王 靜，洪炳哲

(1.遵義醫(yī)學院，貴州 遵義 563003;2.大連大學附屬新華醫(yī)院心內科，遼寧 大連 116021)

Mg2+是細胞內K+之后第二豐富的陽離子，細胞內Mg2+濃度大約是 16 mmol·L－1～20 mmol·L－1，其大多數儲存在細胞核、線粒體和內質網，少量在細胞質中，細胞質中以 Mg2+-ATP結合形式的 Mg2+是 4 mmol·L－1～5 mmol·L－1，游離 Mg2+濃度(［Mg2+］i)約為0.7 mmol·L－1，較少部分的Mg2+以二磷酸核甘酸、胞質蛋白結合的形式存在［1］。盡管細胞內的游離Mg2+濃度不大，但其含量的變化可有效的轉換為細胞器內Mg2+濃度的變化而調節(jié)其中特定酶的活性和細胞的功能最終引起生物體生理病理變化。由于實驗方法的限制，難以精確測定胞內［Mg2+］i變化，其調節(jié)機制的認識不完善。隨著技術的改進，近年就細胞內Mg2+穩(wěn)態(tài)調節(jié)的可能影響環(huán)節(jié)(見Fig 1)進行了大量研究以探索Mg2+平衡調節(jié)機制。

Fig 1 鎂離子的分布(1～2 mmol·L－1Mg2+)

1 Mg2+跨膜運動的調節(jié)

80年代有學者在對骨骼、平滑肌、心肌等組織中Mg2+研究推測跨膜化學電位可能對維持細胞內Mg2+濃度起重要作用，但隨后大量的實驗發(fā)現細胞內外Mg2+濃度梯度只有兩倍或更小，且細胞膜對Mg2+通透性也差，因此認為細胞外的Mg2+很難通過跨膜化學電位大量改變胞內［Mg2+］i，且同一時期有研究報道用激素刺激肝細胞，很少超過十分鐘，細胞即排出占細胞總Mg2+含量0.10～0.20的Mg2+，由Mg2+通量的速度和振幅推測細胞膜水平存在Mg2+轉運機制［2］。圍繞Mg2+跨膜轉運調節(jié)的研究到目前有通道TRPM6和TRPM7，Mg2+跨膜轉運體 Na+依賴性 Na+/Mg2+交換和Ca2+/Mg2+交換等。

1.1 跨膜轉運體與Mg2+調節(jié)

1.1.1 Na+依賴性Na+/Mg2+交換對Mg2+的調節(jié) 80年代Gunther和Vormann用阿米洛利抑制方式對雞血紅細胞進行實驗第一次證明哺乳動物細胞膜存在Na+依賴性Na+/Mg2+交換［2］，其后此機制被實驗證實存在哺乳動物其他(包括人)群體中，且發(fā)現該交換的激活是通過cAMP介導的磷酸化(研究較多，這里不在一一贅述)。那Na+依賴性Na+/Mg2+交換是怎樣調節(jié)胞內［Mg2+］i的Gunther和 Vormann的研究發(fā)現在雞紅細胞中進入細胞內的Na+與排除細胞外的Mg2+的比例是2∶1，在包括人體在內的哺乳動物的紅細胞這個比例是1 ∶1［2］。但最近 Cefaratti等［3］的實驗報告發(fā)現Mg2+通過Na+/Mg2+交換排出細胞與細胞外Cl－的運動相耦合，在CL－不存在的情況下，Na+/Mg2+交換的比例由1∶1變成了2∶1，且還發(fā)現CL－不存在時，不僅Na+/mg2交換受抑制同時或多或少的抑制CL－轉運。此外Rychkov和其合作者的研究［4］也發(fā)現透析后的魷魚軸突CL－的轉運反向激活Na+/Mg2+交換。因此推斷CL－可通過Na+依賴性Na+/Mg2+交換對細胞Mg2+進行調節(jié)。

