IntracellularCa2+SignalingDepartmentofPhysiologyBengbumedicalcollegeIntracellularCa2+Signaling1血Ca2+濃度與Ca2+的轉運血漿Ca2+濃度正常維持在8.5-11.1mg％之間，其中46％與血漿蛋白特別是白蛋白結合，47.5％為游離鈣(Ca2+)，僅有6.5％的鈣以磷酸鈣、檸檬酸鈣、重碳酸鈣、酒石酸鈣、棕櫚酸鈣等復合物形式存在。血Ca2+濃度與Ca2+的轉運血漿Ca2+濃度2歷史回顧1883年,Ringer(英)發現Ca2+是維持心跳的必要條件;1953年,Heillbrunn(美)和Kamada(日)用電生理技術提出Ca影響細胞的功能;1970年,張槐耀發現鈣調蛋白(Calmodulin);1978年,Neher和Sakmann建立了膜片鉗技術,使單通道電流記錄成為現實;1985年,Tsien(美)合成了Fura-2熒光探針;可監測胞漿游離Ca的瞬間變化;歷史回顧1883年,Ringer(英)發現Ca2+是維持心跳3為什麼選擇Ca2+作為第二信使？Why?SocellscanraisetheirinternalCa2+quickly,andthendecreaseitquickly.Thus,canuseCa2+asanintracellularsignallingmessenger,whileavoidingtoxiceffects.Why?Socellscanraisetheir4一、Ca2+成為胞內信使的基礎Ca2+胞內外或胞質與胞內鈣庫的濃度差細胞外鈣：10000倍于細胞內游離鈣。

[Ca2+]o=1~10mmol/l=10-3~10-2mol/l細胞內鈣：游離鈣：

0.1%[Ca2+]i=100nmol/l=10-7mol/l

儲備鈣：99.9%

與蛋白質或小分子量的有機配體結合大部分儲存于鈣庫(內質網，肌質網）一、Ca2+成為胞內信使的基礎Ca2+胞內外或胞質與胞內鈣庫5細胞內總鈣濃度約為lmmol／L50％存在于細胞核線粒體占30％，濃度為0.6mmol／L內質網占14％，約0.28mmoI／L質膜(外層)占5％，約0.1mmol／L而細胞溶質中僅占總鈣的0.5％(結合態)或0.005％(離子態)胞內鈣的分布細胞內總鈣濃度約為lmmol／L胞內鈣的分布6BerridgeMJetal.,Nature.1998;395:645-648.

Ca2+–alifeanddeathsignalBerridgeMJetal.,Nature.197參與神經肌肉的反應過程;鎮靜作用：缺鈣可引起神經的興奮性增高;調節細胞功能，激活蛋白激酶，促進蛋白質磷酸化;促進內、外分泌腺的分泌，神經遞質的釋放;血液凝固;維持細胞膜的通透性及完整性;參與免疫反應。Ca2+的生理功能參與神經肌肉的反應過程;Ca2+的生理功能8Calciuminmuscle:ICa的生理作用Calciuminmuscle:ICa的生理作用9Calciumin

phototransductionCalciumin

phototransduction10CalciumintastereceptorsCalciumintastereceptors11Calciumandsynapses:ICalciumandsynapses:I12Calciumandsynapses:IICalciumandsynapses:II13鈣與信號傳導課件14鈣與信號傳導課件15內皮舒張因子（EDRF）≈NO：內皮舒張因子（EDRF）≈NO：16鈣與信號傳導課件17FundamentalrolesofCa2+innervecellsChargecarrier membranepotentialCellmotility

axonalguidanceSecretion neurotransmitterreleaseRegulationofgeneexpression differentiation,synapticplasticityNeuronalviability apoptosisFundamentalrolesofCa2+inn18

--是刺激誘發產生的級鏈反應

--通過激活蛋白激酶，引起生理功能改變或基因表達

--不是通過酶促反應生成

--與鈣結合蛋白結合而啟動不同的信息通路

--信號的產生和終止以胞內鈣濃度為基礎。二、Ca2+作為第二信使與其它信使異同：二、Ca2+作為第二信使與其它信使異同：19Ca2+gradientunderrestingcondition[Ca2+]o10-3M[Ca2+]i10-7M

Why?1.SarcolemmaimpermeabletoCa2+

Ca2+pump(Ca2+-ATPase)Na+-Ca2+exchanger2.Endoplasmic/sarcoplasmicreticulum(ER/SR)

