生物无机化学第九章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 生物体中的碱金属和碱土 金属及其跨膜运送,1.,碱金属和碱土金属在体内的分布与功能,2.,生物膜,3.,离子通过膜的运送,4.,天然离子载体,5.,合成离子载体,6.,钙结合蛋白,1,Na,、,K,、,Ca,、,Mg,是生物体必须元素，含量较高，属常量元素，它们在体内起重要作用。,钠,主要存在于高等动物中。对于植物，钠并非必需元素。人体内的钠大部分在细胞外液中，还有,1/3,的钠分布在骨骼中。,钾,主要存在于细胞内液，也存在于细胞外液中。,第一节 碱金属和碱土金属在体内的,分布与功能,2,人体的钠和钾离子主要作用是控制细胞、组织液和血液内的电荷平衡，这对保持体液的正常流通和控制体内酸碱平衡都是必要的。钠还起着维持体液渗透压的作用；钾可作为某些酶的辅基。,K,+,和,Na,+,还对神经信息传递起重要作用。,Mg,2+,：,人体中,70%Mg,2+,存在于骨骼，其余主要分散在软组织中，在植物叶绿素中还有存在，做中心原子。,Ca,2+,：,是人体含量最高的无机元素，主要存在于骨骼中，少量存在于体液。植物、藻类及细菌中也存在少量钙。,3,钙和镁在细胞的新陈代谢中起重要作用。这两种金属离子在脂蛋白中桥联邻近的羧酸根而使细胞膜强化。钙是骨骼的重要成分，还可作为消化酶的辅助因子，对神经传导、肌肉收缩、激素释放、血液凝结起调节控制作用。镁是很多种酶的辅助因子，与细胞内核甘酸形成配合物，镁对,DNA,的复制及蛋白质的合成是必不可少的，体内能量转换需,Mg,2+,。,Mg,2+,的 另一 作用是作为叶绿素的中心离子参加光合作用。,4,第二节 生物膜,生物膜,是细胞的主要组成部分，具有独特的结构和功能。已知真核细胞除了有包围整个细胞的质膜外，还有构成各种细胞器的 膜。真核细胞的膜占整个细胞干重的,70-80%,。这些膜结构对细胞,内环境的稳定、物质代谢、能量转换、信息传递,等许多方面都起着极为重要的作用。,5,一,.,生物膜的化学组成,生物膜主要由脂质和蛋白质组成。除此之外，还有少量水和无机盐，其中,Ca,2+,离子对调节膜的功能有重要作用。,6,第三节 离子通过膜的运送,物质在生物体内有,两种,运送方式。一种是随体液流动，另一种是通过生物膜的运送，后者又称为,跨膜运送,。,生物膜是细胞和各种细胞器的屏障。它可以选择性的允许一些分子通过。通过生物膜除了可以摄取和浓缩必需的物质外，还要排出无用或多余的物质。生物膜还可以保持膜内外某些离子的浓度梯度，保证生物信息的有效传递。生物膜的运送体系可以识别它运送的物质并控制通过的数量。,7,一,.,离子跨膜运送的方式,生物膜运送离子的方式大致可分为两类：,被动运送,和,主动运送,。,1.,被动运送：,离子沿化学势的方向进行运送，即离子从浓度大运送到小的一侧。这个过程不消耗能量。被动运送又分为,简单扩散,和,促进运送,。,8,简单扩散,：,离子依赖浓度梯度和电位梯度通过生物膜，它遵循运送速度与浓度梯度成正比的扩散定律。金属离子的简单扩散困难，因它们难以通过膜的疏水内层。,9,促进运送,：,是离子在某些物质帮助下通过生物膜，它不服从扩散定律。离子借助的物质有三类：,能在膜内活动，并参与离子可逆结合的,小分子,，它能有选择性地与离子形成可通过生物膜的脂溶性的配合物，给阳离子提供“有机外衣”。,另一类是结合在膜上的,运送载体,，它们不能穿过膜运动，只在膜上形成贯穿膜两侧的离子通道，允许特定离子或水合离子通过。,某些能与特定离子结合的,蛋白质,。,10,2.,主动运送：,主动运送是离子逆浓度梯度和电化学梯度通过生物膜的运动，这个过程需要能量。主动运送也需要离子载体或蛋白质的帮助。,执行主动运送的机制常被称为,离子泵,，它能维持膜内、外离子成分和浓度的稳定。如细胞外液,Na,+,浓度高于内液，而,K,+,则相反；离子泵仍不断将细胞内,Na,+,排出，细胞外,K,+,运入细胞内，以保持细胞内的低,Na,+,高,K,+,环境。