细胞钙代谢

2.1 细胞钙离子代谢

2.1.1 细胞内钙的存在形式与分布

细胞外存在大量游离Ca2+，而细胞内的Ca2+主要以三种方式存在：一种以偶联方式与细胞结构成分或大分子结合；一种是细胞内游离钙，它们以离子形式存在于胞浆中；还有一种存在于肌浆网、线粒体等胞内钙库中，这些钙离子与钙结合蛋白松弛结合。作为钙库，肌浆网和线粒体是细胞内Ca2+浓度调节器：当信号传递时，肌浆网、线粒体能将钙释放入胞质中从而使其成为游离钙。除此之外，钙离子还存在于细胞核的核被膜钙库中和核内。钙离子对调节人体细胞的许多生理生化过程起着至关重要的作用。细胞内钙离子浓度为10-8～10-5mol/L。细胞外液的钙离子浓度约10-2mol/L，相差1000倍至10万倍。这种巨大的浓度差是靠细胞膜和细胞器膜上的钙泵来实现的。钙泵是由4个不同的基因（PMCA1—4）编码的一组Ca2+-Mg2+-ATP酶，相对分子质量约为140×103。其中，PMCA1型和PMCA4型普遍存在于各种类型组织中，包括肠、肾、骨的钙转运上皮；而PMCA2型和PMCA3型则主要分布在神经系统。细胞浆内的钙离子可通过钙泵的作用被分别转移到细胞外液和细胞器中。钙离子作为细胞膜结构和功能的稳定剂，它的存在对膜磷脂双层结构的形成和维持至关重要。线粒体膜的磷脂与钙离子的亲和力高，是钙转运和维持线粒体膜稳定的基础。此外，钙还参与血液凝固和肌肉收缩的过程，细胞内总钙约1mmol/L；它的浓度分布极不均匀， 50%存在于细胞核，30%存在于线粒体，15%存在于内质网，而细胞浆中仅占总钙的0.5%。如果胞内钙离子浓度过高，会使细胞内磷酸根产生沉淀，而磷酸根是细胞能量和物质代谢所必需的，过高的钙离子可致细胞死亡。钙结合蛋白可分为两类：一类相对分子质量为9× 103，主要分布在肠、胎盘等部位；另一类相对分子质量为28×103，主要分布在肾脏和神经系统。

2.1.2 钙离子转运

钙通道的开关受膜电压或受体调控。由钙离子通道自胞外进入胞质中的Ca2+，平时贮藏在肌浆网和内质网（钙库）中，在需要时可再次释放回胞质内。这个释放过程由存在于肌浆网和内质网上的雷诺丁（ryanodine）受体和肌醇三磷酸（IP3）受体调控。Ca2+-ATP酶是存在于肌浆网和内质网上的钙泵，它可将胞质中的Ca2+泵入钙库贮存。当胞质中Ca2+增多时，除一部分贮藏于钙库外，还有一部分通过细胞膜上的钙泵被泵出胞外，或经过Na+-Ca2+通道被交换到胞外。而当胞内钙库贮量减少时，细胞膜上的“钙释放激活钙通道”会被激活，从而使胞外Ca2+内流增多。通过上述机制，胞内Ca2+维持在低浓度下的动态平衡。一般认为，静息时胞内Ca2+浓度为1×10-8～1×10-7mol/L，启动生理活动时为1×10-6mol/L，此时Ca2+作为第二信使可升高100倍，启动细胞的分化、运动、分泌、触突传递、肌肉收缩等生命活动。细胞内钙离子的流出主要靠细胞质膜、内质网和线粒体膜的钙转运系统。细胞质膜上有两个钙离子转运系统，高亲和力低容量的钙泵和低亲和力高容量的Na+-Ca2+交换器。这两种钙离子转运系统需要消耗能量。内质网钙转运系统类似于质膜的钙泵，消耗能量逆化学梯度转运钙离子；线粒体则是依靠膜上的转运体蛋白，同样需要消耗能量来转运。

