细胞对金属离子浓度的调控( X页)
铁离子通过环核苷酸门控通道
铁离子通过环核苷酸门控通道
铁离子是一种重要的金属离子，它在生物体内起着多种重要的作用。
然而，铁离子的过量摄入会对生物体造成严重的损害，因此需要有一种有效的方法来调控铁离子在生物体内的浓度。
环核苷酸门控通道就是这样一种方法。
环核苷酸门控通道是一种特殊的膜蛋白，它能够通过调节通道的开放程度来控制细胞内外离子的流动。
铁离子能够通过这种通道进入或离开细胞，从而实现对铁离子浓度的调节。
环核苷酸门控通道的结构非常复杂，它由数个亚基组成，每个亚基都有不同的功能。
其中，核苷酸结合亚基是通道的关键组成部分，它能够识别并绑定核苷酸，从而控制通道的开放程度。
当核苷酸结合亚基与核苷酸结合时，通道会打开，铁离子等离子体成分就可以通过通道进入或离开细胞。
当核苷酸结合亚基与核苷酸分离时，通道会关闭，从而防止铁离子等离子体成分进入或离开细胞。
环核苷酸门控通道在生物体内起着非常重要的作用。
它能够通过调节通道的开放程度来控制细胞内外离子的流动，从而实现对铁离子等离子体成分浓度的调节。
这对于维持生物体内部环境的稳定非常重要，因为铁离子等离子体成分的浓度过高或过低都会对生物体造成严重的损害。
总之，环核苷酸门控通道是一种非常重要的膜蛋白，它能够通过调节通道的开放程度来控制细胞内外离子的流动，从而实现对铁离子等离子体成分浓度的调节。
这为维持生物体内部环境的稳定提供了一种有效的方法。
细胞内铜离子浓度的调控(修改版、刘漫)
2)COX17、hCOX17与SCO1
• COX17是一个细胞质内的可溶性蛋白质，分子量8KD，含有69 个氨基酸，7个半胱氨酸，其中6个在进化中十分保守，3个功 能必需残基包含在CCXC基序中。C端有线粒体的靶序列，使 COX17暂时停泊在线粒体上，便于Cu+进入线粒体的膜间隙，进 而经SCO1(synthesis of cytochrome c oxidase1)传给细胞色素c氧 化酶。另外，细胞外高浓度的Cu+也可以通过被动扩散进入线 粒体，以弥补COX17基因突变造成的线粒体内Cu+浓度的降低。 COX17不稳定，易被降解。
Cu2+
Cu+
铜离子的摄取(uptake)
1）高亲和力转运体 系(High一affinity systems) Cu+被跨膜 蛋白一一CTR(copper transporter protein)转 运，该蛋白由ctr基因编 码，具有铜离子高亲和 性和特异性，转运过程 消耗能量。Cu+经ctr的 转运依赖Cu+一2K+对向 运输机制，即每转运一 个Cu+，需要运出两个 K+。
铜离子浓度的其他调控方式
• 细胞内其它蛋白质如金属硫蛋白(Metallodtioneins），简称MT 系统)在维持细胞内较低的游离铜离子浓度中也起一定的作用 。 • 当细胞内的Cu+浓度较高时，MT系统会络合Cu+，从而迅速MT 系统会络合Cu+细胞内的金属毒性胁迫； • 当细胞内Cu+浓度较低时，MT系统会释放Cu+，以维持细胞正 常的代谢活动。MT系统能够灵活地调节细胞质Cu+浓度，使之 维持在10-18 mol/l以下。
细胞内铜离子浓度调控
4细胞对金属离子浓度的调控
细胞结构——透射电子显微镜观察
19,000
主要内容
• 金属离子的有益作用和毒性效应 • 在严格调节之下的有益金属：铁 • 毒性金属实例：汞 • 金属离子梯度的产生 • 细胞内离子浓度的测定
• 有益金属离子：Ca, Fe, Zn…
1.浓度太低时，需要利用该离子的过程将受到不 利影响，生物体产生金属离子的缺乏症；2.浓度 适当时，满足生物体需要；3.浓度太高时，产生 毒性效应，例如，过多的金属离子将结合到某一 不恰当的部位时，阻碍了其他有益金属的结合。
Fe Fe
Fe
Fe Fe
Fe
Fe Fe
铁蛋白的12个亚基，两个6聚体
Fe 铁核心(约7个Fe)
Fe
W3
W1
Fe
W2
W4
Fe
W5
铁蛋白中铁的配位环境
3. 铁摄取和储存的金属调节
• 转铁蛋白受体(TfR) ——铁的摄取 • 铁蛋白(ft) ——铁的储存；当需要时，铁蛋白可
