第四章 植物細(xì)胞跨膜離子運(yùn)輸

1、第四章植物細(xì)胞跨膜離子運(yùn)輸?shù)谒恼轮参锛?xì)胞跨膜離子運(yùn)輸 第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性 第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨 膜運(yùn)輸?shù)鞍啄み\(yùn)輸?shù)鞍?第三節(jié)植物細(xì)胞的離子跨膜運(yùn)第三節(jié)植物細(xì)胞的離子跨膜運(yùn) 輸機(jī)制輸機(jī)制 第四節(jié)植物細(xì)胞氮、磷、鉀、鈣第四節(jié)植物細(xì)胞氮、磷、鉀、鈣 的跨膜運(yùn)輸系統(tǒng)和機(jī)制研的跨膜運(yùn)輸系統(tǒng)和機(jī)制研 究進(jìn)展究進(jìn)展 第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性 一、生物膜的化學(xué)組成與生物膜的一、生物膜的化學(xué)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(xué)勢(shì)梯度和膜電位二、跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度和膜電位 一、生物膜的化學(xué)組

2、成與生物膜的一、生物膜的化學(xué)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(tuán)磷脂分子兩親性：親水基團(tuán) 疏水基團(tuán)疏水基團(tuán) 疏水層 帶電離子 親水部分 具有強(qiáng)親水性的帶電離子不易通過(guò)膜的脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu) 絕緣性絕緣性 Cl- Cl- Na+ Na+ K+ 甘油 H2O K+ 甘油 H2O 生物膜人工膜人工膜 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 膜的相對(duì)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(yùn)輸功能的蛋白質(zhì)。運(yùn)輸功能的蛋白質(zhì)。 二、跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度和膜電位 中性分子或粒子 化學(xué)勢(shì) 濃度 帶電

3、粒子 電化學(xué)勢(shì) （濃度和電勢(shì)） 膜電位：膜內(nèi)外兩側(cè)的電勢(shì)差。膜電位：膜內(nèi)外兩側(cè)的電勢(shì)差。 分為：超極化（分為：超極化（hyperpolarization） 去極化去極化 (depolarization) 根尖、莖尖或葉肉細(xì)胞 patch clamp apparatus 第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨 膜運(yùn)輸?shù)鞍啄み\(yùn)輸?shù)鞍?離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍谆螂x子運(yùn)載體（離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍谆螂x子運(yùn)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(yùn)輸過(guò)程的功能蛋白。蛋白中執(zhí)行離子跨膜運(yùn)輸過(guò)程的功能蛋白。 離子通道（離子通道（ion c

4、hannel） 離子載體（離子載體（ ion carrier） 離子泵（離子泵（ion pump） The three 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(yùn)輸?shù)鞍祝浒被嵝蛄猩锬ど系碾x子運(yùn)輸?shù)鞍?，其氨基酸序?中的若干疏水區(qū)域在膜上形成跨膜孔道結(jié)構(gòu)，中的若干疏水區(qū)域在膜上形成跨膜孔道結(jié)構(gòu)， 具門(mén)控特性，多種因素調(diào)節(jié)其開(kāi)

5、放、關(guān)閉狀態(tài)，具門(mén)控特性，多種因素調(diào)節(jié)其開(kāi)放、關(guān)閉狀態(tài)， 對(duì)離子具有選擇性，離子順電化學(xué)勢(shì)梯度跨膜對(duì)離子具有選擇性，離子順電化學(xué)勢(shì)梯度跨膜 運(yùn)輸。運(yùn)輸。 電壓門(mén)控K通道模型 Proposed structural model for AKT1, a plant K+in channel 電壓門(mén)控通道電壓門(mén)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(jié)構(gòu)的生物膜上的一些有跨膜區(qū)域結(jié)構(gòu)的 特殊蛋白。特殊蛋白。 具有活性結(jié)合部位，選擇性地結(jié)具有活性結(jié)合部位，選擇性地結(jié) 合物質(zhì)，結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生變化，合物質(zhì)，結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生變化， 再將物質(zhì)釋放于膜的另一側(cè)。再將

