心肌细胞钙信号和兴奋收缩耦联.ppt

《心肌细胞钙信号和兴奋收缩耦联.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《心肌细胞钙信号和兴奋收缩耦联.ppt（63页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、心肌细胞钙信号和兴奋收缩耦联,Ca2+信号（Ca2+signals）调控着细胞内许多重要的功能。短期效应如细胞电兴奋、收缩和分泌功能；长期效应如细胞转录、增殖和分化以及死亡。,第一节 细胞内钙信号概述,一、Ca2+在人体内的含量及分布,99%存在于骨骼和牙齿分布于血浆和组织细胞内的钙不到人体钙的1%细胞外：游离Ca2+浓度约12mmol/L细胞内：细胞核 50%线粒体 30，浓度为0.6 mmol/L内质网 14%，约0.28 mmoI/L质膜(外层)占5%，约0.1mmol/L,胞浆Ca2+浓度：细胞在静止(非激活)状态时，细胞溶质中仅占总钙的0.5%(结合态)或0.005%(离子态)。胞浆

2、游离Ca2+浓度约0.1 mo1/L，远低于细胞外液，亦低于肌浆网和线粒体内的Ca2+浓度。随着细胞的活动，胞浆Ca2+浓度会发生变化。,一、胞内Ca2+的来源,（一)胞外Ca2+进入胞内：电压门控通道配体门控通道（二）胞内钙库释放Ca2+Ip3介导Ryanodine受体介导胞内钙在钙库释放过程中的作用,（三）胞内钙信号的终止1.质膜Ca2+外排机制质膜Ca2+泵质膜Na+/Ca2+交换体2.胞内钙库摄取机制,二、钙信号单位及局部钙信号,由单个或成组Ca2+通道活化而引起的Ca2+释放，构成钙信号的基本单位。钙信号特征：快速升高期与缓慢恢复期。Ca2+释放通道的开放和关闭与参加数量的多少决定了

3、球形Ca2+信号的波幅。,（一）Ca2+信号基本单位的功能,1对细胞内静息钙水平的影响 胞浆内静息钙水平由Ca2+进入或排出胞浆间的基本比率决定。2局限化功能 Ca2+信号基本单位产生高浓度局限化的Ca2+爆发，执行非常特殊的信号功能。3对离子通道的影响,（二）细胞钙信号的种类/表现方式,1钙火花：是细胞内钙的自发的、局限的、非传播性增高的现象，由SR上的一簇邻近的RyR自发地释放的Ca2+所形成，反映了SR的RyR自发开放的情况。,2钙夸克：比钙火花更小的、局部的钙释放形式，它是目前发现的心肌细胞钙信号系统的最小功能性释放单位，它是由单个钙释放通道释放出的钙。钙夸克空间上的总和，构成钙火花。

4、,3钙瞬变：由心肌细胞膜上兴奋冲动到来时的电除极所诱发的瞬时性钙增高(caicium transient)，主要是由肌浆网释放的，与正常的收缩功能密切相关，是心肌细胞内正常的钙信号。它与钙波和钙火花不同，只是在兴奋-收缩耦联时出现钙瞬时性增高。,4钙波：某些情况下（如病理状态缺血或细胞内钙负荷增高等）细胞内钙在局部自发性释放增加并伴以传导的现象.其特点是在激光共聚焦显微镜下可见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(100um/s)，反映细胞对高钙负荷后的反应。,5钙振荡：细胞内钙信号的传播存在时间和空间的组合形式。始发于胞浆中某一局部的Ca2+跃升，可以一种反复瞬变的方式在

5、细胞中传递，称钙振荡(calcium osillation)。,三、钙测定,（一）整体水平上（如血清/尿钙的测定）滴定法、比色法、火焰法、离子选择电极法、活化分析法、45Ca放射性同位素示踪法、（二）细胞内钙的测定 单细胞电生理（膜片钳技术），荧光细胞钙测量，激光共聚焦扫描显微术,第二节、心肌钙转运及其调节,一、心肌细胞膜的钙转运系统 钙通道：Na+/Ca2+交换体和钙泵，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。,（一）钙通道,L型钙通道广泛分布于心肌细胞膜上，T管上含量最为丰富，是心肌细胞膜的主要钙通道类型。L型钙通道的开闭主要受膜电位变化的影响，是电压依赖性

