雙分子層膜上離子通道的門控特性

雙分子層膜上離子通道的門控特性

離子通道是膜的蛋白質(zhì)，在脂質(zhì)層的膜上形成了一個高度選擇性的親水孔，并允許相應大小和壓力的離子被動運輸，具有離子選擇性和門控制性質(zhì)。根據(jù)離子通道門控特性的不同,離子通道可分為非門控離子通道和門控離子通道。門控離子通道又根據(jù)控制通道啟閉的信號不同分為電壓門控離子通道、化學門控離子通道和機械門控離子通道等。電壓門控離子通道的開啟或關閉受膜電位影響,具有電壓依賴性,同時通道往往還與電位變化的時程有關,即具有時間依賴性。這類通道在決定細胞的興奮性、不應期和傳導性以及維持細胞正常體積等方面發(fā)揮重要作用。離子通道一般以最容易通過的離子命名,鈉離子通道選擇性允許鈉離子跨膜通過,主要為電壓門控鈉離子通道,分布在神經(jīng)、骨骼肌和心肌細胞膜上。在人類心肌細胞上鈉離子通道的密度最大,在每個心肌細胞上分布可達100萬個以上。高密度分布的鈉離子通道對形成動作電位的快速去極化(0期)有重要意義。如果它的數(shù)量減少或活動降低,以致不能形成正常的0期去極化電位,就會影響后續(xù)離子通道的活動,而產(chǎn)生動作電位異常,導致心律失常的發(fā)生。另外,該通道活動降低可直接導致0期去極化速率減慢,使得動作電位的傳導速度減慢,嚴重時可導致傳導阻滯。目前研究表明,LQT綜合征、Brugada綜合征、進行性心臟傳導障礙(Progressivecardiacconducitiondefect,PECD)、病態(tài)竇房結綜合征等多種原發(fā)性心臟疾病與心臟鈉離子通道有關。以下對鈉離子通道的結構及目前遺傳性心臟鈉離子通道疾病的發(fā)生機制、臨床特點與治療等方面的研究進展做一綜述。1結構域環(huán)與通道c端的互聯(lián)互通鈉離子通道主要是由構成孔道的α亞單位和一個輔助的β亞單位所構成的糖基化多肽復合體,其中α亞單位含有傳導鈉離子的孔道,是完成其功能的主要結構。α亞單位是由4個同源結構域(DⅠ～DⅣ)組成的含2016個氨基酸的四聚體,其中每一個同源結構域包含6個跨膜螺旋(S1～S6),每個結構域中的S5與S6的連接區(qū)共同圍成親水性孔道區(qū)。S5與S6的連接區(qū)一部分在細胞膜外,另一部分在細胞膜內(nèi),具有不對稱結構。在膜內(nèi)部分稱為P環(huán),圍在孔道內(nèi)可選擇性使鈉離子通過,若改變其中的有關殘基,則該孔道對鈉離子的選擇性及通透性就大為降低。各個結構域中的S4是通道的電壓感受器,其氨基酸的排列是每3個殘基中的第一個都帶有正電荷,而其余2個是疏水性殘基。當細胞膜電位除極時膜電位的變化可使S4發(fā)生跨膜移動,而導致通道的開放產(chǎn)生鈉電流?？刂柒c通道的快速失活區(qū),在通道的細胞膜內(nèi)表面,在結構域Ⅲ和Ⅳ之間的細胞內(nèi)鏈上,位置為1484～1486的IFM氨基酸序列(I:異亮氨酸,F:苯丙氨酸,M:甲硫氨酸)。另外的研究表明,鈉通道的C端對通道的快失活也起著重要作用。其中某些部位活動異常,可導致該通道失活不完全,就像門關不嚴留下一條縫隙。因此,在動作電位期間內(nèi),由于鈉離子不斷的內(nèi)流,使動作電位時程延長。在正常情況下,由于結構域環(huán)與通道C端形成分子復合體,它們能關閉的通道穩(wěn)定而不留縫隙。研究證明C端的前半部與IFM氨基酸序列的結合就保證了通道的完全失活。就像房門上的鏈條,如果通過IFM基序,就能完全鎖上門。而如果在這個結合上出現(xiàn)了突變,就會呈現(xiàn)縫隙,而出現(xiàn)鈉離子漏流,從而呈現(xiàn)不全失活。