鈣訊號

鈣訊號（英語：Calcium signaling），是驅使細胞內外互相交流的一個傳遞過程，為細胞訊息傳遞的一種，常作為第二信使。Ca²⁺一旦進入了細胞質，會使特定蛋白的結構變動(例如鈣調蛋白)，因此產生訊號。Ca²⁺的濃度以及距離都影響了訊息傳遞的作用與影響力。

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

概述與時空特性

鈣訊號是指以鈣離子（Ca²⁺）作為通用第二信使的細胞訊息傳遞系統。胞質內游離鈣離子濃度（[Ca²⁺]_i）的時空變化，編碼了複雜的生理指令，精確調控從肌肉收縮、神經傳導物質釋放、基因轉錄、細胞分裂到細胞凋亡在內的絕大多數細胞活動^[1]。因此，對鈣信號進行動態、定量、高時空解析度的監測，已成為理解細胞功能的核心。

鈣信號的資訊不僅僅在於Ca²⁺濃度的簡單升高，更關鍵地體現在其幅度、頻率、持續時間及空間分佈的複雜模式中：

• 鈣微域：在突觸等局部區域產生的、時程極短（毫秒級）、濃度極高（微莫耳級）的Ca²⁺瞬變，可精確觸發如神經傳導物質釋放等事件。
• 鈣波：由刺激點引發、在細胞內以數微米/秒速度傳播的Ca²⁺濃度升高波，常見於受精卵活化和膠質細胞通信中。
• 鈣震盪：許多細胞在持續刺激下，[Ca²⁺]_i會呈現週期性的升高與恢復。震盪的頻率可能編碼刺激的強度，並被下游效應器（如鈣調蛋白、CaMKII）所解碼^[2]。

鈣訊號的定量成像技術

現代鈣生物學研究的突破，極大程度上依賴於基因編碼的鈣指示劑的發展。這些工具使得在活細胞、甚至活體中對[Ca²⁺]_i進行實時、定量、定位的測量成為可能。

基因編碼鈣指示劑

此類指示劑基於對Ca²⁺敏感的蛋白模塊（如鈣調蛋白與其結合肽M13）與變體綠色螢光蛋白的融合，通過改變螢光共振能量轉移效率或自身螢光強度來響應鈣濃度變化。

1. 基於FRET的比率型指示劑

代表類型是「Cameleon」。其通常結構為：供體螢光蛋白（如CFP）- 鈣調蛋白（CaM）- M13肽 - 受體螢光蛋白（如YFP）。無鈣時，兩個螢光蛋白距離較遠，FRET效率低；當Ca²⁺結合CaM並使其與M13緊密結合後，供體與受體空間距離拉近，FRET效率顯著升高。通過計算**受體與供體發射光強度的比率**（如YFP/CFP），可以定量[Ca²⁺]_i。比率測量的最大優點是能抵消因探針表達水平差異、細胞厚度不均或激發光波動引起的系統誤差，從而實現更精準的定量^[3]。

定量校準：實驗後，通常使用鈣離子載體（如ionomycin）和已知濃度的鈣緩衝液，將細胞置於零鈣（高EGTA）和飽和鈣條件下，分別測得最小比率（R_min）和最大比率（R_max）。結合探針的離解常數（K_d），即可將實測的螢光比率值轉換為絕對的鈣離子濃度（單位：nM）。

2. 基於單螢光蛋白強度的指示劑

代表類型是「GCaMP」系列，是目前應用最廣泛的鈣指示劑。其結構為：環化排列的綠色螢光蛋白（cpGFP）- CaM - M13肽。無鈣時，cpGFP螢光很弱；當Ca²⁺結合後，CaM與M13的相互作用穩定cpGFP的發色團環境，使其螢光強度大幅增強（可達100倍以上）。GCaMP系列（如GCaMP6f, GCaMP8）具有極高的靈敏度與信噪比，特別適用於監測神經元動作電位誘發的快速鈣瞬變^[4]。

