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1、1,心肌钙转运和钙信号,山西医科大学生理教研室 封启龙,2008硕士学位课程循环生理,2,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。,3,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
2、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,4,5,胞外 1-2 mM,胞浆 0.1M,0.6 mM,0.28 mM,细胞核 50 ,钙的不均衡分布,6,心肌细胞膜的钙转运系统,心肌肌浆网的钙转运系统,线粒体的钙转运系统,7,L-型钙通道 （ICaL） large-conduction and long lasting cuttent T-型钙通道 （ICaT） tiny con
3、duction and transient current N-型钙通道 （ICaN） non-longlasting 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,8,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,9,双氢吡啶类 (dihydropyridine,DHP) 硝苯
4、地平 尼群地平 DHPR?,地尔硫卓类 (benzothiazepines,BTZ) 地尔硫卓 克伦硫卓,苯烷胺类 ( phenylakylamine,PAA) 维拉帕米 加洛帕米,10,2.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：Ni2,mibefradil（咪贝地尔）,11,（二）Na+/Ca2+交换体,3种类型：NCX1、NCX2和NCX3，氨基酸序列同源性 达70,1. 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
5、,NCX 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.）,12,13,（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 -51mV,ENa/Ca = 3ENa - 2ECa,14,（3）转运模式,3,3,正
6、向/前向Na/Ca交换,（钙外排模式）,反向Na/Ca交换,（钙内流模式）,15,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，钙外排：,当EmENCX时，钙内流：,16,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,17,反向钠-钙交换与心肌 ECC,18,反向Na/Ca交换与心肌变力性,19,4.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（endothe
7、lin）, 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,H,Na,Ca,Na,Na,Ca,20,（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,21,（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：
8、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 channel,22,23,24,1. RyR （ Ryanodine Receptor ） 可与ryanodine特异性结合而得名。ryanodine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
9、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,25,Isoforms of RyR,26,2.三磷酸肌醇（IP3）受体 在平滑肌与非肌肉组织，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,27,（二）肌浆网钙泵 （Ca2+-ATP酶） 肌浆网钙泵是心
10、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 SERCA1a在成年骨骼肌表达 SERCA1b在新生儿骨骼肌表达,28, 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。,29, 肌浆网钙泵活性的调节受磷蛋白 （phospholamban, PL
11、B）,30, 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 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）,31,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 hi
12、stidine rich Ca2+ binding protein、sarcalumenin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。,32,（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，
13、钙摄取速率又非常缓慢，因而人们认为线粒体不参与生理状态下心肌兴奋-收缩耦联的调节。,33,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%,34,2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）,35,小结,36,（一）张力-频率关系 正性阶梯现象产生原因: 1）增加了单位时
14、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。,37,（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 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
15、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。,38,3）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、组胺等,39,（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。,40,（五）增加细胞内
