植物生理課件

第一章植物細胞Chapter1PlantCellSchematicdiagramofplantcell研究細胞結構與功能方法(1)形態(tài)結構觀察

morphologicalcharacterandstructure(2)生化分析biochemicalanalyze(3)生理測定physiologicalassay(4)細胞組分的分級分離cellfractionationConfocalMicroscopy1.細胞的膜系統(tǒng)2.細胞骨架

3.細胞壁的結構與功能4.胞間連絲5.植物細胞信號轉導概述1.細胞的膜系統(tǒng)(EndomembraneSystem)內(nèi)質(zhì)網(wǎng),高爾基體,液泡,核膜Endoplasmicreticulum,ERGolgicomplexVacuoleNuclearmembrane液泡(centralvacuole)1.1液泡(vacuole)單層膜液泡膜(tonoplast)植物細胞的液泡及其發(fā)育A-E.幼期細胞到成熟的細胞，隨細胞的生長，細胞中的小液泡變大，合并，最終形成一個大的中央液泡。主要成分是水。不同種類細胞的液泡中含有不同的物質(zhì)，如無機鹽、糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、酶、樹膠、丹寧、生物堿等。1.2液泡的功能(1)轉運物質(zhì)(2)吞噬和消化作用(3)調(diào)節(jié)細胞水勢(4)吸收和積累物質(zhì)(5)賦予細胞不同顏色酸性時呈紅色堿性時呈藍色植物細胞液泡2.1微管(microtubule,MT)

2.2微絲(microfilament,MF)

2.3中間纖維(intermediatefilament,IF）2.細胞骨架

(cytoskeleton)概念

細胞骨架（cytoskeleton）真核細胞中由蛋白聚合而成的三維的纖維狀網(wǎng)架體系。包括微絲、微管和中間纖維。在細胞空間結構的維持、細胞分裂、細胞生長、細胞物質(zhì)運輸，細胞壁合成等許多生命活動中都具有非常重要的作用。

2.1微管(Microtubule)

2.1.1微管的形態(tài)結構

-和

-微管蛋白（tubulin）組成異二聚體，二聚體聚合形成直徑約25nm的空心管狀結構。直列上連在一起的二聚體稱為原絲體(protofilament)，大多數(shù)微管由13個原絲體組成。微管是一動態(tài)的結構微管的裝配微管的聚合具有極：正端和負端微管蛋白在體外條件下的聚合微管的聚合需要微管蛋白二聚體達到一定的濃度方可進行，這個濃度稱為微管聚合的臨界濃度。微管在體外的聚合還需要鎂離子、GTP和適當?shù)木彌_體系。微管的聚合對溫度十分敏感，通常在低溫（4℃）下微管發(fā)生解聚，而在高溫（37℃）下微管聚合。這一特性也被用于微管蛋白的分離和純化。微管的聚合過程

植物細胞周期中微管列陣間期周質(zhì)微管紡錘體微管早前期微管帶成膜體微管2.1.2微管的功能1).控制細胞分裂和細胞壁的形成

2).保持細胞形狀

3).參與細胞運動和物質(zhì)運輸2.2

微絲(Microfilament)

2.2.1微絲的結構與特性

微絲是由單體肌動蛋白（actin，42kD,375aa)聚合成的直徑7-8nm的螺旋絲狀結構。又稱F-actin.相應地單體肌動蛋白又稱G-actin。微絲是一動態(tài)的結構ActinfilamentincentralcellofToreniafournieri(藍豬耳)labeledwithphalloidin-FITC花粉萌發(fā)過程中微絲骨架的變化2.2.2微絲的功能

微絲參與胞質(zhì)環(huán)流

微絲系統(tǒng)是形成胞質(zhì)環(huán)流的基礎。微絲參與一些細胞器的運動和錨定(anchoring)：高爾基體的運動和質(zhì)體的運動。細胞核的錨定涉及到微絲和微管。微絲參與細胞尖端生長。微絲與植物細胞的極性建立。3.細胞壁的結構和功能A棉花纖維B梨果實石細胞C厚角細胞D保衛(wèi)細胞高等植物細胞壁不僅是一個機械的支架，而且更重要的是一個有代謝活性的動態(tài)結構，它參與細胞的生長，分化，識別，抗病和物質(zhì)運輸?shù)壬顒舆^程。細胞壁：植物細胞的質(zhì)膜外一層并不很厚但卻堅硬的壁。3.3細胞壁的次生變化3.2細胞壁的發(fā)生3.1細胞壁的化學組成與結構3.4細胞壁的功能

細胞壁（初生壁）的成分：

①.纖維素（cellulose）

②.半纖維素（hemicellulose）

③.果膠類物質(zhì)(Pecticsubstance)

④.蛋白質(zhì)

⑤.礦質(zhì)

⑥.其它化學成分3.1細胞壁的化學組成與結構①.纖維素（cellulose）纖維素分子是由（1－4）糖苷鍵連接的D-葡聚糖組成的高分子聚合物，并通過分子內(nèi)氫鍵使其形成一種類螺旋狀的結構。這種纖維素分子鏈不分支、不溶于水。纖維素，以微纖絲的(microfibril)形式存在，約占初生壁的20%－30%。1）、成分2）、纖維素的合成在質(zhì)膜上的蓮座（rosette）部位進行。蓮座是纖維素合酶復合體（cellulosesynthetasecomplex）蓮坐通過質(zhì)膜的冷凍蝕刻和旋轉投影成像121.綠藻水綿的蓮坐聚集。2.水芹，正在增厚的細胞壁下的膜上，聚集很多的蓮坐。蔗糖合酶纖維素合酶復合體纖維素在質(zhì)膜纖維素合酶復合體上進行合成的分子模型蔗糖＋UDP＝UDPG+果糖纖維素合酶

（14）連接的D-葡聚糖鏈

尿〔核〕苷二磷酸

根據(jù)序列同源性，在模式植物擬南芥中有10個CESA

基因。第一個發(fā)現(xiàn)的纖維素合成酶基因，CESA1(RSW1)參與初生壁合成的基因：CESA1，CESA3，CESA6,有時還結合CESA2，CESA5或CESA9。參與次生壁合成的基因：CESA4，CESA7，CESA8。MostplantcellwallmatrixpolysaccharidesarefirstsynthesizedwithinthecellintheGolgiandsubsequently

depositedintothewallbyexocytosis.Celluloseissynthesizedattheplasmamembranebyaverylargemembrane-boundcomplexknownasthe

cellulosesynthasecomplex(CSC).ThreedifferentCesAproteins

interactassubunitswithinacellulose

synthasecomplex:CesA1,CesA3,CesA6---primarycell

wall.CesA4,CesA7,andCesA8–secondary

cellwalls.β-1，4葡聚糖→鏈狀纖維素分子→微纖絲→大纖絲→細胞壁。微纖絲的結構形成的示意圖微團相同的極性3）、微纖絲的組裝微管指導微纖絲的排列方向間期周質(zhì)微管纖維素微纖絲的組織與定向微管可能參與纖維素微纖絲的定向。TherelationshipbetweenterminalcomplexeswithmicrotubuleOverviewofCSCintracellulartrafficking.WightmanR,TurnerS.Plantphysiol2010;153:427-432LocalizationofMicrotubulesandtheCesAProteinIRX1(CESA8)inDevelopingXylemVessels.Confocalimageshowingthelocalizationofα-tubulin(green)andIRX1(red)EckardtN.Plantcell2003;15:1685-1687②半纖維素（hemicellulose）

