心肌細胞鈣信號和 興奮收縮耦聯(lián),Ca2+信號（Ca2+ signals）調(diào)控著細胞內(nèi)許多重要的功能。 短期效應如細胞電興奮、收縮和分泌功能； 長期效應如細胞轉(zhuǎn)錄、增殖和分化以及死亡。,第一節(jié) 細胞內(nèi)鈣信號概述,一、Ca2+在人體內(nèi)的含量及分布,99% 存在于骨骼和牙齒 分布于血漿和組織細胞內(nèi)的鈣不到人體鈣的1% 細胞外：游離Ca2+濃度約12mmol/L 細胞內(nèi)：細胞核 50% 線粒體 30，濃度為0.6 mmol/L 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 14%，約0.28 mmoI/L 質(zhì)膜(外層)占5%，約0.1mmol/L,胞漿Ca2+濃度： 細胞在靜止(非激活)狀態(tài)時，細胞溶質(zhì)中僅占總鈣的0.5 %(結(jié)合態(tài))或0.005%(離子態(tài))。胞漿游離Ca2+濃度約0.1 mo1/L，遠低于細胞外液，亦低于肌漿網(wǎng)和線粒體內(nèi)的Ca2+濃度。 隨著細胞的活動，胞漿Ca2+濃度會發(fā)生變化。,一、胞內(nèi)Ca2+的來源,（一) 胞外Ca2+進入胞內(nèi)： 電壓門控通道 配體門控通道 （二）胞內(nèi)鈣庫釋放Ca2+ Ip3介導 Ryanodine受體介導 胞內(nèi)鈣在鈣庫釋放過程中的作用,（三）胞內(nèi)鈣信號的終止 1.質(zhì)膜Ca2+外排機制 質(zhì)膜Ca2+泵 質(zhì)膜Na+/ Ca2+交換體 2.胞內(nèi)鈣庫攝取機制,二、鈣信號單位及局部鈣信號,由單個或成組Ca2+通道活化而引起的Ca2+釋放，構(gòu)成鈣信號的基本單位。 鈣信號特征：快速升高期與緩慢恢復期。 Ca2+釋放通道的開放和關(guān)閉與參加數(shù)量的多少決定了球形Ca2+信號的波幅。,（一） Ca2+信號基本單位的功能,1對細胞內(nèi)靜息鈣水平的影響 胞漿內(nèi)靜息鈣水平由Ca2+進入或排出胞漿間的基本比率決定。 2局限化功能 Ca2+信號基本單位產(chǎn)生高濃度局限化的Ca2+爆發(fā)，執(zhí)行非常特殊的信號功能。 3對離子通道的影響,（二）細胞鈣信號的種類/表現(xiàn)方式,1鈣火花：是細胞內(nèi)鈣的自發(fā)的、局限的、非傳播性增高的現(xiàn)象，由SR上的一簇鄰近的RyR自發(fā)地釋放的Ca2+所形成，反映了SR的RyR自發(fā)開放的情況。,2鈣夸克：比鈣火花更小的、局部的鈣釋放形式，它是目前發(fā)現(xiàn)的心肌細胞鈣信號系統(tǒng)的最小功能性釋放單位，它是由單個鈣釋放通道釋放出的鈣。鈣夸克空間上的總和，構(gòu)成鈣火花。,3鈣瞬變：由心肌細胞膜上興奮沖動到來時的電除極所誘發(fā)的瞬時性鈣增高( caicium transient )，主要是由肌漿網(wǎng)釋放的，與正常的收縮功能密切相關(guān)，是心肌細胞內(nèi)正常的鈣信號。它與鈣波和鈣火花不同，只是在興奮-收縮耦聯(lián)時出現(xiàn)鈣瞬時性增高。,4鈣波：某些情況下（如病理狀態(tài)缺血或細胞內(nèi)鈣負荷增高等）細胞內(nèi)鈣在局部自發(fā)性釋放增加并伴以傳導的現(xiàn)象.其特點是在激光共聚焦顯微鏡下可見細胞內(nèi)鈣在某個區(qū)域瞬時性增高，并以很快的速度在細胞內(nèi)傳播(100um/s)，反映細胞對高鈣負荷后的反應。,5鈣振蕩：細胞內(nèi)鈣信號的傳播存在時間和空間的組合形式。