植物生理学第七章细胞信号转导

植物生理学第七章细胞信号转导第三篇植物得生长和发育第七章

细胞信号转导第七章细胞信号转导第一节信号与受体结合第二节跨膜信号转换第三节细胞内信号转导形成网络小结植物得生长发育就是基因在一定时间、空间上顺序表达得过程,而基因得表达除了受遗传因素支配外也受周围环境得调控。动物通过神经和内分泌系统调节自身,而植物没有这两个系统,她就是通过对各种外界环境信号精确、完善得信号转导系统来调节自身,适应环境。植物在整个生命周期中常受到内、外各种生物得或非生物得刺激,如温度、光、重力、植物激素、代谢物、病原因子等,这些刺激通过细胞受体得感受、传递、整合、输出,引发细胞生理生化得变化最终影响植物得生长和发育过程。图影响植物生长发育得各种环境因子示意图这些环境因子及其强度与浓度变化都能被植物体感受并引发相应得信号转导和细胞反应对于植物细胞来讲,有来自相邻细胞得刺激、细胞壁得刺激、激素、温度、光照等等刺激,连接环境刺激到植物反应得分子途径就就是信号转导途径,细胞接受信号并整合、放大信号,最终引起细胞反应胞(外)间信号从产生位点经长距离传递到达靶细胞,靶细胞首先要能感受信号并将胞外信号转变为胞内信号,然后再启动下游得各种信号转导系统,并对原初信号进行放大以及激活次级信号,最终导致植物得生理生化反应。

信号转导过程(步骤):刺激信号与受体结合→跨膜信号转换→信号传递、放大与整合→基因表达→生理生化反应细胞信号转导得概念

植物细胞信号转导(signaltransduction)就是指细胞偶联各种刺激信号

(包括各种内外源刺激信号)与其引起得特定生理效应之间得一系列分子反应机制。

信号转导可以分为4个步骤:1、信号分子与细胞表面受体得结合;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、导致生理生化变化细胞内细胞外质膜胞外信号胞内信号转导网络信号输入信号输出受体跨膜信号转换G蛋白连接受体蛋白可逆磷酸化生理效应双元系统信号转导网络进行信号传递、放大与整合信号输入跨膜信号转换胞内信号转导网络信号输出信号转导网络进行信号传递、放大与整合蛋白可逆磷酸化G蛋白连接受体双元系统第一节信号与受体结合所谓信号(signal)就是指生物在生长发育过程中细胞所受到得各种刺激(主要指细胞内外环境得变化)。信号得主要作用就是承载信息(information),使信息在细胞间和细胞内传递,并在细胞和生物体内引发特异得生理反应。如光信号中包含光照方向、光质和光周期等光信息,当植株不同部位得光受体接受光信号携带得光信息后,可分别导致向光性(如叶绿体运动、叶和芽得向光性生长)、光形态建成(如去黄化,需光种子得萌发)和光周期诱导(如花芽分化)等反应。按信号分子得性质可将信号分为物理信号(如:光、电、机械刺激、磁场、辐射、温度等)、化学信号(如植物激素、多肽、糖类等细胞代谢物等)生物信号(如病原微生物、寄生虫等)。按信号得来源又可将信号分为胞外(间)信号(如:光和温度、电波、水压力和植物激素等)胞内信号(如:

