植物生理学教案第一章细胞信号转导

1、第一章细胞信号转导（ i nal ransd i )教学时数： 4 学时左右。教学目得与要求：使学生了解细胞信号转导得定义与内容;掌握受体与与跨膜信号转换得过程,植物细胞第二信使得种类及重要作用。教学重点 :细胞信号转导得定义、研究内容;受体与跨膜信号转换；细胞内得第二信使系统。教学难点 :细胞受体与跨膜信号转换。本章主要阅读文献资料:、翟中与编： 细胞生物学,高等教育出版社。2、王镜岩主编:生物化学（第三版 )，高等教育出版社.、宋叔文、汤章城主编:植物生理与分子生物学（第二版） ,科学出版社。4、王宝山主编:植物生理学 （ 2年版 )，科学出版社。本章讲授内容：生长发育就是基因在一定时间、

2、空间上顺序表达得过程，而基因表达除受遗传信息支配外 ,还受环境得调控。植物在整个生长发育过程中，受到各种内外因素得影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息并作出相应得反应,以确保正常得生长与发育。例如植物得向光性能促使植物向光线充足得方向生长，在这个过程中,首先植物体要能感受到光线,然后把相关得信息传递到有关得靶细胞，并诱发胞内信号转导，调节基因得表达或改变酶得活性例如 :光质光受体信号转导组分光调节基因向光性反应对于植物来讲,在生命活动得各个阶段都受到周围环境中各种因素得影响,例如温度、湿度、光、重力、病原微生物等等。有来自相邻细胞得刺激、细胞壁得刺激、激素等等刺激，连接环境刺激到植物反应得分

3、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，这种信息在胞间传递与胞内转导过程称为植物体内得信号传导。植物细胞信号转导(signal t ansdu ion ）主要研究植物感受、传导环境刺激得分子途径及其在植物发育过程中调控基因得表达与生理生化反应 ,即细胞耦联各种（内部或外源 )刺激信号与其引起得特定得细胞生理效应之间得一系列反应机制。植物细胞信号转导得模式生物体在不同得生长发育阶段,自身也不断产生各种信号，以调节其本身得生命进程,如激素、营养物质等。生物在受到各种信号刺激后产生一系列得生理生化变化.从信号刺激到生理生化变化就是一个非常复杂得过程，它包括信号 被

4、细胞各种受体(rece or)接受 转化为细胞内得特定得信息 传导至细胞内不同得效应子（ ef e or）.生物得信息传导就是生物学研究得一个重要领域,一直受到人们得普遍重视。一、环境刺激与胞外信号植物一生时刻处于大量得环境信号( 刺激 )中 ,例如，机械刺激、温度变化、光照、气体、重力、触摸、病原微生物等致病因子、污染物伤害、水分过多或不足等。当这些环境刺激作用于植物体得不同部位时，会发生胞间得信号传递。胞间信号包括物理得（电)信号与化学信号（生长物质等） 。人们认为环境刺激就是植物细胞信号转导过程中得初级信使(pri arymessenger),它可以通过诱发胞间信号(配体）得产生 再经细

5、胞受体与跨膜信号转换等将胞间信号在胞内（通过第二信使）进行放大与传递。化学信号(chemi l s gnals )细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生理反应得化学物质。植物激素就是植物体主要得胞间化学信号。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，引起叶片生长受抑与气孔导度得下降。而且ABA得合成与输出量也随水分胁迫程度得加剧而显著增加.这种随着刺激强度得增加,细胞合成量及向作用位点输出量也随之增加得化学信号物质称之为正化学信号（ posit echemicalsig al)。然而在水分胁迫时，根系合成与输出细胞分裂素（C

6、)得量显著减少,这样得随着刺激强度得增加, 细胞合成量及向作用位点输出量随之减少得化学信号物质称为负化学信号（ e at ve he ical si n l）。当植物得一张叶片被虫咬伤后，会诱导本叶与其它叶产生蛋白酶抑制物（)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P s。但如果将受害叶得细胞壁水解片段（主要就是寡聚糖）加到叶片中， 又可模拟伤害反应诱导PIs 得产生,从而认为寡聚糖就是由受伤叶片释放并经维管束转移,继而诱导能使PIs 基因活化得化学信号物质。物理信号 (ph s al signal ）指细胞感受到刺激后产生得能够起传递信息作用得电信号与水

