线粒体钙超载

1CalciumHomeostasisandCalciumOverloadinCell(细胞内钙稳态与钙超载)Pathophysio.Dep.OfSDU袁中瑞2Inalleukaryoticcells,thecytosolicconcentrationofCa2+ions([Ca2+]C)istightlycontrolledbyinteractionsamongtransporters,pumps,channelsandbindingproteins.Finelytunedchangesin[Ca2+]Cmodulateavarietyofintracellularfunctionsrangingfrommuscularcontractiontosecretion,anddisruptionofCa2+handlingleadstocelldeath.3细胞内钙稳态调节(CalciumHomeostasisinCell细胞内钙超载(calciumoverloadincell)线粒体与钙(mitochondriaandcalcium)4一、CalciumHomeostasisinCell5Fig.1.Ca2+distributioninthecell.HighandlowCa2+domainsaremarkedwithorangeandblue,respectively.(From:Calciumsignalingandapoptosis,BiochemBiophysResCommun.2003May9;304(3):445-54)67(一)钙平衡1、钙瞬变值[Ca2+]EC:1~10mM[Ca2+]C:0.1~10μM细胞内钙:44%存于胞内钙库（肌浆网/内质网）；细胞内游离钙仅0.005%生理性钙瞬变值：①即细胞内钙浓度的增加，平均介于0.1~10μM之间。②钙荧光探针（indo-1、fura-2、fluo-3AM等等）以及Aequorin（水母发光蛋白）、GFP-basedfluorescentCa2+probes（suchascameleonsandpericams）等。89102.钙移动的决定因素钙的平衡和钙的瞬变值依赖于两组蛋白质一组负责钙的输入和激活钙释放另一组负责钙的输出和摄取回收(1）Ca2+进入胞液的途径(2）Ca2+离开胞液的途径11(1）Ca2+进入胞液的途径Ca2+进入胞液是顺浓度梯度的被动过程细胞外Ca2+跨膜入胞→细胞内Ca2+释放细胞内Ca2+增加主要取决于内Ca2+释放另外Ca2+还可通过Na+-Ca2+交换蛋白进入胞液121）细胞膜Ca2+通道①电压依赖性Ca2+通道（voltage-dependentcalciumchannel，VDC）：其活动受膜电压变化的影响L-型(Lasting-,持续型)：特点是开启后产生持续Ca2+内流；（*可被钙通道阻滞剂所阻断）T-型(Transitory,短暂型)：开放时间短暂，很快失活；N-型(Neuronal,神经型)：开放时间介于L、T型，只存在于某些神经元上。13②受体操纵性钙通道(receptor-operatedcalciumchannel，ROC)：a配体与受体结合后→直接调节钙通道开放；b配体与受体结合后→G蛋白偶联→调节钙通道开放；c受体与配体结合后→G蛋白偶联→产生第二信使→修饰VDC(可能是L-型VDC)，调节VDC对Ca2+的通透性▽。14eg:β1受体激动剂→G蛋白→AC→cAMP→PKA→磷酸化钙通道，胞外Ca2+内流。152）细胞内贮存钙释放的机制细胞内游离Ca2+主要贮存于内质网(ER)／肌浆网(SR)中，经Ca2+释放通道释放。1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)敏感钙池:受IP3受体系统调控IP3不敏感钙池:受ryanodine受体系统调控16①IP3受体系统当IP3与IP3受体(IP3R)结合→开放钙通道，ER/SR中的钙释放入胞浆中IP3R-typeⅠ介导的Ca2+释放依赖于一定浓度的胞浆Ca2+（[Ca2+]i），呈钟形反应(bell-shapedresponse);IP3R-typeⅡ,Ⅲ则更接近线性反应。IP3R系统释放细胞内钙受许多因素影响：[Ca2+]i；碱性环境中Ca2+释放增加K+通过K+通道进入钙池，进而促进Ca2+释放肝素是IP3R的持异性拮抗剂17②ryanodine受体系统在多种细胞内普遍存在ryanodine受体（以下简称RyR）调节IP3不敏感钙池内钙的释放。现知RyR至少有3种亚型:RyR1存在于骨路肌SR上，有5032／5037个氨基酸残基；RyR2存在于心肌上，有4967个氨基酸残基，RyR3存在于非肌性细胞上，比前两者小得多，只有641个氨基酸残基。18Ca2+与RyR上的Ca2+结合位点结合，而触发SR／ER释放Ca2+。这种Ca2+诱发Ca2+释放(calciuminducedcalciumrelease，CICR)的正反馈机制是RyR系统触发Ca2+释放的特征。普鲁卡因、钌红为RyR的拮抗剂，咖啡因、ryanodine为其激动剂。193）Na+-Ca2+交换蛋白Na+-Ca2+交换蛋白:为双向性离子转运器，催化Na+从膜的一侧转运到另一侧，以交换Ca2+的相反方向的运动。3Na+:Ca2+，是产电的。3Na+Ca2+胞外胞内20Na+-Ca2+交换是利用业已建立起来的离子的电化学位能，即由Na+-K+ATPase建立的胞内外[Na+]梯度，而不直接利用ATP。Ca2+流动的方向取决于[Na+]梯度的方向，只是后者的方向相反。Na+-Ca2+交换的可逆电位约在－15mV到－30mV之间。膜电位负于可逆电位时，Na+内向和Ca2+外向运动。反之，膜电位正于可逆电位，也即膜去极化，则Na+外向而Ca2+内向运动。