12 第四节植物细胞跨膜离子运输.ppt

第四章 植物细胞跨膜离子运输（Mechanism for ions transport across biological membrane) 细 胞 膜 细胞膜是活细胞与环境间进行物质与能量交换的界限。活细胞的膜对所通过的各种物质具有严格的选择性及调控机制，使得细胞质内相对稳定的微环境得以维持。 一 离子通道 离子通道：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。 离子载体与离子通道的区别： 1. 结构： 离子载体蛋白的跨膜区 域不形成明显的孔道结 构;(明显的孔道结构） 2. 运输离子的方式： 离子载体先与被运输的离子（溶质）相结合，通过载体蛋白的构相变化而将离子（或溶质）自膜的一侧运至另一侧；（通过孔道结构直接跨膜运输） 初始主动运输：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：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。 通道开闭时的电流输出记录图，示仅通过一个离子通道时的膜电流情况，只有在通道开时才能测到电流。 ? 　膜片钳技术的基本原理  　　又称单通道电流记录技术，用特制的玻璃微吸管吸附于细胞表面,使之形成10～100的密封(giga-seal)，被孤立的小膜片面积为μm量级,内中仅有少数离子通道。然后对该膜片实行电压钳位，可测量单个离子通道开放产生的pA（10安培）量级的电流，这种通道开放是一种随机过程。通过观测单个通道开放和关闭的电流变化，可直接得到各种离子通道开放的电流幅值分布、开放几率、开放寿命分布等功能参量，并分析它们与膜电位、离子浓度等之间的关系。还可把吸管吸附的膜片从细胞膜上分离出来，以膜的外侧向外或膜的内侧向外等方式进行实验研究。这种技术对小细胞的电压钳位、改变膜内外溶液成分以及施加药物都很方便。 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0.2-0.5mmol/L时， Km=0.021mmol/L； 当K+浓度高于0.5mmol/L时， km=16mmol/L. 用膜片钳技术对拟南芥根细胞进行全细胞电流记录结果表明： pH跨膜梯度的变化引起内向钾电流的逆转电位变化与理论上推测得K+内流与H+内流偶联的预测值吻合。 尚无分子生物学实验证据。 二 磷元素跨膜转运系统 H2PO4－、HPO42－、PO43－ 耗能 H＋－ATPase产生的电化学势梯度下 Pi与H＋共运输 磷转运体 Pi/H+ 拟南芥中　9个磷转运体 土壤中缺磷时，增加磷酸转运体的表达 　提高植物对磷的吸收。 1 K+ 的跨膜运输机制 三 高等植物细胞K＋的跨膜运转机制 The transport of K+ into barley roots shows two different phases. 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+-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. 低亲和性 K+吸收机制 低亲和性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+通道抑制剂四乙胺所抑制。 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 plant 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