2.1 細(xì)胞鈣離子代謝

2.1.1 細(xì)胞內(nèi)鈣的存在形式與分布

細(xì)胞外存在大量游離Ca2+，而細(xì)胞內(nèi)的Ca2+主要以三種方式存在：一種以偶聯(lián)方式與細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分或大分子結(jié)合；一種是細(xì)胞內(nèi)游離鈣，它們以離子形式存在于胞漿中；還有一種存在于肌漿網(wǎng)、線粒體等胞內(nèi)鈣庫(kù)中，這些鈣離子與鈣結(jié)合蛋白松弛結(jié)合。作為鈣庫(kù)，肌漿網(wǎng)和線粒體是細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度調(diào)節(jié)器：當(dāng)信號(hào)傳遞時(shí)，肌漿網(wǎng)、線粒體能將鈣釋放入胞質(zhì)中從而使其成為游離鈣。除此之外，鈣離子還存在于細(xì)胞核的核被膜鈣庫(kù)中和核內(nèi)。鈣離子對(duì)調(diào)節(jié)人體細(xì)胞的許多生理生化過程起著至關(guān)重要的作用。細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度為10-8～10-5mol/L。細(xì)胞外液的鈣離子濃度約10-2mol/L，相差1000倍至10萬(wàn)倍。這種巨大的濃度差是靠細(xì)胞膜和細(xì)胞器膜上的鈣泵來實(shí)現(xiàn)的。鈣泵是由4個(gè)不同的基因（PMCA1—4）編碼的一組Ca2+-Mg2+-ATP酶，相對(duì)分子質(zhì)量約為140×103。其中，PMCA1型和PMCA4型普遍存在于各種類型組織中，包括腸、腎、骨的鈣轉(zhuǎn)運(yùn)上皮；而PMCA2型和PMCA3型則主要分布在神經(jīng)系統(tǒng)。細(xì)胞漿內(nèi)的鈣離子可通過鈣泵的作用被分別轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外液和細(xì)胞器中。鈣離子作為細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定劑，它的存在對(duì)膜磷脂雙層結(jié)構(gòu)的形成和維持至關(guān)重要。線粒體膜的磷脂與鈣離子的親和力高，是鈣轉(zhuǎn)運(yùn)和維持線粒體膜穩(wěn)定的基礎(chǔ)。此外，鈣還參與血液凝固和肌肉收縮的過程，細(xì)胞內(nèi)總鈣約1mmol/L；它的濃度分布極不均勻， 50%存在于細(xì)胞核，30%存在于線粒體，15%存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，而細(xì)胞漿中僅占總鈣的0.5%。如果胞內(nèi)鈣離子濃度過高，會(huì)使細(xì)胞內(nèi)磷酸根產(chǎn)生沉淀，而磷酸根是細(xì)胞能量和物質(zhì)代謝所必需的，過高的鈣離子可致細(xì)胞死亡。鈣結(jié)合蛋白可分為兩類：一類相對(duì)分子質(zhì)量為9× 103，主要分布在腸、胎盤等部位；另一類相對(duì)分子質(zhì)量為28×103，主要分布在腎臟和神經(jīng)系統(tǒng)。

2.1.2 鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)

