ATP敏感性钾通道

摘要：ATP敏感性钾通道（ATP-sensitivepotassiumchannel，KATP）于1983年由Noma首先在豚鼠的心肌细胞上发现，其特征是通道活性随胞内ATP浓度升高而被显著抑制。KATP通道现已证明多种组织细胞包括人的心肌细胞存在该通道，尤其在心肌缺血、室性心动过速、心衰的情况下，是重要的心脏保护因子，对于指导临床药物治疗、靶点的选择上具有重要的指导价值，本文将具体阐述KATP在心肌中的分布及生理功能。关键词：ATP敏感性钾通道；电生理特性；生理功能分子生物学研究表明，KATP通道是两个亚基构成的复合体，即内向整流钾通道(inwardly-rectifyingpotassiumchannel，Kir)和ATP结台蛋白超家族成员磺酰脲类受体(sultfonylureareceptor，SUR)，Kir亚基有Kir6.1和Kir6.2，形成通道的离子孔道；SUR又分为SUR1和SUR2(SUR2A，SUR2B)，调节KATP的功能及药物和ATP对通道的敏感性。不同的Kir亚基和SUR亚基相互结合，形成了不同组织KATP分子结构的多样性，而分子结构的不同又决定了不同组织KATP功能特征的复杂性。日前认为，心肌细胞KATP是由Kir6．2和SUR2A组成；胰腺口细胞KATP由Kir6.2和SUR1组成；血管平滑肌KATP由Kir6.1和SUR2B组成。但Pu等[1]敲除小鼠心肌细胞SUR2亚基上的NBD1区即格列苯脲的作用位点，仍能用免疫组织化学、共沉淀和PCR技术证实存在NBD2和格列苯脲敏感的K+通道，这说明心肌细胞膜上的KATP通道有不同的种类组合。KATP的功能取决于SUR和Kir亚基的分子连接方式。1KATP的分布及电生理特性Morrissey等[2]研究鼠心脏KATP通道每个亚基的分布，结果发现Kir6.1在心室肌细胞，冠状动脉平滑肌和内皮细胞中有表达，内皮毛细血管中也有Kir6.1蛋白表达。Kir6.2主要在心室肌和内皮细胞中表达，而平滑肌细胞中没有表达。SUR1在心室肌细胞表面强表达(但是冠脉系统中无表达),而SUR2主要在心肌和冠状动脉血管（主要是小血管）表达。在离体心室肌细胞T管中Kir6.2和SUR2共表达，在肌纤维上Kir6.1和SUR1亚基强表达。Singh等[3]通过共聚焦显微镜和亚细胞结构分离的方法亦发现Kir6.2andSUR2A大都分布在心肌上，大多数Kir6.1分布在细胞内，从而推断心肌KATP是Kir6.2/SUR2A组成的低聚体。在T管内是SUR2B占优势。尽管Kir6.0亚基不在个别横纹肌表达，作者推断T小管类似心肌KATP由Kir6.2/SUR2B组成，至今认为Kir6.2是心肌KATP的主要成分，Kir6.0亚基和相对含量较少的Kir6.1亚基在个别膜表面分布。KATP的主要特性有：①与细胞膜内、外K+浓度密切相关。KATP通道对K+有高度的选择性通透作用，而对Na+的通透性极低。在心肌细胞膜，当电位为0，膜内、外K+浓度差为140mmol·L-1时，KATP单通道电导为80S。在血管平滑肌细胞膜内K+浓度为120mmol·L-1，膜外为60mmol·L-1时，KATP单通道电导为130s，高于心肌细胞。②通道的活性受细胞内的ATP浓度调节。与电压依赖型的钾离子通道不同，KATP通道不受细胞膜电压的调节。③KATP通道受G蛋白的调节。激活细胞内的G蛋白，可以拮抗ATP对通道的抑制作用，使KATP通道开放。2KATP的生理功能2.1心肌缺血的保护因子在正常心脏组织中，KATP通道由于细胞内高浓度ATP而处于抑制关闭状态，并不参与动作电位的形成和兴奋收缩偶联，在缺血的情况下（[ATP]i较低时）KATP开放，缩短动作电位时程，K+外流，加速复极，使动作电位平台期缩短，电压依赖型钙离子通道活性下降，Ca2+内流减少，抑制心肌收缩，因此作为心肌缺血的保护因素[4]。