线粒体是第一个被发现的参与钙离子转运的细胞器。早在1962年，科学家就发现离体的线粒体可以摄取大量的钙离子。在随后的几十年，线粒体的钙离子转运逐渐成为研究热点，并取得了巨大进展。研究发现，线粒体的钙离子摄取主要是通过内膜上的线粒体钙离子单输送体（mitochondrial calcium uniporter，MCU）来完成的。MCU其实是一个具有高度选择性的钙离子通道。MCU不需要消耗ATP或者耦联其他离子来转运钙离子，MCU能够顺着电化学梯度来转运钙离子。MCU可以被Rutheniun Red和La3+所抑制，因为其对钙离子有较低的亲和力（Kd为10～20μmol/L），而且对钙离子的最大转运速度可以达到每分钟1.4μmol/L。作为线粒体H+和Ca2+反向交换蛋白，Letm1具有调节线粒体内钙离子浓度的作用。当线粒体基质钙离子的浓度较低或胞质pH较高时，Letm1能够转运钙离子进入线粒体；而当线粒体基质钙离子浓度较高或者胞质pH较低时，它又能介导线粒体内钙离子的流出。除此之外，又有研究者发现，NCLX同样在线粒体钙流出中起着很重要的作用。NCLX是一种Na+和Ca2+反向交换蛋白。研究发现，当NCLX过表达后，线粒体Na+依赖的Ca2+外流可以得到上调；而当RNA干扰NCLX后，Ca2+外流则会下降。CGP-37157可以抑制NCLX介导的线粒体钙离子转运。当钙离子浓度过高时，线粒体还可以通过打开通透性转变孔（PTP）使钙离子流出。

当胞外信号刺激细胞表面的受体后，会结合相应配体，从而引发一系列的信号放大反应。首先，外界信号通过G蛋白激活磷脂酶C；进而，活化的磷脂酶C会水解磷脂酰肌醇-4， 5-二磷脂（PIP2），生成第二信使分子二酰基甘油（DAG）和1，4，5-三磷酸肌醇（Ins（1，4，5） P3）。Ins（1，4，5）P3可以通过结合内质网膜上的Ins（1，4，5）P3R进而打开内质网的钙离子通道，这样可使内质网的钙离子流入胞质。胞质钙浓度升高后，线粒体主要通过MCU通道增加对钙离子的摄取，以维持胞质的低钙环境。而当线粒体基质钙浓度升高后，又可以通过Letm1、NCLX等反向交换蛋白将钙离子排出线粒体。同时，内质网钙排空后，作为内质网钙离子感受蛋白，STIM1会失去结合的钙离子从而发生自身聚集。聚集的STIM1的胞质部分可以作用于质膜上的钙离子通道ORAI1，从而使胞外钙离子流入细胞内，再通过内质网上的钙离子流入通道SERCA进入内质网，从而完成细胞的钙离子循环。

2.2 成骨细胞钙代谢

人体内99%的钙储藏于骨骼，骨骼的代谢非常活跃。儿童期由于发育，体内的钙不断增加，健康成人的钙是处于一个动态平衡之中，老年人中骨钙又逐渐丢失。骨钙代谢包括骨形成和骨吸收两个生化过程，使钙的释放和吸收处于动态平衡之中。钙离子作为一种信号分子和成骨细胞骨化的主要成分，钙离子内流诱发的生理改变对于细胞的功能起着重要的作用，如蛋白质的分泌、细胞分化、凋亡，并且更具特异性的是在细胞增殖方面的作用。

人体中主要存在两种钙离子进入细胞内的机制，包括受体电位通道（TRPC）引起的库容性钙内流（CCE）和电压依赖性钙离子通道钙内流。2007年有研究发现，在血清或PDGF介导的增殖情况下，细胞内钙离子减少和CCE的抑制阻止了MG-63细胞的增殖，电压依赖性钙通道钙离子内流在电压依赖性钙通道阻断剂的作用下并无对MG-63细胞的增殖产生抑制作用，进而首次证实了受体电位通道（TRPC）引起的库容性钙内流（CCE）在成骨细胞增殖中的重要作用，同时也证实了电压依赖性钙通道钙离子内流在细胞增殖水平上没有显著的作用。高浓度维拉帕米和硝本地平两种阻断剂可同时抑制L型和非L型通道，结果提示，高浓度的VDCC阻断剂对MG-63细胞的增殖并没有作用，因此，无论是L型还是非L型的VD-CC，其在成骨细胞增殖中发挥的作用很小。一系列的研究已经提示，通过L型VDCC的钙离子内流参与了许多骨蛋白（如骨钙素、骨桥蛋白和骨保护素）的合成和分泌。从此种角度来说，成骨细胞中发现的电压依赖性钙离子流更有可能与对骨重塑有用的骨特异性蛋白的合成和分泌相关联。若钙离子内流超过浓度1×10-6mol·L-1形成钙超载，即转入病理状态，甚至发生疾病。

在钙对骨的代谢的作用中，钙在体内的代谢受多种因素的调节。在骨形成中，雌激素、雄激素、PTH、维生素D及其衍生物都通过调节钙的代谢参与骨的形成；而在骨吸收中，甲状腺素、前列腺素、生长因子、免疫因子和细胞因子等大多通过调节钙的释放起骨吸收作用。

（姚喆）