优选第四章植物细胞跨膜离子运输
03植物细胞跨膜离子运输
第四章植物细胞跨膜离子运输第一节生物膜的化学组成与生物膜的主要理化特性第二节细胞膜结构中的跨膜运输蛋白第三节植物细胞的离子跨膜运输机制第四节高等植物K+、Ca+的跨膜运输机制研究进展[主要内容]：介绍植物细胞膜的化学组成和理化特性，膜上运输蛋白的类型、离子跨膜运输机制及K+、Ca+跨膜运输机制研究进展。
[教学要求]：要求学生了解细胞离子跨膜运输的意义，生物膜的理化特性，掌握膜上运输蛋白的类型、特性及离子跨膜运输的机理，了解K+、Ca+的跨膜运输机制研究进展。
[教学重点]：离子跨膜运输蛋白的种类、特性，离子跨膜运输机理。
[教学难点]：[授课时数]：3学时引言(3 min）高等植物的生长发育有赖于构成植物个体的活细胞不断从土壤、大气、水体等环境中吸收利用各种矿质元素。
在植物细胞水平上对营养元素的吸收利用过程是植物不断吸收营养元素的基础。
植物细胞质膜是细胞与环境之间的空间界限，活细胞对各种营养元素的吸收就是这些元素的跨膜运输过程。
植物所必需的各种矿质元素大部分是以带电离子的形式被吸收的，因此本章的主要内容是“植物细胞跨膜离子运输”。
植物细胞与动物微生物细胞跨膜离子运输机制有许多相似之处，也有不同之处，但作为物质运动的一种形式，都遵循物理化学的基本规律。
以下先介绍离子跨膜运输的基本知识，在此基础上讨论各种离子的运输过程。
第一节生物膜的化学组成和物理化学性质（8分）细胞最外层是质膜，它是外界物质进入的屏障，质膜控制着细胞与环境的物质交流，维持了细胞内环境的相对稳定。
质膜是由双磷脂层与蛋白质构成。
磷脂结构：胆碱、磷酸、甘油、脂肪酸（饱和，不饱和）。
与磷脂相联的蛋白质分两类：内在蛋白（Integral）、外在蛋白（Peripheral）内在蛋白插入双层脂中，常常是跨膜的。
外在蛋白通过非共价键，如氢键，附着在膜上。
所以磷脂表现出亲水和亲脂的性质。
为研究生物膜对溶质的通透性，常用人工双层脂膜和生物膜进行比较研究：结果表明：对于非极性（O2）和极性小分子（如H2O、CO2、甘油）二者的通透性类似。
细胞生物学课程第4章细胞膜和物质的跨膜运输(医学院) 厦门大学
1. 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。 2. 旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 3. 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 4. 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。 5. 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶
脑苷脂
神经节苷脂
（1）分布与定位
糖脂是含糖而不含磷 酸的脂类，普遍存在于原 核和真核细胞的质膜上 （含量5％以下），神经细 胞膜上含量较高（5-10 ％）。
糖脂是两性分子。其 结构与鞘磷脂很相似，只 是由一个或多个糖残基代 替了磷脂酰胆碱而与鞘氨 醇的羟基结合。糖脂均位 于细胞膜的非细胞质面， 及外侧的脂质分子中。
❖ 糖脂是位于脂双层的外侧，——可能作为细胞外配体(ligand)的受体。 ❖ 磷脂酰丝氨基——集中在脂双层的内叶，在生理pH下带负电荷，这种带
电性使得它能够同带正电的物质结合，如同血型糖蛋白A跨膜α螺旋邻近 的赖氨酸、精氨酸结合。 ❖ 磷脂酰胆碱——在衰老的淋巴细胞外表面，作为让吞噬细胞吞噬的信号； 磷脂酰胆碱出现在血小板的外表面，作为血凝固的信号。 ❖ 磷脂酰肌醇——集中在内叶，它们在将细胞质膜的刺激向细胞质传递中 起关键作用。
质完成的 。如： • 载体蛋白——膜内外的物质运输 • 连接蛋白——细胞的相互作用 • 受体蛋白——信号转导 • 各类酶——相关的代谢反应
在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，依在膜上存在方式不 同可分为：
1.整合蛋白（integral protein） 2.外周蛋白（peripheral protein） 3.脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）
➢ 通道蛋白
是一类跨膜蛋白，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道，允许 适宜的分子通过。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通 道蛋白参与的只是被动运输， 并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。 运输特点： ①蛋白不与溶质分子结合，形成跨膜通道介导离子顺浓度梯度通过； ②有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流； ③有些通道蛋白具有选择性和门控性，平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又 称为门通道。主要有：电压门通道、配体门通道、机械门通道。
植物细胞跨膜离子运输机制
离子的选择性：
K+ channel、Ca2+ channel、Cl- channel, etc.
