钙离子与信号传导

1. 内质网 肌质网（ER/SR）钙泵 内质网/肌质网 肌质网（ ）
2. ER/SR钙离子通道 钙离子通道 RyR 和 IP3R： ：
＋ 咖啡因、腺苷酸、 咖啡因、腺苷酸、 Ca2＋及低浓度的 ＋ Ryanodine促进通道开放；Mg2＋、过高 促进通道开放； 促进通道开放 ＋ 浓度的Ca2＋ 、钙红、CaM等抑制其开放。 浓度的 钙红、 等抑制其开放。 等抑制其开放
＋ Ca2＋作为细胞信使的基础是胞浆 ＋与胞内钙库或胞外Ca ＋ Ca2＋与胞内钙库或胞外 2＋之间存在浓 度梯度。当某种刺激使胞内Ca ＋ 度梯度。当某种刺激使胞内 2＋浓度大 幅度增加时，就起到传递信号的作用。 幅度增加时，就起到传递信号的作用。 ＋ Ca2＋本身的特性更有利于和靶蛋白 结合，从而传递信息。 结合，从而传递信息。
＋与无Ca ＋情况下， ①在有Ca2＋与无 2＋情况下，SDS 在有 电泳迁移率不同； 电泳迁移率不同；
②耐热性。 耐热性。
CaM的结构特征： 的结构特征： 的结构特征 的酸性氨基酸， ①含30%的酸性氨基酸，为结合钙提 的酸性氨基酸 供羧基； 供羧基； ②无易氧化的Cys和Trp，因而稳定、 无易氧化的 和 ，因而稳定、 耐热； 耐热； ③不含能使肽链定型的Hyp，因此具 不含能使肽链定型的 ， 有高度灵活性，可与靶蛋白结合； 有高度灵活性，可与靶蛋白结合；
四、膜联蛋白家族
膜联蛋白（ 膜联蛋白（annexin）家族： ）家族：
＋ 与Ca2＋结合后可进一步与膜磷脂结合 ＋结合蛋白， 的Ca2＋结合蛋白，即钙依赖性磷脂或膜结 合蛋白。 合蛋白。
此家族有12个成员， 此家族有 个成员，存在于细胞质膜 个成员 ＋ 下、储Ca2＋细胞器附近以及在核内或细胞 外基质中。 外基质中。
主要用于兴奋性细胞受到刺激后从胞 内除去大量的Ca ＋ 内除去大量的 2＋ 。
3. 钙离子通道 （1）电压门控性 2＋通道（voltage）电压门控性Ca ＋通道（ ＋ gated Ca2＋ channel，VGCC）： ， ）：
＋ 受控于膜电压的变化。除极时， Ca2＋ 受控于膜电压的变化。除极时， 通道打开，胞外Ca ＋内流。 通道打开，胞外 2＋内流。
第八章
钙离子与信号转导
【目的要求】 目的要求】 1．掌握质膜上的钙转移系统；内质网/肌 掌握质膜上的钙转移系统；内质网/ 质网钙转移系统； 质网钙转移系统；钙调素及膜联蛋白家 族的概念。 族的概念。 2．熟悉细胞钙的分布；钙调素的结构；钙 熟悉细胞钙的分布；钙调素的结构； 调素的活化及作用方式。 调素的活化及作用方式。
基本单位Ca ＋信号共同特点： 基本单位 2＋信号共同特点：
＋ • 钙通道开放时， Ca2＋浓度快速上升并扩 钙通道开放时， 散形成梯度； 散形成梯度；
• 钙通道关闭时，缓慢复原。 钙通道关闭时，缓慢复原。 • 钙信号由组成各自相对独立的 2＋信号的 钙信号由组成各自相对独立的Ca ＋ 基本单位所产生。 基本单位所产生。
（一） 膜联蛋白家族的共同特点 1. 在µmol/L浓度水平的 2＋就可与磷脂 浓度水平的Ca ＋ 浓度水平的 或膜结合，而且对Ca ＋ 或膜结合，而且对 2＋及磷脂结合有特异 性。 2. 在蛋白质的结构上有同源性。 在蛋白质的结构上有同源性。 3. 在细胞中的分布都直接或间接地与细胞 质膜或内膜系统相联系。 质膜或内膜系统相联系。
3. 线粒体钙转移系统 线粒体对细胞内Ca ＋起着持久的、 线粒体对细胞内 2＋起着持久的、 大容量的调节作用。可防止细胞内Ca ＋ 大容量的调节作用。可防止细胞内 2＋大 幅度波动。 幅度波动。 线粒体存在钙的单向转运体， 线粒体存在钙的单向转运体，能量来 钙的单向转运体 自呼吸代谢形成的膜内的负电位， 自呼吸代谢形成的膜内的负电位，使钙向 内移动。它对钙的亲和力很低， 内移动。它对钙的亲和力很低，但运送钙 的量很大。 的量很大。
