植物細胞跨膜離子運輸(20211109161919)

1、第四章 植物細胞跨膜離子運輸?shù)谝还?jié) 生物膜的化學(xué)組成與生物膜的主要理化特性第二節(jié) 細胞膜結(jié)構(gòu)中的跨膜運輸?shù)鞍椎谌?jié) 植物細胞的離子跨膜運輸機制第四節(jié) 高等植物 K+ 、 Ca+ 的跨膜運輸機制研究進展 主要內(nèi)容 ：介紹植物細胞膜的化學(xué)組成和理化特性，膜上運輸?shù)鞍椎念愋汀㈦x子跨膜運輸機制及K+、Ca+跨膜運輸機制研究進展。 教學(xué)要求 ：要求學(xué)生了解細胞離子跨膜運輸?shù)囊饬x，生物膜的理化特性，掌握膜上運輸?shù)鞍椎念愋?、特性及離子跨膜運輸?shù)臋C理，了解K+、Ca+的跨膜運輸機制研究進展。教學(xué)重點 ：離子跨膜運輸?shù)鞍椎姆N類、特性，離子跨膜運輸機理。 教學(xué)難點 ：授課時數(shù) ：3 學(xué)時引言 3 min高等植物的

2、生長發(fā)育有賴于構(gòu)成植物個體的活細胞不斷從土壤、大氣、 水體等環(huán)境中吸收利用各種礦質(zhì)元素。 在植物細胞水平上對營養(yǎng)元素的吸收利用過程是植物不斷吸收營養(yǎng)元素的 根底。 植物細胞質(zhì)膜是細胞與環(huán)境之間的空間界限，活細胞對各種營養(yǎng)元素的吸收就是這 些元素的跨膜運輸過程。植物所必需的各種礦質(zhì)元素大局部是以帶電離子的形式被吸收的， 因此本章的主要內(nèi)容是“植物細胞跨膜離子運輸 。植物細胞與動物微生物細胞跨膜離子運輸機制有許多相似之處，也有不同之處， 但作為物質(zhì)運動的一種形式， 都遵循物理化學(xué)的根本規(guī)律。 以下先介紹離子跨膜運輸?shù)母局R， 在此 根底上討論各種離子的運輸過程。第一節(jié) 生物膜的化學(xué)組成和物理化學(xué)

3、性質(zhì) 8 分細胞最外層是質(zhì)膜， 它是外界物質(zhì)進入的屏障， 質(zhì)膜控制著細胞與環(huán)境的物質(zhì)交流， 維 持了細胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定。質(zhì)膜是由雙磷脂層與蛋白質(zhì)構(gòu)成。磷脂結(jié)構(gòu)：膽堿、磷酸、甘 油、脂肪酸飽和，不飽和 。與磷脂相聯(lián)的蛋白質(zhì)分兩類：內(nèi)在蛋白 Integral、外在蛋白Peripheral 內(nèi)在蛋白插入雙層脂中，常常是跨膜的。外在蛋白通過非共價鍵，如氫鍵，附著在膜上。所以磷脂表現(xiàn)出親水和親脂的性質(zhì)。為研究生物膜對溶質(zhì)的通透性，常用人工雙層脂膜和生物膜進行比擬研究：結(jié)果說明：對于非極性02和極性小分子如 H2O、CO2、甘油二者的通透性類似。 對于離子和大的極性分子 如糖 二者表現(xiàn)出較大差異。 天然

4、生物膜比人工膜通透性大得多。 說明： 天然生物膜中的蛋白質(zhì)有利于這些溶質(zhì)運輸。生物膜中促進溶質(zhì)運輸?shù)牡鞍踪|(zhì)。稱為運輸?shù)鞍?transport proteins 。二者沒有差異的小分子顯然可通過雙層脂運 輸。第二節(jié).細胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨膜運輸?shù)鞍?30 min 重點內(nèi)容研究已發(fā)現(xiàn)膜上有大量與運輸有關(guān)的蛋白質(zhì)。一般將其分為三種類型：通道蛋白chann el;載體carrier;離子泵ion pump通道蛋白 是細胞膜上的一類內(nèi)在蛋白， 一般由幾個亞基構(gòu)成選擇性孔道， 孔的大小及孔內(nèi)表 面電荷等性質(zhì)決定它轉(zhuǎn)運溶質(zhì)的性質(zhì)。離子通道的構(gòu)象會隨環(huán)境條件的改變而發(fā)生變化， 處于某些構(gòu)象時， 中間形成孔道，

