钙信号

钙信号（英语：Calcium signaling），是驱使细胞内外互相交流的一个传递过程，为细胞信号转导的一种，常作为第二信使。Ca²⁺一旦进入了细胞质，会使特定蛋白的结构变动(例如钙调蛋白)，因此产生讯号。Ca²⁺的浓度以及距离都影响了信号转导的作用与影响力。

Shows Ca²⁺ release from the endoplasmic reticulum through phospholipase C (PLC) pathway.

概述与时空特性

钙信号是指以钙离子（Ca²⁺）作为通用第二信使的细胞信号转导系统。胞质内游离钙离子浓度（[Ca²⁺]_i）的时空变化，编码了复杂的生理指令，精确调控从肌肉收缩、神经递质释放、基因转录、细胞分裂到细胞凋亡在内的绝大多数细胞活动^[1]。因此，对钙信号进行动态、定量、高时空分辨率的监测，已成为理解细胞功能的核心。

钙信号的信息不仅仅在于Ca²⁺浓度的简单升高，更关键地体现在其幅度、频率、持续时间及空间分布的复杂模式中：

• 钙微域：在突触等局部区域产生的、时程极短（毫秒级）、浓度极高（微摩尔级）的Ca²⁺瞬变，可精确触发如神经递质释放等事件。
• 钙波：由刺激点引发、在细胞内以数微米/秒速度传播的Ca²⁺浓度升高波，常见于受精卵激活和胶质细胞通信中。
• 钙震荡：许多细胞在持续刺激下，[Ca²⁺]_i会呈现周期性的升高与恢复。震荡的频率可能编码刺激的强度，并被下游效应器（如钙调蛋白、CaMKII）所解码^[2]。

钙信号的定量成像技术

现代钙生物学研究的突破，极大程度上依赖于基因编码的钙指示剂的发展。这些工具使得在活细胞、甚至活体中对[Ca²⁺]_i进行实时、定量、定位的测量成为可能。

基因编码钙指示剂

此类指示剂基于对Ca²⁺敏感的蛋白模块（如钙调蛋白与其结合肽M13）与变体绿色荧光蛋白的融合，通过改变荧光共振能量转移效率或自身荧光强度来响应钙浓度变化。

1. 基于FRET的比率型指示剂

代表类型是“Cameleon”。其通常结构为：供体荧光蛋白（如CFP）- 钙调蛋白（CaM）- M13肽 - 受体荧光蛋白（如YFP）。无钙时，两个荧光蛋白距离较远，FRET效率低；当Ca²⁺结合CaM并使其与M13紧密结合后，供体与受体空间距离拉近，FRET效率显著升高。通过计算**受体与供体发射光强度的比率**（如YFP/CFP），可以定量[Ca²⁺]_i。比率测量的最大优点是能抵消因探针表达水平差异、细胞厚度不均或激发光波动引起的系统误差，从而实现更精准的定量^[3]。

定量校准：实验后，通常使用钙离子载体（如ionomycin）和已知浓度的钙缓冲液，将细胞置于零钙（高EGTA）和饱和钙条件下，分别测得最小比率（R_min）和最大比率（R_max）。结合探针的离解常数（K_d），即可将实测的荧光比率值转换为绝对的钙离子浓度（单位：nM）。

2. 基于单荧光蛋白强度的指示剂

代表类型是“GCaMP”系列，是目前应用最广泛的钙指示剂。其结构为：环化排列的绿色荧光蛋白（cpGFP）- CaM - M13肽。无钙时，cpGFP荧光很弱；当Ca²⁺结合后，CaM与M13的相互作用稳定cpGFP的发色团环境，使其荧光强度大幅增强（可达100倍以上）。GCaMP系列（如GCaMP6f, GCaMP8）具有极高的灵敏度与信噪比，特别适用于监测神经元动作电位诱发的快速钙瞬变^[4]。

