyin g K channel(K out) gene s (C O R K ，FIDR K ，STOR K ，etc．) ．The possibilit y of impr o v i n g potassium nutr i tion of pla n t by bioengineerin g is also d i scussed in this paper． K ey words ：K channel；structure ；gene 离子通道(ion channe1) 是跨膜蛋白，每个蛋 白分子能以高达l08个／秒的速度进行离子的被 动跨膜运输，离子在跨膜电化学势梯度的作用下 进行的运输，不需要加入任何的自由能。一般来 讲，离子通道具有两个显著特征：一是离子通道 是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种 构象所调节，并通过开关应答相应的信号。根据 门控机制，离子通道可分为电压门控、配体门控、
离子通道病
离子通道病 定义:离子通道结构的缺陷所引起的疾病.又称离子通道缺陷性疾病。 与信号传导相关的离子通道获得性或遗传性的结构和功能改变,均可能导致响应的信号传导异常,引起某种疾病或参与疾病的发病过程。如；肌肉型nAch受体自身免疫性损害-----重症肌无力；CI-通道CIC1基因缺陷-----先天性肌强直：Ryarodine受体缺陷------恶性高热易感性。 细胞膜上电压调控性钠、钙、钾和氯离子通道功能改变与先天性和后天性疾病发生之间的关系，对于离子通道基因缺陷、功能改变与某些疾病关系的研究，将可更新在离子通道生理学、病理学和分子遗传学等方面的知识，有助于开辟离子通道病治疗新途径。 90年代以来发现的主要离子通道病: 第一节钠通道病 钠通道基因突变所引起的心律失常，其原因可分为：基于通道活动的失活异常（不完全失活）；基于通道激活异常（Ina降低）；基于细胞膜上通道的数量减少（合成、运输及表达障碍)。钠通道分子结构上的有关部门位点发生突变时，就会严重影响钠通道的正常活动，而出现致命性心律失常。 所有钠通道基因突变所引起的疾病主要与α-亚单位的基因改变有关。在心肌细胞，位于染色体3p21-24上的SCN5A基因与钠通道（hH1）的组成有关。该基因突变是造成人类第3型长Q-T综合症（LQT3）的根本原因。先天性长Q-T综合症是一种罕见且致死的心脏电复极化过程异常延长性心律失常，心电图上QT间期延长，出现室性心律失常、晕厥和瘁死的一种综合症。与正常结构相比，在由突变SCN5A形成的钠通道α亚单位上，位于Ⅲ和Ⅳ结构域之间的4和5号片段有脯氨酸、赖氨酸和谷氨酰胺缺失现象。破坏了通到连接攀与通道的相互作用，使部分通道变为非失活的形式，通道失活的延迟导致持续的Na+内流，延长心肌复极时间，导致QT间期延长。 LQT与一些基因的突变或缺失有关，这些基因分别命名为LQT1---LQT4。 LQT1，LQT2是主要的心脏钾通道病。
分子生物学中钾离子通道研究进展(精)
分子生物学中钾离子通道研究进展 摘要：钾离子通道是植物钾离子吸收的重要途径之一。近年来，已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离到多种钾离子通道基因，包括内向整流型钾离子通道基因(如OsAKT1，DKT1，Ktrrl，KIll，KZM1，ZMK2等)和外向整流型钾离子通道基因(如CORK，PTORK ，STORK 等)。文章分别从结构、功能以及相关基因等三方面综述了关于植物钾离子通道的分子生物学研究进展，并对应用生物工程技术改良植物的钾营养性状进行了讨论。 关键词：钾离子通道；结构；基因离子通道(ion channe1)是跨膜蛋白，每个蛋白分子能以高达l08个／秒的速度进行离子的被动跨膜运输，离子在跨膜电化学势梯度的作用下进行的运输，不需要加入任何的自由能。一般来讲，离子通道具有两个显著特征：一是离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过开关应答相应的信号。根据门控机制，离子通道可分为电压门控、配体门控、压力激活离子通道。二是通道对离子的选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性。根据通道可通过的不同离子，可将离子通道分为钾离子(potassium ion，K )通道、钠离子(natrium ion，Na )通道、钙离子(calcium ion，Ca2 )通道等。其中，K 通道是种类最多、家族最为多样化的离子通道，根据其对电势依赖性及离子流方向的不同，可把K 通道分为两类：①内向整流型K 通道(inward rectifier K channel；Kin)，② 外向整流型K 通道(outward rectifier Khannel；K out)。K 是植物细胞中含量最为丰富的阳离子，也是植物生长发育所必需的唯一的一价阳离子，它在植物生长发育过程中起着重要的作用，具有重要的生理功能。