第七章 信号转导课件

第七章细胞信号转导淮南师范学院生命科学系主讲人：童贯和第七章信号转导

生长发育是基因在一定时间、空间上顺序表达的过程,而基因的表达除了受遗传因素支配外,也受周围环境的调控。植物在整个生长发育过程中，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并作出相应反应，确保正常的生长和发育。植物细胞信号转导（signaltransduction）是指细胞耦联各种刺激信号（包括各种内外刺激信号）与其引起特定生理效应之间的一系列分子反应机制。重力作用

光合作用的光

光形态建成的光

温度风病原微生物

土壤微生物

有毒元素和有毒化学物质矿质营养水分状况土壤性质寄生生物草食昆虫大气湿度光周期第七章信号转导

植物细胞信号转导的模式

细胞接收胞外信号进行信号转导可以分为4个步骤：1.信号分子与细胞表面受体的结合；2.跨膜信号转换；3.在细胞内通过信号转导网络进行信号传递、放大与整合；4.导致生理生化变化。如果信号分子可以直接进入细胞，前两个步骤可省略。

第七章信号转导第一节信号与受体结合一、信号(signals)

对植物体来讲,环境变化就是刺激,就是信号。如含羞草运动.物理信号：是指细胞感受环境刺激后产生的具有传递信息功能的物理因子。如光、电、水力学信号等。化学信号（配体）：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。如激素、病原因子等。

信号转导途径手触摸含羞草后小叶合拢，手触摸就是刺激（信号），小叶合拢就是反应。偶联刺激到反应之间的生化和分子途径就是这个反应的信号转导途径。获得膨压失去膨压小叶叶枕叶柄信号

受体

反应(图7-1)第七章信号转导

当植物的一张叶片被虫咬伤后，会诱导本叶和其它叶产生蛋白酶抑制物(PIs)等，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害。如果伤害后立即除去受害叶，则其它叶片不会产生PIs。寡聚糖产生PIs不会产生PIs虫咬产生PIs虫咬如果将受害叶的细胞壁水解片段(主要是寡聚糖)加到叶片中，又可模拟伤害反应诱导PIs的产生，从而认为寡聚糖是由受伤叶片释放并经维管束转移，继而诱导能使PIs基因活化的化学信号物质。（图7-2）第七章信号转导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(ABA)，ABA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ABA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化学信号。然而在水分胁迫时，根系合成和输出细胞分裂素(CTK)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的化学信号物质称为负化学信号。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，高等植物胞间信号的长距离传递，主要有以下几种：

1.易挥发性化学信号在体内气相的传递，乙烯和茉莉酸甲酯均属此类信号.2.化学信号的韧皮部传递。3.化学信号的木质部传递。4.电信号的传递。5.水力学信号的传递。干旱ABACTK正化学信号负化学信号第七章信号转导二、受体（receptor)

受体：指能够特异地识别并结合信号、在细胞内放大、传递信号的物质。存在于细胞表面或亚细胞组分中的天然分子。

受体的主要特性：①能与配体特殊结合；②高度的亲和力；③饱和性。根据受体在细胞中的位置，可将它分为细胞表面受体和胞内受体。至今发现的受体大都为蛋白质。细胞受体+配体（信号物质）受体-配体复合体生化反应细胞反应第七章信号转导细胞表面受体G蛋白连接受体(G-protein-linkedreceptor)：受体蛋白的氨基端位于细胞外侧，羧基端位于内侧，一条单肽链形成几个

螺旋的跨膜结构。羧基端具有与G蛋白相互作用的区域，受体活化后直接将G蛋白激活，进行跨膜信号转换。

细胞内的G蛋白一般分为两大类：一类是由三种亚基(α、β、γ)构成的异源三体G蛋白，另一类是只含有一个亚基的单体“小G蛋白”。小G蛋白与异源三体G蛋白α亚基有许多相似之处。它们都能结合GTP或GDP，结合了GTP之后都呈活化态，可以启动不同的信号转导。G蛋白连接受体信号分子G蛋白酶信号分子活化G蛋白活化酶（图7-3）第七章信号转导酶连受体(enzyme-linkedreceptor)

受体本身是一种酶蛋白，具有胞外感受信号区域、跨膜区域和胞内的激酶区域。当细胞外区域与信号分子结合时，可激活酶，将下游组分（靶蛋白）磷酸化而传递信号。信号二聚体酶连受体无活性催化区域有活性催化区域离子通道偶联受体(ion-channel-linkedreceptor)离子通道偶联受体信号分子

