钙离子与信号转导

第八章钙离子与信号转导1．掌握质膜上的钙转移系统；内质网/肌质网钙转移系统；钙调素及膜联蛋白家族的概念。2．熟悉细胞钙的分布；钙调素的结构；钙调素的活化及作用方式。【目的要求】Ca2＋作为细胞信使的基础是胞浆Ca2＋与胞内钙库或胞外Ca2＋之间存在浓度梯度。当某种刺激使胞内Ca2＋浓度大幅度增加时，就起到传递信号的作用。Ca2＋本身的特性更有利于和靶蛋白结合，从而传递信息。一、细胞总钙（一）细胞钙的分布结合钙：与储钙蛋白结合的钙。占99.9%，主要分布在细胞核、线粒体、内质网/肌质网和质膜；游离钙：0.1mol/L。储钙蛋白：肌细胞中主要有集钙蛋白（CSQ），还有小清蛋白（parvalbumin）和钙结合蛋白（calbindin）；非肌细胞中主要是钙网蛋白（calreticulin），还有二硫异构酶、免疫球蛋白重链结合蛋白（BIP）和内质网素（endoplasmin）等。细胞钙的分布及平衡（二）质膜上的钙转移系统cytosol1.质膜钙泵（plasmamembranecalciumpump，PMCA）（Ca2＋-ATP酶）12345678910活性中心CaM结合位点磷酸化位点N端C端•高亲和力低容量，在调节胞内Ca2＋稳态上起微调作用。•质膜Ca2＋泵的调控机制：①CaM的激活Ca2＋↑→Ca2＋-CaM→与钙泵C端结合→钙泵活化②PIP2水解的双重效应③有限水解胰蛋白酶切去钙泵C端的抑制肽。④PKC和PKA的磷酸化Ca2＋PIP2水解PIP2钙泵活性IP3钙泵活性2.Na＋-Ca2＋交换器（Sodium-CalciumExchanger，NCE）利用Na＋的电化学梯度从胞内排出Ca2＋。低亲和力高容量，在调节胞内Ca2＋稳态上起主导作用。主要用于兴奋性细胞受到刺激后从胞内除去大量的Ca2＋。3.钙离子通道（1）电压门控性Ca2＋通道（voltage-gatedCa2＋channel，VGCC）：受控于膜电压的变化。除极时，Ca2＋通道打开，胞外Ca2＋内流。VGCC有6种亚型：T型：又称低电压激活的Ca2＋通道，激活后可迅速失活。L、N、P、Q、R型：又称高电压激活的Ca2＋通道，激活后可缓慢失活。L型Ca2＋通道的组成激动剂-受体门控性Ca2＋通道（receptor-gatedCa2＋channel）：配体结合于受体后激活。如：NMDA受体是Ca2＋进入神经细胞的通道；ATP受体调节Ca2＋通道，是Ca2＋进入平滑肌的通道。机械操纵型Ca2＋通道：对机械牵张敏感。主要与血管内皮细胞感受血液压力、分泌相关因子以影响血管紧张状态有关。（三）内质网/肌质网钙转移系统细胞内膜钙转移系统：表面积大；耗能少。1.内质网/肌质网（ER/SR）钙泵2.ER/SR钙离子通道RyR和IP3R：咖啡因、腺苷酸、Ca2＋及低浓度的Ryanodine促进通道开放；Mg2＋、过高浓度的Ca2＋、钙红、CaM等抑制其开放。RyR的真正激活剂是cADPR。cADPRNAD+ADPRCcGMPcGMP-cADPR促进钙释放Ca2＋信号基本单位：单个钙通道开放记录到的钙信号为反射脉冲（blip）和夸克（quark）；一组钙通道开放记录到的钙信号为钙火花（spark）和钙泡（puff）；钙团。基本单位Ca2＋信号共同特点：•钙通道开放时，Ca2＋浓度快速上升并扩散形成梯度；•钙通道关闭时，缓慢复原。•钙信号由组成各自相对独立的Ca2＋信号的基本单位所产生。