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
由于细胞膜内外正负离子分布的不均一性， 所有细胞都具有膜电位，用微 电极可容易地测量出活细胞跨膜电位。 细胞膜电位产生和维持的原因：膜对不同离子的选择透性及致电泵作用。
跨膜电位有方向性。表述活细胞的膜电位时，一般用膜内侧对于膜外侧电 位来表示。活细胞跨膜电位一般为负值。而习惯上所说的膜电位高低是指 膜电位的绝对值。
用人工脂质双层膜和 生物膜进行的通透性 实验表明: 带电离子几乎不能 通过人工膜, 而生物膜 通透性则相对提高. 表 明生物膜中的蛋白质 对离子通透起重要作 用.
Permeability values, p in centimeters per second, for some substances diffusing across an artificial phospholipid bilayer and across a biological membrane.
A gated membrane channel. Gated channels may be open, in which case ions are permitted to pass through the channel, or closed to ion flow. Opening may be stimulated by changes in membrane potential, the presence of hormones, or the ion itself.
细胞在静息状态下测得的膜电位称为静息膜电位，当某种刺激发生时，膜 电位发生去极化或超极化。 超极化状态细胞生理状态较活跃。
2.细胞膜结构中的离子跨膜运输蛋白
镶嵌在生物膜中的大量功能蛋白中执行离子跨膜运输 功能的蛋白统称离子跨膜运输蛋白(ion transporter)。 根据运输蛋白的结构及运送离子的方式，将跨膜离子 运输蛋白分为三类：离子通道（ion channel)、离子载 体（ion carrier)、离子泵（ion pump).
2.2 主动运输 (active transport)：利用代谢能量逆
电化学势梯度转运离子的过程称为主动运输。 2.2.1 原初主动运输（primary active transport): 直接偶联着ATP水解
将溶质进行跨膜运输过程。
Hypothetical steps in the transport of a cation against its chemical gradient by a electrogenic pump.
Ca+-ATPase；
利用ATP水解释放能量，将Ca+从细胞质转运到细胞壁 中或液泡中。Ca2+是胞内第二信使，其浓度微小波动会 显著影响细胞生命活动，植物细胞通过Ca2+—ATPase活 性调节保持胞质游离Ca2+的一定水平。 在质膜、叶绿体膜、内质网膜、线粒体膜上均有Ca2+ATPase存在.均属P型ATPase.
3. 植物细胞离子跨膜运输机制
2.1 被动运输 (passive transport): 不需要代谢提供
能量的顺着电化学势梯度的转运离子的过程 .
简单扩散 (simple diffusion ) 通过膜或通道的扩散 易化扩散 (Facilitated diffusion） 通过载体的扩散
The exchange of ions and solutes across membranes may involve simple diffusion, facilitated diffusion, or active transport.
质膜H+-ATPase (P-ATPase): 它是质膜上的一种插入蛋白，其水 解ATP部分在质膜细胞质一侧, 质膜H+-ATPase建立的跨膜的H+ 浓度梯度和电势梯度，为其它离子或分子的跨膜运输提供动力。 此外，它也具有除去胞质中过多的H+, 维持其一定的pH的作用。 质膜H+-ATPase (P-ATPase)是植物生命活动的主宰酶 （masterenzyme).
