心肌细胞钾通道的功能及机制

心肌细胞钾通道的功能及机制

20世纪60年代至70年代，该算法用于心血管电生化研究，可以直接在细胞中测量不同的离子流，并在心肌细胞中发现极其复杂的离子通道。钾离子通道是发现的亚型最多、作用最复杂的一类通道,分为延迟整流K+通道、瞬时外向钾通道、内向整流钾通道、三磷酸腺苷敏感钾通道(ATP-sensitiveK+channels,KATP)和乙酰胆碱敏感性钾通道(theacetylcholine-activatedK+channels,KAch)5大类,且都与心律失常的发生、发展密切相关。1ikr通道的结构及其功能延迟整流K+通道是复极3期主要外向离子流,根据激活与失活的动力学和它们对阻滞剂敏感性的不同,将其分为3类,即快速激活延迟整流钾电流(therapidlyactivatingcomponentofthedelayedrectifierK+current,IKr)、缓慢激活延迟整流钾电流(theslowlyactivatingcomponentofthedelayedrectifierK+current,IKs)和超速延迟整流钾电流(theultrarapidcomponentofthedelayedrectifierK+current,IKur)。IKr、IKs对调节心肌细胞动作电位2期平台期的终止及3期复极化具有重要意义。IKr、IKs通道异常或数目上调、下调均可导致心律失常的发生,故IKr、IKs通道是心律失常发生及抗心律失常药物作用的重要靶点。1.1IKrIKr在-30mV时激活,然后迅速失活,在正电位时,由于快速的电压依赖性C型失活,产生强大的内向整流。内向整流的形成是因为在正电位时通道失活比通道激活迅速,并且限制了通道处于开放状态的时间。在复极化时,IKr通道复活比失活迅速,在电位差从0mV到负值的过程中,产生强大的外向电流,推动了3期复极化。因此,IKr与心肌细胞动作电位时程和有效不应期密切相关。IKr被证实存在于人类的心房和心室肌细胞、兔的窦房结和房室交界及浦肯野细胞。研究发现,在兔的窦房结,IKr通道在起搏点活动和IKr阻滞剂降低舒张期去极化速度中起作用。兔IKr通道密度心房比心室高,然而,人类Ether-a-go-go相关基因(HERG)在心室高表达。HERG和MiRP1基因分别编码IKr通道的α亚基和β亚基。IKr通道可能由4个α亚基形成嵌合体组装而成。α亚基由1159个氨基酸组成,具有6个跨膜片段,S5、S6间可形成选择性滤过的孔道。β亚基有123个氨基酸,只有一个跨膜单位,不能单独构成功能性通道。当MiRP1与HERG共表达时,MiRP1可以使HERG激活曲线移向正方向,加速失活,降低单个通道的电导,调节环磷酸腺苷对IKr通道的直接刺激。HERG的S4-S5联接和S6的C-末端是通道激活门的关键部位,这些部位的点突变对通道的激活和失活及电压依赖性有显著影响。HERG的N末端参与缓慢失活过程,该部分突变可以加速HERG通道的失活,减少通过HERG通道的外向电流,进而导致2型长QT间期综合征。MiRP1基因突变可导致6型QT间期延长综合征。IKr通道是Ⅲ型抗心律失常药物甲磺酸酯基作用的靶点。这些药物可以减少通道开放的次数,在传导速度没有明显改变时,IKr阻滞剂延长心房和心室肌动作电位时程(QT间期延长)和有效不应期。1.2IKsIKs在正电位到-30mV以线性电流-电压关系缓慢激活,在+20mV达到最大值的一半。因此,IKs在动作电位持续期引起心房肌和心室肌的复极化是动作电位时程缩短引起心率改变的决定因素。心率增加时,IKs通道没有时间去激活,导致开放通道的增加和快速的复极化。在豚鼠缓慢去激活的IKs导致有助于窦房结细胞缓慢舒张期去极化外向电流的减少。IKs通道由4个α亚单位和2个β亚单位组成,KCNQ1和KCNE1分别编码IKs通道的α亚基和β亚基,KCNQ1编码含有676个氨基酸的蛋白质-KVLQT1蛋白,即IKs的α亚单位,由6个螺旋跨膜片段(S1～S6)、1个孔区及细胞内外的氨基(N-)和羧基(C-)末端组成,孔区域是一个嵌插环,镶嵌于S5和S6之间,该区域的氨基酸序列(TxGYG)在Kv通道中是高度保守的。