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心肌细胞钙信号和兴奋－收缩耦联
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第一节& 细胞内钙信号概述Ca2+信号（Ca2+ signals）调控着细胞内许多重要的功能，包括短期效应如细胞电兴奋、收缩和分泌功能；长期效应如细胞转录、增殖和分化以及死亡。一、Ca2+在人体内的含量及分布99% 存在于骨骼和牙齿分布于血浆和组织细胞内的钙不到人体钙的1%细胞外：游离Ca2+浓度约1~2mmol/L细胞内：细胞核 50 ％线粒体 30 ％，浓度为0.6 mmol／L内质网 14 ％，约0.28 mmoI／L质膜(外层)占5 ％，约0.1 mmol／L胞浆Ca2+浓度：细胞在静止(非激活)状态时，细胞溶质中仅占总钙的0．5 ％(结合态)或0．005 ％(离子态)。胞浆游离Ca2+浓度约0．1 μmo1/L，不但远低于细胞外液，而且低于肌浆网和线粒体内的Ca2+浓度。随着细胞的活动，胞浆Ca2+浓度会发生变化。例如，心肌细胞胞浆游离Ca2+浓度随心动周期在0.1～10&mol/L的范围内变动，这是心肌舒缩活动的基础。血管平滑肌内Ca2+浓度的改变也为血管舒缩所必须。内分泌细胞的分泌活动也伴随有细胞内钙的变化。另外，在许多病理生理状态下，细胞内钙水平大大增加，引起细胞功能的改变，甚至导致细胞死亡。因此认为细胞内Ca2+稳态失控是许多外界因素引起细胞坏死的共同机理，因此细胞溶质Ca2+处于极为严格的调节控制之中。二、钙信号的来源有两条途径：细胞外Ca2+内流和细胞内钙库钙的释放。（一） 细胞外Ca2+内流& 研究发现，细胞膜上有三种主要的钙进入通道，即电压依赖性钙通道（VOCs）、受体门控性钙通道（ROCs）和储存开启性钙通道（SOCs）三个通道，其力学特征显著不同。VOCs和ROCs常产生短暂、高强度的Ca2+内流，对VOCs和ROCs的开放机制已比较清楚。而SOCs则产生持续的、较小Ca2+内流。SOCs的开放由储存钙的充盈状态决定。当储存钙排空时，细胞膜上的SOCs开放，Ca2+进入；反之关闭。SOCs对Ca2+特别敏感，Ca2+对SOCs似乎有双向性影响，低水平时激活，高水平则抑制其活性。SOCs的功能十分重要，提供了补充内部储存Ca2+所必需的持续Ca2+内流，维持了大量非兴奋细胞中出现Ca2+脉冲和钙波。但SOCs仍有许多问题需要解决。储存排空到通道开放间的耦联机制仍是未解决的问题。一种观点是储存排空时产生一种钙灌注因子（CIF），它扩散到细胞膜打开SOCs；另外的耦联模式可能是通过IP3R的大胞质头直接地传输信息。当储存钙排空时，IP3R发生构型变化，将信息传输到质膜中的SOCs，诱导外部钙的进入。（已发现非洲蟾蜍卵母细胞中ER的一部分与质膜间仅存在10nm的间隙，允许IP3R同 SOCs相互作用。）（二） 细胞内钙库Ca2+的释放& 细胞内14 ％钙储存在内质网（ER）/肌浆网(SR) ，30 ％钙储存在线粒体，因此它们可以作为细胞内的钙库。三、钙信号基本单位因为Ca2+在多种形式的细胞活动中起重要作用（如肌肉收缩、神经递质释放、突触适应、细胞分化和死亡等），为了完成如此众多的控制功能，细胞出现了多种不同的Ca2+信号基本单位。一些以短暂的高度局限化Ca2+爆发的形式出现，而另一些则表现为持续时间较长的球型Ca2+升高。这些由单个或成组Ca2+通道活化而引起的Ca2+释放，构成了钙信号的基本单位。（一）钙信号基本单位的类型& 大多数研究记录到的Ca2+信号基本单位代表了单通道的开放或关闭，也可能反映了局部的多组通道功能（后者可产生一个典型的Ca2+球形信号）。已在许多不同类型细胞中发现了这些基本单位，其钙信号特征为快速升高期和较慢的恢复时期。当通道开放时，Ca2+的快速释放，随着通道关闭，Ca2+通过弥散而缓慢消散。Ca2+释放通道的开放和关闭与参加数量的多少决定了球形Ca2+信号的波幅。这样的Ca2+信号基本单位有各种各样的名称，常常反映了它们的时空性质，例如：夸克（quark），火花（sparks），喷烟（puffs），沸腾（bumps），卷流（plume）和量子散发范围（quantum emissiondomains,QED）。（二）Ca2+信号基本单位的功能1．对细胞内静息钙水平的影响&&& 胞浆内静息钙水平由Ca2+进入或排出胞浆间的基本比率决定。Ca2+信号基本单位以火花和沸腾等方式释放一小团Ca2+到胞浆，有助于维持静息或基础Ca2+水平。在Hela细胞株和非洲蟾蜍卵母细胞中，已证实Ca2+信号基本单位有助于保持细胞内静息钙水平。在静息细胞或接受低水平刺激的细胞中，Ca2+少量释放到胞质中能对钙的静息水平产生显著性影响。Ca2+水平的这种升高提高了细胞内受体的兴奋性，有助于球形Ca2+信号的开始。&2．局限化功能&&& Ca2+信号基本单位产生高浓度局限化的Ca2+爆发，执行非常特殊的信号功能。例Ca2+经VOCs（电压依赖性钙通道）进入突触前膜引起一个短暂的Ca2+脉冲，激发细胞排粒作用。此作用定位在囊的附近，持续大约500us，在此期间Ca2+浓度从100nmol/L上升到200nmol/L，产生一个微小的延迟后激发排粒作用。因此VOCs同轴突蛋白的Syntaxin和25kD的突触小囊联系蛋白(SNAP25)相联系。3．对离子通道的影响&&& Ca2+信号基本单位的另一个重要局部功能是激活离子通道。肌纤维膜下的Ca2+火花刺激局部的钾通道产生STOCs。四、细胞钙信号的种类/表现方式1．钙火花：最早在激光共聚焦显微镜下发现从心肌细胞肌浆网内释放的钙可在细胞内产生局限的、类似点火花状的自发性增高，称为钙火花。