钙蛋白酶在COPD患者慢性缺氧性骨骼肌萎缩中的作用
摘要：多种原因均可诱发COPD患者骨骼肌萎缩，缺氧是一个重要因素。骨骼肌萎缩最终是因为蛋白质的降解大于合成，蛋白质降解是多条途径共同作用的结果，钙蛋白酶是其中重要的途径。在缺氧条件下细胞内钙离子浓度升高，可使钙蛋白酶过度激活，骨骼肌蛋白降解增加，导致骨骼肌萎缩。虽然已有实验证明缺氧性骨骼肌萎缩中钙蛋白酶活性增强，但这方面的研究并不多，仍进行深入研究。
关键词：钙蛋白酶；缺氧；钙离子；骨骼肌萎缩
1 钙蛋白酶简介
钙蛋白酶(Calpains)是细胞内一类钙依赖的半胱氨酸蛋白酶，由大亚基(催化区，80kd)和小亚基(调节区，30kd)组成，大亚基由4个结构域组成，结构域Ⅱ是表现水解活性的关键部位 ，结构域Ⅳ，是钙离子结合部位，结构域I和结构域Ⅲ可能起活性调节作用。它在许多疾病病程中均发挥作用，可能成为这些疾病用药的靶点。
2 缺氧与钙蛋白酶
2.1缺氧与钙离子的关系 线粒体和内质网是细胞内钙贮存库。钙离子从细胞外进入或从钙库中释放，都可增加胞浆钙浓度。缺氧下细胞内钙离子浓度升高，与钙离子转运的多种机制有关，钙泵活性抑制是其中一个因素。细胞膜钙泵是钙离子外排系统，每消耗一个ATP将两个钙离子转运到细胞外。缺氧时ATP含量降低，钙泵的活性降低[1]。内质网钙泵是将钙离子从胞浆泵入内质网。缺氧时无氧代谢增加细胞内酸中毒，内质网钙泵活性被抑制[2]。
2.2钙离子与钙蛋白酶活性的关系 钙蛋白酶活性主要受钙离子浓度、钙蛋白酶抑制蛋白负性调节、钙蛋白酶激活蛋白正性调节等的调节。其中钙离子浓度的作用最为重要，只有在钙离子存在的情况下钙蛋白酶才被激活，生理状态下，细胞内钙离子浓度低，钙蛋白酶活性低，病理状态下，细胞内钙离子浓度升高，钙蛋白酶活性增强，对蛋白质降解增加。
以上提示，缺氧条件下细胞内钙离子浓度升高，钙蛋白酶活性增强。
3 钙蛋白酶活性增强导致骨骼肌萎缩
3.1骨骼肌萎缩机制 骨骼肌萎缩是指肌肉体积较正常缩小，肌纤维变细甚至消失，是慢性阻塞性肺疾病严重的肺外表现。发生机制虽不完全清楚，但最终是由于骨骼肌蛋白质的降解速率大于合成速率，导致蛋白质整体降低[3]。其中肌动蛋白和肌球蛋白占肌原纤维的50%～70%[4]，肌纤维收缩功能障碍主要它们的减少有关。目前所知骨骼肌蛋白的水解途径主要包括钙蛋白酶途径，泛素-蛋白酶体途径，溶酶体途径，caspase途径等。
3.2钙蛋白酶在骨骼肌萎缩中的作用 当各种原因引起细胞内钙离子浓度上升达到所需浓度时，钙蛋白酶系统被激活，相对于已知的其他途径，钙蛋白酶途径最早发挥作用[5]。它由三部分组成：钙蛋白酶、钙蛋白酶抑制蛋白和钙蛋白酶激活蛋白。其中起主要作用的是钙蛋白酶，钙蛋白酶抑制蛋白和激活蛋白是通过对钙蛋白酶的负性和正性调节而起作用。在骨骼肌中，大多数钙蛋白酶的定位靠近肌原纤维Z盘，通过降解肌丝链接蛋白使Z盘断裂，肌动蛋白和肌球蛋白从肌纤维上脱落下来[4，5]，简单来说就是将完整的肌原纤维劈开，使肌原纤维蛋白释放，而后泛素-蛋白酶体等途径才能发挥作用，将蛋白彻底降解。
多项实验均证实钙蛋白酶活性增强，使肌原纤维蛋白分解增加，最终导致骨骼肌萎缩的发生。Celli等通过阻断钙离子通道抑制了钙蛋白酶活性，发现小鼠肌纤维降解程度降低。Tidball等发现，钙蛋白酶抑制蛋白的过量表达可抑制钙蛋白酶活性，使转基因小鼠肌萎缩速度下降30%。
4 钙蛋白酶与COPD慢性缺氧性骨骼肌萎缩