始發(fā)于胞漿中某一局部的Ca2+躍升，可以一種反復瞬變的方式在細胞中傳遞，稱鈣振蕩(calcium osillation)。,三、鈣測定,（一）整體水平上（如血清/尿鈣的測定） 滴定法、比色法、火焰法、離子選擇電極法、 活化分析法、45Ca放射性同位素示蹤法、 （二）細胞內(nèi)鈣的測定 單細胞電生理（膜片鉗技術(shù)），熒光細胞鈣測量，激光共聚焦掃描顯微術(shù),第二節(jié)、心肌鈣轉(zhuǎn)運及其調(diào)節(jié),一、心肌細胞膜的鈣轉(zhuǎn)運系統(tǒng) 鈣通道：Na+/Ca2+交換體和鈣泵，互相協(xié)調(diào)，共同維持心肌細胞膜對鈣轉(zhuǎn)運的穩(wěn)定，使胞內(nèi)Ca2+受到精密調(diào)控。,（一）鈣通道,L型鈣通道 廣泛分布于心肌細胞膜上，T管上含量最為豐富，是心肌細胞膜的主要鈣通道類型。 L型鈣通道的開閉主要受膜電位變化的影響，是電壓依賴性鈣通道，激活電位-40-30mV，失活電位-20mV。,慢鈣通道：L型鈣通道開放后持續(xù)的時間長較長，激活占時2030ms，失活更慢（100300ms）?？膳c雙氫吡啶特異性結(jié)合，也叫雙氫吡啶受體（DHPR）。 是Ca2+內(nèi)流的單向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，由L型鈣通道內(nèi)流的Ca2+通過CICR機制誘導肌漿網(wǎng)的鈣釋放，對興奮-收縮耦聯(lián)起重要的調(diào)節(jié)作用。（瞬間局部可達到100mol/L)。,2. T型鈣通道 T型鈣通道主要分布在竇房結(jié)細胞和蒲肯野纖維膜，其開閉也受膜電位變化的影響。在較低水平的去極化就可激活，失活迅速，為快鈣通道。鉗制電位在-50mV時就失活。與起搏功能有關(guān)。,（二）Na+/ Ca2+交換體（NCX）,是鈣離子的雙向轉(zhuǎn)運系統(tǒng) 轉(zhuǎn)運特點：與Ca2+親和力低但轉(zhuǎn)運量大。 轉(zhuǎn)運方式：通過鈣外排模式促進心肌的舒張，通過鈣內(nèi)流模式促進心肌收縮。,決定交換方向的主要是膜兩側(cè)Na+濃度、Ca2+濃度和膜電位： 當EmENCX時，鈣內(nèi)流模式（AP最初1-3ms、藥物作用及病理情況下）。,（三）細胞膜鈣泵,是Ca2+的單向主動轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，在Ca2+和Mg2+存在下水解ATP，耗能主動將胞漿內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)運出細胞。與Na+/ Ca2+交換體相比, Ca2+泵與Ca2+親和力高，但轉(zhuǎn)運量小。,（1）心肌開始舒張時，胞漿鈣濃度較高,這時主要靠親和力低、轉(zhuǎn)運量大的Na+/ Ca2+交換體將胞漿內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)運到細胞外； （2）隨著胞漿Ca2+濃度的降低，Na+/ Ca2+交換體的作用減弱，而與Ca2+親和力高的鈣泵繼續(xù)將胞漿內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)運出心肌，使胞漿游離鈣恢復到0.1mol/L的水平。,二、心肌肌漿網(wǎng)的鈣轉(zhuǎn)運系統(tǒng),肌漿網(wǎng)通過調(diào)節(jié)胞漿游離Ca2+在心肌舒縮活動中起關(guān)鍵性調(diào)控作用。許多心臟疾患正是由于肌漿網(wǎng)功能的改變而導致心肌興奮-收縮耦聯(lián)障礙。