心肌細(xì)胞膜上離子通道的結(jié)構(gòu)與功能

心肌細(xì)胞膜上離子通道的結(jié)構(gòu)與功能

1960年至1970年，電壓鉗技術(shù)被應(yīng)用于心血管電生化的研究。它可以直接在細(xì)胞中測(cè)量不同的離子流，并在心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)極其復(fù)雜的離子通道。更主要的是80年代膜片鉗技術(shù)在心肌細(xì)胞上的應(yīng)用,可以觀察單個(gè)離子通道開放和關(guān)閉的規(guī)律,并且不斷發(fā)現(xiàn)新的離子通道,配合放射配基結(jié)合技術(shù)應(yīng)用和分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,使離子通道的研究進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。一、鈣離子通道(一)l型鈣通道在心血管疾病機(jī)制中的作用心肌主要以持久開放、失活緩慢的L型通道占優(yōu)勢(shì)。L型鈣通道,激活電壓較高(-30～30mV),單通道電導(dǎo)較大,通道衰減慢,持續(xù)活動(dòng)時(shí)間長,對(duì)雙氫吡啶類、硫氮卓酮類及苯烷胺類鈣拮抗劑敏感,無機(jī)離子Mn2+、Cd2+、La2+等均可阻斷此類通道。L型鈣通道普遍存在于各型心肌細(xì)胞。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞L型鈣通道由4種亞單位組成,即α1、α2、β、δ。α1是主要的跨膜單位,形成離子通道的導(dǎo)孔;α2以硫鍵與δ相連,具有增強(qiáng)α1的作用;β亞單位有利于電壓感受器的運(yùn)動(dòng)和通道開放之間的偶聯(lián),提高二者的“偶聯(lián)效率”,對(duì)鈣通道閘門起調(diào)節(jié)作用。L型鈣通道可能具有以下作用:(1)通過L型鈣通道的慢內(nèi)向鈣離子流構(gòu)成心室肌細(xì)胞動(dòng)作電位平臺(tái)期的基礎(chǔ);(2)Ca2+通過L型鈣通道內(nèi)流,激活Ca2+從肌漿網(wǎng)中釋放,對(duì)工作心肌的興奮-收縮偶聯(lián)過程起重要作用,如大鼠青春期后心室肌在收縮性、電生理特性和瞬時(shí)鈣電流方面有性別上的差異,ICa,L在10月以上雌鼠心肌有明顯下降,這種興奮-收縮偶聯(lián)方面的年齡、性別差異可能與肌漿網(wǎng)水平Ca2+控制性能有關(guān);(3)L型鈣通道電流與慢傳導(dǎo)動(dòng)作電位及某些心律失常的細(xì)胞機(jī)制,如早期后除極(Jannary等,1989)有關(guān),又如在心肌頓抑和再灌注心律失常中,氧化劑如次氯酸可作用于L型Ca2+電流,引起劑量依賴性ICa,L峰值和積分下降,而ICa,L的下降與再灌注時(shí)動(dòng)作中位時(shí)程(APD)縮短有關(guān)。(4)L型鈣通道是多種神經(jīng)遞質(zhì)、激素及藥物的作用靶點(diǎn)。有報(bào)道在人類心房肌、豚鼠和大鼠心室乳頭肌細(xì)胞中,17β-雌激素在三物種中均抑制ICa,L,且與性別無關(guān),表明心肌是雌激素作用的靶器官。實(shí)驗(yàn)表明ICa,L的降低可能是快速心房起搏導(dǎo)致頻率依賴性的APD縮短的原因。慢性心房纖顫(AF)心房肌細(xì)胞的ryanodine受體和鈣三磷酸肌醇酶發(fā)生變化,ryanodine受體和三磷酸肌醇(IP3)受體在AF中上調(diào),它們是細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放通道。在Ca2+和IP3的作用下使肌漿網(wǎng)釋放Ca2+,細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加,ICa,L就降低,因此AF中電重構(gòu)進(jìn)一步來源于鈣釋放受體的上調(diào)。另有AF的動(dòng)物模型顯示,心房不同部位的APD不同,在APD最長的區(qū)域,有較高的ICa;在APD較小的區(qū)域有較低密度的Ito,這種離子通道異常使心房組織產(chǎn)生混亂性折返,而控制復(fù)極和不應(yīng)期的離子通道即K+和Ca2+通道是觸發(fā)和維持AF的最佳候選者。(二)小鼠心肌組織中發(fā)揮功能開放時(shí)間較短,單通道電導(dǎo)較小,其活動(dòng)形式也為簇狀開放,且大多集中在階躍命令的早期。