第四章 植物細(xì)胞跨膜離子運(yùn)輸

第四章植物細(xì)胞跨膜離子運(yùn)輸機(jī)制（Mechanismforionstransportacrossbiologicalmembrane)1.生物膜的物理化學(xué)特性2.細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍?.植物細(xì)胞的離子跨膜運(yùn)輸機(jī)制[重點(diǎn)]：離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍椎姆N類，離子跨膜運(yùn)輸機(jī)理。[要求]：要求學(xué)生了解細(xì)胞離子跨膜運(yùn)輸?shù)囊饬x，掌握離子跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理。一、生物膜的“兩親性”和“絕緣性”疏水層帶電離子親水部分疏水性較強(qiáng)或具有兩親性的物質(zhì)較易通過(guò)膜結(jié)構(gòu)

而親水性的帶電物質(zhì)（如各種離子）通過(guò)脂質(zhì)雙層膜時(shí)阻力很大第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性人工脂質(zhì)雙層膜和生物膜通透性實(shí)驗(yàn):生物膜中某種成分對(duì)離子通透起重要作用？？物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞的程度：細(xì)胞壁>原生質(zhì)>質(zhì)膜膜的選擇透性水分子通過(guò)生物膜

二、跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度和膜電位（Electro-ChemicalPotentialGradient，

membranepotential）最終狀態(tài)：[KCl]A=[KCl]BB●○○●●●○○●○●●○○○●○○○●○○●●●●○●○○●●○●●○●○●○●●○○○●●●●○○○A最初狀態(tài)：[KCl]A＞[KCl]B○●○●○○●●○●●○○○●○●○○●●○●●●●○●○○○●●●○○●○●●○●●○●○●●○K＋Cl－半透膜○○○AB中間狀態(tài)：A、B間尚未達(dá)到平衡A相：[K+]<[Cl-]B相：[K+]>[Cl-]○●○●○●○●●●○○○○●●○○○○●○●○○●●○●－○○○○●●●○○●●＋●●●●●●○○○○●○AB●化學(xué)勢(shì)梯度和電勢(shì)梯度兩者合稱電化學(xué)勢(shì)梯度。由選擇性生物膜相隔的膜外側(cè)（A）與膜內(nèi)側(cè)（B）兩相間的離子跨膜運(yùn)輸過(guò)程示意圖中間狀態(tài)起始狀態(tài)●○●○○○●●○●○○○○●○●●○●●●○●○○●○○●●●○●●○●○●○AB●○●○○○●●○●○○○○●○●●○●●●○●○○●○○●●●○●●○○●○AB●○●○○○●●○●○○○○●○●●○●●●○●○○●○○●●●○●●○●○●○AB●○H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+●可能的最終狀態(tài)可透膜陰離子可透膜陽(yáng)離子選擇性生物膜不可透膜陰離子A相：可跨膜擴(kuò)散陰離子濃度____可跨膜擴(kuò)散陽(yáng)離子濃度B相：可跨膜擴(kuò)散__離子濃度高于可跨膜擴(kuò)散__離子濃度高于陽(yáng)陰假設(shè)細(xì)胞從環(huán)境中吸收了較多的陽(yáng)離子,而致使細(xì)胞內(nèi)該離子濃度較高。按照化學(xué)勢(shì)梯度,細(xì)胞內(nèi)的陽(yáng)離子應(yīng)向外擴(kuò)散;按電勢(shì)梯度,由于細(xì)胞內(nèi)有較高的負(fù)電荷,則這種陽(yáng)離子又應(yīng)該從細(xì)胞外向內(nèi)擴(kuò)散。那么離子究竟向什么方向擴(kuò)散呢?這要取決于化學(xué)勢(shì)梯度與電勢(shì)梯度相對(duì)數(shù)值的大?。芩固?Nernst)方程式

典型的植物細(xì)胞,在細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)具有較高的負(fù)電荷,而在細(xì)胞膜的外側(cè)具有較高的正電荷。