,（一）鈣釋放通道,受體門控離子通道。包括RyR和IP3R。 1. RyR可與ryanodine特異性結(jié)合。Ryanodine對肌漿網(wǎng)有雙重作用。 在低濃度nmol/L與釋放通道蛋白的高親和位點相結(jié)合，將鈣釋放通道固定于開放狀態(tài)，促進Ca2+的流出；而在高濃度mol/L時，則與通道蛋白上的低親和力位點相結(jié)合，使鈣釋放通道關(guān)閉。,2.三磷酸肌醇（IP3）受體,IP3受體介導平滑肌與非肌肉組織的鈣釋放。 IP3受體位于肌漿網(wǎng)（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）膜，由IP3調(diào)節(jié)其功能。其信號轉(zhuǎn)導途徑由G蛋白偶聯(lián)受體或受體酪氨酸蛋白激酶激活。,雖然心肌細胞內(nèi)主要的鈣釋放途徑是RyR2，但激素調(diào)節(jié)心肌的收縮性則主要是通過IP3受體介導的細胞內(nèi)鈣釋放進行的。,（二）肌漿網(wǎng)鈣泵,心肌的舒張則需要將Ca2+逆濃度差攝取回肌漿網(wǎng)，由肌漿網(wǎng)上的鈣泵（Ca2+-ATP酶）耗能完成。 肌漿網(wǎng)鈣泵分布于肌漿網(wǎng)L-SR縱行肌漿網(wǎng)和J-SR的非連接面。有3個基因編碼5種亞型,肌漿網(wǎng)鈣泵活性的調(diào)節(jié)：心肌鈣泵受一個可磷酸化蛋白質(zhì)-受磷蛋白的調(diào)節(jié)。 非磷酸化的受磷蛋白與鈣泵蛋白結(jié)合，抑制鈣泵與Ca2+的親和力，降低ATP酶的活性；受磷蛋白被磷酸化后可解除對SRCa2+泵的抑制而使Ca2+泵活動增強。,（三）肌漿網(wǎng)腔內(nèi)鈣結(jié)合蛋白,SR內(nèi)的鈣結(jié)合蛋白能與攝入SR內(nèi)的Ca2+結(jié)合使之貯存在SR腔內(nèi)，增加SR內(nèi)的Ca2+貯量并避免形成磷酸鈣沉淀，對SR快速攝取胞質(zhì)Ca2+起重要作用。,鈣扣壓素（集鈣蛋白,calsequestrin）含量最高。 鈣扣壓素主要存在于JSR，當SR上的RyR開放時，與鈣扣壓素結(jié)合的Ca2+迅速釋放入胞質(zhì)。,三、線粒體的鈣轉(zhuǎn)運系統(tǒng),將胞漿鈣轉(zhuǎn)運入線粒體的是鈣泵、鈣單向輸送體(uniporter)和Ca2+-HPO4-同向轉(zhuǎn)運體(symporter)；將線粒體內(nèi)鈣轉(zhuǎn)運到胞漿的是Ca2+-2H+交換或Ca2+-2Na+交換系統(tǒng)。,生理狀態(tài)下，線粒體鈣泵與Ca2+親和力非常低，鈣攝取速率又非常緩慢，線粒體不參與生理狀態(tài)下心肌興奮-收縮耦聯(lián)的調(diào)節(jié)。但當心肌細胞發(fā)生鈣超載時，因線粒體的鈣容量大，其對鈣轉(zhuǎn)運的調(diào)節(jié)對緩解鈣聚集就具有代償意義。,第三節(jié) 心肌細胞鈣信號,一、鈣火花和鈣夸克興奮-收縮耦的基本功能單位 鈣火花是靜息時的鈣火花，由SR上的一簇鄰近的RyR自發(fā)地釋放的Ca2+所形成，反映了SR的RyR自發(fā)開放的情況。 鈣火花也可通過電除極時由DHPR內(nèi)流的Ca2+誘發(fā)SR的Ca2+釋放而形成。,與靜息時的散在鈣火花相比，經(jīng)鈣通道離子流誘發(fā)的鈣火花密度要大的多。鈣火花在胞質(zhì)內(nèi)發(fā)生時間和空間總和，形成瞬時性Ca2+增高，即鈣瞬變（caicium transient），繼而引起心肌細胞的收縮。