7、力学信号.电信号传递就是植物体内长距离传递信息得一种重要方式，就是植物体对外部刺激得最初反应。 植物得电波研究较多得为动作电波（ acton po etia ,AP), 也叫动作电位， 它就是指细胞与组织中发生得相对于空间与时间得快速变化得一类生物电位。植物中动作电波得传递仅用短暂得冲击（如机械震击、电脉冲或局部温度得升降）就可以激发出来,而且受刺激得植物没有伤害，不久便恢复原状。一些敏感植物或组织（如含羞草得茎叶、攀缘植物得卷须等 )，当受到外界刺激，发生运动反应（如小叶闭合下垂、卷须弯曲等见录像）时伴有电波得传递。植物细胞对水力学信号(压力势得变化)很敏感。 玉米叶片木质部压力得微小变化就

8、能迅速影响叶片气孔得开度，即压力势降低时气孔开放，反之亦然。二、受体与跨膜信号转换(一 )细胞受体细胞受体 就是指存在于细胞膜、细胞内部或细胞器膜及内部得某些天然得化学物质。至今发现得受体绝大多数就是蛋白质 。它可特异识别信号并与其结合,然后将信号在细胞内放大、传递 启动一系列细胞内得生化反应 最终导致植物得形态变化。细胞受体具有特异性、高亲与性与可逆性等特征。位于细胞表面得受体称为细胞表面受体,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，将信号转入胞内，并进一步通过信号转导网络系统来传递与放大信号。位于亚细胞组分如细胞核、液泡膜上得受体叫做细胞内受体，一

9、些信号（如甾类物质）就是疏水性小分子 ,不经跨膜转换，而直接扩散入细胞，与细胞内受体结合，在细胞内进一步传递与放大 .由于受体与信号物质得结合就是细胞感应胞外信号，并将此信号转换为胞内信号得第一步，所以受体就是将胞外信号转换为胞内信号得关键。受体可特异识别信号并与其结合，然后将信号在细胞内放大，传递 启动一系列细胞内得生化变化 最终导致植物得形态变化.一般来说 ,胞间信号（配体）分子首先与细胞膜上得受体结合 经跨膜信号转换将胞外信号在在胞内通过第二信使放大并传递 然后引起细胞内得生理生化变化。也有一些信号可以进入细胞，与细胞内部得受体结合进一步调节基因转录等过程.（二）跨膜信号转换信号与细胞表

10、面得受体结合之后，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 .跨膜信号转换通过细胞膜上得受体与配体结合来实现。G 蛋白就是连接受体发生跨膜信号转换得重要物质之一。胞间信号从产生位点经上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换为胞内信号,然后再启动下游得各种信号系统,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。异三聚体 TP 结合蛋白 （简称 G 蛋白 )就是生物信息传导中得一个重要成员。G 蛋白就是一个庞大得家族， 几乎所有得真核生物都有G 蛋白 ,根据其亚基组分以及相对分子质量(Mr)大小得不同 ,G 蛋白分为两大类。一类就是异源三体G

11、蛋白 （ teror me ic rotein）;另一类就是小G 蛋白（ mal ot in），或者叫单体G 蛋白 (monom ric Gpro in) 。小 G 蛋白得 M 通常为 2030k。而异源三体蛋白就是由 、 、三个亚基组成。其中 亚基（ G)得 M 最大 ,在 4 k之间 , 亚基（ G)与亚基（ G）得 Mr 分别为 35 36 D 与 81 kD( 各书对其分子量得说法不一） 。也有人根据 G 蛋白得功能分类。异三聚体GTP 结合蛋白亚基上氨基酸残基得酯化修饰作用，经蛋白结合在细胞膜面向胞质溶液得一侧。受体蛋白得氨基端位于外侧，羧基端位于内侧,一条单肽链形成几个螺旋得跨膜结

12、构。羧基端具有与蛋白相互作用得区域，受体活化后直接将G 白激活 ,进行跨膜信号转换。异源三体 G 蛋白得 TP 结合位点在亚基 ( ）上 .G具有 G P 酶得活性， 还与受体相互作用。在分子结构上，小G 蛋白与异源三体G 蛋白 亚基有许多相似之处。它们都能结合 GTP 或 GDP，结合了 TP 之后都呈活化态，T 被水解成G P 后蛋白都呈非活化态.真核生物中蛋白研究得历史并不长。197年首次报道与G 蛋白有关得研究 ,大部分研究工作动物与低等真核生物（主要就是酵母）。大量实验结果表明 ,G 蛋白就是一类比较保守得调节蛋白，普遍存在于真核生物细胞中,在生物信息传导中起重要作用。人们相信，在植