运输离子方向：K+inward、K+outward,etc.
离子通道开放与关闭的调控机制： 电压门控通道(voltage-gated ion channel)、 调节因子调控的通道等。 AKT1
P
AKT1: 6个跨膜区，一个通道孔部区域； S4区为电压敏感区； C端为磷酸化调控区。
Whole-cell recording of K+ currents in akt1-1 root protoplasts. Inward currents were absent but outward currents were the same as in wild-type root protoplasts
4.关闭膜内侧蛋白质空口的同时打开膜外侧的蛋白质空口
而将M+释放出去,并将结合的Pi水解释放回膜的内侧。 5. ATP酶又恢复至原先的构象，开始下一个循环。
由于这种转运造成了膜内外正、负电荷的不 一致,所以形成了跨膜的电位差,故这种现象称 为致电(electrogenesis)。
因为这种转运是逆电化学势梯度而进行的主 动转运,所以也将ATP酶称为一种致电泵 (electrogenic pump)。 H+是最主要的通过这种方式转运的离子，所以 可以将转运H+的ATP酶称为H+-ATPase或H+ 泵。
Three families Shaker family 9 members
TPK family (Tandem-Pore K+ channel) 5 members
Kir-like family (K+ inward rectifier)
植物生理学B植物细胞跨膜离子运输
子运输
汇报人：可编辑
20ห้องสมุดไป่ตู้4-01-11
目录
• 植物细胞跨膜离子运输概述 • 植物细胞跨膜离子运输机制 • 植物细胞跨膜离子运输的影响因素 • 植物细胞跨膜离子运输与植物生长和发育 • 植物细胞跨膜离子运输的研究方法 • 未来展望与研究方向
01
植物细胞跨膜离子运输概述
长发育和环境适应过程。
植物对环境的适应性
03
植物通过调节离子运输来适应环境变化，如盐碱、干旱等。
02
植物细胞跨膜离子运输机制
主动运
主动运输是指细胞通过消耗能量，逆浓度梯度 或电位梯度跨膜运输物质的过程。
主动运输涉及载体蛋白的参与，载体蛋白在膜 上形成特定的通道，通过与被运输物质结合， 实现逆浓度或电位梯度的物质转运。
被动运输
顺浓度梯度进行，不需要消耗能量。包括简单扩 散和协助扩散。
3
载体蛋白
协助物质跨膜运输的膜蛋白，具有专一性。
植物细胞跨膜离子运输的重要性
维持细胞内外的渗透平衡
01
离子平衡是植物细胞正常代谢的基础，通过跨膜运输维持细胞
内外离子浓度的相对稳定。
参与信号转导
02
植物细胞内的离子浓度变化可以作为信号分子，参与植物的生
生长素
生长素可以促进植物细胞跨膜离子运输，尤其对钾离子的吸 收有显著促进作用。它通过调节离子通道的活性来影响离子 运输。
脱落酸
脱落酸可以抑制植物细胞跨膜离子运输，尤其是在缺水或盐 分过高的环境中，脱落酸的作用更加明显。它通过调节离子 泵的活性来影响离子运输。
04
植物细胞跨膜离子运输与植物生长和发育
主动运输对于维持细胞内稳态和正常生理功能 具有重要意义，如维持细胞液的渗透压、pH值 等。
人教生物必修1第4章第3节物质跨膜运输的方式
思
丽藻细胞液所含的离子浓度远远高于丽藻所 生长的池水，但丽藻还能从周围环境吸收离
考 子呢，这有什么意义呢？
主动运输的意义
主动运输是活细胞的特性，它保 证了活细胞能够按照生命活动的需 要，主动选择吸收所需要的营养物 质，排出代谢废物和对细胞有害的 物质。
主动运输普遍存在于 动植物 和 微生物 细 胞中。
（1）需要消耗能量。 （2）不需载体，而是依赖细胞膜的
结构特点 流动性 。
小结
补充概念图：
离子和小 分子物质
被动运输
物质进 出细胞 的方式
主动运2 输
大分子物质
胞 3吞 胞吐
自由扩散 协助1扩散
顺浓度4梯度
需载体协助
5 消耗能量
反馈练习
2、图中是胡萝卜在不同的含氧情况下从KNO3溶液中 吸收K+和NO3－的曲线。影响A、B两点和B、C两点吸
