离子通道与心律失常

,离子通道与心律失常(ion channels in myocardium and arrhythmia),心肌的离子通道心肌的电活动离子通道与心律失常的关系,心肌的离子通道,细胞膜上贯穿脂质双分子层 中间有亲水性孔道特殊蛋白质允许适当大小和电荷的离子以被动转运的方式通过,概念及特征,Components of Cell MembraneBiophysical Structure,K+ channel pore structure from Doyle et al. (Science, 280:69-77, 1998),Na+,K+,Gated Ion Channels,Extracellular(i.e. ground),Intracellular(negative voltage with respect to ground),离子通道的特征,离子选择性：大小 电荷每种通道对一种或几种离子有较高通透性 对其他离子则不易/不能通过 门控特性：指引起通道开放与关闭的条件,蛋白质 互相独立的通道是孔洞而不是载体,离子通道与生物电,离子通道,生物电,离子流进出细胞,去极化和超极化,离子通道的分类,非门控离子通道 始终处于开放状态电压门控离子通道（voltage-gated ion channels） 开启与关闭由膜电位的变化决定具有电压依赖性(voltage-dependent)并与电位变化的时间有关(time-dependent),根据离子通道门控特性的不同分类：,配体门控离子通道 (ligand-gated ion channels) 配体 激动剂与通道蛋白结合通道开放离子流机械门控离子通道 (mechanically-gated ion channels) 由机械牵拉激活其他门控离子通道 细胞容积敏感的钾通道、钠激活的钾通道,根据离子通道离子选择性的不同分类：,心肌细胞动作电位与离子流,Differential APs in the Heart,The cardiac APs are different in SA node and AV node from other specified conduction tissue in morphology and duration.Atrial AP is shorter than ventricular AP in morphology and duration.Waves of electrocardiogram reflect the electrical activity of different part in the heart.,快反应心肌细胞膜 开放时选择性允许Na+内流特征电压依赖性 去极化达一定水平被激活 开放产生内向钠电流（Ina） 达最大效应失活关闭激活和失活速度快 前者1ms, 后者10ms内完成。,根据电压依赖性和对TTX的敏感性不同分为：快（瞬时）钠通道：参与AP 0期去极化。 慢（持久）钠通道：参与AP 2期平台的形成。,钠通道 (sodium channels),钙通道(calcium channel),心肌电压门控钙通道(两种亚型)受体调控钙通道,L-型 (long-lasting) 所有心肌细胞膜广泛存在 激活电压高 电流较大 持续时间长 可被DHPs和Mn2+阻滞直接参与窦房结 /房室结0期去极化心房/室肌2期平台维持 心房/室肌的收缩 T-型(transient type) 存在窦房结/房室结 激活电压低 电流微弱 (tiny) /短暂(transient) 可被Ni2+和miberfradil阻滞参与窦房结舒张去极化的后2/3部分,心肌电压门控钙通道(两种亚型),存在于细胞器 细胞内贮存钙释放进入胞浆的途径 Ryanodine受体钙释放通道 经ICa-L 通道内流的Ca2+可触发心肌肌浆网上的RyR2释放贮存钙，引起心肌收缩。 IP3受体通道 IP3R1与药物和激素引起的心肌收缩反应有关也参与心脏节律的调节和细胞间信号交流,受体调控钙通道,钾通道 (potassium channels),电压门控钾离子通道 瞬时外向钾通道IA或Ito1 延迟整流钾通道 IK 内向整流钾通道 IK11 配体门控钾离子通道 乙酰胆碱激活的钾通道IK(Ach) ATP敏感性钾通道IK(ATP),广泛存在 种类最多 作用最复杂,瞬时外向钾通道 (transient outward K+ channels) 电流为IA或Ito1 在去极化明显时激活 外向电流无整流特性参与动作电位1相复极过程特点是激活迅速 失活快 可被4-AP特异性阻滞Ito1通道分布于所有心肌细胞 但其密度在不同部位有差别,电压门控钾离子通道,延迟整流钾通道 (delayed rectifier K+ channels) 电流为IK在去极化时激活产生外向电流与膜的复极化有关 在决定APD中起重要作用,心肌IK有3种成分 