約占20%25%

異質(zhì)多聚糖(中性和酸性)③果膠（pectin）

約占10%35%

異質(zhì)多聚糖

(–1,4–D–半乳糖醛酸)WTMutantMutantMutantWT12h24h48h果膠甲脂酶pectinmethylesterase參與細胞壁結構的蛋白質(zhì):如伸展蛋白（extensin)與細胞壁組建或調(diào)節(jié)壁特性有關的酶類：如纖維素酶、過氧化物酶類識別或調(diào)節(jié)蛋白：如糖蛋白（凝集素，lectin)、擴張蛋白（expansin）④蛋白質(zhì)(protein)占5%10%

伸展蛋白（extensin）：Lamport等人于1960年發(fā)現(xiàn)，在細胞壁中有富含羥脯氨酸的糖蛋白，約占初生壁干重的510%

。功能：可被傷害和病蟲害所誘導；與植物細胞抵抗逆境有關。AFMimagesofself-assemblingextensins.LamportDetal.Plantphysiol2011;156:11-19AFM-原子力顯微鏡凝集素(lectin)：

一類存在于細胞壁中能與多糖結合或使細胞凝集的蛋白，主要為糖蛋白，對糖基結合具有專一性。功能：參與植物對細菌、真菌和病毒的防御作用；在細胞識別中起重要作用。調(diào)節(jié)蛋白，可以使熱失活的細胞壁恢復在酸性條件下伸展的蛋白質(zhì)。擴張蛋白（expansin）Microfibrilseparationvialooseningthecross-linkingglycansbyexpansinsexpansin木聚糖纖維素微纖絲“應力松弛”松弛－生長－拉緊

擴張蛋白的已知特性

不能水解纖維素、半纖維素、果膠和細胞壁的其他成分，它的作用是打開纖維素微纖絲與木葡聚糖或其它半纖維素多糖間的氫鍵等非共價鍵。對pH敏感。專一性。鈣調(diào)素和鈣調(diào)素結合蛋白:

可能在與鈣相關的信號轉導中起作用。⑤礦質(zhì)

細胞壁是植物細胞的最大鈣庫（可達到10-5-10-4mol/L）。作用：在細胞壁的果膠的羧基間形成鈣橋（calciumbridge），有固化細胞壁的作用；鈣在細胞信號轉導過程中起重要作用。木質(zhì)素:不是多糖，是由苯基丙烷衍生物的單體所構成的聚合物，共價結合在纖維素和其它多糖上形成疏水網(wǎng)狀結構。木質(zhì)素增加細胞壁的機械強度和抵抗病原菌的能力。栓質(zhì):由酚類和脂類化合物構成，栓質(zhì)可防止水分蒸發(fā)。

角質(zhì):由長度不等的脂肪酸構成,可防止水分蒸發(fā),

機械損傷等。⑥其它化學成分:細胞壁中微纖絲與半纖維素和果膠質(zhì)的關系?微纖絲周圍充滿著襯質(zhì)(matrix），襯質(zhì)包括半纖維素和果膠質(zhì)。微纖絲與半纖維素和果膠質(zhì)的關系3.1.2細胞壁的結構及組成A.Diagramofthecellwallorganization;B.Crosssectionofpinetracheidinwhichthreedistinctlayersinthesecondarywallarevisible.初生壁、次生壁和胞間層3.2細胞壁的發(fā)生（1）高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細胞核合成造壁物質(zhì)，線粒體提供能量。（2）纖維素的合成（3）微纖絲的組裝Cellwallformation,showndiagrammatically成膜體微管蛋白質(zhì)和修飾壁的酶非纖維素多糖所有結構蛋白的肽鏈均在粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成，在高爾基體中進行糖基化。3.3細胞壁的功能（結合成分與結構進行討論）支撐和保護細胞纖維素微纖絲的骨架作用，半纖維素的支撐作用，結構蛋白的網(wǎng)絡作用，果膠的粘合作用以及各組分之間的相互交聯(lián)，使細胞壁具有很強的剛性。細胞壁各層次上微纖絲的排列方向不同，在次生壁中更為明顯，使細胞壁可忍受來自各方向的壓力。維持細胞形狀和控制細胞生長種子植物各種形狀的細胞細胞壁增加了細胞的機械強度，并承受著內(nèi)部原生質(zhì)體由于液泡吸水而產(chǎn)生的膨壓，從而使細胞具有一定的形狀。通過控制細胞壁的組織，如微纖絲的合成部位和排列方向，來控制細胞的形狀。調(diào)節(jié)細胞水分平衡、物質(zhì)運輸細胞壁中的果膠物質(zhì)與水親和力大，水分子滲入到壁結構中，小分子物質(zhì)易于通過，利于細胞對物質(zhì)的吸收與排出。

細胞壁形成了植物體的質(zhì)外體空間。特別是由特化的細胞壁所形成的導管在水分和礦質(zhì)運輸中起著不可替代的作用。植物的防御功能細胞壁是被動防御的屏障細胞壁是主動防御的前哨木質(zhì)化作用胼胝質(zhì)積累伸展蛋白增加高度木質(zhì)化和栓質(zhì)化

植保素(抗毒素）過敏性死亡細胞識別與信息傳遞細胞壁是化學信號和物理信號傳遞的介質(zhì)和通路。細胞壁中一些寡糖片段具有信號作用，調(diào)控基因表達。細胞壁是植物細胞最大的鈣庫，細胞壁內(nèi)還有鈣調(diào)素，說明細胞壁在信號轉導中可能有作用。細胞壁中的多聚半乳糖醛酸酶和凝集素還可能參與了砧木和接穗嫁接過程中的識別反應。4.胞間連絲(plasmodesmata）細胞的原生質(zhì)膜突出，穿過細胞壁與另一個細胞的原生質(zhì)膜連在一起，是相鄰細胞間穿通細胞壁的細胞質(zhì)通路。PlasmodesmataareregulatedconnectionsbetweenplantcellsCellWallReprintedfromZambryski,P.(2008)Plasmodesmata.Curr.Biol.18:R324-325withpermissionfromElsevier.TEMimagecreditBSAPhotobyKatherineEsau;胞間連絲結構圖解孔環(huán)8-10=2.5nm胞間連絲的類型胞間連絲的功能