以释放出大量的Fe3+供细胞所需。 • 在哺乳动物中，细胞通过依赖金属的方式在翻译
• 离子通道对不同离子的选择性与离子通道的电导 (单位：-1或S)有关。
电流＝电导×膜电位
1. 细胞膜内外离子梯度的产生
❖ 离子梯度的产生是一个依赖能量的过程，所需的能量是 由ATP水解产生ADP和Pi提供的。细胞膜内外Na+和K+梯度 的产生是由离子泵Na+-K+ ATP酶负责的。
❖ Na+-K+ ATP酶是一个整合膜蛋白，是由催化亚基(100kD, 亚基)和糖蛋白(45kD, 亚基)组成的22四聚体。酶催化 的方程为：
微量元素代谢与细胞功能调控
微量元素代谢与细胞功能调控随着人们对健康的要求日益提高，营养学研究也日益深入。
微量元素代谢与细胞功能调控成为营养学研究的一个热点话题。
微量元素是指人体所需的量非常微小的元素，包括铁、锌、钙、镁、铜、硒等，这些元素对细胞的健康和正常代谢至关重要。
细胞内的微量元素代谢是一种精密而复杂的过程。
人体需要吸收足够量的微量元素，并将其储存、利用和排除，以保持身体健康。
否则，微量元素的缺乏或过量都会对人体产生损害。
铁是微量元素中最为关键的一个。
它是血红蛋白分子和肌红蛋白分子构成的必要元素，也是一些酶的重要成分。
铁缺乏会导致贫血，出现疲劳、倦怠等身体不适症状。
除了食物摄入，铁还需要其他元素的参与才能被吸收利用。
例如，维生素C 可以促进铁的吸收和利用。
而与铁吸收关系相对密切的锌对成年人生长、免疫、抗氧化、细胞生命周期等方面都有较大作用。
锌缺乏则可能影响免疫力、生殖能力和视力。
钙是人体成分中含量最多的元素之一，不仅是骨骼和牙齿的主要成分，被广泛应用于肌肉收缩和神经传递过程。
骨量的形成和遗传、营养等因素有关，提高骨量是预防骨质疏松的重要手段。
锌、铜、镁等元素的存在也对钙的吸收起重要作用。
但如果食物中钙摄入过量，就会影响其他元素的代谢。
此外，人体对硒、铁、镁等元素的需求也非常重要。
硒可以增强免疫力，防止心血管疾病和癌症，但过量摄入会导致中毒。
铁和镁都是重要的代谢元素，影响身体内各种酶活动。
镁的确保心脏健康和神经活动正常，铁的供应起到了造血的作用，摄入不足则容易引起贫血和代谢问题。
微量元素的代谢和细胞功能的调控是人体正常生理活动的必要过程。
合理饮食和营养均衡是维护体内微量元素稳态的基础。
建议加强对微量元素的了解，并且适量增加摄入量，保证身体的各项机能正常运转。
细胞浓度梯度的建立和调控
细胞浓度梯度的建立和调控细胞浓度梯度指的是细胞内外化学物质的浓度存在差异。
这种浓度差异在生物体内扮演极其重要的角色，它是细胞代谢、信号传导、存储能量等生命过程的基础。
细胞浓度梯度的建立和调控是一个复杂的过程，需要细胞内外的协同作用，同时受到环境因素的影响。
1.细胞膜通道和运输蛋白细胞内外浓度的差异主要通过细胞膜通道和运输蛋白来实现。
细胞膜通道是一种存在于细胞膜上的蛋白，它可以让某些物质通过细胞膜进出细胞，从而建立细胞内外的浓度差异。
运输蛋白也是一种细胞膜上的蛋白，它可以选择性地将某些物质从细胞内运输到细胞外或相反方向。
2.分子扩散除了细胞膜通道和运输蛋白，分子扩散也是细胞内外浓度差异的重要机制。
分子扩散是分子随机热运动所导致的自发扩散过程，在生物体内可以沿着浓度梯度自由扩散，从而实现细胞内外化学物质的平衡。
3.离子泵离子泵是一类能够将离子从低浓度区域移动到高浓度区域的蛋白质。
它通过消耗ATP能量来拉动离子的运动，从而筑起了离子的浓度梯度。
如钠/钾离子泵，通过耗费ATP分别将钠离子从细胞内运输到细胞外，将钾离子从细胞外运输到细胞内，这样细胞内外就形成了高浓度钾离子、低浓度钠离子和低浓度钾离子、高浓度钠离子的梯度，保持了神经元的兴奋性和细胞生存的基础功能。
4.环境因素的影响细胞浓度梯度的建立和调控还受到环境因素的影响，如温度、pH值、离子浓度等。
这些因素的变化会影响细胞膜通道和运输蛋白的活性以及分子扩散的速率，从而导致细胞内外浓度差异的改变。
总之，细胞浓度梯度的建立和调控是一个复杂的过程，需要细胞内外的协同作用，同时受到环境因素的影响。
