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线粒体ATP敏感性钾通道与心肌保护
时间：2010-08-24 11:39:05 来源： 作者：
| 自1991年Inoue等[1]通过膜片钳技术发现线粒体ATP敏感性钾通道（mitochondrial KATP channels，mito KATP channel）以来，随着其特异性开放剂与抑制剂的发现及研究的深入，其在心血管领域的心肌保护尤其在预适应中的心肌保护中的作用日益突出，本文就mito KATP通道与心肌保护的关系进行综述。 1 mito KATP通道的分子结构和生理功能 mito KATP通道是1991年Inoue等[1]在大鼠肝细胞内通过膜片钳技术记录到的，其特性与胞膜ATP敏感性钾通道相似，可被ATP和磺脲类阻断，但mito KATP通道的电导要明显低于胞膜ATP敏感性钾通道。虽胞膜ATP敏感性钾通道目前己被克隆出来，但mito KATP通道仍未被克隆出来，其分子结构亦未清楚。免疫荧光和免疫金染色技术发现Kir6.1在线粒体内高度表达，提示Kir6.1可能是mito KATP通道的亚基之一[2]，而Szewzyk认为mito KATP通道的SUR可能是一相对分子质量为28 kU的多肽[3]。Liu等根据mito KATP通道的开放剂和阻滞剂对由SUR和Kir6.X亚单位组合6种不同的ATP敏感性钾通道产生的药学效应不同，发现只有由SUR1/Kir6.1组合成的有活性的质膜ATP敏感性钾通道有类似心肌细胞mito KATP通道的药理学特性[4]。对于mito KATP通道的组成及其组织特异性尚需进一步的研究。 mito KATP通道具有双重生理作用[5]：一是维持线粒体内K+平衡，从而控制线粒体基质容积的改变；二是在线粒体氧化磷酸化产生能量的过程中，通过K+的再摄取可以部分补偿质子泵产生的电荷转移，从而维持跨膜电位差和pH梯度的稳态。mito KATP通道开放，K+内流，膜去极化，减轻线粒体内Ca2+超载，基质容积增加，后者可增加ATP合成、促进线粒体呼吸[6]。 mito KATP通道的活性受许多代谢因素和药物的调控，其中ATP、ADP、棕榈酰基CoA是mito KATP通道的竞争性阻断剂，且ATP对通道的抑制需要Mg2+的存在。GTP和GDP则可通过抑制通道对ATP的高亲和力而激活通道，成为mito KATP通道的生理性开放剂。mito KATP通道的药物开放剂有二氮嗪、尼可地尔、克罗卡林、吡那地尔、BMS－180448和BMS－191095等，其中二氮嗪、尼可地尔、BMS－180448和BMS－191095选择性激活mito KATP通道。mito KATP通道的药物阻断剂有非磺酰脲类5－hydroxydecanoate（5－HD）和磺酰脲类格列本脲，其中5－HD选择性阻断mito KATP通道。 2 mito KATP通道与心肌的短期保护作用 目前mito KATP通道对心肌的短期保护作用主要集中在预适应的研究中，如缺血/再灌注预适应研究。在缺血/再灌注预适应研究中mito KATP通道开放剂二氮嗪、尼可地尔、吡那地尔等均可模拟这种预处理的心肌保护作用[7]。mito KATP通道阻断剂5－HD可阻断这种保护作用[8]。这些均提示mito KATP通道在预适应中起重要作用。 在预适应研究中争议点之一是这种心肌保护作用是mito KATP通道开放引起还是胞膜ATP敏感性钾通道开放引起的。目前诸多证据倾向于前者：Garlid等[9]在离体鼠心的实验中比较mito KATP通道特异性开放剂二氮嗪与非选择性KATP通道开放剂克罗卡林两者的心肌预适应保护作用，发现二氮嗪对动作电位时程影响较小，其对局部缺血再灌注心肌提供保护作用，所用剂量明显小于开放胞膜ATP敏感性钾通道的剂量，且该保护作用能被mito KATP通道的特异性阻断剂5－HD所阻断，提示二氮嗪通过开放mito KATP通道而非胞膜ATP敏感性钾通道发挥作用。