1、Intracellular Ca2+ SignalingDepartment of Physiology Bengbu medical college血Ca2+浓度与Ca2+的转运 血浆血浆Ca2+浓度正常维持浓度正常维持在在8.5 - 11.1 mg 之间，之间，其中其中46 与血浆蛋白特别是白蛋白结合，与血浆蛋白特别是白蛋白结合，47.5 为游离为游离钙钙(Ca2+)，仅有，仅有6.5 的钙以磷酸钙、柠檬的钙以磷酸钙、柠檬酸钙、重碳酸钙、酒石酸钙、棕榈酸钙等复合物酸钙、重碳酸钙、酒石酸钙、棕榈酸钙等复合物形式存在。形式存在。历史回顾历史回顾1883年年,Ringer(英英)发现发现Ca2+
2、是维持心跳的必要条件是维持心跳的必要条件;1953年年,Heillbrunn(美美)和和Kamada(日日)用电生理技术提出用电生理技术提出Ca影响细胞的功能影响细胞的功能;1970年年,张槐耀发现钙调蛋白张槐耀发现钙调蛋白(Calmodulin);1978年年,Neher和和Sakmann建立了膜片钳技术建立了膜片钳技术,使单通道电流使单通道电流记录成为现实记录成为现实;1985年年,Tsien(美美)合成了合成了Fura-2荧光探针荧光探针;可监测胞浆游离可监测胞浆游离Ca的瞬间变化的瞬间变化;为什麽选择为什麽选择Ca2+作为作为第二信使？第二信使？Why? So cells can ra
3、ise their internal Ca2+ quickly, and then decrease it quickly. Thus, can use Ca2+ as an intracellular signalling messenger, while avoiding toxic effects.一、一、CaCa2+2+成为胞内信使的基础成为胞内信使的基础nCa2+胞内外或胞质与胞内钙库的浓度差胞内外或胞质与胞内钙库的浓度差n细胞外钙：细胞外钙：10000倍于细胞内游离钙。倍于细胞内游离钙。 Ca2+o=1 10mmol/l =10-310-2mol/ln细胞内钙：细胞内钙： 游离钙：
4、游离钙： 0.1% Ca2+i=100 nmol/l =10-7mol/l 储备钙：储备钙：99.9% 与蛋白质或小分子量的有机配体结合与蛋白质或小分子量的有机配体结合 大部分储存于钙库大部分储存于钙库(内质网，肌质网）内质网，肌质网）n 细胞内总钙浓度约为细胞内总钙浓度约为l mmolLn 50 存在于细胞核存在于细胞核n 线粒体占线粒体占30 ，浓度为，浓度为0.6 mmolLn 内质网占内质网占14 ，约，约0.28 mmoILn 质膜质膜(外层外层)占占5 ，约，约0.1 mmolLn 而细胞溶质中仅占总钙的而细胞溶质中仅占总钙的0.5 (结合态结合态)或或 0.005 (离子态离子态
5、)胞内钙的分布胞内钙的分布 Berridge MJ et al., Nature. 1998; 395: 645-648. Ca2+ a life and death signal1.1.参与神经肌肉的反应过程参与神经肌肉的反应过程; ;2.2.镇静作用：缺钙可引起神经的兴奋性增高镇静作用：缺钙可引起神经的兴奋性增高 ; ;3.3.调节细胞功能，激活蛋白激酶，促进蛋白质磷酸化调节细胞功能，激活蛋白激酶，促进蛋白质磷酸化; ;4.4.促进内、外分泌腺的分泌，神经递质的释放促进内、外分泌腺的分泌，神经递质的释放; ;5.5.血液凝固血液凝固; ;6.6.维持细胞膜的通透性及完整性维持细胞膜的通透性
6、及完整性; ;7.7.参与免疫反应。参与免疫反应。Ca2+的生理功能Calcium in muscle: ICaCa的生理作用的生理作用Calcium in phototransductionCalcium in taste receptorsCalcium and synapses: ICalcium and synapses: II内皮舒张因子内皮舒张因子（EDRF） NO：Fundamental roles of Ca2+ in nerve cellsCharge carriermembrane potentialCell motility axonal guidanceSecretio
7、n neurotransmitter releaseRegulation of gene expression differentiation, synaptic plasticityNeuronal viability apoptosis -是刺激诱发产生的级链反应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。信号的产生和终止以胞内钙浓度为基础。二、二、Ca2+ 作
8、为第二信使与其它信使异同：作为第二信使与其它信使异同：Ca2+ gradient under resting conditionCa2+o 10-3 MCa2+i 10-7 M Why ?1. Sarcolemma impermeable to Ca2+ Ca2+ pump (Ca2+-ATPase)Na+-Ca2+ exchanger2. Endoplasmic/sarcoplasmic reticulum (ER/SR) Ca2+-ATPase3. Mitochondria Initiation of intracellular Ca2+ signalCa2+o 10-3 MCa2+i 1