CaM的活化： 的活化： 的活化 CaM通过与 2＋结合而活化。 通过与Ca ＋结合而活化。 通过与 CaM活化后的构象改变：①二级结构改 活化后的构象改变： 活化后的构象改变 导致疏水基团暴露， 变，导致疏水基团暴露，以利于与靶酶结 合；②形成球形构象。 形成球形构象。 CaM激活靶酶的机制： 激活靶酶的机制： 激活靶酶的机制 靶酶存在自抑制结构域，结合 靶酶存在自抑制结构域，结合CaM后， 后 消除了自抑制作用而被活化。 消除了自抑制作用而被活化。
＋ 质膜Ca2＋通道开放 质膜
钙库Ca ＋ 钙库 2＋通道开放
＋ Ca2＋浓度升高
钙信号终止： 钙信号终止： 胞质中Ca ＋ 胞质中 2＋结合 蛋白对钙的缓冲 质膜Ca ＋ 质膜 2＋泵 SERCA
＋ Ca2＋浓度下降
（二）钙信号的时空性 钙信号的时空模型： 钙信号的时空模型：
＋ 在反应的初始阶段和持续阶段， 在反应的初始阶段和持续阶段， Ca2＋ 信号作用的空间区域不一样； 信号作用的空间区域不一样； ＋ 在持续反应中， 在持续反应中， Ca2＋内流与外流形成 的循环起基本作用； 的循环起基本作用； ＋和其他信使一起通过激活PKC等， Ca2＋和其他信使一起通过激活 等 完成持续反应。 完成持续反应。
（二）膜联蛋白的生理功能 • 参与胞吐作用； 参与胞吐作用； • 在两膜之间形成膜桥，有利于膜的黏着、 在两膜之间形成膜桥，有利于膜的黏着、 聚集和融合； 聚集和融合； • 具有离子通道功能； 具有离子通道功能； • 对PLA2有抑制作用； 有抑制作用； • 与细胞骨架有关。 与细胞骨架有关。
VGCC有6种亚型： 有 种亚型 种亚型：
＋通道， T型：又称低电压激活的Ca2＋通道， 型 又称低电压激活的 激活后可迅速失活。 激活后可迅速失活。
L、N、P、Q、R 型：又称高电压激 、 、 、 、 活的Ca ＋通道，激活后可缓慢失活。 活的 2＋通道，激活后可缓慢失活。
＋ L型Ca2＋通道的组成 型
RyR的真正激活剂是 的真正激活剂是cADPR。 的真正激活剂是 。cGMPNA Nhomakorabea+
ADPRC
cADPR
cGMP-cADPR促进钙释放 促进钙释放
＋信号基本单位： Ca2＋信号基本单位：
单个钙通道开放记录到的钙信号为反射 脉冲（ 脉冲（blip）和夸克（quark）； ）和夸克（ ）； 一组钙通道开放记录到的钙信号为钙火 花（spark）和钙泡（puff）； ）和钙泡（ ）； 钙团。 钙团。
一、细胞总钙
（一）细胞钙的分布 结合钙：与储钙蛋白结合的钙。 结合钙：与储钙蛋白结合的钙。占 99.9%，主要分布在细胞核、线粒体、内 ，主要分布在细胞核、线粒体、 质网/肌质网和质膜 肌质网和质膜； 质网 肌质网和质膜； 游离钙： µ 游离钙：0.1µmol/L。
储钙蛋白： 储钙蛋白： 肌细胞中主要有集钙蛋白（ ），还 肌细胞中主要有集钙蛋白（CSQ），还 ）， 有小清蛋白（ 有小清蛋白（parvalbumin）和钙结合蛋白 ） （calbindin）； ）； 非肌细胞中主要是钙网蛋白 ），还有二硫异构酶 （calreticulin），还有二硫异构酶、免疫球 ），还有二硫异构酶、 蛋白重链结合蛋白（ 蛋白重链结合蛋白（BIP）和内质网素 ） （endoplasmin）等。 ）
＋ • 高亲和力低容量，在调节胞内Ca2＋稳态 高亲和力低容量，在调节胞内 上起微调作用。 上起微调作用。
• 质膜 2＋泵的调控机制： 质膜Ca ＋泵的调控机制： ① CaM的激活 的激活
＋ ＋ Ca2＋↑→ Ca2＋-CaM→与钙泵 端结 与钙泵C端结 与钙泵 合→钙泵活化 钙泵活化
② PIP2水解的双重效应 PIP2 PIP2水解 IP3 ③ 有限水解 胰蛋白酶切去钙泵C端的抑制肽。 胰蛋白酶切去钙泵 端的抑制肽。 端的抑制肽 ④ PKC和PKA的磷酸化 和 的磷酸化
CaM
＋ Ca2＋
CaMK PKC
瞬时反应 持续反应
DAG
（三）钙信号的传递途径
＋ Ca2＋信使的靶分子是钙结合蛋白和 ＋调节蛋白。 Ca2＋调节蛋白。
钙信号的传递是通过钙结合蛋白介导 的。
