生命体系中金属离子-今日化学讲座陈浩2.pptVIP

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细胞器膜。 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。 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。 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。 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。 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。 钙调蛋白的结构 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。 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。 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。 铁硫蛋白 传递电子，参与生物体内各种氧化还原反应 为一类含Fe—S发色团的非血红素铁蛋白，利用铁的可变价，进行电子传递作用。 根据氧化还原反应中心的组成和结构，铁硫蛋白可分为三大类： 1. Fe(Cys)4 蛋白； 2. Fe2S*2(Cys)4蛋白； 3. Fe4S*4(Cys)4蛋白. (Cys-半胱氨酸) 维生素B12和辅酶B12 维生素B12是重要的含钴的生物化合物，是天然存在的最复杂的配位化合物之一。存在于动物体及细菌中，动物体内维生素B12是从食物中来，另外肠道细菌也可合成vitamin B12，人和动物本身不能合成维生素B12，维生素B12治疗恶性贫血有效。 多萝西在1964年被授予诺贝尔化学奖 * 质粒构建 产生cDNA 细菌培养 纯化 蛋白质 蛋白结晶 核磁 共振实验 X射线衍射实验 实验数据分析 蛋白质结构 原始 基因数据 生物信息学分析 选择基因 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。 钠、钾和氯离子的主要功能是调节体液的渗透压，电解质的平衡和酸碱平衡，通过钠-钾泵， 将钾离子、葡萄糖和氨基酸输入细胞内部，维持核糖体的最大活性，以便有效地合成蛋白质。钾离子也是稳定细胞内酶结构的重要辅因子。同时，钠离子、钾离子还参与神经信息的传递。 罗德里克 麦金龙 Roderick MacKinnon 2003 诺贝尔化学奖 1985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1.13 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 铁（II，III）的主要功能是作为机体内运载氧分子的呼吸色素:例如，哺乳动物血液中的血红蛋白和肌肉组织中的肌红蛋白的活性部