13、物中也应当有G 蛋白得生物信息传导。证明蛋白在植物中存在，简单而直接得方法就是证明植物中有GTP 结合与 GP 水解得生化过程。as nma 等（ 1987)在黄化豌豆下胚轴中发现 GT 结合蛋白 .用同样得方法， 她们还检测到浮萍也有GTP 结合蛋白。 米勒 ( ille1 87)发现菠菜叶中有 T 结合蛋白，她们推测类囊体蛋白激酶得活力可能受G 蛋白得调节 . or lkov （ 1 90）认为，由于异源三体中得与小蛋白都有 GTP 酶活力 ,因此，测定细胞各组分GT酶活力也就是检测G 蛋白存在得一种方法。迄今为止，已在多种植物中发现了GTP 结合蛋白。如90 水稻， 1990 绿藻， 8

14、豌豆与浮萍，1 88 拟南芥、蚕豆、鸭跖草， 988西葫芦， 19 3 大麦， 198燕麦等 .还有一些结果表明，在有些植物中测得得GP 结合蛋白属于小G 蛋白，如绿藻（1 2、 993）、西葫芦（ 9）、豌豆（ 991、 1993）等。（但异源三体 G 蛋白得基因也已从不同得植物分离到。 ）克拉克 (Clak 3)发现豌豆核膜经红光照射 2min, TP 结合活性增加。 如果红光照射后 ,再用远红光照射 4min, 红光促进 GTP 结合得现象即消失。根据这一结果推测， G 蛋白很可能在光信息传导中起调节作用。 这一推测也得到了另一些实验室得一些实验结果得支持。已经知道花色素得合成与叶绿素

15、a/b 结合蛋白基因得表达需要光信号得诱导。扎伊娜等（ Z ina 9 )观察到，在水稻叶鞘中，吲哚乙酸处理可以促进细胞组分与GTPS得结合。（ G PS就是 GTP 得相似物， G 得 GT 结合位点能够识别 GTP，并能与 GTPS结合， 结合后蛋白呈活化状态 )。证明植物 G 蛋白可能在激素信号传导中起作用。F rly e et 等（ 9）发现，用GTPS处理蚕豆叶片后，保卫细胞向内(iwa d）得钾离子流降低，而用GD S处理，则可以增加内向得钾离子流。她们根据这一结果推测， G 蛋白对钾离子得内向流动有负调节作用.植物蛋白得研究起步较晚， 因此，对于植物蛋白在信息传导中得分子机理与生

16、理功能这些重要得方面知道得不多。G 蛋白自身得活化与非活化作为一种分子开关，将膜外得信号转换为膜内得信号并进一步放大信号G 蛋白参与跨膜得信号转换依赖于自身得活化与非活化状态得循环来实现。例如,在动物细胞中，非活化状态G 蛋白得 亚基上结合G P，当细胞受到环境刺激时，配体（即信号物质 )与受体结合 ,受体得构象发生变化，排斥GD ,结合 GP 而活化。活化后蛋白得亚基与、 亚基脱离 ,并与下游组分(如腺苷酸环化酶）结合，通过水解ATP 形成 cAMP（环腺苷酸）分子.同时它本身得TP 水解为 GDP, 亚基与腺苷酸环化酶并重新与、 结合 .即 G 蛋白得活化发生在信号物质与受体结合后，失活发

17、生在其完成任务后（第二信使分子形成后 )。活化 :信号物质受体 受体构象发生变化+ G 蛋白 受体 -蛋白复合体 G蛋白构象发生变化结合GTP 而活化失活 :活化得 G 蛋白+ 腺苷酸环化酶 激活腺苷酸环化酶 ATP AMP+ Pi 蛋白得G P 水解为 DP一个配体结合得受体可激活多个G 蛋白，每个 G 蛋白激活一个腺苷酸环化酶,每个腺苷酸环化酶又可催化形成大量得AMP. 这样使信号放大很多倍。cAMP作为第二信使进一步通过以后得信号转导途径传递与放大信号.（三）细胞内得第二信使系统如果把细胞外得各种刺激信号作为细胞信号转导过程中得初级信号或第一信使,那么则可把由胞外刺激信号激活或抑制得具有