已證實(shí),ICa,t與心肌細(xì)胞活躍的生長狀態(tài)有關(guān)。有報(bào)道表明,出生后心臟發(fā)育和心肌肥大時(shí),有ICa,t的變化。Guo等用Wistar大鼠的心室肌細(xì)胞作15天培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)ICa,t進(jìn)行性減少,并與免疫標(biāo)記出的S期的細(xì)胞數(shù)量減少相平行。用穿透的膜片鉗技術(shù)研究犬Purkinje纖維細(xì)胞中L型和T型鈣電流在興奮-收縮偶聯(lián)中的作用發(fā)現(xiàn),Ca2+即可通過L型也可通過T型鈣通道引起心肌細(xì)胞收縮,T型鈣通道引發(fā)的收縮具有如下特點(diǎn):開始收縮延遲,收縮和舒張頻率較慢,收縮峰值下降,達(dá)到峰值時(shí)間延長。說明Ca2+通過T型鈣通道對(duì)肌漿網(wǎng)是較慢的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。(三)人參皂呤單體nh1、大豆皂呤ai、t-2毒素及t-2毒素的抑制劑對(duì)b型通道開放的影響為自發(fā)性通道,具有明顯的電壓依賴性。有研究表明人參皂甙單體Rh1、大豆皂甙AI、及T-2毒素等物質(zhì)可以使B型通道開放概率減小、開放時(shí)間縮短、關(guān)閉時(shí)間延長,而表現(xiàn)出明顯的抑制。二、鉀離子通道近年來已確定具有明確功能及動(dòng)力學(xué)特征的鉀通道有10余種,下面介紹幾種重要的鉀通道。(一)國外品質(zhì)和ik1的通道特性表1心肌細(xì)胞在靜息狀態(tài)下主要是對(duì)K+具有選擇性通透,內(nèi)向電流比外向電流更易通過通道,故此通道的電流稱之為內(nèi)向整流鉀電流IK1。該電流有如下特點(diǎn):(1)有時(shí)間依賴性激活和失活;(2)通道密度在心室肌細(xì)胞比在竇房結(jié)和房室結(jié)大10～100倍,在分離的單個(gè)心房肌細(xì)胞和心室肌細(xì)胞上,其IK1通道特性不同,這種差異可以說明這兩種細(xì)胞動(dòng)作電位曲線形態(tài)的不同;(3)IK1電流主要參與心房肌、心室肌靜息電位的形成,并直接影響動(dòng)作電位的平臺(tái)期,決定去極化反應(yīng)的時(shí)間,IK1的激活還可能引起心律失常;(4)在極度超級(jí)化狀態(tài)下,IK1通道也有失活表現(xiàn),并可分為快、慢兩相。(二)時(shí)期對(duì)竇房結(jié)細(xì)胞的激活作用在動(dòng)作電位平臺(tái)期激活,在動(dòng)作電位的快速復(fù)極末期即3期及哺乳動(dòng)物竇房結(jié)細(xì)胞的舒張期去極化中起重要作用,它有激活過程,也有失活過程。除尼索地平以外的鈣通道阻斷劑均為IK1的非特異性激動(dòng)劑。(三)ikatp通道Noma報(bào)道在豚鼠心室肌細(xì)胞上存在一種可被細(xì)胞內(nèi)ATP和其它腺嘌呤核苷酸抑制的K+選擇性通道,被命名為ATP-敏感的鉀通道IK(ATP)。對(duì)K+具有高度選擇性,它具有時(shí)間和電壓不依賴性,因其開放和關(guān)閉狀態(tài)的分布不隨膜電位而變化,只受細(xì)胞內(nèi)ATP濃度控制,其開放概率與膜電位呈鐘形依賴關(guān)系(在反轉(zhuǎn)電位時(shí)最大)且隨細(xì)胞外K+濃度變化而變化,開放通道的電流-電壓曲線上內(nèi)向整流特性明顯。IK(ATP)特異性阻斷劑是優(yōu)降糖、磺酰脲和tobutamideo。在大鼠心室肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),細(xì)胞外ATP可以由Gs蛋白介導(dǎo)以觸發(fā)激活心肌細(xì)胞內(nèi)腺苷酸環(huán)化酶,使心內(nèi)膜下ATP得以清除,同時(shí)增強(qiáng)IK(ATP),此電流與心肌細(xì)胞損傷時(shí)調(diào)節(jié)心肌功能有關(guān)。IK(ATP)通道的激活能明顯縮短心肌APD,心肌細(xì)胞APD的長短主要取決于動(dòng)作電位復(fù)極化過程中內(nèi)向及外向離子流間的平衡,內(nèi)向離子流的減少和/或外向離子流的增加均可導(dǎo)致APD的縮短。