Ca2+-ATPase3.MitochondriaCa2+gradientunderrestingco20InitiationofintracellularCa2+signal[Ca2+]o10-3M[Ca2+]i10-7M

HOW?Twoprimarysources:1.External

ExtracellularCa2+2.InternalER/SR[Ca2+]i10-5MInitiationofintracellu21Ca2+influxfromextracellularfluidthrough:(1)VOC:voltage-operatedCa2+channels(2)ROC:receptor-operatedCa2+channels(3)SOC:store-operatedCa2+channels(4)Na+-Ca2+exchanger1.External1.External22(2)ROC (1)VOC(2)ROC (1)VOC23TypesofVOC:

(1)L-type(long-lasting)(美.耶魯大學,Nowycky,1985)(2)T-type(transient)(Nowycky,1985)(3)N-type(neitherL-typenorT-type)(Nowycky,1985)(4)P-type(Purkinje)(Llinas,1992)(5)F-type(fetal)(Tohse,1992)TypesofVOC:24Voltage-GatedCalciumChannels

Voltage-GatedCalciumChannels25Ca2+channelsDurationofcurrent long-lasting transientActivationkinetics slower faster Inactivationkinetics slower fasterThreshold

high(-35mV) Low(-60mV)cAMP/cGMP-regulated Yes NoPhosphorylation-regulated Yes NoOpeners Bay-K-8644 -Blockers varapamil Tetramethrin nifedipine,diltiazem Ni2+

Inactivationby[Ca2+]i Yes slightPatch-clamprecording run-down relativelystableL-type T-typeCa2+channelsDurationofcurre26

L-typeCa2+

channelPKAphosphorylationRegulationofL-typeCa2+channels:Increasesin: number probability opentimeL-typeCa2+PKAphosphorylati272.InternalCa2+releasefromER/SR內質網/肌漿網Ryanodinereceptor(2)IP3receptor2.Internal28(1)Ryanodinereceptor(RyR): mediatestheeffluxofCa2+

fromtheSRandplaysacentralroleinexcitation-contraction(E-C)coupling.特點1.所需鈣閾值較低

1.5-2.0μM,咖啡因可降低此閾值,Mg可升高此閾值;

2.全或無的釋放為CICR正反饋介導(1)Ryanodinereceptor(RyR):29MechanismsofE-CcouplingMechanismsofE-Ccoupling30IsoformsofRyRRyR1:SkeletalmuscleRyR2:CardiacmuscleRyR3:Brain(Coronado,1994)

DHPR:二氫吡啶受體RYR1:蘭尼堿受體IsoformsofRyRRyR1:Skeletal31RegulationofRyRActivation:caffeine,ryanodine(nM),CICR,(Ca–inducedcalciumrelease)phosphorylation…Inhibition:ryanodine(M),rutheniumred(釕紅),Mn2+…,RegulationofRyRActivation:c32(2)IP3receptorpathwayIP3R1:brain,nonexcitablecells(ubiquitous)IP3R3:brain,nonexcitablecells1983年,Streb發現小鼠IP3可引起細胞內鈣釋放.有以下特點:1.應答快140ms達高峰2.全或無應答3.不脫敏(desencibility)IP3R2:cardiacmuscle,nonexcitablecells,liver(2)IP3receptorpathwayIP3R33鈣與信號傳導課件34RemovalofintracellularCa2+1.Sarcolemma

Ca2+-ATPaseNa+-Ca2+exchanger2.Endoplasmic/sarcoplasmicreticulum(ER/SR)

Ca2+-ATPase3.Mitochondria*RemovalofintracellularCa2+135Sarco-endoplasmicreticulumCa2+-ATPase(SERCA)

肌漿網鈣ATP酶(五個亞型)SERCA1fast-twitchskeletalmuscle(SM) adult(SERCA1a) neonatal(SERCA1b)SERCA2cardiacmuscle(SERCA2a) slow-twitchSM(SERCA2b)SERCA3muscleandnonmusclecells(Arai,1994)

Sarco-endoplasmicreticulumCa36[Ca2+]i[Ca2+]iExternalVOC,ROC,SOC,Na+-Ca2+exchangerInternalRyRIP3RSERCASarcolemma

