“假”城門，真通道
——人工離子通道

魯軼楠，鐘思敏，孫鴻程，劉俊秋

杭州師范大學材料與化學化工學院，杭州 311121

人體是由數百萬億個細胞構成，而每個細胞都是一座神奇的城市。就像人類世界一樣，細胞里也有各種工廠、道路、居民樓和無數生活在這里的子民。城市里的離子居民每天都能夠通過離子通道或離子泵進出工作，維持著整個城市的平衡。

一般來講，物質想要進出細胞城有兩種運輸方式——主動運輸和被動運輸(亦稱易化擴散、簡單擴散)。主動運輸是指物質沿著逆化學濃度梯度差的方式運輸，通常需要借助載體蛋白并消耗ATP來完成。而被動運輸則是物質順濃度梯度且不消耗ATP所進行的運輸方式，僅需要通道蛋白或載體蛋白的協助即可完成。離子通道作為離子被動運輸的主要通路，它能將細胞城一側的離子被動運輸到另一側；同時，離子通道也是調節細胞滲透壓、膜電位以及神經信號轉導的關鍵場所。

1 金城湯池——離子通道的種類、作用及特點

細胞城外，一切如舊，大家排著隊等待城門——離子通道的開啟。這天，鉀離子先生(簡稱鉀先生)站在細胞城腳下，今天是他第一天上班。緊張而激動的鉀先生抬頭環顧四周，率先望見的是一座座高大雄偉的城門，然后再是城門前排著的那些整齊有序的隊伍。看向面前熙熙攘攘的人群，鉀先生沒有細想，就急忙跑向了那支最短的隊伍——他可不想在上班第一天就給同事們留下遲到的印象。

隊伍在慢慢地向前移動著，“可算輪到我進城了。”鉀離子先生期待著。可沒料到，離子通道守衛以“通行證不合格”為由將他攔在門外。望向著近在咫尺的城市，鉀離子先生也只能訕訕離開隊伍。

突然，一股拉力扯住焦慮茫然的鉀先生，他聽見一個女士的聲音，“誒，你是鉀離子家族的吧。”

鉀離子先生本能地點了點頭，只見他面前的女士露出友善的微笑，指了指另外一排隊伍，說道：“跟我來，你的隊伍在那呢。”

“我猜你一定是新來的吧，還不太了解我們的離子通道。”走在路上時女士調侃道。

“是的，您知道他們為什么不讓我進城嗎？”鉀離子茫然地問道。

女士笑了笑，解釋道：“你有所不知，我們細胞城能夠每天順利地運轉，離子通道可發揮了至關重要的作用。為了避免不法分子的滲入，不同的離子通道都是相互獨立的，通道會對所有進出通道的離子們進行身份核驗，不同的離子只能通過他們特定的通道進出，這是通道的選擇性。”女士繼續補充道：“你剛才要進入的是鈉離子通道，我們前面這里才是鉀離子的驗證通道呢。”

鉀離子先生的視線逐漸定格在這座城門上，在它面前的是兩個形狀各異的蛋白質分子，他們鑲嵌在細胞膜城墻上，并且這兩個分子相向而對，形成了獨特的通道形狀，尺寸似乎比之前的通道大了一些。“原來城門的通道是這個樣子的呀。”鉀離子先生想道，隨后他又轉頭看向其他城門，驚奇地發現每個城門的通道形狀都是不同的。

女士進一步解釋道：“這些由水分子占據的孔隙就是水溶性物質快速進出細胞的通道，它能控制各類離子，糖類以及需要離開細胞的水溶性廢物等物質的進出。并且，孔隙的大小、離子形成氫鍵的能力以及孔道內相互作用的強度，都是離子通道對我們特異性的體現。所以，鉀離子先生，之后你要出城的話，可要注意貼在墻上的特許離子通過說明哦，不然排錯隊伍可就出不去了呢。”

“原來如此！”鉀離子先生恍然大悟，隨后又請教道，“那我以后是不是可以隨時從這個通道自由出入呢？”