6、钙通道，激活电位-40-30mV，失活电位-20mV。,慢钙通道：L型钙通道开放后持续的时间长较长，激活占时2030ms，失活更慢（100300ms）。可与双氢吡啶特异性结合，也叫双氢吡啶受体（DHPR）。是Ca2+内流的单向转运系统，由L型钙通道内流的Ca2+通过CICR机制诱导肌浆网的钙释放，对兴奋-收缩耦联起重要的调节作用。（瞬间局部可达到100mol/L)。,2.T型钙通道 T型钙通道主要分布在窦房结细胞和蒲肯野纤维膜，其开闭也受膜电位变化的影响。在较低水平的去极化就可激活，失活迅速，为快钙通道。钳制电位在-50mV时就失活。与起搏功能有关。,（二）Na+/Ca2+交换体（NCX）,是

7、钙离子的双向转运系统转运特点：与Ca2+亲和力低但转运量大。转运方式：通过钙外排模式促进心肌的舒张，通过钙内流模式促进心肌收缩。,决定交换方向的主要是膜两侧Na+浓度、Ca2+浓度和膜电位：当EmENCX时，钙内流模式（AP最初1-3ms、药物作用及病理情况下）。,（三）细胞膜钙泵,是Ca2+的单向主动转运系统，在Ca2+和Mg2+存在下水解ATP，耗能主动将胞浆内Ca2+转运出细胞。与Na+/Ca2+交换体相比,Ca2+泵与Ca2+亲和力高，但转运量小。,（1）心肌开始舒张时，胞浆钙浓度较高,这时主要靠亲和力低、转运量大的Na+/Ca2+交换体将胞浆内Ca2+转运到细胞外；（2）随着胞浆Ca

8、2+浓度的降低，Na+/Ca2+交换体的作用减弱，而与Ca2+亲和力高的钙泵继续将胞浆内Ca2+转运出心肌，使胞浆游离钙恢复到0.1mol/L的水平。,二、心肌肌浆网的钙转运系统,肌浆网通过调节胞浆游离Ca2+在心肌舒缩活动中起关键性调控作用。许多心脏疾患正是由于肌浆网功能的改变而导致心肌兴奋-收缩耦联障碍。,（一）钙释放通道,受体门控离子通道。包括RyR和IP3R。1.RyR可与ryanodine特异性结合。Ryanodine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，将钙释放通道固定于开放状态，促进Ca2+的流出；而在高浓度mol/L时，则与通道蛋白上的低亲和

9、力位点相结合，使钙释放通道关闭。,2.三磷酸肌醇（IP3）受体,IP3受体介导平滑肌与非肌肉组织的钙释放。IP3受体位于肌浆网（内质网）膜，由IP3调节其功能。其信号转导途径由G蛋白偶联受体或受体酪氨酸蛋白激酶激活。,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。,（二）肌浆网钙泵,心肌的舒张则需要将Ca2+逆浓度差摄取回肌浆网，由肌浆网上的钙泵（Ca2+-ATP酶）耗能完成。肌浆网钙泵分布于肌浆网L-SR纵行肌浆网和J-SR的非连接面。有3个基因编码5种亚型,肌浆网钙泵活性的调节：心肌钙泵受一个可磷酸化蛋白质-受磷蛋白的调节。

10、非磷酸化的受磷蛋白与钙泵蛋白结合，抑制钙泵与Ca2+的亲和力，降低ATP酶的活性；受磷蛋白被磷酸化后可解除对SRCa2+泵的抑制而使Ca2+泵活动增强。,（三）肌浆网腔内钙结合蛋白,SR内的钙结合蛋白能与摄入SR内的Ca2+结合使之贮存在SR腔内，增加SR内的Ca2+贮量并避免形成磷酸钙沉淀，对SR快速摄取胞质Ca2+起重要作用。,钙扣压素（集钙蛋白,calsequestrin）含量最高。钙扣压素主要存在于JSR，当SR上的RyR开放时，与钙扣压素结合的Ca2+迅速释放入胞质。,三、线粒体的钙转运系统,将胞浆钙转运入线粒体的是钙泵、钙单向输送体(uniporter)和Ca2+-HPO4-同向转

11、运体(symporter)；将线粒体内钙转运到胞浆的是Ca2+-2H+交换或Ca2+-2Na+交换系统。,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，线粒体不参与生理状态下心肌兴奋-收缩耦联的调节。但当心肌细胞发生钙超载时，因线粒体的钙容量大，其对钙转运的调节对缓解钙聚集就具有代偿意义。,第三节 心肌细胞钙信号,一、钙火花和钙夸克兴奋-收缩耦的基本功能单位 钙火花是静息时的钙火花，由SR上的一簇邻近的RyR自发地释放的Ca2+所形成，反映了SR的RyR自发开放的情况。钙火花也可通过电除极时由DHPR内流的Ca2+诱发SR的Ca2+释放而形成。,与静息时的散在钙火花相比，