是细胞内钙的自发的、局限的、非传播性增高的现象，由SR上的一簇邻近的RyR自发地释放的Ca2+所形成，反映了SR的RyR自发开放的情况。以后研究者发现同类钙火花不仅见之于可兴奋性组织（如心肌、骨骼肌、平滑肌、神经元），亦见之于非兴奋性组织和细胞，如神经胶质细胞、蛙卵细胞（Xenopus occytes），及植物根毛生长锥中的细胞。2．钙夸克：比钙火花更小的、局部的钙释放形式，它是目前发现的心肌细胞钙信号系统的最小功能性释放单位，理论上认为它是由单个钙释放通道释放出的钙。由钙夸克空间上的总和，构成了钙火花。3．钙瞬变：由心肌细胞膜上兴奋冲动到来时的电除极所诱发的瞬时性钙增高（caicium transient），也主要是由肌浆网释放的，与正常的收缩功能密切相关，是心肌细胞内正常的钙信号。它与钙波和钙火花不同，只是在兴奋-收缩耦联时出现钙瞬时性增高。4．钙波：指某些情况下（如病理状态缺血或细胞内钙负荷增高等）细胞内钙在局部自发性释放增加并伴以传导的现象（1996）。其特点是在激光共聚焦显微镜下可见细胞内钙在某个区域瞬时性增高，并以很快的速度在细胞内传播（100um/s），似乎反映了细胞对高钙负荷后的反应。5．钙振荡：细胞内钙信号的传播存在时间和空间的组合形式。始发于胞浆中某一局部的Ca2+跃升，可以一种反复瞬变的方式在细胞中传递，称钙振荡（calcium osillation）。五、钙测定由于Ca2+在生命活动的各种生理生化反应和疾病的发生、发展中扮演着极其重要的作用，随着近年来生物医学高新技术和高精科学仪器的飞速发展，从整体水平至细胞分子水平对钙的研究方法和成果越来越多。（一）整体水平上（如血清/尿钙的测定）1. 滴定法&&& 又分为氧化还原法和络合法，后者是国内应用较普遍的方法之一。尿钙的测定多采用与血清钙相同的EDTA-2Na滴定法。2. 比色法&&& 有直接比色法和间接比色法，国内多用间接比色法，即邻-甲酚酞络合法。3. 火焰法&&& 分为火焰光度计法和原子吸收法，后者比前者效果好。4. 离子选择电极法&&& 可测血中离子钙，它比测总钙更有意义。5. 活化分析法&&& 是用回旋器中子轰击试样后用质谱仪测定血钙的方法，用血量少，准确度高。此外还有45Ca放射性同位素示踪法，本法不仅可用作体内钙代谢的示踪研究，也可作为观测细胞钙流的研究，是现代比较常用的方法。（二）细胞内钙的测定DD双激发波长荧光法随着90年代中期多学科尖端技术运用，包括单细胞电生理（膜片钳技术），荧光细胞钙测量，激光共聚焦扫描显微术，数字图像处理及计算机数学模型技术的运用，特别是激光共聚焦扫描显微术精确性、高分辨等特征，大大提高了细胞内影像观测及三维重组能力，观察到了多种形式的细胞内钙离子浓度的瞬时性增高，为功能学研究提供了方便直观的图像，使人们对钙信号调控机制的探讨向纵深跨进了一大步。目前最常用、最先进的测量技术都是通过荧光法（钙荧光探针）实现的。测量时一般采用单波长法和双波长比例测量法，其原理是：探针与钙结合后不仅产生荧光强度的变化，而且有激发光或发射光谱偏移。激发峰偏移者进行双激发比例荧光测量，如fura-2；发射峰偏移者进行双发射比例荧光测量，如indo-1。一般选择对钙离子敏感而荧光强度变化相反的两个波长，如fura-2的340/380，可获得最大的比值；也可选择对钙离子敏感和不敏感的两个波长，如fura-2的340/360。例如Ca2+ 与fura-2结合后，在激发荧光波长为340ｎｍ左右时,结合物荧光强度上升;而在激发荧光波长为380ｎｍ时,其荧光强度会下降;在fura-2的等消光点360ｎｍ时,其荧光强度与结合的Ca2+ 浓度无关。这样Ca2+ 浓度可以直接由两个激发波长上的荧光强度的比值来计算。
第二节& 心肌钙转运及其调节
一、心肌细胞膜的钙转运系统目前，对心肌细胞的钙转运了解较多。心肌细胞膜含有3种跨膜钙转运系统：钙通道（Ca2+ channel）;Na+/ Ca2+交换体(Na+/ Ca2+ exchanger)和钙泵( 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。（一）钙通道心肌细胞膜有L型和T型两种亚型的钙通道，其分布、特性和作用不同。1. L型钙通道&&& L型钙通道广泛分布于心肌细胞膜上，尤其T管上含量最为丰富，是心肌细胞膜的主要钙通道类型。L型钙通道的开闭主要受膜电位变化的影响，是电压依赖性钙通道，激活电位-40～-30mV，失活电位-20mV。L型钙通道开放后持续的时间长较长，激活占时20～30ms，失活更慢（100～300ms），又称为慢钙通道。可与双氢吡啶特异性结合，也叫双氢吡啶受体（DHPR）。心肌L型钙通道是Ca2+内流的单向转运系统，由L型钙通道内流的Ca2+通过CICR机制诱导肌浆网的钙释放，对兴奋-收缩耦联起重要的调节作用。（进来的少，但瞬间局部可达到100&mol/L ）。目前临床上常用的Ca2+通道阻断剂多属此类。2. T型钙通道&&& T型钙通道主要分布在窦房结细胞和蒲肯野纤维膜，其开闭也受膜电位变化的影响。但在较低水平的去极化就可激活，失活迅速，又称快钙通道。钳制电位在-50mV时就失活。目前对其功能尚不完全了解，可能与起搏的功能有关。（二）Na+/ Ca2+交换体（NCX）Na+/ Ca2+交换体广泛分布在心、脑、肾、肺、大肠、胰和脾，以心脏含量最高。Na+/ Ca2+交换体是钙离子的双向转运系统，转运特点是与Ca2+亲和力低但转运量大。运行的方式主要有两种，即钙外排模式和钙内流模式，因此，理论上NCX不仅通过钙外排模式促进心肌的舒张，而且通过钙内流模式促进心肌收缩。