二、钙超载
各种原因引起的细胞内Ca2+含量异常增多并导致细胞结构损伤和功能代谢障碍，严重者可造成细胞死亡的现象，称为钙超载（calcium overload）。正常时细胞外Ca2+浓度高出细胞内约万倍，这种细胞内外的Ca2+浓度差的维持机制如下。①细胞膜对Ca2+的低通透性。②细胞内Ca2+与特殊配基形成可逆性复合物。③细胞膜能量依赖性钙泵逆电化学梯度和通过细胞膜Na+-Ca2+交换，将胞质Ca2+转运到细胞外。④肌质网和线粒体膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换将胞质Ca2+贮存到细胞器内等。再灌注损伤发生时，再灌注区细胞内Ca2+浓度迅速增高，且Ca2+浓度升高的程度往往与细胞受损的程度呈正相关（图10-1）。
图10-1 细胞Ca 2+转运机制模式图
①电压依赖性钙通道；②受体操控性钙通道；③Na+/Ca2+交换蛋白；④钙泵；⑤胞质结合钙；⑥肌质网；⑦线粒体；⑧细胞膜结合钙
（一）缺血-再灌注时钙超载的发生机制
细胞内钙超载主要发生在再灌注期，主要原因是钙内流增加，而不是钙外流减少。再灌注时钙超载的发生机制尚未完全阐明，可能与下列因素有关。
1.生物膜对Ca2+的通透性增加①缺血造成细胞膜、线粒体膜、肌质网膜等正常结构的破坏。②再灌注时，大量自由基的产生引发脂质过氧化反应，进一步加重膜结构的破坏。③磷脂酶被细胞内增加的Ca2+大量激活，使膜磷脂降解加速，破坏了膜结构。上述机制共同增加了细胞膜对Ca 2+的通透性，细胞内Ca2+增加；造成线粒体膜和肌质网膜损伤，膜上钙泵功能障碍，对Ca2+摄取减少，使线粒体和肌质网对细胞内Ca2+浓度的缓冲作用丧失，细胞内Ca2+浓度升高；细胞内游离Ca2+增加，在心肌细胞中，高钙引起微管和微丝收缩过度，导致心肌细胞间闰盘损伤，Ca2+顺浓度差进入心肌细胞，细胞内Ca2+增加。
2.ATP合成功能障碍 生理情况下，ATP依赖性Ca2+泵逆电化学梯度将Ca2+转运到细胞外，或摄入到肌质网和线粒体内，细胞膜上其他ATP依赖性离子泵，如Na+-K+-ATP酶也参与细胞内Ca2+浓度的调节。缺血缺氧使线粒体ATP合成减少；另一方面，缺血及再灌注过程中自由基的损伤及膜磷脂的降解可引起线粒体膜受损，抑制氧化磷酸化，使ATP合成减少，ATP依赖性离子泵功能障碍，促进钙超载的发生，在缺血期间细胞内Ca2+开始增高，再灌注时除了通过上述机制加重细胞Ca2+转运障碍，又随血流运送来大量Ca2+，使细胞内Ca2+迅速增多，最终导致细胞内钙超载。
3.Na+ /Ca2+交换蛋白反向转运增强Na+ /Ca2+交换蛋白（Na+ /Ca2+exchanger，NCX）是一种非ATP依赖的双向转运蛋白。在跨膜Na+ 、Ca2+梯度和膜电位驱动下对细胞内外Na+ 、Ca2+进行双向转运，交换比例为3Na+∶Ca2+。生理情况下，Na+ /Ca2+交换蛋白以正向转运的方式将细胞内Ca2+转移至细胞外，与肌质网和细胞膜钙泵共同维持细胞静息状态时的低钙浓度。病理情况下，如细胞内Na+明显升高或膜正电位时，Na+ /Ca2+交换蛋白则以反向转运的方式将细胞内Na+排出，细胞外Ca2+摄入细胞，导致细胞内钙超载。(https://www.daowen.com)
