生物膜的离子转运和酶

生物细胞的一个重要特征是细胞内外液体的离子浓度有着显著的差异,特别是细胞内K~+离子的浓度明显地超过细胞外液中K~+离子的浓度,细胞内Na~+离子的浓度则比细胞外液Na~+离子浓度低得多.现以人红细胞和大肠杆菌为代表来了解其跨膜离子分布的情况(表1).     

轻稀土钕离子Nd3+可以被纤细裸藻(Euglena gracilis) 277摄入细胞内部

单细胞的纤细裸藻 (Euglenagracilis) 2 77有很强的从水溶液中摄取Nd3 +的能力 .ICP AES分析结果指出 ,当反应体系中Nd3 +总量和细胞总数一定时 ,每个细胞中Nd3 +摄取量的平均值 (mNd)与溶液体系的稀土浓度 (CNd)之间无显著依赖关系 ,mNd随体系中Nd3 +总量与细胞总数的比值 ( ξ)增大呈线性增加 .纤细裸藻快速冷冻超薄切片的电子显微镜分析和X射线能量色散 (EDAX)分析证明 ,Nd3 +可进入细胞内部 ,叶绿体是Nd3 +在胞内的主要驻留区室之一 .四氯四碘荧光素 (I4TCF)可以作为Nd3 +细胞原位的光吸收指示剂 ,用于定量测定Nd3 +在裸藻细胞内的含量及分布 .裸藻细胞内的Nd3 +平均浓度远大于胞外水溶液中的浓度 ,Nd3 +的跨膜表观浓度梯度可达 5个量级以上 .研究结果提示 ,纤细裸藻细胞中可能存在一个与Ca2 +通道特性相关的Nd3 +跨膜转运机制     

钾离子代谢紊乱临床症状的理论分析

早在1794年,高尔范尼(Galvani)用没有金属的吸引现象发现了活组织的生物电现象。大约250年后,科学家们才逐渐认识到了金属离子与细胞膜电位的关系的重要性。1940年布林克斯(Blinks)发现几乎所有的细胞电位,都是内负外正;只有一种法囊藻例外,其胞外介质比胞内负10～20mV。1959年卡茨(Katz)等发现,Na~+的跨膜浓度梯度,对于建立和维持膜电位没有多大关系。6年之后贝克(Baker)证实了K~+对于大多数细胞来说,起到了维持和建立膜电位的作用。同年卡茨又报道了,当细胞内K~+含量降低时,Na~+的排出也减弱,并推测排Na~+摄K~+过程是同时进行的。这一发现支持了康诺利(Connelly)(1959)所提出的假设,他认为K~+、Na~+是在一种名叫钠钾泵的     

稀土对3’,5’-环腺嘌呤单核苷酸与3’,5’-环鸟嘌呤单核苷酸的快速断裂作用

在温和条件下能快速切断核酸的人工酶有许多重要的潜在应用价值,如作为模拟的限制性内切酶并发展到新的抗癌药物,因此,长期以来人们致力于研究具有高效率及高选择性的人工酶.关于稀土对核酸断裂作用的研究尚不多,而稀土对环核苷酸的催化水解作用只有Sumaoka等曾报道Ce~(3+)对3’,5’-环腺嘌呤单核苷酸(cAMP)有快速的水解作用,稀土对不同环核苷酸的催化水解作用尚未见报道.3’,5’-环腺嘌呤单核苷酸与3’,5’-环鸟嘌呤单核苷酸(cGMP)具有调节细胞应答及细胞间信息传递的作用,且细胞内不同环核苷酸的变化与某些心血管疾病的发病机理有关.本文用高压液相色谱(HPLC)和核磁共振(NMR)研究了稀土对cAMP与cGMP的断裂作用,并深入探索了其机理,这对于寻找高效率及高选择性的核酸催化体系,阐明稀土在生物体内的作用具有重要的意义.     