物質(zhì)運輸信息傳遞電波傳遞病毒的胞間運動5.植物細胞信號轉導概述細胞信號轉導(signaltransduction)：

指的是偶聯(lián)各種胞外信號（包括各種內(nèi)、外源信號）與其所引起的特定生理效應之間的一系列分子反應機制，具體包括細胞感受、傳導及放大各種刺激信號的分子機制，以及經(jīng)傳導和放大后的次級信號（第二信使）調(diào)控細胞生理生化活動的分子機制等。細胞信號轉導模式框圖胞外刺激信號受體G蛋白效應器第二信使靶酶或調(diào)節(jié)因子短期生理效應基因表達調(diào)控跨膜信號轉導胞內(nèi)信號轉導長期生理效應細胞外質(zhì)膜細胞內(nèi)5.1受體5.2GTP結合調(diào)節(jié)蛋白5.3第二信使系統(tǒng)5.4蛋白激酶和蛋白磷酸酶5.1受體（receptor)能夠特異識別生物活性分子并與之結合，進而引起生物學效應的特殊蛋白質(zhì)（個別是糖脂）。能與受體特異性結合的生物活性分子稱為配體專一性；高親和力；具有飽和性；可逆性光信號受體，激素受體，植物細胞受體樣激酶此類蛋白由于其生理調(diào)節(jié)功能有賴于與三磷酸鳥苷（GTP）的結合以及具有GTP水解酶的活性而得名。5.2GTP結合調(diào)節(jié)蛋白（GTP-bindingregulatoryproteins；簡稱G蛋白）:活細胞內(nèi)的G蛋白三種不同亞基（

,

,

）構成的三聚體G蛋白（heterotrimericG-proteins，又稱為大G蛋白）只含有一個亞基的單聚體G蛋白，又被稱為小G蛋白（smallG-proteins）一般來說，當結合GTP時G蛋白呈活化狀態(tài)，而當GTP水解為GDP時，G蛋白為非活化狀態(tài)。5.2第二信使系統(tǒng)5.2.1鈣離子光激素溫度水分機械刺激病原因子其它跨膜信號轉導質(zhì)膜鈣通道內(nèi)膜鈣通道胞質(zhì)游離鈣氣孔運動胞質(zhì)運動離子通道碳代謝生長分化基因表達胞質(zhì)pH跨膜電位細胞骨架酶活性等等鈣參與植物細胞信號轉導示意圖5.2.2磷酯酰肌醇途徑為什么水總是往低處流？高度差異—重力勢！植物細胞內(nèi)怎么流動？動力是什么？體系自由能（free

energy）：體系中能夠做最大有用功的那部分能量。自由能降低原理（Principle

of

free

energy

decreasing）:

恒溫恒壓下，不做非體積功的封閉體系，總是自發(fā)地向著自由能降低的方向變化，當自由能降低到最小值時，體系達到平衡態(tài)。狀態(tài)：△G＞0；＝0；＜0在一個多組分的體系中，其中的變量有多個，也含有多種不同量的物質(zhì)，因此該體系的變化就是有多種變量和多種不同量的物質(zhì)所致。等溫等壓條件下,在無限大的體系中，加入1摩爾j物質(zhì)時引起體系自由能的改變量。用j表示,寫成數(shù)學表達式為:化學勢(chemicalpotential)化學勢可以指示某組分物質(zhì)發(fā)生反應或轉移的本領。例如，設組分j在狀態(tài)A和狀態(tài)B的化學勢分別為μjA和μ

jB。當一個體系中含有水分，水這個組分參與化學反應或轉移的本領，用水的化學勢來表示，即：將標準條件下的純水化學勢規(guī)定為零,任何一溶液中水的化學勢與純水化學勢進行比較：

Δμw=μw-μw0偏摩爾體積（the

partial

mole

volume，Vm)

：在溫度、壓強和其它組分不變時，在無限大的體系中加入1mol水時對體系體積的增量。Δμw=μw-μw0Ψw=--------------μw-μw0Vm水勢（water

potential）：每偏摩爾體積水的化學勢差。在20℃，1atm下，純自由水：Vw,m=18cm3/mol1mol水加入0.1M的蔗糖溶液中，

Vw,m=18.4cm3/mol1mol水中加入0.1MNaCl溶液中，

Vw,m=18.1cm3/mol1mol水加入酒精（50%）溶液中，

Vw,m=16.5cm3/mol水勢單位J.mol-1每摩爾水的化學勢m3.mol-1

每摩爾體積水勢=J.m-3=N.m.m-3=N.m-2=Pa溶液中溶質(zhì)的存在降低了水的自由能。溶液中的水勢如何界定？溶質(zhì)勢或滲透勢（SolutepotentialorOsmoticpotential）稀溶液的滲透勢可以由范德霍夫（Van'tHoff）方程式估算：

ψs=-RTCs

R：為氣體常數(shù)=0.0083dm3.MPa.mol.K-1;8.32焦爾/摩爾.K；

T：為絕對溫度(K)；

Cs：為溶質(zhì)的濃度，每升水中完全溶解的溶質(zhì)粒子的摩爾數(shù)來表示（mol/L），負號表示溶解的溶質(zhì)降低溶液的水勢。陸生植物的葉片細胞的溶質(zhì)勢是-2

~

-1MPa;旱生植物葉片的細胞溶質(zhì)勢可以低到~

-10MPa。由于壓力存在而使體系水勢改變的數(shù)值。壓力勢（Pressurepotential，ψp)1atm下，開放體系的溶液壓力勢為0。細胞吸水膨脹，較為剛性的細胞壁對細胞產(chǎn)生壓力，使細胞具有正壓力勢。草本植物葉肉細胞壓力勢，晴天午后一般為0.3—0.5MPa,晚上為1.5MPa。細胞質(zhì)壁分離時，ψp為0。木質(zhì)部具有負的壓力勢。重力作用使水由高向低移動，即：使處于較高位置的水比較低位置的水有高的水勢。重力勢Gravitationalpotential(ψg)

ψg=ρwghρw為水的密度；

g為重力加速度；

h為水相對于參考狀態(tài)時的高度。由于親水的大分子（如蛋白質(zhì)、淀粉粒、纖維素）與水分子的相互作用降低的那部分水勢?；|(zhì)勢（Matricpotential，ψm)在水分飽和的情況下，基質(zhì)勢可以忽略不記。干種子：ψw=ψm水分飽和的成熟細胞：ψw=ψs+ψp溶液的水勢Ψw=Ψs+Ψp+Ψg=-iCRT判斷溶液或植物細胞中的水勢：純水：ψw=0溶液：ψw=-iCRT水分飽和細胞：ψw=0，ψp=-ψs

