ATP-敏感性钾离子通道在运动中的变化及其对心脏的影响

徐鹏，李向农，张杨，孙亚薇，曹雪滨

运动作为一种应激源，是一把双刃剑，适度运动可以改善心脏功能，在心脏受到损伤性刺激时对心脏起到保护作用。而超负荷的大强度运动则对心脏产生损伤。既然运动与我们的生活息息相关，所以明确不同运动方式对心脏的不同影响以及不同作用的产生机制必要且重要。运动能通过多种途径对心脏产生影响，运动也会对心肌细胞离子通道产生影响。ATP敏感性钾通道[ATP-sensitive potassium channels，K（ATP）]广泛存在于心肌细胞，它将代谢与细胞膜的兴奋性联系起来，在心肌缺氧缺血过程中发挥重要作用，是完成运动对心肌细胞作用的必需结构。本文就不同运动方式对心肌K（ATP） 通道的表达及功能影响，以及运动通过影响K（ATP）发挥心脏保护效应做一总结。

1 K（ATP）的概述

1.1 K（ATP）结构K（ATP）通道是由4个Kir6成孔亚基与4个磺脲类受体（SUR）亚基共同形成的异源性八聚体。其中Kir6包括Kir6.1和Kir6.2两种亚型。ATP抑制K（ATP）活性的主要结合位点位于Kir6上，当ATP含量增高时，K（ATP）通道活性被抑制。而SUR是K（ATP）通道的调节性亚基，分为SUR1和SUR2两种，可以调控Kir6对ATP的敏感性。确切的亚单位组成在心脏、平滑肌和骨骼肌等组织中表达不同[1]。K（ATP）根据存在部位不同又分为两种，存在于线粒体的线粒体ATP敏感性钾通道[mito K（ATP）]，和存在于细胞膜的肌膜ATP敏感性钾通道[sarc K（ATP）]。

1.2 K（ATP）的激活正常情况下心肌细胞膜上的K（ATP）通道关闭，不参与心肌细胞膜复极化过程。但当心肌缺血时，心肌细胞线粒体供氧不足，ATP合成减少，组织ADP/ATP比值升高，或当PH值降低，乳酸、腺苷浓度增加时，都会激活细胞膜上的K（ATP）通道，从而改善心肌缺血缺氧状态。

2 K（ATP）在运动训练中的重要性

K（ATP）通道具有代谢敏感性和广泛的组织表达，是细胞内的代谢信号感受器，调节心脏对外界刺激的适应性，在运动时发挥调节心脏代谢的作用[2]。

有实验用敲除编码Kir6.2亚基基因（Kir6.2-KO）的小鼠与野生型对照组对28 d耐力游泳后的反应进行了比较，野生型动物变得更瘦、更健康，但Kir6.2-KO在运动能力方面增强小，重复游泳的压力暴露了Kir6.2-KO小鼠的生存劣势，这与心脏的病理钙依赖性结构损伤和心脏功能受损有关。证实了含有kir6.2的K（ATP）通道的活性为获得运动生理益处而不受伤所必需[3]。

体力活动是影响心功能的重要决定因素之一。心脏增加氧气和代谢燃料输送的能力依赖于一系列适应反应，以匹配身体需求，同时避免耗尽心脏资源。K（ATP）通道具有根据ATP和ADP水平调节心脏膜兴奋性的独特能力，而在运动响应中其表达的上调可能是这种适应的一个关键因素。运动诱导的K（ATP）通道表达的上升，增强了心率加快后动作电位缩短的速率和幅度响应。这种膜兴奋性的适应促进了工作负荷增加时心脏能量消耗的显著降低。正常K（ATP）通道孔功能的遗传破坏消除了运动对动作电位时程（APD）的调整作用，导致心脏能量消耗增加。增加K（ATP）通道依赖性膜反应改变心脏负荷是心脏保护的潜在靶点[4]。以上研究表明，心脏产生的适应性变化有K（ATP）通道参与，K（ATP）通道在运动中起着不可或缺的作用。

3 不同运动训练方式对K（ATP）的影响

3.1 运动对K（ATP）通道的影响运动训练可通过减少心肌细胞APD和增加收缩力来保护心脏不受缺血影响，并改善运动中的功能。细胞机制涉及K（ATP）通道。有学者将大鼠分为滚轮组（TRN）和久坐组。训练6～8 w后，从左心室分离肌细胞，给予1、2、5 Hz刺激。K（ATP）通道的上调可以通过通道含量升高、电流密度增加以及在高激活率和激活剂蒎酸存在的情况下该通道缩短APD的作用来反映。结果显示TRN诱导整个左心室K（ATP）电流增加，但通道亚基含量呈现区域特异性，心尖区Kir6.2增加，基底区SUR2A增加。运动时，K（ATP）通道的上调加速了复极化且缩短了APD。这些适应性具有重要的临床意义，因为收缩力的增加和APD的缩短将有助于保护心输出量，并减少应激时细胞内Ca2+超载。证实定期运动上调了左心室心肌细胞sarc K（ATP）通道表达，通道亚单位含量、电流密度升高，以及通道在高激活率下APD缩短[5]。另有研究证实，在1 Hz刺激下，有规律的运动可以延长从心尖和基底区分离的肌细胞的动作电位和Ca2+瞬变时程，而在10 Hz刺激时则使二者缩短。在10 Hz时，K（ATP）通道抑制剂格列本脲延长了经过运动训练的大鼠的心肌细胞APD，表明在高激活率下，滚轮运动训练动物的肌细胞K（ATP）通道功能更高[6]。

