钾是细胞内的主要阳离子，其浓度为150～160mmol/L，而细胞外的主要阳离子是钠离子，血清钾浓度仅为3.5～5.0mmol/L。机体主要依靠细胞膜上的Na＋-K＋ATP酶来维持细胞内外的K＋、Na＋浓度差。

    钾离子通道主要有四种分类：

    钙激活钾离子通道(Calcium-activated potassium channel)：当钙离子或其它讯息分子出现时开啓。

    内向整流钾离子通道(Inwardly rectifying potassium channel)：使正电荷（电流）由细胞外向细胞内流入较容易。

    串联孔域钾离子通道(Tandem pore domain potassium channel)：纵列孔洞钾离子通道：通道常开啓或拥有基本的刺激，像是在神经细胞中的静止钾离子通道制造膜电位的负电性。

    电压门控钾离子通道(Voltage-gated potassium channel)：当膜内外电位产生改变时，此离子通道开合。

    美國洛克斐勒大學(Rockefeller University) Howard Hughes醫學中心以Roderick MacKinnon為首的研究小組首度發現電位調控型鉀離子通道(voltage-dependent Potassium channel，簡稱Kv channel)的蛋白質立體結構，並據此提出鉀離子通道感應細胞膜電位變化而快速開關的新機制。

    離子通道(ion channel)廣泛存在於各種細胞膜上，是離子進出細胞的通路。其中電位調控型離子通道(voltage-dependent ion channel)能夠感應細胞膜電位變化而快速精準地開啟或關閉，在肌肉及神經動作電位傳遞上至為重要。近年來利用patch clamp等電生理實驗技術，科學家們對於其功能與作用已有相當深入的了解。但是過去由於缺乏來自結構生物學的直接證據，研究人員仍未能確認離子通道如何感應膜電位變化而快速開關的機制。

    以鉀離子通道為例，已知它是由四個次單元(subunit)所組成的蛋白質，每個次單元由六個疏水性區段(hydrophobic segments)S1-S6構成，各次單元的S5-S6區段共同圍繞出供離子通過的通道壁。以往的模型認為，包埋在蛋白質次單元核心部位的S4區段具有帶正電荷的arginine胺基酸，能夠感測膜電位變化而在蛋白質內部小幅移動(translation)或轉動(rotation)，進一步帶動離子通道底部的閘門控制機構產生形變，控制通道的開啟或關閉。然而MacKinnon研究小組發表於5月1日「自然」雜誌的鉀離子通道蛋白質立體結構卻推翻了這種推測。

    研究小組設法讓鉀離子通道蛋白結晶，並由該結晶的X光繞射結果首度獲得其立體結構圖像。該立體結構顯示，各蛋白質次單元中，由S3(b)與帶有四個正電荷的S4區段共同組成的電位感應機構 (研究小組稱之"voltage-sensing paddle") 並非包埋其核心內，而是位於外圍位置並暴露於細胞膜脂質中，能夠感應膜電位變化在細胞膜兩個面之間大幅跳躍(flip)。

    當膜電位為負時，離子通道處於關閉狀態，voltage-sensing paddle位於細胞膜的內側面(intracellular surface)。當細胞膜發生去極化(depolarize)時，細胞膜兩邊的電場梯度使帶正電荷的voltage-sensing paddle受力而橫越細胞膜移位至外側面 (extracellular surface)位置，並使通道蛋白產生形變讓離子通道打開。研究小組並且利用抗體結合到電位感測機構以及avidin-biotin molecular rule實驗技術為新模型提出佐證。

