水产动物体内钙元素的存在形态及生理功能.doc

水产动物体内钙元素的存在形态及生理功能摘要：钙元素是所有生物所必需的，也是水产动物最重要的常量元素之一。 生物体中99%的钙元素存在于骨骼和牙齿中，然而还有1%存在于血液和软组织中。在水产动物中钙的存在形态可分为蛋白结合钙、离子钙和难离解钙，其不同的存在形式在水产动物机体中参与凝血、信号传递、肌肉收缩、神经传递以及骨骼形成等生理功能，该领域的研究对水产动物营养需求和生理功能调节提供了理论依据。钙是近二十年来在生理研究中最受重视的元素之一，首先在细胞与分子水平上受到研究。本文就水产动物体内钙元素的存在形态和生理功能等方面的研究作了综述。关键词：钙；生理功能；存在形态；水产动物；Existing forms and Physiological function of calcium in Aquatic animalsAbstractCalcium is essential for all living organisms，which is one of the most important major elements in aquatic animals.99% of calcium is found in bones and teeth with the remaining 1% found in the blood and soft tissue. The existing forms of calcium are divided into protein-bound calcium,ionized calcium,slightly dissociated calcium,calcium plays a role in Physiological function such as blood coagulation, signal transmission,muscular contraction, neurotransmission.Research in this field provides a theoretical basis of nutrition requirement and physiological function in aquatic animals.As a hot element in the physiological research in the nearly 20 years,calcium was first researched by the molecular level.The article is focused on the Existing forms and physiological function of calcium on aquatic animals.Key wordsCalcium ;Physiological function;Existing forms;Aquatic animals;水产养殖业弥补全球水产品供给不足，成为世界粮食生产发展最快的部门之一，世界水产养殖业由20世纪6070年代从提供资源日渐衰退的水产品供给和低档鱼类转向高档鱼类。学者对水产动物营养组成的做了各方面研究，目前人们对钙的生理功能的研究深度，已由原来的生理学观察进入到分子机制的程度1，针对钙元素动物体内存在形态分类，钙调蛋白（CaM），钙通道以及钙离子和钙相关酶等方面对动物生理功能的影响等方面的研究已成为该领域的热点，对水产动物营养需求和生理功能调节提供了理论依据。1 水产动物体内钙元素的存在形态水产动物体内矿物质元素存在很多种类，钙是动物体内含量最多的矿物元素，为动物的骨骼生长、蛤壳、蛋壳形成所必需，生产潜力的发挥，动物体内的钙存在形态以：蛋白结合钙、离子钙、难解离钙存在2。