3.2 力竭运动对K（ATP）通道的影响力竭运动也会对K（ATP）通道产生显著影响，但结果尚存争议。一次性力竭运动致心肌损伤时虽然kir6.2 mRNA表达未见变化，但kir6.2蛋白表达显著增加，心肌sarcK（ATP）通道开通数量增加，运动性心肌损伤得以改善[7]。反复力竭运动可引起窦房结sarcK（ATP）通道亚基Kir6.2 mRNA表达及电流密度增加，可引起窦房结细胞舒张期自动除极及自律活动减慢。提示K（ATP）通道介导了反复力竭运动引发窦房结功能障碍及运动性心律失常[8]。另有研究让大鼠先进行4次，每次跑步和休息各10 min的跑台运动预适应（EP）训练，在EP后24 h进行力竭运动。力竭运动后升高的Kir6.2、SUR2A水平在EP晚期保护时相显著降低，表明EP通过下调激活的心肌K（ATP）通道，减轻了力竭运动引起的心肌损伤[9]。在心脏不同部位，力竭运动对K（ATP）作用不同。力竭运动上调心室肌Kir6.1基因的表达水平，而心房肌Kir6.1基因表达水平在运动后24 h呈现下调变化。心室肌Kir6.1基因表达上调对运动心肌具有保护作用，而心房肌该基因表达下调是心房肌易损伤的机制之一。心室肌Kir6.1基因表达上调会使心肌细胞膜上的钾离子通道结构和功能发生改变，钾离子电流增加，胞内K+外流，引起胞膜超极化，缩短APD，从而抑制钠通道与钙通道的开放，导致电压依赖性钙通道的关闭，钙内流减少，降低心肌细胞内Ca2+超载和心肌细胞的兴奋性，从而减轻心肌损伤。并能有效抵抗与Q-T间期延长综合征或延迟复极化有关的心律失常[10]。

4 运动通过K（ATP）通道发挥心脏保护效应

K（ATP）通道是抗糖尿病磺脲类阻滞剂和抗心绞痛、抗高血压的通道开放类药物的靶点。在血管平滑肌中，K（ATP）通道受到信号通路的广泛调控，导致血管舒张，促进静息血流量和血管舒张诱导的血流量增加。在心肌中K（ATP）通道打开，在缺血或运动等应激条件下保护细胞，并且在缺血预处理（IPC）诱导的保护中发挥重要作用[1]。

运动训练为心肌缺血再灌注（I/R）损伤提供保护。C57BL/6小鼠（4周龄）在跑步机上以15 m/min的速度每天训练45 min，持续8 w。在8 w运动训练结束后，对小鼠进行左前降支闭塞30 min，然后再灌注60 min或24 h。运动训练可上调Kir6.1，改善组织氧合恢复，并保护心脏免受I/R损伤[11]。SD大鼠在机动跑步机上运动5 d。改良Langendorf仪器上再灌注2 h，证实其对心肌缺血再灌注损伤的抵抗依赖于缺血时sarcK（ATP）的活性[12]。SD大鼠跑步机上锻炼（30 m/min，3 d，60 min，70%最大摄氧量），研究mito K（ATP）或sarc K（ATP）是否介导运动诱导的心脏对细胞死亡和凋亡的保护，发现sarc K（ATP）通道对于IR后抗细胞坏死至关重要[13]。

运动可以通过K（ATP）改善心肌梗死，运动12 w动物的心脏梗死面积明显缩小，心脏左心室发展压力维持更好。mitoK（ATP）阻断不能消除训练引起的梗死面积缩小，sarcK（ATP）阻断完全消除了训练诱导的心脏保护作用。训练后sarcK（ATP）通道两个亚单位显著增加。肌膜细胞K（ATP）通道表达增加[14]。说明sarcK（ATP）通道介导了运动减少心脏梗死面积作用的发挥。

此外，K（ATP）通道介导运动对心肌梗死后慢性心力衰竭（CHF）的保护作用。运动改善CHF Tr（心肌梗死后4 w，有氧间歇训练8 w）动物的心功能。CHF Sed （心肌梗死后安静12 w）大鼠心肌细胞比CHF Tr和假性心肌细胞组对氧化应激诱导的细胞死亡更敏感，而格列苯脲完全破坏了运动的保护作用。此外，与CHFsed相比，运动增加了CHF Tr心肌细胞的收缩期钙瞬变幅度，改善了舒张期钙移除，两者均被格列苯脲显著减弱。运动导致CHF Tr心脏K（ATP）通道亚基表达增加，对SUR2A的影响更明显。慢性运动诱导的K（ATP）通道上调介导了运动对心肌梗死后心力衰竭大鼠心功能的保护作用[15]。

5 总结

综上所述，K（ATP）通道在运动时具有重要的调节作用，在运动诱导心肌保护效应方面具有重要作用。然而，仍有一些尚未研究的问题。如K（ATP）通道在心脏损伤中具有重要作用，但它们的确切作用尚待进一步阐明。这些问题的阐明可以帮助研究者更好的了解K（ATP）通道对心脏的调控机制。