女士笑著，繼續解釋道：“當然不行，我們的通道還有另外一個特別重要的特性——開關性。為了維護細胞城里的物資平衡，負責我們進出的離子通道是受到上級部門的指令控制的，比如膜電位的變化、有遞質受體結合或者受到外力的刺激等。根據刺激方式的不同，又可以把離子通道區分為電壓門控型[1]、配體門控型及機械門控型(圖1)。你看，右邊的大門上還有一個蛋白質鎖孔，這就是典型的配體門控性通道，只有對應遞質和相應的蛋白質受體相結合，通道大門才能打開。而我們面前的這道大門，它是電壓門控性離子通道，當電位發生變化，才可以開啟大門哦！”

圖1 離子通道類型及開關示意圖

就在這時，城門吱吱響起，鉀先生面前的通道緩緩地打開。原來城內陰離子過剩造成細胞內外的電位差發生了變化！

“現在我們就能進城了吧？”鉀先生好奇道。

“嗯！”

2 城門失火——離子通道受阻產生的危害及影響

細胞核大樓內，蛋白質警官正在走廊巡邏，它將手電筒掃過角落時，一道黑影一閃而過。

“呼～，差點被發現，我還沒玩夠呢，可不能直接被抓走。”黑暗里傳來一道狡黠的聲音，隨之慢慢浮現出“它”的身影。

正當“它”探頭觀察時，突然被蛋白質警官一個翻身壓倒在地，“你是誰，為什么闖進細胞核大樓？”蛋白質警官冷聲質問道。

“警官，我是編碼鉀離子通道的基因呀，你是不是認錯人了？”“它”討好道。趁警官放松瞬間，“它”立刻轉身跑遠，沒成想在轉角就撞上前來逮捕它的人。

“變異鉀離子通道編碼基因，你表達的鉀離子通道已被檢驗為不合格，請配合我們的工作。”大隊長拿出檢測報告，并指派蛋白質警官立即上報。

收到蛋白質警官的匯報后，司令室內陷入了短暫的寂靜。眾人皆知，變異鉀離子通道蛋白的出現會直接影響基因的轉錄和翻譯過程，導致鉀離子通道蛋白折疊組裝異常、膜運輸缺陷，而這些變化最終將通過影響離子通道的門控動力學特性或者離子選擇性等途徑造成鉀離子通道功能異常。

果然，鉀離子通道編碼基因的變異已經影響到了鉀離子通道的運行。

城門前的鉀離子先生注意到離子通道的大門突然之間開始緩緩關閉，通道越來越窄……

此時的人體外部：外界的科學家已經通過電壓和電流鉗位技術、單通道電流記錄技術、通道蛋白分離、純化技術等技術檢測到人體生理的不正常反應。

“不好，教授，人體內鉀通道蛋白出現了異常，這會導致生理功能紊亂甚至引發囊性纖維化、心律失常[2]、癲癇[3]以及糖尿病[4]等嚴重的鉀離子通道疾病。如果再這樣下去，人體就會有巨大危險。”

3 背城一戰——打造全新“生命通道”

正當眾人感到焦頭爛額時，司令室就迎來了一批整齊有素的軍隊。

中心體上將隨身上前介紹道：“司令長先生，這幾位是人類科學家研制出來的人工鉀離子通道，它們分別由冠醚、柱芳烴、環肽、葫蘆脲、螺旋體等大環結構(圖2)構筑而成，通過其特有的孔道結構及電荷分布特質，實現對鉀離子的特異性識別與轉運[5,6]。并且人工合成的離子通道的結構更簡單、性能更穩定，關鍵時刻他們能夠幫助城市恢復穩定。”

圖2 人工跨膜離子傳輸通道示意圖

“你們好，我是這里的司令長細胞核，非常感謝你們的及時援助。”司令長招呼道，“請簡要介紹一下你們的工作原理及內容。”

“你好，司令長先生，我是隊長人工鉀通道。我們已經收到命令，接下來會代替損毀的離子通道，繼續完成傳輸離子的工作。”

