细胞信号转导

1、5. 5. 细胞信号传导（第六节讲授细胞信号传导（第六节讲授 植物在整个生长过程中，受到各种内外因植物在整个生长过程中，受到各种内外因 素的影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息素的影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息 并作出相应的反应，以确保正常的生长和发育。并作出相应的反应，以确保正常的生长和发育。 例如植物的向光性能促使植物向光线充足的方向例如植物的向光性能促使植物向光线充足的方向 生长，在这个过程中，首先植物体要能感受到光生长，在这个过程中，首先植物体要能感受到光 线，然后把相关的信息传递到有关的靶细胞，并线，然后把相关的信息传递到有关的靶细胞，并 诱发胞内信号转导，调节基因的表达或

2、改变酶的诱发胞内信号转导，调节基因的表达或改变酶的 活性，从而使细胞作出反应。这种活性，从而使细胞作出反应。这种信息的胞间传信息的胞间传 递和胞内转导过程称为植物体内的信号传导递和胞内转导过程称为植物体内的信号传导。 概念概念 在植物细胞的信号反应中，已发现有几十种信号分子。在植物细胞的信号反应中，已发现有几十种信号分子。 按其作用范围可分为胞间信号分子和胞内信号分子。对于按其作用范围可分为胞间信号分子和胞内信号分子。对于 细胞信号传导的分子途径，可分为四个阶段，即：胞间信细胞信号传导的分子途径，可分为四个阶段，即：胞间信 号传递、膜上信号转换、胞内信号转导及蛋白质可逆磷酸号传递、膜上信号转换

3、、胞内信号转导及蛋白质可逆磷酸 化化 图图 6-25 6-25 细胞信号传导的主要分子途径细胞信号传导的主要分子途径 IPIP3 3. .三磷酸肌醇；三磷酸肌醇；DG.DG.二酰甘油；二酰甘油； PKA.PKA.依赖依赖cAMPcAMP的蛋白激酶；的蛋白激酶；PK CaPK Ca2+ 2+ 依赖依赖 CaCa2+ 2+的蛋白激酶； 的蛋白激酶；PKC.PKC.依赖依赖CaCa2+ 2+与磷脂的蛋白激酶； 与磷脂的蛋白激酶；PK CaPK Ca2+ 2+-CaM. -CaM. 依赖依赖 CaCa2+ 2+-CaM -CaM的蛋白激酶的蛋白激酶 一、胞间信号的传递一、胞间信号的传递 ( (一一)

4、)物理信号物理信号 物理信号物理信号(physical signal)(physical signal)是指细胞感受到刺激后产是指细胞感受到刺激后产 生的能够起传递信息作用的电信号和水力学信号。生的能够起传递信息作用的电信号和水力学信号。电信电信 号传递是植物体内长距离传递信息的一种重要方式，是号传递是植物体内长距离传递信息的一种重要方式，是 植物体对外部刺激的最初反应。植物的电波研究较多的植物体对外部刺激的最初反应。植物的电波研究较多的 为为动作电位动作电位 (action potential,AP)(action potential,AP)，也叫动作电波，也叫动作电波， 它是指细胞和组织中

5、发生的相对于空间和时间的快速变它是指细胞和组织中发生的相对于空间和时间的快速变 化的一类生物电位。植物中动作电波的传递仅用短暂的化的一类生物电位。植物中动作电波的传递仅用短暂的 冲击冲击( (如机械震击、电脉冲或局部温度的升降如机械震击、电脉冲或局部温度的升降) )就可以激就可以激 发出来，而且受刺激的植物没有伤害，不久便恢复原状。发出来，而且受刺激的植物没有伤害，不久便恢复原状。 水力学信号水力学信号是由于细胞压力势的变化而产生的一种信号。是由于细胞压力势的变化而产生的一种信号。 玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片气孔玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片气孔 的开度，即压力

