鈣信號介紹文檔

細胞內(nèi)鈣信號Ca2+信號（Ca2+signals）調(diào)控著細胞內(nèi)許多重要的功能，包括短期效應(yīng)如細胞電興奮、收縮和分泌功能；長期效應(yīng)如細胞轉(zhuǎn)錄、增殖和分化以及死亡。一、Ca2+在人體內(nèi)的含量及分布99%存在于骨骼和牙齒分布于血漿和組織細胞內(nèi)的鈣不到人體鈣的1%細胞外：游離Ca2+濃度約1~2mmol/L細胞內(nèi)：細胞核50％線粒體30％，濃度為0.6mmol／L內(nèi)質(zhì)網(wǎng)14％，約0.28mmoI／L質(zhì)膜(外層)占5％，約0.1mmol／L胞漿Ca2+濃度：細胞在靜止(非激活)狀態(tài)時，細胞溶質(zhì)中僅占總鈣的0．5％(結(jié)合態(tài))或0．005％(離子態(tài))。胞漿游離Ca2+濃度約0．1μmo1/L，不但遠低于細胞外液，而且低于肌漿網(wǎng)和線粒體內(nèi)的Ca2+濃度。隨著細胞的活動，胞漿Ca2+濃度會發(fā)生變化。例如，心肌細胞胞漿游離Ca2+濃度隨心動周期在0.1～10μmol/L的范圍內(nèi)變動，這是心肌舒縮活動的基礎(chǔ)。血管平滑肌內(nèi)Ca2+濃度的改變也為血管舒縮所必須。內(nèi)分泌細胞的分泌活動也伴隨有細胞內(nèi)鈣的變化。另外，在許多病理生理狀態(tài)下，細胞內(nèi)鈣水平大大增加，引起細胞功能的改變，甚至導(dǎo)致細胞死亡。因此認為細胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失控是許多外界因素引起細胞壞死的共同機理，因此細胞溶質(zhì)Ca2+處于極為嚴格的調(diào)節(jié)控制之中。二、鈣信號的來源有兩條途徑：細胞外Ca2+內(nèi)流和細胞內(nèi)鈣庫鈣的釋放。（一）細胞外Ca2+內(nèi)流研究發(fā)現(xiàn)，細胞膜上有三種主要的鈣進入通道，即電壓依賴性鈣通道（VOCs）、受體門控性鈣通道（ROCs）和儲存開啟性鈣通道（SOCs）三個通道，其力學(xué)特征顯著不同。VOCs和ROCs常產(chǎn)生短暫、高強度的Ca2+內(nèi)流，對VOCs和ROCs的開放機制已比較清楚。而SOCs則產(chǎn)生持續(xù)的、較小Ca2+內(nèi)流。SOCs的開放由儲存鈣的充盈狀態(tài)決定。當儲存鈣排空時，細胞膜上的SOCs開放，Ca2+進入；反之關(guān)閉。SOCs對Ca2+特別敏感，Ca2+對SOCs似乎有雙向性影響，低水平時激活，高水平則抑制其活性。SOCs的功能十分重要，提供了補充內(nèi)部儲存Ca2+所必需的持續(xù)Ca2+內(nèi)流，維持了大量非興奮細胞中出現(xiàn)Ca2+脈沖和鈣波。但SOCs仍有許多問題需要解決。儲存排空到通道開放間的耦聯(lián)機制仍是未解決的問題。一種觀點是儲存排空時產(chǎn)生一種鈣灌注因子（CIF），它擴散到細胞膜打開SOCs；另外的耦聯(lián)模式可能是通過IP3R的大胞質(zhì)頭直接地傳輸信息。當儲存鈣排空時，IP3R發(fā)生構(gòu)型變化，將信息傳輸?shù)劫|(zhì)膜中的SOCs，誘導(dǎo)外部鈣的進入。（已發(fā)現(xiàn)非洲蟾蜍卵母細胞中ER的一部分與質(zhì)膜間僅存在10nm的間隙，允許IP3R同SOCs相互作用。）（二）細胞內(nèi)鈣庫Ca2+的釋放細胞內(nèi)14％鈣儲存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）/肌漿網(wǎng)(SR)，30％鈣儲存在線粒體，因此它們可以作為細胞內(nèi)的鈣庫。