1、會計學1植物生理學植物生理學_B植物細胞跨膜離子運輸植物細胞跨膜離子運輸植物細胞跨膜離子運輸是植物細胞跨膜離子運輸是植物吸收和轉運礦質元素植物吸收和轉運礦質元素的必須和重要過程的必須和重要過程 !1. 細胞膜的物理化學特性Root-Cap Cell (Morre et al., 1967)膜是活細胞與環境間進行物質與能量交換的界限膜是活細胞與環境間進行物質與能量交換的界限;多細胞生物個體的復雜生命活動是以單個細胞為基多細胞生物個體的復雜生命活動是以單個細胞為基本單位完成的，而所謂生命活動與非生命活動之間本單位完成的，而所謂生命活動與非生命活動之間的空間界限正是包裹活細胞的細胞膜的空間界限正是包

2、裹活細胞的細胞膜;細胞膜的這種細胞膜的這種“界限界限”作用對于生命活動的存在和作用對于生命活動的存在和進行是至關重要的。進行是至關重要的。1-1. 生物膜的生物膜的 “界限界限” 作作用用 沒有生物膜就沒有生命沒有生物膜就沒有生命 !生物膜是生命活動的場所沒有生物膜就沒有生命沒有生物膜就沒有生命 !1-2. 生物膜的生物膜的 “兩親性兩親性” 與與 “絕緣絕緣性性”u 膜磷脂的兩親性決定了膜的兩親性膜磷脂的兩親性決定了膜的兩親性u 膜結構中間層的疏水性決定了膜對親膜結構中間層的疏水性決定了膜對親水性離子的絕緣性水性離子的絕緣性對于活細胞對于活細胞, 親水性離子能夠以某種方式通過脂質雙層膜親水性

3、離子能夠以某種方式通過脂質雙層膜生命活動的最重要現象之一1-3. 跨膜電化學勢梯度跨膜電化學勢梯度Transmembrane Electro-chemical Potential Gradient u 任何物質的運動都需要驅動力的存在，驅使離子進行跨膜運輸的動任何物質的運動都需要驅動力的存在，驅使離子進行跨膜運輸的動力來自跨膜的電化學勢梯度或水解力來自跨膜的電化學勢梯度或水解ATP產生的能量。產生的能量。u 根據熱力學的原理，任何物質的自發運動均是自化學勢較高的區域根據熱力學的原理，任何物質的自發運動均是自化學勢較高的區域向化學勢較低的區域進行。對于不帶電的中性分子或粒子來說，其化學向化學勢較

4、低的區域進行。對于不帶電的中性分子或粒子來說，其化學勢的高低取決于它的濃度高低。因此，在不存在外力作用的情況下，不勢的高低取決于它的濃度高低。因此，在不存在外力作用的情況下，不帶電的分子發生運動時總是自濃度高的區域向濃度低的區域自發進行。帶電的分子發生運動時總是自濃度高的區域向濃度低的區域自發進行。u 對于帶電粒子來說，其發生運動時不僅受其濃度高低（化學勢高低對于帶電粒子來說，其發生運動時不僅受其濃度高低（化學勢高低）的影響，同時還受到不同體系（或區域）間電勢高低的影響，亦即受）的影響，同時還受到不同體系（或區域）間電勢高低的影響，亦即受“電化學勢梯度電化學勢梯度”的影響。的影響。u 某種離子

5、的跨膜電化學勢梯度包括跨膜化學勢梯度和跨膜電勢某種離子的跨膜電化學勢梯度包括跨膜化學勢梯度和跨膜電勢(位位)梯梯度兩個方面，兩者相互關聯。因為決定某種離子化學勢高低的是離子的度兩個方面，兩者相互關聯。因為決定某種離子化學勢高低的是離子的濃度，而離子濃度的高低又決定了該種離子所攜帶電荷的多少，所以在濃度，而離子濃度的高低又決定了該種離子所攜帶電荷的多少，所以在膜的一側某種離子的濃度愈高，則該種離子的電化學勢愈高。膜的一側某種離子的濃度愈高，則該種離子的電化學勢愈高。l 離子通道離子通道l 離子載體離子載體l 離子泵離子泵2. 植物細胞離子跨膜運輸蛋白植物細胞離子跨膜運輸蛋白l 離子通道離子通道l