鈣通道的開關(guān)受膜電壓或受體調(diào)控。由鈣離子通道自胞外進(jìn)入胞質(zhì)中的Ca2+，平時(shí)貯藏在肌漿網(wǎng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（鈣庫(kù)）中，在需要時(shí)可再次釋放回胞質(zhì)內(nèi)。這個(gè)釋放過程由存在于肌漿網(wǎng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的雷諾?。╮yanodine）受體和肌醇三磷酸（IP3）受體調(diào)控。Ca2+-ATP酶是存在于肌漿網(wǎng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的鈣泵，它可將胞質(zhì)中的Ca2+泵入鈣庫(kù)貯存。當(dāng)胞質(zhì)中Ca2+增多時(shí)，除一部分貯藏于鈣庫(kù)外，還有一部分通過細(xì)胞膜上的鈣泵被泵出胞外，或經(jīng)過Na+-Ca2+通道被交換到胞外。而當(dāng)胞內(nèi)鈣庫(kù)貯量減少時(shí)，細(xì)胞膜上的“鈣釋放激活鈣通道”會(huì)被激活，從而使胞外Ca2+內(nèi)流增多。通過上述機(jī)制，胞內(nèi)Ca2+維持在低濃度下的動(dòng)態(tài)平衡。一般認(rèn)為，靜息時(shí)胞內(nèi)Ca2+濃度為1×10-8～1×10-7mol/L，啟動(dòng)生理活動(dòng)時(shí)為1×10-6mol/L，此時(shí)Ca2+作為第二信使可升高100倍，啟動(dòng)細(xì)胞的分化、運(yùn)動(dòng)、分泌、觸突傳遞、肌肉收縮等生命活動(dòng)。細(xì)胞內(nèi)鈣離子的流出主要靠細(xì)胞質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體膜的鈣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。細(xì)胞質(zhì)膜上有兩個(gè)鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，高親和力低容量的鈣泵和低親和力高容量的Na+-Ca2+交換器。這兩種鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)需要消耗能量。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)類似于質(zhì)膜的鈣泵，消耗能量逆化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子；線粒體則是依靠膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白，同樣需要消耗能量來轉(zhuǎn)運(yùn)。

線粒體是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的參與鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)的細(xì)胞器。早在1962年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)離體的線粒體可以攝取大量的鈣離子。在隨后的幾十年，線粒體的鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)逐漸成為研究熱點(diǎn)，并取得了巨大進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體的鈣離子攝取主要是通過內(nèi)膜上的線粒體鈣離子單輸送體（mitochondrial calcium uniporter，MCU）來完成的。MCU其實(shí)是一個(gè)具有高度選擇性的鈣離子通道。MCU不需要消耗ATP或者耦聯(lián)其他離子來轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子，MCU能夠順著電化學(xué)梯度來轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子。MCU可以被Rutheniun Red和La3+所抑制，因?yàn)槠鋵?duì)鈣離子有較低的親和力（Kd為10～20μmol/L），而且對(duì)鈣離子的最大轉(zhuǎn)運(yùn)速度可以達(dá)到每分鐘1.4μmol/L。作為線粒體H+和Ca2+反向交換蛋白，Letm1具有調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)鈣離子濃度的作用。當(dāng)線粒體基質(zhì)鈣離子的濃度較低或胞質(zhì)pH較高時(shí)，Letm1能夠轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子進(jìn)入線粒體；而當(dāng)線粒體基質(zhì)鈣離子濃度較高或者胞質(zhì)pH較低時(shí)，它又能介導(dǎo)線粒體內(nèi)鈣離子的流出。除此之外，又有研究者發(fā)現(xiàn)，NCLX同樣在線粒體鈣流出中起著很重要的作用。NCLX是一種Na+和Ca2+反向交換蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NCLX過表達(dá)后，線粒體Na+依賴的Ca2+外流可以得到上調(diào)；而當(dāng)RNA干擾NCLX后，Ca2+外流則會(huì)下降。CGP-37157可以抑制NCLX介導(dǎo)的線粒體鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)鈣離子濃度過高時(shí)，線粒體還可以通過打開通透性轉(zhuǎn)變孔（PTP）使鈣離子流出。

