生物體中的堿金屬和堿土金屬及其跨膜運(yùn)送

關(guān)于生物體中的堿金屬和堿土金屬及其跨膜運(yùn)送1第1頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三2第一節(jié)概述堿土金屬元素就是元素周期表中第ⅡA族的元素，包括鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)六種元素，它們都是非常活潑的金屬，活潑性從上到下遞增。其中鐳(Ra)是放射性元素。

堿金屬元素就是元素周期表中第ⅠA族（除氫外）的元素，包括鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)、鈁(Fr)六種元素。這一族是元素周期表中金屬性最強(qiáng)的一族，活潑性從上到下遞增。其中鈁(Fr)是放射性元素。第2頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三3IAIIALiBeNaMgKCaRbSrCsBa原子半徑減小金屬性、還原性減弱電離能、電負(fù)性增大原子半徑增大金屬性、還原性增強(qiáng)電離能、電負(fù)性減小第3頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三4圖片Gc2-704-18.8Gc2-711-18.14LiNaKLiNaKRbCsBeMgCaSrBa第4頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三5均以礦物形式存在:鈉長石:鉀長石:光鹵石:明礬石:鋰輝石:綠柱石:菱鎂礦:石膏:螢石天青石:重晶石:大理石:元素在自然界中的存在第5頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三6堿金屬和堿土金屬約占人體質(zhì)量的2％。微量元素只占0.01％。Na、K、Ca、Mg是生物體必須元素，含量較高，屬常量元素，它們在體內(nèi)起重要作用。第二節(jié)堿金屬和堿土金屬在體內(nèi)的分布與功能第6頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三7鈉主要存在于高等動物中。對于植物，鈉并非必需元素。人體內(nèi)的鈉大部分在細(xì)胞外液中，還有1/3的鈉分布在骨骼中。鉀主要存在于細(xì)胞內(nèi)液，也存在于細(xì)胞外液中。人體的鈉和鉀離子主要作用是控制細(xì)胞、組織液和血液內(nèi)的電荷平衡，這對保持體液的正常流通和控制體內(nèi)酸堿平衡都是必要的。鈉還起著維持體液滲透壓的作用；鉀可作為某些酶的輔基。K+和Na+還對神經(jīng)信息傳遞起重要作用。第7頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三8Mg2+：人體中70%Mg2+存在于骨骼，其余主要分散在軟組織中，在植物葉綠素中還有存在，做中心原子。Ca2+：是人體含量最高的無機(jī)元素，主要存在于骨骼中，少量存在于體液。植物、藻類及細(xì)菌中也存在少量鈣。鈣和鎂在細(xì)胞的新陳代謝中起重要作用。這兩種金屬離子在脂蛋白中橋聯(lián)鄰近的羧酸根而使細(xì)胞膜強(qiáng)化。第8頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三9鈣是骨骼的重要成分，還可作為消化酶的輔助因子，對神經(jīng)傳導(dǎo)、肌肉收縮、激素釋放、血液凝結(jié)起調(diào)節(jié)控制作用。鎂是很多種酶的輔助因子，與細(xì)胞內(nèi)核甘酸形成配合物，鎂對DNA的復(fù)制及蛋白質(zhì)的合成是必不可少的，體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換需Mg2+。Mg2+的另一作用是作為葉綠素的中心離子參加光合作用。第9頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三10第三節(jié)生物膜

(一)生物膜的化學(xué)組織

各種細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)膜在電鏡下均呈“兩暗夾一明”的三層式結(jié)構(gòu),把這種結(jié)構(gòu)稱為單位膜。第10頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三11

生物膜是細(xì)胞的主要組成部分，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能。已知真核細(xì)胞除了有包圍整個細(xì)胞的質(zhì)膜外，還有構(gòu)成各種細(xì)胞器的膜，如線粒體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、溶酶體膜、高爾基體膜、核膜等膜。真核細(xì)胞的膜占整個細(xì)胞干重的70-80%。第11頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三12細(xì)胞膜對細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定、物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞等許多方面都起著極為重要的作用。生物膜由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖組成。第12頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三13（1）脂質(zhì)（Lipid）