B 收量不同的因素分别是 （ ）
A 载体数量、能量
运输速度
B 能量、载体数量 C 载体数量、离子浓度 D 能量、离子浓度
BA C
NO3－ K+
含氧量
大分子物质进出细胞的方式(阅读课 本P72小字部分内容)
讨论：以自己为例谈谈在学习或生 活中主动和被动所接受的事或物。
小结：各种生物都具有主观能动性，当
然它们有时候也会被动的接受外界事物。
那么作为构成生物体基本单位的细胞是
否也具有该特征呢？
该特征与细胞的那一结构 有关？
结构
决定
功能
蛋白1 质 磷脂双2分子层
第三节
物质跨膜运输的方式
云龙实验中学：肖星
绘图
运输速率 运输速率 运输速率
浓度差
高一生物必修一第四章物质跨膜运输知识点
高一生物必修一第四章物质跨膜运输知识点物质跨膜运输是指一些脂溶性的物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。
以下是第四章物质跨膜运输知识点，希望对大家有帮助。
思考：漏斗管内液面为什么会升高?由于单位时间内透过玻璃纸进入长颈漏斗的水分子数量多于从长颈漏斗渗出的水分子数量,使得管内液面升高.半透膜：半透膜是一类可以让某些小分子离子的物质通过而大分子的物质不能通过的一类薄膜的总称。
一.渗透作用1、水分子(或其他溶剂分子)透过半透膜的扩散，称为渗透作用实质：(即顺着水的相对含量梯度的扩散) 2、条件;(1)半透膜(2)膜两侧的溶液具有浓度差3、原理：溶液A浓度大于溶液B，水分子从B ? ? ?A移动 ? ? ? ? ?溶液A浓度小于溶液B，水分子从A ? ? ?B移动在渗透作用中，水分是从溶液浓度低 ? ? ?的一侧向溶液浓度 ?高 ? ?的一侧渗透。
扩散：物质从高浓度到低浓度的运动渗透：水及其他溶剂分子通过半透膜的扩散区别：渗透与扩散的不同在于渗透必须有渗透膜(半透膜)。
二、动物细胞的吸水和失水外界溶液的浓度= 细胞质的浓度 ? ? 水分子进出细胞达到动态平衡外界溶液的浓度〉细胞质的浓度 ? ?失水皱缩外界溶液的浓度〈细胞质的浓度 ? ? 吸水涨破把红细胞看作一个渗透装置 ?细胞膜相当于半透膜细胞质与外界溶液存在浓度差细胞吸水或失水的多少取决于什么条件?取决于细胞内外浓度的差值,一般情况下,差值较大时吸水或失水较多. 三、植物细胞的吸水和失水细胞吸水的方式 ?(1)吸涨吸水机理：靠细胞内的亲水性物质(蛋白质﹥淀粉﹥纤维素)吸收水分实例：未成熟植物细胞、干种子 (2)渗透吸水(主要的吸水方式) 实例：成熟的植物细胞条件：有中央液泡细胞膜;液泡膜;两层膜之间的细胞质统称原生质层把成熟的植物细胞看作一个渗透装置原生质层(选择性透过膜)相当于半透膜，细胞内有细胞液与外界溶液具有浓度差当外界溶液浓度 ?﹥ ? 细胞液的浓度，细胞失水，发生质壁分离现象外界溶液浓度 ?﹤ ? 细胞液的浓度，细胞吸水，发生质壁分离复原现象质壁分离外因：当外界溶液浓度 ?﹥ ? 细胞液的浓度，细胞失水，发生质壁分离现象质壁分离内因：细胞壁伸缩性﹤原生质层的伸缩性探究、植物细胞的吸水和失水问题1.提出问题：原生质层相当于半透膜么?2.作出假设：原生质层相当于半透膜 3.设计方案：实验原理：将植物细胞浸润在较高浓度的蔗糖溶液中，观察大小的变化;再浸润在清水中，观察其大小的变化。
(文末附答案)人教版2022年高中生物第四章细胞的物质输入和输出名师选题
(每日一练)(文末附答案)人教版2022年高中生物第四章细胞的物质输入和输出名师选题单选题1、植物细胞的细胞膜、液泡膜上含有一种H+-ATP酶，可以转运H+，有利于细胞对细胞外溶质分子的吸收和维持液泡内的酸性环境。
下图是植物细胞对H+运输示意图，下列相关说法错误的是（）A．在细胞质基质、细胞液、细胞外环境中，细胞质基质的pH值最大B．H+进出植物细胞的跨膜运输方式都是主动运输C．H+-ATP酶是一种膜蛋白，能催化ATP水解和运输H+出细胞D．植物细胞呼吸受到抑制，会影响细胞对细胞外某些溶质分子的吸收2、如图①②③表示构成细胞膜的物质，a、b、c表示物质进入细胞的三种不同方式。
