03植物細(xì)胞跨膜離子運(yùn)輸

第一節(jié)生物膜的化學(xué)組成與生物膜的主要理化特性其次節(jié)細(xì)胞膜構(gòu)造中的跨膜運(yùn)輸?shù)鞍椎谌?jié)植物細(xì)胞的離子跨膜運(yùn)輸機(jī)制第四節(jié)高等植物K+、Ca+的跨膜運(yùn)輸機(jī)制爭(zhēng)論進(jìn)展[主要內(nèi)容]：介紹植物細(xì)胞膜的化學(xué)組成和理化特性，膜上運(yùn)輸?shù)鞍椎念愋?、離子跨膜運(yùn)輸機(jī)制及K+、Ca+跨膜運(yùn)輸機(jī)制爭(zhēng)論進(jìn)展。[教學(xué)要求]：要求學(xué)生了解細(xì)胞離子跨膜運(yùn)輸?shù)囊饬x，生物膜的理化特性，把握膜上運(yùn)輸?shù)鞍椎念愋汀⑻匦约半x子跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理，了解K+、Ca+的跨膜運(yùn)輸機(jī)制爭(zhēng)論進(jìn)展。[教學(xué)重點(diǎn)]：離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍椎姆N類、特性，離子跨膜運(yùn)輸機(jī)理。[教學(xué)難點(diǎn)]：[授課時(shí)數(shù)]：3學(xué)時(shí)(3min〕根底。植物細(xì)胞質(zhì)膜是細(xì)胞與環(huán)境之間的空間界限，活細(xì)胞對(duì)各種養(yǎng)分元素的吸取就是這些元素的跨膜運(yùn)輸過(guò)程。植物所必需的各種礦質(zhì)元素大局部是以帶電離子的形式被吸取的，因此本章的主要內(nèi)容是“植物細(xì)胞跨膜離子運(yùn)輸根底上爭(zhēng)論各種離子的運(yùn)輸過(guò)程。〔8分〕持了細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定。質(zhì)膜是由雙磷脂層與蛋白質(zhì)構(gòu)成。磷脂構(gòu)造：膽堿、磷酸、甘油、脂肪酸〔飽和，不飽和。與磷脂相聯(lián)的蛋白質(zhì)分兩類：內(nèi)在蛋白Integra、外在蛋白內(nèi)在蛋白插入雙層脂中，常常是跨膜的。外在蛋白通過(guò)非共價(jià)鍵，如氫鍵，附著在膜上。所以磷脂表現(xiàn)出親水和親脂的性質(zhì)。為爭(zhēng)論生物膜對(duì)溶質(zhì)的通透性，常用人工雙層脂膜和生物膜進(jìn)展比較爭(zhēng)論：結(jié)果說(shuō)明：對(duì)于非極性〔O2〕和極性小分子〔如H2O、CO2、甘油〕二者的通透性類似?！踩缣前踪|(zhì)。稱為運(yùn)輸?shù)鞍譼ransportprotein輸。其次節(jié).細(xì)胞膜構(gòu)造中的離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍住?0min〕爭(zhēng)論已覺(jué)察膜上有大量與運(yùn)輸有關(guān)的蛋白質(zhì)。一般將其分為三種類型：通道蛋白channe；載體carrie；離子泵ionpum〕通道蛋白電荷等性質(zhì)打算它轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)的性質(zhì)。許溶質(zhì)通過(guò)，由大小和電荷打算……。當(dāng)受到細(xì)胞內(nèi)部或外界環(huán)境的刺激時(shí)，通道以某種方式關(guān)閉。反響，另一類則對(duì)外界刺激〔如光照，激素等〕發(fā)生反響的通道。3—5是一個(gè)假想的K+離子通道模型：在這里，K+順電化學(xué)勢(shì)梯度〔逆濃度梯度〕從知方式將感受的信號(hào)傳膜上的閥門(mén)由此做出開(kāi)關(guān)的打算。在植物細(xì)胞質(zhì)膜上已鑒定出K+、Ca+、Cl-等離子的通道。氣孔保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上內(nèi)、外向的K+通道如圖。PatchclampPC技術(shù)是指使用微電極從一小片細(xì)胞膜上獵取電子信息的技術(shù)。