植物中可能存在K 通道，这一点早在20世纪6o年代植物营养学界就有人提出，而一直到80年代才被Schroeder等人[23证实，他们利用膜片钳(patch chmp)技术，首先在蚕豆(V／c／afaba)的保卫细胞中检测出了K 通道钾离子通道的结构单个钾离子通道是同源四聚体，4个亚基(subunit)对称的围成一个传导离子的中央孔道(pore)，恰好让单个K 通过。对于不同的家族，4"亚基有不同数目的跨膜链(membrane。span。ning element)组成。两个跨膜链与它们之间的P回环(pore helix loop)是K 通道结构的标志2TM／P)，不同家族的K 通道都有这样一个结目前从植物体中发现的K 通道几乎全是电压门控型的，如保卫细胞中的K 外向整流通道等，其结构模型如图2一a所示。离子通透过程中离子的选择性主要发生在狭窄的选择性过滤器(selectivity filter)中(图2一b)，X射线晶体学显示选择性过滤器长1．2 nIll，孔径约nIll，K 钾离子通道的作用.有关K 通道在植物体内的作用研究并不多。从目前的结果来看，认为主要是与K 吸收和细胞中的信号传递(尤其是保卫细胞)有关。小麦根细胞中过极化激活的选择性内流K 通道的表观平衡常数Km值为8．8 mmol／L，与通常的低亲和吸收系统Km值相似[ 。近年来，大量K 通道基因的研究表明，K 通道是植物吸收转运钾离子的重要途径之一。保卫细胞中气孔的开闭与其液泡中的K 浓度有密切关系。质膜去极化激活的K 外向整流通道引起K 外流，胞质膨压降低，导致气孔的关闭。相反，质膜上H．ATPase激活的超极化(hyperpolarization)促使内向整流钾离子通道(K in)的打开，引起K 的内流，最终导致气孔的张开钾离子通道相关基因及其功能特征迄今，已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离得到多种K 通道基因(图3)，根据对其结构功能和DNA序列的分析，可以把它们分为5个大组：工，Ⅱ，Ⅳ组基因属于
植物钾的吸收与调节(综述)
河北科技师范学院 本科毕业论文文献综述植物钾的吸收与调节 院（系、部）名称：生命科技学院 专业名称：农业资源与环境 学生姓名：高丹 学生学号：0114070105 指导教师：刘微 2010年 5 月 25 日 河北科技师范学院教务处制
摘要 钾是植物生长发育所必需的矿质元素之一。钾吸收调控在生理学及分子生物学方面已取得了很多研究成果，综述了近年来钾素的吸收、影响因素及其调控三个方面的研究进展。 关键词：钾；吸收；影响因素；调节 钾是植物生长发育所必须的矿质营养元素之一，钾离子广泛分布于植物各组织器官中，是植物体内含量最丰富的一价阳离子。钾元素在植物生长过程中起着非常重要的作用，它参与植物生长发育中许多重要的生理生化过程。钾在植物体内无有机化合物,主要以离子形态和可溶性盐存在,或者吸附在原生质表面上。植物体内钾离子浓度往往比其它离子高,而且远远高于外界环境中的有效钾浓度[1]。全世界130 亿公顷土壤中，受到养分胁迫的占22.5%，仅有10.1%是无胁迫或轻度胁迫的土壤，其中在养分胁迫中约有40%的土壤缺钾[2]。中国1/3 左右耕地缺钾或严重缺钾，在热带和亚热带地区土壤缺钾现象尤为严重[3]。而钾作为品质元素，对于提高作物产量、改善作物品质起着非常重要的作用。近几年来，钾肥价格飙升，从而使土壤缺钾成为制约中国农业生产的严重问题之一。 1 K+的生理功能 K+是植物细胞中含量最丰富的阳离子之一,对生物体具有重要的生理功能。土壤中增施钾肥能显著影响树体的生长,增加植物组织中K+ 含量,对生长的影响系数为0. 709 ,对树体整体影响系数为0. 56[4]。K+ 能促进细胞内酶的活性。细胞内有50 多种酶或完全依赖于K+ ,或受K+ 的激活,如丙酮酸激酶、谷胺合成酶、62磷酸果糖激酶等都能被K+ 激活[5]。K+ 对酶的激活同其他一价阳离子一样都是通过诱导酶构象的改变,使酶得以活化,从而提高催化反应的速率,在某些情况下K+ 能增加酶对底物的亲和力,K+ 对膜结合A TP酶也有激活作用,K+ 可能参与tRNA 与核糖体结合过程中的几个步骤,参与蛋白质的合成[6]。K+ 在细胞内外不同浓度的分布是形成细胞跨膜电势的一个重要原因。作为植物细胞中最丰富的阳离子,K+ 是平衡负电荷的主要阳离子因而对阴离子(如NO-3 、苹果酸根等)的长距离运输也十分重要[7]。K+ 能调节植物体的许多生理功能,如增强植物光合作用,增强植株体内物质合成和转运,提高能量代谢等。在非盐生植物中,K+ 在细胞的渗透调节中起着重要作用,如气孔保卫细胞中的K+ 与相伴随的阴离子浓度变化是引起气孔运动的主要原因[8]。 酚类物质与植物病害的关系密切,近年来国内外的研究十分活跃。酚类物质是植物重要的次生代谢物质,参与许多生理过程如氧化还原反应、木质化形成、刺激反应和对毒素活性的反应等[9]。酚类物质中的肉桂酸、香豆素、咖啡酸、阿魏酸、绿原酸等单元酚都
