离子通道与药物设计

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1、离子通道与药物 设计32S amo chow ie CL,eral.EurJPharmac ol1990;183*9 06331月目e抽mG,etal.D ru梦Re S1991;4 1:16234季水成,等.山东省医药工业19 91;10(4),2935Do nz en do rf erU.Uro lo gy198 8.3 2(s uppl):2736公加rH,eta t.IntJCl inPharmac olTh亡r丁b川c ol1989;27:39 237F ulton,e ta l.附ug s199 5;49:2 9538J ankne g tR A,et轰1.助rUrol19 93.

2、24(3):31939址p orH.IntJ Cl inP恤rmac olT herToxi回19 8927:1514 0HondaK,etal.Pharmaeol ExPT he r19 86;23 9,51241Kaw比K.UrolInt1987;43:280刁2杨静华.中国新药杂志199 5;4(2):6离子通道与药物设计唐贫陈凯先秘汝运(中国科学院上海药物研究所上海20 0031 )摘共离子通道是一类跨膜的大分子蛋白质,它们在细胞内外的物质交换和信息传导中起着十分重要的作用。本文对离子通道的生理功能、药理作用和理论化学计算等方面进行了综述,认为离子通道可以作为药物设计的花标,为寻找新药

3、带来希望.关.词离子通道药物设计理论化学计算心血管药物离子通道是一类跨膜的生物大分子,其作用类似于活化酶,能参与调节人体多种生理功能,特别是心血管系统的功能。目前.随着离子通道结构与功能在分子水平上的逐步阐明,离子通道已成为药物设计中的一类重要靶标,为寻找有关药物特别是心血管药物开辟了一个崭新的途径。离子通道的签本结构与功能离子通道是神经元、肌细胞等可兴奋膜上的特殊大分子蛋白质,它在脂双 层膜上构成具有高度选择性的孔道,允许一种或几种离子透过。由于离子在膜两侧的浓 度差,使得离子沿电化学梯度流过通道,形成离子电流,从而使可兴奋膜产生特殊的电位变化,此即神经和肌肉电活动的基础。已知存在两种蛋白质

4、通道形式,一种为通道在蛋白质内部,如短杆菌肤通道;另一种为通道在蛋白质各亚基之间,如烟碱样乙酞胆碱受体通道。由于膜的双层脂是电的绝缘体,对离子而言几乎是不可逾越的屏障,离子通道的存在,则为离子通过这种屏障提供了一 个极性通道。这种集“两亲”于一体的膜蛋白,既有疏水性的外表面与脂层接触,又有亲水性 的内表面与体液相通,在细胞内外的物质交换和信息传导中起着十分重要的作用。离子通道对离子渗透的高度选择性或专一性是其生理功能的基本特征川。若没有这种选择性,神经元中的电兴奋性就将不再存在,这样也就没有视觉,没有心脏跳动,没有记忆等。为了实现专一性功能,通道必须含有狭窄区域。即所谓“选择性过滤 器”(S

5、electivityf i lt ers),其中所含的残基侧链能同穿过的某种离子相互作用。同时,为了达到 必需的传送速率,整个通道不能都是狭窄的。因此,许多通道有漏斗状的门厅,在入口处很宽敞,然后逐渐狭窄.直到孔道深处的选择性过滤器,即孔道的“门”,之后再逐渐变宽。通常,离子通药学进展19 3 5年13卷第:期过通道时,二者必须协调运动,通道通 过对离子的识别来进行构象变化,从 而控制孔道门的开关。通道一般有多个 开口构象及多个闭合构象。至 于某一个特殊构象存在的可能性,则依赖于通道感受到的细胞信号.如膜电压或特殊的激动剂;另外,也被复杂的细胞和细胞 间作用所微妙地调节,这些作用能 直接或通过

6、其周围环境间接地改变通道的构象。因此离子的渗透和选择性与通道的结构和化学性质间具有十分密切的联系。离子通道也被认为是催化和调节离子渗透的“膜酶”(membra nee n zyme s),而 且 它们是离子透过脂双 层膜的唯 一 有效的催化剂,能提高离子渗透的速率约1护,倍。作为生物催化剂,它们具有催化剂的一般特性,即通道对其底物具有高度的选择性,底物 为所选择的离子;其催化活性在 底物高浓度 时达到 饱和,即达到 最大的离子渗透 能 力;它 们能被底物类似物竟争性抑制,底物类似物 为孔道的离子阻断剂等。根据控制通道门开 关 机制的不 同,可将离子通道分 为两类:由跨膜电位来控制通道门的称为电

