植物生理学教案11.doc

第十一次课授课题目（教学章、节或主题）：第七章 细胞信号转导 第一节 信号与受体结合 一、信号 二、受体在信号转导中的作用 第二节 跨膜信号 第三节 细胞内信号转导形成网络 一、Ca2+/CaM在信号转导中的作用 二、IP3/DAG在信号转导中的作用 三、信号转导中的蛋白质可逆磷酸化教学器材与工具多媒体设施、黑板与笔授课时间第11周周一第1-3 节教学目的、要求（例如识记、理解、简单应用、综合应用等层次）：1、理解信号与受体结合的过程。2、理解跨膜信号的转导过程。3、理解细胞内信号转导形成网络的过程。教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 基本内容第七章 细胞信号转导（signal transduction）植物细胞信号转导（signal transduction）是指细胞偶联各种刺激信号（包括各种内外源刺激信号）与其引起的特定生理效应之间的一系列分子反应机制。信号转导可以分为4个步骤，一是信号分子与细胞表面受体的结合；二是跨膜信号转换；三是在细胞内通过信号转导网络进行信号传递、放大与整合；四是导致生理生化变化（图7-1）。图7-1 植物细胞信号转导的模式第一节 信号与受体结合1 信号对植物体来讲，环境变化就是刺激，就是信号（signal）。根据信号分子的性质信号分为物理信号和化学信号；光、电等刺激属于物理信号，而激素、病原因子等属于化学信号。化学信号也称之为配体（ligand）（图7-2）。根据所处的位置信号，可分为胞外（胞间）信号和胞内信号。信号进入细胞后，最终引起生理生化变化和形态反应。例如，电波就是在植物体进行传递的物理信号。娄成后认为，植物受到外界刺激时可产生电波，通过维管束、共质体和外质体快速传递信息。又如，植物根尖合成的ABA，通过导管向上运送到叶片保卫细胞，引起气孔关闭，这个过程就是信号转导的过程。图7-2 外部信号对拟南芥植株生长和发育的影响二、受体在信号转导中的作用 受体（receptor）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的物质。细胞受体的特征是有特异性、高亲和力和可逆性。至今发现的受体大都为蛋白质。位于细胞表面的受体称为细胞表面受体（cell surface receptor）。在很多情况下，信号分子不能跨过细胞膜，它们必须与细胞表面受体结合，经过跨膜信号转换，将胞外信号传入胞内，并进一步通过信号转导网络来传递和放大信号。例如，细胞分裂素（见第八章）受体就是细胞表面受体。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（intracellular receptor）。一些信号（如甾类物质）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。目前已知的植物细胞表面受体主要有两种类型：一类是G蛋白连接受体(G-protein-linked receptor)，另一类是类受体蛋白激酶（receptor-like protein kinase）。G蛋白连接受体的氨基端位于细胞质膜外侧，一条单肽链形成几个（多数情况下是7个）跨膜的a-螺旋（transmembrane a helices）结构，与细胞质膜内侧的羧基端相连。羧基端具有与G蛋白相互作用的区域，当信号分子与受体结合而活化受体后，可直接激活G蛋白，进行跨膜信号转换（见第二节）。类受体蛋白激酶本身是一种酶蛋白，具有胞外感受信号的区域、跨膜区域和胞内的激酶区域。当胞外区域与信号分子结合时，激活胞内的激酶，将下游组分（靶蛋白）磷酸化而传递信号（见第三节）。光敏色素（见第八章）就是具有激酶性质的光受体，二元组分系统（two-component system,见第二节）也属于类受体蛋白激酶。第二节 跨膜信号转换信号与细胞表面的受体结合之后，通过受体将信号转导进入细胞内，这个过程称为跨膜信号转换（transmenbrame transduction）。这里着重介绍通过G蛋白联接受体发生的跨膜信号转换和二元组分系统（two-component system）介导的跨膜信号转换。G蛋白（G protein）也称为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酶的活性。G蛋白有两种类型，一是异源三聚体GTP结合蛋白（heterotrimeric GTP binding protein），由a、b和 g三种亚基组成。亚基上氨基酸残基的酯化修饰，将G蛋白结合在细胞膜面向胞质溶胶的一侧。通常将异源三聚体GTP结合蛋白称为G蛋白。另一类是小G蛋白（small G protein），或称为小GTPase，它们与异源三聚体GTP结合蛋白的a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的一侧。G蛋白介导的跨膜信号转换是依赖于自身的活化和非活化状态循环来实现的（图73），主要过程是这样：当细胞受到刺激，信号分子与膜上的G蛋白联接受体结合后，受体羧基端构象发生变化，与G蛋白结合形成受体-G蛋白复合体，使G蛋白a亚基构象发生变化，排斥GDP（二磷酸鸟苷），结合GTP（三磷酸鸟苷）而活化。而后，a亚基脱离b和 g 两个亚基，与下游组分结合，活化下游组分分子。此后，与GDP结合的a亚基又重新与其它两个亚基结合，完成一个循环。 图7-3 G蛋白参与的跨膜信号转换G蛋白介导的跨膜信号转换还可同时起放大信号的作用。放大信号是指每个与信号分子结合的受体可以激活多个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蛋白的a、b、g 亚基的基因，G蛋白参与细胞分裂、气孔运动、花粉管生长等生理反应的信号转导。