下列叙述中错误的是（）A．白细胞吞噬细菌与图中细胞膜流动性有关B．性激素进入细胞的方式为图中的b方式C．离子都是通过图中c的方式进出细胞D．物质以方式c进入细胞的速率，可能受到氧气浓度的影响3、变形虫的任何部位都能伸出伪足，人体某些白细胞能吞噬病毒，这些生理活动的完成依赖于细胞膜的（）A．选择透过性B．主动运输C．一定流动性D．保护作用4、从整个植物细胞来看，不属于原生质层的是（）A．细胞膜B．细胞壁C．部分细胞质D．液泡膜5、表显示了用不同浓度蔗糖溶液处理后洋葱鳞叶细胞质壁分离以及复原的情况。
据表中信息判断，若用来观察细胞失水和吸水时原生质层变化情况，最适合的蔗糖溶液浓度是（）A．0．3 g/mLB．0．4 g/mLC．0．5 g/mLD．0．4g/mL 和0．5 g/mL多选题6、用物质的量浓度为2mol•L-1的乙二醇溶液和2mol•L-1的蔗糖溶液分别浸泡某种植物细胞，观察质壁分离现象，得到其原生质体（去除细胞壁的植物细胞）体积变化情况如图所示。
下列叙述中错误．．的是（）A．该细胞可能是某种植物根尖分生区的细胞B．AB段曲线表明细胞液浓度在逐渐增大C．BC段表明该细胞开始因失水过多而逐渐死亡D．用一定浓度的KNO3溶液，可得到类似蔗糖溶液的结果7、肌细胞中Ca2+储存在肌细胞特殊内质网——肌浆网中。
中国农业大学植物生理学本科课件 第四章 植物细胞跨膜离子运输机制
跨膜运输 功能蛋白
2. 跨膜电化学梯度和膜电位
驱使离子跨膜运输的动力:
电化学势梯度; ATP 水解产生的能量。
电化学梯度(electro-chemical potential
gradient)：化学梯度（不带电中性分子和 带电粒子）和电势梯度（带电粒子）。
某离子的跨膜电化学势梯度： 跨膜化学势梯度+跨膜电势梯度
“门控结
正
质膜
构”
胞外
电
化
通道 主体
胞内
学
选择性过滤 势
结构
结构
梯
调节亚 基
度
电压门控K＋通道模型示意图
负
2.离子载体
离子载体（ion carriers):
疏水跨膜区域不形成明显的孔道结构； 载体蛋白的活性部位结合与转运物质结合，变构； 载体运输可以顺着也可以逆电化学势梯度进行。
由载体蛋白介导的跨膜离子运转可以 是被动的，也可以是主动的。
1.离子通道
离子通道(ion channel)：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。
1 – channel domains 2 - outer vestibule 3 – selectivity filter 4 - diameter of selectivity filter 5 - phosphorylation site 6 – cell membrane
在活细胞中常有不可扩散的阴离子， 从而导致在最终 扩散平衡时，膜两侧电位不平衡。
最初状态
A
B
平衡状态
A
B
K+
Cl-
不可透膜阴离子
最终在扩散平衡时，发生了电荷分离
第四章第三节物质跨膜运输的方式
10.下列哪一项与矿质离子的吸收没有联系
A.核糖体 C.细胞膜上的蛋白质 B.线粒体 D.高尔基体
11.下图中的哪一条曲线能说明红细胞膜运输葡 萄糖的速度与血浆中葡萄糖的浓度之间的关系
12.下图为物质出入细胞膜的示意图，请据图回答： (1)图中所示的细胞膜模型称为______。 (2)细胞膜的基本支架是[ ]_____(填图中字母及 名称)；D代表____。
运 输 速 率
浓度差
2、 右图表示的是一个
细胞内
动物细胞内外不同离子的 相对浓度。分析图表提供 的信息，结合本章所学知 识，回答问题：
细胞外 离子浓度/mmol· L-1
150
1.哪种离子通过主动运输 100 +和Mg2+是通过主动运输进入细胞的。 1.K 进入细胞？ 2.哪种离子通过主动运输 50 排出细胞？ 2.Na+和Cl－是通过主动运输排出细胞的。 3.你是如何作出以上判断 的？ Na+ K+ Mg+ 3. 因为以上四种离子细胞膜内外的浓度差较大， 细胞只有通过主动运输才能维持这种状况。
A.酒精进入胃粘膜细胞
B.二氧化碳由静脉血进入肺泡 C.原尿中的葡萄糖进入肾小管上皮细胞 D.水分子进入细胞