慢激活延迟整流钾电流（IKs） 激活时间3s 可被Chromol 293B特异性阻滞 Iks在心脏不同部位都有表达 但其密度不同 Iks与IKr为心肌细胞AP复极3期的主要离子流克隆的基因KvLQT1及minK共同表达产生的电流具有IKs的特性,快激活延迟整流钾电流（IKr） 激活时间150ms 可被类抗心律失常药阻滞使APD延长克隆的基因HERG及minK或MirP-1共同表达出的电流认为是IKr超快激活延迟整流钾电流（IKur） 激活快仅50 ms 在调控人心房复极中起重要作用与房性心律失常的发生有密切关系克隆的Kv1.5通道与人心房IKur 相同,内向整流钾通道 (inward rectifier K+ channels，Kir channel) 电流为IK1 对K+选择性很高 依赖于细胞外K+的存在 开放程度受膜电位影响（超极化部分为明显的内向电流，去极化部分为弱小的外向电流）可被Ba2+阻滞IK1参与快反应细胞动作电位 3相复极 但主要维持4相静息电位,细胞除极到较正电位时外向电流趋于零-称之为内向整流（即外向K+电流幅度不随除极膜电位增大而增大 反而随膜电位增加而减小）,Voltage-Dependent IK1,From Li et al: Am J Physiol 2002; 283:H1031-41,Control,Ba2+ 2 mM,起搏通道(pacemaker channels) 电流为If 由K+和Na+共同携带 If为超极化激活的时间依赖性内向整流电流是窦房结/房室结和希浦系统的起搏电流 之一 Adr激活If而Ach抑制If,乙酰胆碱激活的钾通道(acetylcholine-activated K+ channels)电流为IK(Ach) 具内向整流特性存在于窦房结、心房肌、房室结、浦肯野纤维和心室肌细胞分布广泛Ach激活此通道增加舒张电位而导致负性频率和负性传导作用,配体门控钾离子通道,电流为IK(ATP) 具内向整流特性 KATP的激活有赖于细胞内ATP的下降该通道对缺血心肌有保护作用 其特异性开放剂有克罗卡林、吡那地尔等阻滞剂有格列本脲等,ATP敏感性钾通道 (ATP-sensitive K+ channels),氯通道 (chloride channels),是一组功能和结构不同的选择性阴离子通道 允许Cl-、Br-、I-等通过,Ca2+激活的氯通道 ICl-Ca肿胀激活的氯通道 ICl-swell囊性纤维化跨膜电导调节体 ICl-cAMP,电流为ICl-Ca 又称瞬时外向Cl-电流激活依赖于细胞内Ca2+浓度的增加心肌CaCC在膜电位-30mV开放细胞外Cl-进入细胞内形成外向电流（ Ito2） 参与复极1期,Ca2+激活的氯通道 (calcium-activated chloride channel, CaCC),肿胀激活的氯通道 (swelling-activated chloride channel, SaCC),电流为ICl-swell具外向整流特性激活膜电位去极化动作电位时程缩短,电压非依赖性阴离子通道激活过程必须有cAMP参与，故称cAMP调节的氯通道（cAMP-regulated chloride channels）电流为ICl-cAMP激活膜电位轻微去极化动作电位时程明显缩短以拮抗由1 受体激动刺激ICa-L有关的动作电位时程延长。,某些情况下ICl-swell和ICl-cAMP于平台期激活 其明显的外向电流使动作电位时程明显缩短,囊性纤维化跨膜电导调节体 (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR),心肌细胞的电活动,心肌细胞的分类,工作心肌 心房/室肌细胞 兴奋性 传导性 收缩性 执行泵血功能,特殊传导系统 窦房结 房室交界区（房室结/房室束/左右束支） 浦肯野纤维 自律性 兴奋性 传导性 产生和传播兴奋 控制心脏活动的节律,心肌细胞的跨膜电位,- 细胞膜内外电位差,静息电位 （resting potential RP）静息状态下细胞膜内外的电位差自律细胞用最大舒张电位（maximum diastolic potential, MDP）来代表RP,窦房结细胞：-50 -65 mV心房肌细胞：-80 -90 mV房室结细胞：-60 -70 mV浦肯野纤维：-90 -95 mV心室肌细胞：-80 -90 mV,Chemical gradients and currents across the resting potential,+ + + + + + + + + + + + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _,Ei (mV) -47 -94 +67 +130,静息时K+电导 Na+电导，RP接近于EK。