与陆生脊椎动物一样，钙对于水生动物的正常生长和生理功能也是必需的，水产动物又分为淡水类和海水鱼类种，钙在养殖水体中含量丰富，因此通常认为鱼类通过吸收水体中的钙来提供其新陈代谢的部分或全部钙需求（Ichikawa和Oguri，1961）3。淡水鱼生活的水环境中钙浓度一般很低，而海水中的钙含量却十分的可观，钙对海水鱼类生长和生理功能的影响更加复杂和多变4-5。之前鱼类钙需求已经在在几种鱼中作过研究，但结果却不相同。斑点叉尾鮰( Robinson 等，1986)6 和罗非鱼( Robinson 等，1987)7等淡水鱼在无钙的水环境中养殖时，其每日对钙的吸收需求量分别是4.5g/kg 和7g/kg。然而对海水鱼来说，黄姑鱼(Hossain 和Furuichi，1999a)8、梭鱼(Hossain 和Furuichi，2000a)9和蝎鱼(Hossain 和Furuichi，2000b)10 从海水中吸收的钙不能满足其需求量。而真鲷(Sakamoto 和Yone，1976)11 和黑鲷(Hossain 和Furuichi，1999b)12从海水中吸收的钙已足以满足自身钙离子的吸收量13。1.1 蛋白结合钙 钙结合蛋白是一类功能特异并且与钙可逆性结合的蛋白质，通过与钙结合的亲和度感知血液中钙浓度从而调控钙代谢14。发挥生理作用的主要是离子钙。在体内除以形成骨骼的形式发挥支架作用、运动功能和保护功能外，钙还具有参与多种代谢、骨骼肌等的收缩、神经反应、激素合成与作用、内分泌、血液凝固、血管通透性、免疫吞噬等十分广泛和特殊的生理功能。钙的这些生理功能的发挥大多是与生物膜等处的特定蛋白质、酶结合形成钙、蛋白和钙、酶复合物后实现的15。由于钙在参与代谢的整个过程中，时刻与蛋白质等生物大分子紧密联系在一起，所以研究钙结合蛋白的生物学特性及影响因素，特别是与钙缺乏发生的关系，是今后研究的重要方面。1.2 离子钙（钙信使） 美籍华人张槐耀19671970年间在提纯研究环腺苷酸二脂酶时, 一个内源的活性蛋白在动物里首先被分离出来, 并发现它是一种Ca2+ 依赖的蛋白质, 命名为钙调蛋白( Calmodulin,简CaM )16 。在动物细胞中钙作为第二信使(Second messenger) 调节细胞功能作用早已被确认。离子钙广泛存在于动物各部分机体中，钙离子作为多肽类激素和细胞因子与细胞膜上相应受体结合以后产生的第二信使，在细胞内激活许多具有生理活性的酶或蛋白质，例如依赖于钙的蛋白激酶和钙调节蛋白等，从而发挥许多生理功能。钙离子对细胞的调节作用和产生的效应依效应细胞种类而不同。如骨骼肌细胞的兴奋,收缩耦联产生肌肉收缩；神经细胞的刺激分泌反应耦联产生传导，这类反应主要是钙调节蛋白（在骨骼肌为肌钙蛋白，在神经和心肌为钙通道）与钙结合使钙内流增加，造成细胞膜的复极化，或激活酶系统，改变代谢水平或代谢方向，产生相应的生理反应，然后通过钙泵分解ATP获得能量，将钙由细胞内泵出，使细胞膜内外钙离子达到正常水平，因此产生反应迅速而维持短暂的效果。对内分泌细胞、平滑肌细胞和细胞的代谢，钙离子的调节作用显得反应时间持久。这类反应过程较为复杂，常涉及钙泵和“慢通道”的持续钙内流，细胞内钙离子浓度增加，激活依赖钙的“钙离子 调钙蛋白”的蛋白激酶类，引起不同细胞产生特异的生物学效应16。信号传导是目前研究基因表达的重要突破点。研究钙在信号传导中的作用，可以从分子水平上揭示钙离子生理作用的机理17。1.3 难离解钙难离解钙主要以碳酸钙形式存在于软体动物的壳中，根据不同的晶型，分为文石层和珍珠质层。多数无脊椎动物的骨骼以碳酸钙为主要成分，几丁质外骨骼见于节肢动物等较高等的无脊椎动物18-19。几丁质是一种多糖（氨基多糖）类有机物，节肢动物（甲壳类，昆虫等）的外骨骼主要是由几丁质和矿化（磷酸钙化）的胶原纤维组成。