镧对细胞膜钾离子通道的影响

稀土具有促进植物生长发育、提高生物量、改善品质和增强抗逆性等功效。在中国及其它国家,稀土被广泛应用于农业,加速了稀土在植物生态环境中的迁移和积累。同时,稀土在工业、医药和环境保护等领域的应用也增加了稀土成为环境污染物的风险。大量稀土进入环境中势必对农作物生长乃至整个农田生态系统造成影响,并通过食物链影响人体健康,引发世人对稀土应用的质疑与惶恐。因此,揭示稀土作用于生命体的化学过程及其机理,尤其是细胞学机制至关重要。细胞质膜上的离子通道是外来物质作用于生物体最敏感之系统,研究稀土对细胞质膜离子通道的影响,对深入认识稀土作用于生命体的过程与机理、科学评价稀土对食品及其环境安全等均具有重要意义。正如人们所知,细胞质膜上有着各种离子通道,其中,钾离子(K+)通道是最广泛分布之离子通道,它调控动植物体内的多种生命活动,常被作为离子通道的典型代表。本文运用膜片钳技术、非电活性离子检测方法与量子化学计算等手段,研究稀土镧离子(La3+)对细胞膜K+通道的影响及其机理,旨在更进一步揭示稀土作用于生命体的化学过程及其机理。主要研究结果如下： (1)通过膜片钳技术研究发现,La3+明显抑制动、植物细胞K+通道电流,加速hERG K+通道的“开”和“关”。低浓度La3+对细胞K+通道的影响与营养元素Ca2+有类似的性质,高浓度La3+对K+通道的影响类似于重稀土铽离子(Tb3+)及重金属镉离子(Cd2+)和铅离子(P b2+),且对K+通道电流的抑制能力：La3+ Pb2+ Cd2+ Tb3+ (2)首次探讨了一种新的细胞离子通道检测的方法——非电活性离子检测。构建了一种连续浓度处理下,植物活细胞膜K+交换能力检测的方法,以此来弥补膜片钳检测的不足。利用该方法检测金属离子作用下细胞表面K+浓度的变化,结果发现,低浓度La3+促使K+进入细胞内部,胞内K+浓度增加,利于细胞生长发育；高浓度损伤细胞K+通道,抑制细胞生长发育。因La3+与Ca2+具有相似的性质,而使La3+对细胞膜上K+通道的伤害作用明显弱于Tb3+, Cd2+和Pb2+。 (3)量子化学计算结果表明,La3+可与hERG K+通道蛋白多位点作用,影响或者破坏了K+通道蛋白结构,此为K+通道功能降低的结构学基础。Tb3+, Cd2+和Pb2+也能与K+通道蛋白作用,形成金属-蛋白配合物,且它们与K+通道蛋白的结合能力Tb3+ Cd2+ Pb2+ La3+。 以上研究结果表明,La3+能够改变细胞膜K+通道蛋白结构,继而影响K+通道功能,以此成为稀土作用于生物的细胞学机理之一。
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