心肌细胞中存在多种钾通道，主要作用于动作电位的平台期。通道的激活和复活对心肌细胞的复极有较大影响。钾通道分为电压依赖性、受体依赖性、ATP依赖性、Ca²⁺依赖性等类型，其中电压依赖性钾通道占重要地位。随着分子生物学技术的发展，已克隆出多种钾通道基因，从而有可能从基因结构上了解钾通道的功能，以及基因结构与通道动力学、通道调节之间的关系，更进一步了解心律失常的发生及药物的作用机制。本文着重从分子结构上阐述通道的失活及其调节机制。

1电压依赖性钾通道的基本结构

离子通道实际上是一类跨膜糖蛋白，是由多个亚基构成的复和体。构成孔道的部分为亚基，α亚基主要起调节作用。其中每个α亚基由四个跨膜区组成，每个跨膜区则由六个跨膜肽段及其间的连接肽段组成。其主要结构特点为：①每个亚基有S1－S6六个跨膜肽段，S4为电压感受器(voltage sensor)，S4－S5连接区与钾通道的电导大小及通道的失活有关，S5－S6间的连接肽段组成通道口，即P区(pore region)，S6段高度保守。②通道蛋白在细胞外侧有三个N-糖基化位点。③通道蛋白在胞浆侧含有两个cATP磷酸化位点。④通道蛋白的氨基端和羧基端均位于胞浆侧。

已知电压依赖性钾通道的失活包括两种机制，N型失活(N-type inactivation)和C型失活(C-type inactivation)。两者的基因结构和动力学特性均不相同，但互有影响。近年来，通过基因的克隆和各种突变方法，对其基因结构与通道失活的特性有了深入了解。影响通道失活的区域主要有6个部位：①S5－S6间的P区。是离子出入通道的部位^［1～4］。②S4电压感受器。与通道的电压特性有关，此区内的点突变可改变通道的电压依赖性^［5］。③S6肽段的膜外侧部位。与C型失活的调节有关^［1］。④S6肽段的胞浆侧。也对C型失活有影响^［6］。⑤氨基酸N端与孔道内侧区结合的部位。此区域可影响C型失活^［7，8］。⑥S6肽段跨膜部分。具体作用尚不清楚，在某些通道中可能对失活有影响^［9，10］。电压依赖性钾通道的结构模式见图1。

图1电压依赖性钾通道的结构模式图Extracellular=细胞外，

Membrane=膜，Cytoplasm=细胞浆

2N型失活的机制及特点

N型失活的机制比较清楚^［1，11］，它是一种快速失活，时间常数在数毫秒至数十毫秒。形成N型失活的结构基础是α亚基N端的大约20个氨基酸，它与孔道区内侧的结合导致了通道的失活，因此形象地称之为球-链模式(ball and chain model)。静息态时，通道处于关闭状态，“球”(即N端)游离于胞浆中；随着膜电位的变化，通道进入开放态，钾离子可从孔道口出入；随后，链上带正电的氨基酸残基将“球”导入孔道的内侧面，从而阻止离子的通透，通道即失活；然后，链上的疏水氨基酸残基发生位移，“球”从孔道内侧释放出来，通道复活回到静息态。其具体过程见图2。尽管不同通道N端氨基酸的序列有较大差异，但其动力学特性是相似的。

图2N型失活机制Closed=关闭态，Open=开放态，

Inactived=失活态；activation=激活，Inactivation=失活，recovery=恢复

N型失活的主要特点有：①去掉N端的氨基酸(即去掉“球”的部分)后，N型失活消失，用inside-out方法，从膜内侧给予合成的N端肽段，N型失活可恢复^［11］。有学者曾推测，减少“链”的长度可加快失活，但结果并非如此，提示“球”的移动不仅受“链”的控制，可能还受到某些区域二级结构或三级结构的影响^{［12，13］}。②N型失活仅受细胞内药物作用的影响。研究显示N型失活受细胞内TEA⁺(tetaethylammonium)的抑制，而细胞外TEA⁺对其无影响^{［14，15］}。③对钾离子浓度变化的反应是钾通道的基本特性之一，N型失活也仅受细胞内钾离子的影响^［2，5］。④N型失活在膜电位高于阈电位时，呈非电压依赖性。虽然N端含有精氨酸、赖氨酸等带正电荷的氨基酸，但N端的结合仅靠近细胞内侧面，并不经过整个跨膜区域，因而对电压变化不敏感^［16］。⑤孔道外侧及S6胸外侧部分的突变不影响N型失活^{［1，2，5］}，这也是N型失活与C型失活的重要区别。

