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病理生理講座2細(xì)胞Ca2 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與疾病

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1、細(xì)胞Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與疾病周文華寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院Ca2作為細(xì)胞信使的基礎(chǔ)是胞漿作為細(xì)胞信使的基礎(chǔ)是胞漿Ca2與胞內(nèi)鈣庫(kù)或胞外與胞內(nèi)鈣庫(kù)或胞外Ca2之間存在濃度梯之間存在濃度梯度。當(dāng)某種刺激使胞內(nèi)度。當(dāng)某種刺激使胞內(nèi)Ca2濃度大幅度增濃度大幅度增加時(shí),就起到傳遞信號(hào)的作用。加時(shí),就起到傳遞信號(hào)的作用。Ca2本身的特性更有利于和靶蛋白本身的特性更有利于和靶蛋白結(jié)合,從而傳遞信息。結(jié)合,從而傳遞信息。一、細(xì)胞總鈣一、細(xì)胞總鈣細(xì)胞鈣的分布細(xì)胞鈣的分布結(jié)合鈣:與儲(chǔ)鈣蛋白結(jié)合的鈣。占結(jié)合鈣:與儲(chǔ)鈣蛋白結(jié)合的鈣。占99.9%,主要分布在細(xì)胞核、線粒體、內(nèi),主要分布在細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)網(wǎng)/肌質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜;肌

2、質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜;游離鈣:游離鈣:0.1 mol/L。儲(chǔ)鈣蛋白:儲(chǔ)鈣蛋白:肌細(xì)胞中主要有集鈣蛋白(肌細(xì)胞中主要有集鈣蛋白(CSQ),還),還有小清蛋白(有小清蛋白(parvalbumin)和鈣結(jié)合蛋白)和鈣結(jié)合蛋白(calbindin););非肌細(xì)胞中主要是鈣網(wǎng)蛋白非肌細(xì)胞中主要是鈣網(wǎng)蛋白(calreticulin),還有二硫異構(gòu)酶、免疫球),還有二硫異構(gòu)酶、免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白(蛋白重鏈結(jié)合蛋白(BIP)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)素)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)素(endoplasmin)等。)等。鈣結(jié)合蛋白的分類:鈣結(jié)合蛋白的分類:與與Ca2結(jié)合后構(gòu)象改變,再激活其結(jié)合后構(gòu)象改變,再激活其他酶;他酶;本身是一種調(diào)節(jié)酶;本身是一種調(diào)

3、節(jié)酶;與與Ca2結(jié)合后參與其他離子通道的結(jié)合后參與其他離子通道的調(diào)節(jié);調(diào)節(jié);與與Ca2結(jié)合后起緩沖作用,調(diào)節(jié)細(xì)結(jié)合后起緩沖作用,調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)胞內(nèi)Ca2濃度。濃度。鈣調(diào)素鈣調(diào)素(一)(一)鈣調(diào)素的發(fā)現(xiàn)鈣調(diào)素的發(fā)現(xiàn)19681970年,美籍華人張槐耀在研究年,美籍華人張槐耀在研究PDE對(duì)對(duì)cAMP濃度的調(diào)節(jié)作用時(shí),發(fā)現(xiàn)了鈣濃度的調(diào)節(jié)作用時(shí),發(fā)現(xiàn)了鈣調(diào)素。調(diào)素。CaM的活化的活化:CaM通過(guò)與通過(guò)與Ca2結(jié)合而活化。結(jié)合而活化。CaM活化后的構(gòu)象改變活化后的構(gòu)象改變:二級(jí)結(jié)構(gòu)改二級(jí)結(jié)構(gòu)改變,導(dǎo)致疏水基團(tuán)暴露,以利于與靶酶結(jié)變,導(dǎo)致疏水基團(tuán)暴露,以利于與靶酶結(jié)合;合;形成球形構(gòu)象。形成球形構(gòu)象。CaM激活

4、靶酶的機(jī)制激活靶酶的機(jī)制:靶酶存在自抑制結(jié)構(gòu)域,結(jié)合靶酶存在自抑制結(jié)構(gòu)域,結(jié)合CaM后,后,消除了自抑制作用而被活化。消除了自抑制作用而被活化。膜聯(lián)蛋白家族膜聯(lián)蛋白家族膜聯(lián)蛋白膜聯(lián)蛋白(annexin)家族:)家族:與與Ca2結(jié)合后可進(jìn)一步與膜磷脂結(jié)合結(jié)合后可進(jìn)一步與膜磷脂結(jié)合的的Ca2結(jié)合蛋白,即鈣依賴性磷脂或膜結(jié)結(jié)合蛋白,即鈣依賴性磷脂或膜結(jié)合蛋白。合蛋白。此家族有此家族有12個(gè)成員,存在于細(xì)胞質(zhì)膜個(gè)成員,存在于細(xì)胞質(zhì)膜下、儲(chǔ)下、儲(chǔ)Ca2細(xì)胞器附近以及在核內(nèi)或細(xì)胞細(xì)胞器附近以及在核內(nèi)或細(xì)胞外基質(zhì)中。外基質(zhì)中。(一)(一)膜聯(lián)蛋白家族的共同特點(diǎn)膜聯(lián)蛋白家族的共同特點(diǎn)1.在在 mol/L濃度水

