「カルシウム」の版間の差分

英語名: calcium

 

　カルシウムは原子番号20の金属元素。元素記号はCa。周期表第2族アルカリ土類元素の一種で、ヒトを含む動物の代表的なミネラル（必須元素）である。骨や歯の形成のみならず、カルシウムイオン（Ca²⁺）は細胞内[[シグナル伝達]]を担う代表的な[[セカンドメッセンジャー]]の一つであり、広範な細胞機能の制御に関与している。  

　江橋節郎は1950年代後半からの先駆的研究により、細胞内Ca²⁺が骨格筋収縮を制御するという機構を提唱した。そして1965年に[[カルシウム結合タンパク質]]であるトロポニンを発見し、Ca²⁺依存性シグナルの存在を世界に先駆けて証明した<ref><pubmed>5857096</pubmed></ref>。次いで1970年には垣内史郎とWai Yiu Cheungにより[[カルモジュリン]]が発見され、Ca²⁺が筋収縮のみならず広範な細胞機能を制御することが明確になった<ref><pubmed>4320714</pubmed></ref><ref><pubmed>4315350</pubmed></ref>。  

　さらにRoger Y Tsienによる[[カルシウム指示薬]]の開発<ref><pubmed>3838314</pubmed></ref>により、細胞内Ca²⁺濃度を生細胞にて[[蛍光イメージング]]法で測定することが可能になり、Ca²⁺ウェーブやCa²⁺オシレーションといった、細胞内Ca²⁺濃度の複雑な時空間動態が明らかとなった。  

　[[細胞膜]]および[[小胞体]]膜上に存在する各種のCa²⁺[[ポンプ]]により、細胞質のCa²⁺濃度は静止時には数十nM (10^-8~10^-7 M)程度に保たれる。これは細胞外Ca²⁺濃度（~10^-3 M）の一万分の一以下という非常に低い濃度であり、他の生体内無機イオンではこれほど大きな細胞内外の濃度差は見られない。以下に示すCa²⁺チャネルを経て細胞質にCa²⁺が供給されることによりCa²⁺濃度が上昇し、カルシウム結合タンパク質を介して様々な細胞内シグナルが活性化される。  

　細胞内Ca²⁺シグナルの特筆すべき性質は、その局所性である。例えば単一の[[樹状突起スパイン]]に限局したCa²⁺濃度上昇が惹起され、これにより入力特異的なシナプス可塑性等の制御が実現されている。この局所性にはCa²⁺チャネルの限局やスパインの構造のみならず、Ca²⁺ポンプによる速やかな除去や、高濃度のカルシウム結合タンパク質によるCa²⁺拡散の阻害、等が重要な寄与を果たしている。  

　Ca²⁺に対して透過性をもつ[[イオンチャネル]]を介して、大きな電気化学的勾配に従いCa²⁺が細胞外から細胞質へ流入する。脳神経系においては主に以下に挙げるイオンチャネルが関与する。  

　電位依存性Ca²⁺チャネルはその開閉が[[膜電位]]に依存する[[カルシウムチャネル]]である。主に[[神経細胞]]において、細胞膜の脱分極により開口してCa²⁺を流入させる。電位依存性Ca²⁺チャネルの各サブタイプは、それぞれ異なる特徴と生理機能を有する。詳細については [[カルシウムチャネル]]の項を参照のこと。  

　各種の感覚受容に関与する[[TRPチャネル]]はCa²⁺透過性を示す。各サブタイプが様々な開口制御機構を有しており、神経細胞およびグリア細胞においてCa²⁺流入を担う。  

　また小胞体のCa²⁺枯渇により活性化されるストア作動性Ca²⁺チャネルもCa²⁺流入を担う。このストア作動性Ca²⁺チャネルについては長らく分子実体が不明であったが、近年Orai1が同定された<ref><pubmed>16921385</pubmed></ref><ref><pubmed>16921383</pubmed></ref>。  

　イノシトール3リン酸受容体は、その活性化にセカンドメッセンジャーである[[イノシトール3リン酸]]と細胞質Ca²⁺の両方を必要とする小胞体膜上Ca²⁺チャネルである。特筆すべき点は、細胞質Ca²⁺濃度に対して二相性の反応曲線を示すことである<ref><pubmed>2373998</pubmed></ref>。つまり低Ca²⁺濃度域では濃度上昇に従い開口が促進されるが、ある濃度でそれがピークアウトし、それ以上の濃度域では濃度上昇に従い開口が阻害される。 グリア細胞のような電気的に非興奮性の細胞においては、主要なCa²⁺供給経路となる。また神経細胞においてもCa²⁺シグナルに関与する。 イノシトール3リン酸とCa²⁺の両方を必要とする性質により、二種類の入力を統合する機能を持ち得る。実際、小脳[[プルキンエ細胞]]における[[長期抑圧]]誘導時に、二種類のシナプス入力の[[同期検出]]を担っている<ref><pubmed>11100147</pubmed></ref>。<br>

　神経細胞では[[活動電位]]の発生に伴いCa²⁺流入が起こるので、カルシウム指示薬を用いて、神経細胞の活動を蛍光イメージングにより検出することが可能である。特に近年、[[２光子レーザー走査顕微鏡]]を用いることで、生体内の個々の神経細胞を解像して、その活動を可視化することが可能になった<ref><pubmed>15660108</pubmed></ref>。多数の神経細胞の位置情報と活動情報を一度にかつ正確に得るという、従来は非常に困難であったことを可能にした手法であり、近年活発な応用が進められている。