腎上腺素能受體對(duì)心肌鈉鉀泵的亞基特異性調(diào)節(jié)

殷 健，郭會(huì)彩，王永利

(河北醫(yī)科大學(xué)1.藥理學(xué)教研室、2.毒理學(xué)教研室，河北石家莊 050017)

鈉鉀泵，即Na+，K+-ATP酶，屬于P型ATP酶家族蛋白，是鑲嵌在哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜上的一種蛋白質(zhì)。它每水解一個(gè)ATP分子可將3個(gè)Na+轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞并移入2個(gè)K+［1］，從而維持細(xì)胞的離子跨膜梯度和電位差。鈉鉀泵在維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡、調(diào)節(jié)細(xì)胞容積和膜電位、調(diào)節(jié)氨基酸、糖類、膽汁酸、神經(jīng)遞質(zhì)、離子等溶質(zhì)的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)以及在能量代謝和信號(hào)傳遞等方面都發(fā)揮著重要作用［2］。其功能的紊亂和調(diào)節(jié)異常都會(huì)引起嚴(yán)重的病理生理變化。因此，維持鈉鉀泵功能調(diào)節(jié)的穩(wěn)定就變得至關(guān)重要。鈉鉀泵的調(diào)節(jié)因素有很多，本文主要綜述腎上腺素能受體對(duì)心肌鈉鉀泵的亞基特異性調(diào)節(jié)。

1 鈉鉀泵及腎上腺素能受體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鈉鉀泵由α、β和γ三個(gè)亞單位構(gòu)成［1］。α亞單位是催化亞單位，主要執(zhí)行泵的功能。它由10個(gè)跨膜區(qū)(M1-M10)組成，其中M1-M2、M3-M4、M5-M6、M7-M8、M9-M10間的序列位于細(xì)胞膜外，稱為膜外區(qū)。多種配體，如內(nèi)源性鈉鉀泵抑制因子哇巴因、ATP、Na+和K+等(Fig 1)，在膜外區(qū)均有結(jié)合位點(diǎn)。α亞單位分為α1、α2、α3和α4四種亞基，其中α1亞基被認(rèn)為是“管家”亞基。鈉鉀泵的表達(dá)具有組織特異性和種屬差異性:成年大鼠心肌主要表達(dá)α1和α2亞基，α3亞基表達(dá)消失;而豚鼠心肌則只表達(dá)α1、α2亞基。

Fig 1 The structure for NKA α isoform

腎上腺素能受體是一類G蛋白偶聯(lián)受體，是兒茶酚胺類(尤其是去甲腎上腺素和腎上腺素)的主要結(jié)合位點(diǎn)，包括α-腎上腺素能受體和β-腎上腺素能受體兩類。α受體分為α1(α1a，α1b，和 α1d)和 α2(α2a，α2b，α2c，和 α2d)兩種亞型［3］，這些受體均含有7個(gè)跨膜多肽鏈，屬于G蛋白超家族。不同亞型的受體和不同的G蛋白偶聯(lián):α1受體與Gp/ Gq蛋白偶聯(lián);α2受體與Gi/Go蛋白偶聯(lián)。α2受體與腺苷酸環(huán)化酶的偶聯(lián)是一個(gè)負(fù)性作用，可減少cAMP的形成和Ca2+流入，導(dǎo)致［Ca2+］降低，引起遞質(zhì)釋放減少［3］。β-腎上腺素能受體可分為β1、β2和β33種亞型［3］，均與 Gs蛋白相偶聯(lián);同時(shí)，β2亞型也可以和Gi蛋白偶聯(lián)［4］。所有β腎上腺素能受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)都是通過與G蛋白相偶聯(lián)進(jìn)行的。

2 腎上腺素能受體對(duì)鈉鉀泵活性的亞基特異性調(diào)節(jié)

腎上腺素能受體的激活對(duì)鈉鉀泵活性的調(diào)節(jié)可分為長時(shí)程調(diào)節(jié)和短時(shí)程調(diào)節(jié)兩種。去甲腎上腺素(NA)對(duì)α-腎上腺素能受體短時(shí)程激活可增加鈉鉀泵活性，長時(shí)程作用則可降低其活性。異丙腎上腺素(ISO)通過短時(shí)程激活β-腎上腺素能受體可降低鈉鉀泵活性，長時(shí)程作用增加鈉鉀泵活性。

