关于铊为何相像于钾离子而非钠离子.doc

关于铊离子侵入生物体中后为何侵占钾离子系统而非钠离子系统调查表目录一、一价钠离子钾离子铊离子理化生性质简述及对比-1二、分元素简述分析 1、铊-2 2、钾-4 3、钠-6 4、钠和钾-63、 生物系统内的离子跨膜运输机制 1、蛋白质综述-7 2、离子跨膜运输综论-8 3、配合物综述-8 4、离子通道-9 5、载体蛋白-10 6、离子泵-11四、结合材料分析-13五、参考资料-14 郝雅迪 2014.2.24一、一价钠离子钾离子铊离子理化生性质简述及对比一价钠离子钾离子铊离子理化生性质一览表元素Na(I)K(I)Tl(I)细胞外浓度mol/L1454-细胞内浓度mol/L12155-ionout/ionin比值120.026-平衡电位mV+68-99-成人体内含量g/kg1.42.0-基态光谱项电离能(针对元素)I1495.8418.8589.4I24562.43051.41971I3691244112878电子亲和能-52.8-48.4-36离子半径pm4配位99137-6配位1021381508配位1181511599配位124-12配位139164170原子量（针对元素）22.9897739.0983204.3833密度（针对元素）0.970.8611.5硬度（针对元素）0.40.51.0比热容（针对元素）1230753130熔点（针对元素）97.8163.65303沸点（针对元素）882.9774.01457电阻率（针对元素）4.286.1518.0电负性（针对元素）0.90.81.8第一电子亲和能53.07548.2548.25标准电极式-2.714-2.9251.250人体内总含量g105245-相对质量0.150.35-主要体内分布细胞外细胞内-水化能406322-水化半径2.762.32-平均半径0.981.33-C*N(体内配位数)668-配位几何八面体可变-生物配体氧、醚、羟基、羧基氧、醚、羟基、羧基-缬氨霉素积累稳定常熟对数值0.74.9-吸收因子对数值-0.32.9-NTA积累稳定常熟对数值2.11.0-吸收因子对数值1.1-1.0-电荷密度（）0.860.660.67 (kJ/mol)-405-321-运送数71346-鲍林半径pm95133144Ps：1. 表中电子亲和能来源化学元素综论，第一电子亲和能来源于化学元素周期表漫谈。2. 一般配位构型为八面体、四面体，其他配位构型可看作是八面体和四面体这两种理想构型畸变的结果。3. 缬氨霉素与NTA为两种不同的载体蛋白，表中所反映的是其对Na+、K+两种离子特异性结合能力大小。4. 吸收因子兼考虑了稳定常熟与局部金属离子的浓度，从而更好的度量了配合物形成的可能性。5. 某种金属离子对某一配体的选择性受诸多因素影响如：氧化态、配位几何、HSAB标度。6. 金属离子在体内的配位数值与配位几何与阳离子与配体的相对大小有关。7. 金属离子与生物配体成键本质为静电吸引。8. 计算电荷密度时，q取表观价态数1。9.金属元素电子亲和能越大电子越不易失去，金属性越强，化学性质不活泼。10.金属离子的络合能力取决于电荷密度。电荷密度越大，络合能力越强。11.鲍林半径数据来源于基础化学二、分元素简述分析1、铊1.Tl+为K+输运系统的底物。2.甲基钴胺素能甲基化Tl+。3.一价铊化合物可和白磷反应生成网状化合物，而同时power课题组报道了一价镓化合物活化氢气的反应其中利用了钾元素作为还原剂（反应分子式如下图）：4.作为【卡宾类似体】（含二价碳的电中性化合物）低价13族化合物能做为电子给体与其他金属化合物配位。