烟草愈伤组织细胞质膜K~+通道盐适应机理的研究

高盐对植物细胞伤害的一个重要方面是由于细胞质内的离子不平衡造成的,特别是细胞中高Na~+/K~+比例破坏了细胞正常的生理代谢,高盐条件下引起离子不平衡的可能原因是Na~+大量内流进入细胞,K~+吸收相对减少。植物细胞如果要在高盐的环境条件下存活,必须有维持正常胞内离子相对平衡(较高的K~+/Na~+)的能力。以往的研究表明:质膜和液泡膜上的主动转运系统,如:Na~+/K~+,Na~+/H~+反向转运载体和H~+泵在维持细胞质内高的K~+/     

生物复杂环境下的核磁共振技术和应用:机遇与挑战并存

核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)技术是研究生物大分子结构、动力学和相互作用最理想的工具之一.近年来,高场NMR波谱仪的使用和NMR实验方法的不断创新,在很大程度上提高了NMR技术检测的灵敏度和分辨率,使NMR技术得到快速发展和广泛应用.目前,生命科学与物质科学的交叉融合使生命科学研究从观察、描述性科学转向定量、可预测性科学,多种学科交叉渗透发展已成为科学研究领域十分普遍的现象.在这种趋势下,生物复杂环境下的磁共振谱学研究体系日趋成熟,本文重点回顾和讨论了多学科交叉研究趋势下NMR技术在生物复杂体系中的应用和发展,主要包括复杂膜环境下的膜蛋白研究、复杂细胞环境下的细胞内NMR(in-cell NMR)研究以及骨组织的固体NMR研究等.     

PEG胁迫下高粱根中66kD多肽的增多与K~+累积增强的关系

细胞中K~+的累积在渗透调节中起有重要作用,它的吸收、运输及其K~+亲和蛋白质的研究正在探索之中。在大肠杆菌中,Hesse等分离到了对K~+具有高亲和力的kdp系统(K_m=2μmol/L),它是由渗透胁迫诱导产生的。基因kdpABC编码三个与膜结合的蛋白质(分子量分别为47,90和22kD);基因kdpDE编码两个调节因子。Gaber等圆在酵母中发现了一个高亲和力的K~+运输系统,它是由trkl编码的质膜蛋白。Sentenae等分离了aktl基因,并证明即使在外界K~+浓度仅为0.6μmol/L时,aktl表达仍能使酵母细胞吸收K~+。在燕     

多肽及蛋白质中天然丰度15N的NMR检测

~15N的核磁共振(NMR)研究是蛋白质溶液结构解析中的一个重点.用NMR对生物大分子的溶液构象进行研究的第一步,往往就是通过~15N的异核多量子相干(HMQC)谱的测定来定出酰胺质子的归属,再进行全相关谱(TOCSY)和核欧沃豪斯(Overhauser)增强谱(NOESY)等其他谱的实验 由于~15N天然丰度很低(约0.37%),直接对蛋白质中天然丰度~15N进行NMR的研究几乎没有报道.三维及多维NMR实验在对样品进行~15N富集处理的条件下能够更为方便、有效地测定蛋白质溶液结构,但很多蛋白质是从天然物质中提取出来的,纯化过程已很复杂,要获得~15N标记的蛋白质样品更加不容易.同位素标记技术十分繁琐,成本昂贵,不是每一个从事蛋白质溶液结构研究的实验室所能实现的.因此对蛋白质中天然丰度~15N的NMR研究具有十分重要的意义.     

稀土甘氨酰替-L-亮氨酸固体配合物及其溶液中构象的研究

稀土生物配体配合物研究对考察稀土生物效应并进而探索其对生态环境和人类健康的影响具有重要意义,稀土二肽配合物研究不多。本文合成并用元素分析和红外光谱研究了稀土元素甘氨酰替-L-亮氨酸固体配合物,采用~(13)C NMR研究了配合物溶液中构象。     

分子筛中~(113)Cd的固体NMR研究

作为一种有效的多相催化剂,分子筛已被广泛地应用于石油化学工业中,有着极其重要的经济价值。对其结构与性能的研究一直是催化工作者的兴趣所在。前人曾初步考察了分子筛中Na~+、H~+、Tl~+、Li~+、K~+等阳离子的NMR行为。本文首次对X型分子筛中~(113)Cd核磁共振谱和它的动力学状态进行了探讨。发现脱水作用可使Cd~(2+)进入I位,而水合态下Cd~(2+)处于一种Cd_Ⅰ′(?)Cd_Ⅱ的换位运动之中。并估算了Cd~(2+)在各阳离子位上的布居数和交换运动速率常数。     