    蛋白質結構是了解蛋白質功能的重要媒介；結構的獲得主要是透過蛋白質結晶的X光繞射實驗。然而膜蛋白卻是出了名的難結晶，為了克服結晶的問題，研究小組利用由一種名為Aeropyrum pernix的嗜熱性古細菌(thermophilic archaebacterium)分離出來的鉀離子通道蛋白(KvAP)作為實驗對象。KvAP的結構較為安定堅固，且其胺基酸序列與真核細胞的Kv通道蛋白高度相關，兩者也具有相同的電生理特性。研究小組並嚐試將單株抗體結合到KvAP通道的電位感測機構上，使其固定並建立結晶的附著點。經過五年的努力終於成功獲得鉀離子通道蛋白的結晶，並利用X光繞射方法定出其結構。

    在定出KvAP通道的結構之後，基因序列的佐證使科學家們相信膜電位調控型鈉離子與鈣離子通道也有類似的電位調控機制。未來將可針對離子通道的電位感測機構設計新的藥物，為治療離子通道疾病(channelopathy)開啟新的方向。

    钾离子通道在钾离子通过选择性滤嘴时会移去水合层。选择性滤嘴是由每个次单位的p-loop上五个残基(TVGYG-原核物种)所形成，而每个次单元都含有连于过滤孔中心，电阴性的羰基氧原子，且在每个钾离子接合处周围形成反角柱状的水合曾。碳氧基与过滤器钾离子接合处的距离与第一水合曾之水分子氧与水溶液中之甲离子距离相等。由于滤嘴与螺旋孔之间的强烈的相互作用，能预防通道萎陷为较小的钠离子通道大小，因此钠离之通行在电位能上是不利的。选择性滤嘴会朝向细胞外溶剂，让四个在甘氨酸残基上的碳氧基 (KcsA上的Gly79)裸露在细胞外。另一个朝细胞外的残基则是带负电的 Asp80 (KcsA)。这两个残基连同五个滤嘴的残基则形成连接胞外溶液与在蛋白中心的水充填腔之孔道。
    碳氧基为强的负电荷及正电荷的吸引基。过滤器能将钾离子安置于4个接合点，从细胞外结构开始标示起，标示为S1~ S4。另外，在腔道中一个离子能接合在称为SC接合处的地方，或者多个离子接在已被确定的接合点，称为S0或 Sext。许多不同的接合组态在这些接合点上是可能发生的。由于X光晶体衍射结构是许多分子之平均结构，因此不可能直接指出当下结合组态的结构。

    总括的说，有些缺点是两个邻近结合点都被离子结合而造成了静电排斥。在KcsA上之离子位移的机转已借由模拟技术被透彻的研究。一个完整的24=16态的自由能图(其特点为占有S1, S2, S3和S4之轨域)已经借由分子动力学之模拟计算出，结果指示此两个具有双轨域态之自由能，(S1, S3)及(S2, S4)，在预测的离子传导机制里扮演重要的角色。

    在高浓度之钾离子的环境下形成之较好分辨率的KcsA结构可发现Sext和S0这两个胞外状态。分子动力模拟包含了整个离子的所有路径，从腔室到通过四个滤嘴直到S0和Sext状态之自由能的计算。钾离子通道之选择性滤嘴的氨基酸序列是保守的，除了在真核的钾离子通道里的一个异亮氨酸残基常取代了原核之通道上的缬氨酸残基。氨基酸序列的选择性过滤器的钾离子通道是保守的，除了一个异亮氨酸残留在真核钾离子通道，常常是取代了缬氨酸残留在原核渠道。

    一个10埃宽的中央孔洞，位于跨膜通道的中心附近，由于通道壁斥水性的关系，对于要穿膜的离子来说此处的能量阻力最高。此充满水的腔室，及孔螺旋之极性的C终端降低离子通过时的能量阻力。认为先前许多已通过的钾离子所形成的斥力增加离子的通过量。

    某些钾离子通道：

    内向整流钾离子通道族：这些通道允许钾离子以内向整流的方式流进细胞内，或者说，钾离子流进细胞的效率远大于流出的效率。这一族由15个正式成员和1个非正式成员构成，并按照同源性更进一步的被划分为7个亚族。这些通道受细胞内的三磷酸腺苷（ATP）、PIP₂以及G蛋白βγ亚基单元的影响。它们和一些重要的生理学过程有关，例如心脏的起搏活动，胰岛素的释放，以及神经胶质细胞的钾吸收。这类通道仅包含2个跨膜区，分别是K_V和K_Ca这两个构成核心孔的区段。它们的α亚基单元也是四聚体形式的。