3C型失活的机制及特点

C型失活是电压依赖型钾通道的共同特性之一，主要的调控区域是S5及S6的部位。对C型失活的机制及其调节仍然不是十分清楚，大多认识来源于对Shaker B通道的研究。近年来由于分子生物学技术的发展，才对其有了更深入的认识。

S5及S6跨膜肽段及其连接肽段的构型变化是引起C型失活的主要原因。至少有两种学说解释C型失活的机制。一种学说认为^［17］，C型失活是孔道区膜外侧局部的构型变化所致。通道开放时，孔道外侧区附近的巯基及其他基团发生位移，孔道口胞外侧的构型发生变化，引起C型失活。细胞外钾离子及药物对C型失活的影响均支持这一学说。另一种学说认为，电压超过阈电位致除极时，除电压感受器变化外，S6及其他肽段空间结构也有变化，不仅孔道膜外侧空间构型发生改变，孔道胞浆侧构型也有改变，进而导致C型失活^{［3，5，6，8］}。S6肽段胞浆侧的点突变也对C型失活有影响，则支持这一观点。

C型失活的特点：①N端氨基酸的缺失或突变并不影响C型失活。因此，常用N端缺失突变的通道作为研究C型失活的工具。②对细胞外钾离子浓度变化敏感。细胞外钾离子浓度升高，失活变慢，而复活变快^［2］。③对P区周围及S6胞浆侧氨基酸的点突变敏感，但不影响通道的电压依赖性。④细胞外的TEA⁺可抑制通道的活性^［14］。因此，C型失活并非是氨基酸C端的球 -链结合，而主要是孔道区胞外侧及S6胞浆侧的构型变化，β亚基对C型失活有明显的调节作用。

借助Kv1.4通道更容易理解两种不同的失活机制。Kv1.4是编码Ito (transient outward potassium channel)的基因，野生型的Kv1.4同时具有N型失活和C型失活，表现为快速失活^{［12，19］}；在去掉N端的氨基酸后，N型失活消失，通道仅表现出C型失活，失活时间常数长达数秒，复活也明显变快。在此基础上，对S5－S6附近区域的定点突变可反映C型失活的调节，如第532位(相当于S5－S6之间的膜外侧部分)的赖氨酸变为酪氨酸后，失活进一步变慢，而复活加快；第561位(相当于S6胞浆侧部位)的缬氨酸变为丙氨酸后，失活则变快，而复活变慢^［20］；此外，在S5－S6区域还对一系列的位点进行了突变，如522位、552位、559位等，以观察这些位点对C型失活的影响，见图4。总的来说，N型失活仅受N端氨基酸的调节，而C型失活受孔道区周围多个位点的影响，所有这些位点的突变均不改变通道的电压依赖性。

图3C型失活机制

图4Kv1.4野生型及其突变型电流钳制电位-90 mV，除极至50mV。fKv1.4wt:示Kv1.4野生型，具N型失活及C型失活。fKv1.4 delta-N：示去掉N段后，通道仅表现出C型失活，该失活较N型失活明显变慢。fKv1.4 delta-N K532Y：示在去掉N端的同时，第532位的赖氨酸变为酪氨酸，失活进一步减慢。fKv1.4 delta-N V561A：示在去掉N端的同时，第561位的缬氨酸变为丙氨酸，失活加快

不同钾通道C型失活有较大差异，大多钾通道如Kv1.1、Kv1.2、Kv1.4、Kv1.5等，其C型失活均具有相似的动力学特性，只是β亚基的调剂和药物作用不尽相同。但是编码IKr(rapidly activating component of cardiac delayed rectified K⁺ current)的herg基因(human ether-a-go-go-related gene，该基因被认为是引起长QT综合征的原因之一)，其C型失活特性则不同，Herg失活较快。一般来说，C型失活快时复活则慢^{［1，2，5］}，而Herg则两者均快^{［9，21，22］}；一般情况下，复活随细胞外钾离子浓度的升高而变快，而herg则相反；一般来说，C型失活在电压超过阈电位后则呈非电压依赖性，而Herg则有电压依赖性。Herg失活的特殊性可能与其特殊的结构有关，Herg的失活需要跨膜元件的构型变化。

4N型失活及C型失活的关系

尽管N型失活和C型失活具有不同结构基础的机制，但有学者发现，N型失活的存在可影响C型失活。近年的研究提出了两种学说：渗透学说(permeation mechanism)和变构学说(allosteric mechanism)。

4.1渗透学说Baukrowitz和Yellen^［7］发现，在Shaker钾通道，N型失活可加快C型失活。在细胞外无钾离子时，N型失活对C型失活的促进作用与细胞内钾离子浓度相关，据此他们提出了渗透学说，认为N型失活对C型失活的影响与孔道口钾离子浓度有关。通道开放时，大量钾离子经孔道流至细胞外，孔道口周围局部钾离子