植物细胞跨膜离子运输

1、第四章 植物细胞跨膜离子运输第一节 生物膜的化学组成与生物膜的主要理化特性第二节 细胞膜结构中的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 高等植物 K+ 、 Ca+ 的跨膜运输机制研究进展 主要内容 ：介绍植物细胞膜的化学组成和理化特性，膜上运输蛋白的类型、离子跨膜运输机制及K+、Ca+跨膜运输机制研究进展。 教学要求 ：要求学生了解细胞离子跨膜运输的意义，生物膜的理化特性，掌握膜上运输蛋白的类型、特性及离子跨膜运输的机理，了解K+、Ca+的跨膜运输机制研究进展。教学重点 ：离子跨膜运输蛋白的种类、特性，离子跨膜运输机理。 教学难点 ：授课时数 ：3 学时引言 3 min高等植物的

2、生长发育有赖于构成植物个体的活细胞不断从土壤、大气、 水体等环境中吸收利用各种矿质元素。 在植物细胞水平上对营养元素的吸收利用过程是植物不断吸收营养元素的 根底。 植物细胞质膜是细胞与环境之间的空间界限，活细胞对各种营养元素的吸收就是这 些元素的跨膜运输过程。植物所必需的各种矿质元素大局部是以带电离子的形式被吸收的， 因此本章的主要内容是“植物细胞跨膜离子运输 。植物细胞与动物微生物细胞跨膜离子运输机制有许多相似之处，也有不同之处， 但作为物质运动的一种形式， 都遵循物理化学的根本规律。 以下先介绍离子跨膜运输的根本知识， 在此 根底上讨论各种离子的运输过程。第一节 生物膜的化学组成和物理化学

3、性质 8 分细胞最外层是质膜， 它是外界物质进入的屏障， 质膜控制着细胞与环境的物质交流， 维 持了细胞内环境的相对稳定。质膜是由双磷脂层与蛋白质构成。磷脂结构：胆碱、磷酸、甘 油、脂肪酸饱和，不饱和 。与磷脂相联的蛋白质分两类：内在蛋白 Integral、外在蛋白Peripheral 内在蛋白插入双层脂中，常常是跨膜的。外在蛋白通过非共价键，如氢键，附着在膜上。所以磷脂表现出亲水和亲脂的性质。为研究生物膜对溶质的通透性，常用人工双层脂膜和生物膜进行比拟研究：结果说明：对于非极性02和极性小分子如 H2O、CO2、甘油二者的通透性类似。 对于离子和大的极性分子 如糖 二者表现出较大差异。 天然

4、生物膜比人工膜通透性大得多。 说明： 天然生物膜中的蛋白质有利于这些溶质运输。生物膜中促进溶质运输的蛋白质。称为运输蛋白 transport proteins 。二者没有差异的小分子显然可通过双层脂运 输。第二节.细胞膜结构中的离子跨膜运输蛋白 30 min 重点内容研究已发现膜上有大量与运输有关的蛋白质。一般将其分为三种类型：通道蛋白chann el;载体carrier;离子泵ion pump通道蛋白 是细胞膜上的一类内在蛋白， 一般由几个亚基构成选择性孔道， 孔的大小及孔内表 面电荷等性质决定它转运溶质的性质。离子通道的构象会随环境条件的改变而发生变化， 处于某些构象时， 中间形成孔道，

5、允 许溶质通过，由大小和电荷决定。当受到细胞内部或外界环境的刺激时，通道以某种方式关闭。 根据孔开闭的机制将通道分为两类： 一类是膜电势控制的通道， 可对跨膜电势梯度发生 反响，另一类那么对外界刺激如光照，激素等发生反响的通道。图35是一个假想的K+离子通道模型：在这里，K+顺电化学势梯度逆浓度梯度从 外转移到细胞内。 感受蛋白可对细胞内外由光照激素等引起的刺激做出反响，并通过某种未知方式将感受的信号传 膜上的阀门由此做出开关的决定。在植物细胞质膜上已鉴定出K+、Ca+、Cl-等离子的通道。气孔保卫细胞质膜上内、外向的K+通道如图。近年膜片钳技术的应用大大推动了离子通道的研究。Patch cl

