鈣與鈣的轉運機制

ca2+信號系統作為細胞中普遍存在的信號調整機制，在細胞的生理機能中起著重要作用。心肌細胞內鈣的濃度分布及時相變化等直接影響細胞收縮功能、節律變化、細胞生長及死亡。靜息狀態下,心肌細胞內游離Ca2+濃度約0.1pmol/L,心肌收縮時,胞漿游離Ca2+濃度可達10pmol/L。本文著重論述心肌細胞對鈣濃度的調控。1t型鈣通道的結構及其與心肌組織的關系1.1鈣通道根據調控通道狀態的不同,可將其主要分為三大類,即電壓依賴式鈣通道(VDCC)與受體操縱式鈣通道(ROCC)以及容量控制式的鈣通道(SOC)等等。1.1.1電壓依賴式鈣通道又叫電壓門控鈣通道,其在細胞膜去極化,發生電壓變化時開放,根據不同的電生理、藥理學以及分子結構特點,可將其分為L,T,N,P/Q,R型。其中T型屬于低電壓激活鈣通道,其膜電位較高,閾值低;L,N,P/Q,R型屬高電壓激活鈣通道,其閾值高,在低膜電位下游活或失活。其中在心肌細胞中,重點介紹L,T型鈣通道。L-鈣通道:結構:鈣通道一般α1、β、α2/δ亞基,孔道的形成主要是α1亞單位,每個結構域包含6個跨膜節段(s1~s6),s6作為電壓感受器,每隔3~4個氨基酸都是帶正電荷的氨基酸殘基,當膜電位變化時,其構象發生變化,從而開放鈣通道。分布:L型鈣通道廣泛分布于心房及心室肌細胞膜上,尤以T型管上含量最豐富,是心肌細胞膜最主要的鈣通道類型,作用過程:當心肌去極化時,膜電位的降低刺激鈣通道蛋白使其結構發生變化,鈣通道開放,細胞外Ca2+濃度內流,膜電位恢復到靜息狀態時,鈣通道關閉。T-鈣通道:結構:基本結構與L-型鈣通道相似,不同的是T型鈣通道Ⅲ域和Ⅳ域P環的谷氨酸殘基為天冬氨酸所取代。與高電壓激活鈣通道不同,在T型鈣通道α亞單位的Ⅰ~Ⅱ連接區域沒有其連接位點。分布:T型鈣通道主要分布在竇房結細胞和浦肯野纖維膜。作用過程:T型鈣通道的開閉亦受膜電壓變化的控制,T型鈣通道在膜去極化較小時即開始開放,持續刺激下產生的電流短暫。膜復極化時通道關閉緩慢,產生緩慢衰減的尾電流。T型鈣通道活化后產生的低閾值鈣電流可引發動作電位,從而產生效應。所有哺乳動物的心臟細胞均可發現T型鈣通道,因為T通道在靜息電位時即可激活,而心肌起搏細胞和傳導細胞都有較高密度的T通道,所以它對維持心肌組織的自律性具有重要意義。1.1.2受體操縱式鈣通道又叫配體門控鈣通道,其特點是當相應的配體與受體結合,受體構型改變,通道開放,使Ca2+通過細胞膜。配體主要有腎上腺素能α受體離子受體、腎上腺素能β受體與環核苷酸等類型。1.1.3容量控制的鈣通道(SOC),也稱為容量控制的Ca2+內流,當[Ca2+]降低時,SOC開放,但是具體的信號傳遞通路還不清楚。主要有兩種假設,一種認為在一個完整的ER蛋白和SOC之間存在生理接觸;另一種假設認為ER產生一種可溶性信使蛋白,在ER內Ca2+排空時,這種蛋白擴散到質膜,激發Ca2+內流。后一假設中的信使蛋白,是細胞色素P450的產物,到目前為止,還沒有確切的資料闡明SOC活化的機制。1.2膜上的鈉鈣交換蛋白:NCX是心肌細胞膜上的一個陽離子轉運蛋白,NCX1是一非ATP依賴的雙向轉運蛋白,它有兩種工作模式:其一是Ca2+外流模式,其二為Ca2+內流模式,具體和工作過程下面具體介紹。2鈣在細胞內的循環2.1ncx1的鈉鈣交換過程NCX是心肌細胞膜上的一個陽離子轉運蛋白,包括3個亞型:NCX1、NCX2和NCX3,其中NCX1與心肌信號傳導的關系最大。結構:NCX1是一個糖基化的跨膜蛋白,由970個氨基酸殘基組成,分子量為110kDa。分布:NCX1分布于鼠和豚鼠心室肌細胞的T管膜、周圍肌膜以及閏盤上。作用過程:它有兩種工作模式:其一是Ca2+外流模式,其二為Ca2+內流模式。NCX1的鈉鈣交換過程是一個連貫的或者乒乓工作機制(aconsecutiveorpingpongmechanism)。這里以Ca2+流出模式(細胞內鈣的外流)說明其工作過程。首先NCX1在細胞外與3個Na+結合,然后通過NCX1變構將Na+轉運到細胞內,接著與細胞內的1個Ca2+結合,再由NCX1變構將Ca2+轉運出細胞外。在正常心肌細胞中,NCX和肌漿網鈣泵(SERCA2a)在舒張期共同作用,降低胞漿內Ca2+濃度而使心肌舒張。NCX作用大小在不同動物中存在差異,在人類、兔和貓的心臟中,舒張期,約20%~30%的Ca2+通過NCX轉運至細胞外,而在大鼠和小鼠心肌中,NCX僅起10%的作用。