定量挑戰與改進：強度型指示劑的信號易受表達水平影響，絕對定量較比率型困難。但通過共表達不隨鈣變化的參考螢光蛋白（如紅色螢光蛋白RFP）進行**比率歸一化**，或使用新一代設計（如將FRET對與GCaMP結合）可提高可靠性。

靶向成像與在體應用

通過在鈣指示劑上添加特定的胞器定位序列（如粒線體靶向序列、核定位信號），可以實現對特定細胞區室內鈣濃度的定量測量。例如，測量粒線體受質鈣濃度（[Ca²⁺]_m）對於研究細胞能量代謝與凋亡信號至關重要。

在神經科學領域，通過在特定類型神經元中表達GCaMP，並結合雙光子顯微鏡或微型化螢光顯微鏡，已實現了在自由活動的小鼠大腦中，對數百個神經元鈣活動進行**長期、在體、單細胞解析度**的定量記錄，這為解碼神經環路功能帶來了革命性進展^[5]。

濃度變動

當細胞的膜電位處於休息膜電位時，這時的Ca²⁺濃度約為100 nM；比細胞之間傳遞時的Ca²⁺濃度低了2萬-10萬倍。為維持休息膜電位時的低濃度，會以類似幫浦的形式，將Ca²⁺送至粒線體、內質網或是細胞之間。訊號發出會由特定的膜蛋白以及胞器做為緩衝器（鍵結Ca²⁺），並通過細胞膜。

傳遞途徑

磷脂酶C

Phospholipase C cleaving PIP2 into IP3 and DAG

簡稱為PLC（詳見磷脂酶C）。為常見的訊號傳遞途徑，此蛋白酶可以促使內質網或細胞膜打開通道，讓細胞質內Ca²⁺濃度快速上升至500-1000 nM，磷脂酶C在訊息傳遞中扮演重要的角色。

• 以下為發出鈣訊號的步驟：

1. G蛋白偶聯受體與受體酪胺酸激酶（英語：RTKs）為常見的跨膜蛋白（整合通道蛋白），活化PLC。
2. PLC使PIP2（英語：PIP2）催化並水解出肌醇三磷酸，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為常見的第二信使。
3. 二酸甘油酯的濃度增高並活化了蛋白激酶C，往細胞膜的方向聚集。^[6]
4. 肌醇三磷酸可以擴散至整個細胞，崁入平滑內質網受體（肌醇三磷酸受體（英語：IP3 receptor））。
5. 肌醇三磷酸受體（英語：IP3 receptor）打開通道放出Ca²⁺。
6. Ca²⁺與蛋白激酶C結合並活化。

濃度消耗與增加

當細胞中Ca²⁺的濃度降低，SOC channels（英語：SOC channels）會被活化，並開放進入內質網的通道。Ca²⁺進入內質網的這種方式，稱為鈣釋放活化通道(ICRAC)（英語：Calcium release activated channel）；ICRAC（英語：Calcium release activated channel）的確切機制仍不確定，儘管有研究指出STIM1（英語：STIM1）蛋白、Orai1蛋白，可能為ICRAC進入內質網通道的模型中的介體；最近也有研究指出可能是磷脂酶A2、菸酸腺嘌呤二核苷酸磷酸（英語：Nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate）。^[7]

作為第二信使

為響應第一信使（細胞外的分子），細胞發出第二信使分子作為信號。第二信使負責細胞內訊息傳遞以產生生理變化，如增殖、細胞分化、遷移、存活和細胞凋亡，詳見第二信使系統。

肌肉收縮

在肌肉生理學中的基本要則：肌肉產生收縮詳見（興奮-收縮耦聯），然而視為一連串機械反應的生理過程^[8]。從肌肉附近的神經細胞激發帶電粒子，使之穿透細胞膜產生動作電位。電位變化的期間，帶正電的粒子（Ca²⁺）穿透細胞膜，從外部流入內部，使得原先帶有少許正電的細胞（失衡狀態）逐漸達到電中性，這個過程我們稱為去極化。因去極化導致肌質網（英語：Sarcoplasmic reticulum）放出Ca²⁺至肌漿中並活化了肌動蛋白，使得肌肉收縮。