农学植物生理学植物细胞跨膜离子运输的课件

1、第四章 植物细胞跨膜离子运输机制（Mechanism for ions transport across biological membrane)1.生物膜的物理化学特性2.细胞膜结构中的离子跨膜运输蛋白3.植物细胞的离子跨膜运输机制3.高等植物K+、Ca2+的跨膜运输机制研究进展The fluid-mosaic membrane Model1 生物膜的物理化学特性1.1 生物膜的“两亲性”与“绝缘性” 生物膜的基本化学组成包括脂类和蛋白质.脂类物质中主要是甘油磷脂类, 具有“两亲性”, 自发形成脂质双层结构,构成生物膜的基本结构.生物膜的特点使得疏水性或两亲性分子容易通过,而带电物质则不易通

2、过, 因此说生脂质双层膜具有一定的“绝缘性”. Permeability values, p in centimeters per second, for some substances diffusing across an artificial phospholipid bilayer and across a biological membrane. 用人工脂质双层膜和生物膜进行的通透性实验表明: 带电离子几乎不能通过人工膜, 而生物膜通透性则相对提高. 表明生物膜中的蛋白质对离子通透起重要作用.1.2 跨膜电化学势梯度和膜电位 物质跨膜运动的驱动力： 电化学势梯度， ATP 分子扩散：

3、化学势梯度 离子扩散： 电化学势梯度 由于生物膜的选择透性，离子的跨膜扩散就导致了膜两侧间的电位差产生ABABAB+-Initial stateKClA KClBIntermediate stateK+A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 3.高等植物K+、Ca2+的跨膜运输机制进展3.1 K+ 的跨膜运输机制3.1.1 植物根组织对K+吸收的动力学The transport of K+ into barley roots shows two different phases.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0.2-0.5mmo

4、l/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研究也表明植物细胞对K+吸收涉及到两个过程。3.1.2 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+-

5、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. 3.1.3 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 -specific expression of pl

6、ant inward channels(A) KAT1-mediated GUS expression in the cells of an Arabidopsis seedling. (B) AKT1-mediated GUS expression in mature roots of Arabidopsis.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。通过cDNA编码的氨基酸序列比较分析表明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。

7、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，有一段高度保守的区域，称Pore loop domain,是K+通道的入口。4个这样的亚基形成K+通道的高级结构， 允许K+选择性通过。Structure of the “Shaker” potassium channel.3.2 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。3.2.1 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

8、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。3.2.2 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-binding domain. Activity of the vacuolar Ca-ATPaes is regulated by the binding of calmodulin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。思考题在正常情况下, 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