离子通道研究进展
离子通道研究进展 陆亚宇（江苏教育学院生物系） 指导老师：戴谷（江苏教育学院生物系） 摘要：随着对离子通道研究的逐步深入, 各种研究方法都暴露出一定的局限性. 目前, 对于离子通道的研究工作进入了一个新阶段,即对不同方法的综合应用阶段,这不仅有助于人们在分子水平上认识离子通道的结构和功能的关系,也为不同领域的科学家提供了更多的合作机会.首先介绍了离子通道理论及实验研究方法, 并分析了各种研究方法综合应用的必要性,展望了这一领域的发展前景及其所面临的挑战性问题.并介绍最新的全自动膜片钳技术及其最新进展,它具有直接性、高信息量及高精确性的特点。近来在多个方面作出新的突破,如高的实验通量表现,较高的自动化程度、良好的封接质量、微量加样等。目前,该技术在以离子通道为靶标的药物研发,药物毒理测试以及虚拟药筛等方面有广阔的应用前景。全文对全自动膜片钳仪器的原理和技术细节作简单介绍。并简单介绍最新的关于K+通道在烟草中的发现，并对利用现代生物技术手段提高烟叶含钾量进行了展望。 关键字：离子通道; 实验方法; 全自动膜片钳；钾离子通道 前言： 细胞是通过细胞膜与外界隔离的,在细胞膜上 有很多种离子通道（如右图）,细胞通过这些 通道与外界进行离子交换。离子通道在许多细 胞活动中都起关键作用,它是生物电活动的基 础,在细胞内和细胞间信号传递中起着重要作 用。随着基因组测序工作的完成,更多的离子 通道基因被鉴定出来,离子通道基因约占 1 . 5% ,至少有400个基因编码离子通道。相应的 由于离子通道功能改变所引起的中枢及外周疾 病也越来越受到重视。 离子通道的实验研究最初主要来源于生理学实 验。1949～1952年, Hodgkin等发展的“电压钳 技术” 为离子通透性的研究提供技术条件。60 年代中期,一些特异性通道抑制剂的发现为离 子通道的研究提供有力武器。1976年Neher和 Sakmann发展的膜片钳技术直接记录离子单通 道电流,为从分子水平上研究离子通道提供直 接手段。80年代中期,生化技术的进步,分子生物学以及基因重组技术的发展,使人们能够分离纯化许多不同的通道蛋白,直接研究离子通道的结构与功能关系。 通道结构和功能的研究日益成为电生理学、分子生物学、生物化学、物理学等多学科交叉的热点问题.对离子通道进行研究,传统的实验方法是电压钳技术、膜片钳技术等电生理学研究方法[; 传统的理论方法主要包括PNP模型和布朗动力学模型, 伴随计算机技术的迅猛发展和X 射线晶体衍射图谱技术在离子通道研究中的应用, 以及Mackinnon 等用X 射线晶体衍射技术成功解析出多个高分辨率离子通道三维空间结构,使得人们得以使用分子动力学模拟和量子化学计算等模拟在分子水平认识离子通道结构和功能的关系;随着分子生物学快速发展,又出现了定点突变技术、人工膜离子通道重建技术等实验技术手段本文中,笔者将
离子通道与疾病
摘要 细胞离子通道的结构和功能正常是维持生命过程的基础，其基因变异和功能障碍与许多疾病的发生和发展有关.离子通道的主要类型有钾、钠、钙、氯和非选择性阳离子通道，各型又分若干亚型.离子通道的主要功能是:提高细胞内钙浓度，触发生理效应;决定细胞的兴奋性、不应性和传导性;调节血管平滑肌的舒缩活动;参与突触传递;维持细胞的正常体积.离子通道的主要研究方法为膜片钳技术、分子生物学技术、荧光探针钙图像分析技术.离子通道病是指离子通道的结构或功能异常所引起的疾病.疾病中的离子通道改变是指由于某一疾病或药物引起某一种或几种离子通道的数目、功能甚至结构变化，导致机体发生或纠正某些病理改变.从离子通道与疾病的关系角度，加强分子生物学、生物物理学、遗传学、药理学等多学科交叉深入研究，对于深入探讨某些疾病的病理生理机制、早期诊断及发现特异性治疗药物或措施等均具有十分重要的理论和实际意义. 0 引言 离子通道(ion channel)是细胞膜上的一类特殊亲水性蛋白质微孔道，是神经、肌肉细胞电活动的物质基础.随着分子生物学、膜片钳技术的发展，人们对离子通道的分子结构及特性有了更加深入的认识，并发现离子通道的功能、结构异常与许多疾病的发生和发展有关[1].近年来，对于离子通道与疾病关系的研究取得了重大进展，不仅阐明了离子通道的分子结构突变可导致某种疾病，而且还明确了某些疾病可影响某种离子通道功能甚至结构.本文论述离子通道的主要类型、功能、研究方法及其与疾病的关系. 1 离子通道的主要类型 离子通道的开放和关闭，称为门控(gating).根据门控机制的不同，将离子通道分为三大类:(1)电压门控性(voltage gated)，又称电压依赖性(voltage dependent)或电压敏感性(voltage sensitive)离子通道:因膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过的离子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4种主要类型，各型又分若干亚型.