王世敏1,2 蒋学俊2 李晓艳2
1 StateUniversityofNewYorkatBuffalo
2 武汉大学人民医院心内科
心肌细胞K+通道可分为二大类。第一类为电压依赖性K+通道(Kv通道),包
括短暂外向K+通道(Ito),超快(Ikur)、快(Ikr)K+通道,他们对心肌细
胞动作电位复极化极为重要。心肌细胞膜除极化使钠通道激活,钠离子在电和化学
驱动力的作用下快速进入细胞,从而构成动作电位0相。几乎与此同时,Ito快速
激活(activation)后迅速失活(inactivation),组成动作
电位Ⅰ相和Ⅱ相(坪相)起始部,该通道电流大小决定了动作电位Ⅰ相的电位幅度,并
能影响动作电位坪相的持续时间。此外,由于Ito也与部分L型钙(Ca2+)通道
电流相重叠,因此其能调节心肌细胞兴奋与收缩偶联[1]。动作电位Ⅱ相和Ⅲ相主要
由Ca2+流入细胞及K+经数种K+通道外流所形成,其中Ikur主要出现在动作
电位Ⅰ相和Ⅱ相,而Ikr和Iks主要出现于动作电位第Ⅱ相及Ⅲ相。第二类K
+通道包括内向整流K+通道(Ik1)、三磷酸腺苷调节的K+通道(IkATP),以
及G蛋白调节的K+通道(如IkACH),其中Ik1在膜电位复极化至负电位水平
时激活,使细胞膜电位回复到静息电位水平(动作电位第Ⅳ相)。由此可见,K+通道
参与了心肌细胞动作电位几乎所有相位的形成)。由于篇幅所限,本文仅对第一类K
+通道即电压依赖性K+通道的最新研究进展简略综述如下。
1 K+通道的基因
哺乳动物的克隆K+通道是用果蝇K+通道RNA为探针,扫描哺乳动物心肌c
DNA文库后发现的。上世纪90年代,4组重要的克隆K+通道被相继发现。他们分
别是由KC NA编码的Kv1(Shaker),KCNB编码的Kv2(Shab),
KCNC编码的Kv3(Shaw)和KCND编码的Kv4(Shal)K+通道。尔
后,Kv5~Kv9相继在哺乳动物中发现,而心脏中仅发现Kv5,Kv6和Kv9.3。
以后的研究证明,这三种K+通道α亚单位并不具有K+通道功能,它们只能与Kv2
结合,象其他辅助亚单位一样(见后),促进Kv2通道的表达和调节他们的功能。此
外,还有二个重要的Kv通道,它们分别是KCNH编码的Herg(Hu mane
there a go go relatedgene)通道和KCNQ编码的Kv
LQT通道。先天或后天原因导致这两种克隆K+通道的功能异常能引起严重的心
律失常(见后)。
2 电压依赖性K+通道的结构与功能
K+通道蛋白分子序列鉴定与通道蛋白晶体X线衍射分析相结合已清晰地描绘
出电压依赖性K+通道的结构特点。现已明了,电压依赖性K+通道由四个结构相同
的α亚单位组成。而每一亚单位主要包含以下三部分:6个跨膜蛋白分子节段(S1~
S6)构成电压依赖性K+通道的主体部分,N末端和C末端。在细胞内后两者分别与
S1和S6相连,S5和S6之间的氨基酸链谓之P环,而4个α亚单位中的S5 P S6
结构拼接在一起构成了离子通道孔(channelpore)。部分P环折入细胞
膜内,其近细胞外口处有一特殊的甘氨酸—酪氨酸—甘氨酸结构(GYG结构),其与
通道选择性有关。分子遗传学研究证明,K+通道孔及其中的GYG结构存在于几乎
所有类型的K+通道中,在物种遗传和进化过程中完整地保留下来。
2.1 通道蛋白第5~6跨膜节段及通道孔(S5 P S6) 青链霉菌(strep
tomyceslividans)中PH 依赖性K+通道(KcsA)是一种只含
有两个跨膜蛋白分子节段的K+通道(即S1 P S2)。其分子序列与哺乳动物心肌