?脂質(zhì)是構(gòu)成生物膜最基本的結(jié)構(gòu)

物質(zhì)

?脂質(zhì)包括磷脂、膽固醇和糖脂

等，其中以磷脂為主要成分。

第13頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三14第14頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三15第15頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三16第16頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三17第17頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三18（2）膜蛋白

膜蛋白可分為兩類，即外周蛋白和固有蛋白。外周蛋白松她的結(jié)合在膜的表面，改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度或pH值,加入螯合劑等溫和方法就能使外周蛋白與膜分離。如線粒體膜的細(xì)胞色素c，紅血球膜的纖維狀蛋白都屬這一類。第18頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三19固有蛋白與膜脂的疏水部分結(jié)合緊密，有些插入膜中。有些穿膜兩面，有些埋在膜內(nèi)。通常要用去垢劑、有機(jī)溶劑、酶等比較劇烈的處理方法破壞膜結(jié)構(gòu)才能把固有蛋白抽提出來。第19頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三20第20頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三21

其他成分

生物膜還含有少量水和無機(jī)鹽，膜上水約20％呈結(jié)合狀態(tài)，其余為游離水。膜上的金屬離子和膜蛋白與膜結(jié)合有關(guān)。鈣離子對調(diào)節(jié)膜的功能有重要作用。

第21頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三22結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)

脂質(zhì)排列成厚度約為4.5nm的雙分子層構(gòu)成基質(zhì)。在一般溫度下呈液晶相，有流動性、柔韌性、高電阻、離子與高極性分子通透性。脂質(zhì)分子含疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)，兩層分子疏水基團(tuán)互相吸引集中酯質(zhì)雙層之間，使細(xì)胞膜處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，親水基團(tuán)分布于細(xì)胞的內(nèi)外表面，質(zhì)膜的兩個內(nèi)外面都呈親水性。膜蛋白可在脂雙層中自由側(cè)向擴(kuò)散，但通常不能從一例翻到另一則，有些有傳遞信息功能。第22頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三23第四節(jié)離子通過膜的運(yùn)送物質(zhì)在生物體內(nèi)有兩種運(yùn)送方式。一種是隨體液流動，另一種是通過生物膜的運(yùn)送，后者又稱為跨膜運(yùn)送。生物膜是細(xì)胞和各種細(xì)胞器的屏障。它可以選擇性的允許一些分子通過。通過生物膜除了可以攝取和濃縮必需的物質(zhì)外，還要排出無用或多余的物質(zhì)。生物膜還可以保持膜內(nèi)外某些離子的濃度梯度，保證生物信息的有效傳遞。生物膜的運(yùn)送體系可以識別它運(yùn)送的物質(zhì)并控制通過的數(shù)量。第23頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三24一.離子跨膜運(yùn)送的方式生物膜運(yùn)送離子的方式大致可分為兩類：被動運(yùn)送和主動運(yùn)送。1.被動運(yùn)送：離子沿化學(xué)勢的方向進(jìn)行運(yùn)送，即離子從濃度大運(yùn)送到小的一側(cè)。這個過程不消耗能量。被動運(yùn)送又分為簡單擴(kuò)散和促進(jìn)運(yùn)送。第24頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三25簡單擴(kuò)散：離子依賴濃度梯度和電位梯度通過生物膜，它遵循運(yùn)送速度與濃度梯度成正比的擴(kuò)散定律。金屬離子的簡單擴(kuò)散困難，因它們難以通過膜的疏水內(nèi)層。第25頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三26促進(jìn)運(yùn)送：是離子在某些物質(zhì)幫助下通過生物膜，它不服從擴(kuò)散定律。離子借助的物質(zhì)有三類：①能在膜內(nèi)活動，并參與離子可逆結(jié)合的小分子，它能有選擇性地與離子形成可通過生物膜的脂溶性的配合物，給陽離子提供“有機(jī)外衣”。②另一類是結(jié)合在膜上的運(yùn)送載體，它們不能穿過膜運(yùn)動，只在膜上形成貫穿膜兩側(cè)的離子通道，允許特定離子或水合離子通過。③某些能與特定離子結(jié)合的蛋白質(zhì)。第26頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三272.主動運(yùn)送：主動運(yùn)送是離子逆濃度梯度和電化學(xué)梯度通過生物膜的運(yùn)動，這個過程需要能量。主動運(yùn)送也需要離子載體或蛋白質(zhì)的幫助。執(zhí)行主動運(yùn)送的機(jī)制常被稱為離子泵，它能維持膜內(nèi)、外離子成分和濃度的穩(wěn)定。如細(xì)胞外液Na+

