6.心脏KATP 通道

ATP敏感性钾通道（ATP-sensitive potassium channel，KATP）于1983年由Noma首先发现，广泛分布和存在于多种组织，包括肌肉、胰腺β细胞和脑。其活动由腺嘌呤核苷酸调控，特征是由ATP的下降和ADP的上升激活，胞内ATP浓度升高则显著抑制通道活性。在心肌缺血、折返性心律失常和心衰情况下，KATP通道具有重要的心脏保护作用。对于指导临床药物治疗、靶点的选择上也有重要的指导价值。在心律失常研究中，小鼠很受欢迎，分子遗传学方法（即转基因模型）可以精确和快速阐明特殊问题。但小鼠和人类之间存有重要的电生理差异，这可能深刻地影响心律失常行为和对抗心律失常药物反应。因此不宜将小鼠的数据扩展至大动物，更不应直接应用于临床。

一　KATP在心肌中的分布及生理功能

分子生物学研究表明，KATP通道是由两个亚基构成的复合体，即内向整流钾通道（inwardlyrectifying potassium channel，Kir）和ATP结合蛋白磺酰脲类受体（sulfonylurea receptor，SUR）。每个心血管KATP通道是由4个Kir6亚基和4个SUR亚基组成的功能八聚体。Kir6亚基生成通道孔而SUR亚单位则起调节作用。KATP的代谢控制阀位于内腔的细胞质末端。ATP结合到Kir6亚基，提供了关闭通道的能量动力。Mg-ATP结合到SUR亚基核苷酸结合区NBD1-NBD2。ATP水解导致构象成激活状态。通过ADP解离，激活的状态得以持续，并可以由ADP重新绑定来维持。Kir亚基有Kir6.1和Kir6.2型，形成离子通道的孔道，而SUR则有SUR1和SUR2（或SUR2A、SUR2B）。当SUR与Mg-ADP结合或给予通道开放剂（如吡那地尔及二氮嗪）可使通道开放，而磺脲类（如格列本脲和甲苯磺丁脲）则抑制该通道。KATP的功能取决于SUR 和Kir亚基的分子连接方式，不同的Kir亚基和SUR亚基相互结合，形成了不同组织KATP分子结构，决定了不同组织KATP的功能特征。研究证明细胞膜、线粒体膜和核膜上均分布有KATP，分别称为sarc KATP、mito KATP和nuclear KATP，其作用和功能非常广泛（图1-6-1、图1-6-2）。人的KATP基因结构，ABCC8（SUR1）和KCNJ11（Kir6.2的）紧邻染色体11p，而ABCC9（SUR2）和KCNJ8（Kir6.1）紧邻染色体12。

二　KATP的分布及电生理特性

Morrissey等发现Kir6.1在鼠心室肌细胞、冠状动脉平滑肌和血管内皮细胞中均有表达。最近的研究发现，小鼠心房和心室中KATP通道不同：Kir6.1的通道可能主要在传导系统细胞，心房KATP通道是由SUR1/Kir6.2组成，而心室KATP通道包含SUR2A/Kir6.2。Kir6.2主要在心室肌和内皮细胞中表达，而平滑肌细胞中没有表达。SUR1在心室肌细胞表面强表达（但是在冠状动脉系统中无表达），而SUR2主要在心肌和冠状动脉血管（主要是小血管）表达。KATP的主要特性包括以下几点。

1.与细胞膜内、外K+浓度密切相关 KATP通道对K+有高度选择性通透作用，而对Na+的通透性极低。当心肌细胞膜电位为0mV，膜内、外K+浓度差为140mmol/L时，KATP单通道电导为80S。在血管平滑肌细胞膜内K+浓度为120mmol/L，膜外为60mmol/L时，KATP单通道电导为130S，高于心肌细胞。

2.KATP通道的活性受细胞内ATP浓度的调节。与电压依赖型钾通道不同，KATP通道不受细胞膜电压的调节。

3.KATP通道受G蛋白的调节。激活细胞内的G蛋白，可以拮抗ATP对通道的抑制作用，使KATP通道开放。

目前观察到的与心律失常有关的KATP主要生理功能包括以下几方面：

1.对缺血心肌的保护作用

在正常心脏组织中，由于细胞内ATP浓度高，KATP通道处于抑制/关闭状态，不参与动作电位的形成和兴奋收缩耦联。但在心肌缺血的情况下（［ATP］i较低时）KATP开放，使K+外流，动作电位时程缩短，动作电位平台期缩短，复极加速。而电压依赖型钙通道活性下降，Ca2+内流减少，抑制心肌收缩，从而保护心肌。也就是说，外向钾电流增多，使动作电位时程缩短，因此降低Ca2+内流以及细胞内Ca2+浓度，储存ATP。通道通过控制胞质中Ca2+内流缩短动作电位。在低氧条件下，KATP通道被激活，使动作电位时程缩短和细胞外钾离子蓄积，减少钙离子内流，对心肌有一定的保护作用。但过度的钾离子外流对心肌则有损害，甚至诱发心律失常。KATP持续开放，动作电位时程缩短，可导致折返性心律失常，可能加速心肌细胞死亡，显示KATP在心肌缺血和心律失常方面的双重性。

