大电导钙激活钾通道对血管平滑肌的作用

大电导钙激活钾通道对血管平滑肌的作用 朱艳 侯晓钰(综述) 傅晓冬(审校) 2+【摘要】大电导钙激活钾通道(large conductance Ca-activated +K-channel,BKCa)是血管平滑肌细胞膜电位的主要离子通道，在血管的舒缩及调节细胞功能方面发挥着重要的作用。BKCa通道的激活可使细胞膜发生超极化,从而抑制电压依赖性钙通道的激活及抑制钙离子内流,导致平滑肌舒张。近年来研究发现, BKCa通道的激活、失活和变异与多种疾病的发病有关, 如BKCa对糖尿病、失血性休克、高血压、妊娠期高血压疾病等具有调控作用。 关键词:大电导钙激活钾通道 血管平滑肌细胞 失血性休克 高血压 妊娠期高血压疾病 近年来随着膜片钳技术被广泛应用于离子通道研究，钾通道被发现是最多的离子通道。就血管平滑肌细胞(vascular smoothmuscle cell, VSMC)而言,目前正式命名的就有4大类即:电压依赖性钾通道( Kv)、钙激活的钾通道( KCa)、内向整流钾通道(KIR)和ATP敏感性钾通道( KATP)。而KCa是一个大家族，在人类组织细胞中发现有三种钙离子激活的钾通道，即大电导钙激活钾通道(large conductance 2++Ca-activated K-channel,BKCa)、中电导钙激活钾通道(intermediate 2++conductance Ca-activated K-channel,IKCa)及小电导钙激活钾通道 2++-(small conductance Ca-activated Kchannel,SKCa)。BKCa通道在哺乳动物的组织中广泛分布如平滑肌、骨骼肌、神经原、肾脏及内分泌作者:朱艳 泸州医学院研究生在读 通讯作者:傅晓冬 泸州医学院附属医院妇产科 646000 【1】细胞等。特别是在血管平滑肌中，BKCa通道大量存在。 1、BKCa通道 1.1 BKCa通道的结构: BKCa通道分子结构是由孔道的四个α亚单位及其附属的β亚单位组成(β1-β4)其中β1亚单位主要分布于动脉平滑肌中。而每个α亚单位结合一个β亚单位后形成四聚体结构的BKCa通道。α 亚单 【2】位可以分为两个结构域, " 核心 " 结构域和" 尾 " 结构域。前者 2+有电压感受器,后者有胞内 Ca结合位点。α亚单位对β亚单位的钙调 【3】节起着重要作用。.目前发现的α亚单位只有一种，而β亚单位有四种(β1、β2、β3、β4)亚型，认为这可能与BKCa的特异性有关。 1.2 BKCa的功能: 血管平滑肌细胞膜上表达有很多密度不同的钾通道,其中尤以大电导钙激活钾通道对动脉血管舒缩活动影响最大。BKCa通道可因血 2+管内压力升高而引起平滑肌细胞膜去极化，以及由胞内Ca浓度升高而激活，而BKCa通道激活后产生的外向电流，驱使肌细胞膜电位发生变化，限制细胞膜的去极化和抵抗平滑肌的收缩，负反馈调节平滑肌的收缩。而且BKCa通道在分娩的发动中有其重要意义。足月未临产子宫平滑肌的BKCa通道表达升高，可提供一个有效地超极化电流，使子宫处于兴奋抑制状态，以继续维持妊娠。而在临产子宫平滑 【4】肌中，该通道表达量减少，使细胞容易于兴奋从而触发子宫收缩。另外，BKCa通道在神经元胞体，突触终末端也广泛表达。