6、 離子載體離子載體l 離子泵離子泵2. 植物細胞離子跨膜運輸蛋白植物細胞離子跨膜運輸蛋白離子通道模型示意圖特點特點: 離子通道是由多肽鏈中的若干疏水性區段離子通道是由多肽鏈中的若干疏水性區段在膜的脂質雙層結構中形成的跨膜孔道結構。在膜的脂質雙層結構中形成的跨膜孔道結構。類別類別: 根據離子通道對離子的選擇性、運送離子根據離子通道對離子的選擇性、運送離子的方向、通道開放與關閉的調控機制等可將離子的方向、通道開放與關閉的調控機制等可將離子通道分為多種類型。通道分為多種類型。 2-1. 離子通道“某某” 離子通道離子通道內內/外向通道外向通道“電壓電壓” / “配體配體”/ 磷酸化磷酸化 門控通門控

7、通道道復合名稱復合名稱例例: 電壓依賴型鉀離子內向通道電壓依賴型鉀離子內向通道植物細胞鉀離子通道植物細胞鉀離子通道 AKT1 結構模型結構模型Six trans-membrane domians, S1- S6; S4: voltage senseor; P-domian: poreTetramer, 4-P-domains form selective pore電化學勢梯度調節亞基選擇性濾結構胞內胞外“門拉結構”通道主體結構質膜電化學勢梯度調節亞基選擇性濾結構胞內胞外“門拉結構”通道主體結構質膜電壓門控電壓門控 K+ 通道模型示意圖通道模型示意圖（Taiz 和 Zeiger，1998） Re

8、ctifying123456水通道結構模型水通道結構模型Member of MIP family; 25-30 kD; NPA box: APA selectivityExsiting tetramer, but monomer can form the porel 離子通道離子通道l 離子載體離子載體l 離子泵離子泵2. 植物細胞離子跨膜運輸蛋白植物細胞離子跨膜運輸蛋白結構特點結構特點: 離子載體與離子通道首先在結構上有明顯不同，雖然兩離子載體與離子通道首先在結構上有明顯不同，雖然兩類膜蛋白都有若干疏水的跨膜結構區域，但離子載體蛋白的跨膜區域類膜蛋白都有若干疏水的跨膜結構區域，但離子載體蛋白

9、的跨膜區域并不形成明顯的孔道結構。并不形成明顯的孔道結構。功能特點功能特點: 離子載體與離子通道在跨膜運送離子的方式上也不同，離子載體與離子通道在跨膜運送離子的方式上也不同，前者是先與被運送的離子（或溶質）相結合，通過載體蛋白的構像變前者是先與被運送的離子（或溶質）相結合，通過載體蛋白的構像變化而將離子（或溶質）自膜的一側運至另一側；而通過離子通道的離化而將離子（或溶質）自膜的一側運至另一側；而通過離子通道的離子跨膜運輸則是直接通過孔道結構而進行跨膜運動。其運行方式類似子跨膜運輸則是直接通過孔道結構而進行跨膜運動。其運行方式類似于酶促反應過程，其動力學符合用于描述酶促反應的米氏方程式。于酶促反

10、應過程，其動力學符合用于描述酶促反應的米氏方程式。作用和意義作用和意義: 多數植物所必需的礦質營養元素都是以離子的形式經多數植物所必需的礦質營養元素都是以離子的形式經植物細胞質膜上的離子載體運送進入細胞的，如植物細胞質膜上的離子載體運送進入細胞的，如NH4+、NO3-、H2PO4-、SO42- 以及一些呈離子狀態的有機代謝物等以及一些呈離子狀態的有機代謝物等 2-2. 離子載體離子載體 (1)通道通道載體載體類別類別: 根據對模式植物擬南芥基因組的分析表明，膜上的各種載體蛋白（包括根據對模式植物擬南芥基因組的分析表明，膜上的各種載體蛋白（包括運送有機小分子物質的載體）是一超基因家族，其成員眾多

11、可進一步分為多運送有機小分子物質的載體）是一超基因家族，其成員眾多可進一步分為多個基因家族（參下表）。據目前的研究結果，載體多為單個亞基構成，大部個基因家族（參下表）。據目前的研究結果，載體多為單個亞基構成，大部分含有分含有12個跨膜區域、分子量約在個跨膜區域、分子量約在4050 kDa。2-2. 離子載體離子載體 (2)中文名稱中文名稱英文名稱英文名稱基因家族數量基因家族數量基因數量基因數量ATP結合跨膜運輸復合體結合跨膜運輸復合體ABC Transporters894反向運轉載體反向運轉載體Antiporters1370水孔蛋白水孔蛋白Aquaporins235無機溶質共運轉載體無機溶質共

