Ca2+ 통로 봉쇄제들에 의한 심근 근소포체 Ca2+ 유리 봉쇄작용의 비교

Abstract

[한글]

심근에서는 수축에 필요한 활성 Ca2+의 대부분을 근소포체로부터 공급받으며, 이 과정은 L-type Ca2+ 통로를 통해 유입된 Ca2+에 의한 Ca2+-유발 Ca2+ 유리기전을 통해 이루어진다. 역시 근소포체로부터 필요한 Ca2+을 공급받는 골격근의 경우에는 심근과는 달리, Ca2+과는 무관하게 탈분극으로 인한 L-type Ca2+ 통로의 구조적 변경이 L-type Ca2+ 통로와 조직학적으로 연결된 ryanodine 수용체을 기능적으로 개방하여 근소포체로부터 Ca2+을 유리시킨다. 골격근의 이러한 기능적 연결은 L-type Ca2+ 통로와 ryanodine receptor가 물리적으로 연결되어 있기 때문에 가능하다. 최근에는 그 빈도는 미약하나마 심근 세포에서도 L-type Ca2+ 통로와 ryanodine receptor가 서로 연결되어 있어 기능적 연결이 일어날 수 있다는 가능성이 제시었으나 아직 명확한 규명은 이루어지지 못하고 있다.

이에 본 연구에서는 심근에서 L-type Ca2+ 통로와 ryanodine 수용체 사이에 기능적 연결이 존재하는지 여부를 규명하기 위한 일환으로, 흰쥐의 단일 심근 세포에서 전세포 막전압 고정법을 사용하여, 화학 구조가 다르고 L-type Ca2+ 통로의 결합 부위가 서로 다른 L-type Ca2+ 통로 봉쇄제들과 근소포체의 Ca2+ 유리와의 상호 관련성을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 화학구조가 상이하고 서로 다른 부위에 결합하여 L-type Ca2+ 통로를 봉쇄하는 Ca2+ 통로 봉쇄제들인 nifedipine, verapamil, diltiazem 및 CdCl2는 막전압을 -40 mV에서 0 mV로 500 ms동안 사다리형 전기 자극으로 유발한 Ca2+ 전류를 각각 용량에 비례하여 봉쇄하였으며, 그때 최고 효능의 차이는 나타나지 않았다.

2. 전기 자극을 +100 mV에서 -100 mV로 200 ms에 걸쳐 -1 mV/ms의 속도로 하향시킨 ramp pulse로 전환하여 매 10초 간격으로 자극함에 따라 흰쥐 심근 세포의 막전류는 외향전류에서 내향전류로 전환되었고, 8～12분 후 안정되어 -12.9±0.5 pA/pF를 나타내었다. 전기 자극으로 발생되는 세포내 Ca2+ 농도 변화는 BAPTA의 농도에 비례하여 감소하였으며 5 mM 이상에서는 완전히 소실되었다.

3. Nifedipine, verapamil 및 diltiazem은 ramp pulse로 유발되는 내향전류를 용량에 비례하여 억제하였으며 그 최고 효능은 각각 86.2±2.0 %, 82.3±5.1 %, 84.7±3.1 %이었다. 반면, CdCl2의 경우 역시 용량에 비례하여 억제 하였으나 최고 효능은 73.7±5.0 %으로 다른 약물들에 비하여 현저히 낮았다(p<0.05).

4. 10 &micro;M ryanodine은 ramp pulse로 유발되는 내향전류를 14.2±2.3 % 억제하였으며, ryanodine의 이러한 봉쇄 작용은 0Na 전처치로 완전히 봉쇄되었다.

5. 10 mM caffeine은 0.1 mM CdCl2 전처치 후 잔류 내향전류를 봉쇄하였다.

이상의 결과로 보아, 흰쥐 심근에서도 근소포체로부터의 Ca2+ 유리가 기존의 Ca2+-유발 Ca2+ 유리기전 이외에 L-type Ca2+ 통로와 ryanodine 수용체 사이의 기능적 연결을 통해서도 일어나고 있음을 알 수 있다.

[영문]Sarcoplasmic reticulum is the major source of the activator Ca2+ in heart and skeletal muscle. In the heart, sarcoplasmic reticular Ca2+ release is triggered by the Ca2+-induced Ca2+ release mechanism, in which a small amount of external Ca2+ entered the cell through L-type Ca2+ channel opens the ryanodine receptor, a sarcoplasmic reticular Ca2+ release channel. Contrastingly in the skeletal muscle, sarcoplasmic reticular Ca2+ release is triggered by the L-type Ca2+ channel itself without requiring external Ca2+ influx. Conformational change in the L-type Ca2+ channel during an action potential directly opens the ryanodine receptor through a functional linkage. The functional linkage is possible in the skeletal muscle, because L-type Ca2+ channels physically contact with opposing ryanodine receptors in 4:1 ratio. Recently, several reports have raised the possibility of the functional linkage between L-type Ca2+ channel and ryanodine receptor in the heart by showing the physical contact between L-type Ca2+ channel and ryanodine receptor although the coupling ratio was much low (1:10 vs. 4:1).

Therefore, this study was performed to clarify the presence of an functional linkage between L-type Ca2+ channel and ryanodine receptor in the heart. To achieve this aim, differential suppression of the sarcoplasmic reticular Ca2+ release was pharmacologically pursued between the Ca2+ channel blockers with different chemical structure and different binding sites on the L-type Ca2+ channel by using whole cell-mode patch-clamp technique in the enzymatically isolated single rat ventricular myocytes. The results were as follows;

1. Ca2+ channel blockers with different chemical structure and different binding site on L-type Ca2+ channel such as nifedipine, verapamil, diltiazem and CdCl2 suppressed the Ca2+ current induced by a step pulse from holding potential of -40 mV to 0 mV form 500 ms in a concentration-dependent manner.

2. During the stimulation with a ramp pulse from +100 mV to -100 mV for 200 ms every 10 s in the rat ventricular myocytes held at -40 mV, the initial outward current was gradually turned into an inward current. The maximal inward current after equilibration, which required 8～12 min, became -12.9±0.5 pA/pF. Cytosolic Ca2+ concentration raised by the ramp pulse decreased in a BAPTA concentration-dependent manner and was completely abolished above 5 mM.

3. Nifedipine, verapamil and diltiazem suppressed the ramp pulse-induced inward current in a concentration-dependent manner and the maximal suppressions were 86.2±2.0 %, 82.3±5.1 %, and 84.7±2.0 %, respectively. CdCl2 also suppressed the inward current in a concentration-dependent manner. In the case of CdCl2, however, the maximal suppression was significantly lower than those of other Ca2+ channel blockers, eliciting 73.7±5.0 % (p<0.05).

4. 10 &micro;M ryanodine suppressed the ramp pulse-induced inward current by 14.2±2.3 %, which was completely blocked by 0Na pretreatment.

5. 10 mM caffeine blocked the remaining inward current after 0.1 mM CdCl2.

From these above results, it is concluded that sarcoplasmic reticular Ca2+ release is also triggered by the functional linkage between L-type Ca2+ channel and ryanodine receptor in addition to the Ca2+-induced Ca2+ release mechanism in the rat heart.