钙结合蛋白的分类： 钙结合蛋白的分类：
＋结合后构象改变， ①与Ca2＋结合后构象改变，再激活其 他酶； 他酶；
＋ 钙通道分布不平衡：是胞内 钙通道分布不平衡：是胞内Ca2＋浓度 升高呈不均一分布的一个主要因素； 升高呈不均一分布的一个主要因素； ＋ 钙信号的时间形式：是指 钙信号的时间形式：是指Ca2＋信号的 不应期、传播速度和频率， 不应期、传播速度和频率，这取决于钙库 重充盈至可再次发生反应所需的时间。 重充盈至可再次发生反应所需的时间。
＋ 线粒体内的HPO4 2 －对Ca2＋起缓冲 线粒体内的 作用。 作用。
线粒体还存在钙的运送器 进行Na 钙的运送器， 线粒体还存在钙的运送器，进行 ＋ ＋交换，可缓慢释放钙 释放钙。 －Ca2＋交换，可缓慢释放钙。
二、钙信号的产生、终止及传递途径 钙信号的产生、
（一）钙信号的产生与终止 钙信号产生： 钙信号产生：
CaM Ca2+
cAMP PDE 5'-AMP 5'-AMP酶 酶 腺苷 ＋ Pi 蛇毒
（二）钙调素的结构
EF手 手
CaM
CaM与靶蛋白结合 与靶蛋白结合
（三）钙调素的理化特性 CaM是由 是由148个氨基酸组成的耐热、 个氨基酸组成的耐热、 是由 个氨基酸组成的耐热 酸性小分子可溶性球形蛋白。 酸性小分子可溶性球形蛋白。 特性： 特性：
＋通道（ 激动剂-受体门控性 激动剂 受体门控性Ca2＋通道（receptor 受体门控性 ＋ -gated Ca2＋ channel）： ）：
配体结合于受体后激活。 配体结合于受体后激活。 如：NMDA受体是 2＋进入神经细胞的 受体是Ca ＋ 受体是 通道； 通道；
＋ ATP受体调节 2＋通道，是Ca2＋进 受体调节Ca ＋通道， 受体调节 入平滑肌的通道。 入平滑肌的通道。
比值高， ④ Phe和Tyr比值高，形成特异的有 和 比值高 5个紫外吸收峰的光谱，可作为鉴定特征。 个紫外吸收峰的光谱， 个紫外吸收峰的光谱 可作为鉴定特征。 位氨基酸为三甲基赖氨酸， ⑤ 115位氨基酸为三甲基赖氨酸，可 位氨基酸为三甲基赖氨酸 增加与靶酶的亲和力。 增加与靶酶的亲和力。
（四）钙调素的活化及作用方式 • CaM的作用方式： 的作用方式： 的作用方式 ①直接和靶酶结合，调节其活性； 直接和靶酶结合，调节其活性； ②通过活化CaMK，再磷酸化靶酶，间 通过活化 ，再磷酸化靶酶， 接调节其活性。 接调节其活性。
细胞钙的分布及平衡
（二）质膜上的钙转移系统
cytosol
1. 质膜钙泵（plasma membrane calcium 质膜钙泵（ pump，PMCA ）（ 2＋-ATP酶） ）（Ca ＋ ， 酶
1 2 3 4 5 6 7 8 910 C端 端
N端 端
活性中心
CaM结合位点 结合位点 磷酸化位点
＋ Ca2＋
钙泵活性 钙泵活性
＋交换器（ 2. Na＋- Ca2＋交换器（Sodium-Calcium Exchanger，NCE ） ，
利用Na 利用 ＋的电化学梯度从胞内排出 ＋ Ca2＋。
＋ 低亲和力高容量，在调节胞内 低亲和力高容量，在调节胞内Ca2＋ 稳态上起主导作用。 稳态上起主导作用。
机械操纵型Ca ＋通道： 机械操纵型 2＋通道： 对机械牵张敏感。 对机械牵张敏感。 主要与血管内皮细胞感受血液压力、 主要与血管内皮细胞感受血液压力、 分泌相关因子以影响血管紧张状态有关。 分泌相关因子以影响血管紧张状态有关。
（三）内质网/肌质网钙转移系统 内质网 肌质网钙转移系统 细胞内膜钙转移系统： 细胞内膜钙转移系统： 表面积大；耗能少。 表面积大；耗能少。
②本身是一种调节酶； 本身是一种调节酶；
＋ ③与Ca2＋结合后参与其他离子通道的 调节； 调节； ＋结合后起缓冲作用， ④与Ca2＋结合后起缓冲作用，调节细 胞内Ca ＋浓度。 胞内 2＋浓度。
三、钙调素
（一） 钙调素的发现 1968~1970年，美籍华人张槐耀在研究 年 PDE对cAMP浓度的调节作用时，发现了 浓度的调节作用时， 对 浓度的调节作用时 钙调素。 钙调素。