1、植物(zhw)的矿质与氮素营养,第一页，共五十一页。,第二节植物(zhw)细胞对溶质的吸收,当植物根从外部吸收溶质时,首先有一个溶质迅速进入的阶段，称为第一阶段,然后吸收速度变慢且较平稳(pngwn)，这称为第二阶段。在第一阶段溶质进入质外体,在第二阶段溶质进入原生质及液泡。,图 3-2植物(zhw)组织对溶质的吸收,将实验材料从溶液转入水中,原来进入质外体的那些溶质会泄漏出来用无O、低温或用抑制剂来抑制呼吸作用,则第一阶段的吸收基本上不受影响,而第二阶段被抑制。这表明,溶质进入质外体与其跨膜进入细胞质和液泡的机制不同，前者以被动吸收为主;后者以主动吸收为主。,第二页，共五十一页。,化学势（）
2、与分子穿透性膜运输之间的关系隔室A和B之间分子种类的运动取决于每个隔室中溶质j的化学势的相对大小，在这里用方框的大小来表示。顺化学势梯度的运动自发进行，且称为被动(bidng)运输。逆化学势梯度的运动需要消耗能量，且称为主动运输。,第三页，共五十一页。,三种(sn zhn)膜运输蛋白：通道、载体、和泵。通道蛋白和载体蛋白可以调节溶质顺电化学势梯度穿膜的被动运输（通过简单扩散和协助扩散）,第四页，共五十一页。,一、被动(bidng)吸收(passive absorption)(一)扩散作用 指分子或离子沿着化学势或电化学势梯度转移的现象。不带电的中性分子和粒子的扩散取决于其化学势梯度或浓度梯度。
3、带电粒子的扩散除了其化学势梯度或浓度梯度以外，还受体系间电势高低的影响，亦即取决于其电化学势的梯度。在压力、重力等因素忽略不计的情况下，某一体系中某种离子的电化学势可定量描述为：=0+RTlna+ZFE 式中：为该离子的电化学势；0为标准状态下离子的电化学势；R为气体常数；T为热力学温度；a为离子的相对活度；Z为带电荷数（带正电为正数，带负电为负数）；F为法拉第常数；E为离子所处体系的电势,第五页，共五十一页。,设细胞内的离子浓度为ai，膜电势(dinsh)为Ei，电化学势为i；细胞外的离子浓度为a0，膜电势为E0，电化学势为0。，细胞外和细胞内的电化学势差为：=o-i=RTlnao/ai+Z
4、F(Eo-Ei)(3-1)RTlnao/ai为化学势梯度项;ZF(Eo-Ei)即ZFE为电势梯度项当0时，E(RT/ZF)ln(ai/ao)(3-2)细胞外离子向细胞内扩散，表现为细胞吸收离子。当0时，E(RT/ZF)ln(ai/ao)(3-3)细胞内离子向细胞外扩散，表现为细胞释放离子当=0，即膜内外离子移动平衡时 E=(RT/ZF)ln(ai/ao)或 E=(RT/ZF)ln(ao/ai)(3-4)(3-4)式就是著名的楞斯特(Nernst)方程式,表示了膜内外离子移动平衡时，膜电势差与膜内外离子活度比的对数成正比。,第六页，共五十一页。,如仅研究分子扩散，(3-1)式中电势梯度项可视为0
5、，=RTln(ao/ai)(3-5)当0时，即RTln(ao/ai)0，此时aoai，因而分子扩散是顺化学势梯度或浓度梯度扩散的。典型的植物细胞,在细胞膜的内侧具有较高的负电荷,而在细胞膜的外侧具有较高的正电荷。按照化学势梯度,细胞内的阳离子应向外扩散;而按电势梯度,由于细胞内有较高的负电荷,则这种阳离子又应该从细胞外向内扩散。那么离子究竟向什么方向扩散呢?这要取决于化学势梯度与电势梯度相对(xingdu)数值的大小。也就是电化学势梯度的大小。,-,+,K+K.+K+K+K+K+,K+,K+,第七页，共五十一页。,细胞的膜电势可用由微电极、参比电极和高灵敏度的电位计组成的测定装置(图3-3)测
6、定。微电极是由玻璃毛细管打制而成，尖端口径仅为1m，能刺入细胞内部，微电极内放入电解质和金属(jnsh)导线。参比电极安放在细胞外。当微电极刺入细胞质，测定到的是质膜内外的电势差；如刺入液泡，测量值就代表液泡和细胞外部之间的电势差。,图3-3测定细胞膜电势差的示意图微电极插入(ch r)细胞内，而面积大的参比电极安放在细胞外，二极间的电势差由静电计测量，电势差经放大器放大后由记录仪记录,第八页，共五十一页。,(二)协助(xizh)扩散(facilitated diffusion),物质(wzh)经膜转运蛋白顺电化学梯度跨膜的转运。它不需要细胞直接提供能量。膜转运蛋白可分为两类:通道蛋白和载体蛋