,A,A,内向整流钾通道（IK1）,内向整流钾通道（IK1）,静息期细胞膜的电活动 内向整流钾通道（IK1）钠背景电流（Na+ background current） 钠-钾泵（sodium-potassium pump）活动钠-钙交换：由钠-钙交换体（Na+-Ca2+ exchanger）介导,0 mV,动作电位（action potential, AP）心肌细胞兴奋时产生的可以扩播的电位变化包括去极化和复极化两个过程,去极化和快钠离子流,电压门控钠通道（voltage-gated Na+ channel，INa通道）开放，Na+快速流入细胞 阈电位（threshold potential）约为-70 mV钠通道的三种功能状态：备用（静息）：通道关闭，但受到刺激可以开放。包括复 活（reactivation）状态。激活：开放失活：通道处于不仅关闭、而且受到刺激也不能开放。 失活的快钠通道的再度开启钠通道阻断剂：河豚毒（TTX）,1期（phase 1）复极化：主要由瞬时外向离子流（transient outward current，Ito），载荷离子是K+CL-INa通道的失活和Ito通道的激活共同形成了1期 Ito通道也具有激活门和失活门，通道在激活后很快就失活关 闭，故名“瞬时性”通道。,复极化及其离子流机制,2期复极化L型钙电流（long-lasting Ca2+ current，L-type Ca2+ current，ICa-L） Ca2+内流IK1 IK1通道内向整流特性 阻止了K+的进一步外流 随着动作电位复极化到接近静息电位时 内向整流现象解除 K+又可经IK1通道外流而加速最后的复极化过程IK延迟整流钾电流（delayed rectifier K+ current, IK）,心室肌细胞动作电位时程中ICa-L幅值的变化,心室肌细胞动作电位时程中IK1幅值的变化注：由于内向整流特性，从动作电位去极化到平台期， IK1幅值锐减；在3期后期，内向整流现象消除，而驱使IK1外流的动力大于静息状态，所以IK1幅值暂时超过正常。,3期复极化约需100150 ms3期复极化主要是由于Ca2+内流逐渐停止和K+外流逐渐增加所致延迟整流钾通道（delayed rectifier K+ channel，IK通道）是3期K+外流的主要通道,狗心室肌细胞动作电位复极化过程中延迟整流钾电流IKr和IKs幅值的变化,4期（静息期）此时膜电位复极化至静息电位并稳定在此电位水平离子泵（特别是钠-钾泵和钙泵） 离子交换体（如钠-钾交换体，钠-钙交换体等） 将Na+移出，并将流至膜外的K+移入，将胞质内升高的Ca2+移出细胞或/和移入肌质网的钙池，使胞质内的离子水平恢复到高钾、低钠和低钙的静息正常水平。,0,1,2,3,4,Five phases of ventricular AP,Ion currents in human atrium & ventricle,心房肌AP特点：1期复极较迅速，平台期不明显，3期复极和静息期有KAch通道参与。,自律心肌细胞的电活动If通道与快反应自律细胞的舒张期自动去极化最大舒张电位（maximal diastolic potential）普肯耶细胞的舒张期自动去极化机制：If（内向电流）和IK（外向电流）但以If为主If通道：在超极化时激活，是一种超极化激活的阳离子通道（hyperpolarization-activated cation channel，Ih channel），允许Na+和K+通过，因此If电流是一种内向Na+流和外向K+流的混合离子流，但以Na+内流为主,慢反应自律细胞的舒张期自动去极化机制 至少与IK、If和ICa-L三种离子流有关： IK电流的去激活衰减：外向电流 If离子流的激活： Na+内流为主，K+外流为辅。 P细胞的If电流幅值远小于普肯耶细胞 ICa-T离子流（transient Ca2+ current，T-type Ca2+ current，ICa-T） ：ICa-T通道的激活电 位约为-50 mV，ICa-T通道开放后形成一个短 暂、微弱的内向Ca2+电流，可能参与P细胞的 起搏活动。 阻断剂： Ni2+和miberfradil,舒张去极化由外向电流IK的衰减和内向电流If，ICa-T的增加引起。,0期去极由ICa-L引起，没有1期和2期，3期由IK引起，有4期自动去极化过程。