2.2胞漿mca的轉運與儲存鈣泵結構:PMCA是由至少4種基因產物組成的多基因家族。PMCAI和PMCA2已經在大鼠腦細胞克隆獲得。PMCAIb與Ca2+/CaM結合力很高。分布:PMCA位于胞膜的磷脂上,其活性決定于周圍的磷脂類化合物。作用過程:是Ca2+單向主動轉運系統,轉運特點是與Ca2+親和力高,但轉運量小。它與Na+-Ca2+交換蛋白相互協同,共同維持心肌在靜息狀態的低鈣濃度。心肌開始舒張時,胞漿內Ca2+濃度較高,主要靠Na+-Ca2+交換蛋白將Ca2+轉運出細胞;隨著胞漿Ca2+濃度的降低,Na+-Ca2+交換系統的作用減弱,由鈣泵繼續將Ca2+運出心肌。其主要受鈣調素、酸性磷脂和PKA、PKC的調控活化。3sr儲鈣的釋放心肌細胞內鈣的釋放主要來源于肌漿網(SR)儲鈣的釋放和少量由線粒體釋放。有報道稱,心肌細胞內鈣濃度的升高,90%是由SR釋放的。3.1sr2+解釋機制3.1.1serca2a蛋白及代謝SERCA是SR中含量最豐富的蛋白,約占成熟動物SR總量的60%~80%,其中SERCA2a編碼的蛋白主要存在于心肌和慢速骨骼肌中。SERCA2a結構:SERCA2a蛋白是肌漿網中含量最豐富的蛋白,大部分結構朝向細胞內腔,這部分結構含有Ca2+結合位點和ATP水解點。分布:SERCA2a蛋白主要在心肌和慢速骨骼肌中表達。作用過程:目前研究認為機體具有兩種調節SERCA2a功能的機制,其一SERCA2a蛋白的直接磷酸化,其二PLB對SERCA2a的磷酸化。Kiss認為PLB調節SERCA2a可能存在兩種方式:一種為快速短效作用,包括PLB磷酸化和SERCA2a活動的抑制;另一種為緩慢而長期的作用,涉及PLB/SERCA2a比率的變化,從而控制表達。3.1.2肌漿網鈣釋放觸發因素SR調控鈣離子分別由三磷酸肌醇(inositoltriphosphate,IP3)受體系統和利羅丁受體(ryanodine,RyR)系統來進行的。①細胞外刺激,如血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)、內皮素-1(ET-1)和去甲腎上腺素等,均可經G蛋白耦聯受體途徑和受體酪氨酸激酶途徑活化磷脂酶C,進而激活磷脂酶,水解二磷酸磷脂酰肌醇,產生二酰甘油和IP3,IP3與肌漿網上IP3受體結合促進肌漿網內鈣釋放。IP3引起的鈣釋放的速度和數量均明顯低于RyR介導的鈣誘發的鈣釋放。②而細胞外Ca2+內流及內源性環腺苷二磷酸核糖,則可作用于RyR,引起非IP3敏感Ca2+庫釋放。心肌細胞去極化時,膜電位的變化使細胞膜L型鈣通道開放,少量Ca2+由細胞外迅速進入胞漿,使終囊局部單位時間內Ca2+濃度增加(calciumspark),這種Ca2+快速上升的速率成為肌漿網鈣釋放的觸發劑,Ca2+與RyR上的Ca2+高親和位點相結合,RyR開放,大量Ca2+從肌漿網內釋放出來,Ca2+與肌鈣蛋白結合,引起心肌收縮。細胞膜去極化后,鈣內流減慢或停止,但此時胞漿Ca2+濃度已很高,Ca2+又可知和RyR蛋白上的Ca2+低親和力位點相結合,使鈣釋放通道關閉。3.2[ca2+]c靜息狀態下,該細胞器不是貯鈣部位,在細胞激動過程中也不起作用。然而,當Ca2+升高時,或者在質膜或ER膜的Ca2+通道附近區域已有很高的[Ca2+]c,使臨近的線粒體快速攝取Ca2+,產生比平均[Ca2+]c高很多的[Ca2+]M。當高鈣區[Ca2+]c下降后,通過反向轉運通道,線粒體快速排出Ca2+,[Ca2+]M恢復到靜息水平。這種機制可以說明質膜和ER膜上Ca2+通道和線粒體之間的超微結構關系。總之,就[Ca2+]的信號傳導作用而言,線粒體可被看作是短暫的Ca2+緩沖器,在Ca2+的釋放和內流過程中延緩胞漿中Ca2+擴散。4細胞外鈣的氧化細胞內鈣的攝取,SR也占相當的比例。有報道稱,在舒張期胞漿內Ca2+濃度下降的70%~75%也是由于SR攝取并儲存。同時,心肌細胞內有很多可以結合鈣的蛋白,如FKBP,鈣蛋白酶、鈣調神經磷酸酶(calcineurin),鈣調蛋白(calmodulin)和早老素Ⅰ等,都可以起到調節鈣的作用。其中比較重要的是內質網中與Ca2+有關的分子伴侶如鈣結合蛋白,肌漿網的鈣泵以及肌漿網腔內含幾種可溶性蛋白質,以肌集鈣蛋白(calsequestrin,CSQ)為代表,此外還有鈣結合蛋白和少量鈣網素(calreticulin),它們與Ca2+親合力低,但結合容量大,