了解这个过程对我们更好地理解生命现象有很大的帮助，同时在药物研发、生物工程等领域中也有广泛的应用。
金属调节转录因子
金属调节转录因子全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：金属调节转录因子（metal-regulatory transcription factor）是一类能够感应和响应金属离子浓度变化的转录因子，在细胞内调节相关基因的表达。
金属调节转录因子在细胞内发挥着重要的调控作用，保持金属离子稳态平衡，维持细胞正常生理功能。
本文将对金属调节转录因子的结构、功能、调节机制以及在疾病发生中的作用进行详细介绍。
金属调节转录因子通常包括金属结合结构域和DNA结合结构域。
金属结合结构域具有高度的亲和力和特异性，能够与金属离子结合形成稳定的金属配合物。
而DNA结合结构域则能够与特定DNA序列结合，激活或抑制相关基因的转录。
金属调节转录因子的结构决定了其对金属离子敏感性和特异性，使其能够准确地调控相关基因的表达。
金属调节转录因子在细胞内主要通过两种机制进行调节基因表达：直接感应和间接感应。
直接感应是指金属离子直接结合到金属调节转录因子上，改变其构象和转录活性，从而调节基因的表达。
而间接感应则是通过调节金属离子的浓度和分布，间接影响金属调节转录因子的活性和基因表达。
这两种调节机制相互作用，共同维持细胞内金属离子平衡和基因表达的稳定性。
金属调节转录因子在细胞生理过程中发挥着重要的作用。
锌调节转录因子（zinc regulatory transcription factor，ZRT1）在酵母菌中调控锌的吸收和运输，维持细胞内锌平衡；铜调节转录因子（copper regulatory transcription factor，CUP1）在大肠杆菌中调控铜的代谢和毒性，防止细胞内铜超载。
金属调节转录因子不仅参与细胞内金属离子的稳态调节，还与细胞的生长、分化、凋亡等生理过程密切相关。
除了在正常生理过程中发挥作用，金属调节转录因子还在多种疾病的发生中发挥重要作用。
铜调节转录因子在肝硬化、阿尔茨海默症等疾病中扮演着重要角色。
研究表明，这些疾病与金属调节转录因子的异常活性和表达水平有关，进一步揭示了金属调节转录因子在疾病发生中的重要性。
生物无机化学-第五章-细胞内金属离子浓度的控制与利用-2020
这幅图是结合两个铁的人乳铁蛋白的晶体结构图。（运铁蛋 白是中等大小的糖蛋白（Mr-80ku）,含有两个类似但结构上相 异的铁离子结合位点，分别称为N-末端和C-末端。这个家族中 几个成员的X射线晶体结构已经被确定。研究表明，这些蛋白含 有两个相似的结构区域，各自可结合1个铁原子）。
(a) 脱铁乳铁蛋白
· ·
✓Fenton（中文译为芬顿）是反应为数不多的以人名命名 的无机化学反应之一。1893 年，化学家Fenton HJ 发现， 过氧化氢(H2O2) 与二价铁离子Fe的混合溶液具有强氧化 性，可以将当时很多已知的有机化合物如羧酸、醇、酯类 氧化为无机态，氧化效果十分显著。
同时，另一方面，铁也会由于 偶然的大量摄取，如治疗贫血症 用药过量，或过量输血等引起过 剩。铁的过量会产生积累且不易 排泄，一旦铁的贮存超过饱和， 过量的铁就会向机体释放，对组 织产生损伤，此时，为了避免这 些损害，需要摄入螯合剂来排掉 多余的铁。
2、在严格调节之下的有益金属：铁
现在讨论铁运送和储存过程中的调节问题。第五章曾讨论了细 菌利用铁载体摄取铁并促进其向细胞内的运送。在此主要讨论铁 的传输和储存在哺乳动物的铁传递蛋白质转移铁蛋白及贮存蛋白 质铁蛋白的调节体系。通过这些体系将说明必须解决的化学和生 物学问题，以利于能够有效的进行金属离子的体内平衡控制。
在这个过程中，伴阴离子对金属键合至关重要。首先，能够 中和金属键合位点附近精氨酸及a螺旋5N端的强正电势；其次 ，为金属键合提供了两个配位原子。另外，伴阴离子或许正是 运铁蛋白实现其生理功能---紧密且可逆结合铁的关键所在，如 CO32-的质子化或被取代均可破坏氢键导致铁的释放。