6、amp PC技术是指使用微电极从一小片细胞膜上获取电子信息的技术。载体蛋白 ：也是膜上的内在蛋白。 由载体蛋白转运的物质， 首先与载体蛋白的活性部位结合， 结合后载体蛋白产生构象变化，将被转运物质暴露于膜的另一侧，并释放出去。载体蛋白对溶质的运输具有高度特异性; 但同一族的分子或离子可具有共同的载体， 如 K+的载体可运输Rb+，Na+，表现出同族离子充争性抑制。图通过动力学分析， 可以区分溶质是经通道还是经载体运输的： 通道进行的运输仅是沿通道的 扩散， 不易到达饱。 而载体进行的运输依赖于溶质与载体特殊部位的结合，因结合位点数量有限，所以载体运输有饱和现象。通过载体的运输可以是被动的顺电化

7、学势梯度也可以是主动的逆电化学势梯度，离子泵 ion pump:具有ATP水解酶功能并能利用 ATP水解释放能量逆电化学势梯度运转 离子的膜运输蛋白 .分为 : 致电泵 electrogenic pump电中性泵 electroneutral pump.在植物细胞中存在的泵有：H+-ATPase, Ca 2+-ATPase,此外在液泡膜上还发现H-PPase 和 ATP-binding cassette转运器(ABC transpoter)拟南芥中各种跨膜运输蛋白一览表中文名称英文名称基因家族数量基量因数ATP结合跨膜运输蛋白ABC Transporters894反向运转载体Antiporte

8、rs1370水孔蛋白Aquaporins235无机溶质共运转载体Inorganic solute contransporters1684离子通道Ion channels761有机溶质共运转载体Organic solute cotransporter35279离子泵(ATP酶)Primary Pumps (ATPase)1283氨基酸/生长素通透酶Amino acid/Auxin permease(AAAP)143主要内在蛋白Major Intrinsic protein(MIP)138质膜H-ATPase(P型H+-ATPase)是植物细胞中最主要最普遍的致电泵第三节植物细胞离子跨膜运输机制(

9、重点 1.5学时)一被动运输(吸收)被动运输(passive transport):不需要代谢提供能量的顺着电化学势梯度的转运离子的过程简单扩散(simple diffusion )通过膜或通道的扩散。易化扩散(Facilitated diffusion) 通过载体的扩散。不管是简单扩散还是易化扩散，都是顺电化学势方向进行的。对于分子来讲，运输的方向是从高浓度向低浓度进行，而对于带电的离子来讲， 那么不单决定于离子的浓度， 而且决定于还决定于膜两侧的电势。如下列图的情况：设B相为细胞内，有不可扩散阴离子，同时有数量相等的阳离子(假设为K+ )平衡其电荷，将其放到KCL溶液中，K+将如何运动？A

10、B县厶 二二 Non-permeable假设细胞内钾离子浓度为 3,膜电势为Ei,电化学势卩i ;细胞外钾离子浓度为ao,膜电势为E。，电化学势为为卩o根据电化学势公式：膜内外电化学势差为: 1 = 10- 口 i0 0=i +RTInao + ZFEo-i - RTIna i-ZFE i=RTIn ao +aiZF(E o-Ei)RTIn为化学势梯度aiZF Eo-Ei或ZF E为电势梯度。R：气体分散T:绝对温度Z:离子电荷数F:法拉弟常数当 1 0时， E|n?，离子从外向内扩散，表现为细胞吸收离子。ZF ao当 1 0时， E 5!|n邑，离子从外向内扩散，表现为细胞释放离子。ZF a

11、o在扩散达平衡时： 1 =0ZF ao这就是著名的模斯特Nernst方程，它说明了膜电势差和膜内外离子活度浓度的关系：即膜电势差与膜内外离子活度比的对数成正比。对于一个单价离子，在 25 C时，aiao E =59log -ao可见当膜内、外浓度差10倍时，膜电位差相当于59mv。离子的扩散，平衡时都应符合Nernst方程。由于细胞膜内外正负离子分布的不均一性，所有细胞都具有膜电位，用微电极可容易地测量出活细胞跨膜电位。细胞膜电位产生和维持的原因：膜对不同离子的选择透性及致电泵作用。跨膜电位有方向性。 表述活细胞的膜电位时， 一般用膜内侧对于膜外侧电位来表示。活细胞跨膜电位一般为负值。而习惯上