6、物質(zhì)釋放于膜的另一側(cè)。 不具門(mén)控特性，由底物或其它化學(xué)不具門(mén)控特性，由底物或其它化學(xué) 信號(hào)激活。載運(yùn)物質(zhì)的動(dòng)力是跨膜信號(hào)激活。載運(yùn)物質(zhì)的動(dòng)力是跨膜 的電化學(xué)勢(shì)梯度。的電化學(xué)勢(shì)梯度。 具有飽和效應(yīng)具有飽和效應(yīng) 分為分為： 被動(dòng)運(yùn)輸載體被動(dòng)運(yùn)輸載體 主動(dòng)運(yùn)輸載體主動(dòng)運(yùn)輸載體，如離子泵，如離子泵 離子通過(guò)載體從膜的一側(cè)運(yùn)到另一側(cè)示意圖離子通過(guò)載體從膜的一側(cè)運(yùn)到另一側(cè)示意圖 載體的動(dòng)力學(xué)飽和效應(yīng) 通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，可以區(qū)別溶通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，可以區(qū)別溶 質(zhì)是經(jīng)通道還是經(jīng)載體轉(zhuǎn)運(yùn)的，質(zhì)是經(jīng)通道還是經(jīng)載體轉(zhuǎn)運(yùn)的， 經(jīng)通道轉(zhuǎn)運(yùn)的是擴(kuò)散過(guò)程，沒(méi)有經(jīng)通道轉(zhuǎn)運(yùn)的是擴(kuò)散過(guò)程，沒(méi)有 飽和現(xiàn)象而經(jīng)載體轉(zhuǎn)運(yùn)的，由于飽和現(xiàn)象而

7、經(jīng)載體轉(zhuǎn)運(yùn)的，由于 結(jié)合部位數(shù)量有限，因此具有飽結(jié)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(jìn)入胞內(nèi)。 三、離子泵三、離子泵(Ion pumps) 生物膜上的運(yùn)輸?shù)鞍?，具有生物膜上的運(yùn)輸?shù)鞍祝哂?ATPaseATPase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(xué)勢(shì)梯度跨膜運(yùn)量將離子逆電化學(xué)勢(shì)梯度跨膜運(yùn) 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） D ATP 膜外側(cè) N 膜內(nèi)側(cè) C 圖4-13

8、植物細(xì)胞膜H+-ATP酶結(jié)構(gòu)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 離子泵跨膜運(yùn)輸離子的過(guò)程示意圖（引自 Taiz 和 Zeiger，1998） 植物細(xì)胞上確認(rèn)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(xì)胞的特點(diǎn)保衛(wèi)細(xì)胞的特點(diǎn) 氣孔運(yùn)動(dòng)的機(jī)理氣孔運(yùn)動(dòng)的機(jī)理 影響氣孔運(yùn)動(dòng)的因素影響氣孔運(yùn)動(dòng)的因素 蒸騰意義蒸騰意義 離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍锥x

9、及特點(diǎn)：離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍锥x及特點(diǎn)： 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(jié)合跨膜運(yùn)輸復(fù) 合體 ABC Transporters894 反向運(yùn)轉(zhuǎn)載體Antiporters1370 水孔蛋白水孔蛋白Aquaporins235 無(wú)機(jī)溶質(zhì)共運(yùn)轉(zhuǎn)載體Inorganic Solute Cotransporters1684 離子通道離子通道Ion Channels761 有機(jī)溶質(zhì)共運(yùn)轉(zhuǎn)載體Organic Solute Cotransporters35279 泵（泵（ATP酶）酶）Primary Pumps

10、(ATPases)1283 氨基酸/生長(zhǎng)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(yùn)輸?shù)鞍追诸愐挥[表擬南芥中各種跨膜運(yùn)輸?shù)鞍追诸愐挥[表 1. ATP酶 液泡膜上的H+-ATPase ATPATP酶逆電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)送酶逆電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)送 陽(yáng)離子到膜外去的假設(shè)步驟陽(yáng)離子到膜外去的假設(shè)步驟 電化學(xué)勢(shì)梯度電化學(xué)勢(shì)梯度 第三節(jié)植物細(xì)胞的離子跨膜第三節(jié)植物細(xì)胞的離子跨膜 運(yùn)輸機(jī)制運(yùn)輸機(jī)制 一、被動(dòng)運(yùn)輸一、被動(dòng)運(yùn)輸 二、主動(dòng)運(yùn)輸二、主動(dòng)運(yùn)輸 三、共運(yùn)輸三、共運(yùn)輸 一、被動(dòng)運(yùn)輸