除铁外，运铁蛋白还可与大量其他金属离子结合，包括过渡 金属、镧系、锕系及第三主族离子等。由于血液中人血清运铁蛋 白仅有约30%的金属离子结合部位由铁（III）占据，其它金属离 子与运铁蛋白的结合同样具有重要的生物学意义。
细胞增殖及其调控lgy优秀课件
◆同源染色体配对时交换重组,提高了基因内、基因间重 组的频率,加快了进化的速度。
4
◆减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物 遗传、生物进化和生物多样性的保证。
假如在有性生殖过程中没有减数分裂，生殖细胞染 色体数不能减半，经过受精，其染色体数将倍增。 细胞体积也会相应增加。代代相传，细胞将无法 适应环境而受到自然淘汰。
1
减数分裂过程
2
减数分裂特点
◆遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次， 导致染色体数目减半
◆S期持续时间较长 ◆同源染色体在减数分裂期I配对联会、基因重组 ◆减数分裂同源染色体配对排列在中期板上,第
一次分列时,同源染色体分开
3
减数分裂意义
◆保证了染色体数目在世代交替中的恒定, 先减半成1n, 形 成合子时, 又成为2n （两性生殖细胞经过减数分裂，染 色体数减少一半。再经过受精，形成合子，染色体数恢 复到体细胞的染色体数目）;
APC的活性调节控制周期蛋白B的降
解
◆当MPF的活性在有丝分裂中期达到最高峰时, 它 将APC磷酸化并将其激活；
◆接着发生周期蛋白B遍在蛋白多聚化, 引起周期 蛋白B的降解；
◆由于周期蛋白B是MPF的一个必需亚基, 它的降 解势必导致MPF的失活；
◆在G1期的后期,APC失活,使得周期蛋白B的浓度
四、减数分裂（MEIOSIS）
◆概念：减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制，随后进行 两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂。
◆发生分裂的细胞 生殖细胞进行的产生配子的分裂过程，其结果 是产生了染色体组数目减半的配子；
◆连续的两次分裂 ●第一次减数分裂 ●第二次减数分裂
◆两个基本特点 ●染色体组数目减半 ●发生遗传重组
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overdose • Life long blood infusion for thalasemia anemia[地中
乳铁蛋白的活性 部位结构
Tyr192
Tyr92
Carbonate Asp60
His253
脱铁转铁 蛋白
细胞膜
铁离子
铁的释放可能是很重要的。 Fe3+＋OH−
＋
Fe(OH)3
Tf
溶解
FeTf
乳铁蛋白(Lactoferrin，人体内的转铁蛋白)由2个相似的 球状域结构组成，这两个域由一段短链α-螺旋相连接。 每个域又由2个亚域结构组成，2个亚域间结合一个Fe。
(a) 脱铁乳铁蛋白
(b) 铁－乳铁蛋白
当乳铁蛋白与铁结合时，亚域结构象一个铰链一样弯曲，紧 夹在铁－碳酸根单元上。
• 有害金属离子：Hg, Cd…
没有特定的生物功能，当存在于细胞中时，产生 较大的毒性。例如，在生物流体内生成不溶性的 盐，参与降解蛋白质、核酸等生物大分子的水解 反应，产生破坏性副产物，如羟自由基。
金属离子浓度和生理效应之间的关系
• 体内平衡：指有益金属离子的浓度保持在一个恰 当的范围之内。
• 解毒：指降低无益金属离子的有害浓度。 • 体内平衡和解毒需要在金属离子的摄取、利用、
Ft
Fe3+
Fe2+ Hephaestin
HFE-TFR
Nature 2000, 403, 46
Fe3+
DMT1 Fe2+
Fe2+ Ferroportin1 Fe3+ Transferrin
Gut lumen
Enterocyte cytoplasm
Blood plasma Science1999, 286:779
