鎂離子對陽離子通道的調(diào)節(jié)作用

通常成人體內(nèi)的鎂含量為20.28g，其中99%分布在細(xì)胞中。細(xì)胞中只有鉀，其次是離子，1%的鎂存在于細(xì)胞之外。血液中鎂的水平為0.8～1.2mmol/L,正常含量的鎂對心血管功能、新陳代謝、體液酸堿平衡、骨的構(gòu)成等有重要意義。低鎂血癥(血液中鎂離子的水平<0.8mmol/L)可引起血管痙攣、四肢抽搐、心律失常、女性痛經(jīng)、患癌的危險(xiǎn)增高等嚴(yán)重后果;當(dāng)血液中鎂離子水平>3mmol/L時(shí),神經(jīng)-肌肉接頭處的興奮傳遞會(huì)被抑制,從而引起肌肉無力、深腱反射消失、心室傳導(dǎo)阻滯和心動(dòng)過緩、尿潴留和血壓下降等癥狀。離子鎂(Mg2+)(包括細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的Mg2+)能夠調(diào)節(jié)包括心血管系統(tǒng)在內(nèi)的多種組織細(xì)胞的陽離子通道功能。其中鉀通道和鈣通道對心肌細(xì)胞的興奮產(chǎn)生、動(dòng)作電位的傳導(dǎo)以及細(xì)胞的收縮是至關(guān)重要的。1一般機(jī)制：鈉離子通道的調(diào)節(jié)1.1胞外鎂離子的影響鎂可與通道的內(nèi)口、外口或通道中間的一個(gè)或多個(gè)位點(diǎn)直接結(jié)合。膜的去極化可促進(jìn)胞內(nèi)鎂離子與通道的結(jié)合,膜的超極化則可阻止這種結(jié)合。胞外鎂離子的情況則剛好相反。溫度和鎂離子的水平也會(huì)通過影響鎂離子的擴(kuò)散能力而影響鎂離子與通道蛋白的結(jié)合。鎂與通道蛋白的結(jié)合可直接阻塞陽離子通道,或通過變構(gòu)效應(yīng)調(diào)節(jié)陽離子通道的開關(guān)。胞內(nèi)或胞外的鎂可直接阻抑許多離子通道的功能。這種效應(yīng)可表現(xiàn)為全細(xì)胞電流的電壓依賴性抑制。胞內(nèi)鎂離子的增加可很快(以毫秒計(jì))引起通道的阻抑效應(yīng)。胞外鎂離子對通道的阻抑效應(yīng)可因膜的去極化(致使鎂離子與通道蛋白解離)而減弱。胞內(nèi)鎂在膜內(nèi)電位變正時(shí)(如膜電位超射時(shí))可引發(fā)通道阻抑效應(yīng),這可導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)向整流現(xiàn)象。內(nèi)向整流現(xiàn)象是指在通道開放時(shí),胞外的陽離子更容易流入胞內(nèi)的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明,不同鉀離子通道的內(nèi)向整流是因?yàn)榘麅?nèi)鎂離子或多價(jià)離子如多胺的阻抑作用而導(dǎo)致的。在心臟,這類鉀離子通道包括背景鉀通道(IK1或Kir2.1)、G蛋白耦聯(lián)鉀通道(如IKACh,可被毒蕈堿受體M2所激活;IKAdo,可被腺苷受體A1所激活)、ATP敏感鉀通道(IKATP,可被ATP抑制)。鎂離子與通道蛋白的結(jié)合也可引起通道的變構(gòu)效應(yīng),從而調(diào)節(jié)通道功能。由于結(jié)合部位的不同,這種調(diào)節(jié)可能是電壓依賴性的,也可能是非電壓依賴性的,但通常所需要的時(shí)間都較長(以秒計(jì))。鎂對鉀通道和鈣通道都可產(chǎn)生這種變構(gòu)調(diào)節(jié)。