6、势降低时气孔开放，反之亦然。的开度，即压力势降低时气孔开放，反之亦然。 ( (二二) )化学信号化学信号 化学信号化学信号(chemical signal)(chemical signal)是指细胞感受刺激后是指细胞感受刺激后 合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质。合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质。一一 般认为，植物激素是植物体主要的胞间化学信号。如当植物般认为，植物激素是植物体主要的胞间化学信号。如当植物 根系受到水分亏缺胁迫时，根系细胞迅速合成脱落酸根系受到水分亏缺胁迫时，根系细胞迅速合成脱落酸(ABA)(ABA)， ABAABA再通过木质部蒸腾流输送到地上部分，引起叶片生

7、长受抑再通过木质部蒸腾流输送到地上部分，引起叶片生长受抑 和气孔导度的下降。而且和气孔导度的下降。而且ABAABA的合成和输出量也随水分胁迫程的合成和输出量也随水分胁迫程 度的加剧而显著增加。这种随着刺激强度的增加，细胞合成度的加剧而显著增加。这种随着刺激强度的增加，细胞合成 量及向作用位点输出量也随之增加的化学信号物质称之为量及向作用位点输出量也随之增加的化学信号物质称之为正正 化学信号化学信号(positive chemical signal)(positive chemical signal)。然而在水分胁迫时，。然而在水分胁迫时， 根系合成和输出细胞分裂素根系合成和输出细胞分裂素(CT

8、K)(CTK)的量显著减少，这样的随着的量显著减少，这样的随着 刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量随之减少刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量随之减少 的化学信号物质称为的化学信号物质称为负化学信号负化学信号(negative chemical (negative chemical signal)signal)。 ( (三三) )胞间信号的传递胞间信号的传递 当环境信号刺激的作用位点与效应位点处在植物当环境信号刺激的作用位点与效应位点处在植物 不同部位时，胞间信号就要作长距离的传递，高等植不同部位时，胞间信号就要作长距离的传递，高等植 物胞间信号的长距离传递，主要有以下几种。

9、物胞间信号的长距离传递，主要有以下几种。 1.1.易挥发性化学信号在体内气相的传递易挥发性化学信号在体内气相的传递 易挥发性化易挥发性化 学信号可通过在植株体内的气腔网络学信号可通过在植株体内的气腔网络 (air space (air space network) network) 中的扩散而迅速传递，通常这种信号的传递中的扩散而迅速传递，通常这种信号的传递 速度可达速度可达2mm2mms-1s-1左右。植物激素乙烯和茉莉酸甲酯左右。植物激素乙烯和茉莉酸甲酯 (JA-Me)(JA-Me)均属此类信号，而且这两类化合物在植物某器均属此类信号，而且这两类化合物在植物某器 官或组织受到刺激后可迅速合

10、成。官或组织受到刺激后可迅速合成。 2.2.化学信号的韧皮部传递化学信号的韧皮部传递 一般韧皮部信号传递的速一般韧皮部信号传递的速 度在度在0.10.11mm1mms s-1 -1之间，最高可达 之间，最高可达4mm4mms s-1 -1。 。 3.3.化学信号的木质部传递化学信号的木质部传递 化学信号通过集流的方式在木质部内传递。化学信号通过集流的方式在木质部内传递。 近年来这近年来这 方面研究较多的是植物在受到土壤干旱胁迫时，根系方面研究较多的是植物在受到土壤干旱胁迫时，根系 可迅速合成并输出某些信号物质，如可迅速合成并输出某些信号物质，如ABAABA。 4.4.电信号的传递电信号的传递

11、植物电波信号的短距离传递需要通过共质体和质外体植物电波信号的短距离传递需要通过共质体和质外体 途径，而长距离传递则是通过维管束。对草本非敏感途径，而长距离传递则是通过维管束。对草本非敏感 植物来讲，植物来讲，APAP的传播速度在的传播速度在1 120mm20mms s-1 -1之间；但对敏之间；但对敏 感植物而言，感植物而言，APAP的传播速度高达的传播速度高达200mm200mms s-1 -1。 5.5.水力学信号的传递水力学信号的传递 水力学信号是通过植物体内水连续体系中的压力变化水力学信号是通过植物体内水连续体系中的压力变化 来传递的。来传递的。 二、膜上信号的转换二、膜上信号的转换

