血管平滑肌KATP通道与心血管病的相关研究近况

　　作者：羊富彬(研究生),李家富　　作者单位：四川，泸州医学院附属医院心内科

　　【关键词】 血管平滑肌,KATP通道,心血管疾病

　　KATP通道 (ATP-sensitive potassium channel，KATP)是Noma 1983年首先在豚鼠的心肌细胞中发现[1]。随后的实验证明此通道广泛分布于神经细胞、心肌细胞、平滑肌细胞、骨骼肌细胞及胰腺β细胞等多种细胞上，是将细胞能量代谢和生物电活动相耦联的一类重要通道。它的开启和关闭与上述组织的功能关系密切。其分子结构和电生理学特点属于配体门控的电压非依赖性内向整流钾通道。KATP通道按其存在的部位可以分为两类：一是位于细胞膜上的KATP通道 (surface KATP Channel，sKATP);二是位于线粒体膜上 KATP通道 (mitochondrial KATP channel，mitoKATP)。本文综述KATP通道的结构、功能、信号调控机制，重点介绍血管平滑肌KATP通道与心血管疾病的最新研究进展。

　　1 KATP通道的结构与调节

　　1.1 结构

　　sKATP的分子结构早已明确，为四个内向整流亚单位Kir6.x 和四个磺酰脲类受体SUR组成相对分子质量约为950×103异源性八聚体。Kir6.x构成KATP的K+穿通孔道，家族中共有6个亚型(Kir6.1～Kir6.6)。哺乳动物中主要有Kir6.1和Kir6.2亚型，编码Kir6.1的基因长为9.7kb，含有3个外显子，其基因编码定位于染色体12p11.23上，编码Kir6.2的基因长为4.5kb，其基因编码定位于11p15.1上[2]。Kir6.x含有两个跨膜螺旋 M1、M2和一个离子通道形成片段 H5区，具有ATP抑制作用的结合位点，控制KATP通道对K+的选择性，也有ATP感受器的作用[3]。SUR作为通道的调节亚单位，决定着KATP的药理学特性，分为SUR1、SUR2A和 SUR2B三种类型，属 ABC(ATP—binding cassette，ABC)结合蛋白家族的成员[4]。SUR分子由3个疏水结构域 TM0、TM1、TM2，共 17个跨膜螺旋和两个胞内核苷酸结合区 (NBFs)组成，另外还有两个 N连接糖基化位点，若干个 PKA和 PKC磷酸化位点。目前认为 SUR是药物作用的主要靶点，赋予Kir6.2 对磺酰类药物和通道开放剂(KCOs)的敏感性 ，也增加Kir6.x对ATP的敏感性，并使KATP的功能得以完整表达。

　　研究发现人类、犬、大鼠、小鼠等其他种类哺乳动物的正常胰腺组织表达KATP通道的亚基为SUR1和Kir6.2[5]。对大鼠和小鼠的心脏、冠状动脉平滑肌细胞和内皮细胞采用免疫组织化学的方法能检测到Kir6.1亚基的表达。Kir6.2亚基主要在心室肌细胞和内皮细胞表达，在平滑肌细胞不表达。SUR1亚基在心室肌细胞表面有强烈表达，在冠状动脉系统无表达。SUR2亚基主要在心肌细胞和冠状动脉系统表达。在心室肌细胞的T管膜上联合表达Kir6.2和SUR2亚基;在心室肌细胞的肌纤维膜上联合表达Kir6.1和SUR1亚基[6]。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技术证实存在格列苯脲敏感KATP通道，这就说明心肌细胞膜上的KATP通道有不同的种类组合[7]。

　　1.2 KATP通道的调节

　　1.2.1 细胞内ATP/ADP的浓度比

　　胞内ATP对KATP具有双向调节作用，KATP在开放状态下，ATP发挥配基作用抑制通道的开放，而不是通常情况下的ATP磷酸化或水解作用;通道在关闭状态下，ATP与Mg2+结合，恢复通道的开放。ADP对通道既有激活作用又有抑制作用。无Mg2+时，ADP抑制KATP通道，其作用点在 Kir6.x上;在Mg2+和 ATP达≥1 mmol/L条件下，ADP又是KATP的强有力的激动剂，其作用点在磺酰脲受体亚单位SUR的核苷酸结合位点NBFs上，根本机制可能是辅助因子Mg2+介入到了在 NBFs上执行的ATP的水解反应[8]。ATP/ADP的浓度比值对通道的状态有着重要的调节作用，其比值下降通道开放 ，其比值增大通道关闭。因此使通道的活动与细胞代谢相联系。在缺血、缺氧、代谢中毒时ATP/ADP的浓度比值下降，KATP开放，从而介导缺血心肌保护或心肌缺血预适应[9]。

