钾通道的分类及功能

钾通道的分类及功能

钾离子对人体的日常生活活动起着非常重要的作用。为了其功能的实现，首先通过细胞膜中的钾离子通道进入细胞，与相应的位点结合或激活一些分子，并发挥各种生理生化作用。自从采用了全细胞膜片钳和单通道记录的电生理学技术,以及离子通道分子生物学、遗传学和电生理学的联合研究,使许多通道蛋白的分子结构已经逐步弄清,相当多的通道cDNA已经被克隆。目前认为,钾通道是存在广泛、种类最多并且最复杂的一大类离子通道。本文就钾离子通道的分类及功能做一综述。1钾通道超家族电压敏感的钾通道又称电压依赖性钾通道(Kv),它是钾通道超家族中的重要成员,其中快速失活A型通道和毒蕈碱敏感的M通道广泛分布于神经系统,参与神经元兴奋性的产生和传播、神经递质的释放、细胞增殖及细胞退化。1.1电压依赖性钾通道钾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钾通道的结构特点。电压依赖性钾通道由4个结构相同的α亚单位组成。而每一亚单位主要包含3部分:6个跨膜蛋白分子节段(S1~S6)构成电压依赖性钾通道的主体部分(S4为电压感受器),N-末端,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),与通道选择性有关。分子遗传学研究证明,钾通道孔及其中的GYG结构存在于几乎所有类型的钾通道中,在物种遗传和进化过程中完整地保留下来。1.2细胞外应用氨基酸对n型失活的影响其主要包括以下两种失活机制:(1)N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钾通道孔内口,使通道失活。此即所谓的“球和链机制”(ballandchainmechanism)。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人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。(2)C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”,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S′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。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2个氨基酸能显著减慢通道失活,因此有人提出V型失活(vestibuletypeinactivation)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。1.3电压依赖性钾通道1.3.1快乍机溶剂通道fao-partA型瞬时钾通道(KA)最初由Conner和Stevens在海兔神经元记录到而命名。它的激活和失活都迅速,去极化至-65mV时被激活,灭活很快,至-45mV时完全灭活。由于活化后约1ms灭活闸门就启动,故又称为快瞬时钾通道(fasttransientK+channel)。毒蕈间敏感的M通道最早在外周交感神经元上被发现,它调节的也是外向电流,但该电流不失活,衰减很慢。A型瞬时钾通道:由于所有神经元的动作电位有一个超级化时相,当再次去极化时,此通道被激活,以延迟去极化达到阈电位的时间,依此机制它可控制神经元的发放频率,这些功能与海马的储存、记忆等认知功能有关。1.3.2间常发生严重药物代谢有关专家在乌贼巨轴突发现的钾通道属于此类。膜去极化时经过延迟才激活,失活也缓慢。其时间常由数百毫秒至数十秒不等。延迟整流钾通道:限制钠离子的内流,以缩短动作电位的持续时间。由于去极化时的外向电流明显大于超级化时出现的内向电流,故又称为外向整流钾通道(outwardrectifier),可被四乙胺阻断,与细胞膜的兴奋性密切相关。1.3.3胞内钙激活通道它受到电压和钙离子的双重门控。其结构略有不同,有两个功能独特的区域,即一个保守的通道核心结构和一个特别长的与钙离子结合的C端。由去极化激活,但还受到胞内钙离子浓度的调控。钙激活通道:调控冲动的发放频率,电导大,一般在200pS,因此与肌浆网中的钾通道共称为最大钾通道(maxiK+channels)。此通道在体温调控中可能起着比较重要的作用。2钙非依赖钾电流瞬时性外向钾通道普遍存在于心肌细胞上在膜去极化比较明显时激活,引起瞬时性(一过性)钾外流(Ito)。形成心肌快反应细胞快速复极初期(1期)。Ito可分为Ito1和Ito2,Ito1是一种较长久的外向钾电流,可有效地被4-氨基吡啶阻滞,还可被钡抑制,但是钙阻滞剂钴不影响Ito1,因此Ito1是钙非依赖性钾电流;Ito2是一种短暂的外向钾电流,可被抑制钙内流或抑制细胞内钙释放的阻滞剂钴所阻断,所以Ito2是一种钙依赖性的钾电流。在房颤发生时,心房率过速导致Ito2减弱,动作电位时程和不应期缩短,使房颤趋向持续。