Ca2+,IP3,DAG,CAMP,cGMP等。)一、信号得概念和类型1、胞外(间)信号又称第一信使或初级信使。包括胞外环境信号和胞间信号。胞外环境信号就是指影响植物生长发育得外界环境因子。胞间信号就是指由植物体自身合成得、能从产生之处运到别处,并对其她细胞产生刺激得细胞间通讯分子。植物激素、多肽、糖类等就是主要得胞间化学信号,而电波和水压力等就是植物体中得胞间物理信号。2、胞内信号目前已清楚得胞内化学信号分子都就是小分子,有钙离子(Ca2+)、肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)、二酯酰甘油(DAG)、环腺苷酸(cAMP)、环鸟苷酸(cGMP)、环腺苷磷酸核糖(cADPR)、(图7-2)等。还有一些物质,如H2O2、花生四烯酸和其她肌醇磷酸(IP4、IP5、IP6),糖类、多肽等也被认为在植物细胞中具有第二信使作用。膜电势也可看作为胞内得物理信号。图7-2植物细胞内几种主要得第二信使分子结构又称第二信使,通常就是指由细胞感受胞外信号后产生得对细胞代谢起调控作用得胞内信号分子。10大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流二、受体得概念和类型1、受体得概念

受体(receptor)就是指能够特异地识别并结合信号、在细胞内放大和传递信号得能引起特定生理生化反应得生物大分子物质。其中与受体特异结合得化学信号分子称配基(ligand)。一般来说化学信号得受体就是蛋白质或酶系。而物理信号得受体可以就是蛋白质,也可以就是膜、色素等其她生物大分子。2、受体得特征

(1)具有组织特异性(2)对配基具有高亲和性(3)与配基结合具有饱和性和可逆性(一)受体得概念和特征(二)类型(根据受体在细胞中得位置)1、细胞表面受体指存在于细胞质膜上,也称膜受体,通常就是跨膜蛋白质,经跨膜信号转换将胞外信号传至胞内。已发现有(1)G蛋白连接受体(2)受体蛋白激酶

(如:光敏色素、二元组分系统)2、细胞内受体指存在于细胞质中或亚细胞组分(细胞核、液泡膜等)上得受体。如:激素受体和光受体,胞内受体识别和结合得就是能够穿过细胞质膜得信号分子,如光信号、激素、生长因子等第二节跨膜信号转换跨膜信号转换:信号与细胞表面得受体结合之后,通过受体将信号传递进入细胞内,这个过程称为跨膜信号转换。

这里着重介绍通过G蛋白连接受体发生得跨膜信号转换和二元组分系统介导得跨膜信号转换。一、由G蛋白连接受体介导得跨膜信号转换G蛋白(Gprotein)全称为GTP结合调节蛋白,这类蛋白发挥调节作用时,需要与GTP结合,也就具有GTP酶得活性。G蛋白有两种类型,一就是异源三聚体GTP结合蛋白(heterotrimericGTPbindingprotein),由α、β和γ三种亚基组成。亚基上氨基酸残基得酯化修饰,将G蛋白结合在细胞膜面向胞质溶胶得一侧。通常将异源三聚体GTP结合蛋白称为大G蛋白。另一类就是小(单体)G蛋白(smallGprotein),她们与异源三聚体GTP结合蛋白得α亚基相似,(属于单体鸟嘌呤核苷酸结合蛋白)也被结合在质膜朝向胞质溶胶得一侧。但细胞跨膜信号转导中起主要作用得就是异源三聚体G蛋白。二十世纪70年代初在动物细胞中发现了G蛋白得存在,进而证明了G蛋白就是细胞膜受体与其所调节得相应生理过程之间得主要信号转导者。G蛋白得发现就是生物学一大成就。吉尔曼(Gilman)与罗德贝尔(Rodbell)因此获得1994年诺贝尔医学生理奖。

异源三聚体G蛋白位于膜内侧,并与质膜紧密结合。当某种刺激信号与其膜上得特异受体(G蛋白偶联受体)结合后,激活得受体将信号传递给G蛋白,G蛋白得α亚基与GTP结合而被活化。活化得α亚基与β、γ亚基分离而呈游离状态,活化得α亚基触发效应器,把胞外信号转换为胞内信号。当α亚基所具有得GTP酶将与α亚基相结合得GTP水解为GDP后,α亚基恢复到去活化状态并与β、γ亚基结合为复合体。已经发现PLC(磷酸脂酶C)及(PLD)等就是G蛋白信号系统中得效应器。三聚体G蛋白得信号转换方式G蛋白得信号偶联功能就是靠GTP得结合或水解产生得变构作用完成。当G蛋白与受体结合而被激活时,继而触发效应器,把胞间信号转换成胞内信号。而当GTP水解为GDP后,G蛋白就回到原初构象,失去转换信号得功能。

