心肌细胞与钙离子调控

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1、心肌细胞与钙离子调控急诊周挺 心肌细胞内钙的浓度分布及时相变化等直接影响细胞收缩功能、节律变化、细胞生长及死亡。心肌细胞内游离Ca2+浓度约0.1 pmol/L,心肌收缩时,胞浆游离Ca2+浓度可达10pmol/L细胞外钙的内流 钙通道根据调控通道状态的不同,可将其主要分为三大类,即电压依赖式钙通道(VDCC)与受体操纵式钙通道(ROCC)以及容量控制式的钙通道(SOC)等等。电压依赖式钙通道又叫电压门控钙通道,其在细胞膜去极化,发生电压变化时开放,根据不同的电生理、药理学以及分子结构特点,可将其分为L,T,N,P/Q,R型。其中T型属于低电压激活钙通道,其膜电位较高,阈值低;L,N,P/Q,

2、R型属高电压激活钙通道,其阈值高,在低膜电位下游活或失活。其中在心肌细胞中,重点介绍L,T型钙通道。L-钙通道:结构:钙通道一般A1、B、A2/D亚基,孔道的形成主要是A1亚单位,每个结构域包含6个跨膜节段(s1s6),s6作为电压感受器,每隔34个氨基酸都是带正电荷的氨基酸残基,当膜电位变化时,其构象发生变化,从而开放钙通道。分布:L型钙通道广泛分布于心房及心室肌细胞膜上,尤以T型管上含量最丰富,是心肌细胞膜最主要的钙通道类型,作用过程:当心肌去极化时,膜电位的降低刺激钙通道蛋白使其结构发生变化,钙通道开放细胞Ca2+浓度内流,膜电位恢复到静息状态时,钙通道关闭。T-钙通道:结构:基本结构与

3、L-型钙通道相似,不同的是T型钙通道III域和IV域P环的谷氨酸残基为天冬氨酸所取代。与高电压激活钙通道不同,在T型钙通道A亚单位的III连接区域没有其连接位点。分布:T型钙通道主要分布在窦房结细胞和浦肯野纤维膜。作用过程:T型钙通道的开闭亦受膜电压变化的控制,T型钙通道在膜去极化较小时即开始开放,持续刺激下产生的电流短暂。膜复极化时通道关闭缓慢,产生缓慢衰减的尾电流。T型钙通道活化后产生的低阈值钙电流可引发动作电位,从而产生效应。所有哺乳动物的心脏细胞均可发现T型钙通道,因为T通道在静息电位时即可激活,而心肌起搏细胞和传导细胞都有较高密度的T通道,所以它对维持心肌组织的自律性具有重要意义。受

4、体操纵式钙通道又叫配体门控钙通道,其特点是当相应的配体与受体结合,受体构型改变,通道开放,使Ca2+通过细胞膜。配体主要有肾上腺素能A受体离子受体、肾上腺素能B受体与环核苷酸等类型。容量控制的钙通道(SOC),也称为容量控制的Ca2+内流,当Ca2+降低时,SOC开放,但是具体的信号传递通路还不清楚。主要有两种假设,一种认为在一个完整的ER蛋白和SOC之间存在生理接触;另一种假设认为ER产生一种可溶性信使蛋白,在ER内Ca2+排空时,这种蛋白扩散到质膜,激发Ca2+内流。后一假设中的信使蛋白,是细胞色素P450的产物,到目前为止,还没有确切的资料阐明SOC活化的机制。膜上的钠钙交换蛋白:NCX

5、是心肌细胞膜上的一个阳离子转运蛋白,NCX1是一非ATP依赖的双向转运蛋白,它有两种工作模式:其一是Ca2+外流模式,其二为Ca2+内流模式,细胞内钙的外流膜上的钠钙交换蛋白:NCX是心肌细胞膜上的一个阳离子转运蛋白6,包括3个亚型:NCX1、NCX2和NCX37,其中NCX1与心肌信号传导的关系最大。结构:NCX1是一个糖基化的跨膜蛋白,由970个氨基酸残基组成,分子量为110 kDa。分布:NCX1分布于鼠和豚鼠心室肌细胞的T管膜、周围肌膜以及闰盘上。作用过程:它有两种工作模式:其一是Ca2+外流模式,其二为Ca2+内流模式。NCX1的钠钙交换过程是一个连贯的或者乒乓工作机制(a cons

6、ecutive orping pongmechanism)。这里以Ca2+流出模式(细胞内钙的外流)说明其工作过程。首先NCX1在细胞外与3个Na+结合,然后通过NCX1变构将Na+转运到细胞内,接着与细胞内的1个Ca2+结合,再由NCX1变构将Ca2+转运出细胞外。在正常心肌细胞中,NCX和肌浆网钙泵(SERCA2a)在舒张期共同作用,降低胞浆内Ca2+浓度而使心肌舒张。NCX作用大小在不同动物中存在差异,在人类、兔和猫的心脏中,舒张期,约20%30%的Ca2+通过NCX转运至细胞外,而在大鼠和小鼠心肌中,NCX仅起10%的作用。质膜上的钙泵(PMCA):钙泵结构:PMCA是由至少4种基因产

