钠钙交换与心脏兴奋收缩偶联
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【摘要】钠钙交换（Na-Ca exchange,NCX）是心肌细胞主要的排钙通道，它对维持胞内Ca2+浓度的平衡起到关键作用。其对心脏兴奋收缩耦联的影响主要是通过调节细胞内Ca2+浓度来完成的。本文通过研究NCX、L型钙通道、肌浆网Ca2+-ATP酶（SERCA）和肌质网上的RyR受体四者之间的关系，和过度表达NCX时对二联体缝隙内Ca2+浓度的影响，来阐述NCX对兴奋收缩偶联的影响。
【关键词】钠钙交换（Na-Ca exchange,NCX）；兴奋收缩耦联；L型钙离子通道(L-type Ca2+ channel,LCC)
【中图分类号】R865【文献标识码】B【文章编号】1005-0515(2011)03-0232-02
1 钠钙交换在心肌细胞膜上对钙离子的调节
心肌的兴奋收缩耦联(excitation-contraction coupling,ECC)由Ca2+通过L型钙通道(L-type Ca2+ channel,LCC)进入细胞而启动，内流的Ca2+可触发肌质网(sarcoplasmic reticulum,SR)上的Ca2+释放通道（即II型Ryanodine受体，RyRs）。为了保证Ca2+平衡和心肌的舒张,一次心跳收缩时进入心肌细胞的Ca2+数目应等于排出的Ca2+数目。而心脏主要的排钙机制就是通过NCX。NCX通过调节SR上Ca2+的载入、释放、钙火花发放频率来直接参与兴奋收缩耦联的调节。
1.1 钠钙交换的生理意义l心肌细胞的NCX是通过位于细胞膜上的钠钙交换体完成的，是非耗能低亲和力高容量的双向转运系统，其转运方向由细胞内外钙离子和钠离子的电化学梯度、膜电位和化学计量共同决定。一般认为它的化学定量是3 Na+：1 Ca2+[1]，但也有文献报道是3.2 Na+：1 Ca2+ [2]或4 Na+：1 Ca2+ [3]。
正向转运：Na+ 顺电化学梯度进入心肌细胞,而Ca2+则逆电化学梯度移出心肌细胞，这是胞浆内的Ca2+ 转运至细胞外，从而与经L型钙通道内流的Ca2+保持平衡的最主要途径[4]。另一种使胞内Ca2+降低的机制是通过肌浆网Ca2+-ATP酶（SERCA）将Ca2+重新摄入到肌浆网（SR）内。这两种机制均可降低胞内钙离子浓度，使心肌细胞收缩后进入舒张状态。NCX出生时表达最多，其后逐渐减少，成年阶段已减少到较低水平，而与此相反SERCA在出生后的表达逐渐增多[5]。
反向转运：细胞内的Na+与细胞外的Ca2+进行互换。NCX反向模式介导的Ca2+内流有助于增加SR内的Ca2+容量，直接触发SR上的钙触发钙释放机制（CICR），或通过调节L型钙通道触发SR内钙释放[6]。Leblanc和Hume发现内向的钠离子流（INa+）可提高细胞内Na+的浓度导致NCX的反向转运，从而介导SR上的CICR机制[6]。但目前来看这套理论还尚存争议，因为一些研究表明通过NCX的反向转运进入细胞的Ca2+流太慢，持续时间太短，流量很小，以至于无法激活Ca2+释放机制[7]。还有些研究表明钠钙交换于L型钙通道和RyRs之间，有利于二者间的相互作用[8]。
总之，钠钙交换体介导的Ca2+外排或内流是调节Ca2+平衡的重要机制。
1.2 钙信号触发心肌细胞兴奋收缩耦联的机制：兴奋收缩耦联是指从心肌电兴奋开始到心肌收缩并泵血这一过程。在心电活动中Ca2+作为第二信使起关键作用。在钙偶联位点上，L型钙通道（LCCs）因膜去极化而随机开放，在局部产生高强度的钙脉冲（即钙小星，Ca2+sparklet），Ca2+通道在细胞膜的开放以及内源性缓冲系统导致Ca2+在二联体间隙（dyadic/cleft junctional）上形成浓度梯度[9]。通过CICR激活SR上的RyR2受体，即钙偶联位点通过钙小星随机激活RyR2受体，使之以钙火花（Ca2+ spark）的形式释放Ca2+。Stern提出的CICR局部控制理论是阐明L型钙通道触发SR释放Ca2+最有代表性的理论模型。即单个L型钙通道控制一个RyR或一组RyRs，形成基本的Ca2+释放功能单位（即钙偶联位点），各功能单位间是互相独立的[10]。SR内的Ca2+顺浓度梯度流入胞质，引起胞内Ca2+瞬时增加（即钙瞬变，Ca2+ transients）。Ca2+与肌纤蛋白和肌钙蛋白C结合引起心肌细胞收缩。
1.3 钠钙交换体与L型钙通道之间的相互作用：当心肌细胞Ca2+浓度升高时NCX激活，T管上的L型钙通道和SR上的RyR受体通过对Ca2+的反馈相互作用。当NCX失活时L型钙通道对钙离子的敏感性消失[11]。NCX可以控制局部的Ca2+通道，我们可以进一步推测这种局部的变化可影响全细胞钙离子流的平衡。
