心肌间隙连接通道及其意义

1、    心肌间隙连接通道及其意义        文章编号：1004-3934(2000)02-0102-03分类号：Q51文献标识码：AMyocardium Gap Junction Conductance and It's SignificanceZENG Yu-jie,YU Shi-long(Cardiovascular Disease Institute of Tongji Medical University,Hubei,Wuhan,430022)心肌组织的协

2、调收缩依赖于有序的电激动，电激动即动作电位从一个细胞传到另一细胞是通过细胞间隙连接(Gap Junction;GJ)进行的。GJ通道为离子流提供了一个低阻力电通道。心肌细胞GJ通道变化和心脏机能变化密切相关，其异常改变则成为心脏疾病的病理基础1。1GJ通道的结构GJ是细胞膜上的一个特定的区域。在该区，通过蛋白低聚体把相邻的细胞膜紧密连接起来形成GJ通道。GJ通道由特殊的蛋白构成。这些蛋白被称为GJ蛋白或通道蛋白(connexin;CX)。CX由一个多基因家族(至少12个基因)进行编码，目前已有十几种CX被克隆出来。CX分子的氨基端与羧基端位于细胞中，蛋白分子进出细胞4次，因而有两个袢在细胞外，

3、一个袢在细胞内。从N端到C端共有四个穿过细胞膜的疏水区，分别被称作M1、M2、M3、M4。6个CX围绕中央孔呈6角状排列形成半通道(connexon)，两个半通道分别跨过各自细胞膜，在膜外细胞间隙处紧密结合形成通道故称为GJ。通过通道的中央孔，相邻的细胞进行营养物质、代谢物质、离子以及1 000D(1 000u)以下的小分子物质(包括第二信使)的交换。这种短距离的信号和物质传递又叫“细胞与细胞的直接交流”。心脏GJ通道集中在闰盘GJ斑中。每个GJ中有几个至几千个通道不等，分别由不同的CX构成，其生理特性主要是由所含CX决定的。它们共同调节动作电位的传导，使整个心肌进行同步收缩。心脏中主要有CX

4、43、CX40、CX45等通道蛋白，其中以CX43最重要2，3。3GJ通道和心肌传导以及各向异性传导的关系成人心脏中GJ分布是不一致的。各组织中GJ通道种类、数量、空间分布是心肌电生理特性的重要决定因素。窦房结GJ小而且分布稀疏，CX主要是CX40、CX45、CX43。窦房结大约有55%的细胞仅表达CX40，30%35%的细胞则表达CX43、CX45、CX40，其余细胞没有CX表达。CX40广泛分布在窦房结区，CX43、CX45分布在邻近心房肌细胞分散的结细胞分支处4。房室结GJ也很小，主要含CX45和CX40，也有少量的CX43。心房肌的GJ比窦房结大，含有中等数量的CX40、CX43和CX

5、45。在希浦系GJ最大，通道主要是由CX40构成的。心室肌的GJ则含CX43、CX45，仅在心内膜和冠脉内膜有少量CX40。由于心肌组织中CX不同，所以心肌不同的组织其传导特性也是不一致的5。通过培养CX43基因缺陷表达的老鼠发现：当心室肌中CX43表达减少50%时，心室肌传导速度明显减慢。相反在心房肌，CX40减少50%时，传导速度则没有很大的变化。尽管心房心室均有大量的CX43通道，但作用效果明显不一样，说明CX43在心室电流传导过程中起到重要作用。CX45在心房和心室的数量几乎相等，CX40则仅存于心房和特殊传导系统，心室几乎没有CX40。由此推测；当心房CX43减少50%时，CX40可

6、以防止心房传导减慢，所以CX40可能在心房电传导过程中起主要作用。因此，CX43、CX40分别是心室肌和心房肌主要电偶联蛋白，分别决定各自心肌的传导速度6。用全细胞电压钳技术发现CX40通道较CX43的传导性强，电压敏感性高，并通过原位杂交和免疫荧光观察到蒲肯野氏纤维上CX40表达密度较其它组织高7。在培养CX40基因缺陷表达的老鼠身上发现，这些老鼠均出现程度不同的房室传导阻滞和束支阻滞。可以断定CX40也是希氏束和浦氏纤维的主要通道蛋白，决定它们的传导特性8。GJ通道在决定传导速度方面比离子流起到了更大的作用。通过实验观察膜离子流和GJ通道在决定心室肌传导方面的相互作用时发现，减少GJ通道较