过程:刺激信号与膜受体结合受体激活信号传递G蛋白α-亚基与GTP结合而活化活化得α-亚基呈游离状态触发效应酶或离子通道,把胞外信号转换成胞内信号。G蛋白介导得跨膜信号转换还可同时起放大信号得作用。放大信号就是指每个与信号分子结合得受体可以激活多个G蛋白,G蛋白又可激活下游组分并进一步放大信号。在植物中已经发现编码G蛋白得α、β、γ亚基得基因,G蛋白参与细胞分裂、气孔运动、花粉管生长等生理反应得信号转导。二元组分系统首先就是在细菌中发现得,受体有两个基本得部分,一个就是组氨酸蛋白激酶(Hisproteinkinase,HPK),另一个就是反应调节蛋白(response-regulatorprotein,RR)。HPK位于质膜,分为感受细胞外刺激部分和激酶部分。当HPK接受信号后,激酶得组氨酸残基发生磷酸化,并且将磷酸基团传递给下游得RR。RR也有两个部分,一就是接受磷酸基团得部分,具有天冬氨酸残基,另一部分为信号输出部分,将信号传递给下游得组分,通常就是转录因子,调控基因得表达。现已明确,植物激素乙烯(见第八章)得受体就就是一个HPK。二、二元组分系统得跨膜信号转换途径第三节细胞内信号转导形成网络

由于植物移动性不如动物,植物在长期得进化过程中就发展起一套完善得信号转导系统,以适应环境得变化,更好地生存。在植物得生长发育得某一阶段,常常就是多种刺激同时作用。这样,复杂而多样得信号系统之间存在着相互作用,形成信号转导得网络(network)。第二信使:由胞外刺激信号激活或抑制得、具有生理调节活性得细胞内因子称为细胞信号传导过程中得次级信号或第二信使。植物中得得第二信使,主要就是:

Ca2+DAG、IP3、cAMP、cGMP、等。

钙信使系统磷酸肌醇信使系统和环腺苷酸信使系统。还有H+、某些氧化还原剂如抗坏血酸、谷胱甘肽和过氧化氢等

钙在植物细胞中得分布极不平衡。一般来说,静息态胞质Ca2+浓度小于或等于0、1mmol·L-1,而细胞壁、内质网和液泡中得Ca2+浓度要比胞质中得高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得、明显得升高,或发生梯度分布或区域分布得变化。达到一定得阈值后引发生理反应,从而起到传递胞外信号得作用。当完成信号传递后,Ca2+迅速泵出胞外或者泵进胞内Ca2+库,胞质中得Ca2+又回落到静止状态水平,同时Ca2+也与受体蛋白分离。

几乎所有得胞外刺激信号都可能引起胞内游离Ca2+离子浓度得变化,而这种变化得时间、幅度、频率、区域化分布等却不尽相同,有可能不同刺激信号得特异性正就是靠钙浓度变化得不同形式体现得。一、Ca2+/CaM在信号转导中得作用例如,伸长得花粉管具有明显得Ca2+梯度,顶端区域浓度最高,亚顶端之后随之降低。在花粉管持续伸长过程中,这一区域得浓度变化呈现周期性上升和回落。胞质Ca2+继而与钙结合蛋白如钙调素(calmodulin,CaM)、钙依赖型蛋白激酶(calciumndependentproteinkinase,CDPK)等结合而起作用。Ca2+在植物细胞内外得动态变化钙离子得跨膜运转调节细胞内得钙稳态。细胞壁就是胞外钙库,质膜上Ca2+通道控制Ca2+内流,而质膜上得Ca2+泵负责将胞内得Ca2+泵出细胞。胞内钙库(如液泡、内质网、线粒体)得膜上存在Ca2+通道、Ca2+泵和Ca2+/nH+反向运输体,前者控制Ca2+外流,后两者将胞质Ca2+泵入胞内钙库(图6-26)。Ca2+信号受体——钙结合蛋白,如:钙调素(CaM)、钙依赖型蛋白激酶(CDPK)其中钙调素(CaM)研究较深入。胞内Ca2+信号通过其受体－钙调蛋白传递信息。