5、平的濃度水平的Ca2就就可與磷脂或可與磷脂或膜結(jié)合,而且對(duì)膜結(jié)合,而且對(duì)Ca2及磷脂結(jié)合有特異性。及磷脂結(jié)合有特異性。2.在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)上有同源性。在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)上有同源性。3.在細(xì)胞中的分布都直接或間接地與細(xì)胞在細(xì)胞中的分布都直接或間接地與細(xì)胞質(zhì)膜或內(nèi)膜系統(tǒng)相聯(lián)系。質(zhì)膜或內(nèi)膜系統(tǒng)相聯(lián)系。膜聯(lián)蛋白的生理功能膜聯(lián)蛋白的生理功能參與胞吐作用;參與胞吐作用;在兩膜之間形成膜橋,有利于膜的黏著、在兩膜之間形成膜橋,有利于膜的黏著、聚集和融合;聚集和融合;具有離子通道功能;具有離子通道功能;對(duì)對(duì)PLA2有抑制作用;有抑制作用;與細(xì)胞骨架有關(guān)。與細(xì)胞骨架有關(guān)。細(xì)胞鈣的分布及平衡正常細(xì)胞Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞

6、內(nèi)Ca2+濃度升高的機(jī)制1、胞外Ca2+內(nèi)流:Na+/Ca2+交換;漏系統(tǒng)(leaked system);Ca2+通道。2、Ca2+通道分兩類:voltage dependent Ca2+channel;receptor-operated Ca2+channel。質(zhì)膜上的鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)質(zhì)膜上的鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)cytosol1.質(zhì)膜鈣泵(質(zhì)膜鈣泵(plasma membrane calcium pump,PMCA)()(Ca2-ATP酶)酶)1 2 3 4 5 6 7 8 910活性中心CaM結(jié)合位點(diǎn)磷酸化位點(diǎn)N端C端l鈣泵位于細(xì)胞膜上和肌漿網(wǎng)膜上l肌漿網(wǎng)是肌肉細(xì)胞中的滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng),它是肌肉細(xì)胞內(nèi)Ca2+存

7、貯器。鈣泵負(fù)責(zé)將肌肉細(xì)胞質(zhì)是的Ca2+泵入肌漿網(wǎng)內(nèi),使肌漿網(wǎng)內(nèi)的Ca2+保持高濃度。若神經(jīng)發(fā)生沖動(dòng),肌肉細(xì)胞膜去極化,Ca2+從肌漿網(wǎng)釋放入細(xì)胞質(zhì)內(nèi),引起肌肉收縮。釋放入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+,由肌漿網(wǎng)膜上的鈣泵,泵入肌漿網(wǎng),維持膜內(nèi)外鈣離子的濃度差。l每個(gè)Ca2+ATP酶每秒鐘可水解10個(gè)ATP分子,每個(gè)ATP分子可轉(zhuǎn)運(yùn)2個(gè)Ca2+進(jìn)入肌漿網(wǎng) 鈣泵Ca2+ATP酶(細(xì)胞膜)(細(xì)胞液)Na+驅(qū)動(dòng)的反向Ca2+泵高親和力低容量,在調(diào)節(jié)胞內(nèi)高親和力低容量,在調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)上起微調(diào)作用。上起微調(diào)作用。質(zhì)膜質(zhì)膜Ca2泵的調(diào)控機(jī)制:泵的調(diào)控機(jī)制:CaM的激活的激活 Ca2 Ca2-CaM與鈣泵與鈣泵

