33、钙的缓冲、反应扩散及离子泵机制解析

钙的缓冲、反应扩散及离子泵机制解析

1. 钙缓冲现象概述

在经典实验中，Hodgkin和Keynes于1957年利用放射性45Ca追踪鱿鱼轴突纤维中钙的扩散情况。结果发现，钙的有效扩散常数约为其在水溶液中扩散系数的十分之一，这与钾离子在类似情况下的行为形成鲜明对比。这表明，钙一旦进入细胞内细胞质，就不能自由扩散。实际上，超过95%的进入细胞的钙会迅速被多种系统结合，这些系统涵盖了不同的蛋白质缓冲剂以及线粒体、平滑内质网等细胞器。

线粒体具有显著的积累和释放Ca2+的能力。神经元中的内质网与骨骼肌细胞中的肌质网相关，它负责在肌肉收缩期间释放和重新摄取Ca2+，也能积累钙，但速度相对较慢。由于这些细胞器摄取钙的过程发生在数秒甚至更长的时间尺度上，所以我们主要关注钙与蛋白质缓冲剂结合的动力学。

2. 钙结合蛋白

神经细胞中存在大量高浓度的Ca2+结合蛋白，如钙调蛋白（calmodulin）、钙结合蛋白（calbindin）和小白蛋白（parvalbumin）。其中，最为重要的神经元钙缓冲剂是钙调蛋白，它是一种分子量为15,000道尔顿的调节蛋白，在脑组织中的浓度为30 - 50 μM，可作为细胞内的钙传感器。

钙调蛋白位于中枢神经系统中大多数神经元的细胞体、树突和突触后致密区，但不在轴突中。每个钙调蛋白分子有四个Ca2+结合位点。在静息钙浓度水平下，这些位点中没有或只有一个被占据。当游离钙浓度上升到微摩尔水平时，四个结合位点会依次被占据。完全结合钙的钙 - 钙调蛋白复合物可以与大量调节蛋白结合，从而改变它们的功能，例如钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaM激酶）、蛋白磷酸酶和腺苷酸环化酶等。

这些酶中的一些与长时程增强效应的诱导有