載體蛋白結(jié)合后載體蛋白產(chǎn)生構(gòu)象變化，將被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)暴露于膜的另一側(cè)，并釋放出去。K+的載體可運(yùn)輸Rb+，Na+，表現(xiàn)出同族離子充爭(zhēng)性抑制?！矆D〕有限，所以載體運(yùn)輸有飽和現(xiàn)象。通過(guò)載體的運(yùn)輸可以是被動(dòng)的〔順電化學(xué)勢(shì)梯度〕也可以是主動(dòng)的〔逆電化學(xué)勢(shì)梯度，離子泵〔ionpump):具有ATP水解酶功能并能利用ATP水解釋放能量逆電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)轉(zhuǎn)離子的膜運(yùn)輸?shù)鞍?分為:致電泵(electrogenicpump)電中性泵(electroneutralpump).在植物細(xì)胞中存在的泵有： H+-ATPase,Ca2+-ATPase,此外在液泡膜上還覺(jué)察H+-PPase和ATP-bindingcassette轉(zhuǎn)運(yùn)器(ABCtranspoter)擬南芥中各種跨膜運(yùn)輸?shù)鞍滓挥[表中文名稱英文名稱基因家族數(shù)基量量ATP結(jié)合跨膜運(yùn)輸?shù)鞍譇BCTransporters894反向運(yùn)轉(zhuǎn)載體Antiporters1370水孔蛋白Aquaporins235無(wú)機(jī)溶質(zhì)共運(yùn)轉(zhuǎn)載體Inorganicsolutecontransporters1684離子通道Ionchannels761有機(jī)溶質(zhì)共運(yùn)轉(zhuǎn)載體Organicsolutecotransporter35279PrimaryPumps(ATPase)1283氨基酸/生長(zhǎng)素通透酶Aminoacid/Auxinpermease(AAAP)143主要內(nèi)在蛋白MajorIntrinsicprotein(MIP)138質(zhì)膜H+-ATPase(P型H+-ATPase)是植物細(xì)胞中最主要最普遍的致電泵第三節(jié)植物細(xì)胞離子跨膜運(yùn)輸機(jī)制〔重點(diǎn)1.5〕—被動(dòng)運(yùn)輸〔吸取〕被動(dòng)運(yùn)輸(passivetransport):不需要代謝供給能量的順著電化學(xué)勢(shì)梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)離子的過(guò)程.簡(jiǎn)潔集中(simplediffusion)通過(guò)膜或通道的集中。易化集中(Facilitateddiffusion〕通過(guò)載體的集中。AB于還打算于膜兩側(cè)的電勢(shì)。如以下圖的狀況：設(shè)B相為細(xì)胞內(nèi)，有不行集中陰離子，同時(shí)有數(shù)量相等的陽(yáng)離子〔假設(shè)為K+〕平衡其電荷，將其放到KCL溶液中，K+ABK+Cl-Non-permeable假設(shè)細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度為aE

電化學(xué)勢(shì)μ；細(xì)胞外鉀離子濃度為a 膜電io勢(shì)為Eo, 電化學(xué)勢(shì)為為μo

i， i o,0依據(jù)電化學(xué)勢(shì)公式：膜內(nèi)外電化學(xué)勢(shì)差為：Δμ=μ-μi0=μ0+RTlnao+ZFEo-μ0-RTlnai-ZFEi=RTlnao+ZF(E-E)ai o iRTlnao為化學(xué)勢(shì)梯度aiiZF〔Eo-E〕ZFΔE為電勢(shì)梯度。iR：氣體分散T：確定溫度 Z：離子電荷數(shù) F：法拉弟常數(shù)當(dāng)Δμ>0時(shí)，ΔE>RTlnai

