资源描述
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,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考!,第九章 生物体中碱金属和碱土 金属及其跨膜运输,1.,碱金属和碱土金属在体内分布与功效,2.,生物膜,3.,离子经过膜运输,4.,天然离子载体,5.,合成离子载体,6.,钙结合蛋白,1/34,1,Na,、,K,、,Ca,、,Mg,是生物体必须元素，含量较高，属常量元素，它们在体内起主要作用。,钠,主要存在于高等动物中。对于植物，钠并非必需元素。人体内钠大部分在细胞外液中，还有,1/3,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,分布与功效,2/34,2,人体钠和钾离子主要作用是控制细胞、组织液和血液内电荷平衡，这对保持体液正常流通和控制体内酸碱平衡都是必要。钠还起着维持体液渗透压作用；钾可作为一些酶辅基。,K,+,和,Na,+,还对神经信息传递起主要作用。,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+,：,是人体含量最高无机元素，主要存在于骨骼中，少许存在于体液。植物、藻类及细菌中也存在少许钙。,3/34,3,钙和镁在细胞新陈代谢中起主要作用。这两种金属离子在脂蛋白中桥联邻近羧酸根而使细胞膜强化。钙是骨骼主要成份，还可作为消化酶辅助因子，对神经传导、肌肉收缩、激素释放、血液凝结起调整控制作用。镁是很各种酶辅助因子，与细胞内核甘酸形成配合物，镁对,DNA,复制及蛋白质合成是必不可少，体内能量转换需,Mg,2+,。,Mg,2+,另一 作用是作为叶绿素中心离子参加光合作用。,4/34,4,第二节 生物膜,生物膜,是细胞主要组成部分，含有独特结构和功效。已知真核细胞除了有包围整个细胞质膜外，还有组成各种细胞器 膜。真核细胞膜占整个细胞干重,70-80%,。这些膜结构对细胞,内环境稳定、物质代谢、能量转换、信息传递,等许多方面都起着极为主要作用。,5/34,5,一,.,生物膜化学组成,生物膜主要由脂质和蛋白质组成。除此之外，还有少许水和无机盐，其中,Ca,2+,离子对调整膜功效有主要作用。,6/34,6,第三节 离子经过膜运输,物质在生物体内有,两种,运输方式。一个是随体液流动，另一个是经过生物膜运输，后者又称为,跨膜运输,。,生物膜是细胞和各种细胞器屏障。它能够选择性允许一些分子经过。经过生物膜除了能够摄取和浓缩必需物质外，还要排出无用或多出物质。生物膜还能够保持膜内外一些离子浓度梯度，确保生物信息有效传递。生物膜运输体系能够识别它运输物质并控制经过数量。,7/34,7,一,.,离子跨膜运输方式,生物膜运输离子方式大致可分为两类：,被动运输,和,主动运输,。,1.,被动运输：,离子沿化学势方向进行运输，即离子从浓度大运输到小一侧。这个过程不消耗能量。被动运输又分为,简单扩散,和,促进运输,。,8/34,8,简单扩散,：,离子依赖浓度梯度和电位梯度经过生物膜，它遵照运输速度与浓度梯度成正比扩散定律。金属离子简单扩散困难，因它们难以经过膜疏水内层。,9/34,9,促进运输,：,是离子在一些物质帮助下经过生物膜，它不服从扩散定律。离子借助物质有三类：,能在膜内活动，并参加离子可逆结合,小分子,，它能有选择性地与离子形成可经过生物膜脂溶性配合物，给阳离子提供“有机外衣”。,另一类是结合在膜上,运输载体,，它们不能穿过膜运动，只在膜上形成贯通膜两侧离子通道，允许特定离子或水合离子经过。,一些能与特定离子结合,蛋白质,。,10/34,10,2.,主动运输：,主动运输是离子逆浓度梯度和电化学梯度经过生物膜运动，这个过程需要能量。主动运输也需要离子载体或蛋白质帮助。,执行主动运输机制常被称为,离子泵,，它能维持膜内、外离子成份和浓度稳定。如细胞外液,Na,+,浓度高于内液，而,K,+,则相反；离子泵仍不停将细胞内,Na,+,排出，细胞外,K,+,运入细胞内，以保持细胞内低,Na,+,高,K,+,环境。,11/34,11,胞饮胞吐,：许多细胞还能经过胞饮或胞吐作用跨膜运输物质。,胞饮,：被运输物与膜某种蛋白质结合，膜内陷并包围被运物，然后膜断开口，被运输物进入细胞内。,胞吐,：细胞内运输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输形式，需消耗能量。