摘要细胞内存在多种不同的Ca²⁺信号基本单位，这些Ca²⁺信号基本单位依赖于刺激浓度的等级体系组织。低水平的刺激激活单通道开放，产生Ca²⁺脉冲或Ca²⁺夸克；中等组织水平刺激则产生喷烟和火花，似乎与一小簇通道的激活有关；高浓度刺激时，Ca²⁺信号基本单位协同产生球形Ca²⁺波。这些Ca²⁺基本单位既体现了钙释放单位(Ca²⁺release unit)的特征，又导致Ca²⁺信号传播在时空上的差异性，从而构成了钙释放的梯度特征和局部控制模式。

学科分类号Q273

Elementary Events and Characteristics of Calcium Signalling

ZHANG Sui-Yang， GUO Xian-Jian

(Institute of Respiratory of New Bridge Hospital,The Third Military Medical College, Chongqing 400037)

AbstractThere are many different elementary intracellur calcium signalling in the cell. These events appear to have a hierarchical organization depending on stimulus intensity.Low levels of stimulation activate individual channels such as the blips or quarks;The next level of organization is the puffs and sparks,which appear to be derived from small clusters of channels.At high stimulus intensities these elementary events are coordinated to give global events.These events not only present the character of Ca²⁺ release unit, also lead to different complex spatiotemporal organization of calcium signalling, emphasizing the hierachical organization and local control model of calcium signalling.

Key wordsCell； Ca²⁺； Elementary event； Channel； Release unit

Ca²⁺在多种形式的细胞活动中起重要作用，如肌肉收缩、神经递质释放、突触适应、细胞分化和死亡等。为了完成如此众多的控制功能，细胞出现了多种不同的Ca²⁺信号基本单位。一些以高度局限化短暂Ca^2＋爆发的形式出现，而另一些则为较长而持续的球型Ca^2＋升高。这些由单通道或成组Ca^2＋通道活化而引起的Ca^2＋释放，构成了Ca^2＋信号的基本单位^［1，2］。本文综述钙信号基本单位和特征的研究进展。

一、钙信号的基本表现

细胞从两条途径获得钙信号的来源：细胞外Ca^2＋和内质网(ER)/肌质网(SR)内储存的钙。

（一)质膜上的Ca^2＋通道根据调节机制，已定义了三个主要的Ca^2＋进入通道，即电压开启性通道(VOCs)、受体开启性通道(ROCs)和储存开启性通道(SOCs)。三个通道有非常不同的力学特征。VOCs和ROCs常产生短暂、高强度的Ca^2＋爆发；而SOCs则产生较小、持续的Ca^2＋灌注。对VOCs和ROCs开放机制已有较好的认识，但SOCs仍然有许多问题需解决^［3，4］。SOCs的开放由贮存Ca^2＋的充盈状态决定。当贮存钙排空时，质膜上的SOCs开放，Ca^2＋进入；反之则关闭^［4］。SOCs对Ca^2＋特别敏感，Ca^2＋对SOCs似乎有双相性影响,低水平时激活，高水平则抑制其活性。

贮存排空到通道开放间的耦联机制仍是未解决的问题。一种观点是贮存排空时产生一种钙灌注因子(CIF)，CIF扩散到质膜打开SOCs；另外的耦联模式可能是通过IP₃R的大胞质头直接地传输信息^［4］。当贮存钙排空时，IP₃R发生构形变化,将信息传输到质膜中的SOCs，诱导外部钙的进入。已发现非洲蟾蜍卵母细胞中ER的一部分与质膜间仅存在10nm的间隙，容许IP₃Rs同SOCs相互作用。SOCs的功能十分重要，提供了补充内部贮存Ca^2＋所必需的持续Ca^2＋内流，维持了大量非兴奋细胞中出现Ca^2＋脉冲和Ca^2＋波。

（二)细胞内Ca^2＋通道细胞内有两个位于SR/ER的主要Ca^2＋释放通道:Ryanodine受体(RyRs)家族和IP₃R家族。已发现三个RyRs和四个IP₃Rs亚型。两个受体家族似乎由共同的祖先进化而来，在结构和功能上具有较多相似性。每个受体的C末端形成嵌入ER/SR中的跨膜区域，构成功能性Ca^2＋通道。

非常大的N末端区域形成球状头，投射进胞质，同各种开启和关闭通道的信号结合。特别重要的是两个受体家族均显示了Ca^2＋敏感性的Ca^2＋诱导Ca^2＋释放(CICR)，产生各种基本的Ca^2＋脉冲和Ca^2＋波，构成了时空面貌不同的钙信号基本单位。钙敏感性使一个受体释放的Ca^2＋能兴奋相邻的受体，产生一个掠过胞浆的Ca^2＋波。胞质可以认为是一种“兴奋性介质”(excitable medium)，静息状态时，它不具兴奋性，在刺激状态下时，IP₃R和RyRs的钙敏感性开始升高，通过IP₃和cADPR等第二信使的作用，使胞质转变成兴奋性介质，具有产生重复钙波的能力。