(2)配体门控性(ligand gated)，又称化学门控性(chemical gated)离子通道:由递质与通道蛋白质受体分子上的结合位点结合而开启，以递质受体命名，如乙酰胆碱受体通道、谷氨酸受体通道、门冬氨酸受体通道等.非选择性阳离子通道(non-selective cation channels)系由配体作用于相应受体而开放，同时允许Na+、Ca2+ 或K+ 通过，属于该类.(3)机械门控性(mechanogated)，又称机械敏感性(mechanosensitive)离子通道:是一类感受细胞膜表面应力变化，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，根据功能作用分为张力激活型和张力失活型离子通道.此外，还有细胞器离子通道，如广泛分布于哺乳动物细胞线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道(voltage dependent anion channel，VDAC)，位于细胞器肌质网(sarcoplasmic reticulum，SR)或内质网(endoplasmic reticulum，ER)膜上的Ryanodine受体通道、IP3受体通道. 2 离子通道的主要功能 离子通道的主要功能有:(1)提高细胞内钙浓度，从而触发肌肉收缩、细胞兴奋、腺体分泌、Ca2+依赖性离子通道开放和关闭、蛋白激酶的激活和基因表达的调节等一系列生理效应;(2)在神经、肌肉等兴奋性细胞，Na+ 和Ca2+通道主要调控去极化，K+主要调控复极化和维持静息电位，从而决定细胞的兴奋性、不应性和传导性;(3)调节血管平滑肌舒缩活动，其中有K+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与;(4)参与突触传递，其中有K+、Na+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与;(5)维持细胞正常体积，在高渗环境中，离子通道和转运系统激活使Na+、Cl-、有机溶液和水分进入细胞内而调节细胞体积增大;在低渗环境中，Na+、Cl-、有机溶液和水分流出细胞而调节细胞体积减少. 3 离子通道的主要研究方法 研究离子通道功能的最直接方法是用膜片钳技术直接测定通过离子通道的电流或测量细胞膜电位的变化.膜片钳技术是利用一个玻璃微吸管电极完成膜片或全细胞电位的监测、钳制和膜电流的记录，通过观测膜电流的变化来分析通道个体或群体的分子活动、探讨离子通道特性.分子生物学技术为离子通道的分子结构分析、基因克隆、功能表达研究提供了有力工具，对于编码离子通道亚单位的基因结构可采用基因定位克隆确定其在染色体上的定位，用逆转录-聚合酶链反应、Northern杂交等明确其在器官组织中的分布，用Western杂交检测基因表达产物等.荧光探针钙图像分析技术为检测细胞内游离钙离子浓度提供了有效
钾离子通道
钾离子通道 所有活细胞都被一层膜包围着,它把细胞内的液态世界与外部环境隔离开.膜质可以有效的阻止小离子通过(而且像蛋白质和核酸这样的大分子也一样),因此为细胞提供了新的机遇:可以根据离子浓度的差异进行快速的信号传导.首先,细胞可提高其内部的钾离子浓度;而后,由于瞬时刺激膜上的某些通道迅即被打开,钾离子被释放,使得整个细胞的钾离子浓度发生巨大变化,由此产生信号传导.此过程在各种细胞形式中都存在,如细菌细胞,植物细胞和动物细胞.有两个关于离子通道作用的例子:肌肉收缩(由钙离子释放起始的)和神经细胞信号传导(包含一个复杂的那钾离子交换). 离子通道是神经系统中信号传导的基本元件 当你闻过一朵花,你会知道这是一枝玫瑰;或者当你的手要触及炙热的东西时,你会立即把手缩回来.这都是由于人的鼻腔和手部的感觉器官通过离子释放把信号由神经传递给大脑,在由大脑做出适当的反应而完成的.其中,神经细胞摄入了大量钾离子并选择性地泵出钠离子从而进行了信号的传递,并因此在膜内外产生了一个电势差.为了传递信号,神经细胞首先打开钠离子通道,摄入钠离子,降低膜内外的电势差.然后打开钾离子通道,排出钾离子,使膜电位重新恢复到静息水平.此后通过其他通道和泵使钠钾离子在细胞内外得到重新分布.由于这种巧妙设计,这些通道对膜电位都非常灵敏,稍有变化通道就会打开.所以,神经细胞一段的通道被打开时产生的离子流会瞬时引发质膜下游通道的打开.结果导致信号通过通道开启传播波沿着质膜迅速传播直至末端. 钾离子通道 钾离子通道的通透特异性允许钾离子通过质膜,而阻碍其他离子通透-特别是钠离子.这些通道一般由两部分组成:一部分是通道区,他选择并允许钾离子通过,而阻碍钠离子;另一部分是门控开关,根据环境中的信号而开关通道,结构展示在蛋白库编号1bl8,展示的是一种细菌的钾离子通道的通道区部分,它由四个同源的跨膜蛋白质组成,在中心部分形成一个选择性的孔洞.钾离子(绿色)以每秒一亿个的速度自由通过.由于特异的选择性,每一万个钾离子通过才允许一个钠离子通过.在下一页的晶体图中可以看到,通道结构是如何完成特异性选择的. 通道的开启与关闭 活细胞中有数百种不同的离子通道,它们行使着各种不同的功能.这些通道有相似的通道区(两图例中的顶部),与专门的门控结构域相连(图例的底部).为了在图解中清楚的展示孔道,灰色条纹代表质膜,而在选择性的通道区指显示了四个同源亚单位中的两个.门控区对通道的开关是有不同信号决定的,如电位差或重要的信号分子的出现.还有一些结构上的设计被用来开关通道,正如这里展示的