,11,胞饮胞吐,：许多细胞还能通过胞饮或胞吐作用跨膜运送物质。,胞饮,：被运送物与膜的某种蛋白质结合，膜内陷并包围被运物，然后膜断开口，被运送物进入细胞内。,胞吐,：细胞内运送物被一层膜包围形成小泡，小泡与膜融合而产生向外通道，泡内物质排出细胞外，称胞吐作用。,胞饮和胞吐属主动运送的形式，需消耗能量。,12,二,.,钠泵,大多数动物细胞内液,K,+,浓度高，而,Na,+,浓度则相反。维持这种离子浓度梯度（内,K,+,高，,Na,+,低）是由膜上的专一运送系统,钠泵来实现的，即钠泵逆浓度梯度向细胞外运送,Na,+,，向细胞内运送,K,+,。细胞膜两侧（内、外）,Na,+,浓度梯度（内低、外高）既是神经和肌肉膜可兴奋性的基础，又是某些组织中的氨基酸和葡萄糖等物质传送的基础。,Na,+,泵的速率取决于细胞内,Na,+,浓度，,Na,+,浓度大，速率高。钠泵所需能量由,ATP,水解提供。,13,三,.,钙泵,Ca,2+,对调节肌肉收缩有重要作用，它是神经兴奋与肌肉收缩的媒介。肌肉细胞里含有大量肌原纤维，肌原纤维由肌浆包围着。肌细胞还含有高度分化的内质网，称为肌浆网系，它是膜包围的管泡状结构网，对调节,Ca,2+,离子浓度有重要作用。,肌细胞,肌原纤维（由肌浆包围着）,肌浆网系，对调节,Ca,2+,离子浓度有重要作用。（内质网）,14,当运动神经处于休止状态时，肌浆里的,Ca,2+,吸收能量并通过膜被运送到肌浆网系，因此肌浆里的,Ca,2+,浓度很低。当运动神经冲动，导致肌浆网系膜兴奋，通透性增加，使,Ca,2+,离子迅速从肌浆网大量放出进入肌浆，引起肌肉收缩。故,Ca,2+,离子是神经兴奋与肌肉收缩之间的媒介。,运动神经处于休止状态,Ca,2+,Ca,2+,运动状态,运动休止,（肌浆里）运动、神经冲动（肌浆网系）,肌肉收缩,15,四,.,钠钙交换,许多细胞的生理活动要求,Ca,2+,离子浓度比较低，钠,钙交换系能利用,Na,+,在质膜两边的浓度梯度运入,Na,+,并排出,Ca,2+,。一般在神经、肌肉和肠道中都发生这种作用。胞饮作用会形成含,Na,+,和,Ca,2+,的囊泡而完成,Na,+,向内输送，,Ca,2+,向外排出，从而实现,NaCa,交换。,16,第四节 天然离子载体,离子的跨膜运送需载体,离子载体。一些微生物产生的抗菌素可作为跨膜运送离子的载体。目前已知的天然离子载体都是,抗菌素,。按跨膜运送离子的方式分为：,活动载体,和,通道载体,。从载体的化学结构来看有,环状,和,链状,之分。,17,一,.,环状离子载体,抗菌素,天然环状离子载体包括缬氨霉素、恩镰孢菌素、大四内酯等抗菌素。它们都是不带电荷的电中性物质。,这些环状载体有很多氧原子，可与碱金属配位，形成配合物后，可方便地通过膜。（通过膜到膜内或由膜内（如细胞内）出来。）,18,二,.,链状离子载体,羧基离子载体,如,P,177,，链状也属抗菌素。分子由一系列杂环组成，分子链上有多个能与金属离子配位的含氧基团，链一端为醇羟基，另一端为羧基，因此也称羧基离子载体。羧基氧和羟基氧及羰基氧与金属离子配位，氢键使链成环，将金属离子包围起来。疏水基团在配合物的外边，整个分子是脂溶性的。,链状离子载体可载离子（形成配合物）通过膜，向内或由内向外运送金属离子。,19,三,.,通道载体,能够在膜上形成离子通道的天然载体有两类：大环多羟基多烯内酯类抗菌素和多肽类抗菌素。,大环多羟基多烯内酯类抗菌素,如制霉菌素，是一类亲水和亲油化合物（极与非极性基团）。它可形成亲水性通道，使金属离子或葡萄糖、尿素等水溶性小分子通过。,多肽类抗菌素,如短杆菌肽,A,能使膜上形成通道，允许一价阳离子通过，多价阳离子及阴离子不能通过。,20,第五节 合成离子载体,能够模拟天然离子载体结构和功能的合成离子载体有两类：大环配体和链状多齿配体。,大环配体：包括冠醚和穴醚等可和金属离子配位的环状化合物。