    钙激活钾离子通道族：这一族是由细胞内钙离子（Ca²⁺）激活的，包含8个成员。

    双孔结构钾离子通道族：这一族有15个成员，是一种泄露通道，该通道符合Goldman-Hodgkin-Katz电流方程式，并以此来进行整流器。

    Birth of an Idea (2007) ，朱利安·沃斯-安德烈受罗德里克·麦金农委托制作的一个雕像，该雕像是基于麦金农团队于2001年发现的钾离子通道分子三维结构创作的。

     在Science杂志上，MacKinnon和同事们最近发表了两篇文章，是关于Shake家族的哺乳动物电压依赖性K+  通道(voltage-dependent  K+  (Kv)  channel)的结构。Kv离子通道根据膜电压来调控K+的穿膜过程。之前我们对于K+通道的结构信息主要来自于对原核生物离子通道的研究，因为原核生物较容易高表达离子通道相关基因。进一步地，这些最新文章则研究了大鼠脑中Kv1.2离子通道及其β2亚基的晶体结构（β亚基可以在体内调控哺乳动物Kv离子通道的活性），分辨率可达2.9埃。
    这个四倍性复合物（由四个相同结构对称地组成），具体的结构如下：穿膜区域，包括通道的孔和四个电压感应器（voltage  sensor）；一个膜内(T1)结构域，由四个Kv1.2亚基的N末端构成；四个β2亚基，结合到T1结构域上。

    该离子通道的孔看起来似乎开口着，有些类似于原核生物K+通道，但有一个重要区别就是：Kv1.2离子通道内螺旋的曲率（curvature）是由保守的Pro-X-Pro序列引起的，而原核生物K+通道的曲率则是因为一个Gly氨基酸残基而引起的。

    离子通道的孔与细胞质由很大的侧入口（side  portal）相连。这个侧入口所处的位置是在孔和T1结构域之间。从T1结构域和β亚基的N末端所处的位置和特性，以及侧入口的静电学特性（electrostatic  properties）来看，这些末端很可能是不被激活的肽链，仅仅作为堵塞侧入口的“塞子”。这个结构表明了β亚基是怎样通过其他的方式来调控离子通道的功能。最后，因为电压感应器看起来是在蛋白质天然构型的内部，这就为下面一个问题提供了一个相对简单的答案：膜电压是如何影响已经敞开的离子通道的关闭或是开放的可能性？ 

    钾离子（紫色）通过钾离子通道的俯视图（PDB 1BL8）



    电压门控质子通道，在反极化的情况下被打开，但这一过程的酸碱度敏感性很强。也就是说，仅当电化学梯度是外向的情况下，这些通道才会被开启。于是质子通过这种通道只能离开细胞。这种通道的一个功能就是将细胞内的酸排出，另一个功能是吞噬细胞在呼吸爆发作用下，保持细胞的电平衡。在诸如嗜酸性白细胞、嗜中性白细胞以及巨噬细胞等免疫细胞吞噬细菌或者其它微生物之后，会产生大量的NADPH氧化酶。这些酶会生成活性氧来杀死被吞噬的细菌，而此过程会产生电势，迫使电子移出细胞膜外。此时打开质子通道则可以保持点平衡。

    氯离子是广泛存在于自然界的氯的-1价离子，无色。氯离子是生物体内含量最丰富的阴离子，通过跨膜转运和离子通道参与机体多种生物功能。氯离子起着各种生理学作用。许多细胞中都有氯离子通道，它主要负责控制静止期细胞的膜电位以及细胞体积。在膜系统中，特殊神经元里的氯离子可以调控甘氨酸和伽马氨基丁酸的作用。氯离子还与维持血液中的酸碱平衡有关。肾是调节血液中氯离子含量的器官。氯离子转运失调会导致一些病理学变化，最为人熟知的就是囊性纤维症，该病症由质膜上一个氯离子转运蛋白CFTR的突变导致。