萎蔫細胞：ψp=0，ψw=ψs細胞在外液中平衡時：細胞水勢=外液水勢植物細胞中的水勢組分與計算Ψw=ψp+ψs如何判斷細胞間水分流動方向？比較各細胞Ψw的高低，水分總是從水勢高處流向水勢低處。水分如何進入細胞？擴散

(diffusion)集流(massflow或bulkflow)滲透作用（osmosis）三種方式：擴散

(diffusion)物質(zhì)分子(氣體分子、水分子或溶質(zhì)分子)從較高濃度區(qū)向較低濃度區(qū)隨機的但是累進的運動，導致擴散分子的均勻分布。擴散的速度是很慢的(可通過菲克定律計算)。僅能滿足細胞尺度的物質(zhì)運輸?shù)男枰U散的動力來自于溶質(zhì)勢梯度。集流(massflow或bulkflow)流速可用Poiseuille方程計算：

πr4?ψp

體積流速＝[————][———]

８η

χ

集流速率的單位是米3/秒；

r=管道半徑；

η=溶液粘度；

?ψp/χ=壓力差。由于壓力差的存在而形成的大量分子集體的運動。植物體內(nèi)木質(zhì)部汁液和韌皮部汁液的的運輸都是以集流方式進行的。滲透作用（osmosis）當溶液被膜分隔為兩個部分，溶質(zhì)無法跨膜運動時，溶劑的跨膜擴散運動。水分進入細胞的運動主要是以滲透形式進行的。滲透的動力來處于溶質(zhì)勢梯度和壓力勢梯度。水進入植物細胞主要靠滲透運動，但過細胞膜時憑借水分子的跨膜擴散與水通道蛋白。Watermovementacrossbiologicalmembranesoccursthroughthelipidbilayerandtheporesformedbywaterchannel.細胞滲透吸水過程中水勢及其組分與細胞體積變化之間的關系：圖中：水分飽和狀態(tài)時，細胞ψw=0，ψp=-ψs，體積最大。水勢ψw從0下降到–1.8MPa細胞體積只下降5%。在這個過程中主要是ψp的下降（~1.5MPa)，ψs變化只占很小的比例（~

0.3MPa）。ModifiedHoflerdiagram（AfterTyreeandJarvis1982,basedonashootofSitkaspruce)原因：剛性細胞壁大多數(shù)植物細胞當ψp下降到0時（初始質(zhì)壁分離狀態(tài)），細胞相對體積下降10-15%，如果細胞壁非常僵硬，體積變化會更小(自然狀態(tài)下的植物一天中水勢的變化主要是壓力勢的變化,細胞體積和滲透勢變化不大)。從ψp曲線的斜率可以判斷細胞壁的彈性大小。稱為細胞彈性模量（cell’selasticmodulus），用ε表示。ε的單位是MPa。ε越大，表示細胞壁較堅硬,細胞水勢變化主要由壓力勢決定。水分運動速率決定于：驅動力(drivingforce)和水導率（hydraulicconductance)。驅動力是水勢梯度，水導是水流通過該系統(tǒng)的難易程度的量度，是系統(tǒng)對水流阻力的倒數(shù)。Jv:

流速，m3m-2.s-1;Lp:水導，m3m-2.s-1MPa-1;Ψw

：水勢梯度MPaJv=Lp??ψw假設有一初始質(zhì)壁分離的細胞，其溶質(zhì)濃度為0.3mol.L-1，將其置于0.1mol.L-1

的蔗糖溶液中，水分如何移動？假設細胞的壁非常僵硬，細胞體積變化忽略不計，求平衡時細胞的水勢、溶質(zhì)勢、壓力勢。（氣體常數(shù)R=0.00832dm3.MPa.mol-1.K-1，溫度20℃)計算：Ψw=-iCRT

Ψw=ψp+ψs1)液體交換法2)干濕球濕度計法3)壓力室法4)冰點下降法5)壓力探針法植物細胞水勢的測定1）

液體交換法

(measurementforexchangeofwater)將植物組織分別放進一系列濃度的溶液中，

組織水勢<溶液水勢，

組織吸水；

組織水勢>溶液水勢，組織失水；

組織水勢=溶液水勢，

動態(tài)平衡。溶液的濃度、比重、電導以及組織的體積與重量發(fā)生變化，根據(jù)這些參數(shù)的變化可確定與植物組織等水勢的溶液的水勢。液體交換法測定植物組織的水勢折光系數(shù)率將植物組織放在一系列已知水勢的溶液中，找到Ψw=Ψs=-iCRT相等的溶液，即可知被測植物組織材料的水勢?！靶∫毫鞣ā痹?)干濕球濕度計法水從一個表面蒸發(fā)會降低這個表面的溫度→測定溶液或植物組織水勢的原理。(溫度傳感器)植物材料與水滴蒸發(fā)容器中水蒸汽飽和容器內(nèi)溫度一致可測溶液或組織的水勢3)壓力室法(pressurebomb)認為測量條件下木質(zhì)部溶液的水勢與植物組織的水勢相近，因此只要測出木質(zhì)部溶液的壓力勢和溶質(zhì)勢，得到木質(zhì)部溶液的水勢→植物組織水勢。平衡壓力+木質(zhì)部溶液的溶質(zhì)勢=植物組織水勢木質(zhì)部的壓力勢為-1~-2MPa溶質(zhì)勢僅為-0.05~-0.2MPa（忽略?。┢胶鈮毫?植物組織水勢壓力室儀Pressure

Chamber

Instrument

(Mode

600)4)冰點下降法(measurementoffreezing-pointdepression)原理：當溶液中溶質(zhì)濃度上升時，溶液的冰點會下降。純水的冰點是0℃，在1公斤純水中加入1

摩爾溶質(zhì)時，溶液冰點下降到-1.86℃。裝置：冰點滲透計Ψw=-iCRT-30℃冰緩慢升溫顯微鏡下觀察完全融化記錄此時溫度冰點溫度溶質(zhì)濃度滲透勢5)壓力探針法（PressureProbe)尖端非常細的玻璃毛細管，并在其中充滿硅油，插入細胞后，胞液進入毛細胞管，細胞液與硅油的界面在顯微鏡下可看清楚，加壓，使胞液退回至細胞，此時壓力為平衡壓力。平衡壓力=細胞膨壓單細胞膨壓Schematicrepresentationofthethreedifferentpathwaysinvolvedinradialwatertransport

acrossplantlivingtissues.水通道蛋白(aquaporin)水通道(waterchannel)：細胞質(zhì)膜上存在蛋白質(zhì)組成的對水具有特異通透性的孔道。水通道運輸水分時，水通道蛋白受磷酸化調(diào)節(jié)。Howwatercrossesbiologicalmembranes?In