1.2通道中的鎂離子直接調(diào)節(jié)1.2.1間接調(diào)節(jié)通道功能ATP在激活激酶時(shí)需要鎂離子作為輔助因子(結(jié)合成MgATP)。激酶可磷酸化通道蛋白的不同殘基從而調(diào)節(jié)通道功能。有些磷酸酶對通道有調(diào)節(jié)作用,而鎂可直接調(diào)節(jié)磷酸酶的活性。另外,環(huán)核苷酸可直接作用于通道或使通道的磷酸化發(fā)生改變,而鎂可通過磷酸二酯酶來調(diào)節(jié)環(huán)核苷酸的水平。磷酸化對通道的調(diào)節(jié)包括通道開放概率、通道的可用性和有功能的通道的總數(shù)量等方面的改變,對單通道電導(dǎo)或離子的通透性影響不大。胞內(nèi)鎂或MgATP通過磷酸化過程可間接調(diào)節(jié)通道功能。在心血管系統(tǒng)中,L型鈣通道和慢延遲整流型鉀通道(slowdelayedrectifierK+channel,IKs)的開放概率都可因磷酸化過程而增大。此磷酸化過程由環(huán)磷酸腺苷(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)依賴的蛋白激酶催化,需要鎂的參與。離子通道可直接與G蛋白耦聯(lián)或通過膜受體間接與G蛋白耦聯(lián),此過程受鎂調(diào)節(jié)。鎂與G蛋白的α亞基結(jié)合,可促進(jìn)α亞基與β、γ亞基的解離。之后,鎂可輔助三磷酸鳥苷(guanosinetriphosphate,GTP)酶使GTP水解為二磷酸鳥苷(guanosinediphosphate,GDP)。在鉀通道和鈣通道的研究中都發(fā)現(xiàn)有此類調(diào)節(jié)。胞內(nèi)鎂很大一部分是以MgATP的形式存在,所以在生理?xiàng)l件下,胞內(nèi)鎂可以保證滿足G蛋白介導(dǎo)活動(dòng)的需要。1.2.2膜內(nèi)鎂離子的影響膜上的固定電荷可產(chǎn)生表面電位,從而影響跨膜電梯度,并影響通道的開閉機(jī)制。陽離子通過靜電吸引或與膜上分子結(jié)合而改變通道附近的表面電荷密度,這通常會(huì)使通道的電壓門控范圍發(fā)生偏移。鎂是二價(jià)陽離子,其表面電荷過篩效應(yīng)較單價(jià)陽離子更明顯,而且在膜外的表現(xiàn)更突出。這可能是因?yàn)閹ж?fù)電的唾液酸殘基在膜內(nèi)外的分布不均勻的緣故。與膜外的鎂離子類似,膜內(nèi)鎂離子也可以導(dǎo)致膜內(nèi)表面的過篩效應(yīng),從而使電壓依賴性通道的激活或失活電壓范圍發(fā)生偏移。胞內(nèi)鎂離子的減少可引起正向偏移,即通道活動(dòng)的膜電壓范圍更偏向正電位或原來負(fù)的膜電位減小。而膜內(nèi)鎂離子的增多則產(chǎn)生負(fù)向偏移。膜內(nèi)鎂離子引起的膜表面過篩效應(yīng)可能是通過影響調(diào)節(jié)通道功能的其他物質(zhì)發(fā)揮間接調(diào)節(jié)作用。比如,膜內(nèi)鎂離子可改變ATP敏感性鉀通道(KATP)對膜內(nèi)ATP的敏感性,從而影響該通道功能,此過程可能與膜表面過篩效應(yīng)有關(guān)。缺血或缺氧時(shí),細(xì)胞中鎂離子水平可發(fā)生毫摩爾水平的改變,因而可產(chǎn)生明顯的膜表面電荷的過篩效應(yīng)。1.2.3磷酯酰肌醇二磷酸溶液許多離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體可直接被膜磷脂酰肌醇二磷酸(膜磷脂PIP2)激活。內(nèi)向整流鉀通道(IK1)的C末端上有多個(gè)位點(diǎn)可與帶負(fù)電荷的磷酯酰肌醇二磷酸結(jié)合。