12、经钙通道离子流诱发的钙火花密度要大的多。钙火花在胞质内发生时间和空间总和，形成瞬时性Ca2+增高，即钙瞬变（caicium transient），继而引起心肌细胞的收缩。因此钙火花和钙夸克是兴奋-收缩耦的基本功能单位。,钙火花在探索心肌疾病的病因与病理方面的意义,在病理高钙条件下，钙火花频度增高，更亮更大。单个钙火花可触发毗邻的钙释放和钙火花；最终形成自传导性的“钙波（calcium wave）”，引起细胞膜去极化乃至产生自发动作电位，干扰正常的起搏节律，是心脏心律失常的重要诱因之一。,在心衰心肌细胞中等量的L-型钙电流只能引发正常数目1/2-1/3的钙火花，而钙火花本身及其它兴奋收缩耦联的参

13、量均未改变。钙瞬变及细胞收缩幅度均大为下降。,在血管平滑肌，钙火花则引起血管平滑肌的松弛。其机制为钙火花通过激活邻近质膜上10100个钙敏感性钾通道(KCa)，引起自发一过性外向电流STOCs，使平滑肌细胞膜电位超级化，电压依赖的L-型Ca2+通道关闭，减少Ca2+内流，舒张。,肌浆网上的RyR通过KCa通道来影响动脉平滑肌细胞膜电位和小动脉直径。钙火花-KCa途径是一个张力负反馈机制。兰尼定或胡萝卜素抑制钙火花（抑制RyRs），或用iberiotoxin抑制KCa通道则引起膜电位的去极化，使动脉壁Ca2+增加，脑动脉收缩。,二、钙波心肌静息状态下细胞内钙水平可传播性的增加,钙波：指某些情况下

14、（如病理状态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导的现象。特点：在激光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（100m/s）。,反映细胞对高钙负荷后的反应。钙波与在正常兴奋-收缩耦联时的钙释放不同，钙波的传播不受膜上钙通道离子流的控制，一旦发生，就会传播到整个细胞。,三、钙瞬变,发生于心脏兴奋收缩耦联时的全细胞性钙瞬时性增高。钙瞬变（caicium transient）是由心肌细胞膜上兴奋到来时膜去极化诱发的瞬时性钙增高，主要由肌浆网释放，与正常的收缩功能密切相关，是心肌细胞内正常的钙信号。,与钙波和钙火花不同，只是在兴奋-

15、收缩耦联时出现钙瞬时性增高。传统的细胞钙瞬变是由于钙火花在时间及空间随机触发并叠加的结果。除了最初几秒外，几乎是全细胞内均一性的钙增高。,在心肌肥大和心力衰竭的动物模型上，可观察到心脏肌质浆释放钙的特征发生改变。此类细胞膜上钙通道触发钙从肌浆网上释放的能力降低，使得钙瞬变的幅度下降，从而导致肥大心肌细胞的收缩能力下降。,第四节 心肌细胞的兴奋收缩耦联及变力性调节,一、心肌细胞的兴奋-收缩耦联（一）兴奋-收缩耦联的基本过程1.肌膜上的动作电位沿肌膜和由T管膜传播，激活肌膜和T管膜上的L型钙通道；2.胞浆内的Ca2+浓度升高：3.肌钙蛋白与Ca2+结合引发肌肉收缩4.胞浆中Ca2+浓度降低，肌肉舒

16、张。,（二）SR Ca2+释放机制CICR 心肌细胞除极时，膜电位的变化使肌膜和T管膜上的DHPR开放，少量Ca2+入胞，肌膜或T管膜与JSR之间的局部Ca2+浓度增加。触发SR释放Ca2+。Ca2+与RyR上的高亲和位点相结合，RyR开放，SR大量释放Ca2+，胞质游离Ca2+浓度上升，+与肌钙蛋白结合引起心肌收缩。胞质Ca2+浓度升高后，Ca2+又可和RyR蛋白上的低亲和力位点相结合，使钙释放通道关闭。,（三）心脏兴奋-收缩耦联的局部控制学说每个钙释放单位的活动（发生钙火花）是独立的，只受自身DHPR（双氢吡啶受体）的控制，不会波及或影响周围其它单位的活动。,（四）兴奋-收缩耦联过程中心肌