濃度高于內(nèi)液，而K+則相反；離子泵仍不斷將細(xì)胞內(nèi)Na+排出，細(xì)胞外K+運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)，以保持細(xì)胞內(nèi)的低Na+高K+環(huán)境。第27頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三28胞飲胞吐：許多細(xì)胞還能通過胞飲或胞吐作用跨膜運(yùn)送物質(zhì)。胞飲：被運(yùn)送物與膜的某種蛋白質(zhì)結(jié)合，膜內(nèi)陷并包圍被運(yùn)物，然后膜斷開口，被運(yùn)送物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。胞吐：細(xì)胞內(nèi)運(yùn)送物被一層膜包圍形成小泡，小泡與膜融合而產(chǎn)生向外通道，泡內(nèi)物質(zhì)排出細(xì)胞外，稱胞吐作用。胞飲和胞吐屬主動運(yùn)送的形式，需消耗能量。第28頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三29二.鈉泵大多數(shù)動物細(xì)胞內(nèi)液K+濃度高，而Na+濃度則相反。維持這種離子濃度梯度（內(nèi)K+高，Na+低）是由膜上的專一運(yùn)送系統(tǒng)—-鈉泵來實(shí)現(xiàn)的，即鈉泵逆濃度梯度向細(xì)胞外運(yùn)送Na+，向細(xì)胞內(nèi)運(yùn)送K+。細(xì)胞膜兩側(cè)（內(nèi)、外）Na+濃度梯度（內(nèi)低、外高）既是神經(jīng)和肌肉膜可興奮性的基礎(chǔ)，又是某些組織中的氨基酸和葡萄糖等物質(zhì)傳送的基礎(chǔ)。Na+泵的速率取決于細(xì)胞內(nèi)Na+濃度，Na+濃度大，速率高。鈉泵所需能量由ATP水解提供。

第29頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三30三.鈣泵

Ca2+

對調(diào)節(jié)肌肉收縮有重要作用，它是神經(jīng)興奮與肌肉收縮的媒介。肌肉細(xì)胞里含有大量肌原纖維，肌原纖維由肌漿包圍著。肌細(xì)胞還含有高度分化的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，稱為肌漿網(wǎng)系，它是膜包圍的管泡狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)，對調(diào)節(jié)Ca2+

離子濃度有重要作用。肌細(xì)胞{肌原纖維（由肌漿包圍著）肌漿網(wǎng)系，對調(diào)節(jié)Ca2+

離子濃度有重要作用。（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）第30頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三31當(dāng)運(yùn)動神經(jīng)處于休止?fàn)顟B(tài)時，肌漿里的Ca2+

吸收能量并通過膜被運(yùn)送到肌漿網(wǎng)系，因此肌漿里的Ca2+濃度很低。當(dāng)運(yùn)動神經(jīng)沖動，導(dǎo)致肌漿網(wǎng)系膜興奮，通透性增加，使Ca2+離子迅速從肌漿網(wǎng)大量放出進(jìn)入肌漿，引起肌肉收縮。故Ca2+離子是神經(jīng)興奮與肌肉收縮之間的媒介。運(yùn)動神經(jīng)處于休止?fàn)顟B(tài)Ca2+

Ca2+

運(yùn)動狀態(tài)