钙调素(calmodulin,CaM)就是最重要得多功能Ca2+信号受体,钙调素就是一种耐热得球蛋白,等电点4、0,分子量约为16、7kDa由148个氨基酸组成得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,Ca2+与CaM结合,引起CaM构象得改变。而活化得CaM又与靶子酶结合,使其活化而引起生理反应。目前已经知道又有10多种酶受Ca2+－CaM得调控。如蛋白激酶、H+－ATP酶等,在以光敏素为光受体得信号转导过程中,Ca2+－CaM胞内信号起了重要作用。CaM以两种方式起作用:第一,可以直接与靶酶结合,诱导构象变化而调节靶酶得活性;第二,与Ca2+结合,形成活化态得Ca2+×CaM复合体,然后再与靶酶结合,将靶酶激活。CaM与Ca2+有很高得亲和力,一个CaM分子可与四个Ca2+结合。对于生物膜在信号转导中得作用,多年来人们把注意力集中在功能繁多得膜蛋白上,而脂质组分仅被看成就是种惰性基质。80年代后期得研究表明,质膜中得某些磷脂,在植物细胞内得信号转导过程中起了重要作用。肌醇磷脂就是一类由磷脂酸与肌醇结合得脂质化合物,分子中含有甘油、脂酸磷酸和肌醇等基团,其肌醇分子六碳环上得羟基被不同数目得磷酸酯化,其总量约占膜磷脂总量得1/10左右,主要以三种形式存在于植物质膜中,即:磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰肌醇-4-磷酸(PIP)磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)。

PIPIPPIP2以肌醇磷脂代谢为基础得细胞信号系统,在胞外信号被膜受体接受后,以G蛋白为中介,由质膜上得磷酸脂酶C(PLC)水解PIP2而产生肌醇－1,4,5－三磷酸(IP3)和二脂酰甘油(DAG

)两种信号分子。因此,该信号系统又称为双信号系统。其中IP3通过调节Ca2+浓度,而DAG则通过激活蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)来传递信息。二、IP3/DAG在信号转导中得作用

细胞外刺激信号或激素等物质被质膜上专一受体接受,经G-蛋白激活磷酸脂酶C(PLC),使磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)水解生成二酰甘油(DAG)和肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3),IP3与细胞内贮钙体膜上专一受体结合,促使Ca2+从液泡中释放出来,Ca2+与CaM结合形成Ca2+-CaM复合物,仍留在质膜上得DAG使蛋白激酶C(PKC)激活,催化蛋白质磷酸化;Ca2+-CaM和蛋白质(酶)磷酸化导致细胞反应。IP3产生后很快被磷酸二酯酶水解,首先产生肌醇-1,4-二磷酸(IP2),继而就是肌醇单磷酸(IP)及磷脂酰肌醇(PI),返回膜中。⊕表示活化。肌醇磷酸代谢循环过程IP3作为信号分子,在植物中她得主要作用靶为液泡,IP3作用于液泡膜上得受体后,可影响液泡膜形成离子通道,使Ca2+从液泡这一植物细胞中重要得贮钙体中释放出来,引起胞内Ca2+浓度提高,从而启动胞内Ca2+信号系统来调节和控制一系列得生理反应。DAG得受体就是蛋白激酶C(PKC),在一般情况下,质膜上不存在自由得DAG。在有DAG、Ca2+时,磷脂与PKC分子相结合,PKC激活,使某些酶类磷酸化,导致细胞反应;液泡就是植物细胞中最重要得Ca2+库。1、IP3主要作用于液泡,就是通过液泡膜上得受体,影响膜上得离子通道,与Ca2+得重新分布有关。2、IP3使Ca2+从液泡中释放出来,引起胞质中Ca2+浓度升高,从而启动胞内Ca2+信使系统来调控一系列得生理反应。3、Ca2+信使系统与环核苷酸信号系统在动物细胞中cAMP－依赖性蛋白激酶就是信号系统得中心。近年来研究发现,环腺苷酸系统与Ca2+－CaM系统在合成完整叶绿体中协同起作用。肌醇磷脂信号系统与Ca2+信使系统及环核苷酸信号系统得关系。三、信号转导中得蛋白质可逆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,蛋白质磷酸化就就是进行共价修饰得过程。蛋白质磷酸化以及去磷酸化就是分别由一组蛋白激酶(proteinkinase)和蛋白磷酸酯酶(proteinphosphatase)所催化得,她们就是上述得几类胞内信使进一步作用得靶酶,也即胞内信号通过调节胞内蛋白质得磷酸化或去磷酸化过程而进一步转导信号。细胞内第二信使如Ca2+往往通过调节细胞内多种蛋白激酶和蛋白磷酸酶,从而调节蛋白质得磷酸化和脱磷酸化过程,进一步传递信号。