17、细胞内钙稳态的维持（钙周期）,1胞质Ca2+浓度的升高细胞膜Ca2+通道 约占10-20细胞膜NCX 少量SR Ca2+释放通道 80-90%,2胞质Ca2+浓度的降低/恢复SR的Ca2+摄取 80-90%细胞膜NCX 10-20质膜Ca2+泵线粒体钙单向输送体,二、心肌变力性的调节和影响因素,心肌变力性也称心肌收缩能力是指内在的收缩特性，与前后负荷无关。许多因素可通过激活离子通道或触发信号转导过程等多种机制来调节（影响）心肌变力性以适应机体的需要。,（一）张力-频率关系大多数哺乳动物心室肌，在高于生理驱动频率范围后，随收缩频率增加，收缩力也增加（正性阶梯现象）。同时测定细胞内Ca2+浓度，可

18、发现刺激频率增加时钙瞬变幅度也明显增加。,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DHPR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Na+/Ca2+交换机制使细胞内Ca2+水平升高。,在人和实验动物，心肌随心衰程度的加重，由于SR Ca2+转运功能障碍，正性阶梯现象消失或逆转为负性阶梯现象。,（二）通过cAMP的机制,交感-肾上腺系统在应急条件下，提供了心肌收缩能力调节的易化机制。拟交感神经胺对位于心肌细胞膜外表面的1受体的刺激通过激动性G蛋白（Gs）活化腺苷酸环化酶（AC）的催化亚单位，引

19、起心肌内cAPM水平升高。,cAMP是通过激活cAMP依赖性蛋白激酶使功能蛋白磷酸化来发挥作用的。PKA磷酸化的心肌功能蛋白有L-型钙通道蛋白、受磷蛋白、肌钙蛋白I、肌钙蛋白C、RyR和肌球蛋白轻链（MLC）。,主要作用 1）使DHPR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。上述两种作用可增加钙瞬变的幅度，有助于提高收缩功能,3）受磷蛋白的磷酸化解除其对SR钙泵的抑制；提高SR钙泵摄取Ca2+的速率。4）肌钙蛋白C的磷酸化导致其对Ca2+的敏感性下降。上述两种作用可加速钙瞬变降支的速率，称为正性松弛效应，可提高心肌的舒张功能。,（三）增加细胞内Ca2+（

20、四）激动反向Na/Ca交换（五）增加细胞内Na+（六）Ca2+敏感性的调节,第五节 钙调节紊乱与心血管疾病,一、心力衰竭心力衰竭是指心肌的舒缩功能障碍而导致泵血功能降低，其发病机制与心肌钙转运失常密切相关。心力衰竭动物和患者心肌细胞内Ca2+的周期性变化异常，,（一）肌浆网钙转运功能障碍,1.肌浆网钙释放功能的改变 L型钙通道异常，钙内流减少，肌浆网钙释放减少晚期心力衰竭患者心脏RyR2mRNA和蛋白表达量均降低，肌浆网钙释放不足，心肌收缩力降低。晚期心力衰竭患者IP3受体mRNA升高，衰竭心脏增加对激素调节敏感性,2.肌浆网钙摄取减少 在轻度损伤的心肌，肌浆网钙泵的功能可代偿性升高，而随着心

21、肌损伤的加重，钙泵功能逐步降低。肌浆网钙泵功能的降低往往与左心室射血功能抑制呈正相关。肌浆网摄钙异常是心力衰竭时心肌舒缩功能障碍的主要原因。,（二）肌膜钙转运功能障碍,1钙内流障碍 心力衰竭时钙内流减少的机制是：（1）钙通道数量减少：（2）钙通道开放减少：2钙外排障碍,二、心肌缺血-再灌注损伤,1.Na+-Ca2+交换蛋白的过度激活（1）缺血期ATP含量减少，Na+-K+-ATP酶抑制，使细胞内Na+浓度升高。再灌注使缺血细胞重新获得氧和营养物质的供应，细胞内Na+升高迅速激活胞膜Na+-Ca2+交换蛋白，以加速Na+外运，同时使大量Ca2+内流。,（2）缺血期酸中毒使细胞内H+浓度升高，激活Na+-H+交换蛋白，将H+外运，Na+内移。细胞内Na+浓度增加进一步激活Na+-Ca2+交换蛋白。（3）儿茶酚胺释放增加，激活PKC促进Na+-Ca2+交换蛋白磷酸化，增加Ca2+内流。,2.细胞膜通透性增加自由基和激活的磷脂酶破坏细胞膜磷脂，膜的通透性增加而流动性降低，细胞外Ca2+顺浓度差大量流人细胞，胞浆Ca2+浓度升高。心肌肌浆网钙泵功能受抑制，促进钙超载发生和发展。造成心肌损伤。,