第二十一章离子通道概论及钙通道阻滞药

第二十一章离子通道概论及钙通道阻滞药离子通道病细胞膜离子通道结构和功能正常是细胞进行生命活动的基础，离子通道特定位点的突变将导致其激活、失活功能异常，引起细胞功能紊乱，形成各种遗传性疾病。近年来，医学和生物学界开始关注细胞膜上的电压门控钠、钙、钾和氯离子通道功能改变离子通道基因缺陷或功能改变与某些疾病的密切关系。随着分子生物学技术的发展，已知一些疾病的发生与特定通道基因的改变有关，即通道基因的突变会导致其相应的通道蛋白结构与功能异常，进而诱发机体发生遗传性疾病（即遗传性或原发性离子通道病），同时某些疾病又可使某种离子通道功能甚至结构发生改变（即继发性改变）。随着离子通道生理学、病理学和分子遗传学等方面的研究进展，人们对离子通道病的发病机制有了更深入的认识，将有助于开辟离子通道病治疗的新途径。离子通道病（IonChannelpathies）是离子通道基因缺陷与功能改变所引起的先天性与获得性疾病，也称为离子通道缺陷性疾病。近来大量研究表明，钠、钾、钙及氯通道的分子结构发生异常，都可以导致疾病的发生。根据引起疾病通道的不同可分为钠通道病、钾通道病、钙通道病及氯通道病。第一节钠通道病电压门控性钠离子通道（简称钠通道）是存在于大多数可兴奋细胞膜上的膜内蛋白质，它主要在快速去极化时引起动作电位的传播，参与心肌动作电位0期的形成。钠通道蛋白结构及其编码基因发生改变，将引起相关疾病，即钠通道病。一、骨骼肌钠通道疾病成年人骨骼肌钠通道α亚基的编码基因一旦发生突变后可造成一组临床上症状相似的药理学pharmacology遗传性疾病，研究资料表明人类染色体17q23位上钠通道α亚基SCN4A基因突变可诱发高血钾性周期性麻痹、先天性肌强直或非典型性肌强直等疾病。（一）高血钾性周期性麻痹高血钾性周期性麻痹HyperPP（hyperkalemicperiodicparalysis，又称Gamstorp,sdisease）是一种显性遗传性肌肉疾病。它的临床症状呈一过性肌无力或麻痹，通常在运动后休息时发作或因摄入富钾食物造成血液中K+浓度升高所引起。临床上HyperPP病人在麻痹发作前往往会出现肌强直征兆。病人的麻痹性发作与血液中钾离子浓度升高相关。大多数HyperPP是由钠通道α亚基的M1592V和T704M突变所引起的，A1156T和M1360V突变也可导致出现HyperPP的症状。T704M位于Ⅱ结构域S5片段膜内侧，M1592V位于Ⅳ结构域S6片段的膜内侧，这两个结构域中的S5和S6片段被认为参与了通道失活化门控部件接受位点（receptorsite）的形成。对HyperPP病人活检肌肉纤维的电生理记录显示了一个持续的钠电流。该电流在低膜电位状态（-70mV）下仍可被激活。虽然对HyperPP突变基因在哺乳动物细胞系中表达后进行了广泛的研究，但突变钠通道诱发骨骼肌麻痹的机制尚无定论。Cannon和SttrittMeffer曾报道：大鼠骨骼肌钠通道M1592V和T704M突变体的异常失活化过程是由于短时程内通道开放次数和重复发放频率的增加所致。这一结果似乎与单个钠通道在快和慢门控方式之间自发切换的观察结果及所提出的门控假说相一致，并更倾向于慢门控机制。与此相反，Cumins等也对大鼠骨骼肌T704M突变体进行了研究。他们发现突变通道活化的电压依赖性朝着负膜电位移动了10～l5mV，而突变型与正常钠通道在快速失活化的动力学、电压依赖性或恢复过程等方面无明显差别。另据报道，通道活化的电压依赖性改变会导致活化和失活化过程之间有重叠，该重叠可由在-70～-35mV电压范围内检测到的持续钠电流以及在病人肌纤维中观察到的去极化加以解释。肌纤维去极化将导致绝大多数正常钠通道失活化，使肌肉不能兴奋。此外，外部K＋浓度升高可引起完整肌细胞和肌管中突变钠通道的功能异常。相反，在被分离的细胞膜片或异源细胞所表达的突变钠通道对膜外K+浓度不敏感，提示K+可能通过改变膜电位的方式间接发挥作用。