1.1.2 Ca2+/Mg2+交換 Mg2+作為 Ca2+的天然拮抗劑具有調節(jié)血管舒縮強度、降低動脈壓力及改善外周血液循環(huán)的作用已在大量的臨床實踐得到證實，這為Ca2+/Mg2+交換的存在提供了設想依據。Gunther［5］及其合作者曾報道在缺乏Na+或應用Na+通道阻滯劑的情況下利用Ca2+使細胞內的Mg2+排出細胞外，因此認為存在非Na+依賴Ca2+/Mg2+交換的Mg+調節(jié)機制。同時有報道用去甲腎上腺素刺激激活Ca2+-CaM使Ca2+進入細胞誘導細胞內Mg2+的排出需要細胞質存在生理濃度的Na+和Mg2+，這似乎表示Ca2+/Mg2交換是Na+依賴性的，與之前的報道有分歧。但目前一直不確定Ca2+-CaM信號通路是否是Na+/Mg2+交換的一種激活方式，還是它的激活替代了Ca2+/Mg2交換［2］。

1.2 膜通道對細胞Mg2+的調節(jié) 近年隨著TRP通道家族的發(fā)現和對其家族的研究，瞬時受體電位melastatin6(TRPM6)和瞬時受體電位melastatin7(TRPM7)對Mg2+的調控受到了重視。Schmitz等［6］和 Voets等［7］分別在研究中發(fā)現，TRPM6和TRPM7作為細胞膜Mg2+通道，能夠調節(jié)胞內［Mg2+］i，在正常生理濃度時，Mg2+通道處于關閉狀態(tài)，在Mg2+濃度低于正常生理濃度時，TRPM6和TRPM7可被激活發(fā)揮平衡Mg2+濃度作用［9］。那TRPM6和TRPM7是通過什么樣的具體機制對胞內［Mg2+］i進行調節(jié)的呢?

1.2.1 TRPM7與Mg2+跨膜轉運的調節(jié) 2002年 CLapnam及其同事［9］第一個提出TRPM7對Mg2+的調控受PIP2的調控，這一概念的提出隨后被Fle工作組［10］證實，并發(fā)現PIP2對TRPM7的調控受cAMP的影響。近年來自Langesslag［11］和Mubagwa［12］的報告已經證實PLC激活PIP2導致PIP2水解抑制TRPM7的激活，Mubagwa還特別指出抑制磷脂酶C(PLC)或增加外源性PIP2將激活TRPM7的運行，但這些實驗均提出細胞膜TRPM7的激活需要游離Mg2+存在的生理條件，因此認為PIP2/PLC對TRPM7的調控通過PLC激活PIP2水解實現。同時還有研究認為TRPM7通道可被細胞內游離Mg2+和Mg2+-ATP所抑制［13］，并有一部分研究發(fā)現:當胞內Mg2+或Mg2+-ATP濃度升高時可抑制通道活性，減少胞外Mg2+涌入胞內，而這種作用與胞內ATP濃度無關，同時胞內 Ba2+、Sr2+、Mn2+有與 Mg2+類似的作用［14］。2005年Jiang等［15］報道在生理PH值，Ca2+或Mg2與TRPM7結合抑制一價陽離子滲透通道，在較高H+濃度TRPM7與Ca2+或Mg2+親和力降低，使一價陽離子滲透通道。2007年Bessas BF等人［16］報道高滲狀態(tài)對TRPM7的離子流有抑制作用。由以上研究得知TRPM7對Mg2+的調節(jié)與TRPM7對Mg2+的親和力有關，并可受［Mg2+］i、PH值、滲透壓、PIP2 和PLC的影響，但影響的程度未知。最近有研究［17］顯示:敲出小鼠TRPM7的激酶區(qū)域，造成TRPM7缺陷得到的雜合子TRPM7缺陷小鼠，表現出低鎂血癥和腸道吸收Mg2+障礙，TRPM7缺陷的小鼠細胞表現為TRPM7電流減少，但同時發(fā)現Mg2+選擇性載體蛋白MagT1的基因表達上調，在過去十年中已發(fā)現的 Mg2+載體蛋白有 CoA，MgtA/B，MgtE，SLC41A1/SLC41A2，MagT1，ACDP1-4［18］，并有發(fā)現它們的表達受Mg2+濃度的影響［2］，因此認為TRPM7對細胞內和機體總Mg2+均具調節(jié)作用，并受Mg2+載體的影響。但以上大多是來源動物模型的實驗驗證。Regina Maianskiene等人［19］使用全細胞膜片鉗技術，研究取之于116例竇性心律的冠狀動脈和心臟瓣膜手術分離患者的右心房肌細胞，發(fā)現在生理條件下TRPM7可以發(fā)揮心臟離子平衡作用，特別是Ca2+和Mg2+的調節(jié)，在某些病理條件下，來源于有正常內質網的心房肌細胞的TRPM7相似通道表達上調。另外張［20］等人用全細胞膜片鉗技術，RT-PCR，Wester blot分析方法研究人類心房肌細胞發(fā)現TRPM4和TRPM7通道電流、mRNA以及蛋白在心房肌細胞的表達是明顯的，來源于房顫病人的心房肌細胞TRPM7通道蛋白明顯增加，但TRPM4沒有，因此表明功能性的TRPM7通道存在于人類心房肌細胞，在心房顫動的患者，心房肌細胞TRPM7表達上調，據此認為TRPM7對Mg2+的調節(jié)在人類細胞同樣重要。