4.1慢性缺氧导致COPD患者骨骼肌萎缩 目前已有多项实验明确指出COPD患者慢性缺氧可导致骨骼肌萎缩。
Theije等研究发现低氧血症与COPD患者骨骼肌萎缩密切相关，轻、重度缺氧的COPD患者均观察到有肌肉萎缩，通过建立动物模型进一步研究证实，缺氧加重可导致肌肉蛋白水解增强。高原环境的特点是低压缺氧，Boyer等研究发现高海拔环境下肌肉蛋白水解增强，诱导肌肉萎缩。Ermolao等研究发现高海拔环境下肌肉减少与暴露时间、海拔高度有关。
4.2钙蛋白酶参与COPD患者慢性缺氧性骨骼肌萎缩 已有实验证实钙蛋白酶在慢性缺氧引起的心肌和平滑肌蛋白降解中发挥作用。但钙蛋白酶参与慢性缺氧性骨骼肌萎缩的研究并不多见。
卫星细胞是公认的骨骼肌干细胞，负责骨骼肌生长和修复，Yang等通过研究牛卫星细胞缺氧和肌细胞生成中蛋白水解酶mRNAs和蛋白质的改变，证实缺氧下钙蛋白酶1(u-calpain)、钙蛋白酶抑制蛋白表达增强。为证实钙蛋白酶途径参与肌细胞生成提供了一定的依据。
Chaudhary等研究发现，缺氧条件下大鼠的钙蛋白酶活性比正常对照组高约3倍，骨骼肌蛋白的降解比合成高约1.5倍，且显微镜下缺氧14d比缺氧7d的小鼠观察到更多的肌肉纤维萎缩。这项研究强有力的证实，钙蛋白酶在缺氧环境下蛋白质降解导致骨骼肌萎缩中起重要作用。
目前缺氧性骨骼肌萎缩的详细机制仍不清楚，钙蛋白酶只是其中一个重要途径。现有研究提示，COPD患者在缺氧条件下细胞内钙离子浓度升高，使钙蛋白酶活性增强，而钙蛋白酶活性增强可加强骨骼肌蛋白的降解。表明钙蛋白酶在COPD患者缺氧性骨骼肌萎缩中发挥作用。但它的机制仍需进行进一步研究。
5 结语
COPD患者缺氧性骨骼肌萎缩与多条途径有关，钙蛋白酶是其中一个重要途径，虽然已有实验证明缺氧性骨骼肌萎缩中钙蛋白酶活性增强，但这方面的研究并不多，仍需我们进一步深入研究。对药物研发、临床诊治、改善预后、提高生存率等方面都有重要的作用，可能为COPD患者带来新的希望。
参考文献：
[1]Farber J L.Biology of disease：membrane injury and calcium homeostasis in the pathogenesis of coagulative necrosis[J].Laboratory investigation；a journal of technical methods and pathology，1982，47(2)：114.
[2]Zhu Y，Nosek T M.Intracellular milieu changes associated with hypoxia impair sarcoplasmic reticulum Ca 2+transport in cardiac muscle[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol，1991，261：H620-H626.
[3]AgustíA G N，Sauleda J，Miralles C，et al.Skeletal muscle apoptosis and weight loss in chronic obstructive pulmonary disease[J].American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine，2002，166(4)：485-489.