海贫血] • Therapy: Chelation ; Gene therapy
Fe
Iron overload / Excess Fe ion
•Cancer risk •Alzheimer disease（老年痴呆） •Thalasemia（地中海贫血）/sickle cell anemia （镰刀细胞贫血）/
·
·
Fe
Function
Biomarker
•Oxygen-carrying Hemoglobin (血红 蛋白）
•Metabolism enzymes •Energy ATP •Cell growth •Defense
•Oxygen-carrying
capacity •Hemoglobin (血 红蛋白） •血色素
血红蛋 白突变
镰刀细胞贫血 地中海贫血
溶血
贫血
输血
Iron overload
心肌细胞损伤 肝细胞损伤
感染
心力衰竭
肝损伤
实例2：顺铂
• 在血液中，Cl-浓度高(100mM)，以Pt(NH3)2Cl2形式 存在，生物活性较低；
• 扩散进入细胞，细胞内Cl-浓度低(3~20mM)，发生 Cl-的取代反应，产生阳离子性水合物，最终与DNA 结合成稳定的加合物。这些加合物是有害的，但是 对肿瘤的有害程度大于对正常组织的有害程度，导 致在生物体水平上的有益效应。
贮存和排出过程之间有一个平衡，即代谢平衡。
实例1：铁
• 是所有生物体内的一种必需金属离子。主要作用包括 传送分子氧、参与电子传递等。例如，铁缺乏时，满 足不了血红蛋白合成的需要，将引起缺铁性贫血。
• 也是常见的一般毒性物质。当生物体内铁超载时，过 剩的金属离子将催化产生活性氧物种(reactive oxygen species, ROS)，损伤组织——Fenton反应。
4 细胞内金属离子浓度的控制与 应用
细胞结构——透射电子显微镜观察
19,000
主要内容
• 金属离子的有益作用和毒性效应 • 在严格调节之下的有益金属：铁 • 毒性金属实例：汞 • 金属离子梯度的产生 • 细胞内离子浓度的测定
• 有益金属离子：Ca, Fe, Zn…
1.浓度太低时，需要利用该离子的过程将受到不 利影响，生物体产生金属离子的缺乏症；2.浓度 适当时，满足生物体需要；3.浓度太高时，产生 毒性效应，例如，过多的金属离子将结合到某一 不恰当的部位时，阻碍了其他有益金属的结合。
Malaria/Sickle cell anemia/Thalassemia
•gene mutation •abnormal Hb •Fe overload
malaria
thalassemia
Sickle cell anemia
Pathological relation among Malaria/Sickle cell anemia/Thalassemia
2. 铁的溶解、传输和摄取
• 铁的溶解、传输和摄取是由转铁蛋白(Transferrin,
Tf)完成的：
血液中Fe3＋ Tf
TfR
F～1020M-1)
• 结合特点：Tf与铁结合的同时，也同一个阴离子
(如碳酸根)结合；Tf与碳酸根的结合促进了与铁的
结合，反之亦然。在细胞内，这个协同作用对于
N
Pt
N
主要内容
• 金属离子的有益作用和毒性效应 • 在严格调节之下的有益金属：铁 • 毒性金属实例：汞 • 金属离子梯度的产生 • 细胞内离子浓度的测定
1. Iron Transport in intestines
Fe3+ Fe2+
Apical surface
Ferric reductase
Basal surface
•转铁蛋白 •铁蛋白 •红细胞体积
Endpoint
•贫血 •免疫能力下降 •乏力 •发育迟缓
Iron input/output in balance
Faeces
Iron overload
• “A million Americans have a potentially fatal disease — iron overload. So why are we still focused on deficiency? _”Finch 1995