K+、Na+與質膜H+-ATPase活性關系研究進展

周 峰

（南京曉莊學院生物化工與環境工程學院，江蘇 南京 211171）

細胞質膜是細胞與外界環境之間物質和能量交換的第一道屏障。當細胞受到環境脅迫時，質膜必然首先最先接觸到環境因子，可能最早作出響應或受到傷害，繼而影響細胞內一系列生理生化代謝。作為細胞的重要組成成分及功能行使者，質膜H+-ATPase（PM H+-ATPase）也毫無疑問地會對環境脅迫作出響應，而且有可能是最早的響應，并以加速或減緩細胞與環境之間的物質和能量交換，使植物體與改變了的環境之間盡快達到相對平衡（如滲透調節等）。因此，近年來人們已開始注意離子均衡化（K+、Na+）這方面的研究，但工作才剛剛起步。

1 PM H+-ATPase的分子結構和特點

PM H+-ATPase有蛋白激酶和磷酸酶活性部位，故屬E1E2-或P-ATPase型。該酶約有918個氨基酸殘基組成，為100 kD二聚體。Morsomme等[1]提出了PM H+-ATPase的拓撲學模式圖（圖1）。PM H+-ATPase的N末端構成H+入口的門；小胞質環可能在PM H+-ATPase酶循環構象變化中起作用；大胞質環是ATP結合區，具有Asp位點，在酶循環中能夠被磷酸化；而C末端構成了離子通道的出口，而且C末端作為自抑制結構域對酶活調節起關鍵作用[1]。PM H+-ATPase的分子結構特點決定其有以下生化特性：（1）受陽離子激活：K+>NH4+>Rb+>Na+>Cs+>Li+；（2）受釩酸鹽的專一性抑制，因為該酶屬E1E2型；（3） 具有天冬氨酰磷酸化中間體；（4）pH 偏酸性，最適 pH 值為 6.0～6.5；（5）對 Mg2+是必需的[2－3]。

圖1 PM H+-ATPase分子拓撲結構圖[1]

2 PM H+-ATPase的生理功能

PM H+-ATPase在高等植物生命活動中享有主宰酶的美譽。可見這種酶對植物生命活動有何等重要的意義。其主要生理功能：維持細胞內，特別是細胞質pH相對穩定，以保證生命活動的正常進行。提供細胞生長所需營養物質和離子運輸的驅動力。即由PM H+-ATPase活動產生跨膜ΔμH+和ΔΨ，即跨膜電化學勢梯度（ΔP），又稱質子驅動力。溶質的次級跨膜轉運（如載體和離子通道）均依賴于PMF。PM H+-ATPase的生理作用包括：（1）控制細胞的伸長生長，根據酸生長理論（Acid growth theory），PM H+-ATPase把H+從細胞內泵入細胞壁，使壁pH值下降，塑性增加，細胞得以生長；（2）通過改變細胞內pH值而控制種子萌發；（3）控制氣孔和葉柄運動；（4）器官的極性生長；（5）與鹽耐受性有關[1-3]。

3 K+、Na+與 PM H+-ATPase的活性

K+是植物必需的三大營養元素之一，在各種類型植物細胞的生長及代謝中發揮重要作用，參與許多生理過程（包括酶活性調節，蛋白質合成及滲透調節等）。Na+與K+的化學性質有很多相似性，但生物功能卻完全不同。Na+的主要生理作用是增大植物細胞的滲透勢，提高原生質的親水性。由于K+、Na+水合離子半徑相似，外界Na+會影響K+的正常吸收，導致K+缺乏和Na+過量。而植物維持NaCl脅迫下K+穩態的機制是和質膜H+-ATPase的活性有密切關系[4]。

PM H+-ATPase水解ATP，建立跨膜電化學勢，為K+、Na+等次級運輸提供驅動力。K+對PM H+-ATPase活性的影響的研究剛剛開始，目前尚未取得一致意見。研究結果表明，K+可以使PM H+-ATPase的轉運活力和水解活性增加，但關于PM H+-ATPase催化K+直接運輸的證據還沒有。也有研究結果證明，即使在缺K+的情況下，純化的PM H+-ATPase也能進行ATP水解和H+運輸，即ATPase在K+直接運輸和ATP水解之間并不起調節作用，而只通過調節質膜電化學勢調控K+跨質膜轉運[5-6]。化黨領等[7]的研究結果表明，生長環境中鉀脅迫會導致小麥根PM H+-ATP酶水解活性增加，且水解活性受鉀刺激也增加；生長環境中鉀充足會導致此酶水解活性比鉀虧缺時低，且水解活性受鉀刺激而下降。表明環境鉀水平可影響根內PM H+-ATP酶活性及其某些性狀。NaCl脅迫對PM H+-ATPase的活性的影響可能因植物的種類和器官而異，Yamashita等[8]的研究表明，NaCl脅迫使大麥根PM H+-ATPase的活性減少了20%～30%，而在番茄愈傷組織中，NaCl脅迫對PM H+-ATPase的活性無影響，但在菜豆的葉肉細胞中[9]和犬細菌[10]中，NaCl脅迫卻提高了PM H+-ATPase的活性。

NaCl脅迫引起PM H+-ATPase的活性變化及酶蛋白量變化之間的關系，目前有兩種結果，一種認為：NaCl脅迫使PM H+-ATPase活性的變化是由于NaCl使蛋白量發生變化所致，而不是由于對其活性的調節。Gabbay等[10]研究耐鹽的犬細菌時發現，隨著高鹽處理時間的延長，PM H+-ATPase的活性逐漸增加，并且100 kD的蛋白質的量也增加。也有研究表明NaCl脅迫既沒有增加PM H+-ATPase的活性也沒有增加PM H+-ATPase的蛋白量[11]。Yamashita等[8]用NaCl處理大麥，其PM H+-ATPase的活性下降，電泳結果表明其蛋白量也下降。另一種則認為：NaCl脅迫引起PM H+-ATPase活性的變化不是由于蛋白量的調節，而是受其他因子的影響。Chung等[12]用200 mmol/L NaCl處理黃瓜，結果發現黃瓜的PM H+-ATPase活性明顯低于對照，但SDS-PAGE電泳表明其蛋白量不變，他們認為此酶活性增加是由于NaCl影響了Ca2+濃度和磷脂的變化，進而影響了酶的活性，這與Matsumoto[13]的結論一致，Matsumoto認為黃瓜PM H+-ATPase活性的下降是由于Ca2+的缺乏。Ayala等[14]用NaCl處理鹽角草（Salicornia bigelovii Torr.），增加了其質膜H+-ATPase活性，但免疫分析表明，蛋白量未發生變化。綜上所述，PM H+-ATPase又與K+、Na+吸收及K+/Na+選擇性密切相關。因此，研究PM H+-ATPase與K+、Na+相互之間的關系有重要意義。

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