這也是與膜內(nèi)鎂離子或多胺阻抑劑相結(jié)合的部位。內(nèi)向整流通道如G蛋白門控IK1還需要另外的分子如鈉離子和G蛋白亞單位來增強(qiáng)其與磷酯酰肌醇二磷酸的相互作用。因此,膜內(nèi)鎂離子可能影響磷酯酰肌醇二磷酸與IK1蛋白的相互作用。膜內(nèi)鎂離子還可能通過短期的通道蛋白運(yùn)輸或長期的通道基因表達(dá)來調(diào)節(jié)通道的功能。2鎂對心臟實(shí)質(zhì)細(xì)胞主要離子通道的調(diào)節(jié)2.1鎂離子對鉀通道的調(diào)節(jié)作用2.1.1弱沒有條件突變引起的抗抑能力如上所述,許多鉀離子通道的內(nèi)向整流性是因?yàn)殚_放的通道被膜內(nèi)鎂和(或)多胺阻抑所致。內(nèi)向整流的強(qiáng)度與結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量和電荷強(qiáng)度有關(guān)。對于較強(qiáng)的整流通道來說,通道的第2個(gè)跨膜區(qū)(TM2)和C末端存在著兩個(gè)帶負(fù)電的結(jié)合位點(diǎn),鎂離子和多胺可競爭每一個(gè)結(jié)合位點(diǎn);對于中等強(qiáng)度的內(nèi)向整流通道如G蛋白門控IK1來說,2個(gè)位點(diǎn)中只有1個(gè)是帶負(fù)電的;而對于弱整流通道(如KATP)來說,結(jié)合位點(diǎn)是電中性的;如果通過突變使結(jié)合位點(diǎn)由帶負(fù)電變?yōu)殡娭行?則可通過減小鎂或多胺與通道的親和力而減弱其內(nèi)向整流特性。在心肌細(xì)胞中,鉀通道電流IK1是決定靜息膜電位的主要因素,同時(shí)也與心肌細(xì)胞動(dòng)作電位的平臺(tái)期和復(fù)極化期有關(guān);IK1的內(nèi)向整流性質(zhì)部分是由于膜內(nèi)鎂的阻抑所導(dǎo)致的,而另一部分則是由于多胺的阻抑所形成的。胞外鉀水平可影響鎂與IK1的親和力。胞外鉀水平升高可使膜內(nèi)鎂或多胺導(dǎo)致的內(nèi)向整流減弱。KATP中也觀察到類似的現(xiàn)象。這可能是由于鉀離子取代了鎂或多胺的緣故。TM2區(qū)中172位的天冬氨酸殘基被突變后可減弱通道對膜內(nèi)鎂或多胺的敏感性。C末端224位上的谷氨酸殘基被突變后可減弱膜內(nèi)鎂或多胺的阻抑作用。TM2上的165位上的絲氨酸殘基則只與鎂的阻抑有關(guān)。這些帶負(fù)電的殘基吸引并與陽離子結(jié)合。陽離子的價(jià)位越高則親和力越大,阻抑作用越強(qiáng)。對心肌細(xì)胞來說,鎂通過內(nèi)向整流通道阻抑外向電流是有意義的,因?yàn)檫@與其長時(shí)程動(dòng)作電位過程中的小凈復(fù)極化電流是相適應(yīng)的。另外,這種阻抑是電壓依賴性的,不影響靜息時(shí)的鉀電導(dǎo),因而也不影響心肌細(xì)胞的靜息膜電位。2.1.2mgatp與parts的相互作用心肌細(xì)胞中,KATP被MgADP激活而被ATP抑制,因而通道活動(dòng)受ATP/ADP比值的調(diào)節(jié),與膜的興奮性及細(xì)胞的代謝狀況有關(guān)。KATP開放所產(chǎn)生的后果主要有:①改變細(xì)胞電活動(dòng),使心肌細(xì)胞的靜息電位趨于超極化和(或)縮短動(dòng)作電位的時(shí)程;②出現(xiàn)與心肌電活動(dòng)改變一致的心肌變力效應(yīng);③在心肌缺血時(shí)抑制神經(jīng)遞質(zhì)的釋放;④心肌保護(hù)作用,增強(qiáng)對心肌缺血的耐受性。