[4]Koh T J，Tidball J G.Nitric oxide inhibits calpain-mediated proteolysis of talin in skeletal muscle cells[J].American Journal of Physiology-Cell Physiology，2000，279(3)：C806-C812.
[5]Goll D E，Thompson V F，Li H，et al.The calpain system[J].Physiological reviews，2003，83(3)：731-801.编辑/哈涛, 百拇医药(戴晓瑛 戴路明)
关键词：钙蛋白酶；缺氧；钙离子；骨骼肌萎缩
1 钙蛋白酶简介
钙蛋白酶(Calpains)是细胞内一类钙依赖的半胱氨酸蛋白酶，由大亚基(催化区，80kd)和小亚基(调节区，30kd)组成，大亚基由4个结构域组成，结构域Ⅱ是表现水解活性的关键部位 ，结构域Ⅳ，是钙离子结合部位，结构域I和结构域Ⅲ可能起活性调节作用。它在许多疾病病程中均发挥作用，可能成为这些疾病用药的靶点。
2 缺氧与钙蛋白酶
2.1缺氧与钙离子的关系 线粒体和内质网是细胞内钙贮存库。钙离子从细胞外进入或从钙库中释放，都可增加胞浆钙浓度。缺氧下细胞内钙离子浓度升高，与钙离子转运的多种机制有关，钙泵活性抑制是其中一个因素。细胞膜钙泵是钙离子外排系统，每消耗一个ATP将两个钙离子转运到细胞外。缺氧时ATP含量降低，钙泵的活性降低[1]。内质网钙泵是将钙离子从胞浆泵入内质网。缺氧时无氧代谢增加细胞内酸中毒，内质网钙泵活性被抑制[2]。
2.2钙离子与钙蛋白酶活性的关系 钙蛋白酶活性主要受钙离子浓度、钙蛋白酶抑制蛋白负性调节、钙蛋白酶激活蛋白正性调节等的调节。其中钙离子浓度的作用最为重要，只有在钙离子存在的情况下钙蛋白酶才被激活，生理状态下，细胞内钙离子浓度低，钙蛋白酶活性低，病理状态下，细胞内钙离子浓度升高，钙蛋白酶活性增强，对蛋白质降解增加。
以上提示，缺氧条件下细胞内钙离子浓度升高，钙蛋白酶活性增强。
3 钙蛋白酶活性增强导致骨骼肌萎缩
3.1骨骼肌萎缩机制 骨骼肌萎缩是指肌肉体积较正常缩小，肌纤维变细甚至消失，是慢性阻塞性肺疾病严重的肺外表现。发生机制虽不完全清楚，但最终是由于骨骼肌蛋白质的降解速率大于合成速率，导致蛋白质整体降低[3]。其中肌动蛋白和肌球蛋白占肌原纤维的50%～70%[4]，肌纤维收缩功能障碍主要它们的减少有关。目前所知骨骼肌蛋白的水解途径主要包括钙蛋白酶途径，泛素-蛋白酶体途径，溶酶体途径，caspase途径等。
3.2钙蛋白酶在骨骼肌萎缩中的作用 当各种原因引起细胞内钙离子浓度上升达到所需浓度时，钙蛋白酶系统被激活，相对于已知的其他途径，钙蛋白酶途径最早发挥作用[5]。它由三部分组成：钙蛋白酶、钙蛋白酶抑制蛋白和钙蛋白酶激活蛋白。其中起主要作用的是钙蛋白酶，钙蛋白酶抑制蛋白和激活蛋白是通过对钙蛋白酶的负性和正性调节而起作用。在骨骼肌中，大多数钙蛋白酶的定位靠近肌原纤维Z盘，通过降解肌丝链接蛋白使Z盘断裂，肌动蛋白和肌球蛋白从肌纤维上脱落下来[4，5]，简单来说就是将完整的肌原纤维劈开，使肌原纤维蛋白释放，而后泛素-蛋白酶体等途径才能发挥作用，将蛋白彻底降解。
多项实验均证实钙蛋白酶活性增强，使肌原纤维蛋白分解增加，最终导致骨骼肌萎缩的发生。Celli等通过阻断钙离子通道抑制了钙蛋白酶活性，发现小鼠肌纤维降解程度降低。Tidball等发现，钙蛋白酶抑制蛋白的过量表达可抑制钙蛋白酶活性，使转基因小鼠肌萎缩速度下降30%。
4 钙蛋白酶与COPD慢性缺氧性骨骼肌萎缩
4.1慢性缺氧导致COPD患者骨骼肌萎缩 目前已有多项实验明确指出COPD患者慢性缺氧可导致骨骼肌萎缩。