（二）先天性肌强直病先天性肌强直病（paramyotoniacongenita，PC又称Eulenburg'sdisease）的临床症状特点是：肌肉强直，寒冷环境会加剧肌肉的僵硬程度，被动的高强度肌肉活动会引起长时期的肌无力。病人的肌强直症状不能通过肌肉活动得到缓解和恢复。PC属于常染色体显性遗传疾病，与钠通道的T1313M、L1433R、R1448H、R1448C和A1156T等位点突变有关。此外，A1156T突变也可产生兼有HyperPP和PC的临床症状。T1313M突变位点位于胞内涉及通道失活装置的Ⅲ～Ⅳ结构域连接环上。该环如同铰链盖调控通道的失活化过程。其中IFM（1488～1490）三联残基如同铰链盖，由于T1313M突变位点与IFM三联残基相邻，可能会减弱IFM盖与通道内口间的疏水作用，造成通道失活化不完全，进而诱发持续较大的钠电流。另三个突变点（L1433R、R1448H和R1448C）位于钠通道Ⅳ结构域S4或S3膜外口处。这些片段被认为是通道的电压感受器。将PC病人的肌纤维冷却到约27℃后，可诱发肌纤维膜的去极化产生自发动作电位和持续收缩。这一现象归因于钠通道的失活化异常而导致的持续内向钠电流。在哺乳动物细胞系中表达的R1448H和R1448C突变体显示钠通道的活化过程有细小改变，且其失活化速率减慢，而恢复速率则加快。单通道记录显示突变通道重复开放以及开放时间增加。这些特性与突变钠通道的开放和失活化状态间转换“脱节”相对应，这将导致突变通道的活化和失活化过程之间部分脱偶联。通道突变可能在一定程度上改变了其蛋白各构象状态的相对能量水平，从而形成不同的失活化方式。PC和HyperPP病人肌肉活检标本的电生理记录，发现两者都具有钠电流失活化过程异常的共性。不同的是：当河豚毒素（TTX）敏感的持续钠电流引起较小的去极化膜电位和重复发放的动作电位时，可导致PC，而当持续钠电流引起较大的去极化膜电位，使细胞失去兴奋性时，则可诱发HyperPP。（三）钾离子恶化性肌强直病钾离子恶化性肌强直病（K+-aggravatedmyotonia,PAM）其临床症状与PC十分相似。最显著特点是：肌肉在静息后再活动时会出现僵硬症状。病人的肌强直症状不表现温度依赖性，但症状可被摄入的K+所加剧。分子病理学研究发现，PAM与钠通道SCN4A基因上的S804F、I1160V、G1306E/V/A或V1589M突变有关，临床PAM具有显著的K+依赖性。S804F点突变可导致兼有PC和PAM共同特点的临床症状。S804F位于Ⅱ结构域S6膜内侧，V1589M位于Ⅳ结构域S6片段的膜内侧，I1160V位于Ⅲ结构域S5膜内侧。这些片段均被认为是参与形成通道失活化门控部件的接受体。导致PAM的G1306E/V/A突变位点也位于Ⅲ～Ⅳ结构域连接环上。由于1306-Gly的侧链很小，使整个铰链具有高度的弯曲灵活度。一旦Gly被其它大分子残基如Ala、Val或Glu取代，便会降低铰链的弯曲灵活度，导致通道失活化受阻，最终引起疾病的临床表现。例如，比较在人胚胎肾细胞（HEK293）表达的PAM病变钠通道与野生型钠通道的电生理特性，发现G1306A突变体只有τ1值增加，而G1306V和G1306E突变体的失活化时间常数（τl与τ2）和稳态电流与峰电流的比值（Iss/Ipeak）都明显增加，且G1306E突变体的稳态激活曲线发生漂移。由此表明，在通道1306位点上残基的分子越大，电生理的异常活动越突出，所对应的PAM临床症状也越明显。同时在HEK293细胞中表达的V1589M突变体与野生型的电生理特性的比较，发现突变体的稳态电流与峰电流的比值（Iss/Ipeak）明显增加，且失活化后的恢复过程明显加快（其两个时间常数τl与τ2变大），表明突变加速了通道由失活化态向关闭状态与开放状态的转换过程。胞外K+浓度升高对HEK293中表达的V1589M突变体和野生型钠通道的电流都没有影响。