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（Mechanismforionstransportacrossbiologicalmembrane),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,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,一、生物膜的化学组成与生物膜的“两亲性”和“绝缘性”,磷脂分子两亲性：亲水基团疏水基团,生物膜与人工膜区别：生物膜中含有执行离子跨膜运输功能的蛋白质。,二、跨膜电化学势梯度和膜电位,膜电位：膜内外两侧的电势差。分为：超极化（hyperpolarization）去极化(depolarization),根尖、茎尖或叶肉细胞,patchclampapparatus,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（iontransporter）：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（ionchannel）离子载体（ioncarrier）离子泵（ionpump）,Thethreeclassesofmembranetransportproteins:channels,carriers,andpumps.,一、离子通道（ionchannel）,K通道内向钾离子通道（K+in）外向钾离子通道（K+out）,生物膜上的离子运输蛋白，其氨基酸序列中的若干疏水区域在膜上形成跨膜孔道结构，具门控特性，多种因素调节其开放、关闭状态，对离子具有选择性，离子顺电化学势梯度跨膜运输。,电压门控K通道模型,ProposedstructuralmodelforAKT1,aplantK+inchannel,电压门控通道,二、离子载体（ioncarrier）,生物膜上的一些有跨膜区域结构的特殊蛋白。,具有活性结合部位，选择性地结合物质，结合后构象发生变化，再将物质释放于膜的另一侧。,不具门控特性，由底物或其它化学信号激活。载运物质的动力是跨膜的电化学势梯度。,具有饱和效应,分为：被动运输载体主动运输载体，如离子泵,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。,多数植物所必需的矿质元素都是以离子形式经质膜上的离子载体进入胞内。,三、离子泵(Ionpumps),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（electrogenicpump）中性离子泵（electroneutralpump）,图4-13植物细胞膜H+-ATP酶结构式意图（引自Buchanan等，2000）,图4-14离子泵跨膜运输离子的过程示意图（引自Taiz和Zeiger，1998）,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,保卫细胞的特点气孔运动的机理影响气孔运动的因素蒸腾意义,离子跨膜运输蛋白定义及特点：离子通道离子载体离子泵,拟南芥中各种跨膜运输蛋白分类一览表,1.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,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,一、被动运输（passivetransport）,离子的跨膜运输并不直接消耗ATP，且其被动运输方式是顺跨膜电化学势梯度进行。如简单扩散（simplediffusion）,离子的被动跨膜转运输是在载体的协助下进行，其运输速度慢。如协助扩散（facilitateddiffusion）,二、主动运输(activetransport),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。,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）,三、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）,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,NNPPTR,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,ThetransportofK+intobarleyrootsshowstwodifferentphases.,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-specificexpressionofplantinwardchannels(A)KAT1-mediatedGUSexpressioninthecellsofanArabidopsisseedling.(B)AKT1-mediatedGUSexpressioninmaturerootsofArabidopsis.,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型和ER型.植物质膜ATPase受钙调素激活。液泡膜Ca2+-ATPase的N端有Calmodulin-bindingdomain.,ActivityofthevacuolarCa2-ATPaesisregulatedbythebindingofcalmodulin,除钙泵外，Ca2+-H+反向运转体在将钙运出细胞质过程中也起到重要作用。,气孔关闭过程中胞质Ca2+调控质膜和液泡膜