2.1 短時(shí)程激活腎上腺素能受體對(duì)鈉鉀泵的亞基特異性調(diào)節(jié) 鈉鉀泵的α亞單位上存在著哇巴因的結(jié)合位點(diǎn)。根據(jù)此結(jié)合位點(diǎn)對(duì)哇巴因親和力的不同，可將鈉鉀泵分為高親和力泵(主要表達(dá)α2和α3亞基)和低親和力泵(表達(dá)α1亞基)。

豚鼠心肌細(xì)胞上，NA在激活α1-腎上腺素能受體時(shí)以濃度依賴性的方式增加鈉鉀泵電流。這種鈉鉀泵電流的增加并不是NA改變細(xì)胞內(nèi)［Na+］和細(xì)胞外［K+］的結(jié)果，而是由于α1受體與鈉鉀泵α2亞基相偶聯(lián)后經(jīng)由PKC通路對(duì)鈉鉀泵高親和力泵電流進(jìn)行了亞基特異性的調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致泵電流的升高。這個(gè)調(diào)節(jié)過程是［Ca2+］依賴性的［5］。β-腎上腺素能受體的激動(dòng)對(duì)鈉鉀泵電流的影響同樣依賴于細(xì)胞內(nèi)［Ca2+］［6－7］:在細(xì)胞內(nèi)［Ca2+］較低的條件下，通過激活β受體，ISO可降低由鈉鉀泵α1亞基所產(chǎn)生的低親和力泵電流;而在細(xì)胞內(nèi)［Ca2+］較高時(shí)，激活β受體會(huì)升高泵電流。β受體的激動(dòng)對(duì)泵電流的影響并不是由于ISO改變細(xì)胞內(nèi)［Na+］和細(xì)胞外［K+］所致，而是由于在β受體與鈉鉀泵α1亞基相偶聯(lián)后，ISO以亞基特異性的方式升高鈉鉀泵低親和力泵電流。無論在細(xì)胞內(nèi)［Ca2+］較高或較低時(shí)，β受體的激動(dòng)對(duì)低親和力泵電流的調(diào)節(jié)均與cAMP-PKA介導(dǎo)的級(jí)聯(lián)磷酸化反應(yīng)過程有關(guān)［8］。

在大鼠心肌細(xì)胞上也發(fā)現(xiàn)了與豚鼠心肌細(xì)胞相類似的現(xiàn)象:NA激活α-腎上腺素能受體升高高親和力泵電流;ISO激活β-腎上腺素能受體降低低親和力泵電流［12］。但是其調(diào)節(jié)機(jī)制卻與豚鼠存在著差異。在短期培養(yǎng)的大鼠心肌細(xì)胞上，ISO對(duì)泵電流的激活并沒有隨著細(xì)胞內(nèi)［Ca2+］的升高而增加，而是引起一個(gè)明顯的減少。因此，在豚鼠心肌細(xì)胞上所提出的β受體的激活對(duì)泵電流的調(diào)節(jié)依賴于細(xì)胞內(nèi)［Ca2+］，這和大鼠心肌細(xì)胞上的β受體的激活調(diào)節(jié)泵電流的機(jī)制不同［9］。

至于短時(shí)程作用的調(diào)節(jié)機(jī)制，無論激活α還是β腎上腺素能受體，由于作用時(shí)間短，均不影響蛋白質(zhì)的合成、降解及mRNA水平。該機(jī)制主要是通過相應(yīng)鈉鉀泵α亞基的轉(zhuǎn)位來實(shí)現(xiàn)對(duì)鈉鉀泵活性的調(diào)節(jié)。并且該過程中存在著α亞基特異性作用:β受體激活主要與鈉鉀泵α1亞基相偶聯(lián)，使α1亞基從胞漿膜上轉(zhuǎn)位至胞內(nèi)部位而降低泵活性［10－12］;α受體激活主要與鈉鉀泵α2亞基相偶聯(lián)，使α2亞基從胞內(nèi)轉(zhuǎn)位至胞漿膜上而增加泵活性［12－13］。

2.2 長時(shí)程激活腎上腺素能受體對(duì)鈉鉀泵的亞基特異性調(diào)節(jié) NA長時(shí)程作用通過與鈉鉀泵α2亞基相偶聯(lián)可使泵活性降低，這種作用是由PKC通路介導(dǎo)的［5］。α-腎上腺素能受體的激活對(duì)鈉鉀泵的調(diào)節(jié)是通過α1受體介導(dǎo)的［14］，這與鈉鉀泵α1亞基的蛋白和mRNA表達(dá)的變化有關(guān)［12－13］。