IP₃是IP₃Rs的主要兴奋剂，作为第二信使可直接引起Ca^2＋释放，但这种反应可能仅在强烈刺激下引起大量IP₃的释放时发生。在正常生理状态下，IP₃增加不足以直接刺激释放Ca^2＋，但可以使IP₃Rs对Ca^2＋的敏感性增加，建立起自发性Ca^2＋振荡的阶梯。非常重要的是IP₃Rs具有双重兴奋剂控制,即激活依赖于IP₃和Ca^2＋的存在。双重兴奋概念似乎也适应于RyRs，cADPRs通过提高RyRs的Ca^2＋的敏感性而发挥作用。

除了这些胞质释放调节剂外，ER/SR囊中Ca^2＋水平具有调节IP₃Rs和RyRs敏感性的能力^［5，6］。Ca^2＋过载的心肌细胞RyR₂的兴奋性显著增加^［7］。由于受体对着囊的那些片段没有明显的Ca^2＋连接区域，一种可能是囊Ca^2＋漏出，通过胞质连接位点起作用;另一种可能是Ca^2＋通过囊内缓冲剂，例如Calsequestrin和Calreticutin间接起作用。

二、量子性钙释放和梯级反应

IP₃R和RyRs的大量释放例子发现，Ca^2＋释放呈量子性关系^［8］。在可渗透细胞可较好地观察到这种现象。随着IP₃的增加，贮存Ca^2＋似乎改变了敏感性，越来越多的贮存钙被激活。量子性Ca^2＋释放也在单个完整细胞中发现，细胞内Ca^2＋释放通道的量子化释放似乎与梯级化钙信号的产生有关，这种现象已在Hela细胞和心肌细胞中得以证实^［8］。可能的解释是钙信号系统由各自具有独立功能的基本单位构成,这些单位对刺激有不同的敏感性，随着刺激浓度的变化，产生不同量的反应^［1，2］。这些钙信号基本单位的性质和构成，怎样协同产生球形Ca^2＋信号反应是目前研究的重点。

(一)Ca^2＋信号的基本单位大多数研究记录到的Ca^2＋信号基本单位代表了单通道的开放或关闭，也可能反应了局部的多组通道功能，后者在一个典型的Ca^2＋球形信号发展时期作为功能单位联系在一起。这些基本单位已在许多不同类型细胞中发现，其特征为快速升高的比率和较慢的恢复时期。这种力学同单通道快速开放和关闭特征相一致。当通道开放时，Ca^2＋的快速释放产生一个卷流(plume)，随着通道关闭，Ca^2＋通过弥散而缓慢消散。Ca^2＋释放通道的开放和关闭与参加数量的多少明显地受Ca^2＋的正和负反馈影响，限制了在每一个基本事件期间Ca^2＋释放的量，从而决定了球形Ca^2＋信号的波幅。这样的Ca^2＋信号基本单位有各种各样的名称，常常反映了它们的时空性质，例如：火花(sparks)、喷烟(puffs)、沸腾(bumps)、卷流和量子散发范围(quantum emissiondomains,QED)。短暂的Ca^2＋依赖性瞬时电流是这些Ca^2＋信号单位存在的基础。例如平滑肌中的自发瞬时外向电流(STOCs)或神经元中自发小型内向电流(SMOCs)。Ca^2＋信号基本单位至少有以下三个基本功能：

1.Ca^2＋信号基本单位对细胞内静息钙水平的影响：胞浆内静息Ca^2＋水平由Ca^2＋进入或排出胞浆间的基本比率决定。Ca^2＋信号基本单位以火花和沸腾等方式释放一小团Ca^2＋到胞浆，有助于维持静息或基础Ca^2＋水平。平滑肌的研究揭示以STOC为代表的基本单位对决定Ca^2＋静息水平时有显著性影响，用咖啡因或Ryanodine抑制STOC后，减少了钾电流的背景，并同Ca^2＋静息水平的减少相一致。研究已揭示Ca^2＋波动的细胞内水平显著性地依赖于STOC频率^［9］。在Hela 细胞株和非洲蟾蜍卵母细胞中，已获得Ca^2＋信号基本单位有助于保持细胞内静息Ca^2＋水平的证据^{［8，10，11］}。在静息细胞或接受低水平刺激的细胞中，