S区域包含数目众多的正电荷氨基酸作为电压传感蛋白在电压依赖性激活动力学中起作用。KCNE1编码含有129个氨基酸的蛋白质-minK蛋白,即IKs通道?亚单位,存在单独跨膜区域,N末端在胞外,C末端在胞内。IKs为慢激活整流钾电流,IKs激活非常缓慢,其激活时间大于3s,在保持除极时无明显失活,KCNE1调节IKs阻滞剂和激动剂的效果。胞外低钾和低钙可以增加IKs。通过环磷酸腺苷的蛋白激酶A刺激,磷酸二酯酶抑制剂和β-肾上腺素能激动剂增加IKs的密度,产生频率依赖性缩短APD。KCNQ1/KCNE1通道形成大分子信号复合物,该复合物通过结合靶蛋白yotiao到KCNQ1的C-末端亮氨酸拉链基序被调节。yotiao是一种支架蛋白,它结合和招募蛋白激酶A和蛋白磷酸酶1到通道的微观区域,经由N-末端一个残基的磷酸化调节通道。1.3IKur心房肌细胞在平台期K+电流迅速激活(t<10ms)表现为外向整流和动作电位时程中的缓慢失活。IKur主要存在于人类的心房肌,因此是人心房复极化的主要延迟整流电流。IKur在人类心房中主要由Kv1.5(KCNA5)和Kvβ1.2(KCNAB1、KCNAB2)组成,Kv1.5编码IKur通道的?亚单位,是参与心肌细胞复极化和生物电稳定的重要通道,是天然心肌电流IKur的分子基础,Kv1.5亚单位和Kvβ1.2亚单位的共同表达构成和人心房的IKur。Kv1.5蛋白主要存在于人类心房和心室的闰盘。Kv1.5通道的激活和去激活迅速,其激活甚至比IKr还迅速,因此命名为IKur,但是它的失活是缓慢和不完全的。IKur在强去极化中表现为外向整流和非常缓慢的失活。大鼠心室肌Kv1.5的过度表达可以导致心律失常。体外Kv1.5电流的电生理学研究只是涉及到人类心房组织。hKv1.5在室性心律失常中的作用仍需要解释。膜的去极化和胞外钾离子浓度升高,抑制Kv1.5。异丙肾上腺素增加人类心房肌IKur,这种效果可以通过腺苷酸环化酶直接模拟,被蛋白激酶A抑制肽抑制。在普奈罗尔存在的情况下,苯肾上腺素抑制IKur,该效果可以蛋白激酶C抑制剂bisindolymaleimide抑制。这些结果提示,β肾上腺素刺激IKur增加,α肾上腺素能刺激抑制IKur。并且,这些活动分别是通过蛋白激酶A和蛋白激酶C调节的。Kv1.5通道和人凝血酶或者大鼠5羟色胺1c受体共表达,两种受体增加磷脂酶C活性,在不改变激活动力学或者电压敏感性的情况下抑制Kv1.5电流的幅度。hKv1.5通道可以通过其N-末端定位于富含脯氨酸的Src酪氨酸激酶的SH3区域而与酪氨酸激酶联系,Kv1.5与v-Src的共表达导致通道的酪氨酸磷酸化和电流抑制。2其他基因家族编码心脏中的IK1主要分布在心房肌和心室肌,主要功能是维持细胞膜静息电位,同时也是复极3期的主要电流。Kir通道由两次跨膜亚单位的四聚物组成,在正电位时可被胞内Mg2+和多胺阻断。Kir2.1通道产生IK1,在心室复极化中起作用。KCNJ2基因编码Kir2.1亚单位,共同组成四聚体通道。在人类心房肌细胞记录到几个IK1通道的电导分别是9、21、35、41ps。同样,在人类心脏发现不同基因家族编码。在豚鼠心肌Kir2.1过度表达增加IK1密度,缩短APD,静息膜电位超极化;IK1基因抑制可产生相反的效应。在靠近C-末端和M2区域控制Kir2.1与其他Kir亚单位相互作用。整流性IK1可由于胞内Mg2+、Ca2+和多胺(精胺、精脒和腐胺)作用于内部通道孔隙产生电压依赖性阻滞。Mg2+在低KD(10.5μmol/L+30mV)时阻滞单个IK1通道,因此在生理浓度下,胞内Mg2+阻滞的迅速内向整流表现为瞬时过程。多胺诱导的内向整流依赖于两个负电荷残基D172和E224,分别定位于M2区域和C-末端区域。Ba2+是IK1的有效阻滞剂(IC50=20μmol/L),IK1阻滞剂延长心房、房室结和心室的APD,对各种试验性折返性室性心动过速产生拮抗作用。心率加快增加胞内[K+]到几个mmol/L和IK1密度,在这种情况下可导致APD缩短,抵消IKr阻滞延长APD的能力。