12、所说的膜电位上下是指膜电位的绝对值。细胞在静息状态下测得的膜电位称为静息膜电位，当某种刺激发生时，膜电位发生去极化或超极化。超极化状态细胞生理状态较活泼。课堂讨论题：在正常情况下，植物细胞膜外侧环境中钾离子浓度为1-10mmol/L,而膜内侧的为100mmol/L左右，即细胞质内带电荷的钾离子浓度远高于膜外侧；但据膜两侧钾离子浓度差由能斯特方程计算出的跨膜电位却是内负外正，解释为什么？二 主动运输： 利用代谢能量逆电化学势梯度跨膜转运矿质的过程称为主动运输。 主动运输需要 ATP 供能。1 主动运输机制 ：原初主动运输 : 直接偶联着 ATP 水解将溶质进行跨膜运输的过程。 在植物细胞中存在的

13、泵有： H+-ATPase, Ca2+-ATPase, 此外在液泡膜上还发现 H+-PPase 和 ATP-binding cassette ABC 可直接利用代谢能进行溶质跨膜运输。H+-ATPase介导的H+跨膜运输对细胞吸收和转运其它溶质起着极其重要作用。，它是膜上的一种插膜入蛋白，其水解 ATP局部在质膜细胞质一侧，此酶可水解 ATP，释放能 量，同时把细胞质中的 H+向膜外泵出。这个过程的可能机制如图多媒体图。H+-ATP 酶：1970 年 Hodge 等用离体质膜小泡证实了高等植物根细胞膜上存在 ATP 酶，它可水解ATP 为 ADP 和磷酸并释放能量。现已对质膜H+ ATP 酶有

14、较详尽研究：它由单条肽链构成 fig 6.16，其分子量约 100，000，以二聚体形式发挥功能。底物ATP-mg最适PH6.5，最适温度30-40 C,受K+激活，专一抑制剂：VO4-3，已烯雌酚DES 种 双萜葡萄糖苷真菌毒素：壳校孢菌素FC促进其活性。ATP酶逆电化学势梯度运输阳离子到膜外去的可能机制：ATP与H+结合，并被磷酸化，磷酸化导致酶构象改变，将离子暴露于外侧，释放Pi后恢复构象。质膜ATP H+酶是植物生命活动过程的主宰酶，对许多植物生命活动过程起重要调控 作用。如前一章讲到的气孔运动，以后讲到的生长素的作用等。液泡膜上也存在 H + ATPase ，其催化局部在细胞质一侧，

15、在水解ATP过程中，将 H+泵入液泡，使液泡电势通常比细胞质高 20-30mV， PH 那么低，约 5.5。液泡膜ATPase称V-ATPase,在结构和功能上都与 P-ATPase不同：它是由至少10个亚基构成的复合物 fig 6.18,分子量750KD ;对钒酸不敏感， 而 受NO3抑制；不受K+激活，可被CI-刺激；每水解1分子ATP可运输两个H+进入液泡； 转运H+时不与Pi结合。H+ PPase：为80KD的多肽，催化P.Pi水解，禾U用释放的能量将 H+从胞质泵进液泡。ATP binding cassette ABC transporters ： 它可利用 ATP 水解产生的能量直

16、接将有机 物大分子跨膜运输，完全不依赖H+梯度。Ca+ATP-ase;其作用是利用 ATP水解释放能量，将 Ca+从细胞质转运到细胞壁中或液泡中,Ca+是胞内第二信使，其浓度微小波动会显著影响细胞生命活动，植物细胞通过Ca+ATPase活性调节保持 Ca+的一定水平。Ca+ ATPase底物Ca+ATP，PH在7.07.5之间，受多种 因素调节。次级主动运输sec ondary active tran sport:离子或中性分子依赖质子驱动力进行的逆电化学势的跨膜运输称为次级主动运输。当质膜外H+增高同时，也产生膜电位 E,膜内较负，膜外较正，这种跨膜的梯度和膜电位梯度合称为 H+电化学势差，