1920s,

diffusionNow,

also

including

aquaporinsDiffusionisalowcapacity,bidirectionalmovementofwaterthatoccursinallcellmembranes.haveaveryhighcapacityforpermeationbywater（selective）.TheDiscoveryofAQP1？預計：approximately32kDa

protein實際：a28-kDapolypeptide沒有放棄：isolatedtheprotein特點：detergent-insolubleprotein拷貝數(shù)多：approximately200,000copies/redbloodcell測定序列并制備N端抗體：

theN-terminalaminoacidsequence廣泛交流：

spoketowellknownbiochemistsandphysiologists獲得靈感：JohnC.Parker(1935–1993):

redbloodcellsandrenaltubules

watertransportthroughmembranes？克隆基因：thecDNAfromanerythroidlibrary,

269aa,sixbilayer-spanningdomainsMembraneorientationofAQP1predictedfromprimaryaminoacidsequence.ConservedmotifAsn-Pro-Ala(NPA).提出疑問：28-kDaproteinwasawatertransporter?開始驗證：oocytes；verylowwaterpermeabilityControloocytes：injected

water

Testoocytes:

injected

2ng

of

cRNA驚喜結果：3×109watermoleculespersecondthehourglass

水孔蛋白(aquaporin)：一系列分子量為25～30KDa、選擇性高效轉運水分子的膜蛋白稱為水通道蛋白或水孔蛋白。StructureofanaquaporinshowingthesixtransmembranehelicesandtwoconservedNPA(Asn-Pro-Ala)residues.In

Arabidopsisthaliana

：35differentaquaporingenesPhylogenetictreeofthe35MIPproteinsinArabidopsisthalianaandtheirgroupinginfour

subfamilies.根系對水分吸收水在植物體內(nèi)的運輸水分的散失－－蒸騰作用1、土壤中水分的狀態(tài)2、根系吸水根系對水分吸收1.1土壤中的水分和土壤水勢

田間持水量（fieldcapacity):

土壤的最高含水量。指當水飽和的土壤中的重力水完全排除后,土壤所保持的水量。

土壤質(zhì)地、結構影響土壤田間持水量土壤水勢:s、m土壤溶液的s約為-0.02MPa,鹽堿地可達-0.2MPa；濕潤土壤的m接近0。干燥土壤：m=–0.15MPa干旱時,土壤m(xù)更低。當土壤水勢>植物根組織水勢時，植物吸水。當土壤水勢

植物根組織水勢時，由于蒸騰作

用不斷進行，植物葉片發(fā)生萎蔫(wilting）。蒸騰降低后，萎蔫植株仍不能恢復正常，稱為永久萎蔫(permanentwilting)。植物發(fā)生永久萎蔫時，土壤中尚存留的水分占土壤干重的百分率，稱為永久萎蔫系數(shù)（permanentwiltingcoefficient）；永久萎蔫時的土壤水勢稱為永久萎蔫點（permanentwiltingpoint)。1.2根系吸水植物具有發(fā)達的根系

如：16周齡的冬黑麥，有13х106條主根和側根，總長度達500km,表面積200m2；沙漠植物的根可達地下50m；一年生作物根深達0.1-2.0m;廣度達0.3-1.0m。aperennialwheatrelativeThinopyrumintermedium1）、根系吸收水分的主要部位？2）、水分進入根系組織內(nèi)部的途徑？3）、影響根系吸收水分的因素是哪些？

DiagramofprimaryrootstructureRegionofroothairPathwaysforwateruptakebyroot（1）土壤中可用水分（2）溫度（3）空氣（氧氣和CO2）（4）土壤溶液濃度水在植物體內(nèi)的運輸SequoiasempervirensThetallesttree水分進入根系水分在導管內(nèi)運輸水分散失在大氣中112.5m1根系吸水傷流（bleeding)吐水（guttation）由于根系的生理活動產(chǎn)生的促使液流從根部上升的壓力，稱為根壓（rootpressure）根壓可達0.05-0.5MPa。

根系主動吸收溶液中的離子，并通過共質(zhì)體途徑將離子輸送到中柱薄壁細胞，離子可沿著濃度梯度擴散或載體進入導管（內(nèi)部質(zhì)外體）。

內(nèi)部質(zhì)外體溶質(zhì)濃度提高，水勢下降，而外部質(zhì)外體離子濃度減少，水勢提高，這樣就在內(nèi)皮層內(nèi)外建立起一個水勢梯度。水分就會從外部質(zhì)外體經(jīng)內(nèi)皮層滲透進入導管，產(chǎn)生靜水壓，即是根壓。1.1根壓產(chǎn)生的機制

內(nèi)皮層凱氏帶不透水，將根的質(zhì)外體分為內(nèi)外兩個部分。

3.3蒸騰拉力引起水分吸收蒸騰拉力(transpirationpull)：指因葉片蒸騰作用而產(chǎn)生的使導管中水分上升的力量。

木質(zhì)部的蒸騰拉力產(chǎn)生于葉片細胞的汽--水界面上。細胞壁的微纖絲和其他親水物質(zhì)多微孔道（含有大量的水分）

水分在葉肉細胞的間隙表面蒸發(fā)半月板水層表面細胞壁產(chǎn)生很大的張力或負的靜水壓葉片細胞水勢下降一系列相鄰細胞間的水分運輸葉脈導管失水壓力勢下降根冠間導管中的壓力梯度根導管中水分向上輸送使根部細胞從周圍土壤中吸水根部細胞水分虧缺正常蒸騰情況下，植物以蒸騰拉力為吸水主要動力，屬于被動過程。根壓只占5%。只有在夜間、清晨或早春樹木葉片未展開時，根壓為動力吸水才占主要地位?！皟?nèi)聚力-張力學說”-----117班第一組鐘云婕水分的散失－蒸騰作用(transpiration)1、蒸騰作用的概念2、植物蒸騰的方式3、蒸騰的指標4、氣孔蒸騰5、合理灌溉的生理基礎

水從植物地上部以蒸汽狀態(tài)向外界蒸散的過程，稱蒸騰作用(transpiration)。1、蒸騰作用的概念蒸騰作用是一個生理過程，受植物體結構和氣孔行為的調(diào)節(jié)。2、植物蒸騰的方式（Modeoftranspiration)

幼小植株：整個植物體（地上部）蒸騰長成植物:

皮孔蒸騰:占0.1%

葉片蒸騰：角質(zhì)蒸騰(cuticulartranspiration)

