钙与信号传导课件

IntracellularCa2+SignalingDepartmentofPhysiologyBengbumedicalcollegeIntracellularCa2+Signaling1血Ca2+浓度与Ca2+的转运血浆Ca2+浓度正常维持在8.5-11.1mg％之间，其中46％与血浆蛋白特别是白蛋白结合，47.5％为游离钙(Ca2+)，仅有6.5％的钙以磷酸钙、柠檬酸钙、重碳酸钙、酒石酸钙、棕榈酸钙等复合物形式存在。血Ca2+浓度与Ca2+的转运血浆Ca2+浓度2历史回顾1883年,Ringer(英)发现Ca2+是维持心跳的必要条件;1953年,Heillbrunn(美)和Kamada(日)用电生理技术提出Ca影响细胞的功能;1970年,张槐耀发现钙调蛋白(Calmodulin);1978年,Neher和Sakmann建立了膜片钳技术,使单通道电流记录成为现实;1985年,Tsien(美)合成了Fura-2荧光探针;可监测胞浆游离Ca的瞬间变化;历史回顾1883年,Ringer(英)发现Ca2+是维持心跳3为什麽选择Ca2+作为第二信使？Why?SocellscanraisetheirinternalCa2+quickly,andthendecreaseitquickly.Thus,canuseCa2+asanintracellularsignallingmessenger,whileavoidingtoxiceffects.Why?Socellscanraisetheir4一、Ca2+成为胞内信使的基础Ca2+胞内外或胞质与胞内钙库的浓度差细胞外钙：10000倍于细胞内游离钙。

[Ca2+]o=1~10mmol/l=10-3~10-2mol/l细胞内钙：游离钙：

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

储备钙：99.9%

与蛋白质或小分子量的有机配体结合大部分储存于钙库(内质网，肌质网）一、Ca2+成为胞内信使的基础Ca2+胞内外或胞质与胞内钙库5细胞内总钙浓度约为lmmol／L50％存在于细胞核线粒体占30％，浓度为0.6mmol／L内质网占14％，约0.28mmoI／L质膜(外层)占5％，约0.1mmol／L而细胞溶质中仅占总钙的0.5％(结合态)或0.005％(离子态)胞内钙的分布细胞内总钙浓度约为lmmol／L胞内钙的分布6BerridgeMJetal.,Nature.1998;395:645-648.

Ca2+–alifeanddeathsignalBerridgeMJetal.,Nature.197参与神经肌肉的反应过程;镇静作用：缺钙可引起神经的兴奋性增高;调节细胞功能，激活蛋白激酶，促进蛋白质磷酸化;促进内、外分泌腺的分泌，神经递质的释放;血液凝固;维持细胞膜的通透性及完整性;参与免疫反应。Ca2+的生理功能参与神经肌肉的反应过程;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钙与信号传导课件14钙与信号传导课件15内皮舒张因子（EDRF）≈NO：内皮舒张因子（EDRF）≈NO：16钙与信号传导课件17FundamentalrolesofCa2+innervecellsChargecarrier membranepotentialCellmotility

axonalguidanceSecretion neurotransmitterreleaseRegulationofgeneexpression differentiation,synapticplasticityNeuronalviability apoptosisFundamentalrolesofCa2+inn18

--是刺激诱发产生的级链反应

--通过激活蛋白激酶，引起生理功能改变或基因表达

--不是通过酶促反应生成

--与钙结合蛋白结合而启动不同的信息通路

--信号的产生和终止以胞内钙浓度为基础。二、Ca2+作为第二信使与其它信使异同：二、Ca2+作为第二信使与其它信使异同：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+exchanger

1.External1.External22(2)ROC (1)VOC(2)ROC (1)VOC23TypesofVOC:

(1)L-type(long-lasting)(美.耶鲁大学,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内质网/肌浆网Ryanodinereceptor(2)IP3receptor2.Internal28(1)Ryanodinereceptor(RyR): mediatestheeffluxofCa2+

fromtheSRandplaysacentralroleinexcitation-contraction(E-C)coupling.特点1.所需钙阈值较低

1.5-2.0μM,咖啡因可降低此阈值,Mg可升高此阈值;

2.全或无的释放为CICR正反馈介导(1)Ryanodinereceptor(RyR):29MechanismsofE-CcouplingMechanismsofE-Ccoupling30IsoformsofRyRRyR1:SkeletalmuscleRyR2:CardiacmuscleRyR3:Brain(Coronado,1994)

DHPR:二氢吡啶受体RYR1:兰尼碱受体IsoformsofRyRRyR1:Skeletal31RegulationofRyRActivation:caffeine,ryanodine(nM),CICR,(Ca–inducedcalciumrelease)phosphorylation…Inhibition:ryanodine(M),rutheniumred(钌红),Mn2+…,RegulationofRyRActivation:c32(2)IP3receptorpathwayIP3R1:brain,nonexcitablecells(ubiquitous)IP3R3:brain,nonexcitablecells1983年,Streb发现小鼠IP3可引起细胞内钙释放.有以下特点:1.应答快140ms达高峰2.全或无应答3.不脱敏(desencibility)IP3R2:cardiacmuscle,nonexcitablecells,liver(2)IP3receptorpathwayIP3R33钙与信号传导课件34RemovalofintracellularCa2+1.Sarcolemma

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

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

肌浆网钙ATP酶(五个亚型)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、钙信号的时空组成1.钙信号的时空形式空间形式:起伏不平、环形或螺旋形的Ca波或振荡（Calciumoscillation）。起始于细胞的不同区域，如胰腺细胞始于顶部，向基底传导；而卵细胞受精时，钙波起源精卵相互作用部位，五分钟传全细胞。与IP3受体或IP3敏感性钙库不平衡分布有关时间形式：有不应期、自身的频率和传播速度三、钙信号的时空组成1.钙信号的时空形式时间形式：有不应期、38钙与信号传导课件392.Ca波或Ca振荡（Calciumoscillation）Ca波动是[Ca]i调节的基本特征波动周期为5-60秒,形式及频率因细胞而异.A:HepatocytesB:RatparotidglandC:GonadotropesD:Hamstereggs(post-fertilisation)E,F:Insulinomacells2.Ca波或Ca振荡（Calciumoscillation40心肌的钙波心肌的钙波413.Ca波动的生理意义(1)细胞自身保护作用

触发生理或病理效应;节约能量,防止Ca过高引起细胞损伤;(2)细胞信息编码的方式频率编码和幅度编码:波动的频率和幅度代表不同的信息;(3)周期性生理反应

肌肉收缩舒张;分泌细胞(内皮细胞、β细胞)的分泌;吞噬细胞的吞噬活动3.Ca波动的生理意义(1)细胞自身保护作用42Ca2+的测定方法（1）血清钙的测定5种方法：即滴定法、比色法、火焰法、离子选择电极法、活化分析法。（2）细胞内钙的测定:光谱荧光法（fluoromotric）利用单波长或双波长荧光分光光度计，应用荧光指示剂Quin-2／AM或Fura-2／AM测定细胞内Ca2+浓度。Ca2+的测定方法（1）血清钙的测定43Ca2+超载与缺血性损伤calciumoverload：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。Ca2+超载与缺血性损伤calciumoverload：各44Hypertension原发性高血压hyper/hypo-thyroidism甲亢/甲低ischemia/reperfusioninjury缺血复灌损伤Cardiomyopathy心肌病heartfailure心衰Ca2+

稳态与病