电压依赖性K+通道S5 PS6相似,该通道孔晶体结构X线衍射结果可以揭示电压
依赖生K+通道孔的结构特点[2]。KcsA通道孔呈倒锥形(即内大外小),长~45
,大致可分为三个节段:即内段长~18 ,宽~6 ;中段长~15 ,宽~10 ;外段长~1
2 ,宽~3 。其中构成通道孔内段的氨基酸之侧链有许多疏水基团,使该段通道孔呈
疏水性。GYG结构位于管腔最窄的外段之中,而他们所拥有的碳酰氧原子面向管
腔,使通道具有选择功能。而此段其他氨基酸的羧基末端亦面向管腔,形成一负电场
。整个离子通道内充满水。
K+通道在电压作用下开放后,K+以水化形式从内口进入通道,于通道孔中段
去水化,然后呈单列进入通道外段,据推测,应有多个K+同时占据整个通道,而应有
至少二个K+各自相距~7.5 ,同时占据最狭窄的通道孔外段,借彼此之间的静电排
斥力,克服由GYG的碳酰氧原子与K+相互作用而产生的阻力,使每秒~108个K+
流出通道外。通过GYG这一滤过装置后,通道孔外段的负电场有利于中和K+所载
正电荷而保持其稳定性,尔后K+与水分子重新结合形成水化K+。另外,通道孔及其
周围的一些功能位点也是极其重要的。例如,许多抗心律失常药物如奎尼丁等在通
道内的结合点位于通道孔内段。该段通道内的疏水基团为药物和通道结合提供了良
好的环境。通道孔内口S4~S5结合部有N末端结合位点,与某些Kv通道N型失
活相关。用点突变法置换S6近通道孔内口的二个氨基酸能减慢Kv4.1通道失活以
及减小4 氨基吡啶(4 aminopyridine,即4 AP)与通道结合的亲和
力。在通道孔外口附近,用点突变法置换S6上某一氨基酸能明显减慢C型失活。另
外,某些毒素能与K+通道外口附近的氨基酸结合,从而阻塞该通道。
通道蛋白第1~4跨膜节段(S1~S4)虽没有参与K+通道孔的形成,而到目前为
止仍不清楚他们精确的立体结构,但分子生物学及电生理实验证明,他们与通道的门
控(gating)性质相关。在S4跨膜蛋白节段的分子序列中,每隔两个氨基酸之
后就有一个带正电荷的氨基酸,使S4上的正电荷数达5~7个之多。他们是K+通道
的膜电压感受器(voltagesen sor)。生物物理实验及荧光显象分析
证明,K+通道电压依赖性激活与这一电压感受器相关。当细胞膜除极化时,S4节段
朝细胞外方向移动,其引起的通道构型改变,使激活门开放(激活或开放状态),从而
允许K+流出细胞外,其激活呈电压依赖性。由于通道的激活与失活过程相耦联,细
胞激活后通道的失活门关闭(失活状态),K+外流终止。当膜电位大于0mV时,K+
通道失活呈电压不依赖性。而当细胞膜复极化时,S4则朝细胞内方向移动而回复到
除极化前的位置即去激活状态(deactivation)。现在认为去激活与失
活后恢复(recov ery)过程相耦联。因此通道能从失活后恢复。在Kv通
道中,去激活与恢复过程均呈电压依赖性。此外,文献亦证明,S2和S3上有许多带
负电荷的氨基酸,他们也能影响K+通道电压依赖性的门控性质[3]。
2.2 N末端 N末端是一段长短不一的多肽链,可含多达300多个氨基酸,在细
胞内其近端与S1相连。N末端近端有一特殊功能,他能将4个相同的α亚单位拼接
在一起。N末端远端的20个氨基酸卷曲成球状并带有许多正电荷,在某些电压依赖
性K+通道中,这一球形结构与N型失活相关。
2.3 C末端 C末端亦长短不一,可由400多个氨基酸构成。Herg和Kv
LQT1通道α亚单位的拼接是靠与S6相接的一段C末端氨基酸链来完成的。C末
