腺苷三磷酸對(duì)冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞大電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道的作用

王湘蕓，錢(qián)玲玲(綜述)，王如興，李肖蓉(審校)

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無(wú)錫市人民醫(yī)院心內(nèi)科，江蘇 無(wú)錫 214023)

大電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道即BK通道，也稱(chēng)Slo或MaxiK通道，廣泛存在于血管平滑肌細(xì)胞膜上，對(duì)血管張力調(diào)節(jié)起重要作用[1]。冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病、高血壓和糖尿病等許多病理狀態(tài)下BK通道功能受損，進(jìn)而影響血管舒縮功能[2]。研究表明,BK通道受許多化學(xué)物質(zhì)的影響[3-5]。該文就腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)對(duì)冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞BK通道的作用予以綜述。

1 BK通道的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1981年,Malty[6]在牛嗜鉻細(xì)胞上首先發(fā)現(xiàn)BK通道，其單通道電導(dǎo)為100～300 pS，且激活受細(xì)胞外鈣離子濃度的影響，故稱(chēng)為大電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道。

BK通道由α和β兩種亞基構(gòu)成，呈四聚體，α亞基包括與細(xì)胞膜外N端相連的7個(gè)跨膜片段(S0～S6)以及位于細(xì)胞膜內(nèi)與C端相連的4個(gè)疏水性片段(S7～S10)，其中S1～S4構(gòu)成電壓敏感區(qū)域，S5、S6及P環(huán)構(gòu)成通道結(jié)構(gòu)[7]。S7、S10區(qū)域包含兩個(gè)與鈣有高親和力的結(jié)合區(qū)域“鉀電導(dǎo)調(diào)節(jié)元件結(jié)構(gòu)域”和“鈣碗”，它們分別位于S7和S10結(jié)構(gòu)域，是決定BK通道鈣離子敏感性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)(圖1)。

α亞基主要構(gòu)成BK通道結(jié)構(gòu)，β亞基則對(duì)BK通道具有調(diào)節(jié)作用，β亞基有四種亞型，分別是β1、β2、β3和β4，β亞基包含兩個(gè)具有胞外環(huán)的跨膜區(qū)域TM1和TM2，TM1與細(xì)胞內(nèi)N端相連，靠近α亞基的S1和S2，TM2與細(xì)胞內(nèi)C端相連，靠近α亞基的S0，它們?cè)趯?duì)α亞基的調(diào)節(jié)中起非常重要的作用，可提高BK通道的電壓依賴(lài)性和鈣敏感性[8]。β亞基中不同亞型在各組織器官的表達(dá)水平各不相同，在血管平滑肌細(xì)胞中主要是β1亞型，β2和β4亞型表達(dá)水平較低，甚至難以測(cè)出[2]。

圖1 大電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道結(jié)構(gòu)模式圖

BK通道具有電壓依賴(lài)性和鈣敏感性的特點(diǎn)，電壓依賴(lài)性是指當(dāng)細(xì)胞跨膜電位增加時(shí)，BK通道開(kāi)放概率增加；鈣敏感性是指細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高后，BK通道激活增加，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加可由細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)釋放引起，也可通過(guò)電壓門(mén)控性L(fǎng)-型鈣通道開(kāi)放，鈣內(nèi)流所致，激活BK通道所需細(xì)胞內(nèi)鈣濃度至少為10 μmol/L[9]。BK通道開(kāi)放后鉀離子外流，細(xì)胞膜超極化，導(dǎo)致電壓依賴(lài)性鈣通道關(guān)閉，鈣內(nèi)流減少，血管舒張。反之，BK通道關(guān)閉或開(kāi)放減少可導(dǎo)致細(xì)胞膜去極化，從而使電壓依賴(lài)性鈣通道開(kāi)放，鈣離子內(nèi)流增加，血管收縮。研究發(fā)現(xiàn)，BK通道與多種介導(dǎo)細(xì)胞外鈣內(nèi)流和細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)釋放的離子通道有關(guān)，如可通過(guò)細(xì)胞膜瞬時(shí)受體電位C1通道和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上ryanodine受體等介導(dǎo)細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣釋放，從而激活平滑肌細(xì)胞BK通道[10-11]。因此，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的變化可以直接影響B(tài)K通道的開(kāi)放，而研究顯示ATP可通過(guò)相應(yīng)受體調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度[12]。