因此鈣火花和鈣夸克是興奮-收縮耦的基本功能單位。,鈣火花在探索心肌疾病的病因與病理方面的意義,在病理高鈣條件下，鈣火花頻度增高，更亮更大。單個鈣火花可觸發(fā)毗鄰的鈣釋放和鈣火花；最終形成自傳導性的“鈣波（calcium wave）”，引起細胞膜去極化乃至產(chǎn)生自發(fā)動作電位，干擾正常的起搏節(jié)律，是心臟心律失常的重要誘因之一。,在心衰心肌細胞中等量的L-型鈣電流只能引發(fā)正常數(shù)目1/2-1/3的鈣火花，而鈣火花本身及其它興奮收縮耦聯(lián)的參量均未改變。鈣瞬變及細胞收縮幅度均大為下降。,在血管平滑肌，鈣火花則引起血管平滑肌的松弛。其機制為鈣火花通過激活鄰近質(zhì)膜上10100個鈣敏感性鉀通道(KCa)，引起自發(fā)一過性外向電流STOCs，使平滑肌細胞膜電位超級化，電壓依賴的L-型Ca2+通道關(guān)閉，減少Ca2+內(nèi)流，舒張。,肌漿網(wǎng)上的RyR通過KCa通道來影響動脈平滑肌細胞膜電位和小動脈直徑。鈣火花-KCa途徑是一個張力負反饋機制。 蘭尼定或胡蘿卜素抑制鈣火花（抑制RyRs），或用iberiotoxin抑制KCa通道則引起膜電位的去極化，使動脈壁Ca2+增加，腦動脈收縮。,二、鈣波心肌靜息狀態(tài)下細胞內(nèi)鈣水平可傳播性的增加,鈣波：指某些情況下（如病理狀態(tài)缺血或細胞內(nèi)鈣負荷增高等）心肌細胞內(nèi)鈣在局部自發(fā)性釋放增加并伴以傳導的現(xiàn)象。 特點：在激光共聚焦顯微鏡下可見心肌細胞內(nèi)鈣在某個區(qū)域瞬時性增高，并以很快的速度在細胞內(nèi)傳播（100m/s）。,反映細胞對高鈣負荷后的反應。 鈣波與在正常興奮-收縮耦聯(lián)時的鈣釋放不同，鈣波的傳播不受膜上鈣通道離子流的控制，一旦發(fā)生，就會傳播到整個細胞。,三、鈣瞬變,發(fā)生于心臟興奮收縮耦聯(lián)時的全細胞性鈣瞬時性增高。 鈣瞬變（caicium transient）是由心肌細胞膜上興奮到來時膜去極化誘發(fā)的瞬時性鈣增高，主要由肌漿網(wǎng)釋放，與正常的收縮功能密切相關(guān)，是心肌細胞內(nèi)正常的鈣信號。,與鈣波和鈣火花不同，只是在興奮-收縮耦聯(lián)時出現(xiàn)鈣瞬時性增高。 傳統(tǒng)的細胞鈣瞬變是由于鈣火花在時間及空間隨機觸發(fā)并疊加的結(jié)果。除了最初幾秒外，幾乎是全細胞內(nèi)均一性的鈣增高。,在心肌肥大和心力衰竭的動物模型上，可觀察到心臟肌質(zhì)漿釋放鈣的特征發(fā)生改變。此類細胞膜上鈣通道觸發(fā)鈣從肌漿網(wǎng)上釋放的能力降低，使得鈣瞬變的幅度下降，從而導致肥大心肌細胞的收縮能力下降。,第四節(jié) 心肌細胞的興奮收縮耦聯(lián)及變力性調(diào)節(jié),一、心肌細胞的興奮-收縮耦聯(lián) （一）興奮-收縮耦聯(lián)的基本過程 1. 肌膜上的動作電位沿肌膜和由T管膜傳播，激活肌膜和T管膜上的L型鈣通道； 2. 胞漿內(nèi)的Ca2+濃度升高： 3. 肌鈣蛋白與Ca2+結(jié)合引發(fā)肌肉收縮 4. 胞漿中Ca2+濃度降低，肌肉舒張。,（二）SR Ca2+ 釋放機制CICR 心肌細胞除極時，膜電位的變化使肌膜和T管膜上的DHPR開放，少量Ca2+入胞，肌膜或T管膜與JSR之間的局部Ca2+濃度增加。觸發(fā)SR釋放Ca2+。 Ca2+與RyR上的高親和位點相結(jié)合，RyR開放， SR大量釋放Ca2+，胞質(zhì)游離Ca2+濃度上升，+與肌鈣蛋白結(jié)合引起心肌收縮。