ISO長時(shí)程作用可以引起鈉鉀泵活性的升高，其機(jī)制涉及到鈉鉀泵α1亞基蛋白表達(dá)的變化［14］:α1亞基mRNA水平及蛋白含量在該過程中升高，即α1亞基蛋白合成增多引起鈉鉀泵活性升高［11－12］。

通過對(duì)長時(shí)程作用機(jī)制的研究表明，無論是激活α還是β腎上腺素能受體，長時(shí)程作用對(duì)鈉鉀泵活性的調(diào)節(jié)均會(huì)對(duì)相應(yīng)α亞基的蛋白質(zhì)表達(dá)及mRNA水平產(chǎn)生影響。該過程中也存在著α亞基特異性的調(diào)節(jié):β受體的激活與鈉鉀泵α1亞基相偶聯(lián)，影響 α1亞基的蛋白表達(dá)和 mRNA水平［11－12］;α受體的激活與鈉鉀泵α2亞基相偶聯(lián)，改變?chǔ)?亞基的蛋白含量和mRNA水平［12－13］。

無論短時(shí)程或長時(shí)程激活α受體和β受體，均可亞基特異性調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞鈉鉀泵活性。其中α受體在激活過程中與鈉鉀泵α2亞基偶聯(lián)，調(diào)節(jié)高親和力鈉鉀泵活性。β受體在激活過程中與鈉鉀泵α1亞基偶聯(lián)，調(diào)節(jié)低親和力鈉鉀泵活性。無論α或β受體，長時(shí)程激活后對(duì)鈉鉀泵活性的影響均與短時(shí)程激活相反。短時(shí)程激活腎上腺素能受體對(duì)鈉鉀泵活性的調(diào)節(jié)與鈉鉀泵相應(yīng)α-亞基在細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)位有關(guān)，長時(shí)程激活與鈉鉀泵相應(yīng)α-亞基的蛋白和mRNA表達(dá)水平改變有關(guān)。

3 PKA或PKC通路介導(dǎo)的腎上腺素能受體對(duì)鈉鉀泵的調(diào)節(jié)

在各種組織中，激活PKC或PKA通路可以對(duì)鈉鉀泵活性進(jìn)行調(diào)節(jié)［16］。其中，α-腎上腺素能受體的激活對(duì)鈉鉀泵的調(diào)節(jié)是由PKC通路介導(dǎo)［5］，并與α2亞基相偶聯(lián)［17］;β-腎上腺素能受體的激活對(duì)鈉鉀泵的調(diào)節(jié)是由PKA通路介導(dǎo)［8］，并特異性的作用于α1亞基［17］。Phospholemman(磷基纖維蛋白，F(xiàn)XYD1或PLM)，是近年來發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要的鈉鉀泵調(diào)節(jié)因子，其上有PKC和PKA的磷酸化位點(diǎn)，并對(duì)腎上腺素能信號(hào)有響應(yīng)。因此，PLM也就成為了腎上腺素能神經(jīng)對(duì)鈉鉀泵調(diào)節(jié)過程中一個(gè)重要的調(diào)節(jié)靶點(diǎn)。

3.1 腎上腺素能受體通過PKA或PKC通路對(duì)鈉鉀泵的調(diào)節(jié) α1-腎上腺素能受體發(fā)揮作用是通過與Gq蛋白相偶聯(lián)而實(shí)現(xiàn)的。目前認(rèn)為PKC至少存在11種亞型，α1-腎上腺素能受體很可能是通過與PKC的某種亞型相偶聯(lián)而發(fā)揮對(duì)鈉鉀泵的調(diào)節(jié)作用。β-腎上腺素能受體激動(dòng)后則是與Gs蛋白偶聯(lián)并激活腺苷酸環(huán)化酶(AC)，從而促進(jìn) cAMP的合成——cAMP再激活PKA，PKA通過磷酸化作用對(duì)鈉鉀泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而提高Na+和K+的交換。同時(shí)，α1受體-PKC通路和β受體-PKA通路對(duì)鈉鉀泵活性的調(diào)節(jié)均依賴于細(xì)胞內(nèi)［Ca2+］［5－7］。