8、C端結(jié)合端結(jié)合鈣泵活化鈣泵活化 PIP2水解的雙重效應(yīng)水解的雙重效應(yīng) 有限水解有限水解胰蛋白酶切去鈣泵胰蛋白酶切去鈣泵C端的抑制肽。端的抑制肽。PKC和和PKA的磷酸化的磷酸化Ca2PIP2水解PIP2鈣泵活性IP3鈣泵活性2.Na-Ca2交換器(交換器(Sodium-Calcium Exchanger,NCE)利用利用Na的電化學(xué)梯度從胞內(nèi)排出的電化學(xué)梯度從胞內(nèi)排出Ca2。低親和力高容量,在調(diào)節(jié)胞內(nèi)低親和力高容量,在調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2穩(wěn)穩(wěn)態(tài)上起主導(dǎo)作用。態(tài)上起主導(dǎo)作用。主要用于興奮性細(xì)胞受到刺激后從胞主要用于興奮性細(xì)胞受到刺激后從胞內(nèi)除去大量的內(nèi)除去大量的Ca2。3.鈣離子通道鈣離子通道(1)電

9、壓門控性)電壓門控性Ca2通道(通道(voltage-gated Ca2 channel,VGCC):):受控于膜電壓的變化。除極時(shí),受控于膜電壓的變化。除極時(shí),Ca2通道打開(kāi),胞外通道打開(kāi),胞外Ca2內(nèi)流。內(nèi)流。VGCC有有6種亞型:種亞型:T型:又稱低電壓激活的型:又稱低電壓激活的Ca2通道,激通道,激活后可迅速失活?;詈罂裳杆偈Щ睢、N、P、Q、R 型:又稱高電壓激活型:又稱高電壓激活的的Ca2通道,激活后可緩慢失活。通道,激活后可緩慢失活。L型Ca2通道的組成激動(dòng)劑激動(dòng)劑-受體門控性受體門控性Ca2通道(通道(receptor-gated Ca2 channel):):配體結(jié)合于受體

10、后激活。配體結(jié)合于受體后激活。如:如:NMDA受體是受體是Ca2進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞的進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞的通道;通道;ATP受體調(diào)節(jié)受體調(diào)節(jié)Ca2通道,是通道,是Ca2進(jìn)入進(jìn)入平滑肌的通道。平滑肌的通道。機(jī)械操縱型機(jī)械操縱型Ca2通道:通道:對(duì)機(jī)械牽張敏感。對(duì)機(jī)械牽張敏感。主要與血管內(nèi)皮細(xì)胞感受血液壓力、主要與血管內(nèi)皮細(xì)胞感受血液壓力、分泌相關(guān)因子以影響血管緊張狀態(tài)有關(guān)。分泌相關(guān)因子以影響血管緊張狀態(tài)有關(guān)。(三)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(三)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/肌質(zhì)網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)肌質(zhì)網(wǎng)鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng) 細(xì)胞內(nèi)膜鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng):細(xì)胞內(nèi)膜鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng):表面積大;耗能少。表面積大;耗能少。1.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/肌質(zhì)網(wǎng)(ER/SR)鈣泵2.ER/SR鈣離子通道鈣離子通

11、道 RyR 和和 IP3R:咖啡因、腺苷酸、咖啡因、腺苷酸、Ca2及低濃度的及低濃度的Ryanodine促進(jìn)通道開(kāi)放;促進(jìn)通道開(kāi)放;Mg2、過(guò)高濃、過(guò)高濃度的度的Ca2、鈣紅、鈣紅、CaM等抑制其開(kāi)放。等抑制其開(kāi)放。RyR的真正激活劑是的真正激活劑是cADPR。cADPRNAD+ADPRCcGMPcGMP-cADPR促進(jìn)鈣釋放基本單位基本單位Ca2信號(hào)共同特點(diǎn):信號(hào)共同特點(diǎn):鈣通道開(kāi)放時(shí),鈣通道開(kāi)放時(shí),Ca2濃度快速上升并擴(kuò)濃度快速上升并擴(kuò)散形成梯度;散形成梯度;鈣通道關(guān)閉時(shí),緩慢復(fù)原。鈣通道關(guān)閉時(shí),緩慢復(fù)原。鈣信號(hào)由組成各自相對(duì)獨(dú)立的鈣信號(hào)由組成各自相對(duì)獨(dú)立的Ca2信號(hào)的信號(hào)的基本單位所產(chǎn)生