5、允 許溶質(zhì)通過，由大小和電荷決定。當受到細胞內(nèi)部或外界環(huán)境的刺激時，通道以某種方式關(guān)閉。 根據(jù)孔開閉的機制將通道分為兩類： 一類是膜電勢控制的通道， 可對跨膜電勢梯度發(fā)生 反響，另一類那么對外界刺激如光照，激素等發(fā)生反響的通道。圖35是一個假想的K+離子通道模型：在這里，K+順電化學(xué)勢梯度逆濃度梯度從 外轉(zhuǎn)移到細胞內(nèi)。 感受蛋白可對細胞內(nèi)外由光照激素等引起的刺激做出反響，并通過某種未知方式將感受的信號傳 膜上的閥門由此做出開關(guān)的決定。在植物細胞質(zhì)膜上已鑒定出K+、Ca+、Cl-等離子的通道。氣孔保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上內(nèi)、外向的K+通道如圖。近年膜片鉗技術(shù)的應(yīng)用大大推動了離子通道的研究。Patch cl

6、amp PC技術(shù)是指使用微電極從一小片細胞膜上獲取電子信息的技術(shù)。載體蛋白 ：也是膜上的內(nèi)在蛋白。 由載體蛋白轉(zhuǎn)運的物質(zhì)， 首先與載體蛋白的活性部位結(jié)合， 結(jié)合后載體蛋白產(chǎn)生構(gòu)象變化，將被轉(zhuǎn)運物質(zhì)暴露于膜的另一側(cè)，并釋放出去。載體蛋白對溶質(zhì)的運輸具有高度特異性; 但同一族的分子或離子可具有共同的載體， 如 K+的載體可運輸Rb+，Na+，表現(xiàn)出同族離子充爭性抑制。圖通過動力學(xué)分析， 可以區(qū)分溶質(zhì)是經(jīng)通道還是經(jīng)載體運輸?shù)模?通道進行的運輸僅是沿通道的 擴散， 不易到達飽。 而載體進行的運輸依賴于溶質(zhì)與載體特殊部位的結(jié)合，因結(jié)合位點數(shù)量有限，所以載體運輸有飽和現(xiàn)象。通過載體的運輸可以是被動的順電化

7、學(xué)勢梯度也可以是主動的逆電化學(xué)勢梯度，離子泵 ion pump:具有ATP水解酶功能并能利用 ATP水解釋放能量逆電化學(xué)勢梯度運轉(zhuǎn) 離子的膜運輸?shù)鞍?.分為 : 致電泵 electrogenic pump電中性泵 electroneutral pump.在植物細胞中存在的泵有：H+-ATPase, Ca 2+-ATPase,此外在液泡膜上還發(fā)現(xiàn)H-PPase 和 ATP-binding cassette轉(zhuǎn)運器(ABC transpoter)擬南芥中各種跨膜運輸?shù)鞍滓挥[表中文名稱英文名稱基因家族數(shù)量基量因數(shù)ATP結(jié)合跨膜運輸?shù)鞍譇BC Transporters894反向運轉(zhuǎn)載體Antiporte

8、rs1370水孔蛋白Aquaporins235無機溶質(zhì)共運轉(zhuǎn)載體Inorganic solute contransporters1684離子通道Ion channels761有機溶質(zhì)共運轉(zhuǎn)載體Organic solute cotransporter35279離子泵(ATP酶)Primary Pumps (ATPase)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質(zhì)膜H-ATPase(P型H+-ATPase)是植物細胞中最主要最普遍的致電泵第三節(jié)植物細胞離子跨膜運輸機制(

9、重點 1.5學(xué)時)一被動運輸(吸收)被動運輸(passive transport):不需要代謝提供能量的順著電化學(xué)勢梯度的轉(zhuǎn)運離子的過程簡單擴散(simple diffusion )通過膜或通道的擴散。易化擴散(Facilitated diffusion) 通過載體的擴散。不管是簡單擴散還是易化擴散，都是順電化學(xué)勢方向進行的。對于分子來講，運輸?shù)姆较蚴菑母邼舛认虻蜐舛冗M行，而對于帶電的離子來講， 那么不單決定于離子的濃度， 而且決定于還決定于膜兩側(cè)的電勢。如下列圖的情況：設(shè)B相為細胞內(nèi)，有不可擴散陰離子，同時有數(shù)量相等的陽離子(假設(shè)為K+ )平衡其電荷，將其放到KCL溶液中，K+將如何運動？A