Ca2+-ATPaseNa+-Ca2+exchangerMitochondria****Summaryofcalciumhomeostasis[Ca2+]i[Ca2+]iExternalSERCA***37三、鈣信號的時空組成1.鈣信號的時空形式空間形式:起伏不平、環形或螺旋形的Ca波或振蕩（Calciumoscillation）。起始于細胞的不同區域，如胰腺細胞始于頂部，向基底傳導；而卵細胞受精時，鈣波起源精卵相互作用部位，五分鐘傳全細胞。與IP3受體或IP3敏感性鈣庫不平衡分布有關時間形式：有不應期、自身的頻率和傳播速度三、鈣信號的時空組成1.鈣信號的時空形式時間形式：有不應期、38鈣與信號傳導課件392.Ca波或Ca振蕩（Calciumoscillation）Ca波動是[Ca]i調節的基本特征波動周期為5-60秒,形式及頻率因細胞而異.A:HepatocytesB:RatparotidglandC:GonadotropesD:Hamstereggs(post-fertilisation)E,F:Insulinomacells2.Ca波或Ca振蕩（Calciumoscillation40心肌的鈣波心肌的鈣波413.Ca波動的生理意義(1)細胞自身保護作用

觸發生理或病理效應;節約能量,防止Ca過高引起細胞損傷;(2)細胞信息編碼的方式頻率編碼和幅度編碼:波動的頻率和幅度代表不同的信息;(3)周期性生理反應

肌肉收縮舒張;分泌細胞(內皮細胞、β細胞)的分泌;吞噬細胞的吞噬活動3.Ca波動的生理意義(1)細胞自身保護作用42Ca2+的測定方法（1）血清鈣的測定5種方法：即滴定法、比色法、火焰法、離子選擇電極法、活化分析法。（2）細胞內鈣的測定:光譜熒光法（fluoromotric）利用單波長或雙波長熒光分光光度計，應用熒光指示劑Quin-2／AM或Fura-2／AM測定細胞內Ca2+濃度。Ca2+的測定方法（1）血清鈣的測定43Ca2+超載與缺血性損傷calciumoverload：各種原因引起的細胞內鈣含量異常增多并導致細胞結構損傷和功能代謝障礙的現象，稱為鈣超載。Ca2+超載與缺血性損傷calciumoverload：各44Hypertension原發性高血壓hyper/hypo-thyroidism甲亢/甲低ischemia/reperfusioninjury缺血復灌損傷Cardiomyopathy心肌病heartfailure心衰Ca2+

穩態與病理生理學Hypertension原發性高血壓Ca2+穩態與病理生45鈣與信號傳導課件46Ca2+-鈣調蛋白依賴性蛋白激酶途徑

（Ca2+-CaM激酶途徑）1967年,張槐耀，探討細胞內cAMP濃度的變化：研究PDE（磷酸二酯酶）對cAMP濃度的調節。兩步法與一步法PDE粗提液：兩種方法所測活力一樣。提純的PDE：一步法比兩步法活力高。Ca2+-鈣調蛋白依賴性蛋白激酶途徑

（Ca2+-CaM激47解釋：粗提液中存在PDE的一種活化因子，在提純時丟掉了。蛇毒不僅提供了5′-AMP酶，還補償了活化因子，并提純了該活化因子。1973年，恒內史朗，指出PDE對鈣的依賴性。汪學荊：鈣與PDE活化因子的結合導致PDE活化。1978年，張槐耀建議命名為calmodulin(calcium-modulatedprotein,CaM)解釋：粗提液中存在PDE的一種活化因子，在提純時丟掉了。48CaM(calmodulin)為鈣結合蛋白，是鈣的傳感器，有4個Ca2+結合位點，呈啞鈴形Ca2+-CaM激酶的底物譜廣泛Ser/Thr殘基磷酸化激活AC、磷酸二脂酶調節PKA為148個氨基酸組成單鏈，分子量約16670D。CaM(calmodulin)為鈣結合蛋白，是鈣的傳感器，有49鈣與信號傳導課件50鈣與信號傳導課件51鈣與信號傳導課件52Copyright?2012,SudongGuan.AllrightsreservedDepartmentofPhysiology,BengbuMedicalcollegeTobecontinued…Copyright?2012,SudongGuan53IntracellularCa2+SignalingDepartmentofPhysiologyBengbumedicalcollegeIntracellularCa2+Signaling54血Ca2+濃度與Ca2+的轉運血漿Ca2+濃度正常維持在8.5-11.1mg％之間，其中46％與血漿蛋白特別是白蛋白結合，47.5％為游離鈣(Ca2+)，僅有6.5％的鈣以磷酸鈣、檸檬酸鈣、重碳酸鈣、酒石酸鈣、棕櫚酸鈣等復合物形式存在。血Ca2+濃度與Ca2+的轉運血漿Ca2+濃度55歷史回顧1883年,Ringer(英)發現Ca2+是維持心跳的必要條件;1953年,Heillbrunn(美)和Kamada(日)用電生理技術提出Ca影響細胞的功能;1970年,張槐耀發現鈣調蛋白(Calmodulin);1978年,Neher和Sakmann建立了膜片鉗技術,使單通道電流記錄成為現實;1985年,Tsien(美)合成了Fura-2熒光探針;可監測胞漿游離Ca的瞬間變化;歷史回顧1883年,Ringer(英)發現Ca2+是維持心跳56為什麼選擇Ca2+作為第二信使？Why?SocellscanraisetheirinternalCa2+quickly,andthendecreaseitquickly.Thus,canuseCa2+asanintracellularsignallingmessenger,whileavoidingtoxiceffects.Why?Socellscanraisetheir57一、Ca2+成為胞內信使的基礎Ca2+胞內外或胞質與胞內鈣庫的濃度差細胞外鈣：10000倍于細胞內游離鈣。