端也参与了某些K+通道的失活(如Kv4.1),但与所谓的C型失活无关(见后)。
2.4 电压依赖性K+通道的失活 其主要包括以下两种失活机制。①N型失活
:失活一般较快,通道开放后N末端远端约20个氨基酸形成的球体阻塞K+通道孔内
口,使通道失活。此即所谓的“球和链机制”(ballandchainmech
anism)。其主要特点如下:(A)切除N末端之远端20个氨基酸后N型失活消失
,而将该段氨基酸重新注射入细胞内可恢复该型失活。(B)在S6通道孔内口处有四
乙铵(tetraethylammonium)与通道结合的位点,而该处亦为N
末端与通道孔内口相互作用的位点。因此,细胞内应用四乙铵能减慢N型失活,而细
胞外应用该剂对N型失活并无影响。(C)用基因突变法替换通道孔外口的氨基酸对
N型失活无影响。②C型失活:C型失活一般较N型失活慢。通道孔外口构型变化
导致通道孔关闭是C型失活的发生机制,即“门脚机制”(footofthedo
ormechanism),其主要特点包括(A)切除N末端不影响C型失活。(B
)置换P环或与之相连的S6上的某一个氨基酸能使C型失活明显减慢。(C)细胞外
应用四乙铵或高K+能减慢C型失活,因为它们能与通道外口的位点结合而影响其关
闭[4]。
值得注意的是Kv4.1的失活并不具备上述两者的特点,而置换Kv4.1通道孔
内口处二个氨基酸能显著减慢通道失活,因此有人提出V型失活(vestibul
etypeinactivation)的机制。但在其他Kv4通道如Kv4.2和
Kv4.3中,这种失活并不存在。因此,Kv4通道失活机制有待更深入的探讨[5]。
3 K+通道的辅助亚单位
心肌细胞内存在许多与通道有关的蛋白质,他们不具备K+通道的结构,因此不
能形成功能性离子通道,但是他们能促进Kvα亚单位在细胞膜上的表达和调节他
们的功能。Kv通道辅助亚单位可以分为以下几类。①Kvβ亚单位,目前已发现
4种不同的Kvβ亚单位,即Kvβ1,Kvβ2,Kvβ3和Kvβ4亚单位。其中,K
vβ1,Kvβ2和Kvβ3与Kv1α亚单位相关,而Kvβ4则为Kv2α亚单位的辅
助亚单位。Kvβ亚单位由300~400多个氨基酸组成。他们的C末端约有323个氨
基酸,其序列基本相同,而差异存在于较短的N末端上。Kvβ亚单位之C末端与K
vα亚单位N末端之近端相互作用,能显著增加Kvα单位在细胞膜上的表达。而
Kvβ亚单位之N末端则具有与Kvα亚单位之N末端相类似的功能,通过“球和
链机制”阻塞Kv1α亚单位通道孔内口,使通道失活。文献指出,脑组织中某些K
+通道由4个α亚单位和4个β亚单位构成。但这并不意味着心肌细胞中K+通道也一
定应由相同比例的α和β亚单位构成,两者不纯一性表达的可能性是存在的。②m
inK类多肽(MiRP),他们是一组结构相似的辅助亚单位,其中minK是由1
30个氨基酸组成的多肽,其N端延伸至细胞外形成一个跨膜节段。由于这一特殊结
构,以前认为他是一个独立的功能性离子通道。现已证明,他只是一个辅助亚单位,
与KvLQT1共同构成缓慢延迟整流K+通道。而MiRP中的另一成员,MiR
P1则为Herg的辅助亚单位。③K+通道相互作用蛋白(KChip)是最近发现
的一组Kv4通道辅助亚单位,目前为止已经发现的KChip有20个之多,分别归
于KChip1,KChip2和KChip3三个亚组。其中心肌细胞中发现的KC
hip属于KChip2亚组,KChip由大约260多个氨基酸组成,分子中有4个