3.2 PKA或PKC通路對(duì)鈉鉀泵的調(diào)節(jié)所涉及到的PLM磷酸化過程 PLM是一種小跨膜蛋白。它是一個(gè)重要的鈉鉀泵調(diào)節(jié)因子，屬于FXYD基因蛋白家族［18］。PLM可與鈉鉀泵結(jié)合，對(duì)其功能進(jìn)行調(diào)節(jié)，并介導(dǎo)心臟腎上腺素能受體激活過程中鈉鉀泵活性的變化。

心肌中，PLM是PKC和PKA磷酸化的主要靶點(diǎn):PKA磷酸化PLM的位點(diǎn)是Ser68;而PKC磷酸化的位點(diǎn)包括Ser68和Ser63［19－20，23］。β-腎上腺素能受體的激活對(duì)鈉鉀泵活性的增加是由PKA通路介導(dǎo)的，該過程是由PKA磷酸化PLM觸發(fā)的［22］，并特異性的偶聯(lián)鈉鉀泵 α1亞基［21］。α-腎上腺素能受體的激活對(duì)鈉鉀泵活性的調(diào)節(jié)是通過PKC通路介導(dǎo)的，該過程同樣是由PLM的磷酸化引起的。不同腎上腺素能受體的激活對(duì)鈉鉀泵的調(diào)節(jié)存在差異，這很有可能是由于PKA或PKC磷酸化PLM上不同的位點(diǎn)造成的［23］。

綜上所述，在α-和β-腎上腺素能受體對(duì)鈉鉀泵活性調(diào)節(jié)過程中，這兩種受體以亞基特異性的方式，經(jīng)由不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對(duì)鈉鉀泵的活性進(jìn)行調(diào)節(jié)。事實(shí)證明許多疾病(如慢性腎衰竭、充血性心力衰竭、糖尿病和癌癥等)的發(fā)生、發(fā)展都與鈉鉀泵有著密切的關(guān)系。所以，研究鈉鉀泵及相關(guān)調(diào)節(jié)因子的作用機(jī)制具有重要意義。這為許多疾病(尤其是心血管疾病)的機(jī)制研究、藥物治療和新藥開發(fā)，提供了一定的理論依據(jù)。

［1］ Skou J C，Esmann M.The Na，K-ATPase［J］.J Bioenerg Biomembr，1992，24(3):249－61.

［2］ 高默杰，徐忠偉，王鳳梅，等.鈉鉀泵抑制劑通過調(diào)節(jié)細(xì)胞周期相關(guān)蛋白的生成介導(dǎo)肝癌HepG2細(xì)胞周期S期阻滯與凋亡［J］.中國藥理學(xué)通報(bào)，2010，26(4):452－6.

［2］ Gao M J，Xu Z W，Wang F M，et al.The linkage between cell cycle S phase arrest and apoptosis on human hepatocarcinoma HepG2 induced by Na+，K+-ATPase inhibitors via regulating proteins associated with cell cycle［J］.Chin Pharmacol Bull，2010，26(4):452－6.

［3］ 鄭 恒，錢家慶.腎上腺素受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對(duì)心功能的調(diào)節(jié)及機(jī)制［J］.國外醫(yī)學(xué)(生理、病理科學(xué)與臨床分冊(cè))，2000，20 (4):303－5.

［3］ Zheng H，Qian J Q.The regulation and mechanism of adrenoceptor signal transduction pathway on heart function［J］.Foreign Med Sci (Physiol，Pathol Clin Med)，2000，20(4):303－5.

［4］ Chen-Izu Y，Xiao R P，Izu L T，et at.Gi-dependent localization of β2-adrenergic receptor signaling to L-type Ca2+channels［J］.Biophys J，2000，79(5):2547－56.

［5］ Wang Y，Gao J，Mathias R T，et al.αlpha-Adrenergic effects on Na+-K+pump current in guinea pig ventricular myocytes［J］.J Physiol，1998，509(Pt1):117－28.

［6］ Gao J，Mathias R T，Cohen I S，Baldo G J.Isoprenaline，Ca2+and the Na+-K+pump in guinea-pig ventricular myocytes［J］.J Physiol，1992，449:689－704.

［7］ Gao J，Mathias R T，Cohen I S，et al.The effects of β-stimulation of the Na/K pump current-voltage relationship in guinea pig ventricular myocytes［J］.J Physiol，1996，494:697－708.