7、物组成的多基因家族。PMCAI和PMCA2已经在大鼠脑细胞克隆获得。PMCAIb与Ca2+/CaM结合力很高。分布:PMCA位于胞膜的磷脂上,其活性决定于周围的磷脂类化合物。作用过程:是Ca2+单向主动转运系统,转运特点是与Ca2+亲和力高,但转运量小。它与Na+-Ca2+交换蛋白相互协同,共同维持心肌在静息状态的低钙浓度。心肌开始舒张时,胞浆内Ca2+浓度较高,主要靠Na+-Ca2+交换蛋白将Ca2+转运出细胞;随着胞浆Ca2+浓度的降低,Na+-Ca2+交换系统的作用减弱,由钙泵继续将Ca2+运出心肌。其主要受钙调素、酸性磷脂和PKA、PKC的调控活化。心肌细胞内钙的释放 心肌细胞内钙的释

8、放主要来源于肌浆网(SR)储钙的释放和少量由线粒体释放。有报道称,心肌细胞内钙浓度的升高,90%是由SR释放的。SR释Ca2+的机制 SERCA的结构、分布和作用过程:SERCA是SR中含量最丰富的蛋白,约占成熟动物SR总量的60%80%,其中SERCA2a编码的蛋白主要存在于心肌和慢速骨骼肌中。SERCA2a结构:SERCA2a蛋白是肌浆网中含量最丰富的蛋白,大部分结构朝向细胞内腔,这部分结构含有Ca2+结合位点和ATP水解点。分布:SERCA2a蛋白主要在心肌和慢速骨骼肌中表达。作用过程:目前研究认为机体具有两种调节SERCA2a功能的机制,其一SERCA2a蛋白的直接磷酸化,其二PLB对

9、SERCA2a的磷酸化。Kiss认为PLB调节SERCA2a可能存在两种方式:一种为快速短效作用,包括PLB磷酸化和SERCA2a活动的抑制;另一种为缓慢而长期的作用,涉及PLB/SERCA2a比率的变化,从而控制表达。SR调控钙离子的不同途径:SR调控钙离子分别由三磷酸肌醇(inositol triphosphate,IP3)受体系统和利罗丁受体(ryanodine,RyR)系统来进行的 细胞外刺激,如血管紧张素II(AngII)、内皮素-1(ET-1)和去甲肾上腺素等,均可经G蛋白耦联受体途径和受体酪氨酸激酶途径活化磷脂酶C,进而激活磷脂酶,水解二磷酸磷脂酰肌醇,产生二酰甘油和IP3,IP

10、3与肌浆网上IP3受体结合促进肌浆网内钙释放。IP3引起的钙释放的速度和数量均明显低于RyR介导的钙诱发的钙释放。2.而细胞外Ca2+内流及内源性环腺苷二磷酸核糖,则可作用于RyR,引起非IP3敏感Ca2+库释放。心肌细胞去极化时,膜电位的变化使细胞膜L型钙通道开放,少量Ca2+由细胞外迅速进入胞浆,使终囊局部单位时间内Ca2+浓度增加(calcium spark),这种Ca2+快速上升的速率成为肌浆网钙释放的触发剂,Ca2+与RyR上的Ca2+高亲和位点相结合,RyR开放,大量Ca2+从肌浆网内释放出来,Ca2+与肌钙蛋白结合,引起心肌收缩。细胞膜去极化后,钙内流减慢或停止,但此时胞浆Ca2

11、+浓度已很高,Ca2+又可知和RyR蛋白上的Ca2+低亲和力位点相结合,使钙释放通道关闭。线粒体释放钙离子:静息状态下,该细胞器不是贮钙部位,在细胞激动过程中也不起作用。然而,当Ca2+升高时,或者在质膜或ER膜的Ca2+通道附近区域已有很高的Ca2+,使临近的线粒体快速摄取Ca2+,产生比平均Ca2+高很多的Ca2+。当高钙区Ca2+下降后,通过反向转运通道,线粒体快速排出Ca2+,Ca2+恢复到静息水平。这种机制可以说明质膜和ER膜上Ca2+通道和线粒体之间的超微结构关系。总之,就Ca2+的信号传导作用而言,线粒体可被看作是短暂的Ca2+缓冲器,在Ca2+的释放和内流过程中延缓胞浆中Ca2

12、+扩散。细胞内钙的摄取 细胞内钙的摄取,SR也占相当的比例。有报道称,在舒张期胞浆内Ca2+浓度下降的70%75%也是由于SR摄取并储存。同时,心肌细胞内有很多可以结合钙的蛋白,如FKBP,钙蛋白酶、钙调神经磷酸酶(calcineurin),钙调蛋白(calmodulin)和早老素I等,都可以起到调节钙的作用。其中比较重要的是内质网中与Ca2+有关的分子伴侣如钙结合蛋白,肌浆网的钙泵以及肌浆网腔内含几种可溶性蛋白质,以肌集钙蛋白(calsequestrin,CSQ)为代表,此外还有钙结合蛋白和少量钙网素(calreticulin),它们与Ca2+亲合力低,但结合容量大,主要功能是与肌浆网腔内的Ca2+结合,一方面使肌浆网腔内Ca2+浓度降低,有利于钙泵的转运;另一方面将Ca2+储存起来,以便在下一次心肌收缩时。