同时Garlid还发现二氮嗪开放mito KATP通道的效能较其开放胞膜ATP敏感性钾通道效能强2000倍。Sato等[10]与Ghosh等[11]的结果也支持IPC心肌保护作用主要是由mito KATP通道介导的。 在心肌预适应研究中争议点之二是mito KATP通道充当触发因子作用还是终末效应子作用。Zhao等[12]发现小鼠心肌延迟预适应有mito KATP通道参与，经p38MAPK途径介导的，该延迟预适应保护作用可被5－HD阻断，提示mito KATP通道作为终末效应子参与心肌预适应的延迟保护。而Pain等[13]二氮嗪洗脱实验仍不会减弱二氮嗪产生的IP效应，提示mito KATP通道关闭之后其“下游”转导途径仍在起作用，支持mito KATP通道在心肌预适应保护中起触发因子作用。Wang等[14]用缺Ca2+及Ca2+复灌处理大鼠心肌细胞的同时应用二氮嗪打开mito KATP通道，发现二氮嗪有保护心肌细胞作用；而先用二氮嗪处理，打开mito KATP通道，再用缺Ca2+及Ca2+复灌处理大鼠心肌细胞，同样有保护作用。因此认为mito KATP通道触发了心肌预适应保护作用。Fryer等[15]对大鼠心肌进行缺血预适应和二氮嗪预处理发现，二者均有保护作用，减少心肌梗死范围，且这种作用均可被5－HD阻断。提示mito KATP通道的开放既是终末效应子，又是触发因子参与心肌预适应。 目前认为mito KATP通道主要通过以下几种方式发挥预适应心肌保护作用： 2．1 减少线粒体Ca2+超载 mito KATP通道开放使K+内流进入线粒体，降低了跨膜电位差，膜除极后减小Ca2+内流动力，抑制了Ca2+内流，从而有效防止线粒体内的钙超载[16]。Holmuhamedov等[17]发现了mito KATP通道开放剂二氮嗪和吡那地尔抑制膜对Ca2+的摄入，并与剂量呈依赖性关系，同时，伴有渗透性转移孔的打开，激活线粒体内Ca2+的释放，减轻线粒体内Ca2+负荷，这些作用均可被5－HD阻断。而线粒体内Ca2+减少，引起胞浆内Ca2+浓度增加，引起蛋白激酶C（PKC）激活，从而对心肌产生预处理保护[18]。 2．2 线粒体基质肿胀和能量代谢 mito KATP通道开放后，伴随K+内流线粒体内渗透压升高，胞浆水分进入线粒体内引起基质肿胀。线粒体是能量代谢的场所，线粒体基质容积的变化直接影响能量代谢，而线粒体K+循环直接影响线粒体基质容积的改变。Halestrap[19]的研究表明线粒体体积适当增加（10%以内）能激活脂肪酸氧化和电子转移，促进ATP的生成。Garlid等[20]认为在KATP通道开放、阳离子内流的同时伴随阴离子的外流，以保持渗透压稳定。阳离子内流和阴离子外流达到平衡才能使线粒体处于最适体积，从而在缺血再灌注过程中保护自身功能。 本文原文 2．3 调节自由基的生成 线粒体不仅平衡着细胞的氧化还原反应，而且由电子传递链泄漏大量电子，使活性氧（ROS）增多。以往曾一直认为ROS与缺血再灌注损伤有关，但近几年研究认为ROS同时也是预处理信号传导过程中的一个启动因子[21]。在缺血时，缓激肽、乙酰胆碱、二氮嗪诱导的预适应中缺血早期都有少量ROS产生，用5－HD和氧自由基清除剂均能拮抗这种效应，提示mito KATP通道开放通过在预处理期线粒体内生成ROS而启动心肌保护作用[22]，这种保护作用通过激活PKC实现的[20]。再灌注时mito KATP通道开放又能抑制ROS的爆发，减少ROS对细胞的不可逆损伤，该作用也能被5－HD所抑制[23]。因此mito KATP通道开放既能增加也能减少ROS的生成。 