氣孔蒸騰(stomataltranspiration)角質(zhì)層蒸騰所占比例因角質(zhì)層薄厚而異：陰地植物：角質(zhì)蒸騰占約1/3；水生植物：以角質(zhì)蒸騰為主；陽生植物：氣孔蒸騰占80-95%。3、蒸騰的指標3.1蒸騰速率(transpirationrate)

指植物在單位時間內(nèi)單位面積通過蒸騰作用所散失的水量，又稱蒸騰強度。一般用g/(m2·h)表示。大多數(shù)植物白天的蒸騰速率為15-25gm-2·h-1。夜晚為1-20gm-2·h-1。

蒸騰速率的測定 稱重法：離體器官快速稱重，植株重量變化。

氣量計測定相對濕度的短期變化。

紅外線分析儀測定濕度。3.2蒸騰系數(shù)(transpirationcoefficientorratio)蒸騰系數(shù)＝蒸騰散失的水分的量/光合作用固定的CO2的量木本植物<草本植物C4植物（250）<C3植物（500）CAM植物50大多數(shù)植物在125-10004、氣孔蒸騰（stomataltranspiration）氣孔是葉片與外界進行氣體交換的通道，因此對蒸騰、光合、呼吸均有重要調(diào)控作用。保衛(wèi)細胞(guardcell)副衛(wèi)細胞或鄰近細胞(subsidiarycells)保衛(wèi)細胞之間的小孔合稱氣孔復合體(stomatalcomplex)StomatalComplex4.1氣孔復合體

不均勻加厚的細胞壁及輻射狀排列的微纖絲保衛(wèi)細胞的特點:

腎形保衛(wèi)細胞:

背壁（dorsalwall)較薄，

腹壁（ventralwall)較厚；

纖維素微纖絲從小孔向外呈輻射狀排列。Modelofguardcells

啞鈴形保衛(wèi)細胞：其胞端壁薄，中間加厚，

兩端微纖絲呈輻射排列。起加固細胞、拉力傳導，有利于細胞膨脹彎曲。有葉綠體

能進行光合作用。黑暗時積累淀粉，光下淀粉減少。兩種植物體保衛(wèi)細胞中線粒體的比較

植物細胞類型線粒體數(shù)

保衛(wèi)細胞50.8

蔥葉肉細胞16.8

蠶豆保衛(wèi)細胞22.6

葉肉細胞11.0有豐富的線粒體

體積小

小量溶質(zhì)的變化能引起水勢迅速改變,膨壓迅速變化。氣孔運動過程中，保衛(wèi)細胞液泡的動態(tài)。

與周圍細胞間無胞間連絲

有利于滲透梯度建立。

液泡隨氣孔開關變化擬南芥氣孔發(fā)育途徑中的突變體表型4.2氣孔蒸騰的小孔擴散律

氣孔擴散的邊緣效應氣體通過多孔表面的擴散速率不與面積成正比，而與周長成正比，稱為小孔擴散律（smallpore

diffusionlaw)。占葉面積1%的氣孔的蒸騰量可達到同葉面積自由水面蒸發(fā)量的50-60%，甚至80-100%。邊緣效應:在邊緣處，擴散分子相互碰撞機會少，擴散速率就比中間快。4.3氣孔運動及環(huán)境因素對氣孔運動的影響

光二氧化碳空氣濕度激素水分等保衛(wèi)細胞運動(形狀改變)導致小孔打開或關閉,稱為氣孔運動(stomatalmovement)。氣孔運動(開關)受到各種環(huán)境因素影響。Light-stimulatedstomatalopeningindetachedepidermisofviciafabaStomatalopeningtracksphotosyntheticactiveradiationattheleafsurface4.3.1光

光促進氣孔張開（景天科植物除外）。不同植物氣孔張開對光強的要求不同，一般在全光照的1/1000--1/30就能引起氣孔反應。隨光強提高,開度增大。4.3.2CO2

濃度

低濃度CO2促進氣孔張開,高CO2使氣孔迅速關閉。

黑暗下，無CO2空氣可使氣孔張開；若氣孔完全關閉，無CO2空氣則無作用。說明是氣孔下腔的CO2濃度在起作用。4.3.3水分和濕度：

水分虧缺時，氣孔開度變小或關閉。

被動脫水關閉（hydropassiveclosure）：空氣干燥，保衛(wèi)細胞水分蒸發(fā)過快，水分運輸不足以補充水分損失時，氣孔關閉。

主動脫水關閉（hydroactiveclosure）：整個葉片或根缺水時，保衛(wèi)細胞可以通過其代謝過程減少細胞內(nèi)的溶質(zhì)提高細胞水勢，水分離開保衛(wèi)細胞，氣孔關閉。與植物激素ABA作用有關。

久雨情況下，表皮細胞為水飽和，擠壓保衛(wèi)細胞，使氣孔關閉。

4.3.4溫度：

氣孔開度隨溫度上升而增加，30℃左右最大，超過30℃，低于10℃，氣孔部分關閉。溫度對氣孔的調(diào)節(jié)可能主要是影響了酶活性。4.3.5植物激素：

CTK和IAA促進氣孔開，ABA促進氣孔關閉。氣孔運動具有晝夜節(jié)律(circadianrhythm)。4.4氣孔運動的調(diào)節(jié)機制4.4.1保衛(wèi)細胞膨壓變化控制氣孔運動保衛(wèi)細胞吸水膨脹,氣孔張開。水分流出,膨壓降低，氣孔關閉。保衛(wèi)細胞體積的變化可達40%-100%4.4.2K+/蘋果酸等在氣孔運動中的作用+K+-K+蠶豆保衛(wèi)細胞中的離子濃度在氣孔開閉時的變化

氣孔狀態(tài)氣孔開度

(

m)保衛(wèi)細胞體積(pl)K+(mmol?L-1)Cl-(mmol?L-1)

蘋果酸(mmol?L-1)張開關閉1225.02.642438.522.03.1464.648.1鉀離子濃度的提高伴隨Cl-或蘋果酸根離子濃度提高,用以平衡K+的電荷。光H+泵出保衛(wèi)細胞胞內(nèi)pH上升、膜超極化K+通道活化K+進入保衛(wèi)細胞伴隨Cl-進入保衛(wèi)細胞水勢下降，細胞吸水氣孔開放保衛(wèi)細胞膜上的H+-ATPase，水解ATP淀粉水解或光合作用PEP蘋果酸(陰離子)OAAPEPC蘋果酸脫氫酶保衛(wèi)細胞鉀離子-蘋果酸滲透調(diào)節(jié)理論(Patassium-malic

acidosmoregulationtheory)淀粉—糖轉化學說(starch-sugarhypothesis,1908年,FELloyd)淀粉磷酸化酶淀粉糖［CO2］光pH(7-8)［CO2］暗pH(5)近期研究表明：蔗糖可能在保衛(wèi)細胞滲透調(diào)節(jié)的某些階段起作用。氣孔運動中可能有不同的滲透調(diào)節(jié)階段：日出，氣孔開，K+吸收；日出后一段時間，蔗糖逐漸升高成為主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。Dailycourseofchangesinthestomatalaperture,andinpotassumandsucrosecontent,ofguardcellsfromintactleavesofbroadbean.4.5氣孔運動的其它調(diào)節(jié)機制4.5.1光對氣孔運動的調(diào)節(jié)雙光實驗(dual-beamexperiment)藍光參與氣孔張開的控制系統(tǒng)Bluelight-stimulatedswellingofguardcellprotoplasts接受藍光的受體:

玉米黃素（Zeaxanthin)可能是氣孔藍光反應的受體。證據(jù)：

（1）玉米黃素的吸收光譜與藍光促進氣孔張開的作用光譜吻合。（2）二硫蘇糖醇(DTT)抑制玉米黃素形成，也抑制氣孔開放對藍光的反應。

（3）玉米黃素缺陷的擬南芥突變體(npq1)，缺乏對藍光的反應。

(4)照射藍光前先照射背景紅光,可增加氣孔對藍光的反應。zeaxanthin玉米黃素被激發(fā)之后可能的信號轉導機制是：藍光

受體

葉綠體膜Ca2+-ATPase激活胞質(zhì)鈣濃度降低質(zhì)膜H+-ATPase激活。4.5.2ABA對氣孔運動的調(diào)節(jié)SimplifiedmodelforABAsignalingtransductioninstomatalguardcells鈣離子活性氧一氧化氮三磷酸肌醇cADPR蛋白激酶/磷酸酶等離子通道等涉及到復雜的信號轉導途徑和多種信號分子4.6影響蒸騰的因素光照氣孔開度；提高溫度，增加蒸汽壓差。溫度氣孔開度；提高溫度，增加蒸汽壓差。濕度濕度大，蒸汽壓差減小，蒸騰減弱。風風能使界面層變薄，增強蒸騰。強風使氣孔關閉，降低蒸騰。水分促進蒸騰。

5合理灌溉的生理基礎5.1作物的需水規(guī)律

不同生長發(fā)育時期需水不同,以小麥為例：萌發(fā)—分蘗前期—分蘗末期—抽穗期—乳熟末期——完熟

水分臨界期:

指植物在生命周期中對水分缺乏最敏感，最易受害的時期。

一般而言植物的水分臨界期多處于花分母細胞四分體形成期。此時缺水，使性器官發(fā)育不正常，特別是雄性器官發(fā)育受阻或畸形。5.2灌溉的指標及灌溉方法

土壤含水量田間持水量的60-80%適合植物生長形態(tài)指標莖葉顏色，幼葉狀態(tài)，生長速度生理指標：

葉片水勢細胞汁液濃度(滲透勢)

氣孔開度

如何認識保衛(wèi)細胞（Guard

Cells）以及氣孔運動的調(diào)節(jié)？一、氣孔保衛(wèi)細胞的結構二、氣孔保衛(wèi)細胞的發(fā)育三、氣孔孔徑（大?。┑恼{(diào)控StomataarelocatedontheleafsurfaceandarethemainconduitforwatertranspirationandCO2influxintoleaves.CO2H2Ostomata一、氣孔保衛(wèi)細胞的結構二、氣孔保衛(wèi)細胞的發(fā)育meristemoidmothercell(MMC)pavementcell+meristemoidguardmothercell(GMC)asymmetricdivisionapairofguardcellssymmetric

divisionNature,

2007如何確立這幾個基因的邏輯關系?各基因缺失突變體基因的表達模式正、反向遺傳學表型基因功能spch

Arabidopsis突變體（mutants）mute

Arabidopsisfama

ArabidopsisWTfamafama基因的表達模式promoter::reporterpromoter::GUSPromoter::GFP(beta-glucuronidase)(green

fluorescent

protein)RT-PCR

or

Real-time

PCRguardcellpromoter35Scauliflowermosaicviruspromoter

(35S

promoter）特異性啟動子－－－只在保衛(wèi)細胞中表達的啟動子組成性啟動子－－－可以任何組織中表達的啟動子pGC1::GUSPlantMethods2008,4:6pGC1::YC3.60正、反向遺傳學forwardgeneticsreversegeneticsTraitsGenesGenesTraitsMUTEbasichelix–loop–helix

(bHLH)proteinakeyswitchformeristemoidfatetransitionmute

mutanttheentire

epidermistoadoptguardcellidentityMUTEhastwoparaloguesFAMAaregulatorofguardcellmorphogenesisSPEECHLESS

(SPCH)Nature,

2007At3g06120SPCH,MUTEandFAMAstomataldevelopmentinitiation,meristemoid

differentiationandguardcellmorphogenesisstomatalclusters三、氣孔孔徑（大?。┑恼{(diào)控stomatalaperturemultiplephysiological

factors(light,CO2,planthormones,

calcium,reactiveoxygenspecies,inositolphosphates,

andsphingolipids,

etc.)ost1-1ost1-2wild-typeOST1ost1-1ost1-2wild-typeOst1

mutationsimpairtheABAregulationof

stomatalapertureH2O2漫灌、噴灌、滴灌Concepts:田間持水量(fieldcapacity)萎蔫(wilting)暫時萎蔫(temporaywilting)永久萎蔫(permanentwilting)永久萎蔫點(permanentwiltingpoint)永久萎蔫系數(shù)(permanentwiltingcoefficient)水勢(waterpotential)滲透勢(osmosicpotential)溶質(zhì)勢(solutepotential)壓力勢(pressurepotential)基質(zhì)勢(matricpotential)滲透(osmosis)集流(bulkflow)擴散(diffusion)水孔蛋白(aquaporin)根壓(rootpressure)傷流(bleeding)吐水(guttation)蒸騰拉力(transpirationpull)蒸騰作用(transpiration)蒸騰系數(shù)(transpirationcoefficient)蒸騰速率(transpirationrate)水分臨界期(watercriticalperiod)Keytopics:1、溶液的水勢組成2、植物細胞的水勢組成。3、水勢計算公式4、測定植物水勢的方法5、影響根系吸水的因素6、根壓形成機制7、蒸騰作用的方式8、影響氣孔運動、蒸騰作用的因素9、結合保衛(wèi)細胞特點，論述氣孔運動機制10、水分進入植物并向上運輸?shù)臋C制？水柱能否經(jīng)受住張力而保持連續(xù)？水分子間有強大的內(nèi)聚力(30MPa)3.4內(nèi)聚力--張力學說（Cohesion-TensionTheory)蒸騰拉力是木質(zhì)部水分上升的主要動力。水具有很高的內(nèi)聚力，它足以抵抗水柱受到的張力，因而保持水柱的連續(xù)性，而使水分不斷上升。

