1. HEALTH AND MEDICINE

心筋の収縮・弛緩の分子メカニズム
と
強心薬
山口大学大学院医学系研究科分子薬理学分野
乾 誠
1
心臓の動き
2
心筋収縮・弛緩の基本メカニズム
と
カルシウム調節機構
3
モデル心筋細胞
4
心筋の微細構造
5
細胞内外のイオン濃度
イオン
細胞内（mM）
細胞外（mM）
K+
139
4
Na+
12
145
Cl-
4
116
Mg2+
0.8
1.5
Ca2+
<0.0002
1.8
6
+
2+
電位依存性Na 及びCa チャネルの
基本構造
I
II
III
IV
H
C
I
IV
II
III
7
心筋細胞での脱分極の伝搬
8
2+
心筋細胞内のCa 制御
活動電位
Ca2+貯蔵部位
収縮・弛緩
筋小胞体
SR
Ca2+誘発性Ca2+遊離
細胞膜
筋原線維
(Tn)
Ｔ管
9
収縮装置（アクトミオシン）
の
2+
Ca 調節機構
10
アクチンとミオシンで動く仕組み
11
2+
Ca によるアクチンとミオシンの制御
12
2+
Ca によるアクチンとミオシンの制御
13
2+
心筋細胞内Ca 濃度変化と発生張力
Tension
Ca2+
14
膜系による
2+
心筋細胞内Ca 制御
15
心筋の微細構造
Sarcolemma
Transverse
tubule
Sarcoplasmic
reticulum
Transverse
Mitochondrion
tubule
Terminal
cisternae of
sarcoplasmic
reticulum
Myofibrils
Mitochondrion
W.D. Fawcett & S. McNutt
Transverse
tubule
16
心筋の興奮収縮連関
17
心筋小胞体Ca2+遊離
の
分子メカニズム
18
2+
心筋細胞内のCa 制御
活動電位
Ca2+貯蔵部位
収縮・弛緩
筋小胞体
SR
Ca2+誘発性Ca2+遊離
細胞膜
筋原線維
(Tn)
Ｔ管
19
Cardiac Membranes
20
Arrengement of Feet Structures
SR
Ryanodine receptor
21
Cardiac Terminal Cisternae Vesicles
22
Cardiac Longitudinal SR Vesicles
23
2+
Ca
Uptake and Release
ATP
Ca2+
Ca2+
Ca2+
ADP
+ Pi
24
Structural Formulae of
Ruthenium Red and Ryanodine
Ruthenium Red
Ryanodine
25
Characterization of Cardiac Subcellular SR
Fractions
+RR
12
[3H]Ryanodin binding
(µmol Ca2+/mgmin)
Ca2+ loading rate
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
LSR
TC
LSR
10
8
(pmol/mg)
1.2
6
4
2
0
TC
LSR
TC
26
SDS-PAGE
of
Heart Ryanodine
Receptor
1
2
27
2+
Ca
Reconstitution of
Release
Channel in Planar Bilayer
50 mM CaCl2
細胞質側
SR内腔側
28
2+
Ca
Release Channel Activity of
Ryanodine Receptor
100 ms
10 nM Ca2+
20 pA
100 nM Ca2+
29
Morphology of Calcium Release Channel
30
Three Demensional Reconstitution of
Calcium Release Channel
31
Ryanodine Receptor-FKBP12
Complex
FKBP12
32
心筋の興奮・収縮連関
（Excitation-Contraction Coupling）
33
Model for Molecular Architecture of
Excitation-Contraction Coupling
SL or
T tubule
s-s
VDCC
Ca2+
FKBP
Ca2+
Ca2+
Ryanodine
receptor
SR
34
2+
心筋小胞体からのCa
遊離
35
心筋小胞体カルシウム取り込み
の
分子メカニズム
36
2+
心筋小胞体へのCa 輸送
37
2+
SERCA (Ca -ATPase)の構造
ATP
細胞質
SR膜
SR内腔
2+
Ca
38
2+
心筋細胞内Ca 濃度変化と発生張力
Tension
Ca2+
39
心筋収縮・弛緩の調節メカニズム
40
カテコラミンによる心臓の調節
・Positive Chronotropism
心拍数の増加
・Positive Inotropism
心筋収縮力の増強
・Positive Lucitropism
心筋拡張能の促進
・Positive Dromotropism
伝導性の亢進
41
心筋細胞内Ca2+濃度変化と発生張力
Iso (+)
Iso (-)
Ca2+
Tension
Tension
Ca2+
42
心筋に対するアドレナリン β１ 作用
Catecholamine
Ca2+
β1 receptor
cAMP
PK-A
Ca2+
Phospholamban
SR
TN-I
43
Molecular Model for SERCA2a-Phospholamban
System in Cardiac Sarcoplasmic Reticulum
ATP
SERCA2a
P
Cytoplasm
Ca2+
ADP + Pi
cAMP-PK
Phospholamban
SR
Lumen