决定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，钙外排模式（AP大部分时间、静息状态）；当Em>ENCX时，钙内流模式（AP最初1-3ms、药物作用及病理情况下）。（三）细胞膜钙泵Ca2+泵是Ca2+的单向主动转运系统，在Ca2+和Mg2+存在下水解ATP，耗能主动将胞浆内Ca2+转运出细胞。与Na+/ Ca2+交换体相比, Ca2+泵与Ca2+亲和力高,但转运量小。（1）心肌开始舒张时,胞浆钙浓度较高,这时主要靠亲和力低、转运量大的Na+/ Ca2+交换体将胞浆内Ca2+转运到细胞外；（2）随着胞浆Ca2+浓度的降低，Na+/ Ca2+交换体的作用减弱，而与Ca2+亲和力高的钙泵继续将胞浆内Ca2+转运出心肌，使胞浆游离钙恢复到0.1&mol/L的水平。二、心肌肌浆网的钙转运系统哺乳类动物心脏收缩所需Ca2+主要来自细胞内储存的钙。肌浆网是细胞内钙储存的主要细胞器，它通过释放钙与肌钙蛋白结合而触发心肌收缩；又通过摄取和储存Ca2+，促进心肌的舒张。因此，肌浆网通过调节胞浆游离Ca2+在心肌舒缩活动中起关键性调控作用。许多心脏疾患正是由于肌浆网功能的改变而导致心肌兴奋-收缩耦联障碍。（一）钙释放通道 又叫受体门控离子通道。心肌的钙释放通道包括两种类型：RyR和IP3R。两个受体家族在结构上和功能上具有较多相似性，因此推测它们由共同的祖先进化而来。每个受体的C末端形成嵌入SR/ER中的跨膜区域，构成功能性钙通道。通道蛋白非常大的N末端区域形成球状头，投射进胞质，同各种开启和关闭通道的信号相结合。特别重要的是两个受体家族均显示了Ca2+敏感性的Ca2+诱导Ca2+释放（CICR），产生各种基本的Ca2+脉冲和Ca2+波，构成了时空面貌不同的钙信号基本单位。1.Ryanodine受体(RyR)&&& 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，是研究骨骼肌或心肌肌浆网钙释放功能的有效工具药，对肌浆网有双重作用。即ryanodin在低浓度（nmol/L）与释放通道蛋白的高亲和位点相结合，将钙释放通道固定于开放状态，促进Ca2+的流出；而在高浓度（>&mol/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。除Ca2+外，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。现已克隆出1、2、3三种亚型，骨骼肌RyR-1型，心肌RyR-2，脑RyR-3型。2.三磷酸肌醇（IP3）受体&&& 在骨骼肌和心肌，RyR是主要的细胞内钙释放通道。而在平滑肌与非肌肉组织，钙释放的功能主要由IP3受体来完成。IP3受体位于肌浆网（内质网）膜，由IP3调节其功能。IP3受体的信号转导途径由G蛋白偶联受体或受体酪氨酸蛋白激酶激活。例如，血管紧张素Ц与细胞表面受体结合后，经Gq蛋白激活磷脂酶C，分解膜磷脂生成二酰甘油（DG）和IP3，IP3与肌浆网上IP3受体结合促进肌浆网内钙释放。T细胞活化可激活非受体酪氨酸蛋白激酶中的Src家族，进而激活磷脂酶γ，导致IP3生成和细胞内钙释放。IP3受体中的酪氨酸残基磷酸化也可增加受体的开放，促进钙释放。IP3受体有三种亚型：IP3R1、IP3R2和IP3R3。心肌细胞已发现有IP3R1的mRNA和蛋白质的表达，但含量明显低于RyR2的mRNA和蛋白质。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。在高浓度α肾上腺素能受体激动剂存在时，大鼠左室心肌可见IP3引起的细胞内钙释放；内皮素也可激活心肌细胞IP3受体，增加细胞内钙释放，但IP3引起的钙释放的速度和数量均明显低于RyR2介导的钙释放。（二）肌浆网钙泵& &&& 心肌兴奋时，肌浆网内Ca2+通过钙释放通道进入胞浆，而心肌的舒张则需要将Ca2+逆浓度差摄取回肌浆网，这一过程是由肌浆网上的钙泵（Ca2+-ATP酶）耗能完成的。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%，分布于肌浆网L-SR纵行肌浆网和J-SR的非连接面。有3个基因编码5种亚型。SERCA1基因位于人16号染色体上，编码在快收缩骨骼肌表达的钙泵亚型，其中由1001个氨基酸残基组成的1a亚型在成年骨骼肌表达，同一基因编码的1b亚型在新生骨骼肌表达，二者在结构上的主要差异是1b的C末端有8个氨基酸残基在1a则为单个甘氨酸残基所取代。SERCA2基因位于人12号染色体上，负责编码在心肌和慢收缩骨骼肌表达的钙泵，2a亚型是由996个氨基酸残基构成的单链多肽，在心肌和慢收缩骨骼肌表达；2b亚型则在平滑肌和非肌肉组织的内质网表达，二者主要差异是2a的C末端有4个氨基酸残基在2b则为一49个氨基酸残基的序列所取代，这样2b的C末端就位于内质网的腔内面，这种结构差异的生理意义尚不了解。&&& SERCA3基因编码在肌肉和非肌肉组织表达的钙泵亚型，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。除结构和组织分布的差异外，5种钙泵亚型在功能上也不相同。如SERCA1和SERCA2a对Ca2+敏感性和钙转运速率相似；而SERCA2b与Ca2+的亲和力比SERCA2a高，但转运Ca2+和水解ATP的速度却很慢；SERCA3与与Ca2+的亲和力低，对钒酸盐敏感性高，对pH要求也与其它亚型不同，各亚型之间的异同及意义还待进一步研究。肌浆网钙泵活性的调节：心肌钙泵受一个可磷酸化蛋白质―受磷蛋白（phospholamban,PLB）的调节。