能斯特方程（NernstEquation）

E=-RT

zFln(anA

anB)

E－跨膜電位差R－氣體常數(shù)(8.314焦?fàn)?克分子?度)

T－絕對(duì)溫度Z－

離子所帶電荷數(shù)F－法拉第常數(shù)(96500焦?fàn)?克分子?伏)an－離子n的相對(duì)活度當(dāng)離子在膜兩側(cè)的擴(kuò)散處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，等式成立。是研究細(xì)胞生理活動(dòng)的重要參數(shù)?？啥棵枋鲭x子n在A、B兩體系間形成的擴(kuò)散電位。

許多生活植物細(xì)胞的跨膜電位約為－110mV。“超極化”（hyperpolarization）：跨膜電位處于較原來(lái)的跨膜電位更負(fù)的狀態(tài)?！叭O化”（depolarization）：跨膜電位處于較原來(lái)的跨膜電位更正的狀態(tài)。膜電位是指細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差。

膜運(yùn)輸是許多重要的細(xì)胞生物學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)：細(xì)胞膨壓的產(chǎn)生和水的吸收獲得營(yíng)養(yǎng)排泄廢物代謝物的分配和區(qū)域化能量轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍阻偳对谏锬ぶ械膱?zhí)行離子跨膜運(yùn)輸功能的蛋白統(tǒng)稱離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍?iontransporter)跨膜離子運(yùn)輸?shù)鞍追譃槿悾?/p>

離子通道（ionchannel)

離子載體（ioncarrier)

離子泵（ionpump)離子通道

(channels）：生物膜上的離子運(yùn)輸?shù)鞍?。多肽鏈中的若干疏水區(qū)域在脂質(zhì)雙分子結(jié)構(gòu)中形成跨膜孔道結(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)梯度快速跨膜運(yùn)輸。孔的大小及孔內(nèi)表面電荷等性質(zhì)決定了它對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)通道溶質(zhì)的選擇性。1、通道具有離子選擇性，轉(zhuǎn)運(yùn)速率高。2、離子通道是門(mén)控的。

依據(jù)通道開(kāi)放與關(guān)閉的調(diào)控機(jī)制：離子通道的分類：電壓門(mén)控通道：可對(duì)跨膜電位發(fā)生反應(yīng)；配體門(mén)控通道：對(duì)化學(xué)物質(zhì)（如激素）發(fā)生反應(yīng)；張力門(mén)控通道：對(duì)機(jī)械拉力變化發(fā)生反應(yīng)。依據(jù)對(duì)離子的選擇性：分一價(jià)陰離子通道，二價(jià)陽(yáng)離子通道等等。依據(jù)運(yùn)送離子的方向：分內(nèi)向通道和外向通道。電壓門(mén)控通道(voltagegatedchannel)特點(diǎn)：細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外特異離子濃度或電位發(fā)生變化時(shí)，致使其構(gòu)象變化，“門(mén)”打開(kāi)。Na+、K+、Ca2+三種電壓門(mén)通道結(jié)構(gòu)相似，在進(jìn)化上是由同一個(gè)遠(yuǎn)祖基因演化而來(lái)。S1S6S4孔道區(qū)域NC

連接S5-S6段的發(fā)夾樣β折疊，構(gòu)成通道的內(nèi)襯，大小可允許K+通過(guò)。

K+通道具有三種狀態(tài)：開(kāi)啟、關(guān)閉和失活。目前認(rèn)為S4段是電壓感受器。

S4響應(yīng)跨膜電位而使通道蛋白發(fā)生構(gòu)像變化而使通道開(kāi)放內(nèi)向K＋通道AKT1結(jié)構(gòu)模型示意圖細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外電化學(xué)勢(shì)梯度質(zhì)膜通道主體結(jié)構(gòu)“門(mén)控結(jié)構(gòu)”胞外胞內(nèi)選擇性過(guò)濾結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)亞基電壓門(mén)控K＋通道模型示意圖負(fù)正離子載體（ioncarriers):

