细胞内外钙浓度的调节及意义.doc

细胞内外钙浓度的调节及意义日期：2007-12-13来源：桂林中学校园网 作者：毛敏字体：大 中 小摘要：在正常生理状态下，细胞膜内外钙浓度相差高达1万倍左右。维持如此大的浓度梯度，主要靠细胞膜对Ca2+极低的通透性、钙亲合蛋白的缓冲以及依赖质膜两侧钙泵，Na+-Ca2+交换系统将Ca2+主动排除，或通过细胞内Ca2+库摄取于贮存Ca2+。细胞内游离钙离子浓度的升高可能触发肌肉收缩、递质释放、激素分泌等生理过程，甚至引起细胞死亡，神经细胞老化等。关键词：细胞 钙离子 钙泵正常细胞中，细胞膜内游离的Ca2+浓度约为0.1umol/L1.0umol/L,细胞外钙离子浓度比细胞内钙离子浓度高1 万倍，约为1.5 m mol/L。一、细胞内Ca2+浓度调节机理细胞膜构成了Ca2+流动的屏障，同时也是细胞功能调节的基础。正常细胞中。膜内Ca2浓度比膜外Ca2+浓度低1万倍左右，这并不等于说细胞内缺少Ca2+，事实上某些细胞器，如：线粒体、内质网和突轴小泡能摄取和贮存Ca2+，其中线粒体是细胞内最重要的钙库之一。另外，细胞内还有一些钙结合到带负电的脂和蛋白上，当细胞受刺激时，细胞外及细胞器中的Ca2+都可能被动的进入细胞质，使游离钙浓度升至110 umol/L，从而引起一定的生理反应。细胞内Ca2+浓度升高，主要由于Ca2+按浓度梯度通过Ca2+通道进入细胞的结果。膜系统上的Ca2+通道可以是电压依赖的，也可以是激动剂依赖的，前者主要在肌肉和神经细胞中起作用。电压依赖的钙通道常有三种类型：L-型，长程型：需要较强的去激化刺激才能开放，失活也慢；T-型，瞬时型：较弱的去激化电压即能使通道开放，但失活也快；N-型，需要较强的去激化电压，失活快。此外，神经元细胞上还存在一种P-型钙通道，需要较强电压激活，失活也慢。激动剂依赖型的钙通道，也称受体操纵性钙通道，主要通过激动剂与质膜上特点受体结合后，启动通道开放，使细胞外钙进入细胞内，或使细胞器钙库释放，使细胞内游离Ca2+上升。细胞内Ca2+的排出是由另一类细胞功能蛋白Ca2+泵来完成的。Ca2+泵逆浓度梯度将Ca2+排到细胞外或使其进入细胞内贮存库中。细胞膜上还有另一类不直接与ATP水解偶联的Ca2+主动传递，就是Na+/Ca2+交换体系，它是利用细胞膜两侧Na+浓度梯度通过Na+ -Ca2+交换将Ca2+排到细胞外。可见，Ca2+在细胞内外保持动态平衡，依赖四个主要系统维持：1、 电压依赖性钙通道；2、 受体或神经递质操控的钙通道；3、钙泵；4、细胞内第二信使（1、4、5三磷酸肌酸IP3）内在机制。二、钙在细胞中的作用Ca2+对细胞膜的兴奋性是不可缺少的。当细胞内游离的Ca2+从静息水平的10-8M上升时，则肌体的分泌、收缩、通道门控和其他过程都处于活动之中。钙离子具有胞内信使作用。胞外钙离子是胞内钙离子的主要来源。钙通道开放时，胞外Ca2+浓度的上升，可关闭电压依赖性通道，增加静息膜阻抗，从而也增加了神经和肌肉兴奋性的阈值；若降低胞外Ca2+浓度则引起触发性阈值变化，作用相反，神经和肌肉产生复极化，临床上，病人表现为甲状腺机能减退。Ca2+是生理活性物质，在中枢神经系统中作用倍受人们关注。神经元不少关键的过程如：神经递质的释放、膜对特种离子的通透性的调节、膜的稳定性、轴浆流，以及许多酶的控制都是由细胞内或膜内、外钙离子分布的改变来调节的近年来的研究表明，肌细胞中肌浆网的Ca2+ATP酶的作用是将Ca2+从细胞内转运并存到肌浆网内部。