10、B縣厶 二二 Non-permeable假設(shè)細胞內(nèi)鉀離子濃度為 3,膜電勢為Ei,電化學(xué)勢卩i ;細胞外鉀離子濃度為ao,膜電勢為E。，電化學(xué)勢為為卩o根據(jù)電化學(xué)勢公式：膜內(nèi)外電化學(xué)勢差為: 1 = 10- 口 i0 0=i +RTInao + ZFEo-i - RTIna i-ZFE i=RTIn ao +aiZF(E o-Ei)RTIn為化學(xué)勢梯度aiZF Eo-Ei或ZF E為電勢梯度。R：氣體分散T:絕對溫度Z:離子電荷數(shù)F:法拉弟常數(shù)當 1 >0時， E>|n?，離子從外向內(nèi)擴散，表現(xiàn)為細胞吸收離子。ZF ao當 1 <0時， E <5!|n邑，離子從外向內(nèi)擴

11、散，表現(xiàn)為細胞釋放離子。ZF ao在擴散達平衡時： 1 =0ZF ao這就是著名的模斯特Nernst方程，它說明了膜電勢差和膜內(nèi)外離子活度濃度的關(guān)系：即膜電勢差與膜內(nèi)外離子活度比的對數(shù)成正比。對于一個單價離子，在 25 C時，aiao E =59log -ao可見當膜內(nèi)、外濃度差10倍時，膜電位差相當于59mv。離子的擴散，平衡時都應(yīng)符合Nernst方程。由于細胞膜內(nèi)外正負離子分布的不均一性，所有細胞都具有膜電位，用微電極可容易地測量出活細胞跨膜電位。細胞膜電位產(chǎn)生和維持的原因：膜對不同離子的選擇透性及致電泵作用?？缒る娢挥蟹较蛐浴?表述活細胞的膜電位時， 一般用膜內(nèi)側(cè)對于膜外側(cè)電位來表示。活

12、細胞跨膜電位一般為負值。而習(xí)慣上所說的膜電位上下是指膜電位的絕對值。細胞在靜息狀態(tài)下測得的膜電位稱為靜息膜電位，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)細胞生理狀態(tài)較活潑。課堂討論題：在正常情況下，植物細胞膜外側(cè)環(huán)境中鉀離子濃度為1-10mmol/L,而膜內(nèi)側(cè)的為100mmol/L左右，即細胞質(zhì)內(nèi)帶電荷的鉀離子濃度遠高于膜外側(cè)；但據(jù)膜兩側(cè)鉀離子濃度差由能斯特方程計算出的跨膜電位卻是內(nèi)負外正，解釋為什么？二 主動運輸： 利用代謝能量逆電化學(xué)勢梯度跨膜轉(zhuǎn)運礦質(zhì)的過程稱為主動運輸。 主動運輸需要 ATP 供能。1 主動運輸機制 ：原初主動運輸 : 直接偶聯(lián)著 ATP 水解將溶質(zhì)進行跨膜

13、運輸?shù)倪^程。 在植物細胞中存在的泵有： H+-ATPase, Ca2+-ATPase, 此外在液泡膜上還發(fā)現(xiàn) H+-PPase 和 ATP-binding cassette ABC 可直接利用代謝能進行溶質(zhì)跨膜運輸。H+-ATPase介導(dǎo)的H+跨膜運輸對細胞吸收和轉(zhuǎn)運其它溶質(zhì)起著極其重要作用。，它是膜上的一種插膜入蛋白，其水解 ATP局部在質(zhì)膜細胞質(zhì)一側(cè)，此酶可水解 ATP，釋放能 量，同時把細胞質(zhì)中的 H+向膜外泵出。這個過程的可能機制如圖多媒體圖。H+-ATP 酶：1970 年 Hodge 等用離體質(zhì)膜小泡證實了高等植物根細胞膜上存在 ATP 酶，它可水解ATP 為 ADP 和磷酸并釋放能