跨膜Ca2+梯差对重建β-肾上腺素能受体配基结合功能的影响

在正常生理状态下,真核细胞内Ca~(2+)浓度为10~(-7)～10~(-6)mol/L,细胞外侧为10~(-3)mol/L,即细胞膜的两侧存在1000～10000倍的跨膜Ca~(2+)梯差。当细胞外信息跨膜传递时细胞外Ca~(2+)内流,胞浆中的Ca~(2+)浓度升高,细胞膜两侧的跨膜Ca~(2+)梯差降低约10倍,即膜内外两侧的跨膜Ca~(2+)梯差为100倍;而信息传递完成后胞浆中的Ca~(2+)会通过质膜上的Ca~(2+)-ATP酶或Na~+-Ca~(2+)交换运出细胞外以维持膜两侧合适的跨膜Ca~(2+)梯差。因此,细胞膜两侧的跨膜Ca~(2+)梯差在维持细胞正常功能中具有重要的生理意义。但这种跨膜Ca~(2+)梯差对膜结合蛋白,尤其是对参与构成信息跨膜转导体系的膜蛋白的结构与功能及其相互作用的影响尚未引起足够的重视。     

钆对二棕榈酰磷脂酰胆碱脂质体相变性质的影响

随着稀土在农业、药物等方面的应用日益广泛,特别是钆的二乙三胺五乙酸配合物(Gd-DTPA)已被临床应用于核磁共振成像的造影剂等,因此研究稀土在生物体内的作用机理,已成为当前极感兴趣的课题,虽然有关稀土的宏观毒理学已有不少报道,但是研究稀土对生物膜的影响报道很少,钆对生物膜的作用尚未见报道,稀土离子和钙离子在体内的竞争亦是人们关心的问题,本文采用差示扫描量热(DSC)、激光拉曼技术研究了钆离子及Gd-DTPA等对人工膜二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)脂质体相变性质的影响,并观察了Gd~(3+)对人工膜上结合钙的取代作用。     

一种新型的锂离子选择电极

以八甲基四氧Quaterene的氢化产物为中性载体,邻苯二甲酸二辛酯为增塑剂,研制成功了一种PVC膜锂离子选择电极.在纯氯化锂溶液中,这种电极在10~(-5)M到10~(-1)M范围内呈现Nernst响应,平均斜率为60士1毫伏/pLi~+.采用分别溶液法测定了对K~+、Na~+、NH_4~+、     

细胞内膜系统的跨膜分子运输

细胞是执行生命功能的基本单位,各种生物分子在脂膜包被的区域内有序协调地行使功能,从而构成了生物活动的基础.脂分子层不仅具有隔绝内外形成微环境的屏障作用,而且还通过受控的跨膜物质运输与信号转导而发挥交通枢纽的功能,实现了膜内外物质与信息交换的精细调节.除此之外,脂分子层由于其形成的疏水环境还为大量的脂溶性生物小分子的合成与代谢提供了加工场所.细胞内膜系统的物质运输是一个高度受控的复杂物流网络,所运输的底物涵盖了无机小分子、有机小分子和生物大分子等众多物质,其运输效率和调节机制与细胞发挥正常功能以及疾病发生发展具有重要关系.由于分子定位、原位成像和蛋白质样品获取方面的困难,目前对于细胞内膜运输系统的研究与了解只是冰山一角.本文就细胞内各膜系统间发生运输和交换的信号分子、营养物质及生物大分子的研究进展做了综述,并且期待在细胞内膜系统研究上新技术新方法的发现.     

福岛核事故泄漏进入海洋的~(137)Cs对中国近海影响的模拟与预测

2011年3月日本福岛第一核电站遭受海啸侵袭,引起大量放射性物质泄漏进入海洋和大气,进入大气通道的放射性物质大部分沉降于海洋上,其中进入大气中的137Cs(总量约13 PBq)有38.5%沉降于日本东部海域,对海洋造成二次污染.本文在POM环流模式中引入放射性物质在海洋中的输运、沉降和衰变的控制方程,建立了一个准全球放射性物质数值模式,模拟并预测了福岛核事故泄漏的放射性物质137Cs的长期输运情况,分析了该泄漏物质通过海洋途径进入中国近海的过程.结果表明:福岛核事故泄漏的137Cs于2013年开始对中国近海海域造成影响,其浓度和影响范围在未来5~6年将逐渐增加,2018年前后黄东海和南海北部的137Cs浓度达到最高值.南海中南部浓度小于黄东海和南海北部,且最大浓度出现时间滞后于其他海域,所有中国近海海区137Cs浓度达到最大值后在自身衰减的作用下逐渐降低;137Cs在中国近海的浓度小于外海,在黑潮外部海域由于黑潮的强流屏障作用会形成一个137Cs浓度高值区;137Cs在中国近海浅水海域上下混合均匀,在深水区上层水体的137Cs(上400 m)浓度要明显大于下层,在南海200~400 m层水体形成一个高值区.     

