生物体中的碱金属和碱土金属及其跨膜运送

关于生物体中的碱金属和碱土金属及其跨膜运送12第一节概述碱土金属元素就是元素周期表中第ⅡA族的元素，包括铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)六种元素，它们都是非常活泼的金属，活泼性从上到下递增。其中镭(Ra)是放射性元素。

碱金属元素就是元素周期表中第ⅠA族（除氢外）的元素，包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)六种元素。这一族是元素周期表中金属性最强的一族，活泼性从上到下递增。其中钫(Fr)是放射性元素。第2页,共51页，2024年2月25日，星期天3IAIIALiBeNaMgKCaRbSrCsBa原子半径减小金属性、还原性减弱电离能、电负性增大原子半径增大金属性、还原性增强电离能、电负性减小第3页,共51页，2024年2月25日，星期天4图片Gc2-704-18.8Gc2-711-18.14LiNaKLiNaKRbCsBeMgCaSrBa第4页,共51页，2024年2月25日，星期天5均以矿物形式存在:钠长石:钾长石:光卤石:明矾石:锂辉石:绿柱石:菱镁矿:石膏:萤石天青石:重晶石:大理石:元素在自然界中的存在第5页,共51页，2024年2月25日，星期天6碱金属和碱土金属约占人体质量的2％。微量元素只占0.01％。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。第二节碱金属和碱土金属在体内的分布与功能第6页,共51页，2024年2月25日，星期天7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。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。第7页,共51页，2024年2月25日，星期天8Mg2+：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。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。第8页,共51页，2024年2月25日，星期天9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。第9页,共51页，2024年2月25日，星期天10第三节生物膜

(一)生物膜的化学组织

各种细胞膜和细胞内膜在电镜下均呈“两暗夹一明”的三层式结构,把这种结构称为单位膜。第10页,共51页，2024年2月25日，星期天11

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，如线粒体膜、内质网膜、溶酶体膜、高尔基体膜、核膜等膜。真核细胞的膜占整个细胞干重的70-80%。第11页,共51页，2024年2月25日，星期天12细胞膜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。生物膜由脂质、蛋白质和糖组成。第12页,共51页，2024年2月25日，星期天13（1）脂质（Lipid）

•脂质是构成生物膜最基本的结构

物质

•脂质包括磷脂、胆固醇和糖脂

等，其中以磷脂为主要成分。

第13页,共51页，2024年2月25日，星期天14第14页,共51页，2024年2月25日，星期天15第15页,共51页，2024年2月25日，星期天16第16页,共51页，2024年2月25日，星期天17第17页,共51页，2024年2月25日，星期天18（2）膜蛋白

膜蛋白可分为两类，即外周蛋白和固有蛋白。外周蛋白松她的结合在膜的表面，改变溶液离子强度或pH值,加入螯合剂等温和方法就能使外周蛋白与膜分离。如线粒体膜的细胞色素c，红血球膜的纤维状蛋白都属这一类。第18页,共51页，2024年2月25日，星期天19固有蛋白与膜脂的疏水部分结合紧密，有些插入膜中。有些穿膜两面，有些埋在膜内。通常要用去垢剂、有机溶剂、酶等比较剧烈的处理方法破坏膜结构才能把固有蛋白抽提出来。第19页,共51页，2024年2月25日，星期天20第20页,共51页，2024年2月25日，星期天21

其他成分

生物膜还含有少量水和无机盐，膜上水约20％呈结合状态，其余为游离水。膜上的金属离子和膜蛋白与膜结合有关。钙离子对调节膜的功能有重要作用。

第21页,共51页，2024年2月25日，星期天22结构模型要点

脂质排列成厚度约为4.5nm的双分子层构成基质。在一般温度下呈液晶相，有流动性、柔韧性、高电阻、离子与高极性分子通透性。脂质分子含疏水基团和亲水基团，两层分子疏水基团互相吸引集中酯质双层之间，使细胞膜处于相对稳定状态，亲水基团分布于细胞的内外表面，质膜的两个内外面都呈亲水性。膜蛋白可在脂双层中自由侧向扩散，但通常不能从一例翻到另一则，有些有传递信息功能。第22页,共51页，2024年2月25日，星期天23第四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。第23页,共51页，2024年2月25日，星期天24一.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。第24页,共51页，2024年2月25日，星期天25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。第25页,共51页，2024年2月25日，星期天26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：①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”。②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。③某些能与特定离子结合的蛋白质。第26页,共51页，2024年2月25日，星期天272.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。第27页,共51页，2024年2月25日，星期天28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。第28页,共51页，2024年2月25日，星期天29二.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。

第29页,共51页，2024年2月25日，星期天30三.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）第30页,共51页，2024年2月25日，星期天31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）肌肉收缩第31页,共51页，2024年2月25日，星期天32四.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Na—Ca交换。第32页,共51页，2024年2月25日，星期天33

第五节天然离子载体

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。

第33页,共51页，2024年2月25日，星期天34一.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。）第34页,共51页，2024年2月25日，星期天35二.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。第35页,共51页，2024年2月25日，星期天36三.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。第36页,共51页，2024年2月25日，星期天37第六节合成离子载体

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。第37页,共51页，2024年2月25日，星期天38第七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。第38页,共51页，2024年2月25日，星期天39Ca2+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。第39页,共51页，2024年2月25日，星期天40一.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。第40页,共51页，2024年2月25日，星期天41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（8~40）与III（81~113）区，II（44~76）与IV（117~148）区之间的氨基酸顺序有很高的同源性，见表9—5。（185页）第41页,共51页，2024年2月25日，星期天422.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α螺旋—环体—α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。第42页,共51页，2024年2月25日，星期天43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蛋白第43页,共51页，2024年2月25日，星期天441985年Y.S.Babu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α螺旋，每个铃含两个Ca2+离子，两个Ca2+的间距为1.13nm。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第44页,共51页，2024年2月25日，星期天45二.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