[Ca2+]o=1~10mmol/l=10-3~10-2mol/l細胞內鈣：游離鈣：

0.1%[Ca2+]i=100nmol/l=10-7mol/l

儲備鈣：99.9%

與蛋白質或小分子量的有機配體結合大部分儲存于鈣庫(內質網，肌質網）一、Ca2+成為胞內信使的基礎Ca2+胞內外或胞質與胞內鈣庫58細胞內總鈣濃度約為lmmol／L50％存在于細胞核線粒體占30％，濃度為0.6mmol／L內質網占14％，約0.28mmoI／L質膜(外層)占5％，約0.1mmol／L而細胞溶質中僅占總鈣的0.5％(結合態)或0.005％(離子態)胞內鈣的分布細胞內總鈣濃度約為lmmol／L胞內鈣的分布59BerridgeMJetal.,Nature.1998;395:645-648.

Ca2+–alifeanddeathsignalBerridgeMJetal.,Nature.1960參與神經肌肉的反應過程;鎮靜作用：缺鈣可引起神經的興奮性增高;調節細胞功能，激活蛋白激酶，促進蛋白質磷酸化;促進內、外分泌腺的分泌，神經遞質的釋放;血液凝固;維持細胞膜的通透性及完整性;參與免疫反應。Ca2+的生理功能參與神經肌肉的反應過程;Ca2+的生理功能61Calciuminmuscle:ICa的生理作用Calciuminmuscle:ICa的生理作用62Calciumin

phototransductionCalciumin

phototransduction63CalciumintastereceptorsCalciumintastereceptors64Calciumandsynapses:ICalciumandsynapses:I65Calciumandsynapses:IICalciumandsynapses:II66鈣與信號傳導課件67鈣與信號傳導課件68內皮舒張因子（EDRF）≈NO：內皮舒張因子（EDRF）≈NO：69鈣與信號傳導課件70FundamentalrolesofCa2+innervecellsChargecarrier membranepotentialCellmotility

axonalguidanceSecretion neurotransmitterreleaseRegulationofgeneexpression differentiation,synapticplasticityNeuronalviability apoptosisFundamentalrolesofCa2+inn71

--是刺激誘發產生的級鏈反應

--通過激活蛋白激酶，引起生理功能改變或基因表達

--不是通過酶促反應生成

--與鈣結合蛋白結合而啟動不同的信息通路

--信號的產生和終止以胞內鈣濃度為基礎。二、Ca2+作為第二信使與其它信使異同：二、Ca2+作為第二信使與其它信使異同：72Ca2+gradientunderrestingcondition[Ca2+]o10-3M[Ca2+]i10-7M

Why?1.SarcolemmaimpermeabletoCa2+

Ca2+pump(Ca2+-ATPase)Na+-Ca2+exchanger2.Endoplasmic/sarcoplasmicreticulum(ER/SR)

Ca2+-ATPase3.MitochondriaCa2+gradientunderrestingco73InitiationofintracellularCa2+signal[Ca2+]o10-3M[Ca2+]i10-7M

HOW?Twoprimarysources:1.External

ExtracellularCa2+2.InternalER/SR[Ca2+]i10-5MInitiationofintracellu74Ca2+influxfromextracellularfluidthrough:(1)VOC:voltage-operatedCa2+channels(2)ROC:receptor-operatedCa2+channels(3)SOC:store-operatedCa2+channels(4)Na+-Ca2+exchanger1.External1.External75(2)ROC (1)VOC(2)ROC (1)VOC76TypesofVOC:

(1)L-type(long-lasting)(美.耶魯大學,Nowycky,1985)(2)T-type(transient)(Nowycky,1985)(3)N-type(neitherL-typenorT-type)(Nowycky,1985)(4)P-type(Purkinje)(Llinas,1992)(5)F-type(fetal)(Tohse,1992)TypesofVOC:77Voltage-GatedCalciumChannels

Voltage-GatedCalciumChannels78Ca2+channelsDurationofcurrent long-lasting transientActivationkinetics slower faster Inactivationkinetics slower fasterThreshold

high(-35mV) Low(-60mV)cAMP/cGMP-regulated Yes NoPhosphorylation-regulated Yes NoOpeners Bay-K-8644 -Blockers varapamil Tetramethrin nifedipine,diltiazem Ni2+

Inactivationby[Ca2+]i Yes slightPatch-clamprecording run-down relativelystableL-type T-typeCa2+channelsDurationofcurre79

L-typeCa2+

channelPKAphosphorylationRegulationofL-typeCa2+channels:Increasesin: number probability opentimeL-typeCa2+PKAphosphorylati802.InternalCa2+releasefromER/SR內質網/肌漿網Ryanodinereceptor(2)IP3receptor2.Internal81(1)Ryanodinereceptor(RyR): mediatestheeffluxofCa2+

fromtheSRandplaysacentralroleinexcitation-contraction(E-C)coupling.特點1.所需鈣閾值較低

1.5-2.0μM,咖啡因可降低此閾值,Mg可升高此閾值;

2.全或無的釋放為CICR正反饋介導(1)Ryanodinereceptor(RyR):82MechanismsofE-CcouplingMechanismsofE-Ccoupling83IsoformsofRyRRyR1:SkeletalmuscleRyR2:CardiacmuscleRyR3:Brain(Coronado,1994)

DHPR:二氫吡啶受體RYR1:蘭尼堿受體IsoformsofRyRRyR1:Skeletal84RegulationofRyRActivation:caffeine,ryanodine(nM),CICR,(Ca–inducedcalciumrelease)phosphorylation…Inhibition:ryanodine(M),rutheniumred(釕紅),Mn2+…,RegulationofRyRActivation:c85(2)IP3receptorpathwayIP3R1:brain,nonexcitablecells(ubiquitous)IP3R3:brain,nonexcitablecells1983年,Streb發現小鼠IP3可引起細胞內鈣釋放.有以下特點:1.應答快140ms達高峰2.全或無應答3.不脫敏(desencibility)IP3R2:cardiacmuscle,nonexcitablecells,liver(2)IP3receptorpathwayIP3R86鈣與信號傳導課件87RemovalofintracellularCa2+1.Sarcolemma

Ca2+-ATPaseNa+-Ca2+exchanger2.Endoplasmic/sarcoplasmicreticulum(ER/SR)

Ca2+-ATPase3.Mitochondria*RemovalofintracellularCa2+188Sarco-endoplasmicreticulumCa2+-ATPase(SERCA)

肌漿網鈣ATP酶(五個亞型)SERCA1fast-twitchskeletalmuscle(SM) adult(SERCA1a) neonatal(SERCA1b)SERCA2cardiacmuscle(SERCA2a) slow-twitchSM(SERCA2b)SERCA3muscleandnonmusclecells(Arai,1994)

Sarco-endoplasmicreticulumCa89[Ca2+]i[Ca2+]iExternalVOC,ROC,SOC,Na+-Ca2+exchangerInternalRyRIP3RSERCASarcolemma

Ca2+-ATPaseNa+-Ca2+exchangerMitochondria****Summaryofcalciumhomeostasis[Ca2+]i[Ca2+]iExternalSERCA***90三、鈣信號的時空組成1.鈣信號的時空形式空間形式:起伏不平、環形或螺旋形的Ca波或振蕩（Calciumoscillation）。起始于細胞的不同區域，如胰腺細胞始于頂部，向基底傳導；而卵細胞受精時，鈣波起源精卵相互作用部位，五分鐘傳全細胞。與IP3受體或IP3敏感性鈣庫不平衡分布有關時間形式：有不應期、自身的頻率和傳播速度三、鈣信號的時空組成1.鈣信號的時空形式時間形式：有不應期、91鈣與信號傳導課件922.Ca波或Ca振蕩（Calciumoscillation）Ca波動是[Ca]i調節的基本特征波動周期為5-60秒,形式及頻率因細胞而異.A:HepatocytesB:Ratparotid