1.2.2 TRPM6對 Mg2+的調節(jié) TRPM6與 TRPM7亞型上差異，TRPM6主要位于結腸和腎小管的遠端，通過調節(jié)腸道Mg2+的吸收和腎臟Mg2+的重吸收調節(jié)全身Mg2+的穩(wěn)態(tài)，在這一穩(wěn)態(tài)的調節(jié)中普遍認為Mg2+進入血液是通過Na+/Mg2交換實現［2］，但TRPM6對Mg2+的調節(jié)是TRPM6的單獨作用還是與TRPM7協同作用存在分歧。有研究顯示TRPM6分子與TRPM7分子形成的異聚體通道離子電流明顯大于TRPM7的同聚體通道，TRPM6分子與TRPM7分子的相互作用能促進二價陽離子電流［21］.因此認為TRPM6與TRPM7協同調節(jié)Mg2+的穩(wěn)態(tài)。但遺傳性低鎂血癥的病因研究發(fā)現與TRPM6的突變有關［22］。直到Yue等人的研究發(fā)現TRPM6和 TRPM7形成異源，TRPM6，TRPM7，TRPM6/TRPM7嵌合體構成3個不同的離子通道，有不同的離子通透性、離子敏感性和信號通道電導，2-APB可以區(qū)分它們，因為2-APB對TRPM6和 TRPM7電流作用不同［23－24］。雖然 TRPM6已被證明對Mg2+具有調節(jié)作用，并發(fā)現其表達水平受雌激素、血管緊張素Ⅱ、代謝性酸中毒/堿中毒、免疫抑制劑他克莫司、噻嗪類利尿劑、EGF水平表達的調節(jié)［25］，但對其調控Mg2+機制的認識仍不完善。Runnels等人發(fā)現通過5－磷酸化學移位電壓依賴性磷酸酶誘導去極化，Gq連接受體激活水解PIP2能完全有效的失活TRPM6，并發(fā)現TRPM6激活酶域與PLC異構體相互作用，因此認為PIP2控制TRPM6的激活和Mg2+進入細胞，PIP2是TRPM6通道功能所必須的，PLC耦合激素/受體水解 PIP2可能是 TRPM6門控和Mg2+穩(wěn)態(tài)調節(jié)的關鍵一步［26］。

2 胞內游離Mg2+的調節(jié)

細胞內總 M g2+濃度為 1 6 ～20 mmol·L－1，而［Mg2+］i僅為0.7 mmol·L－1左右，推測在細胞內存在參與Mg2+調節(jié)的鎂庫，是否如此呢?國內學者洪等人用bFGF、VEGF通過酪氨酸激酶/3磷脂肌醇激酶/磷脂酶Cr信號傳遞途徑誘導細胞內［Mg2+］i增加發(fā)現:在細胞外無Mg2+時，bFGF劑量依賴性的增加細胞內［Mg2+］i，這些增加的游離Mg2+與細胞外Na+濃度和細胞內Ca2+的濃度無關［26－28］，這與上面推測的鎂庫參與Mg2+調節(jié)的假設相符。該實驗游離Mg2+來源于細胞內的，而細胞的成分有線粒體、細胞核、肌漿網以及ATP和蛋白等，來源何處?未見進一步報道。近期Andrp和Romani報道［2］已在細胞內觀察到與蛋白質高度親和力、低容量的 M g2+庫，ATP-Mg2結合的 M g2+庫，2，3diphosphoglyerate(2，3-DPG)結合的 M g2+庫，Mg2+與血紅蛋白結合的Mg2+庫，但在這些已發(fā)現的與蛋白結合的鎂庫中，與Mg2+結合有關的蛋白除血紅蛋白外，其余與之結合的鈣調蛋白、肌鈣蛋白，小白蛋白以及S100蛋白形成的鎂庫均沒有證據提示存在于在生理條件下，也未見病理情況下相關結合程度以及激素和代謝對其影響相關的報道。由于技術上的限制，目前細胞核、內質網Mg2+含量的推測還沒有可靠確定，其相關研究受到了限制。那細胞內其余成分與Mg2+調節(jié)的關系如何?