“人工鉀離子通道的設計，必須先要認識一下被稱為‘單純中的優美’的天然鉀離子通道結構：每一個通道具有4個相同的子單位作為離子識別位點，它們圍繞在中心的孔周圍，像橔板一樣排列，構成了鉀離子的專屬通道，這也是體積更小的鈉離子無法通過的原因。”

他繼續補充道，“通常，人工鉀離子通道設計需要考慮三個因素：親脂性、通道總長度、離子識別位點。親脂性是決定超分子有效插入膜以形成離子通道的重要因素；通道總長度指跨越磷脂雙層膜厚度；特異性識別位點則對于離子選擇性至關重要[7]。因此，人工鉀離子通道一般由兩部分組成：一部分是通道區，它能夠阻礙其他離子(尤其是鈉離子)的進出，而選擇性地通過鉀離子；另一部分是門控開關區，在刺激驅動下，通道分子通過可逆進出脂雙層，實現對鉀離子跨膜輸送過程開關的調控[8]。”

以芳香型螺旋為支架開發的人工鉀離子通道為例，通過改變螺旋構筑基元的序列結構，從而可構建出不同內徑和電荷分布的螺旋折疊體人工鉀離子通道(圖3)[9]。我們發現，螺旋體1具有與鈉離子尺寸(2.04 ?，1 ? = 0.1 nm)相匹配的通道結構(2.3 ?)，造成其優異的鈉離子傳輸效率及極低的K/Na選擇性(0.19-0.24，即鉀離子和鈉離子傳輸速率之比SK/Na)。相比之下，螺旋體2則具有與鉀離子尺寸(2.76 ?)相匹配的通道結構(2.7 ?)，其展現出最佳的K/Na選擇性(10.2-32.6)，而更大尺寸的螺旋體3的K/Na選擇性值僅有4.0-22.7。

圖3 人造螺旋結構尺寸設計及鉀離子選擇性傳輸

在這次任務中，人工鉀離子通道隊伍各司其職，通力合作：冠醚類通道和柱芳烴通道可實現對鉀離子的選擇性高效跨膜傳輸，通過限制鈉離子等其他居民的進城人流量，為鉀先生的出城爭取了時間。除此之外，人工螺旋通道及環肽通道，負責限制離子通道在磷脂膜上的開放時間，從而控制神經元的發放頻率；體型龐大的鈣激活通道隊員可在短時間內傳送大量鉀離子；內向整流式鉀通道隊員則控制靜息電位和輸入電阻，負責保護心肌和抗心律失常[8]。

就這樣，人工鉀離子通道代替受阻的天然鉀離子通道將居民的生活用品和食物選擇性地運入細胞城內，并將生活垃圾排出城外，有效解決了離子失衡問題。

有了人工鉀離子通道的加入，等候多時的鉀先生終于順利地進入了城市，而由突變基因造成的混亂也逐漸平穩下來，細胞城市重新正常運轉。

4 等價連城——人工離子通道家族的應用

【背景音】有這么一群人，它們堅守在戰斗一線，為全樓居民的生命安全保駕護航。

【采訪現場】通行碼出示一下！

記者：“目前，細胞大樓的交通已恢復正常。今天，就讓我們來采訪一下本次戰斗勝利的‘門面擔當’——人工鉀離子通道隊員們。”

人工鉀離子通道隊長停下手上的工作，轉向鏡頭：“記者好，大家好！”

記者將話筒向前遞了一遞：“人工鉀離子通道隊長，您好！聽說這次的城市危機多虧了您們的幫助才得到順利解決，可以和我們講講您們是如何完成這次艱難任務的嗎？”

人工鉀離子通道隊長謙虛道：“本次的任務主要是協助鉀離子完成跨膜運輸，但是實際上這個過程非常困難。科學家通過應用氫鍵、范德華力、Π-Π堆積，親疏水等弱作用力，以超分子自組裝的形式，打造了我們這樣一支具有專一性、刺激響應性的快速反應隊伍[10]。為了完美吻合鉀離子通過的形狀，科學家對我們進行了定制化設計。除此之外，因為我們可以在較短時間內完成設計，實現量產，所以就會有源源不斷的同伴來支援，協助完成任務，解決困難。”

