第四章 植物細胞跨膜離子運輸

1、第四章植物細胞跨膜離子運輸?shù)谒恼轮参锛毎缒るx子運輸?shù)谝还?jié)生物膜的物理化學特性第一節(jié)生物膜的物理化學特性第二節(jié)細胞膜結構中的離子跨第二節(jié)細胞膜結構中的離子跨膜運輸?shù)鞍啄み\輸?shù)鞍椎谌?jié)植物細胞的離子跨膜運第三節(jié)植物細胞的離子跨膜運輸機制輸機制第四節(jié)植物細胞氮、磷、鉀、鈣第四節(jié)植物細胞氮、磷、鉀、鈣的跨膜運輸系統(tǒng)和機制研的跨膜運輸系統(tǒng)和機制研究進展究進展第一節(jié)生物膜的物理化學特性第一節(jié)生物膜的物理化學特性一、生物膜的化學組成與生物膜的一、生物膜的化學組成與生物膜的“兩親性兩親性”和和“絕緣性絕緣性”二、跨膜電化學勢梯度和膜電位二、跨膜電化學勢梯度和膜電位一、生物膜的化學組成與生物膜的一、生物膜的化

2、學組成與生物膜的“兩親性兩親性”和和“絕緣性絕緣性”磷脂分子兩親性：親水基團磷脂分子兩親性：親水基團疏水基團疏水基團疏水層帶電離子親水部分具有強親水性的帶電離子不易通過膜的脂質(zhì)雙層結構絕緣性絕緣性Cl-Cl-Na+Na+K+甘油H2OK+甘油H2O生物膜人工膜人工膜10-210-4 10-610-810-10膜的相對通透性增高P生物膜與人工膜區(qū)別：生物膜中含有執(zhí)行離子跨膜生物膜與人工膜區(qū)別：生物膜中含有執(zhí)行離子跨膜運輸功能的蛋白質(zhì)。運輸功能的蛋白質(zhì)。二、跨膜電化學勢梯度和膜電位中性分子或粒子化學勢濃度帶電粒子電化學勢（濃度和電勢）膜電位：膜內(nèi)外兩側的電勢差。膜電位：膜內(nèi)外兩側的電勢差。分為：超

3、極化（分為：超極化（hyperpolarization）去極化去極化 (depolarization)根尖、莖尖或葉肉細胞patch clamp apparatus第二節(jié)細胞膜結構中的離子跨第二節(jié)細胞膜結構中的離子跨膜運輸?shù)鞍啄み\輸?shù)鞍纂x子跨膜運輸?shù)鞍谆螂x子運載體（離子跨膜運輸?shù)鞍谆螂x子運載體（ion transporter）：鑲嵌在生物膜中的大量功能：鑲嵌在生物膜中的大量功能蛋白中執(zhí)行離子跨膜運輸過程的功能蛋白。蛋白中執(zhí)行離子跨膜運輸過程的功能蛋白。離子通道（離子通道（ion channel）離子載體（離子載體（ ion carrier）離子泵（離子泵（ion pump）The three

4、classes of membrane transport proteins:channels,carriers,and pumps.一、離子通道一、離子通道（ion channel）K通道通道內(nèi)向鉀離子通道（內(nèi)向鉀離子通道（K+in） 外向鉀離子通道（外向鉀離子通道（ K+out）生物膜上的離子運輸?shù)鞍?，其氨基酸序列生物膜上的離子運輸?shù)鞍?，其氨基酸序列中的若干疏水區(qū)域在膜上形成跨膜孔道結構，中的若干疏水區(qū)域在膜上形成跨膜孔道結構，具門控特性，多種因素調(diào)節(jié)其開放、關閉狀態(tài)，具門控特性，多種因素調(diào)節(jié)其開放、關閉狀態(tài)，對離子具有選擇性，離子順電化學勢梯度跨膜對離子具有選擇性，離子順電化學勢梯度跨膜