受磷蛋白是由位于人6号染色体上的单基因编码的肌浆网膜蛋白，主要存在于L-SR，其单体由５２个氨基酸残基组成，５个单体结合成一个５聚体存在于肌浆网膜上。受磷蛋白的C末端插入膜内，N末端亲水带正电荷，突出胞浆，在胞浆面含有磷酸化位点。非磷酸化的受磷蛋白与钙泵蛋白结合，通过蛋白－蛋白之间的相互作用抑制钙泵与Ca2+的亲和力，降低ATP酶的活性；受磷蛋白被磷酸化后可解除对SRCa2+泵的抑制而使Ca2+泵活动增强。蛋白激酶A和Ca2+－钙调素依赖性蛋白激酶在体内和体外（实验表明，蛋白激酶A催化受磷蛋白丝氨酸（１６位）磷酸化，而Ca2+－钙调素依赖性蛋白激酶催化苏氨酸（１７位）磷酸化），而蛋白激酶C和蛋白激酶G在体外可使受磷蛋白磷酸化，磷酸化的受磷蛋白与钙泵解离，消除对钙泵的抑制作用，钙泵与Ca2+的亲和力增高，Ca2+转运速率加快。受磷蛋白的去磷酸化是在磷酸酶的催化下进行的，磷酸酶使受磷蛋白脱去磷酸重新与钙泵结合，从而抑制其活性。（三）肌浆网腔内钙结合蛋白　　&&& SR内的钙结合蛋白能与摄入SR内的Ca2+结合使之贮存在SR腔内，从而增加SR内的Ca2+贮量并避免形成磷酸钙沉淀，对SR快速摄取胞质Ca2+起重要作用。其中以钙扣压素（也称集钙蛋白）（calsequestrin）含量最高，它有两种亚型，分别在骨骼肌或心肌表达。心肌钙扣压素亚型由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，尤其是C末端63个氨基酸残基中60%是酸性，最后30个氨基酸残基中71%是酸性。这种结构特点使之能结合更多的Ca2+，表现为高结合容量（1mmol蛋白质结合40～50mmol Ca2+）和低亲和力（Kd值约1mmol/L）的特点，使SR内游离Ca2+浓度由20mol/L（如果没有钙扣压素）降低到0.5mol/L。钙扣压素主要存在于JSR，当SR上的RyR开放时，与钙扣压素结合的Ca2+迅速释放入胞质。目前对Ca2+与calsequestrin解离的调控机制尚不了解。此外，肌浆网腔内还含有富含组氨酸的钙结合蛋白（histidinerich Ca2+ binding protein,HCP）、sarcalumenin和少量calreticulin，它们均与Ca2+有较强的结合能力。三、线粒体的钙转运系统&&& 线粒体内含有丰富的钙，在线粒体膜上也存在多种钙转运系统，其中将胞浆钙转运入线粒体的是钙泵、钙单向输送体（uniporter）和Ca2+-HPO4-同向转运体（symporter）；将线粒体内钙转运到胞浆的是Ca2+-2H+交换或Ca2+-2Na+交换系统。&&& 但在生理状态下，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。但当心肌细胞发生钙超载时，因线粒体的钙容量大，其对钙转运的调节对缓解钙聚集就具有代偿意义。第三节& 心肌细胞钙信号&&& 多学科尖端技术运用，包括膜片钳技术，钙荧光探针的应用，激光共聚焦扫描显微术，数字图像处理及计算机数学模型技术的运用，再结合分子生物学方法，在心肌细胞内钙信号种类以及心脏兴奋-收缩耦联研究方面取得了突破性成果。研究发现在心肌细胞内可以观察到钙夸克、钙火花、钙波以及由心肌细胞膜上电除极而诱发的钙瞬变等几种形式的心肌细胞内钙变化。一、钙火花和钙夸克―兴奋-收缩耦的基本功能单位1992年圣诞节前后，Cheng, H., Lederer, W.J.和Cannell.等用Ca2+荧光染料Fluo-3负载大鼠心肌细胞，利用激光共聚焦显微术及荧光细胞内钙测定、成像技术，首次发现静息状态的大鼠心肌细胞中有自发性的微点钙释放现象，并将其命名为钙火花（calcium spark）。这一成果发表在1993年的《Science》上。以后研究者发现同类钙火花不仅见之于可兴奋性组织（如心肌、骨骼肌、平滑肌、神经元），亦见之于非兴奋性组织和细胞，如神经胶质细胞、蛙卵细胞（Xenopus occytes），及植物根毛生长锥中的细胞。美国科学院Knox Chandler院士1999年在展望这一领域进展时，称之为一新学科，冠名为“Sparkology, 钙火花学”。上述钙火花是静息时的钙火花，由SR上的一簇邻近的RyR自发地释放的Ca2+所形成，反映了SR的RyR自发开放的情况。目前发现心肌细胞Ca2+信号系统中还有更小的功能性释放单位，称之为钙夸克（caicium quark）,理论上认为它是由单个RyR释放出的Ca2+形成的。钙夸克空间上的总和构成了钙火花。此外，钙火花也可通过电除极时由DHPR内流的Ca2+诱发SR的Ca2+释放而形成。一个DHPR与其邻近的SR上的RyR形成心肌细胞最基本的Ca2+释放单位，经此DHPR内流的Ca2+可触发RyR释放Ca2+并形成一个钙火花。在这里，经DHPR内流的Ca2+只起触发作用。钙火花一旦发生则表现出“全或无”的特征，其时程、幅度和空间范围只决定于这一钙释放单位中RyR的状态和SR中的Ca2+浓度，而与经DHPR内流的Ca2+无关。钙火花通常局限于细胞内很小的（约2μm）区域，不能传导，可以单个散在或群集成簇状。&&& 与静息时的散在钙火花相比，经钙通道离子流诱发的钙火花密度要大的多，在一次强有力的心脏搏动中，单细胞可触发约一万个钙火花。这些钙火花在胞质内发生时间和空间总和，形成瞬时性Ca2+增高，即钙瞬变（caicium transient），继而引起心肌细胞的收缩。因此钙火花和钙夸克是兴奋-收缩耦的基本功能单位。钙火花这一基础理论研究的发现对探索心肌疾病的病因与病理有何意义呢？