Ca2+结合位点,这种辅助亚单位与Kv4α亚单位之N末端结合,象Kvβ亚单位
一样,他们能促进Kv4通道蛋白在心肌细胞膜上的表达和调节其功能。据报道,K
Chip2对Kv4.2通道动力学的影响主要表现在减慢其失活和加速失活后恢复。
最近,笔者首次从雪貂心脏中分离出KChip2b,其与KChip2的区别是其N
端多了17个氨基酸。KChip2b亦能促进Kv4.3的表达并使通道恢复的速度加
快7.5倍。但是,KChip2b加快而不是减慢通道失活。当Kv3.4α亚单位S6
近通道孔内口处的两个颉氨酸被置换为异亮氨酸后,KChip2b则减慢其失活约
2.5倍。这些实验结果说明,KChip2b对Kv4.3通道失活的影响与其和通道内
口相互作用有关[6]。
4 心肌K+通道及其分子基础
目前已发现的心肌克隆K+通道远较心肌细胞所能记录到的K+通道为多,因此
搞清楚心肌细胞K+通道与心肌克隆K+通道之间的关系,是一件颇为复杂的事情。
以下标准有助于判断两者之间的对应关系:①两种通道的生物物理性质(如通道的选
择性)和动力学性质基本相同;②两者有相似的药理学性质即均能被同一种特异性离
子通道阻断剂所阻断,且敏感性相近似;③免疫组织化学检查证明,在心肌细胞中有
相应的克隆通道蛋白存在;④用反叉寡核苷酸法(antisenseoligon
ucleotide)阻止编码某一特定克隆K+通道基因的表达将使其对应心肌K
+通道电流显著减小或消失[7]。用上述标准,现将心肌细胞K+通道及其对应的克隆
通道分别描述如下。
4.1 Ito与Kv4.2/Kv4.3/Kv1.4 Ito的激活和失活均较迅速,单
通道电导为4~7ps。近来发现雪貂心室肌细胞膜上存在两种Ito。①心室外层
心肌Ito,其主要特点包括:激活和失活均较快,他们的时间常数(τ)分别为数毫
秒和数10毫秒。另外通道恢复亦较快,τ为数10ms,4 AP能阻断该通道,且呈反
使用依赖性,即刺激频率愈慢,通道处于去激活状态时间愈长,则4 AP阻断该通道
愈完全。另外,蜘蛛毒素(Heteropo datoxin2,HPTX2)能特异
性阻断之。②心室内层心肌Ito,与心室外层心肌Ito相比较,其电流密度小5
~6倍,失活相对较慢,特别是其恢复时间慢约60倍。此外,其不能被HPTX2所阻
断。
Kv4.2和Kv4.3通道动力学及其电药理学性质与心室外层心肌Ito相似,
而Kv1.4通道的电生理和电药理学性质与心室内层心肌Ito相似,特别是免疫组
织化学实验证明,Kv4.2和Kv4.4主要存在于心室外层心肌细胞膜上,而Kv1.4
主要见于心室内层心肌细胞膜上[8]。因此,现在认为心室外层心肌Ito主要由K
v4.2和Kv4.3α亚单位构成,而主要由Kv1.4α亚单位构成心室内层心肌Ito
。值得一提的是,尽管Kv4.2和Kv4.3α亚单位失活后恢复较迅速,但仍较心室外
层心肌细胞Ito慢3~5倍,近来发现,KChip能显著加快Kv4通道的恢复。
因此构成心室外层心肌Ito的成份应包括至少一种KChip。另外,心室内层
与中层心肌中Ito的电流密度也不一致,可能与Kvβ亚单位有关,因其多寡直接
影响了Kv1.4通道的表达。
4.2 Ikur与Kv1.5 Ikur是一种外向整流K+电流,单通道电导为1
0~14ps,其激活很快(τ<2ms),其50%激活的电压约为-14mV,而其失活很慢,
与其他类型K+通道相比较,Ikur对4 AP尤为敏感,其抑制50%的Ikur(I
C50)仅需5.8~49μm。而对其他K+通道阻滞剂如钡和四乙铵相对不敏感。目前