TWIK相关性酸敏感钾离子通道与疾病研究进展
?综述m迅展?J Med Res,Apr2019,Vol.48No.4 TWIK相关性酸敏感钾离子通道与疾病研究进展 闻璐姚晓光李南方 摘要TASK-1利TASK-3是广泛表达于全身各组织，产生外向钾离子电流，受细胞外酸浓度抑制而不受经典钾离子阻滞剂影响的TWIK相关性酸敏感钾离子通道;TASK-1和TASK-3参与中枢神经系统、呼吸系统、心房颤动、肾上腺皮质激素、炎症免疫及肿瘤的发生等-系列牛?理病理过程，有望为相关疾病药物治疗研究提供靶点 关键词TASK-1和TASK-3中枢神经系统呼吸系统心房颤动肾上腺皮质炎症和肿瘤 中图分类号R4文献标识码A1)01 双孔钾通道(K2P)是背景钾通道或漏钾通道，即改变钾背景电流可以调节细胞膜电位和电阻，从而调节细胞的兴奋性和反应性，可由不同类型的G蛋白偶联受体的调节。双孔钾通道是由两个亚单位组成的双聚体结构，每个亚单位含有4个跨膜区(TM1-TM4)，其中TM1与TM2、TM3与TM4之间形成2个孔道(P1和P2),组成4T M/2P的结构。随着研究不断深入，根据结构和功能性质可被划分为6个亚类'o从人类肾脏中克隆到对生理范围内细胞外pH 值变化具有极高敏感性的双孔钾通道，命名为TWIK 相关性酸敏感钾离子通道，包括TWIK相关性酸敏感钾离子通道1(TWIK-related acid-sensitive K*chan-nel-1,TASK-1,KCNK3,K2p3.1)、TW1K相关性酸敏感钾离子通道3(TWIK-related acid-sensitive K+channel-3,TASK-3,KCNK9,K2p9.1)和TWIK相关性酸敏感钾离子通道5(TWIK-related acid-sensitive K+channel-5,TASK-5,KCNK15, K2pl5.1)。TASK-3是从大鼠小脑克隆并且发现与TASK-1具有55%~60%的序列同一性。其中TASK-1和TASK-3构成了大部分pH值敏感的钾电导，这些通道在结构上与酸中毒有关并受到抑制，在许多生理病理过程均有参与TASK-5进入TASK亚家族主要是基于结构相似性。与TASK-1和TASK-3通道相反,TASK-5不能在功能上表达，尽管其mRNA在个别组织中大量表达，但是可能需 基金项目：新驰维吾尔|'1治区庆学联合基金资助项H(2016D0IC127)作者单位:830001乌伶木齐，新船维吾尔白治区人民医院高血压中心、新僵髙血用研究所 通讯作者：李南方.教授.博士生导师.电子信箱：l.>anfang2016@https://www.wendangku.net/doc/cf7314994.html, 10.11969/j.issn.1673-548X.2019.04.039 要一些其他未确定的伙伴亚基在质膜或细胞器中形成功能通道，其相关研究报道也很少。因此.本文就TASK-1.TASK-3及其表达产物与疾病的相关研究进展做一综述。 -.TASK-1.TASK-3的分布与调节 TASK-1、TASK-3广泛表达于各个组织，例如大脑皮质、脑干前包氏复合体、视网膜神经节细胞、颈动脉体、舌下神经核、肾上腺皮质、心房、棕色脂肪及癌症中等⑵。TASK-1和TASK-3蛋白约有60%的氨基酸同源性，在钾传导、成孔、膜结合结构域的相 似性最高。TASK-1、TASK-3通道能被体内外的许 多生理和病理因素所调节,TASK通道几乎不依赖电压，对各种神经递质、药物化合物(即挥发性麻醉药)和物理化学因素(温度、pH值、氧分压、CO：分压、渗透圧、Zn"等)都很敏感，而经典的钾离子通道阻滞剂对其无影响。TASK钾通道电导受细胞外酸性pH 值的抑制，是由两个TASK-1亚基、两个TASK-3亚基或一个TASK-1和一个TASK-3亚基组成的同源或异二聚体通道，它们有不同的pH值敏感性， 其酸敏感性主要是由大胞外环/螺旋盖区域的组氨酸残基的质子化引起，缺乏一个或两个TASK通道 的敲除小鼠表现出多种表型，包括颈动脉体化学感受受损，睡眠破碎、抗抑郁行为、原发性醛固酮增多症、低肾素原发性高血压、心脏传导和复极异常、癫痫及肺动脉高压等"。另外.TASK通道在基因研究中也有报道。在一项全基因组关联研究中，人类TASK-1的失活突变与家族性肺动脉高压相关和房性心律失常有关"：。TASK-3基因770G>A 突变使通道活性降低进而改变神经元发育，产生以 智力迟钝、低肌张力和面部畸形为特征的Birk Barel 综合征⑹。 ?160?