記者揚了揚眉：“你剛剛提到人工離子通道是可定制的，可以具體說說嗎？”

人工鉀離子通道隊長娓娓道來：“目前，根據不同的化學結構和新奇的作用力，人工離子通道家族主要分為五類——單分子大分子型、木桶板型、桶箍型、花桶和膠束型[11]。例如，我們單分子大分子中的螺旋肽人工離子通道就是優秀的定制化產物，它具有規則的機構，可調控的長度和孔徑大小以及穩定、可修飾的優點。而且除了可以定制傳統的電壓門控性，科學家還能設計pH響應、光敏性、配位門控等多種門控性人工離子通道。例如通過調控人工螺旋體孔道內部的正電荷分布，實現由人工鈉離子通道向人工氯離子通道的智能轉變(圖4a)，而且Cl-/Na+選擇比高達41[12]。此外，科學家設計構筑了配體門控人工螺旋通道(圖4b)，它能夠通過與配體(Cu+)的結合形成更優良的雙螺旋系統，從而實現離子跨膜轉運的智能開關轉變[13]。”

圖4 (a) 電荷反轉智能人工通道設計；(b) 配體門控人工離子通道開關設計

人工離子通道隊長興奮地繼續說道：“甚至，我們能夠通過結構定向設計，可以實現離子選擇性轉運體的模塊化可調分子設計。比如，我們可以改變離子通道中冠醚的分子結構，通過設計含12-冠-4、15-冠-5、18-冠-6以及尺寸更大的21-冠-7的人工離子通道，它們分別對鋰離子(Li+)、鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)及銣/銫離子(Rb+/Cs+)具有較強的結合能力，從而實現對不同離子的選擇性轉運(圖5)[14]。目前通道的孔徑最小已經可以設計到原子級別了！我們家族的多樣性和功能性已經為人類解決了不少難題。”

圖5 不同離子的人工跨膜通道

記者追問道：“既然人工離子通道家族這么厲害，那你們可以替代天然離子通道，甚至塑造全新的生命體嗎？”

隊長搖了搖頭：“以目前的技術來講，我們的水平還是遠遠不夠的！近幾年，關于可控膜內通道結構的研究的確已取得很大的進展。但是對科學家來講，設計出具有接近天然通道復雜度，以及同時在傳輸選擇性和速率上達到天然通道水平的人工離子通道，仍然是一道難以跨越的鴻溝！我們的確可以做到遠超天然離子通道的速度，但在滲透性和選擇性的最佳平衡上還遠不及天然離子通道的精妙。”

人工鉀離子通道隊長補充道：“這些都是我們需要進步和完善的地方，不過，我們的優勢也是不可小瞧的。我們數量眾多、種類豐富，各自都具有不同的特性，像是人工陰離子通道可允許陰離子順電化學梯度被動擴散，它的選擇性常與氫鍵、離子對和陰離子-偶極相互作用有關；而人工陽離子通道[6](如鈉離子、鉀離子、鈣離子通道等)因其內壁帶有負電荷，故傾向于允許陽離子通過，其選擇性則通常與離子配位有關。而且，除了陰陽離子之外，我們還常和水通道(控制水在細胞中的進出，是‘細胞的水泵’)，質子通道(H+)等配合作戰，以便于水、離子等其他分子在細胞間的交換。另外，結構精細、功能多樣的我們，不僅可以治療各種離子通道疾病，在不對稱催化、傳感器、光電材料方面[15]也有許多應用潛力。當然，現在人工離子通道家族還只是在萌芽期，相信經過科學家的努力，總有一天，我們會真正達到天然離子通道的水平！”

記者：“看來天然離子通道在我們生命體中還是不可替代的。由于時間關系，今天的訪談就到此結束，讓我們再次感謝人工離子通道的付出!”