第九章生物體中的堿金屬和堿土金屬及其跨膜運(yùn)送課件

第九章生物體中的堿金屬和堿土金屬及其跨膜運(yùn)送1.堿金屬和堿土金屬在體內(nèi)的分布與功能2.生物膜3.離子通過膜的運(yùn)送4.天然離子載體5.合成離子載體6.鈣結(jié)合蛋白1Na、K、Ca、Mg是生物體必須元素，含量較高，屬常量元素，它們?cè)隗w內(nèi)起重要作用。鈉主要存在于高等動(dòng)物中。對(duì)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。第一節(jié)堿金屬和堿土金屬在體內(nèi)的分布與功能2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(duì)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(duì)神經(jīng)信息傳遞起重要作用。Mg2+：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。3

第二節(jié)生物膜

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(gè)細(xì)胞的質(zhì)膜外，還有構(gòu)成各種細(xì)胞器的膜。真核細(xì)胞的膜占整個(gè)細(xì)胞干重的70-80%。這些膜結(jié)構(gòu)對(duì)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。5一.生物膜的化學(xué)組成

生物膜主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成。除此之外，還有少量水和無機(jī)鹽，其中Ca2+離子對(duì)調(diào)節(jié)膜的功能有重要作用。6第三節(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(dòng)，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(shí)別它運(yùn)送的物質(zhì)并控制通過的數(shù)量。7一.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(dòng)運(yùn)送和主動(dòng)運(yùn)送。1.被動(dòng)運(yùn)送：離子沿化學(xué)勢(shì)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(gè)過程不消耗能量。被動(dòng)運(yùn)送又分為簡單擴(kuò)散和促進(jìn)運(yùn)送。8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(dòng)，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(dòng)，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)。10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(dòng)運(yùn)送的形式，需消耗能量。12三.鈣泵

Ca2+

對(duì)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(duì)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(duì)調(diào)節(jié)Ca2+

離子濃度有重要作用。（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）14當(dāng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)處于休止?fàn)顟B(tài)時(shí)，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(dòng)神經(jīng)沖動(dòng)，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(dòng)神經(jīng)處于休止?fàn)顟B(tài)Ca2+

Ca2+

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

運(yùn)動(dòng)休止

（肌漿里）運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)沖動(dòng)（肌漿網(wǎng)系）肌肉收縮15四.鈉鈣交換許多細(xì)胞的生理活動(dòng)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(huì)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。16

第四節(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(dòng)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。

17一.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。）18三.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(jià)陽離子通過，多價(jià)陽離子及陰離子不能通過。20第五節(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(jià)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。21Ca2+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。23一.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(jí)結(jié)構(gòu)鈣調(diào)蛋白由一條多肽鏈構(gòu)成。牛腦CaM的相對(duì)分子量為16700，多肽鏈由148個(gè)氨基酸殘基組成，整個(gè)分子含4個(gè)Ca2+離子，其氨基酸順序見表9-4。（185頁）CaM的一級(jí)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(dòng)物（如梨形四葉蟲）CaM與脊椎動(dòng)物CaM相比，只有11個(gè)氨基酸殘基不同，1個(gè)缺失。242.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(gè)重復(fù)區(qū)段組成。每個(gè)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(gè)氨基酸殘基，環(huán)體是12個(gè)氨基酸殘基形成的非螺旋結(jié)構(gòu)。每個(gè)環(huán)體結(jié)合一個(gè)Ca2+，Ca2+與肽鍵羰基氧和殘基側(cè)鏈羧基氧配位。26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(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)都是一個(gè)E-F手結(jié)構(gòu)。EF-hand蛋白271985年Y.S.Babu等對(duì)CaM晶體的x射線結(jié)構(gòu)分析證明，整個(gè)分子形狀像一個(gè)啞鈴，長6.5nm，柄是一段長α螺旋，每個(gè)鈴含兩個(gè)Ca2+離子，兩個(gè)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(gè)鈴中兩個(gè)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28鈣調(diào)蛋白代謝的一種方式是直接與靶酶E作用，該過程可分二步：

apoCaM+iCa2+

CaM(i=1,2,3,4)E+m·CaM—（CaM）m·E﹡(有活性的全酶)激活

（CaM）m·E﹡表示由CaM與靶酶結(jié)合形成有活性的全酶。這種作用方式首先在磷酸二酯酶系統(tǒng)得到應(yīng)用。間接與靶酶作用是CaM調(diào)節(jié)代謝的另一種方式。CaM首先激活蛋白激酶，活化了的蛋白激酶催化靶酶的磷酸化，從而影響靶酶的活性。302.鈣調(diào)蛋白的生理功能CaM參與調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝的多種生理活動(dòng)，表9-6列舉了目前已確認(rèn)的CaM調(diào)控生理過程和相應(yīng)的酶。鈣調(diào)蛋白CaM能活化細(xì)胞膜上的腺苷酸環(huán)化酶（Acase），催化cAMP合成。31表9-6CAM調(diào)節(jié)的生理過程及有關(guān)酶（187頁）生理過程蛋白質(zhì)與酶環(huán)苷酸代謝腺苷酸環(huán)化酶、鳥苷酸環(huán)化酶、環(huán)苷酸磷酸二酯酶細(xì)胞Ca2+代謝質(zhì)膜Ca2+-ATP酶、受磷酸蛋白激酶、其它肌漿網(wǎng)系膜蛋白激酶細(xì)胞收縮、運(yùn)動(dòng)、骨架系統(tǒng)肌球蛋白輕鏈激酶、管蛋白、τ-蛋白、Fodrin,Fod