2008研究生(循环生理2):心肌细胞钙信号与ECC

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• 双氢吡啶类 (dihydropyridine,DHP) 硝苯地平 尼群地平
DHPR?
• 地尔硫卓类 (benzothiazepines,BTZ) 地尔硫卓 克伦硫卓 • 苯烷胺类 ( phenylakylamine,PAA) 维拉帕米 加洛帕米
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2.T型Ca2+通道
主要分布在窦房结细胞和蒲肯野纤维膜。
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(2)抑制PDE
异丁甲基黄嘌呤、茶碱、氨力农、米力农等
(3)cAMP的亲脂性衍生物
二丁基-cAMP,8-溴-苄基-cAMP,8-溴-cAMP等
(三)增加细胞内Ca2+
BAYK8644、YC-170、H160/51、 BAYy5959等 LCC激动剂直接与α1亚单位结合,使钙通道开放概率 增加。但这类药物大多伴有外周血管收缩,也使冠脉 血管收缩,因此限制了其作为治疗心衰药物的临床应 用。
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钙的不均衡分布 胞外 1-2 mM
0.28 mM
胞浆 0.1µM
0.6 mM
细胞核 50 %
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★心肌细胞膜的钙转运系统 ★线粒体的钙转运系统 心肌细胞膜含有3种跨膜钙转运系统: 钙通道( Ca2+ channel) ★心肌肌浆网的钙转运系统
Na+/ Ca2+交换体(Na+/ Ca2+exchanger)
NCX 含有2个重复序列:1和2, 各包括40个氨 基酸,与离子转运密切相关
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2. 特性
(1)Na/Ca 交换的化学计量学 3 Na+ 1Ca2+
生电性,电流方向与Na+ 移动的方向一致。
(2)Na/Ca 交换的反转电位
反转电位取决于 [Na+|o
、[Ca 2+] o 、[Na +] i、[Ca +] i
1. cAMP提高心肌变力性的机制 cAMP是通过激活PKA来发挥作用的。被PKA磷 酸化的心肌功能蛋白有 LCC、RyR、PLB、TnC。 其主要作用包括: 1)使LCC的α1和β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。 1)2)作用可增加钙瞬变的幅度,有助于提高收缩 功能。
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☆ 肌浆网钙泵活性的调节-受磷蛋白 (phospholamban, PLB)
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☆ 肌浆网钙泵活性的调节-受磷蛋白 (phospholamban, PLB)
非磷酸化的受磷蛋白:与钙泵结合,抑制其活性。 通过蛋白之间的相互作用,降低钙泵与Ca2+的 亲和力。 磷酸化的受磷蛋白:与钙泵解离,消除抑制作用。 使钙泵与Ca的亲和力增高,转运速率加快。 PKA、Ca-CaM(钙调素)依赖性蛋白激酶、PKC和PKG可使 受磷蛋白磷酸化。
在生理状态下,线粒体钙泵与Ca2+亲和力非常低, 钙摄取速率又非常缓慢,因而人们认为线粒体不参与 生理状态下心肌兴奋-收缩耦联的调节。
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二、心肌兴奋收缩耦联过程中的钙转运
在ECC过程中,钙瞬变是由肌膜和SR膜上的许
多Ca2+转运蛋白完成的。
1.胞质Ca2+浓度的升高
(1)L型Ca2+通道 (2)细胞膜NCX (3)SR Ca2+释放通道
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反向Na/Ca交换
(钙内流模式)
3
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决定Na/Ca交换方向
的主要是膜两侧 Na+浓度、
Ca2+浓度和膜电位: ◆当Em<ENCX时,钙外排:
-静息状态
-AP大部分时间
◆当Em>ENCX时,钙内流:
-AP最初1-3ms -病理情况、药物作用 使Nai↑
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3.功能
外排Ca2+(前向交换)
参与兴奋-收缩耦联(反向交换)
(一)张力-频率关系
正性阶梯现象产生原因: 1)增加了单位时间内动作电位平台期的总长度,使通过 LCC 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NCX 使细胞内Ca2+水平
升高。
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(二)通过cAMP的机制
第一节 心肌钙转运及其调节
一、心肌细胞钙转运蛋白
有两套独立的肌管系统 肌管系统:
横管(transverse tubule)或T管 纵管/肌浆网(sarcoplasmic reticulum ,SR)走行
