鉀、鈉離子與液泡膜H+-ATPase研究進(jìn)展

王杰,蔡垚,周峰

摘要：介紹了植物液泡膜H+-ATPase分子結(jié)構(gòu)和功能，尤其重點闡述了K+、Na+ 與植物液泡膜H+-ATPase活性的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：K+；Na+；液泡膜H+-ATPase

中圖分類號：Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.02.007

Relationship Between K+, Na+ and Vacuolar H+-ATPase

WANG Jie1, CAI Yao2, ZHOU Feng2

（1.School of Xingzhi, Xiaozhuang University, Nanjing, Jiangsu 211171, China；2.School of Biochemical and Environmental Engineering, Xiaozhuang University, Nanjing, Jiangsu 211171, China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ: The structure and function of plant vacuolar H+-ATPase were introduced in this paper. It was emphasized about the relationship between potassium ion, sodium ion and plant vacuolar H+-ATPase present.

Key words: K+；Na+；vacuolar H+-ATPase

液泡是植物細(xì)胞內(nèi)一個由單層膜包裹的多功能細(xì)胞器，占整個植物細(xì)胞體積的80%以上，它的主要功能是維持細(xì)胞的滲透壓和貯存代謝的中間產(chǎn)物，它還含有多種水解酶，其pH 值偏酸且具有類似溶酶體的功能。液泡主要通過膜運輸系統(tǒng)執(zhí)行功能，液泡膜上的轉(zhuǎn)運蛋白種類很多，它們的結(jié)構(gòu)和功能都各不相同，而其膜上的H+-ATPase是實現(xiàn)其生理功能的關(guān)鍵因素[1]。筆者主要對液泡膜H+-ATPase的結(jié)構(gòu)與功能及其與K+、Na+的關(guān)系作一簡要概述。

1液泡膜 H+-ATPase的分子結(jié)構(gòu)和特點

植物液泡膜H+-ATPase（EC 3.6.1.3），屬于V型H+-ATPase，多亞基復(fù)合物，分子量約830 kDa。該酶被硝酸鹽抑制。如圖1[2]所示，液泡膜H+-ATPase為頭柄結(jié)構(gòu)，全酶由兩個功能區(qū)組成:突出膜外的親水頭部和柄部，合稱為V1，Mr 約為570 kDa，有8 種亞基組成（A、B、C、D、E、F、G、H）；膜內(nèi)部分則稱為V0，Mr 約為260 kDa ，有6種亞基組成（a、d、c 、c′、c″、e）。全酶用化學(xué)計量法表示為A3B3CDEFG2Hac4c'1c"1d[3-4]。該酶的最適pH值約為7.2，抑制劑有BafilomycinA1、NO3-、DCCD、DIDS、NEM等。胞質(zhì)中NO3- 抑制此酶活性，而液泡中NO3- 濃度高達(dá)200 mmol·L-1時也無抑制效應(yīng)，對NaN3、寡酶素和釩酸鈉不敏感，該酶活性受陰離子刺激，順序為Ci->Br->I->HCO3->SO42-。

2液泡膜 H+-ATPase的生理功能

液泡膜H+-ATPase可將H+自細(xì)胞質(zhì)泵至液泡內(nèi)膜，使液泡膜兩側(cè)的H+ 維持2個左右pH單位，為K+、Na+ 等次級運輸提供驅(qū)動力。其主要生理功能：（1）維持穩(wěn)定的胞質(zhì)和液泡液pH 值；（2）促進(jìn)多種離子和代謝產(chǎn)物在液泡中的積累；（3）與植物激素相互作用，影響植物的生長發(fā)育[1,5]。此外，在環(huán)境脅迫條件下，液泡膜H+-ATPase還作為脅迫響應(yīng)酶會適當(dāng)?shù)馗淖儊喕谋磉_(dá)和酶結(jié)構(gòu)，以維持細(xì)胞質(zhì)中的離子穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞的代謝?？茖W(xué)家把植物細(xì)胞質(zhì)膜H+-ATPase稱為“主宰酶”，而把液泡膜H+-ATPase稱為“生態(tài)酶”，就是因為液泡膜H+-ATPase作為脅迫響應(yīng)酶會適當(dāng)?shù)馗淖儊喕谋磉_(dá)和酶結(jié)構(gòu)。