14、量?，F(xiàn)已對質(zhì)膜H+ ATP 酶有較詳盡研究：它由單條肽鏈構(gòu)成 fig 6.16，其分子量約 100，000，以二聚體形式發(fā)揮功能。底物ATP-mg最適PH6.5，最適溫度30-40 C,受K+激活，專一抑制劑：VO4-3，已烯雌酚DES 種 雙萜葡萄糖苷真菌毒素：殼校孢菌素FC促進其活性。ATP酶逆電化學(xué)勢梯度運輸陽離子到膜外去的可能機制：ATP與H+結(jié)合，并被磷酸化，磷酸化導(dǎo)致酶構(gòu)象改變，將離子暴露于外側(cè)，釋放Pi后恢復(fù)構(gòu)象。質(zhì)膜ATP H+酶是植物生命活動過程的主宰酶，對許多植物生命活動過程起重要調(diào)控 作用。如前一章講到的氣孔運動，以后講到的生長素的作用等。液泡膜上也存在 H + ATPa

15、se ，其催化局部在細胞質(zhì)一側(cè)，在水解ATP過程中，將 H+泵入液泡，使液泡電勢通常比細胞質(zhì)高 20-30mV， PH 那么低，約 5.5。液泡膜ATPase稱V-ATPase,在結(jié)構(gòu)和功能上都與 P-ATPase不同：它是由至少10個亞基構(gòu)成的復(fù)合物 fig 6.18,分子量750KD ;對釩酸不敏感， 而 受NO3抑制；不受K+激活，可被CI-刺激；每水解1分子ATP可運輸兩個H+進入液泡； 轉(zhuǎn)運H+時不與Pi結(jié)合。H+ PPase：為80KD的多肽，催化P.Pi水解，禾U用釋放的能量將 H+從胞質(zhì)泵進液泡。ATP binding cassette ABC transporters ： 它

16、可利用 ATP 水解產(chǎn)生的能量直接將有機 物大分子跨膜運輸，完全不依賴H+梯度。Ca+ATP-ase;其作用是利用 ATP水解釋放能量，將 Ca+從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到細胞壁中或液泡中,Ca+是胞內(nèi)第二信使，其濃度微小波動會顯著影響細胞生命活動，植物細胞通過Ca+ATPase活性調(diào)節(jié)保持 Ca+的一定水平。Ca+ ATPase底物Ca+ATP，PH在7.07.5之間，受多種 因素調(diào)節(jié)。次級主動運輸sec ondary active tran sport:離子或中性分子依賴質(zhì)子驅(qū)動力進行的逆電化學(xué)勢的跨膜運輸稱為次級主動運輸。當質(zhì)膜外H+增高同時，也產(chǎn)生膜電位 E,膜內(nèi)較負，膜外較正，這種跨膜的梯度和膜

17、電位梯度合稱為 H+電化學(xué)勢差，以h表示H/ h H=RTln +ZFEo-EiHi/的Z=1 H h=RTIn+FA EHi h h就成為其它離子或分子進入細胞的驅(qū)動力。質(zhì)子驅(qū)動力是細胞內(nèi)普遍存在的一種能量貯存形式。質(zhì)子驅(qū)動力的建立，意味著在能量形式的轉(zhuǎn)化上把化學(xué)能變?yōu)闈B透能。這種滲透能成為離子或中性分子跨膜運輸?shù)哪芰?。一般將H + HTPase “泵出H+的過程稱為原初主動運輸，或初級共運轉(zhuǎn)，H+ATPase稱致電泵。其它離子或中性分子依賴質(zhì)子驅(qū)動力進行的跨膜運輸稱為次級主動運輸或次級共運轉(zhuǎn)。次級主動運輸需要膜上的傳遞體transporter完成：分不同的方式： 共向傳遞symport:

18、H+沿電化學(xué)勢梯度進入膜內(nèi)時，需特定運輸?shù)鞍祝说鞍自谂cH+結(jié)合同時，結(jié)合其它分子或離子如糖， AA、C+、A-等經(jīng)變構(gòu)后，釋放在膜內(nèi)。 反向傳遞antiport: H+與反向傳遞體結(jié)合同時，傳遞體從膜內(nèi)結(jié)合了其它分子或離子H+釋放到膜內(nèi)同時，其它離子分子運到膜外。單向傳遞uniport 由于跨膜電勢差，膜內(nèi)負，膜外正離子可通過膜上通道蛋白進入膜 內(nèi)。以上一些運輸，有些已被證實，有些還有待證實。下面介紹葡萄糖一質(zhì)子共運輸證據(jù)： 在簡單的礦質(zhì)營養(yǎng)液中培養(yǎng)水分植物膨脹浮萍，同時測定外表細胞的膜電勢和培養(yǎng)液pH。當向培養(yǎng)液中參加 50m mol L-1葡萄糖后，膜電勢降低，pH個與葡萄糖吸收同時發(fā)生

