第四章　植物細(xì)胞跨膜離子運(yùn)輸.ppt

第四章植物細(xì)胞跨膜離子運(yùn)輸 Mechanismforionstransportacrossbiologicalmembrane 第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨膜運(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)植物細(xì)胞氮 磷 鉀 鈣的跨膜運(yùn)輸系統(tǒng)和機(jī)制研究進(jìn)展 第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性 一 生物膜的化學(xué)組成與生物膜的 兩親性 和 絕緣性 二 跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度和膜電位 一 生物膜的化學(xué)組成與生物膜的 兩親性 和 絕緣性 磷脂分子兩親性 親水基團(tuán)疏水基團(tuán) 生物膜與人工膜區(qū)別 生物膜中含有執(zhí)行離子跨膜運(yùn)輸功能的蛋白質(zhì) 二 跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度和膜電位 膜電位 膜內(nèi)外兩側(cè)的電勢(shì)差 分為 超極化 hyperpolarization 去極化 depolarization 根尖 莖尖或葉肉細(xì)胞 patchclampapparatus 第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍?離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍谆螂x子運(yùn)載體 iontransporter 鑲嵌在生物膜中的大量功能蛋白中執(zhí)行離子跨膜運(yùn)輸過(guò)程的功能蛋白 離子通道 ionchannel 離子載體 ioncarrier 離子泵 ionpump Thethreeclassesofmembranetransportproteins channels carriers andpumps 一 離子通道 ionchannel K 通道內(nèi)向鉀離子通道 K in 外向鉀離子通道 K out 生物膜上的離子運(yùn)輸?shù)鞍?其氨基酸序列中的若干疏水區(qū)域在膜上形成跨膜孔道結(jié)構(gòu) 具門(mén)控特性 多種因素調(diào)節(jié)其開(kāi)放 關(guān)閉狀態(tài) 對(duì)離子具有選擇性 離子順電化學(xué)勢(shì)梯度跨膜運(yùn)輸 電壓門(mén)控K 通道模型 ProposedstructuralmodelforAKT1 aplantK inchannel 電壓門(mén)控通道 二 離子載體 ioncarrier 生物膜上的一些有跨膜區(qū)域結(jié)構(gòu)的特殊蛋白 具有活性結(jié)合部位 選擇性地結(jié)合物質(zhì) 結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生變化 再將物質(zhì)釋放于膜的另一側(cè) 不具門(mén)控特性 由底物或其它化學(xué)信號(hào)激活 載運(yùn)物質(zhì)的動(dòng)力是跨膜的電化學(xué)勢(shì)梯度 具有飽和效應(yīng) 分為 被動(dòng)運(yùn)輸載體主動(dòng)運(yùn)輸載體 如離子泵 離子通過(guò)載體從膜的一側(cè)運(yùn)到另一側(cè)示意圖 載體的動(dòng)力學(xué)飽和效應(yīng) 通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析 可以區(qū)別溶質(zhì)是經(jīng)通道還是經(jīng)載體轉(zhuǎn)運(yùn)的 經(jīng)通道轉(zhuǎn)運(yùn)的是擴(kuò)散過(guò)程 沒(méi)有飽和現(xiàn)象而經(jīng)載體轉(zhuǎn)運(yùn)的 由于結(jié)合部位數(shù)量有限 因此具有飽和現(xiàn)象 多數(shù)植物所必需的礦質(zhì)元素都是以離子形式經(jīng)質(zhì)膜上的離子載體進(jìn)入胞內(nèi) 三 離子泵 Ionpumps 生物膜上的運(yùn)輸?shù)鞍?具有ATPase活性 靠水解ATP提供能量將離子逆電化學(xué)勢(shì)梯度跨膜運(yùn)輸 分為 致電離子泵 electrogenicpump 中性離子泵 electroneutralpump 圖4 13植物細(xì)胞膜H ATP酶結(jié)構(gòu)式意圖 引自Buchanan等 2000 圖4 14離子泵跨膜運(yùn)輸離子的過(guò)程示意圖 引自Taiz和Zeiger 1998 植物細(xì)胞上確認(rèn)的離子泵 質(zhì)膜上的H ATP酶和Ca2 ATP酶液泡膜上的H ATP酶和Ca2 ATP酶內(nèi)膜系統(tǒng)上的H 焦磷酸酶 保衛(wèi)細(xì)胞的特點(diǎn)氣孔運(yùn)動(dòng)的機(jī)理影響氣孔運(yùn)動(dòng)的因素蒸騰意義 離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍锥x及特點(diǎn) 離子通道離子載體離子泵 擬南芥中各種跨膜運(yùn)輸?shù)鞍追诸愐挥[表 1 ATP酶 液泡膜上的H ATPase ATP酶逆電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)送陽(yáng)離子到膜外去的假設(shè)步驟 電化學(xué)勢(shì)梯度 第三節(jié)植物細(xì)胞的離子跨膜運(yùn)輸機(jī)制 一 被動(dòng)運(yùn)輸二 主動(dòng)運(yùn)輸三 共運(yùn)輸 一 被動(dòng)運(yùn)輸 passivetransport 離子的跨膜運(yùn)輸并不直接消耗ATP 且其被動(dòng)運(yùn)輸方式是順跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)行 如簡(jiǎn)單擴(kuò)散 simplediffusion 離子的被動(dòng)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)輸是在載體的協(xié)助下進(jìn)行 其運(yùn)輸速度慢 如協(xié)助擴(kuò)散 facilitateddiffusion 二 主動(dòng)運(yùn)輸 activetransport 離子的跨膜運(yùn)輸與消耗水解ATP相偶聯(lián) 