三、鈣信號基本單位因為Ca2+在多種形式的細胞活動中起重要作用（如肌肉收縮、神經(jīng)遞質(zhì)釋放、突觸適應(yīng)、細胞分化和死亡等），為了完成如此眾多的控制功能，細胞出現(xiàn)了多種不同的Ca2+信號基本單位。一些以短暫的高度局限化Ca2+爆發(fā)的形式出現(xiàn)，而另一些則表現(xiàn)為持續(xù)時間較長的球型Ca2+升高。這些由單個或成組Ca2+通道活化而引起的Ca2+釋放，構(gòu)成了鈣信號的基本單位。（一）鈣信號基本單位的類型大多數(shù)研究記錄到的Ca2+信號基本單位代表了單通道的開放或關(guān)閉，也可能反映了局部的多組通道功能（后者可產(chǎn)生一個典型的Ca2+球形信號）。已在許多不同類型細胞中發(fā)現(xiàn)了這些基本單位，其鈣信號特征為快速升高期和較慢的恢復(fù)時期。當通道開放時，Ca2+的快速釋放，隨著通道關(guān)閉，Ca2+通過彌散而緩慢消散。Ca2+釋放通道的開放和關(guān)閉與參加數(shù)量的多少決定了球形Ca2+信號的波幅。這樣的Ca2+信號基本單位有各種各樣的名稱，常常反映了它們的時空性質(zhì)，例如：夸克（quark），火花（sparks），噴煙（puffs），沸騰（bumps），卷流（plume）和量子散發(fā)范圍（quantumemissiondomains,QED）。（二）Ca2+信號基本單位的功能1．對細胞內(nèi)靜息鈣水平的影響胞漿內(nèi)靜息鈣水平由Ca2+進入或排出胞漿間的基本比率決定。Ca2+信號基本單位以火花和沸騰等方式釋放一小團Ca2+到胞漿，有助于維持靜息或基礎(chǔ)Ca2+水平。在Hela細胞株和非洲蟾蜍卵母細胞中，已證實Ca2+信號基本單位有助于保持細胞內(nèi)靜息鈣水平。在靜息細胞或接受低水平刺激的細胞中，Ca2+少量釋放到胞質(zhì)中能對鈣的靜息水平產(chǎn)生顯著性影響。Ca2+水平的這種升高提高了細胞內(nèi)受體的興奮性，有助于球形Ca2+信號的開始。2．局限化功能Ca2+信號基本單位產(chǎn)生高濃度局限化的Ca2+爆發(fā)，執(zhí)行非常特殊的信號功能。例Ca2+經(jīng)VOCs（電壓依賴性鈣通道）進入突觸前膜引起一個短暫的Ca2+脈沖，激發(fā)細胞排粒作用。此作用定位在囊的附近，持續(xù)大約500us，在此期間Ca2+濃度從100nmol/L上升到200nmol/L，產(chǎn)生一個微小的延遲后激發(fā)排粒作用。因此VOCs同軸突蛋白的Syntaxin和25kD的突觸小囊聯(lián)系蛋白(SNAP25)相聯(lián)系。3．對離子通道的影響Ca2+信號基本單位的另一個重要局部功能是激活離子通道。肌纖維膜下的Ca2+火花刺激局部的鉀通道產(chǎn)生STOCs。四、細胞鈣信號的種類/表現(xiàn)方式1．鈣火花：最早在激光共聚焦顯微鏡下發(fā)現(xiàn)從心肌細胞肌漿網(wǎng)內(nèi)釋放的鈣可在細胞內(nèi)產(chǎn)生局限的、類似點火花狀的自發(fā)性增高，稱為鈣火花。是細胞內(nèi)鈣的自發(fā)的、局限的、非傳播性增高的現(xiàn)象，由SR上的一簇鄰近的RyR自發(fā)地釋放的Ca2+所形成，反映了SR的RyR自發(fā)開放的情況。以后研究者發(fā)現(xiàn)同類鈣火花不僅見之于可興奮性組織（如心肌、骨骼肌、平滑肌、神經(jīng)元），亦見之于非興奮性組織和細胞，如神經(jīng)膠質(zhì)細胞、蛙卵細胞（Xenopusoccytes），及植物根毛生長錐中的細胞。