第四章 植物细胞跨膜离子运输机制
（Mechanism for ions transport across biological membrane)
1.生物膜的物理化学特性 2.细胞膜结构中的离子跨膜运输蛋白 2. 3.植物细胞的离子跨膜运输机制 3.高等植物K+、Ca2+的跨膜运输机制研究进展
1 生物膜的物理化学特性
膜片钳（Patch clamp PC ）技术：指使用微电极从 一小片细胞膜上获取电子 信息的技术。
Diagram for patch clamp technique
patch clamp apparatus
离子载体（ion carriers): 载体蛋白的疏水跨膜区域不形成明显的孔道结构
； 由载体转运的物质，首先与载体蛋白的活性部位结合，结合后载体蛋白产 生构象变化， 将被转运物质暴露于膜的另一侧，并释放出去。经过载体的运输 可以顺电化学势梯度进行，也可以逆电化学势梯度进行。
1.2 跨膜电化学势梯度和膜电位
物质跨膜运动的驱动力： 电化学势梯度， ATP 分子扩散：化学势梯度 离子扩散： 电化学势梯度
由于生物膜的选择透性，离子的跨膜扩散就导致了A> [KCl]B
A
B
K+ Cl-
Intermediate state A
Kinetic(A) and cartoon (B) representations of the activity of carrier
高度特异性 经过载体的运输有明显饱和现象
Carriers exhibit saturation kinetics
离子泵 （ion pump) :具有ATP 水解酶功能并能利用 ATP水解释放能量逆电化学势梯度运转离子的膜运输 蛋白. 分为: 致电泵(electrogenic pump) 电中性泵(electroneutral pump). 已知在植物细胞中存在的泵有： H+-ATPase, Ca2+ATPase, 此外在液泡膜上还发现H+-PPase 和 ATPbinding cassette 转运器 (ABC transpoter) 质膜H+-ATPase(P型H+-ATPase)是植物细胞中最主要 最普遍的致电泵)
B
当膜一侧有不可通透的阴离子时，由半透膜相隔的 两相间离子跨膜运输最终达电化学势到平衡
假设细胞内K+浓度为ai，电势为Ei，电化学势μi ；细胞外K+浓度为ao, 电势为 Eo, 电化学势为为μo . 根据电化学势公式： μ0=μ0 +RTlnao + ZFEo μi = μ0+ RTlnai+ZFEi R：气体常数 （8.314J.mol-1 K-1); T：绝对温度 ; Z：离子电荷数; F：法拉弟常数 (96.5kJ.mol-1.V-1)
[K+]A<[K+]B
-- +
B
Equilibrium state
[KCl]A= [KCl]B
A
B
由半透膜相隔的两相间离子跨膜运输最终达到平衡
Initial state
A
B
K+ ClNon-permeable anion
A Intermediate state
B
A Equilibrium state
H+-ATPase 的激活
FC结构 Model for the activation of P-ATPase by phosphorylation and fusicoccin.
Tissue-specific expression of genes for the plasma membrane H+-ATPase in Arabidopsis. (A) Stem cross-section of Arabidopsis expressing AHA3-c-Myc fusion protein. (B) AHA10 gene promoter is expressed in developing seed as shown by Gus staining.
• • • • •
专—抑制剂：VO4-3，已烯雌酚（DES） 底物是ATP-Mg， γ-磷酸共价结合到天冬酰胺残基上。 活性受pH调节，最适pH6.5，当胞质pH降低时，被激活，受 K+激活。 受各种信号如光、激素、病原菌激活。通过解除C-端抑制域的 抑制作用或影响其表达起作用。 由多基因家族基因编码，表达具有组织特异性。
离子通道 (channels）：是由蛋白多肽链的若干疏水性 区段在膜的脂质双层结构中形成的跨膜孔道结构。允许 离子顺电化学势梯度跨膜运输。
(A) 内向K+通道AKT1结构模型示意图 (B)外向K+通道结构示意图
根据对离子的选择性、运送离子的方向、通道开放与关闭的调控机制，可将离 子通道分为多种类型. 通道的选择性：孔的大小及孔内表面电荷等性质决定它转运溶质的性质。 通道的方向性: 通过通道的离子运输有方向性。分内向通道和外向通道。 通道的开关：离子通道的构象会随细胞内部或外界环境条件的改变而发生变化 ，从而使通道处于开或关的状态。 根据孔开闭的机制将通道分为类： 电压门控通道：可对跨膜电势梯度发生反应； 配体门控通道：对化学物质（如激素）发生反应； 张力门控通道：对机械拉力变化发生反应。 经过通道的运输没有饱和现象。
• 由单条肽链构成，其分子量约100,000D, 10个跨膜区域；4-5 跨膜区域之间的亲水区有ATP结合位点天冬氨酸残基，此区 域高度保守。H+结合的位点可能在6-10跨膜区。1-3跨膜域可 能与天冬酰鞍-磷酸键水解有关.碳端区域是一自抑制域,通 过酶切除去或点突变都会使其活性大大提高.
Membrane disposition of plasma membrane H+-ATPaes. D: aspartyl
1.1 生物膜的“两亲性”与“绝缘性”
生物膜的基本化学组成包括脂类和蛋白质.脂类物质中主要是 甘油磷脂类, 具有“两亲性”, 自发形成脂质双层结构,构成生物 膜的基本结构.生物膜的特点使得疏水性或两亲性分子容易通过, 而带电物质则不易通过, 因此说生脂质双层膜具有一定的“绝缘 性”.
The fluid-mosaic membrane Model