目前还没有发现小G蛋白参与跨膜的信号转换，而小G蛋白参与信号传递，是受上游的鸟嘌呤核苷酸交换因子的活化，并将信号传递给下游的组分。小G蛋白结合GDP而钝化，结合GTP又活化，成为在植物信号网络中起着重要作用的分子开关。已知它们参与细胞骨架的运动、细胞扩大、根毛发育以及细胞极性生长的信号转导。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途径。二元组分系统首先是在细菌中发现的，受体有两个基本的部分，一个是组氨酸蛋白激酶（His protein kinase，HPK），另一个是反应调节蛋白（response-regulator protein，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。现已明确，植物激素乙烯（见第八章）的受体就是一个HPK。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，植物在长期的进化过程中就发展起一套完善的信号转导系统，以适应环境的变化，更好地生存。在植物的生长发育的某一阶段，常常是多种刺激同时作用。这样，复杂而多样的信号系统之间存在着相互作用，形成信号转导的网络（network）,也有人将这种相互作用称作“交谈（cross talk）”。通常将胞外信号视为初级信号（primary signal），经过跨膜转换之后，进入细胞，还要通过细胞内的信号分子或第二信使（secondary messenger）进一步传递和放大，最终引起细胞反应。经过研究，已发现了一系列第二信使如Ca2+、cAMP（环化单磷酸腺苷）、cGMP（环化单磷酸鸟苷）、H+、某些氧化还原剂如抗坏血酸、谷胱甘肽和过氧化氢等，其中对Ca2+ 的研究最为深入。一、Ca2+/CaM在信号转导中的作用一般来说，静息态胞质Ca2+浓度小于或等于0.1mmolL-1, 而细胞壁、内质网和液泡中的Ca2+浓度要比胞质中的高25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。例如，伸长的花粉管具有明显的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，这一区域的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（calciumn dependent protein kinase, CDPK）等结合而起作用。钙离子的跨膜运转调节细胞内的钙稳态（calcium homeostasis）。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+ 泵负责将胞内的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+/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7-4）。图7-4 植物细胞钙离子运输系统钙调素是一种耐热的球蛋白，等电点4.0, 分子量约为16.7 kDa。它是具148个氨基酸的单链多肽。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的活性；第二，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分子可与四个Ca2+结合。 nCa2+ + CaM Can2+ CaM* （1n4） mCan2+ CaM + E （Can2+ CaM）m E* 这里E代表酶，* 代表激活态 ，n 代表与CaM 结合的Ca2+分子数，m代表活化酶所需的CaM数。图7-5A是CaM的三维结构图，它呈哑铃形，长650 nm。每个哑铃球上有2个Ca2+结合位点，长的中心螺旋形成哑铃柄。形成Ca2+ CaM复合体后，就结合到靶酶上（图7-5B）。Ca2+ CaM复合体的形成使CaM与许多靶酶的亲和力大大提高。现已发现，生长素、光、风、雨等刺激都可引起CaM基因的活化，使CaM含量增加。图7-5 CaM的三维结构（A）和Ca2+ CaM复合体结合到靶酶上（B）Ca2+ CaM的下游靶酶包括质膜上的Ca2+-ATP酶、Ca2+通道、NAD激酶、多种蛋白激酶等。这些酶被激活后，参与蕨类植物的孢子发芽、细胞有丝分裂、原生质流动、植物激素的活性、向性、调节蛋白质磷酸化，最终调节细胞生长发育。植物细胞内、外都存在CaM，孙大业等（1994，1995）发现，细胞壁中的CaM促进细胞增殖、花粉管萌发和细胞长壁。除了CaM，植物细胞还有其他的钙结合蛋白，研究最多的是钙依赖型蛋白激酶（CDPKs），我们将在下面讨论。二、IP3/DAG在信号转导中的作用磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate,PIP2）是一种分布在质膜内侧的肌醇磷脂，占膜脂的极小部分。它是由PI（磷脂酰肌醇，phosphatidylinositol ）激酶和PIP（磷酯酰肌醇-4-磷酸，PI-4-phosphate）激酶先后催化下使PI和PIP磷酸化而形成的。PIP2在磷脂酶C（phospholipase C,PLC）的催化作用下，水解形成三磷酸肌醇（inositol 1,4,5-trisphosphate,IP3）和二酯酰甘油（diacylglycerol，DAG）（图7-6）。光和激素等刺激可引起这样的水解反应。IP3是水溶性的，它可从质膜扩散到胞质溶胶，以后与内质网膜或液泡膜上的IP3-门（gated）Ca2+通道结合，就使通道打开。