，離子從外向內(nèi)集中,表現(xiàn)為細(xì)胞吸取離子。ZF ao當(dāng)Δμ<0時(shí)，ΔE<RTlnai，離子從外向內(nèi)集中，表現(xiàn)為細(xì)胞釋放離子。ZF ao在集中達(dá)平衡時(shí)：Δμ=0ΔE=RTlnaiZF ao這就是著名的模斯特〔Nernst〕方程，它說(shuō)明白膜電勢(shì)差和膜內(nèi)外離子活度〔濃度〕的關(guān)系：即膜電勢(shì)差與膜內(nèi)外離子活度比的對(duì)數(shù)成正比。aiao25℃時(shí)，ΔE=59logaiao1059mv。離子的集中，平衡時(shí)都應(yīng)符合Nernst方程。由于細(xì)胞膜內(nèi)外正負(fù)離子分布的不均一性，全部細(xì)胞都具有膜電位，用微電極可簡(jiǎn)潔地測(cè)量出活細(xì)胞跨膜電位。細(xì)胞膜電位產(chǎn)生和維持的緣由：膜對(duì)不同離子的選擇透性及致電泵作用。跨膜電位一般為負(fù)值。而習(xí)慣上所說(shuō)的膜電位凹凸是指膜電位確實(shí)定值。超極化。超極化狀態(tài)細(xì)胞生理狀態(tài)較活潑。課堂爭(zhēng)論題：在正常狀況下,植物細(xì)胞膜外側(cè)環(huán)境中鉀離子濃度為1-10mmol/L,而膜內(nèi)側(cè)的為100mmol/L左右,即細(xì)胞質(zhì)內(nèi)帶電荷的鉀離子濃度遠(yuǎn)高于膜外側(cè);但據(jù)膜兩側(cè)鉀離子濃度差由能斯特方程計(jì)算出的跨膜電位卻是內(nèi)負(fù)外正,解釋為什么?利用代謝能量逆電化學(xué)勢(shì)梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)礦質(zhì)的過(guò)程稱為主動(dòng)運(yùn)輸。主動(dòng)運(yùn)輸需要ATP供能。1主動(dòng)運(yùn)輸機(jī)制：原初主動(dòng)運(yùn)輸:直接偶聯(lián)著ATP水解將溶質(zhì)進(jìn)展跨膜運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程。在植物細(xì)胞中存在的泵有：H+-ATPase,Ca2+-ATPase,此外在液泡膜上還覺(jué)察H+-PPase和ATP-bindingcassette(ABC)可直接利用代謝能進(jìn)展溶質(zhì)跨膜運(yùn)輸。H+-ATPase介導(dǎo)的H+跨膜運(yùn)輸對(duì)細(xì)胞吸取和轉(zhuǎn)運(yùn)其它溶質(zhì)起著極其重要作用上的一種插〔膜〕ATP局部在質(zhì)膜細(xì)胞質(zhì)一側(cè),此酶可水解ATP，釋放能量，同時(shí)把細(xì)胞質(zhì)中的H+向膜外泵出。這個(gè)過(guò)程的可能機(jī)制如圖〔多媒體圖。H+-ATP酶：1970年HodgeATP酶，它可水解ATP為ADP和磷酸并釋放能量?，F(xiàn)已對(duì)質(zhì)膜H+—ATP酶有較詳盡爭(zhēng)論：它由單條肽鏈構(gòu)成(fig6.16)，其分子量約100,000，以二聚體形式發(fā)揮功能。底物ATP-mg最適PH6.5，最適溫度30-40℃，受K+激活，?！种苿篤O4-3，已烯雌酚〔DES〕一種雙萜葡萄糖苷〔真菌毒素：殼校孢菌素F〕促進(jìn)其活性。ATP酶逆電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)輸陽(yáng)離子到膜外去的可能機(jī)制：①ATP與H+結(jié)合，并被磷酸化，②磷酸化導(dǎo)致酶構(gòu)象轉(zhuǎn)變，將離子暴露于外側(cè)，釋放Pi后恢復(fù)構(gòu)象。質(zhì)膜ATP—H+酶是植物生命活動(dòng)過(guò)程的主宰酶，對(duì)很多植物生命活動(dòng)過(guò)程起重要調(diào)控作用。如前一章講到的氣孔運(yùn)動(dòng)，以后講到的生長(zhǎng)素的作用等。液泡膜上也存在H+—ATPase，其催化局部在細(xì)胞質(zhì)一側(cè)，在水解ATP過(guò)程中，將H+泵入液泡，使液泡電勢(shì)通常比20-30mV，PH5.5。液泡膜ATPase稱V-ATPase，在構(gòu)造和功能上都與P-ATPase不同：10個(gè)亞基構(gòu)成的復(fù)合物(fig6.18)750KDNO3K+Cl-1分子ATP可運(yùn)輸兩個(gè)H+進(jìn)入液泡；⑤轉(zhuǎn)運(yùn)H+時(shí)不與Pi結(jié)合。