,SA,Action potentials of different autorhythmic cells,AV,PF,SA node AP shows a deeper slope of pacemaker potential, and has the fastest pacemaker rates of 90-100 beats/ min and so is the normal pacemaker.,The AV node is the next fastest (40-60 beats/min). In normal conditions helps spread AP to ventricles from right atrium,Purkinje fibers have 15-30 beats/ min. Under normal conditions helps spread AP to rest of ventricles,ICa,INa,ICa,* AV node, His-Purkinjer fiber are thought to be “Latent pacemaker regions,Electrical Activity in the Heart and ECG,P wave: nP-R interval: iaQRS Complex: Q-T interval: T wave: AP phase 2, duration of ventricles contraction.Ventricles Repolarize.,P,T,心律失常的发生机制,心律失常是指心脏激动的起源、频率、节律、传导速度和传导顺序等异常。,自律性提高 窦房结起博功能的改变和异位起博活动的出现均可引起心律失常正常自律机制改变异常自律机制形成,心律失常发生的几个基本机制,触发活动 触发活动(triggered activity)指冲动的形成是由于紧接着一个动作电位后的第二次阈值除极即后除极（afterdepolarization）所造成触发活动引起AP发放，是常见的形成心律失常的机制。,早后除极（early afterdepolarization, EAD）发生在完全复极之前 常发生于2、3相复极中 APD过度延长时易于发生早后除极所触发的心律失常以尖端扭转型 (torades de pointes)心动过速常见诱因有药物、低血钾等,后除极有两种类型,迟后除极（delayed afterdepolarization, DAD）细胞内Ca2+超载情况下发生于动作电位完全或接近完全复极时的一种短暂的振荡性除极诱因有强心苷中毒、心肌缺血、细胞外高钙等,尖端扭转型心律失常心电图,折返 折返（reentry）是指一次冲动下传后，又可顺着另一环行通路折回而再次兴奋原已兴奋过的心肌，是引发快速型心律失常的重要机制之一。,解剖性环行通路产生条件 存在解剖学环路 环路中有单向传导阻滞或各部位ERP不一致 折回的冲动落在原已兴奋心肌的不应期之外功能性环行通路,正常心肌,单向传导阻滞,折返形成,预激综合征中房室折返环路的形成,折返与心室颤动,几种心律失常发生的分子机制,长QT综合征 (long QT syndrome, LQTS) LQTS是以心电图QT间期延长和发生恶性心律失常性晕厥及猝死为特征的一组症侯群,遗传性LQTS 是第一个被肯定的由基因缺陷引起复极化异常的心肌细胞离子通道病也是第一个从分子水平解释心律失常发生机制的疾病 分为多种亚型,心肌细胞离子通道的结构和功能改变所引起的离子流异常是心律失常发生机制的焦点,Long QT Syndrome,Long QT syndrome,LQTS亚型及突变基因,获得性LQTS 心力衰竭 心肌细胞APD延长 （Ito，IK1和IKs选择性下调） 复极异常不稳药物诱发LQTS 特别是阻断IKr通道的药物 如奎尼丁、索他洛尔、多非利特、硫利达嗪、特非那定、红霉素等其它 心肌缺血、心动过缓、代谢异常（如低血钾、低血镁和低血钙）。,RYR2通道功能异常所致心律失常钙释放通道 RYR2 基因突变可引起家族性儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速 二型致心律失常性右室发育不良,窦缓、交界性逸搏心律、等率房室分离、非阵发性交界性心动过速、房速、房扑、房颤、单形室早、双向和多形室速,电生理检查包括静点异丙肾上腺素未诱发室速、室颤，但记录到来自左后间隔的持续性室性心动过速，并可以被静脉注射的普罗帕酮终止,房颤,经典内向整流K+通道(IK1通道)占总内向整流钾电流的80以上 是心房肌复极末期的重要离子流内向整流特性 当膜去极化时对K+的通透性增高 反之复极时对K+的通透性减少维持了AP平台期各离子流的稳定 并加快末期复极 抑制Na+一K+泵 防止早期后除极和细胞过度超级化IK增强心肌细胞动作电位复极相缩短导致心肌有效不应期(ERP)和动作电位时程(APD)缩短心房肌复极离散度增加心房更易产生多环折返诱发AF,慢激活延迟整流性K+通道(IKs通道),KCNQ中的KCNQl-a亚单位KvLQTl蛋白Mink基因家族KCNE中的KCNEl-B亚单位minK蛋白KCNQl的S140G突变引起IKs通道功能增强IKs 心肌细胞复极时间缩短/ERP缩短,快速激活延迟整流性K+通道(Ikr通道),KCNE2编码的B亚单位 (HERG)编码的a亚单位共同装配而成KCNE2基因突变能减小lKr电流 引起AP延长 遗传性长QT综合症 但AF关系目前尚无明确报道,超快激活延迟整流性K+通道(Ikur通道),Ik