在病理高钙条件下，发现钙火花频度增高，更亮更大，特别是，单个钙火花可触发毗邻的钙释放和钙火花；这一连锁式的反应最终形成自传导性的“钙波（calcium wave）”，后者可引起细胞膜去极化乃至产生自发动作电位，干扰正常的起搏节律，是心脏心律失常的重要诱因之一。所以至少某些心肌疾病可以溯源于钙火花的异常。此外还发现，在心衰心肌细胞中等量的L-型钙电流只能引发正常数目1/2-1/3的钙火花，而钙火花本身及其它兴奋收缩耦联的参量均未改变。因之，钙瞬变及细胞收缩幅度均大为下降。由此提出假说，造成这种L-型钙流与钙火花脱耦联（uncoupling）的原因可能在于表面膜上L-型通道与肌质网上钙释放通道的相对位置有所变化，而使钙释放通道偏离于L-型通道周围的高钙浓度区而不能被有效地触发。如经证实，这将是一个革命性的观念，因为它将提示，仅仅是微观尺度上的分子之间的错位，而非蛋白质分子本身的异常，也足以造成危及人类的一个主要疾病。钙火花在平滑肌细胞和骨骼肌细胞均可见到。&&& 在骨骼肌单纤维中，另一亚型的钙释放通道（RyRC1）型的开放也产生火花，这些钙火花受电压依赖性及钙依赖性双重机制调控。前者已为众所周知，后者虽于70年代就已提出，但一直未能确证。钙火花研究为其存在提供了确凿的依据。这一工作于1996年发表于英国的《Nature》杂志。在血管平滑肌，钙火花则引起血管平滑肌的松弛。这项研究结果最早是在大脑血管平滑肌发现的。究其原因，是因为脑动脉平滑肌细胞中，钙火花能激活邻近质膜上10～100个钙敏感性钾通道(KCa)，引起自发一过性外向电流（spontaneous transient outward currents,STOCs）。STOCs可以使平滑肌细胞膜电位超级化，因而使电压依赖的L-型Ca2+通道关闭，减少Ca2+内流，从而产生舒张作用。这一结果首次明确地表明，同样是钙离子，依其空间分布的不同，可以产生截然相反的生理效应，这一工作于1995年发表于《Science》。有证据表明，阻力性脑动脉平滑肌细胞中， KCa通道主要是由钙火花所激活，而不是由胞内Ca2+直接激活。若用兰尼定或胡萝卜素抑制钙火花（抑制RyRs），或用iberiotoxin抑制KCa通道则引起膜电位的去极化，使动脉壁Ca2+增加，脑动脉收缩。实验表明，兰尼定和iberiotoxin相互抑制对方的作用，因而表明肌浆网上的RyR通过KCa通道来影响动脉平滑肌细胞膜电位和小动脉直径。钙火花-KCa途径是一个张力负反馈机制，调节微小脑动脉的舒缩：动脉内压力增加可诱导平滑肌细胞膜电位去极化，继而导致电压依赖性的L-型Ca2+通道开放概率增加，引起Ca2+内流增加。Ca2+内流和细胞内Ca2+浓度的增加引起钙火花频率增加，后者又引起STOCs频率增加，这样就对抗了膜的去极化。&& 总而言之，钙火花的发现及一系列多学科、多领域开创性的成果拓展了细胞钙生理研究的新局面，将以前的细胞层次的研究推进到单通道及分子水平，创立了一个新学科Sparkology,不仅对心肌生理产生了深刻的影响，同时也为探求心肌疾病的成因及其它领域，如神经细胞钙信号，乃至植物钙生理，提供了新的研究工具。二、钙波――心肌静息状态下细胞内钙水平可传播性的增加&&& 钙波：指某些情况下（如病理状态缺血或细胞内钙负荷增高等）心肌细胞内钙在局部自发性释放增加并伴以传导的现象（1996）。其特点是在激光共聚焦显微镜下可见心肌细胞内钙在某个区域瞬时性增高，并以很快的速度在细胞内传播（100um/s），反映了细胞对高钙负荷后的反应。但钙波与在正常兴奋--收缩耦联时的钙释放不同，钙波的传播不受膜上钙通道离子流的控制，一旦发生，就会传播到整个细胞。虽然钙波一般认为与兴奋收缩耦联关系不大，但可见于所有哺乳类动物的心肌细胞。钙波来自于钙从肌质网中自发性释放，其频率取决于动物心脏种类、电活动形式、细胞外钙浓度、及是否存在各种药物或激素。在舒张期出现的钙自发性释放将会降低下次正常心跳时钙释放量，亦可影响舒张期张力，此外，经钠钙交换或非特异钙通道排出过量的细胞内钙也可产生去极化电流，引起心律失常。三、钙瞬变（caicium transient）――发生于心脏兴奋收缩耦联时的全细胞性钙瞬时性增高&&& 钙瞬变（caicium transient）是由心肌细胞膜上兴奋到来时膜去极化诱发的瞬时性钙增高，主要由肌浆网释放，与正常的收缩功能密切相关，是心肌细胞内正常的钙信号。它与钙波和钙火花不同，只是在兴奋-收缩耦联时出现钙瞬时性增高。传统的细胞钙瞬变（calcium transient）是由于钙火花在时间及空间随机触发并叠加的结果。除了最初几秒外，几乎是全细胞内均一性的钙增高。近年运用激光共聚焦显微镜主要采用线性扫描的方法结合膜片钳技术已研究了在兴奋――收缩耦联中的钙瞬变与钙火花的关系，表明肌浆网的钙释放是受L―型钙通道控制的。通过一个或小量的膜上L―型钙通道可以激起与这些L―型钙通道直接相关的肌浆网的钙少量释放，即诱发钙火花（电压依赖性），而这些小的局部钙释放（钙火花）聚集在一起可以总和成全细胞性钙瞬变。当肌细胞膜上有效的钙通道数目被药物或抑制剂减少时，通常空间上均匀的钙瞬变就被打破而成为钙火花。&&& 上述钙信号形式不同，但都与心肌细胞的肌浆网的钙释放有关，在心肌肥大和心力衰竭的动物模型上，可以观察到心脏肌质浆释放钙的特征发生改变。由于这类细胞膜上钙通道触发钙从肌浆网上释放的能力降低，使得钙瞬变的幅度下降，从而导致肥大心肌细胞的收缩能力下降。