5.关于细胞膜的组成、结构、功能之间的关系， 逻辑顺序正确的一组是 ⑴膜主要由磷脂和蛋白质分子组成⑵膜具有流动 性⑶膜具有选择透过性⑷膜内蛋白质和磷脂分子
大都是运动的⑸主动运输得以正常进行。
2.主动运输一定是逆浓度梯度吗？
主动运输的本质在于是否需 要载体蛋白和是否需要消耗能量， 而不在于浓度差。是否采用主动运 输取决于细胞生命活动的需要，逆 浓度不是主动运输的本质特征，只 不过大部分时候我们所看到的逆浓 度运输都是主动运输而已。
必修一第四章物质跨膜运输知识点
必修一第四章物质跨膜运输知识点(总3页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第一节物质跨膜运输的实例思考：漏斗管内液面为什么会升高由于单位时间内透过玻璃纸进入长颈漏斗的水分子数量多于从长颈漏斗渗出的水分子数量,使得管内液面升高.半透膜：半透膜是一类可以让某些小分子离子的物质通过而大分子的物质不能通过的一类薄膜的总称。
一．渗透作用1、水分子（或其他溶剂分子）透过半透膜的扩散，称为渗透作用实质：（即顺着水的相对含量梯度的扩散）2、条件；（1）半透膜（2）膜两侧的溶液具有浓度差3、原理：溶液A浓度大于溶液B，水分子从B A移动溶液A浓度小于溶液B，水分子从A B移动在渗透作用中，水分是从溶液浓度低的一侧向溶液浓度高的一侧渗透。
扩散：物质从高浓度到低浓度的运动渗透：水及其他溶剂分子通过半透膜的扩散区别：渗透与扩散的不同在于渗透必须有渗透膜（半透膜）。
二、动物细胞的吸水和失水外界溶液的浓度= 细胞质的浓度水分子进出细胞达到动态平衡外界溶液的浓度〉细胞质的浓度失水皱缩外界溶液的浓度〈细胞质的浓度吸水涨破把红细胞看作一个渗透装置细胞膜相当于半透膜细胞质与外界溶液存在浓度差细胞吸水或失水的多少取决于什么条件取决于细胞内外浓度的差值,一般情况下,差值较大时吸水或失水较多.三、植物细胞的吸水和失水细胞吸水的方式（1）吸涨吸水机理：靠细胞内的亲水性物质（蛋白质﹥淀粉﹥纤维素）吸收水分实例：未成熟植物细胞、干种子（2）渗透吸水(主要的吸水方式)实例：成熟的植物细胞条件：有中央液泡细胞膜;液泡膜；两层膜之间的细胞质统称原生质层把成熟的植物细胞看作一个渗透装置原生质层(选择性透过膜)相当于半透膜，细胞内有细胞液与外界溶液具有浓度差当外界溶液浓度﹥细胞液的浓度，细胞失水，发生质壁分离现象外界溶液浓度﹤细胞液的浓度，细胞吸水，发生质壁分离复原现象质壁分离外因：当外界溶液浓度﹥细胞液的浓度，细胞失水，发生质壁分离现象质壁分离内因：细胞壁伸缩性﹤原生质层的伸缩性探究、植物细胞的吸水和失水问题1.提出问题：原生质层相当于半透膜么2.作出假设：原生质层相当于半透膜3.设计方案：实验原理：将植物细胞浸润在较高浓度的蔗糖溶液中，观察大小的变化；再浸润在清水中，观察其大小的变化。
高中生物 第4章第3节物质跨膜运输的方式 测试(教师版)含答案
必修1第4章第3节物质跨膜运输的实例（测)（满分60分，40分钟完成）班级姓名总分一、单选题（每题3分,30分）1。
图甲中曲线a、b表示物质跨膜运输的两种方式，图乙表示细胞对大分子物质胞吞和胞吐的过程。
下列相关叙述错误的是( ）A. 图甲中a表示自由扩散，b表示协助扩散或主动运输B. 图甲中b曲线达到最大转运速率后的限制因素是载体的数量C。
图乙中的胞吐和胞吞过程说明细胞膜具有选择透过性D。
图乙中的胞吐和胞吞过程都需要消耗ATP【答案】C【解析】方式a只与浓度有关，且与浓度呈正相关，属于自由扩散；方式b除了与浓度相关外，还与载体数量有关，属于协助扩散或主动运输，A正确；甲图中方式b除了与浓度相关外，还与载体数量有关，其最大转运速率与载体蛋白数量有关，B正确;乙图中的胞吞和胞吐过程说明细胞膜具有一定的流动性，C错误；胞吞和胞吐是耗能过程，需要细胞内部提供能量，D正确。
