第四章植物细胞跨膜离子运输.ppt

第四章 植物细胞跨膜离子运输 （Mechanism for ions transport across biological membrane),各种营养元素,第一节 生物膜的物理化学特性 第二节 细胞膜结构中的离子跨膜运输蛋白 第三节 植物细胞的离子跨膜运输机制 第四节 植物细胞氮、磷、钾、钙的跨膜运输系统和机制研究进展,教学要求与重点 要求掌握植物细胞膜的结构和跨膜运输蛋白，细胞离子跨膜运输的意义，离子跨膜运输的机理。,第一节 生物膜的物理化学特性,一 生物膜的化学组成与生物膜的 “两亲性”和“绝缘性” 二 跨膜电化学势梯度和膜电位,/v_show/id_XMTMyNTk2Mzg4.html,/v_show/id_XMTMyNTk2Mzg4.html,细 胞 膜,细胞膜是活细胞与环境间进行物质与能量交换的界限。活细胞的膜对所通过的各种物质具有严格的选择性及调控机制，使得细胞质内相对稳定的微环境得以维持。,一 生物膜的化学组成与生物膜的 “两亲性”和“绝缘性”,生物膜由蛋白质、脂类、糖、水和无机离子等组成,磷脂分子结构特点 （1）“两亲性”,膜脂,水系统中会形成的双分子层磷脂结构,生物膜的基本结构,（2）“绝缘性”,疏水性较强或具有两亲性的物质较易通过膜结构,而亲水性的带电物质（如各种离子）通过脂质双层膜时阻力很大,膜的相对通透性增高,膜对溶质的相对通透性,极强亲水性 难通过膜,Relative permeability (cm/s),?,人工膜 生物膜 H2O 10-2 H2O Glycerol 10-4 Glycerol 10-6 K+ 10-8 Cl- 10-10 Na+ Cl- K+ Na+,膜的相对通透性增高,人工膜 生物膜 H2O 10-2 H2O Glycerol 10-4 Glycerol 10-6 K+ 10-8 Cl- 10-10 Na+ Cl- K+ Na+,膜对溶质的相对通透性,极强亲水性 难通过膜,跨膜运输功能蛋白,Relative permeability (cm/s),图43 水分子通过生物膜的机制示意图。 A：水分子通过膜脂分子间隙穿过脂质双分子层； B：水分子通过膜上的水通道蛋白穿过膜结构。,二 跨膜电化学势梯度和膜电位,化学势梯度和电势梯度两者合称电化学势梯度,Initial state Intermediate state Equilibrium state,当膜一侧有不可通透的阴离子时，由半透膜相隔的两相间离子跨膜运输最终不可能达电化学势到平衡,假设细胞从环境中吸收了较多的阳离子,而致使细胞内该离子浓度较高。 按照化学势梯度,细胞内的阳离子应向外扩散; 按电势梯度,由于细胞内有较高的负电荷,则这种阳离子又应该从细胞外向内扩散。 究竟向什么方向扩散呢?这要取决于化学势梯度与电势梯度相对数值的大小楞斯特(Nernst)方程式,典型的植物细胞,在细胞膜的内侧具有较高的负电荷,而在细胞膜的外侧具有较高的正电荷。,跨膜电势或电位差 (electric membrane potential) 在离子发生跨膜扩散的过程中或最终达到动态平衡时, 都有可能产生可跨膜扩散的阴阳离子的不平衡的状态, 因此造成膜两侧可跨膜扩散的电荷分布的不平衡, 或者说膜两侧之间存在电位差.,跨膜电位形成的本质是电荷在膜两侧的分布不均匀, 且膜对这些不均匀分布的电荷载体 (离子) 有一定的通透性. 活细胞电位也被称作扩散电位 (diffusion potential), 因为膜两侧的不均匀分布的任何一种离子都有自电化学势较高的一侧向低的一侧进行扩散的趋势.,patch clamp apparatus,活细胞膜电位,研究细胞生理活动的重要指标之一. 细胞膜的“超极化”和“去极化” (hyperpolarization and depolarization) 两个用膜电位为指标描述细胞生理状态下的重要概念. 超极化: 跨膜电位处于与原来的静息状态下的跨膜电位更负(绝对值更高)的状态 细胞的整体生理活动较为活跃. 去极化: 跨膜电位处于较原来的参照状态下的跨膜电位更正(膜电位的绝对值较低)状态.,第二节 细胞膜结构中的离子跨膜运输蛋白,离子跨膜运输蛋白或离子运载体（ion transporter） 镶嵌在生物膜中的大量功能蛋白中执行离子跨膜运输过程的功能蛋白。