疏水跨膜區(qū)域不形成明顯的孔道結(jié)構(gòu)；載體蛋白的活性部位與轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)結(jié)合，變構(gòu)；載體運(yùn)輸可以順著也可以逆電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)行。

由載體蛋白介導(dǎo)的跨膜離子運(yùn)轉(zhuǎn)可以是被動(dòng)的，也可以是次級(jí)主動(dòng)的。Kinetic(A)andcartoon(B)representationsoftheactivityofcarrier

高度特異性有明顯飽和現(xiàn)象Carriersexhibitsaturationkinetics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。2.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。1.通道轉(zhuǎn)運(yùn)的是擴(kuò)散過(guò)程，不易飽和。經(jīng)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)通道或載體轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力學(xué)分析離子泵（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)鞍住７譃?致電離子泵(electrogenicpump)：可導(dǎo)致凈電荷的跨膜運(yùn)動(dòng)。中性離子泵(electroneutralpump)：不改變膜兩側(cè)的電荷分布。ATP酶逆電化學(xué)勢(shì)梯度運(yùn)送陽(yáng)離子到膜外的假設(shè)步驟1.當(dāng)未與Pi結(jié)合時(shí),對(duì)M+有高親合性；2.與M+結(jié)合,并與ATP末端的Pi結(jié)合(稱為磷酸化),ATP中的一個(gè)磷酸基轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)分子的天冬氨酸殘基上，并釋放ADP。3.當(dāng)磷酸化后,ATP酶構(gòu)象發(fā)生了變化,會(huì)將M+暴露于膜的外側(cè),同時(shí)對(duì)M+的親合力降低；4.離子泵通過(guò)構(gòu)型變化在膜外測(cè)釋放M+,并將結(jié)合的Pi水解釋放回膜的內(nèi)側(cè)。5.ATP酶又恢復(fù)至原先的構(gòu)象，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。由于這種轉(zhuǎn)運(yùn)造成了膜內(nèi)外正、負(fù)電荷的不一致,所以形成了跨膜的電位差,故這種現(xiàn)象稱為致電。因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)運(yùn)是逆電化學(xué)勢(shì)梯度而進(jìn)行的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),所以也將ATP酶稱為一種致電泵H+是最主要的通過(guò)這種方式轉(zhuǎn)運(yùn)的離子，所以我們可以將轉(zhuǎn)運(yùn)H+的ATP酶稱為H+-

ATPase或質(zhì)子泵。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離子泵。如果這些H＋-ATP酶停止工作，則其他大部分離子跨膜運(yùn)輸過(guò)程都將會(huì)受阻。因此，將植物細(xì)胞膜上的H＋-ATP酶稱做“主宰酶”（masterenzyme）。除H+向胞外轉(zhuǎn)運(yùn)直接消耗能量外，其他物質(zhì)的跨膜都不直接消耗能量，但卻依賴于H+轉(zhuǎn)運(yùn)形成的電化學(xué)勢(shì)梯度。所以其他轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程間接需要代謝能量。首先，H+-ATP酶水解ATP釋放能量，將H+逆電化學(xué)勢(shì)梯度泵出細(xì)胞，形成跨膜的質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（即電化學(xué)勢(shì)外正內(nèi)負(fù)），在質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的作用，啟動(dòng)其它載體和離子通道，將物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)膜。H+-ATP酶與其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)系小結(jié)任何物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都需要能量。驅(qū)使離子進(jìn)行跨膜運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力：

跨膜的電化學(xué)勢(shì)梯度

ATP水解產(chǎn)生的能量第三節(jié)植物細(xì)胞離子跨膜運(yùn)輸機(jī)制1、被動(dòng)運(yùn)輸

(passivetransport):不直接消耗水解ATP的能量，順著電化學(xué)勢(shì)梯度的轉(zhuǎn)