钙离子钙离子的生理作用

1、2020年7月20日,1,钙离子的生理作用及血钙浓度的调节,2020年7月20日,2,分布：（99%）骨骼、牙齿、指甲、头发。 血钙（1%）：血液、细胞、细胞外液、软组织中。 1%血钙在生命中的重要生理功能： 参与心脏的收缩与舒张，调节心律； 参与神经冲动的传导； 参与肌肉的收缩与舒张； 参与血液凝固； 激活酶的活性； 维持细胞的黏着及细胞的完整性与通透性； 控制纤毛运动； 调整机体免疫平衡；（增强免疫功能）,钙在人体中的分布、作用,一、概述,血钙的来源： 通过肠道吸收进入血液 从骨骼中摄取！,2020年7月20日,3,3,Calcium in the body,机体总钙,99分布在骨骼,0.

2、5在牙,0.5在软组织（细胞内钙）,0.02在血浆,2020年7月20日,4,4,Calcium in the blood,血液中钙,99%-血浆,蛋白质结合钙（46%),有机酸结合钙-复合钙,离子钙（48%）,1%-血细胞中,The ionized form of calcium in the serum is critical to healthy physiologic function.,2020年7月20日,5,5,Calcium in the cell,细胞内钙,99.9%-结合钙,0.1% 游离钙在胞内，浓度0.1 mol/L,5存在于细胞膜，细胞浆内结合钙占0.5，作为第二信使

3、的游离钙仅占细胞内钙的0.005。,细胞内钙50存在于胞核内,44存在于胞内钙库（线粒体和内质网）内质网游离钙浓度也只有0.5 mol/L,2020年7月20日,6,二、钙离子的生理作用,钙离子是凝血因子，参与凝血过程 参与肌肉（包括骨骼肌、平滑肌）收缩过程 参与神经递质释放 是骨骼构成的重要物质 钙离子参与信号转导 钙离子参与细胞凋亡。,2020年7月20日,7,血液凝固(blood coagulation),概念：血液从流动的溶胶状态转变成不能流动的凝胶状态的过程 本质：可溶的纤维蛋白原变为不溶的纤维蛋白并交织成网，网罗血细胞等成分形成凝血块。,（一）、钙离子参与凝血过程,2020年7月2

4、0日,8,血液的凝固是由一系列凝血因子参与的复杂的蛋白质酶解过程,凝血因子(coagulation factor),2020年7月20日,9,内源性激活途径 （）,外源性激活途径 （）,凝血酶原激活物,凝血酶原,凝血酶,纤维蛋白原,纤维蛋白,血液凝固的过程,2020年7月20日,10,内源性凝血途径 当血管壁发生损伤，内皮下组织暴露，带负电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（激肽释放酶）和PK（前激肽释放酶）的参与下被活化为a。在不依赖钙离子条件下，因子a将因子激活为XIa。在钙离子的存在下，活化的a又激活了因子为IXa。单独的a激活因子X的效力相当低，它要与a结合形成1

5、：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（血小板磷脂）共同参与 外源性凝血途径 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。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。,2020年7月20日,11,凝血酶的生成 即因子a、因子a在钙离子和磷脂酶（PL）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

6、状的血液转变成胶冻状的血凝块。,2020年7月20日,12,2020年7月20日,13,注意： （1）凝血是一个正反馈机制，一旦启动，必 迅速完成全过程。 （2）Ca2+在多个环节起作用，因此控制Ca2+就 能控制血凝。（抗凝剂的制备） （3）血凝过程是流水线，阻断其中一步，则 凝血过程必终止。,2020年7月20日,14, 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Ca2+与肌钙蛋白的结合和分离，即Ca2+的浓度是高还是低。 钙对心肌和骨骼肌具有收缩作用，当神经刺激心肌和骨骼肌时，肌浆网中的钙就游离到肌浆中，钙离子与肌钙蛋白

7、结合，引起肌肉蛋白质构象发生变化，解除肌钙蛋白及原肌球蛋白的抑制作用，并激发其ATP酶活力，从而启动骨骼肌和心肌的收缩，使心脏保持连续交替的收缩与舒张，维持心动的节律，钾离子则与心肌的舒张有关，与钙离子相拮抗。,（二）、参与肌肉收缩与舒张过程,2020年7月20日,15,骨骼肌细微结构,2020年7月20日,16,粗肌丝由肌凝蛋白(肌球)组成，其头部有一膨大部称为横桥。,1、肌原纤维的组成,横桥的特点,能与细肌丝上的结合位点发生可逆性结合。 具有ATP酶的作用,与结合位点结合后,分解ATP提供横桥扭动(肌丝滑行)和作功的能量。,2020年7月20日,17,肌动蛋白：表面有与横桥结合的位点，静息