    氯离子通道是广泛分布于原核生物和真核生物的跨膜蛋白,存在于细胞膜或细胞器质膜上的一类能够转运氯离子及其他阴离子的通道蛋白,氯离子通道不仅可转运Cl-,还允许I-,Br-,F-及NO3-等离子通过,由于有机体内最丰富的阴离子是Cl-,所以多数情况下Cl-通透处于主导地位,故常被称为氯离子通道。它是生物体内一类非常重要的阴离子通道,参与多种细胞调节过程,近年来多项研究发现氯离子通道在多种肿瘤细胞中表达异常,其基因突变或功能异常都可导致多种疾病的发生。对于氯离子通道结构与功能关系的研究,有助于理解相关疾病的分子机制。

    氯离子通道的分类

    Jentsch等根据通道开启机制将氯通道归纳总结为以下6类:(1)ClC基因家族(ClC);(2)囊性纤维跨膜转导调节因子(CFTR);(3)容积调控阴离子通道(VRAC);(4)p64(CLIC)相关氯通道;(5)钙激活氯通道(CaCC);(6)配体门控氯通道。电压门控性氯离子构成一大类氯通道家族,是以二聚体的形式行使功能并且可能需要额外的氢亚基来行使功能。ClC型氯离子通道首先被发现和克隆的是电鳐Torp。

    ClC氯通道蛋白是一类重要的离子通道蛋白,它们广泛存在于原核细胞和真核细胞中,包括哺乳动物中。它具有重要的生理功能,当它的功能缺失时会引起许多疾病,如肌强直,不孕不育,耳聋等。它在细菌中的同源物的晶体结构在2002年被测得。在此之后一系列实验研究出现,但是实验只能得到通道的宏观性质,对于微观分子机制却很少涉及,因此从分子角度研究它的结构与功能的关系具有非常重要的意义。我们利用分子动力学,连续静电计算,建模等方法,研究了ClC氯通道的结构和功能特性,揭示其微观机制。

    1.2010年提出ClC-0氯离子通道导电性质的三态多离子输运模型我们提出了一个三态多离子输运模型,它能很好地解释氯离子通道ClC-0的导电特性。将速率理论用于此模型,得到电流-电压和电导率-浓度的关系。模型中的五个可调参数,是通过拟合野生型ClC-0和它的变异体K519C的实验数据得到的。作为检验,将这个模型得到的数据与采用其他计算和模拟方法得到的数据进行比较。结果表明,从这个模型计算出的不同氯离子占据态之间的能量差与通过解泊松-玻尔兹曼方程得到的结合自由能是一致的。从此模型得到的平均导电离子数和离子通过速率与实验上的结果也是一致的。根据这个模型,由于残基K519变异成C519产生的电导率的下降能被归结为K519C变异对各个态之间转换速率常数的影响。这个工作有助于人们理解ClC-0的导电机制。

    2.研究ClC-ec1中残基变异对氯离子静电结合自由能的影响 ClC通道蛋白的残基变异导致蛋白功能的改变,引发许多疾病。现已查明,ClC蛋白功能的实现与氯离子在通道中的结合能密切相关。因此研究残基变异对ClC-ec1功能的影响可以通过研究残基变异对氯离子在通道中的结合能的影响来体现。我们系统地研究了各种残基变异对氯离子在通道中的结合能的影响。通过使用全原子分子动力学模拟和静电计算,揭示出残基变异引起的电荷变化和残基与氯离子结合位点的距离是影响氯离子结合能的重要因素。这一工作在分子层次上使人们认识了ClC通道蛋白的残基变异对蛋白功能影响的实质。