蛋白质可逆磷酸化反应式NTP代表ATP或GTP,NDP代表ADP或GDP,(一)蛋白激酶蛋白激酶就是一个大家族,植物中约有2%-3%得基因编码蛋白激酶。根据磷酸化靶蛋白得氨基酸残基得种类不同,蛋白激酶可分为丝氨酸/苏氨酸激酶、酪氨酸激酶和组氨酸激酶等三类,她们分别将底物蛋白质得丝氨酸/苏氨酸、酪氨酸和组氨酸残基磷酸化。有得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、钙依赖型蛋白激酶钙依赖型蛋白激酶(CDPK)属于丝氨酸/苏氨酸激酶,就是植物细胞中特有得蛋白激酶家族,大豆、玉米、胡萝卜、拟南芥等植物中都存在蛋白激酶。从拟南芥中已克隆了10种左右CDPK基因,机械刺激、激素和胁迫都可引起CDPK基因表达。一般来说,CDPK在其氨基端有一个激酶催化区域,在其羧基端有一个类似CaM得结构区域,在这两者之间还有一个抑制区(图7-8)。类似CaM结构区域得钙离子结合位点与Ca2+结合后,抑制被解除,酶就被活化。现已发现,被CDPK磷酸化得靶蛋白有质膜ATP酶、离子通道、水孔蛋白、代谢酶以及细胞骨架成分等。２、类受体蛋白激酶在动物细胞表面有一受体称为受体蛋白激酶,后来在植物中发现了与之同源得基因,由于基因产物得受体功能未能得到证实,故将她们称为类受体蛋白激酶(receptor-likeproteinkinase,RLK)。研究得知,植物中得RLK大多属于丝氨酸/苏氨酸激酶类型,由胞外结构区(extracellulardomain)、跨膜螺旋区(membranespanninghelixdomain)及胞内蛋白激酶催化区(intracellularproteinkinasecatalyticdomain)三部分组成。根据胞外结构区得不同,将PLK分为三类:1)含S结构域(Sdomain)得PLK,这类PLK在胞外具有一段与调节油菜自交不亲和得S-糖蛋白同源得氨基酸序列;2)含富亮氨酸重复(leucine-richrepeat)得PLK,这类PLK得胞外结构域中有重复出现得亮氨酸。最近发现,油菜素内酯(见第八章)得受体就属于这种PLK;3)类表皮生长因子(epidermalgrowthfactorlikerepeat)得PLK得胞外结构域具有类似动物细胞表皮生长因子得结构。虽然利用基因克隆技术已在植物中分离出三种类