除了含有与配体结合的部位外,受体本身就是离子通道,这使受体在接受信号后立即引起离子的跨膜流动。第七章信号转导细胞内受体

位于亚细胞组分如细胞核、液泡膜上的受体叫做细胞内受体。一些信号是疏水性小分子，不经过跨膜信号转换，而直接扩散入细胞，与细胞内受体结合后，在细胞内进一步传递和放大。一些信号,如甾类小分子,可以通过简单扩散进入细胞,与细胞内受体调节基因结合。第七章信号转导第二节跨膜信号转换

跨膜信号转换（transmenbranetransduction):信号与细胞表面的受体结合后，通过受体将信号转导进入细胞内的过程。G蛋白跨膜信号转换:

G蛋白（Gprotein）的全称为异三聚体GTP

结合蛋白（heterotrimericGTPbindingprotein），它具有GTP酶的活性，由

（31-46kD）、

（约36kD）和

（7-8kD）三种亚基组成。亚基上氨基酸残基的酯化修饰作用将G蛋白结合在细胞膜面向胞质溶胶的一侧。R.受体激素γβαGDPATPcAMP+PPiGTPG蛋白腺苷酸环化酶质膜(图7-4)(图7-5)第七章信号转导二元组分系统跨膜信号转换:

在植物细胞中，还存在着另一条叫做二元组分系统的跨膜信号转换（two-componentsystem)途径。二元组分系统首先是在细菌中发现的。结构：受体有两个基本的部分，一是组氨酸蛋白激酶（Hisproteinkinase,HPK)，HPK位于质膜，分为感受细胞外刺激部分和激酶部分。另一个是反应调节蛋白（response-regulatorprotein,RR)。信号转换：当HPK接受信号后，激酶的组氨酸残基发生磷酸化，并且将磷酸基团传递给下游的RR。

RR也有两个部分：一是接受磷酸化基团的部分，具有天冬氨酸残基。另一部分为信号输出部分，将信号传递给下游的组分，通常是转录因子，调控基因的表达。

组氨酸激酶活化受体区His激酶区RAF—类似激酶内质网膜细胞核转录因子乙烯响应基因同系物（图7-6）第七章信号转导第三节细胞内信号转导形成网络

在植物生长发育的某一阶段，常常是多种刺激同时作用。因而，复杂而多样的信号系统之间存在相互作用，形成信号转导的网络（network),也有人将这种作用称作“交谈”（crosstalk)。

初级信号：胞外信号。

第二信使：细胞内传递和放大细胞外的刺激信号，最终引起细胞中生化反应的化学物质，如Ca2+、AMP、IP3、

DAG等。第七章信号转导一般来说，静息态胞质Ca2+浓度小于或等于0.1μmol·L-1,而细胞壁、内质网和液泡中的Ca2+浓度要比胞质中的高2～5个数量级。细胞受刺激后，胞质Ca2+浓度可能发生一个短暂的、明显的升高，或发生梯度分布或区域分布的变化。胞质Ca2+继而与钙结合蛋白（或称为钙离子感应蛋白）结合而起作用。目前在植物细胞中发现的钙离子感应蛋白有：钙调蛋白、钙依赖型蛋白激酶以及钙调磷酸酶B相似蛋白。钙调蛋白：（calmodulin,CaM）是一种耐热球蛋白，由148个氨基酸组成的单链小分子酸性蛋白。CaM分子有四个Ca2+结合位点。当外界信号刺激引起胞内Ca2+浓度上升到一定阈值后(一般≥10-6mol·L-1),Ca2+

与CaM结合，引起CaM构象改变。而活化的CaM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受Ca2+-CaM的调控，如蛋白激酶、NAD激酶、H+-ATPase等。在以光敏色素为受体的光信号传导过程中Ca2+-CaM胞内信号起了重要的调节作用。钙调蛋白的作用方式：