H+—PPase：80KD的多肽，催化P.Pi水解，利用釋放的能量將H+從胞質(zhì)泵進(jìn)液泡。ATP—bindingcassette〔ABC〕—transporters：它可利用ATP水解產(chǎn)生的能量直接將有機(jī)物大分子跨膜運(yùn)輸，完全不依靠H+梯度。Ca+ATP-ase；其作用是利用ATP水解釋放能量，將Ca+從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞壁中或液泡中，Ca+Ca+—ATPaseCa+的肯定水平。Ca+—ATPaseCa+—ATP，PH7.0~7.5之間，受多種因素調(diào)整?！瞫econdaryactivetransport):離子或中性分子依靠質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力進(jìn)展的逆電化學(xué)勢(shì)的跨膜運(yùn)輸稱為次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸。H當(dāng)質(zhì)膜外H+增高同時(shí)，也產(chǎn)生膜電位ΔE，膜內(nèi)較負(fù)，膜外較正，這種跨膜的H+梯度和膜電位梯度合稱為+電化學(xué)勢(shì)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就成為其它離子或分子進(jìn)入細(xì)胞的驅(qū)動(dòng)力。H形式的轉(zhuǎn)化上把化學(xué)能變?yōu)闈B透能。這種滲透能成為離子或中性分子跨膜運(yùn)輸?shù)牧α?。一般?HTPas+H—ATPase稱致電泵。其它離子或中性分子依靠質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力進(jìn)展的跨膜運(yùn)輸稱為次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸或次級(jí)共運(yùn)轉(zhuǎn)。次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸需要膜上的傳遞體〔transporter〕完成：分不同的方式：共向傳遞〔sympor：+沿電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)入膜內(nèi)時(shí)，需特定運(yùn)輸?shù)鞍?，此蛋白在與H+結(jié)合同時(shí)，結(jié)合其它分子或離子〔如糖，AA、C+、A-等〕經(jīng)變構(gòu)后，釋放在膜內(nèi)。反向傳遞antiporH與反向傳遞體結(jié)合同時(shí)，傳遞體從膜內(nèi)結(jié)合了其它分子或離子[H+]釋放到膜內(nèi)同時(shí)，其它離子分子運(yùn)到膜外。單向傳遞〔uniport〕由于跨膜電勢(shì)差，膜內(nèi)負(fù)，膜外正離子可通過(guò)膜上通道蛋白進(jìn)入膜內(nèi)。以上一些運(yùn)輸，有些已被證明，有些還有待證明。下面介紹葡萄糖—質(zhì)子共運(yùn)輸證據(jù)：在簡(jiǎn)潔的礦質(zhì)養(yǎng)分液中培育水分植物膨脹浮萍，同時(shí)測(cè)定外表細(xì)胞的膜電勢(shì)和培育液pH。50mmolL-1葡萄糖后，膜電勢(shì)降低，pH個(gè)與葡萄糖吸取同時(shí)發(fā)生。說(shuō)明H+和葡萄糖一起進(jìn)入了細(xì)胞。：盡治理論上可以將離子吸取區(qū)分為主動(dòng)吸取和被動(dòng)吸取，但實(shí)際上很難區(qū)分這兩個(gè)過(guò)程，對(duì)于離體組織或細(xì)胞，可應(yīng)用Nernst方程可以檢驗(yàn)等離子的吸取是主動(dòng)的還是被動(dòng)的。例：用豌豆離體根進(jìn)展24小時(shí)吸取后，此時(shí)離子進(jìn)出達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。