方向与肌原纤维平行
纵行肌浆网(LSR、FSR)
在肌原纤维周围的SR。钙泵 连接肌浆网(JSR) SR的末端膨大或呈扁平状,与T管膜毗邻, 上有钙释放通道。
2008硕士学位课程-循环生理
心肌钙转运和钙信号
山西医科大学生理教研室 封启龙
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2+ Ca ? 是最简单也是最复杂的细胞信使。
Ca2+作为一种重要的细胞内第二信使,携带许多重要的 调节信息(钙信号 Ca2+ signals),调控着细胞内许多 重要的生理和病理过程。 受精 长期效应 基因转录、表达 细胞发育、增殖、 分化、凋亡、死亡 钙信号作用原理: ①与效应蛋白的结合和解离,以及 在不同细胞器之间的运动 ②跨膜移动产生电流(电信号) 来实现其对生物学过程的调控。 我们的目的就是要阐明简单的钙离子如何有序地精细 调节一个细胞内各种不同的,甚至是相反的生理过程。 2 肌肉收缩 快速效应 腺体分泌 递质释放
约占10%~20% 少量 80%~90%
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2.胞质Ca2+浓度的降
低/恢复
(1) SR的Ca2+摄取
70%~90%
(2) 细胞膜NCX
10%~30%
(3) 质膜Ca2+泵
(4) 线粒体钙单向转运体
(uniporter)
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小结
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三、心肌收缩能力的调节 (心肌钙转运的调节)
指肌肉内在的收缩特性。许多因素如神经递质、激素、 药物等直接或间接通过调节心肌钙转运来实现对心肌收缩 能力的调节。
SR
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在骨骼肌和心肌,RyR是主要的细胞内钙释放通道。
1. RyR ( Ryanodine Receptor )
可与ryanodine特异性结合而得名。ryanodine是从 植物中提取出来的一种生物碱,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,钙释放通道开放, Ca2+释放。 在高浓度(>µmol/L)时,则与通道蛋白上的低亲和 力位点相结合,使钙释放通道关闭。 此外,Ca2+、咖啡因、ATP及其非水解性衍生物、蒽醌 类化合物(如阿霉素)、Na+和K+等因素都可刺激RyR的开 放;普鲁卡因、钌红和钙调素等则可抑制RyR的钙释放
特点:1)高结合容量 2)低亲和力。
意义:1)钙结合蛋白与钙结合可使SR内游离Ca浓度降低,
有利于钙泵转运和贮存Ca 2)当SR上的RyR开放时,与钙扣压素结合的Ca2+迅 速解离并释放入胞质
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★线粒体的钙转运系统
(一) 将胞浆钙转运入线粒体 钙泵
钙单向输送体(uniporter)
Ca2+-HPO42- 同向转运体(symporter) (二)将线粒体内钙转运到胞浆 Ca2+-2H+交换 Ca2+-2Na+交换
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(四)激动反向Na/Ca交换 AngⅡ、内皮素Ⅰ、β1受体激动剂、E-4031等 (五)增加细胞内Na+ 洋地黄类药物
钠通道激动剂,如藜芦碱、BDF9148等
(六)钙增敏剂- Ca2+敏感性的调节
钙泵(Ca2+ pump, 又称Ca2+-ATP酶)
三者互相协调,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。
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(一)钙通道
• L-型钙通道 (ICa-L) large-conduction and long lasting cuttent
• T-型钙通道 (ICa-T) tiny conduction and transient current • N-型钙通道 (ICa-N) non-longlasting and no transient current • P型-钙通道 (ICa-P) 小脑Purkinje细胞
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(一)钙释放通道 calcium release channel
两种类型:RyR, IP3R 因此推测它们由共同的祖先进化而来。 • C末端:为跨膜区域,构成功能性孔道。 • N末端:形成球状头,投射到胞质,同各种开启 和关闭通道的信号相结合。
两个受体家族在结构上和功能上具有较多相似性,
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• Q型-钙通道 (ICa-Q) 神经细胞
• R型-钙通道 (ICa-R) 神经细胞
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1.L型钙通道
• 阈电位:-40- -30mV • 慢通道: 激活慢(20-30ms),
