线粒体膜通透性转换孔与线粒体敏感性钾通道

线粒体是细胞的“能量工厂”，线粒体DNA可编码线粒体氧化磷酸化酶复合体的关键亚基以控制三磷腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成，并同时产生活性氧簇（reactive oxygen species，ROS），对氧化应激、细胞凋亡、基因表达等重要过程有调控作用。线粒体功能完整、合成ATP和生成ROS两者动态平衡，对决定生物的生存、发育、衰老、疾病、死亡有重要意义，多种损伤机制可通过引起线粒体功能损伤致细胞凋亡或死亡，研究发现线粒体膜通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）开放是引起线粒体死亡的关键事件，多种因素可引起MPTP开放导致线粒体损伤，其中线粒体ATP敏感性钾离子通道（mitochodrial ATP-sensitive K＋channels，mitoKATP）与MPTP存在相互作用，现就两者的相互作用机制作一综述。

一、线粒体膜通透性转换孔

MPTP是一种高电导性巨型通道，由线粒体外膜的电压依赖性阴离子通道（voltage-dependent anion channel，VDAC）、内膜上的腺苷酸转运蛋白（adenine nucleotide translocase，ANT）和基质中的亲环蛋白D（cyclophilin D，CyP-D）组成。MPTP在生理条件下主要处于关闭状态，高浓度的Ca2＋、ROS、无机磷酸盐、一氧化氮（nitric oxide，NO）以及内膜电位降低可以使其开放（图54-1）。

图54-1　线粒体膜通透性转换孔组成及影响其开放的因素

研究发现MPTP在心肌缺血或再灌注损伤中扮演关键角色，MPTP开放是心肌缺血或再灌注后细胞凋亡和坏死的共同通路。心肌缺血缺氧期出现糖酵解作用增强，细胞内乳酸堆积，pH下降，ATP减少，Na＋／K＋-ATP酶活性下降，胞内Na＋浓度升高，Na＋／Ca2＋交换减少，不能将Ca2＋泵出细胞，造成细胞内Ca2＋超载。缺血期MPTP尚未大量开放，再灌注期细胞恢复呼吸，pH提升，但线粒体基质内Ca2＋浓度仍较高，导致Ca2＋浓度超过临界值，加上ROS生成增加等因素，诱发MPTP开放。MPTP开放可引起膜电位除极和基质肿胀，进而导致外膜破裂以及细胞色素C（cytochrome C，Cytc）、凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）从膜间隙进入胞质溶胶中，诱导细胞凋亡。（图54-2）。由此可见，通过直接或间接抑制MPTP开放可起到预防细胞缺血／再灌注损伤的作用。大量研究发现在再灌注期mitoKATP开放可抑制MPTP开放。

图54-2　线粒体膜通透性转换孔开放致细胞凋亡或坏死的机制
摘自：Halestrap AP，et al.Cardiovascular Research，2004；61：372-385［8］