异丙肾上腺素和福斯高林抑制人类心室肌IK1,表明IK1可以被蛋白激酶A调节的磷酸化通道抑制,此外,异丙肾上腺素的作用可被普奈罗尔和乙酰胆碱抑制。在人类心房肌,甲氧明(methoxamine)抑制IK1,该作用可被特殊的蛋白激酶C抑制剂H-9抑制,说明α1-肾上腺素刺激通过蛋白激酶C依赖途径降低IK1。3ito通道孔道形成原因Ito是参与心脏动作电位复极化的主要膜电流,通道开放表现为瞬时净外向电流,随之关闭,形成动作电位的1期,对动作电位时程和形态有较大影响。Ito在心房组织、浦肯野纤维、心外膜和中层细胞膜的密度比心内膜高4～6倍。在人类心内膜细胞Ito比心外膜和中层细胞慢,并且恢复缓慢。在犬齿类右心房附属物,Ito密度比界嵴、梳状肌和AV环区细胞密度低。在犬齿类右心室中层细胞Ito密度比左心室高,这是心电图上J波形成的原因。Kv1.4和Kv4是构成Ito通道孔洞的亚单位。Ito有2种不同的成分,一种为快速瞬时外向钾电流,另一种为慢速瞬时外向钾电流。Kv4钾通道是由6个跨膜肽段及其间的连接肽段组成,6个跨膜片段(S1～S6)构成电压依赖性K+通道的主体部分,N末端和C末端在细胞内,分别与S1和S6相连。S4是电压感受器,由19个氨基酸组成,感受电压变化和通道激活。S5～S6之间的P环是通道最狭窄的区域,是钾通道孔道形成和药物及化学物质结合的部位a。许多激素和(或)旁分泌系统参与调节Ito表达和电流幅度的大小。蛋白激酶A和蛋白激酶C通过磷酸化改变通道的动力学特性和(或)细胞表面激活通道的表达调节Ito。蛋白激酶C增加Ito的失活,延缓失活Ito1的复活。α肾上腺素能激动剂phenyleprine和甲氧明降低大鼠心室肌Ito1,而β肾上腺素能激动剂对Ito1没有作用。苯肾上腺素和碳酰胆碱分别在α1受体和M1受体共表达时抑制Kv4.3电流,并且这种也可被白屈菜红碱阻断,提示可能是通过蛋白激酶C激活调节的。4katp通道心肌KATP被胞内生理学水平的ATP抑制,将细胞代谢与膜电位耦联。内向整流机制包含了胞内Mg2+和Na+对开放通道的阻止。KATP由完全不同的两类亚单位组成,即内向整流钾通道Kir和ABC蛋白组成的复合体。Kir通道有Kir1～6共6个亚家族,心肌细胞为Kir6.2,ABC蛋白之一的磺酰尿受体SUR为KATP通道的调节体,它也有许多亚型,即SUR、SUR2A和SUR2B等,心肌细胞为SUR2A。拓朴研究表明,KATP通道是由Kir和SUR按照1∶1组成的四聚体。心肌KATP通道可分为肌纤维膜KATP(sarcolemmalKATP,sarcKATP)通道和线粒体KATP(mitochondrialKATP,mitoKATP)通道。激活心肌sarcKATP通道能显著影响心肌电兴奋性,其通过加速三期复极来缩短心肌动作电位时程,阻滞Ca2+通过L型钙通道进入细胞,防止钙超载。在生理状况下,ATP水平升高时,sarcKATP通道关闭;在局部缺血时,细胞内ATP下降,二磷酸腺苷上升,sarcKATP通道开放增多。Budas等研究发现sarcKATP通道表达的数量能调节心肌代谢应激的阻力,sarcKATP通道数量上升可能会提高细胞对低氧耐受力,相反抑制sarcKATP通道数量上升可能阻断缺血预适应。KATP通道能被米诺地尔,克罗卡林,吡那地尔等多种复合物激活。sarcKATP通道开放能改变Na+-K+ATP酶活性,缩短心肌动作电位时程,储备高能磷酸。5其他a/n-抑制剂激活ikach通道乙酰胆碱激活K+通道存在于窦房结的起搏细胞和心房肌细胞,调节心率。心房IKAch的密度大约是心室的6倍,IKAch主要由两个Kir3.1和两个Kir3.4亚基组成的四聚体构成。乙酰胆碱与M2受体结合,PTX-敏感性G蛋白的Gβγ亚单位通过与胞质的N-和C-末端直接相互作用激活KAch通道。IKAch激活引起膜电位的超极化,降低窦房结和房室结起搏细胞的自发性,延缓房室结的传导性。胞内ATP、PIP2和ETA内皮素、μ阿片肽、α2-肾上腺素能和A1腺苷受体拮抗剂激活IKAch、胞内酸中毒和一些抗心律失常的药物