　　1.2.2 细胞内pH

　　细胞内pH值也对KATP具有一定的调节作用。酸中毒时细胞内PH值降低，细胞内H+增加。H+通过改变ATP敏感性而改变通道活性，减轻了对KATP通道的抑制作用，使KATP通道的活性增加，通道开放，血管张力降低。

　　1.2.3 蛋白激酶对KATP的调节作用

　　KATP活性还受蛋白激酶 A(PKA)、蛋白激酶 C(PKC)、蛋白激酶 G(PKG)等磷酸化的调节。PKA与 PKG磷酸化可激活血管KATP，而 PKC却对其有抑制作用。另外，PKC可激活心肌细胞KATP，并且当PKC被激活时，代谢抑制或pinacidil可以使心肌细胞 KATP处于一种预激活状态。PKC对心肌细胞KATP的作用与ATP的浓度有关，呈浓度依赖性 S形曲线。在 mmol/LATP时，PKC激活心脏K+ 通道，但在 μmol/L ATP时(<50 μmol/L)PKC抑制心脏 KATP[10] 。

　　1.2.4 蛋白激酶G、一氧化氮 、C型利钠肽、血管活性肠肽、β1受体、β2受体均可活化

　　KATP通道，缺氧、代谢毒物等应激活化分子也可活化KATP ，从而调节机体对外界的适应性。腺苷、儿茶酚胺、缓激肽、降钙素基因相关肽和外源性三磷酸鸟苷类似物(GTPCs)等都与G蛋白耦联可通过G蛋白活化KATP通道。细胞骨架，膜磷脂也参与对KATP的调控。磺酰脲复合物(SUs)和钾通道开放剂(KCOs)是外源性KATP通道的阻滞剂和开放剂。最近研究发现，脂多糖可以上调Kir6.1/SUR2B的表达，增加KATP通道活性，并且是通过NF-κB信号途径[11]。

　　2 血管平滑肌KATP通道与调控

　　2.1 Kir6.1/SUR2B是血管平滑肌

　　KATP通道的主要亚型，不过有实验发现，血管中也存在Kir6.2与SUR2B组成的功能性通道[12-13]。 Kenneth[14]等用定量 RT—PCR的方法检测到大鼠基底动脉和大脑中动脉有KATP通道亚基Kir6.1、Kir6.2和 SUR1、SUR2的mRNA转录，但SUR2AmRNA的表达却难以测出;而且在大鼠基底动脉和大脑中动脉中，Kir6.1和SUR2BmRNA的表达占主要地位，Kir6.1mRNA的表达水平更要高于 SUR2BmRNA。用 Western blotting法亦可在这两种动脉中测到 Kir6.1、Kir6.2和 SUR1、SUR2B蛋白。Kir6.1/SUR2B是大鼠脑中动脉和基底动脉中 KATP通道的主要组成成分 ，且Kir6.1和SUR2B蛋白在大鼠大脑动脉中比在大鼠基底动脉中多。因此认为，在这两处血管平滑肌的KATP通道中，以 Kir6.1与 SUR2B形成的八聚体为主，Kir6.1与 SUR1形成的八聚体为辅 。共同表达的SUR2B/Kir6.1对ATP不敏感,在吡那地尔存在时电流导电系数为33pS,比SUR2B/Kir6.2通道低,并可被NDP(GDP、ADP)激活和格列苯脲抑制,吡那地尔可诱发爆发性放电[15]。

　　2.2 KATP通道对血管平滑肌的调控

　　KATP通道在血管调节方面的作用主要表现在维持血管床的基础张力，缺血缺氧时扩张重要脏器血管口径，对血流的代谢调节起重要作用。KATP通道在某些血管床如冠脉、肠系膜动脉、仓鼠颊囊和提睾肌动脉基础张力的维持中起重要作用。肾、脑和肺动脉KATP通道虽对基础张力的维持不起作用,但在缺氧时调节这些血管的张力。缺血、缺氧造成ATP分解产生大量腺苷，腺苷结合受体激活KATP通道，使血管扩张，增加血流量，增加携氧量，保持局部代谢平衡。缺血、缺氧引起的扩管作用可被优降糖抑制。研究表明,内皮素1(ETl)、血管紧张素Ⅱ(ATⅡ)可选择性阻断血管平滑肌细胞KATP敏感钾通道,导致平滑肌细胞收缩、增殖或肥大,使肺血管痉挛和肺血管重构,表现出慢性低氧性肺动脉高压(HPH)。血管紧张素转化酶抑制剂(ACEl)、ATII受体拮抗剂、内皮素受体拮抗剂等均可抑制动物低氧性肺血管重构。最近发现,内毒素休克时KATP通道被过度激活可能是导致血压骤降的主要原因，KATP通道过度激活后，钙内流减少，血管平滑肌松弛，总外周阻力迅速下降[15]。研究表明,KATP通道参与冠脉血流,特别是缺氧和缺血时冠脉血流的调节。在缺氧、缺血和代谢抑制等状态下,ATP分解而产生大量腺苷,后者通过与受体结合而激活KATP通道,使冠脉阻力减小(冠脉扩张),血流量增加,以补充氧量,维持局部代谢的平衡。这说明KATP通道在缺氧和缺血性冠脉扩张中起重要作用[16]。