2．鈣夸克：比鈣火花更小的、局部的鈣釋放形式，它是目前發(fā)現(xiàn)的心肌細胞鈣信號系統(tǒng)的最小功能性釋放單位，理論上認為它是由單個鈣釋放通道釋放出的鈣。由鈣夸克空間上的總和，構(gòu)成了鈣火花。3．鈣瞬變：由心肌細胞膜上興奮沖動到來時的電除極所誘發(fā)的瞬時性鈣增高（caiciumtransient），也主要是由肌漿網(wǎng)釋放的，與正常的收縮功能密切相關(guān)，是心肌細胞內(nèi)正常的鈣信號。它與鈣波和鈣火花不同，只是在興奮-收縮耦聯(lián)時出現(xiàn)鈣瞬時性增高。4．鈣波：指某些情況下（如病理狀態(tài)缺血或細胞內(nèi)鈣負荷增高等）細胞內(nèi)鈣在局部自發(fā)性釋放增加并伴以傳導(dǎo)的現(xiàn)象（1996）。其特點是在激光共聚焦顯微鏡下可見細胞內(nèi)鈣在某個區(qū)域瞬時性增高，并以很快的速度在細胞內(nèi)傳播（100um/s），似乎反映了細胞對高鈣負荷后的反應(yīng)。5．鈣振蕩：細胞內(nèi)鈣信號的傳播存在時間和空間的組合形式。始發(fā)于胞漿中某一局部的Ca2+躍升，可以一種反復(fù)瞬變的方式在細胞中傳遞，稱鈣振蕩（calciumosillation）。五、鈣測定由于Ca2+在生命活動的各種生理生化反應(yīng)和疾病的發(fā)生、發(fā)展中扮演著極其重要的作用，隨著近年來生物醫(yī)學(xué)高新技術(shù)和高精科學(xué)儀器的飛速發(fā)展，從整體水平至細胞分子水平對鈣的研究方法和成果越來越多。（一）整體水平上（如血清/尿鈣的測定）1.滴定法又分為氧化還原法和絡(luò)合法，后者是國內(nèi)應(yīng)用較普遍的方法之一。尿鈣的測定多采用與血清鈣相同的EDTA-2Na滴定法。2.比色法有直接比色法和間接比色法，國內(nèi)多用間接比色法，即鄰-甲酚酞絡(luò)合法。3.火焰法分為火焰光度計法和原子吸收法，后者比前者效果好。4.離子選擇電極法可測血中離子鈣，它比測總鈣更有意義。5.活化分析法是用回旋器中子轟擊試樣后用質(zhì)譜儀測定血鈣的方法，用血量少，準確度高。此外還有45Ca放射性同位素示蹤法，本法不僅可用作體內(nèi)鈣代謝的示蹤研究，也可作為觀測細胞鈣流的研究，是現(xiàn)代比較常用的方法。（二）細胞內(nèi)鈣的測定――雙激發(fā)波長熒光法隨著90年代中期多學(xué)科尖端技術(shù)運用，包括單細胞電生理（膜片鉗技術(shù)），熒光細胞鈣測量，激光共聚焦掃描顯微術(shù)，數(shù)字圖像處理及計算機數(shù)學(xué)模型技術(shù)的運用，特別是激光共聚焦掃描顯微術(shù)精確性、高分辨等特征，大大提高了細胞內(nèi)影像觀測及三維重組能力，觀察到了多種形式的細胞內(nèi)鈣離子濃度的瞬時性增高，為功能學(xué)研究提供了方便直觀的圖像，使人們對鈣信號調(diào)控機制的探討向縱深跨進了一大步。目前最常用、最先進的測量技術(shù)都是通過熒光法（鈣熒光探針）實現(xiàn)的。測量時一般采用單波長法和雙波長比例測量法，其原理是：探針與鈣結(jié)合后不僅產(chǎn)生熒光強度的變化，而且有激發(fā)光或發(fā)射光譜偏移。激發(fā)峰偏移者進行雙激發(fā)比例熒光測量，如fura-2；發(fā)射峰偏移者進行雙發(fā)射比例熒光測量，如indo-1。一般選擇對鈣離子敏感而熒光強度變化相反的兩個波長，如fura-2的