第四节& 心肌细胞的兴奋―收缩耦联及变力性调节&&& 把肌细胞的电兴奋与机械收缩联系起来的中间过程称为兴奋-收缩耦联（excitation-contraction coupling）。兴奋-收缩耦联是通过胞质Ca2+浓度的升高耦联起来的一个高度有序的、十分复杂的信号传导过程。一、心肌细胞的兴奋-收缩耦联（一）兴奋-收缩耦联的基本过程1. 肌膜上的动作电位沿肌膜和由T管膜传播，激活肌膜和T管膜上的L型钙通道；2. 胞浆内的Ca2+浓度升高：细胞内Ca2+浓度的动态测量表明肌肉安静时肌浆中的Ca2+浓度低于0.1μmol/L，但在膜开始去极化后1～5ms内升高到1－10μmol/L的水平。3. 肌钙蛋白与Ca2+结合引发肌肉收缩4. 胞浆中Ca2+浓度降低，肌肉舒张。（二）SR Ca2+ 释放机制DDCICR德国生理学家Ringer在19世纪就发现，当去掉蛙心灌流液中的Ca2+后，从蛙心记录到的心电图不受影响，但心脏的收缩停止（兴奋-收缩脱耦联/电－机械分离），提示细胞外液中的Ca2+在心肌兴奋-收缩耦联中具有关键作用。那么，胞浆内的Ca2+浓度升高是否全部来源于细胞外液中的Ca2+（L型钙通道）？1983年Fabiato提出Ca2+诱导Ca2+释放（calcium-induced calcium release,CICR）学说来解释心肌细胞SR RyR Ca2+释放的调节机制。该学说认为引起RyR钙释放的触发剂是Ca2+本身。心肌中并没有DHPR同RyR2直接接触，而是利用Ca2+作为一种中介物而达到耦联。心肌细胞除极时，膜电位的变化使肌膜和T管膜上的DHPR开放，少量Ca2+由细胞外迅速进入胞质，肌膜或T管膜与JSR之间的局部Ca2+浓度增加。这种局部快速升高的Ca2＋成为SR Ca2+释放的触发剂。Ca2+与RyR上的高亲和位点相结合，RyR开放，大量Ca2+从SR内释放出来，胞质游离Ca2+浓度上升，导致Ca2+与肌钙蛋白结合并引起心肌收缩。胞质Ca2+浓度升高后，Ca2+又可和RyR蛋白上的低亲和力位点相结合，使钙释放通道关闭。一个DHPR与邻近四个RyR2构成的耦联单位代表了心肌Ca2+信号的自发性基本单位。骨骼肌肌膜和T管膜上的DHPR在激活SRRyR过程中具有完全不同的作用。骨骼肌DHPR完全开放需要几百毫秒，而骨骼肌动作电位的持续时间只有几毫秒，所以在动作电位持续期间几乎没有Ca2+内流。骨骼肌细胞膜除极时，膜上的L型钙通道被激活但并不开放，L型钙通道激活时的构象变化直接触发JSR膜上RYR的开放和Ca2+的释放。L型钙通道在引起骨骼肌SR释放Ca2+的过程中，是作为一个对电位变化敏感的信号转导分子，而不是作为离子通道来发挥作用的。DHPRα2亚单位中带正电荷的S4段的移动直接触发了RyR1的构象改变，使RyR1开放，大量Ca2+从SR释放。DHPR在这里是作为信号转导分子而不是离子通道来发挥作用。通过这种紧密的耦联，动作电位能使所有的RyR1几乎同时激活，产生爆发性Ca2+释放，引起肌肉收缩。DHPR不仅在除极时激活RyR1，而且在复极时，有助于RyR的关闭。（三） 心脏兴奋-收缩耦联的局部控制学说根据在心脏兴奋-收缩耦联的研究中钙火花的特点，认为在一个钙释放单位中，DHPR和SR的RyR之间存在着“微耦联”。每个钙释放单位的活动（发生钙火花）是独立的,只受自身DHPR的控制，不会波及或影响周围其它单位的活动。因而此学说称为心脏兴奋-收缩耦联的“局部控制学说”（local control theory）。根据局部控制学说，DHPR的开放机率增加必将增加钙火花发生的概率，以及由它总和而形成的钙瞬变幅度。（四）兴奋-收缩耦联过程中心肌细胞内钙稳态的维持（钙周期）在兴奋-收缩耦联过程中，胞质Ca2+浓度发生迅速的升高（钙瞬变的升支）和降低（钙瞬变的降支），这一变化是由肌膜和SR膜上的许多Ca2+转运蛋白完成的。形成钙瞬变升支的Ca2+中，经DHPR内流的，其余是由SR释放的。钙瞬变降支的形成与SRCa2+泵、肌膜Na+/Ca2+交换体和Ca2+泵的活动有关。1．胞质Ca2+浓度的升高（1）细胞膜Ca2+通道&& 约占10%～20％（2）细胞膜NCX&&& 少量（3）SR Ca2+释放通道&&& 80％～90%2．胞质Ca2+浓度的降低/恢复(1) SR的Ca2+摄取&&&&&& 80％～90%(2) 细胞膜NCX&&&&&&&& 10%～20％(3) 质膜Ca2+泵(4) 线粒体钙单向输送体（uniporter）综上所述，肌浆网通过释放钙触发心肌收缩，再摄取和储存Ca2+引起心肌舒张，成为调节胞浆游离钙浓度和心肌兴奋-收缩耦联的最主要的细胞器，它与细胞膜钙转运系统相互配合，共同维持心肌钙稳态。二、心肌变力性的调节和影响因素心肌变力性（inotropism）也称心肌收缩能力（contractility），是指内在的收缩特性，与前后负荷无关。许多因素如神经递质、内源性生物活性物质、细胞因子、激素等通过激活离子通道或触发信号转导过程来调节心肌变力性以适应机体的需要。许多药物和病理因素也可通过多种机制影响心肌变力性。（一）张力-频率关系大多数哺乳动物心室肌，在高于生理驱动频率范围后，随收缩频率增加，收缩力也增加（正性阶梯现象）。如果同时测定细胞内Ca2+浓度，可发现刺激频率增加时钙瞬变幅度也明显增加。产生这一现象的原因是1）增加了单位时间内动作电位平台期的总长度，使通过DHPR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Na+/Ca2+交换机制使细胞内Ca2+水平升高。在人和实验动物，心肌随心衰程度的加重，由于SR Ca2+转运功能障碍，正性阶梯现象消失或逆转为负性阶梯现象。（二）通过cAMP的机制交感-肾上腺系统在应急条件下，提供了心肌收缩能力调节的易化机制。这类易化调节的膜受体主要属于β1肾上腺素能受体（β1受体）亚型。拟交感神经胺对位于心肌细胞膜外表面的β1受体的刺激通过激动性G蛋白（Gs）活化腺苷酸环化酶（AC）的催化亚单位，引起心肌内cAPM水平升高。