也就是说，外向钾电流增多使动作电位时程缩短，因此降低Ca2+内流以及细胞内Ca2+浓度，储存ATP。KATP通道通过控制胞质中Ca离子内流缩短动作电位。临床上对于急性心肌梗死的患者是否进行急诊血管再通治疗，体表心电图的ST段变化是经典的临床指征。Li等[5]发现在Kir6.2敲除的小鼠中，由于结扎左冠脉产生透壁前壁心肌梗死后，ST段无明显变化，而野生型小鼠在血管结扎所致缺血性损伤后即刻产生明显的ST段上升。因此KATP的功能对于临床急性心梗再灌注治疗有着一定的指导意义。因此在低氧条件下，ATP敏感性钾通道被激活，引起动作电位时程缩短和细胞外钾离子蓄积，减少钙离子内流，对心肌有一定的保护作用；但过度的钾离子外流，对心肌则有损害，甚至诱发心律失常[6]，KATP持续开放，动作电位时程缩短，可导致折返性心律失常，可能加速心肌细胞死亡。提示ATP敏感性钾通道的开放，可能是低氧引起心肌损伤的一种内源性机制，APD缩短导致折返性心律失常，此为KATP的二重性。在缺血性心肌损伤中线粒体KATP可能发挥着比质膜KATP更重要的保护作用，在缺血预适应中发挥着终末调节因子的作用[7]。既往研究发现Kir6.1主要和心室肌线粒体相关，使用抗Kir6.1血清抗体通过共聚焦显微镜明确Kir6.1亚基在细胞内的分布和心肌结构的特点。Singh等发现Kir6.2也存在于线粒体中[3]，线粒体KATP通道对钾离子通道激动剂，如二氮嗪和KATP通道拮抗剂5-hydroxydecanoate(5-HD)，如尼可地尔、吡那地尔更加敏感，但是对P1075不敏感。而质膜KATP[8]对P1075敏感。HMR-1098为特异性的质膜KATP通道阻滞剂。Das等[9]研究质膜KATP和mitoKATP特异性阻滞剂和激动剂在冠脉堵塞之前，之间和再灌注之后对生存率和再灌注性心律失常以及梗死面积的影响，第一组心肌在结扎左主干30分钟后出现缺血所致心律失常，第二组在同样冠脉结扎20分钟后再灌注产生心律失常。2组早期静脉应用尼可地尔、吡那地尔、HMR1883（质膜KATP特异性阻滞剂）/尼可地尔，HMR1883/吡那地尔，在缺血前和缺血时应用能够提高生存率，明显降低致死性心律失常的发生率，减少梗死面积。然而在再灌注前应用上述药物不能提高生存率，没有抗心律失常和心脏保护作用。在第二组的所有亚组中梗死心肌中的坏死区有高浓度的丙二醛，低水平的还原型谷胱甘肽和超氧化物歧化酶表明尼可地尔、吡那地尔没有明显的抗自由基功能，因此推测线粒体KATP通道激动剂能够使线粒体产生活性氧，缺血预适应及抗心律失常作用。Quindry等[10]试验证实这一观点，雌鼠被随机分配至具有心脏保护的踏车运动组中或者在缺血再灌注之前的平静状态组，运动组在缺血再灌注之前，分别接受线粒体KATP抑制剂（5-HD）或者质膜KATP(HMR1098)抑制剂，ECG显示线粒体KATP抑制剂削弱了抗心律失常作用，而质膜KATP抑制剂却相反。尽管在静息和活动后线粒体KATP抑制的心脏中氧化应激明显增强，但是在缺血和再灌注心肌中，内源性抗氧化物酶活性，超氧化物歧化酶，过氧化氢酶谷胱甘肽过氧化物酶活性增强，这些发现表明做为运动介导心肌保护防止缺血再灌注中，线粒体KATP提供抗心律失常保护作用，更多的，这些数据显示抗心律失常作用可能和运动后心脏氧化还原反应平衡相关。2.2室性心动过速的保护因子触发激动是一种激动形成的异常，细胞内Ca2+超载及K+外流减少均可诱发触发激动。很多研究表明，运动或儿茶酚胺增高性室性心动过速与细胞内Ca2+超载有关。通过离体动物心室乳头肌及体内的研究发现，小剂量钾通道开放剂拮抗EAD及触发激动的形成。此外，ATP耗竭本身也可以抑制Ca2+的振荡释放、抑制肌浆网上的钙泵摄取Ca2+，使KATP开放，终止并抑制DAD、EAD致触发性心律失常。代谢作用敏感性心肌KATP通过调整膜激动性以适应儿茶酚胺压力下细胞能量需求，表明通道功能对心肌电稳定有很大作用[11]。