胞質(zhì)Ca2+濃度升高后， Ca2+又可和RyR蛋白上的低親和力位點相結(jié)合，使鈣釋放通道關(guān)閉。,（三） 心臟興奮-收縮耦聯(lián)的局部控制學說 每個鈣釋放單位的活動（發(fā)生鈣火花）是獨立的，只受自身DHPR（雙氫吡啶受體）的控制，不會波及或影響周圍其它單位的活動。,（四）興奮-收縮耦聯(lián)過程中心肌細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)的維持（鈣周期）,1胞質(zhì)Ca2+濃度的升高 細胞膜Ca2+通道 約占10-20 細胞膜NCX 少量 SR Ca2+釋放通道 80-90%,2胞質(zhì)Ca2+濃度的降低/恢復 SR的Ca2+攝取 80-90% 細胞膜NCX 10-20 質(zhì)膜Ca2+泵 線粒體鈣單向輸送體,二、心肌變力性的調(diào)節(jié)和影響因素,心肌變力性也稱心肌收縮能力是指內(nèi)在的收縮特性，與前后負荷無關(guān)。 許多因素可通過激活離子通道或觸發(fā)信號轉(zhuǎn)導過程等多種機制來調(diào)節(jié)（影響）心肌變力性以適應機體的需要。,（一）張力-頻率關(guān)系 大多數(shù)哺乳動物心室肌，在高于生理驅(qū)動頻率范圍后，隨收縮頻率增加，收縮力也增加（正性階梯現(xiàn)象）。 同時測定細胞內(nèi)Ca2+濃度，可發(fā)現(xiàn)刺激頻率增加時鈣瞬變幅度也明顯增加。,原因 1）增加了單位時間內(nèi)動作電位平臺期的總長度，使通過DHPR內(nèi)流的Ca2+增多，SR Ca2+ load增大。 2）除極引起的快Na+通道激活次數(shù)的增加使細胞內(nèi)Na+水平升高，Na+水平升高又通過Na+/ Ca2+交換機制使細胞內(nèi)Ca2+水平升高。,在人和實驗動物，心肌隨心衰程度的加重，由于SR Ca2+轉(zhuǎn)運功能障礙，正性階梯現(xiàn)象消失或逆轉(zhuǎn)為負性階梯現(xiàn)象。,（二）通過cAMP的機制,交感-腎上腺系統(tǒng)在應急條件下，提供了心肌收縮能力調(diào)節(jié)的易化機制。 擬交感神經(jīng)胺對位于心肌細胞膜外表面的1受體的刺激通過激動性G蛋白（Gs）活化腺苷酸環(huán)化酶（AC）的催化亞單位，引起心肌內(nèi)cAPM水平升高。,cAMP是通過激活cAMP依賴性蛋白激酶使功能蛋白磷酸化來發(fā)揮作用的。 PKA磷酸化的心肌功能蛋白有L-型鈣通道蛋白、受磷蛋白、肌鈣蛋白I、肌鈣蛋白C、RyR和肌球蛋白輕鏈（MLC）。,主要作用 1）使DHPR的1和亞單位磷酸化來增加鈣通道的開放概率。 2）使RyR磷酸化，增加RyR的開放。 上述兩種作用可增加鈣瞬變的幅度，有助于提高收縮功能,3）受磷蛋白的磷酸化解除其對SR鈣泵的抑制；提高SR鈣泵攝取Ca2+的速率。 4）肌鈣蛋白C的磷酸化導致其對Ca2+的敏感性下降。 上述兩種作用可加速鈣瞬變降支的速率，稱為正性松弛效應，可提高心肌的舒張功能。,（三）增加細胞內(nèi)Ca2+ （四）激動反向Na/Ca交換 （五）增加細胞內(nèi)Na+ （六）Ca2+敏感性的調(diào)節(jié),第五節(jié) 鈣調(diào)節(jié)紊亂與心血管疾病,一、心力衰竭 心力衰竭是指心肌的舒縮功能障礙而導致泵血功能降低，其發(fā)病機制與心肌鈣轉(zhuǎn)運失常密切相關(guān)。 心力衰竭動物和患者心肌細胞內(nèi)Ca2+的周期性變化異常，,（一）肌漿網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)運功能障礙,1.肌漿網(wǎng)鈣釋放