雨蛙素、胰高血糖素、前列腺素E、霍乱毒素、组胺等通过激活AC使cAMP水平提高；而异丁甲基黄嘌呤、茶碱、氨力农、米力农等可通过抑制环核苷酸磷酸二脂酶的活性来减少细胞内cAMP的分解。所有这些因素，再加上cAMP的亲脂性衍生物（二丁基-cAMP，8-溴-苄基-cAMP，8-溴-cAMP等）都是通过提高cAMP水平的来提高心肌变力性。cAMP是通过激活cAMP依赖性蛋白激酶（cAMP dependent protein kinase，PKA）使功能蛋白磷酸化来发挥作用的。被PKA磷酸化的心肌功能蛋白有L-型钙通道蛋白、受磷蛋白、肌钙蛋白I、肌钙蛋白C、ryanodine受体和肌球蛋白轻链（MLC）。其主要作用包括1）使DHPR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。3）受磷蛋白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）肌钙蛋白C的磷酸化导致其对Ca2+的敏感性下降。前两项作用可增加钙瞬变的幅度，有助于提高收缩功能，后两项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。（三）增加细胞内Ca2+BAYK8644、YC-170、H160/51等Ca2+促进剂直接与DHPR的α1亚单位上的特定位点结合，使钙通道开放概率增加，Ca2+瞬变幅度增加，心肌收缩加强。但这类药物大多伴有外周血管收缩，引起外周阻力增加，也使冠脉血管收缩。这种效应限制了其作为治疗心衰药物的临床应用。新的Ca2+激动剂BAYy5959对心脏有选择性作用，增加了其临床应用的可能性。（四）激动反向Na/Ca交换心肌细胞由DHPR内流的Ca2+是CICR的主要途径，但也有证据表明通过反向Na/Ca交换内流的Ca2+也可触发CICR。现已证明，血管紧张素Ⅱ、内皮素Ⅰ、β1受体激动剂、E-4031等对心肌反向Na/Ca交换的激动作用，是它们正性变力作用的重要机制。（五）增加细胞内Na+洋地黄类药物可通过抑制钠泵的活性使细胞内Na+浓度增加。胞浆Na+浓度升高使膜两侧Na+浓度梯度减小，从而减少了经Na/Ca交换排出的Ca2+，使胞浆内Ca2+浓度升高。钠通道激动剂，如藜芦碱、BDF9148等可增加动作电位除极期进入细胞内的Na+，进而提高胞浆Ca2+浓度，提高心肌变力性。（六）Ca2+敏感性的调节以上改变心肌变力性的因素都与胞浆内Ca2+浓度的改变有关，但有些药物在增加心肌变力性的同时不增加胞浆Ca2+浓度，而是通过增加收缩蛋白对Ca2+的敏感性来发挥作用，这类强心剂也称为钙增敏剂。作用机制有：1）中心机制：药物与肌钙蛋白C的Ca2+结合位点起反应，增加或降低对Ca2+的亲和力。2）下游机制：干预肌钙蛋白-原肌球蛋白复合物与肌动蛋白的相互反应；影响横桥周期（另一种下游机制）。如甲基黄嘌呤类（咖啡因和茶碱）通过降低Ca2+与肌钙蛋白解离的速率提高肌钙蛋白与Ca2+的亲和力。MCI-154增加肌钙蛋白与Ca2+的亲和力来发挥Ca2+增敏作用。第五节& 钙调节紊乱与心血管疾病钙离子在心肌细胞和平滑肌细胞的功能与代谢活动中发挥着关键性的调节作用，它不仅是细胞兴奋－收缩耦联中的重要因素，而且参与细胞内的信号转导、动作电位的形成和各种代谢活动。因此钙稳态失衡可引起细胞功能障碍和代谢紊乱，甚至导致细胞死亡。一、心力衰竭心力衰竭是指心肌的舒缩功能障碍而导致泵血功能降低，其发病机制与心肌钙转运失常密切相关。心力衰竭动物和患者心肌细胞内Ca2+的周期性变化异常，例如扩张性心肌病患者静息水平Ca2+浓度比正常人明显升高，〔（165±61）nmol／L对（96±47nmol／L）〕，而钙增高的峰值却明显降低〔（367±109）nmol／L对（764±249）〕nmol／L；而且心力衰竭患者细胞内Ca2+上升与下降所需的时间都明显延长。正常情况下心肌收缩时，需要细胞膜钙内流和肌浆网钙释放引起胞浆Ca2+浓度快速上升；而心肌舒张时，需要细胞外钙内流和肌浆网摄取使胞浆Ca2+浓度迅速降低，心力衰竭的钙转运异常主要表现为细胞膜钙内流、钙外排和肌浆网钙转运障碍。（一）肌浆网钙转运功能障碍由于肌浆网是心肌收缩所需钙的主要来源，也是心肌钙储存的主要场所，所以肌浆网的钙转运失常在心力衰竭的发生与发展中起关键作用。&&& 1.肌浆网钙释放功能的改变& 心肌肌浆网RyR的含量远高于IP3受体，肌浆网RyR钙诱发的钙释放是心肌收缩所需Ca2+ 的主要来源，而IP3受体的钙释放受激素影响，调节心肌收缩力的强弱。除因L型钙通道异常使钙内流减少造成肌浆网钙释放减少外，晚期心力衰竭患者心脏RyR2mRNA和蛋白表达量亦降低，而IP3受体mRNA却升高。例如，缺血性心肌病患者左室RyR2mRNA降低29％，IP3受体mRNA增加98％；扩张性心肌病患者左室RyR2mRNA降低32％，IP3受体mRNA增加143％，这表明心力衰竭晚期表现出RyR2下调和IP3受体上调。在狗、兔和大鼠的心力衰竭模型，也观察到RyR2mRNA降低和IP3受体升高。结扎大鼠主动脉造成心肌肥大的模型，发现RyR2 mRNA表达降低出现在有明显血流动力学异常之前。RyR功能抑制和数量减少使肌浆网钙释放不足，心肌收缩力降低。由于心脏自身功能障碍，心脏更依赖交感神经系统提供有效的收缩动力，IP3受体mRNA上调可能是衰竭心脏增加对激素调节敏感性的一种机制。但动物实验和临床研究也发现心力衰竭时RyR含量可以无变化。2.肌浆网钙摄取减少& 心力衰竭时心肌钙调节紊乱的最主要环节是肌浆网钙泵功能障碍。在轻度损伤的心肌，肌浆网钙泵的功能可代偿性升高，而随着心肌损伤的加重，钙泵功能逐步降低。