5.13族稳定性如下：Al(I)Ga(I)In(I)Tl(I) 且TlOH常温下稳定。6. 长周期13族ns轨道使惰性电子对效应增强。7. Tl为亲S元素，显碱性。8. Tl（I）的稳定性大于Tl（）9. 成人内照射吸收剂量估算值（rad/mCi）：Tl（I）肾髓质1.2（靶器官） 卵巢0.47 睾丸0.52 全身0.21Ps：1.此数值为静脉给药结果，1rad/mCi=0.27mGy/MBq2.放射性活度与质量关系： A:放射性核素活度（Bq）M：molT：半衰期3. 医用放射性核素內照射吸收剂量的计算（MIRD法）：:靶器官平均总吸收量：源器官积累活度：源器官单位积累活度对靶器官所致的平均吸收剂量（S值）2、钾1.钾元素是各组织中含量最高的阳离子，98%存在于细胞內液。2.钾在IA族的四个元素例子中电荷密度最低，因而可以像在水中扩散那样容易地在疏水溶液中扩散（如在脂蛋白细胞膜中扩散）。3.钾是细胞内主要阳离子，是细胞膜、肌肉及血液的主要成分，维持细胞内的渗透压和PH平衡，促进核蛋白体内的蛋白质合成，且为丙酮脂激活酶的成分。4.作用： （1）参与钠钾泵转运（会在之后的离子泵中作详细介绍） （2）构成某些蛋白质和酶的辅基并参与多种物质的作用和代谢（细胞内的高钾离子浓度是一些重要的生命活动必须的） （3）钾离子起激发作用 （4）是体内电解质的重要组分之一 （5）影响酸碱平衡并保持应激能力5.缬氨霉素对钾离子有很高的选择性，未配位的缬氨霉素分子的空腔呈椭圆形，当钾离子进入空腔是，六个酯基中的羰基氧向钾离子集中形成6配位的畸变八面体结构，空腔变为圆形，内腔直径为2.72.9，未水合的钾离子直径为2.66，6个酰胺键中的碳氧基和缬氨酸的氮氢键结合，形成一个环绕分子的氢键带，配合物大体上呈对称，6个键键长为2.672.83.（缬氨霉素分子式如下图）缬氨霉素结合钾离子的能力是钠离子的1000倍以上，原因主要可分为两方面： （1）配合物的形成作用 （2）金属离子的水化作用（半径越小，水化作用越大，对配体的选择性越小）一说缬氨霉素在水化能上对离子做出区别，钾离子和钠离子在结合前一定要失去其水化层，对于电荷密度钠离子大与钾离子，故融合剂的结合对钾离子更有利。Ps：离子载体结合金属主要是以氧原子作为配位原子，所以选择主要取决于离子的电荷和大小。Ps：【缬氨霉素】是一种环状低聚肽，含有12个羰基，且均可参与配位，还有许多疏水支链基，其可与钾离子赔为，形成钾离子配合物，尽管该配合物带电，但仍很容易扩散到膜的疏水内层（双层磷脂内层）（因为钾离子配合物表面的疏水支链基作用的结果），它不会影响钠离子的通透性。6. 尼日利亚菌素对钾离子的选择性很高（主要用在钾离子&氢离子逆运输中）7. 静息电位形成的本质：钾离子外流。8.钾离子通道主要分为三种类型：非门控离子通道（与静息电位形成有关）、电压门控离子通道（与细胞兴奋又关）、化学门控离子通道（需二价钙离子激活）9.钾离子属路易硬酸、a类金属，其生物配体属a类配体。Ps：【a类金属】包括一家钠离子钾离子在内具有8偶电子结构，相互作用主要为静电作用，化学键强度取决于电荷/半径，然而，配位体中空穴的大小可以不受此推测约束。此类碱的分子体积小、电负性高、难于氧化、难于极化。3、钠1. 钠离子通道主要为电压门控的钠离子通道：一般钾离子通道开启对与钾离子有更大的通透性，兴奋时钠离子通道开启，兴奋部位与未兴奋部位的膜之间产生了电位差即动作电位。（关于钠通道在通道蛋白中会有更详尽的介绍）。2. 莫能菌素对钠离子的选择性远大于钾离子。3. 钠离子通道电压敏感4. 钠离子是细胞外液中的主要离子（约占91.6%）全部由胃肠吸收。5. 