细胞内Na+浓度增高直接激活Na+ /Ca2+交换蛋白反向转运，导致细胞内钙超载。①Na+-K+-ATP酶活性降低：缺血时，ATP合成减少，无氧糖酵解引起的代谢性酸中毒及缺血-再灌注时的自由基损伤均导致了Na+-K+-ATP酶活性降低，细胞内Na+含量明显升高。②缺血时，无氧糖酵解使H+生成增多，pH降低，细胞内外酸中毒。再灌注时，细胞外液H+浓度迅速下降，形成细胞内外显著的pH梯度差，激活了细胞膜的H+-Na+交换蛋白（H+-Na+ exchanger，NHE），促进细胞内H+排出，细胞外Na+内流，细胞内Na+增加。细胞内高Na+除激活钠泵外，还迅速激活Na+ /Ca2+交换蛋白，以反向转运的方式加速Na+向细胞外转运，同时将大量Ca2+摄入胞质，导致细胞内钙超载。
4.儿茶酚胺增多 儿茶酚胺增多是促进细胞内钙超载的原因之一。缺血及再灌注过程中，内源性儿茶酚胺释放增多，心肌细胞上α1和β受体密度增大。①α1肾上腺素能受体激活会激活G蛋白-磷脂酶C（PLC）介导的细胞信号转导通路，促进磷脂酰肌醇（PIP2）分解，生成三磷酸肌醇（IP3）和甘油二酯 （DG），其中IP3促进肌质网释放Ca2+ ；DG经激活PKC促进H+-Na+交换，进而增加Na+-Ca2+交换，细胞内Ca2+浓度增高。②β肾上腺素能受体，通过激活受体门控性钙通道和L型电压门控性钙通道的开放。从而促进胞外Ca2+内流，进一步加重细胞内钙超载。
（二）钙超载引起缺血-再灌注损伤的机制
细胞内钙超载引起再灌注损伤的机制目前尚未完全阐明，可能与以下因素有关。
1.细胞内钙超载促进ROS产生 细胞内Ca2+增多促使XD转变XO，使ROS产生增多，因而在缺血-再灌注损伤中，自由基产生增多与钙超载是一对互为因果的损伤因素。
2.激活钙依赖性生物酶 细胞内钙超载可激活钙依赖性生物酶，导致细胞结构受损，甚至细胞死亡。细胞内有很多生物酶是Ca2+激活酶，细胞内游离Ca2+浓度升高。 ①ATP水解酶：使ATP减少。②磷脂酶：造成细胞膜及细胞器膜结构受损。③钙依赖性降解酶和钙蛋白酶：促进细胞膜和细胞骨架结构蛋白的分解，使细胞肌纤维挛缩和断裂。④核酸内切酶：促进核酸分解，染色体的损伤，引发细胞凋亡。
3.线粒体功能障碍 线粒体的渗透性钙转运孔道（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）在线粒体内钙超载中发挥重要作用。缺血时造成的代谢性酸中毒会抑制rPTP开放，而灌注时pH恢复，Ca2+浓度升高及ROS产生激活了mPTP开放，大量Ca2+进入线粒体，线粒体内钙超载，Ca2+与含磷酸根的化合物结合，形成不溶性磷酸钙，干扰线粒体的氧化磷酸化，ATP生成减少。同时，在缺血-再灌注早期，聚集在细胞内的Ca2+被肌质网、线粒体摄取过程中消耗大量ATP，使细胞总体能量供应下降，线粒体、细胞离子稳态破坏，引起线粒体、细胞肿胀，细胞坏死。因而，钙超载导致了线粒体功能障碍，线粒体功能障碍进一步促进了钙超载，从而形成了恶性循环。
4.形成暂时内向电流Na+ /Ca2+交换形成的暂时内向电流是引起心律失常的主要因素，是再灌注诱发心律失常的主要原因之一。
总之，钙超载既是缺血-再灌注损伤的机制，又是缺血-再灌注损伤的结果，也是导致细胞死亡的主要的病理过程。