3K+、Na+ 與液泡膜H+-ATPase的活性

K是植物必需的三大營養(yǎng)元素之一，在各種類型植物細(xì)胞的生長及代謝中發(fā)揮重要作用，參與許多生理過程（包括酶活性調(diào)節(jié)，蛋白質(zhì)合成及滲透調(diào)節(jié)等）。Na+與K+的化學(xué)性質(zhì)有很多相似性，但生物功能卻完全不同，同濃度的鉀鹽和鈉鹽處理植物，對植物生長的作用是不同的。

NaCl脅迫對液泡膜H+-ATPase基因的表達(dá)和酶活都有影響。液泡膜H+-ATPase各亞基在鹽脅迫下具有各自的調(diào)控途徑，并不是協(xié)同作用。一些植物在鹽脅迫下的H+-ATPase各亞基的表達(dá)量呈現(xiàn)不同程度升高。堿蓬在受到100~400 mmol·L-1 NaCl 梯度脅迫時，其液泡膜H+-ATPase的活性隨著鹽濃度的升高而上調(diào)2~3倍[6]；同一植物的不同組織器官的液泡膜H+-ATPase對NaCl脅迫的響應(yīng)也不一致。在低濃度NaCl 脅迫下，構(gòu)樹幼苗根組織中液泡膜H+-ATPase的活性有所增加，當(dāng)脅迫濃度為150 mmol·L-1時，活性又有所下降，但接近對照水平。而葉組織液泡膜H+-ATPase的活性在100 mmol·L-1時降低，高濃度150 mmol·L-1 NaCl處理后又有所升高[7]。

K+（12 μmol·L-1）營養(yǎng)缺乏時，Na+濃度的增加會降低堿蓬葉中液泡膜H+-ATPase的A、B、C、D、E和c亞基的表達(dá)量。而K+（6 mol·L-1）營養(yǎng)恢復(fù)到正常Hoagland營養(yǎng)液水平時，蛋白亞基的表達(dá)又會增加，這說明K+在調(diào)節(jié)植物鹽脅迫下的H+-ATPase活性具有重要作用。K+可能通過影響Ca2+信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，進(jìn)而調(diào)控H+-ATPase活性[8]。更高濃度KCl（100 mol·L-1）處理顯著增加了液泡膜H+-ATPase的水解活性，蛋白表達(dá)量也比對照增加。而且同等濃度 KCl處理下液泡膜H+-ATPase表達(dá)量的增加比NaCl處理時更為明顯[6,9]。在NaCl 脅迫下，鹽芥葉片和根質(zhì)膜的液泡膜的H+-ATPase分別顯著升高281%~373%和4%~38%，而擬南芥卻比相應(yīng)對照都顯著降低。在NaCl 脅迫下，鹽芥葉片和根的液泡膜H+-ATPase 蛋白質(zhì)β亞基含量變化與其酶活性變化趨勢一致。鹽脅迫下鹽芥根中Ca2+-ATPases 和K+-ATPase 活性的增加與根中Ca2+和K+含量呈顯著正相關(guān)[10]?？傊煌瑵舛鹊腘a+和K+對植物生長和液泡膜H+-ATPase活性的影響是不同的。鉀是植物生長必需的三大要素之一，Brownell[11]曾提出鈉是C4植物的必需元素的看法，Subbarao等[12]則將鈉定義為“功能元素”。徐芳等[13]應(yīng)用ICP-MS 研究了鉀肥KCl中植物營養(yǎng)元素的含量，結(jié)果表明，KCl 肥料中含有除K+以外的多種植物必需元素Mg2+、Ca2+等以及對植物有益元素Na+等。其中，有益元素中Na+的含量達(dá)到25 095.89 μg·g-1。

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