Kir6.2蛋白是形成KATP結(jié)構(gòu)的一種亞單位,在它的TM2上有一殘基,可與膜內(nèi)鎂直接結(jié)合而產(chǎn)生整流效應(yīng),并影響通道對ATP的敏感性。KATP的內(nèi)向整流是因?yàn)榘麅?nèi)鎂、鈉或多胺對通道的阻抑而產(chǎn)生的,電流較弱,具電壓依賴性。與IK1類似,胞內(nèi)鎂的阻抑作用可因膜外鉀水平的增加而減弱。在心肌細(xì)胞,除了減弱外向電流以外,毫摩爾量級(jí)的胞內(nèi)鎂的變化可增強(qiáng)ATP對KATP的抑制作用;如果缺少ATP,胞內(nèi)鎂和多胺則可減弱經(jīng)KATP的內(nèi)向電流;外向電流的抑制效應(yīng)和內(nèi)向電流的抑制效應(yīng)可能都與胞內(nèi)鎂離子的表面電荷過篩效應(yīng)有關(guān)。如上所述,鎂離子可直接或間接地抑制KATP的作用,但另一方面,鎂離子對KATP也可產(chǎn)生間接的激活效應(yīng)。首先,MgADP與胞內(nèi)的核苷酸結(jié)合,減弱了ATP的抑制效應(yīng),因此在存在ATP時(shí)也可引起通道激活。其次,MgATP可以磷酸化依賴的方式阻止KATP的衰減。通道完全衰減后,MgATP可使KATP重新激活。在沒有胞內(nèi)鎂的情況下,單獨(dú)使用ATP不能恢復(fù)KATP的功能。與MgATP相似,如果胞內(nèi)存在毫摩爾量級(jí)的鎂離子,二磷酸核苷酸如GDP、ADP、UDP等也能恢復(fù)衰減以后的KATP的功能。最后,微摩爾量級(jí)的MgATP或MgADP也是KATP激動(dòng)劑與通道結(jié)合時(shí)所必需的。MgATP可促進(jìn)激動(dòng)劑與通道的調(diào)節(jié)亞單位SUR2A結(jié)合,但抑制激動(dòng)劑與另一調(diào)節(jié)亞單位SUR2B的結(jié)合。在胞內(nèi)鎂調(diào)節(jié)KATP功能的各種機(jī)制中,通過Mg-核苷酸途徑的調(diào)節(jié)是最重要的。缺氧或缺血?jiǎng)t可使這些通道保持開放而不受胞內(nèi)升高的鎂的影響。2.1.3活飲料鉀化通道在心肌細(xì)胞中,毒蕈堿受體M2和腺苷受體A1都與抑制性G蛋白耦聯(lián),前者可激活內(nèi)向整流鉀通道KACh,后者可激活內(nèi)向整流鉀通道KAdo。這類通道稱G蛋白門控鉀通道。這些通道大多在控制竇房結(jié)的舒張電位和起搏去極化過程中起重要作用,決定著心率水平。鎂對這些通道的影響較弱,機(jī)制也較復(fù)雜(本文不再詳述)。2.1.4ikr和kvlqt1內(nèi)調(diào)節(jié)作用這類通道與動(dòng)作電位的復(fù)極化過程及動(dòng)作電位的頻率密切相關(guān)。其電流主要包括兩種成分:快激活的IKr和慢激活的IKs,分別由兩種通道蛋白HERG和KvLQT1介導(dǎo)。IKr表現(xiàn)明顯的內(nèi)向整流特性,而IKs則遵循歐姆定律的電流-電壓關(guān)系。在IKs占優(yōu)勢的細(xì)胞中,總的鉀電流IK表現(xiàn)出較弱的內(nèi)向整流特點(diǎn),這部分是由于胞內(nèi)鎂對通道的電壓依賴性阻抑所導(dǎo)致的,而胞外高鉀可使這種內(nèi)向整流特點(diǎn)減弱。IKr的電壓依賴性失活可明顯加強(qiáng)整流特點(diǎn),因其可造成通道外口構(gòu)象改變。