　　3 KATP通道与心血管疾病

　　3.1 KATP通道与高血压

　　研究发现，Kir6.1mRNA表达水平与收缩压强烈相关联。在敲除Kir6.1表型的老鼠具有特征型冠脉血管收缩，表现为Kir6.1与血管壁紧张度的调节至关重要，KATP通道表达上调会降低血管紧张度。β肾上腺素受体扩张血管，部分就是通过KATP通道作用[17]。研究表明，在高血压大鼠，主动脉血管平滑肌KATP通道的Kir6.1和SUR2B亚基表达降低，但和正常血压老鼠相比，对吡那地尔，克罗卡林引起的血管舒张反应相同。表明，在高血压时，KATP通道的亚基表达下降，但对钾通道开放剂的反应功能是正常的[18]。KATPCOs可通过激活血管平滑肌上KATP通道及增加通道mRNA的表达而扩张血管，临床可用于高血压的治疗。其抗高血压作用具有效价高、口服剂量小、作用持久且不良反应少等特点，合用β-受体阻滞药或利尿药可取得较理想的临床效果。KATPCOs对外周血管的具体作用机制大致包括：(1)KATP 通道开放，促进K+ 外流 ，细胞膜超极化使电压依赖性Ca+通道失活，阻止Ca+内流从而降低胞内Ca+浓度。(2)细胞膜超极化可降低血管平滑肌对Ca+敏感性。(3)KATPCOs还可通过影响细胞内的磷酸化酶而产生舒血管效应。

　　3.2 KATP 通道与冠心病

　　KATP通道不仅参与病理情况下(例如缺血、缺氧)的冠脉血流的调节(可以减轻缺血心肌的梗死面积、提高心肌收缩力、减轻心室重构等)，对维护正常生理状态下的冠脉血流也起着重要的作用。KATP通道对冠状动脉血管平滑肌细胞静息膜电位有着重要的作用，也是血管扩张药的作用靶点。最近发现，在心肌梗死后重构的梗死边缘区，KATP通道亚基Kir6.1mRNA逐渐增加;当心肌梗死发生后，KATP调节亚基SURs的mRNA表达量逐渐增加，而Kir6.2亚基mRNA的表达量则逐渐减少[19]。在心肌梗死大鼠模型的心肌重塑过程中，开放KATP通道能在结构和功能方面起到保护性作用 ，开放KATP 抑制 p70S6激酶而使心肌梗死后蛋白激酶减少，从而减少了心肌细胞肥大的发生[20]。在心脏缺血再灌注模型，敲除SUR1的小鼠在梗死面积和心功能指标方面明显优于对照组[21]。在敲除SUR2的老鼠，自发性冠状动脉痉挛与猝死显著增加[22]。在心肌缺血时，线粒体KATP亚基将向细胞膜转移，使细胞膜KATP亚基(SUR2)表达增加，KATP通道的电流密度也增加，从而达到心肌缺血时额心肌保护作用[23]。

　　3.3 KATP 通道与心律失常

　　研究发现，心脏KATP 通道亚基表达减少的老鼠和KATP 通道亚基突变的患者易发生室性或房性心律失常。KATP 通道亚基突变的老鼠在急性和慢性应激时会发生心肌损伤，与正常老鼠相比，更易发生心律不齐，导致室性心律失常和猝死，存活率明显降低[24]。刘辰光研究发现，KATP通道激动剂吡那地尔可抑制哇巴因诱发的期前收缩，降低室速和室颤的发生率[25]。

　　3.4 KATP 通道对心室重构和心力衰竭

　　在各种病理性刺激的持续压力下，心脏自身的调节能力下降，使心脏的负荷压力和自身能量代谢之间的动态平衡被打破，进而导致心室重构及心力衰竭的发生。KATPCOs除了扩张血管、降低氧耗从而减轻心脏负荷外，还可快速协调细胞代谢状态与膜的兴奋性，通过保护线粒体膜结构、减少氧自由基产生及增加ATP生成等作用显著改善心脏的能量代谢。现有研究表明，激活KATP通道SUR2B/Kir6.1亚基可以减少压力负荷过重诱发的心力衰竭[26]。

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