21(2）Ca2+离开胞液的途径Ca2+离开胞液是逆浓度梯度、耗能的主动过程:1)Ca2+-ATP酶2)Na+-Ca2+交换蛋白221)Ca2+-ATP酶心肌细胞主要依靠Ca2+-ATP酶转运Ca2+回到细胞内贮存系统或移出细胞外→恢复细胞内的Ca2+稳态。Ca2+-ATP酶有10个螺旋疏水节段，称为M1～M10。在M4，M5，M6，M8形成的一个通道中有2个对Ca2+具有很高亲和力的结合位点。这10个螺旋疏水节段与3个细胞质亲水环相连接。亲水环包含ATP结合位点和磷酸化位点。23①细胞膜Ca2+-ATP酶:利用ATP提供的能量逆细胞膜两侧高的电化学梯度泵出Ca2+，其活性受钙调蛋白、PKA、PKC等因子的调控。②细胞器（内质网及肌浆网）钙ATP酶：位于细胞内钙贮存系统（细胞器）膜上，蓄积Ca2+到细胞器腔中。心脏和血管的肌浆网Ca2+-ATP酶构型具有特殊性，其功能调节依赖于一种辅助性跨膜蛋白----受磷蛋白。24受磷蛋白（phospholamban,PLN)受磷蛋白由五个亚基(分子量6KD)组成，每个亚基均可磷酸化，有两个不同的磷酸化位点，分别对cAMP依赖的蛋白激酶A(PKA)和另一种钙调蛋白依赖的蛋白激酶起反应。受磷蛋白的磷酸化→肌浆网Ca2+-ATP的跨膜结构改变，Ca2+-ATP的泵能力随后被激活。（HF）NE↓，β-R↓→PKA↓→:Pi化PLN↓,非Pi化PLN↑→心肌舒张功能障碍252)Na+-Ca2+交换蛋白在细胞内高钙时作为钙输出系统工作Na+-Ca2+交换其转运Ca2+的速率高，约为钙泵的几十倍。Ca2+3Na+胞外胞内2627举例：给予β-激动剂→心肌收缩力↑，舒张速率↑L-VDCPLNCa2+-ATPaseCa2+-ATPase28二、细胞内钙超载29Temporallyandspatiallyorganizedincreasesin[Ca2+]c,[Ca2+]m,and[Ca2+]nrepresentoneofthemostcommonlyusedintracellularsignals.However,prolongedchangesinCa2+distributionincludinganelevationin[Ca2+]c,[Ca2+]m,and[Ca2+]nanda[Ca2+]decreaseinERtriggeravarietyofcascadesthatleadtocelldeath.301972年Shen和Jennings发现犬心脏冠状动脉短暂闭塞后复灌可加速细胞内Ca2+的积聚,并首次提出钙超载之说,此后,Ca2+在再灌注损伤中的作用一直成为人们研究的重点。各种原因引起的细胞内钙含量异常增多并导致细胞结构损伤和功能代谢障碍的现象称为钙超载(calciumoverload)。31PossibleCorrelationofCalciumOverloadwithCytotoxicityIncreasingof[Ca2+]C,calciumoverload,istheprimarycauseofcytotoxiceffects,includingnecrosisandapoptosis,oftoxicantsandstressinducedresponses.eg.Cardiotoxicity:oxidativestress,ischemia-reperfusion;Hepatotoxicity:CCl4Immunotoxicity:glucocorticoidsKidneytoxicity:oxidativestress,heavymetalsNeurotoxicity:lead,ischemia,excitatoryaminoacid32RoleofCalciumOverloadinCellularInjuryRelationof↑[Ca2+]Ctoearlyreversibleinjury-blebandcytoskeletalalteration-cellvolumechanges(↑)-nuclearchanges(↓)-condensationofmitochondriaRelationof↑[Ca2+]Ctoirreversibleinjury-swollenmitochondria-DNAstrandbreak33(一）Ca2+超载的的形态学资料电镜：大多内流的Ca2+都局限于mito基质内的致密体内（细胞Ca2+超载的显示器）,mito内Ca2+的大量内流是再灌注收缩早期的特征现象。形态学变化：缺血40min时（肌纤维水肿、mito肿胀,无Ca2+流入mito的迹象）；再灌注时:心肌细胞超微结构的损伤（收缩带的形成、心肌纤维的断裂和肌纤维膜的破坏,细胞急剧肿胀,并出现mito内致密体）用Ca2+荧光探针表明：心肌缺血90秒（已发生细胞内Ca2+↑）；短暂缺血后再灌注早期（细胞内Ca2+暂时↑）；缺血30分钟后复灌（渐进的稳定的Ca2+↑）。34（二）Ca2+超载的机制1、Na+-Ca2+交换异常2、内源性儿茶酚胺释放增多3、生物膜损伤351.Na+-Ca2+交换异常在心肌缺血和再灌注时，Na+-Ca2+交换蛋白以反向转运增强，成为Ca2+进入细胞的主要途径。胞外胞内Ca2+3Na+36（1）细胞内高Na+对Na+-Ca2+交换蛋白的直接激活缺血：缺氧→ATP↓→Na+-ATPase失灵→细胞内Na+浓度升高再灌注：氧，ATP→激活Na+-Ca2+交换蛋白细胞内高钠→Na+-Ca2+交换蛋白以反向转运的方式加速Na+向细胞外转运，同时将大量Ca2+运入胞浆。37（2）细胞内高H+对Na+-Ca2+交换蛋白的间接激活Na+-H+交换蛋白•细胞膜Na+-H+交换蛋白是离子逆向转运蛋白•Na+-H+交换蛋白主要感受细胞内H+浓度的变化，利用H+电-化学梯度作为动力来源，以1：1的比例将细胞内H+排出细胞，而将Na+摄入细胞，这是维持细胞内pH稳定的重要机制。Na+H+胞外胞内38缺血→无氧代谢↑→细胞内、外[H+]浓度↑再灌注→胞外[H+]↓，胞内[H+]仍高→跨