1.直接与靶酶结合,诱导靶酶的活性构象,而调节靶酶的活性。

2.与Ca2+结合，形成活化态的Ca2+

CaM复合体，然后再与靶酶结合将靶酶激活。CaM与Ca2+有很高的亲和力，一个CaM分子可与4个Ca2+结合。一、Ca2+/CaM在信号转导中的作用（图7-8）（图7-7）第七章信号转导质膜钙通道：从胞外或胞内钙库向细胞质释放Ca2＋。质膜钙泵：从细胞质向细胞外或胞内钙库运送Ca2＋。Ca2＋/nH+反向运输体从细胞质向胞内钙库运送Ca2＋。Ca2＋单向运输体。细胞信号反应过程中胞内外Ca2+

的相互作用第七章信号转导细胞内的钙稳态是靠钙离子的跨膜运转来调节的。细胞壁是胞外钙库。质膜上Ca2+通道控制Ca2+内流，而质膜上的Ca2+泵负责将Ca2+泵出细胞。胞内钙库（如液泡、内质网、线粒体）的膜上存在Ca2+通道、Ca2+泵和Ca2+/H+反向运输器。前者控制Ca2+外流，后者将胞质Ca2+泵入胞内钙库。胞内游离钙离子浓度的变化可能主要是通过钙离子的跨膜运转或钙的螯合物的调节而实现的。第七章信号转导

许多信号如蓝光、触摸能改变膜势和活化通道，使钙能进入，增加胞质中Ca2+，引起K+和Cl-通道的打开，失去膨压，这种分别的转导途径通过Ca2+/钙调蛋白激酶和其他蛋白联系起来。电压调节的Ca2+通道蓝光、触摸等膜受体膜势蛋白质激酶第七章信号转导细胞质中开放的Ca2+通道附近Ca2+的分配颜色区表示Ca2+浓度，红的最高，蓝的最低反向运输器液泡胞质高单向运输体线粒体基质第七章信号转导二、IP3/DAG在信号转导中的作用

磷脂酰肌醇-4、5-二磷酸（PIP2）是一种分布在质膜内侧的肌醇磷脂，占膜脂的极小部分。肌醇磷脂是一类由磷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。PIP2在磷脂酶C（PLC）的催化作用下，水解成肌醇三磷酸（IP3）和二酰甘油（DAG）。磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP2）（图7-9）IP3是水溶性的，它从质膜扩散到胞质溶胶，与内质网膜或液泡膜上的IP3-门Ca2+通道结合，就使通道打开。液泡中的Ca2+迅速释放出来，增加胞质Ca2+浓度，于是引起生理反应。这种IP3促使胞内钙库释放Ca2+，增加胞质Ca2+的信号转导，称为IP3/Ca2+信号传递途径。DAG仍留在质膜上，与蛋白激酶C（PKC）结合并使之激活。PKC进一步使其他激酶(如G蛋白、磷脂酶C等)磷酸化,调节细胞的繁殖和分化.这种DAG激活PCK，再使其他蛋白激酶磷酸化的过程,称为DAG/PKC信号传递途径。这一途径是否存在于植物细胞还需要验证。以上两条信号传导途径称为“双信号系统”。（图7-10）（图7-11）第七章信号转导三、信号转导中的蛋白质可逆磷酸化

在信号转导过程中,蛋白质的可逆磷酸化是生物体内一种普遍的翻译后修饰方式。蛋白质的磷酸化和脱磷酸化分别由蛋白激酶(proteinkinase,PK)和蛋白磷酸酶(proteinphosphatase,PP)催化完成。蛋白质蛋白质—nPi蛋白激酶蛋白磷酸酶nNTPnNDPnPiH2O第七章信号转导

细胞内第二信使往往通过调节细胞内多种蛋白激酶和蛋白磷酸酶，从而调节蛋白质的磷酸化和脱磷酸化过程，进一步传递信号。

促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号转导级联反应，是由MAPK、MAPKK和MPAKKK三个激酶组成的一系列蛋白质磷酸化反应。在反应中，前一反应的产物是后一反应中的催化剂。每次反应就产生一次放大作用。

细胞信号传导的主要分子途径

IP3--三磷酸肌醇；DG--二酰甘油；PKA--依赖cAMP的蛋白激酶；PKCa2+--依赖Ca2+的蛋白激酶；PKC--依赖Ca2+与磷脂的蛋白激酶；PKCa2+CaM--依赖Ca2+CaM的蛋白激酶（图7-12）第七章信号转导（一）蛋白激酶蛋白激酶是一个大家族，植物中约有2%-3%的基因编码蛋白激酶。根据磷酸化靶蛋白的氨基酸残基的种类不同，蛋白激酶有丝氨酸/苏氨酸激酶、酪氨酸激酶和组氨酸激酶等三类，它们分别将底物蛋白质的丝氨酸/苏氨酸、酪氨酸和组氨酸残基磷酸化。有的蛋白激酶具有双重底物特异性，既可使丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，又可使酪氨酸残基磷酸化。