8、时被原肌凝蛋白掩盖； 原肌凝蛋白：静息时掩盖结合位点； 肌钙蛋白：与Ca2+结合变构后,使原肌凝蛋白位移，暴露出结合位点。,（2）细肌丝(thin filament),2020年7月20日,18,肌节缩短=肌细胞收缩,牵拉细肌丝朝肌节中央滑行,横桥摆动,横桥与细肌丝结合位点结合， 分解ATP释放能量,原肌凝蛋白位移，暴露细肌丝上的结合位点,Ca2+与肌钙蛋白结合,终池内的Ca2+进入肌浆,2、骨骼肌收缩分子机制-滑行学说,肌膜AP,沿肌膜、T管膜传播,激活L型钙通道,激活JSR钙释放通道,Ca2+进入胞质,1,2,3,4,胞质中Ca2+ 升高100倍,肌钙蛋白与Ca2+结合，肌肉收缩,激活LS

9、R膜上的Ca2+泵,Ca2+回收入肌质网,肌浆中Ca2+ 降低,肌肉舒张,基本过程：,激活的L型钙通道,3、骨骼肌的兴奋-收缩耦联,2020年7月20日,20,骨骼肌的兴奋-收缩耦联,2020年7月20日,21,4、骨骼肌舒张机制,兴奋-收缩耦联后,肌膜电位复极化,终池膜对Ca2+通透性 肌浆网膜Ca2+泵激活,肌浆网膜Ca2+,Ca2+与肌钙蛋白解离,原肌凝蛋白复盖的 横桥结合位点,骨骼肌舒张,2020年7月20日,22,运动神经冲动传至末梢 N末梢对Ca2+通透性增加 Ca2+内流入N末梢内 接头前膜内囊泡 向前膜移动、融合、破裂 ACh释放入接头间隙 ACh与终板膜受体结合 受体构型改变

10、 终板膜对Na+、K+(尤其Na+)的通透性增加 产生终板电位(EPP) EPP（终板电位）引起肌膜AP, 肌膜AP沿横管膜传至三联管 终池膜上的钙通道开放 终池内Ca2+进入肌浆 Ca2+与肌钙蛋白结合 引起肌钙蛋白的构型改变 原肌凝蛋白发生位移 暴露出细肌丝上与横桥结合位点 横桥与结合位点结合 激活ATP酶作用,分解ATP 横桥摆动 牵拉细肌丝朝肌节中央滑行 肌节缩短=肌细胞收缩,小结：骨骼肌收缩全过程,1.兴奋传递 2.兴奋-收缩（肌丝滑行）耦联,2020年7月20日,23,（三）、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

11、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 。,2020年7月20日,24,当神经冲动传导到神经末梢时，使轴突末梢膜中的钙离子通道开放，钙离子内流进入突触小体，引起乙酰胆碱释放到突触间隙。乙酰胆碱受体的离子通道允许钠离子和钾离子通过。,2020年7月20日,25,2020年7月20日,26,（四）、骨骼构成的重要物质,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

12、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。,2020年7月20日,27,（五）钙离子与细胞信号转导,胞质内钙离子浓度低；当细胞受到特异性信号刺激后，质膜上或肌浆网的钙通道打开，细胞内钙浓度瞬时升高，引发细胞变化。,2020年7月20日,28,10-6M,2020年7月20日,29,2020年7月20日,30,无活性PKC,有活性PKC,底物磷酸化,2020年7月20日,31,CAMP途径： AC cAMP PKA CREB CGMP途径：GC cGMP PKG （其它细胞） 下

13、游蛋白 DAG/IP3途径：PLC水解 PIP2,IP3 释放ER中的 Ca2+,DAG,CaM, Ca2+,PKC,Na+通道（视觉细胞）,激活,Ca2+途径：,IP3 释放ER中的 Ca2+,细胞膜上的 Ca2+通道释放胞外的Ca2+,胞浆内Ca2+浓度瞬间升 高超过10-6M,Ca2+与CaM结合形成复合体,活化下游的酶类,下游蛋白,2020年7月20日,32,细胞内Ca2+的升高可通过生成活性氧和活性氮离子等下游环节而破坏细胞的能量内稳状态而导致细胞死亡。,线粒体Ca2+积聚将损害氧化磷酸化作用，并通过电子传递链促进活性氧离子如超氧化物(02-)、过氧化氢(H202)的生成。高线粒体C