7、压门 控性通道(voltae一ga,ed“han-ne ls);由神经递质控制通 道 门 的称为神经 递质门控性通 道(n e urotran smitter一g atedch ann els)。电 压门控性通 道广泛分布于各类可兴 奋膜上,主 要功能 是产生动 作电位;神经递质门控性通道则局限于突触后膜 和神经肌肉接头的运动终板,和神经 递质受体偶 联,参与突触后电位或终电位的产生。通 常,神经递质门控性通道的离子选择性较电压门控性通道差 些,但这 有利于 研究 阴、阳离子间或单价、双价离子间的渗透 差异性。此外,还 有一类环核 昔 酸门控性(C N G)通道(cyclicnuele oti

8、de一gatedchan ne怡),即门的开关 由细胞内eeMP、。AMP等环核昔酸的 浓 度 来控制的通道。根据通道对所运送离子的选择性不 同,又可将离子通道分为:钠通道、钾通道、钙通道、氯通道等几类。钠通道和钙通道主要为电压门控性通道.其中钙 通道又有l、N、P、Q、R、r等六种类型,氯通道主要为神 经递质门控性通道,钾通 道 则 种类繁多.有电压门控、钙门控、ATP门控(KT ,)和神经 递质门控等多种类型,各类型又可分为不同亚 型,总计已有1 0余种。近年来,由于分 子 生物 学的发 展及分子克隆技术的进步,已有多种离子 通道蛋白的一级氨基 酸序列 被阐明.从而使得 对离子 通道的研究

9、进入了一个崭新的阶段一2。第一个被 克隆 出来的电压门控性通道 是电鳗的钠通道一j。此后,许 多电压门控性通 道相继被克隆出来。这些通道结构具有较大的序列 同源性,都含有组个相 同或相似 的亚基,每个亚 基 含有6个。螺旋跨膜片段(分别称为51至56),其 中5153.55及56为疏 水性 片段,s 4为带正电荷的两亲 片 段。:,氨 基末端和梭基 末端均在细胞膜 内侧。与钠、钙通道不 同的是,钾通道 可能 由J个单 体构成。每个单体相 当于1个亚基。有的通 道 也 含有5个亚 基,如L型钙通道由5个亚基伪、晰、氏,和的组成.钙通道阻滞剂的结合位 点 位于。.亚基 上川。通道的专 一性功 能

10、主要 表现 在两个方面川:(l )离 子 选择性:55和56之 间 的环区开始被认为在膜外,后来被认为象一 个发夹 一样插入通道中.此即5 51和5 52片段,也叫P段 或HS段。最近 发现l巧段在钾涵道中为通道内壁的一部分,与离 子选择 性有关,钠通道 外口区负电荷残 基的突变也显示能改善河 豚毒素的结合及对 阳离子的相 对选 择渗透性:(2)电压传感器(se ns o r)和门控:s 1片段 是通道 的一部分,能感觉到膜 电压井在 其影啊下移动,导 致门控过 程中的构象变化,故为电压传感器。S 月片段 含有 丰富 的极性带电荷 残基,每3个残基就 有1个正电荷残基,这种典型的排列 方式可能

11、为螺旋模型,定 位突变正电荷残 基将导致门控 的 电压依 赖性下降。电压依赖性门由两个功能 部分组成,即电离子通道 与药物设训压传感器和门,门控过程不 只是 含1个螺旋而是包括所有的4个s 4片段在内,且这些片段必须协调运动才能进行门控。属于电压 门控性通道家族的还有钙门控钾通道和植物钾通道。此外,还有一种只含有1个跨膜域的钾离子通道l s蛋白川,这可能代表了一类新的通道蛋白。与电压 门控性通道家族 关系密切的是环核昔酸门控性通道,这类通道在 视觉 和嗅觉方面的信号转导中相当重要。从克隆出来的一级序列来看,它 们与电压门控性钾通道结构相似,也有6个跨 膜片段.5 4为带电荷片段,HS段构 成孔