定量挑战与改进：强度型指示剂的信号易受表达水平影响，绝对定量较比率型困难。但通过共表达不随钙变化的参考荧光蛋白（如红色荧光蛋白RFP）进行**比率归一化**，或使用新一代设计（如将FRET对与GCaMP结合）可提高可靠性。

靶向成像与在体应用

通过在钙指示剂上添加特定的细胞器定位序列（如线粒体靶向序列、核定位信号），可以实现对特定细胞区室内钙浓度的定量测量。例如，测量线粒体底物钙浓度（[Ca²⁺]_m）对于研究细胞能量代谢与凋亡信号至关重要。

在神经科学领域，通过在特定类型神经元中表达GCaMP，并结合双光子显微镜或微型化荧光显微镜，已实现了在自由活动的小鼠大脑中，对数百个神经元钙活动进行**长期、在体、单细胞分辨率**的定量记录，这为解码神经环路功能带来了革命性进展^[5]。

浓度变动

当细胞的膜电位处于休息膜电位时，这时的Ca²⁺浓度约为100 nM；比细胞之间传递时的Ca²⁺浓度低了2万-10万倍。为维持休息膜电位时的低浓度，会以类似泵的形式，将Ca²⁺送至线粒体、内质网或是细胞之间。讯号发出会由特定的膜蛋白以及细胞器做为缓冲器（键结Ca²⁺），并通过细胞膜。

传递途径

磷脂酶C

Phospholipase C cleaving PIP2 into IP3 and DAG

简称为PLC（详见磷脂酶C）。为常见的讯号传递途径，此蛋白酶可以促使内质网或细胞膜打开通道，让细胞质内Ca²⁺浓度快速上升至500-1000 nM，磷脂酶C在信号转导中扮演重要的角色。

• 以下为发出钙信号的步骤：

1. G蛋白偶联受体与受体酪氨酸激酶（英语：RTKs）为常见的跨膜蛋白（整合通道蛋白），激活PLC。
2. PLC使PIP2（英语：PIP2）催化并水解出肌醇三磷酸，再者，肌醇三磷酸再水解出二酸甘油酯。肌醇三磷酸跟二酸甘油酯都为常见的第二信使。
3. 二酸甘油酯的浓度增高并激活了蛋白激酶C，往细胞膜的方向聚集。^[6]
4. 肌醇三磷酸可以扩散至整个细胞，崁入光面内质网受体（肌醇三磷酸受体（英语：IP3 receptor））。
5. 肌醇三磷酸受体（英语：IP3 receptor）打开通道放出Ca²⁺。
6. Ca²⁺与蛋白激酶C结合并激活。

浓度消耗与增加

当细胞中Ca²⁺的浓度降低，SOC channels（英语：SOC channels）会被激活，并开放进入内质网的通道。Ca²⁺进入内质网的这种方式，称为钙释放激活通道(ICRAC)（英语：Calcium release activated channel）；ICRAC（英语：Calcium release activated channel）的确切机制仍不确定，尽管有研究指出STIM1（英语：STIM1）蛋白、Orai1蛋白，可能为ICRAC进入内质网通道的模型中的介体；最近也有研究指出可能是磷脂酶A2、烟酸腺嘌呤二核苷酸磷酸（英语：Nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate）。^[7]

作为第二信使

为响应第一信使（细胞外的分子），细胞发出第二信使分子作为信号。第二信使负责细胞内信号转导以产生生理变化，如增殖、细胞分化、迁移、存活和细胞凋亡，详见第二信使系统。

肌肉收缩

在肌肉生理学中的基本要则：肌肉产生收缩详见（兴奋-收缩耦联），然而视为一连串机械反应的生理过程^[8]。从肌肉附近的神经细胞激发带电粒子，使之穿透细胞膜产生动作电位。电位变化的期间，带正电的粒子（Ca²⁺）穿透细胞膜，从外部流入内部，使得原先带有少许正电的细胞（失衡状态）逐渐达到电中性，这个过程我们称为去极化。因去极化导致肌质网（英语：Sarcoplasmic reticulum）放出Ca²⁺至肌浆中并激活了肌动蛋白，使得肌肉收缩。