3.线粒体钙转移系统线粒体对细胞内Ca2＋起着持久的、大容量的调节作用。可防止细胞内Ca2＋大幅度波动。线粒体存在钙的单向转运体，能量来自呼吸代谢形成的膜内的负电位，使钙向内移动。它对钙的亲和力很低，但运送钙的量很大。线粒体内的HPO42－对Ca2＋起缓冲作用。线粒体还存在钙的运送器，进行Na＋－Ca2＋交换，可缓慢释放钙。二、钙信号的产生、终止及传递途径（一）钙信号的产生与终止钙信号产生：质膜Ca2＋通道开放钙库Ca2＋通道开放Ca2＋浓度升高钙信号终止：胞质中Ca2＋结合蛋白对钙的缓冲质膜Ca2＋泵SERCACa2＋浓度下降（二）钙信号的时空性钙信号的时空模型：在反应的初始阶段和持续阶段，Ca2＋信号作用的空间区域不一样；在持续反应中，Ca2＋内流与外流形成的循环起基本作用；Ca2＋和其他信使一起通过激活PKC等，完成持续反应。钙通道分布不平衡：是胞内Ca2＋浓度升高呈不均一分布的一个主要因素；钙信号的时间形式：是指Ca2＋信号的不应期、传播速度和频率，这取决于钙库重充盈至可再次发生反应所需的时间。Ca2＋CaMK瞬时反应PKC持续反应CaMDAG（三）钙信号的传递途径Ca2＋信使的靶分子是钙结合蛋白和Ca2＋调节蛋白。钙信号的传递是通过钙结合蛋白介导的。钙结合蛋白的分类：①与Ca2＋结合后构象改变，再激活其他酶；②本身是一种调节酶；③与Ca2＋结合后参与其他离子通道的调节；④与Ca2＋结合后起缓冲作用，调节细胞内Ca2＋浓度。三、钙调素（一）钙调素的发现1968~1970年，美籍华人张槐耀在研究PDE对cAMP浓度的调节作用时，发现了钙调素。cAMPPDE5'-AMP5'-AMP酶Pi蛇毒腺苷＋CaMCa2+（二）钙调素的结构EF手CaMCaM与靶蛋白结合（三）钙调素的理化特性CaM是由148个氨基酸组成的耐热、酸性小分子可溶性球形蛋白。特性：①在有Ca2＋与无Ca2＋情况下，SDS电泳迁移率不同；②耐热性。CaM的结构特征：①含30%的酸性氨基酸，为结合钙提供羧基；②无易氧化的Cys和Trp，因而稳定、耐热；③不含能使肽链定型的Hyp，因此具有高度灵活性，可与靶蛋白结合；④Phe和Tyr比值高，形成特异的有5个紫外吸收峰的光谱，可作为鉴定特征。⑤115位氨基酸为三甲基赖氨酸，可增加与靶酶的亲和力。（四）钙调素的活化及作用方式•CaM的作用方式：①直接和靶酶结合，调节其活性；②通过活化CaMK，再磷酸化靶酶，间接调节其活性。CaM的活化：CaM通过与Ca2＋结合而活化。CaM活化后的构象改变：①二级结构改变，导致疏水基团暴露，以利于与靶酶结合；②形成球形构象。CaM激活靶酶的机制：靶酶存在自抑制结构域，结合CaM后，消除了自抑制作用而被活化。四、膜联蛋白家族膜联蛋白（annexin）家族：与Ca2＋结合后可进一步与膜磷脂结合的Ca2＋结合蛋白，即钙依赖性磷脂或膜结合蛋白。此家族有12个成员，存在于细胞质膜下、储Ca2＋细胞器附近以及在核内或细胞外基质中。（一）膜联蛋白家族的共同特点1.在mol/L浓度水平的Ca2＋就可与磷脂或膜结合，而且对Ca2＋及磷脂结合有特异性。2.在蛋白质的结构上有同源性。3.在细胞中的分布都直接或间接地与细胞质膜或内膜系统相联系。（二）膜联蛋白的生理功能•参与胞吐作用；•在两膜之间形成膜桥，有利于膜的黏着、聚集和融合；•具有离子通道功能；•对PLA2有抑制作用；•与细胞骨架有关。