钙调素

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第871页（3667字）

钙调素的发现是20世纪70年代自DNA重组以来分子生物学领域最重大的发现之一。

CaM在生物细胞的各种过程中发挥着重要的调节作用。多年来，对这种蛋白质的研究十分活跃，为生物学开辟了一个新领域。

1967～1970年间美籍华人张槐耀研究牛脑中环磷酸腺苷(cAMP)特异的磷酸二酯酶(PDE)活性时发现CaM。

起初还认为它是PDE激活剂，此后逐步认识到，它是一种具有多种调节功能的钙调节蛋白，广泛存在于生物体的真核细胞内，是细胞内信使Ca²⁺的重要受体，传递Ca²⁺对各种细胞功能调节信息。

这种物质曾先后有过多种名称，1978年确定了Calmodulin的命名。1987年，中国第1次钙、钙调蛋白与细胞功能专题会议(徐州)建议将calmodulin中文译为钙调素，缩写为CaM。

哺乳动物的许多组织中CaM含量丰富．大多数细胞为μM水平，其中以脑和睾丸含量最丰富．约占总蛋白含量的0．2%～0．4%。在细胞周期的不同时期，CaM分布也不相同。1986年韦尔斯(M．J．Welsh)等发现；在间期CaM主要分布在细胞质的纤维性结构上，到了前期细胞质中CaM则变为弥散状分布，前中期时CaM主要分布在半纺锤体上，中期及后期CaM转移到染色体与纺锤体极之间，而末期则只在两极有CaM分布。植物CaM般是在生长活跃、积极进行分裂的细胞中比较多，并发现CaM与植物输导组织的运输功能、植物纺锤体微管功能有关。

1986年沃特朗(D．M．Watteron)等报告，牛脑的CaM具有148个氨基酸残基。该蛋白分子可分为4个区域，每个区域约包含30个氨基酸。

第1区(8～40残基)与第3区(第81～113残基)排列在一起，而第2区(44～76残基)与第4区(第117～148残基)排列在一起。从原生动物四膜虫所纯化的CaM，测得它由147个氨基酸残基所组成，其氨基酸末端被乙酰化。和牛脑的CaM相比，共有11个氨基酸残基发生了取代，少了一个氨基酸残基。而菠菜的CaM序列与牛脑的CaM相比，仅13个氨基酸的区别。

在生物交叉反应中，发现牛脑CaM抗体可以识别棉花种子里的CaM。表明CaM是一种进化上古老的、保守的蛋白质。

CaM是一种耐热，酸性(等电点3．9～4．3)，疏水性，分子量不同的球状小分子蛋白质，标准分子量为16．7KD。CaM分子上有两种结合Ca²⁺的部位，化学性质稳定，对多种酶结合有利。

植物CaM的氨基酸组份与动物基本一致，所不同的仅在于植物有一个半胱氨酸残基，而且酪氨酸(1个)比动物中(2个)为少。CaM的吸收光谱特点是253、259、265、269、277nm处有数个吸收峰。

植物与动物来源的CaM，其差别仅在于植物在277nm处吸收峰不明显。

CaM的另一重要特性是可以相当专一地与一些药物结合，如某些抗精神病药物和局部麻醉剂。

钙调素与这些药物结合后，就不能再与酶结合。因此，这些药物被称为CaM抑制剂，而用来探索CaM在细胞中调节功能。

CaM的调节功能与Ca²⁺相关。

CaM具有4个Ca²⁺结合区，在静息状态下，细胞内Ca²⁺浓度很低，在10^－7M以下，此时CaM无活性。

当细胞受到外界有效刺激后，细胞内Ca²⁺浓度短暂上升达10^－5M，这一生物应答信号的传递以CaM为媒介。此时，CaM与Ca²⁺结合并使其自身的构象改变，暴露疏水区，该区能与靶酶(CaM依赖酶)相互作用，形成一个有活性的全酶。

CaM的作用可概括为以下两步可逆性反应：

Ca²⁺+CaM(无活性)Ca²⁺·CaM(有活性)

Ca²⁺·CaM+酶(无活性)Ca²⁺·CaM·酶(有活性)