2.对抗心律失常的作用

虽然心律失常的分子和细胞基础已经被广泛地研究了几十年中，但研制、发展安全有效的抗心律失常药物和治疗仍然不尽如人意。如心肌缺血在恶性心律失常的发生、发展中起重要作用，KATP通道被认为是抗心律不齐治疗的靶标。细胞内ATP抑制KATP通道而ADP激活KATP通道。因此，当心肌缺血时，ATP水平降低及ADP水平升高，KATP通道被激活，促进钾外流，缩短动作电位间期/不应期，造成复极不均一，从而产生折返性心律失常的基质。阻断该通道的药物可以降低对非缺血心肌的影响，从而具有降低心律失常事件的倾向。

细胞内Ca2+超载及K+外流减少均可触发激动。很多研究表明，运动或儿茶酚胺增高性室性心动过速与细胞内Ca2+超载有关。小剂量钾通道开放剂拮抗早期后除极（EAD）及触发激动的形成。此外，ATP耗竭本身也可以抑制Ca2+的振荡释放、抑制肌质网上的钙泵摄取Ca2+，使KATP开放，终止/抑制EAD、DAD（延迟后除极）致触发性心律失常。心肌KATP通过调整膜激动性以适应儿茶酚胺压力下细胞能量需求，对心肌电稳定有较大作用。肾上腺素使普通小鼠动作电位缩短，产生平滑的去极化曲线，没有早期后除极。而在KATP缺乏的心肌中，肾上腺素刺激产生早期后除极，从而触发激动和室性心律失常。KATP开放在触发激动的形成机制中间接抑制因L型钙电流增大所致动作电位时程的延长作用，对心室肌细胞具有保护作用。这为用KATP激动剂治疗特发性室性心动过速提供了理论依据。KATP通道激动剂抑制早期后除极和折返激动，而通道阻滞剂则相反。

研究显示，即使是温和的KATP通道开放亦会引起显著的动作电位（AP）缩短。由于对细胞内ADP活性较敏感，心脏SUR1表达提示KATP通道可能参于正常生理条件下心肌兴奋。最近的研究发现，在剧烈运动和高度紧张期间心肌KATP通道可能打开。另一方面，由于KATP通道打开所致AP缩短，通过降低对缺血或其他高应力的反应，降低收缩力和能量消耗而起到心脏保护作用。此外，KATP通道开放使AP缩短，细胞外钾蓄积，跨膜复极离散度改变，尤其是如果局部区域的心脏反应有差异，可能易诱发心律失常。因为KATP激活取决于通道结构组成，不同KATP通道亚基的表达可能会导致心脏不同反应效果。如心脏不同部位对缺血或其他压力的反应不同。Antzelevitch等2012年提供证据表明，早复极模式（J波综合征）可能与心室颤动的风险增加有关。

最近，美国俄亥俄州立大学的研究者们使用动态电流钳、全细胞和离体细胞膜片钳技术研究犬心室和心房肌细胞对代谢抑制，及对选择性KATP激动剂吡那地尔（Kir6.2/SUR2A）和二氮嗪（Kir6.2/SUR1）的反应。他们报告说，与鼠不同，代谢抑制或吡那地尔治疗均引起类似的犬心房和心室肌细胞KATP钾电流增加。此外，虽然二氮嗪诱导的电流被检出，但对KATP钾电流影响不大（图1-6-3～图1-6-7）。作者认为，在较大的哺乳动物心脏，无论是心房还是心室，主导KATP亚型的都是Kir6.2/SUR2A。人的心脏也观察到类似的情况。Haissaguerre等（2009）在特发性室颤伴显著早复极患者中发现罕见的变异体KCNJ8（Kir6.1），提出了KATP通道与早复极综合征有明显关联。在进一步的独立研究中，Barajas等在5位患者中发现同样的丝氨酸错义突变为亮氨酸（S422L）。这两项研究均显示当Kir6.1-S422L与异质性SUR2A共表达时电流密度增加。通道功能增加的突变是由于Kir6.1-S422L通道ATP敏感性降低所致。

在心律失常研究中，小鼠模型很受欢迎，因为应用分子遗传学方法（即转基因模型）可以精确和快速阐明特殊问题，而目前在大动物尚不能。然而，小鼠心脏不是人类心脏的缩影。小鼠和人类之间［和（或）其他物种之间］存有重要的电生理差异，这可能深刻地影响心律失常行为和对抗心律失常药物的反应。事实上，小鼠的基础心率较人类和狗高10倍，细胞内钙调节有重要区别（以及由此产生的膜钙电流），以及影响复极钾电流。必须强调，不宜将小鼠的数据扩展至大动物，更不应直接应用于临床。

尽管进行了近30年的研究，我们仍然对心肌膜KATP真正的生理因素和活性了解很有限。最近，人们认识到，心肌膜KATP通道亚基及其异质性较原先的认识要复杂得多且很不稳定。mitoKATP在心血管生理和病理的作用与机制仍不清楚。

随着生物科技的迅猛发展，基因技术与膜片钳、蛋白质化学等技术的有机结合，KATP通道在心肌中的分布已经得到证实，阐述了KATP通道基因的核苷酸顺序、在染色体上的定位，其基因所编码的每一个蛋白质在通道中的具体位置及作用。已经初步了解了KATP通道基因表达的特点和调控方式，对其分子结构及其异质性与功能的关系正在进行进一步深入探索。这些研究从分子角度阐述通道的电生理学特性，揭示了许多抗心律失常药物的作用机制，加深了对一些疾病，尤其是遗传性疾病的病因和病理生理的了解和理解。KATP通道的研究对心律失常的诊断与治疗具有重要意义与广泛的应用前景。

（王炳银　刘峰）

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