19、。說明 H+和葡萄糖一起進入了細胞。三主動吸收與被動吸收的區(qū)分：盡管理論上可以將離子吸收區(qū)分為主動吸收和被動吸收，但實際上很難區(qū)分這兩個過程，對于離體組織或細胞，可應(yīng)用Nernst方程可以檢驗等離子的吸收是主動的還是被動的。例：用豌豆離體根進行 24小時吸收后，此時離子進出達穩(wěn)定狀態(tài)。用微電極測定表皮細胞的電位 E,平均值為-110mv,同時測得豌豆根組織的提取液中離子的濃度實測濃度根據(jù)方程計算Ci濃度，2.3RT | Ci E=log Zf Co E代入實測濃度 Co代入 求出Ci 預(yù)期濃度濃度與實測值比擬實測濃度 預(yù)期濃度主動吸收實測濃度=預(yù)期濃度被動平衡實測濃度 預(yù)期濃度主動排出從表中看

20、出：N0、Cl-、H2PO4、SO4-實測濃度均比預(yù)期濃度高，說明這些陰離子進入 為主動傳輸；K+與實測值相近，可能為被動運輸；Na+、Ca+、Mg+可能為主動排出。由于細胞內(nèi)分室化， 每一個分室都有自己的離子濃度，因此上述測定過于簡單化， 如果用大型植物細胞如藻在，測定其細胞質(zhì)離子濃度，那么結(jié)果可變?yōu)闇蚀_。 豌豆根主要離子的電化學(xué)勢平衡離子溶液中的濃度-1m mol L實測濃度-1m mol L預(yù)期濃度-1m mol L結(jié)論+K1.07574被動平衡Na1.0874主動排出+Mg0.2531340Ca+1.02107002NO32.0280.0272主動吸收c1.070.0136H2PO4-

21、1.0210.0136SO40.25190.00037第四節(jié)高等植物K、Cf的跨膜運輸機制進展40min一 K+的跨膜運輸機制1植物根組織對 V吸收的動力學(xué) 植物根組織對K+的吸收表現(xiàn)出兩個動力學(xué)過程：在K+濃度低于時，Km=0.021mmol/L;當濃度高于0.5mmol/L時， km=16mmol/L.熱力學(xué)計算和電生理研究也說明植物細胞對K+吸收涉及到兩個過程。2高親和性?+吸收機制1H +火+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)：K +吸收伴隨H+外流；K + 可激活 H-ATPase.相反證據(jù)：K內(nèi)流和H+外流沒有時間上的對應(yīng)關(guān)系，

22、也沒有確定的化學(xué)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) K +-H+同向共運轉(zhuǎn)體(4) Na +-K+ 同向共運轉(zhuǎn)體(5) 其它高親和性 K吸收載體：HvHAK基因，AtKUPI.3低高親和性K+吸收機制低高親和性X吸收由離子通道介導(dǎo)。有兩方面的證據(jù)：K+吸收依賴于細胞跨膜電位?？杀籏通道抑制劑所抑制。目前從擬南芥已克隆的 瓦通道有內(nèi)向K通道AKT1 AKT2 AKT3 KAT1 KST等，外向K通道KCO.1它們的表達具有組織特異性。如KAT主要在保衛(wèi)細胞中表達，AKT主要在根組織表達。通過cDNA編碼的氨基酸序列比擬分析說明KAT1和AKT1所表達的蛋白質(zhì)屬動物細胞質(zhì)膜上的外向K+通道“Shaker超家族成員。分子量 65-100kDa.這兩種蛋白質(zhì)有6個疏水性跨膜區(qū)域(S1-S6), N端和C端位于胞質(zhì)一側(cè)。 在S4跨膜區(qū) 域，帶正電荷的區(qū)域構(gòu)成電壓感受器。在 S5和 S6之間，有一段高度保