失活更慢(100-300ms),
开放持续时间长 long lasting current

• 离子选择性差:Ca2+,Na+,Ba2+ • 阻断剂
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(三)细胞膜钙泵
Ca2+泵是Ca2+的单向主动转运系统,在Mg2+
存在下水解ATP,将胞浆内Ca2+转运出细胞。与 NCX相比, Ca2+泵与Ca2+亲和力高,但转运量小。
★ 心肌肌浆网的钙转运系统
肌浆网作为钙库在心肌电和机械活动中起关键
作用,其功能改变可导致心肌兴奋-收缩耦联障碍
及心律失常。
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Isoforms of RyR
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2.三磷酸肌醇(IP3)受体
在平滑肌与非肌肉组织,钙释放主要由IP3受体
来完成。 心肌细胞已发现有IP3R 的mRNA和蛋白质的表 达,但含量明显低于RyR2。
IP3受体有三种亚型:IP3R1、IP3R2和IP3R3。
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。
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(三)肌浆网腔内钙结合蛋白
以钙扣压素(集钙蛋白 calsequestrin)含量最高,主 要存在于JSR。心肌钙扣压素由391个氨基酸残基组 成,其结构上的主要特征是28%的氨基酸残基是酸性氨 基酸。 此外,肌浆网腔内还含有 histidine rich Ca2+ binding protein、sarcalumenin和少量 calreticulin
ENa/Ca = 3ENa - 2ECa
如[Na+|o= 140mM [Ca2Biblioteka Baidu]o=2mM [Na+]i= 6mM [Ca+]i=0.1µM ENa/Ca = -12mV 当[Na+]i由6mM 增加至10mM ENa/Ca = -51mV
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(3)转运模式
正向/前向Na/Ca交换
(钙外排模式)
高浓度β受体激动剂 内皮素
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(二)肌浆网钙泵 (Ca2+-ATP酶)
肌浆网钙泵是心肌肌浆网膜上的主要蛋白质, 约占肌浆网膜蛋白总量的40~50%,分布于LSR
(纵行肌浆网)和JSR的非连接面。有3个基因编码
5种亚型。 SERCA1:位于人16号染色体上,编码骨骼肌 钙泵,其中 SERCA1a-在成年骨骼肌表达
与钙超载的关系
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反向钠-钙交换与心肌 ECC
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反向Na/Ca交换与心肌变力性
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4.阻断剂和激动剂
阻断剂
Na H
Ca
Na
Na↑↑
Ca↑↑
KB-R7943,主要阻断反向Na+/Ca2+交换,阻断钙
超载 应用:-减轻缺血-再灌注损伤(心、脑、肾)
-预防洋地黄中毒 激动剂 尚无特异性的,非特异性的有ET(endothelin), AngII,E-4031,受体激动剂等。
SERCA1b-在新生儿骨骼肌表达
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SERCA2:位于人12号染色体上,其中
SERCA2a-心肌
SERCA2b-在平滑肌和非肌肉组织的内质网 表达
SERCA3:编码在肌肉和非肌肉组织表达的钙
泵,许多组织如心、脑、肺、肝、肾、子宫、小
肠、胰、睾丸和血小板等都可检测到低水平
SERCA3的表达。
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3)PLB的磷酸化解除了它对SR钙泵的抑制,提高了 SR钙泵摄取Ca2+的速率。 4)TnC的磷酸化导致其对Ca2+的敏感性下降。 3)4)作用可加速钙瞬变降支的速率,称为正性松弛
效应(positive lusitropism),可提高心肌的舒张功能.
2.提高cAMP水平的途径:
(1)激活AC 交感-肾上腺髓质系统、雨蛙素、胰高血糖素、前 列腺素E、霍乱毒素、组胺等
特点 ① 去极化至-50mV时开放 ② 低电导 tiny conductance(5-8pS)
③ 失活快 transient
④ 阻断剂:Ni2+
mibefradil(咪贝地尔)
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(二)Na+/Ca2+交换体
1. 分子结构
1968发现,1990 clone(938aa.) 3种类型:NCX1、NCX2和NCX3,氨基酸序列同源性 达70% • NCX1在心脏, 脑等许多组织表达 • NCX2、NCX3只在少数组织表达
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