［8］ Gao J，Cohen I S，Mathias R T，Baldo G J.Regulation of the βstimulation of the Na/K pump current in guinea pig ventricular myocytes by a cAMP-dependent PKA pathway［J］.J Physiol，1994，477(Pt3):373－80.

［9］ Stimers J R，Dobretsov M.Adrenergic stimulation of Na+/K+pump current in adult rat cardiac myocytes in short-term culture［J］.J Membr Biol，1998，163:205－16.

［10］Bertorello A M，Ridge K M，Chibalin A V，et al.Isoproterenol increases Na+-K+-ATPase activity by membrane insertion of a-subunits in lung alveolar cells［J］.Am J Physiol，1999，276(1Pt1): L20－7.

［11］Guo H C，Wang Y L.Short and long-term effect of isoprenaline on Na+-K+-ATPase expression in guinea pig ventricular myocytes［J］.Acta Pharmacol Sin，2006，27:156.

［12］殷 健，王永利.α-和β-腎上腺素能受體激動(dòng)劑對(duì)大鼠心肌細(xì)胞Na/K泵電流亞基特異性調(diào)節(jié)及其分子機(jī)制［C］.第十屆全國心血管藥理學(xué)術(shù)會(huì)議暨2010(重慶)國際心血管疾病與藥物高峰論壇論文集，2010:111.

［12］Yin J，Wang Y L.Isoform-specific regulation of α-and β-adrenoceptor agonists on Na+，K+-ATPase in adult rat cardiocytes and its mechanism［C］.Tenth National Conference and the cardiovascular pharmacology 2010(Chongqing)International Forum of cardiovascular diseases and drug Proceedings，2010:111.

［13］李樹民.去甲腎上腺素對(duì)豚鼠心肌鈉泵活性和α亞基表達(dá)的影響［D］.河北醫(yī)科大學(xué)，2006.

［13］Li S M.The regulation of norepinephrine on sodium pump activity and its alpha isoforms in guinea-pig ventricular myocytes［D］.Heibei Medical University，2006.

［14］Williamson A P，Kennedy R H，Seifen E，et al.Alpha 1b-adrenoceptor-mediated stimulation of Na-K pump current in adult rat ventricular myocytes［J］.Am J Physiol，1993，264:H1315－8.

［15］Suzuki S，Kurosawa H，Koike K，et al.Long-term effect of a betaadrenergic agonist on Na+/K+-ATPase activity in rat lung explants［J］.Nihon Kyobu Shikkan Gakkai Zasshi，1996，34(12): 1311－6.

［16］Therien A G，Blostein R.Mechanisms of sodium pump regulation［J］.Am J Physiol-Cell Physiol，2000，279(3):C541－66.

［17］Gao J，Wymore R，Wymore R T，et al.Isoform-specific regulation of the sodium pump by α-and β-adrenergic agonists in guinea-pig ventricle［J］.J Physiol，1999，516(Pt2):377－83.

［18］ Cheung J Y，Zhang X Q，Song J，et al.Phospholemman:a novel cardiac protein［J］.Clin Transl Sci，2010，3(4):189－96.

［19］ Presti C F，Jones L R，Lindemann J P，et al.Isoproterenol－induced phosphorylation of a 15-kilodalton sarcolemmal protein in intact myocardium［J］.J Biol Chem，1985，260:3860－7.

［20］Han F，Bossuyt J，Martin J L，et al.Role of phospholemman phosphorylation sites in mediating kinase-dependent regulation of the Na+-K+-ATPase［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2010，299(6): C1363－9.

［21］Silverman B Z，F(xiàn)uller W，Eaton P，et al.Serine 68 phosphorylation of phospholemman:actue isoform-specfic activation of cardiac Na/ K ATPase［J］.Cardiovasc Res，2005，65(1):93－103.

［22］Despa S，Bossuyt J，Han F，et al.Phospholemman-Phosphorylation Mediates the beta-Adrenergic effects on Na/K Pump Function in Cardiac Myocytes［J］.Circ Res，2005，97:252－9.

［23］Bibert S，Roy S，Schaer D，et al.Phosphorylation of phospholemman (FXYD1)by protein kinases A and C modulates distinct Na，KATPase Isozymes［J］.J Biolog Chem，2008，283:476－86.