5、運輸。運輸。 電壓門控K通道模型Proposed structural model for AKT1, a plant K+in channel電壓門控通道電壓門控通道二、離子載體（二、離子載體（ ion carrier） 生物膜上的一些有跨膜區(qū)域結構的生物膜上的一些有跨膜區(qū)域結構的特殊蛋白。特殊蛋白。 具有活性結合部位，選擇性地結具有活性結合部位，選擇性地結合物質(zhì)，結合后構象發(fā)生變化，合物質(zhì)，結合后構象發(fā)生變化，再將物質(zhì)釋放于膜的另一側。再將物質(zhì)釋放于膜的另一側。不具門控特性，由底物或其它化學不具門控特性，由底物或其它化學信號激活。載運物質(zhì)的動力是跨膜信號激活。載運物質(zhì)的動力是跨膜的電化學勢

6、梯度。的電化學勢梯度。具有飽和效應具有飽和效應分為分為：被動運輸載體被動運輸載體主動運輸載體主動運輸載體，如離子泵，如離子泵離子通過載體從膜的一側運到另一側示意圖離子通過載體從膜的一側運到另一側示意圖載體的動力學飽和效應 通過動力學分析，可以區(qū)別溶通過動力學分析，可以區(qū)別溶質(zhì)是經(jīng)通道還是經(jīng)載體轉運的，質(zhì)是經(jīng)通道還是經(jīng)載體轉運的，經(jīng)通道轉運的是擴散過程，沒有經(jīng)通道轉運的是擴散過程，沒有飽和現(xiàn)象而經(jīng)載體轉運的，由于飽和現(xiàn)象而經(jīng)載體轉運的，由于結合部位數(shù)量有限，因此具有飽結合部位數(shù)量有限，因此具有飽和現(xiàn)象。和現(xiàn)象。多數(shù)植物所必需的礦質(zhì)元素都是以離子形式經(jīng)質(zhì)膜上的離子載體離子載體進入胞內(nèi)。三、離子泵三

7、、離子泵(Ion pumps) 生物膜上的運輸?shù)鞍?，具有生物膜上的運輸?shù)鞍祝哂蠥TPaseATPase活性，靠水解活性，靠水解ATPATP提供能提供能量將離子逆電化學勢梯度跨膜運量將離子逆電化學勢梯度跨膜運輸。輸。分為：分為：致電離子泵（致電離子泵（electrogenic pump）中性離子泵（中性離子泵（electroneutral pump）DATP膜外側N膜內(nèi)側C圖4-13 植物細胞膜H+-ATP酶結構式意圖（引自Buchanan等，2000）（A A）（B）ADP（C）（D）OUTSI DEOUTSI DE（A A）（B）ADP（C）（D）OUTSI DEOUTSI DE圖4-14

8、 離子泵跨膜運輸離子的過程示意圖（引自 Taiz 和 Zeiger，1998） 植物細胞上確認的離子泵：質(zhì)膜上的H+-ATP 酶和Ca2+-ATP 酶液泡膜上的H+-ATP 酶和Ca2+-ATP 酶 內(nèi)膜系統(tǒng)上的H+-焦磷酸酶保衛(wèi)細胞的特點保衛(wèi)細胞的特點氣孔運動的機理氣孔運動的機理影響氣孔運動的因素影響氣孔運動的因素蒸騰意義蒸騰意義離子跨膜運輸?shù)鞍锥x及特點：離子跨膜運輸?shù)鞍锥x及特點：離子通道離子通道離子載體離子載體離子泵離子泵中文名稱中文名稱英文名稱英文名稱基因家族數(shù)基因家族數(shù)量量基因數(shù)基因數(shù)量量ATP結合跨膜運輸復合體ABC Transporters894反向運轉載體Antiporter

9、s1370水孔蛋白水孔蛋白Aquaporins235無機溶質(zhì)共運轉載體Inorganic Solute Cotransporters1684離子通道離子通道Ion Channels761有機溶質(zhì)共運轉載體Organic Solute Cotransporters35279泵（泵（ATP酶）酶）Primary Pumps (ATPases)1283氨基酸/生長素通透酶Amino Acid/Auxin Permease (AAAP)143主要內(nèi)在蛋白Major Intrinsic Protein (MIP)138擬南芥中各種跨膜運輸?shù)鞍追诸愐挥[表擬南芥中各種跨膜運輸?shù)鞍追诸愐挥[表 1. ATP酶液