    人类氯离子细胞内通道蛋白(humanchlorideintracellularchannelproteins，CLICs)是上世纪九十年代发现的新型阴离子通道。该家族包括六个成员，依次命名为CLICI-6。他们彼此之间在一级序列有40％至80％的同源性，其特征是具有一个240个氨基酸残基左右保守的核心结构域。CLICs具有广泛的组织和细胞分布，定位在各种生物膜，如细胞膜、核膜、溶酶体膜、线粒体膜、高尔基体膜、细胞连接处等。

    CLICs的特性是既可以与生物膜结合形成离子通道，也可以在水溶液状态下具有稳定结构。在水溶液状态下，CLICs在三维结构上采取了经典的谷胱甘肽转移酶(glutathioneS-transferase，GST)结构域。

    CLICs除具有氯离子通道活性外，还可与多种蛋白质相互作用并调节其活性，从而在细胞分裂、细胞凋亡、肾功能、骨吸收等过程中发挥重要作用。其中CLIC2是CLICs家族中研究较少的蛋白，目前仅知道CLIC2具有调节ryanodinereceptor(RyR)活性的能力，但其调节机理并不明确。克隆、表达、纯化了CLIC2蛋白，并且依据CLIC2受到氧化还原调节的特性，首次运用化学试剂5，5’-二硫代双-(2-硝基苯甲酸)(5，5’-Dithio-bis(2-Nitrobenzoicaicd)，DTNB)处理CLIC2，得到可用于X射线衍射分析的晶体，继而解析CLIC2晶体结构。

    解析的CLIC2晶体结构表明，CLIC2整体结构与CLICl和CLIC4类似，具有谷胱甘肽转移酶结构。该结构由N端硫氧还蛋白结构域和C端全α螺旋结构域构成，在两结构域之间有一个带正电的缝隙。在CLIC2的N端结构域中，两结构域之间的缝隙附近，第30位半胱氨酸与第33位半胱氨酸形成了分子内的二硫键。这是CLICs家族蛋白首次在活性位点附近发现的二硫键。该二硫键与谷氧还蛋白晶体结构中活性位点的分子内二硫键十分相似。并且由于在晶体结构中，一个CLIC2分子中带负电的footloop插入了邻近不对称单位中CLIt2带正电的结构域间缝隙(CyS30与Cys33形成的二硫键附近)。

    我们推断，CLIC2通过其带正电的缝隙与其靶蛋白(如RyR)中具备明显负电的区域结合，并通过CLIC2中30位和33位半胱氨酸的不同氧化还原状态调节靶蛋白活性。在CLIC2的晶体结构中，还发现CLIC2第114位半胱氨酸被DTNB修饰，从而有利于CLIC2结晶。还进一步测量了CLIC2的巯基转移酶活性和脱氢抗坏血酸还原酶活性，并对人类CLICI-4的脱氢抗坏血酸还原酶活性进行了系统研究，发现CLICl具备明显的脱氢抗坏血酸还原酶活性，这为探索CLIC2调节RyR活性的机理以及人类CLIC1的功能提供了有益的启发。

    CLIC4只包含253个氨基酸，却可以以溶液状态和形成跨膜蛋白两种形式存在，阐明CLIC4溶液结构对认识其功能和跨膜机制具有重要意义。
　　在完成了CLIC4的基因克隆，表达，纯化和结晶条件搜索后，用动态接种法获得了野生型CLIC4溶液态构象的晶体。CLIC4晶体的空间群为P21，一个不对称单位包含三个分子，以CLIC1为初始模型通过分子置换法完成了其2.2(A)的晶体结构解析，最终模型的晶体学R-factor和R-free分别为0.216和0.262。CLIC4晶体特殊的三体堆积方式是CLIC家族蛋白已知结构中所独有的，通过对晶体结构中包埋面积，氢键和疏水作用，堆积方式进行分析，认为这种独特的三体结构和跨膜通道形成有一定相关性。