12、運轉載體Inorganic Solute Cotransporters1684離子通道離子通道Ion Channels761有機溶質共運轉載體有機溶質共運轉載體Organic Solute Cotransporters35279泵（泵（ATP酶）酶）Primary Pumps (ATPases)1283氨基酸氨基酸/生長素通透酶生長素通透酶Amino Acid/Auxin Permease (AAAP)143主要內在蛋白主要內在蛋白Major Intrinsic Protein (MIP)138787類別類別: 載體蛋白可根據其功能或運輸離子的機制分為載體蛋白可根據其功能或運輸離子的機制分為:

13、2-2. 離子載體離子載體 (3)l共運輸載體共運輸載體:同向共運輸載體同向共運輸載體反向共運輸載體反向共運輸載體l能量消耗能量消耗: 被動運輸載體被動運輸載體主動運輸載體主動運輸載體初級主動運輸載體初級主動運輸載體 (離子泵離子泵)次級主動運輸載體次級主動運輸載體SSCoCiCSoCSiSSSSCSoCSiCoCi（A）動力學（B）物理學模型SSCoCiCSoCSiSSSSCSoCSiCoCiS SSCSoCSiCoCi（A）動力學（B）物理學模型膜載體跨膜運送底物的工作機制模型共運輸載體工作示意圖胞內胞內胞外胞外l 離子通道離子通道l 離子載體離子載體l 離子泵離子泵2. 植物細胞離子跨膜

14、運輸蛋白植物細胞離子跨膜運輸蛋白離子泵離子泵: 具有具有ATP水解酶功能、并能直接水解酶功能、并能直接利用水解利用水解ATP的能量將離子逆著其電化的能量將離子逆著其電化學勢梯度進行跨膜運輸的膜載體蛋白。學勢梯度進行跨膜運輸的膜載體蛋白。 2-3. 離子泵根據離子泵活動導致有凈電荷的跨膜運動進而影響膜電位, 可將其分為致電離子泵（electrogenic pump）和中性離子泵（electroneutral pump），前者可以導致有凈電荷的跨膜運動，而后者則不改變膜兩側的電荷分布狀況。 在高等植物細胞中，質膜上的H+-ATP酶（P型H+-ATP酶）是最普遍、且最重要的致電泵。 (K+/Na+

15、泵泵?)植物細胞膜上的植物細胞膜上的H+-ATP 酶有三大類酶有三大類:l質膜上的質膜上的 P 型型 H+-ATP 酶酶l液泡膜上的液泡膜上的 V 型型 H+-ATP 酶酶l線粒體內膜線粒體內膜/葉綠體類囊體膜上的葉綠體類囊體膜上的 F 型型 H+-ATP 酶酶研究較多的研究較多的:lH+-ATP 酶酶lCa2+-ATP 酶酶目前尚無證據表明植物細胞存在類似于動物細胞中的目前尚無證據表明植物細胞存在類似于動物細胞中的 Na+/K+-ATPase 等等 !(內膜系統上的 H+-焦磷酸酶 )植物細胞膜質子植物細胞膜質子ATP酶結構式意圖（酶結構式意圖（Buchanan等，等，2000） 胞外胞內高

16、等植物細胞高等植物細胞 P-型型 ATP 酶工作機制示意圖酶工作機制示意圖pH 5pH 7H+H+磷酸化調控l 主動與被動運輸主動與被動運輸l 初級與次級運輸初級與次級運輸l 共運輸共運輸3. 植物細胞離子跨膜運輸機制植物細胞離子跨膜運輸機制l 主動與被動運輸主動與被動運輸l 初級與次級運輸初級與次級運輸l 共運輸共運輸3. 植物細胞離子跨膜運輸機制植物細胞離子跨膜運輸機制被動運輸被動運輸 (Passive transport): 離子的跨膜運輸是順著跨膜電離子的跨膜運輸是順著跨膜電化學勢梯度進行的化學勢梯度進行的, 不直接消耗水解不直接消耗水解 ATP 的能量。是一種擴散過程。的能量。是一種