ATP敏感性钾通道
摘要： ATP敏感性钾通道（ATP-sensitive potassium channel，KATP）于1983年由Noma首先在豚鼠的心肌细胞上发现，其特征是通道活性随胞内ATP浓度升高而被显著抑制。KATP通道现已证明多种组织细胞包括人的心肌细胞存在该通道，尤其在心肌缺血、室性心动过速、心衰的情况下，是重要的心脏保护因子，对于指导临床药物治疗、靶点的选择上具有重要的指导价值，本文将具体阐述KATP在心肌中的分布及生理功能。 关键词：ATP敏感性钾通道；电生理特性；生理功能 分子生物学研究表明，K ATP通道是两个亚基构成的复合体，即内向整流钾通道(inwardl y-rectifying potassium channel，Kir)和ATP结台蛋白超家族成员磺酰脲类受体(sultfo nylurea receptor，SUR)， Kir亚基有Kir6.1和Kir6.2，形成通道的离子孔道；SUR 又分为SUR1和SUR2(SUR2A，SUR2B)，调节K ATP的功能及药物和ATP对通道的敏感性。不同的K ir亚基和SUR亚基相互结合，形成了不同组织K ATP分子结构的多样性，而分子结构的不同又决定了不同组织K ATP功能特征的复杂性。日前认为，心肌细胞K ATP是由Kir6．2和SUR2A组成；胰腺口细胞K ATP由Kir6.2和SUR1组成；血管平滑肌K ATP由Kir6.1和SUR2B组成。但P u等[1]敲除小鼠心肌细胞SUR2亚基上的NBD1区即格列苯脲的作用位点，仍能用免疫组织化学、共沉淀和PCR技术证实存在NBD2和格列苯脲敏感的K+通道，这说明心肌细胞膜上的K A TP通道有不同的种类组合。K ATP的功能取决于SUR和Kir亚基的分子连接方式。 1 K ATP的分布及电生理特性 Morrissey等[2]研究鼠心脏K ATP通道每个亚基的分布，结果发现Kir6.1 在心室肌细胞，冠状动脉平滑肌和内皮细胞中有表达，内皮毛细血管中也有Kir6.1 蛋白表达。 Kir6.2 主要在心室肌和内皮细胞中表达，而平滑肌细胞中没有表达。SUR1 在心室肌细胞表面强表达(但是冠脉系统中无表达), 而SUR2 主要在心肌和冠状动脉血管（主要是小血管）表达。在离体心室肌细胞T管中Kir6.2 和SUR2 共表达，在肌纤维上Kir6.1 和 SUR1亚基强表达。Singh等[3]通过共聚焦显微镜和亚细胞结构分离的方法亦发现Kir6.2 and SUR2A 大都分布在心肌上，大多数Kir6.1分布在细胞内，从而推断心肌K ATP是Kir6.2/SUR2A组成的低聚体。在T管内是SUR2B占优势。尽管Kir6.0亚基不在个别横纹肌表达，作者推断T小管类似心肌K ATP由Kir6.2/SUR2B组成，至今认为Kir6.2是心肌KATP的主要成分，Kir6.0亚基和相对含量较少的Kir6.1亚基在个别膜表面分布。 K ATP的主要特性有：①与细胞膜内、外K+浓度密切相关。K ATP通道对K+有高度的选择性通透作用，而对Na+的通透性极低。在心肌细胞膜，当电位为0，膜内、外K+浓度差为140 mmol·L-1时，K ATP单通道电导为80S。在血管平滑肌细胞膜内K+浓度为120 mmol·L-1，膜外为60 mmol·L-1时，K ATP单通道电导为130 s，高于心肌细胞。②通道的活性受细胞内的A TP浓度调节。与电压依赖型的钾离子通道不同，K ATP通道不受细胞膜电压的调节。③ K ATP通道受G蛋白的调节。激活细胞内的G蛋白，可以拮抗ATP对通道的抑制作用，使K ATP通道开放。 2 K ATP 的生理功能 2.1 心肌缺血的保护因子 在正常心脏组织中，K ATP通道由于细胞内高浓度ATP而处于抑制关闭状态，并不参与动作电位的形成和兴奋收缩偶联，在缺血的情况下（[ATP]i 较低时）K ATP开放，缩短动作电位时程，K+外流，加速复极，使动作电位平台期缩短，电压依赖型钙离子通道活性下降，Ca2
心肌细胞膜钾离子通道研究进展
中国医药报/2005年/7月/16日/第006版 医疗卫生 心肌细胞膜钾离子通道研究进展 聂松义 细胞膜在维持细胞稳态方面起着主要作用。心肌细胞膜中含有各种离子转运蛋白，包括多种钾离子通道。这些钾离子通道依靠和其他蛋白质的相互作用发挥正常功能和生理作用。Kv4.2钾离子通道（编码瞬时外向钾通道）和蛋白质KCHiP2具有相互作用。由加拿大McGill大学A.Shrier 教授第一次发现的KCHiP2增强Kv4.2表达需要和Kv4.2的羧基端直接作用的机制，引起与会专家的高度关注。Shrier教授介绍了他在心肌细胞膜钾离子通道方面的研究成果。 Shrier教授等研究人员采用膜片钳技术，免疫共沉淀、免疫组化和GST折叠式分析发现Kv4.2电流增加可能是Kv4.2表达加强及Kv4.2和KCHiP2相互作用增加通道稳定的结果。