作用： （1）体液与电解质的平衡 （2）维持渗透压的平衡 （3）心肌细胞兴奋的基础物质 （4）维持血压平衡 （5）激发并维持某些酶的活性 （6）维持钙平衡，阻止细菌繁殖6. 钠离子属于路易硬酸7. 钠离子在维持钙平衡中起重要作用，钙离子影响钠离子平衡的代谢，当钙离子主动外运与钠离子顺梯度内流相藕联进行，当细胞外钠离子增高时，钠离子内流增加将促进钙离子外运。4、钠和钾1.当主族元素处于一定的化合态是，它对生物细胞的营养或毒害作用主要与元素本身的性质或在元素周期表中的位置有关2.动作电位的形成与钠和钾息息相关Ps【动作电位】受到阈上刺激时，在静息电位基础上发生的快速、可逆转、可传播的细胞膜两侧的点变化。主要成分：峰电位形成条件： （1）细胞内钾离子大于细胞外，而细胞外钠离子、钙离子、氯离子高于细胞内（依靠钠钾泵（后面会作详细讨论） （2）不同状态下细胞膜对不同离子的通透性不同，安静中钾离子通透，去极化到阈电位水平钠离子。 （3）可兴奋组织活细胞受阈上刺激。原因：钠离子内流3. 电压门控离子通道与细胞兴奋性有关，钠离子钾离子 都有该种离子通道。4. 为发挥钠离子与钾离子的生物&神经功能，必不可少的两类蛋白质为：（1）离子泵蛋白（2）离子通道蛋白 5. 恩镰孢菌素和大四内脂类载体可运输钾离子和钠离子。（个人推测：这表明离子半径并不是影响载体蛋白与离子结合的决定因素）6. 金属离子可以同时配位于几个配体。7. 钠离子和钾离子可作为钠钾ATP酶的激活剂，钠离子与钾离子的主要差别别是离子大小、电荷密度、水化半径、水化能，这些差异对于生物体系来说是本质性的，如钠离子属于细胞外元素，钾离子属于细胞内元素，钾离子可被大离子Rb+、Cs+、NH+、Tl+置换。8. 钾离子、钠离子的离子电荷与离子半径与他们在生物体系中的作用密切相关，这些离子无色、无是顺磁性，且不参加氧化还原反应，他们的配合物主要通过静电作用稳定。9. 影响金属离子结合常数的因素： （1）配体选择（依软硬匹配原理，硬酸配硬碱，一般硬金属离子选择与较小的阴离子配位） （2）配位几何 （3）PH值Ps：【生物配体】生物体内与金属离子配位并具有生物功能的配体。10. 非过渡金属一般具有球对称性和惰性气体型外壳，配键属电价性，强度与离子势成正比，=Q/r，且越大稳定性越大。11. 碱金属反应速率随离子半径的增大而增大，正电荷一定时，半径越大离子保持水分子能力越小，其反应速率越大。12. 金属离子的电学和磁学性质由其近邻配体所决定（这也是中心离子与配位体化学键的本质）13. 钠离子钾离子可为生物大分子提供静电稳定作用。14. 钠离子和钾离子在动力学上活泼热力学上稳定。Ps：动力学上稳定有助于底物与之结合、离解。15. 钠离子和钾离子与生物配体并不紧密结合。16. 钠离子和钾离子进入细胞的方式可分为三种：被动扩散、离子选择性通道、主动运输。17. 金属离子影响蛋白质的电子结构和反应能力。三、生物系统内的离子跨膜运输机制1、蛋白质综述 蛋白质分为四级结构，基本单位为氨基酸（主要），氨基酸之间通过肽键链接。肽键为单键但带有双键的性质，所以不能旋转。1.蛋白质的作用主要为信号传导：生物能对外界刺激做出反应，感受信号后，外界信号与细胞表面的受体缩合成复合物随后受体又与G蛋白相互作用，使G蛋白、亚基解离，随后G蛋白又与细胞内的效应酶、离子通道相互作用使之反应。2.维持、稳定蛋白质高级结构的因素（在此只讨论静电作用）： 静电作用： （1）氨基酸中有多种可解离的侧链基团，正常时，在阳离子有阴离子时，其静电作用即为盐键（严格服从库仑定律），与PH、介电性质有关。 （2）极性基团在其他原子基团地作用下可产生（具有一定稳定性的）永久偶极如：羰基其与带电基团和自身间也可产生静电作用。3.色氨酸、组氨酸及一些酸性残基的侧链等可与一些金属形成配位键。4.受体蛋白通常只有单个-螺旋区，而转运蛋白总是有多个跨膜片段，片段中的氨基酸残基大部分为疏水的，也有少量极性氨基酸，许多膜蛋白可在膜中自由侧向扩散。5.转运蛋白通过面向内与面向外构象之间的转换实现运输。6.蛋白质含有氨基酸及其他化学成分，叫做缀合蛋白质（也叫辅基或配体（ligand）7.非蛋白质与蛋白质通过共价键相连，可以水解去除非旦白质部分。8.非蛋白质与蛋白质之间不通过共价键相连，则只要使蛋白质变性就可去除。9.蛋白质的功能是其结构的延伸。（具有三、四级结构的蛋白质其表面也有可键和的基因表现出其功能）其结构主要通过以下四种作用力实现：（1）氢键（2）盐键（3）疏水相互作用（4）范德华力一种离子与蛋白质结合原理如图：Ps：L为含水的配体介质。10.蛋白质功能个性与氨基酸残疾序列和立体结构有关2、离子跨膜运输综论离子跨膜运输主要分为以下几种方式：（1） 主动运输主要由离子泵实现，需要能量。可分为原发主动运输、第二级主动运输。原发主动运输中，能量是由ATP水解、光、电子传递直接供给的，第二级主动运输是被离子梯度驱动的底物的上坡转运和离子的下坡转运偶联。（2） 异化扩散（faciliatied diffusion）异化扩散又可分为a.载体介导 b.通道介导关于异化扩散后面会有详细介绍。3、配合物综述生物体内配合物的形成是分步进行的，化学式如下：(1)(2)(3)1. 络合物的稳定取决于配位体的大小，越大越不稳定。2. 离子穿过细胞膜时通常会形成三元络合物，2种配位体所亲和的金属离子，几何结构必须相同，如果A配位体亲和平面四方形，B亲和八面体，就不可能形成三元络合物。3.配位体的专一性是很少见的。4、 离子通道可分为非门控性、电位门控性、化学们控性等。1.短杆菌肽A是由L-氨基酸和D-氨基酸交替排列而成的。N-端和C-端都被保护了15肽，会通过H键二聚形成一个跨膜通道，键长2530，孔径4，阳离子可通过，其中主要是钾离子通过（通过能力远大于钠），如下图选择性主要有金属离子和水化离子的大小决定。2. 有些离子通道是电压门控的（如大部分钠离子通道和小部分钾离子通道）运送离子的能力受膜电位、内源配体（如：神经递质）的影响 PS:R R=8.314J/K*molz离子电荷FF=96485C/mol3. 离子通道对于某种离子具有高度选择性，一个离子通道所通过的电流与电压的关系有ohm定性描述：Ps：G:电导，单位S,表示电解质的导电能力，G=1/R4. 电位门控的钠离子通道由一种大蛋白质和两种小的辅助蛋白组成，大亚基分子量为-270ku对钠离子特异性选择的原因：（1） 离子半径（2） 钠离子通道电导具有PH依赖性，随PH的减小而减小PS：跨膜电位差下图为一种需要乙酰胆碱激活的钠离子电位门控离子通道：5. 离子通道特性：（1） 离子选择性：主要决定因素离子大小&电荷（如针对神经细胞膜离子通道:静息时钾离子运送速度是钠离子的100倍，兴奋时钠离子的运送速度是钾离子的1020倍）（2） 门控性：有激活、失活、关闭三种状态（蛋白质分子构象不同）6. 离子通道的生理功能：（1）是形成生物电现象的基础（2）介导兴奋收缩藕联&兴奋分泌藕联（3）参与细胞膜信号转导（如化学信号与电信号的转导）7.离子通道属于离子运送体的一种。5、载体蛋白【离子载体】当离子通过生物膜时，必须打开膜中的H键才得以进入疏水层，这对于亲水性的金属离子是相当困难的（钠离子、钾离子同属于亲水性离子，铊离子属于亲硫性离子），事实上，金属离子的跨膜运输必须借助某些运送体，概括的说；一类可以在膜内活动的小分子载体（ionophore），另一类是固定在膜内形成离子通道的蛋白质（ionic channel）1. 