二、钙超载的作用
正常生理条件下，细胞内钙主要储存在线粒体和肌浆网，胞质钙浓度维持在很低的水平。细胞外Ca2+浓度为10-3～10-2mol/L，细胞内Ca2+浓度为10-8～10-7mol/L，细胞内Ca2+44%存在于线粒体和内质网，游离钙仅为细胞内钙的0.005%。缺血-再灌注损伤等病理状态下，由各种原因引起的胞质钙含量异常增多并导致细胞结构损伤和功能代谢障碍的现象，称为钙超载（calcium overload）。正常条件下，Ca2+进入胞质是顺浓度梯度的被动过程，细胞外Ca2+可通过电压依赖性钙通道和受体依赖性钙通道进入细胞内。进入细胞内的Ca2+作用于肌浆网上的钙释放通道，触发肌浆网释放Ca2+。Ca2+离开胞质是逆浓度梯度、耗能的主动过程，主要通过两个途径完成：①通过细胞膜Ca2+泵（Ca2+，Mg2+-ATP酶）逆电化学梯度Ca2+主动转运至细胞外；②通过细胞膜Na+-Ca2+交换，将胞质Ca2+转运到细胞外等（图10-3）。
图10-3 细胞Ca2+转运模式图
（一）缺血-再灌注导致钙超载的机制
细胞内钙超载主要发生在再灌注期，且主要原因是钙内流增加。
1.Na+/Ca2+交换蛋白的反向运转增强 Na+/Ca2+交换蛋白（Na+/Ca2+-exchanger protein）是一种双向转运方式的跨膜蛋白。生理条件下，Na+/Ca2+交换蛋白在跨膜Na+、Ca2+梯度和膜电位驱动下以正向转运的方式将胞质Ca2+转运至胞外，交换比例是3Na+∶1Ca2+，参与细胞内钙稳态的维持。Na+/Ca2+交换蛋白的反向运转增强是导致缺血再灌注时Ca2+超载的主要途径。
（1）细胞内高Na+激活Na+/Ca2+交换蛋白的反向转运：缺血导致ATP含量降低，使得钠泵活性降低，细胞内Na+含量明显升高。再灌注时缺血细胞重新获得氧及营养物质供应，细胞内高Na+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+运入胞质，从而导致细胞内Ca2+超载。应用选择性抑制Na+/Ca2+交换蛋白的反向运转的药物可减轻Ca2+超载和再灌注引起的细胞死亡。
（2）细胞内高H+激活Na+/Ca2+交换蛋白的反向转运：H+-Na+交换蛋白主要感受细胞内H+浓度的变化进而维持细胞内pH稳定。缺血时组织无氧代谢增强，H+生成增多（酸中毒），pH降低。再灌注时，组织间液H+浓度下降，而细胞内H+浓度仍然很高，细胞内外形成跨膜H+浓度梯度，激活细胞膜上的Na+-H+交换蛋白，促进细胞内H+排出，细胞外Na+内流。内流的Na+又激活Na+-Ca2+交换蛋白的反向转运，引起Ca2+大量内流，加重细胞内钙超载（图10-4）。
（3）蛋白激酶C（PKC）活化激活Na+/Ca2+交换蛋白的反向转运：组织缺血再灌注时，交感-肾上腺髓质系统激活，内源性儿茶酚胺增多，其通过α1肾上腺素能受体激活G蛋白-磷脂酶C（PLC）介导的细胞信号传导系统，促进磷脂酰肌醇（PIP2）分解，生成三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）。IP3促进肌浆网释放Ca2+；DG经激活PKC促进Na+-H+交换，进而增加Na+-Ca2+交换蛋白的反向转运，促进胞外Ca2+内流，使胞质Ca2+浓度升高（图10-5）。此外，儿茶酚胺兴奋β肾上腺素能受体，通过激活腺苷酸环化酶增加L型钙通道的开放促进胞外Ca2+内流。
图10-4 Na+-Ca2+交换反向运转模式图
①正常时：Na+内流，Ca2+外排；②直接激活：再灌注时Na+外排和Ca2+内流增强；③间接激活：再灌注时细胞外H+降低使Na+-Ca2+交换增强(https://www.daowen.com)
图10-5 蛋白激酶C对Na+-Ca2+交换蛋白的激活
2.细胞膜通透性增加 缺血使细胞膜结构遭到破坏，膜屏障作用降低，细胞膜对钙的通透性大大增加。当再灌注时，钙离子顺浓度差内流增加，造成细胞内钙超载。钙又激活磷脂酶，使膜磷脂降解，进一步增加膜的通透性，形成恶性循环。再灌注时生成大量的自由基，使细胞膜的脂质过氧化，加重膜结构的破坏。
3.线粒体和肌浆网膜损伤 缺血及自由基可造成线粒体及肌浆网膜损伤，功能障碍。线粒体氧化磷酸化抑制，ATP生成减少；肌浆网膜损伤，钙泵功能受阻，摄取Ca2+减少，导致胞质Ca2+浓度升高。
（二）钙超载导致缺血-再灌注损伤的机制
1.促进活性氧生成 细胞内Ca2+增多可增强钙依赖性蛋白酶活性，从而促使黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，促进活性氧生成增多。
2.破坏细胞膜 胞质Ca2+增加可激活磷脂酶类，分解膜磷脂，破坏细胞膜正常结构。同时膜磷脂降解为花生四烯酸、溶血磷脂，造成细胞功能紊乱。
3.ATP生成减少 聚集在细胞内的钙被肌浆网、线粒体摄取过程中消耗大量ATP，同时被摄取的Ca2+可形成不溶性磷酸钙，导致线粒体的氧化磷酸化受阻，ATP生成减少，加重细胞能量代谢障碍。
4.激活钙依赖性蛋白酶 细胞内Ca2+增多可激活蛋白酶，促进细胞膜和结构蛋白的分解；激活核酸内切酶，导致染色质断裂。
5.加重酸中毒 胞质Ca2+增多可激活某些ATP酶，水解高能磷酸盐，释放出大量H+，使细胞内酸中毒加重。
6.导致心律失常 由Na+/Ca2+交换形成的一过性内向电流，在心肌动作电位后引发延迟后除极，成为心律失常的原因之一。