他们还发现一个新的心肌细胞膜蛋白组学特性和另一钾离子通道HERG通道（编码Ikr钾电流）。 心肌细胞膜富含蛋白质和离子通道，他们通过亚细胞分段分离技术，包括差异和密度梯度离心法及免疫分离法，纯化介于中层的成分，并采用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳和凝胶胰岛素消化液分离；使用串连的MS-MS光谱测定法鉴定多肽。在有或没有免疫提纯的情况下，他们发现600多种蛋白质有40%与细胞膜和伴随的细胞支架有关；大约65%和细胞信号，运输和细胞之间粘附相关。此外，他们还发现30种蛋白质尚无确定的功能。 据介绍，他们研究的第一阶段是进一步分析心肌细胞膜在病理情况下蛋白质的改变，包括局部缺血，心衰和糖尿病。在最近的研究中，他们用蛋白组学方法研究Kv4.2和HERG通道相互作用的配偶体。其方法是转染HA标记的HERG和Kv4.2到HL-1心肌细胞系。随后，他们用HA 抗体通过十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳，胰岛素消化和MS-MS光谱测定法使离子通道和伴随的蛋白质免疫沉淀。 如今他们在HERG分析方面获得了很大成功，已确定了50多种有可能的HERG相互作用的蛋白质，并发现是这种相互作用在通道运输、定位和调节中具有重要作用。这项研究最有启迪意义的是发现新的配偶体HERG通道，它可提供有关通道生成和调节方式的信息。 第1页共1页
hERG K+通道电流和药理学特性(Molecular Devices)
应用文献 IonFlux system 应用之一： hERG K +通道电流和药理学特性 简介 HERG (human ether-a go-go-related gene) K + 通道在心脏中高表达，是心肌动作电位三期快速复极化电流(IK r )的主要组成部分(Curran ‘95; Sanguinetti ‘95)。hERG 突变引起的功能缺失常伴随一些遗传性长QT 综合症(LQTS) 并且会增加发生严重的室性心律失常, 扭转性实行心动过速 (Tanaka ‘97; Moss ‘02)的风险。HERG 钾离子通道被作用于心脏或非作用于心脏的药物抑制，都被证实有非常大的可能性出现获得性药物诱导的长QT 综合症(LQTS)，甚至导致猝死(V andenberg, Walker & Campbell ‘01)。实际上，hERG 钾离子通道被抑制引起的副作用是近年来药物撤市的主要原因，因而药物作用于外源性表达于哺乳动物细胞的hERG 通道的体外效应评价已被 国际药品注册协调会议（International Conference on Harmonization ）推荐作为临床前安全性评价工作的一部分(ICHS7B Expert Working Group, ‘02)。 hERG 钾离子通道药物效应评价的金标准方法是手动膜片钳记录。然而，这种低通量、高成本的方法在大量的安全性筛选实验中非常受限制。近年来，全自动膜片钳技术发展越来越成熟，可以获得高通量的、可与手动膜片钳记录结果相媲美的数据。IonFlux? 系统结合了读板机的便捷和传统膜片钳技术的优秀性能。本文主要利用IonFlux 系统记录了在哺乳细胞中表达的hERG 电流以及一些阳性抑制剂对hERG 阻断效应的药理学特性分析。 材料和方法 细胞 实验中使用G418筛选的稳定表达hERG 通道的CHO 细胞（Millipore PrecisION? hERG-CHO Recombinant Cell Line, Cat# CYL3038）。细胞培养在含10%胎牛血清的Glutamax DMEM/F12 培养基 (Gibco, Cat# 11320) ，加有1% 青霉素-链霉素以及500 μg/mL G418。实验前至少提前24小时将细胞转移至30℃培养箱中，或传代后一直放置在30℃培养箱中。细胞密度不能超过90%。收集细胞时，使用Detachin (Genlantis, San Diego, CA, Cat# T100100)消化细胞，冲洗并轻柔吹打，最后细胞悬浮在细胞外液中，浓度为每毫升2-5百万个细胞。 溶液和化合物 细胞外液成分（ECS ）含有（mM ）：NaCl 145, KCl 4, MgCl 2 1, CaCl 2 2, HEPES 10, 葡萄糖 10，用NaOH 调pH 至7.4 。细胞内液成分（ICS ）含有（mM ）：KCl 120, HEPES 10, Na 2ATP 4, EGTA 10, CaCl 2 5.374, MgCl 2 1.75，用KOH 调pH 至7.2。 hERG 抑制剂购自Sigma 。化合物第一步全部溶于DMSO 中，制成高浓度的母液（10-50 mM ），然后按照浓度梯度和最终外液中的终浓度的倍数关系进行下一步的稀释，因而最终相应的DMSO 浓度为（0.1- 0.3%）。DMSO 溶液（0.1- 0.3%）作为阴性对照的记录始终开始于抑制剂作用之前， 且规定不能对电流幅度的影响超过10%。 Figure 1. IonFlux 高通量全自动膜片钳系统，采用“读板机”式模式，简化了工作流程、增加了实验通量。系统配有16通道和64通道两种型号，每天可以记录获取10,000 个数据点。