2鈉離子通道科編碼人類和嚙齒類動物的鈉通道α亞單位基因,是目前表現(xiàn)鈉通道特征最好的基因。通常把那些鈉離子通道α亞單位跨膜結構域和細胞外結構域中氨基酸序列的一致性超過50%的,看成為鈉離子通道的一個亞科。2003年國際藥理學家協(xié)會對鈉離子通道命名進行了統(tǒng)一的規(guī)定,由其主要通透的離子(Na)和主要調(diào)節(jié)要素-電壓(voltage,下標)表示,接下來是表明基因亞科的數(shù)字和小數(shù)點,小數(shù)點后面數(shù)字賦值給同型異構體。Nav1.5是人類主要的心臟鈉離子通道同型異構體,主要參與和維持心肌動作電位的形成。1992年,Gellens等首次克隆了編碼Nav1.5的基因SCN5A,1995年George等將該基因定位到了3號染色體的短臂(p)的第2區(qū)第1帶(3p21)的位置。3心臟鈉離子通道疾病3.13型lqt綜合征3.1.1鈉離子通道scn5a基因突變心臟動作電位是向內(nèi)和向外電流之間精細平衡的結果,正常心肌細胞去極化后,細胞內(nèi)向電流超過外向電流,使心肌細胞Ⅰ相末復極化,進而形成心肌動作電位平臺。因而,鈉離子通道的適時開放和關閉是關鍵,開放變遲或保留開放比較久的通道都會破壞保持平衡的能力。3型LQT綜合征(LQT3)是由于心臟鈉通道SCN5A基因突變,導致鈉離子通道結構改變。其中第一個確定的結構域Ⅲ和Ⅳ之間的細胞內(nèi)鏈上位置為1505～1507的KPQ氨基序列(K:賴氨酸,P:脯氨酸,Q:谷氨酰胺)缺失,及結構域Ⅲ和Ⅳ中的S4片段和S5片段之間的連接環(huán)N1325S和R1644H點突變和結構域Ⅳ的S4片段中R1623Q點突變,均可導致鈉離子通道不完全失活,使鈉離子內(nèi)流增強。另一種SCN5A突變?nèi)鏘1768V突變,與不完全失活而出現(xiàn)的鈉離子內(nèi)流增強不同,是由于鈉離子通道失活后恢復過快,呈現(xiàn)增強的內(nèi)向電流?？傊?鈉離子通道在0位相后進入恢復期,應該完全關閉鈉電流(INa),但由于鈉離子通道不完全失活或恢復過快使其有增強的INa,這個內(nèi)向電流在動作電位平臺期的持續(xù)活動,使得平臺期明顯延長,這樣就形成了ST段水平延長的特有的長QT形態(tài)。這可導致早后去極化的發(fā)生,引起膜電位不穩(wěn)定,導致嚴重心律失常、尖端扭轉性室性心動過速(TDP)。3.1.2tdp的臨床病理特征LQT3是LQT的第3種類型,相對發(fā)生率較低,為10%～15%,但心臟致死性風險較高。Zareba等協(xié)作研究顯示LQT綜合征的基因型影響臨床過程。心臟事件的危險性(暈厥、心臟靜止未遂或者猝死)在LQT1或者LQT2位點突變的患者明顯高于在LQT3突變的患者,但致命的心臟事件的百分率在LQT3位點突變的家族明顯較高。常規(guī)心電圖的主要特征表現(xiàn)為ST段平直或斜型延長,T波尖銳,起始和終止分明,雙相T波常見,QT間期多為顯著延長。臨床癥狀以頭暈,癲癇發(fā)作,昏厥甚至猝死。單次發(fā)作通常歷時短暫,自動終止,而快速連續(xù)發(fā)作易引起暈厥和猝死。臨床表現(xiàn)是TDP發(fā)作的結果,TDP典型的心電圖特征是,一次明顯延長QT間期在前次竇性心搏后、心律失常發(fā)作前。QRS波群的極性圍繞著一個假想的基線經(jīng)過10～12次心跳后完成180°的扭轉,QRS波振幅在每次心動周期內(nèi)呈正弦波型,心率150～300次/min,RR間隔不規(guī)則。