17、以h表示H/ h H=RTln +ZFEo-EiHi/的Z=1 H h=RTIn+FA EHi h h就成为其它离子或分子进入细胞的驱动力。质子驱动力是细胞内普遍存在的一种能量贮存形式。质子驱动力的建立，意味着在能量形式的转化上把化学能变为渗透能。这种渗透能成为离子或中性分子跨膜运输的能力。一般将H + HTPase “泵出H+的过程称为原初主动运输，或初级共运转，H+ATPase称致电泵。其它离子或中性分子依赖质子驱动力进行的跨膜运输称为次级主动运输或次级共运转。次级主动运输需要膜上的传递体transporter完成：分不同的方式： 共向传递symport: H+沿电化学势梯度进入膜内时，需

18、特定运输蛋白，此蛋白在与H+结合同时，结合其它分子或离子如糖， AA、C+、A-等经变构后，释放在膜内。 反向传递antiport: H+与反向传递体结合同时，传递体从膜内结合了其它分子或离子H+释放到膜内同时，其它离子分子运到膜外。单向传递uniport 由于跨膜电势差，膜内负，膜外正离子可通过膜上通道蛋白进入膜 内。以上一些运输，有些已被证实，有些还有待证实。下面介绍葡萄糖一质子共运输证据： 在简单的矿质营养液中培养水分植物膨胀浮萍，同时测定外表细胞的膜电势和培养液pH。当向培养液中参加 50m mol L-1葡萄糖后，膜电势降低，pH个与葡萄糖吸收同时发生。说明 H+和葡萄糖一起进入了细

19、胞。三主动吸收与被动吸收的区分：尽管理论上可以将离子吸收区分为主动吸收和被动吸收，但实际上很难区分这两个过程，对于离体组织或细胞，可应用Nernst方程可以检验等离子的吸收是主动的还是被动的。例：用豌豆离体根进行 24小时吸收后，此时离子进出达稳定状态。用微电极测定表皮细胞的电位 E,平均值为-110mv,同时测得豌豆根组织的提取液中离子的浓度实测浓度根据方程计算Ci浓度，2.3RT | Ci E=log Zf Co E代入实测浓度 Co代入 求出Ci 预期浓度浓度与实测值比拟实测浓度 预期浓度主动吸收实测浓度=预期浓度被动平衡实测浓度 预期浓度主动排出从表中看出：N0、Cl-、H2PO4、S

20、O4-实测浓度均比预期浓度高，说明这些阴离子进入 为主动传输；K+与实测值相近，可能为被动运输；Na+、Ca+、Mg+可能为主动排出。由于细胞内分室化， 每一个分室都有自己的离子浓度，因此上述测定过于简单化， 如果用大型植物细胞如藻在，测定其细胞质离子浓度，那么结果可变为准确。 豌豆根主要离子的电化学势平衡离子溶液中的浓度-1m mol L实测浓度-1m mol L预期浓度-1m mol L结论+K1.07574被动平衡Na1.0874主动排出+Mg0.2531340Ca+1.02107002NO32.0280.0272主动吸收c1.070.0136H2PO4-1.0210.0136SO40.

21、25190.00037第四节高等植物K、Cf的跨膜运输机制进展40min一 K+的跨膜运输机制1植物根组织对 V吸收的动力学 植物根组织对K+的吸收表现出两个动力学过程：在K+浓度低于时，Km=0.021mmol/L;当浓度高于0.5mmol/L时， km=16mmol/L.热力学计算和电生理研究也说明植物细胞对K+吸收涉及到两个过程。2高亲和性?+吸收机制1H +火+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+

22、-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：HvHAK基因，AtKUPI.3低高亲和性K+吸收机制低高亲和性X吸收由离子通道介导。有两方面的证据：K+吸收依赖于细胞跨膜电位。可被K通道抑制剂所抑制。目前从拟南芥已克隆的 瓦通道有内向K通道AKT1 AKT2 AKT3 KAT1 KST等，外向K通道KCO.1它们的表达具有组织特异性。如KAT主要在保卫细胞中表达，AKT主要在根组织表达。通过cDNA编码的氨基酸序列比拟分析说明KAT1和AKT1所表达的蛋白质属动物细胞质膜上的外向K+通道“Shaker超家族成员。分子量 65-100kDa.这两种蛋白质有6个疏水性跨膜区域(S1-S6), N端和C端位于胞质一侧。 在S4跨膜区 域，带正电荷的区域构成电压感受器。在 S5和 S6之间，有一段高度保守