2 钙的生理功能2.1 凝血因子，参与凝血过程的途径 钙离子参与凝血酶原酶複合物的形成，分为内源性凝血和外源性凝血两种途径，内源性凝血途径即当血管壁发生损伤，内皮下组织暴露，带負電荷的内皮下胶原纤维与凝血因子接触，因子即与之结合，在HK和PK的参与下被活化为a。在不依赖钙离子条件下，因子a将因子激活。在钙离子的存在下，活化的a又激活了因子。单独的a激活因子X的效力相当低，它要与a结合形成1：1的复合物，又称为因子X酶复合物。这一反应还必须有Ca2+和PL共同参与。外源性凝血途径即当组织损伤后，释放该因子，在钙离子的参与下，它与因子一起形成1：1复合物20。 Fig1、钙参与内、外源性凝血途径 一般认为，单独的因子或组织因子均无促凝活性。但因子与组织因子结合会很快被活化的因子激活为a，从而形成a组织因子复合物，后者比a单独激活因子增强16000倍见。 凝血酶的生成即因子Xa、因子Va在钙离子和磷脂膜的存在下组成凝血酶原复合物，即凝血活酶，将凝血酶原转变为凝血酶。纤维蛋白形成，由凝血酶在钙离子的参与下催化血浆中的纤维蛋白原而形成,细丝纵横交织构成网状,并将血细胞网络其中使液状的血液转变成胶冻状的血凝块。2.2 参与肌肉收缩过程 肌肉收缩的结构基础是粗细肌丝各蛋白质的结构和特性；横桥ATP酶分解ATP为之供能；而整个过程触发和终止的关键是钙离子与肌钙蛋白的结合和分离，即钙离子的浓度是高还是低。2.2.1 参与骨骼肌收缩 参与骨骼肌收缩的蛋白质主要有肌球蛋白、肌纤蛋白、原肌凝蛋白和肌钙蛋白四种。收缩机制是肌丝滑行学说。收缩的始动是细胞内游离Ca2+浓度的上升, 而舒张则是细胞内游离Ca2+浓度的降低。胞内游离Ca2+ 浓度是由肌膜(SL)电位和肌浆网(SR)等来调控的。SR是调节骨骼肌胞内游离Ca2 + 浓度的主要结构，其功能是通过对Ca2+的贮存、释放和再聚集, 维持生理情况下胞浆内的Ca2十平衡。当肌细胞兴奋时，膜电位去极化沿横管传到肌细胞内部, 诱发胞浆中三磷酸肌醇(IP 3 )生成增多，引起终末池膜上的Ca2+ 通道开放,于是Ca2+顺浓度差向胞浆中扩散达到10一5m浓度时，Ca2+与肌钙蛋白结合触发肌丝滑行。一般认为膜电位去极化到一50 mV 时，SR释放Ca2+开始；去极化达一20 mV时，SR释放Ca2+量最多。当肌肉收缩结束时，SR上的Ca2+一M g2+ 依赖式ATP酶活动，逆浓度差将胞浆内的C a2 +再聚集到SR内，使胞浆C a2+恢复到1 0一7 m和肌钙蛋白结合的Ca2+也解离，引起肌肉舒张。SR内含有收钙素(calsequestrin )，每分子收钙素能结合43个Ca2+，这样可降低Ca2+一Mg2+依赖式ATP 酶所必须对抗的浓度梯度。可见骨骼肌的收缩和舒张，是由S R 释放和聚集Ca2+来调控的，而SR的活动则由SL的电位变化调控的。SR释放Ca2十量的多少与肌肉收缩力呈正变关系，而SR再聚集Ca2+的速度决定肌肉收缩速度的快慢21,22。2.2.2 参与心肌收缩 心肌其结构与收缩机制与骨骼肌相似，但分为下特点：1、心肌收缩具有全或无现象；2、横管发达有利于细胞外液Ca2+快速内流；3、SR贮C a2+量较少，心肌收缩对细胞外液C a2+有明显的依赖性；4、心肌横管A T P 酶活性较低, 收缩缓慢；5、心肌的有效不应期长，不能产生强直性收缩23。 1985年Nihus等首次发现心肌细胞膜上存在两种不同类型电压依赖式钙通道，即L 型和T 型。通过L型钙通道的慢内向Ca2+流构成心室肌细胞动作电位平台期的基础；Ca2十通过L 型钙通道内流，激活Ca2+从肌浆网中释放,发动肌丝滑行机制。