    根据三个分子的h2区域结构富于柔性变化的特点，认为这与它处于跨膜区和溶液区的连接处有关。通过对CLIC4高负电loop区的分析，揭示了离子通道活性与溶液区结构的相互关系。并根据CLIC4和CLIC1关键残基和跨膜系列分析认为，氧化态CLIC1晶体结构所揭示的氧化调控方式不具普遍性，阐述了CLIC氯离子通道的单跨膜螺旋模型离子通道结构的部分可能机制。

    囊性纤维化跨膜转运调节体(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator,CFTR)是ATP结合转运体超家族(ATP-binding cassette transporter superfamily)的一名特殊成员,因为它是一个具有相当复杂调控机制的氯离子通道。

    CFTR由五个结构域(domain)组成:两个跨膜结构域(membrane-spanning domains,MSDs),两个核苷酸结合域(nucleotide-binding domains,NBDs)和一个特殊的调控域(regulatory domain,RD).MSDs构成一个低电导(6～12 pS)的阴离子选择性孔道(pore),其形状如同不对称的沙漏,胞外小胞内大,狭窄部分为离子筛。

    两个NBDs组成头尾相对的二聚体,在二聚体之间的接触面上有两个能和ATP结合的位点(位点1和位点2).CFTR的门控机制是:ATP分子与位点1和2相互作用促使NBD二聚体的结合与解离,从而引起MSDs的构象发生变化进而使通道孔打开和关闭。

    RD具有多样化的结构,它含有多个磷酸化共有位点(consensus phosphorylation sites).RD的磷酸化促进NBDs与ATP的结合,从而使CFTR得以激活。CFTR通过支架蛋白与其它膜受体以及蛋白激酶、磷酸酶形成大分子信号复合体.在复杂的细胞信号系统参与下,CFTR的功能活动在时间和空间上得到精确的调控。

    此外,CFTR的活动与细胞代谢有紧密联系:CFTR与代谢酶形成大分子复合体,当细胞能量需求增加时,CFTR活动会受到抑制而使细胞能量得以保存.CFTR广泛分布于机体上皮组织,它通过促进水盐转运而控制上皮细胞分泌物的量与组成.值得注意的是,在呼吸道,CFTR还对机体的防御机制起重要作用.CFTR功能失常严重影响跨上皮离子转运,进而引起或加重某些疾病。

    接近2000个氨基酸残基的大蛋白。

 
这是钙通道？还是钠通道？

    清华大学医学院颜宁教授研究组，报道了电压门控钠离子通道细菌同源蛋白NavRh的晶体结构，并对其功能性质和工作机理进行了研究。这是世界上首次解析出处于灭活构象的电压门控离子通道的结构，也是第一次发现钠离子通道中的抑制离子结合位点。

    2012年6月7日《自然》电压门控钠离子(Nav)通道对于神经和肌肉的快速去极化必不可少，是非常重要的药物靶点。解析Nav通道的结构将给阐明离子通道机制带来希望，并有助于其潜在的临床应用。一个细菌Nav通道家族，以细菌Na+选择性通道为例（NaChBac），为结构-功能的分析提供了有用的模式系统。本研究报到了海洋变形菌HIMB114 中NavRh（NaChBac的一种同源蛋白）的晶体结构，分辨率为3.05Å。该通道由一种不对称的四聚体组成。178位Thr和179位Leu的羰基氧原子构成了选择性离子通道中的内部位点，该处晶体结构中存在一个水合Ca²⁺。Na⁺选择性离子通道的开口（由181位Ser和183Glu组成）是闭合的，这与该通道胞内侧激活门控是一致的。这种电压传感器形成一种去极化构象，在这种构象里所有的门控都暴露于胞外环境。于是我们提出NavRh处于一种“失活”构象。将NavRh与NavAb结构进行比较，发现了一些重要的构象重排，这些重排可能是电压门控通道机械电耦合机制的基础。