運(yùn)動休止

（肌漿里）運(yùn)動、神經(jīng)沖動（肌漿網(wǎng)系）肌肉收縮第31頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三32四.鈉鈣交換許多細(xì)胞的生理活動要求Ca2+離子濃度比較低，鈉—鈣交換系能利用Na+在質(zhì)膜兩邊的濃度梯度運(yùn)入Na+并排出Ca2+。一般在神經(jīng)、肌肉和腸道中都發(fā)生這種作用。胞飲作用會形成含Na+和Ca2+的囊泡而完成Na+向內(nèi)輸送，Ca2+向外排出，從而實(shí)現(xiàn)Na—Ca交換。第32頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三33

第五節(jié)天然離子載體

離子的跨膜運(yùn)送需載體—離子載體。一些微生物產(chǎn)生的抗菌素可作為跨膜運(yùn)送離子的載體。目前已知的天然離子載體都是抗菌素。按跨膜運(yùn)送離子的方式分為：活動載體和通道載體。從載體的化學(xué)結(jié)構(gòu)來看有環(huán)狀和鏈狀之分。

第33頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三34一.環(huán)狀離子載體——抗菌素天然環(huán)狀離子載體包括纈氨霉素、恩鐮孢菌素、大四內(nèi)酯等抗菌素。它們都是不帶電荷的電中性物質(zhì)。這些環(huán)狀載體有很多氧原子，可與堿金屬配位，形成配合物后，可方便地通過膜。（通過膜到膜內(nèi)或由膜內(nèi)（如細(xì)胞內(nèi)）出來。）第34頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三35二.鏈狀離子載體——羧基離子載體如P177，鏈狀也屬抗菌素。分子由一系列雜環(huán)組成，分子鏈上有多個能與金屬離子配位的含氧基團(tuán)，鏈一端為醇羥基，另一端為羧基，因此也稱羧基離子載體。羧基氧和羥基氧及羰基氧與金屬離子配位，氫鍵使鏈成環(huán)，將金屬離子包圍起來。疏水基團(tuán)在配合物的外邊，整個分子是脂溶性的。鏈狀離子載體可載離子（形成配合物）通過膜，向內(nèi)或由內(nèi)向外運(yùn)送金屬離子。第35頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三36三.通道載體能夠在膜上形成離子通道的天然載體有兩類：大環(huán)多羥基多烯內(nèi)酯類抗菌素和多肽類抗菌素。大環(huán)多羥基多烯內(nèi)酯類抗菌素——如制霉菌素，是一類親水和親油化合物（極與非極性基團(tuán)）。它可形成親水性通道，使金屬離子或葡萄糖、尿素等水溶性小分子通過。多肽類抗菌素——如短桿菌肽A能使膜上形成通道，允許一價陽離子通過，多價陽離子及陰離子不能通過。第36頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三37第六節(jié)合成離子載體

