植物钾离子通道基因的分离与鉴定.docxVIP

植物钾离子通道基因的分离与鉴定 通过膜的白色管道（iun通道）可以被动地将离子运输到膜。每个蛋白质分子可以以108秒的速度运输离子。在膜电势梯度的作用下，不需要增加任何自由能。一般来讲,离子通道具有两个显著特征:一是离子通道是门控的,即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节,并通过开关应答相应的信号。根据门控机制,离子通道可分为电压门控、配体门控、压力激活离子通道。二是通道对离子的选择性,离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性。根据通道可通过的不同离子,可将离子通道分为钾离子(potassium ion,K+)通道、钠离子(natrium ion,Na+)通道、钙离子(calcium ion,Ca2+)通道等。其中,K+通道是种类最多、家族最为多样化的离子通道,根据其对电势依赖性及离子流方向的不同,可把K+通道分为两类:①内向整流型K+通道(inward rectifier K+channel;K+in),②外向整流型K+通道(outward rectifier K+channel;K+out)。 K+是植物细胞中含量最为丰富的阳离子,也是植物生长发育所必需的唯一的一价阳离子,它在植物生长发育过程中起着重要的作用,具有重要的生理功能。植物中可能存在K+通道,这一点早在20世纪60年代植物营养学界就有人提出,而一直到80年代才被Schroeder等人证实,他们利用膜片钳(patch clamp)技术,首先在蚕豆(Vicia faba)的保卫细胞中检测出了K+通道的存在。后来,人们又陆续在其它植物及细胞中发现了多种类型的K+通道。 1 k+通道结构 单个钾离子通道是同源四聚体,4个亚基(subunit)对称的围成一个传导离子的中央孔道(pore),恰好让单个K+通过。对于不同的家族,每个亚基有不同数目的跨膜链(membrane-spanning element)组成。两个跨膜链与它们之间的P-回环(pore helix loop)是K+通道结构的标志(2TM/P),不同家族的K+通道都有这样一个结构。电压门控K+通道在2TM/P之前有四条跨膜链(S1-S4),使得通道具有感受并响应膜电位的能力(sensor)。S4跨膜链每隔两个残基就有一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸,其他位置都是疏水性残基,正是这些特殊结构使得S4片段在门控过程中起着重要的作用(图1)。 目前从植物体中发现的K+通道几乎全是电压门控型的,如保卫细胞中的K+外向整流通道等,其结构模型如图2-a所示。离子通透过程中离子的选择性主要发生在狭窄的选择性过滤器(selectivity filter)中(图2-b),X射线晶体学显示选择性过滤器长1.2 nm,孔径约为0.3 nm,K+脱水后(直径约为0.26 nm)恰好可以通过。过滤器中每一个亚基都存在一个保守的TVGYG序列,每一个序列氨基酸上的羰基氧原子都指向孔道。每8个氧原子以一个近似方形棱镜的形式包围成一个K+适宜的结合位点(ion-binding site),过滤器中存在4个这样的位点。前面第1～3个位点处于细胞外侧,由8个TVGYG序列氨基酸上的羰基氧原子组成,第4个位点处于最靠近细胞内侧的位置,由4个羰基氧原子和4个侧链苏氨酸上的羟基氧原子组成。K+通道一个独特的结构特征是孔道内有一个部位可以膨胀到1.0 nm,称为中心腔(cavity),位于选择性过滤器的胞内侧,细胞膜的中间。中心腔中可以容纳一个K+,其他空间则充满了水。另外,通道胞外侧的出口处存在两个K+适宜的结合位点。 2 植物表观平衡常数k+通道基因 有关K+通道在植物体内的作用研究并不多。从目前的结果来看,认为主要是与K+吸收和细胞中的信号传递(尤其是保卫细胞)有关。小麦根细胞中过极化激活的选择性内流K+通道的表观平衡常数Km值为8.8 mmol/L,与通常的低亲和吸收系统Km值相似。近年来,大量K+通道基因的研究表明,K+通道是植物吸收转运钾离子的重要途径之一。保卫细胞中气孔的开闭与其液泡中的K+浓度有密切关系。质膜去极化激活的K+外向整流通道引起K+外流,胞质膨压降低,导致气孔的关闭。相反,质膜上H-ATPase激活的超极化(hyperpolarization)促使内向整流钾离子通道(K+in)的打开,引起K+的内流,最终导致气孔的张开。可见钾离子通道在保卫细胞开闭的过程中具有传递信号的功能。 3 结构功能及dna序列 迄今,已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离得到多种K+通道基因(图3),根据对其结构功能和DNA序列的分析,可以把它们分为5个大组:Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ组基因属于内向整流型通道;Ⅲ组属于弱内向整流型通道(weakly inward rectifier channels);Ⅴ组则是外向整流型通道。下文中我们将分别阐述各组基因