10、泡膜上的H+-ATPaseATPATP酶逆電化學勢梯度運送酶逆電化學勢梯度運送陽離子到膜外去的假設步驟陽離子到膜外去的假設步驟電化學勢梯度電化學勢梯度第三節(jié)植物細胞的離子跨膜第三節(jié)植物細胞的離子跨膜運輸機制運輸機制一、被動運輸一、被動運輸二、主動運輸二、主動運輸三、共運輸三、共運輸一、被動運輸（一、被動運輸（passive transport）離子的跨膜運輸并不直接消耗離子的跨膜運輸并不直接消耗ATPATP，且其，且其被動運輸方式是順跨膜電化學勢梯度進行。被動運輸方式是順跨膜電化學勢梯度進行。如如簡單擴散簡單擴散（simple diffusionsimple diffusion）離子的被動跨膜

11、轉運輸是在載體的協(xié)助下離子的被動跨膜轉運輸是在載體的協(xié)助下進行，其運輸速度慢。進行，其運輸速度慢。 如如協(xié)助擴散協(xié)助擴散（facilitated diffusionfacilitated diffusion）高低ABC簡單擴散協(xié)助擴散被動運輸主動運輸能量膜質(zhì)雙層跨膜運輸離子電化學勢梯度高低ABC簡單擴散協(xié)助擴散被動運輸主動運輸能量膜質(zhì)雙層跨膜運輸離子電化學勢梯度二、主動運輸二、主動運輸(active transport)離子的跨膜運輸與消耗水解離子的跨膜運輸與消耗水解ATPATP相偶聯(lián)，相偶聯(lián)，且被運送離子的方向是逆該離子跨膜電且被運送離子的方向是逆該離子跨膜電化學勢梯度進行?；瘜W勢梯度進行。

12、如H-ATPase質(zhì)膜上的主動運輸質(zhì)膜上的主動運輸初始主動運輸初始主動運輸跨膜質(zhì)子電化跨膜質(zhì)子電化學勢梯度學勢梯度驅動其它離子或小分子通過相應載體驅動其它離子或小分子通過相應載體跨膜運輸跨膜運輸次級主動運輸次級主動運輸通過載體的次級共運輸過程示意。在質(zhì)子電化學勢梯度的驅動下，溶質(zhì)通過載體的次級共運輸過程示意。在質(zhì)子電化學勢梯度的驅動下，溶質(zhì) S 被逆著其電化學勢梯度運送過膜。（引自被逆著其電化學勢梯度運送過膜。（引自Taiz+Zeiger,1998）三、共運輸三、共運輸(co-transport)也稱協(xié)同運輸，指兩種溶質(zhì)被同時運輸也稱協(xié)同運輸，指兩種溶質(zhì)被同時運輸過膜的機制，兩者缺一則此過程不

13、會發(fā)生。過膜的機制，兩者缺一則此過程不會發(fā)生。分為：同向共運輸（分為：同向共運輸（symport）反向共運輸（反向共運輸（antiport）跨膜運轉蛋白的類型第四節(jié)高等植物第四節(jié)高等植物K K、Ca2Ca2的的跨膜運輸機制研究進展跨膜運輸機制研究進展一、氮素跨膜轉運系統(tǒng)一、氮素跨膜轉運系統(tǒng)二、磷元素跨膜轉運系統(tǒng)二、磷元素跨膜轉運系統(tǒng)三、高等植物細胞三、高等植物細胞K K的跨膜的跨膜轉運系統(tǒng)及機制轉運系統(tǒng)及機制四、高等植物四、高等植物CaCa2+2+的跨膜運轉機制的跨膜運轉機制一、氮素跨膜轉運系統(tǒng)一、氮素跨膜轉運系統(tǒng)吸收氮素形式：吸收氮素形式：NH4、NO3、某些氮基酸、多肽等。、某些氮基酸、多

14、肽等。硝酸還原酶硝酸還原酶亞硝酸還原酶亞硝酸還原酶NH4含氮有機物含氮有機物NNPPTR擬南芥，大豆，大麥，黃瓜、番茄等。擬南芥，大豆，大麥，黃瓜、番茄等。二、磷元素跨膜轉運系統(tǒng)二、磷元素跨膜轉運系統(tǒng)H2PO4、HPO42、PO43耗能耗能HATPase產(chǎn)生的電化學勢梯度下產(chǎn)生的電化學勢梯度下Pi與與H共運輸共運輸磷轉運體磷轉運體Pi/H+擬南芥中擬南芥中9個磷轉運體個磷轉運體土壤中缺磷時，增加磷酸轉運體的表達土壤中缺磷時，增加磷酸轉運體的表達提高植物對磷的吸收。提高植物對磷的吸收。1.K+ 的跨膜運輸機制三、高等植物細胞三、高等植物細胞K K的跨膜運轉機制的跨膜運轉機制The transpo