此外,心脏疾病时发生结构和电生理学的重建,许多离子通道(如Ito)编码的基因表达发生改变,在心脏病变时离子通道基因表达的改变导致对药物反应的改变。这对于今后抗心律失常的研究方向从心脏和药物方面、从治疗学和离子通道角度提出了希望及思路。3katp基因内向整流钾通道的分子结构直到1993年才被阐明,它由两次穿膜螺旋和夹于其间的H段构成,即只相当于电压门控钾通道分子的后半部,它没有闸门和电压感受器(H5)结构。内向整流钾通道Kir(已发现有12个相应基因:KCNJ1~KCNJ11和KCNK)为超极化电流所激活,去极化时灭活。内向整流式钾通道控制静息电位和输入电阻,但不阻止动作电位的发生,这些内向整流钾通道受神经递质或细胞内ATP水平的调控。ATP敏感钾通道在正常生理条件下开放率为零,只在ATP浓度降低或缺氧时开放率才明显增加;所以,这种钾通道被认为有保护心肌和抗心律失常的作用,KATP激活与心肌缺血时动作电位缩短有关,KATP激活可降低细胞内ATP的消耗,避免细胞发生不可逆性损伤。近年来大量研究表明KATP在心血管系统的病理生理过程中具有重要作用。ATP敏感性钾通道(ATP-sensitiveK+channels,KATP通道)是电压非依赖性的、配体门控通道,由Noma于1983年首先在豚鼠的心肌细胞上发现。随后的研究证实,此通道也存在于血管、胰腺、骨骼肌、神经元等其他组织。KATP通道开放可产生血管扩张和心肌及神经细胞保护作用,而关闭则促进胰岛素分泌,因此KATP通道成为高血压、心绞痛、糖尿病及缺血性脑损伤等多种疾病的一个治疗学靶点。KATP通道可以分为两类:一是位于细胞膜上的KATP通道(surfaceKATPchannel,sKATP);二是位于线粒体膜上KATP通道(mitochondrialKATPchannel,mitoKATP)。3.1患者体形式不同分子生物学和电生理学实验证实,sKATP通道是由4个内向整流钾通道(Kir6.X家族)亚单位和4个调节性磺脲类受体(SUR)组成的八聚体。Kir6.X家族已发现两组成员:Kir6.1和Kir6.2,SUR也发现2种:SUR1和SUR2,SUR2又有2种不同的剪接体形式即SUR2A和SUR2B。Kir6.1和Kir6.2均由390个氨基酸组成的多肽,含有2个疏水跨膜区段M1、M2;这2个跨膜区分别由1个孔环和胞浆侧氨基、羧基末端相连接。SUR有17个分为3组排列的跨膜区段(TM),细胞内2个SUR区段各含有1个核苷酸结合区。SUR1主要分布于胰岛β细胞和神经元,SUR2A多见于心肌和骨骼肌细胞,而SUR2B则在血管平滑肌细胞多见。SUR的主要作用是结合磺脲类药物、钾通道开放剂和ATP或ADP等细胞内调节因子。但是,sKATP通道对ATP的敏感性并不取决于SUR亚基,而是取决于Kir6亚基。sKATP通道主要生理功可能包括调节糖稳态和细胞电活动。在胰岛β细胞,sKATP通道具有监测葡萄糖浓度、调节糖稳态作用。sKATP通道在心肌、骨骼肌、神经元广泛分布提示,其可能参与调解细胞电活动使之适应细胞能量代谢的需要。这可能是一些减轻细胞缺血再灌注损伤措施的作用靶点所在。3.2vir6.1重组病毒的生长1991年,Inoue等利用膜片钳单通道记录技术在大鼠肝细胞线粒体内膜上证实了存在mitoKATP通道。为研究该通道活性,实验者把mitoKATP重组进部分含有源于牛心肌线粒体内膜纯化蛋白的脂质体。研究表明,mitoKATP通道活性不仅可以被ATP抑制,磺脲类抗糖尿病药和5-HD也可关闭该通道;此外,一些KCOs如Diazoxide则能够开放该通道。目前对mitoKATP通道的分子结构仍然所知甚少。一些在药物学反应及免疫荧光方面的观察提示,mitoKATP通道可能也属于内向整流钾通道家族。利用免疫荧光及免疫金染色法技术已经证实,在大鼠骨骼肌及肝细胞线粒体内膜存在内向整流钾通道Kir6.1。最近,Zhou等的研究利用原位杂交和免疫组化方法已经在大鼠脑组织发现Kir6.1,在各种神经元及胶质细胞Kir6.1mRNA几乎呈无处不在的表达。此外,电镜观察发现,Kir6.1的免疫反应产物特异性地集中于线粒体部位。Liu等的研究则表明,在众多的SUR和Kir亚单位组合中,只有SUR1和Kir6.1符合mitoKATP通道的药理学特性。根据现有的一些知识,mitoKATP通道可能主要包括两方面的生理功能,其一是维持线粒体内钾稳态,进而调节线粒体体积;其二是在线粒体能量化过程中,钾离子摄取可以部分弥补因质子泵转运H+引起的电荷变化,因而在形成pH梯度同时维持一定的跨膜电位。尽管mitoKATP通道与sKATP通道在成孔亚基上不同(前者为Kir6.1而后者多为Kir6.2),但二者具有许多相同的药理学特性,它们最为重要的药理学区别在于后者对Diazoxide的敏感性几乎是前者的2000倍。4钾通道与疾病双孔钾通道是一大类编码细胞膜背景钾电流的新型钾通道亚型超家族,其功能与多种生理和病理改变密切相关。这类钾通道亚型超家族近几年才被克隆出来并受到重视。这些亚型都具有4个跨膜片段(4TMS)和2个孔道结构域(2P),所以它们也被称为双孔钾通道,编码的正是背景钾电流。由于电生理、药理及分子生