2 ATP及其受體

ATP作為人體最直接的供能物質(zhì)廣為人知，但是對(duì)ATP的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。自1929年發(fā)現(xiàn)ATP至今已將近一個(gè)世紀(jì)，20世紀(jì)50年代，Pamela等首次證實(shí)感覺(jué)神經(jīng)末梢能釋放ATP[13]；70年代，Burnstock等提出“嘌呤神經(jīng)”的概念[14]，自此ATP作為一種神經(jīng)遞質(zhì)逐漸為人所知。但ATP的作用機(jī)制一直是研究的熱點(diǎn)，20世紀(jì)90年代早期，人們發(fā)現(xiàn)ATP可使神經(jīng)元去極化，膜片鉗實(shí)驗(yàn)顯示ATP能激活離子通道，還可以在周?chē)椭袠猩窠?jīng)系統(tǒng)之間介導(dǎo)突觸傳遞[15-16]。進(jìn)一步研究表明，ATP主要通過(guò)嘌呤受體介導(dǎo)發(fā)揮作用，并把ATP受體分為兩大家族，促代謝型P2Y受體和離子型P2X受體，這兩種受體廣泛存在于機(jī)體的組織和細(xì)胞[17]。

2.1P2X受體 P2X受體是一種非選擇性陽(yáng)離子通道，對(duì)鈣離子有較高的通透性，在哺乳動(dòng)物P2X受體有7種亞型，每種亞型由一個(gè)細(xì)胞外功能區(qū)、細(xì)胞內(nèi)N端和C端及兩個(gè)疏水性跨膜結(jié)構(gòu)組成[18]。N端長(zhǎng)度較短，由25個(gè)氨基酸構(gòu)成，而C端根據(jù)P2X亞型不同，氨基酸為30～215個(gè)，并包含蛋白激酶A和蛋白激酶C磷酸化位點(diǎn)，同時(shí)也是P2X受體重要的調(diào)節(jié)區(qū)域[19]。細(xì)胞外功能區(qū)由大約280個(gè)氨基酸構(gòu)成[20]。其中包括由10個(gè)保守半胱氨酸殘基組成的一系列二硫鍵，其作用是對(duì)離子通道與ATP結(jié)合位點(diǎn)的耦合形成結(jié)構(gòu)上的限制[21]?？缒^(qū)域包括TM1和TM2兩部分，兩者共同組成P2X的通道結(jié)構(gòu)[22](圖2)，其中TM2的功能尤為突出[13]。

圖2 P2X(左)和P2Y(右)受體結(jié)構(gòu)模式圖

2.2P2Y受體 P2Y受體是一種G蛋白偶聯(lián)受體，在哺乳動(dòng)物已克隆出P2Y(1、2、4、6、11-14)8種亞型。P2Y受體由308～379個(gè)氨基酸構(gòu)成，含有7個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，其中N端在細(xì)胞外，C端在細(xì)胞內(nèi)[21]。與P2Y受體結(jié)合的G蛋白，以α、β、γ三聚體的形式存在于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)，其中α亞基具有與受體結(jié)合并受其活化調(diào)節(jié)及與下游效應(yīng)分子相互影響的作用。異源三聚體G蛋白是直接接收G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)的分子，可影響許多下游效應(yīng)分子和調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。P2Y受體的細(xì)胞內(nèi)C端含有一些蛋白激酶結(jié)合位點(diǎn)或磷酸化作用位點(diǎn)的共有序列，7個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域中TM3、TM6、TM7的一些堿性殘基參與配體的結(jié)合和調(diào)節(jié)，可能是興奮性受體激活的關(guān)鍵[19,21]。

