一般一个人类细胞膜表面大概有多少个离子通道？
您好！关于人类细胞膜上离子通道的数量，这是一个非常有意思但又非常复杂的问题。简单地说，没有一个固定的“标准答案”，因为这个数量受到太多因素的影响。不过，我可以从几个方面来给您详细解释，让您对此有一个更深入的理解。
首先，我们得明白“离子通道”这个概念。它们不是静止不变的物理结构，而是动态的蛋白质分子，嵌在细胞膜的脂质双层中。这些蛋白质能够选择性地允许特定种类的离子（比如钠离子、钾离子、钙离子、氯离子等）通过细胞膜，从而在细胞内外之间建立电化学梯度，这对于细胞的许多基本功能至关重要，包括信号传递、肌肉收缩、神经冲动传导、物质运输等等。
为什么说数量不固定？原因如下：
1. 细胞类型和功能的多样性： 这是最关键的一点。不同的细胞为了执行不同的功能，在膜表面表达的离子通道种类和数量会千差万别。
神经元和肌肉细胞： 这些细胞是“电活性”细胞，高度依赖于离子通道来产生和传递电信号。您可以想象一下，它们需要非常多的电压门控离子通道（比如钠通道、钾通道）来快速改变膜电位，产生动作电位。在神经元的轴突末梢，还有大量的钙通道参与神经递质的释放。
红细胞： 虽然不像神经元那样产生动作电位，但它们也需要一些通道来维持细胞形状和渗透压的平衡，比如一些钾通道和钠/钾泵（虽然泵不是通道，但与离子平衡相关）。
上皮细胞： 这些细胞负责吸收和分泌物质，它们会根据所处的位置和功能表达特定的离子通道和转运蛋白。例如，肾脏上皮细胞可能有很多钠通道、钾通道，以及一些特定离子（如钙、氯）的通道，以精确调控电解质和水的重吸收与分泌。
免疫细胞： 免疫细胞的激活和信号传递也需要离子通道的参与，比如钙内流是激活T细胞的重要信号。
2. 通道的“状态”和“密度”变化：
开/关状态： 离子通道不是一直开放的，它们会根据各种刺激（如电压变化、配体结合、机械力等）在开放和关闭状态之间转换。我们讨论“数量”时，通常是指膜上存在的特定通道蛋白分子的总数，而不是某一时刻开放的通道数量。
通道密度： 即使是同一种类型的细胞，同一区域的离子通道密度也会有很大差异。比如，在神经元的“钠通道富集区”（如郎飞氏结），钠通道的密度会比其他区域高很多。这种“组织化”是细胞功能高效运作的关键。
3. 技术测量的限制和差异：
电生理学技术（如膜片钳）： 这是测量离子电流的“金标准”，但它通常测量的是一个非常小的膜区域（膜片）。通过外推，可以估算出单个细胞的通道总数。然而，这种外推是基于假设的，并且会受到膜片大小、细胞膜的均匀性等因素影响。
免疫组化和免疫荧光： 这些技术可以标记和定位细胞膜上的特定通道蛋白，通过显微镜计数。但它们也可能存在抗体结合的特异性、信号强度等问题。
分子生物学技术： 基因表达数据可以告诉我们某种通道的mRNA有多少，但这不直接等于膜上存在的蛋白数量，因为蛋白质的合成、折叠、运输和降解都有复杂的调控。
那么，我们能给出一个大概的范围吗？
即便如此困难，科学家们还是做了一些估算。如果一定要给一个非常粗略的数字，并且是针对那些高度依赖离子通道的细胞（比如神经元、肌肉细胞），那么在细胞膜的特定区域，一个离子通道的密度可能达到每平方微米（µm²）几百甚至上千个。
举个例子，一个典型的哺乳动物神经元，其长度和表面积都很大。如果考虑到其复杂的结构，比如轴突、树突、细胞体等，以及上面提到的高度特化的区域，那么一个神经元细胞膜表面可能存在数百万到数千万个离子通道蛋白分子。
单个“膜片”（约 1 µm²）： 在神经元动作电位发生的关键部位，钠通道的密度可能在 5002000 个/µm² 之间。而钾通道的密度也可能在几百个/µm²。
整个细胞： 如果一个神经元的总表面积是几十到几百平方微米（这取决于细胞的类型和大小），那么总的离子通道数量就会非常庞大。
一些具体的例子作为参考：
电压门控钠通道： 在神经元轴突的郎飞氏结区域，密度可以高达 10002000 个/µm²。
电压门控钾通道： 在神经元的某些区域，密度也可能达到几百个/µm²。
钙通道： 在神经末梢，钙通道的密度也相当高，以确保在神经冲动到达时能够大量内流。
整合素（虽然不全是离子通道，但作为膜蛋白的一个类比）： 它们在细胞粘附中发挥作用，在某些细胞区域的密度也可以非常高。
总结一下：
要给出一个精确的数字是不可能的，也无意义。因为这个数量是动态的，并且与细胞的类型、状态和功能密切相关。
数量级： 对于高度电活动的细胞（神经元、肌肉细胞），在它们的功能关键区域，离子通道的密度可以非常高，达到每微米平方几百到上千个。
总数： 一个完整的细胞，尤其是有复杂突起的细胞，其膜表面的离子通道总数可能达到数百万甚至上千万个。
多样性： 并不是所有的通道都以如此高的密度存在。一些细胞可能只有相对较少的通道，或者通道主要集中在特定的膜区域。
所以，与其纠结于一个具体的数字，不如理解的是，离子通道的数量及其在细胞膜上的分布，是细胞根据其特定需求进行高度精密调控的结果，是生命活动得以正常运转的基石之一。它们就像是细胞膜上的“守门员”和“信号接收器”，以精确的数量和分布，维护着细胞内部环境的稳定，并参与着与外界的复杂交流。
