03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其次节细胞膜构造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+的跨膜运输机制争论进展[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+跨膜运输机制争论进展。[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，把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+的跨膜运输机制争论进展。[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(3min〕根底。植物细胞质膜是细胞与环境之间的空间界限，活细胞对各种养分元素的吸取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取的，因此本章的主要内容是“植物细胞跨膜离子运输根底上争论各种离子的运输过程。〔8分〕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。磷脂构造：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Integra、外在蛋白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。为争论生物膜对溶质的通透性，常用人工双层脂膜和生物膜进展比较争论：结果说明：对于非极性〔O2〕和极性小分子〔如H2O、CO2、甘油〕二者的通透性类似。〔如糖白质。称为运输蛋白transportprotein输。其次节.细胞膜构造中的离子跨膜运输蛋白〔30min〕争论已觉察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channe；载体carrie；离子泵ionpum〕通道蛋白电荷等性质打算它转运溶质的性质。许溶质通过，由大小和电荷打算……。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。反响，另一类则对外界刺激〔如光照，激素等〕发生反响的通道。3—5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〕从知方式将感受的信号传膜上的阀门由此做出开关的打算。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。PatchclampPC技术是指使用微电极从一小片细胞膜上猎取电子信息的技术。载体蛋白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。K+的载体可运输Rb+，Na+，表现出同族离子充争性抑制。〔图〕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〔顺电化学势梯度〕也可以是主动的〔逆电化学势梯度，离子泵〔ionpump):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(electrogenicpump)电中性泵(electroneutralpump).在植物细胞中存在的泵有： H+-ATPase,Ca2+-ATPase,此外在液泡膜上还觉察H+-PPase和ATP-bindingcassette转运器(ABCtranspoter)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基量量ATP结合跨膜运输蛋白ABCTransporters894反向运转载体Antiporters1370水孔蛋白Aquaporins235无机溶质共运转载体Inorganicsolutecontransporters1684离子通道Ionchannels761有机溶质共运转载体Organicsolutecotransporter35279PrimaryPumps(ATPase)1283氨基酸/生长素通透酶Aminoacid/Auxinpermease(AAAP)143主要内在蛋白MajorIntrinsicprotein(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〔重点1.5〕—被动运输〔吸取〕被动运输(passivetransport):不需要代谢供给能量的顺着电化学势梯度的转运离子的过程.简洁集中(simplediffusion)通过膜或通道的集中。易化集中(Facilitateddiffusion〕通过载体的集中。AB于还打算于膜两侧的电势。如以下图的状况：设B相为细胞内，有不行集中阴离子，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+ABK+Cl-Non-permeable假设细胞内钾离子浓度为aE

电化学势μ；细胞外钾离子浓度为a 膜电io势为Eo, 电化学势为为μo

i， i o,0依据电化学势公式：膜内外电化学势差为：Δμ=μ-μi0=μ0+RTlnao+ZFEo-μ0-RTlnai-ZFEi=RTlnao+ZF(E-E)ai o iRTlnao为化学势梯度aiiZF〔Eo-E〕ZFΔE为电势梯度。iR：气体分散T：确定温度 Z：离子电荷数 F：法拉弟常数当Δμ>0时，ΔE>RTlnai

，离子从外向内集中,表现为细胞吸取离子。ZF ao当Δμ<0时，ΔE<RTlnai，离子从外向内集中，表现为细胞释放离子。ZF ao在集中达平衡时：Δμ=0ΔE=RTlnaiZF ao这就是著名的模斯特〔Nernst〕方程，它说明白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。aiao25℃时，ΔE=59logaiao1059mv。离子的集中，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，全部细胞都具有膜电位，用微电极可简洁地测量出活细胞跨膜电位。细胞膜电位产生和维持的缘由：膜对不同离子的选择透性及致电泵作用。跨膜电位一般为负值。而习惯上所说的膜电位凹凸是指膜电位确实定值。超极化。超极化状态细胞生理状态较活泼。课堂争论题：在正常状况下,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?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水解将溶质进展跨膜运输的过程。在植物细胞中存在的泵有：H+-ATPase,Ca2+-ATPase,此外在液泡膜上还觉察H+-PPase和ATP-bindingcassette(ABC)可直接利用代谢能进展溶质跨膜运输。H+-ATPase介导的H+跨膜运输对细胞吸取和转运其它溶质起着极其重要作用上的一种插〔膜〕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HodgeATP酶，它可水解ATP为ADP和磷酸并释放能量。现已对质膜H+—ATP酶有较详尽争论：它由单条肽链构成(fig6.16)，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℃，受K+激活，专—抑制剂：VO4-3，已烯雌酚〔DES〕一种双萜葡萄糖苷〔真菌毒素：壳校孢菌素F〕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：①ATP与H+结合，并被磷酸化，②磷酸化导致酶构象转变，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，对很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，在水解ATP过程中，将H+泵入液泡，使液泡电势通常比20-30mV，PH5.5。液泡膜ATPase称V-ATPase，在构造和功能上都与P-ATPase不同：10个亚基构成的复合物(fig6.18)750KDNO3K+Cl-1分子ATP可运输两个H+进入液泡；⑤转运H+时不与Pi结合。H+—PPase：80KD的多肽，催化P.Pi水解，利用释放的能量将H+从胞质泵进液泡。ATP—bindingcassette〔ABC〕—transporters：它可利用ATP水解产生的能量直接将有机物大分子跨膜运输，完全不依靠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+Ca+—ATPaseCa+的肯定水平。Ca+—ATPaseCa+—ATP，PH7.0~7.5之间，受多种因素调整。〔secondaryactivetransport):离子或中性分子依靠质子驱动力进展的逆电化学势的跨膜运输称为次级主动运输。H当质膜外H+增高同时，也产生膜电位ΔE，膜内较负，膜外较正，这种跨膜的H+梯度和膜电位梯度合称为+电化学势差，以Δμ表示HHμ[H ]μΔ =RTln 0 +ZF(Eo-Ei)H∵H+Z=1