12、道内侧,整 个 通 道 为四聚体结构。但电压门控性通道的HS段中有2个相邻的残基与离子选择性有关.在C NG通 道的相似位置上却没有 出现。在C N G通道中,细胞内的C一末端较长,上 面含有环 核 昔 酸的结合位点。神经递质门控性通道是具有5个亚 基的杂聚体,为非常规变构蛋 白泪,其中阳离子通道与烟碱样乙酞胆碱( nA Ch )受体、NMOA受体、非NMO A谷氨酸受体(AMPA受体、KA受体)、5一H T3受体等相联;阴离 子通道与GA BA、受体、甘氨 酸受体、无脊椎动物乙酞胆碱受体及无脊椎动物组氨酸受体等相联。K Tp通 道可能也属于这一 类 通道家族。每个亚基 含有4个或5个跨膜结构

13、(分别称为MI至MS),一 般认为MZ构成孔 道的内壁.MZ被假定为a螺旋体,但这 还有待于证实。某些情况下,Ml也参与形成孔道。神经递质门控性通道目前被认为有以下几 个显著的功能:(l )配体结合;(2 )门控,即通道开启与关闭的构象转变;(3)减敏(de*n sitization);(月)渗透。神经递质门控性通道的结构 数据一般限制在2 0人左右,其中迄今为止分辨率最高的三维结构 为nAch受体,达9人卜, “,这 也 是 目前研究得最多也最清楚的神经递质门控性通道.该受体本身就是通道,二者不可分,它由5个亚基即Za、日、丫、6组成。各亚基呈 环状排列.中央构成Na +、K十通道,2个a亚

14、基上有乙酞胆碱结合部 位,每个 亚基 含有4个跨膜结构。由于详细的相互作用研究需要1人左右的分辨率,而离子通道蛋白的纯化和结晶相当困难,目前还难以达到要求,这在一定程度上限制了研究的深入。研究小分子蛋白即肤的类似物已能成功阐明可溶性蛋白的结构与功能,因此研究离子通道也可从小分子肤入手。目前.2个与膜相连的小分子肤短杆菌 肤(gramieidin)和 丙 甲菌素(al amethiein)作为离子通道蛋白的模型,已引起了广 泛的注意“”。尽管它 们很小(分别只有16个 和20个 残 基),但它们显示 了大量的通道行为,包括:离子选择性、电压依赖性、亚 电导态和阻断、由脂膜调节通道性质等。由于这两

15、个肤之间有明显差别,因而其用作离子通道 的模型也 不一样。总的来说,导电性通道的构象用盯ami c id in来建立 更好些,因其详细 的结构 知识允许对离子通道 动力学 和离子选择性的物理起源、亚 电导状态 及其它通道性质进行基本 研 究;而al ame t h ic in构成的通道 与实 际大小的蛋 白通 道 更接近些,能深入研究 电压门控的物 理起 源。离子通道是药物作用的贡要靶标近 几年来,由于分子生物学、分子图形 学和 蛋 白质结构测 定技术等的飞速发 展,药物设计也进入了一 个崭新的阶 段,出 现 了合理药物 设计(ratio na一drugde sign),即 基于结构的设计(s

16、trueture一bas eddesign)这一新思想厂2 ,它应用大分子靶标原子水平上的三维结构信息,指导 和辅助药物分子的设计。合理药物设 计,不仅充分考虑 配体与受体活性部位 之 间的形状互 补性,而 且 充分考虑 二者之间的性质互补性,如静电相互作用、氢键相互作 用、疏 水相互作用等。此外,对溶剂效应、配体与受体之间的协调运动等,也给予足够的重视。离子通道参与调节人体多种重要的生理离子通道 与药物设训压传感器和门,门控过程不 只是 含1个螺旋而是包括所有的4个s 4片段在内,且这些片段必须协调运动才能进行门控。属于电压 门控性通道家族的还有钙门控钾通道和植物钾通道。此外,还有一种只含有1个跨膜域的钾离子通道l s蛋白川,这可能代表了一类新的通道蛋白。与电压 门控性通道家族 关系密切的是环核昔酸门控性通道,这类通道在 视觉 和嗅觉方面的信号转导中相当重要。从克隆出来的一级序列来看,它 们与电压门控性钾通道结构相似,也有6个跨 膜片段.5 4为带电荷片段,HS段构 成孔道内侧,整 个 通 道 为四聚体结构。但电压门控性通道的HS段中有2个相邻的