当Ca²⁺浓度降低到静息水平时，CaM与Ca²⁺离解，酶活性亦降低到基础水平。

CaM对细胞中酶的调节是多种多样的。

除了在环核苷酸代谢中调节腺苷酸环化酶、磷酸二酯酶，以及在蛋白质磷酸化作用中调节需要Ca²⁺的蛋白激酶(PK)外，还在肌动球蛋白收缩作用中调节肌球蛋白的轻链激酶，在糖代谢中调节磷酸激酶，在Ca泵中调节Ca²⁺－Mg²⁺－ATP合成酶，在递质释放中调节需要Ca²⁺的蛋白激酶。CaM在突触的广泛分布和高活性，表明它对突触的功能有重要调节作用。首先它刺激突触特异蛋白质磷酸化，尤其是激活依赖CaM的蛋白激酶。

CaM在细胞分裂过程中具有重要作用。

在分裂中期，染色体位于赤道区时，CaM直接调节微管的聚合和解聚，从而参与染色体运动。

CaM对生物的生理功能是相当复杂的，可以将其作用顺序分三步。(1)钙通道的开放。细胞膜上的受体蛋白分子接受信号后，便开启了Ca²⁺的载体，通道打开，Ca²⁺便流入细胞质内。

(2)效应物蛋白的作用。在细胞质内Ca²⁺结合到作为效应物的专一性蛋白质CaM上，然后CaM便与专门的酶结合，从而酶活化。

(3)活化蛋白质的效应。含于CaM中的Ca²⁺使专一性酶活化，通过序列反应，被活化的酶对靶细胞产生生理和药理学反应。

在细胞核中，CaM与DNA的关系已得到初步揭示。

细胞进入DNA合成期时，需要足量的CaM，表示CaM可能影响DNA的合成。

在一些动物细胞中，还发现CaM拮抗剂抑制DNA的修复。暗示CaM在DNA修复过程中亦起着某种调节作用。

线粒体CaM的功能目前还不大清楚，但在动物线粒体中有CaM结合蛋白，并发现CaM与线粒体的呼吸调节有关。许多CaM靶酶存在于细胞溶质部分，细胞溶质CaM可能是通过直接影响其靶酶活性或通过对蛋白质磷酸化过程的控制，而调节细胞生理过程。大量研究已证实，CaM与信息跨膜传递、血小板凝聚、癌细胞增殖、光合作用、胞内DNA的合成和皮肤纤维细胞低密度脂蛋白的合成等过程有关。CaM还参与神经递质的合成与释放，并与轴浆运输有密切的关系。可以说凡是与Ca²⁺有关的生理现象，几乎都与CaM有关。

在疾病防治方面，如发现某种疾病的发生机制与CaM有关，就可能用CaM拮抗剂治疗这种疾病。比较成功的例子是牛皮癣病，1984年弗哈杰(A．Verhagen)等发现，牛皮癣病患者的皮肤细胞中CaM的浓度较高，而且磷脂酶A₂的活性也比较高，该酶受CaM的调节。1986年汉伯特(P．Humbert)等在治疗牛皮癣的药物中加入了CaM拮抗剂氯丙嗪，收到明显疗效。

几乎所有的恶性转化细胞中，CaM的含量均有大幅度增加(至少升高2倍)。在体外培养中，CaM拮抗剂可明显抑制肿瘤细胞与转化细胞的增殖。

CaM不仅能促进胰岛素介导的胰岛素受体β－亚基磷酸化，而且也能激活胰岛素介导的组蛋H₂B的磷酸化。胰岛素受体和CaM相互磷酸化，在胰岛素作用机制中具有重要意义。

它们分别通过影响胰岛素受体蛋白激酶活性和细胞内Ca²⁺调节的两个主要途径，来调节细胞代谢。深入研究CaM和胰岛素受体以及蛋白激酶C之间相互关系，对于阐明含氮激素作用机理，生物信息在细胞内的传递，揭示细胞的代谢调节、生长、分化、增殖乃至癌变的本质等，都具有重要意义。

CaM本身无活性，它执行生物学功能的关键在于它能够和钙调素结合蛋白(CaM－binding protein，CaMBP)结合，从而引起CaMBP生物学活性的改变，进而产生生理效应。正如通过寻找新的钙结合蛋白(CaBP)来研究Ca²⁺的功能一样，研究新的CaMBP已成为探索CaM未知功能的一个重要课题。

。【参考文献】：

1 奇云．钙调素．广东生化通讯，1988，5∶107～109

2 奇云．钙调素．生物学杂志，1990，1∶6～8

3 Mckenon T A, et al. Calcium ion improves electrophoretic transfer of calmodulin and other small proteins.

(安徽省淮南职业医专奇云副教授撰)