能夠模擬天然離子載體結(jié)構(gòu)和功能的合成離子載體有兩類：大環(huán)配體和鏈狀多齒配體。大環(huán)配體：包括冠醚和穴醚等可和金屬離子配位的環(huán)狀化合物。鏈狀多齒配體：最簡單的合成物是寡聚甘醇二甲醚，它實(shí)際上是開鏈的冠醚，如圖9-31（a）（b）。它們能與一、二價金屬離子形成穩(wěn)定配合物以通過膜，作跨膜運(yùn)送金屬離子。第37頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三38第七節(jié)鈣結(jié)合蛋白許多生理過程都與Ca2+離子有關(guān)。如激素分泌、DNA合成、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等。對于Ca2+的作用，直到70年代發(fā)現(xiàn)鈣結(jié)合蛋白、特別是鈣調(diào)蛋白(calmodulin,CaM)之后，這個問題（作用）才有了答案?，F(xiàn)已知鈣調(diào)蛋白作為細(xì)胞內(nèi)Ca2+的受體蛋白，其分子內(nèi)有幾個結(jié)合Ca2+的位點(diǎn)，這些結(jié)合點(diǎn)中任何一個與Ca2+結(jié)合之后，均可能發(fā)生構(gòu)象變化，從而參與協(xié)調(diào)細(xì)胞各種依賴Ca2+的生理過程。第38頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三39Ca2+離子在生理過程中發(fā)揮重要作用顯然與其特性有關(guān)。鈣離子半徑為98pm,配位數(shù)為7或8，Ca-O鍵長變化幅度54pm；各配位鍵的方向變化不一。鈣配合物可以采取各種不規(guī)則的幾何構(gòu)型，蛋白質(zhì)等生物大分子容易與它配位形成配合物。第39頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三40一.鈣調(diào)蛋白的結(jié)構(gòu)CaM鈣調(diào)蛋白（Calmodulin,CaM）1.鈣調(diào)蛋白的一級結(jié)構(gòu)鈣調(diào)蛋白由一條多肽鏈構(gòu)成。牛腦CaM的相對分子量為16700，多肽鏈由148個氨基酸殘基組成，整個分子含4個Ca2+離子，其氨基酸順序見表9-4。（185頁）CaM的一級結(jié)構(gòu)在進(jìn)化上表現(xiàn)出罕見的保守性，因此也就缺乏物種特異性和組織特異性。原生動物（如梨形四葉蟲）CaM與脊椎動物CaM相比，只有11個氨基酸殘基不同，1個缺失。第40頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三41鈣調(diào)蛋白是酸性蛋白（與氫酶相似），有近1/4氨基酸殘基是酸性的天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu），等電點(diǎn)4.0。分子中不含易氧化的色氨酸（Try）和半胱氨酸（Cys），因此穩(wěn)定性強(qiáng)，耐熱，在90℃以下保持活性。鈣調(diào)蛋白CaM的多肽鏈（148氨基酸殘基）可以分為四個區(qū)，每個區(qū)結(jié)合一個Ca2+離子。各區(qū)之間，特別是I（8~40）與III（81~113）區(qū)，II（44~76）與IV（117~148）區(qū)之間的氨基酸順序有很高的同源性，見表9—5。（185頁）第41頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三422.鈣調(diào)蛋白的空間結(jié)構(gòu)x射線結(jié)構(gòu)分析提出了鈣與蛋白質(zhì)結(jié)合的一般規(guī)則：鈣結(jié)合蛋白由多個重復(fù)區(qū)段組成。每個區(qū)的多肽鏈形成α螺旋—環(huán)體—α螺旋結(jié)構(gòu)。每段螺旋有10個氨基酸殘基，環(huán)體是12個氨基酸殘基形成的非螺旋結(jié)構(gòu)。每個環(huán)體結(jié)合一個Ca2+，Ca2+與肽鍵羰基氧和殘基側(cè)鏈羧基氧配位。第42頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三43圖9-32（186頁）是這種結(jié)構(gòu)模型，它形如右手伸開的拇指和食指及握緊的中指，Kretsinger稱為E-F手結(jié)構(gòu)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)模型，鈣調(diào)蛋白CaM有4個區(qū)，每個區(qū)都是一個E-F手結(jié)構(gòu)。EF-hand蛋白第43頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三441985年Y.S.Babu等對CaM晶體的x射線結(jié)構(gòu)分析證明，整個分子形狀像一個啞鈴，長6.5nm，柄是一段長α螺旋，每個鈴含兩個Ca2+離子，兩個Ca2+的間距為1.13nm。Ca2+與主鏈羰基氧及酸性殘基側(cè)鏈氧配位。每個鈴中兩個鈣結(jié)合環(huán)之間有氫鍵相互作用。

鈣結(jié)合到EF-手蛋白，而不是其它離子，如Mg(II),Na(I),K(I)等軟硬酸堿效應(yīng)：鈣離子是硬酸，而EF-手蛋白的配位原子全是含氧配體EF-手蛋白的配體的配位數(shù)是7，高配位數(shù)傾向于較大的鈣離子第44頁，講稿共51頁，2023年5月2日，星期三45二.鈣調(diào)蛋白