12、?;締挝凰a(chǎn)生。3.線粒體鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)線粒體鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng) 線粒體對(duì)細(xì)胞內(nèi)線粒體對(duì)細(xì)胞內(nèi)Ca2起著持久的、起著持久的、大容量的調(diào)節(jié)作用。可防止細(xì)胞內(nèi)大容量的調(diào)節(jié)作用??煞乐辜?xì)胞內(nèi)Ca2大大幅度波動(dòng)。幅度波動(dòng)。線粒體存在線粒體存在鈣的單向轉(zhuǎn)運(yùn)體鈣的單向轉(zhuǎn)運(yùn)體,能量來(lái),能量來(lái)自呼吸代謝形成的膜內(nèi)的負(fù)電位,使自呼吸代謝形成的膜內(nèi)的負(fù)電位,使鈣向鈣向內(nèi)移動(dòng)內(nèi)移動(dòng)。它對(duì)鈣的親和力很低,但運(yùn)送鈣。它對(duì)鈣的親和力很低,但運(yùn)送鈣的量很大。的量很大。線粒體內(nèi)的線粒體內(nèi)的HPO4 2 對(duì)對(duì)Ca2起緩沖作起緩沖作用。用。線粒體還存在線粒體還存在鈣的運(yùn)送器鈣的運(yùn)送器,進(jìn)行,進(jìn)行Na Ca2交換,可緩慢交換,可緩慢釋放鈣釋

13、放鈣。二、鈣信號(hào)的產(chǎn)生、終止及傳遞途徑二、鈣信號(hào)的產(chǎn)生、終止及傳遞途徑(一)鈣信號(hào)的產(chǎn)生與終止(一)鈣信號(hào)的產(chǎn)生與終止鈣信號(hào)產(chǎn)生:鈣信號(hào)產(chǎn)生:質(zhì)膜Ca2通道開(kāi)放鈣庫(kù)Ca2通道開(kāi)放Ca2濃度升高鈣信號(hào)終止:鈣信號(hào)終止:胞質(zhì)中Ca2結(jié)合蛋白對(duì)鈣的緩沖質(zhì)膜Ca2泵SERCACa2濃度下降(二)鈣信號(hào)的時(shí)空性(二)鈣信號(hào)的時(shí)空性鈣信號(hào)的時(shí)空模型:鈣信號(hào)的時(shí)空模型:在反應(yīng)的初始階段和持續(xù)階段,在反應(yīng)的初始階段和持續(xù)階段,Ca2信號(hào)作用的空間區(qū)域不一樣;信號(hào)作用的空間區(qū)域不一樣;在持續(xù)反應(yīng)中,在持續(xù)反應(yīng)中,Ca2內(nèi)流與外流形成內(nèi)流與外流形成的循環(huán)起基本作用;的循環(huán)起基本作用;Ca2和其他信使一起通過(guò)激活和

14、其他信使一起通過(guò)激活PKC等,等,完成持續(xù)反應(yīng)。完成持續(xù)反應(yīng)。鈣通道分布不平衡:是胞內(nèi)鈣通道分布不平衡:是胞內(nèi)Ca2濃度濃度升高呈不均一分布的一個(gè)主要因素;升高呈不均一分布的一個(gè)主要因素;鈣信號(hào)的時(shí)間形式:是指鈣信號(hào)的時(shí)間形式:是指Ca2信號(hào)的信號(hào)的不應(yīng)期、傳播速度和頻率,這取決于鈣庫(kù)不應(yīng)期、傳播速度和頻率,這取決于鈣庫(kù)重充盈至可再次發(fā)生反應(yīng)所需的時(shí)間。重充盈至可再次發(fā)生反應(yīng)所需的時(shí)間。Ca2CaMK瞬時(shí)反應(yīng)PKC持續(xù)反應(yīng)CaMDAG(三)鈣信號(hào)的傳遞途徑(三)鈣信號(hào)的傳遞途徑Ca2信使的靶分子是鈣結(jié)合蛋白和信使的靶分子是鈣結(jié)合蛋白和Ca2調(diào)節(jié)蛋白。調(diào)節(jié)蛋白。鈣信號(hào)的傳遞是通過(guò)鈣結(jié)合蛋白介導(dǎo)鈣

15、信號(hào)的傳遞是通過(guò)鈣結(jié)合蛋白介導(dǎo)的。的。GG蛋白蛋白蛋白蛋白GG蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)分子信號(hào)分子信號(hào)分子信號(hào)分子磷脂酶磷脂酶磷脂酶磷脂酶C C:4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)二酰基甘油(二?;视停―AG)蛋白激酶蛋白激酶C(PKC)三磷酸肌醇(三磷酸肌醇(IP3)Ca2+濃度升高濃度升高鈣調(diào)蛋白鈣調(diào)蛋白磷脂磷脂酰肌醇途徑肌醇途徑PIP2 HydrolysisDAGDAGIP3IP3PIP2PIP2磷脂磷脂酶C水解水解PIP2IP3同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上專一的同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上專一的IP3受體結(jié)合,使受體結(jié)合,使IP3-門控門控Ca2+通道打開(kāi),通道打開(kāi),