7、减少细胞膜的兴奋性更能减慢心肌细胞的传导速度。而且，单纯减少细胞GJ通道可使心肌各方向兴奋能力不一致，以致产生单向传导阻滞9。另外，心肌细胞沿长轴方向传导速度远远大于横向传导速度，即传导有各向异性。心房肌的纵向传导速度是横向的1012倍，心室则为3倍。房室结中各向异性传导更显著。这不仅与肌浆网上离子通道有关，也与GJ通道有关。CX在心房肌两端的密度约为两侧的10倍，心室肌约为3倍，这与传导各向异性基本一致。心室肌细胞两侧的CX比心房肌多，这能使激动迅速从心内膜传到心外膜。心房肌细胞两侧CX较少，这可使窦性激动沿心房肌长轴迅速下传到房室结10，11。3GJ通道和心律失常的关系现已发现GJ通道的重

8、新分布和降解是引起心律失常的重要解剖学基础。这是因为GJ通道的重新分布和密度改变会导致相应传导速度和各向异性传导发生改变，产生传导减慢和单向传导阻滞，从而形成引起心律失常的环路1。在免疫组化标记成人正常的心室肌中，CX43通道呈簇状分布在闰盘中。心肌梗塞后，心室肌与梗塞愈会后疤痕界面间，CX43分布失去了正常形态，散布在变性心肌细胞侧面，形成心律失常环路。离心梗部位稍远的心室肌，CX43形态基本正常，但平均每个细胞CX43分布减少了30%12。缺血再灌注性心律失常的一个重要原因是再灌注心肌细胞偶联恢复不均匀，从而使心肌电活动与传导不一致。Kieval等13和Peter等14分别通过全细胞电压钳

9、技术和免疫荧光、激光共聚焦显微镜定量监测，发现缺血和再灌注心肌GJ面积由正常0.005 1um2/um3心肌细胞体积减至0.002 7um2/um3心肌细胞体积，通道传导减慢。再灌注后30分钟，细胞脱偶联程度较缺血早期更严重，此时，常发生恶性心律失常。通过尸检发现，典型预激综合征所有房室旁路均存在CX43。透射电镜发现左侧旁路由正常心室肌细胞组成，右侧旁路则无正常心肌细胞结构，但均存在CX43组成的GJ通道，推测可能因为不同CX43异构体造成了预激传导途径上的电生理差异15。通过动物实验发现，在持续房颤狗的心房肌上发现CX43表达增加，尤其表现在心房肌侧和侧连接上。心房肌细胞间的传导性也显著增

10、强。在对持续性房颤的狗进行射频电消融，7天后发现，CX43在消融区邻近的心房肌上显著减少，在消融后纤维化区域幸存的簇状心房肌细胞上CX43数量则明显上升，并伴有分布异常16。另外发现，由于成人心肌微纤维化，使细胞侧与侧连接通道减少，造成各向异性传导改变，出现传导阻滞和折返性心动过速17。在肥厚性心肌病的心肌中，GJ分布发生改变，GJ通道不再位于闰盘中，而是分布在细胞表面，相邻的细胞间侧和侧GJ通道大量增多，其形态也相应发生改变，有的则构成细胞电通道环路，由此构成心律失常病理基础，导致出现持续性心律失常18。4GJ通道的调节细胞学研究表明，GJ通道是动态的、可被精细调节的。GJ通道的递质传递可因

11、CX的异构、分布和密度等变化而受到影响。当细胞内变酸时，H+可使CX43羧基末端发生改变导致通道关闭19。据测定：CX43在pH5.8时关闭，CX45在pH6.3时就已关闭；当pH7.0时，CX43传导速率为40.8PS，CX45为17.8PS，当pH更低时速率改变更大由此可以看出CX45通道比CX43通道对pH的变化更敏感20。环磷酸腺苷(cAMP)通过不同的分子作用机制使心室CX43、CX45的密度上调，从而增加传导速度21。血管紧张素能增加CX43的合成，该过程可被血管紧张素(AT 1)受体阻滞剂Losartan抑制22。心室肌压力负荷急性增加时可增加CX43的表达，平均每个细胞CX43

12、密度增加45%。但当压力负荷持续存在时，心室肌CX43密度比正常减少40%12。钙调蛋白23和肾上腺素能受体激动剂24，能使GJ通道开放，电导增加。cGMP23和乙酰胆碱25则使电导减少。脂肪族代谢产物如：辛酸、庚酸等使电导下降26。心肌缺血时脂肪酸、长链肉毒碱等代谢产物积聚，使GJ通道关闭，细胞电导急剧下降27。有人报导，溶酶体和蛋白水解酶可以降解CX43，这可能和心梗后CX43密度减少有关28。最近，有人利用药物增加GJ通道偶联来改善心梗后引起的CX减少和重新分布，治疗由此引起的心律失常。新合成的多肽AAPIO(Gly-Ala-Aly-4Hyp-Pro-Tyr-ConH2)在心肌梗死模型上