18、生理调节活性得细胞内因子称为细胞信号转导过程中得次级信号或第二信使.胞外信号 跨膜转换第二信使传递与放大 引起细胞内得生理生化反应。1、钙离子（ Ca+ ）植物细胞内得游离钙粒子就是细胞信号转导过程中重要得第二信使,Ca2+在植物细胞内分布不均衡，一般情况下,静息态得植物细胞质中Ca2+浓度较低 ,而细胞壁、内质网、线粒体与液泡中Ca2+浓度则较高，因此细胞壁被称为胞外钙库,内质网、线粒体与液泡被称为胞内钙库。细胞受刺激后，细胞质中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，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

19、续伸长过程中,这一区域得浓度变化呈现周期性上升与回落.胞质 C 2+ 继而与钙结合蛋白如钙调蛋白（ CM ） ,钙依赖型蛋白（ DPK ）等结合起作用。注意 :钙通道与钙泵在质膜与胞内钙库膜上得运输方向相反。细胞质中 Ca2 得主要功能就是与钙结合蛋白结合，如钙调素（M ）、钙依赖型蛋白激酶等 .细胞信号反应过程中胞内外C 2+得相互作用质膜钙通道 :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a2Ca2 /nH+反向运输体 ,从细胞质向胞内钙库运送Ca2+植物细胞钙离子运输系统几乎所有得胞外刺激信号（如光照、温度、重力、触摸等物理信号与各种植物激素、病原菌诱

20、导因子等化学物质 )都可能引起胞内游离钙粒子浓度得变化，而这种变化得时间、幅度、频率、区域化分布等不尽相同，所以有可能不同刺激信号得特异性,可靠Ca2+浓度得不同形式化来体现.胞外刺激信号可能直接或间接地调节这些钙粒子得运输系统，引起胞内游离 Ca2+浓度变化，以致影响细胞得生理生化活性。如保卫细胞质膜上得内向钾离子通道可被钙离子抑制，而外向钾离子与氯离子通道则可被钙离子激活等.2、钙调素（ alm ulin ， aM)一种耐热得球蛋白，以两种方式起作用:）直接与酶结合，使酶活化;2）与 Ca2 结合 ,形成 2+?CM 复合物 ,然后再与酶结合使酶活化：（ n2+?Ca )m?E钙调素（ c

21、alm dulin,C M ）就是最重要得多功能Ca2+信号受体 ,由 148 个氨基酸组成得单链得小分子 (分子量为 7 00 19000) 酸性蛋白。 a分子有四个Ca2+结合位点 .当外2+（一般10-界信号刺激引起胞内 Ca 浓度上升到一定阈值后mol ），a 与 Ca结合 ,引起CaM 构象改变。而活化得C M 又与靶酶结合,使靶酶活化而引起生理反应。目前已知有十多种酶受 Ca2+ aM 得调控，如多种蛋白激酶、N D 激酶、 H+ T ase、 a2+ A P酶、 Ca2通道等。这些酶被激活后，参与细胞分裂、激素活化、运动、蛋白质磷酸化等过程 ,最终调节植物得生长发育。在以光敏色素

22、为受体得光信号传导过程中2+ Ca得信号系统也起着重要得调节作用.生长素、光、摩擦等都可引起CaM 基因活化 ,使 C M 含量增加。A 、钙调素呈哑铃形 ,长为 6、 nm,每个哑铃球就是有个Ca2+结合位点 ,长得中心螺旋形成哑铃柄 ,无 a2+ 结合时，两个球部沿着中心螺旋折叠.B、形成 C 2+-C M 复合体后 ,结合到靶酶上 .Ca + Ca复合体得形成使aM 与许多靶酶得亲与力大大提高.蔡南海实验室用光敏色素缺失得番茄单细胞突变系,研究了完整叶绿体中多种光系统色素蛋白质及酶基因到达所必需得光信号传导过程。将信号系统中各组分,如 phy 、G 蛋白激活剂，Ca2+及M 、 GMP

23、、 c P等以及它们得不同组合微注射入单细胞内,随后对叶绿体内多种色素蛋白与酶系在基因活化、转录、翻译三个水平进行观察，研究后发现：光刺激后， 上游得光敏色素与G 蛋白激活对完整叶绿体发育及花色素苷合成就是共同必须得；C 2+ a系统参与P捕光色素、A P 合成酶、 Rubisco 等光诱导产生，但不参与诱导花色素苷合成， 因而只形成不成熟得叶绿体；而在动物视觉系统细胞光感应中起重要作用得cGMP在植物花色素苷诱导中起决定作用，并与 a2+ C一起诱导P与Cy6/f得合成。3、三磷酸肌醇（osiol， 4,5tripho p te，IP3)IP 与DA 就是在环境信号（如光、激素等）刺激下，由