11、（一、被動(dòng)運(yùn)輸（passive transport） 離子的跨膜運(yùn)輸并不直接消耗離子的跨膜運(yùn)輸并不直接消耗ATPATP，且其，且其 被動(dòng)運(yùn)輸方式是順跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)行。被動(dòng)運(yùn)輸方式是順跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)行。 如如簡(jiǎn)單擴(kuò)散簡(jiǎn)單擴(kuò)散（simple diffusionsimple diffusion） 離子的被動(dòng)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)輸是在載體的協(xié)助下離子的被動(dòng)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)輸是在載體的協(xié)助下 進(jìn)行，其運(yùn)輸速度慢。進(jìn)行，其運(yùn)輸速度慢。 如如協(xié)助擴(kuò)散協(xié)助擴(kuò)散（facilitated diffusionfacilitated diffusion） 高 低 A B C 簡(jiǎn)單擴(kuò)散 協(xié)助擴(kuò)散 被動(dòng)運(yùn)輸 主動(dòng)運(yùn)輸 能量 膜質(zhì)雙層

12、 跨膜運(yùn)輸離子 電化學(xué)勢(shì)梯度 高 低 A B C 簡(jiǎn)單擴(kuò)散 協(xié)助擴(kuò)散 被動(dòng)運(yùn)輸 主動(dòng)運(yùn)輸 能量 膜質(zhì)雙層 跨膜運(yùn)輸離子 電化學(xué)勢(shì)梯度 二、主動(dòng)運(yùn)輸二、主動(dòng)運(yùn)輸(active transport) 離子的跨膜運(yùn)輸與消耗水解離子的跨膜運(yùn)輸與消耗水解ATPATP相偶聯(lián)，相偶聯(lián)， 且被運(yùn)送離子的方向是逆該離子跨膜電且被運(yùn)送離子的方向是逆該離子跨膜電 化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)行?；瘜W(xué)勢(shì)梯度進(jìn)行。 如H-ATPase 質(zhì)膜上的主動(dòng)運(yùn)輸質(zhì)膜上的主動(dòng)運(yùn)輸初始主動(dòng)運(yùn)輸初始主動(dòng)運(yùn)輸 跨膜質(zhì)子電化跨膜質(zhì)子電化 學(xué)勢(shì)梯度學(xué)勢(shì)梯度 驅(qū)動(dòng)其它離子或小分子通過(guò)相應(yīng)載體驅(qū)動(dòng)其它離子或小分子通過(guò)相應(yīng)載體 跨膜運(yùn)輸跨膜運(yùn)輸次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸次級(jí)主

13、動(dòng)運(yùn)輸 通過(guò)載體的次級(jí)共運(yùn)輸過(guò)程示意。在質(zhì)子電化學(xué)勢(shì)梯度的驅(qū)動(dòng)下，溶質(zhì)通過(guò)載體的次級(jí)共運(yùn)輸過(guò)程示意。在質(zhì)子電化學(xué)勢(shì)梯度的驅(qū)動(dòng)下，溶質(zhì) S 被逆著其電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)送過(guò)膜。（引自被逆著其電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)送過(guò)膜。（引自Taiz+Zeiger,1998） 三、共運(yùn)輸三、共運(yùn)輸(co-transport) 也稱協(xié)同運(yùn)輸，指兩種溶質(zhì)被同時(shí)運(yùn)輸也稱協(xié)同運(yùn)輸，指兩種溶質(zhì)被同時(shí)運(yùn)輸 過(guò)膜的機(jī)制，兩者缺一則此過(guò)程不會(huì)發(fā)生。過(guò)膜的機(jī)制，兩者缺一則此過(guò)程不會(huì)發(fā)生。 分為：同向共運(yùn)輸（分為：同向共運(yùn)輸（symport） 反向共運(yùn)輸（反向共運(yùn)輸（antiport） 跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白的類型 第四節(jié)高等植物第四節(jié)高等植物K K 、

