钙信号

细胞内钙信号

Ca信号（Ca signals）调控着细胞内许多重要的功能，包括短期效应如细

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胞电兴奋、收缩和分泌功能；长期效应如细胞转录、增殖和分化以及死亡。

一、Ca在人体内的含量及分布

99% 存在于骨骼和牙齿

分布于血浆和组织细胞内的钙不到人体钙的1%

细胞外：游离Ca浓度约1~2mmol/L

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细胞内：细胞核 50 ％

线粒体 30 ％，浓度为0.6 mmol／L

内质网 14 ％，约0.28 mmoI／L

质膜(外层)占5 ％，约0.1 mmol／L

胞浆Ca浓度：

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细胞在静止(非激活)状态时，细胞溶质中仅占总钙的0．5 ％(结合态)或

0．005 ％(离子态)。胞浆游离Ca浓度约0．1 μmo1/L，不但远低于细胞外液，

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而且低于肌浆网和线粒体内的Ca浓度。

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随着细胞的活动，胞浆Ca浓度会发生变化。例如，心肌细胞胞浆游离Ca

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浓度随心动周期在0.1～10µmol/L的范围内变动，这是心肌舒缩活动的基础。血

管平滑肌内Ca浓度的改变也为血管舒缩所必须。内分泌细胞的分泌活动也伴随

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有细胞内钙的变化。另外，在许多病理生理状态下，细胞内钙水平大大增加，引

起细胞功能的改变，甚至导致细胞死亡。因此认为细胞内Ca稳态失控是许多外

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界因素引起细胞坏死的共同机理，因此细胞溶质Ca处于极为严格的调节控制之

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中。

二、钙信号的来源

有两条途径：细胞外Ca内流和细胞内钙库钙的释放。

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（一） 细胞外Ca内流

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研究发现，细胞膜上有三种主要的钙进入通道，即电压依赖性钙通道（VOCs）、

受体门控性钙通道（ROCs）和储存开启性钙通道（SOCs）三个通道，其力学特征

显著不同。VOCs和ROCs常产生短暂、高强度的Ca内流，对VOCs和ROCs的开

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放机制已比较清楚。而SOCs则产生持续的、较小Ca内流。SOCs的开放由储存

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钙的充盈状态决定。当储存钙排空时，细胞膜上的SOCs开放，Ca进入；反之关

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闭。SOCs对Ca特别敏感，Ca对SOCs似乎有双向性影响，低水平时激活，高水

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平则抑制其活性。SOCs的功能十分重要，提供了补充内部储存Ca所必需的持续

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Ca内流，维持了大量非兴奋细胞中出现Ca脉冲和钙波。

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但SOCs仍有许多问题需要解决。储存排空到通道开放间的耦联机制仍是未

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解决的问题。一种观点是储存排空时产生一种钙灌注因子（CIF），它扩散到细胞

膜打开SOCs；另外的耦联模式可能是通过IPR的大胞质头直接地传输信息。当

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储存钙排空时，IPR发生构型变化，将信息传输到质膜中的SOCs，诱导外部钙

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的进入。（已发现非洲蟾蜍卵母细胞中ER的一部分与质膜间仅存在10nm的间隙，

允许IPR同 SOCs相互作用。）

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（二） 细胞内钙库Ca的释放

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细胞内14 ％钙储存在内质网（ER）/肌浆网(SR) ，30 ％钙储存在线粒体，

因此它们可以作为细胞内的钙库。

三、钙信号基本单位

因为Ca在多种形式的细胞活动中起重要作用（如肌肉收缩、神经递质释放、

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突触适应、细胞分化和死亡等），为了完成如此众多的控制功能，细胞出现了多

种不同的Ca信号基本单位。一些以短暂的高度局限化Ca爆发的形式出现，而

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另一些则表现为持续时间较长的球型Ca升高。这些由单个或成组Ca通道活化

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而引起的Ca释放，构成了钙信号的基本单位。

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（一）钙信号基本单位的类型

大多数研究记录到的Ca信号基本单位代表了单通道的开放或关闭，也可能

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反映了局部的多组通道功能（后者可产生一个典型的Ca球形信号）。已在许多

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不同类型细胞中发现了这些基本单位，其钙信号特征为快速升高期和较慢的恢复

时期。当通道开放时，Ca的快速释放，随着通道关闭，Ca通过弥散而缓慢消散。

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Ca释放通道的开放和关闭与参加数量的多少决定了球形Ca信号的波幅。这样

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的Ca信号基本单位有各种各样的名称，常常反映了它们的时空性质，例如：夸

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克（quark），火花（sparks），喷烟（puffs），沸腾（bumps），卷流（plume）和

量子散发范围（quantum emissiondomains,QED）。

（二）Ca信号基本单位的功能

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1．对细胞内静息钙水平的影响 胞浆内静息钙水平由Ca进入或排出胞浆

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间的基本比率决定。Ca信号基本单位以火花和沸腾等方式释放一小团Ca到胞

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浆，有助于维持静息或基础Ca水平。在Hela细胞株和非洲蟾蜍卵母细胞中，

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已证实Ca信号基本单位有助于保持细胞内静息钙水平。在静息细胞或接受低水

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平刺激的细胞中，Ca少量释放到胞质中能对钙的静息水平产生显著性影响。Ca

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水平的这种升高提高了细胞内受体的兴奋性，有助于球形Ca信号的开始。

