研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E

1、心肌钙转运和钙信号2008硕士学位课程循环生理1研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E是最简单也是最复杂的细胞信使。Ca2+？ Ca2+作为一种重要的细胞内第二信使，携带许多重要的调节信息（钙信号 Ca2+ signals），调控着细胞内许多重要的生理和病理过程。 钙信号作用原理： 与效应蛋白的结合和解离，以及在不同细胞器之间的运动 跨膜移动产生电流（电信号）来实现其对生物学过程的调控。 我们的目的就是要阐明简单的钙离子如何有序地精细调节一个细胞内各种不同的，甚至是相反的生理过程。肌肉收缩腺体分泌递质释放 快速效应受精基因转录、表达细胞发育、增殖、分化、凋亡、死亡 长期效应2研究生循环生理2心肌细

2、胞钙信号和E第一节 心肌钙转运及其调节有两套独立的肌管系统横管（transverse tubule）或T管纵管/肌浆网（sarcoplasmic reticulum，SR）走行方向与肌原纤维平行肌管系统： 纵行肌浆网（LSR、FSR） 在肌原纤维周围的SR。钙泵连接肌浆网（JSR） SR的末端膨大或呈扁平状，与T管膜毗邻，上有钙释放通道。一、心肌细胞钙转运蛋白3研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E4研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E胞外 1-2 mM胞浆 0.1M0.6 mM0.28 mM细胞核 50 钙的不均衡分布 5研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E心肌细胞膜的钙转运系统心肌肌浆网的钙转运系

3、统线粒体的钙转运系统 心肌细胞膜含有3种跨膜钙转运系统： 钙通道（ Ca2+ channel） Na+/ Ca2+交换体(Na+/ Ca2+exchanger) 钙泵(Ca2+ pump, 又称Ca2+-ATP酶) 三者互相协调，共同维持心肌细胞膜对钙转运的 稳定，使胞内Ca2+受到精密调控。6研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E L-型钙通道 （ICaL） large-conduction and long lasting cuttent T-型钙通道 （ICaT） tiny conduction and transient current N-型钙通道 （ICaN） non-longlast

4、ing and no transient current P型-钙通道 （ICaP） 小脑Purkinje细胞 Q型-钙通道 （ICaQ） 神经细胞 R型-钙通道 （ICaR） 神经细胞（一）钙通道7研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 阈电位：-40- -30mV 慢通道：激活慢（2030ms）, 失活更慢（100300ms）， 开放持续时间长 long lasting current 离子选择性差：Ca2，Na+，Ba2 阻断剂1.L型钙通道8研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 双氢吡啶类 (dihydropyridine,DHP) 硝苯地平 尼群地平 DHPR? 地尔硫卓类 (benzot

5、hiazepines,BTZ) 地尔硫卓 克伦硫卓 苯烷胺类 ( phenylakylamine,PAA) 维拉帕米 加洛帕米9研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E2.T型Ca2通道 主要分布在窦房结细胞和蒲肯野纤维膜。 特点去极化至-50mV时开放低电导 tiny conductance（5-8pS）失活快 transient阻断剂：Ni2mibefradil（咪贝地尔）10研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（二）Na+/Ca2+交换体 3种类型：NCX1、NCX2和NCX3，氨基酸序列同源性 达701. 分子结构 NCX1在心脏, 脑等许多组织表达 NCX2、NCX3只在少数组织表达 NCX

6、 含有2个重复序列：1和2, 各包括40个氨 基酸，与离子转运密切相关 1968发现，1990 clone（938aa.）11研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E12研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（1）Na/Ca 交换的化学计量学 3 Na+ 1Ca2+2. 特性反转电位取决于 Na+|o 、Ca2+o 、Na+i、Ca+i（2）Na/Ca 交换的反转电位生电性，电流方向与Na+ 移动的方向一致。 如Na+|o 140mM Ca2+o2mM Na+i 6mM Ca+i0.1M ENa/Ca -12mV 当Na+i由6mM 增加至10mM ENa/Ca -51mVENa/Ca = 3ENa -

7、 2ECa13研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（3）转运模式33正向/前向Na/Ca交换（钙外排模式）反向Na/Ca交换（钙内流模式）14研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 决定Na/Ca交换方向 的主要是膜两侧 Na+浓度、Ca2+浓度和膜电位： AP最初1-3ms 病理情况、药物作用 使Nai 静息状态 AP大部分时间当EmENCX时，钙内流：15研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E外排Ca2+（前向交换）参与兴奋-收缩耦联（反向交换）与钙超载的关系3.功能16研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E反向钠-钙交换与心肌 ECC17研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E反向Na/Ca交换与心肌变力性

