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钙离子是多种细胞重要的第二信使,在细胞生理过程中扮演着极其重要的角色。通常情况下,在体细胞内钙离子浓度保持稳定状态。当受到胞外物理或化学刺激时,细胞膜或胞内钙库上的钙离子通道被激活,诱发胞外钙离子跨膜内流或钙库的钙离子释放,进一步引发胞内的钙离子浓度发生动力学响应。钙离子的这种动力学响应对于维持活体细胞的正常生理具有非凡意义。譬如,血管内皮细胞钙离子动力学响应异常可引发内皮细胞功能障碍,与动脉粥样硬化现象密切相关；精细胞钙离子动力学响应与精子活性、精子获能、超活化和顶体反应等生理现象紧密相连。本文利用数学建模的方法研究两种不同的人体细胞(血管内皮细胞和精细胞)在不同物理或生化刺激下细胞内钙离子的动力学响应。对于血管内皮细胞,针对剪应力激活细胞钙离子动力学响应的分子机制是直接机制还是间接机制的学术争议,本文首次考虑瞬时感受器(TRPV4-C1)对剪应力刺激的直接介导作用,综合考虑剪应力诱发三磷酸腺苷(ATP)释放,进一步激活P2X4通道和P2Y信号通路的间接机制,同时引入三磷酸肌醇(IP3)和钙离子的反馈调节作用,建立了剪应力和ATP诱发血管内皮细胞钙离子动力学响应的新型动力学模型。基于该模型,通过数值仿真发现,剪应力直接激活TRPV4-C1通道的机制至关重要,而剪应力诱发ATP释放间接激发胞内钙离子动力学响应的作用几乎可以忽略,从而澄清了关于剪应力激活细胞钙离子动力学响应是直接机制还是间接机制的学术争议。对于精细胞,针对孕酮诱发细胞CatSper钙离子通道开放及细胞内的钙离子动力学响应,本文首次建立了孕酮激活精细胞CatSper钙通道开放的数学模型,同时引入精细胞颈部双钙库激活机制,发展了孕酮诱发的基于CatSper钙离子通道的人类精细胞钙离子响应的动力学模型。基于该模型加深了对孕酮刺激下精细胞钙离子动力学行为和CatSper钙通道特性的理解,同时有效地预测了钙离子振荡等现象,为进一步研究胞外流体力学和胞内生物化学的相互作用打下了基础。本文的研究表明,用系统动力学数学建模的方法研究生物细胞系统,不仅能够帮助我们加深对已有实验现象及其生物机制的理解,也可以帮助我们开展仿真实验以节省生物试剂和实验时间、预测一些新现象,辅助进一步的生物学实验。本文建立的动力学模型也为基于理化刺激定量调控细胞的生理功能提供了一定的方法学基础。