仅在人心房肌细胞中记录到Ikur,而人心室肌中尚未发现此类电流。Kv1.5通
道动力学和电药理学性质与Ikur极为相似。实验显示,在所有的Kv通道中,K
v1.5对4 AP最为敏感,其IC50与Ikur相近,且对四乙铵不敏感,用特异性免
疫抗体检测发现人心房肌细胞含有较多Kv1.5通道蛋白,特别是经特异性反叉寡核
苷酸处理,抑制Kv1.5通道表达后,心房肌细胞Ikur明显减小,说明Ikur主
要由Kv1.5α亚单位构成[9]。
4.3 Ikr与Herg 豚鼠心室肌中延迟整流K+电流包含至少二种成分,
其一为快速延迟整流K+电流,即Ikr,其二为缓慢延迟整流K+电流,即Iks。
其通道动力学特点如下:①膜电压在-10~+30mV范围内,通道激活速度呈电压依赖
性,但当膜电压大于+30mV,激活速度则不再变化;②通道激活后,失活亦随之出现
,二者相互重叠。这种快速失活赋予通道内向整流性质;③失活呈弱电压依赖性;④
通道失活符合C型失活标准;⑤通道失活后恢复很快,为数毫秒;⑥第三类抗心律失
常药如E 4031和dofetilide能特异性阻断该通道。由于上述特点,Ik
r在动作电位坪相起始时很小,而在动作电位Ⅱ和Ⅲ相时明显增加,因此Ikr能调
节动作电位持续时间,而临床上常用的抗心律失常药如奎尼丁等能非特异性阻断I
kr,导致获得性长QT综合征[10,11]。Herg通道除了去激活较慢外,具有几
乎所有Ikr通道动力学及药理学特点。心肌中存在Herg1和Herg1b,而
后者较接近Ikr。文献证明,minK类多肽1(MiRP1)与Herg基因联合
表达的通道电流更加接近Ikr。因此,MiRP1可能与Herg共同构成人心肌
细胞Ikr。现已证明,人KCNH基因突变能使Ikr减小。从而导致临床上Ⅱ
型遗传性长QT综合征(LQT2)。4.4 Iks与KvLQT1 Iks是缓慢延
迟整流K+电流,单通道电导为<1~6ps,当电压正于-30mV时,Iks激活,因其
过程极其缓慢,其主要作用是加速动作电位第Ⅱ和Ⅲ相复极化。此外,Iks去激活
亦极慢,当心律增快时,Iks在电舒张期几乎没有时间去激活,导致Iks增加(累
积激活)而加速动作电位复极化。所以,当心律增快时,心房和心室肌动作电位持续
时间呈频率依赖性缩短。另外,肾上腺素受体促进剂以及钙能使Iks增加,而镁则
抑制Iks。该通道对E 4031和dofetilide等第Ⅲ类抗心律失常药不
敏感。
KCNQ编码的KvLQT1电流激活远较Iks为快,然而,当KvLQT1和
辅助亚单位minK共同表达时,通道动力学和药理学性质与Iks极为相似。因
此,现在认为KvLQT1和minK共同构成了Iks。如编码KvLQT1或编
码minK的基因突变能诱发Ⅰ型遗传性长QT综合征(LQT1)。
由于电生理、电药理和分子生物学的进展,使我们能初步了解心肌细胞电压依
赖性K+通道的分子基础,但值得注意的是,心肌克隆K+通道在心肌细胞膜上的表达
呈不纯一性,可能数种不同的K+通道α亚单位和不同的辅助亚单位共同构成心肌细
胞膜上某一种K+通道。而这种非纯一性表达也可能在不同部位的心肌细胞膜上表
现出来。尽管还有许多课题有待深入研究,但迄今为止心肌Kv通道的研究进展无
疑是令人振奋的,他已初步揭示出心脏电压依赖性K+通道的结构和功能之间的关系
,某些抗心律失常药物的作用机制和某些遗传心脏病的病因等,为临床预防和治疗某
些类型心律失常提供了新的方法和希望。
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