16、使使Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中釋從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中釋放出來(lái)。放出來(lái)。IP3 啟動(dòng)第二信使啟動(dòng)第二信使Ca2+的釋放的釋放 Ca2+除了參與蛋白激除了參與蛋白激除了參與蛋白激除了參與蛋白激酶酶C(PKC)C(PKC)的激活的激活的激活的激活 鈣調(diào)鈣調(diào)蛋白蛋白蛋白蛋白(calmodulin)(calmodulin)蛋白激蛋白激蛋白激蛋白激酶酶calmodulincalmodulinkinasekinaseDAG活化蛋白激活化蛋白激酶C(Protein Kinase C,PKC)DAGDAG,是嵌在膜中,是嵌在膜中,是嵌在膜中,是嵌在膜中PKC,PKC,與位于內(nèi)膜表面,能激活一系列相關(guān)蛋白與位于內(nèi)膜表面,能激活一系

17、列相關(guān)蛋白與位于內(nèi)膜表面,能激活一系列相關(guān)蛋白與位于內(nèi)膜表面,能激活一系列相關(guān)蛋白磷脂酰肌醇途徑磷脂酰肌醇途徑GG蛋白蛋白蛋白蛋白 Gs Gi GqGs Gi Gq效應(yīng)器效應(yīng)器效應(yīng)器效應(yīng)器 AC AC 磷脂酶磷脂酶磷脂酶磷脂酶C C底物底物底物底物 ATP PIP2ATP PIP2第二信使第二信使第二信使第二信使 cAMP IP3 DAGcAMP IP3 DAGPKAPKACAMCAM,PKCPKCcAMP途徑途徑 磷脂酰肌醇途徑磷脂酰肌醇途徑激酶激酶激酶激酶磷脂酰肌醇通路與磷脂酰肌醇通路與cAMP通路比較通路比較Transmemtrane signal transduction mediat

18、ed by membranous receptorsIonotropic receptor neurotransmittersG protein coupled receptor(GPCR)hormones,neurotransmitters,neuropeptide,chemokines,PGsTyrosine kinase receptor insulin,growth factorsTyrosine kinase coupled receptor cytokines(interleukins,interferones)Serine/threonine kinase recptor TGF

19、TNF/Fas receptor TNF,FasLGuanylyl cyclase(GC)receptor ANP,BNP,CNP,NOGPCRGs adenylate cyclase(AC)cAMP-PKAGq PLC PIP2 IP3-Ca2+;DAG-PKCPI-3K-PKBTyrosine kinase receptor IP3-Ca2+;DAG-PKC PI-3K-PKB Ras-Raf-MAPK(ERK)Tyrosine kinase coupled receptorJAK-STATSerine/threonine kinase recptorTGF-smadGuanylyl cy

20、clase(GC)receptorcGMP-PKG受體TPKPGDPGTPERK靶基因 轉(zhuǎn)錄(extracellular signal regulated kinase,ERK)Grb2 SosRasTyrosine protein kinase-mediated signal transduction pathway 細(xì)胞凋亡與Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)缺血、缺氧損傷與Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因表達(dá)與Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞凋亡與Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣池耗竭以及細(xì)胞外鈣內(nèi)流導(dǎo)致胞質(zhì)鈣持續(xù)升高,細(xì)胞凋亡的信號(hào)胞質(zhì)鈣不升高,但細(xì)胞內(nèi)鈣耗竭誘發(fā)細(xì)胞凋亡的信號(hào) 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激機(jī)制圖內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激機(jī)制圖內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣流動(dòng)機(jī)制圖缺血、缺氧損傷與Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)鈣超載(ca2+overload):胞質(zhì)鈣升高,激活一系列酶活性,導(dǎo)致細(xì)胞損傷、壞死。這種作用有組織差異。心肌缺血缺血很容易造成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷,尤其是在再灌注損傷時(shí)。嚴(yán)重腦缺血導(dǎo)致的缺血缺氧、葡萄糖/營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏、ATP耗竭、自由基蓄積及CaCa2+2+穩(wěn)態(tài)破壞等都可能引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能障礙,觸發(fā)ERS,最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。短暫性腦缺血可導(dǎo)致caspase-12的激活。隨著缺血面積的增大,轉(zhuǎn)錄因子CHOP/Gadd153和ATF4也被激活,從而加劇了ER應(yīng)激。FURA-2是細(xì)胞內(nèi)鈣離子(Ca2+)的特異性熒光指示劑原發(fā)性高血壓心律失常動(dòng)脈粥樣硬化支氣管哮喘疼痛癲癇其他

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