肾上腺素激动对野生型小鼠来说，动作电位的缩短，产生平滑的去极化曲线，没有早期后除极，而在KATP缺乏的心肌中，肾上腺素激动产生早期后除极，从而触发激动和室性心律失常[11]，KATP敲除小鼠的异常电活动和在肾上腺素刺激下产生对冠脉血流减少无关，这种早期后除极易产生触发活动，扰乱正常节律，产生室性早搏。KATP开放在触发激动的形成机制中，间接抑制因L-型钙电流增大所致APD的延长作用，对心室肌细胞具有保护作用，为KATP激动剂用于治疗特发性室性心动过速提供了理论依据。KATP通道激动剂抑制早期后除极和折返激动，而通道阻滞剂则相反，事实上，近期一个对2型糖尿病患者的随机临床研究中发现，格列本脲，而不是二甲双胍类口服降糖药，能延长QT，增加QT离散度[13]。在正常的动物中，这些产生触发活动和室性心律失常的诱因在QT延长的发展过程中是一个内在的危险因素，能够产生尖端扭转室速。因此拟交感神经压力下KATP通道不仅易化适合的功能应答，而且能够维持钙内环境的稳定和保护心肌电活动的稳定性[11]。心脏细胞膜表面KATP在心肌缺血中激活，促使钾外流，降低动作电位时程，除极异质性，因此产生折返性心律失常的基质，实际上，非选择行KATP通道拮抗剂（格列本脲）能阻止心肌缺血相关性心律失常，然而，这些非选择性拮抗剂有着重要的非心脏活性，促使胰岛素分泌（胰岛B细胞），低血糖反应，降低冠脉血流（心肌平滑肌细胞），避免缺血预适应（线粒体KATP），降低心肌收缩功能，KATP通道，新型复合物HMR1883或HMR1402能够选择性抑制心肌质膜KATP，这些药物加重心肌缺血相关电特性改变，抑制恶性心律失常，由于KATP仅在ATP降低时激活，因此这些药物仅在缺血组织中起作用，而对正常心肌没有或者仅有很小作用，因此，选择性心肌质膜KATP通道拮抗剂代表一类新型缺血后抗心律失常药物[12]。2.3与心衰的关系心衰综合征主要的病理变化是弥漫性心室重构，包括心肌肥厚和纤维化[14]，在高血压患者中，左室体积增大的幅度是长期预后及心衰失代偿发生速率的预测因子[15]，Kane[16]等发现KATP敲除小鼠比野生型小鼠左室容积大三倍，左右房和右室壁明显肥厚。这些过度重构提示预后不良，因此敲除编码心肌KATP中Kir6.2亚基的KCNJ11基因,使心脏对不良应激不敏感，产生心肌复极损伤，激活细胞膜电压依赖性L-型钙通道，产生细胞内钙超载，容易诱发心衰和死亡。编码心脏K+通道的基因缺损会破坏心脏耐受应激的能力，使之易患心力衰竭。心脏对压力的耐受需要KATP通道对代谢变化的高度感知，以调节膜电压依赖性细胞功能以适应细胞能量需求，Bienengraeber等[17]对因患扩张性心肌病致心力衰竭和心律失常患者的基因组DNA进行了研究，发现2人的K+通道在ABCC9发生了突变，从而改变了KATP通道的调节亚基SUR2A，突变的SUR2A在内源性ATP水解循环中存在构象的异常重构，成为异常的KATP通道表型，破坏心脏耐受应激的能力，从而易患扩张型心肌病。研究表明[18]在心衰的模型中，结构重构明显使能量信号-通道连接分离，使代谢通路调节因子紊乱，细胞内信号分子的分解使KATP不恰当的识别细胞不良刺激，不能执行维持细胞内环境稳定的功能，事实上很多生物能量的紊乱，从线粒体ATP产生的减少，肌酸激酶明显减少使能量储存减少，最终使KATP失去调节作用，不能使细胞对压力作用下的代谢反应做出相适应的应答。心衰的小鼠心肌细胞KATP不能被细胞代谢压力激活，也不能产生缺氧适应下的动作电位时程缩短。缺少KATP通道，心肌细胞不能耐受交感刺激产生的细胞内钙超载和异常收缩。而使用钾通道激动剂则可以挽救心肌细胞。Chu等[19]研究小鼠压力负荷作用进展中，KATP通道的作用，将雌鼠分为四组，4周假手术组（F4），主动脉缩窄4周组（T4），12周假手术组（F12），主动脉缩窄12周组（T12），通过主动脉缩窄给与慢性压力负荷，通过改良的Langendorff灌注方法，在体测量分离的左室心肌参数，在正常和缺血再灌注心肌中，使