12、( (一一) )受体与信号的感受受体与信号的感受 受体受体( (receptor)receptor) 是指在效应器官细胞质膜上能与信号是指在效应器官细胞质膜上能与信号 物质特异性结合，并引发产生胞内次级物质特异性结合，并引发产生胞内次级 信号的特殊成分。受体可以是蛋白质，信号的特殊成分。受体可以是蛋白质， 也可以是一个酶系。受体和信号物质的也可以是一个酶系。受体和信号物质的 结合是细胞感应胞外信号，并将此信号结合是细胞感应胞外信号，并将此信号 转变为胞内信号的第一步。转变为胞内信号的第一步。 ( (二二) )G G蛋白蛋白(G protein)(G protein) G G蛋白蛋白(G pro

13、tein)(G protein) 全称为全称为GTPGTP结合调节结合调节 蛋白蛋白(GTP binding regulatory protein)(GTP binding regulatory protein)，此类蛋，此类蛋 白由于其生理活性有赖于三磷酸鸟苷白由于其生理活性有赖于三磷酸鸟苷(GTP)(GTP)的结合的结合 以及具有以及具有GTPGTP水解酶的活性而得名。在受体接受胞水解酶的活性而得名。在受体接受胞 间信号分子到产生胞内信号分子之间往往要进行信间信号分子到产生胞内信号分子之间往往要进行信 号转换，通常认为是通过号转换，通常认为是通过G G蛋白偶联起来，故蛋白偶联起来，故G G

14、蛋白蛋白 又称为偶联蛋白或信号转换蛋白。又称为偶联蛋白或信号转换蛋白。 G G蛋白的发现是生物学一大成就。吉尔曼蛋白的发现是生物学一大成就。吉尔曼(Gilman)(Gilman) 与罗德贝尔与罗德贝尔(Rodbell)(Rodbell)因此获得因此获得19941994年诺贝尔医学年诺贝尔医学 生理奖。生理奖。 细胞内的细胞内的G G蛋白一般分为两大类：一类蛋白一般分为两大类：一类 是由三种亚基是由三种亚基(、)构成的构成的异源三异源三 体体G G蛋白蛋白，另一类是只含有一个亚基的单体，另一类是只含有一个亚基的单体 “小小G G蛋白蛋白”。小。小G G蛋白与异源三体蛋白与异源三体G G蛋白蛋白

15、亚基有许多相似之处。它们都能结合亚基有许多相似之处。它们都能结合GTPGTP或或 GDPGDP，结合了，结合了GTPGTP之后都呈之后都呈活化态活化态，可以启，可以启 动不同的信号转导。动不同的信号转导。 三、胞内信号的转导三、胞内信号的转导 如果将胞外各种刺激信号作为细胞信号传导过如果将胞外各种刺激信号作为细胞信号传导过 程中的程中的初级信号或第一信使初级信号或第一信使，那么则可以把由胞外，那么则可以把由胞外 刺激信号激活或抑制的、具有生理调节活性的细胞刺激信号激活或抑制的、具有生理调节活性的细胞 内因子称细胞信号传导过程中的内因子称细胞信号传导过程中的次级信号或第二信次级信号或第二信 使使

16、(second messenger)(second messenger)。 1.1.钙信号系统钙信号系统 2.2.肌醇磷脂信号系统肌醇磷脂信号系统 3.3.环核苷酸信号系统环核苷酸信号系统 胞内胞内CaCa2+ 2+信号通过其受体 信号通过其受体- -钙调蛋白转导信号。现在研钙调蛋白转导信号。现在研 究得较清楚的植物中的钙调蛋白主要有两种：究得较清楚的植物中的钙调蛋白主要有两种：钙调素钙调素与与钙钙 依赖型蛋白激酶依赖型蛋白激酶。 钙调素钙调素(calmodulin,CaM)(calmodulin,CaM)是最重要的多功能是最重要的多功能CaCa2+ 2+信号 信号 受体，由受体，由14814