Aworkingmodelofthecohension-tensionmechanism導管中存在的負壓可達到-0.5-2.5MPa。內(nèi)聚力--張力學說基本被接受木質(zhì)部中也經(jīng)常發(fā)生氣穴化（cavitation),主要是由于木質(zhì)部汁液中溶解有氣體，或由于導管的負壓作用使氣體從側壁紋孔中進入。氣泡較大時會堵塞管道，造成栓塞（embolism)。A木質(zhì)部栓塞B經(jīng)高壓水后，栓塞恢復第一節(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膜運輸?shù)鞍椎谌?jié)植物細胞的離子跨膜運輸機制第四節(jié)植物細胞氮、磷、鉀、鈣的跨膜運輸系統(tǒng)和機制研究進展HighlyvariableenvironmentRelativelyconstantinternalenvironmentPlasmamembraneRelayofsignalsfromitsphysicalenvironmentandothercells.Traffickingofselectedmoleculesandions.第一節(jié)生物膜的物理化學特性兩親性(amphiphathtic)：生物膜的化學組成決定了膜具有兩親性(親水性和疏水性)。1.生物膜的“兩親性”與“絕緣性”親水部分疏水層帶電離子絕緣性(insulativity)：帶電物質(zhì)不易通過脂質(zhì)雙分子層。膜對溶質(zhì)的相對通透性極強親水性難通過膜Relativepermeability(cm/s)?人工膜生物膜

H2O10-2

H2O

甘油10-4

甘油

10-6K+10-8Cl-10-10Na+Cl-K+Na+人工膜生物膜

H2O10-2H2O

甘油10-4

甘油

10-6K+10-8Cl-10-10Na+Cl-K+Na+膜對溶質(zhì)的相對通透性極強親水性難通過膜跨膜運輸功能蛋白Relativepermeability(cm/s)電化學勢梯度;ATP水解產(chǎn)生的能量。驅使離子跨膜運輸?shù)膭恿?2.跨膜電化學梯度和膜電位電化學梯度(electro-chemicalpotentialgradient)：化學梯度（不帶電中性分子和帶電粒子）和電勢梯度（帶電粒子）。

某離子的跨膜電化學勢梯度：跨膜化學勢梯度+跨膜電勢梯度ABABAB+--最初狀態(tài)[KCl]A>[KCl]B中間狀態(tài)[K+]A<[K+]B最終狀態(tài)[KCl]A=[KCl]BK+Cl-由半透膜相隔的兩相（A與B）間通過離子的跨膜運輸最終達到平衡的過程示意圖當膜對K+的通透性大于對Cl-的通透性時，擴散過程中產(chǎn)生擴散電位。但最終達到離子濃度和電荷平衡最初狀態(tài)ABK+Cl-不可透膜陰離子AB平衡狀態(tài)在活細胞中常有不可擴散的陰離子，從而導致在最終擴散平衡時，膜兩側電位不平衡。最終在擴散平衡時，發(fā)生了電荷分離膜電位(transmembraneelectricalpotential)：在離子發(fā)生跨膜擴散的過程中或達到動態(tài)平衡時，都有可能產(chǎn)生可跨膜擴散的陰、陽離子分布不平衡的狀態(tài)，這就造成了膜兩側可跨膜擴散的電荷分布的不平衡，表現(xiàn)為膜兩側之間存在跨膜電勢（或電位）差。測定細胞膜電位的示意圖用微電極可容易地測量出活細胞跨膜電位典型的植物細胞,在細胞膜的內(nèi)側具有較高的負電荷,而在細胞膜的外側具有較高的正電荷。跨膜電位有方向性：描述活細胞的膜電位時，一般用膜內(nèi)側對于膜外側電位來表示（Ei-Eo)。

活細胞跨膜電位一般為負值（在-60---240mV)，作為細胞生理活動指標之一。細胞在靜息狀態(tài)下測得的膜電位稱為靜息膜電位(restingmembraneelectricpotential)。當某種刺激發(fā)生時，膜電位發(fā)生去極化或超極化,超極化狀態(tài)細胞生理活動較活躍。超極化(hyperpolarization):

跨膜電位處于與原來的靜息狀態(tài)下的跨膜電位更負(絕對值更高)的狀態(tài)

細胞的整體生理活動較為活躍。去極化(depolarization):

跨膜電位處于較原來的參照狀態(tài)下的跨膜電位更正(膜電位的絕對值較低)狀態(tài)。第二節(jié)細胞膜結構中的離子跨膜運輸?shù)鞍?/p>

離子通道離子載體離子泵離子跨膜運輸?shù)鞍?iontransporter)

膜片鉗技術(patchclamprecordingtechnique)1976年德國馬普生物物理研究所

NeherandSakmann

記錄通過離子通道的離子電流→細胞膜單一/多個離子通道分子活動。1983年

《Single-channelRecording》一書問世1991年細胞生物學和神經(jīng)科學產(chǎn)生重大影響，

二人獲得諾貝爾生理與醫(yī)學獎。BertSakmannErwinNeher1.離子通道離子通道(ionchannel)：由多肽鏈中的若干疏水性區(qū)段在膜的脂質(zhì)雙層結構中形成的跨膜孔道結構。1–channel

domains2-outervestibule3–selectivity

filter4-diameterofselectivityfilter5-phosphorylationsite6–cell

membrane離子的選擇性：K+

channel、Ca2+

channel、Cl-

channel,

etc.運輸離子方向：K+inward、K+outward,etc.離子通道開放與關閉的調(diào)控機制：AKT1電壓門控通道(voltage-gatedionchannel)、調(diào)節(jié)因子調(diào)控的通道等。AKT1:

6個跨膜區(qū)，一個通道孔部區(qū)域；

S4區(qū)為電壓敏感區(qū)；

C端為磷酸化調(diào)控區(qū)。P質(zhì)膜通道主體結構“門控結構”胞外胞內(nèi)選擇性過濾結構調(diào)節(jié)亞基電壓門控K＋通道模型示意圖電化學勢梯度正負2.離子載體離子載體（ioncarriers):

疏水跨膜區(qū)域不形成明顯的孔道結構；載體蛋白的活性部位結合與轉運物質(zhì)結合，變構；載體運輸可以順著也可以逆電化學勢梯度進行。

由載體蛋白介導的跨膜離子運轉可以是被動的，也可以是主動的。Kinetic(A)andcartoon(B)representationsoftheactivityofcarrier

高度