13、应用显示，该物质可明显增加GJ通道偶联，从而增加GJ通道的传导性，因此具有抗心律失常作用29。5GJ通道研究展望随着技术不断向前发展，人们对GJ通道意义的认识越来越深入，这为心脏疾病的病理变化提供了新的理论根据，在治疗方面开拓了新的发展方向29。相信对心肌GJ通道的调节和控制将会成为治疗心脏疾病的一种重要手段和方法。作者单位：曾玉杰(同济医科大学心血管病研究所湖北武汉430022)于世龙(同济医科大学心血管病研究所湖北武汉430022)参考文献：1Severs NJ.Pathophysiology of gap junctions in heart diseaseJ.J Cardiovasc

14、Electrophysiol,1994,5(5):462-752Yeager M.Structure of cardiac gap junction intercellular channelsJ.J Struct Biol,1998,121(2):231-453Yeager M,Gilula NB.Membrane topology and quaternary structure of cardiac gap junction ion channelsJ.J Mol Biol,1992,223:929-484Kwong KF,Schuessler RB,GReen KG,et al.Dif

15、ferential expressions of gap uunction protein in the canine sinus nodeJ.Cire Res,1998,82(5):604-125Davis LM.Rodefeld ME.Green K.et al.Gap junction protein phenotypes of the human heart and conduction systemJ.J Cardiovasc Electrophysiol,1995,6(10pt1):813-226Thomas SA,Schuessler RB,BErul CI,et al.Disp

16、arate effects of deficient expression of connexin43 on atrial and ventrcular conduction evidence for Chamber-specific molecular determinants of conductionJ.Circulation,1998,97(7):685-917Bebl DA,Wang HA,Beyer EC.Unique conductance gating and selective permeability properties of gap junction channels

17、formed by connexin40J.Circ Res.1995,77:813-228Simon AM,Goodenough DA,Parrl D1.Mice lacking connexin40 have cardiac branch blockJ.Curr Biol,1998,8(5):295-89Ruly Y.show RM.Cardiac excitation:an interactive process of ion channels and gap junctionJ.Adv Exp Med Biol,1997,430:269-7910Luke RA,Beyer EC,Hoy

18、t RH,et al.Quantitive analysis of the cardiac gap junction protein connexin43J.Circ Res,1989,65:1450-711Sommer JR.Implications of structure and geometry on cardial electrical activityJ.Am Biomed Eng,1983,11:149-5712Peters NS.New insights into myocardial arrhythmogenesis distribution of gap-junctiona

19、l coupling in normal,ischemic and hypertrophied human heartsJ.Clin Sci,1996,90(6):447-5213Kieval RS,Spear JF,Moore EN,et al.Gap junctional conductance in ventricular myocyte pairs isolated from postischemic rabbit myocardiumJ.Circ Res 1992,11:127-3614Peter NS,Green CR,Plloe-Wison PA.Reduced content

20、of connexinre gap junction im ventricular myocardium from hypertrophied and ischemic humen heartJ.Circulation,1993,88:864-7515Peter NS,Rowland E,Bennett JG,et al.The Wolff-Parkinson-White syndrom:the cellular substrate for conduction in the accessory atrioventricular pathwayJ.Eur Heart J.1994.15(7):

21、981-98716Elvan MD,Huang MD.Milton L,et al.Radiofrequency catheter ablation of the atria eliminates pacing-induced sustained atrial fibrillation and reduces connexin43 in dogsJ.Ciculation,1997,96(5):1675-8517Spach MS.Berneen TP.Microfibrosis produces electrical load variations due to loss of side-to-

22、side cell connections:a major mechanism of structural heart disease arrhythmiasJ.Pacing Clin Electrophysiol,1997,20(2pt,2):397-47318Sepp R,Severs NJ,Gourdie RG.Altered patterns of Cardiac intercellular junction distribution in hypertrophic cardiomyopathyJ.Heatr,1996,76(5):412-41719Morley GF,EK-Vitor

23、in JF,Taffet SM,et al.Structure of connexin43 and its regulation by PhiJ.J Cardiovasc Electrophysiol,1997,8(8):939-95120Hermans MM,Korstekoas P,Jongsma HJ,et al.PH sensitisity of the cardiac gap junction proteins,connexin43 and connexin45J.Pflugers Arch,1995,43(1):139-14021Darrow BJ,Fast VG,Kleber A

24、G,et al.Functional and structural assessment of intercellular communication:Increased conduction velocity and enhenced connexin expression in dibustyryl cAMP-treated cultured cardiac myocytesJ.Circ Res,1996,79:(2):174-8322Dodge SM,Beardslee MA,Darron BJ,et al.Effects of angiotensin ll on expression

25、of the gap junction channel protein connexin43 in neonetal rat ventricular myocytesJ.J Am Coll Cardiol,1993,32(3):800-80723Peracchia C,Girsch SJ.Functional modulation of cell coupling:Evidense for a calmodulin-driven gateJ.Am J Physiol,1985,248:H765-H78224Burt JM,Spray DC.Ionotropic agents modulate gap junctional conductance between cardiac myocytesJ.Am J Physiol,1988,254:H1206-H121025Randriamampita C,Giaume C,Neyton J et