7、白（部分）。1.离子通道(ion channel)由细胞膜上内在蛋白构成的允许离子通过膜的孔道。离子通道有多种类型，如根据它转运溶质的选择性有K+、Cl、a2+通道，也可能存在着供有机离子通过的通道。从保卫细胞中已鉴定出两种K+通道,一种是允许K+外流的外向通道，另一种则K+的内向通道。一个表面积为4000 m2的保卫细胞膜约有250个K+通道。离子通道开闭的机制有两类:一类可对跨膜电势梯度发生反应,另一类则对外界刺激(如光照、激素等)发生反应.离子通道的构像会随环境条件的改变而发生变化,处于某些构像时,它的中间会形成孔,允许溶质通过。,第九页，共五十一页。,见图：一个跨膜的内部蛋白的中央孔道
8、允许 K+通过。K+顺其电化学势梯度(注意通道右侧过量的负电荷)、但逆着浓度梯度从通道左侧(外)移向右侧(细胞质)。通道上的感受(gnshu)蛋白可对细胞内外由光照、激素或Ca2+引起的化学刺激做出反应。通道上的阀门可以通过一种未知的方式对膜两侧的电势梯度或由环境刺激产生的化学物质做出开或关的反应。,图 3-5 K+离子内向通道(tngdo)模型,离子通过离子通道时的扩散速率在106个 S-1 108个 S-1膜片钳(patch clamp，PC)技术(jsh)可测量通过膜的离子电流大小的技术，极大地推动了对离子通道的研究。,第十页，共五十一页。,膜片钳(patch clamp，PC)技术的应
9、用,极大地推动了对离子通道的研究。所谓膜片钳技术，是指使用微电极从一小片细胞膜上获取(huq)电子学信息的技术，即将跨膜电压保持恒定(电压钳位)，测量通过膜的离子电流大小的技术。,膜片钳技术的应用已测到原生质膜中有K+、Cl、a2+等离子的通道，也可能存在着供有机离子通过的通道。在液泡膜上也有相应的离子通道。从保卫细胞(xbo)中已鉴定出两种K+通道,一种是允许K+外流的通道,另一种是吸收K+内流的通道。一个表面积为4000 m2的保卫细胞(xbo)膜约有250个K+通道。,第十一页，共五十一页。,图3-4膜片钳技术(jsh)测定离子通道示意图,A.测定原理与装置：a.测定原理图，在玻璃微电极
10、尖端截取的膜片上，如有开放的离子通道时，离子通过通道进入微电极，产生的电流经放大器放大后，由监视器显示或由记录仪记录；b.测定装置，示安装玻璃微电极的装置，有吸引接口和信号(xnho)输出接口；B.通道开闭时的电流输出记录图，示仅通过一个离子通道时的膜电流情况，只有在通道开时才能测到电流。,第十二页，共五十一页。,2.离子载体（ion carrier）离子载体是一类能携带离子通过膜的内在蛋白。由载体(zit)转运的物质首先与载体(zit)蛋白的结合部位结合,结合后载体(zit)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。载体蛋白对被转运物质的结合及释放,与酶促反应中酶与底物的结
11、合及对产物的释放情况相似。,图 3-6 协助扩散简化(jinhu)模型通过载体进行被动转运的示意图。,第十三页，共五十一页。,溶质是经通道蛋白还是经载体(zit)蛋白转运,二者区别：,转运载体结合位点的饱和，使呈现速率达饱和状态（Vmax）在理论上，通过通道(tngdo)的扩散速率是与运转溶质或离子的浓度成正比的，跨膜的电化学势梯度差成正比。,第十四页，共五十一页。,经通道的转运是一种简单的扩散过程,没有饱和现象,经载体的转运,结合部位数量有限,有饱和现象。经通道转运溶质是被动吸收，由载体进行(jnxng)的转运可以是被动吸收(顺电化学势梯度)，也可以是主动吸收,图 经通道或载体转运(zhun