它主要参作者:朱艳 泸州医学院研究生在读 通讯作者:傅晓冬 泸州医学院附属医院妇产科 646000 与动作电位复极化和超极化，形成快后超极化电位(Fast after depolarizing potential， Fast AHP)，Fast AHP电流参与神经元峰电位发放频率的适应过程，影响神经元位相型放电和连续放电，从而调节 【5】神经元兴奋性。此外有研究在鸡的耳蜗毛细胞中也证实了BKCa通道的存在。该通道在听觉系统中具有其重要的作用如:调节毛细胞的共振频率;参与听觉传入神经电信号的编码;调节听觉神经末梢神 【6-7】经递质的释放等。 1.3 BKCa的调节: BKCa通道受多种因素的调节，其重要直接的调控者是蛋白激酶。 2+蛋白激酶可调节通道对生理性膜电位及细胞内Ca的浓度的敏感性。第一个调控者是PKA，通过减少通道关闭的时间常数，同时增加通道开放的时间常数，而增强BKCa通道的活性。第二调控者是PKG， 【8】它对BKCa通道的活性也是有影响的，有研究发现在非妊娠妇女的子宫平滑肌中，PKG和PKA可使BKCa通道活性下降大约85%，而其余15%的BKCa通道活性是提高的，但在妊娠妇女的子宫平滑肌 【9】中观察的结果确是相反的。虽然环磷酸腺苷(cAMP)及环磷酸鸟苷(cGMP)可分别通过PKA和PKG而起到激活BKCa通道的作用，但这些环核苷酸也有可能是直接作用于BKCa通道。同时也发现随着一氧化氮的增加导致cGMP及PKA的激活从而导致BKCa通道的开 【10】放。此外BKCa通道可被IBTX(iberiotoxin)、四乙铵(tetroethylammanium,TEA)、钡(Ba)、蝎毒素(charybodotoxin)和桩 【11-12】蛋白(paxilline)等阻断剂所阻断。 作者:朱艳 泸州医学院研究生在读 通讯作者:傅晓冬 泸州医学院附属医院妇产科 646000 2(BKCa在血管平滑肌中的作用: 大电导钙激活钾通道的超极化可引起血管平滑肌的舒张。血管内的压力升高可导致血管平滑肌细胞去极化致使细胞膜上的电压依赖性钙通道开放，钙离子内流，使局部产生高强度的钙脉冲，作用于细胞内钙库上的兰诺定受体，钙库内的钙离子释放到细胞内激活细胞膜的BKCa通道开放，产生瞬时外向钾电流导致细胞膜超极化，反馈性抑制钙通道，使钙离子内流减少，细胞内钙离子浓度降低，对抗平滑肌的收缩，血管舒张。微血管的这种舒缩使得微循环血流不会随血管内压变化而有太大的改变，它既不依赖于局部的神经支配，也不依赖于激素的调节，称为血管的肌源性调节。BKCa通道在血管的肌源性调节中起着重要作用。过去的研究表明，许多血管舒张剂通过PKA 2++或通过PKG、增加肌浆网的Ca摄取、激活K通道及改变收缩过程 2+中的Ca敏感性等而发挥调控血管紧张性的作用，其中很多物质都被证实其作用是通过BKCa的激活来实现。有报道称在鼠的基底动脉平滑肌细胞中BKCa通道的活化可以松弛基底动脉血管平滑肌细胞。BKCa通道激动剂(NS1619)导致基底动脉的超极化作用是通过直接激活BKCa通道以及直接抑制电压依赖性钾通道的钙离子内流而使 【13】得血管平滑肌细胞松弛。而在另外研究中也已明确β1亚单位在BKCa通道活性调控有重要的地位。在冠状动脉血管平滑肌中依赖cAMP途径的血管扩张剂通过cAMP依赖的蛋白激酶来激活BKCa通 【12】道的活性而起到对冠状动脉血管扩张的作用。还有报道在猪的冠状动脉血管平滑肌中BKCa的激活还可通过多巴胺感受器的受体5，作者:朱艳 泸州医学院研究生在读 通讯作者:傅晓冬 泸州医学院附属医院妇产科 646000 而在早先报道的人冠状动脉平滑肌中是通过多巴胺受体1来发挥作【14】用。 疾病与BKCa对血管平滑肌的作用 3.1糖尿病。