Theije等研究发现低氧血症与COPD患者骨骼肌萎缩密切相关，轻、重度缺氧的COPD患者均观察到有肌肉萎缩，通过建立动物模型进一步研究证实，缺氧加重可导致肌肉蛋白水解增强。高原环境的特点是低压缺氧，Boyer等研究发现高海拔环境下肌肉蛋白水解增强，诱导肌肉萎缩。Ermolao等研究发现高海拔环境下肌肉减少与暴露时间、海拔高度有关。
4.2钙蛋白酶参与COPD患者慢性缺氧性骨骼肌萎缩 已有实验证实钙蛋白酶在慢性缺氧引起的心肌和平滑肌蛋白降解中发挥作用。但钙蛋白酶参与慢性缺氧性骨骼肌萎缩的研究并不多见。
卫星细胞是公认的骨骼肌干细胞，负责骨骼肌生长和修复，Yang等通过研究牛卫星细胞缺氧和肌细胞生成中蛋白水解酶mRNAs和蛋白质的改变，证实缺氧下钙蛋白酶1(u-calpain)、钙蛋白酶抑制蛋白表达增强。为证实钙蛋白酶途径参与肌细胞生成提供了一定的依据。
Chaudhary等研究发现，缺氧条件下大鼠的钙蛋白酶活性比正常对照组高约3倍，骨骼肌蛋白的降解比合成高约1.5倍，且显微镜下缺氧14d比缺氧7d的小鼠观察到更多的肌肉纤维萎缩。这项研究强有力的证实，钙蛋白酶在缺氧环境下蛋白质降解导致骨骼肌萎缩中起重要作用。
目前缺氧性骨骼肌萎缩的详细机制仍不清楚，钙蛋白酶只是其中一个重要途径。现有研究提示，COPD患者在缺氧条件下细胞内钙离子浓度升高，使钙蛋白酶活性增强，而钙蛋白酶活性增强可加强骨骼肌蛋白的降解。表明钙蛋白酶在COPD患者缺氧性骨骼肌萎缩中发挥作用。但它的机制仍需进行进一步研究。
5 结语
COPD患者缺氧性骨骼肌萎缩与多条途径有关，钙蛋白酶是其中一个重要途径，虽然已有实验证明缺氧性骨骼肌萎缩中钙蛋白酶活性增强，但这方面的研究并不多，仍需我们进一步深入研究。对药物研发、临床诊治、改善预后、提高生存率等方面都有重要的作用，可能为COPD患者带来新的希望。
参考文献：
[1]Farber J L.Biology of disease：membrane injury and calcium homeostasis in the pathogenesis of coagulative necrosis[J].Laboratory investigation；a journal of technical methods and pathology，1982，47(2)：114.
[2]Zhu Y，Nosek T M.Intracellular milieu changes associated with hypoxia impair sarcoplasmic reticulum Ca 2+transport in cardiac muscle[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol，1991，261：H620-H626.
[3]AgustíA G N，Sauleda J，Miralles C，et al.Skeletal muscle apoptosis and weight loss in chronic obstructive pulmonary disease[J].American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine，2002，166(4)：485-489.
[4]Koh T J，Tidball J G.Nitric oxide inhibits calpain-mediated proteolysis of talin in skeletal muscle cells[J].American Journal of Physiology-Cell Physiology，2000，279(3)：C806-C812.
[5]Goll D E，Thompson V F，Li H，et al.The calpain system[J].Physiological reviews，2003，83(3)：731-801.编辑/哈涛, 百拇医药(戴晓瑛 戴路明)