12、 yn)的动力学分析,细胞液和液泡(ypo)中的离子浓度可以通过主动运输（实箭头）和被动运输（虚线箭头）进行控制。,利用呼吸释放的能量，逆电化学势梯度吸收矿质，这种过程称为主动吸收,第十五页，共五十一页。,二、主动(zhdng)吸收(active absorption),(一)ATP酶(ATPase)催化ATP水解生成ADP与Pi的酶，是参与能量代谢的关键酶。根细胞膜上的ATP酶，是膜上的插入蛋白，体积大，横跨整个膜，也是一种特殊的离子载体。质膜ATP酶催化反应如下:ATP+H2O ATP酶 ADP+Pi 32kJmol-11molATP水解释放32kJ能量，释放的能量用于转运离子。即把细胞质
13、内的阳离子（H+、K+、Na+、Ca2+）向膜外“泵”出。H+是最主要的通过这种方式转运的离子，所以将转运H+的ATP酶称为H+-ATPase或H+泵。由于ATPase这种逆电化学势梯度主动转运阳离子造成了膜内外正、负电荷的不一致,形成(xngchng)了跨膜的电位差,故这种现象称为致电,ATP酶称为一种致电泵(electrogenic pump)。跨膜的H+梯度和膜电位具有的能量合称为H+电化学势差H+也是其它离子或分子越膜进入细胞的驱动力。,第十六页，共五十一页。,ATP酶运送阳离子假设：ATP酶上有一个与阳离子M+相结合的部位,还有一个与ATP的Pi结合的部位。当未与Pi结合时,M+的结
14、合部位对M+有高亲合性,它在膜的内侧与M+结合,同时与ATP末端的Pi结合(称为磷酸化),并释放ADP。当磷酸化后,ATP酶处于高能态,其构象发生了变化,将M+暴露于膜的外侧,同时对M+的亲合力降低,而将M+释放出去,并将结合的Pi水解释放回膜的内侧,这样(zhyng)ATP酶又恢复至原先的低能态构象,开始下一个循环。H+、K+、Na+或Ca2+以上述方式转运,ATP酶逆电化学势梯度运送阳离子到膜外去的假设步骤（A）通过ATP进行(jnxng)磷酸化；（B）磷酸化作用导致蛋白质构象改变，使得阳离子暴露在细胞外，从蛋白质上释放阳离子；（C）、（D）磷酸盐离子从蛋白质释放到细胞质中的过程重新恢复了
15、膜蛋白的最初构象，使得新一轮泵循环开始。,第十七页，共五十一页。,H+是最主要的通过这种方式转运的离子，所以我们可以将转运H+的ATP酶称为H+-ATPase或H+泵。由于ATPase这种逆电化学势梯度主动转运阳离子造成了膜内外正、负电荷的不一致,形成了跨膜的电位差,故这种现象(xinxing)称为致电,又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。质膜H+-ATPase是植物生命活动过程中的主宰酶(master enzyme),它对植物许多生命活动起着重要的调控作用,液泡膜上也存在H+-ATP酶,水解ATP过程中,它将H+泵入液泡内；叶绿体和线粒体膜上也存在
16、有ATP酶，在光合、呼吸过程中起着重要作用。,使细胞质的pH值升高(shn o)使细胞壁的pH值降低使细胞质相对于细胞壁表现电负性,H+-ATPase在矿质转运(zhun yn)中的作用,第十八页，共五十一页。,液泡膜H+-ATPase与质膜H+-ATPase的区别:其转运H+时不与ATP末端Pi结合 每水解一分子ATP运送两个H+进入液泡 不依赖于K+的激活，可被Cl-刺激 对钒酸盐不敏感,被NO抑制。Ca+是另一种通过ATP酶转运的离子。质外体中通常(tngchng)含较高浓度的Ca+,而细胞质中Ca+浓度则十分低(微摩数量级)。Ca+-ATPase逆电化势梯度将Ca+从细胞质转运到胞壁或液泡中。,细胞质中Ca+浓度很小的波动就会显著(xinzh)影响许多酶的活性,植物细胞可以通过调节Ca+-ATPase的活性使细胞质中Ca+保持一定水平。,第十九页，共五十一页。,(二)共转运(zhun yn)cotransport,质膜ATPase水解ATP产生能量,把细胞质内的H+向膜外“泵”出。膜外介质中H+增加的同时,也产生膜电位(E),即膜内呈负电(fdin)性,而膜外呈正电性。跨膜的H