近年来的研究证明BKCa对糖尿病的血管平滑肌细胞的功能有着重要影响。其中β1亚单位对糖尿病的血管平滑肌细胞起着重要的作用。有研究运用全细胞膜片钳技术检测高脂、高糖诱导的胰岛素抵抗大鼠的主动脉和肠系膜动脉平滑肌细胞BKCa的功能，结果发现胰岛素抵抗时无论是在大血管还是在微血管中BKCa通道 【15】功能的下降与β1亚单位表达下调有关系。另有研究报导在2型糖尿病中由于大电导钙激活钾通道的β1亚单位下调而减少大脑动脉血管平滑肌细胞BKCa通道的活性，使得血管张力及血压增加，导致 【16】大脑血管并发症的发生。 3.2休克晚期。外周血管对儿茶酚胺等缩血管物质的反应性由早期升高而后进行性的下降,即便是输血补液治疗后,这种反应性的下降仍旧会持续而导致血压不能够维持,是休克后期死亡的重要原因之一。关于血管反应性下降的原因目前血管平滑肌超极化学说近年来颇受关注。钙火花是细胞内肌浆网上一个或一些紧密成簇分布的兰诺定受体产生的一种一过性局部微小钙释放的活动，而引起瞬时的外向电流，对胞内钙几乎无影响，但可通过激活胞膜上BKCa产生钙火花使 2+膜超极化，从而抑制电压依赖性钙通道导致Ca流入减少，使得平滑肌的收缩呈现负反馈抑制。有研究证明大电导钙激活钾通道的超敏反应钙火花，在严重的失血性休克中导致血管平滑肌的反应性减低，以作者:朱艳 泸州医学院研究生在读 通讯作者:傅晓冬 泸州医学院附属医院妇产科 646000 及对去甲肾上腺素的反应性降低。这可能是导致血管持续反应性降低 【17】的原因之一。此外有研究应用激光共聚焦显微镜成像技术和细胞内记录观察失血性休克2小时的动物模型正常组和休克组细胞膜电位，结果发现休克大鼠平滑肌细胞中钙火花的荧光值较正常组高，说明其肌浆网内的钙水平增高。同时钙火花的振幅也增高，也证明了肌浆网内的钙离子浓度可以影响钙火花的幅度。另外，失血性休克2小时后，在正常组和休克组加入大电导钙激活钾通道的特异性阻断剂IBTX后，正常组膜电位变化不大，休克组电位却显著降低，说明大电导钙激活钾通道通道可能参与细胞膜的超极化，因为大电导钙激活钾通道的激活依赖于钙离子的浓度，兰诺定受体的钙火花释放的增加 【18】可能是导致BKCa激活，进而导血管反应性下降的重要原因之一。 3.3高血压。是以血管紧张度升高为特征的临床综合征。近年的研究认为β1亚单位在高血压的发病中起着重要作用。有报道高血压大鼠进行研究，表明β1亚单位表达的下调与表现的动脉功能变化相关，而α亚单位没有变化，而且在对这些模型的试验中发现将BKCa进行阻断后只发现了血管的比较小的收缩效应，表明引起血管功能失 【19-20】调的原因在于β1亚单位的下调。此外有报道β1 基因缺失的小 【21】鼠会出现血管张力增加现象，进而引发高血压的发生。这就为BKCa通道中β1亚单位在高血压的发病中的重要性提供了依据。 3.4妊娠期高血压疾病。是妊娠期特有疾病严重威胁着母儿的健康，其发病机制有多种学说如遗传因素、免疫机制、胎盘浅着床、血管内皮受损等因素密切相关。生理条件时，妊娠期血容量增加从妊娠作者:朱艳 泸州医学院研究生在读 通讯作者:傅晓冬 泸州医学院附属医院妇产科 646000 【22】6—8周开始至32-34周达到高峰，平均约增加l500mL。孕妇血容量的增加可导致阻力动脉中的跨壁压增加，平滑肌细胞膜去极化，激 2+活电压依赖钙通道，Ca内流增加，血管收缩，血压升高;与此同时 2++细胞内Ca浓度的升高也可激活BKCa通道，导致K外流增加，细胞膜复极化，启动负反馈机制，阻止钙离子的进一步内流和血压的持续升高。