胞內(nèi)鎂可抑制IK,可能是通過構(gòu)象調(diào)節(jié)或酶調(diào)節(jié),從而改變通道激活的動(dòng)力學(xué)過程來實(shí)現(xiàn)的。2.2鎂離子對鈣通道的調(diào)節(jié)作用2.2.1胞內(nèi)鎂對ical幅度的抑制作用膜電位去極化程度較高(-40mV)時(shí)才被激活的L型鈣離子通道對心臟和血管的電學(xué)特性和收縮功能是至關(guān)重要的。胞內(nèi)鎂離子水平的變化能夠調(diào)節(jié)L型鈣通道的電流強(qiáng)度和失活過程,以及受此二者影響的膜電位、磷酸化過程和胞內(nèi)的鈣水平。生理范圍內(nèi)的胞內(nèi)鎂就可進(jìn)行這種調(diào)節(jié)。胞內(nèi)高鎂可降低流經(jīng)L型鈣通道的電流幅度(ICaL),而胞內(nèi)低鎂則作用相反。鎂可與L型鈣通道的C末端中的EF手相(EFhand)中的1546位殘基結(jié)合。此位點(diǎn)可促進(jìn)通道正常的電壓依賴性失活過程。此位點(diǎn)突變后可減弱通道對鎂的親和力,從而減弱鎂對ICaL幅度的抑制作用。鎂對ICaL幅度的抑制效應(yīng)可能與其對ICaL失活過程的影響有關(guān)。高鎂可使L型鈣通道的電壓依賴性失活曲線左移,而這種左移與胞內(nèi)高鎂形成表面電荷過篩效應(yīng)有關(guān)。胞內(nèi)鎂對ICaL幅度的抑制作用與L型鈣通道的磷酸化程度有關(guān)。通過蛋白激酶A通路所引起的磷酸化程度增強(qiáng)可導(dǎo)致ICaL幅度增大,同時(shí)也可使鎂的抑制作用增強(qiáng)。通道的去磷酸化(用蛋白激酶抑制劑或磷酸酶處理)可使鎂的效應(yīng)減弱。這種效應(yīng)可能是蛋白激酶A通路特異的,因?yàn)橐种艭aM-CaMK通路所引起的去磷酸化不影響鎂的效應(yīng)。不過,胞內(nèi)鎂的抑制效應(yīng)并不是通過磷酸化水平的改變來介導(dǎo)的。因?yàn)槭褂肁TP(可造成通道不可逆的磷酸化)并不能影響胞內(nèi)鎂對ICaL幅度的抑制作用。而且,通道突變?nèi)コ姿峄稽c(diǎn)后,其功能仍可受胞內(nèi)鎂的調(diào)節(jié)。因此,胞內(nèi)鎂對ICaL幅度的抑制作用并不是通過通道磷酸化水平的改變來實(shí)現(xiàn)的。其他一些因素,如通道的二氫吡啶激動(dòng)劑或特異性突變可增強(qiáng)L型鈣通道的開放,同樣也可提升鎂的抑制效應(yīng)。對于去磷酸化的通道來說,胞內(nèi)鎂可能要降到微摩爾水平以下才能發(fā)揮它的調(diào)節(jié)作用;而對于磷酸化的通道來說,較高的胞內(nèi)鎂水平才能看到調(diào)節(jié)作用的產(chǎn)生。有研究發(fā)現(xiàn),胞內(nèi)鈣水平的降低可降低胞內(nèi)鎂的效應(yīng)。此效應(yīng)與通道的磷酸化狀態(tài)無關(guān),但具體機(jī)制不清。鎂對ICaL的抑制作用也與GTP有關(guān)。后者可減弱前者的效應(yīng),其機(jī)制可能是:鎂離子和GTP在鈣通道上有各自的結(jié)合位點(diǎn),GTP與通道結(jié)合后可阻止鎂離子與通道的結(jié)合。2.2.2鎂對hek細(xì)胞t型鈣通道的阻抑作用心肌細(xì)胞膜電位的輕度去極化可激活T型鈣離子通道。與L型鈣離子通道相比,T型鈣離子通道在細(xì)胞中的表達(dá)較少,但可能在心臟的起搏活動(dòng)中發(fā)揮重要作用,而鎂對心肌細(xì)胞上的T型鈣通道影響的研究還未見報(bào)道,但胞外鎂對表達(dá)于HEK細(xì)胞上的T型鈣通道的阻抑作用要比胞內(nèi)鎂的強(qiáng)。