17、8个氨基酸组成的单链的小分子个氨基酸组成的单链的小分子( (分子量为分子量为17 17 00000019 000)19 000)酸性蛋白。酸性蛋白。CaMCaM分子有四个分子有四个CaCa2+ 2+结合位点。 结合位点。 当外界信号刺激引起胞内当外界信号刺激引起胞内CaCa2+ 2+浓度上升到一定阈值后 浓度上升到一定阈值后( (一一 般般 mol.L mol.L-1 -1), Ca), Ca2+ 2+ 与 与CaMCaM结合，引起结合，引起CaMCaM构象改构象改 变。而活化的变。而活化的CaMCaM又与靶酶结合，使其活化而引起生理反又与靶酶结合，使其活化而引起生理反 应。目前已知有十多种酶

18、受应。目前已知有十多种酶受CaCa2+ 2+-CaM -CaM的调控，如蛋白激的调控，如蛋白激 酶、酶、NADNAD激酶、激酶、H H+ +-ATPase-ATPase等。在以光敏色素为受体的光等。在以光敏色素为受体的光 信号传导过程中信号传导过程中CaCa2+ 2+-CaM -CaM胞内信号起了重要的调节作用。胞内信号起了重要的调节作用。 外界信号外界信号 刺 激刺 激 ( ( 红红 光、低温光、低温 、重力、重力、 触摸、植触摸、植 物激素等物激素等 等等) ) 胞内胞内Ca 2 + 浓 度 上 升浓 度 上 升 ， 达 到 阈， 达 到 阈 值时值时 (10-6mol/L) Ca 2+与

19、 与 CaM结结 合，活合，活 化化CaM 活化的活化的 CaM与酶与酶 结 合 ，结 合 ， 酶酶 活 化活 化 ， 引， 引 起起 生 理 生生 理 生 化反应化反应。 图图 6-26 6-26 植物细胞中植物细胞中CaCa2+ 2+的运输系统 的运输系统 质膜与细胞器膜上的CaCa2+ 2+泵和Ca2+2+通道，控制细胞内Ca2+2+的分布和浓度；胞内外 信号可调节这些Ca2+ 2+的运输系统，引起Ca2+2+浓度变化。在液泡内，Ca2+2+往往和植 酸等有机酸结合。核膜的Ca2+ 2+-ATPase在动物中发现，在植物中还不能确认。 CaCa2+ 2+信号反应在气孔 信号反应在气孔 关

20、闭过程中，与多个关闭过程中，与多个 离子通道的活性及离子通道的活性及H+H+ 泵相协调。泵相协调。 在这个模型中，受体在这个模型中，受体 （R R）感受）感受ABAABA的作用的作用 导致了导致了CaCa2+ 2+的输入或 的输入或 CaCa2+ 2+从内部储存中的 从内部储存中的 释放，从而使得细胞释放，从而使得细胞 质中的自由质中的自由CaCa2+ 2+浓度 浓度 促进了质膜上阴离子促进了质膜上阴离子 与与K K+ +Out Out通道的开放， 通道的开放， 并抑制了并抑制了K K+ +in in通道的 通道的 开放。当离开细胞的开放。当离开细胞的 离子比进入细胞的多离子比进入细胞的多 时

21、，流出细胞水的量时，流出细胞水的量 就会超过进入的水，就会超过进入的水， 如此，细胞就会失去如此，细胞就会失去 膨胀作用，从而使得膨胀作用，从而使得 气孔关闭。气孔关闭。 2.2.肌醇磷脂信号系统肌醇磷脂信号系统 肌醇磷脂肌醇磷脂( (inositol phospholipidinositol phospholipid) )是一类由磷是一类由磷 脂酸与肌醇结合的脂质化合物，分子中含有脂酸与肌醇结合的脂质化合物，分子中含有 甘油、脂酸磷酸和肌醇等基因，其总量约占甘油、脂酸磷酸和肌醇等基因，其总量约占 膜脂总量的膜脂总量的1/1O1/1O左右。其肌醇分子六碳环左右。其肌醇分子六碳环 上的羟基被不同