44
Structure of Phospholamban
1
Ia
20
Ib
30
II
52
Monomer
Pentamer
45
故 多田道彦 教授
46
心筋小胞体濾胞へのCa2+取り込みと遊離
ATP
Ca2+
Ca2+
Ca2+
ADP
+ Pi
47
ATPase activity (% of Maximum)
Ca2+-dependent Profile of the ATPase Activity of
Cardiac SR Vesicles and Purified SERCA2a
100
Purified SERCA2
cAMP-PK
50
Control
0
0.1
1
10
Ca2+ concentration (µM)
48
Phosphorylation-dependent Interaction between
SERCA2a and Phospholamban
SERCA2a
P
Cytoplasm
Phospholamban
cAMP-PK
SR
Lumen
49
Cross-linking between SERCA2a and
Phospholamban
Cross-linker
SERCA2a
Phospholamban
P
VS
50
Molecular Model
for the Interaction
of SERCA with
Phsopholamban
51
SERCA -ホスホランバン系
の
生理的意義
52
2+
心筋細胞内のCa 制御
活動電位
Ca2+貯蔵部位
収縮・弛緩
筋小胞体
SR
Ca2+誘発性Ca2+遊離
細胞膜
筋原線維
(Tn)
Ｔ管
53
心筋細胞内Ca2+濃度変化と発生張力
Tension
Ca2+
54
Isoproterenol Stimulation in Wild-type
and Phospholamban-knockout Mouse
-dP/dt
+dP/dt
-dP/dt
Heart rate
Heart rate
+dP/dt
(Kiss et al. Am. J. Physiol 272:H786, 1997)
55
強心薬の作用メカニズム
56
強心薬
β受容体作用薬
ドブタミン
イソプレテレノロール
・非選択的PDE阻害薬
ホスホジエステラーゼ
阻害薬
アミノフィリン
・選択的PDE III阻害薬
アムリノン
ミルリノン
強心配糖体
ジゴキシン
ジギトキシン
57
心筋に対するアドレナリン β１ 作用
Catecholamine
Ca2+
β1 receptor
cAMP
PK-A
Ca2+
Phospholamban
SR
TN-I
58
2+
心筋細胞内のCa 動態
Ca2+ Na+ Na+
K+
Na, Kポンプ
Na,Ca交換
Ca2+チャンネル
Na+
Ca2+
Ca2+
Na+
K+
Ca2+ポンプ
β１受容体
Ca2+
Ｔ管
Ca2+遊離チャネル
59
2+
心筋細胞内のCa 動態
Ca2+ Na+ Na+
K+
Na, Kポンプ
Na,Ca交換
アドレナリン
Na+
Ca2+2+
Ca
Ca2+
Na+
K+
PKA
cAMP
β１受容体
Ca2+
Ｔ管
60
カテコラミンの効果
0
10-7
3x10-7
10-6
3x10-5
3x10-6
10-5
細胞内Ca2+濃度
発生張力
200 msec
61
カテコラミンの効果
発生張力
6
5
細胞内Ｃａ２＋濃度
4
6
3
5
2
4
1
3
2
1
62
心筋細胞内Ca2+濃度変化と発生張力
Tension
Ca2+
63
β1受容体刺激薬の強心作用
急性心不全には有用
ドブタミン
しかし、・・・
・心室拡張期圧の減少
・心拍出量の増加
・内因性交感神経活性亢進
・頻脈 →心不全の増悪
・DesensitizationとDown-regulation
・心筋障害 (catecholamine myopathy)
うっ血性心不全にはβ受容体遮断薬が有効
64
強心薬
β受容体作用薬
ドブタミン
イソプレテレノロール
・非選択的PDE阻害薬
ホスホジエステラーゼ
阻害薬
アミノフィリン
・選択的PDE III阻害薬
アムリノン
ミルリノン
強心配糖体
ジゴキシン
ジギトキシン
65
β作用薬とPDE阻害薬
ノルエピネフリン
ドブタミン
β1受容体
アムリノン（阻害薬）
Gs
アデニル酸
シクラーゼ
フォルスコリン
ホスホジエス
テラーゼ
cAMP
ATP
5 -AMP
Aキナーゼ
機能調節蛋白質燐酸化
L型Ca2+チャネル-P
ホスホランバン-P
Ca2+流入促進
SR-Ca2+ポンプ促進
陽性変力作用
トロポニンI-P
Ca2+感受性減少
弛緩促進作用
66
強心薬
β受容体作用薬
ドブタミン
イソプレテレノロール
・非選択的PDE阻害薬
ホスホジエステラーゼ
阻害薬
アミノフィリン
・選択的PDE III阻害薬
アムリノン
ミルリノン
強心配糖体
ジゴキシン
ジギトキシン
67
強心配糖体
基本骨格
ジギトキシン
ジゴキシン
Digitoxin
Digoxin
68
2+
心筋細胞内のCa 動態
Ca2+ Na+ Na+
K+
Na, Kポンプ
Na,Ca交換
Ca2+チャンネル
Na+
Ca2+
Ca2+
Na+
K+
Ca2+ポンプ
β１受容体
Ca2+
Ｔ管
Ca2+遊離チャネル
69
2+
心筋細胞内のCa 動態
Ca2+ Na+ Na+
ジギタリス
K+
Na, Kポンプ
Na,Ca交換
Na++
Na
Ca2+2+
Ca
Ca2+
+
Na+
Na
K++
K
β１受容体
Ca2+
Ｔ管
70
ジギタリスの効果
6
細胞内Ca2+濃度
発生張力
5
6
4
3
1
2
1
71
ジギタリスの薬理作用・副作用
心臓作用
・陽性変力作用
・活動電位持続時間の短縮
ＳＴ盆状下降、ＱＴ間隔短縮Ｔ波逆転
・カルシウム過負荷
不整脈（心室頻拍、心室細動）
・房室ブロック
その他
・消化器症状、視覚異常など
72