與P2X受體相同，P2Y受體的8種亞型也廣泛分布于機(jī)體的組織和細(xì)胞。在結(jié)腸末端平滑肌細(xì)胞P2Y1和P2Y6含量較多，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞主要有P2Y4和P2Y6，在腸神經(jīng)元主要有P2Y2和P2Y12，而在免疫活性細(xì)胞中檢測(cè)到大量的P2Y4受體[22]。之后人們發(fā)現(xiàn)，在主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞和腸系膜動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞都有大量的P2Y受體(1、2、4、6)[23]。近年來(lái)免疫組織化學(xué)研究顯示，P2Y1在冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮和平滑肌上均有表達(dá)[24]。磷酸吡哆醛-6-偶氮苯-2′，4′-二磺酸對(duì)P2Y1有很強(qiáng)的拮抗作用，但對(duì)其他P2Y受體的作用很小甚至沒(méi)有[19，25]。

3 ATP對(duì)冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞BK通道的影響及機(jī)制

早在1996年，Str?baek等[26]在人類(lèi)冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞發(fā)現(xiàn)ATP可以通過(guò)嘌呤受體(P2X和P2Y)刺激細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)釋放鈣，從而使BK通道開(kāi)放，并通過(guò)膜片鉗實(shí)驗(yàn)予以證實(shí)。近年來(lái)，進(jìn)一步研究表明，ATP主要通過(guò)與P2X受體和P2Y受體結(jié)合而發(fā)揮作用。

TM1和TM2之間的胞外結(jié)構(gòu)有3個(gè)ATP的結(jié)合位點(diǎn)，每2～3個(gè)ATP可以激活一個(gè)P2X受體[18]。ATP與之結(jié)合，激活P2X受體，使TM構(gòu)成的通道結(jié)構(gòu)打開(kāi)，從而引起鈣離子內(nèi)流，使細(xì)胞內(nèi)鈣濃度升高，這一機(jī)制并不依賴(lài)于第二信使的產(chǎn)生和擴(kuò)散，因此速度較快，通常在10 ms內(nèi)[21]。當(dāng)鈣濃度升高超過(guò)10 μmol/L時(shí)即可激活BK通道[9]。鈣離子在細(xì)胞內(nèi)的積聚還可以導(dǎo)致蛋白激酶C、絲裂原活化蛋白激酶和鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性蛋白激酶Ⅱ等一些細(xì)胞內(nèi)激酶激活，故P2X受體激活可能遠(yuǎn)比單純的離子內(nèi)流復(fù)雜[19]。

P2X受體有7種亞型，在機(jī)體中廣泛分布。免疫熒光實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，P2X1主要分布于動(dòng)脈平滑肌層，其表達(dá)量依賴(lài)動(dòng)脈血管床的多少，但在冠狀動(dòng)脈難以檢測(cè)；P2X4分布在所有動(dòng)脈中，尤其是在冠狀動(dòng)脈和腦動(dòng)脈中表達(dá)量最高；P2X7主要分布在動(dòng)脈外膜，而P2X(2、3、5和6)在動(dòng)脈中表達(dá)極少[27]。因此，可以推斷在冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞ATP主要通過(guò)與P2X4的結(jié)合發(fā)揮作用。

P2X4受體作為P2X受體的一種亞型，受許多核苷酸類(lèi)似物的激活，各種類(lèi)似物對(duì)P2X4受體的激活反應(yīng)如下：ATP>苯甲酰苯甲酸>2-亞甲基硫ATP>胞苷三磷酸>α,β亞甲基ATP，且這種作用效果在人體有類(lèi)似表現(xiàn)[20]。另一方面，許多物質(zhì)可抑制P2X4受體，其抑制反應(yīng)如下：5-(3-溴苯基)-1，3-二氫-2H-苯并呋喃并[3,2-C]-1,4-二氮雜-2-酮>帕羅西汀>三氮ATP>磷酸吡哆醛-6-偶氮苯-2′，4′-二磺酸，其中5-(3-溴苯基)-1，3-二氫-2H-苯并呋喃并[3,2-C]-1,4-二氮雜-2-酮是P2X4受體的特效抑制劑[28-29]。