22、数目的磷酸酯化上的羟基被不同数目的磷酸酯化 ( (图图6-28)6-28)， 其总量约占膜磷脂总量的其总量约占膜磷脂总量的1/101/10左右，其主要左右，其主要 以三种形式存在于植物质膜中：即以三种形式存在于植物质膜中：即磷脂酰肌磷脂酰肌 醇醇( (phosphatidylinositol,PIphosphatidylinositol,PI) )、磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-4-4- 磷酸磷酸( (PIPPIP) )和和磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-4,5-4,5-二磷酸二磷酸( (PIPPIP2 2) )。 以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，是在以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，是在 胞外信号被膜受

23、体接受后，以胞外信号被膜受体接受后，以G蛋白为中介，由蛋白为中介，由 质膜中的磷酸脂酶质膜中的磷酸脂酶C(PLC)水解水解PIP2而产生而产生肌醇肌醇- 1,4,5-三磷酸三磷酸(inositol 1,4,5-triphosphate IP3)和和二二 酰甘油酰甘油(diacylglycerol,DG，DAG)两种信号分子。两种信号分子。 因此，该系统又称因此，该系统又称双信号系统双信号系统。在双信号系统中，。在双信号系统中， IP3通过调节通过调节Ca2+浓度，而浓度，而DAG则通过激活蛋白则通过激活蛋白 激酶激酶C(PKC)来传递信息来传递信息(图图6-29)。 3.环核苷酸信号系统环核苷

24、酸信号系统 受动物细胞信号的启发，人们最先在植物中寻找受动物细胞信号的启发，人们最先在植物中寻找 的胞内信使是环腺苷酸的胞内信使是环腺苷酸( (cyclic AMP,cAMPcyclic AMP,cAMP) )，但这，但这 方面的进展较缓慢，在动物细胞中，方面的进展较缓慢，在动物细胞中，cAMPcAMP依赖性蛋依赖性蛋 白激酶白激酶( (蛋白激酶蛋白激酶A A，PKA)PKA)是是cAMPcAMP信号系统的作用中信号系统的作用中 心。植物中也可能存在着心。植物中也可能存在着PKAPKA。蔡南海实验室证实。蔡南海实验室证实 了在叶绿体光诱导花色素苷合成过程中，了在叶绿体光诱导花色素苷合成过程中，

25、cAMPcAMP参与参与 受体受体G G蛋白之后的下游信号转导过程，环核苷酸信蛋白之后的下游信号转导过程，环核苷酸信 号系统与号系统与CaCa2+ 2+-CaM -CaM信号转导系统在合成完整叶绿体信号转导系统在合成完整叶绿体 过程中协同起作用过程中协同起作用( (图图6-27)6-27)。 四、蛋白质的磷酸化和去磷酸化四、蛋白质的磷酸化和去磷酸化 植物体内许多功能蛋白转录后需经共价修饰才能发挥其生理功能，植物体内许多功能蛋白转录后需经共价修饰才能发挥其生理功能， 蛋白质磷酸化就是进行共价修饰的过程，蛋白质磷酸化以及去磷酸蛋白质磷酸化就是进行共价修饰的过程，蛋白质磷酸化以及去磷酸 化是分别由一

26、组化是分别由一组蛋白激酶蛋白激酶( (protein kinaseprotein kinase) )和和蛋白磷酸酯酶蛋白磷酸酯酶 ( (protein phosphataseprotein phosphatase) )所催化的，它们是上述的几类胞内信使进所催化的，它们是上述的几类胞内信使进 一步作用的靶酶，也即胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷酸化或去一步作用的靶酶，也即胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷酸化或去 磷酸化过程而进一步转导信号。外来信号与相应的受体结合，会导磷酸化过程而进一步转导信号。外来信号与相应的受体结合，会导 致受体构象发生变化，随后就可通过引起第二信使的释放而作用于致受体构象发生