离子通道与癫痫
离子通道与癫痫 发稿时间：2010-3-14 摘要：离子通道在调解神经元的兴奋性方面有十分重要的作用。离子通道与癫痫关系的研究日益受到重视。本文在这里着重阐述了几种目前研究较多的离子通道与癫痫的关系、离子通道基因突变与癫痫方面的研究。随着对离子通道与癫痫关系的研究，开发出许多专门针对离子通道的药物，在这里也简要介绍了这些药物的研究进展。离子通道是所有真核生物细胞维持正常生理功能必须的一大类跨膜蛋白，是大脑思维、心脏跳动以及肌肉收缩等细胞电兴奋产生和传导的基础。对于兴奋的细胞,离子通道负责其膜电位的静息和兴奋。近年来随着分子生物学和膜电钳电生理技术的发展,许多编码离子通道蛋白的基因己被克隆、表达和定性。过去几年来的研究也不断证实和发现离子通道的遗传缺陷和许多神经系统遗传性疾病和遗传易感性疾病之间有着密切的关系。癫痫是其中的疾病之一，癫痫的特征是中枢神经元兴奋性升高，其中最主要的特征是一些中枢神经元会作爆发式放电。近年来研究较多的有钠、钾、钙、氯、氢等离子通道。其与癫痫的关系现分别讨论如下。 1.钾离子通道良性新生儿家族性惊厥(Benign Familial)是一种常染色体显性遗传病,与KCNQ2和KCNQ3通道基因突变有关。KCNQ2和KCNQ3钾离子通道分别由位于染色体20q13?3的EBN1和位于8q24的EBN2表达[1]。通过对家系的研究表明,KCNQ2上的基因缺陷包括两个错义突变,两个框移突变,一个剪切位点突变。这些突变有的在碳氮末端,有的在膜孔域。而KCNQ3上的基因缺陷仅有一个在膜孔域第177位点上由甘氨酸取代缬氨酸的错义突变。这些突变会影响钾离子通道的功能,导致膜复极化时程变长,神经兴奋性增强。另外,有研究表明,KCNQ2和KCNQ3通道亚基可形成异四聚体共同参与M电流的形成[2]。M电流是一种慢激活/失活的钾电流,它在决定电活性阈值及突触传入的反应中起重要的作用。KCNQ2或KCNQ3的基因突变导致M通道的功能下降,钾离子流减少或消失,受累神经元因此可兴奋性增强,引起癫痫。KCNA1基因编码电压门控Kv1?1通道的α亚单位,它位于染色体12P13上。其突变可导致发作性共济失调Ⅰ(EAⅠ)。EAⅠ为一种遗传性小脑及周围神经电压门控性钾离子通道病。有数据表明:EAⅠ的患者患癫痫的比例高出正常人10倍[3]。说明Kv1?1为癫痫的侯选基因之一。其致病机制可能为突变亚单位对钾离子通道有负性作用,延迟了神经元的复极化,因此易化了动作电位的产生和传导,降低了癫痫的发作阈值。GIRK2突变与癫痫发作有关。在GIRK2亚单位膜孔域上的突变导致蛋白质分子构型改变,使通道失去了对钾离子的选择性,也失去了对G 蛋白βγ二聚体的敏感性,这种突变通道还可导致wv小鼠脑颗粒细胞的死亡。死亡原因为失去GIRK2介导的钾离子电流而不是非选择性的其他正电流的表达。KCNAB2基因定位在1p36上,它编码电压门控钾离子通道β亚单位蛋白Kvβ2。它与1p36缺失综合征中的癫痫表型有关。1p36缺失综合征主要表现为智力障碍并发癫痫发作、听力丧失、发育迟缓、口唇裂等。Kvβ亚单位在钾离子通道早期的生物合成、稳定及Kv1α亚单位的表达中起一定的作用。Kvβ亚单位由至少三个基因表达KC-NAB1,KCNAB2,KCNAB3。在哺乳动物的大脑中,KC-NAB2表达的Kvβ2占主导地位。所以Kvβ2表达水平的下降会减少膜的功能性钾离子通道,进而减少钾离子流,这可能会增加动作电位的时程,导致钙离子内流增多,神经递质释放增加,进一步导致神经元的过度兴奋,癫痫发作的阈值降低。[4]2钠通道和癫痫1997年,Sheaffer等发现了一个遗传性癫痫家族。这个家族的5代人共60个体中有23人患有癫痫。表现为伴有高热惊厥的癫痫综合征(general-ized epilepsywith febrile seizures plus)。Mulley等研究发现此家族的染色体19上的基因突变导致了癫痫,并且认为这个突变的基因是电压依赖性钠通道β1辅基的基因SCN1B。哺乳动物脑组织钠通道含有α和β1辅基。β1辅基是一种膜蛋白,有一个小的胞内域、一个穿膜结构和一个大的胞外域,可以调节通道开关的速率。突变导致了辅基上的一个氨基酸发生改变,使钠通道的开关速率变慢[5]。体外实验发现,人类