跨膜Ca2+梯度的消失影响红细胞膜脂的不对称性分布

正常生理条件下,红细胞内Ca~(2+)浓度为10~(-6)mol/L,而血液中的Ca~(2+)浓度则约10~(-3)mol/L,因此红细胞膜两侧存在着1000倍的跨膜Ca~(2+)梯度.有报道在贫血病人的红细胞或老化的红细胞中,红细胞内的Ca~(2+)浓度大幅度上升,导致了跨膜Ca~(2+)梯度的下降.我们曾报道过一个合适的跨膜Ca~(2+)梯度可通过膜脂调节质膜腺苷酸环化酶、肌质网Ca~(2+)-ATP酶的构象和活力.最近,我们又初步报道了一个合适的跨膜Ca~(2+)梯度是红细胞带3蛋白(Band-3)表现较高阴离子转运活力所必须的.那么这种调节作用是否也是通过膜脂进行的呢?众所周     

Mg~(2+)对猪肾外髓质Na~+,K~+-ATP酶在脂质体重建的影响

近年来,重建技术被广泛应用于研究膜蛋白的结构与功能及其与膜脂的相互关系。前曾报道,Mg~(2+)等二价金属离子对猪心线粒体H~+-ATP酶、细胞色素氧化酶等膜蛋白在脂质体的重建具有明显的促进作用。本文对Mg~(2+)影响猪肾外髓质Na~+,K~+-ATP酶在脂质体的重建初步进行了探索。     

锗-132的稀土配合物对5''-腺嘌呤及5’-脱氧腺嘌呤核苷酸的水解断裂作用

核酸是重要的生命物质,对核酸序列的选择性切割是当前基因工程的关键问题.在生理条件及非酶存在下,核酸非常稳定(磷酸二酯键在pH 7,25℃时的半衰期为2亿年,因此,近年来研究的人工酶是通过氧化脱氧核糖来切断DNA的,而有关选择性水解断裂核酸的报道则很少,主要困难是缺乏高效的“分子剪刀”,有关稀土对核酸断裂的研究报道尚不多见.作者曾报道了除Ce(Ⅳ)外,其他稀土对5’-腺嘌呤核苷酸(5’-AMP)及5’-鸟嘌呤核苷酸(5’-GMP)均无明显水解作用,并且过去报道的体系为碱性介质,此时稀土以氢氧化物沉淀形式存在为非均相体系,其应用局限性非常大,因此,寻求可溶性的稀土水解核酸体系就显得非常重要.本文用核磁共振(NMR)和化学法研究了Yb-Ge-132和Pr-Ge-132配合物对5’-AMP及5’-dAMP的断裂作用,指出Yb-Ge-132和Pr-Ge-132使5’-AMP水解为腺苷(A)及无机磷,使5’-dAMP水解为脱氧腺苷(dA)及无机磷,其断裂机制为水解断裂,这对于研究稀土与核酸的作用,寻找新的核酸均相水解体系都具有非常重要的意义.     

Omega分子筛钠离子局域环境的~23Na变角样品旋转(VASS)核磁共振研究

经~(23)Na魔角旋转(MAS)及二维四极章动(two dimensional quadrupolar nutation)核磁共振(NMR)表征:水合Omega分子筛中Na~+至少有两种不同局域环境,分别对应NMR谱中的低场和高场信号.在分子筛中,对于半整数四极核(如~(23)Na,自旋量子数I=3/2),除二阶四极作用外,化学位移作用也往往是核所处局域环境的重要表征,而MAS NMR方法为窄化谱线,消除了化学位移各向异性作用,从而也就失去了这部分有关信息.变角样品旋转(VASS)     

Fe~(3+):KZnF_3晶体中的K~+空位研究

掺杂晶体的缺陷研究近年甚为活跃。在立方对称的KZnF_3晶体中掺入Fe~(3+)杂质,Fe(3+)取代Zn~(2+)。这通常称为立方占位,其自旋哈密顿(SH)参量的实验值为:D=0,F=0,a≡a_c=(52.7±0.2)×10~(-4)cm~(-1)。杂质较多时,晶体<111>方向的K~+出现空缺,形成K~+空位。SH参量的实验值为:D=103.4,F=-3.9,a=45.6(单位:10~(-4)cm~(-1))。Krebs和Jeck的实验进一步表明:K~+空位的产生使得Fe~(3+)的局域结构发生变化:Fe~(3+)向K~+