14、a2+也改变线粒体膜的通透性，抑制ATP的生成和促进坏死。,（六）钙离子与细胞凋亡,2020年7月20日,33,Ca2+激活的磷酸酶，钙神经蛋白(calcineurin)可诱导细胞凋亡，可导致BAD去磷酸化，引起它转移至线粒体从而促进Bad与BCL-X形成二聚体。在海马神经元中，L-谷氨酸通过NMDA受体诱发Ca2+内流并激活钙神经蛋白，从而触发BAD的线粒体定位和细胞凋亡。此外，线粒体选择性细胞色素c(Cyt c)通透将激活半胱天冬酶，进而促进细胞凋亡。,Ca2+还可直接激活一些细胞的酶从启动细胞毒级联反应。,2020年7月20日,34,2020年7月20日,35,三、血钙平衡调节,血钙以离

15、子钙和结合钙两种形式存在，各占约50%。其中结合钙绝大部分是与血浆清蛋白结合，小部分与柠檬酸、重碳酸盐等结合。因为血浆蛋白质结合钙不能透过毛细血管壁，故称为不扩散钙。柠檬酸钙等钙化合物以及离子钙可以透过毛细血管壁，则称为可扩散钙 。 血浆钙中只有离子钙才直接起生理作用。血浆中的不扩散钙，虽没有直接的生理效应，但它与离子钙之间处于一种动态平衡，并受血液pH的影响。,2020年7月20日,36,1、血钙浓度的调节主要受以下三方面因素的影响,（1）饮食中钙含量及肠钙的吸收与排泄功能： 饮食中缺钙或肠钙吸收不良，会引起血钙下降；大量肠钙吸收会导致血钙上升。肠钙对血钙的影响虽然很温和且肠道有“自稳系统”

16、，但若长期饮食钙量不足，仍然要动用“骨库”中的钙。 （2）肾脏在血钙浓度调节中起重要作用： 当胃肠道吸收大量钙时，血钙浓度可暂时升高。血钙浓度增高，尿钙排泄也增加；反之亦然，两者呈正相关，以保持血钙浓度相对稳定。 （3）骨钙是血钙浓度调节的“大后方”： 一餐富钙饮食可供12小时内维持血钙平衡不必动用骨钙；但当饮食中含钙量不足时，为了保持血钙浓度的相对稳定骨钙就会“奋不顾身”地进入血液，以调节血钙平衡 。,2020年7月20日,37,骨钙和血钙调控激素共同完成： 甲状旁腺激素（破骨使骨钙外流） 降钙素（促进成骨，使血钙降低） 维生素D3（促进肠道吸收钙质） 它们互相配合，使血钙稳定在昼夜变化不超

17、过3%的水平上。,2、如何维持血钙稳定,概念：为了维持血钙的平衡，在甲状旁腺的作用下骨钙溶解，进入血液的过程。 危害： 虽然弥补血钙不足，但骨钙的释放，势必造成骨质疏松，形成硬组织软化。 骨组织中释放的钙带有骨组织的成分，如胆固醇等。当其沉淀在血管壁、软组织及细胞中可引起血管硬化、软组织硬化。引发各类心脑血管疾病、动脉硬化、高血压、糖尿病、结石症等。,3、钙的迁徙,骨,钙,血液 细胞 软组织,血,钙,99%,1%,甲状旁腺 破骨素,甲状腺 降钙素,甲状旁腺分泌破骨素破骨造成血钙升高。 血钙升高，甲状腺分泌降钙素，使血钙沉积在骨骼的关节部位，形成骨质增生。,2020年7月20日,39,高血钙症影响诸系统： 中枢神经系统：记忆力减退、情绪不稳定、个性改变、抑郁、嗜睡、可误诊为神经官能症。 神经肌肉方面：倦怠、四肢肌无力、肌肉萎缩。可误诊为原发性神经肌肉方面的疾病。 消化系统：出现食欲减退、腹胀、消化不良、便秘、恶心、呕吐等。如组织钙化：肌腱、软骨等出现关节疼痛、肾脏钙盐沉着引起肾实质钙化，皮肤钙盐沉着引起瘙痒。 泌尿系统：多尿、夜尿、口渴等，可出现肾结石、尿路结石。为草酸钙、磷酸钙所致。 骨骼系统：早期腰背、髋部、肋骨与四肢骨痛。后期表