且被運(yùn)送離子的方向是逆該離子跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)行 如H ATPase 質(zhì)膜上的主動(dòng)運(yùn)輸初始主動(dòng)運(yùn)輸 驅(qū)動(dòng)其它離子或小分子通過(guò)相應(yīng)載體跨膜運(yùn)輸次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸 通過(guò)載體的次級(jí)共運(yùn)輸過(guò)程示意 在質(zhì)子電化學(xué)勢(shì)梯度的驅(qū)動(dòng)下 溶質(zhì)S被逆著其電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)送過(guò)膜 引自Taiz Zeiger 1998 三 共運(yùn)輸 co transport 也稱協(xié)同運(yùn)輸 指兩種溶質(zhì)被同時(shí)運(yùn)輸過(guò)膜的機(jī)制 兩者缺一則此過(guò)程不會(huì)發(fā)生 分為 同向共運(yùn)輸 symport 反向共運(yùn)輸 antiport 跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白的類型 第四節(jié)高等植物K Ca2 的跨膜運(yùn)輸機(jī)制研究進(jìn)展 一 氮素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)二 磷元素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)三 高等植物細(xì)胞K 的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)及機(jī)制四 高等植物Ca2 的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 一 氮素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) 吸收氮素形式 NH4 NO3 某些氮基酸 多肽等 硝酸還原酶亞硝酸還原酶 NH4 含氮有機(jī)物 NNPPTR 擬南芥 大豆 大麥 黃瓜 番茄等 二 磷元素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) H2PO4 HPO42 PO43 耗能H ATPase產(chǎn)生的電化學(xué)勢(shì)梯度下Pi與H 共運(yùn)輸 磷轉(zhuǎn)運(yùn)體Pi H 擬南芥中9個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體 土壤中缺磷時(shí) 增加磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)提高植物對(duì)磷的吸收 1 K 的跨膜運(yùn)輸機(jī)制 三 高等植物細(xì)胞K 的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制 ThetransportofK intobarleyrootsshowstwodifferentphases 高親和性K 吸收機(jī)制 1 H K 交換ATPase 認(rèn)為高親和性K 吸收是通過(guò)H ATPase與K 反向交換進(jìn)行的 實(shí)驗(yàn)證據(jù) K 吸收伴隨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的濃度是數(shù)十毫摩爾 2 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)胞中尚未獲得確切證據(jù) 3 K H 同向共運(yùn)轉(zhuǎn)體 4 Na K 同向共運(yùn)轉(zhuǎn)體 5 其它高親和性K 吸收載體 HvHAK1基因 AtKUP1 低高親和性K 吸收機(jī)制低高親和性K 吸收由K 離子通道介導(dǎo) 有兩方面的證據(jù) K 吸收依賴于細(xì)胞跨膜電位 可被K 通道抑制劑四乙胺所抑制 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KCO1 它們的表達(dá)具有組織特異性 如KAT1主要在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá) AKT1主要在根組織表達(dá) Tissue specificexpressionofplantinwardchannels A KAT1 mediatedGUSexpressioninthecellsofanArabidopsisseedling B AKT1 mediatedGUSexpressioninmaturerootsofArabidopsis K 離子通道對(duì)其它一價(jià)離子如NH4 Rb Li Na 也有一定通透性 不同鉀通道的選擇性也有差異 鉀通道對(duì)鈉的通透性的不同影響到植物的耐鹽程度 四 高等植物的Ca2 跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制鈣作為細(xì)胞內(nèi)的第二信使 鈣離子的跨膜運(yùn)輸具有特別重要的意義 植物細(xì)胞鈣離子通道質(zhì)膜Ca2 通道 機(jī)械刺激敏感的Ca2 通道 電壓門(mén)控Ca2 通道 去極化電位激活 內(nèi)膜系統(tǒng)Ca2 通道 IP3門(mén)控Ca2 通道cADPR門(mén)控Ca2 通道 有關(guān)鈣通道的研究在生化與分子生物學(xué)方面尚無(wú)突破性進(jìn)展 植物細(xì)胞鈣離子泵在植物細(xì)胞質(zhì)膜 液泡膜 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜及葉綠體內(nèi)被膜上均存在Ca2 ATPase Ca2 泵 這些ATPase均屬于P型ATPase 但結(jié)構(gòu)不同 分PM型和ER型 植物質(zhì)膜ATPase受鈣調(diào)素激活 液泡膜Ca2 ATPase的N端有Calmodulin bindingdomain ActivityofthevacuolarCa2 ATPaesisregulatedbythebindingofcalmodulin 除鈣泵外 Ca2 H 反向運(yùn)轉(zhuǎn)體在將鈣運(yùn)出細(xì)胞質(zhì)過(guò)程中也起到重要作用 氣孔關(guān)閉過(guò)程中胞質(zhì)Ca2 調(diào)控質(zhì)膜和液泡