,离子通道（ion channel） 离子载体（ion carrier） 离子泵 （ion pump）,The three classes of membrane transport proteins:channels,carriers,and pumps.,一 离子通道,离子通道：由多肽链中的若干疏水性区段在膜的脂质双层结构中形成的跨膜孔道结构。,依据对离子的选择性，分一价,二价,阴离子通道，阳离子通道等等。特异性 依据运送离子的方向：分内向通道和外向通道。 方向 依据通道开放与关闭的调控机制：,离子通道的分类：,电压门控通道：可对跨膜电势梯度发生反应； 配体门控通道：对化学物质（如激素）发生反应； 张力门控通道：对机械拉力变化发生反应。,电压门控K通道模型,Proposed structural model for AKT1, a plant K+in channel,电压门控通道,Low K+ stress CIPK23 AKT1 K+ uptake,CBL1 or CBL9,K+ transporter,?,图4-9 外向K+通道结构示意图,二 离子载体（ ion carrier）,生物膜上的一些有跨膜区域结构的 特殊蛋白。,离子载体与离子通道的区别： 1. 结构： 离子载体蛋白的跨膜区 域不形成明显的孔道结 构;(明显的孔道结构） 2. 运输离子的方式： 离子载体先与被运输的离子（溶质）相结合，通过载体蛋白的构相变化而将离子（或溶质）自膜的一侧运至另一侧；（通过孔道结构直接跨膜运输）,离子载体分类： 离子载体分为执行离子被动运输的载体和执行离子主动运输的载体（离子泵）,离子通过载体从膜的一侧运到另一侧示意图,载体的动力学饱和效应,通过动力学分析，可以区别溶 质是经通道还是经载体转运的， 经通道转运的是扩散过程，没有 饱和现象而经载体转运的，由于 结合部位数量有限，因此具有饱 和现象。,离子载体运输的物质,多数矿质营养元素离子 部分 K+、 Cl- 等离子 呈离子状态的有机代谢物（例如一些氨基酸、有机酸）,三 离子泵(Ion pumps),生物膜上的运输蛋白，具有 ATPase活性，靠水解ATP提供能 量将离子逆电化学势梯度跨膜运 输。,分为： 致电离子泵（electrogenic pump） 中性离子泵（electroneutral pump）,图4-13 植物细胞膜H+-ATP酶结构式意图 （引自Buchanan等，2000）,质膜H+-ATPase(P型H+-ATPase)是植物细胞中最主要最普遍的致电泵。如果这些H-ATP酶停止工作，则其他大部分离子跨膜运输过程都将会受阻。因此，将植物细胞膜上的H-ATP酶称做“主宰酶” （masterenzyme）。,图4-14 离子泵跨膜运输离子的过程示意图（引自 Taiz 和 Zeiger，1998）,ATP酶,液泡膜上的H+-ATPase,ATP酶逆电化学势梯度运送 阳离子到膜外去的假设步骤,电化学势梯度,植物细胞上确认的离子泵 质膜上的H+-ATP 酶和Ca2+-ATP 酶 液泡膜上的H+-ATP 酶和Ca2+-ATP 酶 内膜系统上的H+-焦磷酸酶,位于液泡膜上的 V 型 H+-ATPase: 在结构和功能上都不同于 P 型 H+-ATPase. 在水解 ATP 时不伴随磷酸化中间产物的形成, 对钒酸盐 (vanadate) 不敏感, 却能被 bafilomycin 和高浓度的硝酸盐 (nitrate) 特异性的抑制. 线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上的 F 型 H+-ATPase: 与 V 型有相似性.,Vacuolar H+-ATPase: 有一个膜外围的 V1 催化活性区和一个整合的V0 质子区, 将 H+ 自细胞质泵至液泡内等内膜系统, 使液泡膜两侧的 pH 值相差 2 左右. 一般植物活细胞质的 pH7, 胞外质外体环境 pH 56, 而液泡内 pH5 或更低.,拟南芥中各种跨膜运输蛋白分类一览表,第三节 植物细胞的离子跨膜运输机制,一 被动运输 二 主动运输 三 共运输,被动运输 (passive transport): 不直接消耗水解 ATP 的能量, 离子运动顺着跨膜电化学势梯度进行. e.g., 通过离子通道 (ion channel) 的运输. 条件: 离子通道处于开放状态、电化学势梯度存在. 有时被称为简单扩散 (simple diffusion). 通道的选择性, 有的强有的弱, 还存在一些受机械伸张激活的离子通道, 一旦激活, 几无选择性. 