,12/34,12,二,.,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）是由膜上专一运输系统,钠泵来实现，即钠泵逆浓度梯度向细胞外运输,Na,+,，向细胞内运输,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基础，又是一些组织中氨基酸和葡萄糖等物质传送基础。,Na,+,泵速率取决于细胞内,Na,+,浓度，,Na,+,浓度大，速率高。钠泵所需能量由,ATP,水解提供。,13/34,13,三,.,钙泵,Ca,2+,对调整肌肉收缩有主要作用，它是神经兴奋与肌肉收缩媒介。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内质网，称为肌浆网系，它是膜包围管泡状结构网，对调整,Ca,2+,离子浓度有主要作用。,肌细胞,肌原纤维（由肌浆包围着）,肌浆网系，对调整,Ca,2+,离子浓度有主要作用。（内质网）,14/34,14,当运动神经处于休止状态时，肌浆里,Ca,2+,吸收能量并经过膜被运输到肌浆网系，所以肌浆里,Ca,2+,浓度很低。当运动神经冲动，造成肌浆网系膜兴奋，通透性增加，使,Ca,2+,离子快速从肌浆网大量放出进入肌浆，引发肌肉收缩。故,Ca,2+,离子是神经兴奋与肌肉收缩之间媒介。,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,15/34,15,四,.,钠钙交换,许多细胞生理活动要求,Ca,2+,离子浓度比较低，钠,钙交换系能利用,Na,+,在质膜两边浓度梯度运入,Na,+,并排出,Ca,2+,。普通在神经、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+,囊泡而完成,Na,+,向内输送，,Ca,2+,向外排出，从而实现,NaCa,交换。,16/34,16,第四节 天然离子载体,离子跨膜运输需载体,离子载体。一些微生物产生抗菌素可作为跨膜运输离子载体。当前已知天然离子载体都是,抗菌素,。按跨膜运输离子方式分为：,活动载体,和,通道载体,。从载体化学结构来看有,环状,和,链状,之分。,17/34,17,一,.,环状离子载体,抗菌素,天然环状离子载体包含缬氨霉素、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，可方便地经过膜。（经过膜到膜内或由膜内（如细胞内）出来。）,18/34,18,二,.,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含氧基团，链一端为醇羟基，另一端为羧基，所以也称羧基离子载体。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。疏水基团在配合物外边，整个分子是脂溶性。,链状离子载体可载离子（形成配合物）经过膜，向内或由内向外运输金属离子。,19/34,19,三,.,通道载体,能够在膜上形成离子通道天然载体有两类：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经过。,多肽类抗菌素,如短杆菌肽,A,能使膜上形成通道，允许一价阳离子经过，多价阳离子及阴离子不能经过。,20/34,20,第五节 合成离子载体,能够模拟天然离子载体结构和功效合成离子载体有两类：大环配体和链状多齿配体。,大环配体：包含冠醚和穴醚等可和金属离子配位环状化合物。,链状多齿配体：最简单合成物是寡聚甘醇二甲醚，它实际上是开链冠醚，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经过膜，作跨膜运输金属离子。,21/34,21,第六节 钙结合蛋白,许多生理过程都与,Ca,2+,离子相关。如激素分泌、,DNA,合成、细胞分裂、肌肉收缩等。,对于,Ca,2+,作用，直到,70,年代发觉钙结合蛋白、尤其是,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+,受体蛋白，其分子内有几个结合,Ca,2+,位点，这些结合点中任何一个与,Ca,2+,结合之后，均可能发生构象改变，从而参加协调细胞各种依赖,Ca,2+,生理过程。,22/34,22,Ca,2+,离子在生理过程中发挥主要作用显然与其特征相关。钙离子半径为,98pm,配位数为,7,或,8,，,Ca-O,键长改变幅度,54pm,；各配位键方向改变不一。钙配合物能够采取各种不规则几何构型，蛋白质等生物大分子轻易与它配位形成配合物。