15、rt of K+ into barley roots shows two different phases.高親和性 K+吸收機制(1) H+-K+交換ATPase:認為高親和性K+吸收是通過H+-ATPase與K+反向交換進行的。 實驗證據(jù)：實驗證據(jù)： K+吸收伴隨H+外流； K+可激活H+-ATPase. 相反證據(jù)：相反證據(jù)： K+內(nèi)流和H+外流沒有時間上的對應關系，也沒有確定的化學計量比。激活H+-ATPase的濃度是數(shù)十毫摩爾。(2) K+-ATPase: 認為植物細胞也可能存在K+-ATPase. 動物、細菌和真菌中都證明有K+-ATPase。 在植物細胞中尚未獲得確切證據(jù)。(3)

16、K+-H+同向共運轉體(4) Na+-K+ 同向共運轉體(5) 其它高親和性K+吸收載體：HvHAK1基因， AtKUP1. 低高親和性 K+吸收機制 低高親和性K+吸收由K+離子通道介導。 有兩方面的證據(jù)有兩方面的證據(jù)：K+吸收依賴于細胞跨膜電位。 可被K+通道抑制劑四乙胺所抑制。 目前從擬南芥已克隆的K+通道有內(nèi)向K+通道AKT1、AKT2、AKT3、KAT1、KST1等，外向K+通道KCO1.它們的表達具有組織特異性。如KAT1主要在保衛(wèi)細胞中表達， AKT1主要在根組織表達。Tissue -specific expression of plant inward channels(A)

17、KAT1-mediated GUS expression in the cells of an Arabidopsis seedling. (B) AKT1-mediated GUS expression in mature roots of Arabidopsis.K K+ +離子通道對其它一價離子如離子通道對其它一價離子如NHNH4 4+ +、RbRb+ +、LiLi+ +、NaNa+ +也有一定通透性。也有一定通透性。 不同鉀通道的選擇性也不同鉀通道的選擇性也有差異。有差異。 鉀通道對鈉的通透性的不同影響到鉀通道對鈉的通透性的不同影響到植物的耐鹽程度。植物的耐鹽程度。四、 高等植物的Ca

18、2+跨膜運轉機制 鈣作為細胞內(nèi)的第二信使，鈣離子的跨膜運輸具 有特別重要的意義。植物細胞鈣離子通道 質(zhì)膜Ca2+通道:機械刺激敏感的Ca2+通道, 電壓門控Ca2+通道（去極化電位激活） 內(nèi)膜系統(tǒng)Ca2+通道:IP3門控Ca2+通道 cADPR門控Ca2+通道有關鈣通道的研究在生化與分子生物學方面尚無突破性進展。有關鈣通道的研究在生化與分子生物學方面尚無突破性進展。植物細胞鈣離子泵 在植物細胞質(zhì)膜、液泡膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜及葉綠體內(nèi)被膜上均存在Ca2+-ATPase(Ca2+-泵）,這些ATPase均屬于P型ATPase.但結構不同。 分PM型和ER型.植物質(zhì)膜ATPase受鈣調(diào)素激活。液泡膜Ca2+-ATPase的N端有Calmodulin-binding domain. Activity of the vacuolar Ca2-ATPaes is regulated by the binding of calmodulin除鈣泵外，Ca2+-H+反向運轉體在將鈣運出細胞質(zhì)過程中也起到重要作用。HVKSV液泡HADPPiATPKAKout通道陰離子通道Kin胞質(zhì)ATPCa2通道通道氣孔關閉過程中胞質(zhì)氣孔關閉過程中胞質(zhì)Ca2+調(diào)控質(zhì)膜和液泡膜上各種離子通道和調(diào)控質(zhì)膜和液泡膜上各種離子通道和質(zhì)子泵的機制示意圖。質(zhì)子泵的機制示意圖。 （引自（引