2. 将大小、长势相同的某种植物幼苗均分为甲、乙两组,在两种不同浓度的KNO3溶液中培养(其它条件相同且不变）．两组植物培养时鲜重的变化情况如图所示．下列有关叙述错误的是（)A．6h时，两组幼苗都已出现萎蔫现象，直接原因是蒸腾作用失水和根细胞失水B．6h后，甲组幼苗因根系开始吸收K+、NO3﹣，吸水能力增强，使鲜重逐渐提高C．12h后，若继续培养，甲组幼苗的鲜重可能超过处理前，乙组幼苗将死亡D．一般情况下，植物从土壤中吸收K+、NO3﹣是主动运输，需要根细胞呼吸作用提供能量【答案】B【解析】分析题图可知，6h时,由于蒸腾作用失水和根细胞失水，两组幼苗都已出现萎蔫现象，故A正确；实验开始时，甲组幼苗根系就已开始吸收K+、NO3-,而不是在6h时才开始吸收K+、NO3—，到6小时时细胞液浓度大于KNO3溶液浓度,从而使吸水能力增强，使鲜重逐渐提高，故B错误；12h后,由于甲组根系不断通过主动运输吸收K+、NO3-，从而保持根细胞内外浓度差，使其吸水量大于蒸腾量而有可能超过处理前的鲜重量；乙组放在比根细胞液浓度大很多的KNO3溶液中,根细胞通过渗透作用和蒸腾作用不断大量失水造成严重萎蔫最后死亡，故C正确;一般情况下,植物从土壤中吸收K+、NO3—是主动运输，需要根细胞呼吸作用提供ATP，故D正确。
第四章 植物细胞跨膜离子运输
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B相：[K+] > [Cl-]
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最终状态： [KCl]A= [KCl]B
A● ○
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B ●
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选择性 生物膜
不可透膜 阴离子
可透膜 阳离子
可透膜 阴离子
起始状态
[重点]：离子跨膜运输蛋白的种类，离 子跨膜运输机理。
第一节 生物膜的物理化学特性
一、生物膜的“两亲性”和“绝缘 性疏”水性较强或具有两亲性 的物质较易通过膜结构
而亲水性的带电物质 （如各种离子）通过脂 带电离子 质双层膜时阻力很大
亲水
部分
疏水层
膜的选择透性
水分子通过生物膜 物质透过细胞的程度： 细胞壁 > 原生质 > 质膜
○
H+
● ○
●○
○●
○
●
●
H+
○
○
●
● ○
●
○
○
H+
●
●
○ ●
B
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●
○
●
○
细胞生物学 第四章 细胞膜与物质的穿膜运输
2. 外在膜蛋白（extrinsic proteins）
也称外周蛋白（peripheral protein） 占20％～30％，位于膜的内外表面，内面较多
主要是水溶性蛋白质 连接较松散，温和处理就与膜分离
周边蛋白通过离子键、氢键或静电作用与膜脂 分子相互作用
高盐溶液可破坏离子键，不需用去垢剂 如：血影蛋白、锚蛋白。细胞色素C等
1. 膜脂的流动 脂双层是一种二维流体，因细胞内外的水环境
阻止膜脂分子自双层中逸出，只能在双层内运动和 交换位置
1）膜脂分子的运动形式
烃链的旋转异构运动（流动性的主要因素）
C一C 自由旋转产生旋转异构体
反式构象
歪扭构象
侧向扩散（lateral diffusion） 同一单分子层内脂类分子交换位置，107次/秒。 扩散距离为1～2 µm/秒
乙酰胆碱受体是典型的配体门控通道 N冲动传至神经末梢，电压闸门Ca2+通道瞬时开放 Ca2+内流使突触小泡释放Ach Ach结合突触后膜受体，使Na+通道开放 肌细胞膜Na+内流使电压闸门Na+通道短暂开放 肌细胞膜去极化，肌浆网上Ca2+通道开放 Ca2+内流，引起肌原纤维收缩
神经肌肉接头处离子通道
这种含特殊脂质和蛋白质的微区较膜其它部位厚， 更有序，较少流动，称脂筏
脂筏直径约70～100nm，其上数百个蛋白质形成小 窝（caveolae），它可转运生物活性分子入细胞，参 与信号转导
脂筏的特点 一是聚集蛋白质，便于相互作用 二是提供蛋白质变构环境，形成有效的变构
脂筏功能的紊乱已涉及HIV、肿瘤、动脉粥样硬化、 老年痴呆、疯牛病等
水端朝向膜的内外表面 球形蛋白质附着在脂双层的两侧表面，形成蛋白质-
植物细胞跨膜离子运输机制