应用膜片钳技术发现，心肌L 型钙通道活动有三种不同的形式1、开放大约l ms，在无药物影响时最常见的开放形式；2、开放大约20ms，关闭短暂，开放频率高，在Bayk8644 激动剂作用下最显著；3、备用状态, 钙通道拮抗剂如异搏定，与其有很高的亲合力，可以稳定这一状态，阻滞Ca2+内流。L型Ca2+通道具有电压依赖性和频率依赖性。此外，L型C a 2+通道还依赖。c AMP和c GMP介导的蛋白磷酸化19,24。2.2.3 钙离子与平滑肌收缩 平滑肌其结构和收缩机制特点如下：平滑肌细胞收缩装置不均一性, 依其功能分为收缩蛋白质( 肌凝蛋白和肌纤蛋白)与调节蛋白质( 钙调素、肌球蛋白轻链激酶、肌球蛋白轻链磷酸酶和原肌凝蛋白等)34。平滑肌收缩调控机制具有多样性, 包括粗细肌丝的调节。平滑肌细胞内游离Ca2+调控有四个环节，即动作电位去极化时Ca2+经钙通道内流，同时触发SR释放Ca2+ , 引起肌肉收缩；S L=上Ca2+ 泵活动将Ca2+外排和SR再聚集Ca2+ ，引起肌肉舒张。不同平滑肌对细胞外Ca2+内流的依赖性存在明显的差异。收缩时对外Ca2+内流的依赖性越大，对Ca2+通道阻断剂敏感性越高l2。收缩对外Ca2+的依赖性与胞内钙池的大小呈负相关。而胞内钙池的大小与收缩的最大能力呈正相关。平滑肌收缩调节磷酸化学说：当胞浆内Ca2+升高时，Ca2+与钙调素结合，激活肌凝蛋白轻链激酶，使肌凝蛋白磷酸化，从而引起横桥运动19,25。我的实验是研究钙对中华绒螯蟹肠道组织的影响，胃和肠的内表面由结缔组织构成，构成胃壁和肠道内壁的的肌肉主要是平滑肌，肠壁肌肉是由粘膜肌层、粘膜下层、环形肌、纵肌构成，上文已经对钙参与平滑肌的收缩机制做了详细的阐述32。 综上所述，三类肌肉收缩机制相同之处是均需要Ca2+，但是胞浆内Ca2+的来源和去路，触发收缩机制和影响因素均不完全相同。目前对骨骼肌和心肌收缩机制比较清楚和肯定，关于平滑肌收缩机制报道很多，各家说法不一，还有待以后进行讨论26。2.3 钙离子参与神经递质的释放 Ca2+内流是诱发乙酰胆碱释放的必要环节。当动作电位到达神经末梢时，接头前膜的去极化使电压门控Ca2+通道开放，大量Ca2+由胞外进入到突触前末梢内，这些Ca2+不仅是一种电荷携带者，可抵消神经末梢内的负电位，而且本身就是一种信使物质，可以触发囊泡中的乙酰胆碱以胞吐的形式释放到接头间隙中。Ca2+ 在前膜的兴奋和乙酰胆碱递质释放过程中起偶联和触发作用27。钙的神经调节，当神经冲动到达神经末梢的突触时，突触膜由于离子转移产生动作电位（钾-钠ATP 酶作用下的钾，钠泵运转），细胞膜去极化。钙离子以平衡电位差的方式内流进入细胞，促进神经小泡与突触膜接触向突触间隙释放神经递质。在这一过程中钙离子细胞膜内外转移是必须的，同时还依靠钙转移的浓度对反应强度进行调节，钙浓度高时反应强，反之则弱。28由于钙的神经调节作用对兴奋性递质（乙酰胆碱、去甲肾上腺素）和抑制性递质（多巴胺、5-羟色胺、羟基丁酸）具有相同的作用，因此当机体缺钙时，神经递质释放受到影响，神经系统的兴奋与抑制功能均下降。2.4 钙离子参与骨骼的形成钙离子参与硬骨和软骨鱼类以及甲克动物等的骨骼形成，血中钙水平与骨代谢密切相关。正常时成骨与溶骨过程处于动态平衡，成骨过程中，钙沉积于骨，血中水平降低，而溶骨过程中，骨质分解，提高血中钙水平。在多种激素的共同调节下，骨不断更新与重建，并为血中钙水平稳态提供基本保证19。参考文献1 刘永坚,林鼎,毛永庆. 不同水钙磷浓度条件下草鱼对水和饲料中钙磷的吸收利用 J. 中国动物营养学报， 1993， 5(1):29-352 杨频等.生物无机化学导论M. 西安: 西安交通大学出版社 1992 8.3 Ichikawa R,Oguri M. 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