首先，我们得明白“离子通道”这个概念。它们不是静止不变的物理结构，而是动态的蛋白质分子，嵌在细胞膜的脂质双层中。这些蛋白质能够选择性地允许特定种类的离子（比如钠离子、钾离子、钙离子、氯离子等）通过细胞膜，从而在细胞内外之间建立电化学梯度，这对于细胞的许多基本功能至关重要，包括信号传递、肌肉收缩、神经冲动传导、物质运输等等。
为什么说数量不固定？原因如下：
1. 细胞类型和功能的多样性： 这是最关键的一点。不同的细胞为了执行不同的功能，在膜表面表达的离子通道种类和数量会千差万别。
神经元和肌肉细胞： 这些细胞是“电活性”细胞，高度依赖于离子通道来产生和传递电信号。您可以想象一下，它们需要非常多的电压门控离子通道（比如钠通道、钾通道）来快速改变膜电位，产生动作电位。在神经元的轴突末梢，还有大量的钙通道参与神经递质的释放。
红细胞： 虽然不像神经元那样产生动作电位，但它们也需要一些通道来维持细胞形状和渗透压的平衡，比如一些钾通道和钠/钾泵（虽然泵不是通道，但与离子平衡相关）。
上皮细胞： 这些细胞负责吸收和分泌物质，它们会根据所处的位置和功能表达特定的离子通道和转运蛋白。例如，肾脏上皮细胞可能有很多钠通道、钾通道，以及一些特定离子（如钙、氯）的通道，以精确调控电解质和水的重吸收与分泌。
免疫细胞： 免疫细胞的激活和信号传递也需要离子通道的参与，比如钙内流是激活T细胞的重要信号。
2. 通道的“状态”和“密度”变化：
开/关状态： 离子通道不是一直开放的，它们会根据各种刺激（如电压变化、配体结合、机械力等）在开放和关闭状态之间转换。我们讨论“数量”时，通常是指膜上存在的特定通道蛋白分子的总数，而不是某一时刻开放的通道数量。
通道密度： 即使是同一种类型的细胞，同一区域的离子通道密度也会有很大差异。比如，在神经元的“钠通道富集区”（如郎飞氏结），钠通道的密度会比其他区域高很多。这种“组织化”是细胞功能高效运作的关键。
3. 技术测量的限制和差异：
电生理学技术（如膜片钳）： 这是测量离子电流的“金标准”，但它通常测量的是一个非常小的膜区域（膜片）。通过外推，可以估算出单个细胞的通道总数。然而，这种外推是基于假设的，并且会受到膜片大小、细胞膜的均匀性等因素影响。
免疫组化和免疫荧光： 这些技术可以标记和定位细胞膜上的特定通道蛋白，通过显微镜计数。但它们也可能存在抗体结合的特异性、信号强度等问题。
分子生物学技术： 基因表达数据可以告诉我们某种通道的mRNA有多少，但这不直接等于膜上存在的蛋白数量，因为蛋白质的合成、折叠、运输和降解都有复杂的调控。
那么，我们能给出一个大概的范围吗？
即便如此困难，科学家们还是做了一些估算。如果一定要给一个非常粗略的数字，并且是针对那些高度依赖离子通道的细胞（比如神经元、肌肉细胞），那么在细胞膜的特定区域，一个离子通道的密度可能达到每平方微米（µm²）几百甚至上千个。
举个例子，一个典型的哺乳动物神经元，其长度和表面积都很大。如果考虑到其复杂的结构，比如轴突、树突、细胞体等，以及上面提到的高度特化的区域，那么一个神经元细胞膜表面可能存在数百万到数千万个离子通道蛋白分子。
单个“膜片”（约 1 µm²）： 在神经元动作电位发生的关键部位，钠通道的密度可能在 5002000 个/µm² 之间。而钾通道的密度也可能在几百个/µm²。
整个细胞： 如果一个神经元的总表面积是几十到几百平方微米（这取决于细胞的类型和大小），那么总的离子通道数量就会非常庞大。
一些具体的例子作为参考：
电压门控钠通道： 在神经元轴突的郎飞氏结区域，密度可以高达 10002000 个/µm²。
电压门控钾通道： 在神经元的某些区域，密度也可能达到几百个/µm²。
钙通道： 在神经末梢，钙通道的密度也相当高，以确保在神经冲动到达时能够大量内流。
整合素（虽然不全是离子通道，但作为膜蛋白的一个类比）： 它们在细胞粘附中发挥作用，在某些细胞区域的密度也可以非常高。
总结一下：
要给出一个精确的数字是不可能的，也无意义。因为这个数量是动态的，并且与细胞的类型、状态和功能密切相关。
数量级： 对于高度电活动的细胞（神经元、肌肉细胞），在它们的功能关键区域，离子通道的密度可以非常高，达到每微米平方几百到上千个。
总数： 一个完整的细胞，尤其是有复杂突起的细胞，其膜表面的离子通道总数可能达到数百万甚至上千万个。
多样性： 并不是所有的通道都以如此高的密度存在。一些细胞可能只有相对较少的通道，或者通道主要集中在特定的膜区域。
所以，与其纠结于一个具体的数字，不如理解的是，离子通道的数量及其在细胞膜上的分布，是细胞根据其特定需求进行高度精密调控的结果，是生命活动得以正常运转的基石之一。它们就像是细胞膜上的“守门员”和“信号接收器”，以精确的数量和分布，维护着细胞内部环境的稳定，并参与着与外界的复杂交流。
网友意见
