生物无机化学第九章.ppt
1,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,2,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,3,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。Mg2+：人体中70%Mg2+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。Ca2+：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。,4,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Mg2+。Mg2+的 另一 作用是作为叶绿素的中心离子参加光合作用。,5,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。,6,一.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Ca2+离子对调节膜的功能有重要作用。,7,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。,8,一.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。,9,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。,10,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。,11,2.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。,12,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。,13,二.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。,14,三.钙泵,Ca2+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 Ca2+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 Ca2+离子浓度有重要作用。（内质网）,15,当运动神经处于休止状态时，肌浆里的Ca2+吸收能量并通过膜被运送到肌浆网系，因此肌浆里的Ca2+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Ca2+离子迅速从肌浆网大量放出进入肌浆，引起肌肉收缩。故Ca2+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 Ca2+,Ca2+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,16,四.钠钙交换,许多细胞的生理活动要求Ca2+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Ca2+。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Ca2+的囊泡而完成Na+向内输送，Ca2+向外排出，从而实现NaCa交换。,17,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。,18,一.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。）,19,二.链状离子载体羧基离子载体如P177，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。,20,三.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。,21,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。,22,第六节 钙结合蛋白,许多生理过程都与Ca2+离子有关。如激素分泌、DNA合成、细胞分裂、肌肉收缩等。对于Ca2+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Ca2+的受体蛋白，其分子内有几个结合Ca2+的位点，这些结合点中任何一个与Ca2+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Ca2+的生理过程。,23,Ca2+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。,24,一.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Ca2+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。,25,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Ca2+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）,26,2.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 Ca2+，Ca2+与肽键羰基氧和残基侧链羧基氧配位。,27,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,28,1985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Ca2+离子，两个Ca2+的间距为1.13 nm。Ca2+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,29,二.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Ca2+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。,30,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 Ca2+CaM(i=1,2,3,4)E+mCaM（CaM）mE(有活性的全酶)激活,（CaM）mE表示由CaM与靶酶结合形成有活性的全酶。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调节代谢的另一种方式。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，从而影响靶酶的活性。,31,2.钙调蛋白的生理功能CaM参与调节细胞代谢的多种生理活动，表9-6列举了目前已确认的CaM调控生理过程和相应的酶。钙调蛋白CaM能活化细胞膜上的腺苷酸环化酶（Acase），催化cAMP合成。,32,表9-6 CAM调节的生理过程及有关酶（187页）,33,CaM活化质膜上的Ca2+-ATP酶，从而调节细胞内的Ca2+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。,34,第九章结束,