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2．局限化功能 Ca信号基本单位产生高浓度局限化的Ca爆发，执行非

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常特殊的信号功能。例Ca经VOCs（电压依赖性钙通道）进入突触前膜引起一个

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短暂的Ca脉冲，激发细胞排粒作用。此作用定位在囊的附近，持续大约500us，

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在此期间Ca浓度从100nmol/L上升到200nmol/L，产生一个微小的延迟后激发

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排粒作用。因此VOCs同轴突蛋白的Syntaxin和25kD的突触小囊联系蛋白

(SNAP25)相联系。

3．对离子通道的影响 Ca信号基本单位的另一个重要局部功能是激活离

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子通道。肌纤维膜下的Ca火花刺激局部的钾通道产生STOCs。

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四、细胞钙信号的种类/表现方式

1．钙火花：最早在激光共聚焦显微镜下发现从心肌细胞肌浆网内释放的钙

可在细胞内产生局限的、类似点火花状的自发性增高，称为钙火花。是细胞内钙

的自发的、局限的、非传播性增高的现象，由SR上的一簇邻近的RyR自发地释

放的Ca所形成，反映了SR的RyR自发开放的情况。以后研究者发现同类钙火

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花不仅见之于可兴奋性组织（如心肌、骨骼肌、平滑肌、神经元），亦见之于非

兴奋性组织和细胞，如神经胶质细胞、蛙卵细胞（Xenopus occytes），及植物根

毛生长锥中的细胞。

2．钙夸克：比钙火花更小的、局部的钙释放形式，它是目前发现的心肌细

胞钙信号系统的最小功能性释放单位，理论上认为它是由单个钙释放通道释放出

的钙。由钙夸克空间上的总和，构成了钙火花。

3．钙瞬变：由心肌细胞膜上兴奋冲动到来时的电除极所诱发的瞬时性钙增

高（caicium transient），也主要是由肌浆网释放的，与正常的收缩功能密切相

关，是心肌细胞内正常的钙信号。它与钙波和钙火花不同，只是在兴奋-收缩耦

联时出现钙瞬时性增高。

4．钙波：指某些情况下（如病理状态缺血或细胞内钙负荷增高等）细胞内

钙在局部自发性释放增加并伴以传导的现象（1996）。其特点是在激光共聚焦显

微镜下可见细胞内钙在某个区域瞬时性增高，并以很快的速度在细胞内传播

（100um/s），似乎反映了细胞对高钙负荷后的反应。

5．钙振荡：细胞内钙信号的传播存在时间和空间的组合形式。始发于胞浆

中某一局部的Ca跃升，可以一种反复瞬变的方式在细胞中传递，称钙振荡

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（calcium osillation）。

五、钙测定

由于Ca在生命活动的各种生理生化反应和疾病的发生、发展中扮演着极其

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重要的作用，随着近年来生物医学高新技术和高精科学仪器的飞速发展，从整体

水平至细胞分子水平对钙的研究方法和成果越来越多。

（一）整体水平上（如血清/尿钙的测定）

1. 滴定法 又分为氧化还原法和络合法，后者是国内应用较普遍的方法

之一。尿钙的测定多采用与血清钙相同的EDTA-2Na滴定法。

2. 比色法 有直接比色法和间接比色法，国内多用间接比色法，即邻-

甲酚酞络合法。

3. 火焰法 分为火焰光度计法和原子吸收法，后者比前者效果好。

4. 离子选择电极法 可测血中离子钙，它比测总钙更有意义。

5. 活化分析法 是用回旋器中子轰击试样后用质谱仪测定血钙的方法，

用血量少，准确度高。

此外还有Ca放射性同位素示踪法，本法不仅可用作体内钙代谢的示踪研

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究，也可作为观测细胞钙流的研究，是现代比较常用的方法。

（二）细胞内钙的测定――双激发波长荧光法

随着90年代中期多学科尖端技术运用，包括单细胞电生理（膜片钳技术），

荧光细胞钙测量，激光共聚焦扫描显微术，数字图像处理及计算机数学模型技术

的运用，特别是激光共聚焦扫描显微术精确性、高分辨等特征，大大提高了细胞

内影像观测及三维重组能力，观察到了多种形式的细胞内钙离子浓度的瞬时性增

高，为功能学研究提供了方便直观的图像，使人们对钙信号调控机制的探讨向纵

深跨进了一大步。目前最常用、最先进的测量技术都是通过荧光法（钙荧光探针）

实现的。

测量时一般采用单波长法和双波长比例测量法，其原理是：探针与钙结合后

不仅产生荧光强度的变化，而且有激发光或发射光谱偏移。激发峰偏移者进行双

激发比例荧光测量，如fura-2；发射峰偏移者进行双发射比例荧光测量，如

indo-1。一般选择对钙离子敏感而荧光强度变化相反的两个波长，如fura-2的

340/380，可获得最大的比值；也可选择对钙离子敏感和不敏感的两个波长，如

fura-2的340/360。

例如Ca与fura-2结合后，在激发荧光波长为340ｎｍ左右时,结合物荧光强度

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上升;而在激发荧光波长为380ｎｍ时,其荧光强度会下降;在fura-2的等消光点

360ｎｍ时,其荧光强度与结合的Ca浓度无关。这样Ca浓度可以直接由两个激

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发波长上的荧光强度的比值来计算。