9、0-7 M HOW ?Two primary sources:1. External Extracellular Ca2+2. InternalER/SRCa2+i 10-5 MCa2+ influx from extracellular fluid through:(1) VOC: voltage-operated Ca2+ channels(2) ROC: receptor-operated Ca2+ channels(3) SOC: store-operated Ca2+ channels(4) Na+-Ca2+ exchanger1. External(2) ROC (1) VOCTy
10、pes of VOC: (1) L-type (long-lasting) (美美.耶鲁大学耶鲁大学,Nowycky, 1985) (2) T-type (transient) (Nowycky, 1985) (3) N-type (neither L-type nor T-type) (Nowycky, 1985) (4) P-type (Purkinje) (Llinas, 1992) (5) F-type (fetal) (Tohse, 1992) Voltage-Gated Calcium Channels Ca2+ channelsDuration of currentlong-la
11、stingtransientActivation kineticsslowerfasterInactivation kineticsslowerfasterThresholdhigh (-35mV)Low (-60mV)cAMP/cGMP-regulatedYesNoPhosphorylation-regulatedYesNoOpenersBay-K-8644-BlockersvarapamilTetramethrinnifedipine, diltiazemNi2+ Inactivation by Ca2+iYesslightPatch-clamp recordingrun-downrela
12、tively stableL-type T-type L-type Ca2+ channelPKAphosphorylationRegulation of L-type Ca2+ channels :Increases in:numberprobabilityopen time2. InternalCa2+ release from ER/SR 内质网内质网/肌浆网肌浆网(1)Ryanodine receptor (2) IP3 receptor(1) Ryanodine receptor (RyR): mediates the efflux of Ca2+ from the SR and p
13、lays a central role in excitation-contraction (E-C) coupling.特点特点1.所需钙阈值较低所需钙阈值较低 1.5-2.0M,咖啡因可降低此阈值,Mg可升高此阈值; 2.全或无的释放全或无的释放 为CICR正反馈介导Mechanisms of E-C couplingIsoforms of RyRRyR1: Skeletal muscleRyR2: Cardiac muscleRyR3: Brain(Coronado, 1994) DHPR:二氢吡啶受体二氢吡啶受体RYR1:兰尼碱受体兰尼碱受体Regulation of RyRActiv
14、ation: caffeine, ryanodine (nM), CICR,(Ca induced calcium release) phosphorylation Inhibition: ryanodine (M), ruthenium red(钌红),Mn2+,(2) IP3 receptor pathwayIP3R1: brain, nonexcitable cells (ubiquitous)IP3R3: brain, nonexcitable cells1983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(de
15、sencibility)IP3R2: cardiac muscle, nonexcitable cells, liverRemoval of intracellular Ca2+1. Sarcolemma Ca2+-ATPase Na+-Ca2+ exchanger2. Endoplasmic/sarcoplasmic reticulum (ER/SR) Ca2+-ATPase3. Mitochondria*Sarco-endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA) 肌浆网钙ATP酶(五个亚型)SERCA1fast-twitch skeletal muscl