27、变化，随后就可通过引起第二信使的释放而作用于 蛋白激酶蛋白激酶( (或磷酸酯酶或磷酸酯酶) )，或者因有些受体本身就具有蛋白激酶的活，或者因有些受体本身就具有蛋白激酶的活 性，所以与信号结合后可立即得到激活。蛋白激酶可对其底物蛋白性，所以与信号结合后可立即得到激活。蛋白激酶可对其底物蛋白 质所特定的氨基酸残基进行磷酸化修饰，从而引起相应的生理反应，质所特定的氨基酸残基进行磷酸化修饰，从而引起相应的生理反应， 以完成信号转导过程。此外，由于蛋白激酶的底物既可以是酶，也以完成信号转导过程。此外，由于蛋白激酶的底物既可以是酶，也 可以是转录因子可以是转录因子( (transcription fact

28、orstranscription factors) )，因而它们既可以直接通，因而它们既可以直接通 过对过对酶的磷酸化修饰酶的磷酸化修饰来改变酶的活性，也可以通过来改变酶的活性，也可以通过修饰转录因子修饰转录因子而而 激活或抑制基因的表达，从而使细胞对外来信号作出相应的反应。激活或抑制基因的表达，从而使细胞对外来信号作出相应的反应。 许多由蛋许多由蛋 白磷酸化白磷酸化 酶传导的酶传导的 信号，级信号，级 联反应和联反应和 基因表达。基因表达。 MAPK 活化的 促进细胞 分裂的蛋 白激酶 TF转 录因子 Ras一 种小的 GTP酶 图图 6-25 6-25 细胞信号传导的主要分子途径细胞信号传

29、导的主要分子途径 IPIP3 3-三磷酸肌醇；三磷酸肌醇；DG-DG-二酰甘油；二酰甘油； PKA-PKA-依赖依赖cAMPcAMP的蛋白激酶；的蛋白激酶； PKCaPKCa2+ 2+- -依赖依赖CaCa2+ 2+的蛋白激酶； 的蛋白激酶；PKC-PKC-依赖依赖CaCa2+ 2+与磷脂的蛋白激酶； 与磷脂的蛋白激酶； PKCaPKCa2+ 2+CaM- CaM-依赖依赖CaCa2+ 2+CaM CaM的蛋白激酶的蛋白激酶 信号转导信号转导（signal transduction） 细 胞内外的信号，通过细胞的转导系统 转换，引起细胞生理反应的过程。 1. 物理信号：物理信号： 是以电波形式

30、传递的信号，是以电波形式传递的信号， 是植物体内长距离传递信息是植物体内长距离传递信息 的一种重要方式的一种重要方式。 电信号电信号 水力学信号水力学信号 由于细胞压力势的变化而由于细胞压力势的变化而 产生的一种信号。产生的一种信号。 2. 化学信号：化学信号： 植物激素是植物体主要植物激素是植物体主要 的胞间化学信号。的胞间化学信号。 二二. 膜中信号的转换膜中信号的转换 1. 受体与信号的感受受体与信号的感受 受体受体(receptor)：位于细胞质膜，能与信：位于细胞质膜，能与信 号物质特异性结合，并引发产生次级信号物质特异性结合，并引发产生次级信 号的活性物质。（蛋白质或酶系）号的活性物质。（蛋白质或酶系） 细胞壁细胞壁质膜质膜细胞骨架细胞骨架 G蛋白蛋白全称为全称为GTP结合调节蛋白，受体结合调节蛋白，受体 接受胞间信号分子到产生胞内信号分子接受胞间信号分子到产生胞内信号分子 之间要进行之间要进行，是通过，是通过