8、18研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E4.阻断剂和激动剂 阻断剂 KB-R7943，主要阻断反向Na+/Ca2+交换,阻断钙 超载 尚无特异性的，非特异性的有ET（endothelin）, AngII，E-4031，受体激动剂等。 应用：减轻缺血-再灌注损伤（心、脑、肾） 预防洋地黄中毒 激动剂 HNaCaNaNaCa19研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E （三）细胞膜钙泵 Ca2+泵是Ca2+的单向主动转运系统，在Mg2+ 存在下水解ATP，将胞浆内Ca2+转运出细胞。与NCX相比, Ca2+泵与Ca2+亲和力高，但转运量小。 肌浆网作为钙库在心肌电和机械活动中起关键作用，其功能改变可导致心

9、肌兴奋-收缩耦联障碍及心律失常。 心肌肌浆网的钙转运系统20研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（一）钙释放通道 两种类型：RyR, IP3R 两个受体家族在结构上和功能上具有较多相似性，因此推测它们由共同的祖先进化而来。 C末端：为跨膜区域，构成功能性孔道。 N末端：形成球状头，投射到胞质，同各种开启 和关闭通道的信号相结合。calcium release channel21研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E22研究生循环生理2心肌细胞钙信号和ESR23研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E1. RyR （ Ryanodine Receptor ） 可与ryanodine特异性结合而得名。ryan

10、odine是从植物中提取出来的一种生物碱，对肌浆网有双重作用：在低浓度（nmol/L）与释放通道蛋白的高亲和位点相结合，钙释放通道开放， Ca2+释放。在高浓度（mol/L）时，则与通道蛋白上的低亲和力位点相结合，使钙释放通道关闭。在骨骼肌和心肌，RyR是主要的细胞内钙释放通道。 此外，Ca2+、咖啡因、ATP及其非水解性衍生物、蒽醌类化合物（如阿霉素）、Na+和K+等因素都可刺激RyR的开放；普鲁卡因、钌红和钙调素等则可抑制RyR的钙释放24研究生循环生理2心肌细胞钙信号和EIsoforms of RyR25研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E2.三磷酸肌醇（IP3）受体 在平滑肌与非肌肉组织

11、，钙释放主要由IP3受体 来完成。 IP3受体有三种亚型：IP3R1、IP3R2和IP3R3。 心肌细胞已发现有IP3R 的mRNA和蛋白质的表 达，但含量明显低于RyR2。 虽然心肌细胞内主要的钙释放途径是RyR2，但激素调节心肌的收缩性则主要是通过IP3受体介导的细胞内钙释放进行的。高浓度受体激动剂内皮素26研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（二）肌浆网钙泵 （Ca2+-ATP酶） 肌浆网钙泵是心肌肌浆网膜上的主要蛋白质，约占肌浆网膜蛋白总量的4050%，分布于LSR（纵行肌浆网）和JSR的非连接面。有3个基因编码5种亚型。 SERCA1：位于人16号染色体上，编码骨骼肌钙泵，其中 SER

12、CA1a在成年骨骼肌表达 SERCA1b在新生儿骨骼肌表达27研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E SERCA2：位于人12号染色体上，其中 SERCA2a心肌 SERCA2b在平滑肌和非肌肉组织的内质网表达 SERCA3：编码在肌肉和非肌肉组织表达的钙 泵，许多组织如心、脑、肺、肝、肾、子宫、小 肠、胰、睾丸和血小板等都可检测到低水平 SERCA3的表达。 28研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 肌浆网钙泵活性的调节受磷蛋白 （phospholamban, PLB）29研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 非磷酸化的受磷蛋白：与钙泵结合，抑制其活性。 通过蛋白之间的相互作用，降低钙泵与Ca2+的

13、 亲和力。 磷酸化的受磷蛋白：与钙泵解离，消除抑制作用。 使钙泵与Ca的亲和力增高，转运速率加快。 PKA、Ca-CaM(钙调素)依赖性蛋白激酶、PKC和PKG可使 受磷蛋白磷酸化。 肌浆网钙泵活性的调节受磷蛋白 （phospholamban, PLB）30研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 以钙扣压素（集钙蛋白 calsequestrin）含量最高，主 要存在于JSR。心肌钙扣压素由391个氨基酸残基组 成，其结构上的主要特征是28%的氨基酸残基是酸性氨 基酸。 （三）肌浆网腔内钙结合蛋白此外，肌浆网腔内还含有 histidine rich Ca2+ binding protein、sarc