缺血和代謝抑制時(shí)心肌細(xì)胞APD明顯縮短,APD縮短能使Ca2+內(nèi)流減少,從而抑制心肌收縮力,減輕缺血恢復(fù)后強(qiáng)烈的Ca2+負(fù)荷影響,從這種意義上說IK(ATP)的開放(在缺血時(shí))對(duì)心臟是一種保護(hù)性機(jī)制。由于心肌肥厚時(shí)心肌相對(duì)缺血,IK(ATP)則可能參與心肌肥厚時(shí)APD縮短的機(jī)制。(四)ach濃度對(duì)通道宏觀活動(dòng)的影響研究發(fā)現(xiàn)Ach與M型受體結(jié)合后產(chǎn)生的負(fù)性變時(shí)、變力效應(yīng)與KAch通道的開放有關(guān)。IK(Ach)也具有內(nèi)向整流性,其通道活動(dòng)也表現(xiàn)為階段性的叢狀方式,通道開放概率隨Ach濃度的升高或超級(jí)化的增加而增加。缺血、缺氧時(shí),由于血管內(nèi)皮細(xì)胞的損害,血小板活化及缺血心肌脂質(zhì)過氧化等,產(chǎn)生大量血小板活化因子(PAF),PAF釋放而引起的KAch通道開放,可能參與了K+外流增加的形成。三、對(duì)心肌缺血的作用鈉通道的激活導(dǎo)致Na離子快速內(nèi)流,心肌細(xì)胞去極化,形成動(dòng)作電位的0相。它對(duì)心房肌細(xì)胞AP的上升支起了主要作用,同時(shí)也是心臟組織傳導(dǎo)速度的一個(gè)決定性因素。INa的減少對(duì)產(chǎn)生心房顫動(dòng)的基礎(chǔ)來說,是一個(gè)重要的機(jī)制。鈉通道可被河豚毒、貝介素、局麻藥和抗心律失常藥(AAD)等所阻斷。有報(bào)道河豚毒敏感的鈉通道在細(xì)胞去極化時(shí)開放,在激活大鼠心肌細(xì)胞的β-腎上腺素能受體(β-AR),或蛋白激酶A時(shí),可將這種鈉通道轉(zhuǎn)換為一種混雜離子的通道,Ca2+被允許象Na+一樣容易通過,稱為“滑動(dòng)模式電導(dǎo)”。纖克分子濃度的強(qiáng)心甙如哇巴因和地高辛即可將此鈉通道轉(zhuǎn)換模式,這可能是局部和全體心肌Ca2+信號(hào)或可興奮細(xì)胞的通用信號(hào)。心肌缺血持續(xù)到一定階段,遲發(fā)鈉電流(INal)引起[Na+]i大量增加,加重K+的丟失,使心肌損傷向不可逆方向發(fā)展。利用全細(xì)胞鉗技術(shù)觀察人心房肌細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn),R56856可以通過抑制INal防止心肌缺血和再灌注損傷。四、石l面向的分子質(zhì)量及膜電位對(duì)心肌功能的影響1989年Harvey等發(fā)現(xiàn)異丙腎上腺素(ISO)誘發(fā)的背景電流是一種Cl-負(fù)載的電流(ICl),這種被ISO激發(fā)的電流為一種時(shí)間不依賴性外向整流電流,該電流對(duì)Na+、Ca2+和K+通道阻斷劑均不敏感,表現(xiàn)出高度依賴與細(xì)胞膜兩側(cè)Cl-濃度梯度。其開放需要β-腎上腺素能激動(dòng)劑,在電極內(nèi)液加入cAMP可直接激活I(lǐng)Cl,因之將這種ICl稱為cAMP依賴性ICl。心肌上的Cl-通道具有離子選擇性,對(duì)不同陰離子的選擇順序?yàn)锽r->Cl->I-。ICl(cAMP)的外向整流性質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)陰離子濃度以及膜對(duì)它們的通透性有關(guān)。Ehara等分析了心肌Cl-通道的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)cAMP系統(tǒng)對(duì)Cl-通道的調(diào)控主要在于開放通道的數(shù)目多少,而對(duì)通道本身的動(dòng)力學(xué)特性并無任何影響。在生理狀態(tài)下,ECl應(yīng)在-65～-45mV范圍內(nèi)。當(dāng)膜電位比ECl低時(shí),ICl(cAMP)的激活產(chǎn)生內(nèi)向電流,使靜息膜電位去極化;而在膜電位高于ECl時(shí),ICl(cAMP)的激活則成為外向電流,有加速復(fù)極化的作用。膜的Cl-電導(dǎo)很小,因而內(nèi)向電流也很小,對(duì)靜息膜電位影響不大。而在動(dòng)作電位平臺(tái)期ICl(cAMP)的激活則是一種較強(qiáng)的外向電流,有明顯縮短動(dòng)作電位平臺(tái)期及動(dòng)作電位時(shí)程(APD)作用。ICl(cAMP)的另一個(gè)重要作用是對(duì)抗ICa的延長