14、 、Ca2Ca2 的 的 跨膜運(yùn)輸機(jī)制研究進(jìn)展跨膜運(yùn)輸機(jī)制研究進(jìn)展 一、氮素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)一、氮素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) 二、磷元素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)二、磷元素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) 三、高等植物細(xì)胞三、高等植物細(xì)胞K K 的跨膜 的跨膜 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)及機(jī)制轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)及機(jī)制 四、高等植物四、高等植物CaCa2+ 2+的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 一、氮素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)一、氮素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)物含氮有機(jī)物 NNP PTR 擬南芥，大豆，大麥，黃瓜、番茄等。擬南芥，大豆，大麥，

15、黃瓜、番茄等。 二、磷元素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)二、磷元素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) H2PO4、HPO42、PO43 耗能耗能 H ATPase產(chǎn)生的電化學(xué)勢(shì)梯度下產(chǎn)生的電化學(xué)勢(shì)梯度下 Pi與與H 共運(yùn)輸 共運(yùn)輸 磷轉(zhuǎn)運(yùn)體磷轉(zhuǎn)運(yùn)體 Pi/H+ 擬南芥中擬南芥中9個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體 土壤中缺磷時(shí)，增加磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)土壤中缺磷時(shí)，增加磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá) 提高植物對(duì)磷的吸收。提高植物對(duì)磷的吸收。 1.K+ 的跨膜運(yùn)輸機(jī)制 三、高等植物細(xì)胞三、高等植物細(xì)胞K K 的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 The transport of K+ into barley roots shows two different phases

16、. 高親和性 K+吸收機(jī)制 (1) H+-K+交換ATPase:認(rèn)為高親和性K+ 吸收是通過(guò)H+-ATPase與K+反向交換進(jìn) 行的。 實(shí)驗(yàn)證據(jù)：實(shí)驗(yàn)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(méi)有時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān) 系，也沒(méi)有確定的化學(xué)計(jì)量比。激活H+- ATPase的濃度是數(shù)十毫摩爾。 (2) K+-ATPase: 認(rèn)為植物細(xì)胞也可能存在K+-ATPase. 動(dòng)物、細(xì)菌和真菌中都證明有K+-ATPase。 在植物細(xì)胞中尚未獲得確切證據(jù)。 (3) K+-H+同向共運(yùn)轉(zhuǎn)體 (4) Na+-K+ 同向共運(yùn)轉(zhuǎn)體 (5) 其它高親和性K+吸收載

17、體：HvHAK1基因， AtKUP1. 低高親和性 K+吸收機(jī)制 低高親和性K+吸收由K+離子通道介導(dǎo)。 有兩方面的證據(jù)有兩方面的證據(jù)：K+吸收依賴于細(xì)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(dá)具有組織特異性。如KAT1主要在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá) ， AKT1主要在根組織表達(dá)。 Tissue -specific expression of plant inward channels (A) KAT1-mediated GUS expression in the ce

18、lls of an Arabidopsis seedling. (B) AKT1-mediated GUS expression in mature roots of Arabidopsis. K K+ +離子通道對(duì)其它一價(jià)離子如離子通道對(duì)其它一價(jià)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(duì)鈉的通透性的不同影響到鉀通道對(duì)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Ca2+跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 鈣作為細(xì)胞內(nèi)的第二信使，鈣離子的跨膜運(yùn)輸具 有特別重要的意義。 植物細(xì)胞鈣離子通道 質(zhì)膜Ca2+通道:機(jī)械刺激敏感的Ca2+通道, 電壓門(mén)控Ca2+通道（去極化電位激活） 內(nèi)膜系統(tǒng)Ca2+通道:IP3門(mén)控Ca2+通道 cADPR門(mén)控Ca2+通道 有關(guān)鈣通道的研究在生化與分子生物學(xué)方面尚無(wú)突破性進(jìn)展。有關(guān)鈣通道的研究在生化與分子生物學(xué)方面尚無(wú)突破性進(jìn)展。 植物細(xì)胞鈣離子泵 在植物細(xì)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(jié)構(gòu)不同。 分PM型和ER型. 植物質(zhì)膜A