當(dāng)胞外信號(hào)刺激細(xì)胞表面的受體后，會(huì)結(jié)合相應(yīng)配體，從而引發(fā)一系列的信號(hào)放大反應(yīng)。首先，外界信號(hào)通過G蛋白激活磷脂酶C；進(jìn)而，活化的磷脂酶C會(huì)水解磷脂酰肌醇-4， 5-二磷脂（PIP2），生成第二信使分子二?；视停―AG）和1，4，5-三磷酸肌醇（Ins（1，4，5） P3）。Ins（1，4，5）P3可以通過結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的Ins（1，4，5）P3R進(jìn)而打開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣離子通道，這樣可使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣離子流入胞質(zhì)。胞質(zhì)鈣濃度升高后，線粒體主要通過MCU通道增加對(duì)鈣離子的攝取，以維持胞質(zhì)的低鈣環(huán)境。而當(dāng)線粒體基質(zhì)鈣濃度升高后，又可以通過Letm1、NCLX等反向交換蛋白將鈣離子排出線粒體。同時(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣排空后，作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子感受蛋白，STIM1會(huì)失去結(jié)合的鈣離子從而發(fā)生自身聚集。聚集的STIM1的胞質(zhì)部分可以作用于質(zhì)膜上的鈣離子通道ORAI1，從而使胞外鈣離子流入細(xì)胞內(nèi)，再通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的鈣離子流入通道SERCA進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，從而完成細(xì)胞的鈣離子循環(huán)。

2.2 成骨細(xì)胞鈣代謝

人體內(nèi)99%的鈣儲(chǔ)藏于骨骼，骨骼的代謝非?；钴S。兒童期由于發(fā)育，體內(nèi)的鈣不斷增加，健康成人的鈣是處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡之中，老年人中骨鈣又逐漸丟失。骨鈣代謝包括骨形成和骨吸收兩個(gè)生化過程，使鈣的釋放和吸收處于動(dòng)態(tài)平衡之中。鈣離子作為一種信號(hào)分子和成骨細(xì)胞骨化的主要成分，鈣離子內(nèi)流誘發(fā)的生理改變對(duì)于細(xì)胞的功能起著重要的作用，如蛋白質(zhì)的分泌、細(xì)胞分化、凋亡，并且更具特異性的是在細(xì)胞增殖方面的作用。

人體中主要存在兩種鈣離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的機(jī)制，包括受體電位通道（TRPC）引起的庫(kù)容性鈣內(nèi)流（CCE）和電壓依賴性鈣離子通道鈣內(nèi)流。2007年有研究發(fā)現(xiàn)，在血清或PDGF介導(dǎo)的增殖情況下，細(xì)胞內(nèi)鈣離子減少和CCE的抑制阻止了MG-63細(xì)胞的增殖，電壓依賴性鈣通道鈣離子內(nèi)流在電壓依賴性鈣通道阻斷劑的作用下并無(wú)對(duì)MG-63細(xì)胞的增殖產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而首次證實(shí)了受體電位通道（TRPC）引起的庫(kù)容性鈣內(nèi)流（CCE）在成骨細(xì)胞增殖中的重要作用，同時(shí)也證實(shí)了電壓依賴性鈣通道鈣離子內(nèi)流在細(xì)胞增殖水平上沒有顯著的作用。高濃度維拉帕米和硝本地平兩種阻斷劑可同時(shí)抑制L型和非L型通道，結(jié)果提示，高濃度的VDCC阻斷劑對(duì)MG-63細(xì)胞的增殖并沒有作用，因此，無(wú)論是L型還是非L型的VD-CC，其在成骨細(xì)胞增殖中發(fā)揮的作用很小。一系列的研究已經(jīng)提示，通過L型VDCC的鈣離子內(nèi)流參與了許多骨蛋白（如骨鈣素、骨橋蛋白和骨保護(hù)素）的合成和分泌。從此種角度來說，成骨細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的電壓依賴性鈣離子流更有可能與對(duì)骨重塑有用的骨特異性蛋白的合成和分泌相關(guān)聯(lián)。若鈣離子內(nèi)流超過濃度1×10-6mol·L-1形成鈣超載，即轉(zhuǎn)入病理狀態(tài)，甚至發(fā)生疾病。

在鈣對(duì)骨的代謝的作用中，鈣在體內(nèi)的代謝受多種因素的調(diào)節(jié)。在骨形成中，雌激素、雄激素、PTH、維生素D及其衍生物都通過調(diào)節(jié)鈣的代謝參與骨的形成；而在骨吸收中，甲狀腺素、前列腺素、生長(zhǎng)因子、免疫因子和細(xì)胞因子等大多通過調(diào)節(jié)鈣的釋放起骨吸收作用。

（姚喆）