24、质膜内侧膜脂转变而来.I 3就是水溶性得,可从质膜扩散到细胞质,然后与内质网或液泡膜上得IP 3Ca2+通道结合， 使通道打开。 Ca2+ 迅速释放到细胞质，使胞质中Ca2+升高，引起生理反应。该过程，即IP3 促使 a2+库释放 a2+ 增加细胞质 a2+得信号转导，称为IP3 C 2 信号传递途径。4、二酯酰甘油（d a y l cerol, G）D G 就是脂溶性得 ,停留在膜上 ,与蛋白激酶（pr n kinase ， KC）结合并使其活化。进一步使其她激酶磷酸化，调节细胞得繁殖与分化等。该过程称为DAG/P 信号传递途径。5、环腺苷酸（ cAMP)动物细胞中重要得第二信使，植物细胞中

25、就是否存在，尚有争议。（四）信号转导中得蛋白质可逆磷酸化蛋白质可逆磷酸化就是指蛋白质得磷酸化与脱磷酸化作用，分别由蛋白激酶与蛋白磷酸酶催化完成。磷酸得供体与受体分别就是ATP 或 GT 与或GDP.蛋白质得磷酸化与脱磷酸化作用在细胞信号转导中有级联放大信号得作用.即蛋白激酶具有系列反应,前一个反应得产物就是后一个反应中得催化剂.每反应一步就使信号放大一次。、 蛋白激酶蛋白激酶可对其底物蛋白质所特定得氨基酸残基进行磷酸化修饰,从而引起相应得生理反应 ,以完成信号转导过程。此外,由于蛋白激酶得底物既可以就是酶，也可以就是转录因子因而它们既可以直接通过对酶得磷酸化修饰来改变酶得活性,也可以通过修饰转

26、录因子而激活或抑制基因得表达,从而使细胞对外来信号作出相应得反应。蛋白激酶就是个大家族，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,蛋白激酶有丝氨酸苏氨酸激酶、酪氨酸激酶与组氨酸激酶等类，它们分别将底物蛋白质丝氨酸苏氨酸、酪氨酸与组氨酸残基磷酸化。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，又可使酪氨酸磷酸化。在植物中 ,目前已知得蛋白激酶至少有30 多种 ,它们得作用也表现在多个方面,包括向光性、抗寒、抗病、根部得向地性、光合作用、自交不亲与性以及细胞分裂等.,3钙依赖型蛋白激酶:与Ca2 结合后被活化。蛋白激酶中研究得较多得就是最初从

27、大豆中得到得依赖于钙离子得蛋白激酶（calc m d pende t ro inkinase,C PK ），CDPK 有一与钙结合位点.一般来说 ,CDPK 在其氨基端有一个激酶活性域,在其羧基端有一个类似CM 得结构区域 ,在两者之间还有一个抑制域 .当位于 CD K 上类似 CaM 得结构区域上得钙离子结合位点与 a2+结合后 ,抑制被解除 ,酶就被活化。大豆、玉米、胡萝卜、拟南芥等植物中都存在这类蛋白激酶.现已知得可被C磷酸化得作用靶(或底物分子 )有细胞骨架成分、膜运输成分、离子通道、质膜上得质子ATP 酶等 .如从燕麦中分离出与质膜成分相结合得C K 成分可将质膜上得质子P 酶磷酸化 ,从而调节跨膜离子运输得调控.除 CDP类外 ,还有与光敏色素密切相关得钙依赖型蛋白激酶、同时受钙离子与钙调素调节得蛋白激酶等。近年来在水稻筛管汁液中也测出一个分子量为 00 高度磷酸化得蛋白质以及另一个分子量为6500，具有蛋白激酶活性得蛋白质,蛋白激酶得活性依赖于a2+得存在。筛管汁液内依赖C 2+得蛋白激酶得发现，说明筛管内存在着信号传导系统。许多植物得SE- C 复合体与周围细胞基本上就是共质体隔离得。它一方面在筛管液流中传递着激素等化学信号物质,另一方面又可凭细胞表面质膜上得受体接受外界刺激，进而改变筛管汁液