用微電極測(cè)定表皮細(xì)胞的電位ΔE，平均值為-110mv，同時(shí)測(cè)得豌豆根組織的提取液中離子的濃度[實(shí)測(cè)濃度]依據(jù)方程計(jì)算Ci濃度，ΔE=2.3RTlogCiZf CoΔE代入實(shí)測(cè)濃度Co代入求出Ci〔預(yù)期濃度〕濃度與實(shí)測(cè)值比較實(shí)測(cè)濃度>預(yù)期濃度主動(dòng)吸取實(shí)測(cè)濃度=預(yù)期濃度被動(dòng)平衡實(shí)測(cè)濃度<預(yù)期濃度主動(dòng)排出4從表中看出：NO3-、Cl-、H2PO-、SO4-實(shí)測(cè)濃度均比預(yù)期濃度高，說(shuō)明這些陰離子進(jìn)入為主動(dòng)傳輸；K+與實(shí)測(cè)值相近，可能為被動(dòng)運(yùn)輸；Na+、Ca+、Mg+可能為主動(dòng)排出。4用大型植物細(xì)胞如藻在，測(cè)定其細(xì)胞質(zhì)離子濃度，則結(jié)果可變?yōu)闇?zhǔn)確。離子溶液中的濃度離子溶液中的濃度實(shí)測(cè)濃度預(yù)期濃度結(jié)論K+mmolL-11.0mmolL-175mmolL-174被動(dòng)平衡Na1.0874主動(dòng)排出Mg+0.2531340Ca+1.0210700NO22.0280.0272主動(dòng)吸取Cl-1.070.0136H2PO-1.0210.0136344SO-4

0.25 19 0.00037第四節(jié)高等植物K+、Ca2+的跨膜運(yùn)輸機(jī)制進(jìn)展〔40min〕—K+的跨膜運(yùn)輸機(jī)制植物根組織對(duì)K+吸取的動(dòng)力學(xué)植物根組織對(duì)K+的吸取表現(xiàn)出兩個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程：在K+濃度低于0.2-0.5mmol/L時(shí)，Km=0.021mmol/L；當(dāng)K+濃度高于0.5mmol/L時(shí)，km=16mmol/L.熱力學(xué)計(jì)算和電生理爭(zhēng)論也說(shuō)明植物細(xì)胞對(duì)K+吸取涉及到兩個(gè)過(guò)程。高親和性K+吸取機(jī)制H+-K+交換ATPase:認(rèn)為高親和性K+吸取是通過(guò)H+-ATPase與K+反向交換進(jìn)展的。試驗(yàn)證據(jù)：K+吸取伴隨H+外流；K+可激活H+-ATPase.相反證據(jù)：K+內(nèi)流和H+外流沒(méi)有時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也沒(méi)有確定的化學(xué)計(jì)量比。激活H+-ATPase濃度是數(shù)十毫摩爾。K+-ATPase:認(rèn)為植物細(xì)胞也可能存在K+-ATPase.動(dòng)物、細(xì)菌和真菌中都證明有K+-ATPase。在植物細(xì)胞中尚未獲得精準(zhǔn)證據(jù)。K+-H+同向共運(yùn)轉(zhuǎn)體Na+-K+同向共運(yùn)轉(zhuǎn)體其它高親和性K+吸取載體：HvHAK1基因，AtKUP1.低高親和性K+吸取機(jī)制低高親和性K+吸取由K+離子通道介導(dǎo)。有兩方面的證據(jù)：K+吸取依靠于細(xì)胞跨膜電位?？杀籏+通道抑制劑所抑制。目前從擬南芥已克隆的K+通道有內(nèi)向K+通道AKT1、AKT2、AKT3、KAT1、KST1等，外向K+通道KCO1KAT1主要在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)，AKT1主要在根組織表達(dá)。通過(guò)cDNA編碼的氨基酸序列比較分析說(shuō)明KAT1和AKT1所表達(dá)的蛋白質(zhì)屬動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上K“Shaker65-100kDa.這兩種蛋白質(zhì)有6個(gè)疏水性跨膜區(qū)域〔S1-S6),N端和CS4跨膜區(qū)S5和S6Poreloopdoma