液泡膜H+-ATPase (V型-ATPase)：催化部分在细胞质 一侧，在水解ATP过程中，将H+泵入液泡，建立跨液泡 膜的 H+浓度梯度和电势梯度。
• 它是由至少10个亚基构成的复合物 ,分子量 750kD; • 对钒酸不敏感，而受NO3抑制； • 不受K+激活，可被Cl-刺激；
V-ATPase model
当钾离子扩散平衡时，膜两侧电化学势相等，即：
μ0 +RTlnao + ZFEo= μ0+ RTlnai+ZFEi
ao
RTln——+ ZF(Eo-Ei) =0 ai ao RTln ——为化学势梯度 ai ZF（Eo-Ei）或 ZFΔE为电势梯度。
ai ΔE = — ln — ZF ao
RT
这就是著名的模斯特（Nernst）方程，它表明了膜电势差和膜内外离子活 度（浓度）的关系：即膜电势差与膜内外离子活度比的对数成正比。 对于一个单价阳离子，在25℃时， ai ΔE =59log — ao 可见当膜内、外浓度差10倍时，膜电位差相当于59mv
拟南芥中各种跨膜运输蛋白一览表
中文名称 ATP 结合跨膜运输蛋白 反向运转载体 水孔蛋白 无机溶质共运转载体 离子通道 有机溶质共运转载体 离子泵(ATP 酶) 氨基酸/生长素通透酶 主要内在蛋白 英文名称 基因家族数 基 因 数 量 ABC Transporters Antiporters Aquaporins Inorganic solute contransporters Ion channels Organic solute cotransporter Primary Pumps (ATPase) Amino acid/Auxin permease(AAAP) Major Intrinsic protein(MIP) 8 13 2 16 7 35 12 1 1 量 94 70 35 84 61 279 83 43 38
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膜外侧
N 膜内侧
D ATP C
图4-13 植物细胞膜H+-ATP酶结构式意图
（引自Buchanan等，2000）
图4-14 离子泵跨膜运输离子的过程示意图（引自 Taiz 和 Zeiger，1998）
植物细胞上确认的离子泵： 质膜上的H+-ATP 酶和Ca2+-ATP 酶 液泡膜上的H+-ATP 酶和Ca2+-ATP 酶 内膜系统上的H+-焦磷酸酶
生物膜 H2O
甘油
K+ ClNa+
生物膜与人工膜区别：生物膜中含有执行离子跨膜 运输功能的蛋白质。
二、跨膜电化学势梯度和膜电位
化学势
中性分子或粒子 浓度
带电粒子
电化学势 （浓度和电势）
膜电位：膜内外两侧的电势差。 分为：超极化（hyperpolarization） 去极化 (depolarization)
二、主动运输(active transport)
离子的跨膜运输与消耗水解ATP相偶联， 且被运送离子的方向是逆该离子跨膜电 化学势梯度进行。
如H＋-ATPase
质膜上的主动运输 初始主动运输
跨膜质子电化 学势梯度
驱动其它离子或小分子通过相应载体 跨膜运输 次级主动运输
通过载体的次级共运输过程示意。在质子电化学势梯度的驱动下，溶质 S 被逆着其电化学势梯度运送过膜。（引自Taiz+Zeiger,1998）
转运系统及机制 四、高等植物Ca2+的跨膜运转机制
一、氮素跨膜转运系统
吸收氮素形式：NH4＋、NO3－、某些氮基酸、多肽等。
硝酸还原酶 亚硝酸还原酶 NH4＋
NNP PTR
含氮有机物
拟南芥，大豆，大麦，黄瓜、番茄等。
二、磷元素跨膜转运系统
根尖、茎尖或叶肉细胞
patch clamp apparatus
第二节 细胞膜结构中的离子跨 膜运输蛋白
离子跨膜运输蛋白或离子运载体（ion transporter）：镶嵌在生物膜中的大量功能 蛋白中执行离子跨膜运输过程的功能蛋白。
离子通道（ion channel） 离子载体（ ion carrier） 离子泵（ion pump）
The three classes of membrane transport proteins:channels,carriers,and pumps.