当Ca2+ATP酶的激活可以迅速降低胞液中Ca2+的浓度，让肌肉得到舒张。心肌细胞内Ca2+浓度升高，可以引起心肌收缩。红细胞膜上的钙泵，含有一个调节蛋白亚基，当细胞液中Ca2+浓度升高时，钙调节蛋白的4个钙离子结合位点与Ca2+结合，产生变构效应，激活Ca2+ATP酶，使Ca2+排到细胞外。钙泵的作用，是维持细胞内Ca2+浓度，使之处于较低水平。据报道：在非缺血情况下，兴奋性氨基酸递质结合突触膜受体，引起Ca2+内流，其突触反应的终止是通过兴奋性氨基酸递质被再摄取和Ca2+、Na+-K+ATP酶转运系统使Ca2+从细胞内流出；在短暂性脑缺血时，使ATP耗竭，引起兴奋性氨基酸再摄取和Ca2+外流减少，从而引起NMDA受体控制的Ca2+通道持续开放，结果细胞内Ca2+超载。神经细胞钙离子超载与老化有关。高浓度的Ca2+可以激活内质网上Ca2+，诱导Ca2+释放通道，使内质网膜上释放Ca2+。另外，一些激动剂可以与膜上受体结合，促发膜磷脂中磷酰肌醇-4，5二磷酸水解产生两种新的肌内第三信使，调节神经细胞的活动。钙超载对细胞损伤主要有几个方面：1 酸化脱偶联，呼吸作用受抑制；2 活磷脂酶C,A1,A2, 使膜磷脂水解，花生四烯酸（AA）释放增加，同时产生大量自由基，使膜通透性增加，钙离子大量流入，造成恶性循环；3 活依赖Ca2+的中性蛋白酶活性增加，造成神经元骨架破坏，蛋白质广泛降解，神经细丝分解，神经微管解聚，严重影响轴浆运输，导致神经元死亡。Ca2+将死亡信号传入细胞内的机制仍然知之甚少。当细胞内Ca2+浓度增加时，谷氨酰胺转移酶活化，谷氨酰胺转变成赖氨酸，从而形成位于膜下的稳定的交换蛋白，去参与凋亡小体的形成。Ca2+和钙调蛋白能活化蛋白酶II，时细胞周期停止在G2,进而导致细胞凋亡。当细胞内Ca2+浓度降低，也能导致细胞凋亡，因为细胞内Ca2+浓度降低能抑制DNA和蛋白质合成，增加细胞内能量需求和影响许多Ca2+依赖性的细胞活动以及基因表达的变化等。在许多组织中 ，细胞质Ca2+增加可活化细胞膜上的K+通道，使K+沿电化学梯度从胞内扩散到胞外。此外Ca2+还可以调节Ca2+、Cl- 和Na+通道的开启，可以活化一类非专一性的阳离子通道。Ca2+对离子通道的活化与细胞的许多功能，特别是对细胞的兴奋性传导以及内分泌和外分泌均起着重要的调节作用。近年研究发现，K+诱导的去极化可通过电压门控Ca2+通道导致Ca2+的内流，而谷氨酸的作用则经突触后非NMDA受体介导引起Ca2+内流。视网膜中主要的胶质细胞受刺激后，会引起Ca2+从胞内钙库释放后流至胞内不同部位，先是在细胞顶端Ca2+浓度升高，然后以波动的形式向终足区传播。这种Ca2+波也许是视网膜中信号传递的第二条通路。 综上所述，Ca2+在细胞功能的调节作用极大，在神经传导、肌肉收缩、形态变化、神经细胞老化、腺体细胞的分泌和视网膜细胞的信号传递等生理过程都有Ca2+的调节参与。细胞的许多功能都依赖于细胞内外极高的Ca2+浓度差存在，一旦这种浓度差减低，细胞功能就会受到损伤，甚至引起细胞死亡。 参考书目：1、细胞膜离子通道刘安西、陈守同编译2、薛沿宁 周延冲 生理科学进展 1988，19（4）：3283333、张祖喧等 生理科学进展 1983，14（4）：4、周新良 张玉泉 生理科学进展 1987，18（2）：12713