16、e (SM)adult (SERCA1a) neonatal (SERCA1b)SERCA2cardiac muscle (SERCA2a) slow-twitch SM (SERCA2b)SERCA3muscle and nonmuscle cells(Arai, 1994) Ca2+iCa2+iExternalVOC, ROC, SOC, Na+-Ca2+ exchangerInternal RyRIP3RSERCASarcolemma Ca2+-ATPase Na+-Ca2+ exchangerMitochondria*Summary of calcium homeostasis三、钙信
17、号的时空组成三、钙信号的时空组成1.1.钙信号的时空形式钙信号的时空形式 空间形式空间形式: :起伏不平、环形或螺旋形的起伏不平、环形或螺旋形的CaCa波或波或振荡（振荡（Calcium oscillationCalcium oscillation）。起始于细胞的不）。起始于细胞的不同区域，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。 与与IP3IP3受体或受体或IP3IP3敏感性钙库不平衡分布有关敏感性钙库不平衡分布有关时间形式：时间形式：有不应期、自身的频率和传播速度有不应期、自身的频率和传播速度2.Ca波或波或Ca振荡（振荡（Calc
18、ium oscillation）Ca波动波动是是Cai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: Rat parotid glandC: GonadotropesD: Hamster eggs (post-fertilisation)E, F: Insulinoma cells心肌的钙波心肌的钙波3.Ca波动的生理意义波动的生理意义(1)细胞自身保护作用细胞自身保护作用 触发生理或病理效应触发生理或病理效应;节约能量节约能量,防止防止Ca过高引起细胞损伤过高引起细胞损伤;(2)(2)细胞信息编码的方式细胞信息编码的方式 频率编码和幅度编码频率编码
19、和幅度编码: 波动的频率和幅度代表不同的信息波动的频率和幅度代表不同的信息; ;(3)(3)周期性生理反应周期性生理反应 肌肉收缩舒张肌肉收缩舒张; ;分泌细胞分泌细胞( (内皮细胞、内皮细胞、细胞细胞) )的分泌的分泌; ;吞噬吞噬细胞的吞噬活动细胞的吞噬活动Ca2+的测定方法（1）血清钙的测定）血清钙的测定 5种方法：即滴定法、比色法、火焰法、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。离子选择电极法、活化分析法。（2）细胞内钙的测定）细胞内钙的测定:光谱荧光法（光谱荧光法（fluoromotric） 利用单波长或双波长荧光分光光度计，应用利用单波长或双波长荧光分光光度
20、计，应用荧光指示剂荧光指示剂Quin-2AM或或Fura-2AM测定细胞测定细胞内内Ca2+浓度。浓度。CaCa2+2+超载与缺血性损伤超载与缺血性损伤ncalcium overload：各种原因引起的细胞：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。和功能代谢障碍的现象，称为钙超载。Hypertension 原发性高血压原发性高血压hyper/hypo-thyroidism 甲亢甲亢/甲低甲低ischemia/reperfusion injury缺血复灌损伤缺血复灌损伤Cardiomyopathy 心肌病心肌病hea
21、rt failure 心衰心衰CaCa2+2+ 稳态与病理生理学稳态与病理生理学Ca2+-钙调蛋白钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径依赖性蛋白激酶途径（ Ca2+-CaM激酶途径）激酶途径）n19671967年年, ,张槐耀，探讨细胞内张槐耀，探讨细胞内cAMPcAMP浓度的变化：研究浓度的变化：研究PDEPDE（磷酸二酯酶）对磷酸二酯酶）对cAMPcAMP浓度的调节。浓度的调节。n两步法与一步法两步法与一步法nPDEPDE粗提液：两种方法所测活力一样。粗提液：两种方法所测活力一样。n提纯的提纯的PDEPDE：一步法比两步法活力高。一步法比两步法活力高。n解释：粗提液中存在解释：粗提液中存在PDE的一
22、种活化因子的一种活化因子，在提纯，在提纯时丢掉了。时丢掉了。n蛇毒不仅提供了蛇毒不仅提供了5-AMP酶，还补偿了活化因子，酶，还补偿了活化因子，并提纯了该活化因子。并提纯了该活化因子。n1973年，恒内史朗，指出年，恒内史朗，指出PDE对对钙钙的依赖性。的依赖性。n汪学荆：汪学荆：钙与钙与PDE活化因子的结合活化因子的结合导致导致PDE活化。活化。n1978年，张槐耀建议命名为年，张槐耀建议命名为calmodulin(calcium-modulated protein,CaM)CaM(calmodulin)为钙为钙结合蛋白，是钙的传感器，结合蛋白，是钙的传感器，有有 4个个Ca2+结合位点，结合位点，呈哑铃形呈哑铃形Ca2+-CaM激酶的底物谱激酶的底物谱广泛广泛Ser/Thr残基磷酸化残基磷酸化激活激活AC、磷酸二脂酶、磷酸二脂酶调节调节PKACopyright 2012, Sudong Guan . All rights reservedDepartment of Physiology, Bengbu Medical collegeTo be continued