有些离子的被动运输是通过载体进行的 协助扩散 facilitated diffusion 速度慢, 大分子运输.,植物细胞的离子跨膜的运输机制,主动运输(active transport),离子的跨膜运输与消耗水解ATP相偶联， 且被运送离子的方向是逆该离子跨膜电 化学势梯度进行。,初始主动运输：植物细胞膜上由 H+-ATP 酶所执行的主动运输过程。 次级主动运输：由 H+-ATP 酶活动所建立的跨膜质子电化学梯度所驱动的其他无机离子或小分子有机物质的跨膜运输过程。次级主动运输实际上是一种共运输过程，即两种离子同时被跨膜运输的过程。,如H-ATPase,质膜上的主动运输 初始主动运输,驱动其它离子或小分子通过相应载体 跨膜运输 次级主动运输,通过载体的次级共运输过程示意。在质子电化学势梯度的驱动下，溶质 S 被逆着其电化学势梯度运送过膜。（引自Taiz+Zeiger,1998）,共运输(co-transport),也称协同运输，指两种溶质被同时运输 过膜的机制，两者缺一则此过程不会发生。,分为：同向共运输（symport） 反向共运输（antiport）,Two example of secondary active transport coupled to a primary proton gradient.,跨膜运转蛋白的类型,第四节 高等植物K、Ca2的 跨膜运输机制研究进展,一 氮素跨膜转运系统 二 磷元素跨膜转运系统 三 高等植物细胞K的跨膜 转运系统及机制 四 高等植物Ca2+的跨膜运转机制,一 氮素跨膜转运系统,吸收氮素形式：NH4、NO3、某些氮基酸、多肽等。,硝酸还原酶 亚硝酸还原酶,NH4,含氮有机物,NNP PTR,拟南芥，大豆，大麦，黄瓜、番茄等。,二 磷元素跨膜转运系统,H2PO4、HPO42、PO43,耗能 HATPase产生的电化学势梯度下 Pi与H共运输,磷转运体 Pi/H+,拟南芥中 9个磷转运体,土壤中缺磷时，增加磷酸转运体的表达 提高植物对磷的吸收。,1 K+ 的跨膜运输机制,三 高等植物细胞K的跨膜运转机制,The transport of K+ into barley roots shows two different phases.,高亲和性 K+吸收机制 (1) H+-K+交换ATPase:认为高亲和性K+吸收是通过H+-ATPase与K+反向交换进行的。 实验证据 K+吸收伴随H+外流； K+可激活H+-ATPase. 相反证据 K+内流和H+外流没有时间上的对应关系，也没有确定的化学计量比。激活H+-ATPase的浓度是数十毫摩尔。,(2) K+-ATPase 认为植物细胞也可能存在K+-ATPase. 动物、细菌和真菌中都证明有K+-ATPase。 在植物细胞中尚未获得确切证据。,(3) K+-H+同向共运转体 (4) Na+-K+ 同向共运转体 (5) 其它高亲和性K+吸收载体 HvHAK1基因， AtKUP1.,低高亲和性 K+吸收机制 低高亲和性K+吸收由K+离子通道介导。 有两方面的证据 K+吸收依赖于细胞跨膜电位。 可被K+通道抑制剂四乙胺所抑制。 目前从拟南芥已克隆的K+通道有内向K+通道AKT1、AKT2、AKT3、KAT1、KST1等，外向K+通道KCO1.它们的表达具有组织特异性。如KAT1主要在保卫细胞中表达， AKT1主要在根组织表达。,Tissue -specific expression of plant inward channels (A) KAT1-mediated GUS expression in the cells of an Arabidopsis seedling. (B) AKT1-mediated GUS expression in mature roots of Arabidopsis.,K+离子通道对其它一价离子如NH4+、Rb+、Li+、Na+也有一定通透性。 不同钾通道的选择性也有差异。钾通道对钠的通透性的不同影响到植物的耐盐程度。,四 高等植物的Ca2+跨膜运转机制 钙作为细胞内的第二信使，钙离子的跨膜运输具 有特别重要的意义。 植物细胞钙离子通道 质膜Ca2+通道 机械刺激敏感的Ca2+通道, 电压门控Ca2+通道（去极化电位激活） 内膜系统Ca2+通道 IP3门控Ca2+通道 cADPR门控Ca2+通道,有关钙通道的研究在生化与分子生物学方面尚无突破性进展。,植物细胞钙离子泵 在植物细胞质膜、液泡膜、内质网膜及叶绿体内被膜上均存在Ca2+-ATPase(Ca2+-泵）,这些ATPase均属于P型ATPase.但结构不同。 分PM