液泡Ca2+浓度高，Ca2+就顺着浓度梯度由液泡迅速地释放出来，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是脂类，它仍留在质膜上，与蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）结合并使之激活。PKC进一步使其它激酶（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，再使其它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不清楚。胞外刺激使PIP2转化成IP3和DAG，引发IP3/ Ca2+和DAG/PKC两条信号转导途径，在细胞内沿两个方向传递，这样的信号系统称之为“双信号系统”（double signals system）。图7-6 IP3/ Ca2+和DAG/PKC双信号系统三、 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的一种普遍的翻译后修饰方式。蛋白质磷酸化与脱磷酸化分别由蛋白激酶（protein kinase ，PK）和蛋白磷酸酶（protein phosphatase ，PP）催化完成。前者催化ATP或GTP的磷酸基团转移到底物蛋白质的氨基酸残基上；后者催化逆转的反应（图7-7）。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，从而调节蛋白质的磷酸化和脱磷酸化过程，进一步传递信号。图7-7 蛋白质的可逆磷酸化反应式NTP代表ATP或GTP，NDP代表ADP或GDP促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）信号转导级联（MAPK signaling cascades）反应途径，是由MAPK、MAPKK和MAPKKK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。在植物细胞中，MAPK级联途径可参与生物胁迫、非生物胁迫、植物激素和细胞周期等信号的传导，被认为是一个普遍的信号传导机制。（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，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。、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，是植物细胞中特有的蛋白激酶家族，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的结构区域，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CDPK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。 图7-8 钙依赖型蛋白激酶的结构示意图、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的基因，由于基因产物的受体功能未能得到证实，故将它们称为类受体蛋白激酶（receptor-like protein kinase，RLK）。研究得知，植物中的RLK大多属于丝氨酸/苏氨酸激酶类型，由胞外结构区（extracellular domain）、跨膜螺旋区（membrane spanning helix domain）及胞内蛋白激酶催化区（ intracellular protein kinase catalytic domain）三部分组成。根据胞外结构区的不同，将PLK分为三类：1）含S结构域（S domain）的PLK，这类PLK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；2）含富亮氨酸重复（leucine-rich repeat）的PLK，这类PLK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（见第八章）的受体就属于这种PLK；3）类表皮生长因子（epidermal growth factor like repeat）的PLK的胞外结构域具有类似动物细胞表皮生长因子的结构。虽然利用基因克隆技术已在植物中分离出三种类受体蛋白激酶，但对它们的功能还了解不多，可能与调控花粉自交不亲和、病原信号转导以及生长发育相关。（二）、蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶的分类与蛋白激酶相对应。目前，对蛋白磷酸酶的研究还不如对蛋白激酶那样深入。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。例如，在动物细胞糖分解代谢中糖原磷酸化酶在蛋白激酶作用下磷酸化而被“激活”，在蛋白磷酸酶的作用下脱磷酸化而“失活”。两种酶的协同作用调节细胞中“活性酶”的含量，使细胞对外界刺激作出迅速的反应。小 结信号转导主要研究偶联各种刺激信号（包括各种内、外源刺激信号）与其引起的特定生理效应之间的一系列分子反应机制。化学信号分子也叫做配体。与信号特异结合并放大、传递信号的物质（蛋白质）就是受体。受体根据所处位置分为细胞内受体和细胞表面受体。G蛋白的活化和非活化循环是跨膜信号转换的分子开关，它将膜外的信号转换为膜内的信号并起放大作用。植物细胞还存在着二元信号组分系统，负责跨膜的信号转换和传递。细胞内第二信使有多种，Ca2+是研究最多的，也是重要的第二信使。细胞受到刺激后，胞质Ca2+浓度有一个短暂上升或浓度区域化、周期性变化。胞质Ca2+与胞内受