,链状多齿配体：最简单的合成物是寡聚甘醇二甲醚，它实际上是开链的冠醚，如图,9-31,（,a,）（,b,）。它们能与一、二价金属离子形成稳定配合物以通过膜，作跨膜运送金属离子。,21,第六节 钙结合蛋白,许多生理过程都与,Ca,2+,离子有关。如激素分泌、,DNA,合成、细胞分裂、肌肉收缩等。,对于,Ca,2+,的作用，直到,70,年代发现钙结合蛋白、特别是,钙调蛋白,(calmodulin,CaM),之后，这个问题（作用）才有了答案。现已知钙调蛋白作为细胞内,Ca,2+,的受体蛋白，其分子内有几个结合,Ca,2+,的位点，这些结合点中任何一个与,Ca,2+,结合之后，均可能发生构象变化，从而参与协调细胞各种依赖,Ca,2+,的生理过程。,22,Ca,2+,离子在生理过程中发挥重要作用显然与其特性有关。钙离子半径为,98pm,配位数为,7,或,8,，,Ca-O,键长变化幅度,54pm,；各配位键的方向变化不一。钙配合物可以采取各种不规则的几何构型，蛋白质等生物大分子容易与它配位形成配合物。,23,一,.,钙调蛋白的结构,CaM,钙调蛋白（,Calmodulin,CaM,）,1.,钙调蛋白的一级结构,钙调蛋白由一条多肽链构成。牛脑,CaM,的相对分子量为,16700,，多肽链由,148,个氨基酸残基组成，整个分子含,4,个,Ca,2+,离子，其氨基酸顺序见表,9-4,。（,185,页）,CaM,的一级结构在进化上表现出罕见的保守性，因此也就缺乏物种特异性和组织特异性。原生动物（如梨形四叶虫）,CaM,与脊椎动物,CaM,相比，只有,11,个氨基酸残基不同，,1,个缺失。,24,钙调蛋白是酸性蛋白（与氢酶相似），有近,1/4,氨基酸残基是酸性的天冬氨酸（,Asp,）和谷氨酸（,Glu,），等电点,4.0,。分子中不含易氧化的色氨酸（,Try,）和半胱氨酸（,Cys,），因此稳定性强，耐热，在,90,以下保持活性。,钙调蛋白,CaM,的多肽链（,148,氨基酸残基）可以分为四个区，每个区结合一个,Ca,2+,离子。各区之间，特别是,I,（,840,）与,III,（,81113,）区，,II,（,4476,）与,IV,（,117148,）区之间的氨基酸顺序有很高的同源性，见表,95,。（,185,页）,25,2.,钙调蛋白的空间结构,x,射线结构分析提出了钙与蛋白质结合的一般规则：钙结合蛋白由多个重复区段组成。每个区的多肽链形成,螺旋,环体,螺旋结构。每段螺旋有,10,个氨基酸残基，环体是,12,个氨基酸残基形成的非螺旋结构。每个环体结合一个,Ca,2+,，,Ca,2+,与肽键羰基氧和残基侧链羧基氧配位。,26,图,9-32,（,186,页）是这种结构模型，它形如右手伸开的拇指和食指及握紧的中指，,Kretsinger,称为,E-F,手结构。根据这种结构模型，钙调蛋白,CaM,有,4,个区，每个区都是一个,E-F,手结构。,EF-hand,蛋白,27,1985,年等对,CaM,晶体的,x,射线结构分析证明，整个分子形状像一个哑铃，长,6.5nm,，柄是一段长,螺旋，每个铃含两个,Ca,2+,离子，两个,Ca,2+,的间距为,1.13 nm,。,Ca,2+,与主链羰基氧及酸性残基侧链氧配位。每个铃中两个钙结合环之间有氢键相互作用。,?,钙结合到,EF-,手蛋白，而不是其它离子，如,Mg(II),Na(I),K(I),等,软硬酸碱效应：钙离子是硬酸，而,EF-,手蛋白的配位原子全是含氧配体,EF-,手蛋白的配体的配位数是,7,，高配位数倾向于较大的钙离子,28,二,.,钙调蛋白在细胞代谢中的调控作用,1.,钙调蛋白作用的分子机理,脱辅基的钙调蛋白（,apoCaM,）本身无生物活性，只有与,Ca,2+,结合后才能参与各种生理活动，蛋白与钙可以有不同的结合方式，因而也有不同的生理功能。,29,钙调蛋白代谢的一种方式是,直接,与靶酶,E,作用，该过程可分,二,步：,apoCaM+i,Ca,2+,CaM (i