,23/34,23,一,.,钙调蛋白结构,CaM,钙调蛋白（,Calmodulin,CaM,）,1.,钙调蛋白一级结构,钙调蛋白由一条多肽链组成。牛脑,CaM,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，其氨基酸次序见表,9-4,。（,185,页）,CaM,一级结构在进化上表现出罕见保守性，所以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,个氨基酸残基不一样，,1,个缺失。,24/34,24,钙调蛋白是酸性蛋白（与氢酶相同），有近,1/4,氨基酸残基是酸性天冬氨酸（,Asp,）和谷氨酸（,Glu,），等电点,4.0,。分子中不含易氧化色氨酸（,Try,）和半胱氨酸（,Cys,），所以稳定性强，耐热，在,90,以下保持活性。,钙调蛋白,CaM,多肽链（,148,氨基酸残基）能够分为四个区，每个区结合一个,Ca,2+,离子。各区之间，尤其是,I,（,840,）与,III,（,81113,）区，,II,（,4476,）与,IV,（,117148,）区之间氨基酸次序有很高同源性，见表,95,。（,185,页）,25/34,25,2.,钙调蛋白空间结构,x,射线结构分析提出了钙与蛋白质结合普通规则：钙结合蛋白由多个重复区段组成。每个区多肽链形成,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。,26/34,26,图,9-32,（,186,页）是这种结构模型，它形如右手伸开拇指和食指及握紧中指，,Kretsinger,称为,E-F,手结构。依据这种结构模型，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,27/34,27,1985,年,Y.S.Babu,等对,CaM,晶体,x,射线结构分析证实，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+,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-,手蛋白配位原子全是含氧配体,EF-,手蛋白配体配位数是,7,，高配位数倾向于较大钙离子,28/34,28,二,.,钙调蛋白在细胞代谢中调控作用,1.,钙调蛋白作用分子机理,脱辅基钙调蛋白（,apoCaM,）本身无生物活性，只有与,Ca,2+,结合后才能参加各种生理活动，蛋白与钙能够有不一样结合方式，因而也有不一样生理功效。,29/34,29,钙调蛋白代谢一个方式是,直接,与靶酶,E,作用，该过程可分,二,步：,apoCaM+i,Ca,2+,CaM (i=1,2,3,4),E+mCaM,（,CaM,）,m,E,(,有活性全酶,),激活,（,CaM,）,m,E,表示由,CaM,与靶酶结合形成有活性全酶。这种作用方式首先在磷酸二酯酶系统得到应用。,间接,与靶酶作用是,CaM,调整代谢另一个方式。,CaM,首先激活蛋白激酶，活化了蛋白激酶催化靶酶磷酸化，从而影响靶酶活性,。,30/34,30,2.,钙调蛋白生理功效,CaM,参加调整细胞代谢各种生理活动，表,9-6,列举了当前已确认,CaM,调控生理过程和对应酶。,钙调蛋白,CaM,能活化细胞膜上腺苷酸环化酶（,Acase,），催化,cAMP,合成。,31/34,31,表,9-6 CAM,调整生理过程及相关酶（,187,页,）,生理过程,蛋白质与酶,环苷酸代谢,腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶、环苷酸磷酸二酯酶,细胞,Ca,2+,代谢,质膜,Ca,2+,-ATP,酶、受磷酸蛋白激酶、其它肌浆网系膜蛋白激酶,细胞收缩、运动、骨架系统,肌球蛋白轻链激酶、管蛋白、,-,蛋白、,Fodrin,Fodrin,激酶、,Caldesmon,神经功效,蛋白激酶、酪氨酸单加氧酶激酶、色氨酸单加氧酶激酶、脑蛋白激酶、突触蛋白,I,激酶、神经钙蛋白激酶,糖原代谢,其它,磷酸化酶激酶、糖原合成酶激酶,NAD,激酶、葡萄糖,1,，,6-,二磷酸化酶,32/34,32,CaM,活化质膜上,Ca,2+,-ATP,酶，从而调整细胞内,Ca,2+,浓度。,CaM,活化磷酸化酶激酶和糖原合成酶激酶，使糖原分解为葡萄糖。,33/34,33,第九章结束,34/34,34,
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