提示K+浓度升高可能是通过间接方式加剧PAM的症状，如胞外K+浓度升高可诱发细胞膜的去极化，促发突变钠通道的电活动紊乱，使病人的临床症状加剧。（四）非典型肌强直病非典型肌强直病（atypicalmyotonia，AM或myotoniafluctuans）与PAM的临床症状几乎对应重叠，如肌肉僵硬、温度的非依赖性及由胞外K+浓度升高引起的影响等。同时，造成AM的病因也被归结于钠通道SCN4A基因上I1160V、G1306E/V/A或V1589M位点突变。AM钠通道突变体的电生理记录也与PAM相似。此外，另一种被称之为琥珀胆碱诱发的咬肌僵硬（massetermusclerigidity，MMR）病因也被认为是由于SCN4A基因上的G1306A突变所致。尽管存在着上述种种雷同的迹象与因素，在医学上AM、PAM和MMR是否归属同一病种在现有文献中尚无定论。二、心脏疾病（一）第三类长QT间隔症（LQT3）长QT间隔症（LQTs）的临床诊断特征是：心律失常，心电图QT间隔延长，心肌细胞复极化异常。在正常生理条件下，内向电流和外向电流之间存在动态平衡。正常心肌细胞膜去极化后，细胞的外向电流超过内向电流，使膜复极化。若心肌细胞存在持续的内向电流或细胞外向电流减小则可使动作电位延长，导致QT间隔的延长，引起LQTs。目前己鉴别到四种LQTs相关的基因座（loci），在已被克隆3个基因中2个为编码钾通道，1个为编码钠通道。LQT3是LQTs病的第三类型，可引起病人意识突然丧失，癫痫发作，甚至猝死。分子病理学研究表明，位于染色体3P21-24上编码心肌钠通道（hH1）SCN5A突变后可诱发LQT3。发现其突变部位在构成通道失活化门控部件的Ⅲ和Ⅳ结构域间连接环上缺失了三个保守氨基酸残基（1505-Lys、1506-Pro和1507-Gln），Ⅲ和Ⅳ各结构域中连接跨膜片段S4和S5间的环上发生了N1325S和/或R1644H点突变，或Ⅳ结构域S4片段中R1623Q点突变。基因突变体可引起延迟钠电流增大，使得膜去极化水平增加，导致QT间隔延长。电生理记录到爪蟾卵母细胞中表达的突变型钠通道的持续内向钠电流。该增大的内向钠电流被认为可能由两种异常的失活化方式形成：①通道失活化态的稳定性降低，加速了失活化后的恢复过程，使通道重复开放间隔缩短;②通道失活化异常，即由正常门控方式转换为爆发性活动的门控方式，从而延长其爆发性活动的持续时间。（二）原发性心室纤颤原发性心室纤颤（idiopathicventricularfibrillation,IVF）许多原发性心室纤颤患者在第一次发病时猝死，其主要原因是心跳陡然过速（200～400次/min），且无规律，导致心脏、大脑和整个机体供血紊乱。SCN5A基因被认为是诱发IVF的分子基础。诱发IVF的基因突变部位已被确证在三个部位：①位于Ⅲ结构域S1和S2片段间胞外连接环上的R1232W和位于Ⅳ结构域S3和S4片段间胞外连接环上的T1620M；②由于在SCN5A基因内含子7的剪接供体部位添加了两个AA核苷酸，使该基因的剪接过程遭到破坏；③SCN5A基因的1397位密码子缺失一个核苷酸A，使通道Ⅲ结构域中S6片段部分，Ⅳ结构域中S1～S6片段部分直至通道蛋白的羧基端部分缺损，导致符合阅读框的翻译终止。电生理记录观察了爪蟾卵母细胞表达的野生型和突变型（R1232W+T1620M）钠通道的电活动性质。结果表明，二者的稳态激活电导-电压曲线图无明显差异，突变型的稳态失活化的电压比野生型向正膜电位方向漂移约l0mV。当电位恢复至约-80mV时，突变型比野生型通道的失活化后的恢复过程明显加快，提示突变使得通道的失活化动力学发生了改变。SCN5A基因突变虽是诱发IVF和LQT3的共同病因，但两者间存在着一个明显的电生理差异，即当可诱发IVF的SCN5A突变型基因（R1232W+T1620M）在爪蟾卵母细胞中表达后，观察不到细胞的持续内向钠电流。在心电图上，IVF病人具有右束支传导阻滞和ST段升高的特征，而LQT3病人的QT间隔却显著延长。诱发钠通道遗