优选第四章植物细胞跨膜离子运输

12
83
氨基酸/生长素通透酶 Amino Acid/Auxin Permease
1
43
(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
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）
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
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)
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。
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）
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
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）
• 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。
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Βιβλιοθήκη Baidu数 量
94
13
70
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
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）
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。
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