由于鈉離子通道的失活延遲與心率減慢有關,因此LQT3多在安靜休息或睡眠時發(fā)病。此類患者在運動時,QT間期可縮短,故對此類患者不必限制運動。β受體阻滯劑對LQT3患者效果不佳,鈉通道阻滯劑氟卡尼和慢心律已有報告對LQT3有益。Benhorin等驗證了氟卡尼口服,使LQT3患者QT間期和QTc間期顯著縮短。因此正在開發(fā)的鈉離子通道阻滯劑可能成為特效藥。有報告LQT3患者更有可能受益于心律轉復除顫器(ICD)治療,因為他們有心率減慢時易發(fā)心臟性猝死的傾向,目前ICD治療已成為有心臟事件發(fā)生LQT3患者的首選治療。3.2綜合征3.2.1br膜基因突變Brugada綜合征的遺傳特點為常染色體顯性遺傳,最早由Chen等于1998年證實報道的致病基因是編碼鈉通道a亞單位的基因SCN5A。目前國、內(nèi)外相繼報道有100種以上與Brugada綜合征相關的SCN5A基因突變位點,至少包括3種類型,即拼接-供體突變、框移突變和錯義突變。SCN5A突變與18%～30%的Brugada綜合征有關,家族病例比散發(fā)病例的SCN5A突變率要高。與LQT綜合征不同,Brugada綜合征的SCN5A基因突變,表現(xiàn)為失活后恢復延緩,通道開放后迅速失活而呈現(xiàn)功能降低,以及通道蛋白在細胞內(nèi)運輸障礙而形成的通道數(shù)量的減少。其中伴有R1432G突變的等位基因位于結構域的P環(huán)上,由于位于濾器和孔道口,引起INa的喪失,而其他突變也破壞了Ito-INa-ICa的平衡,結果Ito外向電流占優(yōu)勢,引起動作電位平臺期的喪失,從而導致心外膜下細胞動作電位的時程明顯縮短。心電圖形成J波及ST段下斜形抬高的Brugada波。由于右心室的心外膜Ito比左心室心外膜的Ito更具優(yōu)勢,因此,Brugada波主要表現(xiàn)在右胸導聯(lián)(V1～V3)。由于鈉離子電流INa的減弱,使得后續(xù)的Ito變大,容易形成全或無的復極,而出現(xiàn)時程很短的動作電位。又由于心室肌細胞在心室內(nèi)分布不均一,分成心外膜細胞,中層細胞和心內(nèi)膜細胞。這3層細胞在離子通道的分布上有差異。中層細胞的動作電位時程最長,而內(nèi)外兩層細胞的時程較短。一旦某些細胞出現(xiàn)時程極短的動作電位,很容易形成折返性心律失常。3.2.2br膜病的藥物治療Brugada綜合征最明顯的臨床表現(xiàn)是體表心電圖改變。患者體表心電圖有特征性變化,其右胸導聯(lián)呈不典型的右束支傳導阻滯,可分為3型:1型,V1～V3導聯(lián)上有至少一個導聯(lián)其ST段呈穹隆樣(以J點算起)抬高≥2mm,隨之為明顯的負向T波;2型,V1～V3導聯(lián)上有至少一個導聯(lián)其ST段呈馬鞍型抬高≥2mm(以J點算起),ST段的抬高≥1mm;3型,ST段馬鞍型抬高,但幅度<1mm。有以上類似表現(xiàn)的胸前導聯(lián)波形稱為Brugada波,值得注意的是同一患者的心電圖波形可能會有動態(tài)性變化,即3型之間相互轉換或者變?yōu)橥耆５男碾姴ㄐ?。部分患者有明顯的暈厥、心室顫動及可疑心源性猝死家族史,其猝死發(fā)作通常發(fā)生在休息或睡眠時,伴有呻吟、呼吸淺慢而困難,昏厥發(fā)作時心電圖監(jiān)護幾乎完全是室顫。目前研究顯示,藥物治療對Brugada綜合征預防室性心動過速/室性顫動(VT/Vf)無效,惟一被證實有效的治療是置入ICD。