14、alumenin和少量 calreticulin意义：1）钙结合蛋白与钙结合可使SR内游离Ca浓度降低，有利于钙泵转运和贮存Ca 2）当SR上的RyR开放时，与钙扣压素结合的Ca2+迅速解离并释放入胞质 特点：1）高结合容量 2）低亲和力。31研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E （一） 将胞浆钙转运入线粒体 钙泵 钙单向输送体（uniporter） Ca2+-HPO42- 同向转运体（symporter） （二）将线粒体内钙转运到胞浆 Ca2+-2H+交换 Ca2+-2Na+交换线粒体的钙转运系统 在生理状态下，线粒体钙泵与Ca2+亲和力非常低，钙摄取速率又非常缓慢，因而人们认为线粒体不参与生

15、理状态下心肌兴奋-收缩耦联的调节。32研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 在ECC过程中，钙瞬变是由肌膜和SR膜上的许多Ca2+转运蛋白完成的。 1胞质Ca2+浓度的升高二、心肌兴奋收缩耦联过程中的钙转运（1）L型Ca2+通道 约占10%20（2）细胞膜NCX 少量（3）SR Ca2+释放通道 8090%33研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E2胞质Ca2+浓度的降低/恢复(1) SR的Ca2+摄取 7090%(2) 细胞膜NCX 10%30(3) 质膜Ca2+泵(4) 线粒体钙单向转运体 （uniporter）34研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E小结 35研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（

16、一）张力-频率关系 正性阶梯现象产生原因: 1）增加了单位时间内动作电位平台期的总长度，使通过 LCC 内流的Ca2+增多，SR Ca2+ load增大。 2）除极引起的快Na+通道激活次数的增加使细胞内Na+水 平升高，Na+水平升高又通过NCX 使细胞内Ca2+水平 升高。（心肌钙转运的调节）三、心肌收缩能力的调节 指肌肉内在的收缩特性。许多因素如神经递质、激素、药物等直接或间接通过调节心肌钙转运来实现对心肌收缩能力的调节。36研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（二）通过cAMP的机制 1. cAMP提高心肌变力性的机制 cAMP是通过激活PKA来发挥作用的。被PKA磷酸化的心肌功能蛋白有

17、 LCC、RyR、PLB、TnC。其主要作用包括：1）使LCC的1和亚单位磷酸化来增加钙通道的开放概率。2）使RyR磷酸化，增加RyR的开放。 1）2）作用可增加钙瞬变的幅度，有助于提高收缩功能。 37研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E3）PLB的磷酸化解除了它对SR钙泵的抑制，提高了 SR钙泵摄取Ca2+的速率。4）TnC的磷酸化导致其对Ca2+的敏感性下降。 3）4）作用可加速钙瞬变降支的速率，称为正性松弛效应（positive lusitropism),可提高心肌的舒张功能. 2.提高cAMP水平的途径：（1）激活AC 交感-肾上腺髓质系统、雨蛙素、胰高血糖素、前列腺素E、霍乱毒素、组胺

18、等38研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（2）抑制PDE 异丁甲基黄嘌呤、茶碱、氨力农、米力农等（3）cAMP的亲脂性衍生物 二丁基-cAMP，8-溴-苄基-cAMP，8-溴-cAMP等（三）增加细胞内Ca2+ BAYK8644、YC-170、H160/51、 BAYy5959等LCC激动剂直接与1亚单位结合，使钙通道开放概率增加。但这类药物大多伴有外周血管收缩，也使冠脉血管收缩，因此限制了其作为治疗心衰药物的临床应用。 39研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E（五）增加细胞内Na+ 洋地黄类药物 钠通道激动剂，如藜芦碱、BDF9148等（六）钙增敏剂 Ca2+敏感性的调节 增加收缩蛋白对Ca2

19、+的敏感性来发挥作用，这类强心剂也称为钙增敏剂。 （四）激动反向Na/Ca交换 Ang、内皮素、1受体激动剂、E-4031等40研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E第二节 心肌细胞钙信号 多学科尖端技术的运用，包括膜片钳技术、钙测定技术（钙荧光探针）、激光共聚焦扫描技术、数字图像处理及计算机和数学模型的运用，结合分子生物学方法，使人们在心肌细胞钙信号方面的研究取得很大进展。 在心肌细胞内可以观察到钙夸克、钙火花、钙波以及由心肌细胞膜去极化诱发的钙瞬变等几种形式的心肌细胞内钙变化。 41研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E一、钙火花兴奋-收缩耦联的基本功能单位calcium spark1993年Sc