3 mito KATP通道与心肌的长期保护作用 mito KATP通道的长期保护作用主要体现在抗心室重构方面，尤其在抗心肌肥大方面。长期以来，在心血管疾病治疗中困扰人们的是在慢性心衰、肺心病及心肌病等一些疾病尚无特效治疗，只能采取姑息治疗，而心室重构尤其是心肌肥大正是其主要病理变化。Dairaku等[24]对大鼠在体心脏通过结扎冠状动脉左前降支30 min，再灌注3周，观察二氮嗪对大鼠心肌梗死面积、左室压力、左室容量指数等指标的影响。试验表明二氮嗪明显减少心肌梗死面积、左室容量指数-左室压力曲线左移，证明二氮嗪预处理和缺血预处理都可以减轻心室重构,表明mito KATP通道的开放可以减轻心室重构。Xia Y等[25]在体外鼠心室肌细胞培养中苯福林可诱导其心肌细胞肥大，面积增大40%，3H－亮氨酸摄入率增加37%，而二氮嗪几乎完全抑制这些影响，同时5－HD又可减轻二氮嗪这些作用，实验表明mito KATP通道的开放将心肌细胞肥大过程最小化。以上均说明mito KATP通道在抗心室重构和抗心肌肥大方面扮演了重要作用，但其相关的信号通道及调控仍未明。 4 mito KATP通道与凋亡 凋亡是一种程序性细胞自主性死亡，它牵涉到预适应保护和心室重构之中，一些研究表明线粒体在介导细胞凋亡中起重要作用。在心肌细胞凋亡时，线粒体结构与功能发生明显改变，且与心肌细胞凋亡显著相关。Ichinose等[26]在H2O2 诱导的培养大鼠心肌细胞凋亡中，在诱导凋亡前30 min应用二氮嗪能明显抑制凋亡，且这种保护作用能被5- HD阻断，而在诱导凋亡开始后再应用二氮嗪，凋亡却不能被抑制，这说明mito KATP参与了细胞抗凋亡作用。Xu等[27]的研究发现，对培养的心肌细胞行缺氧再氧化培养来模拟缺血再灌注时，发现线粒体PT孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）开放，导致ΔΨm下降，同时细胞色素C外溢，导致明显的细胞凋亡，应用mito KATP开放剂二氮嗪，稳定ΔΨm和减少细胞色素C外溢，明显抑制凋亡。Akao等[28]的实验表明相对于对照二氮嗪可以降低由H2O2诱导的体外培养的心肌细胞凋亡。二氮嗪可以抑制细胞色素C从线粒体释放，细胞色素C从线粒体释放是细胞凋亡的关键步骤。释放到细胞浆的细胞色素C在dATP存在的条件下能与凋亡相关因子1 (Apaf－1)结合,使其形成多聚体,并促使caspase-9与其结合形成凋亡小体,caspase－9被激活,被激活的caspase－9能激活其他的caspase如caspase－3 等,从而诱导细胞凋亡。mito KATP通道开放剂还可以抑制caspase－3的活化,从而达到抗凋亡的目的。McCully等[29]在对猪体外循环时给予含二氮嗪的停跳液,发现相对于普通停跳液,二氮嗪组可以明显降低心肌的凋亡指数,降低caspase－3及bax蛋白水平。而bax为一种促凋亡蛋白,二氮嗪通过降低bax来达到抗凋亡的目的，表明mito KATP通道的开放可以抗凋亡。 5 展望 mito KATP通道发现已10余年，直至二氮嗪和5－HD在mito KATP通道开放上有特异性，才使其研究便利起来，随着其在预适应中的研究的深入，其心肌保护作用日益突出，但其相关的信号通道及调控机制仍未明，而在抗心肌肥大和抗凋亡方面则刚刚开始。随着研究的不断深入，相信在不久的将来，mito KATP通道将是一颗璀璨明星，是心血管疾病治疗中的一个突破点。 [参考文献] [1]Inoue I,Nagase H,Higuti T.ATP-sensitive K+ channel in the mitochondrial inner membrane[J].Nature,1991,352(6332):244-247. 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