膜与通道生物物理学

脂质双分子层及其嵌入的通道和转运蛋白的物理学，以及它们的选择性渗透性如何引起跨细胞膜的电信号。

Definition

膜与通道生物物理学是研究生物膜的物理特性以及跨膜转运离子和分子的蛋白质的学科，包括选择性渗透、门控、转运能量学和电兴奋性。

Scope

该领域涵盖生物膜的机械和电学特性、离子通道的结构和功能、膜转运的能量学以及膜电位及其动力学。它将双分子层视为一种物理材料，将通道视为其渗透和门控遵循物理原理的装置，而将生物体层面的神经生理学和药理学留给其他领域。

Sub-topics

• 电生理学与膜电位
• 离子通道门控与渗透
• 脂质双层力学
• 膜转运能量学

Core questions

• 脂质双分子层在机械和电学上表现出其特性的物理性质是什么？
• 离子通道如何既能快速传导离子又能对其进行选择？
• 什么能量来源驱动逆浓度梯度的转运？
• 膜电位在电信号传导过程中是如何产生和变化的？

Key theories

霍奇金-赫胥黎兴奋性模型

动作电位通过作用于电容膜的电压和时间依赖性钠电导和钾电导定量再现，并被形式化为一组耦合微分方程。

通过结构化孔隙的选择性渗透

离子选择性源于一个狭窄的过滤器，该过滤器通过精确放置的原子与目标离子配位，正如钾通道结构所揭示的，因此传导和选择性可以通过孔隙的结构来解释。

Mechanisms

脂质双分子层表现为一层薄的、流动的、电容性的薄片，几乎不透离子，因此跨膜电流仅通过蛋白质流动。通道提供水性通路，其选择性过滤器和门控决定了哪些离子何时通过，而转运蛋白则利用由梯度或ATP驱动的构象循环，将溶质逆浓度梯度转运。由于膜分隔电荷，离子通量改变膜电位，电压依赖性通道将该电位反馈到其自身的门控，从而产生再生性电信号。

Clinical relevance

通道和转运蛋白是主要的药物靶点，也是可兴奋细胞生理学的基础，因此这里的生物物理学是理解通道病和神经药理学的教育基础，以描述性而非临床指导的方式呈现。

History

20世纪50年代早期霍奇金和赫胥黎的电压钳研究提出了神经兴奋的定量理论；内赫和萨克曼的单通道记录随后揭示了单个通道的离散行为，而麦金农在20世纪90年代解析的通道结构将渗透和选择性与分子结构联系起来。

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Bertil Hille
• Roderick MacKinnon

Seminal works

• hodgkin1952
• doyle1998
• hille2001

Frequently asked questions

为什么离子不能直接穿过细胞膜？

脂质双分子层的疏水内部对带电离子来说在能量上非常不利，因此它们几乎完全通过通道和转运蛋白穿过。

通道如何能同时兼顾快速和选择性？

一个由精确放置的原子排列而成的选择性过滤器取代了通常围绕离子的水，充分稳定了优先通过的离子，使其能够快速通过，同时排斥其他离子。