二、线粒体ATP敏感性钾通道

KATP通道是电压非依赖性配体门控通道，由Noma于1983年首先在豚鼠心肌细胞上发现，以后的研究发现该通道也存在于血管、胰腺、骨骼肌、神经元等组织，其开放可产生血管扩张和心脏及神经细胞保护作用，关闭则促进胰岛素分泌。此通道分为两类，一类是位于细胞膜上的膜KATP通道（surface KATPchannel，sKATP），另一类是位于线粒体膜上的线粒体KATP通道（mitochodrial KATPchannel，mitoKATP）。mitoKATP通道与sKATP通道相似，也是由4个内向整流钾通道（mitoKir）及4个磺酰脲受体（mitoSUR）组成，其亚基组合可能为SUR1／Kir6.1，在心脏、肝、脑内都有分布，脑内含量尤其丰富，脑的每毫克线粒体蛋白含有的通道数是心肌和肝的7倍，该通道的主要生理功能一是维持线粒体内钾稳态、调节线粒体体积，二是在线粒体能量化过程中维持一定跨膜电位，保护线粒体功能，维持细胞能量代谢稳定。越来越多研究发现，mitoKATP通道在对细胞缺氧损伤的保护机制中可能占更重要地位。mitoKATP通道开放时，线粒体膜电位降低、除极，线粒体呼吸作用增强，线粒体基质体积增大，可产生下列作用：调节线粒体Ca2＋浓度，膜电位的降低有助于抑制Ca2＋内流，防止线粒体内钙超载；膜电位降低与线粒体呼吸作用增强的“适度去耦联”可以减少氧自由基的产生；线粒体体积适当增加（＜10%）能激活脂肪酸氧化和电子转移，从而增加ATP生成，促进线粒体呼吸；线粒体膜电位的变化有助于缺血时糖酵解途径向着利于细胞存活的方向转变。研究发现，KATP通道开放药（KATPchannel openers，KCOs）可明显减少脑缺血时梗死面积，可减轻蛛网下腔出血后脑血管痉挛，可拮抗缺血性神经元损伤时谷氨酸引起的神经兴奋毒性，可预防新生小鼠脑缺氧后细胞凋亡，上述作用均可被特异性KATP通道抑制药（KATPchannel inhibitors，KCIs）阻断，提示KCOs对神经细胞有保护作用。

三、MPTP与mitoKATP的相互作用机制

mitoKATP通道活化时，使线粒体内膜跨膜电位减小，线粒体摄取Ca2＋能力下降，线粒体基质内Ca2＋浓度下降，导致MPTP开放的阈值升高；mitoKATP通道开放可导致线粒体基质中度膨胀，使线粒体内外膜间的接触得以保护，基质内腺苷的耗散明显减缓，可间接提高MPTP开放阈值；mitoKATP通道开放剂二氮嗪可通过阻止琥珀酸氧化而发挥抑制MPTP开放作用。对mitoKATP通道与MPTP开放的关系以及两者相互作用介质的研究仍有许多不解之谜，对缺血预处理心肌保护作用机制的研究发现，在缺血预处理早期，G蛋白耦联受体（G protein coupled receptor，GPCR）被活化，可直接或间接激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），mitoKATP通道开放，ROS生成增多，致p38丝裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）活化、PKC进一步激活以及MPTP开放，起心肌保护作用；而在缺血预处理的再灌注期，肌纤维膜上GPCR与其配体结合后激活再灌注损伤救援激酶（reperfusion injury salvage kinase，RISK），通过磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）／Akt、细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）、p70核糖体蛋白S6激酶（p70S6K）、糖原合成酶激酶（glycogen synthase kinase，GSK3β）等系统的活化，抑制MPTP开放，从而起保护心肌作用。故在预处理的不同阶段，mitoKATP通道开放保护心肌的作用不是都通过直接抑制MPTP开放所介导。关于mitoKATP通道与ROS的关系研究也有不同的结果，多数研究支持预处理阶段mitoKATP通道开放所致的心肌保护作用是通过促进ROS释放介导的，但再灌注期mitoKATP通道开放则通过线粒体膜除极导致ROS生成减少、减轻Ca2＋超载，从而抑制MPTP开放，起心肌保护作用。由此可见，mitoKATP通道对MPTP的开放或抑制作用、对线粒体ROS释放的影响存在时间上的差异，在缺血或再灌注不同时期表现出不同的作用。故对于mitoKATP通道开放药对细胞尤其是线粒体的保护作用方面仍需进一步实验研究证实，包括mitoKATP通道开放与MPTP开放之间的关系、mitoKATP通道开放与线粒体ROS生成之间的关系等。

四、mitoKATP通道开放药对线粒体损伤保护作用的应用前景

由于mitoKATP通道开放药对MPTP开放有抑制作用，可能对心肌或脑缺氧缺血损伤所致的线粒体损伤有保护作用，故mitoKATP通道开放药对缺血性心脑血管疾病的治疗作用有广阔的应用前景。

（房晓祎 李玉光）