17、擴散過程。如離子通過離子通道的跨膜運輸就是被動運輸過程如離子通過離子通道的跨膜運輸就是被動運輸過程: 當某種離子通道當某種離子通道處于開放狀態、且跨膜存在能使該種離子發生運動的驅動力（電化學處于開放狀態、且跨膜存在能使該種離子發生運動的驅動力（電化學勢梯度）時，離子就通過其通道進行跨膜運動。由于這種離子跨膜運勢梯度）時，離子就通過其通道進行跨膜運動。由于這種離子跨膜運輸方式相對較為簡單，有時被認為是一種類似于簡單擴散（輸方式相對較為簡單，有時被認為是一種類似于簡單擴散（simple diffusion）的離子運動方式。但實際上當離子通過通道時是經過被選）的離子運動方式。但實際上當離子通過通道時

18、是經過被選擇的，即所謂離子通道是選擇性通道。擇的，即所謂離子通道是選擇性通道。有些離子的被動跨膜運輸是通過載體進行的，此類運輸機制也被稱作有些離子的被動跨膜運輸是通過載體進行的，此類運輸機制也被稱作協助擴散協助擴散（facilitated diffusion）。相對于通過離子通道的離子跨膜）。相對于通過離子通道的離子跨膜被動運輸過程，通過載體的離子被動運輸速度要慢的多。被動運輸過程，通過載體的離子被動運輸速度要慢的多。被動運輸( Passive Transport )主動主動 (active) 與被動與被動 (passive) 運輸運輸 (transport)主動運輸主動運輸 (Active

19、transport): 離子的跨膜運輸與消耗水解離子的跨膜運輸與消耗水解 ATP 的能量相偶聯，而且被運送離子運動的方向是逆著該種離子的跨膜電的能量相偶聯，而且被運送離子運動的方向是逆著該種離子的跨膜電化學勢梯度進行的。化學勢梯度進行的。離子通過離子泵的跨膜運輸就是主動運輸過程，如質膜上或液泡膜上離子通過離子泵的跨膜運輸就是主動運輸過程，如質膜上或液泡膜上的的H+-ATP酶運送質子進行跨膜運輸的過程就是典型的主動運輸過程酶運送質子進行跨膜運輸的過程就是典型的主動運輸過程。植物細胞膜上由植物細胞膜上由H+-ATP酶所執行的主動運輸過程又被稱作初始主動酶所執行的主動運輸過程又被稱作初始主動運輸（運

20、輸（primary active transport），而由），而由H+-ATP酶活動所建立的跨酶活動所建立的跨膜質子電化學勢梯度所驅動的其它無機離子或小分子有機物質的跨膜膜質子電化學勢梯度所驅動的其它無機離子或小分子有機物質的跨膜運輸過程被稱為次級主動運輸（運輸過程被稱為次級主動運輸（secondary active transport）。次）。次級主動運輸實際上是一種共運輸（級主動運輸實際上是一種共運輸（co-transport）過程，即兩種離子）過程，即兩種離子同時被跨膜運輸的過程。同時被跨膜運輸的過程。 主動運輸( Active Transport )主動主動 (active) 與被動

21、與被動 (passive) 運輸運輸 (transport)被動運輸被動運輸 (Passive transport): 簡單擴散（簡單擴散（simple diffusion）協助擴散（協助擴散（facilitated diffusion）主動運輸主動運輸 (Active transport): 初級主動運輸（初級主動運輸（primary active transport）次級主動運輸（次級主動運輸（secondary active transport）共運輸（共運輸（co-transport）半透膜電中性理論電中性理論: Electroneutral Theory簡單擴散簡單擴散簡單擴散簡單擴散協助擴散協助擴散主動運輸主動運輸簡單擴散簡單擴散協助擴散協助擴散l 主動與被動運輸主動與被動運輸l 初級與次級運輸初級與次級運輸l 共運輸共運輸3. 植物細胞離子跨膜運輸機制植物細胞離子跨膜運輸機制初級主動運輸初級主動運輸（primary active transport）直接消耗直接消耗 ATP 能量能量, 逆電化學勢梯度跨膜運送逆電化學勢梯度跨膜運送物質物質, 如如 H+-ATPase次級主動運輸次級主動運輸 (secondary active transport)依賴于由初級主動運