2 增加钠钙交换子的密度对钙离子运载和收缩能力的影响
为了研究过度表达NCX的转基因小鼠心肌细胞内Ca2+的调节作用，用电压钳检测分离的心肌细胞，钠钙交换子的正向转运功能，在杂合子小鼠中增加了2.3倍，在纯合子小鼠中增加了3.1倍[12]。在过度表达NCX的转基因小鼠中Ca2+的运输和交换比野生型的要快。转基因的心肌细胞的电势峰值更低一些,平稳期更高一些,ADP90的时间更长。在电势作用的上升期，通过NCX外流的Ca2+使峰值降低。而平稳期则使峰值升高,ADP90延长[13]。
2.1 在钠钙交换过度时钙离子流的动力：当心肌细胞膜去极化时的L型钙通道迅速激活，随后失活，其动力的大小由时间、膜电位和胞内Ca2+浓度决定。Ca2+依赖性失活的L型钙通道能介导钙调蛋白与α1C结合，从而反馈作用限制过量的Ca2+进入[14]。
兴奋收缩偶连增益（gain of ECC）是SR上CICR的放大因子，是SR上释放的Ca2+与在最开始几毫秒内激发CICR从而形成Ca2+峰值的Ca2+的比值。在NCX过度表达的纯合小鼠分离的心肌细胞中，SR上载钙量没有变化，钙离子流的峰值变大，而瞬间钙离子流的增加幅度却明显减小[15]。过度表达的钠钙交换子可使Ca2+浓度下降，在RyR受体激活前就减少钙离子流的触发。Ca2+介导的Ca2+通道失活受SR上释放的Ca2+的影响，而NCX使Ca2+在二联体缝隙中移动对L型钙通道的激活也有影响，具体表现是钙离子流的峰值升高、Ca2+通道失活时间变长、通道开放时间延长[16]。
兴奋收缩偶连增益对L型钙通道开放时间t存在依赖性。实验可知当L型钙通道开放时间t接近最大值时，增益对L型钙通道开放时间t有很强的正向依赖性[17]。Soeller 和Cannel认为可以通过延长L型通道开放时间来使心衰动物模型的显微增益变大，增强心肌的收缩功能[17]。L型钙通道开放时间和钙离子流的峰值可以使心衰的心肌细胞释放近似于正常值的Ca2+。
兴奋收缩偶连的增益的减少是导致心衰的主要原因，心衰时心肌细胞钙离子流的电流与电压的比值左移，钙离子流的峰值增加。SR上的Ca2+释放通道与L型钙通道空间构造的改变被认为是导致兴奋收缩偶连改变的主要因素[18]。基于对纯和转基因小鼠的研究，我们推测钠钙交换密度的升高直接作用于二联体缝隙调节Ca2+浓度。增加的NCX可直接影响CICR和L型钙离子通道抑制心肌的兴奋收缩偶联。
2.2 在心衰时钠钙交换的过度表达：心衰细胞收缩功能受损主要是钙离子平衡改变造成的，表现为胞内钙瞬变减小和衰减减慢。对衰竭心脏的功能和分子学上的研究可知肌质网功能的减弱是影响细胞内钙离子储量的重要因素[19]。在心衰细胞中由于缺乏Ca2+上调机制，SERCA的活性和表达的减弱，Ca2+释放通道门控装置异常，导致肌质网上钙离子储量的下降。
通常认为，在人的衰竭心脏中SERCA表达降低，而NCX活性和表达增加以代偿SERCA功能的减低，Na+／Ca2+交换活性增强可以通过其正向及反向模式增强心脏的舒张及收缩功能。但同时过度增强的Na+／Ca2+交换活性又可导致SR钙负荷减少，而SR钙负荷是心脏收缩性能的一个主要决定因素[20]。因此，心力衰竭时NCX活性过度增强在心肌收缩功能障碍中起重要作用。
心衰时NCX对SR上Ca2+浓度的影响可从两方面来论述，一方面提升钠钙交换蛋白的密度，促进正向钠钙交换可导致SR上Ca2+运载量下降，而代偿SERCA功能的减低，进一步促使Ca2+耗竭，造成收缩功能紊乱。另一方面通过钠钙交换翻转摄入的Ca2+正好可以补充肌质网消耗的钙离子,有益于心衰心肌细胞的收缩。Hasenfuss等人发现衰竭的心脏总是通过蛋白表达来调整心肌细胞的舒张和收缩功能，当收缩功能受损时钠钙交换子与SERCA蛋白表达之比由正常心肌细胞的2变成了4[21]。但也有研究认为在钙瞬变和细胞收缩晚期出现的强直收缩是由于NCX表达增加，AP时程延长，钙离子经NCX内流引起的[22]。
3 总结
心脏的兴奋收缩偶联描述了Ca2+内流和SR上Ca2+限制性的扩散与二联体内 [Ca2+]i的关系。目前来看NCX的反向转运对于对兴奋收缩偶联的影响尚存争议。用过度表达心脏交换子的转基因小鼠模型证实NCX可直接调节肌质网上钙离子的载入、释放以及钙火花的释放频率。过度表达NCX还可导致兴奋收缩偶联增益的减少，使钙离子通道的峰值增高、失活的动力减慢。在心衰时NCX的过度表达使SR上储存的Ca2+耗竭，这也是治疗心衰的一个突破口，而关于反向NCX心衰时对心肌的影响目前还有争议。关于经NCX进入胞内的Ca2+对SR的激活作用仍是尚待研究的课题。
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作者单位：110004 辽宁省沈阳市中国医科大学七年制