临术研究中发现，无论是缺血性、肺源性、瓣膜性、扩张性或是肥厚性心脏(肌)病，多数心力衰竭患者钙摄取率、ATP酶活性和钙泵蛋白含量均降低，特别是所有检测了SERCA2mRNA表达的患者，均显示其钙泵mRNA水平比无心力衰竭者降低36％---60％，这提示肌浆网钙泵基因转录异常造成的钙泵数量减少是引起钙泵功能障碍的重要机制。在非衰竭心脏，虽然SERCA2mRNA水平无显著降低，但钙泵功能已明显抑制，这表明肌浆网钙泵功能改变除了基因转录和蛋白质翻译水平的异常外，翻译后功能的调节也起着重要作用。肌浆网钙泵功能的降低往往与左心室射血功能抑制呈正相关。提示肌浆网摄钙异常是心力衰竭时心肌舒缩功能障碍的主要原因。心力衰竭时心肌受磷蛋白可以减少或不变。Meyer等发现衰竭心脏钙泵蛋白水平比受磷蛋白水平下降更为明显，这提示钙泵与受磷蛋白之间的比例发生了改变，受磷蛋白对衰竭心脏比对非衰竭心脏钙泵功能的抑制作用更加明显。对心力衰竭的动物和患者的研究发现，calsequestrin和calreticulin的mRNA和蛋白水平均无变化，提示肌浆网钙储存不参与钙转运功能降低的发病机制，也说明心力衰竭时细胞对不同蛋白质表达的调控机制是不同的，心房肽水平升高；肌浆网RyR和钙泵水平多降低，而钙结合蛋白无明显变化。综上所述，心力衰竭时肌浆网钙泵功能异常造成其摄钙量减少，胞浆游离Ca2+ 水平升高，使心肌舒张不全。随心力衰竭程度的加重，SERCA2转录和翻译受损、钙泵数量降低、肌浆网摄钙能力进一步降低，胞浆游离Ca2+明显升高。除心肌舒张不全外，肌浆网摄钙能力的降低还影响到下一个心动周期的肌浆网钙释放，加之钙释放通道的损伤，使肌浆网释放钙减少，心肌收缩力减弱(图8―6)。因而，肌浆网钙转运异常是心力衰竭时心肌舒缩功能障碍的重要的细胞和分子机制。细胞膜L型钙通道和钙泵功能损伤进一步使心功能受到抑制。&&&&&&&&&&&& （二）肌膜钙转运功能障碍1．钙内流障碍细胞膜钙内流的数量和持续时间是触发肌浆网钙释放的关键。此外，钙内流还参与心肌细胞去极化、产生动作电位平台期并介导起博活动和冲动传导。心力衰竭时钙内流减少的机制是：（1）钙通道数量减少：有实验报道，在心肌梗死引起的中晚期心力衰竭大鼠，Ｌ型钙通道密度降低，且与心功能进行性下降呈平行关系，提示钙通道减少引起的钙内流减少与心力衰竭的发展有关。在缺血性或扩张性心肌病所致心力衰竭患者也发现心肌Ｌ型钙通道ｍＲＮＡ表达降低。（2）钙通道开放减少：β肾上腺素受体活化后经Gs刺激腺苷酸环化酶，增加cAMP生成，通过蛋白激酶A增加钙通道磷酸化，促进钙通道开放并延长开放时间。心力衰竭时心肌局部去甲肾上腺素含量减少，特别是β肾上腺素受体减敏使儿茶酚胺介导的钙通道磷酸化程度降低，钙内流减少。2．钙外排障碍为了维持胞浆和细胞器Ca2+浓度稳定，在动作电位期间由细胞外进入的钙必需被泵出细胞，这是通过钠钙交换和细胞膜钙泵完成的。实验表明，心力衰竭时的钙外排减少主要是由于细胞膜钙泵功能抑制或钙泵数量减少，钠钙交换蛋白变化不大，甚至可能代偿性增高。在心功能障碍早期就可见细胞膜钙泵蛋白水平和mRNA水平下降，而钠钙交换蛋白mRNA无明显变化。因扩张性心肌病而致心力衰竭患者，钠钙交换蛋白mRNA增加55％；冠状动脉缺血所致心力衰竭患者mRNA增加41％，而细胞膜钙泵mRNA表达均减少。蛋白水平有相似变化，但蛋白量的变化不如mRNA改变明显。糖尿病大鼠心肌细胞膜钙泵功能比对照鼠明显降低，Ca2+－ATP酶活性也受到抑制，使用胰导素治疗可使细胞膜钙泵功能得到改善。心肌细胞膜钙内流减少，对肌浆网钙释放的刺激降低；钙外排减少促进钙超载的发生和发展，导致心肌舒张功能障碍。
综上所述，心力衰竭时肌浆网钙泵功能异常造成其摄钙量减少，胞浆游离Ca2+ 水平升高，使心肌舒张不全。随心力衰竭程度的加重，SERCA2转录和翻译受损、钙泵数量降低、肌浆网摄钙能力进一步降低，胞浆游离Ca2+明显升高。除心肌舒张不全外，肌浆网摄钙能力的降低还影响到下一个心动周期的肌浆网钙释放，加之钙释放通道的损伤，使肌浆网释放钙减少，心肌收缩力减弱(图8―6)。因而，肌浆网钙转运异常是心力衰竭时心肌舒缩功能障碍的重要的细胞和分子机制。细胞膜L型钙通道和钙泵功能损伤也对心功能抑制起辅助作用。&&&&&&&&&&&&&& 图8―6& 钙转运异常导致心力衰竭的机制二、心肌缺血-再灌注损伤短暂缺血后再灌注使缺血性损伤进一步加重的现象称为缺血-再灌注损伤，心脏是易于发生缺血-再灌注损伤的器官之一。研究表明钙超载、自由基增加和白细胞激活是缺血―再灌注损伤的主要发病机制。再灌注早期，大量细胞外钙进入细胞内，使胞浆游离Ca2’浓度升高，进而造成心肌收缩力降低、心律失常甚至心肌坏死。再灌注时钙内流的机制是：1. Na+-Ca2+交换蛋白的过度激活（1）缺血期ATP含量减少，Na+-K+-ATP酶抑制，使细胞内Na+ 浓度升高。再灌注使缺血细胞重新获得氧和营养物质的供应，细胞内Na+升高迅速激活胞膜Na+-Ca2+交换蛋白，以加速Na+外运，同时使大量Ca2+内流。（2）缺血期酸中毒使细胞内H+ 浓度升高，激活Na+-H+交换蛋白，将H+ 外运，Na+内移。细胞内Na+浓度增加进一步激活Na+-Ca2+交换蛋白。（3）缺血－再灌注时儿茶酚胺释放增加，亦可通过激活PKC促进Na+-Ca2+交换蛋白磷酸化，增加Ca2+内流。2. 细胞膜通透性增加&&& 缺血―再灌注时生成的自由基和激活的磷脂酶均可破坏细胞膜磷脂，使膜的通透性增加而流动性降低，细胞外Ca2+ 顺浓度差大量流人细胞，胞浆Ca2+ 浓度升高。&&& 缺血―再灌注时，心肌肌浆网钙泵功能也受到抑制，促进钙超载的发生和发展。&&& 钙超载可从多个方面造成心肌损伤，例如抑制线粒体氧化磷酸化、引起再灌注性心律失常和产生心肌顿抑等。