离子的运送体有三类：（1） 膜内膜上可活动并与离子可逆结合的小分子离子载体。（2） 与某些特定的离子结合的蛋白质载体（carrier proteins）（3） 离子通道2. “诱导契合学说”蛋白质在其专一配基的作用下，自身构象改变，与配体形成某种复合体，这些复合体中蛋白质的构象变为另一种介稳态，诱导契合学说主要分为以下三种契合：（1） 锁与钥匙(蛋白质与需转运物质的几何构型相同)（2） 诱导契合（3） 现成平衡6、离子泵1.钠钾泵原理： 细胞内外钾离子浓度的差别的维持和钠泵的正常运转有关，细胞膜两边的钠离子和钾离子的高浓度梯度油泵的活动维持（需要能量），钠泵由高能磷酸键取能（ATP供给）作用为转运钠离子出细胞与转运钾离子进细胞。 钠钾泵的主要组成为腺苷三磷酸酶（Na+K+ATP酶）可被镁离子（二价）激活，其与钠离子、钾离子的主动转运密切相关，此酶需要钠离子而钾离子却可在某种程度上被其他离子取代。 钠离子、ATP从内面激活转运，钾离子、哇巴因从外面影响转运，各种细胞之中很大一部分能量代谢是用来供应给钠钾泵的（30%左右） 主要作用是维持钠离子钾离子胞内外的浓度差。【Na+K+ATP酶】是钠泵的主要工作部件（属于内膜结合蛋白质），有两部分组成：（1）100ku的催化亚基（2）45ku的结合糖蛋白，由他们形成一个，四聚体，反映方程如下：工作机理梗概：钠离子在膜内侧的结合作用促进了酶上一个特定的天冬氨酸残基的磷酸化，改过程诱发酶分子的构象变化（弱化了钠离子的结合作用），三个钠离子过膜，然后结合于外膜的钾离子促进酶的去磷酸化，酶分子的构象发生逆的变化（弱化钾离子的结合作用），2个钾离子过膜，其分子结合细节还有待研究。工作流程图如下：Ps：-亚基：带有寡聚糖连-Asp亚基：亚基催化ATP水解含有一个面向质的钠离子结合部位和面向胞外的钾离子结合部位 镶嵌在细胞膜类脂双分子层中具有ATP酶活性的一种特异蛋白，在镁离子存在的条件下，可被膜外钠离子和膜内钾离子激活，每一循环消耗一个ATP被转运出3个钠离子，摄入2个钾离子。其一个特性是其对离子转运循环依赖的自磷酸过程，ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象发生变化。通过自磷酸化来转运离子的离子泵就叫做P-type，相似与钙泵和质子泵。【磷酸化】最常用的磷酸基团供体为ATP，目标蛋白的磷酸化和去磷酸化由底物特异的蛋白激酶和蛋白磷酸脂酶催化完成，磷酸化位点一般为丝氨酸、苏氨酸、络氨酸的羟基。磷酸化可以增加蛋白质的负电荷数量（蛋白质生物化学与生物技术）四、结合材料分析 通过上述材料，我认为铊离子在侵入生物系统后之所以侵占钾离子循环系统而非钠离子，主要原因如下：1. 电荷密度差异较大材料显示：1.金属离子的络合能力取决于电荷密度。电荷密度越大，络合能力越强。2.钾在IA族的四个元素例子中电荷密度最低，因而可以像在水中扩散那样容易地在疏水溶液中扩散（如在脂蛋白细胞膜中扩散）。3.金属离子的水化作用（半径越小，水化作用越大，对配体的选择性越小）一说缬氨霉素在水化能上对离子做出区别，钾离子和钠离子在结合前一定要失去其水化层，对于电荷密度钠离子大与钾离子，故融合剂的结合对钾离子更有利。4.钠离子和钾离子可作为钠钾ATP酶的激活剂，钠离子与钾离子的主要差别别是离子大小、电荷密度、水化半径、水化能，这些差异对于生物体系来说是本质性的，如钠离子属于细胞外元素，钾离子属于细胞内元素，钾离