1.钙依赖型蛋白激酶（CDPK）：属于丝氨酸/苏氨酸激酶，是植物细胞中特有的一个蛋白激酶家族，大豆、玉米、胡萝卜、拟南芥等植物中都存在蛋白激酶。蛋白激酶催化域自身抑制域

（31个氨基酸）钙调蛋白样结构域（共508个氨基酸）NC

类似CaM结构区域的钙离子结合位点与Ca2+结合后，抑制被解除，酶就被活化。现已发现，被CDPKs磷酸化的靶蛋白有质膜ATP酶、离子通道、水孔蛋白、代谢酶以及细胞骨架成分等。第七章信号转导2.类受体蛋白激酶（RLK）：植物中的RLK属于丝氨酸/苏氨酸激酶类型，由胞外结构区、跨膜螺旋区及胞内蛋白激酶催化区三部分组成。根据胞外结构区的不同，将RLK分为三类:S受体激酶，这类RLK在胞外具有一段与调节油菜自交不亲和的S-糖蛋白同源的氨基酸序列。富含亮氨酸重复的受体激酶，这类RLK的胞外结构域中有重复出现的亮氨酸。最近发现，油菜素内酯的受体就属于这种RLK。类表皮生长因子受体激酶，这类RLK的胞外结构域具有类似动物细胞表皮生长因子的结构。配体类受体蛋白激酶第七章信号转导（二）蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶的分类与蛋白激酶相对应，分为丝氨酸/苏氨酸型蛋白磷酸酶和酪氨酸型蛋白磷酸酶。有些酶具有双重底物特异性。对蛋白磷酸酶的研究还不如蛋白激酶那样深入。但两者的协同作用在细胞信号转导中的作用是不言而喻的。近年来在植物中已经获得了丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶PP1和PP2，它们参与植物逆境胁迫反应。在动物细胞程序性死亡中，天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶家族发挥了重要的作用。目前已经在燕麦细胞中发现了类似于半胱氨酸蛋白酶的丝氨酸蛋白酶，在热诱导与病原菌引起的燕麦细胞程序性死亡中，参与Rubisco的降解。第七章信号转导各种内部信号影响植物细胞的代谢、生长和发育第七章信号转导

受伤西红柿植株蛋白激酶特制物生物合成快速诱导信导途径的假定模式图

第七章信号转导G蛋白联接受体的分子模型第七章信号转导

活化酶配体—受体复合物

G蛋白自身的活化和非活化作为一种分子开关，将膜外的信号转换为膜内的信号并进一步放大信号。第七章信号转导催化亚基蛋白激酶A调节亚基cAMP反应元件（CRE）第七章信号转导组氨酸激酶组氨酸激酶反应调

节蛋白反应调

节蛋白信号信号信号输出信号输出反应调

节蛋白第七章信号转导Ca2+在植物细胞中的分布极不平衡。第七章信号转导CaM的三维结构（A）和Ca2+·CaM复合体结合到靶酶上（B）CO2A.钙调素呈哑铃形，长为6.5nm，每个哑铃球是有2个Ca2+结合位点，长的中心螺旋形成哑铃柄，无Ca2+结合时，两个球部沿着中心螺旋折叠。B.形成Ca2+-CaM复合体后，结合到靶酶上。Ca2+-CaM复合体的形成使CaM与许多靶酶的亲和力大大提高。第七章信号转导

质膜外层单层膜的脂肪酸链

质膜内层单层膜的脂肪酸链

OH磷脂酰肌醇（PI）ATPADPPI激酶ATPADPPIP激酶磷酯酶C磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP）磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP2）肌醇-1，4，5-三磷酸（IP3）二酯酰甘油（DAG）质膜肌醇磷脂代谢产生信号分子IP3和DAG活化蛋白激酶C从内质网和液泡释放Ca2+第七章信号转导第七章信号转导

钝化蛋白活化蛋白

激素受体PIP2

磷脂酶C