心肌细胞之二:兴奋收缩偶联
心肌细胞的基本功能是收缩。心房和心室肌细胞维持稳定的低膜电位(约-80mV),由外部刺激后可迅速升高。 心脏兴奋收缩偶联是心肌细胞将动作电位的兴奋转化为细胞收缩的过程 [1-3]。在心肌细胞中,兴奋收缩偶联中的第一个关键步骤是“钙诱导的钙释放”(Calcium induced calcium release, CICR)。 兴奋时,钙离子首先通过肌膜L型通道的内流,接着通过细胞内浆膜网兰诺定受体触发钙离子的 释放。释放的Ca 2+与肌钙蛋白C的结合减少了肌动蛋白 - 肌球蛋白相互作用的抑制,并且形成横桥连接、心肌收缩。心肌在收缩一段时间后,钙离子通过肌浆网上的CaATPase(SERCA)泵回,或者通过钠钙交换子排出胞外。要深入了解兴奋收缩偶联,从一篇文章读起是最方便的, Cardiac excitation-contraction coupling. Bers DM. Nature 2002;415:198-205,本文在谷歌学术被引用超过3000次。
Dr. Bers这篇2002年论文中心肌细胞示意图已成为经典,每次学生的学术讲座用到这张图,必搏教授会心一笑。不管讲离子通道/线粒体/心肌丝/肌浆网功能、能量平衡、钙稳态、翻译后修饰的调节功能等等,毫无违和感。自上世纪九十年代以来, 细胞以下分子水平的研究沉淀了好多经典,学而时习之,其乐无穷。
胞内蛋白磷酸激酶-蛋白磷酸酶信号系统对兴奋收缩偶联调控起到重要的作用,包括:(1)结合在Ryanodine受体的大分子复合体,包括钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(CaMKII)、cAMP依赖性蛋白激酶(蛋白激酶A,PKA)、蛋白磷酸酶1型PP1、2A,FK-506结合蛋白等 [4];( 2)蛋白磷酸激酶和蛋白磷酸酶共同调节的SERCA2A-受磷蛋白复合体 [5-7] ;以及(3)心肌丝蛋白(TnI, TnT, MyBP-C, MLC2等)的磷酸化状态 [8-10]。
参考文献
1. Callewaert G. Excitation-contraction coupling in mammalian cardiac cells. Cardiovasc Res 1992;26:923-32.
2. Bers DM. Cardiac excitation-contraction coupling. Nature 2002;415:198-205.
3. Bers DM. Calcium cycling and signaling in cardiac myocytes. Annu Rev Physiol 2008;70:23-49.
4. Bers DM. Macromolecular complexes regulating cardiac ryanodine receptor function. J Mol Cell Cardiol 2004;37:417-29.
5. Frank KF, Bolck B, Erdmann E, Schwinger RH. Sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase modulates cardiac contraction and relaxation. Cardiovasc Res 2003;57:20-7.
6. Hawkins C, Xu A, Narayanan N. Sarcoplasmic reticulum calcium pump in cardiac and slow twitch skeletal muscle but not fast twitch skeletal muscle undergoes phosphorylation by endogenous and exogenous Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase. Characterization of optimal conditions for calcium pump phosphorylation. J Biol Chem 1994;269:31198-206.
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8. Belin RJ, Sumandea MP, Allen EJ, Schoenfelt K, Wang H, Solaro RJ et al. Augmented protein kinase C-alpha-induced myofilament protein phosphorylation contributes to myofilament dysfunction in experimental congestive heart failure. Circ Res 2007;101:195-204.
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