P2Y受體主要通過(guò)第二信使發(fā)揮作用，P2Y受體亞型不同，其機(jī)制也各有差異。根據(jù)G蛋白亞型的不同，發(fā)現(xiàn)P2Y(1、2、4、6和11)受體屬于Gq蛋白偶聯(lián)亞群，P2Y(12～14)受體屬于Gi蛋白偶聯(lián)亞群[19]。前者(P2Y11除外)主要通過(guò)Gq與磷脂酶C偶聯(lián)，產(chǎn)生肌醇1,4,5-三磷酸(inositol 1，4，5-triphosphate,IP3)發(fā)揮作用，后者主要通過(guò)Gi與腺苷酸環(huán)化酶耦合發(fā)揮作用，而P2Y11受體則兩種機(jī)制兼有[23]。

P2Y1受體作為Gq亞群中的一員，主要分布在冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞上，通過(guò)與磷脂酶C偶聯(lián)，產(chǎn)生IP3發(fā)揮作用。研究顯示，激活I(lǐng)P3受體不僅可以使細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高，還可以增加BK通道對(duì)鈣離子的敏感性，使BK通道易于激活[30]。ATP為P2Y非選擇性激動(dòng)劑，可激活P2Y1受體，從而激活BK通道[31]。

ATP引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高是通過(guò)激活P2Y受體使細(xì)胞內(nèi)IP3敏感鈣庫(kù)釋放鈣離子增加，還是通過(guò)激活P2X受體引起細(xì)胞外鈣內(nèi)流增加，或兩者兼有，目前仍有爭(zhēng)議。細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)包括ryanodine 敏感性鈣庫(kù)和IP3 敏感性鈣庫(kù)，在對(duì)鼠黃體顆粒細(xì)胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)研究顯示，ATP誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)鈣動(dòng)員受ryanodine受體的調(diào)節(jié)[32]。對(duì)鼠嗅上皮足細(xì)胞研究同樣顯示，ryanodine受體和IP3受體都參與G蛋白偶聯(lián)受體(包括P2Y受體)引起的細(xì)胞內(nèi)鈣升高[33]。對(duì)細(xì)胞內(nèi)鈣離子轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究則排除了ATP通過(guò)ryanodine受體的作用，ATP對(duì)細(xì)胞內(nèi)鈣濃度的影響無(wú)ryanodine受體參與[34]。

ATP激活P2X和P2Y后，兩者可單獨(dú)發(fā)揮作用，也可相互協(xié)調(diào)。對(duì)腎動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的研究表明，激活P2X受體可引發(fā)IP3受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)鈣釋放[35]。但在冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞是否有相同現(xiàn)象尚不完全清楚，還有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié) 語(yǔ)

ATP可以通過(guò)激活P2X受體和P2Y受體改變細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度，其中前者主要通過(guò)改變細(xì)胞膜對(duì)鈣離子的通透性實(shí)現(xiàn)，后者主要通過(guò)磷脂酶C-IP3通路實(shí)現(xiàn)。細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高又可以促進(jìn)BK通道的開(kāi)放，從而使冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞舒張，起到擴(kuò)張血管的作用。在冠狀動(dòng)脈硬化性心臟病、高血壓和糖尿病等病理?xiàng)l件下，BK通道功能受損，ATP對(duì)BK 通道的激活作用可能會(huì)發(fā)生變化，因此，深入研究ATP對(duì)病理?xiàng)l件下冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞BK通道的作用機(jī)制，可為ATP在臨床應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)，臨床意義重大。

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