第九章生物體中的堿金屬和堿土金屬及其跨膜運送課件

第九章生物體中的堿金屬和堿土金屬及其跨膜運送1.堿金屬和堿土金屬在體內的分布與功能2.生物膜3.離子通過膜的運送4.天然離子載體5.合成離子載體6.鈣結合蛋白1Na、K、Ca、Mg是生物體必須元素，含量較高，屬常量元素，它們在體內起重要作用。鈉主要存在于高等動物中。對于植物，鈉并非必需元素。人體內的鈉大部分在細胞外液中，還有1/3的鈉分布在骨骼中。鉀主要存在于細胞內液，也存在于細胞外液中。第一節(jié)堿金屬和堿土金屬在體內的分布與功能2人體的鈉和鉀離子主要作用是控制細胞、組織液和血液內的電荷平衡，這對保持體液的正常流通和控制體內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元素，主要存在于骨骼中，少量存在于體液。植物、藻類及細菌中也存在少量鈣。3

第二節(jié)生物膜

生物膜是細胞的主要組成部分，具有獨特的結構和功能。已知真核細胞除了有包圍整個細胞的質膜外，還有構成各種細胞器的膜。真核細胞的膜占整個細胞干重的70-80%。這些膜結構對細胞內環(huán)境的穩(wěn)定、物質代謝、能量轉換、信息傳遞等許多方面都起著極為重要的作用。5一.生物膜的化學組成

生物膜主要由脂質和蛋白質組成。除此之外，還有少量水和無機鹽，其中Ca2+離子對調節(jié)膜的功能有重要作用。6第三節(jié)離子通過膜的運送物質在生物體內有兩種運送方式。一種是隨體液流動，另一種是通過生物膜的運送，后者又稱為跨膜運送。生物膜是細胞和各種細胞器的屏障。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外，還要排出無用或多余的物質。生物膜還可以保持膜內外某些離子的濃度梯度，保證生物信息的有效傳遞。生物膜的運送體系可以識別它運送的物質并控制通過的數量。7一.離子跨膜運送的方式生物膜運送離子的方式大致可分為兩類：被動運送和主動運送。1.被動運送：離子沿化學勢的方向進行運送，即離子從濃度大運送到小的一側。這個過程不消耗能量。被動運送又分為簡單擴散和促進運送。8促進運送：是離子在某些物質幫助下通過生物膜，它不服從擴散定律。離子借助的物質有三類：①能在膜內活動，并參與離子可逆結合的小分子，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“有機外衣”。②另一類是結合在膜上的運送載體，它們不能穿過膜運動，只在膜上形成貫穿膜兩側的離子通道，允許特定離子或水合離子通過。③某些能與特定離子結合的蛋白質。10胞飲胞吐：許多細胞還能通過胞飲或胞吐作用跨膜運送物質。胞飲：被運送物與膜的某種蛋白質結合，膜內陷并包圍被運物，然后膜斷開口，被運送物進入細胞內。胞吐：細胞內運送物被一層膜包圍形成小泡，小泡與膜融合而產生向外通道，泡內物質排出細胞外，稱胞吐作用。胞飲和胞吐屬主動運送的形式，需消耗能量。12三.鈣泵

Ca2+

對調節(jié)肌肉收縮有重要作用，它是神經興奮與肌肉收縮的媒介。肌肉細胞里含有大量肌原纖維，肌原纖維由肌漿包圍著。肌細胞還含有高度分化的內質網，稱為肌漿網系，它是膜包圍的管泡狀結構網，對調節(jié)Ca2+

離子濃度有重要作用。肌細胞{肌原纖維（由肌漿包圍著）肌漿網系，對調節(jié)Ca2+

離子濃度有重要作用。（內質網）14當運動神經處于休止狀態(tài)時，肌漿里的Ca2+

吸收能量并通過膜被運送到肌漿網系，因此肌漿里的Ca2+濃度很低。當運動神經沖動，導致肌漿網系膜興奮，通透性增加，使Ca2+離子迅速從肌漿網大量放出進入肌漿，引起肌肉收縮。故Ca2+離子是神經興奮與肌肉收縮之間的媒介。運動神經處于休止狀態(tài)Ca2+

Ca2+

運動狀態(tài)

運動休止

（肌漿里）運動、神經沖動（肌漿網系）肌肉收縮15四.鈉鈣交換許多細胞的生理活動要求Ca2+離子濃度比較低，鈉—鈣交換系能利用Na+在質膜兩邊的濃度梯度運入Na+并排出Ca2+。一般在神經、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+向內輸送，Ca2+向外排出，從而實現Na—Ca交換。16

第四節(jié)天然離子載體

離子的跨膜運送需載體—離子載體。一些微生物產生的抗菌素可作為跨膜運送離子的載體。目前已知的天然離子載體都是抗菌素。按跨膜運送離子的方式分為：活動載體和通道載體。從載體的化學結構來看有環(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、大四內酯等抗菌素。它們都是不帶電荷的電中性物質。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。（通過膜到膜內或由膜內（如細胞內）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)多羥基多烯內酯類抗菌素和多肽類抗菌素。大環(huán)多羥基多烯內酯類抗菌素——如制霉菌素，是一類親水和親油化合物（極與非極性基團）。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。20第五節(jié)合成離子載體

能夠模擬天然離子載體結構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。鈣離子半徑為98pm,配位數為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)則的幾何構型，蛋白質等生物大分子容易與它配位形成配合物。23一.鈣調蛋白的結構CaM鈣調蛋白（Calmodulin,CaM）1.鈣調蛋白的一級結構鈣調蛋白由一條多肽鏈構成。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的一級結構在進化上表現出罕見的保守性，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。242.鈣調蛋白的空間結構x射線結構分析提出了鈣與蛋白質結合的一般規(guī)則：鈣結合蛋白由多個重復區(qū)段組成。每個區(qū)的多肽鏈形成α螺旋—環(huán)體—α螺旋結構。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構。每個環(huán)體結合一個Ca2+，Ca2+與肽鍵羰基氧和殘基側鏈羧基氧配位。26圖9-32（186頁）是這種結構模型，它形如右手伸開的拇指和食指及握緊的中指，Kretsinger稱為E-F手結構。根據這種結構模型，鈣調蛋白CaM有4個區(qū)，每個區(qū)都是一個E-F手結構。EF-hand蛋白271985年Y.S.Babu等對CaM晶體的x射線結構分析證明，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鏈氧配位。每個鈴中兩個鈣結合環(huán)之間有氫鍵相互作用。

??鈣結合到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：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是7，高配位數傾向于較大的鈣離子28鈣調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)得到應用。間接與靶酶作用是CaM調節(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.鈣調蛋白的生理功能CaM參與調節(jié)細胞代謝的多種生理活動，表9-6列舉了目前已確認的CaM調控生理過程和相應的酶。鈣調蛋白CaM能活化細胞膜上的腺苷酸環(huán)化酶（Acase），催化cAMP合成。31表9-6CAM調節(jié)的生理過程及有關酶（187頁）生理過程蛋白質與酶環(huán)苷酸代謝腺苷酸環(huán)化酶、鳥苷酸環(huán)化酶、環(huán)苷酸磷酸二酯酶細胞Ca2+代謝質膜Ca2+-ATP酶、受磷酸蛋白激酶、其它肌漿網系膜蛋白激酶細胞收縮、運動、骨架系統(tǒng)肌球蛋白輕鏈激酶、管蛋白、τ-蛋白、Fodrin,Fod