20、ience42研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E后来发现同类钙火花不仅见之于可兴奋组织（如心肌、骨骼肌、平滑肌、神经元），也见于非兴奋性组织和细胞，如神经胶质细胞、Xenopus occytes、植物根毛生长锥中的细胞。 Sparkology43研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 指一组成簇存在于内质网 / 肌浆网上的钙释放通道，可以是 RyR 或 IP3R或二者的混合体，在功能方面，包括Ca2+释放通道、通道复合体上的分子伴侣以及释放通道所在的内质网 /肌浆网。 单个CRU局部钙释放事件的光学记录，也叫“局部钙瞬变”。一般不考虑其来源及细胞种类。钙释放单元(CRU)钙火花 calcium s

21、park44研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E1.自发钙火花 Spontaneous Sparks（静息钙火花）（1）形态特点 心肌细胞静息时，在很低的钙信号背景中会突然随机出现局部荧光信号的增强并快速消失：10ms内陡升一倍，然后在20ms内消失；直径大小约2m，体积约8fL。45研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E钙夸克（calcium quark）, 它是由单个RyR释放出的Ca2+ 形成的。钙夸克空间上的总和构成了钙火花。 当肌浆网腔内钙浓度达到一定阈值时就会引发SR RyRs开放增加，钙火花的幅度和发生频率均增大，易于激活邻近的CRU形成“复合型钙火花”，甚至产生钙波 钙超载情况下的自

22、发钙火花（2）产生机制 由SR上的一簇邻近的RyR自发地释放的Ca2+所形成，反映心脏舒张期胞内钙浓度约100nM时SR RyR2的正常开放。机制：“超载引发的钙释放SOICR” Store overload-induced Ca2+ release, 46研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 膜去极化时由LCC内流的Ca2+诱发SR RyR2释放Ca2+形成。2.诱发钙火花 Evoked Sparks47研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 单个诱发钙火花要么不产生（用Ba 代替胞外Ca；阻断LCC；或将电压升高至LCC反转电位以上）；一旦发生，其时程、幅度和空间范围只决定于CRU中RyR的状态

23、和SR中Ca2+浓度，而与触发方式、强度无关。单个诱发钙火花具有“全或无”的特征。实验证据：1）单个诱发钙火花与自发在形态学特征上无法区别 2）膜电位在一定范围（-50-+30mV）内改变时，单个诱发钙火花特性并无明显改变3）FPL64176（增加LCC平均开放时间）并不影响钙火花的幅度和时程。48研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E平滑肌细胞和骨骼肌细胞的钙火花：在骨骼肌单纤维中，另一亚型的钙释放通道（RyR1 型）的开放也产生火花。在血管平滑肌，钙火花则引起血管平滑肌的松弛。最 早是在大脑血管平滑肌发现的。机制：钙火花能激活邻近质膜上10100个KCa，引起自发一过性外向电流（spontan

24、eous transient outward currents,STOCs），使平滑肌细胞膜电位超级化，减少Ca2+内流，从而产生舒张作用。Science 270: 633637, 1995.NELSON MT, CHENG H, RUBART M, SANTANA LF, BONEV AD, KNOT HJ, AND LEDERER WJ. Relaxation of arterial smooth muscle by calcium sparks. 49研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 在钙火花发生过程 中，常伴有ER/SR内 钙局部清空现象。 钙火花和钙空穴是同 一事件分别在胞浆和 E

25、R/SR上观察到的不 同表象，因此钙空穴 也叫做“skraps”钙空穴 Ca2+ blink50研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E形态特点 在共聚焦显微镜下可见心肌细胞内钙在某个区域瞬时性增高，并以很快的速度在细胞内传播（100 m/s），反映了细胞对高钙负荷后的反应。二、钙波（calcium wave） 心肌静息状态下细胞内钙水平可传播性的增加 指某些情况下（如缺血或细胞内钙负荷增高等）心肌细胞内钙在局部自发性释放增加并伴以传播的现象。产生机制 钙波来自于病理性高钙条件下钙从肌质网中的自发性释放。在高钙条件下，自发钙火花频度增高，更亮更大，且单个钙火花可触发毗邻的钙释放和钙火花，这一连锁式的反应最终形成自传导性的“钙波。51研究生循环生理2心肌细胞钙信号和ECa2+ SparkletCa2+ SparkCa2+ Wave52研究生循环生理2心肌细胞钙信号和E 钙波与在正常兴奋-收缩耦联时的钙释放不