3關(guān)于鎂離子調(diào)節(jié)通道功能的重要性3.1胞外鎂調(diào)濕的作用機(jī)制生理?xiàng)l件下胞內(nèi)鎂水平是比較穩(wěn)定的,但局部鈣水平或氫離子水平(pH)的變化可引起局部鎂的變化。更重要的是,胞內(nèi)鎂水平可受神經(jīng)遞質(zhì)和激素的調(diào)節(jié)。用原子吸收光譜的方法,在正在完整灌流的心臟中,可測到異丙腎上腺素(β腎上腺素能受體激動(dòng)劑)引起胞內(nèi)鎂總量的減少。用31P-NMR的方法可測到經(jīng)較長時(shí)間的異丙腎上腺素處理后,胞內(nèi)鎂出現(xiàn)更明顯的減少,而且這種減少可被毒蕈堿受體的激活所拮抗。胞外鎂水平可能與胞內(nèi)鎂水平相關(guān)聯(lián)。在動(dòng)物模型中,靜脈內(nèi)注射βAR(β腎上腺素能受體)激動(dòng)劑可使血漿內(nèi)靜息水平的鎂水平增高25%。這種變化與β腎上腺素能受體激活后的心率和血壓等血流動(dòng)力學(xué)的變化相伴隨。但與心血管效應(yīng)可快速恢復(fù)的特點(diǎn)不同的是,胞外鎂升高效應(yīng)在停止注射藥物后還持續(xù)較長時(shí)間。異丙腎上腺素的這種效應(yīng)由β2腎上腺素能受體介導(dǎo),β2腎上腺素能受體的選擇性激動(dòng)劑沙丁胺醇也可誘發(fā)這種效應(yīng),β2腎上腺素能受體的選擇性拮抗劑ICI-118551可抑制這種效應(yīng),β1腎上腺素能受體的選擇性拮抗劑CGP-20271A卻可增強(qiáng)這種效應(yīng)。胰島素可阻止注射兒茶酚胺后引起的血漿鎂的升高,此過程由蛋白激酶C介導(dǎo)。在心肌細(xì)胞中,胰島素本身也可引起鎂的凈回收,因而降低離體心臟灌流液中鎂的水平。這種效應(yīng)與灌流液中鎂和葡萄糖的水平有關(guān)。此過程中有葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4的參與,因?yàn)樵谟衅咸烟谴嬖诘那闆r下,胰島素的降鎂作用可被葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白抑制劑根皮素(2-對羥苯丙?；?1,3,5-苯三酚)和細(xì)胞骨架破壞劑cytochalazinB所抑制。胞外鎂可加強(qiáng)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn),而胰島素的促葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)作用也需要鎂的參與。心肌缺血由于ATP的流失而導(dǎo)。胞內(nèi)鎂的升高。缺氧時(shí)也有類似情況發(fā)生。在這種情況下,胞內(nèi)鎂升高至毫摩爾水平。胞內(nèi)鎂的升高可能通過減少經(jīng)L型鈣通道內(nèi)流的觸發(fā)鈣信號(hào)和抑制肌漿網(wǎng)的鈣釋放而導(dǎo)致缺血心臟收縮無力。另外,由于心肌缺血造成胞內(nèi)ATP流失或ATP恢復(fù)緩慢而產(chǎn)生的胞內(nèi)鎂的持續(xù)升高可致細(xì)胞功能在再灌流過程中產(chǎn)生紊亂。3.2對心功能狀態(tài)的影響胞外低鎂或胞內(nèi)低鎂與心律不齊有關(guān)。低鎂血癥或鎂不足可使心臟更容易出現(xiàn)由強(qiáng)心苷(cardiacglycosides)和心肌梗死引發(fā)的心律失常性效應(yīng),而鎂劑治療可減弱或去除尖端扭轉(zhuǎn)性室性心動(dòng)過速。從心電圖上看,鎂不