一个典型的人类细胞有数百到数千个离子通道[1]。某些淋巴细胞上有数十万个离子通道[2]。
离子通道的数量在很大程度上关系到功能。例如，电压门控钙离子选择性通道 (CaV) 是反应速度最快的钙离子信号蛋白，可以在单个细胞内引发钙离子浓度的巨大变化：在 20000 倍梯度下，每个 CaV 每秒能通过约 100 万个钙离子，一个细胞上的数千个 CaV 可以在数毫秒间让细胞内的钙离子浓度变成之前的 10 倍[3]。
图中用黑线圈出来的是冷冻电镜下的 4 个电压门控 L 型钙离子通道，条形长 25 纳米[4]：
你可以通过实验求出给定的细胞膜上特定类型离子通道的数量[5]。人神经细胞单位面积细胞膜上的离子通道数量比非人哺乳类少，这可能节约了一些资源、改善了效率[6]。
计算显示人体内可能有约 240 到 400 多种不同的离子通道，其中 100 多种已经被组装出来解析其功能。一个典型的人神经细胞有 10 种以上不同的离子通道。
离子通道可以增加，也可以减少。你想想细胞分裂、分化、脱分化、转分化的存在就知道了。在诱导多能干细胞中，离子通道基因表达水平的增减是十分多样化的[7]。
题目谈到的特定频率的电磁辐射增加细胞膜通透性的方法是电穿孔[8]，在细胞膜上产生非选择性的小洞，那不会增加离子通道蛋白。
主动运输方面，一个典型的人神经细胞有约 100 万个钠钾泵，平均每平方微米细胞膜上有 100 到 200 个（你可以看出常见细胞的离子通道密度也和这相似），一些密集区域可达 1000 到 2000 个钠钾泵每平方微米。
此外，一些细菌产生的杀细胞毒素是较粗大的非选择性通道蛋白，可以戳在细胞膜上造成严重的混乱。
参考
- ^ https://sophion.com/knowledge-center/ion-channels/ion-channel-screening-non-experts/
- ^ E. Glogowska, A. Dyrda, A. Cueff, G. Bouyer, S. Egee, P. Bennekou, S.L. Thomas,Anion conductance of the human red cell is carried by a maxi-anion channel,Blood Cells Mol. Dis. 44 (2010) 243–251
- ^ https://doi.org/10.1016/j.cell.2007.11.028
- ^ Structure of the voltage-gated L-type Ca2+ channel by electron cryomicroscopy I. I. Serysheva, S. J. Ludtke, M. R. Baker, W. Chiu, S. L. Hamilton Proceedings of the National Academy of Sciences Aug 2002, 99 (16) 10370-10375; DOI: 10.1073/pnas.162363499
- ^ COUNTING CHANNELS: A TUTORIAL GUIDE ON ION CHANNEL FLUCTUATION ANALYSIS Osvaldo Alvarez, Carlos Gonzalez, and Ramon Latorre 01 DEC 2002https://doi.org/10.1152/advan.00006.2002
- ^ Beaulieu-Laroche, L., Brown, N.J., Hansen, M. et al. Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04072-3
- ^ Linta L, Stockmann M, Lin Q, Lechel A, Proepper C, Boeckers TM, Kleger A, Liebau S. Microarray-Based Comparisons of Ion Channel Expression Patterns: Human Keratinocytes to Reprogrammed hiPSCs to Differentiated Neuronal and Cardiac Progeny. Stem Cells Int. 2013;2013:784629. doi: 10.1155/2013/784629. Epub 2013 Apr 15. PMID: 23690787; PMCID: PMC3649712.
- ^ Weaver JC,Electroporation theory: concepts and mechanisms. Methods Mol Biol,1995,48:3-28.
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