美國心臟節(jié)律協(xié)會(HRS)關于Brugada綜合征的專家共識文件,對于置入ICD的建議中對于有明確癥狀(猝死生還者)且表現(xiàn)為1型Brugada波的患者(無論是自發(fā)還是藥物激發(fā)試驗誘發(fā))應置入ICD,無需再進一步的電生理檢查,而對表現(xiàn)為反復暈厥、癲癇發(fā)作、夜間頻死性呼吸的患者在排除其他非心源性原因導致后,亦應置入ICD。對于自發(fā)1型Brugada波者,若無猝死家族史應進行EPS,如能誘發(fā)出持續(xù)性VT,應置入ICD。無癥狀無猝死家族史的患者,如激發(fā)試驗呈現(xiàn)出1型Brugada波應給予密切隨訪。由于Brugada大多數(shù)猝死發(fā)生于夜間,與緩慢心率有一定的關聯(lián),起搏治療是不是能夠預防猝死目前尚未研究探討過。近來亦有學者嘗試射頻導管消融觸發(fā)VT/Vf的室性期前收縮以期預防猝死,這些探索將為以后Brugada綜合征的治療開辟新途徑。Brugada綜合征的藥物治療仍在研究之中,目前尚無療效肯定的藥物治療方法。但對于兒童及不能接受ICD昂貴費用的患者,藥物治療是可選擇的方法之一。對于接受ICD治療的患者,藥物治療則可以減少ICD的放電次數(shù)?；贐rugada綜合征的發(fā)生機制,其藥物治療主要針對右心室心包臟層動作電位早期被激活的離子電流的再平衡,以期減小動作電位切跡,從而減少多形性VT、Vf的發(fā)生。目前已經(jīng)有報告阻斷藥Ito的IA類藥物奎尼丁,增加L型鈣電流的藥物(如異丙腎上腺素)和磷酸二酯酶Ⅲ抑制劑(西洛他唑),可使ST段正常化,對Brugada綜合征患者均有保護作用,但尚缺乏臨床應用的充足證據(jù)。3.3scn5a基因缺失導致剪接過程的破壞特發(fā)性Vf是指經(jīng)臨床詳細檢查后未發(fā)現(xiàn)心臟有任何結構異常的自發(fā)性Vf,其院外心臟驟停的發(fā)生率高達10%～17%。Geellens首先報道了這樣的病例。目前已發(fā)現(xiàn)多處SCN5A基因突變的位點,包括在SCN5A基因內(nèi)含子7的剪接供體部位添加了2個核苷酸,使該基因的剪接過程遭到破壞;SCN5A基因的1397位密碼子缺失一個核苷酸,使通道Ⅲ結構域中S6片段部分、Ⅳ結構域中S1-S6片段部分直至通道蛋白的羧基端部分缺損,導致符合閱讀框的翻譯終止。其分子機制也是鈉通道功能降低,無持續(xù)內(nèi)向鈉電流,而動作電位1相末跨膜離子流失衡,Ito電流相對占優(yōu)勢,并使心外膜動作電位出現(xiàn)切跡。進一步跨膜電流的平衡失調(diào)可引起心外膜下動作電位的時程明顯縮短,2相復極的不均衡易形成2相折返,導致VT和Vf的發(fā)生。在心電圖上,特發(fā)性VT患者具有右束支傳導阻滯和ST段抬高的特征,而無QT間期明顯延長。3.4pccd的臨床病理PCCD是一種常見的心肌傳導性疾病,Hartmann等通過法國一個常染色體顯性遺傳的家系分析后確定了SCN5A為候選基因。隨后報道的幾個家系也判定有SCN5A基因的錯義突變,可導致細胞膜上鈉通道的密度減少,激活向右偏移,0相除極時的鈉電流減少,使心肌動作電位的上升幅度減慢,心肌細胞傳導速度減慢,進而表現(xiàn)為各種傳導阻滯。有報道PCCD突變發(fā)生在結構域Ⅰ和Ⅱ之間的G514C,這種突變鈉通道電流,激活曲線向右移,即向高壓方向移動。結果表現(xiàn)為INa需要去極化電壓較高時才開始激活。因此,它比正常細胞激活慢,導致0期動作電位上升速率變慢,從而傳導速度降低。與此同時,失活加快綜合的結果是INa產(chǎn)生慢,流入時間短,產(chǎn)生傳導障礙