2.1 線粒體與Mg2+調控 1991年Romani等報道異丙腎上腺素能激動劑激活β受體，促進腺苷酸環(huán)化酶生成環(huán)磷酸腺苷(cAMP)，cAMP激活Na+/Mg2+轉運體，促進Mg2+外流，同時cAMP作用于線粒體內膜的ATP-Mg2+/ADP轉運體，從線粒體釋放Mg2+，但發(fā)現從線粒體釋放Mg2+是微量的，對胞漿中的［Mg2+］i影響很?。?9］。1994年 Jung等報道線粒體內［Mg2+］i0.5 ～ 1mmol·L－1［30］。2002 年 Romani等研究發(fā)現，線粒體內膜上的ATP-Mg2+/pi轉運體可逆性的調節(jié)Mg2+轉運［31］;2005年Kubota等發(fā)現，線粒體膜上 H+通道阻斷劑促使線粒體釋放少量的Mg2+［32］;2006年Bradshaw等發(fā)現，增加離子濃度、各種腺苷、金屬螯合劑、pH等刺激促使線粒體釋放少量Mg2+［33］，2006年Lunin VV等在《Nature》上發(fā)表 CorA聚合體是線粒體膜上的 Mg2+轉運體［34］，但有趣的是，2007年 SchindI R等利用膜片鉗技術證明CorA-Mrs2-Air1超級聚合體的Mrs2P是高度選擇性的Mg2+通道，其通過固有的負反饋機制調控胞漿內Mg2+流入線粒體基質內［35］，也就是說，細胞漿中游離Mg2+順著濃度梯度經Mrs2P通道向線粒體內流入，這雖與之前部分學者認為線粒體內大量庫存Mg2+有分歧，但并不與線粒體參與細胞內游離Mg2+的調控相矛盾。2009年 Schweyen RJ等發(fā)現［36］敲出了 Mrs2的 HEK293細胞缺乏線粒體復合物 I(Mrs2通過CorA與線粒體N-末端的融合)的表達，并發(fā)現線粒體的Mg2+水平降低，但線粒體Mg2+的減少究竟依賴于線粒體復合物I的減少還是Mrs2的減少仍然未知。

2.2 ATP-Mg2+庫與鎂離子的調節(jié) 細胞質超過0.80的Mg2+以形成ATP復合物的形式存在，推測ATP含量減少將導致胞漿［Mg2+］i增加，但 Romani等人［1］的實驗發(fā)現細胞內ATP顯著快速的減少，胞質內［Mg2+］i僅小幅度增加甚至沒有變化，因此推測與ATP解離的Mg2+可能排出細胞外或是儲存在細胞內的細胞器及鎂庫中。有趣的是，實驗進一步發(fā)現:(1)分別添加氰化物和線粒體解耦聯劑羧基氰化物對三氟甲氧基苯(FCCP)到分離的肝細胞中，ATP明顯快速的減少，有相當大一部分Mg2+排出細胞，而添加糖酵解抑制劑碘乙后則沒有相似的現象發(fā)生;(2)在細胞外添加Na+阻滯劑丙咪嗪、奎寧丁和格列本脲完全抑制Mg2+排出細胞，而去除細胞外Ca2+和K+，Mg2+的流出無影響;(3)細胞外的酸性PH值或去除細胞外的HCO－2將至少抑制0.80氰化物誘導的Mg2+釋放［1］。因此認為ATP對Mg2+的調節(jié)與受PH值調節(jié)的Na+依賴性Na+/Mg2+交換相關。

3 結語

綜上所述，相對細胞器對細胞內Mg2+的調節(jié)機制的研究，膜通道對細胞內Mg2+調節(jié)的研究取得了巨大進步，但Mg2+調節(jié)機制的認識仍不完善，希望隨著實驗技術的改進和實驗設備的更新，能獲取更多Mg2+穩(wěn)態(tài)調節(jié)機制的知識以指導臨床實踐。

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