植物细胞跨膜离子运输机制 PPT

植物细胞跨膜离子运输Transportofionsacrossamembranebarrierinplantcells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HighlyvariableenvironmentRelativelyconstantinternalenvironmentPlasmamembraneRelayofsignalsfromitsphysicalenvironmentandothercells.Traffickingofselectedmoleculesandions.第一节生物膜的物理化学特性两亲性(amphiphathtic)：生物膜的化学组成决定了膜具有两亲性(亲水性和疏水性)。1.生物膜的“两亲性”与“绝缘性”亲水部分疏水层带电离子绝缘性(insulativity)：带电物质不易通过脂质双分子层。膜对溶质的相对通透性极强亲水性难通过膜Relativepermeability(cm/s)?人工膜生物膜

H2O10-2

H2O

甘油10-4

甘油

10-6K+10-8Cl-10-10Na+Cl-K+Na+人工膜生物膜

H2O10-2H2O

甘油10-4

甘油

10-6K+10-8Cl-10-10Na+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Relativepermeability(cm/s)电化学势梯度;ATP水解产生的能量。驱使离子跨膜运输的动力:2.跨膜电化学梯度和膜电位电化学梯度(electro-chemicalpotentialgradient)：化学梯度（不带电中性分子和带电粒子）和电势梯度（带电粒子）。

某离子的跨膜电化学势梯度：跨膜化学势梯度+跨膜电势梯度ABABAB+--最初状态[KCl]A>[KCl]B中间状态[K+]A<[K+]B最终状态[KCl]A=[KCl]BK+Cl-由半透膜相隔的两相（A与B）间通过离子的跨膜运输最终达到平衡的过程示意图当膜对K+的通透性大于对Cl-的通透性时，扩散过程中产生扩散电位。但最终达到离子浓度和电荷平衡最初状态ABK+Cl-不可透膜阴离子AB平衡状态在活细胞中常有不可扩散的阴离子，从而导致在最终扩散平衡时，膜两侧电位不平衡。最终在扩散平衡时，发生了电荷分离膜电位(transmembraneelectricalpotential)：在离子发生跨膜扩散的过程中或达到动态平衡时，都有可能产生可跨膜扩散的阴、阳离子分布不平衡的状态，这就造成了膜两侧可跨膜扩散的电荷分布的不平衡，表现为膜两侧之间存在跨膜电势（或电位）差。测定细胞膜电位的示意图用微电极可容易地测量出活细胞跨膜电位典型的植物细胞,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。跨膜电位有方向性：描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（Ei-Eo)。

活细胞跨膜电位一般为负值（在-60---240mV)，作为细胞生理活动指标之一。细胞在静息状态下测得的膜电位称为静息膜电位(restingmembraneelectricpotential)。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活动较活跃。超极化(hyperpolarization):

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(depolarization):

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

离子通道离子载体离子泵离子跨膜运输蛋白(iontransporter)

膜片钳技术(patchclamprecordingtechnique)1976年德国马普生物物理研究所

NeherandSakmann

记录通过离子通道的离子电流→细胞膜单一/多个离子通道分子活动。1983年

《Single-channelRecording》一书问世1991年细胞生物学和神经科学产生重大影响，

二人获得诺贝尔生理与医学奖。BertSakmannErwinNeher1.离子通道离子通道(ionchannel)：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。1–channel

domains2-outervestibule3–selectivity

filter4-diameterofselectivityfilter5-phosphorylationsite6–cell

membrane离子的选择性：K+

channel、Ca2+

channel、Cl-

channel,

etc.运输离子方向：K+inward、K+outward,etc.离子通道开放与关闭的调控机制：AKT1电压门控通道(voltage-gatedionchannel)、调节因子调控的通道等。AKT1:

6个跨膜区，一个通道孔部区域；

S4区为电压敏感区；

C端为磷酸化调控区。P质膜通道主体结构“门控结构”胞外胞内选择性过滤结构调节亚基电压门控K＋通道模型示意图电化学势梯度正负2.离子载体离子载体（ioncarriers):

疏水跨膜区域不形成明显的孔道结构；载体蛋白的活性部位结合与转运物质结合，变构；载体运输可以顺着也可以逆电化学势梯度进行。

由载体蛋白介导的跨膜离子运转可以是被动的，也可以是主动的。Kinetic(A)andcartoon(B)representationsoftheactivityofcarrier

高度特异性

有明显饱和现象Carriersexhibitsaturationkinetics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。2.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。1.通道转运的是扩散过程，不易饱和。

通过动力学分析，可以区别溶质是经通道还经载体转运的：经通道或载体转运的动力学分析3.离子泵

离子泵(ionpump)：是一些具有ATP水解酶功能、并利用水解ATP的能量将离子逆着其电化学势梯度进行跨膜运输的膜载体蛋白。可分为致电离子泵(electrogenicpump)和非致电泵(electroneutralpump)。ATP酶逆电化学势梯度运送阳离子到膜外去的假设步骤1.当未与Pi结合时,对M+有高亲合性；2.与M+结合,并与ATP末端的Pi结合(称为磷酸化)；3.当磷酸化后,ATP酶构象发生了变化,会将M+暴露于膜的外侧,同时对M+的亲合力降低；4.关闭膜内侧蛋白质空口的同时打开膜外侧的蛋白质空口而将M+释放出去,并将结合的Pi水解释放回膜的内侧。5.ATP酶又恢复至原先的构象，开始下一个循环。由于这种转运造成了膜内外正、负电荷的不一致,所以形成了跨膜的电位差,故这种现象称为致电(electrogenesis)。因为这种转运是逆电化学势梯度而进行的主动转运,所以也将ATP酶称为一种致电泵(electrogenicpump)。H+是最主要的通过这种方式转运的离子，所以可以将转运H+的ATP酶称为H+-ATPase或H+泵。DATP膜外侧N膜内侧C图4-11植物细胞膜H+-ATP酶结构式意图（引自Buchanan等，2000）ATP酶H+-ATPaseV-typeF-typeF-type第三节植物细胞的离子跨膜运输机制

被动运输主动运输共运输1.被动运输

不直接消耗水解ATP的能量，而且离子运动的方向是顺着跨膜电化学梯度进行。可以通过离子通道进行，也可以通过载体进行。离子通道离子载体2.主动运输离子泵

初始主动运输（primaryactivetransport)：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（secondaryactivetransport)

：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。3.共运输

也称作协同运输，是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。根据两种溶质被运输过膜的方向，共运输被分为同向运输和反向共运输。IonChannels

in

Plant分布：theplasmamembrane/intracellularmembrane.106–108ionspersecondthroughonechannelproteindrivenbytransmembraneelectrochemicalpotentials.转运离子能力：nutritionuptake,iontransport,cellgrowth,cellmovement,signaltransduction,ionhomeostasis,osmoregulation,pathogenresponse.生理功能：分类：cationchannelse.g.,K+,Ca2+anionchannelse.g.,Cl-,NO3-,malateK+channelswidelyclonedandidentifiedinmanyplantspecies.普遍存在：InArabidopsis：15K+channelsShaker

family9

membersThreefamiliesTPKfamily(Tandem-PoreK+channel)5membersKir-likefamily(K+inwardrectifier)1KCO3AKT1Thefirst

plasmamembraneK+channelsofArabidopsisgenescomplemented

yeastK+uptakemutants.第一个K+通道基因1995-1996AKT1

in

rootcellsKAT1in

guardcellsshakersuperfamilyoutwardoutwardinwardinwardWhole-cellrecordingofK+

currentsinwild-typerootprotoplasts.Voltage-dependentinwardandoutwardcurrent