[H]i∴Δμ

[H]=RTln 0 +FΔEH [H]iΔμ就成为其它离子或分子进入细胞的驱动力。H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力量。一般将+HTPas+H—ATPase称致电泵。其它离子或中性分子依靠质子驱动力进展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〔sympor：+沿电化学势梯度进入膜内时，需特定运输蛋白，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antiporH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，有些已被证明，有些还有待证明。下面介绍葡萄糖—质子共运输证据：在简洁的矿质养分液中培育水分植物膨胀浮萍，同时测定外表细胞的膜电势和培育液pH。50mmolL-1葡萄糖后，膜电势降低，pH个与葡萄糖吸取同时发生。说明H+和葡萄糖一起进入了细胞。：尽治理论上可以将离子吸取区分为主动吸取和被动吸取，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取是主动的还是被动的。例：用豌豆离体根进展24小时吸取后，此时离子进出达稳定状态。用微电极测定表皮细胞的电位ΔE，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]依据方程计算Ci浓度，ΔE=2.3RTlogCiZf CoΔE代入实测浓度Co代入求出Ci〔预期浓度〕浓度与实测值比较实测浓度>预期浓度主动吸取实测浓度=预期浓度被动平衡实测浓度<预期浓度主动排出4从表中看出：NO3-、Cl-、H2PO-、SO4-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。4用大型植物细胞如藻在，测定其细胞质离子浓度，则结果可变为准确。离子溶液中的浓度离子溶液中的浓度实测浓度预期浓度结论K+mmolL-11.0mmolL-175mmolL-174被动平衡Na1.0874主动排出Mg+0.2531340Ca+1.0210700NO22.0280.0272主动吸取Cl-1.070.0136H2PO-1.0210.0136344SO-4

0.25 19 0.00037第四节高等植物K+、Ca2+的跨膜运输机制进展〔40min〕—K+的跨膜运输机制植物根组织对K+吸取的动力学植物根组织对K+的吸取表现出两个动力学过程：在K+浓度低于0.2-0.5mmol/L时，Km=0.021mmol/L；当K+浓度高于0.5mmol/L时，km=16mmol/L.热力学计算和电生理争论也说明植物细胞对K+吸取涉及到两个过程。高亲和性K+吸取机制H+-K+交换ATPase:认为高亲和性K+吸取是通过H+-ATPase与K+反向交换进展的。试验证据：K+吸取伴随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浓度是数十毫摩尔。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精准证据。K+-H+同向共运转体Na+-K+同向共运转体其它高亲和性K+吸取载体：HvHAK1基因，AtKUP1.低高亲和性K+吸取机制低高亲和性K+吸取由K+离子通道介导。有两方面的证据：K+吸取依靠于细胞跨膜电位。可被K+通道抑制剂所抑制。目前从拟南芥已克隆的K+通道有内向K+通道AKT1、AKT2、AKT3、KAT1、KST1等，外向K+通道KCO1KAT1主要在保卫细胞中表达，AKT1主要在根组织表达。通过cDNA编码的氨基酸序列比较分析说明KAT1和AKT1所表达的蛋白质属动物细胞质膜上K“Shaker65-100kDa.这两种蛋白质有6个疏水性跨膜区域〔S1-S6),N端和CS4跨膜区S5和S6Poreloopdoma