其次，细胞膜的去极化还可激活Kv通道，引起肌源性血管紧张度升高。因此，当细胞膜上BKCa和Kv通道的表达或功能发生异 2+常时即可引起Ca的内流增多导致妊娠期高血压疾病的发生。贺同强【23】等研究胎盘血管平滑肌细胞膜上钾通道电流来研究妊娠期高血压疾病。结果发现妊娠期高血压疾病各组胎盘血管平滑肌细胞钾电流密度均比正常组均减小，差异极显著，从而说明胎盘血管平滑肌细胞膜上钾通道的改变与妊娠期高血疾病的发生具有密切联系。但这些改变的发生是否与BKCa通道的改变具有相关性，这方面国内外文献报道较少。还需进一步研究。 4.药物及其它物质通过BKCa通道作用于血管平滑肌: 目前许多药物以及外源性物质都通过作用于血管平滑肌细胞 【24】BKCa通道而发挥其药理作用。董平全等利用膜片钳技术对大鼠冠状动脉血管平滑肌细胞大电导钙激活钾通道及电压依赖性钾通道进行电流密度的测定，结果发现DHA(二十二碳六烯酸)对BKCa通道有激活作用，对电压依赖性钾通道( Kv)有抑制作用。DHA舒张血管的作用是对动脉血管平滑肌细胞BKCa及Kv通道综合作用的结果。还有研究发现尼古丁也可通过对平滑肌细胞膜上离子通道活性和作者:朱艳 泸州医学院研究生在读 通讯作者:傅晓冬 泸州医学院附属医院妇产科 646000 状态的影响来改变血管的紧张性,尤其是对平滑肌上大电导钙激活钾 【25】通道的影响，发现尼古丁是通过NO/-cGMP途径抑制BKCa通道。此外有报道雌激素能通过激活瞬时外向钾电流而激活BKCa通道，从 【26】而舒张血管。有学者进研究后发现他汀类药物除具有调脂功能外还具有一定的降低血压的作用，AVT(阿伐他汀)通过影响甲羟戊酸通路,使甲戊酸合成与释放减少或丧失上调NOS mRNA的表达水平, 【27】从而使内皮NO合成与释放增加而起到舒张血管的作用。Kuhlmann【28】等研究已证实NO可激活BKCa通道。AVT能够增高血管平滑肌 ++2+2+细胞膜Na-K-ATP酶和Ca-Mg-ATP酶活性,而降低自发性高血压大鼠的动脉血压,提示阿伐他汀可能是通过影响血管平滑肌细胞膜离子 2+泵活性而调节细胞内Ca稳态, 而激活BKCa通道而发挥降血压作用【29】。此外我国的传统医学的中药很多也是通过BKCa通道来发挥其药理作用如:川穹嗪((tetramethylpyrazine，TMP))在TMP 0.73、3.67mmol/L 下，可激活正常人体肠系膜血管平滑肌细胞大电导钙激活钾通道 ，而在8.07mmol/L 时可明显地可逆性地抑制正常人体肠 【30】系膜血管平滑肌细胞上的BKCa通道的活性;此外有报道银杏叶的提取物可激活血管内皮细胞的BKCa通道并可对抗血管紧张素?(Angiotensin ?，A?)强烈抑制BKCa的不良反应，而起到保护血 【31】管内皮细胞的作用。 5.近年来随着BKCa通道研究的深入，它的结构及其功能也越来越多的受到重视，因其与多种疾病的发生发展有着密切的相关性，如高血压疾病等，所以对于BKCa通道的深入研究将有利于对这些疾病作者:朱艳 泸州医学院研究生在读 通讯作者:傅晓冬 泸州医学院附属医院妇产科 646000 的预防及为药物治疗提供新的靶点。BKCa通道也同时参与机体的其 他调控如(神经传递、血流、排尿、免疫、妊娠等)所以还需要更多 更深入的对BKCa通道的研究。 参考文献 1. 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