一、离子通道（ion channel）
生物膜上的离子运输蛋白，其氨基酸序列 中的若干疏水区域在膜上形成跨膜孔道结构， 具门控特性，多种因素调节其开放、关闭状态， 对离子具有选择性，离子顺电化学势梯度跨膜 运输。
优选第四章植物细胞跨膜离子 运输
一、生物膜的化学组成与生物膜的 “两亲性”和“绝缘性”
磷脂分子两亲性：亲水基团 疏水基团
带电离子
亲水部分
绝缘性 疏水层
具有强亲水性的带电离子不易通过膜的脂质双层结构
膜的相对通透性增高
人工膜 H2O 甘油
ClK+ Na+
P
10-2
10-4 10-6 10-8 10-10
水孔蛋白
Aquaporins
2
35
无机溶质共运转载体 Inorganic Solute Cotransporters
16
84
离子通道
Ion Channels
7
61
有机溶质共运转载体 Organic Solute Cotransporters
35
279
泵（ATP酶）
Primary Pumps (ATPases)
12
83
氨基酸/生长素通透酶 Amino Acid/Auxin Permease
143Leabharlann (AAAP)主要内在蛋白
Major Intrinsic Protein (MIP)
1
38
1. ATP酶
液 泡 膜 上 的
H+-ATPase
电化学势梯度
ATP酶逆电化学势梯度运送 阳离子到膜外去的假设步骤
第三节 植物细胞的离子跨膜 运输机制
保卫细胞的特点 气孔运动的机理 影响气孔运动的因素 蒸腾意义
离子跨膜运输蛋白定义及特点： 离子通道 离子载体 离子泵
拟南芥中各种跨膜运输蛋白分类一览表
中文名称
英文名称
ATP结合跨膜运输复 合体
反向运转载体
ABC Transporters Antiporters
基因家族数 量
8
基因数 量
94
13
70
K＋通道 内向钾离子通道（K+in） 外向钾离子通道（ K+out）
电压门控K＋通道模型
电压门控通道
Proposed structural model for AKT1, a plant K+in channel
二、离子载体（ ion carrier）
• 生物膜上的一些有跨膜区域结构的 特殊蛋白。
一、被动运输 二、主动运输 三、共运输
一、被动运输（passive transport）
离子的跨膜运输并不直接消耗ATP，且其 被动运输方式是顺跨膜电化学势梯度进行。
如简单扩散（simple diffusion）
离子的被动跨膜转运输是在载体的协助下 进行，其运输速度慢。
如协助扩散（facilitated diffusion）
三、共运输(co-transport)
也称协同运输，指两种溶质被同时运输 过膜的机制，两者缺一则此过程不会发生。
分为：同向共运输（symport） 反向共运输（antiport）
跨 膜 运 转 蛋 白 的 类 型
第四节 高等植物K＋、Ca2＋的 跨膜运输机制研究进展
一、氮素跨膜转运系统 二、磷元素跨膜转运系统 三、高等植物细胞K＋的跨膜
• 具有活性结合部位，选择性地结 合物质，结合后构象发生变化， 再将物质释放于膜的另一侧。
•不具门控特性，由底物或其它化学 信号激活。载运物质的动力是跨膜 的电化学势梯度。
• 具有饱和效应
分为： 被动运输载体 主动运输载体，如离子泵
离子通过载体从膜的一侧运到另一侧示意图
载体的动力学饱和效应
通过动力学分析，可以区别溶 质是经通道还是经载体转运的， 经通道转运的是扩散过程，没有 饱和现象而经载体转运的，由于 结合部位数量有限，因此具有饱 和现象。
多数植物所必需的矿质元素都是以离子形式 经质膜上的离子载体进入胞内。
三、离子泵(Ion pumps)
生物膜上的运输蛋白，具有 ATPase活性，靠水解ATP提供能 量将离子逆电化学势梯度跨膜运 输。
分为： 致电离子泵（electrogenic pump） 中性离子泵（electroneutral pump）